(57)【要約】【課題】微粉炭とアンモニアとを燃料として燃焼させるボイラにおいて窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する。【解決手段】複数のバーナＭ１１、Ｍ２１、Ｍ３１、Ｎ１１、Ｎ２１、Ｎ３１が二次元状に配置され、バーナＭ１１、Ｍ２１、Ｍ３１、Ｎ１１、Ｎ２１、Ｎ３１から燃料を噴射して燃焼させる燃焼器Ａであって、第１燃料であるアンモニアの噴射領域（アンモニア噴射領域Ｓａ）の周囲にアンモニアとは異なる第２燃料の噴射領域（微粉炭噴射領域Ｓｂ）が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバーナが二次元状に配置され、前記バーナから燃料を噴射して燃焼させる燃焼器であって、
第１燃料であるアンモニアの噴射領域の周囲に前記アンモニアとは異なる第２燃料の噴射領域が形成されることを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
複数の前記バーナは、第１燃料を噴射するバーナと、前記第１燃料を噴射するバーナの周りに配置される第２燃料を噴射するバーナとからなることを特徴とする請求項1に記載の燃焼器。
【請求項３】
個々の前記バーナは、内側と外側とで異なる燃料を噴射できるように形成され、前記内側から第１燃料を噴射し、前記外側から前記第２燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
【請求項４】
前記第２燃料は微粉炭であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃焼器を備えることを特徴とするボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器及びボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１〜３には、アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置が開示されている。燃焼の技術分野ではアンモニアは専ら還元剤として用いられているが、この燃焼装置は、燃焼ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を低減することを目的として水素キャリアとしてのアンモニアを燃料として用いるものである。また、この燃焼装置は、アンモニアあるいはアンモニアと天然ガスとの予混合ガスをガスタービンの燃焼器で燃焼させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１９１５０７号公報
【特許文献２】特開２０１５−１９０４６６号公報
【特許文献３】特開２０１５−０９４４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃焼器内の燃焼場は燃焼器の用途によって大幅に異なる。すなわち、ガスタービンの燃焼器における燃料場とガスタービン以外の燃焼器における燃料場とでは燃焼条件が大幅に異なっている。上記特許文献１〜３のうち、特許文献１では、アンモニアを燃料として燃焼させる際の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を目的としているが、ガスタービンを念頭に置いた特許文献１の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減手法は、上述した燃焼場の違いからガスタービン以外の燃焼器にそのまま適用することができない。
【０００５】
例えばボイラでは、二酸化炭素（ＣＯ２）削減の観点から石炭火力においてアンモニアを燃料として活用することが期待されている。しかしながら、アンモニアを燃料として用いた場合には、ガスタービンと同様に窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加が懸念される。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、微粉炭とアンモニアとを燃料として燃焼させるボイラにおいて窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、燃焼器に係る第１の解決手段として、複数のバーナが二次元状に配置され、前記バーナから燃料を噴射して燃焼させる燃焼器であって、第１燃料であるアンモニアの噴射領域の周囲に前記アンモニアとは異なる第２燃料の噴射領域が形成される、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、燃焼器に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、複数の前記バーナは、第１燃料を噴射するバーナと、前記第１燃料を噴射するバーナの周りに配置される第２燃料を噴射するバーナとからなる、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、燃焼器に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、個々の前記バーナは、内側と外側とで異なる燃料を噴射できるように形成され、前記内側から第１燃料を噴射し、前記外側から前記第２燃料を噴射する、という手段を採用する。
【００１０】
本発明では、燃焼器に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記第２燃料は微粉炭である、という手段を採用する。
【００１１】
本発明では、ボイラに係る解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段に係る燃焼器を備える、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、微粉炭とアンモニアとを燃料として燃焼させるボイラにおいて窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃焼器Ａ及び当該燃焼器Ａを備えるボイラの要部構成を示す正面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線における矢視図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃焼器Ｂ及び当該燃焼器Ｂを備えるボイラの要部構成を示す第１の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃焼器Ｂ及び当該燃焼器Ｂを備えるボイラの要部構成を示す第２の断面図（ａ）及び第３の断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本発明の第１実施形態に係る燃焼器Ａ及び当該燃焼器Ａを備えるボイラについて、図１及び図２を参照して説明する。
【００１５】
この第１実施形態に係るボイラは、火炉１、熱交換機器２、複数のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３、アンモニア供給装置３及び微粉炭供給装置４を要部として備えている。なお、これら複数の上記構成要素のうち、火炉１の一部（下部）及び複数のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３は、第１実施形態に係る燃焼器Ａを構成している。
【００１６】
火炉１は、垂直かつ筒状に設けられた炉壁によって構成され、燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させる炉体である。この火炉１では、燃料が燃焼することによって高温の燃焼ガスが発生する。このような火炉１の後段には、図示しない煙道が設けられている。上記燃焼ガスは、上記煙道を介して大気中に放出されるが、煙道を通過する間に窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫化物（ＳＯｘ）が除去される。なお、このような火炉１の底部には、燃料の燃焼によって発生する灰分を外部に排出する排出口１ａが設けられている。
【００１７】
熱交換機器２は、上記火炉１の上部や炉壁に設けられた複数の伝熱管から構成されており、内部に水が流通している。この熱交換機器２は、過熱器や再熱器等、ボイラに設けられる熱交換機器を総称するものであり、燃焼ガスが有する燃焼熱を伝熱管内の水と熱交換させることにより水蒸気を発生させる。
【００１８】
複数のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３は、火炉１の下部に二次元状かつ対向配置されており、火炉１内に燃料を噴射して燃焼させる。図示しないが、火炉１には複数のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３から噴射された燃料を着火させる着火装置が設けられている。各バーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３から火炉１内に噴射された燃料は、上記着火装置の働きによって着火して燃焼する。
【００１９】
アンモニア供給装置３は、上記複数のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３にアンモニアを第１燃料として供給する一方の燃料供給装置である。微粉炭供給装置４は、上記複数のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３に微粉炭を第２燃料として供給する他方の燃料供給装置である。すなわち、第１実施形態に係るボイラは、アンモニア供給装置３及び微粉炭供給装置４という２つの燃料供給装置を備えている。
【００２０】
アンモニア（第１燃料）は、分子式（ＮＨ３）によって示されるように水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）との化合物であり、常温で気体の物質である。このアンモニア（第１燃料）は、難燃性の物質として知られるものの、メタン（ＣＨ３）と同様に３つの水素原子を有する水素キャリア物質である。微粉炭（第２燃料）は、石炭を粉砕機（ミル）によって所定粒径以下に粉砕した粉末状の物質であり、ボイラ用の燃料として一般的に使用されている。
【００２１】
上記複数のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３についてさらに詳しく説明すると、本第１実施形態に係る燃焼器Ａでは、火炉１の下部において垂直姿勢で平行に対向する炉壁のうち、一方に９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３が設けられ、他方に同じく９個のバーナＮ１１〜Ｎ３３が設けられている。各々９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３は、何れも上下方向に三段、左右方向に三列、つまり二次元状に設けられている。
【００２２】
すなわち、各々９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３のうち、各々３個のバーナＭ１１〜Ｍ１３、Ｎ１１〜Ｎ１３は上段に設けられ、各々３個のバーナＭ２１〜Ｍ２３、Ｎ２１〜Ｎ２３は中段に設けられ、各々３個のバーナＭ３１〜Ｍ３３、Ｎ３１〜Ｎ３３は下段に設けられている。また、これら９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３のうち、各々３個のバーナＭ１１〜Ｍ３１、Ｎ１１〜Ｎ３１は、火炉１の外側から見た場合に右側に位置し、各々３個のバーナＭ１２〜Ｍ３２、Ｎ１２〜Ｎ３２は中央に位置し、各々３個のバーナＭ１３〜Ｍ３３、Ｎ１３〜Ｎ３３は左側に位置する。
【００２３】
上段に位置する各々３個の各バーナＭ１１〜Ｍ１３、Ｎ１１〜Ｎ１３は何れも同一高さに設けられ、中段に位置する各々３個の各バーナＭ２１〜Ｍ２３、Ｎ２１〜Ｎ２３は何れも同一高さに設けられ、下段に位置する各々３個の各バーナＭ３１〜Ｍ３３、Ｎ３１〜Ｎ３３は何れも同一高さに設けられている。また、右側に位置する各々３個のバーナＭ１１〜Ｍ３１、Ｎ１１〜Ｎ３１は上下方向に一列に設けられ、中央に位置する各々３個のバーナＭ１２〜Ｍ３２、Ｎ１２〜Ｎ３２は上下方向に一列に設けられ、左側に位置する各々３個のバーナＭ１３〜Ｍ３３、Ｎ１３〜Ｎ３３は上下方向に一列に設けられている。すなわち、各々９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３は、火炉１の鉛直面に直交配置されている。
【００２４】
また、各々９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３のうち、符号の数字が同一のもの同士は、互いに対向する位置関係になっている。すなわち、バーナＭ１１とバーナＮ１１とは同一水平面内において対向し、バーナＭ１２とバーナＮ１２とは同一水平面内において対向し、バーナＭ１３とバーナＮ１３とは同一水平面内において対向し、バーナＭ２１とバーナＮ２１とは同一水平面内において対向し、バーナＭ２２とバーナＮ２２とは同一水平面内において対向し、バーナＭ２３とバーナＮ２３とは同一水平面内において対向し、またバーナＭ３１とバーナＮ３１とは同一水平面内において対向し、バーナＭ３２とバーナＮ３２とは同一水平面内において対向し、バーナＭ３３とバーナＮ３３とは同一水平面内において対向している。
【００２５】
このように火炉１に配置された各々９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３には、２種類の燃料、つまりアンモニア（第１燃料）及び微粉炭（第２燃料）が供給されるが、アンモニア（第１燃料）は、少なくとも微粉炭（第２燃料）の内側に供給される。すなわち、個々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３は、内側と外側とで異なる燃料を噴射できるように形成されている。
【００２６】
例えば、個々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３は三重管状に形成されており、内側管にアンモニア（第１燃料）が供給され、中央管に微粉炭（第２燃料）が供給され、外側管に燃焼用空気が供給される。したがって、火炉１内には、図示するように各々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３について、アンモニア（第１燃料）の噴射領域（アンモニア噴射領域Ｓａ）の周囲に微粉炭（第２燃料）の噴射領域（微粉炭噴射領域Ｓｂ）が形成される。
【００２７】
続いて、本第１実施形態に係る燃焼器Ａ及びボイラの動作について詳しく説明する。
この燃焼器Ａ及びボイラでは、各々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３にアンモニア供給装置３からアンモニア（第１燃料）が供給され、また微粉炭供給装置４から微粉炭（第２燃料）が供給される。
【００２８】
そして、各々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３から火炉１内にアンモニア（第１燃料）及び微粉炭（第２燃料）が噴射されて燃焼することにより、火炉１内に燃焼熱を伴った燃焼ガスが発生する。そして、この燃焼ガスが火炉１内を上昇して熱交換機器２に作用することにより、燃焼ガスの燃焼熱によって水が気化して水蒸気が発生する。ボイラは、このようにして発生させた水蒸気を発電機等の外部機器に供給する。なお、熱交換機器２と熱交換された後の燃焼ガスは、火炉１から煙道を経由して外気に放出される。
【００２９】
ここで、本第１実施形態に係る燃焼器Ａ及びボイラでは、各々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３は、アンモニア噴射領域Ｓａの周りに微粉炭噴射領域Ｓｂが形成されるようにアンモニア（第１燃料）及び微粉炭（第２燃料）を火炉１内に噴射する。周知のようにアンモニア（第１燃料）は、微粉炭（第２燃料）よりも燃焼性が低く、一般に燃え難いが、燃焼性に優れた微粉炭（第２燃料）がアンモニア（第１燃料）より先行して燃焼することにより、火炉１内に噴射されたアンモニア（第１燃料）の周囲には、微粉炭（第２燃料）の燃焼によって発生する高温度領域Ｓｋが形成される。
【００３０】
この高温度領域Ｓｋは、アンモニア（第１燃料）の熱分解を促進し、アンモニア（第１燃料）の酸化（ＮＯｘ化）を抑制する。すなわち、上記高温度領域Ｓｋはアンモニア（第１燃料）に対して還元領域として機能するものであり、アンモニア（第１燃料）は、高温度領域Ｓｋに曝されることにより、水素ガス（Ｈ２）と窒素ガス（Ｎ２）とに熱分解し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が抑制される。このような高温度領域Ｓｋのアンモニア（第１燃料）に対する還元作用は、アンモニア（第１燃料）と微粉炭（第２燃料）との混合燃焼実験によっても確認されており、燃焼温度を高くする程に窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成率が低下することが確認されている。
【００３１】
このような第１実施形態によれば、各々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３において、アンモニア噴射領域Ｓａの周りに微粉炭噴射領域Ｓｂが形成されるようにアンモニア（第１燃料）及び微粉炭（第２燃料）を噴射する燃焼器Ａをボイラに採用するので、アンモニア（第１燃料）を燃料として燃焼させるに際して窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することが可能である。
【００３２】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る燃焼器Ｂ及び当該燃焼器Ｂを備えるボイラについて、図３及び図４を参照して説明する。なお、図３及び図４では、上述した図１及び図２に示した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付している。
【００３３】
本第２実施形態に係る燃焼器Ｂは、第１実施形態に係る燃焼器Ａと同一の構成要素を備えているが、各々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３に対するアンモニア（第１燃料）及び微粉炭（第２燃料）の供給が第１実施形態に係る燃焼器Ａとは異なっている。
【００３４】
すなわち、図３、図４（ａ）及び図４（ｂ）を対比すると分かるように、本第２実施形態に係る燃焼器Ｂは、一方側の炉壁に設けられた９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３は、アンモニア（第１燃料）を噴射するバーナＭ２２と、アンモニア（第１燃料）を噴射するバーナＭ２２の周りに配置される微粉炭（第２燃料）を噴射するバーナＭ１１〜Ｍ２１、Ｍ２３〜Ｍ３３とからなる。また、他方側の炉壁に設けられたバーナＮ１１〜Ｎ３３は、アンモニア（第１燃料）を噴射するバーナＮ２２と、アンモニア（第１燃料）を噴射するバーナＮ２２の周りに配置される微粉炭（第２燃料）を噴射するバーナＮ１１〜Ｎ２１、Ｎ２３〜Ｎ３３とからなる。
【００３５】
また、上記一方側の炉壁において、内側のバーナＭ２２を取り囲む外側のバーナＭ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１〜Ｍ３３からは微粉炭（第２燃料）を火炉１内に噴射する。また、上記他方側の炉壁において内側のバーナＮ２２を取り囲む外側のバーナＮ１１〜Ｎ１３、Ｎ２１、Ｎ２３、Ｎ３１〜Ｎ３３からは微粉炭（第２燃料）を火炉１内に噴射する。
【００３６】
このような本第２実施形態に係る燃焼器Ｂでは、図４（ａ）に示すように、２つのバーナＭ２２、Ｎ２２からアンモニア（第１燃料）が噴射されることによって、火炉１内のバーナＭ２２、Ｎ２２に対応する位置にはアンモニア噴射領域Ｓａが形成され、また図３及び図４（ａ）、（ｂ）に示すように他のバーナＭ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ１３、Ｎ２１、Ｎ２３、Ｎ３１〜Ｎ３３から微粉炭（第２燃料）が噴射されることによって、火炉１内のバーナＭ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ１３、Ｎ２１、Ｎ２３、Ｎ３１〜Ｎ３３に対応する位置には、微粉炭噴射領域Ｓｂが形成される。
【００３７】
そして、アンモニア噴射領域Ｓａの周囲には、微粉炭噴射領域Ｓｂの微粉炭（第２燃料）が燃焼することによって高温度領域Ｓｋが形成される。この高温度領域Ｓｋは、第１実施形態に係る燃焼器Ａの場合と同様に、アンモニア噴射領域Ｓａのアンモニア（第１燃料）に対して還元作用を呈する還元領域である。すなわち、アンモニア噴射領域Ｓａが高温度領域Ｓｋ（還元領域）内に位置することによって、アンモニア（第１燃料）は燃焼用空気に含まれる酸素によって酸化させることなく、還元処理されて水素ガス（Ｈ２）と窒素ガス（Ｎ２）とに熱分解する。
【００３８】
このような第２実施形態によれば、アンモニア（第１燃料）を噴射する２つのバーナＭ２２、Ｎ２２の周りに微粉炭（第２燃料）を噴射する他のバーナＭ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ１３、Ｎ２１、Ｎ２３、Ｎ３１〜Ｎ３３が配置された燃焼器Ｂを採用するので、微粉炭とアンモニア（第１燃料）とを燃料として燃焼させるボイラにおいて窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することが可能である。
【００３９】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、第２燃料として微粉炭を採用したが、本発明はこれに限定されない。第２燃料として、微粉炭以外の燃料を採用してもよい。例えば微粉炭に代えて種々のバイオマスを第２燃料としてもよい。
【００４０】
（２）上記各実施形態では、ボイラの燃焼器Ａ、Ｂに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、二次元状に配置される複数のバーナを備える燃焼器であれば、ボイラ以外にも適用可能である。
【００４１】
（３）上記各実施形態では、火炉１の下部において平行に対向する炉壁に各々９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３を設けたが、本発明はこれに限定されない。本発明における複数のバーナの個数は９個以外でもよく、また配置は二次元状に配置されていれば直交配置でなくてもよい。例えば同心円状に設けてもよい。
【００４２】
（４）上記各実施形態では、火炉１の下部において平行に対向する炉壁について、各々９個のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３のうち符号の数字が同一のもの同士を互いに対向する位置関係に配置したが、本発明はこれに限定されない。符号の数字が同一のもの同士をオフセットさせて配置してもよい。
【００４３】
（５）上記第１実施形態では個々のバーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３を三重管状 に形成したが、本発明はこれに限定されない。バーナＭ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３の構造としては二重状の管状であれば十分である。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ、Ｂ  燃焼器
Ｍ１１〜Ｍ３３、Ｎ１１〜Ｎ３３  バーナ
Ｓａ  アンモニア噴射領域
Ｓｂ  微粉炭噴射領域
Ｓｋ  還元領域
１  火炉
２  熱交換機器
３  アンモニア供給装置
４  微粉炭供給装置
【図１】
2018138863.tif 000003
【図２】
2018138863.tif 000004
【図３】
2018138863.tif 000005
【図４】
2018138863.tif 000006