(57)【要約】【課題】燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつＮＯｘ濃度の低減を図ることができる火力発電プラント、ボイラ又はボイラの改造方法を提供する。【解決手段】ボイラは、火炉と、アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するための第１アンモニア分解装置と、火炉と第１アンモニア分解装置とに接続された水素含有燃料供給ラインと、を備える。ボイラは、第１アンモニア分解装置で生成された水素を含み、且つ、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下である水素含有燃料が水素含有燃料供給ラインを介して火炉に供給され、該火炉内で燃焼されるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炉と、
アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するための第１アンモニア分解装置と、
前記火炉と前記第１アンモニア分解装置とに接続された水素含有燃料供給ラインと、
を備え、
前記第１アンモニア分解装置で生成された前記水素を含み、且つ、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下である水素含有燃料が前記水素含有燃料供給ラインを介して前記火炉に供給され、該火炉内で燃焼されるように構成されたボイラ。
【請求項２】
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記第１アンモニア分解装置から前記火炉に向かうガス中の残留アンモニアを分離するためのアンモニア分離装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
【請求項３】
前記水素含有燃料供給ラインにおける前記アンモニア分離装置の下流側と前記第１アンモニア分解装置の入口側とに接続され、前記アンモニア分離装置で分離された前記残留アンモニアを前記第１アンモニア分解装置の入口側に戻すためのリサイクル流路をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記水素含有燃料中のアンモニア濃度を検出するための第１アンモニアセンサと、
前記アンモニア分離装置をバイパスするように前記アンモニア分離装置の上流と下流とに接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、前記アンモニア分離装置をバイパスするガス流量を調節するためのバイパス弁と、
前記第１アンモニアセンサ及び前記バイパス弁と電気的に接続され前記第１アンモニアセンサの検出結果に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御するための第１コントローラと、
を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載のボイラ。
【請求項５】
前記火炉は、
前記火炉で生成された燃焼ガスを導くための煙道をさらに備え、
前記第１アンモニア分解装置は、前記煙道内に設けられることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のボイラ。
【請求項６】
前記第１アンモニア分解装置は、
アンモニアを含む燃料の一部を部分酸化条件下で燃焼させるための第１燃焼部と、
前記第１燃焼部において生成した燃焼熱を用いて、前記アンモニアを分解するように構成された第１分解部と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のボイラ。
【請求項７】
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記第１アンモニア分解装置から前記火炉に向かうガス中の残留アンモニアをさらに分解するための第２アンモニア分解装置をさらに備え、
前記第２アンモニア分解装置は、
前記第１アンモニア分解装置から前記火炉に向かう前記ガスの一部を部分酸化条件下で燃焼させるための第２燃焼部と、
前記第２燃焼部において生成した燃焼熱を用いて、前記残留アンモニアを分解するように構成された第２分解部と、
を含むことを特徴とする請求項５に記載のボイラ。
【請求項８】
燃料を前記火炉内で燃焼させるためのバーナと、
前記バーナに化石燃料を供給するための第１燃料供給ラインと、をさらに備え、
前記水素含有燃料供給ラインは、前記第１アンモニア分解装置および前記第１燃料供給ラインに接続され、前記第１燃料供給ライン内の前記化石燃料に前記第１アンモニア分解装置で生成された前記水素を混入させるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のボイラ。
【請求項９】
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記水素含有燃料中のアンモニア濃度を検出するための第２アンモニアセンサと、
前記第１アンモニア分解装置に供給されるアンモニア燃料の流量を調節するための燃料流量調節部と、
前記第２アンモニアセンサ及び前記燃料流量調節部と電気的に接続され、前記第２アンモニアセンサの検出結果に基づいて、前記燃料流量調節部を制御するための第２コントローラと、
を備えることを特徴とする請求項８に記載のボイラ。
【請求項１０】
前記第１アンモニア分解装置から流出したガスの一部を前記第１アンモニア分解装置の入口に再循環させるための再循環流路と、
前記再循環流路に設けられ、前記第１アンモニア分解装置の前記入口への前記ガスの再循環量を調節するための流量調節弁と、
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記水素含有燃料中のアンモニア濃度を検出するための第３アンモニアセンサと、
前記流量調節弁及び前記第３アンモニアセンサと電気的に接続され、前記第３アンモニアセンサの検出結果に基づいて、前記流量調節弁の開度制御を行う第３コントローラと、
を備えることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のボイラ。
【請求項１１】
アフターエアポートを備えた火炉と、
アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するための第１アンモニア分解装置と、
前記火炉と前記第１アンモニア分解装置とに接続された水素含有燃料供給ラインと、
を備え、
前記第１アンモニア分解装置で生成された前記水素を含む水素含有燃料が前記水素含有燃料供給ラインを介して前記火炉に供給され、該火炉内で燃焼されるように構成されたボイラ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項に記載のボイラと、
前記ボイラで生成された蒸気により駆動される蒸気タービンと、
を備えることを特徴とする火力発電プラント。
【請求項１３】
火炉と、化石燃料を前記火炉内で燃焼させるためのバーナと、前記バーナに前記化石燃料を供給するための第１燃料供給ラインと、を備えるボイラの改造方法であって、
アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するための第１アンモニア分解装置を設置するステップと、
前記水素及び前記化石燃料を含み、かつ、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下である水素含有燃料が前記火炉に供給されるように、前記第１アンモニア分解装置からのガスが流れる第２燃料供給ラインを前記第１燃料供給ラインに接続するステップと、を備える
ことを特徴とするボイラの改造方法。
【請求項１４】
前記第１アンモニア分解装置は、
アンモニアを含む燃料の一部を部分酸化条件下で燃焼させるための第１燃焼部と、
前記第１燃焼部において生成した燃焼熱を用いて、前記アンモニアを分解するように構成された第１分解部と、
を含む請求項１３に記載のボイラの改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電プラント、ボイラ及びボイラの改造方法の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、火力発電プラントにおいては、地球環境への影響を考慮して、二酸化炭素排出量を削減することが課題となっており、化石燃料の消費量削減や化石燃料に代わるエネルギー資源への転換が図られている。このような低炭素社会に向けた環境に優しい新たなエネルギー資源として、炭素を含有しないため燃焼時に二酸化炭素を生じることがないアンモニア及び水素が注目されている。この中でもアンモニアは、貯蔵や輸送技術が確立されているため、将来のエネルギーのキャリア媒体として有望とされており、将来産ガス国で天然ガスからアンモニアを製造して発生する二酸化炭素を、例えば、石油増進回収技術（ＥＯＲ）や二酸化炭素回収貯留技術（ＣＣＳ）で地中に貯留することができれば二酸化炭素を排出しないエネルギーとして注目される。
【０００３】
かかるアンモニアを用いた技術として、特許文献１には尿素を燃料とするカーボンフリーの水素リッチアンモニアの製造方法や次世代カーボンフリーボイラに関する技術が開示されている。具体的には、尿素水を供給する尿素水供給源、尿素水を加水分解してアンモニアを生成するとともにアンモニアの一部を水素と窒素とに転化して水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクター、燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させてボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナ、及び、アンモニアの残部と水素リッチガスとの混合ガスを水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ライン、等を用いて燃焼用空気と水素リッチアンモニアとを燃焼させる。そして、発生した熱により生成した高圧蒸気により蒸気タービンを作動させて発電機を駆動する。
また、ボイラではないが、アンモニアを燃料とし、内燃機関の燃焼排ガスの熱エネルギーを回収して燃焼性を改善する技術が特許文献２に開示されている。また、特許文献３にはアンモニアを燃料として外部からの熱供給によらずに分解する方法としてオートサーマル法や未反応のアンモニアを分離する方法として吸脱着による方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３１５４９２号公報
【特許文献２】特開平５−３３２１５２号公報
【特許文献３】特開２０１５−５９０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、アンモニアは難燃性で燃焼速度が遅く、ボイラの燃料として使用する場合は未燃アンモニアが排出されたり、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加したりすることが知られている。
この点、特許文献１に記載のボイラは、火炉内に水素リッチアンモニアを供給するように構成されているが、水素リッチアンモニアが未転化分のアンモニアを含んでいる可能性があり、その程度によっては必ずしも火炉出口における実際の未燃アンモニアやＮＯｘ排出量を好適に低減し切れないという問題がある。このため、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制やＮＯｘ濃度の低減を図ることができる火力発電プラント又はボイラの開発が望まれていた。
【０００６】
上記事情に鑑み、本発明における幾つかの実施形態では、上述した課題の少なくとも一つを解決することを目的とし、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつＮＯｘ濃度の低減を図ることができる高効率かつ経済的な火力発電プラント、ボイラ又はボイラの改造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るボイラは、
火炉と、
アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するための第１アンモニア分解装置と、
前記火炉と前記第１アンモニア分解装置とに接続された水素含有燃料供給ラインと、
を備え、
前記第１アンモニア分解装置で生成された前記水素を含み、且つ、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下である水素含有燃料が前記水素含有燃料供給ラインを介して前記火炉に供給され、該火炉内で燃焼されるように構成される。
なお、ここでの「アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値」は、アンモニア分解装置に供給したアンモニアのモル流量に対する、アンモニア分解装置出口のアンモニアのモル流量（リークアンモニア）とＮＯｘのモル流量の合計の比率を意味する。
「アンモニア分解装置出口におけるアンモニア及びＮＯｘのモル比率」は、例えば、アンモニア分解装置に供給するアンモニアの供給速度（流速）やアンモニア分解装置内での滞留時間と該アンモニア分解装置の性能から予め算出された相関関係に基づき求めてもよいし、アンモニア分解装置の出口側にアンモニアセンサ及び／又はＮＯｘセンサを設けることで検出してもよい。
上記（１）の構成によれば、第１アンモニア分解装置においてアンモニアを予め分解して得られる水素を含む水素含有燃料を、水素含有燃料供給ラインを介して火炉に供給するようにしたので、アンモニアの燃料としての使用に起因する未燃アンモニアの排出やＮＯｘ濃度の増加を抑制できる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。特に、火炉に供給される水素含有燃料のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下（望ましくは１％以下）にすることで、水素含有燃料中に残留するアンモニアの火炉内での燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘの発生を抑制できるから、ＮＯｘ濃度を効果的に低減できる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のボイラにおいて、
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記第１アンモニア分解装置から前記火炉に向かうガス中の残留アンモニアを分離するためのアンモニア分離装置をさらに備えてもよい。
上記（２）の構成によれば、第１アンモニア分解装置のみでは十分にアンモニアを分解できない場合であっても、アンモニア分離装置により残留アンモニアを分離することで、火炉への供給前に水素含有燃料中のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下に低減することができる。よって、アンモニアの燃焼に起因した未燃アンモニアの排出やＮＯｘの発生を抑制できる。
【０００９】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載のボイラにおいて、
前記水素含有燃料供給ラインにおける前記アンモニア分離装置の下流側と前記第１アンモニア分解装置の入口側とに接続され、前記アンモニア分離装置で分離された前記残留アンモニアを前記第１アンモニア分解装置の入口側に戻すためのリサイクル流路をさらに備えてもよい。
上記（３）の構成によれば、リサイクル流路を介してアンモニア分離装置で分離したアンモニアを第１アンモニア分解装置の入口側に戻すことで、アンモニアの全量を燃料として有効活用できる。
【００１０】
（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）に記載のボイラにおいて、
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記水素含有燃料中のアンモニア濃度を検出するための第１アンモニアセンサと、
前記アンモニア分離装置をバイパスするように前記アンモニア分離装置の上流と下流とに接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、前記アンモニア分離装置をバイパスするガス流量を調節するためのバイパス弁と、
前記第１アンモニアセンサ及び前記バイパス弁と電気的に接続され前記第１アンモニアセンサの検出結果に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御するための第１コントローラと、を備えてもよい。
上記（４）の構成によれば、火炉に供給される水素含有燃料中のアンモニア濃度が第１アンモニアセンサで検出され、検出結果が第１コントローラに入力される。そして、第１アンモニアセンサからの検出結果に基づき、第１コントローラがバイパス弁の開度を制御し、アンモニア分離装置のバイパス流量が調整される。このため、例えば、第１アンモニア分解装置から水素含有燃料供給ラインに供給される水素含有燃料中のアンモニア濃度が十分に低い場合は、アンモニア分離装置を通すことなくバイパス流路を介して水素含有燃料を火炉に供給することができる。これによって、アンモニア分離装置の負荷を低減できるとともに、水素含有燃料を効率良く火炉に供給することができる。
【００１１】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか１つに記載のボイラにおいて、
前記火炉は、
前記火炉で生成された燃焼ガスを導くための煙道をさらに備え、
前記第１アンモニア分解装置は、前記煙道内に設けられてもよい。
上記（５）の構成によれば、第１アンモニア分解装置におけるアンモニアの分解に必要な熱源として煙道を流れる高温の燃焼ガスを利用することができるので、アンモニアの分解反応を促進することができる。
【００１２】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか１つに記載のボイラにおいて、
前記第１アンモニア分解装置は、
アンモニアを含む燃料の一部を部分酸化条件下で燃焼させるための第１燃焼部と、
前記第１燃焼部において生成した燃焼熱を用いて、前記アンモニアを分解するように構成された第１分解部と、を含んでもよい。
上記（６）の構成によれば、第１アンモニア分解装置におけるアンモニアの分解に必要な熱源をボイラから得るのではなく、例えば、軽油等の助燃燃料及びアンモニアを含む燃料の燃焼により得ることができるので、既存のボイラに対して第１アンモニア分解装置を小規模な工事で追加設置することができる。また、第１アンモニア分解装置の第１燃焼部では、軽油等の助燃燃料及びアンモニアを含む燃料を部分酸化条件下で燃焼させるため、第１燃焼部におけるアンモニアの分解を促進すると共に、ＮＯｘの発生を抑制できる。
【００１３】
（７）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載のボイラにおいて、
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記第１アンモニア分解装置から前記火炉に向かうガス中の残留アンモニアをさらに分解するための第２アンモニア分解装置をさらに備え、
前記第２アンモニア分解装置は、
前記第１アンモニア分解装置から前記火炉に向かう前記ガスの一部を部分酸化条件下で燃焼させるための第２燃焼部と、
前記第２燃焼部において生成した燃焼熱を用いて、前記残留アンモニアを分解するように構成された第２分解部と、を含んでもよい。
上記（７）の構成によれば、第１アンモニア分解装置だけでは十分にアンモニアを分解できない場合であっても、第２アンモニア分解装置において、第１アンモニア分解装置から火炉に向かうガスの部分燃焼により生じる熱を利用して残留アンモニアを分解することができる。これにより、火炉への供給前に水素含有燃料中のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下に低減し、火炉内でのアンモニアの燃焼に起因した未燃アンモニアやＮＯｘの発生を抑制できる。また、第２アンモニア分解装置の第２燃焼部では、第１アンモニア分解装置から火炉に向かうガスを部分酸化条件下で燃焼させるため、第２燃焼部におけるアンモニアの分解反応を促進すると共にＮＯｘの発生を抑制できる。
【００１４】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか１つに記載のボイラにおいて、
燃料を前記火炉内で燃焼させるためのバーナと、
前記バーナに化石燃料を供給するための第１燃料供給ラインと、をさらに備え、
前記水素含有燃料供給ラインは、前記第１アンモニア分解装置および前記第１燃料供給ラインに接続され、前記第１燃料供給ライン内の前記化石燃料に前記第１アンモニア分解装置で生成された前記水素を混入させるように構成されてもよい。
上記（８）の構成によれば、既存の化石燃料焚きボイラに対して第１アンモニア分解装置及び水素含有燃料供給ラインを追加設置することで、化石燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラを容易に実現することができる。
【００１５】
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）に記載のボイラにおいて、
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記水素含有燃料中のアンモニア濃度を検出するための第２アンモニアセンサと、
前記第１アンモニア分解装置に供給されるアンモニア燃料の流量を調節するための燃料流量調節部と、
前記第２アンモニアセンサ及び前記燃料流量調節部と電気的に接続され、前記第２アンモニアセンサの検出結果に基づいて、前記燃料流量調節部を制御するための第２コントローラと、を備えてもよい。
上記（９）の構成によれば、火炉に供給される水素含有燃料中のアンモニア濃度が第２アンモニアセンサで検出され、検出結果が第２コントローラに入力される。そして、第２アンモニアセンサからの検出結果に基づき、第２コントローラが燃料流量調節部を制御することで、火炉に供給される化石燃料とアンモニア濃度が調整される。幾つかの実施形態では、例えば、第２アンモニアセンサで検出されたアンモニア濃度より導出されたアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下でない場合、燃料流量調節部により、全燃料に対するアンモニア燃料の燃料比率を低下させる。こうすることで、火炉に供給される水素含有燃料中におけるアンモニア濃度を適切な範囲とすることができるため、排ガス中における未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度をより適切に低減することができる。
【００１６】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れか１つに記載のボイラにおいて、
前記第１アンモニア分解装置から流出したガスの一部を前記第１アンモニア分解装置の入口に再循環させるための再循環流路と、
前記再循環流路に設けられ、前記第１アンモニア分解装置の前記入口への前記ガスの再循環量を調節するための流量調節弁と、
前記水素含有燃料供給ラインに設けられ、前記水素含有燃料中のアンモニア濃度を検出するための第３アンモニアセンサと、
前記流量調節弁及び前記第３アンモニアセンサと電気的に接続され、前記第３アンモニアセンサの検出結果に基づいて、前記流量調節弁の開度制御を行う第３コントローラと、を備えてもよい。
上記（１０）の構成によれば、火炉に供給される水素含有燃料中のアンモニア濃度が第３アンモニアセンサで検出され、その検出結果が第３コントローラに入力される。そして、第３アンモニアセンサからの検出結果に基づき導出されたアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との合計値が適切な濃度範囲（例えば、３％以下）でない場合、第３コントローラが流量調節弁の開度を開方向に制御することで、第１アンモニア分解装置から供給された水素含有燃料を再び第１アンモニア分解装置に供給することができる。こうすることで、火炉に供給される水素含有燃料中におけるアンモニア濃度を適切な範囲とすることができるため、排ガス中における未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度をより適切に低減することができる。
【００１７】
（１１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るボイラは、
アフターエアポートを備えた火炉と、
アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するための第１アンモニア分解装置と、
前記火炉と前記第１アンモニア分解装置とに接続された水素含有燃料供給ラインと、
を備え、
前記第１アンモニア分解装置で生成された前記水素を含む水素含有燃料が前記水素含有燃料供給ラインを介して前記火炉に供給され、該火炉内で燃焼されるように構成されてもよい。
上記（１１）の構成によれば、第１アンモニア分解装置においてアンモニアを予め分解して得られる水素を含む水素含有燃料を、水素含有燃料供給ラインを介して火炉に供給するようにしたので、アンモニアの燃料としての使用に起因する未燃アンモニアの排出やＮＯｘ濃度の増加を抑制できる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
【００１８】
（１２）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る火力発電プラントは、
上記（１）乃至（１１）の何れか１つに記載のボイラと、
前記ボイラで生成された蒸気により駆動される蒸気タービンと、
を備える。
上記（１２）の構成によれば、アンモニア燃料（厳密には、アンモニア由来の水素含有燃料）を用いたボイラを備えた火力発電プラントを実現することができる。また、上記（１）で述べたように、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
【００１９】
（１３）本発明の少なくとも幾つかの実施形態にかかるボイラの改造方法は、
火炉と、化石燃料を前記火炉内で燃焼させるためのバーナと、前記バーナに前記化石燃料を供給するための第１燃料供給ラインと、を備えるボイラの改造方法であって、
アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するための第１アンモニア分解装置を設置するステップと、
前記水素及び前記化石燃料を含み、かつ、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下である水素含有燃料が前記火炉に供給されるように、前記第１アンモニア分解装置からのガスが流れる第２燃料供給ラインを前記第１燃料供給ラインに接続するステップと、を備える。
上記（１３）の方法によれば、第１アンモニア分解装置を設置するとともに、第２燃料供給ラインを第１燃料供給ラインに接続する改造工事により、既存のボイラの構成要素を有効活用して改造工事を小規模にとどめることができる。また、この改造工事により、火炉に供給される水素含有燃料のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下にすることが可能になるため、水素含有燃料中に残留するアンモニアの火炉内での燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘの発生を抑制することが可能になる。よって、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とを図ることができる。
【００２０】
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）に記載の方法において、
前記第１アンモニア分解装置は、
アンモニアを含む燃料の一部を部分酸化条件下で燃焼させるための第１燃焼部と、
前記燃焼部において生成した燃焼熱を用いて、前記アンモニアを分解するように構成された第１分解部と、を含んでもよい。
上記（１４）の方法によれば、第１アンモニア分解装置におけるアンモニアの分解に必要な熱源をボイラから得るのではなく、例えば、軽油等の助燃燃料及びアンモニアを含む燃料の燃焼により得ることができるので、既存のボイラに対して第１アンモニア分解装置を小規模な工事で追加設置することができる。また、第１アンモニア分解装置の第１燃焼部では、軽油等の助燃燃料及びアンモニアを含む燃料を部分酸化条件下で燃焼させるため、第１燃焼部における未燃アンモニアやＮＯｘの発生を抑制できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の幾つかの実施形態によれば、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】幾つかの実施形態に係る火力発電プラントの構成例を示す概略図である。
【図２Ａ】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す概略図である。
【図２Ｂ】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す概略図である。
【図２Ｃ】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す概略図である。
【図２Ｄ】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す概略図である。
【図３】アンモニア分解装置出口のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値と火炉出口におけるＮＯｘ濃度増加割合との関係を示す図である。
【図４Ａ】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す図である。
【図４Ｂ】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す図である。
【図５】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す図である。
【図６】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す図である。
【図７】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す図である。
【図８】幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２４】
図１は、幾つかの実施形態に係る火力発電プラントの構成例を示す概略図であり、図２Ａ乃至図２Ｄは、幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す概略図である。
図１に示すように、幾つかの実施形態において、火力発電プラント１は、ボイラ２と、ボイラ２で発生した熱により加熱されて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン３と、蒸気タービン３により駆動されて発電する発電機４と、発電に寄与し仕事を終えた蒸気を液相に戻す復水器５と、復水器５で液化された水を循環させるポンプ６と、ボイラ２からの排気を排出する煙突８と、を備えている。また、火力発電プラント１は、アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するアンモニア分解装置３０を備えている。なお、火力発電プラント１は、上記構成以外にも必要に応じて種々の構成を備え得る。
【００２５】
蒸気タービン３は、ボイラ２からの高温ガスにより火炉伝熱管、節炭器及び過熱器等の熱交換器７を介して熱媒体としての水が加熱され、これにより得られた高圧蒸気（高圧ＳＴ）を利用して回転される高圧タービン３ａと、高圧タービン３ａを回転させた後の低圧蒸気（低圧ＳＴ）により回転されて駆動される低圧タービン３ｂと、を含む。
また、蒸気タービン３は、図１の例に限定されず、例えば、他のタンデムコンパウンド（くし形）やクロスコンパウンド（並列型）の構成を備えていてもよい。また、蒸気タービン３は、高圧、中圧、低圧の種々のタービンの組み合わせてなるユニットにより構成されていてもよい。この場合、高圧タービンを駆動した後の蒸気は、例えば、再熱器等の熱交換器によりボイラ２内で再度加熱された後に中圧タービンに供給されてもよい。
【００２６】
次に、本発明の幾つかの実施形態に係るボイラ２について詳しく説明する。
幾つかの実施形態において、ボイラ２は、アンモニア燃料を燃焼させるアンモニア燃焼ボイラとして構成される。幾つかの実施形態において、ボイラ２は、化石燃料として図示しないミルにより石炭を粉砕して生成した微粉炭（石炭の微粉）を燃焼させるように構成された微粉炭焚きボイラをベースとして構成されてもよく、燃料として化石燃料及びアンモニア燃料を用いて、該化石燃料とアンモニア燃料との混焼を行う混焼ボイラとして構成され得る。混焼を行う場合、化石燃料とアンモニア燃料とを含む全燃料に対するアンモニアの比率（混焼率）は、カロリー比で０〜１００％の範囲において任意に設定し得る。
なお、化石燃料は微粉炭に限定されず、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、メタンハイドレート又はシェールガス等の天然ガス、重油や軽油等の石油、バイオマス等、他の種類や他の形態の化石燃料であってもよい。
また、本明細書において、「アンモニア燃料」とは、アンモニアを含有する燃料をいい、アンモニアとともに他の成分（例えば水素、水分、窒素等）を含有していてもよい。
【００２７】
幾つかの実施形態において、ボイラ２は、火炉２０と、少なくとも化石燃料を火炉２０内で燃焼させるためのバーナ２１と、を備える。
火炉２０は、燃料と燃焼用空気とを反応させて燃焼させる筒状の中空体であり、例えば、円筒形状や四角柱状等、種々の形態をとり得る。幾つかの実施形態において、火炉２０は、炉壁部２０ａ及び炉底部２０ｂを含んでいてもよい。幾つかの実施形態において、火炉２０は、燃焼ガスの流れ方向Ａの下流側、即ち、当該火炉２０の上方側に煙道３８を備えている。煙道３８は、例えば、火炉２０で生成された燃焼ガスを導くためのガス流路として構成される。
【００２８】
バーナ２１は、火炉２０外から火炉２０内に化石燃料（本実施形態では微粉炭、即ち、固体粉末燃料）と搬送用ガスとの混合気体を供給可能に構成されている。搬送用ガスは例えば空気である。幾つかの実施形態において、バーナ２１は、火炉２０における燃焼ガスの流れ方向Ａにおける上流側（例えば、上下方向に長尺な火炉２０にあっては該火炉２０の下部側）に配設される。幾つかの実施形態では、複数のバーナ２１が設けられてもよく、これら複数のバーナ２１はそれぞれ、火炉２０内における燃焼ガスの流れ方向Ａにおける異なる位置に設けられてもよい。即ち、バーナ２１は、例えば、火炉２０の上下方向において下部から中部或いは上部にかけて複数段に亘って設けられていてもよい。
【００２９】
幾つかの実施形態において、ボイラ２は、バーナ２１に投入する化石燃料を供給する化石燃料供給部３３と、この化石燃料供給部３３からバーナ２１に化石燃料を供給するための第１燃料供給ライン２８とを備える。即ち、図１に示す化石燃料供給部３３から第１燃料供給ライン２８を介してバーナ２１に微粉炭と搬送用ガスとの混合気体が供給され、バーナ２１から火炉２０内に化石燃料が噴出される。
【００３０】
幾つかの実施形態では、バーナ２１に、化石燃料燃焼用及び／又はアンモニア燃料燃焼用の空気（１次空気）を供給する１次空気供給部２２が接続される。この１次空気供給部２２は、火炉２０内に供給する空気量を任意に調節可能に構成される。こうして、１次空気供給部２２から供給される空気量を調節することにより、火炉２０内の下部領域、即ち、火炉２０内におけるバーナ２１の近傍に形成される燃焼領域３５に供給される酸素量（Ｏ２の供給量）を規定範囲内に調節することができる。
【００３１】
幾つかの実施形態では、１次空気供給部２２から火炉２０内に供給される１次空気の量が、第１燃料供給ライン２８を介して供給される化石燃料を完全燃焼させるために必要な空気量（酸素量）未満となるように設定されてもよい。つまり、火炉２０内に形成される燃焼領域３５は低酸素燃焼領域となり、この燃焼領域３５で燃焼した化石燃料が不完全燃焼の状態で下流側（図１における上方側）に移動することで、該燃焼領域３５の下流側となる炉内滞留エリアに還元領域（還元雰囲気）３６が形成されてもよい。
【００３２】
１次空気供給部２２は、送風機として、例えば、少なくとも１つのブロワ（図示省略）を備えていてもよく、このブロワ等によって空気を供給してもよい。１次空気供給部２２からの空気供給流路には流量調節弁（図示省略）が設けられてもよく、流量調節弁は、全閉から全開の状態までとり得るように開度制御可能となっていてもよい。
【００３３】
幾つかの実施形態において、図２Ａに示すように、ボイラ２は、アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するアンモニア分解装置３０としての第１アンモニア分解装置３０ａと、この第１アンモニア分解装置３０ａにアンモニア燃料を供給するためのアンモニア燃料供給部２５とを備えている。
なお、図２Ａでは、上述した１次空気供給部２２、化石燃料供給部３３、第１アンモニア分解装置３０ａ及びアンモニア燃料供給部２５がそれぞれ１つの火炉２０に対して１つずつ設置された状態を示しているが、これらの構成要素（２２、３３、３０ａ、２５）の少なくとも一つが１つの火炉２０に対して複数（又は２箇所以上に）設けられていてもよい。
【００３４】
幾つかの実施形態において、第１アンモニア分解装置３０ａは、例えば、燃焼ガスの流れ方向Ａの下流側で火炉２０に連通する煙道３８内に設けられる（図２Ａ参照）。このようにすれば、第１アンモニア分解装置３０ａにおけるアンモニアの分解に必要な熱源として煙道３８内を流れる高温の燃焼ガスを利用することができるので、アンモニアの分解反応を促進することができる。アンモニアの分解平衡は低圧ほど低温で分解しやすく、ボイラ２の場合、燃料は比較的低圧（１〜２ＢａｒＧ）で用いられるため、平衡上は３００℃以上の温度でほとんど分解できる。そのため、ボイラ排ガス熱回収部における比較的温度の低い領域でアンモニアの分解が可能となる。アンモニアの分解は吸熱反応でアンモニアの発熱量の約１５％程度の熱を要する。このため、ボイラ２の熱回収部における低温の熱を利用してアンモニアを分解し、これによって生成された水素を燃料として用いることで発電全体の効率を上昇させることが出来る。この場合、第１アンモニア分解装置３０ａでは、以下の化学式（１）に示す分解反応（吸熱反応）により、アンモニアが分解されて窒素と水素とが生成されるとともに煙道３８内の熱が吸収（熱回収）される。
［化１］
２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２−９２［ｋＪ／ｍｏｌ］  ・・・（１）
【００３５】
幾つかの実施形態において、ボイラ２は、第１アンモニア分解装置３０ａおよび第１燃料供給ライン２８に接続され、第１燃料供給ライン２８内の化石燃料に第１アンモニア分解装置３０ａで生成された水素を混入させるための第２燃料供給ライン２９をさらに備えていてもよい（図２Ａ参照）。この場合、第１アンモニア分解装置３０ａで生成されたアンモニア燃料由来の水素が、第２燃料供給ライン２９、第１燃料供給ライン２８及びバーナ２１を介して火炉２０内に供給される。
【００３６】
このように構成すれば、既存の化石燃料焚きボイラに対して第１アンモニア分解装置３０ａ及び第２燃料供給ライン２９を追加設置することで、化石燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラを容易に実現することができる。また、煙道３８内における高温の燃焼ガスを利用してアンモニアを分解（吸熱反応）して生じた水素を、ボイラ２で燃焼させるべく火炉２０内に投入するように構成することにより、火炉２０内における燃焼で生じた高温ガス（燃焼ガス）から熱回収することができる。このため、ボイラ２を、所謂化学反応を用いて再生熱交換を行うケミカルレキュパレータボイラとして構成し得る。従って、熱効率、発電効率及びプラント効率の更なる向上を図ることができる。
【００３７】
なお、アンモニア燃料供給部２５から供給されるアンモニア燃料中のアンモニアは、第１アンモニア分解装置３０ａでほぼ全量（例えば、９９％以上）が窒素と水素とに分解されるように設定してもよい。
【００３８】
他の実施形態では、図２Ｂに示すように、第１アンモニア分解装置３０ａは、煙道３８外に設けられてもよく、さらに、アンモニアを含む燃料の一部を部分酸化条件下で燃焼させるための第１燃焼部３１ａと、第１燃焼部３１ａにおいて生成した燃焼熱を用いて、残留アンモニアを分解するように構成された第１分解部３２ａと、を含んでいてもよい。第１燃焼部３１ａには、例えば、軽油等の助燃燃料を供給する助燃燃料供給部２６や、アンモニアの一部を部分的に燃焼するための部分燃焼用の空気を供給するための部分燃焼用空気供給部２７をそれぞれ接続してもよい。このようにすれば、第１アンモニア分解装置３０ａにおけるアンモニアの分解に必要な熱源をボイラ２から得るのではなく、例えば、軽油等の助燃燃料及びアンモニアを含む燃料の燃焼により得ることができるので、既存のボイラに対して第１アンモニア分解装置３０ａを小規模な工事で追加設置することができる。また、第１アンモニア分解装置３０ａの第１燃焼部３１ａでは、アンモニアを含む燃料を部分酸化条件下で燃焼させるため、第１燃焼部３１ａにおけるＮＯｘの発生を抑制できる。
なお、図２Ｂに示す第１燃焼部３１ａで行われる部分燃焼の場合、該第１燃焼部３１ａで燃焼されるアンモニアの量は第１燃焼部３１ａに供給される空気量で決まり、第１分解部３２ａで分解されるアンモニアの量は該第１分解部３２ａにおけるアンモニアの滞留時間により決定される。
【００３９】
上記第１アンモニア分解装置３０ａにはアンモニア分解触媒が好んで用いられる。アンモニア分解触媒としては、例えば、シリカや酸化ランタンなどの無機質担体にニッケルやコバルトを含浸担持法等により担持した触媒を使用し、加熱下でアンモニアを接触させ、水素と窒素に分解する方法を用いることができる。また、アンモニア分解触媒としては、ルテニウム系触媒が好んで用いられている。例えば、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウムなどの無機質担体に、含浸担持法等により白金族（ルテニウム）を担持した触媒を使用し、加熱下でアンモニアを接触させ、水素と窒素とに分解する方法等、種々の触媒及び方法を適用し得る。また、塩基性炭酸マグネシウムを含む酸化マグネシウム担体と該記担体に担持されたルテニウムを含有するアンモニア分解触媒等を用いてもよい。
【００４０】
幾つかの実施形態では、図２Ｃに示すように、水素含有燃料中のアンモニア濃度を検出するためのアンモニアセンサ４０Ａ（第２アンモニアセンサ）と、化石燃料と第１アンモニア分解装置３０ａに供給されるアンモニア燃料との流量を調節するための燃料流量調節部４７と、アンモニアセンサ４０Ａ及び燃料流量調節部４７と電気的に接続され、アンモニアセンサ４０Ａの検出結果に基づいて、燃料流量調節部４７を制御するためのコントローラ４４（第２コントローラ）と、を備えてもよい。燃料流量調節部４７は、第１燃料供給ライン２８に設けられた化石燃料用の流量調節弁４７ａと、アンモニア燃料供給部２５から第１アンモニア分解装置３０ａに供給されるアンモニア燃料用の流量調節弁４７ｂとを含んでもよい。
このようにすれば、火炉２０に供給される水素含有燃料中のアンモニア濃度がアンモニアセンサ４０Ａで検出され、検出結果がコントローラ４４に入力される。そして、アンモニアセンサ４０Ａからの検出結果に基づき、コントローラ４４が流量調節弁４７ａ及び／又は流量調節弁４７ｂの開度を制御することで、火炉２０に供給される化石燃料とアンモニア燃料との流量が調整される。幾つかの実施形態では、例えば、アンモニアセンサ４０Ａで検出されたアンモニア濃度より導出されるアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下でない場合、例えば、流量調節弁４７ａを開方向に、又は、流量調節弁４７ｂを閉方向に制御することにより、化石燃料とアンモニア燃料との比率を適切な範囲に変更することができる。
【００４１】
ここで、第１アンモニア分解装置３０ａの出口側でアンモニアリーク率が検出されると、該アンモニアリーク率に基づき、第１アンモニア分解装置３０ａで燃焼又は分解により反応したアンモニアの量が推定できる。アンモニアの反応には、酸素を含まない上記（１）式の分解反応の他に、酸素を含んでＮＯｘが生成される反応を含み、各反応は周囲の温度や触媒の存在など、種々の条件に基づき予め推定できる。従って、例えば、アンモニアセンサ４０Ａにより検出されたアンモニアリーク率と、試験や試運転時に予め取得したデータとから、第１アンモニア分解装置３０ａの出口におけるＮＯｘリーク率を導出することができる。
【００４２】
なお、コントローラ４４は、上記の制御を実行するために用いる各種演算式やパラメータ、閾値等のデータを記録したＲＯＭ等の記憶手段、この記憶手段に記憶されたデータを用いて演算処理を行うＣＰＵ、演算領域となるＲＡＭ等を含むように構成されてもよい（後述のコントローラ４５、コントローラ４６についても同様）。また、コントローラ４４、後述するコントローラ４５及びコントローラ４６は、それぞれ別個独立に設けられていてもよいし、共通の制御部により統括的に制御されるように構成されていてもよい。
【００４３】
他の実施形態では、上記アンモニアセンサ４０Ａに加えて、コントローラ４４と電気的に接続され、第１アンモニア分解装置３０ａの出口から送出される水素含有燃料中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（図示省略）を設けてもよい。そして、アンモニアセンサ４０Ａで検出されたリークアンモニア（未燃アンモニア）の割合と、ＮＯｘセンサで検出されたＮＯｘの割合とがコントローラ４４に入力され、これらの検出結果に基づき、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計が３％以下でない場合に、流量調節弁４７ａ及び／又は流量調節弁４７ｂが適切な開度となるようにコントローラ４４が制御するように構成してもよい。
【００４４】
幾つかの実施形態では、図２Ｄに示すように、第１アンモニア分解装置３０ａから流出したガスの一部を第１アンモニア分解装置３０ａの入口に再循環させるための再循環流路４８と、再循環流路４８に設けられ、第１アンモニア分解装置３０ａの入口へのガスの再循環量を調節するための流量調節弁４９と、第１アンモニア分解装置３０ａの出口のアンモニア濃度を検出するためのアンモニアセンサ４０Ｂ（第３アンモニアセンサ）と、流量調節弁４９及びアンモニアセンサ４０Ｂと電気的に接続され、アンモニアセンサ４０Ｂの検出結果に基づいて、流量調節弁４９の開度制御を行うコントローラ４５（第３コントローラ）と、を備えていてもよい。
このようにすれば、火炉２０に供給される水素含有燃料中のアンモニア濃度がアンモニアセンサ４０Ｂで検出され、その検出結果がコントローラ４５に入力される。そして、アンモニアセンサ４０Ｂからの検出結果に基づき、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が適切な範囲（例えば、３％以下）でない場合、コントローラ４５が流量調節弁４９の開度を開方向に制御することで、第１アンモニア分解装置３０ａから供給された水素含有燃料を再び第１アンモニア分解装置３０ａに供給することができる。こうすることで、火炉２０に供給される水素含有燃料中におけるアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を適切な範囲とすることができるため、排ガス中におけるＮＯｘ濃度をより適切に低減することができる。
【００４５】
図３は、第１アンモニア分解装置３０ａの出口におけるアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値と火炉２０の出口におけるＮＯｘ濃度増加割合との関係を示す図である。同図から明らかなように、火炉２０の出口におけるＮＯｘ濃度の増加割合は、第１アンモニア分解装置３０ａの出口におけるアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値に比例して増加する。また、化石燃料に対するアンモニア燃料の割合、即ちアンモニア混焼率（カロリー比）が低いほど、火炉２０の出口におけるＮＯｘ濃度の増加割合は低くなることがわかる。従って、同図に基づき、火炉２０の出口におけるＮＯｘ濃度の増加割合を考慮して、第１アンモニア分解装置３０ａの出口におけるアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が適切な範囲となるように設定することが可能となる。
【００４６】
幾つかの実施形態において、ボイラ２は、第１アンモニア分解装置３０ａで生成された水素を含み、且つ、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下である水素含有燃料が火炉２０に供給され、該火炉２０内で燃焼されるように構成されてもよい。なお、火炉２０に供給される水素含有燃料におけるアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値は、３％以下（望ましくは１％以下）とすることが好ましい。このように、第１アンモニア分解装置３０ａにおいてアンモニアを予め分解して得られる水素を含む水素含有燃料を火炉２０に供給するようにすることで、アンモニアの燃料としての使用に起因するＮＯｘ濃度の増加を抑制できる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴うＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
特に、火炉２０に供給される水素含有燃料のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下にすることで、水素含有燃料中に残留するアンモニアの火炉２０内での燃焼に伴うＮＯｘの発生を抑制できるから、ＮＯｘ濃度を効果的に低減できる。
【００４７】
続いて、図４Ａに示すように、幾つかの実施形態において、ボイラ２は、第１アンモニア分解装置３０ａから火炉２０に向かうガス中の残留アンモニアを分離するためのアンモニア分離装置３４を備えていてもよい。
このアンモニア分離装置３４は、第１アンモニア分解装置３０ａとバーナ２１との間に配置され、該第１アンモニア分解装置３０ａとバーナ２１とにそれぞれ接続される。
幾つかの実施形態において、アンモニア分離装置３４に供給される第１アンモニア分解装置３０ａからのガスには、アンモニア燃料が分解されて生成された窒素及び水素に加え、未分解又は未燃のアンモニア（ＮＨ３）が含まれている。アンモニア分離装置３４は、こうして供給された未分解又は未燃のアンモニアを除去剤や吸着剤を用いて分離する。こうして、アンモニア分離装置３４によって、火炉２０に供給される水素含有燃料のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下に維持されるようになっていてもよい。
【００４８】
なお、幾つかの実施形態において、分離には残留アンモニア（すなわち、未分解又は未反応のアンモニア）を除去又は吸着によって分離することを含み、分離手段としては物理的手法又は化学的手法等、種々の方法が考えられる。
例えば、公知のアンモニア吸着剤を充填させた吸着塔内を通過させることで、第１アンモニア分解装置３０ａから供給されるアンモニア燃料中のアンモニアを吸着除去してもよい。
アンモニア吸着剤としては、例えば、公知の粒状活性炭や繊維状活性炭を用いてもよいし、アクリレート系繊維を用いたセルファイン（登録商標）等を用いてもよいし、多孔質で構造中に負電荷をもつゼオライト等を用いてもよい。
【００４９】
このように構成すれば、第１アンモニア分解装置３０ａのみでは十分にアンモニアを分解できない場合であっても、アンモニア分離装置３４により残留アンモニアを分離することで、火炉２０への供給前に水素含有燃料中のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下に低減することができる。よって、アンモニアの燃焼に起因したＮＯｘの発生を抑制できる。
【００５０】
図４Ｂに示すように、幾つかの実施形態において、ボイラ２は、水素含有燃料中のアンモニア濃度を検出するためのアンモニアセンサ４０Ｃ（第１アンモニアセンサ）と、第１アンモニア分解装置３０ａから火炉２０に向かうガスを導くガス流路（第２燃料供給ライン２９）と、アンモニア分離装置３４をバイパスするようにガス流路に接続されるバイパス流路４２と、バイパス流路４２に設けられ、アンモニア分離装置３４をバイパスするガス流量を調節するためのバイパス弁４３と、アンモニアセンサ４０Ｃ及びバイパス弁４３と電気的に接続されアンモニアセンサ４０Ｃの検出結果に基づいて、バイパス弁４３の開度を制御するためのコントローラ４６（第１コントローラ）と、を備えていてもよい。
このようにすれば、火炉２０に供給される水素含有燃料中のアンモニア濃度がアンモニアセンサ４０Ｃで検出され、検出結果がコントローラ４６に入力される。そして、アンモニアセンサ４０Ｃからの検出結果に基づき、コントローラ４６がバイパス弁４３の開度を制御し、アンモニア分離装置３４のバイパス流量が調整される。このため、例えば、第１アンモニア分解装置３０ａからガス流路に供給される水素含有燃料中のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が、３％以下となる程度に十分に低い場合は、アンモニア分離装置３４を通すことなくバイパス流路４２を介して水素含有燃料を火炉２０に供給することができる。これによって、アンモニア分離装置３４の負荷を低減できるとともに、水素含有燃料を効率良く火炉２０に供給することができる。
なお、幾つかの実施形態において、アンモニアセンサ４０Ｃは、図４Ｂに例示するように、アンモニア分離装置３４及びバイパス流路４２の下流側に設けられていてもよい。他の実施形態において、アンモニアセンサ４０Ｃは、例えば、アンモニア分離装置３４及びバイパス流路４２の上流側に設けられていてもよい。
【００５１】
続いて、図５に示すように、幾つかの実施形態において、ボイラ２は、アンモニア分離装置３４で分離された残留アンモニアを第１アンモニア分解装置３０ａの入口側に戻すためのリサイクル流路３７をさらに備えていてもよい。
このように構成すれば、アンモニア分離装置３４で分離したアンモニアを第１アンモニア分解装置３０ａの入口側に戻すことで、アンモニアの全量を燃料として有効活用できる。また、例えば、アンモニアを吸収塔（図示省略）にて吸収液に化学吸収させ、加熱することで吸収液からアンモニアを回収することができる。同様に、アンモニアを吸着させた場合、加熱により脱着させることでアンモニアを回収できる。そして、こうして回収したアンモニアを原料アンモニアとして再利用することができる。
【００５２】
続いて、図６に示すように、幾つかの実施形態において、ボイラ２は、第１アンモニア分解装置３０ａから火炉２０に向かうガス中の残留アンモニアをさらに分解するための第２アンモニア分解装置３０ｂをさらに備えていてもよい。即ち、アンモニア分解装置３０は、第１アンモニア分解装置３０ａ及び第２アンモニア分解装置３０ｂのように複数のアンモニア分解装置を含んでいてもよい。例えば、図６に示す例示的な実施形態の場合、第１アンモニア分解装置３０ａ及び第２アンモニア分解装置３０ｂが共に、アンモニアを分解して水素と窒素とを生成するアンモニア分解装置３０として機能する。この場合、第１アンモニア分解装置３０ａは、ボイラ２で生成された熱を利用して、アンモニアの分解を行うように構成されてもよい。
【００５３】
幾つかの実施形態において、第２アンモニア分解装置３０ｂは、第１アンモニア分解装置３０ａから火炉２０に向かうガスの一部を部分酸化条件下で燃焼させるための第２燃焼部３１ｂと、第２燃焼部３１ｂにおいて生成した燃焼熱を用いて、残留アンモニアを分解するように構成された第２分解部３２ｂと、を含んでいてもよい。幾つかの実施形態において、第２分解部３２ｂには、例えば、上記第１分解部３２ａと同様にアンモニア分解触媒を適用してもよい。また、幾つかの実施形態においてボイラ２は、第２燃焼部３１ｂに、例えば、軽油等の助燃燃料を供給する助燃燃料供給部２６を接続してもよい。また、幾つかの実施形態において、ボイラ２は、アンモニアの一部を部分的に燃焼するためのアンモニア部分燃焼用の空気を第２燃焼部３１ｂに供給する部分燃焼用空気供給部２７を備えていてもよい。
【００５４】
このように構成された第１アンモニア分解装置３０ａにより、ボイラ２で生成された熱を利用してアンモニアの分解を行うだけでは十分にアンモニアを分解できない場合であっても、第２アンモニア分解装置３０ｂにおいて、第１アンモニア分解装置３０ａから火炉２０に向かうガスの部分燃焼により生じる熱を利用して残留アンモニアを分解することができる。これにより、火炉２０への供給前に水素含有燃料中のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下に低減し、火炉２０内でのアンモニアの燃焼に起因したＮＯｘの発生を抑制できる。また、第２アンモニア分解装置３０ｂの第２燃焼部３１ｂでは、第１アンモニア分解装置３０ａから火炉２０に向かうガスを部分酸化条件下で燃焼させるため、第２燃焼部３１ｂにおけるＮＯｘの発生を抑制できる。
なお、図６に示す第２燃焼部３１ｂで行われる部分燃焼の場合、該第２燃焼部３１ｂで燃焼されるアンモニアの量は第２燃焼部３１ｂに供給される空気量で決まり、第２分解部３２ｂで分解されるアンモニアの量は該第２分解部３２ｂにおけるアンモニアの滞留時間により決定される。
【００５５】
続いて、図７に示すように、幾つかの実施形態において、ボイラ２は、煙道３８から煙突８に向かう排ガスをバーナ２１に再投入するための排ガスリサイクルライン３９（ＧＲライン）を備えていてもよい。この場合、排ガスリサイクルライン３９を流れる再循環ガスと、第１アンモニア分解装置３０ａで窒素と水素とに一部が分解されたアンモニア燃料と、をバーナ２１により火炉２０内に供給してもよい。
なお、図７に示す例示的な実施形態では、１次空気供給部２２からバーナ２１に向かう空気供給流路に第２燃料供給ライン２９を接続し、第１アンモニア分解装置３０ａから供給される水素含有燃料を、１次空気供給部２２からバーナ２１に向かう空気供給流路に混入させている。他の実施形態では、第２燃料供給ライン２９が排ガスリサイクルライン３９に接続され、第２燃料供給ライン２９及び排ガスリサイクルライン３９を介して、第１アンモニア分解装置３０ａからのアンモニア燃料が火炉２０内に供給される。
【００５６】
また、上述したように、幾つかの実施形態では、火炉２０、バーナ２１及び第１燃料供給ライン２８を備えるボイラの改造方法として、アンモニアを分解して窒素と水素とを生成するための第１アンモニア分解装置３０ａを設置する。また、水素及び化石燃料を含み、かつ、アンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値が３％以下である水素含有燃料が火炉２０に供給されるように、第１アンモニア分解装置３０ａからのガスが流れる第２燃料供給ライン２９を第１燃料供給ライン２８に接続する。
このような改造方法により、既存のボイラの構成要素を有効活用して改造工事を小規模にとどめることができる。また、この改造工事により、火炉２０に供給される水素含有燃料のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下にすることが可能になるため、水素含有燃料中に残留するアンモニアの火炉２０内での燃焼に伴うＮＯｘの発生を抑制することが可能になる。よって、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴うＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
【００５７】
さらに、上述したように、幾つかの実施形態では、第１アンモニア分解装置３０ａは、第１燃焼部３１ａと第１分解部３２ａとを含んでいてもよく、この場合は、第１アンモニア分解装置３０ａにおけるアンモニアの分解に必要な熱源をボイラ２から得るのではなく、軽油等の助燃燃料及びアンモニアを含む燃料の燃焼により得ることができる。したがって、既存のボイラに対して第１アンモニア分解装置３０ａを小規模な工事で追加設置することができる。また、第１アンモニア分解装置３０ａの第１燃焼部３１ａでは、軽油等の助燃燃料及びアンモニアを含む燃料を部分酸化条件下で燃焼させるため、第１燃焼部３１ａにおけるアンモニアの分解反応を促進すると共にＮＯｘの発生を抑制できる。
【００５８】
なお、上記何れかの実施形態に記載のボイラ２は、図８に例示するように、燃料を燃焼させるための追加空気（２次空気）を火炉２０に供給するように構成された追加空気供給部２３（ＡＡ：アフターエアポート）を備えていてもよい。つまり、幾つかの実施形態において、ボイラ２は、バーナ２１では燃料に対して理論空気比よりも少ない空気量の燃焼用空気（１次空気）を火炉２０に投入し、火炉２０内の燃焼領域３５よりも下流側を還元領域（還元雰囲気）３６（図１参照）として排ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図り、下流の追加空気供給部２３から追加空気を投入する二段燃焼方式のボイラであってもよい。このようにすれば、二段燃焼による低ＮＯｘ燃焼とアンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出とＮＯｘ濃度の低減とを図ることができる。
【００５９】
以上説明したように、本発明の幾つかの実施形態に係るボイラ２によれば、第１アンモニア分解装置３０ａにおいてアンモニアを予め分解して得られる水素を含む水素含有燃料を火炉２０に供給するようにしたので、アンモニアの燃料としての使用に起因するＮＯｘ濃度の増加を抑制できる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴うＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。特に、火炉２０に供給される水素含有燃料のアンモニアリーク率とＮＯｘリーク率との合計値を３％以下にすることで、水素含有燃料中に残留するアンモニアの火炉２０内での燃焼に伴うＮＯｘの発生を抑制できるから、ＮＯｘ濃度を効果的に低減できる。
【００６０】
また、上記何れかの実施形態に記載のボイラ２と、このボイラ２で生成された蒸気により駆動される蒸気タービン３とを備えた火力発電プラント１によれば、アンモニア燃料（厳密には、アンモニア由来の水素含有燃料）を用いたボイラ２を備えた火力発電プラント１を実現することができる。また、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴うＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
【００６１】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。
【符号の説明】
【００６２】
１  火力発電プラント
２  ボイラ
３  蒸気タービン
３ａ  高圧タービン（蒸気タービン）
３ｂ  低圧タービン（蒸気タービン）
４  発電機
５  復水器
６  ポンプ
７  熱交換器
８  煙突
２０  火炉
２０ａ  炉壁部
２０ｂ  炉底部
２１  バーナ
２２  １次空気供給部（１次空気）
２３  追加空気供給部（２次空気／ＡＡ）
２５  アンモニア燃料供給部
２６  助燃燃料供給部
２７  部分燃焼用空気供給部
２８  第１燃料供給ライン（化石燃料供給ライン）
２９  第２燃料供給ライン（水素含有燃料供給ライン／ガス流路）
３０  アンモニア分解装置
３０ａ  第１アンモニア分解装置
３０ｂ  第２アンモニア分解装置
３１ａ  第１燃焼部
３１ｂ  第２燃焼部
３２ａ  第１分解部
３２ｂ  第２分解部
３３  化石燃料供給部
３４  アンモニア分離装置
３５  燃焼領域（低酸素燃焼領域）
３６  還元領域（還元雰囲気）
３７  リサイクル流路
３８  煙道
３９  排ガスリサイクルライン（ＧＲライン）
４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ  アンモニアセンサ
４２  バイパス流路
４３  バイパス弁
４４、４５、４６  コントローラ
４７  燃料比率調節部
４７ａ，４７ｂ  流量調節弁（燃料比率調節部）
４８  再循環流路
４９  流量調節弁
Ａ  燃焼ガスの流れ方向
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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