(57)【要約】【課題】アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、還元剤として供給するアンモニアを火炉等の中心部に到達させることで、少量の還元剤によって窒素酸化物（ＮＯｘ）をより確実に還元させる。【解決手段】アンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置と、燃焼装置が取り付けられた火炉と、燃料が燃焼されて発生した燃焼ガスを案内する煙道とを備えるボイラであって、燃焼装置よりも燃焼ガスの下流位置にアンモニアを火炉及び煙道の少なくとも一方に還元剤として供給する還元剤供給部と、燃焼ガスの一部を抽気して還元剤として供給されるアンモニアに混合する排ガス供給部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置と、前記燃焼装置が取り付けられた火炉と、燃料が燃焼されて発生した燃焼ガスを案内する煙道とを備えるボイラであって、
前記燃焼装置よりも燃焼ガスの下流位置にアンモニアを前記火炉及び前記煙道の少なくとも一方に還元剤として供給する還元剤供給部と、
前記燃焼ガスの一部を抽気して前記還元剤として供給されるアンモニアに混合する排ガス供給部と
を備えることを特徴とするボイラ。
【請求項２】
前記還元剤供給部は、前記燃焼装置に燃料として供給される前記アンモニアの一部を前記還元剤として前記火炉及び前記煙道の少なくとも一方に供給することを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項３】
前記排ガス供給部は、前記還元剤供給部が前記還元剤として前記火炉及び前記煙道の少なくとも一方に供給するアンモニアの流量に基づいて、前記燃焼ガスの抽気量を設定することを特徴とする請求項１または２記載のボイラ。
【請求項４】
前記還元剤供給部は、
前記火炉及び前記煙道の少なくとも一方と接続されると共に前記還元剤として供給される前記アンモニアを案内する還元剤供給配管と、
前記還元剤供給配管の途中部位に設置されると共に前記還元剤供給配管を流れる前記アンモニアの流量を調節する還元剤流量調節弁とを備え、
前記排ガス供給部は、前記煙道と前記還元剤供給配管とを接続すると共に前記燃焼ガスを前記還元剤供給配管に案内する排ガス抽気配管と、
前記排ガス抽気配管の途中部位に設置されると共に前記排ガス抽気配管を流れる燃焼ガスの流量を調節する排ガス流量調節弁とを備える
ことを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、アンモニアを含む燃料を燃焼させる複合エネルギーシステムが開示されている。この複合エネルギーシステムは、二酸化炭素の排出量を削減することを目的として、主燃料である天然ガスにアンモニアを添加して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２０１６−０３２３９１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、アンモニアを燃料の一部として燃焼させた場合には燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加が懸念される。上記背景技術は、専ら二酸化炭素の排出量の削減を目的としており、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減さることについて何ら解決策を提示するものではない。天然ガスのような炭素燃料とアンモニアのような窒素含有燃料とを一緒に燃焼させる場合には、実用性の観点から窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが必要不可欠である。
【０００５】
例えば、アンモニアには窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する性質を有していることから、燃料と供給するアンモニアと別に、燃焼ガスに対して還元剤としてアンモニアを供給することが考えられる。燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）は、数ｐｐｍ程度の微量なものであるため、この窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するために必要となるアンモニアの供給量も少量となる。必要以上に還元剤として供給するアンモニアの流量を増加させると、排ガス中にアンモニアが残存するため、実際に還元剤として供給するアンモニアは少量に抑える必要がある。しかしながら、少量のアンモニアを供給する場合には火炉等の壁面から供給したアンモニアが火炉等の内部に到達することができず、十分に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元することができない。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、還元剤として供給するアンモニアを火炉等の中心部に到達させることで、少量の還元剤によって窒素酸化物（ＮＯｘ）をより確実に還元させ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】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００８】
第１の発明は、アンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置と、上記燃焼装置が取り付けられた火炉と、燃料が燃焼されて発生した燃焼ガスを案内する煙道とを備えるボイラであって、上記燃焼装置よりも燃焼ガスの下流位置にアンモニアを上記火炉及び上記煙道の少なくとも一方に還元剤として供給する還元剤供給部と、上記燃焼ガスの一部を抽気して上記還元剤として供給されるアンモニアに混合する排ガス供給部とを備えるという構成を採用する。
【０００９】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記還元剤供給部が、上記燃焼装置に燃料として供給される上記アンモニアの一部を上記還元剤として上記火炉及び上記煙道の少なくとも一方に供給するという構成を採用する。
【００１０】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記排ガス供給部が、上記還元剤供給部が上記還元剤として上記火炉及び上記煙道の少なくとも一方に供給するアンモニアの流量に基づいて、上記燃焼ガスの抽気量を設定するという構成を採用する。
【００１１】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記還元剤供給部が、上記火炉及び上記煙道の少なくとも一方と接続されると共に上記還元剤として供給される上記アンモニアを案内する還元剤供給配管と、上記還元剤供給配管の途中部位に設置されると共に上記還元剤供給配管を流れる上記アンモニアの流量を調節する還元剤流量調節弁とを備え、上記排ガス供給部が、上記煙道と上記還元剤供給配管とを接続すると共に上記燃焼ガスを上記還元剤供給配管に案内する排ガス抽気配管と、上記排ガス抽気配管の途中部位に設置されると共に上記排ガス抽気配管を流れる燃焼ガスの流量を調節する排ガス流量調節弁とを備えるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、還元剤として供給されるアンモニアが、抽気して還流された燃焼ガスと混合されたうえで火炉及び煙道の少なくとも一方に供給される。このため、本発明によれば、抽気されて還流された燃焼ガスの流れに乗せることによって、還元剤として供給されるアンモニアを火炉等の中心部に運ぶことができる。したがって、本発明によれば、アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、還元剤として供給するアンモニアを火炉等の中心部に容易に到達させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態のボイラの要部構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態のボイラの要部構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第３実施形態のボイラの要部構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係るボイラの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態のボイラ１の要部構成を示す模式図である。図１に示すように、ボイラ１は、火炉２と、煙道３と、バーナ４（燃焼装置）と、二段燃焼空気供給部５と、アンモニア供給部６と、微粉炭供給部７と、排ガス供給部８とを備えている。
【００１６】
火炉２は、垂直かつ筒状に設けられた炉壁によって構成され、アンモニアや微粉炭等の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２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。また、火炉２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２ａが設けられている。
【００１７】
煙道３は、火炉２の上部と接続され、火炉２で発生した燃焼ガスを排ガスとして外部に案内する。このような煙道３は、火炉２の上部から水平に延出する水平煙道３ａと、水平煙道３ａの端部から下方に延出する後部煙道３ｂとを備えている。
【００１８】
なお、図１では省略しているが、ボイラ１は、火炉２の上部等に設置される過熱器を備えている。過熱器は、火炉２で発生した燃焼熱と水とを熱交換することによって水蒸気を生成する。また、図１では省略しているが、ボイラ１は、必要に応じて再熱器、節炭器、空気予熱器等を備える。
【００１９】
バーナ４は、火炉２の下部の壁部に配置されている。このバーナ４は、火炉２の周方向に複数設置されている。また、図１では省略しているが、バーナ４は、火炉２の高さ方向にも複数設置されている。これらのバーナ４は、火炉２の下部に二次元状かつ対向配置されており、燃料を噴射して燃焼させる。これらのバーナ４は、何れもアンモニア及び微粉炭を燃料として火炉２内に噴射可能な複合バーナである。なお、図１では省略しているが、火炉２にはバーナ４から噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）を着火させる着火装置が設けられている。また、図１では省略しているが、ボイラ１は、バーナ４に対して燃焼空気を供給する燃焼空気供給部を有している。各バーナ４から火炉２内に燃焼空気と共に噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）は、上述の着火装置の働きによって着火して燃焼する。
【００２０】
なお、ボイラ１に設置されるバーナ４は、全てが上述のような複合バーナである必要はない。例えば、石炭専焼のバーナやアンモニア専焼のバーナを備える構成を採用することもできる。ただし、本実施形態のボイラ１においては、少なくとも１つのバーナがアンモニアを燃料として燃焼可能とされており、火炉２の内部にてアンモニアと微粉炭との混焼が可能とされている。
【００２１】
ここで、アンモニアは、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、構成原子として炭素（Ｃ）を含まない。また、このアンモニア（低炭素燃料）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。一方、微粉炭は、化石燃料である石炭を数マイクロメートル程度の大きさまで粉砕処理したものであり、ボイラ用の燃料として一般的に使用されている。すなわち、アンモニアは、微粉炭（炭素燃料）よりも炭素濃度が低い低炭素燃料である。
【００２２】
二段燃焼空気供給部５は、バーナ４の上方にて火炉２と接続されており、火炉２の内部に二段燃焼用の空気を供給する。このような二段燃焼空気供給部５によって二段燃焼用の空気を供給することで、バーナ４で燃焼された燃料の未燃分が二段燃焼空気によって燃焼され、ボイラ１の収熱効果を高めると共に、排ガスに含まれる燃料の未燃分を減少させることができる。
【００２３】
アンモニア供給部６は、アンモニア供給源６ａと、燃料アンモニア供給部６ｂと、還元剤供給部６ｃと、アンモニア供給制御装置６ｄとを備えている。アンモニア供給源６ａは、アンモニアを貯蔵するタンク等からなる。なお、アンモニア供給源６ａは、必ずしもアンモニア供給部６の構成要素である必要はない。つまり、アンモニア供給部６は、外部に設置されたアンモニア供給源６ａからアンモニアを取り込むようにしても良い。
【００２４】
燃料アンモニア供給部６ｂは、アンモニア供給源６ａとバーナ４とを接続する燃料アンモニア供給配管６ｂ１と、燃料アンモニア供給配管６ｂ１の途中部位に設置される全体流量調節弁６ｂ２及び燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３とを備えている。燃料アンモニア供給配管６ｂ１は、アンモニア供給源６ａから供給されたアンモニアのうち、バーナ４に燃料として供給される分（燃料アンモニア）を案内する配管である。全体流量調節弁６ｂ２は、アンモニア供給源６ａから燃料アンモニア供給配管６ｂ１に供給されるアンモニアの全体流量を調節するバルブである。なお、アンモニアの全体流量は、燃料アンモニアの流量に対して、還元剤供給部６ｃを介して還元剤として火炉２等に供給されるアンモニア（還元剤アンモニア）の流量を加えた流量となる。燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３は、全体流量調節弁６ｂ２よりも下流側に配置されており、燃料アンモニアの流量を調節するバルブである。  
【００２５】
還元剤供給部６ｃは、火炉２に接続された還元剤供給配管６ｃ１と、還元剤供給配管６ｃ１の途中部位に設置された還元剤流量調節弁６ｃ２とを備えている。還元剤供給配管６ｃ１は、全体流量調節弁６ｂ２と燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３との間にて一端が燃料アンモニア供給配管６ｂ１と接続されている。つまり、還元剤供給配管６ｃ１は、燃料アンモニア供給部６ｂと火炉２とを接続しており、燃料アンモニア供給部６ｂから燃料アンモニアの一部を取り込んで、還元剤アンモニアとして火炉２に案内する。このような還元剤供給部６ｃは、バーナ４よりも燃焼ガスの下流位置（すなわち上方）に還元剤アンモニアを供給する。還元剤流量調節弁６ｃ２は、還元剤アンモニアの流量を調節するバルブである。
【００２６】
例えば、図１に示すように、火炉２及び煙道３の内部を、火炎が形成されるバーナ領域Ｒ１と、二段燃焼が行われる二段燃焼領域Ｒ２と、火炉２の上部及び水平煙道３ａの内部を含む上部領域Ｒ３と、後部煙道３ｂの内部を含む後部領域Ｒ４とに分ける。ここで、本実施形態においては、還元剤供給部６ｃは、二段燃焼領域Ｒ２に還元剤供給配管６ｃ１が接続され、二段燃焼領域Ｒ２に還元剤アンモニアを供給する。ただし、還元剤アンモニアをバーナ領域Ｒ１、上部領域Ｒ３あるいは後部領域Ｒ４に供給することも可能である。また、還元剤アンモニアを、バーナ領域Ｒ１、二段燃焼領域Ｒ２、上部領域Ｒ３及び後部領域Ｒ４の複数に供給することも可能である。
【００２７】
アンモニア供給制御装置６ｄは、全体流量調節弁６ｂ２、燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３及び還元剤流量調節弁６ｃ２を制御し、全体流量調節弁６ｂ２、燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３及び還元剤流量調節弁６ｃ２の開度を調節する。アンモニア供給制御装置６ｄは、外部の指令等に基づいて、全体流量調節弁６ｂ２の開度を調節することによってアンモニア供給源６ａから取り込まれるアンモニアの全体流量を調節する。
【００２８】
また、燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３と還元剤流量調節弁６ｃ２との開度によって、アンモニア供給源６ａから取り込まれるアンモニアの燃料アンモニアと還元剤アンモニアとへの配分が定まる。つまり、燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３と還元剤流量調節弁６ｃ２とは、燃料アンモニアと還元剤アンモニアとの配分割合を調節する機構（配分調節機構６ｂ４）を構成している。アンモニア供給制御装置６ｄは、これらの燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３と還元剤流量調節弁６ｃ２と含む配分調節機構６ｂ４を制御することによって、燃料アンモニアと還元剤アンモニアとの配分割合を調節する。
【００２９】
微粉炭供給部７は、バーナ４と接続されており、石炭を粉砕して微粉炭とすると共に微粉炭をバーナ４に対して供給する。この微粉炭供給部７は、例えば石炭を数マイクロメートル程度の粒径まで粉砕して微粉炭とするミルと、ミルによって生成された微粉炭をバーナ４に供給する給炭機とを備えている。なお、微粉炭供給部７は、給炭機を備えずにミルから直接的に微粉炭をバーナ４に供給する構成とすることもできる。
【００３０】
排ガス供給部８は、燃焼ガスの一部を抽気して還元剤アンモニアに混合するものであり、排ガス抽気配管８ａと、排ガス流量調節弁８ｂと、排ガス供給制御装置８ｃとを備えている。排ガス抽気配管８ａは、後部煙道３ｂと還元剤供給配管６ｃ１とを接続し、後部煙道３ｂを流れる燃焼ガスの一部を抽気して還元剤供給配管６ｃ１に案内する配管である。この排ガス抽気配管８ａの一端は、還元剤流量調節弁６ｃ２の下流側にて還元剤供給配管６ｃ１と接続されている。排ガス流量調節弁８ｂは、排ガス抽気配管８ａの途中部位に設置されており、排ガス抽気配管８ａに案内される燃焼ガスの流量を調節するバルブである。
【００３１】
排ガス供給制御装置８ｃは、排ガス流量調節弁８ｂを制御し、排ガス流量調節弁８ｂの開度を調節する。排ガス供給制御装置８ｃは、外部の指令等に基づいて、排ガス流量調節弁８ｂの開度を調節することによって後部煙道３ｂから排ガス抽気配管８ａに流れ込む燃焼ガス（排ガス）の流量を調節する。
【００３２】
このような本実施形態のボイラ１では、アンモニア供給部６からバーナ４に燃料アンモニアが供給され、微粉炭供給部７からバーナ４に微粉炭が供給され、燃料アンモニア及び微粉炭を燃料としてバーナ４で火炎が形成される。また、二段燃焼空気供給部５によって二段燃焼用の空気が火炉２の内部に供給されることによって、燃焼ガスに含まれる未燃の燃料が燃焼される。燃料が燃焼されることで生成された燃焼ガスは、火炉２の下部から上部に移動し、煙道３を通じて外部に案内される。
【００３３】
また、本実施形態のボイラ１では、燃料アンモニアの一部がアンモニア供給部６の還元剤供給部６ｃによって還元剤アンモニアとして火炉２の内部に供給される。このとき、還元剤供給部６ｃの還元剤供給配管６ｃ１には、排ガス供給部８によって抽気された燃焼ガスが供給され、還元剤アンモニアに対して燃焼ガスが混合される。このようにして燃焼ガスと混合された還元剤アンモニアは、燃焼ガスと共に火炉２の内部に噴射される。この結果、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が還元される。
【００３４】
このような本実施形態のボイラ１によれば、還元剤として供給されるアンモニアが、抽気して還流された燃焼ガスと混合されたうえで火炉２に供給される。このため、本実施形態のボイラ１によれば、抽気されて還流された燃焼ガスの流れに乗せることによって、還元剤として供給されるアンモニアを火炉２の上方から見た中心部に運ぶことができる。したがって、本実施形態のボイラ１によれば、還元剤として供給するアンモニアを火炉２の中心部に容易に到達させることが可能となり、還元剤として供給されるアンモニアを最小限に抑えつつ、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）をより確実に還元することが可能となる。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００３６】
図２は、本第２実施形態のボイラ１Ａの要部構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態のボイラ１Ａでは、アンモニア供給制御装置６ｄと排ガス供給制御装置８ｃとが電気的に接続されている。アンモニア供給制御装置６ｄは、排ガス供給制御装置８ｃに向けて、全体流量調節弁６ｂ２の開度情報と、排ガス流量調節弁８ｂの開度情報とを出力する。
【００３７】
排ガス供給制御装置８ｃは、アンモニア供給制御装置６ｄから入力される情報に基づいて、火炉２に供給される還元剤アンモニアの流量を算出する。また、排ガス供給制御装置８ｃは、還元剤アンモニアの流量と、還元剤供給部６ｃに供給される燃焼ガスとの合計流量が一定となるように、抽気する燃焼ガスの流量（すなわち排ガス流量調節弁８ｂの開度）を調節する。つまり、本実施形態においては、還元剤アンモニアの流量に基づいて、燃焼ガスの抽気量を設定する。
【００３８】
このような構成の本実施形態のボイラ１Ａによれば、火炉２に供給される還元剤アンモニアと燃焼ガスとの混合流体の流量を常に一定とすることができ、混合流体の流量変動が火炉２の燃焼環境に影響を与えることを抑止することが可能となる。なお、これらのアンモニア供給制御装置６ｄ及び排ガス供給制御装置８ｃは、１つパーソナルコンピュータやワークステーションの機能部として設けることも可能である。
【００３９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００４０】
図３は、本第３実施形態のボイラ１Ｂの要部構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態のボイラ１Ｂでは、燃料アンモニア供給部６ｂと、還元剤供給部６ｃとが各々異なるアンモニア供給源６ａに接続されている。つまり、本実施形態のボイラ１Ｂにおいては、還元剤供給部６ｃは、燃料として供給されるアンモニアの一部の還元剤アンモニアとして火炉２に供給するのではなく、還元剤専用とされた還元剤アンモニアを火炉２に供給する。
【００４１】
このような本実施形態のボイラ１Ｂによれば、還元剤アンモニアの流量を変更するような場合に、還元剤アンモニアの流量変更が燃料アンモニアの流量に影響を与えることを防止することができる。このため、常に規定量の燃料アンモニアをバーナ４に対して供給することができる。
【００４２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態においては、微粉炭とアンモニアとを燃料として混焼させるボイラについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、天然ガスとアンモニアを燃料として混焼させる構成、重油や軽油とアンモニアを燃料として混焼させる構成、あるいは、アンモニアのみを燃料として燃焼させる構成等を採用することが可能である。
【００４４】
また、例えば、燃料アンモニア供給配管６ｂ１、還元剤供給配管６ｃ１及び排ガス抽気配管８ａの複数あるいはいずれかに逆止弁を設けるようにしても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１……ボイラ
１Ａ……ボイラ
１Ｂ……ボイラ
２……火炉
２ａ……排出口
３……煙道
３ａ……水平煙道
３ｂ……後部煙道
４……バーナ（燃焼装置）
５……二段燃焼空気供給部
６……アンモニア供給部
６ａ……アンモニア供給源
６ｂ……燃料アンモニア供給部
６ｂ１……燃料アンモニア供給配管
６ｂ２……全体流量調節弁
６ｂ３……燃料アンモニア流量調節弁
６ｂ４……配分調節機構
６ｃ……還元剤供給部
６ｃ１……還元剤供給配管
６ｃ２……還元剤流量調節弁
６ｄ……アンモニア供給制御装置
７……微粉炭供給部
８……排ガス供給部
８ａ……排ガス抽気配管
８ｂ……排ガス流量調節弁
８ｃ……排ガス供給制御装置
Ｒ１……バーナ領域
Ｒ２……二段燃焼領域
Ｒ３……上部領域
Ｒ４……後部領域
【図１】
2019086190.tif 000003
【図２】
2019086190.tif 000004
【図３】
2019086190.tif 000005