工業炉の脱炭素化に向けたアンモニア燃焼技術開発の紹介

1

はじめに

服 部 成 真Shigemasa HATTORI
中外炉工業（株）商品開発部開発探索課課長補佐。
2008 年 京 都 大 学 大 学 院
工学研究科都市環境工学専攻修士課程修了。同年中外炉工業入社，プラント事業部で冷延鋼板連続光輝焼鈍炉の設計，生産設計部で冷延鋼板連続焼鈍ライン，塗装ライン，各種熱処理設備の設計に従事。2019 年から現職で，アンモニア事業展開を中心に新規事業開発を担当。

ら，産業界において関心が高まっている。
中外炉工業株式会社は，工業炉および工業炉用

工業炉における高温加熱プロセスは，あらゆるバーナーの総合エンジニアリングメーカーであ産業の製造現場において必要不可欠である一方，る。バーナーとは，燃料を燃焼させて熱エネルギー大量の化石燃料が消費されている。工業炉とは，を発生させる機器のことで，一般的な化石燃料で主として鉄鋼，自動車，電気，電子，窯業，化学あるガスや油が使用されることが多いが，副生ガ

工業および環境関連の産業分野で，材料や部品をスなど発熱量が低く燃やしにくい燃料も使用され加熱によって物理的・化学的・機械的性質を変化ることがある。当社ではさまざまな燃料の燃焼技させるための加熱設備の総称である。日本では現術を有しており，創業以来，省エネ型バーナー

在，約 4 万基の工業炉が稼働しており 1），国内総や低 NOx バーナー，さらには水素バーナーなど，排出量の約 17% 脚注）を占める主要な二酸化炭素排時代のニーズに呼応する開発および製品化実績を出源となっている。工業炉は加熱方式で電気式工有し，工業炉における省エネルギー化や脱炭素化

業炉と燃焼式工業炉に二分される。バーナーを用に貢献してきた。

いて炉内を直接的あるいは間接的に加熱する燃焼

2式工業炉からは約 6,600 万 t/yr（約 6.2％）脚注）の二酸化炭素が排出されており，日本における 2050

省エネ型バーナー，水素バーナー

本章では当社の省エネ型バーナーおよび水素年のカーボンニュートラルに向けて，産業界の脱バーナー（2016 ～ 2018 年 トヨタ自動車株式会社

炭素化対策が急速に進むと予測されるなか，工業との共同開発）を概説する。リジェネバーナーお炉分野において化石燃料依存からの脱却に挑戦す

よびラジアントチューブバーナーは，各種工業炉る意義は大きい。

で広く使用されており，後述するアンモニア燃焼

アンモニアは液化が容易であり，単位体積当た技術開発においても，ターゲットとしている機種

りの水素貯蔵能力が高く，水素エネルギーキャリである。

アとしての活用が見込まれているが，近年では水2.1

素と同様，燃焼時に二酸化炭素を排出しないカー

リジェネバーナー

リジェネバーナーとは，2 台のバーナーを 1 つボンフリー燃料として直接燃料利用できることかのペアとして所定のサイクル時間で交互に燃焼

脚注）	一般社団法人工業炉協会集計による国内工業炉における 2018 年度の燃料消費量統計データをもとに，当社が算出した数値である。

させる直接加熱式のバーナーである（図 1）。そ
れぞれのバーナーは蓄熱器を有しており，一方の1鉄鋼プロセス炉などに適用される。
また，高効率レキュペレーターを設置し，高温の燃焼排ガスと常温の燃焼空気の間で熱交換を行うことで，10 ～ 25％程度の省エネ効果が期待できる。
2.3

水素バーナー

水素は燃焼時に二酸化炭素を排出しないカーボンフリー燃料であることから，当社では工業炉の脱炭素化を目指した水素燃焼技術の開発を 2016
図1

年より開始した。水素を工業炉用バーナーの燃料リジェネバーナーとして適応させるための技術課題として，安全面バーナーが燃焼している間，他方のバーナーは高への配慮と NOx 対策があげられる。水素は広い温になった燃焼排ガスを吸引して蓄熱器にその熱可燃範囲をもち，反応性に富んだ燃料であることを蓄える。燃焼させるバーナーが切り替わると，から，燃焼反応を安定させやすい半面，燃焼速度蓄熱器を通過する燃焼空気が，燃焼排ガス温度とが極めて速く逆火が起こりやすい。NOx は主に空同等の高温まで予熱されることで，燃焼排ガスが気中の窒素と酸素が高温で反応することで生成さ含有する熱エネルギーを効率よく回収・利用できれ，燃焼場の温度が高いほど NOx 発生量は増加る仕組みとなっている。この燃焼サイクルを繰りする（サーマル NOx）。水素は燃焼速度が速いこ返すことで，従来の空気燃焼式汎用バーナーと比とから局所的な温度上昇により，NOx 発生量が多較して約 50％の省エネ効果も期待できる。主とくなりやすい。

して鉄鋼加熱炉や鍛造炉，アルミ溶解炉などに適

これらの特性を踏まえて，水素燃焼に適した用される。
2.2

バーナーとして，逆火の起こりにくいノズルミッ

ラジアントチューブバーナー

クス式を選定した。また工業炉用バーナーは通常，ラジアントチューブバーナーは，チューブ内に不完全燃焼によるすすや一酸化炭素の発生，失火おける燃焼によりチューブ外面からの輻射熱をを防ぐために，燃料と空気を直交させ，積極的に利用して炉内を間接的に加熱するため，炉内の混合できる構造となっているが，水素を燃焼させ雰囲気を自由に選択することが可能である（図た場合，混合が過剰に促進され，NOx の発生量の2）。主として連続ガス浸炭炉（Continuous Gas増加につながる。そこで，図 3 のように水素と空Carburizing Furnace：CCF）や窒化炉といった気を緩慢に混合できる構造に改良することで，急熱処理設備，冷延鋼板連続焼鈍設備（Continuous

激な燃焼反応を抑制し，火炎温度のピークを下げ，Annealing Line：CAL）や連続亜鉛メッキライン

NOx 発生量の低減（都市ガス 13A と同等）に成（Continuous Galvanizing Line：CGL）など大型功した。
なお，水素を工業炉バーナーの燃料として使用する際の安全規則は整っていない。そのため，既出所）文献 2）を一部変更

図2

図3

ラジアントチューブバーナー
2

水素バーナー燃焼模式図

存の化石燃料に適用される「JIS B 8415 2020 工て障壁になる可能性が高い。

業用燃焼炉の安全通則」に沿った水素使用時のガそこで当社では，アンモニア燃料利用による工イドラインの策定が今後必要となる。

3

業炉の脱炭素化を早期実現させるためには，これまで検討されてきた二酸化炭素排出を伴う化石燃

アンモニア燃焼技術開発

料との混焼や高コストの酸素富化燃焼ではなく，空気とアンモニアのみによる汎用的なアンモニアアンモニア利用による脱炭素化の機運が高まり専焼技術の確立が必要であると考えた。

を見せるなか，当社では 2019 年より工業炉用ア3.3

ンモニアバーナーの開発に着手した。本章では，アンモニアを工業炉用バーナーの燃料として適当社の開発コンセプトおよびこれまでの成果を中応させるための技術課題として，点火性，燃焼安心に，2021 年度より実施中の国立研究開発法人定性の確保，低 NOx 化および，未燃アンモニア新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）対策があげられる。

における研究開発の概要を紹介する。
3.1

先述のとおり，アンモニアは既存の化石燃料と燃料としてのアンモニアの特徴比較して，非常に燃やしにくい燃料である。従っ

表 1 に一般的な工業用燃料である都市ガス 13Aて，バーナー構造を検討する際は，水素とは真（主成分：メタン）とアンモニアおよび水素の物逆の発想，すなわち空気と燃料であるアンモニア性値を示す。水素は先に述べたとおり，メタンとを積極的に混合させる燃焼法の検討が必要とな比較して，燃焼速度が速く，火炎温度が高い，非る。また，燃焼過程において生成する環境に有害常に燃えやすい燃料と言える。一方，アンモニアな NOx には，燃焼空気中に含まれる窒素と酸素は燃焼速度が遅く，火炎温度が低い，非常に燃えが高温状態で反応することで生成するサーマルにくい燃料である。このため，同じカーボンフリー

NOx と，燃料成分中の窒素分が酸化して生成す燃料でも安定燃焼に求められる燃焼方法は両者のるフューエル NOx が存在する。アンモニア燃焼間で大きく異なる。
3.2

アンモニア燃焼における課題においては，サーマル NOx に加えてフューエルバーナー開発コンセプト

NOx も生成するため，窒素分を含まない従来の化戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）

石燃料に比べてより高度な低 NOx 燃焼技術が求第 1 期（2014 ～ 2018 年度）では，工業炉用バーナーめられる。さらに，アンモニアは臭気が強く，悪において，アンモニア燃焼技術の課題克服に向け臭防止法に基づく特定悪臭物質の 1 つとして，大て，燃焼空気中の酸素濃度を高めた酸素富化燃焼気への放出は厳しく規制されていることから，燃技術を用いた化石燃料との混焼技術等の開発が行焼排ガス中の未燃アンモニア除去が必要となる。

われた。しかし，化石燃料との混焼は工業炉の低3.4炭素化に寄与するものではあるが，日本が 2050

当社では 2019 年より，大阪大学の赤松史光教

年の達成を目指すカーボンニュートラルには直結

授らの研究グループとともに，工業炉におけるアしない。また，酸素富化燃焼は，酸素製造コスト

ンモニア専焼技術開発を開始した。試験には大阪がかかるため，経済性の観点から社会実装におい
表1

これまでの成果と課題

燃料の物性値比較
都市ガス 13A

水素

アンモニア

低位発熱量［MJ/m3N］

40.6

10.8

14.1

密度［kg/m3N］

0.819

0.090.76

理論空気量［m3N/m3N］

10.76

2.393.59

理論排ガス量（wet）［m3N/m3N］

11.82

2.894.84

理論排ガス量（dry）［m3N/m3N］

9.66

1.89

3.340.07

燃焼速度［m/s］

0.37（メタン）

2.91着火温度［℃］

630（メタン）

520

650

断熱火炎温度［℃］

1,950（メタン）

2,110

1,750

燃焼限界［体積％］

5.5 〜 14（メタン）

4 〜 7516 〜 273

大学が所有する 100kW アンモニア燃焼試験炉を3.5使用した（図 4）。アンモニア専焼バーナーの開3.5.1

NEDO における研究開発概要の紹介
工業炉用専焼バーナー開発

発にはこれまで当社が培ってきた製鉄所などで工業炉におけるアンモニア専焼技術の実用化使用されている高炉ガス（Blast Furnace Gas：に向けた取り組みとして，当社では現在，NEDOBFG） や 転 炉 ガ ス（Linz-Donawitz converterによる補助の下，「NEDO 先導研究プログラム/Gas：LDG）といった低発熱量燃料の副生ガス燃エネルギー・環境新技術先導研究プログラム」に焼技術を応用した。具体的な手法として，燃焼空おいて「革新的アンモニア燃焼による脱炭素工業気または燃料であるアンモニアに旋回をかけるこ炉の開発」を実施している。とで，空気とアンモニアの混合を促進させ，さら大阪大学の赤松史光研究室および東京大学の鈴に NOx 対策として二段燃焼法などを最適条件に

木雄二研究室とともに，国内外の工業炉においてて組み合わせることで，アンモニア専焼により，広範な適用が見込まれるラジアントチューブバー以下の成果を得ている。

ナーおよびリジェネバーナーを対象に 2021 年度• 常温での直接点火が可能

から 2022 年度までの 2 年間で，前章にあげた課• 実炉稼働温度である 1200℃まで昇温が可能

題の克服を目指すとともに，2023 年度以降の実• 都市ガス 13A と同等レベルの低 NOx 燃焼が可証プロジェクト化を目指している。
図 5 に 1 年目に開発したラジアントチューブ

能ただし，上記を達成できるのは限定された燃焼バーナー試験炉を示す。炉内にてバーナーを燃焼条件であり，汎用的なアンモニア専焼技術の実用させる直接加熱式のバーナーと異なり，直径百数化に向けては，下記を含めた技術課題が残ってい十 mm のチューブ内という限られたスペースでる。のアンモニア専焼はハードルが高かったものの，• 国内外での環境負荷低減規制の強化を想定した安定燃焼化へのめどが立っている。試験内容およ

さらなる低 NOx 化に向けた燃焼技術開発

び成果の詳細は，開発実施中であることから，こ• 燃焼排ガス中の未燃アンモニア低減技術開発

こでの紹介は控えさせていただく。また，リジェ• アンモニア燃焼による被加熱物（製品）およびネバーナーにおけるアンモニア専焼技術開発に関

炉構成部材への影響検証

しては 2022 年度より実施中である。
3.5.2• タイプの異なるバーナーごとの最適燃焼方法の検討

石炭火力発電用専焼バーナー開発

さらに当社では，石炭火力発電所の微粉炭焚ボ

また水素同様，工業炉バーナーの燃料として使イラー用の大容量アンモニア専焼バーナー開発を用する際の安全ガイドラインの策定も必要となスタートさせた。こちらは，NEDO「カーボンリる。

サイクル・次世代火力発電等技術開発/アンモニア混焼火力発電技術研究開発・実証事業/CO2 フ

図4

図5100kW アンモニア燃焼試験炉
4ラジアントチューブバーナー燃焼試験炉

リーアンモニア燃料

火力発電所での利用拡大にニアに対する注目度，期待度の高まりを肌で感じ向けた研究開発」において，電源開発株式会社，ている。特に，2020 年 10 月の菅前首相の所信表

一般財団法人電力中央研究所，国立研究開発法人

明演説におけるカーボンニュートラル宣言以降，産業技術総合研究所，大阪大学とともに 2021 ～NEDO においてもアンモニアを燃料として利用2023 年度の 3 年間で実施する。石炭火力発電所するための課題克服に向けた研究開発プロジェクから発生する二酸化炭素量は，国内総排出量の約トが複数立ち上がっている。当社含め，各プロジェを占めており，国を挙げての対策が取ら

クトにおける実施者の努力が実を結べば，2030

25％3）れている。

年および 2050 年の二酸化炭素排出削減目標達成

当社が携わる実証事業では，工業炉用に開発しに向けて，燃焼加熱プロセスにおける脱炭素化をたアンモニア専焼バーナーのスケールアップを行必要とする各産業界において，燃料としてのアンい，バーナー専焼試験を行う。続いて試験ボイラー

モニア利用は有望な選択肢の 1 つとなりうる。

にて，アンモニア専焼バーナーと微粉炭バーナー

当社では引き続き，工業炉および火力発電分野の併用で，炉内混焼における最適化を検討する。

におけるアンモニア燃焼技術開発を継続し，早期そこから得られた結果と，実機ボイラー内での混社会実装を目指す。また，アンモニアに限らず水焼シミュレーション結果をもとに，実機ボイラー素や省エネ化技術を各分野へ応用展開することもにおける炉内混焼時の最適条件を検証する。

検討している。弊社が保有する燃焼技術が，カーこちらに関しても，試験内容および成果の詳細ボンニュートラルに向けた課題解決の一助になるは，開発実施中であることから，ここでの紹介はことを願ってやまない。

控えさせていただく。次回，本誌にてアンモニア特集が組まれた際，両バーナー開発進捗に合わせた成果をご紹介させていただきたい。

4

引用文献
1）（株）
野村総合研究所，
平成26年度エネルギー使用合理化促
進基盤整備事業（工業炉等における省エネルギー技術に関する実態調査）
報告書，（2015）．
2）トヨタ自動車（株），プレス発表，2018年11月8日．https://global.toyota/jp/newsroom/corporate/25255692.html（2022.5.9）
3）環境省，2018 年度（平成 30 年度）の温室効果ガス排出量（確報値），2020 年 4 月．

おわりに

本稿では，当社が現在行っているアンモニア専焼技術開発について，その概要を紹介した。筆者
は，当社におけるアンモニア燃焼技術開発起案当初から携わっており，ここ数年来の脱炭素化への世界的潮流と，そのなかでの燃料としてのアンモ5