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日本ガスタービン学会誌

Vol.48No.4

2020.7300kWアンモニア燃焼マイクロガスタービンの開発
Development of 300kW Ammonia Combustion Micro Gas Turbine
新井 啓介＊1
ARAI Keisuke

河野 雅人＊1
KAWANO Masato

久冨 直樹＊1

杉浦 寛史＊1

KUDOMI Naoki

SUGIURA Hiroshi

安井 芳則＊1

石脇 史猛＊1YASUI Yoshinori

ISHIWAKI Fumitake

ABSTRACT
Recently, ammonia is focused as one of the hydrogen carriers, research and demonstration of direct combustion
utilization has been reported. Toyota Energy Solutions Inc. (TE) has participated in a research project on ammonia
combustion power generation using a 50kW micro gas turbine (MGT) in collaboration with Tohoku University andthe National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, and has obtained many results. This time, TEhas begun research on a 300kW MGT for industrial use, and has achieved 100% ammonia-only combustion as a resultof evaluating various prototype combustors for ammonia combustion.
キーワード：マイクロガスタービン，アンモニア燃焼，燃焼器，拡散燃焼，予混合燃焼，NOx，燃料制御
Key words : Micro Gas Turbine, Ammonia Combustion, Combustor, Diffusion Combustion, Premixed Combustion,NOx, Fuel Control．はじめにし，発電を行う実証プロジェクトに参画していた。（※

日本にとって化石燃料依存から脱却しCO2を削減す

2017年度〜 2018年度は共同研究者として参画。
）これまることは重要な課題であり，国の「エネルギー基本計での実績としては，産総研の福島再生可能エネルギー画」において水素が新たなエネルギー源として提示され，研究所に設置した50kW MGTを使用した試験において，「水素社会」実現に向けた取り組みが加速している。一2014年度に灯油−アンモニア混焼（※混焼率はLHV比方，水素の普及に向けては輸送・貯蔵のコストが課題と30%），2015年度にはメタン−アンモニア混焼（※混焼

して挙げられており，水素エネルギーのキャリアとして，率はLHV比50%）およびアンモニア100%専焼を達成し水素含有量が多く液化が容易なアンモニアが注目され，ており，2017 〜 2018年度は東北大および産総研によアンモニアの直接燃焼利用についても各種実証評価が進り提案された燃料由来の窒素酸化物（NOx）を低減すんでいる。今後，エネルギーとしてのアンモニア利用のる燃焼器設計手法を用いて，MGT単体での低NOx化普及により調達コストの低減，CO2フリーアンモニアの（200ppm@16%O2以下）を達成し，小型化された脱硝触製造技術が進展すれば，アンモニアが将来の低炭素社会媒を内蔵した新型パッケージの開発を完了している。の切り札になる可能性を秘めている。

今回（2018年度），トヨタエナジーでは産業分野・大株式会社トヨタエナジーソリューションズ（以下トヨ規模民生施設用としての普及を見据え，300kW MGTタエナジー）では内閣府の戦略的イノベーション創造の研究開発を実施し，アンモニア100%専焼を達成した。

プログラム（SIP）のエネルギーキャリアのプロジェク

以下，開発内容と評価結果について報告する。

トにおいて，アンモニア直接燃焼チームに属し，国立．300kWアンモニア燃焼MGT実証概要

大学法人東北大学（以下東北大）および国立研究開発法人産業技術総合研究所（以下産総研）と共同で，アンモニアをマイクロガスタービン（以下MGT）で燃焼300kW MGTによるアンモニア燃焼の実証にあたり，開発期間が年間と短いことを考慮し，具体的な数値目

標としてはアンモニア混焼率を50%以上（LHV比）およ＊

原稿受付 2019年 月26日
査読完了 2020年 月18日㈱トヨタエナジーソリューションズ〒471-8573 豊田市元町 番地 トヨタ自動車㈱元町工場内
E-mail: keisuke̲arai@toyota-energy.co.jp

び排気ガス中の窒素酸化物量を大気汚染防止法の環境基準値（70ppm@16%O2）以下とした。
試験場所としては中部電力株式会社（2019年 月において燃料事業，海外発電・エネルギーインフラ事業，火ー 52 ー
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300kWアンモニア燃焼マイクロガスタービンの開発

力発電事業などは株式会社JERAに承継）の知多火力発負荷抵抗器で消費している。また，MGT下流にはNOx電所において実施しているが，これは既存の火力発電所低減のための脱硝装置を設置しているが，コージェネの脱硝用アンモニア供給設備をMGTの燃料用アンモニレーション用の排熱回収ボイラは設置せずに排気ガスはア供給設備として流用することを意図したためである。

排気消音器を介して大気中に放出している。

既存のアンモニア設備を流用出来たことでMGT設置に300kW MGTの諸元をTable 1に示す。これまでアン際しての法令対応についても，例えば高圧ガス保安法関モニア燃焼の実績がある50kW MGTは再生サイクル機連ではMGT設置はガス消費設備の軽微な変更と見なさのため，燃焼器入口空気温度が500℃以上と高かったのれ，管理・点検項目への対象機器の追加等の最小限の変に対して，本機はシンプルサイクル機のため，300℃程更・届出で済むなど，比較的短期間で着工開始にこぎつ度の低い燃焼器入口空気温度条件で，より多くのアンモけることが出来た。

ニアを燃焼する必要があった。燃料としてのアンモニア

300kWアンモニア燃焼MGTパッケージの外観をFig. 1

は発熱量が一般的な都市ガスの1/3程度と低く，また火に示すが，発電パッケージにはMGT本体及び同期発電

炎温度が低い，燃焼速度も遅いなど相対的に燃焼面で不機，減速機，燃料用ガス圧縮機，潤滑油系およびその冷利とされ，目標の達成には困難が予想された。そこで，却系統を内蔵しており，さらにMGTを制御する制御盤，MGTの基本要素（コンプレッサ，タービン）は標準系統連系をおこなう高圧盤も内蔵したオールインワン

MGTのままとする一方で，燃焼器についてはアンモニパッケージとなっている。

ア燃焼対応として，標準の都市ガス用燃焼器（STEP0）をベースに計タイプの燃焼器（STEP1 〜 3）を試作している。
（Fig. 3）
Table 1 Speciﬁcations of 300 kW MGT機種
発電機出力
発電効率
型式
回転速度
空気流量
原動機
Fig. 1 300 kW ammonia combustion MGT package

今回の試験機はコージェネレーション用パッケージをそのまま流用しているが，パッケージ内にアンモニア用

発電機形式

圧力比
燃焼器入口温度
燃料消費量（13A）
燃料消費量（NH3換算）
排気ガス温度300kW MGT
295kW（25℃）
17.4%
単純開放サイクル
軸式ガスタービン
40,000min‑1
2.59kg/sec（7,210Nm3/h）
6.6
300℃
150.2 Nm3/h
328.9 kg/h
496℃
同期発電機に選定した大容量の燃料遮断弁，燃料調量弁からなるアンモニア供給ユニットが追設されている。
（Fig. 2）燃料（アンモニア，LNG），補機電力，パージ用および計装用の窒素ガス（N2）は発電所内の既存インフラから供給されており，発電電力は系統連系せずに併設のFig. 3 300 kW MGT cross section

Fig. 2 Ammonia supply unit in the package

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アンモニア供給設備（Fig. 4）については前記のように既存発電所設備の流用であるが，ユニットはアンモニア液タンク（タンク容量50t）と気化器（蒸発能力600kg/h）で構成されており，300kW MGTを

日本ガスタービン学会誌

油圧，ガス圧力監視等を実施しているほか，異常があった場合は自身の保護停止を行うとともに，MGT制御盤へ異常発報することでシステム全体の保護を行っている。
今回アンモニアを燃料とすることでMGT排気中に燃台運転料由来のNOxが多量に排出されることが予想されたたするために十分なアンモニア供給能力を有している。

め，MGT下流に脱硝装置を設けている。
（Fig. 6）脱硝装置はSCR（選択式還元触媒）方式であり，MGT排気排ガス中のNOxを 1,000ppm→30ppm以下に低減する能力を有している。300kW MGTの排気温度は500℃前後であることから，この温度域で活性が得られる触媒を選定している。触媒はハニカム状に成型されており，□150×150×t50の触媒セルを筐体内部に個×個×段（合計576個）搭載している。触媒性能を評価するた
めに触媒上流および触媒中段（段目〜 段目の中間），触媒下流に排ガス温度および排ガス性状を計測するためのサンプリングポートを設けている。
Fig. 4 Ammonia supply facility

ただし，アンモニア供給設備からのアンモニア供給圧力は0.2MPa程度とMGT圧力に対して低く，そのままでは直接MGTへの燃料投入が出来ないため，今回の実証評価設備ではアンモニア供給設備〜 MGT間に新規に製作したアンモニアガス圧縮機を設置している。
（Fig. 5）

Fig. 6 NOx removal unit（SCR）

MGTの性能に関する各種状態量はエンジンコントロールユニット（ECU）から出力され，その他燃費デー
Fig. 5 Ammonia gas compressor

タ（アンモニア／ LNG）や脱硝装置前後での排ガス分

アンモニアガス圧縮機は水平対向ピストンを電動モー器ライナ温度データ等と合わせて，試験パッケージに隣タで駆動しており，アンモニア供給圧をMGT入口で接する仮設ハウス内に設置した計測PCおよびデータロ0.8MPaまで高めると同時に300kW MGTにおいて定格ガーによりデータ収集を行っている。

析（O2，CO2，CO，THC，NOx，N2O） デ ー タ， 燃 焼

出力運転に必要なアンモニア流量330kg/h以上を供給可．試験結果能である。アンモニアガス圧縮機ではモータ回転数を一定に保ち，アンロード運転（吸入閉止ON/ OFF）を行うことで流量制御を行っているが，ガス吸入側および吐今回評価を実施した燃焼器STEP0，STEP1 〜 STEP3の外観および特徴，評価結果をFig. 7に示す。

出側の圧力変動を抑制するために前後段にそれぞれバッ.

STEP0燃焼器ファタンク（吸入スナッパ／吐出スナッパ）を設けてい

STEP0燃焼器は300kWコージェネレーション用拡散る。また付属の制御盤では，冷却ファンON/OFF制御，燃焼器を使用し，燃焼器の空気配分および燃焼器ライナ

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冷却構造（フィルム冷却方式）はオリジナルのままととし，脱硝装置出口でのNOx値が下がりきった点をアなっている。アンモニアは燃料噴射ノズル入口ポート手ンモニア混焼率の上限としている。
（Fig. 8）前で都市ガス（LNG）系統と合流し，共通の燃料噴孔.

からLNG+アンモニア混合ガスを燃焼器内に噴射していSTEP2燃焼器はSTEP1燃焼器同様にリッチリーン燃STEP2燃焼器

焼方式に準じた空気配分になっており，燃料経路（燃料る。
本燃焼器においてアンモニア混焼率30%（LHV比）まノズル）もSTEP1と同一仕様となっているが，ライナでの運転を実施し，アンモニア供給系の機器，制御の安冷却構造についてはフィルム冷却方式からインピンジメ定動作の確認および脱硝装置出口でのNOxが規制値以ント冷却方式に変更している。これにより燃焼領域への下となることを確認した。

冷却空気流入による燃焼ガスの希釈およびライナ壁の過.

冷却を抑制し，ライナ壁面近傍での未燃分発生を低減す

STEP1燃焼器

STEP1燃焼器では東北大，産総研で検討された燃料ることでアンモニア燃焼性能の向上を図っている。本燃

過濃燃焼と希薄燃焼を単一燃焼器でおこなうリッチリー焼器ではアンモニア混焼率70%（LHV比）を達成していン燃焼方式の考えを取り入れ，燃焼領域の当量比をリッる。

チ化している。また，燃料経路（燃料噴射ノズル）は.

系統となり，LNG＋アンモニア混合ガス噴射に加えてSTEP3燃焼器は300kW都市ガスコージェネレーショ

LNGとアンモニアの個別噴射も可能となっている。燃ン用予混合燃焼器をベースにアンモニア燃焼用に改造を焼器ライナ冷却方式はSTEP0燃焼器と同様にフィルム加えたものである。本燃焼器の燃料経路は 系統に分か冷却方式を採用している。本燃焼器ではアンモニア混焼れており，パイロット燃料は拡散燃焼用，プライマリ，率50%（LHV比）を達成したが，それ以上の混焼率ではセカンダリ燃料が予混合燃焼用となっているが，アンモ未燃分増加が顕著となったため，これ以上のアンモニアニア燃焼器ではこれを利用し，パイロットはLNG＋ア投入は困難と判断した。

ンモニアの混合ガス経路，プライマリ，セカンダリはア

STEP3燃焼器

今回の試験ではMGT（燃焼器）出口からの未燃アンンモニア専用の経路としている。拡散燃焼領域および予モニアは後段の脱硝装置でNOx還元用として作用する

混合燃焼領域の当量比はアンモニア燃焼対応としてリッことが分かっているが，本来脱硝用として脱硝装置入口チに調整しているほか，拡散燃焼器と比較して燃焼器容に噴射すべきアンモニア量（還元対象のNOxと同程度積が大きく，燃焼器内滞留時間が増加している。またラのモル量と想定）相当の未燃アンモニア量まで許容する

イナ冷却構造は無冷却ライナ（＝ライナ内外の対流伝熱Fig. 7 Prototype combustors for ammonia combustion

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日本ガスタービン学会誌のみによる冷却）を採用することにより，燃焼領域およびライナ壁温度の低下を抑制し，さらなるアンモニア燃焼性能の向上を図っている。本燃焼器は拡散燃焼タイプを上回る性能を発揮し，最終的にアンモニア100%専焼（Fig. 9）
すなわちCO2排出ゼロを達成している。
.

アンモニア100%専焼運転Fig. 10にSTEP3燃焼器によるアンモニア100%専焼達成時の運転データを示す。MGTの起動はLNGで行い，エンジン回転数が定格回転到達後に負荷投入を開始し，定格出力（295kW）到達前後にアンモニア投入を開始している。アンモニア流量を手動制御で徐々に増加していき，それに従いLNG流量はフィードバック制御によFig. 8 NOx emissions（after NOx removal unit）

り自動的に減少していくが，LNG−アンモニアのLHV比が凡そ50：50のポイントでフィードバック制御対象をLNGからアンモニアへと切り替えている。
（図中点線部におけるLNG制御→アンモニア制御への移行。）以降はLNG流量を手動で減少していき，最終的にLNG流量がゼロとなり，アンモニア100%専焼が達成された。
アンモニア100%専焼時のエンジン性能および排ガス性状をTable 2に示すが，所定のエンジン性能が得られており，排気ガス中のCO2ゼロ（※計測CO2濃度0.04%
は 大 気 中 のCO2濃 度=400ppmに 相 当 ）， か つNOxも15ppm@16%O2未満と大気汚染防止法の規制値70ppm以下を達成していることを確認した。

Fig. 9 CO2 emissions（after NOx removal unit）

Fig. 10 300 kW MGT operation with 100% ammonia combustion

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Table 2 Test results at 100% ammonia combustion．今後の展開エンジン性能発電出力
吸気温度
タービン出口温度
コンプレッサ吐出圧力
コンプレッサ吐出温度
LNG流量
アンモニア流量
排ガス性状（触媒出口）
O2
CO2NOxNOx（＠16％ O2）
CO

今回300kW MGTにおいてアンモニア100%専焼を達kW
℃
℃
kPaA℃
Nm3/h
Nm3/h

計測値
294.7
14.6
427.2
651.9
281.70.0419.8%%ppm
ppm
ppm

成したが，今後は長時間の運用における機器の耐久性，信頼性評価をはじめ，アンモニア安定燃焼範囲の拡大，燃料分配制御の自動化や50kW MGTでの知見に基づく低NOx燃焼技術の展開などアンモニア燃焼技術の高度化に取り組んでいく。また，起動用都市ガス（LNG）なしのシングルフューエル化やMGT排熱のアンモニア供給設備（気化器）への利用など全体システムの最適化

17.4
0.04
10.6
14.70を図り，将来のCO2フリーアンモニア普及を見据えた製品化および商品性の向上を目指していく考えである。
謝辞
本研究（の一部）は内閣府総合科学技術・イノベー

これまでの試験において，アンモニア投入量を増加しション会議の戦略的イノベーション創造プログラムていくとライナ温度が低下し，燃焼が悪化していく傾向（SIP）「 エネルギーキャリア」（管理法人：JST）によっが見られていたが，STEP3燃焼器ではアンモニア投入て実施されました。東北大学の小林秀昭先生をはじめご量増加途中で燃料指導，ご協力いただいたすべての関係各位に感謝申し上系統（拡散系統，予混合系統）の燃料分配を手動で調整し，ライナ壁面温度の低下およげます。
また試験場所のご提供，アンモニア供給設備の利用等

び燃焼の悪化を最小限に抑えることでアンモニア100%にご協力をいただきました中部電力株式会社（現在，株専焼に至るまでの安定燃焼を実現した。
（Fig. 11）

式会社JERA）および同社知多火力発電所の関係者の方々に厚く御礼申し上げます。

参考文献⑴

SIP（戦略的イノベーション創造プログラム） エネル
ギーキャリア ，最終報告書， アンモニア直接燃焼 ，アンモニア燃焼マイクロガスタービン（2019）.
⑵ 壹岐典彦，倉田修， アンモニアを燃焼するガスター
ビン ，日本燃焼学会誌，Vol. 58，No. 186（2016）, pp.
215-222⑶ 壹岐典彦ほか， ガスタービンにおけるアンモニア燃焼利用 ，第44回ガスタービン定期講演会（酒田）講演論
文集，C-12（2016）, pp. 259-264⑷ 長谷川武治， アンモニア併産／ CO2回収型高効率IGCC
発電 -アンモニア利用の現状とガスタービン開発の課題- ，
第44回ガスタービン定期講演会（酒田）講演論文集，C-11（2016）, pp. 253-257

Fig. 11 Combustor liner wall temperature

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