技術紹介

アンモニア燃焼時における計測技術の紹介
山岡俊行 *1

Yamaoka Toshiyuki

西原賢志 *2

塩谷Nishihara Satoshi颯大 *3

Shiotani Sota

地球温暖化による気候変動を抑制するため、世界中でカーボンニュートラルの実現に向けたさまざまな研究開発が進められている。その中でアンモニアを燃料とした発電は、二酸化炭素（CO2）を排出しないため、電力の脱炭素化を実現するものとして注目されている。
アンモニアを燃料とした発電の一つに、石炭とアンモニアを混ぜて燃焼させる「混焼方式」があり、当社
では石炭とアンモニア混焼時に排出される排ガス成分やダスト・未燃分濃度などの計測をしている。本稿
では排ガス成分として窒素酸化物（NOx）、未燃アンモニア（NH3）、一酸化二窒素（N2O）、水素（H2）、およびダスト濃度の計測方法を紹介する。
キーワード：カーボンニュートラル、脱炭素化、アンモニア、一酸化二窒素、水素、ガス組成、ダスト濃度、ガス採取管、アンモニア混焼、排ガス計測

生するガス成分（表 1 ①）を対象とし、炉内におけ

1. はじめにるガス成分の濃度分布を把握する。また火炉出口

アンモニアは分子内に炭素（C）を含まないた

計測では、採取したばいじんから求めるダスト濃め、燃焼時に CO2 が発生しないことが最大の特徴

度や、未燃のアンモニア濃度によって燃焼状態をである。そこで、火力発電の CO2 排出量を低減さ評価している。

せるため、石炭とアンモニアの混焼が着目されて本稿では、アンモニア混焼におけるガス計測にいる。しかしアンモニア由来の環境汚染や悪臭なついて紹介する。

どの問題や、燃焼効率向上の課題がある。そのた

2. 炉内計測

め燃焼時に発生するガス組成を分析し、窒素酸化物、未燃アンモニア、ダスト（ガス中の粒子状物

燃焼中の炉内排ガス温度は 1100 ～ 1400℃にな質）、未燃分などの発生状況、および燃焼状態を把る。一般の排ガス計測で使用するステンレス製の握することが求められている。

ガス採取管では高温に耐えられず、使用できなアンモニア混焼時の主な計測箇所は、火炉内へい。そこで炉内の計測は、図 2 に示す水冷式のガ供給された燃料により火炎が形成している「炉内」

ス採取管を使用する。水冷式ガス採取管は図 3 にと、燃焼後の排ガスが流れている「火炉出口」であ示すように火炉内部に挿入し、ここから採取したる（図 1）。炉内計測では、燃焼や熱分解により発ガスに対して表 1 ①の項目を計測する。また表 1*1：計測事業部*2：計測事業部*3：計測事業部

化学・材料部
化学・材料部
化学・材料部

相生グループ相生グループ
化学グループ

主査
主任

—

10—

火炉

火炉内

燃料投入

（上側より見る）

火炉出口
計測

中心

計測

火炉左側
排ガス計測

図1
表1

計測位置

アンモニア燃焼時作業内容

計測箇所

計測項目

火炉内

① ガス成分：NH3・NOx・O2・H2・CO・CO2・SO2② 排ガス温度火炉出口③ ばいじん未燃分・NH3・N2O

炉内挿入側

図2

水冷式ガス採取管②に示す排ガス温度は熱電対を用い計測する。

燃焼炉

2.1 炉内排ガス成分計測
計測時の採取状況を図 4 に示す。窒素酸化物（NOx）は、挿入した水冷式ガス採取管と排ガス分冷却水析計（図 5）をつなぎ、計測する。またその他の成分も同時に計測している。炉内の複数箇所を計測することで、図 6 に NOx に対して示したようなガ

図3

燃焼炉内部への水冷管挿入図

ス成分の分布状態が確認できる。
—11—

IIC REVIEW/2024/04. No.71

ガスメーター

燃焼炉

NOx計
ポンプ
ガス採取口

アンモニア除去
前処理
冷却水

炉内側

ポンプ側

図4

炉内排ガス成分計測

図5

排ガス分析計全体

缶左側
缶前

00～01010～02020～03030～04040～050

バーナー入口

火炉出口側

中心50～06060～08080～100

図6

炉内 NOx 分布結果

2.2 炉内水素計測

真を図 8 に示す。ガス採取には水冷式採取管を使アンモニアの分子式は NH3 であり水素（H）を含用し、ダイヤフラムポンプで吸引、塩化カルシウ

んでいるため、熱分解により発生する水素（H2）もムで水分を除去しガス採取袋に採取する。ガス採計測項目の一つである。H2 量は、採取したガスを取袋には H2 透過のないアルミニウムバッグを使（1）

ガスクロマトグラフ分析 にかけて求める。H2 計用し、採取時は 3 回以上ガス置換をしてバッグ内

測用のガス採取方法の概略図を図 7、採取状況写のガス純度を高める。

炉内ポンプ

冷却

図7

塩化カルシウム

採取管

H2 サンプリング系統図—

12—

ガス採取袋

なぎ、図 10 に示すようにポンプでガスを吸引しポンプ採取する。その際に水冷式採取管内部にアンモニアが吸着するので、分析データが実際の値より低くなる。そこで図 11 に示すように吸収瓶につないだ長いフッ素樹脂パイプを水冷管内部に挿入す水分除去ることで、フッ素樹脂パイプ内にアンモニアを吸着させ採取管内部への吸着を防ぐ。そしてフッ素樹脂パイプ内に残るアンモニアも合わせて分析す

ガス採取袋ることで正確な結果が得られる。分析後の発色状
況を図 12、分析結果より炉内濃度分布図を図 13に示す。
図8

現場 H2 サンプリング

3. 火炉出口計測（2）2.3 炉内アンモニア計測

火炉出口部では燃焼後の排ガス計測を行う。排（2）アンモニアはインドフェノール青吸光光度法

ガス温度が炉内排ガスより低いため、一般的なスで求める。採取の様子を図 9 に示す。

テンレス製の採取管を使用する。主な計測項目を
表 1 ③に示す。

アンモニア採取用の吸収瓶を水冷式採取管につシリコンチューブ
フッ素樹脂パイプ

ポンプ側

炉内側
吸収瓶

吸収瓶
①

図9

ガス採取口

ポンプ側

吸収瓶
②

図 11

アンモニア採取の様子

吸着防止フッ素樹脂パイプと吸収瓶

炉内
水冷式採取管

ポンプ

冷却

吸吸収

収瓶

瓶

ガスメーター

水

図 10

炉内アンモニア計測系統図—

13—

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検量線用標準試料

図 12

分析試料

発色後のアンモニアサンプル
缶左側

缶前

0～020
20～03030～04040～050
50～060

バーナー入口

火炉出口側

中心60～08080～100

図 13

炉内アンモニア分布（3）（4）

3.1 火炉出口排ガス中のダスト濃度計測

燃焼炉で燃え残ったばいじんを、排ガスの等速火炉出口部吸引により採取し、ダスト濃度、未燃分を計測する。計測結果からは燃焼状態を推定できるため、ろ紙ホルダー燃焼効率向上の検討に寄与する。
計測状況を図 14 に示す。

採取管

ポンプ側

排ガスからばいじんを採取したろ紙を 107℃で乾燥させて水分を除去し、ダスト濃度を算出す
図 14る。その後、電気炉で 815±10℃に加熱する。未燃

火炉出口ばいじん未燃分計測分、すなわち燃料として供給されながら燃焼しなかったものは、この加熱で燃え、除去される。しめ、火炉出口でもアンモニアを計測する。図 15 にたがって加熱により減少した質量からダスト中の示すように一般のガス採取管を使用し、ポンプで未燃分を算出する。

ガスを吸引し採取する。炉内計測と同様、採取管内にフッ素樹脂パイプを挿入し、吸収瓶とフッ素（2）3.2 火炉出口アンモニア計測

樹脂パイプ内に残るアンモニアを合わせて分析する。

燃焼後に未燃アンモニアの有無を確認するた—

14—

火炉
出口

排採取管ガポンプ

ス

ガス

吸メーター

収瓶

図 15

火炉出口アンモニア計測系統図（5）ある。計測の様子を図 16 に示す。

3.3 火炉出口一酸化二窒素（N2O）計測

CO2 と同様 N2O も温室効果ガスであり、その温

採 取 ガ ス 中 に 一 酸 化 窒 素（NO）、 二 酸 化 硫 黄室効果計数は CO2 の約 300 倍と高い。アンモニア（SO2 ）、水分（H2O）があると、時間経過とともにの分子式 NH3 には窒素（N）が含まれ、燃焼時に酸二酸化窒素（NO2 ）が N2O に変化し、分析結果に影化して NOx が排出されるため、N2O 計測も重要で響を及ぼす。表 2 に水分除去の有無、2 時間経過

火出口

排ポンプ

採取管

ガ

無ス

水リン

図 16表2塩化カルシウム

炉

ガス
採取袋

火炉出口 N2O 計測系統図

N2O 濃度に対する水分除去の影響（a）N2O 濃度：採取後 30 分以内の分析

N2O 濃度（ppm）
水分除去なし（生ガス）

水分除去あり114<5210<5314<5（b）N2O 濃度：時間経過の比較

N2O 濃度（ppm）
水分除去なし（生ガス）
202 時間後→2163<5425

1

水分除去あり50<52 時間後→

62 時間後→32<52 時間後→

52 時間後→13<52 時間後→

52 時間後→30<52 時間後→5—

15—

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後の N2O 分析結果を示す。表 2（a）に示す通り、水分を除去しないと、30 分以内の分析でも N2O 濃度が高くなる。また表 2（b）に示す通り、水分を除去すると 2 時間経過後も値はほぼ変化がない

N2O計

が、水分を除去しない場合は時間経過とともにN2O 濃度が増していることがわかる。そこでサンポンプ

プリング時は確実に水分を除去し、ガス採取から30 分以内に分析を開始する。

火炉出口側

また、2023 年度より、図 17 に示すポータブル

図 17の N2O 計を導入し、迅速な計測と多くのデータ取得を可能とした。

ポータブル N2O 計
参考文献

4. おわりに（1） JIS K 0114:2012：ガスクロマトグラフィー通

本稿ではアンモニアを燃料として使用する混焼則、一般財団法人日本規格協会

方式の発電に対して実施している計測項目と、計（2） JIS K 0099:2020：排ガス中のアンモニア分析測方法について紹介した。

方法、一般財団法人日本規格協会

脱炭素社会の実現に向け、アンモニア燃料の利（3） JIS Z 8808:2013：排ガス中のダスト濃度の測定

用拡大は国内のみならず世界的にも注目されてい方法、一般財団法人日本規格協会

る分野であり、当社が取得した計測データはアン（4） JIS M 8815:1976：石炭灰及びコークス灰の分モニア燃焼の今後に大きく影響する。そのため計析方法、日本規格協会（5） JIS K 0110:2018：排ガス中の一酸化二窒素分

測方法は常に見直し、最新設備を積極的に導入し析方法、一般財団法人日本規格協会

計測や分析の効率を上げ、一つでも多くのデータを取得することで地球環境問題の改善に貢献する。

計測事業部 化学・材料部
相生グループ
主査

計測事業部 化学・材料部
相生グループ
主任

山岡 俊行

西原 賢志

TEL. 0791-24-2673
FAX. 0791-24-2798

TEL. 0791-24-2673
FAX. 0791-24-2798

計測事業部 化学・材料部
化学グループ

塩谷 颯大TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3542—16—