三菱重工技報 Vol.61 No.3 (2024) マテリアリティ特集

技 術 論 文1

カーボンニュートラルの実現に向けたボイラ用アンモニア専焼バーナの開発
Development of Ammonia Single-Fuel Burner at Boilers
for the Decarbonized Society

山 下 登 敏 *1

甘 利 猛 *1

Takatoshi Yamashita

Takeshi Amari

大 西 洋 輔 *2

栗 原 誠 矢 *2

Yosuke Onishi

Seiya Kurihara

嶺聡 彦 *3

Toshihiko Mine

髙 山 明 正 *4
Akimasa Takayama

2050 年カーボンニュートラルに向けた日本政府のグリーン成長戦略では，燃料アンモニア産業の成長戦略“工程表”が示され，今後の取組みの一つとして石炭火力におけるアンモニア燃料転換を進めることが示されている。三菱重工業株式会社（以下，当社）では，国内外の様々なお客様の取組みに対応できるように，旋回燃焼，対向燃焼の両方式の石炭焚きボイラにおいて，アンモニアへの 50％以上の燃料転換を可能とする技術開発を進めている。本報では，アンモニア専焼バーナを用いた専焼試験及び石炭とのアンモニア 50％以上の燃焼試験により，いずれの燃焼方式においても安定燃焼を確認するとともに，窒素酸化物（NOx）の排出量を石炭専焼時よりも抑制でき，またアンモニアを完全燃焼できたので報告する。
三菱重工グループのマテリアリティはこちら|1. はじめに
当社は 2040 年カーボンニュートラルの達成を宣言（MISSION NET ZERO）し，その中で既存インフラのカーボンニュートラル化の推進を掲げている。火力発電のカーボンニュートラル化を目指す上では，石炭焚きボイラの CO2 排出量の削減が重要であり，燃焼しても CO2 を排出しないアンモニアによる燃料転換が注目されている。グリーンイノベーション基金事業では，燃料アンモニアの供給と需要が一体となった燃料アンモニアサプライチェーンの構築を目指しており，2050 年にアンモニアの国内導入量 3 000 万トン/年に必要な技術の一つとして，石炭火力への 50％以上のアンモニア燃料転換を可能とする技術開発を進めている。アンモニアは燃焼速度が低く（メタンの約 1/5），バーナ開発においては安定燃焼と未燃アンモニア抑制が課題となる。さらに，窒素分を含むので，NOx の抑制も課題である。特に，燃料転換率 50％以上の場合は，これら課題が顕著となる。また，アンモニアは発熱量が低いため，配管サイズ小型化が可能である液体を直接供給する液焚きバーナのニーズがあると想定される。当社では，お客様の多様なアンモニア利用ニーズに応えるため，旋回燃焼，対向燃焼の各燃焼方式のボイラに対応する液焚き，気焚きアンモニア専焼バーナを各々開発し，燃焼試験にてアンモニアの安定燃焼を達成するとともに，NOx を石炭専焼時よりも抑制することに成功し，実機ボイラへの適用目途を得たので報告する。

*1 エナジードメイン SPMI 事業部 技術部 主席技師 技術士（機械部門）*2 エナジードメイン SPMI 事業部 技術部*4 総合研究所 エナジー研究推進部*3 総合研究所 エナジー研究推進部 主席研究員

三菱重工技報 Vol.61 No.3 (2024)2|2. アンモニア燃料転換コンセプト
2.1 50％以上の燃料転換を可能とするアンモニア専焼バーナコンセプト
石炭-アンモニアを予混合させた二段電気炉試験では，アンモニア燃焼割合の増加とともにNOx が増加し，燃焼割合 50％で極大となった。また，アンモニア燃焼時は空気比に対する NOx感度が増大した。一方，石炭・アンモニアをそれぞれ独立（専焼）のバーナで燃焼させれば，それぞれの燃料に応じて空気比の適正化が容易であり，アンモニア燃焼割合を高めた場合にも NOx抑制が可能であることを既報にて示した(1)。
本特性を活用し，石炭とは別にアンモニア専焼バーナを設置し，ボイラ火炉内で燃焼させる方法を提案する。ボイラでは，高さ方向にバーナが複数段設置されており，アンモニアバーナの設置段数を変化させることにより，50％以上の燃料転換に対応可能であるとともに，各バーナの空気比制御が容易であり NOx 抑制の点で優れると考えている。また，アンモニア燃料の普及段階においては，バーナ改造後も石炭専焼運転での定格出力，環境性能を維持することを狙い，既設の石炭，もしくは起動用油バーナをアンモニア専焼へと切替可能なバーナを考案した。

2.2 アンモニア供給方式
アンモニアの供給方式としては，液体で供給する液焚きと，気体で供給する気焚きの二つの方式が想定される。各方式には表１に示すような特徴と課題がある。既設ボイラのカーボンニュート
ラル化に向けた燃料アンモニアの導入では，ボイラそれぞれで適用条件が異なってくると想定されるため，当社では，お客様がいずれの方式でも選択できるように，各々の方式に対応するバーナを開発している。
表１ 液焚き，気焚き方式の特徴とバーナ開発における課題

発電効率

特徴

燃料配管サイズ設置スペース，設備・施工費用

バーナ開発における課題液焚き・ ボイラ火炉内で液体アンモニアを気化させるため，気焚きに比べ効率が低下する
・ 液体であるため，燃料配管サイズが小さい・ 供給母管サイズ：250A 相当（1 000MW アンモニア燃料 50％転換時）
・ 配管サイズが小さく，ボイラ建屋内配置が容易
・ 気化器不要，配管重量が小さく，設備・施工費用が安い
・安定した着火保炎の実現
・ 未燃アンモニア，NOx の抑制，温暖化係数の高い N2O の抑制
・気化熱による局所温度低下に起因する着火/燃焼不良の防止
・ ノズル・配管部でのベーパロック防止

気焚き・ 海水利用による気化器を採用することで，外部熱の利得により，液焚きに比べ効率は高くなる・ 気化により体積が増加し，燃料配管サイズが大きい
・ 供給母管サイズ：1 100A 相当（1 000MW アンモニア燃料 50％転換時）
・ 配管サイズが大きく，ボイラ建屋内配置はアンモニアへの燃料転換率が高くなるほど容易ではない・ 気化設備（海水取水設備含む）が必要，配管重量が大きく，設備・施工費用が高い
・安定した着火保炎の実現
・ 未燃アンモニア，NOx の抑制，温暖化係数の高い N2O の抑制

2.3 各燃焼方式におけるアンモニア専焼バーナ(1) 旋回燃焼方式
旋回燃焼ボイラでは，起動用油バーナを，アンモニア専焼バーナへと切替可能なバーナとした（図１(a)）。液焚きの場合は，起動用油バーナの箇所に液体アンモニア噴霧ノズルを配置し，気焚きの場合には，同箇所に当社ガス焚きバーナにて豊富な採用実績のあるガススパッドノズルを配置する。起動用油バーナは石炭バーナに挟み込まれた配置となっており，アンモニア燃焼時は，石炭バーナとアンモニアバーナが近接した配置となるため，相互の火炎が影響した状態での着火安定性，NOx 特性の評価が必要であり，燃焼試験では二段分の石炭バーナとその間に油/アンモニア両用バーナを取り付けた形で性能を評価した。
(2) 対向燃焼方式
対向燃焼ボイラでは，石炭バーナを，アンモニア専焼バーナへと切替可能なバーナとした。バーナ配置特性から，隣接バーナ間距離が遠いため，単一バーナでの安定着火・保炎が必須とな三菱重工技報 Vol.61 No.3 (2024)

3る。そのため，単一バーナでのアンモニア専焼試験で着火・燃焼性について評価した。アンモニ
アは常温常圧では気体であり，高温場である火炉内では，ノズルから噴射された液体アンモニアはすぐに気化する。そこで，既存のガス焚きバーナで実績のあるマルチスパッドノズル構造を液焚きアンモニアバーナに応用した。一方で，アンモニアの気化熱は大きく，気化した際の温度低下により着火が阻害されることが懸念され，着火性向上手段として，燃料噴霧ノズルの改良により燃焼用空気とアンモニアの混合適正化を図った。気焚きアンモニアバーナは，液焚き用と同様，既存のガス焚きバーナを転用した（図１(b)）。

図１ 各燃焼方式でのアンモニア 50％燃焼バーナパターン例とアンモニア専焼バーナ|3. 燃焼試験設備
3.1 燃焼試験設備
石炭-アンモニア燃焼やアンモニア専焼時における燃焼安定性や排ガス性能評価に向けて，当社が保有する 0.5t/h 炉及び 4t/h 炉燃焼試験設備を用いた（図２）。本設備では，旋回，対向両燃焼方式向けのバーナ試験が可能である。0.5t/h 炉にてバーナ形状や燃焼空気条件等を最適化し，バーナの基本構造や運転条件を確立した後，4t/h 炉にて実機同等サイズまでスケールアップさせ，燃焼性能を最終評価する。NOx，未燃アンモニア，亜酸化窒素（N2O）等，アンモニア燃焼において懸念される各種排ガス濃度の他，火炉側部のアクセスポートから火炎温度や炉内各種ガス濃度を取得することで，燃焼 CFD（Computational Fluid Dynamics; 数値流体力学）の高精度化に活用することができる。

図２ 燃焼試験設備外観

3.2 アンモニア供給・貯蔵設備
アンモニア燃焼試験に向けて NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）委託事業にて導入したアンモニア供給設備の外観を図３に示す。主な機器としては，液化アンモニアタンク，受入れコンプレッサ，液送ポンプ，気化器，除害槽などで構成されている。タンク内のアンモニアは常温で飽和蒸気圧以上に加圧されている液体状態であり，液送ポンプにて昇圧させバーナまで液体で供給可能である。気化器も併設しており，気体での供給も可能である。

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4

図３ アンモニア供給設備外観|4. 燃焼試験結果
4.1 旋回燃焼方式向けバーナ燃焼試験(1) 液体アンモニアと石炭燃焼時における燃焼性能評価
液焚きでは，気化熱による局所温度低下に起因する着火・燃焼不良，火炎温度低下によるNOx 還元不良等が技術課題として想定された。また，火炎からの受熱により，燃料ノズル内でアンモニアが気化し，流量制御不能となるベーパロックが発生しないかの検証も重要である。こ
れら課題の検証に向けて，最適な液体アンモニア噴霧ノズルや空気配分を明らかにするため，0.5t/h 炉燃焼試験にて性能を評価した。石炭とのアンモニア燃焼割合は 55％とした。図４に燃焼試験時の火炎状況を示す。低負荷時など燃料流量が小さくベーパロックが懸念される条件下においても，適正な噴霧圧力とすることで，ベーパロック発生なく液体アンモニアを安定供給できた。図５に NOx，灰中未燃分の計測結果を示す。液体アンモニア噴霧ノズルならびに噴霧部の空気比条件を適正化することで，NOx，灰中未燃分とも石炭専焼時と同等であった。また，火炉出口での未燃アンモニアは検出下限（0.2ppm）未満であり，アンモニアは完全燃焼した。N2O も検出下限（0.4ppm）未満であり，良好な燃焼性能であった。今後，4t/h 炉試験においてスケールアップ時の性能を検証する予定である。

図４ 液体アンモニアと石炭燃焼時の火炎状況

図５ 液体アンモニアと石炭燃焼時の燃焼性能評価（アンモニア 55％燃焼）

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5(2) 気体アンモニアと石炭燃焼時における燃焼性能評価
気焚きでも同様に，石炭とのアンモニア燃焼割合 55％時の安定燃焼性，NOx 特性について，0.5t/h 炉燃焼試験にて評価した。図６に燃焼試験時の火炎状況を示す。気焚きの場合，液焚きと比較して気化による着火遅れや火炎温度の低下がない分，バーナ近傍の還元領域が高温に保たれたことで還元が促進し，更に NOx が低減した。図７に NOx，灰中未燃分の計測結果を示す。アンモニアバーナの空気比適正化により NOx は石炭専焼から約 20％低減でき，灰中未燃分はほぼ同等であった。試験を通じて火炉出口での未燃アンモニアは検出されず，完全燃焼した。また， N2O も検出下限（0.4ppm）未満であり，良好な燃焼性能であった。

図６ 気体アンモニアと石炭燃焼時の火炎状況

図７ 気体アンモニアと石炭燃焼時の燃焼性能評価（アンモニア 55％燃焼）

4.2 対向燃焼方式向けバーナ燃焼試験(1)

液体アンモニア専焼時における燃焼性能評価
液焚きでは，0.5t/h 炉及び 4t/h 炉にて液体アンモニア専焼バーナの着火・燃焼性能を評価した。0.5t/h 炉試験では，アンモニアの気化熱による温度低下により，着火不良の懸念があったが，アンモニア噴霧ノズルの配置や噴霧方向を適正化することで，液体アンモニア単体での安定した着火保炎を達成した。火炎検出や炉出口の排ガス性状も安定しており，不安定な挙動は見られなかった。NOx については，図８(a)に示すとおり石炭専焼と同等であった。アン
モニア専焼試験であるため，灰中未燃分との比較はしていないが，未燃アンモニアは検出されず，完全燃焼した。N2O も検出下限（0.4ppm）未満であり，良好な燃焼性能であった。
4t/h 炉試験では，0.5t/h 炉で適正化したアンモニア噴霧ノズルのスケールアップで，実機と同規模のバーナで試験した。図９に 4t/h 炉での液体アンモニア専焼時の火炎状況を示す。実機と同規模のバーナでも，液体アンモニア専焼で安定着火し，未燃アンモニアや N2O は検出下限未満であった。NOx については，図８(b)に示すとおり，石炭専焼時と同等であった。また，実機運用を考慮し想定される最低負荷条件にても安定燃焼可能であった。

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図８ 液体アンモニア専焼時の NOx 特性

図９ 液体アンモニア火炎状況（4t/h 炉）(2)気体アンモニア専焼時における燃焼性能評価

気焚きでは，0.5t/h 炉にて着火・燃焼性を評価した。液焚きと同様に，アンモニア専焼において安定着火を達成した。火炎検出や炉出口の排ガス性状も安定しており，不安定な挙動は見られなかった。NOx については，図 10 に示すとおり石炭専焼から約 40％低減することができた。気焚きのため，未燃アンモニアは検出されず，完全燃焼した。N2O も検出下限（0.4ppm）未満であり，良好な燃焼性能であった。

図 10 気体アンモニア専焼時の NOx 特性|5. 燃焼 CFD による実機ボイラ性能評価
開発バーナの実機適用時の性能把握を目的とし，試験炉結果で精度を検証した燃焼 CFD を用いて評価した。解析対象は，対向燃焼方式 1 000MW 級石炭焚きボイラとし，アンモニア 55％燃焼での排ガス特性について，液焚き，気焚きそれぞれにおいて評価した。対象ボイラでは，バ三菱重工技報 Vol.61 No.3 (2024)

7ーナが缶前缶後で計 6 段設置されている。石炭専焼時は 5 段使用（1 段は休止）に対し，55％燃焼時は石炭 3 段＋アンモニア 3 段で燃焼させる。100％負荷，二段燃焼比率は約 30％とした。炉内の温度，NOx，アンモニア濃度分布を図 11 に示す。炉内へ投入したアンモニアは，液焚き，気焚きとも，バーナ近傍で燃焼が完結しており，気焚きの方が，気化プロセスがない分，液焚きよりもより近傍で燃焼完結する。アンモニアバーナ近傍では NOx 生成するものの，その後の追加空気投入部までの還元雰囲気にて NOx 還元が進み，図 12 に示すとおり，両者とも石炭専焼時よりNOx が低減する結果であった。未燃アンモニアもなく，未燃損失も石炭専焼よりも低減し，実機ボイラでも良好な燃焼性能を得ることができ，実機への適用目途を得た。今後，旋回燃焼ボイラでの実機適用時の性能評価も進めていく予定である。

図 11 実機ボイラ CFD 結果

図 12 実機ボイラ アンモニア 55％燃焼時の排ガス特性

三菱重工技報 Vol.61 No.3 (2024)8|6. まとめ石炭火力のアンモニア燃料転換に向けたアンモニア専焼バーナの開発状況について示した。
お客様の多様なアンモニア利用ニーズに応えるべく，旋回燃焼，対向燃焼の各燃焼方式での液焚き，気焚きアンモニア専焼バーナを開発し，石炭とのアンモニア燃焼割合 50％以上時，ならびにアンモニア専焼時における安定した着火保炎とアンモニアの完全燃焼を実現し，石炭専焼時よりも NOx を同等以下に抑制することに成功した。
今後，国内外の様々なお客様のカーボンニュートラルに向けた燃料アンモニア利用への取組みに対応できるよう，事業用・産業用ボイラにおける幅広いアンモニア転換のニーズに対応した取組みを鋭意進める所存である。
なお，本開発は NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の“JPNP21020 グリーンイノベーション基金事業/燃料アンモニアサプライチェーンの構築/アンモニアの発電利用における高混焼化・専焼化/石炭ボイラにおけるアンモニア高混焼技術（専焼技術含む）の開発・実証/アンモニア専焼バーナを活用した火力発電所における高混焼実機実証”にて実施しているものである(2)。

参考文献(1) 山下登敏ほか，カーボンニュートラル社会に向けた石炭焚ボイラにおけるアンモニア混焼技術の開発，三菱重工技報 Vol.59 No.4 (2022)(2) 三菱重工業株式会社プレスリリース，石炭ボイラにおけるアンモニア高混焼技術の開発・実証について(2022)
https://www.mhi.com/jp/news/22010702.html