四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報120 (2024年6月) 7－13

ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部㈱四国総合研究所 電子アグリ技術部

キーワード：

アンモニア燃焼炉
アンモニア火炎可視化
受動紫外・赤外分光法

Key Words：

横井 清人
杉本 幸代
市川 祐嗣
荻田 将一
大井 信彦
朝日 一平

Ammonia combustion furnace
Ammonia flameVisualization
Passive UV/IR spectroscopy

Fundamental study on development of ammonia flame visualization technology in furnace
for acceleration of GX
Shikoku Research Institute, Inc., Electronics and Agricultural technology Department
Kiyohito Yokoi, Sachiyo Sugimoto, Yuji Ichikawa
Masakazu Ogita, Nobuhiko Ooi, Ippei Asahi
Abstract
Currently, many companies are actively working to convert existing fuel combustion furnaces into ammonia-only orco-firing furnaces in order to put ammonia, which is attracting attention as one of the carbon-free fuels that can beused to combat climate change, into practical use in society. In the process, a new issue has arisen: the difficulty ofobserving ammonia flames in high-temperature furnaces. To solve this issue, we evaluated the feasibility ofvisualizing ammonia flames in furnaces using the principle of passive ultraviolet and infrared spectroscopy based on
the results of basic experiments. As a result, we concluded that ammonia flames can be visualized in hightemperature furnace environments by selectively capturing the emission of ammonia flames in the range of 240 to
290 nm, assuming that the factors inhibiting visualization are radiation, the emission of the co-firing fuel flame, andlight absorption by combustion products.

－ 7 －ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

1. 序論

2. 原理

アンモニアは，天然ガス，石油等の既存燃料や著者らはこれまでに，水素を燃料とした際に生再生可能エネルギー等から製造することが可能でじる人の目に見えない火炎を可視化する技術を確あり，また，燃焼に伴う CO2 の排出が無いことか立し，一部社会実装に至っている 4)，5)。

ら，気候変動対策に有効なカーボンフリー燃料の本技術は，受動紫外・赤外分光法を原理として一つとして注目されている。同じく注目されてい動作するものであり，目に見えない発光体を対象る水素と比較して，既存インフラでの利用が可能として，可視波長域外の対象の自発光から可視化であることから，安価に製造・利用することがでに適した波長域を選択し，特殊なカメラを用いて1)きる点が特徴とされている 。我が国においても，2)同波長域の発光を画像化した後に，背景画像と重第 6 次エネルギー基本計画にも明記される など，ね合わせることで，モニター上で対象を可視化す

グリーン成長戦略における重要分野の 1 つとしてるものである。

位置づけられており，主に専焼・混焼火力発電，1400

同各種工業炉，船舶用燃料を中心に，技術開発やOHラジカルの発光

1200

発光強度 [a.u.]

社会実装の加速化が進められている。

1000

H2O分子の発光

800
可視波長域

6004002000

図1燃料アンモニアの重要性 1)200

図2400600
波長 [nm]

800

1000

水素火炎の発光スペクトル事例

このような社会情勢を背景として，現在，多く原理の説明のために，図 2 に水素火炎の発光スの企業が既存燃料のバーナや燃焼炉からアンモニペクトル事例を示す。水素火炎の場合，燃焼反応アバーナやアンモニア専焼・混焼炉への転換に向の過程において人の目に感度がある可視波長域にけた取組みを活発化している中，アンモニアの燃顕著な発光が生じない。したがって水素火炎は不焼に係る課題が明らかになっている。例えば，ア可視である。一方で，紫外波長域や近赤外波長域

ンモニアは，メタン等の炭化水素系燃料と比較しにおいて，燃焼生成物である OH ラジカルや H2Oて燃焼性が低く，着火及び保炎が難しい。また，分子の発光が生じており，受動紫外・赤外分光法

燃焼生成物として大気汚染の原因物質である NOX

では，これらの発光を選択的に捉え，必要に応じ3)が発生する 。したがって，安定的かつ NOX 生成がて画像処理を加えた上で，可視画像上に重畳し，抑制できる燃焼方法を見出す必要があるが，その可視化を行っている。

解決に向けた技術開発の中で，特に炉内において後に述べるとおり，アンモニア火炎はその燃焼アンモニア火炎の観測が困難であるという問題が過程において可視波長域に発光を示し，環境条件新たに浮上した。

によっては視認することが十分可能である。本件

したがって，ここでは光学的計測技術を応用すにおいて，アンモニア火炎が観測できないとされることにより，高温炉内におけるアンモニア火炎ているのは，炉内等の高温環境下においてであ可視化を実現するための基礎検討を行ったので，り，黒体輻射による周辺の物質の強い発光がアン

基礎実験結果及び実験データに基づく実現の見通

モニア火炎の発光のコントラストを大幅に低下さし等について述べる。

せ，この点が主な要因となって観測を困難にしているものと推定される。

－ 8 －ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

したがって，アンモニア火炎の可視化にあたっては，水素火炎の可視化とは異なる概念，アプローチが必要となる。
3. 原理検証
3.1 アンモニア火炎発生装置の製作
アンモニア火炎を発生させるために図 3 の装置を作製した。アンモニアガスと酸素ガスを予混合容器内に導入し，その後ノズルから放出した混合
図4

ガスに点火することでアンモニア火炎を形成する。

図3

図5

アンモニア火炎発生装置外観

ノズル部拡大図

燃焼中のアンモニア火炎

図 4 はノズル部の拡大図で，アンモニアへの点

アンモニアは腐食性が非常に高い物質であるた

火と燃焼を持続するために，水素火炎を種火としめ，液化アンモニアのガスボンベとガス放出口まて利用した。初めに水素用ノズルから水素ガスでの供給経路の材料には耐腐食性のあるテフロン（100%）を放出させ，小型誘電コイルを用いて遠チューブとスウェージロックのステンレスチュー隔より火花放電によって水素を燃焼させた。この

ブ，低リーク・耐食性フローメータ，ステンレス時，水素ガスの放出量は 0.2L/min，火炎高約 8mmノズル及びステンレス製のガスセルを用いた。アである。その後，アンモニア用ノズルからアンモンモニアのガス管は窒素ボンベにも分岐接続され，ニア（100%）と酸素（100%）の混合ガスを放出し，計測後は窒素ガスでアンモニアガスをパージできアンモニアを燃焼させた（図 5）。

るようにした。

計測中のアンモニア火炎の失火を防ぐため，ノまた，アンモニアは人体にとって有毒なガスでズル（火炎口）の周りに直径 90mm，厚み 2.5mm，もあるため，外部への漏洩を防ぐ目的のために石高さ 300mm の石英ガラス管で覆いをした。

英ガラス管の上部を排気ダクトに接続し，石英ガ本装置では火炎を発生させ，また腐食性と毒性ラス管から吸気されたガスは塩酸を用いた中和排のあるガスも扱うため，安全にも配慮して設計し気系に送られ，未燃焼アンモニアガスは無毒化さた。

れる設計となっている。

火炎口からガスボンベに向けての逆火を防ぐた
めに水素，酸素，アンモニアのそれぞれのガス管

3.2 アンモニア火炎可視化実験には逆火防止器（乾式）を火炎口側とボンベ側に(1) アンモニア火炎発光スペクトル計測設置した。

前節に示した火炎発生装置を用いて，アンモニア火炎可視化実験を行った。

－ 9 －ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

可視化実験に先立ち，炉内アンモニア火炎可視
10000

ンモニア火炎の発光スペクトルの計測を行った。

8000

集光したアンモニア火炎の発光を光ファイバに結合し，分光器へ導入した。使用した分光器は，波長域ごとにそれぞれ，Ocearn Optics 社製 Qe65Pro

光強度 [count]化において最適な観測波長を検討するために，アH2火炎のみ

(a)

6000
4000

（紫外～可視域：200～580nm），HR4000（近赤外域：2000700～1100nm），NIRQuest（近赤外域：1100～1700nm）0である。得られた各波長域の発光スペクトルを図200300

6(a)～(d)に示す。前節に述べたように，本火炎発する形で示している。
図 6(a)に示す紫外～可視域のスペクトルを見

光強度 [count]のみの場合とアンモニア火炎発生後の場合を比較

NH3火炎

OH
▼

(b)

1000

500

H2火炎のみ1200を生成している。したがって，それぞれのグラフは燃料のアンモニア転換前後，すなわち水素火炎

400
波長 [nm]

紫外域拡大

生装置では水素火炎を種火としてアンモニア火炎

NH3火炎

800
600

NH▼OH
▼

400200

ると，350nm 以下の紫外域と 400nm 以上の可視域0の発光が確認できる。紫外域の発光は幾つかのピークを示しており，これらは OH ラジカルや NH

200

225

250275波長 [nm]ラジカルといった，アンモニアの燃焼過程で生じ350

NH3火炎▼H2O(c)長側に生じるブロードなベースラインに複数の325

H2火炎のみ2000る中間体による発光である。400nm 付近から長波300

光強度 [count]

1500

ピークを有するスペクトルは，燃焼過程で生じる

1000

NH2 アンモニアのαバンド由来の発光 6)に，高温状態の H2O による発光が重畳した結果として観測さ500れるスペクトルであり 7)，これらの発光が主要因0となって，アンモニア火炎は図 5 に示したような

700

800

橙色の発光として人の目で捉えることができる。
図 6(c)(d)に示した近赤外域の発光は，いずれも12000

主に H2O 由来のスペクトルである。

炉内アンモニア火炎の可視化に適した波長域を選定した。高温環境下における火炎の可視化におい

光強度 [count]

前述のアンモニア火炎の実測データに基づき，

1000

1100

H2火炎のみ

NH3火炎

(d)

10000

(2) アンモニア火炎可視化実験

900
波長 [nm]て，明らかな阻害要因として考えられるのは，高温状態となった周囲の物体からの熱放射に伴う発

8000
6000
4000
2000
0900

光である。黒体輻射，すなわち温度によって物体

1100

1300
波長 [nm]

1500の放射する光の色が変化する現象は，一般的に高図6

温になるほど発光領域が短波長側にシフトする。

(a)

紫外～可視域：200～580nm

可視波長域への干渉は概ね 600℃程度から生じ，(b)

紫外領域拡大1500℃程度では約 300nm まで発光の始点がシフト(c)近赤外域：700～1100nmする。また，他の燃料との混焼を行う場合は，ア(d)近赤外域：1100～1700nm

ンモニア以外の燃料由来の発光も考慮する必要がある。

－ 10 －

アンモニア火炎の発光スペクトル1700

ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

れ，

4000
3500

光強度 [a.u.]3000

オイル系燃料火炎なしの輻射

干渉フィルタ①：中心波長 280nm，半値全幅 10nm

オイル系燃料火炎＋輻射

干渉フィルタ②：中心波長 310nm，半値全幅 10nm

2500

干渉フィルタ③：中心波長 337nm，半値全幅 10nm

2000である。一般的には，発光の強度が強い波長域を1500用いるが，輻射の影響は短波長ほど受けにくいこ

1000とから，ここではこれら３つの波長域において可5000

図 7

視化実験を行い，比較することとした。
350

400

450

500 550
波長 [nm]

600

650

EM-ICCDカメラの視野

700

オイル系燃料燃焼炉内の背景光スペクトル

アンモニア火炎離隔距離約80cm

事例

水素火炎
（種火）

干渉フィルタ図 7 は，オイル系燃料を使用する炉内の背景光スペクトル計測結果事例である。このように，他の燃料由来の火炎の有無にかかわらず，いずれのノズル

EM-ICCDカメラ場合も概ね 400nm 付近から長波長側に向けて，ブ画像信号ロードな発光が生じることがわかる。これらの発図9

光は，燃料あるいは高温になった物体の総量が多PC

アンモニア火炎可視化実験装置構成

ければ多いほど強く生じ，図 6(a)に示した，同じ波長域に生じるアンモニア火炎由来の可視領域の図 9 にアンモニア火炎可視化実験装置構成を示

発光のコントラストを著しく低下させるものと考す。アンモニア火炎の画像は，電子増幅機能が付えられる。したがって，高温炉内の条件下におい加されたイメージインテンシファイア付 CCD カメては，図 6(b)に示した紫外域の発光を用いてアンラ（EM-ICCD カメラ）を用いて撮像した。カメラレ

モニア火炎を可視化する手法が妥当であると言えンズは紫外光を透過するものを使用し，同カメラる。

レンズの前段に干渉フィルタ①～③を順に配置し，H2火炎のみ1200

験の結果を図 10 に示す。

OH▼

1000
光強度 [count]

それぞれの条件で火炎画像を取得した。可視化実

NH3火炎

図 10 の各画像に示すように，３種の干渉フィル

800600OH▼400

タいずれを用いても，アンモニア火炎の可視化がNH▼可能であった。本実験は常温環境下で実施したが，輻射や混焼燃料火炎の影響のみに注目した場合，

2000

特に干渉フィルタ①を使用することで概ね
200225250275波長 [nm]

300325

1500℃程度まではアンモニア火炎の可視化が可能350であると推察される。また，火炎画像のコントラ干渉フィルタ①

図 8ストも干渉フィルタ①を使用した場合が最も良好

干渉フィルタ②であった。これは我々の活動環境下における背景干渉フィルタ③

光が短波長ほど少なくなることに起因しているも紫外域におけるアンモニア火炎の発光スペのと考えられる。

クトルと使用する干渉フィルタの透過波長域
図 8 は図 6(b)に示したアンモニア火炎の紫外域の発光スペクトルに，可視化に使用する干渉フィルタの透過波長域を図示したものである。それぞ－ 11 －

ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討(3) アンモニア燃焼生成物の影響に関する考察(a)

アンモニア火炎の可視化においては，その阻害要因として，アンモニアの燃焼に伴い生成される物質による光吸収の影響も考慮する必要があると考えられる。図 11 に示すように特に，NOX（ここでは NO2，N2O，NO）は，紫外域において比較的強い光吸収を示すことが知られており 8)，生成されるNOX の量次第では，アンモニア火炎の発光が吸収され，大幅に減衰する，あるいは撮像素子まで到達しない可能性がある。ここでは一例として，最も(b)影響が大きいと考えられる NO2 について，アンモニア火炎可視化への影響を机上検討により評価した。
図 12 は，アンモニア火炎と撮像素子の間に100cm の空間が存在し，同空間に NO2 が存在する場
合の光の透過率について，その波長依存性及び NO2濃度依存性を示すものである。

1.E-16N2O

1.E-17(c)NONO2吸収断面積 [cm2]1.E-18
1.E-19
1.E-201.E-21
1.E-22
1.E-23
1.E-24200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300
波長 [nm]

図 11

NOX 主要成分の吸収断面積事例 8)（波長 200～300nm）(d)100ppm
5000ppm

100500ppm
1%

1000ppm5%

透過率 [%]

80604020

図 10アンモニア火炎可視化実験結果事例

(a)

可視画像

(b)

干渉フィルタ①：中心波長 280nm(c)

干渉フィルタ②：中心波長 310nm(d)

干渉フィルタ③：中心波長 337nm

0200

300

400

500

600

700

波長 [nm]

図 12

紫外～可視波長域における光の透過率のNO2 濃度依存性－ 12 －ＧＸの加速化に向けた炉内アンモニア火炎可視化技術の開発に関する基礎検討

図 12 に示すように，NO2 濃度が 100ppm 程度であれば大きな影響はないと言えるが，数千 ppm レベ［参考文献］
1)

資源エネルギー庁：「我が国の燃料アンモニア

ルになると可視波長域及び深紫外波長域において

導 入 ・ 拡 大 に つ い て 」， 2022 年 12 月 ，光の透過率が 20%程度まで低下することが分かる。

https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin

これをクリアする方法としては，図 13 に示す波長/green_innovation/energy_structure/pdf/01

域を用いる手法が考えられる。

2_04_00.pdf◀狙うべき波長域

光強度 [count]

1000
800

8060600
40400

202000200

図 132252502)

NO2ガス透過率（濃度1%，厚み100cm）
100275波長 [nm]

300325350

経済産業省：「エネルギー基本計画」，令和 3
年 10 月，https://www.meti.go.jp/press/2021NO2ガス透過率 [%]NH3火炎発光スペクトル
1200/10/20211022005/20211022005-1.pdf
3)/軽油混焼技術」，㈱エヌ・ティー・エス グリー
ンアンモニア合成・利用の新展開，pp.79-91(2023)
4)0

仁木洋一：「ディーゼル機関によるアンモニア朝日一平，杉本幸代，星野礼香：「受動紫外・赤外リモートセンシングによる水素火炎可視化」，日本燃焼学会誌，Vol61，No.195，pp.37-

NO2 の吸収の影響が強い場合のアンモニア

42（2019）火炎可視化に適した観測波長域
5)

荻田将一，田中武海：「受動赤外分光による水図 13 は図 6(b)に示したアンモニア火炎の紫外

素火炎可視化ウェアラブルデバイスの開発」，

域の発光スペクトルに NO2 ガス透過率の波長依存四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所

性を重ねたものである。NO2 の吸収の影響は 300nm

研究期報 118，pp.11-19（2023）

以下の領域において弱まり，240nm 付近から再度

6)

R. W. B. Pearse, A. G. Gaydon, ”THE強まる傾向にある。したがって，図 13 の紫色で示IDENTIFICATION

した概ね 240～290nm における発光を用いて可視

SPECTRA”, Jhon Wiley & Sons, New York,化を行う，すなわち図 10 における(b)の条件を採pp.232-235 (1976)

用することで，高濃度 NO2 が存在する環境下にお7)

OF

MOLECULAR

小林秀昭，早川晃弘：「カーボンフリーアンモいてもアンモニア火炎を可視化することが可能でニア燃焼」，日本燃焼学会誌，Vol.58，No.183，あると考えられる。

pp.41-48（2016）

このような検討は，各種条件下で生成されるア8)

Keller-Rudek, H., Moortgat, G. K., Sander,

ンモニア火炎の個別の燃焼生成物，特に高濃度にR., and Sörensen, R.: The MPI-Mainz

なる可能性がある物質について，実施する必要がUV/VIS spectral atlas of gaseous molecules

ある。

of atmospheric interest, Earth Syst. Sci.
Data,

5,365–373,

10.5194/essd-5-365-2013

4. 結論
高温炉内環境におけるアンモニア火炎可視化について，基礎実験に基づく実現可能性評価を行った。阻害要因として，輻射や混焼燃料火炎の発光及び燃焼生成物による光吸収を仮定した場合，240～290nm 付近のアンモニア火炎の発光を選択的に捉えることで可視化が可能であるとの結論を得た。
今後は，実環境での実証試験を行い，アンモニ
ア混焼・専焼炉の開発過程や，実際に稼働しているアンモニア燃焼炉内の火炎モニタリング等の用途での応用展開を目指す予定である。

－ 13 －(2013),

DOI: