JP7784090B2 - アンモニア加熱分解装置 - Google Patents
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Description
本発明は、アンモニアを燃料として燃焼させる工業炉に取付けられるアンモニア加熱分解装置に関するものである。
近年、地球温暖化抑制の観点から、燃焼しても二酸化炭素を発生しないアンモニアが新たな燃料として注目を集めているが、アンモニアを化石燃料と混合したりアンモニアだけで燃焼させると窒素酸化物（ＮＯX）の排出量が増大することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の燃焼装置は、石炭にアンモニアを加えて燃焼する場合の窒素酸化物増大の課題を解決するものである。
アンモニアが新たな燃料として注目を集めているものの、これまでアンモニアを燃料として有効に使用する工業炉は存在せず、現状、研究開発段階にある。
それはすなわち、一般に、アンモニアの燃焼速度は天然ガスの２５％程度で、燃焼させると窒素酸化物（ＮＯX）の排出量が増大して規制値（１８０ｐｐｍ、Ｏ2＝１１％換算）より高くなり、燃料として使えないことに起因する。
それはすなわち、一般に、アンモニアの燃焼速度は天然ガスの２５％程度で、燃焼させると窒素酸化物（ＮＯX）の排出量が増大して規制値（１８０ｐｐｍ、Ｏ2＝１１％換算）より高くなり、燃料として使えないことに起因する。
現在、アンモニアガス中の水素成分が３０％程度になると天然ガスと同じ程度の燃焼速度となり、２０％程度でも実用上問題なく使用できる燃焼速度になることがわかり始めている。
工業炉のバーナの燃料としてアンモニアを使用するためには、当該アンモニアを水素と窒素に分解する必要があるが、そうした装置は現段階において存在しない。従って、工業炉は依然として化石燃料などに依存せざるを得ず、その結果、地球温暖化ガス（窒素酸化物）の排出を抑制することができていない。
また、アンモニアを気体の状態で搬送する場合と、液体の状態で搬送する場合を比較すると、気体の配管はその内径が３０～４０ｍｍ程度、小さくても１５ｍｍ程度であるのに対して、液体の配管はその内径は４ｍｍ程度であるので、液体のアンモニアを供給するタンクから液体の配管をバーナになるべく近づくところまで使用した方が設備をコンパクト化することができる。
そこで、本発明の目的とするところは、工業炉のバーナの燃料としてアンモニアを使用するために、アンモニアを水素と窒素に効果的に分解し、窒素酸化物の排出を抑制することのできるアンモニア加熱分解装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明のアンモニア加熱分解装置（５０）は、バーナ（１０）からの火炎（Ｆ）で、前記バーナ（１０）に燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉（１）において、前記アンモニアが供給される第一配管（１１）の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）を備え、
さらに、前記加熱部（１００）と前記加圧部（２００）の間に位置する前記液体アンモニア配管（７０）に、前記液体アンモニア配管（７０）内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータ（９０）を設けたことを特徴とする。
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）を備え、
さらに、前記加熱部（１００）と前記加圧部（２００）の間に位置する前記液体アンモニア配管（７０）に、前記液体アンモニア配管（７０）内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータ（９０）を設けたことを特徴とする。
また本発明は、バーナ（１０）からの火炎（Ｆ）で、前記バーナ（１０）に燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉（１）において、前記アンモニアが供給される第一配管（１１）の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）を備え、
前記加熱部（１００）の端部から前記噴射ノズル（８０）に、加熱空気を供給する加熱空気配管（３００）を設けたことを特徴とする。
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）を備え、
前記加熱部（１００）の端部から前記噴射ノズル（８０）に、加熱空気を供給する加熱空気配管（３００）を設けたことを特徴とする。
また本発明は、バーナ（１０）からの火炎（Ｆ）で、前記バーナ（１０）に燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉（１）において、前記アンモニアが供給される第一配管（１１）の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）と、
前記第一配管（１１）に設けられた開閉式の調整弁（１７）を備え、
前記所定部分は、前記バーナ（１０）と前記調整弁（１７）の間であり、
前記加熱部（１００）と前記加圧部（２００）の間に位置する前記液体アンモニア配管（７０）に、前記液体アンモニア配管（７０）内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータ（９０）を設けたことを特徴とする。
また本発明は、バーナ（１０）からの火炎（Ｆ）で、前記バーナ（１０）に燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉（１）において、前記アンモニアが供給される第一配管（１１）の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）を備え、
前記所定部分は、前記バーナ（１０）に対する前記第一配管（１１）の接続位置（Ｐ）から２ｍの範囲内であり、
前記加熱部（１００）と前記加圧部（２００）の間に位置する前記液体アンモニア配管（７０）に、前記液体アンモニア配管（７０）内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータ（９０）を設けたことを特徴とする。
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）と、
前記第一配管（１１）に設けられた開閉式の調整弁（１７）を備え、
前記所定部分は、前記バーナ（１０）と前記調整弁（１７）の間であり、
前記加熱部（１００）と前記加圧部（２００）の間に位置する前記液体アンモニア配管（７０）に、前記液体アンモニア配管（７０）内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータ（９０）を設けたことを特徴とする。
また本発明は、バーナ（１０）からの火炎（Ｆ）で、前記バーナ（１０）に燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉（１）において、前記アンモニアが供給される第一配管（１１）の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）を備え、
前記所定部分は、前記バーナ（１０）に対する前記第一配管（１１）の接続位置（Ｐ）から２ｍの範囲内であり、
前記加熱部（１００）と前記加圧部（２００）の間に位置する前記液体アンモニア配管（７０）に、前記液体アンモニア配管（７０）内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータ（９０）を設けたことを特徴とする。
また本発明は、バーナ（１０）からの火炎（Ｆ）で、前記バーナ（１０）に燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉（１）において、前記アンモニアが供給される第一配管（１１）の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）と、
前記第一配管（１１）に設けられた開閉式の調整弁（１７）を備え、
前記所定部分は、前記バーナ（１０）と前記調整弁（１７）の間であり、
前記加熱部（１００）の端部から前記噴射ノズル（８０）に、加熱空気を供給する加熱空気配管（３００）を設けたことを特徴とする。
また本発明は、バーナ（１０）からの火炎（Ｆ）で、前記バーナ（１０）に燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉（１）において、前記アンモニアが供給される第一配管（１１）の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）を備え、
前記所定部分は、前記バーナ（１０）に対する前記第一配管（１１）の接続位置（Ｐ）から２ｍの範囲内であり、
前記加熱部（１００）の端部から前記噴射ノズル（８０）に、加熱空気を供給する加熱空気配管（３００）を設けたことを特徴とする。
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）と、
前記第一配管（１１）に設けられた開閉式の調整弁（１７）を備え、
前記所定部分は、前記バーナ（１０）と前記調整弁（１７）の間であり、
前記加熱部（１００）の端部から前記噴射ノズル（８０）に、加熱空気を供給する加熱空気配管（３００）を設けたことを特徴とする。
また本発明は、バーナ（１０）からの火炎（Ｆ）で、前記バーナ（１０）に燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉（１）において、前記アンモニアが供給される第一配管（１１）の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管（１１）の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部（１００）と、
前記加熱部（１００）の前記バーナ（１０）側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管（１１）よりも内径の小さい液体アンモニア配管（７０）と、
前記加熱部（１００）に挿入された前記液体アンモニア配管（７０）の先端に設けられた噴射ノズル（８０）と、
前記液体アンモニア配管（７０）の前記加熱部（１００）手前に設けられ、前記液体アンモニア配管（７０）内の液体のアンモニアを加圧する加圧部（２００）を備え、
前記所定部分は、前記バーナ（１０）に対する前記第一配管（１１）の接続位置（Ｐ）から２ｍの範囲内であり、
前記加熱部（１００）の端部から前記噴射ノズル（８０）に、加熱空気を供給する加熱空気配管（３００）を設けたことを特徴とする。
なお、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に記載された対応要素または対応事項を示す。
本発明のアンモニア加熱分解装置によれば、液体のアンモニアを供給する液体アンモニア配管は、気体のアンモニアを供給する第一配管よりも内径が小さく、液体アンモニア配管内の液体アンモニアを加圧部で加圧した後、噴射ノズルから加熱部内に噴射すると、第一配管内では気体のアンモニアとなる。
加熱部では、熱を第一配管内部のアンモニアに加えることでアンモニアを所定温度に加熱することができ、この熱により、気体のアンモニアを水素と窒素に効果的に分解できるので、アンモニア（水素）をバーナの燃料として効率的に使用することができ、同時に、窒素酸化物の排出を低減することができる。
加熱部では、熱を第一配管内部のアンモニアに加えることでアンモニアを所定温度に加熱することができ、この熱により、気体のアンモニアを水素と窒素に効果的に分解できるので、アンモニア（水素）をバーナの燃料として効率的に使用することができ、同時に、窒素酸化物の排出を低減することができる。
これによれば、気体のアンモニアを搬送する第一配管と比較してかなり内径の小さい（液体のアンモニアを搬送する）液体アンモニア配管をバーナ側になるべく近づくところ、例えば、バーナとそのバーナ側に設けられた調整弁の間であるところとか、あるいは、バーナに対する第一配管の接続位置から２ｍの範囲内であるところとかまで使用することができるので、設備全体のコンパクト化が図れる。
すなわち、バーナ前の配管において、内径の大きい第一配管の使用量を抑えることができるので省空間化となる。
すなわち、バーナ前の配管において、内径の大きい第一配管の使用量を抑えることができるので省空間化となる。
また本発明によれば、加熱部と加圧部の間に位置する液体アンモニア配管に、液体アンモニア配管内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータを設けたので、液体アンモニアを効率よく加熱させることができる。
さらに本発明によれば、加熱部の端部から噴射ノズルに、加熱空気を供給する加熱空気配管を設けたので、液体アンモニアを効率よく加熱させることができる。
図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０を説明する。
本実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０が取付けられる工業炉１（ここでは、金属加熱炉を例として説明する）は、図１に示すように、断面略矩形状で、炉体２を構成する炉壁の側壁３にはバーナ１０が設けられ、そのバーナ１０からの火炎Ｆでアンモニア（ＮＨ3）をガス燃料と混焼させる炉である。
アンモニア（ＮＨ3）は、アンモニア供給装置１４から第一配管１１を介してバーナ１０に送られ第一配管１１には途中、アンモニア用開閉弁（電磁弁）１７が設けられている。なお、後述するが、第一配管１１におけるアンモニア供給装置１４側は、液体アンモニアを供給する液体アンモニア配管７０となっている。アンモニアは、バーナ１０に対しては気化した、すなわち気体アンモニアとして供給される。
ガス燃料は、都市ガスやプロパンガスなどといった既存のガスからなり、ガス供給装置１５から第二配管１２を介してバーナ１０に送られ第二配管１２には途中、ガス用開閉弁（電磁弁）１８が設けられている。
燃焼用空気は、外気がブロワ１６でエア配管１３を介してバーナ１０に送られエア配管１３には途中、エア用開閉弁（電磁弁）１９が設けられている。
バーナ１０は水平方向に延び、火炎Ｆを水平方向（図１では右側から左側）に放射させる。
ガス燃料は、都市ガスやプロパンガスなどといった既存のガスからなり、ガス供給装置１５から第二配管１２を介してバーナ１０に送られ第二配管１２には途中、ガス用開閉弁（電磁弁）１８が設けられている。
燃焼用空気は、外気がブロワ１６でエア配管１３を介してバーナ１０に送られエア配管１３には途中、エア用開閉弁（電磁弁）１９が設けられている。
バーナ１０は水平方向に延び、火炎Ｆを水平方向（図１では右側から左側）に放射させる。
工業炉１の天井壁５には火炎Ｆの延びる方向、すなわち図１では右側から左側に向けて間隔をあけて（ここでは等間隔）、４つのアンモニア注入ノズル（第１アンモニア注入ノズル，第２アンモニア注入ノズル，第３アンモニア注入ノズル，第４アンモニア注入ノズル）２１，２２，２３，２４が設けられている。
これらのアンモニア注入ノズル２１，２２，２３，２４からは、アンモニア供給装置１４から供給されたアンモニアがそれぞれ電磁弁（第１電磁弁，第２電磁弁，第３電磁弁，第４電磁弁）３１，３２，３３，３４を介して炉内に、火炎Ｆの延びる方向に直交する方向、すなわち上から下に向けて噴射される。
アンモニア供給装置１４から各アンモニア注入ノズル２１，２２，２３，２４にアンモニアを送るアンモニア供給パイプ６０は、第一配管１１においてバーナ１０とアンモニア加熱分解装置５０の間から分岐していて、ここには気体のアンモニアが流れる。
なお、工業炉１の天井壁５の一部には排ガスを放出するための煙道２０が設けられている。
アンモニア供給装置１４から各アンモニア注入ノズル２１，２２，２３，２４にアンモニアを送るアンモニア供給パイプ６０は、第一配管１１においてバーナ１０とアンモニア加熱分解装置５０の間から分岐していて、ここには気体のアンモニアが流れる。
なお、工業炉１の天井壁５の一部には排ガスを放出するための煙道２０が設けられている。
本実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、こうしたバーナ１０からの火炎Ｆで、バーナ１０に燃焼用空気とガス燃料とともに供給されるアンモニアを燃焼させる工業炉１に取付けられるものであり、アンモニアが供給される第一配管１１の所定部分に設けられる。
アンモニア加熱分解装置５０は、図１に示すように、第一配管１１において、バーナ１０とアンモニア用開閉弁１７の間に設けられ、アンモニア加熱分解装置５０から出力される気体のアンモニアは、第一配管１１を介してバーナ１０に供給されるとともに、アンモニア供給パイプ６０から第１電磁弁３１，第２電磁弁３２，第３電磁弁３３，第４電磁弁３４を介してアンモニア注入ノズル２１，２２，２３，２４に供給される。
アンモニア加熱分解装置５０の配置は、バーナ１０の直前、ここでは、バーナ１０に対する第一配管１１の接続位置Ｐから２ｍの範囲内になるようにしている。
アンモニア加熱分解装置５０の配置は、バーナ１０の直前、ここでは、バーナ１０に対する第一配管１１の接続位置Ｐから２ｍの範囲内になるようにしている。
アンモニア加熱分解装置５０は、図２に示すように、第一配管１１の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部１００と、加熱部１００のバーナ１０側とは逆側の端部に挿入され、アンモニア供給装置１４から液体のアンモニアを供給する液体アンモニア配管７０と、加熱部１００に挿入された液体アンモニア配管７０の先端に設けられた噴射ノズル８０と、液体アンモニア配管７０の加熱部１００手前に設けられ、液体アンモニア配管７０内の液体アンモニアを加圧する加圧部２００を備える。
加熱部１００は、第一配管１１内の気体アンモニアを加熱して熱分解させて水素ガスを発生させるものであればどのような構成でもよいが、ここでは、第一配管１１の内部に設けられた直接加熱ヒータＨ１と、第一配管１１を外側から覆い囲むように設けられた保温部材Ｔと、第一配管１１の内部に設けられアンモニアを水素と窒素に分解する触媒Ｃからなる。ここでは、アンモニアガスを２００℃以上に加熱させて、アンモニアガスを熱分解し水素ガスを発生させるようにしている。
直接加熱ヒータＨ１は、第一配管１１の所定部分の内部の中心部分に配置され、その全体（前面、後面、外周面）が第一配管１１を通過する気体アンモニアに直接接触するように配置される。また、保温部材Ｔの材料は限定されないが、グラスウールやロックウールなどの一般的なものを使用することができる。触媒Ｃは、特に限定されないが、本実施形態ではアルミナを使用している。アルミナは他の触媒Ｃ（例えば、ルテニウム系の金属）と比較して廉価であるといった利点がある。従って、アンモニア加熱分解装置５０を廉価に製造することができる。触媒Ｃとしてアルミナを使用することで、第一配管１１がアンモニアによって腐食したり、熱によって酸化するのを抑制することができ、これにより、アンモニア加熱分解装置５０の物理的な安定性を向上させることができる。触媒Ｃとしては、アルミナやルテニウム系のほかに、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから成るハイエントロピー合金や、金属アミドやイミドを採用することができる。
直接加熱ヒータＨ１は、第一配管１１の所定部分の内部の中心部分に配置され、その全体（前面、後面、外周面）が第一配管１１を通過する気体アンモニアに直接接触するように配置される。また、保温部材Ｔの材料は限定されないが、グラスウールやロックウールなどの一般的なものを使用することができる。触媒Ｃは、特に限定されないが、本実施形態ではアルミナを使用している。アルミナは他の触媒Ｃ（例えば、ルテニウム系の金属）と比較して廉価であるといった利点がある。従って、アンモニア加熱分解装置５０を廉価に製造することができる。触媒Ｃとしてアルミナを使用することで、第一配管１１がアンモニアによって腐食したり、熱によって酸化するのを抑制することができ、これにより、アンモニア加熱分解装置５０の物理的な安定性を向上させることができる。触媒Ｃとしては、アルミナやルテニウム系のほかに、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから成るハイエントロピー合金や、金属アミドやイミドを採用することができる。
なお、触媒Ｃを第一配管１１内に設けることにかえて、あるいは併用して第一配管１１の内周面を触媒Ｃの層をコーティングしたり、あるいは、第一配管１１を部分的に触媒Ｃで形成したりすることも可能である。
また、第一配管１１の外周面側に、間接加熱ヒータを設けて気体アンモニアを、第一配管１１を介して間接的に加熱するようにしてもよい。
また直接加熱ヒータＨ１を、触媒Ｃ（例えばアルミナ）で形成したカバーで覆うことで触媒効果をさらに高めるようにすることもできる。
また、第一配管１１の外周面側に、間接加熱ヒータを設けて気体アンモニアを、第一配管１１を介して間接的に加熱するようにしてもよい。
また直接加熱ヒータＨ１を、触媒Ｃ（例えばアルミナ）で形成したカバーで覆うことで触媒効果をさらに高めるようにすることもできる。
アンモニアを液体の状態で搬送する液体アンモニア配管７０の内径は４ｍｍで、アンモニアを気体の状態で搬送する第一配管１１の内径（３０～４０ｍｍ）と比べてかなり小さい。
ここでは、アンモニア加熱分解装置５０とバーナ１０間を結ぶ第一配管１１の部分は、アンモニア加熱分解装置５０の加熱部１００内の部分も含めて、気体のアンモニアを搬送する流路で内径は大きく、アンモニア供給装置１４からアンモニア加熱分解装置５０を結ぶ第一配管１１の部分は、液体アンモニア配管７０として液体のアンモニアを搬送する流路で内径は小さい。
噴射ノズル８０は、液体アンモニア配管７０内を通過するアンモニアを加熱部１００内に霧状に噴霧させるもので、霧状のアンモニアは加熱部１００内で気化して気体アンモニアとなる。
ここでは、アンモニア加熱分解装置５０とバーナ１０間を結ぶ第一配管１１の部分は、アンモニア加熱分解装置５０の加熱部１００内の部分も含めて、気体のアンモニアを搬送する流路で内径は大きく、アンモニア供給装置１４からアンモニア加熱分解装置５０を結ぶ第一配管１１の部分は、液体アンモニア配管７０として液体のアンモニアを搬送する流路で内径は小さい。
噴射ノズル８０は、液体アンモニア配管７０内を通過するアンモニアを加熱部１００内に霧状に噴霧させるもので、霧状のアンモニアは加熱部１００内で気化して気体アンモニアとなる。
加圧部２００は、液体アンモニア配管７０内を８～３０気圧に加圧して液体アンモニアを３０～５０℃に加熱する。
液体アンモニアは、例えば、１７気圧で４０℃の沸点なので２０気圧に昇圧した場合には、４０℃に加熱することができ、このとき、アンモニアは液体の状態である（アンモニアは圧力が上がるとその沸点も上がる）。
液体アンモニアは、例えば、１７気圧で４０℃の沸点なので２０気圧に昇圧した場合には、４０℃に加熱することができ、このとき、アンモニアは液体の状態である（アンモニアは圧力が上がるとその沸点も上がる）。
また、加熱部１００と加圧部２００の間に位置する液体アンモニア配管７０の部分には、液体アンモニア配管７０内部の液体アンモニアを加熱する加熱ヒータ９０が設けられている。
さらに、加熱部１００の端部から、加熱部１００内に設けられた噴射ノズル８０に、加熱空気を供給する加熱空気配管３００が設けられている。
このように構成されたアンモニア加熱分解装置５０によれば、アンモニア供給装置１４から供給される液体のアンモニアは、加圧部２００によって、例えば２０気圧に加圧され、加熱ヒータ９０によって４０℃に加熱された液体のアンモニアとされる。
加圧加熱された液体アンモニアは、液体アンモニア配管７０の先端に設けられた噴射ノズル８０から加熱部１００の第一配管１１内に噴射される。このとき、第一配管１１内は１気圧であるので、噴射ノズル８０から噴射されたアンモニアは瞬時に気化してアンモニアガスとなる。
そして、気体のアンモニアは、加熱部１００によって２００℃以上に加熱されると、アンモニアガスは熱分解され水素ガスを発生する。
これにより、アンモニアを水素と窒素に容易に分解し、アンモニア（水素）をバーナ１０の燃料として効果的に使用することができ、同時に、窒素酸化物の排出を低減することができる。
加圧加熱された液体アンモニアは、液体アンモニア配管７０の先端に設けられた噴射ノズル８０から加熱部１００の第一配管１１内に噴射される。このとき、第一配管１１内は１気圧であるので、噴射ノズル８０から噴射されたアンモニアは瞬時に気化してアンモニアガスとなる。
そして、気体のアンモニアは、加熱部１００によって２００℃以上に加熱されると、アンモニアガスは熱分解され水素ガスを発生する。
これにより、アンモニアを水素と窒素に容易に分解し、アンモニア（水素）をバーナ１０の燃料として効果的に使用することができ、同時に、窒素酸化物の排出を低減することができる。
なお、発明者らの知見によると、アンモニアは２００℃以上に加熱すると水素と窒素への分解が促進され、また、１０００℃以上に加熱すると自然に分解する。また、アルミナなどの触媒Ｃはアンモニアの分解を効果的に促進する。
従って、本実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、アンモニアを２００℃以上に加熱するように設定し、その温度に制御することで、この熱の作用と触媒Ｃ（アルミナ）の働きによってアンモニアを効果的に分解することができる。このことから、このアンモニア加熱分解装置５０は、加熱温度が１０００℃未満の工業炉１における使用に適している。
従って、本実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、アンモニアを２００℃以上に加熱するように設定し、その温度に制御することで、この熱の作用と触媒Ｃ（アルミナ）の働きによってアンモニアを効果的に分解することができる。このことから、このアンモニア加熱分解装置５０は、加熱温度が１０００℃未満の工業炉１における使用に適している。
これによれば、バーナ１０とアンモニア用開閉弁１７の間において、気体アンモニアを搬送する第一配管１１と比較してかなり内径の小さい、液体アンモニアを搬送する液体アンモニア配管７０をバーナ１０側になるべく近づくところまで使用することができるので、設備全体のコンパクト化が図れる。
すなわち、バーナ１０前の配管において、内径の大きい第一配管１１の使用量を抑えることができるので省空間化となる。
すなわち、バーナ１０前の配管において、内径の大きい第一配管１１の使用量を抑えることができるので省空間化となる。
なお、本実施形態では、図２に示したように、液体アンモニア配管７０内の液体アンモニアを効率よく加熱させるように、加熱ヒータ９０を設けるとともに、加熱空気配管３００から加熱空気を送るようにしたが、加熱部１００で噴射ノズル８０から噴射されたアンモニアが確実に気化して気体のアンモニアになるものであれば、図３に示すように、加熱ヒータ９０を省いたり、あるいは、図４に示すように、加熱空気配管３００を省いたり、さらには、加熱ヒータ９０と加熱空気配管３００の両方を省くことも可能である。
また、本実施形態では、図１に示したように、炉体２の天井壁５から第１～第４アンモニア注入ノズル２１～２４を設け、アンモニア供給パイプ６０を介してアンモニア加熱分解装置５０から送られる気体のアンモニアを炉内に流すようしたが、図５に示すように、第１～第４アンモニア注入ノズル２１～２４及びアンモニア供給パイプ６０、これらに関係する第１～第４電磁弁３１～３４を省略することもできる。
さらには、図５に示すように、バーナ１０に対してガス燃料１５を供給することなく、気体のアンモニアだけを燃料として燃焼用空気とともにバーナ１０に供給するようにしてもよい。
さらには、図５に示すように、バーナ１０に対してガス燃料１５を供給することなく、気体のアンモニアだけを燃料として燃焼用空気とともにバーナ１０に供給するようにしてもよい。
また、図６に示すように、アンモニア加熱分解装置５０を、各アンモニア注入ノズル２１，２２，２３，２４と、各電磁弁３１，３２，３３，３４に設けるようにしてもよい。この場合、アンモニア供給パイプ６０は、アンモニア供給装置１４とアンモニア用開閉弁１７の間から分岐していて、アンモニア加熱分解装置５０までは液体のアンモニアが流れる。そして、アンモニア加熱分解装置５０と各アンモニア注入ノズル２１，２２，２３，２４間を結ぶ第１～第４アンモニア供給パイプ６１～６４の部分は、アンモニア加熱分解装置５０の加熱部１００内の部分も含めて、気体のアンモニアを搬送する流路となりその内径は、液体のアンモニアを搬送するアンモニア供給パイプ６０よりもかなり大きい。
この場合、アンモニア加熱分解装置５０は、バーナ１０側と各アンモニア注入ノズル２１，２２，２３，２４側の計５か所に設けられ、各アンモニア加熱分解装置５０には加熱機１００と加圧機２００が設けられているが、加圧機２００を、アンモニア供給パイプ６０が第一配管１１から分岐する位置からアンモニア供給装置１４側に寄った位置（図６においてＳで示す位置）に１ヶ所だけ設け、そこで加圧されたアンモニアを、各アンモニア加熱分解装置５０に送るようにすることもできる（図示は省略する）。これによれば、加圧機２００の数を５台から１台に抑えることができる。
この場合、アンモニア加熱分解装置５０は、バーナ１０側と各アンモニア注入ノズル２１，２２，２３，２４側の計５か所に設けられ、各アンモニア加熱分解装置５０には加熱機１００と加圧機２００が設けられているが、加圧機２００を、アンモニア供給パイプ６０が第一配管１１から分岐する位置からアンモニア供給装置１４側に寄った位置（図６においてＳで示す位置）に１ヶ所だけ設け、そこで加圧されたアンモニアを、各アンモニア加熱分解装置５０に送るようにすることもできる（図示は省略する）。これによれば、加圧機２００の数を５台から１台に抑えることができる。
なお、このようにバーナ１０に燃焼用空気とともに供給されるアンモニアを燃焼させる工業炉１において、液体アンモニアをバーナ１０の直前で気化させるようにして設備全体をコンパクト化したものは、上述した特許文献にも一切記載されていない。
本実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、アンモニアを燃料として使用するあらゆる分野（例えば火力発電）においても使用することができる。
１ 工業炉
２ 炉体
３ 側壁
５ 天井壁
１０ バーナ
１１ 第一配管
１２ 第二配管
１３ エア配管
１４ アンモニア供給装置
１５ ガス供給装置
１６ ブロワ
１７ アンモニア用開閉弁
１８ ガス用開閉弁
１９ エア用開閉弁
２０ 煙道
２１ 第１アンモニア注入ノズル
２２ 第２アンモニア注入ノズル
２３ 第３アンモニア注入ノズル
２４ 第４アンモニア注入ノズル
３１ 第１電磁弁
３２ 第２電磁弁
３３ 第３電磁弁
３４ 第４電磁弁
５０ アンモニア加熱分解装置
６０ アンモニア供給パイプ
６１ 第１アンモニア供給パイプ
６２ 第２アンモニア供給パイプ
６３ 第３アンモニア供給パイプ
６４ 第４アンモニア供給パイプ
７０ 液体アンモニア配管
８０ 噴射ノズル
９０ 加熱ヒータ
１００ 加熱部
２００ 加圧部
３００ 加熱空気配管
Ｃ 触媒
Ｆ 火炎
Ｈ１ 直接加熱ヒータ
Ｐ 接続位置
Ｓ 加圧機設置位置
Ｔ 保温部材
２ 炉体
３ 側壁
５ 天井壁
１０ バーナ
１１ 第一配管
１２ 第二配管
１３ エア配管
１４ アンモニア供給装置
１５ ガス供給装置
１６ ブロワ
１７ アンモニア用開閉弁
１８ ガス用開閉弁
１９ エア用開閉弁
２０ 煙道
２１ 第１アンモニア注入ノズル
２２ 第２アンモニア注入ノズル
２３ 第３アンモニア注入ノズル
２４ 第４アンモニア注入ノズル
３１ 第１電磁弁
３２ 第２電磁弁
３３ 第３電磁弁
３４ 第４電磁弁
５０ アンモニア加熱分解装置
６０ アンモニア供給パイプ
６１ 第１アンモニア供給パイプ
６２ 第２アンモニア供給パイプ
６３ 第３アンモニア供給パイプ
６４ 第４アンモニア供給パイプ
７０ 液体アンモニア配管
８０ 噴射ノズル
９０ 加熱ヒータ
１００ 加熱部
２００ 加圧部
３００ 加熱空気配管
Ｃ 触媒
Ｆ 火炎
Ｈ１ 直接加熱ヒータ
Ｐ 接続位置
Ｓ 加圧機設置位置
Ｔ 保温部材
Claims (6)
- バーナからの火炎で、前記バーナに燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉において、前記アンモニアが供給される第一配管の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部と、
前記加熱部の前記バーナ側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管よりも内径の小さい液体アンモニア配管と、
前記加熱部に挿入された前記液体アンモニア配管の先端に設けられた噴射ノズルと、
前記液体アンモニア配管の前記加熱部手前に設けられ、前記液体アンモニア配管内の液体のアンモニアを加圧する加圧部を備え、
さらに、前記加熱部と前記加圧部の間に位置する前記液体アンモニア配管に、前記液体アンモニア配管内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータを設けたことを特徴とするアンモニア加熱分解装置。 - バーナからの火炎で、前記バーナに燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉において、前記アンモニアが供給される第一配管の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部と、
前記加熱部の前記バーナ側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管よりも内径の小さい液体アンモニア配管と、
前記加熱部に挿入された前記液体アンモニア配管の先端に設けられた噴射ノズルと、
前記液体アンモニア配管の前記加熱部手前に設けられ、前記液体アンモニア配管内の液体のアンモニアを加圧する加圧部を備え、
前記加熱部の端部から前記噴射ノズルに、加熱空気を供給する加熱空気配管を設けたことを特徴とするアンモニア加熱分解装置。 - バーナからの火炎で、前記バーナに燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉において、前記アンモニアが供給される第一配管の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部と、
前記加熱部の前記バーナ側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管よりも内径の小さい液体アンモニア配管と、
前記加熱部に挿入された前記液体アンモニア配管の先端に設けられた噴射ノズルと、
前記液体アンモニア配管の前記加熱部手前に設けられ、前記液体アンモニア配管内の液体のアンモニアを加圧する加圧部と、
前記第一配管に設けられた開閉式の調整弁を備え、
前記所定部分は、前記バーナと前記調整弁の間であり、
前記加熱部と前記加圧部の間に位置する前記液体アンモニア配管に、前記液体アンモニア配管内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータを設けたことを特徴とするアンモニア加熱分解装置。 - バーナからの火炎で、前記バーナに燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉において、前記アンモニアが供給される第一配管の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部と、
前記加熱部の前記バーナ側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管よりも内径の小さい液体アンモニア配管と、
前記加熱部に挿入された前記液体アンモニア配管の先端に設けられた噴射ノズルと、
前記液体アンモニア配管の前記加熱部手前に設けられ、前記液体アンモニア配管内の液体のアンモニアを加圧する加圧部を備え、
前記所定部分は、前記バーナに対する前記第一配管の接続位置から２ｍの範囲内であり、
前記加熱部と前記加圧部の間に位置する前記液体アンモニア配管に、前記液体アンモニア配管内部の液体のアンモニアを加熱する加熱ヒータを設けたことを特徴とするアンモニア加熱分解装置。 - バーナからの火炎で、前記バーナに燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉において、前記アンモニアが供給される第一配管の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部と、
前記加熱部の前記バーナ側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管よりも内径の小さい液体アンモニア配管と、
前記加熱部に挿入された前記液体アンモニア配管の先端に設けられた噴射ノズルと、
前記液体アンモニア配管の前記加熱部手前に設けられ、前記液体アンモニア配管内の液体のアンモニアを加圧する加圧部と、
前記第一配管に設けられた開閉式の調整弁を備え、
前記所定部分は、前記バーナと前記調整弁の間であり、
前記加熱部の端部から前記噴射ノズルに、加熱空気を供給する加熱空気配管を設けたことを特徴とするアンモニア加熱分解装置。 - バーナからの火炎で、前記バーナに燃焼用空気とともに供給される気体のアンモニアを燃焼させる工業炉において、前記アンモニアが供給される第一配管の所定部分に設けられる装置であって、
前記第一配管の内部を通過するアンモニアを加熱する加熱部と、
前記加熱部の前記バーナ側とは逆側の端部に挿入され、液体のアンモニアを供給する、前記第一配管よりも内径の小さい液体アンモニア配管と、
前記加熱部に挿入された前記液体アンモニア配管の先端に設けられた噴射ノズルと、
前記液体アンモニア配管の前記加熱部手前に設けられ、前記液体アンモニア配管内の液体のアンモニアを加圧する加圧部を備え、
前記所定部分は、前記バーナに対する前記第一配管の接続位置から２ｍの範囲内であり、
前記加熱部の端部から前記噴射ノズルに、加熱空気を供給する加熱空気配管を設けたことを特徴とするアンモニア加熱分解装置。
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| US20030232224A1 (en) | 2000-07-25 | 2003-12-18 | Apollo Energy Systems, Incorporated | Ammonia cracker for production of hydrogen |
| JP2015010581A (ja) | 2013-07-01 | 2015-01-19 | 株式会社豊田中央研究所 | エンジンシステム |
| JP2022015464A (ja) | 2020-07-09 | 2022-01-21 | 中外炉工業株式会社 | アンモニア燃料燃焼装置 |
| CN114370647A (zh) | 2021-12-20 | 2022-04-19 | 佛山仙湖实验室 | 一种多燃料供给系统及其控制方法 |
| JP2022145242A (ja) | 2021-03-19 | 2022-10-03 | 大陽日酸株式会社 | 無機質球状化粒子製造装置及び無機質球状化粒子の製造方法 |
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| JP2023039682A (ja) | 2021-09-09 | 2023-03-22 | 中外炉工業株式会社 | アンモニア燃料燃焼装置 |
-
2023
- 2023-04-07 JP JP2023062793A patent/JP7784090B2/ja active Active
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|---|---|---|---|---|
| JP2948351B2 (ja) | 1991-05-17 | 1999-09-13 | 三菱重工業株式会社 | タービンプラント |
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| JP2022145242A (ja) | 2021-03-19 | 2022-10-03 | 大陽日酸株式会社 | 無機質球状化粒子製造装置及び無機質球状化粒子の製造方法 |
| JP2022186094A (ja) | 2021-06-04 | 2022-12-15 | 株式会社豊田自動織機 | エンジンシステム |
| JP2023039682A (ja) | 2021-09-09 | 2023-03-22 | 中外炉工業株式会社 | アンモニア燃料燃焼装置 |
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