JP7787377B2 - アンモニア加熱分解装置 - Google Patents

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（ＮＯ_X）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（ＮＯ_X）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。

特許第７０２０７５９号公報

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、当該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）において、前記アンモニアが供給されるアンモニア供給パイプ（６０）の所定部分に設けられる装置であって、
前記アンモニア供給パイプ（６０）の所定部分の内部に設けられ、前記内部を通過するアンモニアに全体が直接接触して加熱する直接加熱ヒータ（Ｈ１）を備えるとともに、
前記アンモニア供給パイプ（６０）の所定部分の内周面に前記アンモニアを水素と窒素に分解する触媒（Ｃ）の層をコーティングし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）において、前記アンモニアが供給されるアンモニア供給パイプ（６０）の所定部分に設けられる装置であって、
前記アンモニア供給パイプ（６０）の所定部分の内部に、前記アンモニアを水素と窒素に分解する触媒（Ｃ）で形成したカバー（Ｋ）で覆った加熱ヒータ（Ｈ１）を設け、前記内部を通過するアンモニアを加熱するようにし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）において、前記アンモニアが供給されるアンモニア供給パイプ（６０）の所定部分に設けられる装置であって、
前記アンモニア供給パイプ（６０）の所定部分の内部に設けられ、前記内部を通過するアンモニアに全体が直接接触して加熱する直接加熱ヒータ（Ｈ１）を備えるとともに、
前記アンモニア供給パイプ（６０）の所定部分を、その全体が、前記アンモニアを水素と窒素に分解する触媒（Ｃ）で形成されたものからなるものとし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、アンモニア供給パイプの所定部分の内部に、その内部を通過するアンモニアに全体が直接接触して加熱する直接加熱ヒータを備えるので、この直接加熱ヒータの熱を直接的にアンモニアに加えて、所定温度に加熱することができる。
この熱により、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。

また本発明によれば、アンモニア供給パイプの所定部分を、その全体が、アンモニアを水素と窒素に分解する触媒で形成されたものからなるので、この触媒効果によってアンモニアをさらに効果的に分解できる。従って、アンモニアをさらに効率的にバーナの燃料として使用でき、窒素酸化物の排出をさらに低減できる。

また本発明によれば、アンモニア供給パイプの所定部分の内周面にアンモニアを水素と窒素に分解する触媒の層をコーティングしたので、この層の触媒効果により、アンモニアをさらに効果的に分解できる。従って、アンモニアをバーナの燃料として使用でき、窒素酸化物の排出を低減できる。

また、本発明によれば、アンモニア供給パイプの所定部分の内部に、前記アンモニアを水素と窒素に分解する触媒で形成したカバーで覆った加熱ヒータを設け、前記内部を通過するアンモニアを加熱するようにしたので、触媒効果をさらに高めることができる。

本発明に係るアンモニア加熱分解装置を取り付けた工業炉の要部を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係るアンモニア加熱分解装置を示す拡大断面図である。 本発明の第二実施形態に係るアンモニア加熱分解装置を示す拡大断面図である。 本発明の第三実施形態に係るアンモニア加熱分解装置を示す拡大断面図である。 本発明の第一乃至第三実施形態における直接加熱ヒータの他の態様を示す拡大断面図である。

図１及び図２を参照して、本発明の第一実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０を説明する。

第一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。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。

第一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アンモニア供給パイプ６０の所定部分に設けられる。

第一実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、図１に示すように４体設けられる（第１アンモニア加熱分解装置５１、第２アンモニア加熱分解装置５２、第３アンモニア分解装置５３、第４アンモニア加熱分解装置５４）。そして、第１アンモニア加熱分解装置５１は、第１アンモニア供給パイプ６１の第１電磁弁３１と第１アンモニア注入ノズル２１との間に設けられる。同様に、第２アンモニア加熱分解装置５２は、第２アンモニア供給パイプ６２の第２電磁弁３２と第２アンモニア注入ノズル２２との間に設けられ、第３アンモニア加熱分解装置５３は、第３アンモニア供給パイプ６３の第３電磁弁３３と第３アンモニア注入ノズル２３との間に設けられる。そして、第４アンモニア加熱分解装置５４は、第４アンモニア供給パイプ６４の第４電磁弁３４と第４アンモニア注入ノズル２１との間に同じように設けられる。

なお、このアンモニア加熱分解装置５０の設置箇所は、上記した所定部分に限定されず、例えば、図１に示すように、アンモニア供給装置１４とアンモニア用開閉弁１７との間だけに設けることもできるし、アンモニア供給装置１４とアンモニア用開閉弁１７との間には設けることなく、各電磁弁３１～３４と各アンモニア注入ノズル２１～２４との間にそれぞれ設けることもできる。アンモニア加熱分解装置５０の設置箇所は炉体２にできるだけ接近させることが

第一実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、図２に示すように、加熱手段として直接加熱ヒータＨ１と間接加熱ヒータＨ２を備える。この直接加熱ヒータＨ１は、アンモニア供給パイプ６０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）がアンモニア供給パイプ６０を通過するアンモニアに直接接触するように配置される。また、間接加熱ヒータＨ２は、アンモニア供給パイプ６０の同一所定部分の外周面に設けられ、アンモニアを、アンモニア供給パイプ６０を介して間接的に加熱する。

また第一実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、アンモニア供給パイプ６０の同一所定部分の内周面に前記アンモニアを水素と窒素に分解する触媒Ｃの層をコーティングしている。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。

また、触媒Ｃとしてアルミナを使用することで、アンモニア供給パイプ６０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る。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。

なお、触媒Ｃの層をコーティングする代わりに、アンモニア供給パイプ６０の当該所定部分の全体を、アンモニアを水素と窒素に分解する触媒Ｃ（例えばアルミナ）で形成することもできる。これによってもアンモニア供給パイプ６０の腐食や酸化を抑制することができ、アンモニア加熱分解装置５０の物理的に安定させることができる。

また、第一実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、間接加熱ヒータＨ２を覆い囲む状態で保温部材Ｔを設けている。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。

第一実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０によれば、加熱手段として直接加熱ヒータＨ１と間接加熱ヒータＨ２を備えるので、両者のはたらきによってアンモニアを効果的に加熱することができる。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、第一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。

また第一実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０は、間接加熱ヒータＨ２を覆い囲む状態で保温部材Ｔを設けているので、間接加熱ヒータＨ２やアンモニア供給パイプ６０の所定部分からの熱の放散を防止し、アンモニア加熱分解装置５０の性能を高めることができる。また、作業者の火傷を防止することができ、より高い安全性を確保することができる。

図３を参照して本発明の第二実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０について説明する。このアンモニア加熱分解装置５０の大きな特徴は、アンモニア供給パイプ６０の所定部分の内部において、直接加熱ヒータＨ１の下流側にアンモニアを水素と窒素に分解する触媒Ｃを設けたことである。触媒Ｃは特に限定されないがアルミナが好ましい。なお、この触媒Ｃは、直流加熱ヒータの上流側に設けることもできる。

第二実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０も、第一実施形態と同様に、間接加熱ヒータＨ２と保温部材Ｔを備える。間接加熱ヒータＨ２によって加熱効果を高め、保温部材Ｔによって保温効果を高めることができる。

第二実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０によれば、直接加熱ヒータＨ１と間接加熱ヒータＨ２のはたらきによってアンモニアを効果的に加熱することができ、また、触媒Ｃの作用によってアンモニアの分解を促進することができる。これにより、アンモニアを水素と窒素に効率的に分解し、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る。同時に、窒素酸化物の排出を低減することができる。

図４を参照して第三実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０について説明する。このアンモニア加熱分解装置５０の大きな特徴は、アンモニア供給パイプ６０の所定部分の内部に直接加熱ヒータＨ１を設け、この直接加熱ヒータＨ１をプラズマ加熱装置で構成したことである。また、第一実施形態と同様に、アンモニア供給パイプ６０の所定部分の内周面にアンモニアを水素と窒素に分解する触媒Ｃの層をコーティングし、所定部分の外周面に保温部材Ｔを設けている。触媒Ｃとしてはアルミナが好適であり、保温部材Ｔとしてはグラスウールなどの一般的なものを使用することができる。

第三実施形態に係るアンモニア加熱分解装置５０によれば、直接加熱ヒータＨ１をプラズマ加熱装置で構成したので、アンモニアを短時間で効率的に加熱することができ、かつ排出ガスを低減できる。また、触媒Ｃによりアンモニアの分解を促進し、保温部材Ｔによって保温効果を高めることができる。

なお、上記第一乃至第三実施形態における直接加熱ヒータＨ１は、図５に示すように、触媒Ｃ（例えばアルミナ）で形成したカバーＫで覆うこともできる。こうすることによって、触媒効果をさらに高めることができる。

また、第一および第二実施形態においては間接加熱ヒータＨ２および保温部材Ｔを設けているが、これらを設けずに構成することもできる。また、第三実施形態では間接加熱ヒータＨ２を設けていないが、これを設けて構成することもできる。また、第一乃至第三実施形態における触媒Ｃとしては、アルミナや前記した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、このようにバーナ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において、アンモニアが供給されるアンモニア供給パイプ６０の所定部分の内部に設けられ、その全体が、前記内部を通過するアンモニアに直接接触して加熱する直接加熱ヒータＨ１を備える５０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
５１ 第１アンモニア加熱分解装置
５２ 第２アンモニア加熱分解装置
５３ 第３アンモニア加熱分解装置
５４ 第４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
Ｃ 触媒
Ｆ 火炎
Ｈ１ 直接加熱ヒータ
Ｈ２ 間接加熱ヒータ
Ｋ カバー
Ｔ 保温部材

Claims (3)

1. バーナからの火炎で、前記バーナ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において、前記アンモニアが供給されるアンモニア供給パイプの所定部分に設けられる装置であって、
   前記アンモニア供給パイプの所定部分の内部に設けられ、前記内部を通過するアンモニアに全体が直接接触して加熱する直接加熱ヒータを備えるとともに、
   前記アンモニア供給パイプの所定部分の内周面に前記アンモニアを水素と窒素に分解する触媒の層をコーティングしたことを特徴とするアンモニア加熱分解装置。
2. バーナからの火炎で、前記バーナ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において、前記アンモニアが供給されるアンモニア供給パイプの所定部分に設けられる装置であって、
   前記アンモニア供給パイプの所定部分の内部に、前記アンモニアを水素と窒素に分解する触媒で形成したカバーで覆った加熱ヒータを設け、前記内部を通過するアンモニアを加熱するようにしたことを特徴とするアンモニア分解加熱装置。
3. バーナからの火炎で、前記バーナ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において、前記アンモニアが供給されるアンモニア供給パイプの所定部分に設けられる装置であって、
   前記アンモニア供給パイプの所定部分の内部に設けられ、前記内部を通過するアンモニアに全体が直接接触して加熱する直接加熱ヒータを備えるとともに、
   前記アンモニア供給パイプの所定部分を、その全体が、前記アンモニアを水素と窒素に分解する触媒で形成されたものからなるものとしたことを特徴とするアンモニア加熱分解装置。