2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of ammonia burner for simultaneous high-intensity combustion and NOx reduction
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19K04219
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| Research Institution | Kagawa University |
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Principal Investigator |
奥村 幸彦 香川大学, 創造工学部, 教授 (80262971)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | アンモニア / オフガス / 窒素酸化物 / CO2フリー燃焼 / サーマルNOx / フュエルNOx / 燃焼速度 / 水素キャリア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素（CO2）濃度の増加が温暖化の原因とされる中，燃焼時にCO2 を排出しないエネルギーを利用する水素社会が注目されている．特に，H2の製造過程でもCO2を排出しない「グリーンH2」の普及が期待されている．しかし，海外からH2を液体状態で輸送するには -253 ℃ に保つ必要があるなど，実現には多くの課題がある．そのため，H2をアンモニア（NH3）へ変換し，NH3をH2キャリアとしてタンカーで国内へ輸送，NH3をH2に再変換し，燃焼等に利用する構想が提案されている．しかし，NH3からH2への分解・製造では，純粋なH2は製造されず，H2/N2混合ガスが副生される．化学式(2NH3→3H2+N2）に示すように，NH3はH2：N2 = 3：1のH2/N2混合ガス（オフガスと呼ぶ）に分解される．NH3からオフガスへの分解過程では残存NH3の発生が，オフガスからH2の精製過程ではN2の除去などが，複雑な工程と追加のエネルギーを必要とし効率が悪い.そこで，本研究ではNH3からH2への分解・製造時に発生するNH3/H2/N2混合ガスを直接燃焼利用するために，燃焼特性について明らかにした．結果として，以下の結論を得た．
（１）XNH3/ XH2 = 1.0～1.63 の分解範囲内では，オフガス（NH3/H2/N2）はほぼ完全燃焼すると共に，割合の等しいNH3/H2 火炎と比較してNOxが抑制できる．
（２）Fuel NOx ＞＞Thermal NOx の関係が成立し，Fuel NOxは燃焼領域全体から生成し，Thermal NOx は（水素の選択燃焼に起因することにより）リム付近の外縁部から生成する．
（３）オフガス（NH3/H2/N2）火炎では，NH3/H2 火炎と比較して，NH3 単位モル当たりの NOx 排出量が低い．これは，火炎温度の低下に伴うNOx 生成反応速度の減少に起因する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
大型シミュレーション投入への計算環境が整っている．（スーパーコンピューターの使用ができる．）加えて，予混合火炎を対象とするオフガスの燃焼実験がほぼ終了した．実験と数値計算により，NH3を使用した場合に発生する窒素酸化物（窒素原子Nを含む燃料）の排出特性を明らかにできているため．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、以下の(1)～(2)の研究を推進する．
(1)アンモニア専焼が可能な新バーナの開発に着手する．
(2)更なる高負荷燃焼とNOxの同時低減，およびNH3/H2燃焼の低輻射特性の改善を炉内設計を含めて達成する．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスによる行動制限のため、出張旅費が使用出来なかった．
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