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2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of ammonia burner for simultaneous high-intensity combustion and NOx reduction

Research Project

Project/Area Number 19K04219
Research InstitutionKagawa University

Principal Investigator

奥村 幸彦  香川大学, 創造工学部, 教授 (80262971)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2024-03-31
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
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.

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.

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.

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.

  • Research Products

    (7 results)

All 2022 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 水素保炎型アンモニア乱流拡散火炎の構造と反応解析2022

    • Author(s)
      奥村幸彦,坪田知大,松田直也,堀 司,赤松史光
    • Journal Title

      日本燃焼学会誌

      Volume: 第64 巻、208 号 Pages: 168-176

    • DOI

      10.20619/jcombsj.64.208_168

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Reaction Analysis of nitrogen oxide for ammonia turbulent burner with hydrogen flame stabilizer2022

    • Author(s)
      Yukihiko Okumura, Tsukasa Hori, Fumiteru Akamatsu, Takahiro Kitano, Tomohiro Tsubota, Naoya Matsuda
    • Journal Title

      Proc. 32nd International Symposium on Transport Phenomena (ISTP2022)

      Volume: No.210 Pages: 6 pages

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] NH3/H2/N2 予混合火炎の燃焼特性2022

    • Author(s)
      坪田知大,菊池賢太,矢川憲利,松浪智広,奥村幸彦
    • Organizer
      第60回 燃焼シンポジウム(日本燃焼学会主催)
  • [Presentation] 旋回‐絞り構造バーナーによるバイオシンガスの高負荷燃焼2022

    • Author(s)
      楠直也,竹原裕貴,奥村幸彦
    • Organizer
      第31回日本エネルギー学会大会講演論文集(日本エネルギー学会主催)
  • [Presentation] 難燃性バイオシンガスの高負荷燃焼2022

    • Author(s)
      竹原裕貴,楠直也,奥村幸彦
    • Organizer
      第59回日本伝熱シンポジウム講演論文集(日本伝熱学会主催)
  • [Book] カーボンニュートラル燃料最新動向~水素・アンモニア・e-fuel・バイオ燃料~2022

    • Author(s)
      加藤 之貴編著、(奥村幸彦:第3章担当,分担:pp.118-128)
    • Total Pages
      253
    • Publisher
      情報機構
    • ISBN
      978-4-86502-237-7
  • [Remarks] 環境エネルギー工学研究室

    • URL

      https://www.eng.kagawa-u.ac.jp/~okumura/index0.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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