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アンモニアで工業炉をCO2フリーに、燃焼技術の課題をクリア (陰山遼将...

アンモニアで工業炉をCO2フリーに、燃焼技術の課題をクリア (陰山遼将,[スマートジャパン])

 大陽日酸、大阪大学 大学院工学研究科 教授の赤松史光らの研究グループは2016年10月31日、アンモニアを燃料とした燃焼においてNOx(窒素酸化物)の発生を環境基準以下まで抑制し、同時に火炎の伝熱強化を実現する燃焼技術の開発に成功したと発表した。このアンモニア燃焼技術を産業分野におけるエネルギー消費量の約25%を占める工業炉分野に対して適用することで、大幅なCO2排出量削減が見込めるとしている。

 脱化石燃料に関する取り組みが進んでいるものの、現時点で全世界のエネルギーの約80%が化石燃料の燃焼によって得られている。これにより日本国内では年間約14億トンのCO2が排出されており、このうちの40%を産業分野が占める。その中の25%は素形材産業を支える約4万基の工業炉から排出されている。そのためCO2排出量削減の観点から、新しい省エネ技術や化石燃料に代わる新たな燃料を用いる燃焼技術の開発が求められている。

 化石燃料に変わる新燃料の1つとして注目されているのがアンモニア(NH3)だ。燃焼時にCO2を一切排出しないため、新しい代替燃料として注目されている。しかしアンモニアは窒素を含んでいるため、燃焼時に多量の窒素酸化物が生成される可能性がある。NOxは地球温暖化や大気汚染につながるため、これは好ましくない。

 そこで研究グループは工業炉の燃料にアンモニアを利用しても、現行の環境規制をクリアし、さらに火炎の伝熱強化を達成する技術の開発に取り組んだ。一般的な工業炉で化石燃料を用いる場合、燃焼過程で生成される「すす」と呼ばれる炭素分の微粒子からのふく射が炉内の伝熱に大きく寄与している。しかし燃料とするアンモニアは炭素原子を含まないため、ふく射による伝熱が期待できないという課題がある。そこで研究グループは、酸素富化燃焼を組み合わせることで、火炎ふく射を強化し、NOxの生成を抑制する燃焼手法に着目した。

 酸素富化燃焼とは、燃焼において酸化剤として空気を用いる通常の燃焼(空気燃焼)に対し、酸素濃度を高めた空気を酸化剤として用いる燃焼技術のこと。大阪大学は、研究試験用バーナーを用いた基礎実験と数値計算手法により、アンモニア燃焼における酸素富化適用の有効性について、火炎温度上昇およびNOx生成抑制の観点から明らかにし、アンモニア火炎の伝熱はアンモニア燃焼時に発生する水蒸気からのふく射が支配的であることをつきとめた。

 一方、大陽日酸では、10kW(キロワット)級のモデル燃焼炉に適合させるアンモニア専焼およびメタン混焼を可能とする酸素富化バーナを設計・製作。これを利用して、それぞれの燃焼における火炎温度や伝熱効率、排出ガス成分などの特性について分析を行った(図1)。



図1 開発した10kW級の燃焼炉 出典:JST

メタン燃焼と同等のふく射強度を実現

 その結果、バーナーの燃料に単純にアンモニアを混合して酸素富化燃焼した場合、火炎温度の上昇に伴ってNOx生成量が増加するという課題があるが、火炎温度の上昇によるNOx生成を最小限に抑制するには、段階的に炉内の雰囲気を巻き込むことで火炎温度を均一化する多段燃焼と、酸素富化燃焼を組み合わせた燃焼技術が有効であることを明らかにした。

 この技術により、10kWモデル燃焼炉では酸素富化バーナを用いて火炎ふく射を強化すると同時にNOx排出濃度を大幅に低減し、現行の環境基準をクリアするアンモニア燃焼による工業炉運転を実現した。火炎ふく射の強化に関する検証については大阪大学と共同でアンモニア燃焼のふく射強度の空間分布計測を行い、酸素富化燃焼を適用することで炉内全体に天然ガスの主成分であるメタン燃焼と同程度以上のふく射強度を実現可能であることを確認した(図2)。



図2 アンモニア酸素富化燃焼、メタン−アンモニア酸素富化燃焼、メタン空気燃焼におけるふく射強度の比較 出典:JST

 研究グループは、今回の開発により素形材産業を支える工業炉に対して従来の化石燃料を用いることなく運転することが可能になり、CO2排出量を大きく削減できる可能性があるとしている。今後は、工業炉の実生産に適用可能な規模である100kWモデル燃焼炉で火炎ふく射の強化手法と低NOx化手法のスケールアップに関する検証を行い、工業炉における開発目標達成の見通しを得ると同時に、アンモニア燃焼技術の工業炉分野への社会実装を目指す方針だ。

 なお、この研究は内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)における「エネルギーキャリア」の委託研究課題「アンモニア直接燃焼」において実施。一部は平成25年度 JST戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発(ALCA)の委託研究「エネルギーキャリアとしてのアンモニア高効率利用に関する革新的基盤技術」において行った。


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