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

开发同时进行高强度燃烧和氮氧化物还原的氨燃烧器

基本信息

批准号：
19K04219
负责人：
奥村幸彦
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kagawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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．

随着二氧化碳（CO2）浓度的增加被认为是全球变暖的一个原因，使用燃烧过程中不排放二氧化碳的能源的氢社会正在引起人们的关注。特别是在氢气制造过程中不排放二氧化碳的“绿色氢气”预计将变得更加普及。然而，实现这一目标面临许多挑战，例如需要将温度保持在-253°C，以便从海外运输液态氢气。因此，提出了将H2转化为氨（NH3），NH3作为H2载体通过罐车运输国内，NH3再转化为H2用于燃烧等的概念。然而，在由NH3分解生产H2的过程中，并没有产生纯H2，而是产生副产物H2/N2混合气体。如化学式（2NH3→3H2+N2）所示，NH3分解为H2/N2混合气体（称为废气），其中H2:N2 = 3:1。在NH3分解为废气的过程中，会产生残留的NH3，而在从废气中纯化H2的过程中，脱除N2需要复杂的过程和额外的能量，效率低下。直接利用NH3/H2/N2分解生产过程中产生的NH3/H2/N2混合气体。结果，我们得出以下结论。 (1)在XNH3/的分解范围内(2)燃料NOx>>热力NOx的关系成立；燃料NOx是从整个燃烧区域产生的，而热力NOx是从靠近边缘的外边缘产生的(由于氢的选择性燃烧)。 (3) 废气(NH3/H2/N2)火焰每单位摩尔NH3的NOx排放量低于NH3/H2火焰。这是由于随着火焰温度降低，NOx 生成反应速率降低。