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：省エネ機器（1/2 ページ）

燃焼してもCO2を排出しないことから、化石燃料の代替として注目されているアンモニア。しかし燃焼時に窒素酸化物（NOx）が発生するという点や、伝熱強度が弱いという点が実用化課題となっている。大陽日酸と大阪大学は、工業炉におけるアンモニアを燃料について、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。課題解決に道筋をつけた。

[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