成果報告書詳細
管理番号20110000001267
タイトル*平成22年度中間年報 ゼロエミッション石炭火力基盤技術開発 革新的ガス化技術に関する基盤研究事業 石炭ガス化発電用高水素濃度対応低NOX技術開発(H22~H23)
公開日2011/8/30
報告書年度2010 - 2010
委託先名株式会社日立製作所
プロジェクト番号P08020
部署名環境部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 共同研究の内容及び成果等
二酸化炭素(CO2)回収・貯留(Carbon dioxide Capture and Storage,CCS)を備えた石炭ガス化発電プラント(Integrated coal Gasification Combined Cycle,IGCC)は,CO2排出量の削減に必要な技術と有望視されている。このプラントでは燃焼前回収方式によりCO2を回収する場合,CO2回収率に応じて水素濃度が幅広く変化する高水素濃度燃料がガスタービンに供給される。
高水素濃度燃料を燃焼させた場合,水素は発火しやすく燃焼速度が速いため,予混合燃焼方式の燃焼器では,燃焼室内にある火炎が予混合器流路内に逆流する可能性が高くなり,燃焼器の信頼性が低下する恐れがある。拡散燃焼方式の燃焼器では,高水素濃度燃料の安定燃焼は可能であるが,局所的に高温の火炎が生じ窒素酸化物(NOx)の排出濃度が増加するため,環境規制を満足するには窒素や水,蒸気を燃焼器に噴射して局所の火炎温度を低下させ,NOx排出濃度を低減する必要がある。その結果,拡散燃焼方式では発電効率の低下や噴射設備の初期コストおよびプラントランニングコストの上昇という課題が生じる。したがって,CO2回収・貯留付石炭ガス化発電プラントでは,高効率発電を実現するため,燃料中の水素濃度の幅広い変化に対応でき,窒素・水・蒸気などの噴射が不要で,かつNOx排出濃度が低いドライ低NOx燃焼器が必要となる。
そこで,本研究は幅広い水素濃度の変化に対して,同一バーナー構造で燃焼可能なドライ低NOx燃焼技術の開発を目的とする。前年度は,燃料ノズルと空気孔を同軸に配置した構造をもち,燃料と空気の同軸噴流によって短い距離で急速に混合できるクラスタバーナーについて,高水素濃度燃料に対応する基本構造を検討し,平板型の空気孔プレートを有するクラスタバーナーを複数個備えた「平板型マルチクラスタバーナー形式低NOx燃焼器」(以下,平板型マルチクラスタ燃焼器と略記)を設計・製作した。そして,中圧試験の結果,CO2回収率(以下,CCSと略記)0%,30%に対応する試験用燃料に対し,NOx排出濃度が10 ppm以下となることを確認した。しかし,さらに水素濃度が高いCCS 50%の試験用燃料に対しては,NOx排出濃度の最小値は12 ppmとなり,さらなる低NOx化が必要であることがわかった。本年度は主に次の2項目を実施した。
英文要約and/or auto-ignition due to the low ignition energy and fast burning velocity of hydrogen. The traditional diffusion combustors cannot meet low-emission requirement, and thus injection of a diluent into the combustion zone is required for suppressing the increased nitrogen-oxide (NOx) emissions, which results in lower plant efficiency and higher capital and operational costs. The objective of this research is to develop dry low-NOx combustion technologies for high hydrogen content fuels with H2 concentration ranging widely. These technologies are based on a multiple co-axial jet burner, i.e., ‘cluster burner’, which can achieve stable low-NOx combustion of high hydrogen content fuels~with a wide range of hydrogen concentrations~without modifying its configuration. In the previous fiscal year, it was found that a flat multi-cluster-burner-type low-NOx combustor achieves low-NOx emissions of less than 10 ppm for fuels simulating 0%, 30% CCS under medium pressure. In this fiscal year, the following two activities are performed. (1) Tests of multi-cluster-burner-type low-NOx combustors under medium pressure - Tests of a convex multi-cluster-burner-type low-NOx combustor under medium pressure: The convex multi-cluster combustor is tested under a medium pressure of 0.6 MPa. This combustor has a pilot burner in the center and six main burners with convex swirlers around it. The results show that the NOx emissions at the rated load are 5.4 ppm for ‘CCS 0%’ fuel (H2: 40%), 5.8 ppm for ‘CCS 30%’ fuel (H2: 55%), 6.5 ppm for ‘CCS 50%’ fuel (H2: 65%), and 9.2 ppm for ‘CCS 90%’ fuel (H2: 84%). This finding shows that the combustor achieves dry low-NOx combustion of high hydrogen content fuels. - Tests of larger multi-cluster-burner-type low-NOx combustors under medium pressure: The larger flat multi-cluster combustor is tested under a medium pressure of 0.6 MPa. The results show that the NOx emissions at the rated load are 11.2 ppm for ‘CCS 0%’ fuel (H2: 40%), 19.4 ppm for ‘CCS 30%’ fuel (H2: 55%). This finding shows that the combustor achieves stable combustion of high hydrogen content fuels. (2) Studies on optimization of burner’s configurations (test under atmospheric pressure) - Flame visualization: Visualization of the flame in a model combustor for high hydrogen content fuels are carried out under an atmospheric pressure to investigate the mechanism responsible for the occurrence of combustion oscillation. The results show that the flame attaches to the burner due to the recirculating flow in the outer region of the burner. The results also show that combustion oscillation is caused by repetition of the lift and attachment of flame to the outer region of the burner. - Measurements of spatial temperature and concentration distributions of combustion flow fields of high hydrogen content fuels: Measurements of spatial temperature and concentration distributions of combustion flow fields of high hydrogen content fuels are carried out under an atmospheric pressure to investigate the flame structure and NOx formation. The results show that NOx is produced in local high-temperature regions that are formed downstream behind the attached flame.
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