産業熱プロセスの脱炭素化のためのアンモニア燃焼の研究

燃料アンモニアから水素を取り出すための触媒反応デバイスの開発

概要

　アンモニアは，体積水素密度が高く液化が容易であることから，次世代の水素キャリアとして注目されており，ガスタービンや工業炉などの燃焼システムにおける燃料としての直接利用も検討されています．燃料アンモニアの普及にあたって，既存の化石燃料と比べて低い燃焼性や，燃焼過程にける燃料由来窒素酸化物（フューエルNOx）の発生などが課題とされていましたが，アンモニアの部分改質による水素取り出しやリッチ・リーン二段燃焼によるNOx排出低減などの方法で解決されつつあります．一方，アンモニアは鉄系金属表面の「窒化」を誘起させますが，アンモニア火炎による燃焼器や配管部材の窒化効果に関しては，これまで検討が行われたことがありませんでした．そこで，本研究室では，アンモニア火炎による金属壁面の窒化効果について調べています．
　電気炉内で一定温度に加熱される円管型フローリアクターにおけるアンモニアの熱分解率を調べることにより，1100 K程度で開始する気相の熱分解に対して，ステンレス鋼の表面では約700 Kの低温領域から熱分解が発生することを明らかにしました．また，実験結果に基づいた一段階の総括反応モデルを構築しました．一方，金属試験片をアンモニア予混合火炎に一定時間晒し，表面粗さおよび材料内に拡散した窒素原子の濃度の変化を調べました．その結果，アンモニア火炎によっても，既存のガス窒化と同程度の窒化効果が得られることを示しました．今後，火炎中の水蒸気やラジカルが金属表面の窒化に及ぼす影響を調べるとともに，第一原理計算や分子動力学計算に機械学習を応用した数値的アプローチの援用により，詳細表面反応モデルの構築および窒化メカニズムの解明を進めていく予定です．

図1. (a)従来型の燃焼ベース熱電発電システム，(b)触媒燃焼および対流効果を用いた低熱損失型熱電発電システム（Feng et al., 2023）．

図2. (a)石英，(b)ステンレス円管リアクター内におけるアンモニアの分解率に対するリアクター温度および内径の影響（Feng et al., 2023）．

図3. アンモニア燃焼・窒化実験装置（Wang et al., 2023）．

図4. (a)アンモニア火炎の構造，アンモニア火炎中の(b)NHラジカル，(c)NH2*ラジカル，(d)NH3分子の分布（Wang et al., 2023）．

図5. 500 ºCから850 ºCの温度範囲でアンモニア火炎により処理されたステンレス試験片の半径方向(a)表面硬さ，(b)窒素原子濃度分布（Wang et al., 2023）．

図6. 第一原理分子動力学（AIMD）を用いて計算した，Fe（110）表面に吸着されたNH3分子の分解過程（Feng et al., 2023）．

プロジェクト:
　日本学術振興会科学研究費 基盤研究A「火炎を用いた新しい表面機能化プロセスのための固体壁面近傍燃焼機構の解明」[2021-2023年度, 研究代表者：鈴木 雄二]
　NEDO先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム／革新的アンモニア燃焼による脱炭素工業炉の開発[2021-2022年度, 研究代表者：赤松 史光]
　JST SICORP EIG CONCERT-Japan 手ごろでクリーンなエネルギー源としての持続可能な水素技術 「小型ガスタービンにおけるアンモニア・水素燃焼」[2022-2025年度, 研究代表者：范 勇]
　パロマ環境技術開発財団助成金「アンモニアの部分改質がアンモニア火炎の燃焼特性に及ぼす影響の解明」[2022年度, 研究代表者：李 敏赫]

主たる共同研究者：
　赤松 史光（大阪大学）
　范 勇（産業技術総合研究所）
　中外炉工業株式会社

最近の発表論文

  • 許 星長, 王 道遠, 李 敏赫, 鈴木 雄二,
    「アンモニア拡散火炎における複数化学種分布のレーザ計測」
    第61回燃焼シンポジウム, 秋田, 2023年11月15日-17日, D323. (発表予定)
  • 王 道遠, 邢 裕健, 李 敏赫, 鈴木 雄二,
    「アンモニア火炎による金属の窒化におけるラジカル種の影響」
    第61回燃焼シンポジウム, 秋田, 2023年11月15日-17日, A213. (発表予定)
  • 邢 裕健, 王 道遠, 李 敏赫, 鈴木 雄二,
    「アンモニア火炎による金属壁面の窒化に対する水蒸気濃度の影響」
    日本機械学会熱工学コンファレンス2023, 神戸, 2023年10月14日-15日, E124. (発表予定)
  • Xu, X., Wang, D., Lee, M., and Suzuki, Y.,
    “Measurements of NH3 and NH2* profiles in ammonia counterflow diffusion flames,”
    2nd Symposium on Ammonia Energy, Orléans, France, Jul. 11-13, (2023).
  • Feng, P., Lee, M., Wang, D., and Suzuki, Y.,
    “Ammonia Thermal Decomposition on Quartz and Stainless Steel Walls,”
    Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 48, Issue 75, (2023), pp. 29209-29219.
    (doi:10.1016/j.ijhydene.2023.04.106)
  • Wang, D., Lee, M., and Suzuki, Y.,
    “Nitriding Effects of Ammonia Flames on Iron-based Metal Wall,”
    J. Ammonia Energy, Vol. 1, (2023), pp. 1-10.
    (doi:10.18573/jae.8)
  • Wang, D., Lee, M., and Suzuki, Y.,
    “Nitriding Effects of Ammonia Flames on Metal Walls Under Different Surface Temperatures,”
    1st Symposium on Ammonia Energy, Cardiff, UK, Sep. 1-2, (2022).

最終更新: 2023-10-01