随着可变可再生能源电源的引入不断扩大，作为调节供需平衡和稳定电力系统的火力发电仍是重要的电力来源，因此减少火力发电过程中的二氧化碳（CO2）排放量成为亟需解决的课题。本文针对有望解决这一课题的氨，介绍了其用于燃煤发电的技术开发以及氨的发展前景。
前言
为了抑制全球变暖，世界各国都在努力减少二氧化碳排放。日本政府也提出了在2050年实现碳中和的目标。在火力发电中，燃烧燃料并利用其热量产生高温、高压的蒸气，再利用蒸气动力带动发电机旋转发电。所使用的燃料多为煤炭、石油、天然气等化石燃料，尤其是煤炭作为廉价且可稳定供给的燃料得到了广泛利用。IHI在煤炭利用技术方面处于领先水平，通过提供全球最高效率的火力发电设备，为减少二氧化碳排放作出贡献。但是今后，需要推动向不排放二氧化碳的零碳燃料的转变。其中，备受期待的零碳燃料之一是氨。氨燃烧的一般反应式为4NH3+3O2→2N2+6H2O，与氢燃烧（2H2+O2→2H2O）一样，不排放温室气体。但是，氢密度低，单位体积的燃烧发热量小，因此运输效率差，且液化需要大量动力等，因此高效的大量运输成为一项课题。此外，在容积效率和液化温度（-33.4℃）方面，氨作为能源载体比氢更有优势。图1示出氨作为能源载体的特性。氨已经在肥料制造等化学工业中得到商业应用，拥有大量的生产、储存和运输基础设施，并且已经确立了处理技术。
图1
由此，为实现火力发电的碳中和，IHI开始积极关注氨。氨的引入始于目前火力发电的主流燃料——煤炭（锅炉）和天然气（燃气轮机）的混烧，并且正在继续开发，以期今后实现专烧。
本文介绍了火力发电用锅炉设备中的氨混烧技术开发及其相关的锅炉设计。
氨混烧的课题与实现
此前，氨被广泛用作化学原料和肥料，但很少用作燃料。因此，在将氨转化为燃料时，首先构建了数值分析模型，并在IHI的燃烧试验炉中同时进行了测试和验证，以了解其基本的燃烧特性。
与甲烷等燃料相比，氨的燃烧速度较慢，火焰温度较低。此外，需要抑制燃料中的氮成分生成。准确的点火和稳定的燃烧十分重要，但实现这一点的燃烧条件与NOx的生成存在权衡关系。因此，燃烧技术开发的课题是在抑制氮氧化物（NOx）生成的同时，实现准确的点火和稳定的燃烧。
通过分析煤粉与氨气混烧时的燃烧数值，研究了氨对煤粉燃烧器火焰的最佳喷射及混合方法。关于氨的混合方式，研究了煤粉流混合、燃烧空气混合和直接炉内喷射。结果表明，在还原气氛强且气体温度高的气氛中添加氨对抑制NOx是有效的。
图2上半部分示出实现这一效果的氨混烧燃烧器示意图。基于该研究结果，试制了燃烧试验用燃烧器，并经过小型燃烧试验炉（1MWth）的基础试验，在大型燃烧试验炉（10MWth）中进行了试验。
图2下半部分示出大型燃烧试验炉燃烧试验中的煤专烧和氨混烧时的火焰对比。结果，在燃烧热量比为20%的氨混烧率下，获得了稳定的燃烧状态，并实现了与煤粉专烧时相同的NOx排放量和未燃烧含量。
关于二级燃烧率对NOx排放行为的影响，图3示出煤专烧和氨混烧的对比。此外，即使在模拟部分负荷运行状态的条件下，也获得了良好的结果