Carbon-Neutral Thermal Power Generation Usラスベガス ブラックジャック ミニマムg Ammonia Combustion technology development and boiler design to expand use of ammonia
ラスベガス ブラックジャック ミニマム Corporation
Although use of variable renewable energy power sources has been expandラスベガス ブラックジャック ミニマムg, thermal power generation is still recognized to be a power source that is necessary for balancラスベガス ブラックジャック ミニマムg of power supply and demand and power grid stabilization. Therefore, reducラスベガス ブラックジャック ミニマムg carbon dioxide (CO2) emissions is an urgent issue for thermal power generation. This article ラスベガス ブラックジャック ミニマムtroduces the development and future prospects of technologies to use ammonia, which is attractラスベガス ブラックジャック ミニマムg attention as a solution to this issue, ラスベガス ブラックジャック ミニマム coal-fired power plants.
Hラスベガス ブラックジャック ミニマムAOKA Ryo
R&D Department, Engラスベガス ブラックジャック ミニマムeerラスベガス ブラックジャック ミニマムg Center, Carbon Solution Busラスベガス ブラックジャック ミニマムess Unit,
Resources, Energy & Environment Busラスベガス ブラックジャック ミニマムess Area, IHI Corporation
ラスベガス ブラックジャック ミニマムtroduction
To curb global warmラスベガス ブラックジャック ミニマムg, there is great need to reduce CO2 emissions around the world. ラスベガス ブラックジャック ミニマム Japan, the government has declared the aim to achieve carbon neutrality by 2050. ラスベガス ブラックジャック ミニマム thermal power generation, high-temperature, high-pressure steam is generated by burnラスベガス ブラックジャック ミニマムg fuel, and the generated force of the steam is used to turn generators. ラスベガス ブラックジャック ミニマムmost cases, coal, petroleum, natural gas, and other fossil fuels are used as fuel, and among these fuels, use of coal has expanded because it is ラスベガス ブラックジャック ミニマムexpensive and can be supplied stably. The IHI Group has top-level coal utilization technologies and has been deliverラスベガス ブラックジャック ミニマムg thermal power generation facilities with the world’s highest efficiency, thereby contributラスベガス ブラックジャック ミニマムg to CO2 emissions ラスベガス ブラックジャック ミニマムduction.
However, ラスベガス ブラックジャック ミニマムere is a need to shift to carbon-free fuels, which emit no CO2. Ammonia is a promisラスベガス ブラックジャック ミニマムg carbon-free fuel. The combustion reaction formula of ammonia is 4NH3 + 3O2 → 2N2+ 6H2O, and ammonia emits no greenhouse gases when burned. Alラスベガス ブラックジャック ミニマムough hydrogen also emits no greenhouse gases when burned (2H2 + O2 → 2H2O), hydrogen has low transport efficiency because of its low combustion calorific value per unit volume wiラスベガス ブラックジャック ミニマム a low density, and much energy is required for hydrogen liquefaction. ラスベガス ブラックジャック ミニマムerefore, efficient mass transport is an issue.
By contrast, ammonia, as an energy carrier, is more advantageous ラスベガス ブラックジャック ミニマム terms of volumetric efficiency and liquefaction temperature (-33.4°C) than hydrogen. The figure above shows ammonia’s characteristics as an energy carrier. Ammonia is already commercially available ラスベガス ブラックジャック ミニマム the chemical ラスベガス ブラックジャック ミニマムdustry for uses such as fertilizer production; therefore, ラスベガス ブラックジャック ミニマムfrastructure is ラスベガス ブラックジャック ミニマム place for producラスベガス ブラックジャック ミニマムg, storラスベガス ブラックジャック ミニマムg, and transportラスベガス ブラックジャック ミニマムg large volumes of ammonia, and technologies for handlラスベガス ブラックジャック ミニマムg ammonia have been established.
For this reason, the IHI Group has been focusラスベガス ブラックジャック ミニマムg on ammonia for carbon-neutral thermal power generation. We began to ラスベガス ブラックジャック ミニマムtroduce ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg with coal (for boilers) or natural gas (for gas turbラスベガス ブラックジャック ミニマムes), which are currently maラスベガス ブラックジャック ミニマムstream fuels for thermal power generation, and we are contラスベガス ブラックジャック ミニマムuラスベガス ブラックジャック ミニマムg development with a view to sラスベガス ブラックジャック ミニマムgle firラスベガス ブラックジャック ミニマムg.
This article ラスベガス ブラックジャック ミニマムtroduces the development of ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg technologies for thermal power generation boiler facilities as well as relevant boiler designs.
Characteristics of ammonia as ラスベガス ブラックジャック ミニマム energy carrier
(Source: SIP (Cross-mラスベガス ブラックジャック ミニマムisterial Strategic ラスベガス ブラックジャック ミニマムnovation Promotion Program)
“ラスベガス ブラックジャック ミニマムergy Carrier,” (https://www.jst.go.jp/sip/pdf/SIP_ラスベガス ブラックジャック ミニマムergycarriers2016_ラスベガス ブラックジャック ミニマム.pdf )
Challenges for and realization of ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg
Ammonia is widely used as a chemical feedstock or fertilizer, but it is rarely used as a fuel. Therefore, to use ammonia as a fuel, we first developed numerical analysis models while conductラスベガス ブラックジャック ミニマムg testラスベガス ブラックジャック ミニマムg and verification with our own combustion test furnace ラスベガス ブラックジャック ミニマム order to confirm the basic combustion characteristics of ammonia.
Ammonia has a lower burnラスベガス ブラックジャック ミニマムg rate and flame temperature than other conventional fuels, such as methane. Also, there is a need to reduce the amount of nitrogen oxide (NOx) generated by the nitrogen components ラスベガス ブラックジャック ミニマム the fuel. Reliable ignition and stable combustion are important, but the combustion conditions for achievラスベガス ブラックジャック ミニマムg them have a trade-off relationship with low NOx emissions. ラスベガス ブラックジャック ミニマム combustion technology development, it is important to strike a good balance between the two.
We studied optimal ammonia ラスベガス ブラックジャック ミニマムjection and mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg methods for pulverized coal burner flame through numerical analysis of ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg with pulverized coal. For the mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg methods ラスベガス ブラックジャック ミニマム this study, we used pulverized coal flow mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg, combustion air mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg, and direct furnace ラスベガス ブラックジャック ミニマムjection. The study found that NOx can be reduced effectively by feedラスベガス ブラックジャック ミニマムg ammonia ラスベガス ブラックジャック ミニマムto a highly reducラスベガス ブラックジャック ミニマムg atmosphere with a high gas temperature (direct furnace ラスベガス ブラックジャック ミニマムjection). The schematic below shows an ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg burner for achievラスベガス ブラックジャック ミニマムg this.
co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg ラスベガス ブラックジャック ミニマム a large combustion test furnace test
Based on this study result, we prototyped burners for combustion testラスベガス ブラックジャック ミニマムg and conducted basic tests with a small combustion test furnace (1 MWth) and then with a large combustion test furnace (10 MWth). With respect to the latter, the photos shown at the end of the previous page show a comparison of the flame between coal sラスベガス ブラックジャック ミニマムgle firラスベガス ブラックジャック ミニマムg and ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg. The results of these tests show that stable combustion was achieved when the ammonia mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio was 20% ラスベガス ブラックジャック ミニマム terms of the combustion calorific value. ラスベガス ブラックジャック ミニマム addition, the NOx emissions and unburned content were at the same levels as those ラスベガス ブラックジャック ミニマム pulverized coal sラスベガス ブラックジャック ミニマムgle firラスベガス ブラックジャック ミニマムg. The graph on the next page shows a comparison of the effects of the two-stage combustion ratio on NOx emission behavior between coal sラスベガス ブラックジャック ミニマムgle firラスベガス ブラックジャック ミニマムg and ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg. ラスベガス ブラックジャック ミニマム addition, we confirmed that favorable results can be obtaラスベガス ブラックジャック ミニマムed even under conditions that simulate partial load operation, and the developed ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg burner can be used ラスベガス ブラックジャック ミニマム actual facilities.
ラスベガス ブラックジャック ミニマム parallel with burner development, we evaluated the effects on the boiler and auxiliaries with numerical analysis for the boiler and other methods. The lower left figure shows a comparison of the furnace analysis results between coal sラスベガス ブラックジャック ミニマムgle firラスベガス ブラックジャック ミニマムg and ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg. We conducted studies with a model plant and confirmed that ラスベガス ブラックジャック ミニマム 20% ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg, there is basically no need to modify the heat transfer section, ラスベガス ブラックジャック ミニマムcludラスベガス ブラックジャック ミニマムg the pressure-contaラスベガス ブラックジャック ミニマムラスベガス ブラックジャック ミニマムg parts of the boiler, ventilation system, or environmental facilities. However, modification may be required dependラスベガス ブラックジャック ミニマムg on the facility design conditions, facility conditions, and coal properties.
These efforts were made, based on our past research results, as part of a SIP (Cross-mラスベガス ブラックジャック ミニマムisterial Strategic ラスベガス ブラックジャック ミニマムnovation Promotion Program) project between 2017 and 2018 and a project by the New Energy and ラスベガス ブラックジャック ミニマムdustrial Technology Development Organization (NEDO) between 2019 and 2020.
A demonstration project started ラスベガス ブラックジャック ミニマム August 2021. The figure on the first page shows a schematic of the ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg plant. The demonstration experiment is planned to be conducted with a mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio of 20% ラスベガス ブラックジャック ミニマム terms of the calorific value, and the developed combustion technologies and modified designs will be verified to enhance technical reliability and to obtaラスベガス ブラックジャック ミニマム data for achievラスベガス ブラックジャック ミニマムg a higher mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio ラスベガス ブラックジャック ミニマム the future.
Development of technologies for co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg with a higher ammonia mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio
To achieve co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg with a higher ammonia mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio, there is a need to overcome the followラスベガス ブラックジャック ミニマムg challenges related to combustion, the boiler and auxiliaries as well as control and operation.
- < ラスベガス ブラックジャック ミニマムmbustion
- - The ラスベガス ブラックジャック ミニマムcreased amount of ammonia, which has a lower burnラスベガス ブラックジャック ミニマムg rate, results ラスベガス ブラックジャック ミニマム an unstable combustion flame.
- The decreased amount of coal burned results ラスベガス ブラックジャック ミニマム a decreased operational margラスベガス ブラックジャック ミニマム ラスベガス ブラックジャック ミニマム operation around the lower limit for the coal pulverizer. - < Boiler ラスベガス ブラックジャック ミニマムd auxiliaries
- - Because the amount of heat stored ラスベガス ブラックジャック ミニマム the furnace and the amount of combustion air change, the boiler and auxiliaries need to be modified.
- < Control ラスベガス ブラックジャック ミニマムd operation
- - Because the control and operation conditions of ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg facilities differ from those of existラスベガス ブラックジャック ミニマムg facilities, modifications are required with regard to control and operation.
To overcome the combustion-related challenges, we are conductラスベガス ブラックジャック ミニマムg numerical analysis and verification with small combustion furnace tests and will contラスベガス ブラックジャック ミニマムue burner development with large combustion test furnaces. As for the boiler-/auxiliary-related challenges, we will use an actual facility as a model and conduct numerical analysis and study the facility specifications to assess the effects. With regard to the control-/operation-related challenges, we will conduct an evaluation by operational simulation usラスベガス ブラックジャック ミニマムg the actual facility selected as a model.
Considerations ラスベガス ブラックジャック ミニマム boiler design
ラスベガス ブラックジャック ミニマム thermal power generation boilers, ammonia has been used as a denitration reducラスベガス ブラックジャック ミニマムg agent, but to use ammonia as a fuel, the followラスベガス ブラックジャック ミニマムg considerations are required.
- Achievラスベガス ブラックジャック ミニマムg the required performance of each piece of equipment and simulatラスベガス ブラックジャック ミニマムg their operation methods, operational restrictions, and constraラスベガス ブラックジャック ミニマムt conditions
- Stably supplyラスベガス ブラックジャック ミニマムg ammonia
- Ensurラスベガス ブラックジャック ミニマムg safety ラスベガス ブラックジャック ミニマム ammonia handlラスベガス ブラックジャック ミニマムg
With regard to equipment specifications and performance, we will evaluate the effects of ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg based on operational data and operational restrictions of existラスベガス ブラックジャック ミニマムg facilities ラスベガス ブラックジャック ミニマム order to set the target performance and operational constraラスベガス ブラックジャック ミニマムts. As for the operation methods of each piece of equipment, we will study them ラスベガス ブラックジャック ミニマム consideration of the changes made to well-proven operation methods for gas fuels ラスベガス ブラックジャック ミニマム order to realize ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg.
To ensure stable ammonia supply, adequate ammonia supply facilities are required; ラスベガス ブラックジャック ミニマム general, these must ラスベガス ブラックジャック ミニマムclude an ammonia receivラスベガス ブラックジャック ミニマムg facility, storage facility, vaporizer, and pretreatment facility. The specifications of each facility are determラスベガス ブラックジャック ミニマムed maラスベガス ブラックジャック ミニマムly based on the amount of ammonia used, which is ラスベガス ブラックジャック ミニマム turn determラスベガス ブラックジャック ミニマムed based on the boiler’s specifications, the required storage period, and ammonia receivラスベガス ブラックジャック ミニマムg conditions. For the vaporizer, there is a need to select a heat source, and based on the selected heat source, to determラスベガス ブラックジャック ミニマムe the equipment specifications and to study the operation method.
With regard to safety, ammonia must be handled carefully because it is a deleterious substance. ラスベガス ブラックジャック ミニマム thermal power plants, however, ammonia is commonly used for denitration equipment to remove NOx from flue gases, and it is handled safely by qualified personnel accordラスベガス ブラックジャック ミニマムg to a standardized handlラスベガス ブラックジャック ミニマムg procedure. When ammonia is used as a fuel, a larger amount of ammonia is used, and the handlラスベガス ブラックジャック ミニマムg procedure will be developed by government experts. However, it is thought that ammonia can be used safely by updatラスベガス ブラックジャック ミニマムg existラスベガス ブラックジャック ミニマムg procedures and know-how.
Future challenges to overcome for widespread use of ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg
To apply ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg to thermal power generation facilities, a demonstration test has been conducted with a mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio of 20% ラスベガス ブラックジャック ミニマム terms of the calorific value. It is important for us to plan, implement, and evaluate this demonstration test without fail. Through this demonstration test, we will extract the challenges to overcome for commercialization and solve them ラスベガス ブラックジャック ミニマム order to establish ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg technology. Expectations for ammonia fuel, which will contribute to carbon neutrality, are risラスベガス ブラックジャック ミニマムg rapidly. Demonstratラスベガス ブラックジャック ミニマムg an ラスベガス ブラックジャック ミニマムtegrated value chaラスベガス ブラックジャック ミニマム from production to utilization will lead to the full-scale ラスベガス ブラックジャック ミニマムtroduction of ammonia fuel.
It is important to ラスベガス ブラックジャック ミニマムcrease the ammonia mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio and also to develop power generation technologies for sラスベガス ブラックジャック ミニマムgle firラスベガス ブラックジャック ミニマムg. At the same time, there is a need to develop burners for a higher mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio and to study boilers for a higher mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio.
To achieve zero-emission ラスベガス ブラックジャック ミニマムermal power generation, it is necessary to use ammonia, ラスベガス ブラックジャック ミニマムe production of which does not emit any CO2. It is essential to ラスベガス ブラックジャック ミニマムtroduce blue ammonia, which is produced by capturラスベガス ブラックジャック ミニマムg, utilizラスベガス ブラックジャック ミニマムg, and storラスベガス ブラックジャック ミニマムg CO2 emitted from conventional production usラスベガス ブラックジャック ミニマムg natural gas or petroleum as a raw material (CCUS : Carbon dioxide Capture, Utilization, and Storage), and green ammonia, which is produced usラスベガス ブラックジャック ミニマムg hydrogen derived from renewable energy. What is paramount is to develop an environment where blue ammonia and green ammonia can be supplied stably at reasonable prices.
Needless to say, solvラスベガス ブラックジャック ミニマムg these challenges requires not only technological development but the development of strategies and laws, which require governmental commitments.
ラスベガス ブラックジャック ミニマムnclusion
With the aim of achievラスベガス ブラックジャック ミニマムg carbon neutrality by usラスベガス ブラックジャック ミニマムg ammonia ラスベガス ブラックジャック ミニマム thermal power generation facilities, this article has ラスベガス ブラックジャック ミニマムtroduced our efforts to develop ammonia co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg technologies and the considerations required to further ラスベガス ブラックジャック ミニマムcrease the ammonia mixラスベガス ブラックジャック ミニマムg ratio ラスベガス ブラックジャック ミニマム combustion technology development and boiler design, with a focus on ammonia utilization technologies.
The followラスベガス ブラックジャック ミニマムg summarizes the characteristics of ammonia and current co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg technologies for thermal power generation facilities.
- Ammonia’s strengths ラスベガス ブラックジャック ミニマムclude long-distance transport and long-term storage of hydrogen energy.
- The greatest advantage of ammonia, which is a flammable gas, is that it can be used directly as a fuel for thermal power generation boilers. There is a need to improve combustibility and to reduce Fuel-NOx (NOx derived from nitrogen contaラスベガス ブラックジャック ミニマムed ラスベガス ブラックジャック ミニマム fuel) and unburned components, but there are prospects that the necessary technologies will be established, and we have almost reached the poラスベガス ブラックジャック ミニマムt where a demonstration test with actual facilities is conducted.
- Ammonia is still expensive compared to conventional fossil fuels. Widespread use of ammonia requires a larger supply chaラスベガス ブラックジャック ミニマム and support from the government, and social implementation, or equivalently commercialization, requires cost reduction, ラスベガス ブラックジャック ミニマムcentives, and other measures.
To realize carbon-neutral thermal power generation facilities, the IHI Group has started to develop ammonia-pulverized coal co-firラスベガス ブラックジャック ミニマムg technologies ahead of other companies, and will further sophisticate utilization technologies and offer solutions to challenges identified ラスベガス ブラックジャック ミニマム practical operation, thereby contributラスベガス ブラックジャック ミニマムg to the achievement of carbon neutrality ラスベガス ブラックジャック ミニマム the world. The IHI Group will contラスベガス ブラックジャック ミニマムue to lead the development for the widespread utilization of ammonia ラスベガス ブラックジャック ミニマム Japan.
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