CN103384650A - 使用了粉煤的燃烧设备的排气中的NOx浓度的控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供使用了粉煤的燃烧设备的排气中的NOx浓度的控制方法，其通过对从以粉煤为燃料的燃料设备排出的排气中的NOx浓度基于该粉煤的性状事先进行控制，可以容易地达到大气污染防止法等所规定的限制值以下，同时也可以降低进行该控制时所需要的脱硝剂等的用量。本发明预先对多种碳类的粉煤测定各自的碳的反应速度，同时求出上述排气中的NOx浓度与上述反应速度的关系，基于该关系，以使上述碳的反应速度达到对应于目标的NOx浓度以下的值的方式来配混上述多种碳类的粉煤从而作为上述燃烧设备的燃料进行供给。

Description

使用了粉煤的燃烧设备的排气中的NOx浓度的控制方法
技术领域
本发明涉及对从以粉煤（dust coal）为燃料的各种燃烧设备排出的排气中的NOx浓度进行控制的方法。
背景技术
通常，对于水泥制造工艺中的煅烧炉而言，作为用于在该煅烧炉中加热水泥原料进行煅烧的燃料，使用粉煤。
如图3所示，具备该煅烧炉的水泥制造设备具备：用于焙烧水泥原料的回转窑1，设置在该回转窑1的图中左边的窑尾2的具备多个旋风分离器4a～4d的预热器3，将水泥原料从该预热器3的最下段的旋风分离器4d供给到回转窑1的窑尾2中的滑槽5（シュート５），与最上段的旋风分离器4a连接、具有排出燃烧排气的排气扇10的排气管路9，在图中右边的窑头6中用于对内部进行加热的主燃烧器7，在窑头6中用于对焙烧后的水泥熟料进行冷却的熟料冷却器8，进而在第3段的旋风分离器4c与第4段的旋风分离器4d之间设置煅烧炉12，该煅烧炉12具有将燃烧排气从回转窑1的窑尾2通过导管部导入到下端部、同时由未图示的燃料供给管路供给到内部的粉煤的燃烧装置。需要说明的是，也存在煅烧炉12设置在与窑尾2上的导管部不同的另外路径上的水泥制造设备。
在包含上述构成的水泥熟料的制造设备中，供给到最上段的旋风分离器4a的上述水泥原料，随着依次落下到下方的旋风分离器4，被从下方上升的源自回转窑1的高温排气预热后，从旋风分离器4c抽出而送到煅烧炉12，在该煅烧炉12中进行煅烧后，从最下段的旋风分离器4d通过滑槽5而导入到回转窑1的窑尾2中。
另一方面，由回转窑1排出的燃烧排气，通过煅烧炉12送到最下段的旋风分离器4d，依次送到上方的旋风分离器4，对上述水泥原料进行预热的同时，最终从最上段的旋风分离器4a的上部利用排气扇10通过排气管路9被排出。
但是，对于这种水泥制造设备而言，根据大气污染防止法，对利用排气扇10由排气管路9排出的排气中的氮氧化物(以下记载为NOx)的浓度进行了限制。因此，时常监视燃烧排气中的NOx浓度，如下述专利文献1、2等所述，适当将氨、含有其的污泥等喷雾到排气管路9中来进行脱硝、或调整主燃烧器7的燃烧量来降低回转窑1内的温度，从而进行控制使得该排气中的NOx浓度不会超过上述限制值。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-194800号公报
专利文献2：日本特开平10-192896号公报
专利文献3：日本特开平05-196212号公报
专利文献4：日本特开平07-310903号公报。
发明内容
因此，若上述排气中的NOx浓度升高则所喷雾的氨、污泥等的量也增加，有可能产生白烟、异臭。另外，若调整主燃烧器7的燃料的量而使回转窑1内的温度过度降低，则水泥原料的焙烧所需要的热量降低，有可能产生品质的降低、生产量的减少等操作上的问题。
另一方面，已知通过燃料的燃烧而生成的NOx大致分为热来源的NOx(Thermal-NOx)和燃料来源的NOx(Fuel-NOx)。
因此，为了解决以往的上述问题，对于热来源的NOx，研究了如上述专利文献3、4中所提出的低NOx燃烧器的使用等。
另外，对于燃料来源的NOx，着眼于燃料中的氮质量比例、燃料比(=固定碳比例/挥发成分比例)，采用了通过使用氮质量比例更低的燃料、或燃料比小(挥发成分比例大)的燃料，加快燃烧速度，由此降低NOx浓度的方法，但是任意一种方法的推定精度都低，由此存在操作时难以控制在所希望的NOx浓度范围内的问题，期待对其进行改善。
因此，本发明人特别为了以高的精度对从上述煅烧炉12排出的排气中的NOx浓度进行控制，进行了以下的调查和研究。
首先，使用粉煤作为燃料的上述煅烧炉12，是对水泥原料进行煅烧的工艺，炉内温度为800～900℃，因此认为从该煅烧炉12排出的排气中的NOx主要为燃料来源的NOx。
这里，接着本发明人对于上述煅烧炉12中使用的多种碳类的粉煤，测定各粉煤的性状(氮质量比例、燃料比、碳(固定碳)的反应速度)，同时测定实际上使用配混上述粉煤而得到的燃料作为燃料时从上述煅烧炉12排出的排气中的NOx浓度。然后，基于上述配混比例，算出实际上用作燃料的粉煤的性状(氮质量比例、燃料比、碳(固定碳)的反应速度)，同时调查这些性状对上述排气中的NOx浓度的变化的影响。
其结果，如图4(a)所示，在所使用的粉煤中的氮质量比例(Nwt%)与煅烧炉出口的排气中的NOx浓度的值之间，未能发现一定的相关关系。另外，如图4(b)所示，同样地在燃料比与煅烧炉出口的排气中的NOx浓度的值之间也未能发现大的相关关系。
由此判明，如上述以往那样，仅单纯使用氮质量比例低的燃料、或使用燃料比小的燃料时，难以期待所希望的NOx浓度的降低、或难以以操作上需要的精度对NOx浓度进行控制。
因此，接着基于上述粉煤的配混比例，推定或测定碳的反应速度，将其与煅烧炉出口的排气中的NOx浓度的变化进行比较，结果在两者之间发现了比上述氮质量比例、燃料比强的相关关系，具体而言，发现了碳反应速度越快则煅烧炉出口的排气中的NOx浓度越降低的趋势。
本发明是基于上述见解而提出的，其课题在于，提供使用了粉煤的燃烧设备的排气中的NOx浓度的控制方法，该方法通过对从以粉煤为燃料的燃料设备排出的排气中的NOx浓度基于该粉煤的性状事先进行控制，可以容易地达到大气污染防止法等规定的限制值以下，同时也可以降低进行该控制时所需要的脱硝剂等的用量。
为了解决上述问题，权利要求1中记载的对从以粉煤为燃料的燃烧设备排出的排气中的NOx浓度进行控制的方法，其特征在于，预先对多种碳类的粉煤，测定各自的碳的反应速度，同时求出上述排气中的NOx浓度与上述反应速度的关系，基于该关系，以使上述碳的反应速度达到对应于目标的NOx浓度以下的值的方式来配混上述多种碳类的粉煤从而作为上述燃烧设备的燃料进行供给。
另外，权利要求2中记载的发明的特征在于，在权利要求1记载的发明中，替代上述碳的反应速度，而使用该反应速度的频率因子。
进而，权利要求3中记载的发明的特征在于，在权利要求2记载的发明中，对于上述多种碳类的粉煤，使用热天平，在多种温度条件下，将重量减少的时间变化曲线的切线的斜率除以所测定的氧分压，由此求出该温度下的碳反应速度，接着由以(1/上述测定温度(单位：绝对温度))为横轴且以该测定温度下的上述碳的反应速度的值为纵轴的阿仑尼乌斯曲线图(Arrhenius plot)的上述纵轴的截距求出上述碳反应频率因子。
如后述的本发明人得到的实验结果可知，根据权利要求1～3中任一项记载的发明，预先对用于燃烧设备的多种碳类的粉煤测定各自的碳的反应速度，同时测定所使用的粉煤的排气中的NOx浓度，基于这些关系，在配混上述多种碳类的粉煤时，使其为达到目标的NOx浓度以下的碳的反应速度值，由此可以容易地使从上述燃料设备排出的排气中的NOx浓度为大气污染防止法等所规定的限制值以下。
另外，在仅配混上述粉煤时，即使不能以使排气中的NOx浓度达到目标的NOx浓度以下的方式控制上述碳的反应速度的值的情况下，通过该反应速度的调整，尽可能减小NOx值，由此与以往相比，也可以大幅降低另外在NOx浓度降低用中应该添加的脱硝剂等的用量，从而还可以抑制由于该脱硝剂等的添加而导致的操作上的问题的产生。
另外，上述粉煤的碳反应速度k(1/s･Pa)可以用下式(1)表示。
k=A･exp(-E/RT) (1)
此处，A为碳反应频率因子(1/s･Pa)，E为活化能(J/mol)，R为气体常数(8314J/K･mol)，T为绝对温度(K)。
因此，碳反应速度k自身为温度T的函数，因而基于各粉煤的碳k，对排气中的NOx浓度进行控制时，需要考虑到温度T的因子而变得繁杂。
因此，本发明人使用热天平测定上述碳反应速度k时，由以测定温度为横轴且以该测定温度下的上述碳的反应速度k为纵轴的阿仑尼乌斯曲线图的斜率，求出上述活化能E，并且由上述纵轴的截距求出上述碳反应频率因子A，结果可知，对于各种粉煤而言，上述活化能E可以看作为固定值(斜率一定)，其不同在10%以内。
该结果如图5所示证实了，碳反应频率因子A的变化与排气中的NOx浓度的变化之间也存在同样强的相关关系。
因此，若如权利要求2中记载的发明那样，替代上述碳反应速度k，将上述碳反应频率因子A作为粉煤的性状的代表值进行管理，则可以不考虑该粉煤使用时的炉内温度的影响，因而粉煤的管理、燃烧控制变得更加容易。
附图说明
[图1] 图1为示意性地表示由本发明的一实施方式中的碳反应速度的测定及其结果，通过阿仑尼乌斯曲线图求出碳反应频率因子的方法的图。
[图2] 图2为表示上述实施方式中得到的碳反应频率因子与所需要的氨用量的关系的图。
[图3] 图3为表示适用上述实施方式的水泥制造设备的构成简图。
[图4A] 图4A为表示粉煤的氮质量比例与排气中的NOx浓度的关系的图。
[图4B] 图4B为表示粉煤的燃料比与排气中的NOx浓度的关系的图。
[图5] 图5为表示通过本实施方式得到的粉煤的碳反应频率因子与排气中的NOx浓度的关系的图。
具体实施方式
以下基于本发明人进行的实验例，说明将本发明的使用了粉煤的燃烧设备的排气中的NOx浓度的控制方法，适用于图3所示的水泥制造设备中的煅烧炉12中的粉煤的燃烧所带来的NOx浓度的控制的一实施方式。
首先如图1所示，对于上述煅烧炉12中使用的多种碳类的粉煤，使用热天平测定碳反应速度k。
需要说明的是，所使用的热天平为Rigaku Corporation制的红外差动型差示热天平TG8120，试样的重量测定利用Mettler Toledo International Inc.制电子天平XS105DU。另外，评价燃烧性的试样，使用利用激光衍射法得到的50%累积直径10～40μm的粉末。
然后，将规定量的粉煤的试样在氮气气氛下以15K/s的速度升温，达到规定温度后，保持至由于上述试样中含有的挥发成分的热分解而导致的重量减少变化变得充分小(1～4分钟)后，切换为含有氧的气氛，测定多种固定温度(K)下的试样的质量减少。
需要说明的是，测定上述试样的质量减少的多种固定温度以及此时的试样的量，分别为500℃(1.5mg)、550℃(1.0mg)、600℃(0.5mg)、650℃(0.2mg)、700℃(0.1mg)。
此时，上述热天平中由于碳的氧化而导致的重量减少的时间变化(反应率变化dX/dt)可以用下式(2)表示。
dX/dt=k(1-X)nPO2m （2）
此处，k为碳反应速度(1/s･Pa)，X为碳反应率，PO2为氧分压(Pa)、m和n为反应次数。
从而，若上述反应次数为n=0、m=1(通过其它的预测实验确定)则k=(dX/dt)/PO2，因此未燃烧率0.3、0.5、0.7(图中表示0.5的情况)下的重量减少的时间变化中的切线的斜率除以所测定的氧分压而得到的值，为该温度T下的碳反应速度k。
接着，在各个上述温度(K)下实施以上的测定等，分别对未燃烧率0.3、0.5、0.7(图中表示0.5的情况)，由以1/T(1/K)为横轴、以碳反应速度k为纵轴的阿仑尼乌斯曲线图的斜率求得上述活化能E，另外由纵轴的截距求得碳反应频率因子A。接着，将对未燃烧率0.3、0.5、0.7分别求得的碳反应频率因子A的平均值作为所测定的试样的频率因子A。
接着，求出实际上在煅烧炉12中使用的粉煤的碳反应频率因子A与此时的排气中的NOx浓度的关系。图5为表示该关系的图，可知两者之间存在强的相关关系。
从而可知，在上述煅烧炉12中，为了使NOx浓度为操作上容许范围的500ppm以下，作为粉煤以使得碳反应频率因子A为15以上的方式进行配混即可。
进而，在包括由回转窑1排出的排气在内的、最终添加氨等时，如图2所示，可以预测其用量。
如此，根据包含上述构成的使用了粉煤的煅烧炉12的排气中的NOx浓度的控制方法，基于图5所示的碳反应频率因子A与NOx浓度的关系，以成为达到目标NOx浓度以下的碳的反应频率因子A的值的方式来配混该煅烧炉12中使用的多种碳类的粉煤，由此可以容易地使从煅烧炉12排出的排气中的NOx浓度处于该煅烧炉12中的操作上的容许范围内。需要说明的是，配混后的碳的反应速度k、反应频率因子A，除了实际测量之外，通过利用所配混的粉煤各值的配混比例得到的加权平均，可以实用上没有问题地求出。
另外，对于煅烧炉12，通过使该NOx浓度处于操作上的容许范围内，还可以防止为了降低从排气管路9排出的排气中的NOx浓度而过度降低回转窑1内的温度，从而产生的品质降低、生产量的减少等操作上的问题。并且，也可以减少包括源自回转窑1的排气在内的、最终应该在排气管路9中添加的氨的量。
工业实用性
通过对从以粉煤为燃料的燃料设备排出的排气中的NOx浓度，基于该粉煤的性状事先进行控制，可以容易地达到大气污染防止法等所规定的限制值以下，同时也可以降低进行该控制时所需要的脱硝剂等的用量。
附图标记说明
12 煅烧炉(燃烧设备)

Claims (3)

1.使用了粉煤的燃烧设备的排气中的NOx浓度的控制方法，其为对从以粉煤为燃料的燃烧设备排出的排气中的NOx浓度进行控制的方法，其特征在于，
预先对多种碳类的粉煤测定各自的碳的反应速度，同时求出所述排气中的NOx浓度与所述反应速度的关系，基于该关系，以使所述碳的反应速度达到对应于目标的NOx浓度以下的值的方式来配混所述多种碳类的粉煤从而作为所述燃烧设备的燃料进行供给。
2.如权利要求1所述的使用了粉煤的燃烧设备的排气中的NOx浓度的控制方法，其特征在于，替代所述碳的反应速度，而使用该反应速度的频率因子。
3.如权利要求2所述的使用了粉煤的燃烧设备的排气中的NOx浓度的控制方法，其特征在于，对于所述多种碳类的粉煤，使用热天平，在多种温度条件下，将重量减少的时间变化曲线的切线的斜率除以所测定的氧分压，由此求出该温度下的碳反应速度，接着由以(1/所述测定温度)为横轴且以该测定温度下的所述碳的反应速度的值为纵轴的阿仑尼乌斯曲线图的所述纵轴的截距求出所述碳反应频率因子。
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