JP2004309128A - オーバファイア空気及びオーバファイア空気／ｎ−剤噴射システムの段付きディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】 化石燃料燃焼装置（１０）に用いられるオーバファイア空気インゼクタ（４４）。
【解決手段】 このオーバファイア空気インゼクタは、段付きディフューザ（４６）が形成された出口端部を有する円筒形ノズル（４５）を含み、段付きディフューザは、ノズルの出口端部を拡大する１つ又はそれ以上の半径方向段部（４８、５０、５２）を含む。ＮＯｘ排出を低減するために還元剤をオーバファイア空気に供給するための吐出オリフィスをノズルの出口端部（４７）に有する噴霧ランス（５６）を、ノズル内に取付けることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃焼システムにおける窒素酸化物の排出を低減するためのオーバファイア空気システムに関する。より具体的には、本発明は、空気の煙道ガスとの混合を高めてオーバファイア空気システムの性能を改善するための、オーバファイア空気インゼクタの出口端部における段付きディフューザを提供する。

現代工業社会における大きな問題の１つは、ボイラ、加熱炉、エンジン、焼却炉、及び他の燃焼源などの多くの燃焼システムによる大気汚染の発生である。古くから知られている大気汚染問題の１つは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出である。現代のボイラ及び加熱炉においては、ＮＯｘ排出は、オーバファイア空気（ＯＦＡ）技術の使用により解消又は少なくとも大幅な低減が可能である。この技術においては、大部分の燃焼空気は、燃料と共に燃焼室内に供給されるが、燃焼空気の一部を加えるのを遅らせて、先ず酸素欠乏状態を発生させ、その後ＣＯ及び他の残留燃料の燃焼を促進するようにする。

ＯＦＡシステムは、ＯＦＡジェットの運動量に依存して煙道ガス流との効果的な混合を行う。一定のＯＦＡ質量流量において、煙道ガス流内への貫入及び混合速度は、個々のＯＦＡジェットの大きさ及び数により、またそれらの対応する速度によって制御される。より高速でかつ開口部が小さければ混合速度は速くなるが、開口部が大きければ、煙道ガス流内への空気の貫入がより良好になる。実際の燃焼システムにおいては、使用することができる最大ＯＦＡ速度は、燃焼空気供給システム内で使用可能な圧力インベントリによって制限され、混合速度及びジェット貫入は独立して制御できなくなる。

現在のＯＦＡシステムでは、近距離場の混合を制御するための幾つかの受動的又は能動的な方法を利用することができる。これらのシステムにおいては、インゼクタ出口付近の混合有効度を著しく低下させるような大規模な流れ構造を、形成することができる。このことにより、圧力インベントリ限界のため達成できない可能性があるより高い空気流速度が必要になる。

更に、ＳＮＣＲ剤がＯＦＡと共に噴射されるＳＮＣＲ（選択的非触媒還元）法の１つの実施形態が存在する（ＡＯＦＡ／ＳＮＣＲ）。ＡＯＦＡ／ＳＮＣＲ施用の典型である高いガス温度（１７００〜２４００°Ｆ）及び中程度から高程度までのＣＯ濃度（０．２〜１．０パーセント）において、ＣＯは、ＮＯｘ還元熱化学に極めて重要な活性種と競合する。これによって、ＡＯＦＡ／ＳＮＣＲ法の有効度が低下する。

初期のＡＯＦＡ／ＳＮＣＲ法の施用では、オーバファイア空気内に極めて大量の還元剤液滴を噴射することによってＣＯ酸化問題を回避していた。液滴はボイラの中をガスによって運ばれ、最終的に、オーバファイア空気インゼクタから十分下流にある、低ＣＯ濃度になっている最適温度ウィンドウ内にＮ−剤（Ｎ−ａｇｅｎｔ）を放出する。不都合なことに、大量液滴システムの設計は、液滴の滞留時間が長いこと、流路が曲がりくねって障害物があること、多くの場合Ｎ−剤放出温度ウィンドウが狭いことによって、困難である。更に、Ｎ−剤は、該Ｎ−剤が高温時に最適温度ウィンドウの上流で放出された場合、ＮＯｘを発生させるおそれがある。Ｎ−剤が、低温時に最適温度ウィンドウの下流で放出された場合、アンモニア発生が問題になる場合がある。

本発明は、貫入に貢献する大規模な流れ構造特性を依然として保つが、ジェットの近距離場内及び周辺部における小規模な混合を高めることを探求する。混合効率を改善することにより、空気流速度要件及び圧力インベントリ要件の両方が低下する。また、混合を高めることにより、標準ＯＦＡ施用における局所的なＣＯ酸化が改善され、これが次ぎにＡＯＦＡ／ＳＮＣＲ施用におけるＳＮＣＲ性能を改善する。

具体的には、本発明は、ＯＦＡジェットの混合を高め、化石燃料燃焼ボイラ又は加熱炉におけるＯＦＡインゼクタ付近の高温煙道ガスの一酸化炭素濃度を低下させる。例示的な実施形態では、インゼクタ出口に単純な受動式段付きディフューザ構成を用いて、ＣＯ酸化を高めてＯＦＡ全体性能を改善する混合噴流の縁部においてインゼクタ出口付近での盛んな空気／煙道ガス混合を生じさせる。ＡＯＦＡ／ＳＮＣＲにおいては、各インゼクタ内に設置されたＳＮＣＲ噴霧ランスにより、Ｎ−剤が酸化ガスに散布されて、従来のＯＦＡ／Ｎ−剤インゼクタシステムに比較して著しく改善されたＮＯｘ還元レベルを生じさせる。

本発明によると、段付きディフューザ型のオーバファイア空気インゼクタシステムは、単一のＯＦＡインゼクタシステム内に、単一ポート、複数同心ポート、又は複数隣接コンパートメントが組み込まれることができる。ＡＯＦＡ／ＳＮＣＲシステムの場合、インゼクタの中心軸線に沿って又は該中心軸線からオフセットさせて、Ｎ−剤噴霧ランスがＯＦＡインゼクタ内に取付けられる。少量の液滴又はガスを使用して、ＯＦＡインゼクタノズルの先端又は出口端部付近にＮ−剤を放出させる。このことにより、Ｎ−剤に接触する前に、ＯＦＡインゼクタ付近の激しい小規模混合によってＣＯが酸化される。

段付きディフューザは、１つの段部で構成されるか、又は一連の段部で構成されることができ、段部の長さと高さの比は、通常約２〜１０の範囲にある。複数ポート構成の場合、段部をポートのいずれかに配置して、ＣＯ酸化とＮ−剤の熱遮蔽とを高めることができる。例示的な実施形態においては、単一円形ＯＦＡインゼクタシステムには、Ｎ−剤噴霧ランスがＯＦＡインゼクタノズルの中心軸線に沿って取付けられた状態で、一連の３つの段部を有する段付きディフューザが設けられる。中程度から高程度までのＣＯ濃度を有する煙道ガスは、ボイラの主バーナ領域から上方にオーバファイア空気領域内に流れ、このオーバファイア空気領域において、煙道ガスは高い乱流のオーバファイア空気と盛んに混合する。これによって、ＳＮＣＲ ＮＯｘ還元化学にとって極めて重要な活性種に対するＣＯ及びＮＯｘ間の競合を低下させることにより、ＣＯ酸化が高められ、Ｎ−剤の有効度が改善される。

従って、１つの態様において、本発明は、化石燃料燃焼装置に用いるオーバファイア空気インゼクタに関し、該オーバファイア空気インゼクタは、段付きディフューザが形成された出口端部を有する円筒形ノズルを含み、段付きディフューザが、ノズルの出口端部を拡大する少なくとも１つの半径方向段部を含む。

別の態様において、本発明は、燃焼装置が組み込まれた化石燃料燃焼ボイラに関し、該燃焼装置は、燃焼ゾーン内に供給されかつ該燃焼ゾーンからバーンアウトゾーンに流れる化石燃料及び空気が供給される複数の主バーナと、オーバファイア空気をバーンアウトゾーンに供給するための少なくとも１つのオーバファイア空気インゼクタとを含み、該オーバファイア空気インゼクタは、段付きディフューザが形成された出口端部を有する円筒形ノズルを含み、段付きディフューザが、ノズルの出口端部を拡大する少なくとも１つの半径方向段部を含む。

更に別の態様において、本発明は、燃焼装置が組み込まれた化石燃料燃焼ボイラに関し、該燃焼装置は、燃焼ゾーン内で燃焼され、該燃焼ゾーンからバーンアウトゾーン内に流れる煙道ガスを生成する化石燃料及び空気が供給される複数の主バーナと、オーバファイア空気をバーンアウトゾーンに供給するようになっている少なくとも１つのオーバファイア空気インゼクタとを含み、該オーバファイア空気インゼクタが、ノズルの出口端部を拡大する複数の半径方向段部によって形成された段付きディフューザが形成された出口端部を有する円筒形ノズルと、ノズルの出口端部に吐出オリフィスを有する、該ノズルの中心軸線に沿って該ノズル内に取付けられた噴霧ランスとを含む。

本発明を、図面によって詳細に説明する。

図１を参照すると、化石燃料燃焼ボイラ又は加熱炉に用いるような化石燃料燃焼装置１０の概略図が示されている。燃焼装置１０は、燃焼ゾーン２２とバーンアウトゾーン２４とを含む。燃焼装置１０はまた、燃焼ゾーンとバーンアウトゾーンとの間に再燃焼ゾーン２６を含む。燃焼ゾーン２２には、少なくとも１つの、好ましくは複数の主バーナ２８が設けられ、この主バーナには、燃料インプット３０を通して化石燃料などの主燃料が供給され、また空気インプット３２を通して空気が供給される。主燃料は、燃焼ゾーン２２で燃焼されて、燃焼煙道ガス３４を生成し、この燃焼煙道ガス３４が、燃焼ゾーン２２から上方にバーンアウトゾーン２４に向かって、即ち本明細書では「下流」方向と呼ぶ方向に流れる。随意選択的に再燃焼ゾーン２６が使用される場合、一般的に総入熱の約７５〜８５％が主バーナ２８を通して供給され、熱の残り１５〜２５％が、再燃焼燃料インプット３６を通して天然ガスなどの再燃焼燃料を噴射することにより供給される。再燃焼ゾーン２６の下流で、オーバファイア空気が、オーバファイア空気つまりＯＦＡインゼクタ３８を通してバーンアウトゾーン２４内に噴射される。燃焼煙道ガス３４は、一連の熱交換器４０を通って流れ、静電集塵器（「ＥＳＰ」）又はバグハウスなどの粒子状物質制御装置（図示せず）によってあらゆる固形粒子が除去される。煙道ガスは、排出部４２においてボイラ又は加熱炉から排出される。

オーバファイア空気のバーンアウトゾーン２４内への噴射の前に又は噴射と同時に、選択的還元剤（Ｎ−剤）をオーバファイア空気に添加することができる。本明細書で使用する場合、「選択的還元剤」及び「Ｎ−剤」という用語は、燃焼システム内で酸素が存在する状態でＮＯｘを選択的に還元することが可能なあらゆる種々の化学種を意味するのに同義で使用される。通常、好適な選択的還元剤には、尿素、アンモニア、シアヌル酸、ヒドラジン、タノラミン、ビウレット、トリウレット、アンメライド、有機酸のアンモニア塩、無機酸のアンモニア塩、及びその他が含まれる。

図２に移ると、本発明の例示的な実施形態による円筒形ＯＦＡインゼクタ４４が、オーバファイア空気を再燃焼ゾーン２４内に噴射するものとして示されている。インゼクタは、その出口端部又は先端に段付きディフューザ４６が形成された円筒形ノズル４５を含む。例示的な実施形態における段付きディフューザ４６には、ノズルの出口端部又は先端の直径を段階状の方式で効果的に拡大し、符号５４の位置で最大直径になる３つの半径方向段部４８、５０及び５２が形成される。しかしながら、段付きディフューザは、単一の段部、又は３つよりも多い段部を含む一連の段部で構成することができることが、理解されるであろう。段部の長さと高さの比は、約２〜１０の範囲にあるのが好ましい。

複数ポート構成の場合、段部をポートのいずれか又は全てに配置して、ＣＯ酸化とＮ−剤の熱遮蔽とを高めることができる。

段付きディフューザ４６があることで、混合効率が改善され、空気流速度要件及び圧力インベントリ要件の両方を低下させる。

例示的な実施形態において、Ｎ−剤噴霧ランス５６は、ノズル４４の中心軸線（他の配向を選ぶこともできる）に沿って取付けられることができる。再度図１を参照すると、中程度から高程度までのＣＯ濃度を有する煙道ガスは、ボイラ燃焼ゾーン２２から上方に再燃焼ゾーン２６を通ってオーバファイア空気領域つまりバーンアウトゾーン２４内に流れ、このバーンアウトゾーン２４において、煙道ガスは高い乱流のオーバファイア空気と盛んに混合される。具体的には、ランス５６を取り巻く領域での激しい小規模混合によるＣＯの酸化が終わるまでは、Ｎ−剤は、煙道ガスと接触しない。これによって、ＳＮＣＲ ＮＯｘ還元に極めて重要な活性種に対するＣＯ及びＮＯｘ間の競合を低下させることで、Ｎ−剤の有効度が改善される。

現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明したが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

公知の化石燃料燃焼装置の概略側面図である。 本発明の好ましい実施形態による段付きディフューザが組み込まれたオーバファイア空気インゼクタの出口端部の概略部分側面図である。

符号の説明

４４ ＯＦＡインゼクタ
４５ 円筒形ノズル
４６ 段付きディフューザ
４７ 吐出オリフィス
４８、５０、５２ 半径方向段部
５４ 段部の最大径位置
５６ 噴霧ランス

Claims (10)

1. 化石燃料燃焼装置（１０）に用いるオーバファイア空気インゼクタ（４４）であって、
   段付きディフューザ（４６）が形成された出口端部を有する円筒形ノズル（４５）を含み、
   前記段付きディフューザが、前記ノズルの出口端部を拡大する少なくとも１つの半径方向段部（４８）を含む、
   ことを特徴とするオーバファイア空気インゼクタ。
2. 前記段付きディフューザが、１つから３つの間の半径方向段部（４８、５０、５２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のオーバファイア空気インゼクタ。
3. 前記段付きディフューザが、少なくとも３つの半径方向段部（４８、５０、５２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のオーバファイア空気インゼクタ。
4. 前記段付きディフューザには、２〜１０の範囲にある長さと高さの比を有する一連の３つの半径方向段部（４８、５０、５２）が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のオーバファイア空気インゼクタ。
5. 噴霧ランス（５６）が、前記ノズル（４４）の出口端部（４７）に吐出オリフィスを有する状態で、該ノズルの中心軸線に沿って取付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のオーバファイア空気インゼクタ。
6. 燃焼装置（１０）が組み込まれた化石燃料燃焼ボイラであって、該燃焼装置が、
   燃焼ゾーン（２２）内で燃焼され、前記燃焼ゾーンからバーンアウトゾーン（２４）内に流れる煙道ガスを生成する化石燃料及び空気が供給される複数の主バーナ（２８）と、
   オーバファイア空気を前記バーンアウトゾーンに供給するための少なくとも１つのオーバファイア空気インゼクタ（４４）と、
   を含み、
   前記オーバファイア空気インゼクタが、段付きディフューザ（４６）が形成された出口端部を有する円筒形ノズル（４５）を含み、前記段付きディフューザが、前記ノズルの出口端部を拡大する少なくとも１つの半径方向段部（４８）を含む、
   ことを特徴とする化石燃料燃焼ボイラ。
7. 前記オーバファイア空気インゼクタが、前記ノズルの出口端部（４７）に吐出オリフィスを有する、該ノズル内に取付けられた噴霧ランス（５６）を更に含むことを特徴とする、請求項６に記載の化石燃料燃焼ボイラ。
8. 前記段付きディフューザ（４６）が、１つから３つの間の半径方向段部（４８、５０、５２）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の化石燃料燃焼ボイラ。
9. 前記段付きディフューザが、少なくとも３つの半径方向段部（４８、５０、５２）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の化石燃料燃焼ボイラ。
10. 前記噴霧ランス（５６）が、前記ノズル（４５）の中心軸線に沿って取付けられていることを特徴とする、請求項７に記載の化石燃料燃焼ボイラ。

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