JP2004511750A - 燃料の段階的燃焼方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼装置内における不均質の固形燃料の燃焼方法であって、
（ａ）化学量論量未満の酸素雰囲気下での燃焼室において固形燃料の燃焼、部分燃焼またはガス化を行い、
（ｂ）燃焼室から火炉またはフリーボードへの移行領域における燃焼室内に化学量論量を超過する量の酸素を追加供給し、
（ｃ）化学量論量を超過する酸素量が供給されている領域又はその後方に続く領域に、反応を改善又は促進するために更に触媒を付加する、各工程を含む方法に関する。

Description

【０００１】
本発明は、不均一な特性を有しやすく、特に塵芥又はバイオマスを有する固形燃料を、窒素酸化物の発生を減少させるか又は抑制する条件の下で燃焼させる方法に関する。
【０００２】
窒素酸化物は、特に燃焼過程後における環境に望ましくない生成物である。このため、費用のかかる煙道ガス後処理により、工程内で発生した窒素酸化物を防ぐ為、通常相当な技術工程上の浪費が行われる。
【０００３】
固形燃料、特に塵芥又はバイオマスの燃焼の際、相当する燃焼反応を引き起こす為には過剰の酸素が必要となる。気体状の酸素と固形燃料との間の接触領域では固形燃料が確実に燃焼する為に通常（超）化学量論的雰囲気が設定される。この適用された（超）化学量論量の稼働形態では、ガス抜きゾーン及び熱分解ゾーンで燃料から生じる窒素酸化物の部分的な前駆物質（ＨＣＮ、アミン、酸化シアン）が燃焼室の付近において望ましくない窒素酸化物（燃料―ＮＯｘ）へと酸化される。この方法により一部の帯域では大量に高速で燃料消費が行われ、化学量論量未満の混合物が得られるにも関わらず、熱的に又は即座に窒素酸化物の形成を促進する過熱帯域が得られている。
【０００４】
燃料―ＮＯｘの発生を低下させる為に、まず特に流体状、すなわち気体状および粉体状の燃料については段階的な燃焼方法が採用される。このためには、第一次空気、第二次空気及び場合によっては第三の空気の空気段階化または目的に合わせた空気分配によって、化学量論量未満の稼働形態による第一燃焼部分で燃料―ＮＯｘの前駆物質がＮ_２に還元される（米国特許第５６２６０８５号又は第４７０４０８４号明細書参照）。この場合の反応行程は非常に多くの工程から成り、完全に精製が行われない。
【０００５】
更に、この領域に同様に存在する不燃物質ＣＯ （不完全燃焼の生成物）はＮＯをＮ_２に還元する（簡素化：２ ＣＯ ＋ ２ ＮＯ→２ ＣＯ_２ ＋ Ｎ_２）。しかしながら、この場合に反応を可能とするためには、反応過程のガスを緊密に混合することに注意が必要である。
【０００６】
燃焼していない構成要素（例えば、ＣＯ、Ｃ_ｘＨ_ｙ）の後燃焼には、大きな困難が伴うことが経験則として明らかなため、固形燃料、特に塵芥の燃焼の場合には、この方法は必ずしも使用可能ではない。酸素との混合が不十分とされるこが多く、例えば第二次空気の放出により温度は明白に低下し、従って反応速度が急激な分解には不十分なるために、大量の非燃焼物質は反応を起こさない。
【０００７】
本発明の課題は、特に固体の不均質の燃料方法であって、窒素酸化物の形成が大幅に削減されるか、少なくとも減少する燃焼方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の上記課題は、まず化学量論量未満、その後に化学量論量を超過する反応雰囲気下で、次いで又は同時に触媒により煙道ガスの後処理を行うために空気の添加を段階的に行う方法により解決さる。これにより、同時に進行する反応が、改善、促進され、不活性な窒素の生成が助長される。
【０００９】
図１は本発明の燃焼方法における実施の形態としての燃焼装置での、空気供給の段階化及び触媒供給を示す略図である。
【００１０】
本発明は、流動性燃料および他の均質の燃料にも用いられが、塵芥又はバイオマスのような不等質な燃料の段階的な燃焼にも使用可能である。不均質燃料は不均質性による上記問題の他に窒素含有物質が大きな不利益となることが多い。本発明の方法によって、窒素酸化物の生成が大幅に防止又は完全に抑制される。更に、燃焼装置の流動方向に見て燃焼範囲後方の所定領域に適切な触媒を添加することによって、化学量論量未満の既存の酸素によっても、化学量論量を超過する燃焼用の空気量が、必要に応じて付加する燃焼室の衝撃付加とは別に存在し、非燃焼物質を燃焼させる為の十分な酸素が存在する。
【００１１】
段階的な空気付加によって、まず燃料室の領域において化学量論量付近から明らかに化学量論を下回るまで固体が反応する（第一次空気領域での化学量論量付近または化学量論量未満の空気付加により制御されたガス化）。その際、燃焼室の領域における制御されていない最高温度は低下する。この処理条件によると非燃焼物質（例えば、ＣＯ、Ｃ_ＸＨ_Ｙ、芳香化合物等々）が大量に生じる。窒素酸化物の前駆物質（例えば、ＨＣＮ、アミン）も非燃焼物質に含まれる。炭素の酸素親和性は窒素の酸素親和性よりも大きいので、発生したＮＯはすでにこの領域でのＣＯとの接触により反応しＣＯ_２とＮ_２が生成する。
【００１２】
後続の領域（燃料の固体成分が燃焼する燃焼室からの特にガスが燃焼するいわゆる火炉またはフリーボードへの移行領域、場合によっては更に煙道ガス流出方向の後続の位置）では、燃焼しなかった物質を追加燃焼するために新たな燃焼空気（第２次の空気、場合によっては第３次の空気）の供給が行われる。これによって、超化学量論量雰囲気が得られる。残留する非燃焼物質は十分に還元される。段階的な稼働形態により、熱的に、即時に発生したＮＯ_Ｘが明確に還元される。
【００１３】
この過程の改善または最適化を行うため、固体状の触媒の付加成分として煙道ガスを付加するが、固体触媒は微細分状であるかおよび／または大表面積を有すると好ましい。本発明で使用される触媒は、気体状でない過剰の酸素が接触反応よって気体状の酸素を生じ、次いでこれを再生することが可能である。気体状の物質としては、好ましくは酸化可能な物質、特にＣ_ｘＨ_ｙ（炭化水素）、一酸化炭素が重要であり、これによりＰＣＢ、ダイオキシン又はフランのような重要な分解可能な毒素を酸化させることが可能である。
【００１４】
本発明によると、鉄酸化触媒、例えば、微分散状の酸化鉄が好ましく用いられる。触媒は、第二次の空気および／または必要に応じて付加的に噴出される第三次空気と共に添加してもよい。或いは、別の方法、例えば、再循環させた煙道ガス又は水蒸気と共に触媒を吹き入むことも可能である。流動方向の更に下流の　別の領域に位置する低温の火炉又はボイラーにおける噴出も可能である。当業者は所定の処理条件により容易に適宜変更可能である。重要なことは一酸化窒素還元の為の上述反応を妨げないために、燃焼室又は火炉もしくはフリーボードにおける煙道ガスの所定の最低滞留時間が経過した後に、触媒を投与することである。触媒は過剰に存在する酸素と一緒に燃焼を促進するので、煙道ガス浄化までに、非燃焼物質がボイラー領域を経て移動することはない。
【００１５】
燃焼室及び火炉又はフリーボードの後方では、本発明の方法を用いると窒素酸化物の量は非常に僅かとなるため、窒素酸化物を認可による規定量まで削減するための他の付加的な処置（例えば、ＳＮＣＲ−選択的非接触還元、ＳＣＲ−選択的触媒反応還元）は不必要である。更なる効果は、ダイオキシンとフランの新たな生成が抑制されることである。これは、火炉の低温領域でも新規合成にかかる対応の前駆物質が僅かな量で生じるため、又はダイオキシンとフランの分解及び同様の触媒作用が可能であるため、そして火炉の低温部分では特にこれらの効果が得られるためである。
【００１６】
発明の好ましい実施の形態において、燃焼室の煙道ガスに更に衝撃を与える。これは例えば適切に配置された噴射ノズルにより、再循環された煙道ガス又は高圧水蒸気等の媒体の供給によって行われる。このような処理工程は例えばヘキスト社（Ｈｏｅｃｈｓｔ　ＡＧ）のＤＥ１９６１９７６４Ａ号公報又はＶＡＷアルミニウム社（ＶＡＷ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ＡＧ）のＷＯ ９３／０７４２２号公報から公知である。記載の処置により、追加の酸素添加に左右されない乱気流が発生する。それによって、ＣＯ及びＮＯのような不完全燃焼物質の相互の接触が良好に行われるようになり、反応によりＮ_２とＣＯ_２が生ずる。窒素酸化物の前駆物質は、この様な化学量論量未満の雰囲気下の領域において同様に大量に還元されＮ_２となる。それにもかかわらず、更に発生する窒素酸化物は上述のようにＮ_２に還元される。
【００１７】
更に、燃焼室から火炉又はフリーボードへの移行において、燃料ガス中に再循環された煙道ガスまたは水蒸気等による追加の混合衝撃を与えてもよい。また、この方法を用いることは公知技術によるところであり、例えばＤＥ４４０２１７２Ａ１を参照されたい。
【００１８】
第一次空気の付加は、燃焼台中または燃焼台上で一定の温度目標（例えば、灰分軟化点以下の温度）が維持されるように制御される。
【００１９】
この温度目標は温度測定装置、例えば赤外線カメラの助けによって監視される。ガス雰囲気、特に酸素含有量は適切な測定器具によって監視してもよい。
【００２０】
別の選択肢として、火炉又はボイラーの後続部分において初めて煙道ガスに触媒を付加することも可能である。当業者は所定の処理条件により適宜変更を加えることが可能である。
【００２１】
以下、実施例及び図１を参照しつつ更に詳細に説明する。
【００２２】
燃焼工程が記載されており、図中、塵芥１等の可燃物が供給されている。給送弁２によって、燃焼室３内に燃料が導入される。そこで、燃料が第一次燃焼空気４の供給中によって化学量論量未満で燃焼ないしガス化される。温度監視及び空気分布の制御が、例えば燃焼室の後壁等には位置された赤外線カメラ５を用いて行われる。固体台から上昇する気化生成物は再循環された煙道ガス６等の集中的付加によって密接に混合される。混合後燃焼室から火炉７への移行において更に燃焼空気（第二次空気８または第三次空気９）が噴出される。ここで燃焼室から得られた非燃焼物質の追加燃焼が行われる。８および／または９により、微分散状の触媒と一緒の第二次空気又は第三次空気の追加投与によって後続の火炉７において非常によい良い燃焼が達成される。別の方法として、または補足的に、この処理条件が有利な場合には、火炉又はボイラー１０の後続移行部において初めて触媒を煙道ガスに付加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の燃焼方法における実施の形態としての燃焼装置での、空気供給の段階化及び触媒供給を示す略図である。

Claims (12)

1. 燃焼装置内における不均質の固形燃料の燃焼方法であって、
   （ａ）化学量論量未満の酸素雰囲気下での燃焼室において固形燃料の燃焼、部分燃焼またはガス化を行い、
   （ｂ）燃焼室から火炉またはフリーボードへの移行領域における燃焼室内に化学量論量を超過する量の酸素を追加供給し、
   （ｃ）化学量論量を超過する酸素量が供給されている領域又はその後方に続く領域に、反応を改善又は促進するために更に触媒を付加する、各工程を含む方法。
2. 使用する触媒が、環境条件下における気体状の物質の接触反応により酸素を生じさせ、特に炭化水素や一酸化炭素を酸化させることが可能な物質であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 触媒として鉄酸化触媒、特に微分散状の酸化鉄が投入されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 煙道ガス方向に第二次空気及び後続の第三次空気が添加供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 第二次空気と一緒に触媒が供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 煙道ガス方向のさらに裏側に位置する火炉の部分又は燃焼装置のボイラー領域でのみ、または付加的に触媒を添加することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
7. 燃焼室内のガスに追加の混合衝撃を与えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
8. 再循環された煙道ガス又は高圧水蒸気の放出により混合衝撃が与えられること特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 火炉内で混合衝撃が与えられることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
10. 燃焼室と火炉又はフリーボードの間の移行領域、または移行領域の煙道ガス方向の後方で混合衝撃が与えられることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 再循環した煙道ガス又は高圧水蒸気と一緒に触媒が射出されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 燃焼炉および／または火炉における酸素含有量が制御、調整されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。