JP2005134102A - 同時生成した酸素流及び窒素流を用いる低ｎｏｘ燃焼 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料や微粉炭を燃焼するボイラ等の燃焼装置からのフュ−エルＮＯ_ｘの放出を抑制する。
【解決手段】空気分離ユニット30により空気を富酸素流及び富窒素流に分離し、富酸素流は管路32からバ−ナ3へ燃料及び１次、２次空気又は３次空気と共に燃焼装置1供給し、富窒素流は管路34からバ−ナ3上部のオ−バファイアエア口7へ４次空気と共に供給することにより、フュ−エルＮＯ_ｘの放出を抑制する。また、富窒素流を補足するものとして、液体水を燃焼装置1に噴射することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、結合型窒素を含んだ炭化水素燃料、特に石炭の燃焼に関する。

環境についての意識が米国及び世界中で高まりを見せて、ボイラ、焼却炉、及び炉からの汚染物質の放出を低下させるように社会及び規制の圧力が高まってきた。特別関心の持たれる汚染物質の１つは、ＮＯ_ｘ（以下に限定されるわけではないが、ＮＯ、ＮＯ_２、ＮＯ_３、Ｎ_２Ｏ、Ｎ_２Ｏ_３、Ｎ_２Ｏ_４、Ｎ_３Ｏ_４、及びこれらの混合物などの窒素酸化物を意味する）であり、これは酸性雨、地表面オゾン、及び微細粒子の形成に関与してきた。

ＮＯ_ｘ放出を低下させるためには、多くの技術が利用可能である。これらの技術は２つの主な部類、第１及び第２の部類に分けることができる。第１の技術は、燃焼方法を制御することにより燃焼領域内でのＮＯ_ｘ形成を最小限に抑えるか防止する。第２の技術は、燃焼領域内で形成されたＮＯ_ｘを分子状窒素に還元する化学薬品を使用する。本発明は第１の制御技術である。

第１の制御技術では、いわゆる「サーマルＮＯ_ｘ」及び「フューエルＮＯ_ｘ」を制御するために、異なる燃焼方策を使用する。サーマルＮＯ_ｘは、主に高温の燃焼空気中の窒素分子、Ｎ_２の酸化により形成される。これは、化学的に結合した窒素種を含んでいない天然ガス及び軽油からのＮＯ_ｘ放出の主な要因である。サーマルＮＯ_ｘを低下させる主要な制御方策は、最大火炎温度を低下させることである。フューエルＮＯ_ｘは、燃料中に含まれた窒素種の酸化により形成され、石炭及び重油の燃焼からのＮＯ_ｘ放出の主な要因である。本発明は、フューエルＮＯ_ｘ放出を制御する改善された燃焼方法に関する。

フューエルＮＯ_ｘに対する主要な制御技術は、一般に多段燃焼と呼ばれ、ＮＯ_ｘ形成を最小限に抑えるために燃焼空気と燃料の間の混合が注意深く制御される。燃料の窒素からのＮＯ_ｘの形成は、燃料の揮発性物質及びチャー窒素中の窒素種からのＮＯ_ｘ形成とＮ_２形成の間の競合に基づいている。富酸素条件により、競合はＮＯ_ｘ形成の方に進められる。富燃料条件により、反応はＮ_２形成の方に進められる。多段燃焼では、ＮＯ_ｘ形成を防止する富燃料領域を形成させるために、空気と燃料の混合を注意深く制御することにより、この現象を巧みに利用する。ＮＯ_ｘ放出を低下させるためには、富燃料領域は、ＮＯ_ｘ減少速度を進めるのに十分高温でなければならない。しかし、第２段階でのサーマルＮＯ_ｘ形成を防止するために、富燃料第１段階からの十分な熱を炉の熱負荷に移動させなければならない。

従来の低ＮＯ_ｘバーナ（ＬＮＢ）は、原料供給オリフィスの近くに、燃料及び一次空気、及びある程度の、この領域で混合される追加の二次又は三次空気の混合及び燃焼により主に制御される富燃料一次領域を含む。微粉炭の燃焼では、一次空気は石炭粒子を搬送するために使用される。

二次領域では、二次空気及び多少の三次空気の残りが、第１段階からの未燃焼燃料及び部分燃焼生成物と混合し、燃焼が完了する。多段燃焼に対する重要な方法の必要条件は、第１段階からの燃焼生成物を冷やすために、十分な量の熱を富燃料第１段階から炉の熱負荷に伝達させることである。第２段階の温度がより低いと、残留する窒素化合物のＮＯ_ｘへの変換を低下させること、また第２段階でのサーマルＮＯ_ｘ形成を防止することを助ける。

空力的に多段のＬＮＢでは、燃焼空気のすべてが同じ炎口又は炎口の隣接部から導入される。低ＮＯ_ｘ石炭バーナの最も一般的な配置は、石炭／一次空気、二次空気、及び三次空気用の一連の環状の通路を備えるものである。中央の通路はしばしば、加熱を開始するためのオイルガン、又は天然ガス用に使用される。二次及び三次空気流は渦流発生器を備えて、火炎を安定させるための循環領域を作るために渦流を起こす。バーナの軸に沿って比較的大きな富燃料一次領域を作るように空気速度及び渦流を調節し、それに続いて炉の長さに沿って二次空気及び三次空気の比較的ゆっくりとした混合が行われる。炉の空間内で燃焼を完了させるために、燃料と空気を混合するのに十分な空気速度を供給しなければならないので、ＮＯ_ｘの低下を最大限にするための十分長い滞留時間を与える、非常に大きな富燃料領域を作ることは困難である。

ＬＮＢはＮＯ_ｘを低下させるかなり安価な方法であり、かつバーナの設計に多くの進歩がなされてきたが、現在のところ入手可能な改良型は、懸案の規則中の用役ボイラに対する石炭燃料１ＭＭＢｔｕ当たり（ＮＯ_２として）０．１５ポンドの放出限界値に達することはまだ不可能である。

当業者は「オーバーファイアエア」（ＯＦＡ）を用いた全域多段燃焼配置により、空力的多段ＬＮＢの限界を克服してきた。ＯＦＡはバーナ又はバーナ群とは別に噴射されて、大きな富燃料一次燃焼領域（ＰＣＺ）、並びにＯＦＡと未燃焼燃料及びＰＣＺからの部分燃焼生成物を混合することにより燃焼が完了する燃焼完了領域（ＢＯＺ）がもたらされる。通常はＯＦＡ口は、最も近いバーナから少なくとも１つの炎口直径分、最も遠いバーナからはいくつかの炎口直径分離れている。個々のバーナの炎口近くの燃料及び空気の混合及び局所的化学量論の条件はＯＦＡがないものと類似しているが、バーナ近くの燃焼空気混合域の外側に大きな富燃料ＰＣＺが形成される。ＯＦＡ噴射口が物理的に分離されているために、富燃料ＰＣＺ内での滞留時間は空力的多段バーナの富燃料一次領域内で通常達成される時間より長くなる。ＬＮＢ口とＯＦＡ口の組合せにより、ＮＯ_ｘ放出の低減がさらに可能になった。

Ｓ．Ｊ．Ｊｏｈｎｓｏｎ及びＲ．Ｊ．Ｙａｎｇ［「低ＮＯ_ｘ燃焼システムの小型及び中型の試験結果の解釈（Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｍａｌｌ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｓｃａｌｅ ｔｅｓｔ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ａ Ｌｏｗ ＮＯｘ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｌａｍｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍｅｅｔｉｎｇ、Ｎｏｏｒｄｗｉｊｋｅｒｈｏｕｔ、オランダ、１９８０年５月１２〜１４日］は、石炭燃料の２段燃焼方法からのＮＯ_ｘ放出が、第２段階の温度に強く依存していることを見出した。小型及び中型試験炉で実施したこれらの実験結果は、理論第２段階温度が１００°Ｆ下がる毎にＮＯ_ｘ放出が約１６％だけ低下することを示していた。

第２段階への排煙再循環（ＦＧＲ）は、第２段階の温度を低下させるために試験された１つの方法である。ＦＧＲは燃焼室中に大量の冷気をもたらす。しかし、ＦＧＲにより排煙の体積が増大し、これにより圧力がより大きく低下し、かつ対流部での熱伝達がより大きくなり、所与のボイラに可能なＦＧＲの最大量が制限される。さらに、再循環された排煙の操作性は、非常に保守集約的である。排煙をシステムから抜き出す場所に応じて、再循環装置に対して腐食性を示すと予想されるフライアッシュ及び／又は硫酸蒸気を含み得る。さらに、それは残余レベルの熱、及び流量を取り扱うためには通常より大きなパイプが必要な低圧を有しており、煙道システム中への空気の侵入及びボイラ運転の化学量論比全体に応じて、所望の酸素レベルより高いレベルであり得る。この後者の条件により、ある一定の酸素レベルまで空気を希釈することが必要となる場合は、さらにより大量の排煙が必要になり得る。このガスの汚染性もまた測定及び制御を困難にする。また、システムが故障した場合、修理に費用がかかるので修繕を必ずしも行わない。さらに、ボイラの仕様外の運転（たとえば高ＣＯレベル）により、これらの望ましくない汚染物がボイラ室中に戻り、漏れがあれば運転者の安全性問題が起こり、或いは再循環流内に可燃ガスがあればプロセスの安全性問題が起こることもある。さらに、再循環された排煙の組成はボイラの操作条件により決まり、ボイラの過渡的又は仕様外運転条件中に変わることがある。

低ＮＯ_ｘバーナ及びオーバーファイアエアは、かなり成熟した技術であり、したがって特許及び保管の文献を通して広く論じられている。ＬＮＢ及びＯＦＡの有効性を促進し、一方火炎安定性が劣ること及び灰中に炭素が増えることなどの有害な影響を最小限に抑えるために、多くの発想が提案されてきた。これらの中で２つの発想が特に関連性がある。即ち、第１段階への空気を予熱すること及び燃焼器を酸素燃焼へ変換することである。

空気の予熱及び酸素燃焼は、化学量論比を高くすることなしに一次燃焼領域中の温度を上昇させることにより、フューエルＮＯ_ｘ低減のための多段燃焼の有効性を高める。酸素燃焼は、ガスの流量がより少ないために、ＮＯ_ｘ放出を低下させることが明らかにされている富燃料領域中での滞留時間がより長いという追加の利点を提供する。上述のように、多段燃焼は、ＮＯ_ｘでなくＮ_２の形成を促進するために富燃料段階を使用する。Ｎ_２を形成する反応は速度律速なので、温度及び炭化水素基の濃度が共にＮＯ_ｘ形成の低下に肝要である。たとえば、非多段条件下又は軽度の多段条件下などの、温度が高くかつ基の濃度が低い場合はＮＯ_ｘ形成が増加する。高度の多段条件下のような、その基の濃度は高いが温度が低い場合は、ＨＣＮなどの中間種のＮ_２への変換が阻害される。燃焼完了を完了させるために空気を加えた場合、その中間体は酸化してＮＯ_ｘを形成し、したがって最終的なＮＯ_ｘ形成が増加する。

Ｓａｒｏｆｉｍ等、「窒素含有燃料の燃焼中の窒素酸化物放出を制御する方策（Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｏｘｉｄｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ Ｄｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｆｕｅｌｓ）」、６９^ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＡＩＣｈＥ、シカゴ、イリノイ州、１９７６年１１月、及びその他は、第１段階の反応速度は、燃焼空気をかなり高温に予熱することにより促進され得ることを示唆している。或いは、Ｋｏｂａｙａｓｈｉ等［「工業用バーナのＮＯ_ｘ放出特性及び富酸素燃焼条件下での制御方法（ＮＯ_ｘ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｂｕｒｎｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｕｎｄｅｒ Ｏｘｙｇｅｎ−Ｅｎｒｉｃｈｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｌａｍｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ９^ｔｈ Ｍｅｍｂｅｒｓ' Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｎｏｏｒｄｗｉｊｋｅｒｈｏｕｔ、１９８９年５月］は、燃焼用空気の代わりに酸素を用いることによっても反応速度が高まることを示唆した。バーナの設計により火炎温度が制御される場合、酸素燃焼により、さらに燃焼空気中でのＮ_２を実質上除去することによりサーマルＮＯ_ｘの形成が低下する。両者の場合、最終結果は、第１段階中のガス温度が上昇し、ＮＯ_ｘ形成の低減がもたらされる。さらに、空気予熱及び酸素燃焼の両者を用いると、火炎安定性を損わずに第１段階を高度の段階とすることが可能になる。このことにより、さらにＮＯ_ｘ形成の低減を可能にする。

酸素燃焼はＬＮＢに対して他の利点も提供する。Ｔｉｍｏｔｈｙ等［「単一粒子石炭の燃焼特性（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｃｏａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」、１９^ｔｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ （ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ） ｏｎ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、Ｔｈｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、１９８３年］は、石炭が酸素濃縮条件で燃焼した場合、揮発分の除去時間が有意に短縮して、揮発物の収率が上昇したことを示した。これらの試験は、著しく燃料が少ない条件下で実施した単一粒子燃焼試験であり、現実的な燃焼条件下でこれを実施するのに必要な酸素量についての情報は提供していない。より高い揮発物の収率は、気相中の可燃分が基準量に比較して増加し、揮発性窒素種からのＮＯ_ｘ形成を阻害するより富燃料の気相をもたらすことを意味する。さらに、燃料揮発物は急速に燃焼して火炎をバーナに固定し、これによりＮＯ_ｘ形成がより下がることが明らかにされている。揮発物の収率が高くなるとまた、残留するチャーが減少するので燃焼完了時間がより短くなる。

従来技術は、多段燃焼及びＬＮＢに対するいくつかのみごとな強化を記述しているが、いくつかの実用的な問題がその用途を限定している。第１に、燃焼空気を反応速度を高めるために必要なレベルまで予熱することにより、システム及び空気配管共にいくつかの改修が必要となる。空気ヒータ部及びエコノマイザ部を、引込み空気をより高い温度に加熱するように改修しなければならず、これは水蒸気循環の構成部品の残りまで改修が必要になり得る。配管及びウインドボックス、並びにバーナそれ自体も、加熱空気を取り扱うために改修しなければならない。改修のすべては費用がかかり、ボイラの運転に負の影響を持ち得る。

ボイラ内で酸素燃焼を使用するための第１の障壁は、酸素のコストである。経済的であるように酸素を使用するためには、プロセス効率を上げることにより達成される燃料の節約が、供給する酸素のコストを超えなければならない。有効な熱回収を備えていない炉などでの高温運転に対しては、このことは容易に達成される。しかし、ボイラなどでの効率的な運転に対しては、酸素燃焼を用いることにより達成される燃料の節約は、通常は酸素の費用より低い。たとえば、通常の石炭燃料の用役ボイラを空気燃焼から酸素燃焼に変換した場合、必要な酸素を生み出すために、そのボイラからほぼ１５〜２０％の出力が必要となるはずである。このことは、大部分のボイラでは明らかに経済的でない。

ボイラ内の酸素燃焼又は酸素濃縮燃焼のその他の潜在的な問題は、ボイラの放射部及び対流部中の熱伝達の不均衡である。空気燃焼用に設計したボイラ炉に酸素濃縮燃焼を適用した場合、排煙の体積が縮小し、より多くの熱が、放射部で伝達され利用可能となり、対流部で伝達される熱は少ない。ボイラの様々な熱伝達部での適切な熱伝達を維持するために、排煙再循環が必要になり得る（即ち、水冷壁、過熱器、再熱器、及びエコノマイザ、及び給水加熱器）。しかし、再循環された排煙の操作は非常に保守集約的であり、代替の清浄な希釈流を有することが好ましい。

石炭焚きボイラからのＮＯ_ｘ放出の抑制問題は、ボイラの燃焼条件が蒸気タービンに要求される出力に応じて変化するのでさらに複雑である。ボイラの減量運転条件下では、バーナ及び微粉炭機に対する空気流量の最小要件を維持しなければならず、ボイラ中の十分な質量流れが、ボイラの放射部（炉）と対流部の間の水蒸気生産を均衡させるために維持する必要がある。このことを達成するためには、通常バーナは過剰空気で作動されるが、これは非効率的な操作条件であり、かつ化学量論比全体が通常高くなり、燃焼するＭＭＢｔｕ当たりのＮＯ_ｘ放出量を増加させることが多い。排煙再循環は、過剰空気の必要条件を軽減するために適用することができるが、これはボイラの操作を複雑にし、保守の懸念を高める。

したがって、１種又は複数の窒素化合物を含んだ燃料（特に石炭）の燃焼中のＮＯ_ｘ放出の低減を実現する方法、及び特に大規模な構造上の改修又は保守を必要としない、既存の炉で実施することができる方法の必要性がある。

本発明の一態様は、
（Ａ）燃焼装置を提供すること、
（Ｂ）一次空気及び燃料を、二次空気を前記燃焼装置中に供給するための手段を含み、任意選択的に三次空気を前記燃焼装置中に供給するための手段を含むバーナを通して、前記装置中に供給すること、
（Ｃ）前記燃焼装置の外部の空気を、富酸素流及び富窒素流に分離すること、
（Ｄ）前記燃料を火炎中で燃焼させ、同時に前記富酸素流の少なくとも一部を前記火炎中に供給すること、及び
（Ｅ）前記富窒素流の少なくとも一部を、前記燃焼装置中に、好ましくは二次空気を供給するための前記手段及び三次空気を供給するための前記手段の一方又は両方を通して、供給すること
を含む、放出ＮＯｘの量を低下させる燃焼方法である。

本発明の好ましい実施形態は、
（Ａ）一次燃焼領域及び燃焼完了領域を備えた燃焼装置を提供すること、
（Ｂ）空気及び燃料を、バーナを通して、前記一次燃焼領域中に供給すること、
（Ｃ）空気を、富酸素流及び富窒素流に分離すること、
（Ｄ）前記一次燃焼領域中で前記燃料を火炎中で燃焼させ、同時に前記富酸素流の少なくとも一部を前記一次燃焼領域中に供給すること、
（Ｅ）前記装置中に供給される酸素の総量が前記燃料を完全燃焼させるのに必要な少なくとも化学量論量である、十分な酸素を含んだ量の空気を、前記バーナ以外の供給源から前記燃焼完了領域中に加え、前記一次燃焼領域からの残留可燃物を、前記燃焼完了領域中で燃焼させること、及び、
（Ｆ）前記富窒素流の少なくとも一部を、前記燃焼装置中に供給すること
を含む、放出ＮＯｘの量を低下させる燃焼方法である。

本発明のこの実施形態は、好ましくはボイラに必要とされる合計空気流量に満たない量を供給しながら、燃焼空気を介して石炭をボイラ中に噴射させるプロセスステップを含む。燃焼に必要な残りの空気を空気分離プラントに送り、その成分、富酸素流、及び富窒素副生流に分割する。富酸素流は、フューエルＮＯ_ｘの形成を最小限に抑えるために、ボイラ内の富燃料火炎領域中の石炭を供給した点の近くに噴射させ、また富窒素流は、燃焼温度及びを酸素濃度を低下させてフューエル窒素種のＮＯ_ｘへの変換、さらにサーマルＮＯ_ｘの生成の低減をもたらすために、二次若しくは三次燃焼空気又はオーバーファイアエア（ＯＦＡ）と共に燃焼の後の段階で噴射させる。好ましくは、ボイラ燃焼システムはＮＯ_ｘの低減のためにＯＦＡ口を備え、富窒素ガスをＯＦＡと予混合することにより噴射され、又はＯＦＡ口から若しくはその近く、好ましくはＯＦＡ口の下から別々に噴射される。

燃焼装置から空気分離プラントに回した空気量は、通常は燃焼に必要な空気の１〜２５体積％であるが、好ましくは２〜１５体積％の範囲である。

本明細書では、「化学量論比」という用語は、酸素含流及び酸素とその流れ中で燃焼することができる物質供給流との関連で使用した場合は、酸素含流中の酸素と、供給流を構成する物質中に存在するすべての炭素、硫黄及び水素を、完全に二酸化炭素、二酸化硫黄及び水に変換するのに必要と思われる酸素の総量との比を意味する。

本明細書では、「富燃料」という用語は１．０未満の化学量論比を有することを意味し、「少燃料」という用語は、１．０を超える化学量論比を有することを意味する。

本明細書では、「結合型窒素」という用語は、Ｎ_２として以外の分子中に存在する窒素を意味する。

本明細書では、「一次燃焼領域」という用語は、バーナ出口に直ぐ隣接する燃焼装置の領域を意味し、これは主としてバーナ又はバーナ（複数）からの火炎又は火炎（複数）により占められる。

本明細書では、「燃焼完了領域」という用語は、一次燃焼領域及び煙道の間にあって、燃焼装置内の１つ又は複数の火炎の外側の領域であって、ここにオーバーファイアエアを噴射させ、一次燃焼領域からの残存燃料及び可燃物をオーバーファイアエアと共に燃焼させる領域を意味する。

本明細書では、「一次燃焼空気」又は「一次空気」という用語は、燃料と混合済みの燃料としての空気を意味し、この空気を燃焼装置内に、たとえばバーナのオリフィスを通して供給する。

本明細書では、「二次燃焼空気」又は「二次空気」という用語は、１つ又は複数のバーナのオリフィスを通して燃焼装置に供給されるが、燃焼装置中に供給されるとき燃料と混合されていない空気を意味する。

二次空気用のオリフィスを備えるバーナは、空気供給用の追加のオリフィスを有してもよく、追加の該オリフィスは、二次空気用のオリフィスよりバーナを介する燃料の流入点からさらに遠くにある。本明細書では、「三次燃焼空気」又は「三次空気」という用語は、こうした追加のオリフィスを通して燃焼装置中に供給された空気を意味する。バーナがさらに、三次空気用のオリフィスより燃料の流入点からさらに遠くに位置するオリフィスを備えている場合、こうした他のオリフィスを通して供給される空気を本明細書では「四次燃焼空気」又は「四次空気」と称する。

本明細書では、「オーバーファイアエア」（又は「ＯＦＡ」）という用語は、大きな富燃料一次燃焼領域、並びにＯＦＡと、一次燃焼領域からの未燃焼燃料及び部分燃焼生成物を混合することにより、燃焼を完了させる燃焼完了領域を提供するために、燃焼装置内の１個又は複数のバーナから単独で燃焼装置中に噴射される空気を意味する。

本明細書では「酸素」の供給、供給した「酸素」という記載、及び本明細書では同様な文脈中の「酸素」の使用という記載は、Ｏ_２を含んだガス流を意味する。好ましくは、酸素は少なくとも５０体積％のＯ_２、より好ましくは少なくとも８０体積％のＯ_２、さらに好ましくは少なくとも９０体積％のＯ_２を含んだガス流として供給される。

本明細書では、「空気分離ユニット」とは、空気などのＯ_２及びＮ_２を含んだガス混合物の供給流から、濃縮酸素及び低減窒素を含む生成物流、並びに濃縮窒素及び低減酸素を含む生成物流を製造する装置又はシステムを意味する。「濃縮（Ｅｎｒｉｃｈｅｄ）」とは、生成物流中に供給流と比較してより大きな体積パーセントで存在することを意味し、「低減（ｄｅｐｌｅｔｅｄ）」とは、生成物流中に供給流と比較してより小さな体積パーセントで存在することを意味する。空気分離の例としては、蒸留及び／又は精留を使用する低温空気分離システム、圧力スイング吸着システム、及び真空圧力スイング吸着システムがある。

本明細書では、「間接的熱交換」とは、なんらかの物理的な接触、又は流体を互いに混ぜ合わせることなしに、第１流体から第２流体への熱伝達を起こすことを意味する。熱伝達は、第１流体から第２流体に、流体を分離する仕切りを通してなど直接通過させることにより、或いは、第１流体から伝熱式熱交換器、煉瓦積みなどの媒介物又は媒介材料に、次いでその媒介物又は材料から第２流体に熱伝達させることによってなされる。

発明の詳細な説明
本発明を図を参照して説明するが、図を参照する説明は、本発明であると見なされる図の範囲を制限するものではない。

図１は燃焼装置１を示し、これは装置の内部２で燃焼を行う任意の装置であってよい。好ましい燃焼装置は、炉、及び図示していないが、従来の手段により水蒸気を発生して発電するために使用されるボイラを含む。燃焼装置中での燃焼により、頂部の煙突を通って燃焼装置から出る排煙が生成される。

燃焼装置１の側壁又は端壁中の各バーナ３は、燃料、空気及び酸素を、燃焼装置１の外部のその供給源から燃焼装置１の内部２に供給する。適した燃料には、燃料油などの液体炭化水素が含まれ、また粉末状の固体炭化水素も含まれ、その好ましい例は微粉炭又は石油コークスである。

図１及びより詳しくは図２に示すように、バーナ３は同様の効果のその他の構造も使用することができるが、好ましくは数個の同心状に配置された通路からなる。本明細書に説明するように、酸素がそれを通して供給されるランス５の周りに同心上に配置された環状の通路４を通して、燃料が燃焼装置１内に供給される。好ましくは、燃料は供給源２０から１個又は複数のバーナ３に搬送され、バーナ３を通して燃焼デバイス１の内部２に、燃料油などの液体の場合は適当なポンプ手段により、微粉炭などの固体炭化水素（これは通常搬送空気（「一次空気」）の助けにより燃焼装置中に供給される）の場合は従来設計のブロワ及びインペラにより噴射される。液体炭化水素燃料は、液体燃料を噴霧用空気と共に個々の分散液滴として燃焼室中に供給するために、好ましくは従来設計の１つ又は複数の噴霧ノズルを通して供給される。１ポンドの石炭を搬送するために、有効量、通常は約１．５〜２．０ポンドの一次空気が使用され、これは歴青炭を完全燃焼させるのに必要な化学量論の燃焼空気の約２０％に相当する。重油の燃焼では、オイル１ポンドを霧化するのに約０．５〜１．０ポンドの一次空気が使用される。

空気分離ユニット３０から２つの生成物管路、即ち、濃縮酸素低減窒素流をバーナに搬送する管路３２、及び濃縮窒素低減酸素流を１個又は複数のオーバーファイアエア口７に搬送する管路３４が伸びている。富酸素流の好ましい組成は、少なくとも５０体積％の酸素、より好ましくは、少なくとも８０体積％、又はさらに少なくとも９０体積％の酸素であり、かつ５０体積％未満の窒素、より好ましくは２０体積％未満の窒素である。富窒素流の好ましい組成は、少なくとも８５体積％の窒素、より好ましくは少なくとも９０体積％、さらに少なくとも９５体積％の窒素であり、かつ１５体積％未満の酸素、より好ましくは１０体積％未満の酸素である。

本発明に使用される空気分離方法は、その主産物として高純度の酸素（＞９０体積％）を、富窒素ガスである副生物又は排出物と共に製造することに焦点を合わせることが予測される。富酸素副生流を伴う、標準的な窒素プラントも使用し得るが、プロセス要件からは望ましいものではない。

図面では、濃縮窒素低減酸素流をオーバーファイアエア口に供給する好ましい実施形態を図示しているが、その流れを、二次又は三次燃焼空気を供給する場所に供給することにより利点をさらに得ることができる。

燃焼空気２２をＦＤファンにより１個又は複数のウインドボックス２１に供給し、１個又は複数のバーナ３の空気通路に供給する。二次燃焼空気１５を燃焼装置１中に、バーナ３を通して、好ましくは炭化水素燃料がそれを通して供給される、環状の空間４を囲む同心状に配置された環状の通路１１を通して供給する。好ましくは三次燃焼空気１６を燃焼装置１中に、バーナ３を通して、好ましくは二次空気通路を囲む同心状に配置された環状の通路１２を通して供給する。好ましくは燃焼空気も、オーバーファイアエア口７（図１中に示す）を通して燃焼装置１内に供給する。好ましくは酸素を装置の内部２内へ二次及び三次燃焼空気から離して供給する。即ち、本発明によりバーナ３を通して供給された酸素は、特にオーバーファイアエアを使用しない場合は、その酸素が燃焼装置１内に供給される前又はその直後に二次及び／又は三次燃焼空気と混じり合う機会を持つ前に、燃料との燃焼に完全に消費されることが好ましい。

好ましい低ＮＯ_ｘバーナは、十分な空力調節を可能にするための、一次（燃料の供給）、二次及び三次空気通路を備える。しかし、一次及び二次空気の供給のみを用いたその他の低ＮＯ_ｘバーナ設計を使用することができる。３種の該通路の最適な設定を決定した後、二次空気の旋回羽根及び通路を３通路設計とほぼ同じ空力混合特性をもたらすように設計することができる。或いは、追加の（四次）通路を備えたバーナを使用することができる（米国特許第５，９６０，７２４号に記載されているＲＳＦＣ（商標）バーナなど）。

空気分離プラントからの富酸素流を用いる石炭燃料のボイラからのＮＯ_ｘ放出を、同じ空気分離ユニットからの普通は大気に放出し廃棄する、富窒素流を用いることによりさらに低下させることができる。

一次燃焼領域（ＰＣＺ）１０からの残留する可燃物をオーバーファイアエア７と混合し、燃焼させるボイラ炉の燃焼完了領域（ＢＯＺ）９中では、いわゆるサーマルＮＯ_ｘが形成され、かつ燃料結合型窒素からＰＣＺで形成された窒素種の一部もＮＯ_ｘに変換される。背景の節で述べたように、ＢＯＺ中でのサーマルＮＯ_ｘの形成及び窒素種のＮＯ_ｘへの変換は共に領域の温度に依存する。領域温度が低いほど、かつ過剰酸素が少ないほど、ＢＯＺ中でのＮＯ_ｘ形成が低下する。

サーマルＮＯ_ｘは、炉内の少燃料燃焼領域での火炎温度及び過剰酸素を制限することにより制御される。ＢＯＺ中での排煙再循環は、サーマルＮＯ_ｘ形成メカニズム及びＰＣＺ中で形成された燃料窒素種の転換速度の両方に対処する。排煙再循環は、燃焼空気を希釈する（即ち、酸素濃度を低下させる）こと、及びヒートシンクとして働く余分の体積のガスを供給して燃焼中発生した温度を下げることにより、これを行う。通常、排煙再循環は、実際的な限界に達するレベルまで使用し得る。高い排煙再循環率を使用した場合は、今度は炉を通過すべき高温ガスの体積がより大きいために、熱の放出がボイラの対流部に移る。ボイラの水蒸気収支に影響するこの熱伝達の影響は、排煙再循環を使用する制約となる。別の制約は、排煙の体積がＦＧＲで増大するので、ボイラ内の圧力低下が増大することである。

空気分離プラントガスからの富窒素流は、ＦＧＲ法のいくつかの制約なしに、オーバーファイアエア中の酸素濃度を希釈し、ヒートシンクとして余分のガス体積を供給するために、有利に適用することができる。通常のボイラ炉の条件での熱収支の計算によれば、純粋酸素で置き換えた化学量論的な空気の１％毎に、生じた富窒素ガスは炉のガス温度をほぼ１１．７°Ｆだけ下げる。このことは、化学量論的な空気を１０％純粋酸素で置き換えると、炉のガス温度は空気分離プラントから利用可能な富窒素流を用いて約１１７°Ｆだけ低下させ得ることを意味する。

ボイラ中により大量の富窒素ガスを噴射すると、ガス温度はさらに冷却されＮＯ_ｘの放出を低下させるはずであるが、余分な窒素のコスト及び熱伝達が放射部から対流部へ移ることは、噴射できる最大量を制限する。通常は、富窒素ガスの使用は、ＮＯ_ｘを制御するために酸素をすでに利用しているボイラでのみ経済的である。利用可能な富窒素ガスの体積は、富酸素流を供給するために空気から取り出した窒素の体積に直接関係する。ボイラのＢＯＺ中に噴射される富窒素ガス流の好ましい量は、富酸素流を生成するために使用した空気分離プラントから製造される富窒素流の１０〜１００％である。ボイラのＢＯＺ中に噴射される富窒素ガス流のより好ましい量は、富酸素流を生成するために使用した空気分離プラントから製造された富窒素流の５０〜１００％である。

空気分離プラントからの富酸素流及び富窒素流のすべてがボイラ中に噴射された場合は、ボイラへの最終的な効果は、いくらかの予熱した燃焼空気（通常は６００°Ｆ）を、空気分離プラントからの当量の周囲温度の「空気」で置き換えたことになる。いくらかの空気の予熱エネルギーが失われるので、この条件下ではボイラにわずかな効率の不利益が課されよう。しかしこの影響は、燃焼空気の２５％がこの方法の富酸素流で置き換えられことを考えれば、小さなものであることが予想される。

このわずかな効率の不利益は、熱い排煙と熱を交換することにより富窒素ガスを予熱することにより除くことができる。ボイラの既存の空気ヒータが熱交換器型の場合は、同じ伝熱式熱交換器の２つの異なる部で燃焼空気及び富窒素流を共に予熱するように、伝熱式熱交換器を改修することも可能である。

或いは、わずかな効率の不利益を、ボイラ中に噴射した富酸素流と富窒素流との混合物の平均酸素濃度が約２３．５％となるように、ボイラ中に噴射させる富窒素ガスの量を制限することにより除去することができる。

富窒素流の供給位置の選択により、コスト及び操作上の利点が変化し得る。

たとえば、全部又は一部の富窒素流を、通常は二次空気、三次空気、及びオーバーファイアエアを供給するウインドボックスの前の予熱した空気の燃焼ダクト中にパイプで送る。この場合は、すべての予熱した燃焼空気流が富窒素流で同等に希釈される。取付けコストは比較的安いが、以下の代替の方法はより効果的なＮＯ_ｘの低減をもたらし得る。

或いは、全部又は一部の富窒素流を、各バーナの二次空気通路、三次空気通路、又は二次及び三次空気の両方の通路中に別々にパイプで送る。配管コストは前の方法より高いが、ＮＯ_ｘの低減を最適化するために、各バーナに供給する富窒素流の量を調節することができる（各バーナに対して別々に）。

他の代替案としては、全部又は一部の富窒素流を、バーナから燃料が出てくるところと、バーナから二次及び三次空気が出てくるところの間にそれがバーナから出てくるように、バーナのそれ自体の通路を通して供給することができる。富窒素流の速度は、好ましくは一次燃料流及び二次空気流の速度以下である。この代替案は、二次及び三次空気と燃料の混合を遅らせ、それにより、ＮＯ_ｘ放出の低減の一因となることになる富燃料領域を拡大する。その他の代替案としては、富窒素流の全部又は一部を燃焼装置の内部２に、一次燃焼領域の外部（下流）でかつ燃焼完了領域の上流である領域に供給することができる。この配置では、富窒素流はＰＣＺからの可燃物と混合して、ＢＯＺ中のガス温度を低下させ、ＮＯ_ｘ放出を低下させる。その他の代替案としては、富窒素流の全部又は一部を、ＯＦＡ口又はその近くで供給することができる。この配置では、富窒素流がＯＦＡ流と部分的に混合し、ＢＯＺ中のガス温度を低下させ、ＮＯ_ｘ放出を低下させる。

ボイラが大量の排煙を通過させるのに圧力又は熱伝達の制約を持たない場合は、前述のいずれかの方法でさらにＮＯ_ｘを低下させるために、再循環された排煙の噴射と富窒素ガスの噴射を組み合わせることが可能である。

再循環された排煙の噴射又は富窒素ガスの噴射の代替案として、或いは補足として、液体水のスプレーを噴射することができる。水スプレーは、いわゆる圧力噴霧化（ただし、液体流がそれを通して強制導入する噴霧ノズルの上流の導入液体流に圧力をかけることにより、噴霧化ガスなしに噴霧化を実現する）により、或いは圧縮ガス、好ましくは圧縮空気又は圧縮した富窒素ガスの随伴流の適用を必要とするガス噴霧化により、従来の噴霧ノズルを用いて形成され得る。水スプレーが燃焼室に入る場所を含めて、水スプレー噴射の好ましい方法は、富窒素流の噴射に対して上述してきたものと実質上同様である。

燃焼室中へスプレーする水の量の決定は、通常のボイラ炉条件下での熱平衡の計算によると、燃焼完了領域中の排煙温度を１００°Ｆ下げるためには、石炭１ポンドの燃焼速度当たりほぼ０．１７ポンドの水スプレー又は０．６１ポンドの窒素ガスが必要であることを理解することにより容易になる。水に対する蒸発潜熱のために、水に必要となる噴射質量比流速は窒素のそれの約２８％にしか過ぎない。水スプレー噴射設計の際、ＢＯＺ中で水滴が蒸発することを確実にすることが重要である。水滴の最大径は、好ましくは大部分の応用例では５００ミクロン未満、より好ましくは１５０ミクロン未満である。

水スプレーの噴射と再循環された排煙の噴射及び／又は富窒素ガスの噴射とを組み合わせることも可能である。これらの流体すべては冷却材として働き、これらの効果には加成性がある。

富窒素流をオーバーファイアエア（ＯＦＡ）口で又はその近くで噴射する他の利点は、効果的な混合である。ＯＦＡは通常は既存のウインドボックスを離れる燃焼空気の副流を運ぶことにより供給され、したがってＯＦＡ流の最大速度はウインドボックス内で利用可能な燃焼空気の圧力により制限される。ボイラの大きなサイズ及びＯＦＡの限定された量及び圧力のために、ＰＣＺからの炉ガスとの混合は絶えざる問題である。この不十分な混合により、高いＣＯの放出、及び灰中の高レベルの未燃焼炭素が生じる。高ＣＯを補正するために、ボイラ全体の化学量論比を調整した場合、そもそもＯＦＡを取り付けた理由に反してＮＯ_ｘ放出が上昇し得る。富窒素流を、ＯＦＡ口を通して又はその近くで高速度（１秒間当たり少なくとも１００フィート、好ましくは１秒間当たり２００フィートを超えるなど）で噴射すると、それはより高い圧力で利用可能にすることができるのでこの状況では有利であり得る。より高い圧力により炉内へのより速い噴射速度が可能になり、これはＯＦＡとＰＣＺからの炉ガスの間の混合を容易にし、一方、同時に排煙を希釈して熱を吸収し、かつ酸素濃度を低下させて高い火炎温度を回避することになる。またより高い圧力により、より小さな配管を使用することが可能になり、より大きな配管より容易に既存のボイラを改装することができる。またきれいなガスにより、より容易にガスのモニターができるようになり、システムが常時設計通りに作動していることを保証することが制御される。富窒素流を、ＯＦＡと炉ガスの混合を容易にするためにすべてのＯＦＡ口を通して噴射し、或いは１つ又は複数のＯＦＡ口から単独に噴射し、一方その他のＯＦＡ口は空気の噴射にのみ使用することができる。

ＢＯＺ中に富窒素流を噴射することは、ＮＯ_ｘの放出を低下させるために無触媒還元（「ＳＮＣＲ」）システムが実施されている場合特に有利である。この方法は、燃焼室にアンモニア、尿素、シアヌル酸又は炭酸アンモニウムなどの還元剤を噴射し、そこでその試薬は高温でアミノ基（−ＮＨ_２）を形成し、かつ燃焼室内の高温の燃焼ガス中に存在するＮＯと反応してＮ_２を形成し、ボイラ及び炉からのＮＯ_ｘ放出を低下させる。この方法はよく知られており、従来技術の多くの側面について記述されている。ＳＮＣＲプロセス中で顕著なものは、Ｌｙｏｎにより米国特許第３，９００，５５４号、及びＡｒａｎｄ他により米国特許第４，２０８，３８６号及び米国特許第４，３２５，９２４号中に記載されたものであり、最近のＳＮＣＲプロセスの進歩としては米国特許第６，０３０，２０４号及び米国特許出願公開第２００２／００２５２８５号に記載されているものがある。これらの５つの開示は参照により本明細書に組み込まれている。アンモニア及び尿素は好ましい試薬である。ＮＯ_ｘを効果的に還元するためには、試薬をＮＯ_ｘを含んだ燃焼ガスと、各燃焼方法で利用可能な空間及び滞留時間内で均一に混合しなければならない。１００〜１０００ｐｐｍのＮＯ_ｘを含んだ排煙に対して、試薬対排煙のモル比は１，０００〜１０，０００程度であるので、均一に混合することは実用的に困難な問題である。

文献中のデータは、通常のボイラの条件からガス温度を最適な温度に低下させると、それによって同じ試薬を使用してもＮＯ_ｘがより少ないか、又はより少ない試薬消費量ながら同じＮＯ_ｘレベルが生成され、ＮＯ_ｘの還元反応を有意に改善することができることを示唆している。

大部分のボイラは毎日の低出力需要時間（約午後１１時〜約午前５時）では出力が下がる。ボイラの出力が下がり燃焼速度が遅くなると、ボイラ動作条件が有意に変化する。大部分の石炭バーナは、ガス速度が低下したことにより火炎の空力的特性が変化して、ＮＯ_ｘ放出がより高くなり、又は火炎の安定性がより劣化し得るが、完全な燃焼速度の約７０％に下がって十分に作動する。大部分の微粉炭機は、適正な微粉化及び石炭の搬送用に最少量の空気の流量が必要である。したがって、石炭の微粉炭機への投入量が減少するにつれて、搬送空気対石炭の比が高くなり、これにより二次及び三次空気流量を減少させなければ、第１段階燃焼の化学量論比がより少なくなる。燃焼速度がさらに低下すると、通常は１つ又は複数の微粉炭機を運転停止し、対応するバーナを休止しなければならない。通常は、上昇温度がより低いバーナは、水蒸気温度を維持するために運転を停止する。低負荷ではボイラの熱入力のより大きな割合が放射部に伝達し、炉ガス出口温度（ＦＥＧＴ）が低下し、これにより対流バンク中の熱伝達が減少する。低負荷では水蒸気の過熱温度を維持することがしばしば困難になる。ＦＥＧＴを増加させるために、燃焼比率のより多くが上部のバーナに移され、また対流バンクへより熱伝達するために過剰に空気を増加する。ただし、休止中のバーナはある量の燃焼空気を流すことにより冷却しなければならず、これは上部レベルのバーナに追加の燃焼空気を供給する。これにより、一次燃焼領域の化学量論比が高くなり、ＮＯ_ｘ比放出（ＮＯ_ｘポンド／ＭＭＢｔｕ）が増加する傾向にある。これらの変化により、通常はボイラ効率を低下させ、ボイラ比放出を増加させる、最適ではない燃焼条件となる。ボイラ運転員は、これらの問題点に対処する選沢肢を限定され、通常これらの毎日の減量運転期間では非最適条件下でボイラを作動させている。

バーナ運転のこの時点で、微粉炭機に供給された一次燃焼空気、又はバーナへの（即ちウインドボックスへの）二次及び三次燃焼空気に富窒素ガスを加えることは、ボイラ内の酸素レベルを低下させ生成されるＮＯ_ｘを低下させることになる、燃焼空気の酸素含量を低下させることを助けることができる。また富窒素ガスの追加の熱負荷により、余分のガスを加熱するためにわずかにより高い燃焼速度が必要となり、かつより大きな体積の高温ガスが対流部で利用可能になり、より過熱された水蒸気が生成されることになる。この低燃焼条件での質量の処理量が増大することは、ボイラがその設計点に近づいて作動することを助け、酸素濃度がより低いことは、ＮＯ_ｘ放出を制御することを助ける。過剰空気を用いた燃焼は同様の熱伝達効果を生み出すことができるが、ボイラ内の高酸素レベルに伴うＮＯ_ｘの高放出問題が犠牲となる。ＦＧＲはシステムが取り付けられた場合は、同様の結果をもたらすことができるが、戻った排煙は、方法の制御で補正しなければならない残留する酸素をいくらか含むので、過剰酸素レベルを制御することは難しいことでもあり得る。

火炎安定性は一般に低燃焼速度ではより肝要であり、燃焼空気の低酸素含量はさらに火炎安定性を低下させるが、富酸素流を石炭流に直接噴射することにより、十分な火炎安定性をもたらし、同時に燃焼空気の希釈を可能にすることになる。

ボイラが減量運転のときは、富酸素流を供給する空気分離プラントの運転を変更することができる。減量運転期間は通常長さが８時間未満であるので、酸素プラントはボイラ中に噴射するのに必要な量より多くの酸素を生成する完全な能力を保ち得る。この過剰の酸素は放出するか、又は回収のための液化機へ送ることができる。

このプラントから入手可能な富窒素ガスの体積は、本来燃焼空気から利用可能なものより多い、それゆえボイラ内で窒素レベルの正味の増加を達成できる。非効率的なボイラの運転条件のために、窒素は、それをバーナ領域に噴射するとボイラ運転に対しより明白な正の効果を有することになる。これは過剰空気中に含まれた酸素に置き換わり、さもなければ減量運転されたバーナを通して体積流れを維持することができる。図４は低負荷運転に対するこの他の実施形態を示す。

この方法に必要な酸素及び製造され得られた富窒素ガスの量に基づいて利用可能なものより、多くの富窒素ガスが使用できると予想される。経済的条件により、より多くの窒素を使用することが可能な場合は、窒素の追加の供給源を利用することができる。複数のボイラを設置するその他の手法は、２機以上のボイラ用に十分な酸素を製造し、次いで窒素をその機数より少ないボイラに分配することにより、それを使用するボイラにより多くの富窒素ガスが利用可能となる。この配置は、１台のボイラを減量運転し、一方別の１台は完全負荷を持続する場合特に有用であり得る。より多くの富窒素ガスが減量運転したボイラでは利用可能になり、それにより減量運転条件中に起こる酸素に対する需要低下にもかかわらず窒素を使用する利益が最大になる。酸素プラントがボイラと共に減量運転されない場合は、過剰酸素は放出されるか、又はよそで使用するために確保されることになり、窒素の製造は減少しないので、このことが問題となることはない。

減量運転中にバーナ運転中止（ＢＯＯＳ）技法を用いたボイラでは、運転中止中のバーナを燃焼空気でなく富窒素ガスで冷却するために、運転停止バーナの近くのウインドボックス中に窒素を優先的に噴射することが可能である。このことによりさらに、ボイラの熱火炎領域中の過剰酸素のレベルが制限されることになる。ＯＦＡの配置によく似た他の可能な配置は、冷却用の燃焼空気がＯＦＡとして働き、かつこれらの条件下で加えた余分な空気により一次領域化学量論比が高くなることを防止するために、下部のバーナに対するウインドボックス中に窒素を噴射するように、最上部バーナを運転停止することである。

上記に示すように、本発明の好ましい実施形態は、石炭燃料の燃焼装置（用役ボイラ）を、ＮＯ_ｘの生成を低下するように適応させることである。炭化水素燃料と燃焼空気中の酸素の間の燃焼が行われて、火炎６が生じる。バーナ３の末端に最も近い火炎の領域８、即ちバーナから炭化水素燃料が出てくるところは、火炎の富燃料領域である。その周囲の火炎６の領域は、二次及び三次燃焼空気が完全に燃料と反応していないので比較的少ない。バーナ３への燃焼空気２２の量を低下させ、全域燃焼段階用にオーバーファイアエア口７から十分量の空気が供給された場合、オーバーファイアエア口７の下の、空気が噴射されまだ燃料と十分に反応していないバーナ３近くの領域を除いて、炉の下部領域全体、又は一次燃焼領域（ＰＣＺ）１０は燃料に富んでくる。

次いで、本発明のこの実施形態の実行する際、追加の酸素を導入するランス５を加える。追加の酸素は、それを一次空気中に加えるなどのその他の方法の変わりに供給される。或いは、燃料及び燃焼空気を供給するバーナを、図（複数）に示されたように機能するバーナに交換する。

好ましくは、空気はまたオーバーファイアエア口開口部７を通して燃焼装置１中に供給されて、一次燃焼領域１０をより燃料が少なく又はより富燃料ようにし、かつ燃焼完了領域９中の燃料の完全な燃焼を達成することを助ける追加の酸素を提供する。バーナ３を通して供給された燃焼空気中の酸素は、もし使用した場合は開口部７で供給された空気中に含まれた酸素と組み合わせて、燃料の完全燃焼を可能にするのに十分であり、通常は燃料の完全燃焼に必要な量より１０〜２５体積パーセント過剰な酸素を含んでいる。

好ましくは、二次及び三次燃焼空気は、縦軸の周りを旋回するようにバーナ３で供給され、それにより各バーナの近くに再循環領域が作られ、かつ空気及び燃料の混合が改善される。旋回は、二次及び三次空気流用のバーナの環状の通路内に、各流れを所望の旋回方向に方向付ける、デフレクタ１３及び１４を設けるなどの知られている技法により得られる。高度の旋回、好ましくは「燃焼空気力学（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）」、Ｊ．Ｍ．Ｂｅｅｒ及びＮ．Ａ．Ｃｈｉｇｉｅｒ、Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ．Ｋｒｉｅｇｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ社、１９８３年、中に定義された、０．６〜２．０の旋回数を与えることが好ましい。

オーバーファイアエアを用いた本発明の実施の際、バーナ３を通して供給される空気の総量、即ち一次、二次及び三次空気の合計は、完全燃焼のための化学量論的空気の必要量の６０〜９９％の間であることが好ましい。最も好ましくは、バーナ３を通して供給される空気の総量は、完全燃焼のための化学量論的空気必要量の７０〜８５％の間である。

一次、二次及び三次燃焼空気流の各速度は、空気がそれから出てくるノズルの出口で、好ましくは１秒当たり５０〜１５０フィートである。ランス５を通して噴射される酸素の速度は、酸素がそれから出てくるノズルの出口で、好ましくは一次空気の速度の１０％〜９００％内、より好ましくは２５％〜４００％内にある。

好ましい手法は、燃焼空気全体を均一に濃縮するのとは異なり、燃料粒子又は液滴の少なくとも一部を高濃度の酸素に曝すことであることが、試験により示唆されている。濃縮空気がバーナ全体に供給されるように、低ＮＯ_ｘバーナのウインドボックス２１内に、第１段階の肝要な空気を含めて酸素を噴射させるという単純な手法は、有効であるとは見なされない。

化学量論の空気の２０％を用いて、酸素を予混合し、又は石炭搬送流（一次空気流）中に急速に混合し、かつ全体の燃焼化学量論比が１．１５の場合、以下の搬送空気流中及び全体の燃焼空気中の酸素の平均濃度を、空気は乾燥されており、２１．０体積％のＯ_２を含んでいると仮定して計算する。

この例では、少量の酸素が使用されたために、酸素が搬送空気と混合された場合でさえ、均一に混合したとき空気の酸素濃度の小幅な上昇しか得られなかった。好ましい方法は、酸素を石炭／空気搬送流中にランスのノズルの先端部で噴射させることである。この場合は、石炭粒子の一部が酸素の噴流と混合されて、局所的に石炭が濃いＯ_２混合物の領域をもたらす。こうした条件により、急速点火源の領域をもたらし得て、酸素が搬送空気流と予混合された場合に比較して、早期の点火及び揮発分の除去が容易になる。

他の好ましい方法は、石炭流に隣接する内部又は外部の環状空間から酸素を噴射させることである。この場合は、石炭流及び酸素流の境界に、有利な富酸素燃焼条件がもたらされる。

酸素を燃料流と平行に高速度で別に噴射させる場合は、Ｆａｒｍａｙａｎ等の場合と同様に、酸素の噴流（又は複数）は周囲のガスで急速に希釈され、その有効性が妨害され得る。したがって、酸素の噴射方法は注意深く設計しなければならない。

本発明は、本明細書に説明したように炭化水素燃料流中に酸素を供給することにより、燃焼装置内のＮＯ_ｘの形成が改善され、即ち低下する。より具体的にかつより好ましくは、酸素は、好ましくは少なくとも８０体積％のＯ_２、最も好ましくは少なくとも９０体積％のＯ_２を含んだ濃厚な酸素流として供給され、それがバーナから出て燃焼装置１の内部２に入るとき、炭化水素燃料中に直接供給される。したがって、高濃度の酸素を含んだガス状雰囲気中の、場合に応じて固体燃料の粒子又は液体燃料の液滴の少なくとも一部が、燃焼装置及び火炎６の富燃料部分に侵入する。

好ましくは３又は４個の分離した空気通路を備えた空気バーナを用いて、オーバーファイアエアを全域燃焼段階に対して使用する場合は、酸素は、バーナ３内のガス通路中の適当なスパージャを用いて、一次又は二次空気或いはその両方と予混合してもよい。

酸素は好ましくは、ランス５、或いは燃焼装置１中に開いている末端が開くことができる、又は末端が閉鎖されており、閉鎖された末端に隣接するその周囲に多数の開口を設けた同様の供給管路を通して、酸素流がこれらの開口を通してバーナから燃焼装置に侵入する炭化水素燃料中に直接流出するように供給される。

図３ａから３ｄは、使用することができる様々なランスの形状を示す。その他のランスの形状を使用することができる。図３ａでは、ランス５は、好ましくはランスの軸に沿った方向を向いた単一オリフィス３１で終わっている。

図３ｂでは、ランス５の末端は閉鎖され、ランスの高温端部近くのランスの周囲部に沿って複数、好ましくは２〜１６個、より好ましくは４〜８個のノズルが半径方向に酸素を噴射するために設けられている。１〜４個、又はさらに多くのノズルをこのランスの末端に設けることもできる。

図３ｃでは、複数、好ましくは２〜１６個、より好ましくは４〜８個のノズル３２が、ランス５の閉鎖された下流の末端近くに半径方向に設けられ、かつランス５中の酸素流の方向の軸に対してそれらの各々が０°を超え９０°未満の角度を形成する、複数、好ましくは２〜１６個、より好ましくは４〜８個のノズル３３が設けられている。

図３ｄでは、複数、好ましくは２〜８個のノズル３４が、ランス５の高温端部の近くのランス５の周辺部に沿って設けられ、ランス５中の酸素流の逆方向に対してその各々が３０〜６０°の角度を形成する。

上記その他のランスの諸実施形態では、ランスの側面を通るノズルは、１つの円周上又は複数の円周上に配列させることができる。

本明細書に説明したように、酸素を燃焼装置１内に噴射させる場合、一次燃焼領域の化学量論比を維持するか又は下げるために、同時にバーナ３を通して供給する燃焼空気の流量を低下させる。オーバーファイアエアを使用する場合は、酸素の噴射を伴う一次燃焼領域の化学量論比は、完全燃焼のための化学量論的空気必要量の好ましくは６０〜９９％の間、より好ましくは約７０〜８５％である。このように供給される酸素の量は、約０．８５未満であり、好ましくは０．８５よりずっと小さい、たとえば０．６５以下である、火炎６の富燃料領域８中の化学量論比を確立するのに十分であるべきである。管路５を通して供給される酸素の量は、燃料の完全燃焼に必要な化学量論量の２５％未満であるべきである。より好ましくは、この量は燃料の完全燃焼に必要な化学量論量の１５％未満に対応する。さらに好ましくは、この量は燃料の完全燃焼に必要な化学量論量の８％未満に対応する。

ＮＯ_ｘ放出は局所的な化学量論条件に強く依存する。酸素の噴射により、局所的な化学量論条件は小さくなるので、酸素噴射後の局所的な化学量論条件の変化を考慮しなければならない。たとえば、０．４の化学量論比（ＳＲ＝０．４）の局所的に富燃料領域中に、化学量論的空気量の１０％に相当する酸素を、供給する燃焼空気の流量を変化させずに噴射すると、局所的な化学量論条件をＳＲ＝０．５に変更することになり、ＮＯ_ｘ放出を実質上低下させることが予想される。ただし、このことは、ＳＲ＝０．４は最適なＮＯ_ｘの低減のためにはあまりにも燃料に富み過ぎるためである。こうした効果は、局所的な化学量論条件をＳＲ＝０．４に一定に維持しながら、「１０％の空気を酸素で置き換えること」からの効果より大きい。燃焼空気の流量を変更させずに同量の酸素を、局所的な化学量論条件がＳＲ＝０．９５である富燃料領域に噴射させる場合は、局所的な化学量論条件がＳＲ＝１．０５に高くなるので、ＮＯ_ｘ放出は急激に増加するものと予想される。

したがって、一般に酸素を火炎の最も富んだ領域に噴射させることが好ましい。

ＯＦＡのない空力的に多段なバーナ中で、酸素を三次空気、及び使用する場合は四次空気中に噴射又は混合することは回避するべきである。このことは、いずれの三次空気、及びいずれの四次空気も火炎の比較的希薄な領域に混合されるからである。理論上は、局所的な化学量論条件の最適化は、空気を含めた任意の酸化剤により行うことができる。しかし、酸素は、わずかな体積しか必要でなく、火炎の空力的な混合条件全体に大きな影響を与えることなしに、局所的な化学量論条件を変化させることができるのでより有効である。

他の重要な必要条件は、酸素濃縮には、空力的に多段な火炎の富燃料領域（「Ｎ_２形成領域」）の物理的サイズを保つ又は拡大させるように行うべきことである。バーナのいくつかの空気通路中での酸素を噴射する方法及びその結果として生じる空気流の減少は、バーナの空力的段階の条件、並びにそれゆえ物理的サイズ及び局所的な化学量論条件に影響を与えることになる。酸素を噴射した結果、富燃料領域のサイズが縮小し、富燃料領域中の平均ガス滞留時間が短縮する場合は、こうした変化はＮＯ_ｘを増加させ得る。たとえば、図３ａに示されたものなどの軸に沿ったランスを通して酸素を高速度噴射すると、周囲の石炭／空気流の軸に沿った運動量が有効に大きくなり、今度は二次及び三次空気との混合が促進される。その結果、火炎の富燃料ＮＯ_ｘ低減領域のサイズが縮小し、ＮＯ_ｘが増加し得る。他方では、バーナの先端部近くの図３ｂで示されたものなどの、軸方向に配置された酸素ランスから半径方向に酸素流が噴射された場合、バーナ近くの再循環領域が有効に拡大し、それゆえ富燃料領域のサイズが拡大し、酸素に富むことによりＮＯ_ｘの低減がさらに促進される。酸素を噴射することのバーナの空力的条件への複雑な影響は、ＮＯ_ｘの低減を達成するために具体的なバーナに対して注意深く評価しなければならない。

本発明の予想外の性能のいかなる特別の説明によっても縛られる積もりはないが、本発明に従って運転される燃焼装置の性能は、噴射された酸素がバーナに最も近い火炎のその部分の温度を上昇させ、それにより今度は炭化水素燃料中に存在する比較的揮発性の成分を燃料から気相に入れ、かつ周囲の酸素と部分的な反応を受けさせ、それにより燃焼される燃料から放出された窒素を含んだ種が、ＮＯ_ｘ及びＨＣＮ及びＮＨ_３などのその他の窒素化合物でなく、分子の窒素、即ちＮ_２に変換されることを可能にする、比較的還元性の雰囲気が作られるというメカニズムと一致している。

燃料及び酸素がその中に侵入する燃料に富んだ領域の温度は、通常は２５００°Ｆ以上程度である。このように酸素を供給することにより、火炎６の基部がバーナ３の開口に引き寄せられるか、又はバーナ３に付くようにさえなる。しかし、バーナから出てくるときに本明細書に説明したように酸素を炭化水素燃料中へ供給することが、火炎がバーナに付くようになってさえ、同様に行われる。定常状態の運転では、たとえば燃焼装置が本明細書の教示に従って改装された後、燃料の完全燃焼に必要な化学量論的酸素量の２５％未満、好ましくは１５％未満、より好ましくは８％未満が燃料中に供給されるということに基づいて燃焼装置の運転が継続され、一方、装置中に供給される酸素の総量が少なくとも燃料を完全燃焼させるのに必要な化学量論量であるように、燃焼空気を、そうでなければなるはずである場合より少ない量でバーナを通して供給する。

副生物、現地での酸素プラントからの富窒素流を用いると、富窒素流の清浄度及び比較的定常的な組成のために、ボイラへの不活性ガスの供給を単純化することができる。このことより、高い利用可能な圧力と相まって、富窒素流を非常に容易に制御しかつ測定することができるようになり、かつシステムのための資金を下げることになる、排煙再循環より小型の配管及び噴射システムを利用することができる。これらの要因すべてを一緒にすることにより、窒素に富む噴射システムの保守が安くなり、かつ修理が必要になった場合それがかなり容易になり、このことによりボイラ運転の利用可能性の拡大がもたらされる。

富窒素ガスの噴射と排煙再循環を比較すると、理解するべき重要な違いがある。１つは、富窒素ガスの噴射は、いずれにしてもこの方法に投入されたはずの空気を利用し、それを２個の異なるやり方で噴射させてプロセスの有利な変更を生み出す。良く混合された燃焼室中の全体的な熱力学的見地からは、空気を燃焼室に直接であろうが、或いは富酸素流及び富窒素流に分離した後に供給しようが、最終ガス温度は同じはずである。この方法をボイラに適用すると、本発明によりさらに低い第２段階温度がもたらされる２つの要因がある。富燃料燃焼段階では、酸素濃縮燃焼で引き起こされたより高い火炎温度及びより長いガス滞留時間が、炉壁への熱伝達を増大させ燃焼生成物を冷却し、これらは窒素の添加によりさらに冷却される（全体的な熱伝達で変化が起こらない場合は、酸素濃縮燃焼ガスは等量の空気の場合より高温となるはずであり、窒素を加えると、燃焼に空気が使用されていた場合と同じ温度までそれらが冷却される）。

他の違いは、石炭焚きボイラ用の燃焼空気は、通常は約５００〜６００°Ｆに加熱され、富酸素流及び富窒素流は、通常は周囲温度であり、したがってボイラへの合計熱投入量は少なく、これにより燃焼生成物の温度が低下される。

本発明を図１及び図２に図示した型などの壁面バーナ燃焼ボイラを主に参照して説明してきたが、この説明は、本発明がそうした型の燃焼システムに限定されることを示唆するものではない。本発明は、これに限定されることなく図４Ａから４Ｃに関して説明した型の接線方向燃焼システム、及び当技術分野で「サイクロン」として知られている、炉の一次燃焼領域が、各々が円柱形の壁、閉鎖された末端の壁、及び炉の壁を通して炉の主チャンバーに中に開いた開放端を備えた１個又は複数のエンクロージャを含み、そこで、燃料、燃焼空気及び酸化剤（本明細書に教示された量を燃料中に供給する）が円柱形の壁及び壁端を通してエンクロージャ中に、それらがエンクロージャの回転中心軸の周りに回転する方向で供給され、燃焼して、開放端を通して炉の主室内に噴出される燃焼の火炎及び熱を形成する燃焼システムを含めた、燃料及び空気を燃焼させるその他のシステムにも適用が可能である。

本明細書に例示したものに加えて、燃料が燃焼室に入るとき燃料の流れを互いに分離した複数の流に分割し、むしろ互いにそらせる、いわゆる分流バーナなどのその他の種類のバーナも使用することができる。この型のバーナでは、酸素が燃料の各流中に対応する複数のランスから、又は燃料の各流の方向を向いた複数のノズルから供給され、酸素の化学量論的な必要条件は供給される燃料及び酸素の総量に基づく。

本発明を実施するための装置の一実施形態の横断面図である。 本発明を実施するのに有用なバーナの横断面図である。 本発明によりバーナに酸素を供給するのに有用なランスの横断面図である。 本発明によりバーナに酸素を供給するのに有用なランスの横断面図である。 本発明によりバーナに酸素を供給するのに有用なランスの横断面図である。 本発明によりバーナに酸素を供給するのに有用なランスの横断面図である。 燃料及び酸化剤が炉中に別々の口から接線方向に供給される、本発明にそれを利用することができるボイラ炉の他の型の横断面図である。 炉の中の燃料及び酸化剤の接線方向の流れを示す、図４Ａ中に示した炉の上面図である。 口の前面が見えている、炉の内部からの正面図である。

符号の説明

１ 燃焼装置
２ 内部
３ バーナ
４ 環状通路、環状空間
５ ランス、管路
６ 火炎
７ オーバーファイアエア口（１個又は複数）、オーバーファイアエア
８ 富燃料領域
９ 燃焼完了領域（ＢＯＺ）
１０ 一次燃焼領域（ＰＣＺ）
１１ 環状通路
１２ 環状通路
１３ デフレクタ
１４ デフレクタ
１５ 二次燃焼空気
１６ 三次燃焼空気
２１ ウインドボックス
２２ 燃焼空気
３０ 空気分離ユニット
３２ 管路
３４ 管路
３１ オリフィス
３２ ノズル
３３ ノズル
３４ ノズル

Claims (3)

1. （Ａ）燃焼装置を用意すること、
   （Ｂ）一次空気及び燃料を、二次空気を前記燃焼装置中に供給するための手段を含み、任意選択的に三次空気を前記燃焼装置中に供給するための手段を含むバーナを通して、前記装置中に供給すること、
   （Ｃ）前記燃焼装置の外部の空気を、富酸素流及び富窒素流に分離すること、
   （Ｄ）前記燃料を火炎中で燃焼させ、同時に前記富酸素流の少なくとも一部を前記火炎中に供給すること、及び
   （Ｅ）前記富窒素流の少なくとも一部を、前記燃焼装置中に供給すること
   を含む、放出ＮＯｘの量を低下させる燃焼方法。
2. （Ａ）一次燃焼領域及び燃焼完了領域を備えた燃焼装置を用意すること、
   （Ｂ）空気及び燃料を、バーナを通して、前記一次燃焼領域中に供給すること、
   （Ｃ）前記燃焼装置の外部の空気を、富酸素流及び富窒素流に分離すること、
   （Ｄ）前記一次燃焼領域中で前記燃料を火炎中で燃焼させ、同時に前記富酸素流の少なくとも一部を前記一次燃焼領域中に供給すること、
   （Ｅ）前記装置中に供給される酸素の総量が前記燃料を完全燃焼させるのに必要な少なくとも化学量論量である、十分な酸素を含んだ量の空気を、前記バーナ以外の供給源から前記燃焼完了領域中に加え、前記一次燃焼領域からの残留可燃物を、前記燃焼完了領域中で燃焼させること、及び、
   （Ｆ）前記富窒素流の少なくとも一部を、前記燃焼装置中に供給すること
   を含む、放出ＮＯｘの量を低下させる燃焼方法。
3. （Ａ）燃焼装置を用意すること、
   （Ｂ）二次空気を前記燃焼装置中に供給するための手段を含み、任意選択的に三次空気を前記燃焼装置中に供給するための手段を含むバーナを通して、一次空気及び燃料を前記装置中に供給すること、
   （Ｃ）前記燃料を火炎中で燃焼させ、同時に前記富酸素流を前記火炎中に供給すること、及び、
   （Ｄ）液体水のスプレーを前記燃焼装置中に噴射すること
   を含む、放出ＮＯｘの量を低下させる燃焼方法。

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