JP2006194533A

JP2006194533A - 循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法

Info

Publication number: JP2006194533A
Application number: JP2005007273A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Takebayashi; 竹林　　保
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】ＮＯｘ濃度を基準値以下に抑制する。アンモニア等のＮＯｘ還元剤の消費量を低減する。
【解決手段】循環流動層ボイラにて、（ａ）コンバスタ１の炉出口に対向する箇所からコンバスタ１の炉出口に向けて３次空気ａ３を供給する。（ｂ）前記コンバスタ１の炉出口からサイクロン２内に流入した３次空気ａ３と燃焼ガスｅとをサイクロン２内で混合する。（ｃ）前記サイクロン２によって混合された３次空気ａ３と燃焼ガスｅとをサイクロン２と対流伝熱部４との間に設けた空洞状の再燃焼室２７内に導入して再燃焼させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、循環流動層ボイラの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称す。）を低減する方法に関するものである。

環境基本法に基づく環境基準の対象物質には、二酸化窒素、二酸化硫黄、一酸化炭素（以下、ＣＯと称す。）などが規定されている。なかでも、二酸化窒素、二酸化硫黄は、大気汚染防止法に基づき、各々、ＮＯｘ、ＳＯｘに類別され、排出基準や総量規制等の厳しい規制がある。一方、燃焼におけるＮＯｘ発生の抑制技術の一つとして、２段階燃焼がある。

この方法は、燃焼用空気を２段階に分けて供給し、１段目においては、空気比が１以下（通常は、０．８〜０．９）で燃焼させ、その後流で所定の空気比になるように不足の空気を供給して完全燃焼させるものである。

次に、従来の流動層ボイラについて説明する（図４参照）。この流動層ボイラは、燃焼炉３０、サイクロン３１、ホッパ３２から構成されている。燃焼炉３０は、１次空気供給口３３、２次空気供給口３４、炉出口３５、燃料投入口３６、伝熱部３７、対流伝熱部３８を備えている。

燃焼炉３０の底部において、砂などの流動材および燃料投入口３６から投入された石炭、スラッジなどの燃料が、底部の１次空気供給口３３から供給された１次空気により混合、流動化され、流動床であるベッド部３９を形成している。

このベッド部３９の温度は、そこに内設している伝熱管３７に水又は蒸気を流すことによって制御する。また、ベッド部３９上部の燃焼領域であるフリーボードＢ、及びサイクロン３１の下流には対流伝熱部３８が設置され、これに水又は蒸気を流して排ガスの保有する熱エネルギーを回収する。なお、ＮＯｘ発生量抑制と、ＣＯの排出を抑制するため、１次空気による理論空気量に対する空気比は１．０程度で運転される。

その理由は、ベッド部３９での空気比を小さくし、この領域を強い還元雰囲気とすると、伝熱管３７の腐食が激しくなるという問題が生じるためである。

そのため、実際の運転では、ベッド部３９での１次空気による理論空気量に対する空気比を０．８程度にまで下げるのが限界であるので、ベッド部３９が強い還元雰囲気にならず、その結果、ＮＯｘの発生量が多くなる。

上記サイクロン３１は、排ガス中の未燃灰を捕集し、ホッパ３２で未焼灰を貯蔵する。ホッパ３２に貯蔵された未焼灰は、燃料として燃焼炉３０の下部へ再供給される（例えば、特許文献１参照。）。

更に、２段階燃焼方式の流動層ボイラとして、図５に示すように、燃焼室４０と、第１粗大粒子セパレータ４１と、リターンダクト４２を備えるとともに、第２微細粒子セパレータ４３と、対流区分４４を備えた流動層ボイラが提案されている。

そして、第２微細粒子セパレータ４３と対流区分４４とを清浄ガスダクト４５によって連通するとともに、清浄ガスダクト４５の入り口側に設けた注入ノズル４６から清浄ガスダクト４５内にアンモニア又はその先駆体を噴霧して煙道ガス中に含まれているＮＯｘを還元するようになっている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−３２９２１４号公報特表２００１−５１６８６５号明細書

しかしながら、特許文献１に記載されている発明は、燃料として、石炭やスラッジを燃料として使用しているが、燃料として、バイオマスやＲＰＦなどを使用する場合には、更にＮＯｘの発生量が増加する恐れがある。

また、特許文献２に記載されている発明は、第２微細粒子セパレータ４３と対流区分４４とを清浄ガスダクト４５によって連通するとともに、清浄ガスダクト４５の入り口側に設けた注入ノズル４６から清浄ガスダクト４５内にアンモニア又はその先駆体を噴霧して煙道ガス中に含まれているＮＯｘを還元するようにしているが、２段階燃焼方式であるから、ＮＯｘを還元するために、アンモニア又はその先駆体が大量に必要になるという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、バイオマスやＲＰＦなどの窒素分の多い燃料を使用した場合でも、ＮＯｘの濃度を基準値以下に抑制するとともに、アンモニアやその先駆体などのＮＯｘ還元剤の消費量の低減を図ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成されている。

請求項１に記載の発明は、コンバスタの底部に１次空気を導入してベッド材を流動化させると共に還元域を形成し、前記ベッド材が流動化している流動層内に燃料を投入して還元雰囲気下で燃焼させ、その燃焼ガスをサイクロンを経て対流伝熱部に導入して燃焼ガスの保有している熱エネルギを回収する一方、前記コンバスタの中間部に２次空気を供給して還元域の上方に部分酸化域を形成するようにした循環流動層ボイラにおいて、
（ａ）前記コンバスタの炉出口に対向する箇所からコンバスタの炉出口に向けて３次空気を供給し、
（ｂ）前記コンバスタの炉出口からサイクロン内に流入した３次空気と燃焼ガスとをサイクロン内で混合し、
（ｃ）前記サイクロンによって混合された３次空気と燃焼ガスとをサイクロンと対流伝熱部との間に設けた空洞状の再燃焼室内に導入して再燃焼させることを特徴とする循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法である。

請求項２に記載の発明は、３次空気供給量割合を０．１〜０．５とし、コンバスタの炉出口以降の空気比を１．２〜１．３とすることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法である。

請求項３に記載の発明は、再燃焼室内の温度が８８０〜９３０℃であることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法である。

請求項４に記載の発明は、再燃焼室内のガス滞留時間が１．０〜２．０秒であることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法である。

上記のように、請求項１に記載の発明は、コンバスタの底部に１次空気を導入してベッド材を流動化させると共に還元域を形成し、前記ベッド材が流動化している流動層内に燃料を投入して還元雰囲気下で燃焼させ、その燃焼ガスをサイクロンを経て対流伝熱部に導入して燃焼ガスの保有している熱エネルギを回収する一方、前記コンバスタの中間部に２次空気を供給して還元域の上方に部分酸化域を形成するようにした循環流動層ボイラにおいて、
（ａ）前記コンバスタの炉出口に対向する箇所からコンバスタの炉出口に向けて３次空気を供給し、
（ｂ）前記コンバスタの炉出口からサイクロン内に流入した３次空気と燃焼ガスとをサイクロン内で混合し、
（ｃ）前記サイクロンによって混合された３次空気と燃焼ガスとをサイクロンと対流伝熱部との間に設けた空洞状の再燃焼室内に導入して再燃焼させるので、再燃焼室が酸素リッチの雰囲気となる。

その結果、排ガス中に残存する未燃焼分が燃焼し、再燃焼室内が高温状態（８８０〜９３０℃）となることからＮＯｘの分解が進行する。それと同時に、再燃焼室内には、注入ノズルからＮＯｘ還元剤である尿素水溶液を噴霧するため、ＮＯｘ濃度を厳しい排出基準値以下（例えば、３０ｐｐｍ）に抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、３次空気供給量割合を０．１〜０．５とし、コンバスタの炉出口以降の空気比を１．２〜１．３とするから、再燃焼室が酸素リッチの雰囲気となる。その結果、排ガス中に残存する未燃焼分が燃焼し、再燃焼室内が高温状態（８８０〜９３０℃）となることからＮＯｘの分解が促進する。

請求項３に記載の発明は、再燃焼室内の温度が８８０〜９３０℃であるから、排ガス中に残存する未燃焼分が燃焼し、再燃焼室内が高温状態（８８０〜９３０℃）となることからＮＯｘの分解が促進する。

請求項４に記載の発明は、再燃焼室内のガス滞留時間が１．０〜２．０秒であるから、排ガスや排ガス中に残存する未燃焼分の対流時間が従来に比べて長くなり、排ガス中に残存する未燃焼分の燃焼や、ＮＯｘの分解が促進する。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明方法に適用する循環流動層ボイラの概略構成図である。

この循環流動層ボイラは、火炉（コンバスタともいう。）１と、サイクロン２と、外部熱交換器３と、対流伝熱部４を備えるとともに、１次空気導入部５から火炉１の下部に１次空気ａ１を導入して火炉１の下部に流動層６を形成するようになっている。

１次空気ａ１は、火炉１の立ち上げ時に熱風発生器７によって所定温度に加熱するようになっている。ここで、１次空気比は、０．５以下、就中、０．３〜０．４が好ましい。その上、この領域でのガス滞留時間は、０．５秒程度、就中、０．４〜０．６秒が好ましい。

火炉１は、流動層６を含む火炉還元域Ａと、その上方の部分酸化域Ｂとを有している。そして、この火炉１は、火炉還元域Ａの中間部に設けた下段２次空気導入部８から下段２次空気２ａ’を導入するとともに、火炉還元域Ａの上端部に設けた上段２次空気導入部９から上段２次空気２ａ”を導入するようになっている。

ここで、下段２次空気導入後の空気比は、０．４〜０．５が好ましい。また、上段２次空気導入後の空気比は、０．８〜１．１程度が好ましい。更に、火炉還元域Ａの温度は、８００〜９００℃、部分酸化域Ｂの温度は、８５０〜９００℃が好ましい。その上、火炉還元域Ａ出口のガス滞留時間は、０．４〜０．６秒が好ましい。

この発明は、３次空気ａ３を導入する３次空気導入部１０を部分酸化域Ｂの上端部、つまり、火炉１の炉出口１ａに対向して設け、上段２次空気導入部９から３次空気導入部１０までのガス滞留時間が従来よりも長くなるようにしている（１．５〜２秒）。

更に、火炉還元域Ａに設けた第１燃料供給ライン１１から木屑や製紙スラッジなどの燃料ｂを供給し、同火炉還元域Ａに設けた第２燃料供給ライン１２からＲＰＦ燃料ｃを供給し、同火炉還元域Ａに設けた脱硫剤供給ライン１３から石灰などの脱硫剤ｄを供給するようになっている。

火炉１の炉出口１ａから排出された燃焼ガスｅ中の粒子ｆは、サイクロン２で燃焼ガスｅから分離した後、外部熱交換器３に導入される。外部熱交換器３は、隔壁１４によってホットゾーン１５とコールドゾーン１７に２分されており、ホットゾーン１５の粒子ｆは、ホットリサイクルライン１６を経て火炉還元域Ａに戻し、コールドゾーン１７の粒子ｆは、コールドリサイクルライン１８を経て火炉酸化域Ｂに戻すようになっている。

外部熱交換器３内の粒子ｆは、２つの空気噴出管１９及び２０から噴出する流動用空気によって流動するようになっている。そして、流動化後の空気ａは、エアダクト２１を経て火炉酸化域Ｂに戻すようになっている。

更に、サイクロン２の出口２ａと対流伝熱部４の入り口４ａとの間に再燃焼室（反応ゾーンともいう。）２６を設けている。この再燃焼室２６は、長尺で、かつ、横断面矩形状の容積の大きなダクト２７から成り、その上流端に設けた注入ノズル２３から尿素水溶液などのＮＯｘ還元剤ｇを噴霧するようにしている。

上記対流伝熱部４によって熱回収された燃焼ガスｅは、バグフィルタ２４によって粒子ｆを除去した後、煙突２５から大気中に排出されるようになっている。

次に、この流動層ボイラの作用について説明する。

熱風発生器７によって加熱された１次空気ａ１を、空気比が０．３〜０．４となるように火炉１の下部に導入して火炉１の下部に流動層６を形成しながら、第１燃料供給ライン１１から木屑や製紙スラッジなどの燃料ｂを供給し、第２燃料供給ライン１２からＲＰＦ燃料ｃを供給し、脱硫剤供給ライン１３から石灰などの脱硫剤ｄを供給すると、流動層６内で各種の燃料が燃焼するとともに、石灰による脱硫反応が進行する。

火炉還元域Ａには、１次空気ａ１以外に、下段２次空気導入部８から下段２次空気ａ２’が供給され、上段２次空気導入部９から上段２次空気ａ２”が供給されるが、下段２次空気導入後の空気比は、０．４〜０．５となり、上段２次空気導入後の空気比は、０．８〜１．１程度となる。このため、３次空気導入前までは、部分的に還元雰囲気となることもある。この時、火炉還元域温度は、８００〜９００℃に達する。また、火炉還元域出口ガス滞留時間は、０．４〜０．６秒となる。

更に、火炉１の上端部に設けた３次空気導入部１０から炉出口１ａに向けて３次空気ａ３を導入することにより、炉出口１ａ以降の空気比が１．２〜１．３となるとともに、上段２次空気導入部９から３次空気導入部１０までのガス滞留時間が１．５となり、従来よりも滞留時間が約３倍になることから、排気ガス中に含まれる未燃焼分の燃焼が著しく進行すると同時に、ＮＯｘの分解が進行する。

火炉１の上端部に設けた３次空気導入部１０から供給された３次空気ａ３は、サイクロン２を経て再燃焼室２６に導入され、サイクロン２、及び再燃焼室２６内が酸素リッチの雰囲気（３次空気導入後の空気比：１．２〜１．３）になるので、燃焼ガスｅ中に残存する未燃焼分が燃焼し、高温（８８０〜９３０℃）の雰囲気となる。このため、ＮＯｘの分解が、一層、進行する。

更に、この再燃焼室２６は、長尺で、かつ、横断面矩形状の容積の大きな部屋になっているために、ガスの滞留時間が従来の数倍（約３．３倍）となる一方、再燃焼室２６の入り口側に設けた注入ノズル２３からＮＯｘ還元剤である尿素水溶液ｇを噴霧するため、ＮＯｘの無害化が進み（（１）式参照）、ＮＯｘ濃度が厳しい排出基準値以下（例えば、３０ｐｐｍ）に低減できる。反応ゾーン４１の出口の空気比は、１．２〜１．３である。

２ＮＨ⁺ Ｈ₂Ｏ
（ＮＨ₂）₂ＣＯ → ＣＯ^- ＋ＮＯｘ → Ｎ₂＋Ｏ₂ ・・・・（１）
ＣＯ₂

サイクロン２によって燃焼ガスｅから分離された粒子ｆは、外部熱交換器３に導入されるが、ホットゾーン１５の粒子ｆは、ホットリサイクルライン１６を経て火炉還元域Ａに戻され、コールドゾーン１７の粒子ｆは、コールドリサイクルライン１８を経て火炉酸化域Ｂに戻される。

（実施例）
実施例
本発明を適用した循環流動層ボイラ（図１参照）により、建築廃材とＲＰＦの混合物を燃料とした運転を実施した。

運転条件を表１に示す。

その結果、空気比が１．２から１．３程度では、ＮＯｘ濃度が２０ｐｐｍ低下であり、厳しい排出基準値（例えば、３０ｐｐｍ以下）をクリアできることを実証した。

空気比が１．２より低い場合、燃料供給量の変動等の影響により、ＣＯが発生するため、好ましくない。

また、空気比が１．３以上の運転も併せて実施した。

通常、空気比の増加は、排ガス量が増加することから、動力の増大、熱ロスの増加を引き起し、不経済である。しかし、ボイラの負荷を下げることを想定すれば、空気比の高い運転となる。

この場合、低空気比での運転に比べ、ＮＯｘは高くなるが、４０ｐｐｍ以下と低い値であることが分かった。

比較例
図２に示す従来型の循環流動層ボイラ設備により、建築廃材とＲＰＦの混合物を燃料とした運転を実施した。

運転条件を表１に示す。

その結果、空気比が１．２から１．３程度では、ＮＯｘ濃度が３０ｐｐｍ前後であった。前記実施例と比較すると、ＮＯｘ濃度が１０〜１５ｐｐｍ高くなることが分かった。

また、前記実施例と同様に、空気比が１．３以上の運転も併せて実施した。

その結果、空気比の増加に伴いＮＯｘは高くなり、空気比１．３で３４ｐｐｍ、空気比１．６で７７ｐｐｍであった。

なお、従来の循環流動層ボイラ（図２参照）は、３次空気を酸化域Ｂに供給する点と、サイクロン２と対流伝熱部４とを小径のサイクロン出口ダクト２２によって接続している点が本発明と異なるだけであるから、同じ機器に同じ符号を付け、詳細な説明を省略する。

本発明方法に適用する循環流動層ボイラの概略構成図である。従来の循環流動層ボイラの概略構成図である。ＮＯｘ低減データを示す図である。従来の循環流動層ボイラの概略構成図である。従来の循環流動層ボイラの概略構成図である。

符号の説明

１コンバスタ
１ａ炉出口
２サイクロン
４対流伝熱部
６流動層
２６再燃焼室
ａ１１次空気
ａ２２次空気
ａ３３次空気
ｂ燃料
ｅ燃焼ガス
Ａ還元域
Ｂ部分酸化域

Claims

コンバスタの底部に１次空気を導入してベッド材を流動化させると共に還元域を形成し、前記ベッド材が流動化している流動層内に燃料を投入して還元雰囲気下で燃焼させ、その燃焼ガスをサイクロンを経て対流伝熱部に導入して燃焼ガスの保有している熱エネルギを回収する一方、前記コンバスタの中間部に２次空気を供給して還元域の上方に部分酸化域を形成するようにした循環流動層ボイラにおいて、
（ａ）前記コンバスタの炉出口に対向する箇所からコンバスタの炉出口に向けて３次空気を供給し、
（ｂ）前記コンバスタの炉出口からサイクロン内に流入した３次空気と燃焼ガスとをサイクロン内で混合し、
（ｃ）前記サイクロンによって混合された３次空気と燃焼ガスとをサイクロンと対流伝熱部との間に設けた空洞状の再燃焼室内に導入して再燃焼させることを特徴とする循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法。
３次空気供給量割合を０．１〜０．５とし、コンバスタの炉出口以降の空気比を１．２〜１．３とすることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法。
再燃焼室内の温度が８８０〜９３０℃であることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法。
再燃焼室内のガス滞留時間が１．０〜２．０秒であることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおけるＮＯｘ低減方法。