JP2010002175A - ごみ焼却場のボイラー内に物質を注入する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ごみ焼却場のボイラーに、窒化酸化物の削減のための還元剤を注入するための単純な方法を利用できるようにすることである。
【解決手段】気体推進剤を用いて、ごみ焼却場のボイラー４に還元剤を注入するための方法であって、還元剤は、少なくとも１つの分配器８から導入され、分配器８から分岐した複数のライン１４ａ−１４ｉを介して、各ラインに割り当てられたノズル１６ａ−１６ｉに導かれ、ノズルによって還元剤と気体推進剤がボイラー４内に注入される。それぞれのノズル１６ａ−１６ｉから導入される還元剤の量は分配器８に設定され、還元剤と気体推進剤は、各ライン１４ａ−１４ｉを形成する分岐路の上流で混合されるので、簡単な構造のノズルを用いて注入すべき還元剤の量を個々のノズルに対して個別に設定でき、局所的な温度差及びボイラー内に時間的な温度変化の両方を考慮に入れて、窒素酸化物の最適な削減を確実にすることを可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載のごみ焼却場のボイラー内に物質を注入するための方法および請求項９の前文に記載の方法を実施するための装置に関する。

例えば、一般的な方法として、ガス焼却場等で行われるガス状の窒素酸化物（ＮＯX）の選択性無触媒還元法（ＳＮＣＲ）が用いられる。このようなＳＮＣＲ法は、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されている。

このＳＮＣＲ法では、通常、還元剤が水溶液（例えば、アンモニア水または尿素）中、またはガス状形式（例えば、アンモニア）で、ボイラーを通って流れる熱い煙ガス（スモークガス）内に注入される。この結果、以下の化学式に従って窒素分子が窒化酸化物に変えられる。

４ＮＯ ＋ ４ＮＨ_３ ＋ Ｏ_２ → ４Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ
２ＮＯ_２ ＋ ４ＮＨ_３ ＋ Ｏ_２ → ３Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ

この場合の最適温度範囲は、煙ガスの組成により、８５０℃〜９５０℃の範囲にある。ボイラーの対応する領域は、再燃焼室として設計されている。

上記最適温度範囲よりも高いと、アンモニアは、酸化された窒素酸化物を増加させ、この結果、アンモニアの好ましくない追加消費が起こる。上記最適温度よりも低いと、窒素酸化物の削減が不十分となる。それゆえ、煙ガスから有効に窒化酸化物を取り除くために、上記最適温度範囲にあるボイラー内にアンモニアを注入することが必要である。

従って、例えば、特許文献３では、ある温度において、煙ガス通路内に、汚染物質を減少させるための溶剤が注入される方法が開示されており、ここで、有効に汚染物質が減少する。この場合、複数のノズルが異なるゾーンに配置されており、高さ全体にわたって汚染物質が分配される。

しかし、窒素酸化物の有効な削減方法には、更なる障害があり、ボイラー内の個々の位置における温度が、通常不均一であり、著しい時間的な変動に曝される。
この点に関し、特許文献４に開示された方法は、ボイラー内の窒素酸化物の削減のための最適な温度レベルが、温度センサによって測定され、そして、還元剤を供給するためのノズルが対向する方向に向けられている。

しかしながら、実際には、ボイラー内の局所的な温度差を考慮するために、窒素酸化物の最適な削減は、供給される還元剤の量が、個々のノズルに対して設定されるときにのみ可能である。

この点に関して、特許文献５には、ボイラー上に複数のアトマイザー付きランスを一列配置し、この配置を介して添加剤がボイラーに供給される。この場合、添加剤の供給量は、分配器における各アトマイザー付きランスに対して設定される。

上記従来技術の文献における複数のノズル又はランスは、全て、２つの構成部分からなるノズル又はランスとして知られている。

こうして、例えば、上記特許文献５に記載の装置において、添加剤及び圧力媒体は、ボイラーに供給される前に直ちに混合され、結合品としてアトマイザー付きランスに割り当てられる。その結果、推進剤及び添加剤として個々に独立して計量される。

それぞれ独立した、２部品構成のランスまたはノズルは、添加剤用の特別の供給路及び圧縮空気用の特別の供給路を有する。しかし、これらの供給路は、比較的複雑な設計となる。さらに、２部品構成のランスまたはノズルは、かなり大きな寸法を有しており、これらを焼却場のボイラー内に配置することが難しい。

ドイツ国特許公開第４１３９８６２号明細書 国際特許出願ＷＯ２００６／０５３２８１号 国際特許出願ＷＯ９１／１７８１４号 ドイツ国特許出願第４３４９４３号明細書 ドイツ国実用新案出願番号第20 2006 013 152号

ＳＮＣＲ法での慣習としてアンモニアが注入される場合、２部品構成のノズルに基づくシステムでは、一般に、アンモニアは、アンモニア水の形式で希釈した溶剤として存在する。これにより、それぞれの２構成部品のノズルに対してアンモニアの均一な分布を確実にする。この目的のため、ノズルまたはノズルに導く液体ライン内に堆積する石灰を最小限に抑えることから、一般的に、軟水が用いられる。

２部品構成のノズルに基づくシステムは、アンモニアを軟水で希釈することによる費用の増加とともに、制御の応答が遅いという欠点を有する。即ち、ボイラー内の時間的な温度変化が、はっきりした遅れの後でしか反応することができない。特に、一般的な公知のシステムでは、ボイラー内の温度ピークの指示を適切に与えることができない。

それゆえ、本発明の目的は、ごみ焼却場のボイラー内に、物質、特に、窒化酸化物の削減のための還元剤を注入するための単純な方法を利用できるようにすることである。

この目的は、本発明に従って、請求項１に記載の方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属する請求項に記載されている。

請求項１の構成によれば、気体推進剤を用いてごみ焼却場のボイラーに物質を注入する方法であって、前記物質は、少なくとも１つの分配器から導入され、該分配器から分岐した複数のラインを介して、各ラインに割り当てられたノズルに導かれ、該ノズルによって前記物質と前記気体推進剤がボイラー内に注入され、それぞれの前記ノズルから導入される物質の量が分配器に設定され、前記物質と前記気体推進剤は、各ラインを形成する分岐路の上流で混合されることを特徴とする。

即ち、注入される物質は、少なくとも１つの分配器から導入され、前記分配器から分岐した複数のラインを介して、それぞれのラインに割り当てられたノズルに導入される。それぞれのノズルに導入されるべき物質の量は、分配器において設定される。

本発明によれば、注入されるべき物質と気体推進剤は、分配器からそれぞれの分岐路に分岐される前に混合されるので、物質と気体推進剤を含む混合物は、分岐する前に存在する。その結果、例えば、ヨーロッパ特許出願第０３６４７１２号に記載されているように、構造が簡単で強固な１構成部品のノズルを用いることができる。この文献は、参照することにより本明細書に包含される。

本発明の実施形態によれば、それぞれの前記ノズルに導入される物質の量の設定を変化させる場合、この変化量は、自在に変えられる。
これまで、注入されるべき物質の量の設定は、２部品構成のノズルを用いてのみ実施できることと仮定してきた。しかし驚いたことに、１部品構成のノズルを用いた場合でも、注入すべき物質の量を個々のノズルに対して個別に設定することが可能であることがわかった。

本発明の方法は、主として、上述のＳＮＣＲ法が用いられる。一般的に、注入されるべき物質は、窒素酸化物を削減するための還元剤、特に、アンモニアまたは尿素である。

本発明は、ボイラー内の各位置に対する温度プロフィールに応じて、注入すべき還元剤の量を各ノズルに対して個別に設定することが可能になる。これにより、確実になることは、還元剤が、力点に応じて注入され、削減のための最適温度範囲が提供される。
この結果、窒素酸化物の削減率が向上し、還元剤の変動及び大きな消費量を最小化し、この結果、全体として、経済的かつ環境的な作業を得ることになる。

注入される還元剤の全体量は、ボイラーの下流に存在する煙ガス中の窒素酸化物に応じて調整される。それぞれの前記ノズルに導入される還元剤の量は、前記ボイラー内の温度プロフィールに応じて調整される。前記温度プロフィールは、少なくとも２つの測定装置によって測定される。使用される前記測定装置は、放射高温計である。さらに、使用される前記気体推進剤は、エアまたは蒸気である。

本発明の実施形態によれば、それぞれのノズルに導入される物質の量の設定を変える場合、この変化は、非常に変動する方法、即ち、連続して実施される。
一般的に、ノズルは、複数個、好ましくは、少なくとも３つの水平ノズル平面に配置されている（ここで、一般に、煙ガスの流れ方向に対して直交する方向に）。

本発明の方法の上記実施形態によれば、注入されるべき物質の量は、第１ノズル平面から別のノズル平面に無限に変化させて移動することができる。即ち、物質の量は、第１水平ノズル平面において無限に減少させ、また更なる水平ノズル平面では、無限に増加させることができる。これにより、急なノズル平面の変更、またこれと同時に起こる不明確な過度的状態の場合に対応するものではないが、ＳＮＣＲ法の場合、時間と共に変動する温度に対して、最適に反応する。

さらに、本発明は、迅速に上記無限に変えられる変化または移動を実施することを可能にする。これは、とりわけ、本発明に係る方法において、物質の重要な希釈が、例えば、実施され、２部品構成のノズルに基づくＳＮＣＲ法の場合には必要とされない。本発明は、簡単な温度変化に対しても最適に反応することが可能である。

一般に、注入されるべき還元剤の全体量は、ボイラーの下流に存在する煙ガス内の窒素酸化物の内容積に応じて調整される。この目的のため、窒素酸化物の内容積を測定するための手段が、ボイラーの下流に配置されている。この場合に測定される窒素酸化物の内容積は、還元剤の必要とされる全体量を調整するために、予め決められた所定値と比較される。

窒素酸化物の高い削減率を、還元剤の最小消費と共に、できる限り確実にするために、それぞれのノズルに導入すべき還元剤の量が、ボイラー内の温度プロフィールに応じて、可能ならしめるために、一般に調整される。こうして、還元剤が大いに削減されるための最適温度範囲の場所に力点を置いて注入される。

原理的に温度プロフィールを決定するために、この目的に最適な温度測定装置が考慮される。最適な温度測定装置は、当業者には良く知られたものである。特に、好ましくは、使用される温度測定装置は、ガス温度を正確に測定することができる放射高温計として知られているものである。

煙ガスの流れ方向に落ちる温度勾配は、当業者に知られたアルゴリズムによって決定することができる。こうして、定められた位置での温度が測定されることにより、ボイラー内に拡がる温度プロフィールは、流れ方向において測定することができる。

さらなる位置での温度が測定されると、２つの温度位置間での補間により、流れ方向に直交する温度プロフィールを決定することが可能である。２つの異なる位置での温度の測定は、二次元における温度プロフィール全体を決定することを可能にする。従って、ボイラー内の温度プロフィールは、好ましくは、少なくとも２つの温度測定装置によって測定される。例えば、少なくとも２つの温度測定装置は、分配器に対して設けられることが考えられる。

局所的に必要とされる還元剤の量は、局所的な流速による。これは、遅い流速の場合よりも速い流速の場合において、より多くの還元剤が必要とされるからである。この点に関して、それぞれのノズルに導入される還元剤の量は、ボイラー内の煙ガスの流速分布に応じて付加的に調整されると想像できる。この場合、一般に、１回のみの流れ速度を測定することで十分である。

本発明によれば、個々のノズルに導かれる還元剤の量の設定は、分配器において行われる。具体的には、計量された還元剤は、本発明に従って、それぞれのノズルに通じるラインの分岐路の上流での気体推進剤の流れの中に供給される。こうして、分岐路の上流では、気体推進剤と還元剤を含む混合物が存在する。

さらに、一般に、気体推進剤の量の分配が起こる。この場合、第１の推進剤の量は、還元剤が作用するノズルに対して設定される。一方、還元剤が作用しないノズルに対しては、第２の推進剤の量が、上記ノズルを冷却するために設定される。
この場合、分配に関しては、対応する目的のために最適な、当業者に良く知られた手段が考えられる。例えば、還元剤または気体推進剤の量が、調整弁によって設定される。

還元剤は、好ましくは、水溶液として存在する。溶解アンモニアの場合、アンモニア水と見なされる。好ましくは、商業的に利用可能なアンモニア溶液が用いられ、例えば、２５％アンモニア溶液が用いられる。しかし、ボイラー内に拡がる温度で、アンモニアを放出する他の水溶液、例えば、炭酸アンモニウム、ギ酸アンモニウム、および／またはシュウ酸アンモニウム等のアンモニウム塩を含む水溶液を想定することもできる。

使用される気体推進剤は、好ましくは、空気または蒸気である。
使用される気体推進剤が、例えば、空気である場合には、アンモニア水が、空気の流れの中に供給され、その後直ちに、個々のノズル、または各ノズルに通じるそれぞれのラインに分配されるとき、注入されるべきアンモニア水は、粒子状に噴霧される。合体した液滴は、音速で通過する流れで、再びノズル内に噴霧される。

アンモニア水が作用するノズルにおいて、一般に、約１〜５バール（0.1〜0.5MPa）の流入圧力が設定されると、ボイラー内で蒸発するアンモニア水またはアンモニアは、煙ガスの流れの中に十分に貫通することができる。作動状態にないノズル、即ち、アンモニア水が作用しないノズルは、冷却の目的のためにより少ない空気の量を流す。こうして、それぞれのノズルに通じるラインの分岐路の上流では、第１の空気流が、アンモニア水が作用するノズルに対して設定され、更に、第１の空気流よりも弱い更なる空気流が、作動状態にないノズルに対して設定される。

分配器から分岐し、そして、それぞれのノズルに通じる複数のラインは、一般に、例えば、当業者に良く知られたパイプ形式である。使用されるノズルは、例えば、円形ジェットノズルまたはファンノズル、更に当業者に知られている適当なノズルとすることができる。特に、円形ジェットノズルとファンノズルとを交互に配置することが考えられる。

さらに、本発明の前記方法を実行するための装置は、少なくとも１つの分配器を有し、ボイラー内に前記物質及び気体推進剤を注入するため、前記分配器から分岐した各ラインを通じてそれぞれのノズルに、前記物質及び気体推進剤を導き、
前記分配器は、それぞれの前記ノズルに導入されるべき物質の量を設定するための手段として割り与えられており、さらに、前記分配器から、各ラインの分岐路の上流側で、前記物質及び気体推進剤を混合するための手段を含んでいることを特徴としている。

この方法は、所望の物質の量を、個々の注入点に向けられた方法で設定することが可能であり、また、この設定を迅速に適応させることが可能である。
特に、この方法は、装置に関して出費を抑えることが可能であり、ＳＮＣＲ法において、還元剤の最小限の消費を伴って、また、局所的な温度差及びボイラー内に時間的な温度変化の両方を考慮に入れて、窒素酸化物の最適な削減を確実にすることが可能である。

本発明に係るごみ焼却場のボイラーに配置された装置の概略図である。 ボイラー高さと温度範囲の関係を示すグラフで、ボイラー内の温度分布の領域が描かれ、これに重なるＳＣＮＲ法の最適温度範囲を示す図である。

本発明の方法及び装置は、添付する図面を参照して以下で説明する。

図１は、本発明に従う装置の概略図を示し、ここで、ごみ焼却場のボイラーに割り当てられるノズルがあり、全体で９個のノズルが、３つのノズル平面上に割り与えられている。

図２は、ボイラー高さ（縦座標）に応じてそれぞれの温度範囲（横座標）がプロットされたグラフであり、この図では、ボイラー内の温度分布の領域が描かれ、これに重なるＳＣＮＲ法の最適温度範囲をクロスハッチングで示されている。

図１によれば、装置２は、ごみ焼却場のボイラー４に配置されている。このボイラーには、煙ガスが流れる。煙ガスの方向は、この場合、平行な矢印６で示されている。
装置２は、分配器８を含み、この分配器８は、物質を供給するための供給ライン１０を有する。供給ラインは、分配器に流入して、特に、窒素酸化物を削減するための還元剤を供給する。また、分配器は、推進剤を供給するための供給ライン１２を有している。全体で９つのライン１４a-iが、分配器から分岐し、そのうち３つのライン１４ａ,１４ｂ,１４ｃは、第１の水平ノズル平面上のノズル１６ａ,１６ｂ,１６ｃに導かれる。また、３つのライン１４ｄ,１４ｅ,１４ｆは、第２の水平ノズル平面上のノズル１６ｄ,１６ｅ,１６ｆに導かれる。さらに、ライン１４ｇ,１４ｈ,１４ｉは、第３の水平ノズル平面上のノズル１６ｇ,１６ｈ,１６ｉに導かれる。

この場合において、３つのノズル１４ａ,１４ｄ,１４ｇ、ノズル１４ｂ,１４ｅ,１４ｈ、及びノズル１４ｃ,１４ｆ,１４ｉは、それぞれ、他の上方に位置するので、これらは、垂直ノズル平面に位置する。

さらに、分配器は、２つの温度測定装置１８ａ、１８ｂを配置し、これらの温度測定装置によって、ボイラー４内の行き渡る温度プロフィールが、上述したように２つの側面で絶えず測定される。

装置２は、ＳＮＣＲ法において使用され場合、一般的に、ボイラーの下流に存在する窒素酸化物の含有量を測定するための手段（図示略）が、付加的に設けられている。この手段によって、注入される還元剤の全体量が調整される。

温度プロフィールに応じて、それぞれのノズルに導入される還元剤の量は、分配器２に設定され、そいて、推進剤が混合される。計量された還元剤の量を含む推進剤の流れは、それぞれのライン１４a-i を介して所望の位置にあるノズル１６a-i に続いて導かれ、さらに、底からボイラー４内に注入される。ノズルは、還元剤によって作用を受けないノズルは、分配器８内に設定されたより少ない同様の推進剤の量によって冷却される。

上述のＳＮＣＲ法において使用される還元剤は、好ましくは、アンモニア水であり、このアンモニア水は、空気又は蒸気からなる推進剤の流れで供給される。この場合、窒素酸化物の削減のために８５０℃〜９５０℃の最適温度範囲で注入される方法で、アンモニア水の分配が起こる。

この概念は、更に図２に示されており、これに従って、従来のボイラーの温度分布範囲は、一般的に、ボイラーの最低層領域、即ち、火格子の上方約２〜４ｍにおいて、概略１０００℃から１１００℃であり、ボイラーの最上層領域、即ち、火格子の上方約２０〜４０ｍにおいて、概略７００℃〜９００℃である。

ＳＮＣＲ法における最適温度範囲で重なる領域が、クロスハッチングで図示され、この領域は、３つの水平なノズル平面上に分配されたノズルが、窒素酸化物を最適に削減する作業状態にあることに対応している。

ボイラー内のこれらの水平なノズル平面の位置は、図２で矢印によって示されている。この場合に、ノズル平面は、互いに不規則な距離に配置される。しかし、ボイラーによってノズル平面を規則正しい配置に想定することもできる。

このように対応するボイラーに対するグラフによって、ノズル平面の配置における上方が与えられ、ノズル平面は、好ましい温度範囲での注入を確実にするために選択されるべきである。

ＳＮＣＲ法のためのアンモニア水の計量の具体的な実施例が表１に示されている。

この実施例によれば、ボイラーは、４つのボイラー部分に分割されている。正確には、背面左側のボイラー部分（ＨＬ）、背面右側のボイラー部分（ＨＲ）、前面左側のボイラー部分（ＶＬ）、前面右側のボイラー部分（ＶＲ）である。複数のノズルが、３つの水平ノズル平面上の上記ボイラー部分内に配置されている。

各ボイラー部分に対して、所定の場所での温度が、放射高温計によって測定された。表１に示された適切なファクターの乗算により、ボイラー部分内の個々のノズル平面での温度が、それぞれ測定された温度に基づいて決定することができる。

時間当たり１０ｋｇのアンモニア水（２５％アンモニア溶液）が、ボイラー部分に注入される。この場合、計算された温度プロフィールに応じて、個々のノズル平面に対するアンモニア水の割り当てが起こる。特に、アンモニア水が注入されるような方法において、主として、窒素酸化物の削減のための最適な温度範囲が提示される。

さらに、表１から明らかなように、時間当たり100ｋgの推進剤／冷却空気の量がノズルに対して設定されており、これらがアンモニア水に作用するが、一方、ノズルが、アンモニア水に作用されない場合、時間当たり５０ｋgの削減された推進剤／冷却空気の量に削減されると、ノズルは、アンモニア水によって作用を受けず、時間当たり５０ｋgの推進剤／冷却空気の量が、上記ノズルを冷却するために設定される。

２ 装置
４ ボイラー
８ 分配器
１０,１２ 供給ライン
１４a〜i ライン
１６a〜i ノズル
１８a,b 測定装置

Claims (9)

1. 気体推進剤を用いてごみ焼却場のボイラー（4）に物質を注入する方法であって、
   前記物質は、少なくとも１つの分配器（8）から導入され、該分配器から分岐した複数のライン（14a-i）を介して、各ラインに割り当てられたノズル（16a-i）に導かれ、該ノズルによって前記物質と前記気体推進剤がボイラー（4）内に注入され、
   それぞれの前記ノズルから導入される物質の量が分配器に設定され、前記物質と前記気体推進剤は、各ライン（14a-i）を形成する分岐路の上流で混合されることを特徴とする方法。
2. それぞれの前記ノズル（16a-i）に導入される物質の量の設定を変化させる場合、この変化量は、自在に変えられることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記物質は、窒素酸化物を削減させる還元剤で、特にアンモニアまたは尿素であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 注入される還元剤の全体量は、ボイラー（4）の下流に存在する煙ガス中の窒素酸化物に応じて調整されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. それぞれの前記ノズル（16a-i）に導入される還元剤の量は、前記ボイラー（4）内の温度プロフィールに応じて調整されることを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
6. 前記温度プロフィールは、少なくとも２つの測定装置（18a,b）によって決定されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 使用される前記測定装置（18a,b）は、放射高温計であることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 使用される前記気体推進剤は、エアまたは蒸気であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の前記方法を実行するための装置であって、
   少なくとも１つの分配器（8）を有し、ボイラー（4）内に前記物質及び前記気体推進剤を注入するため、前記分配器から分岐した各ラインを通じてそれぞれのノズル（16a-i）に、前記物質及び前記気体推進剤を導き、
   前記分配器（8）は、それぞれの前記ノズル（16a-i）に導入されるべき物質の量を設定するための手段として割り与えられており、
   さらに、前記分配器（8）から、各ライン（14a-i）の分岐路の上流側で、前記物質及び前記気体推進剤を混合するための手段を含んでいることを特徴とする装置。

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