JP2012521530A - 化石燃料及びバイオ燃料燃焼装置における排出物低減及びエネルギー効率改善のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、温水ボイラーとエバポレーターと熱回収システムとを含む温水装置であって、前記温水ボイラーは、上壁、底壁及び側壁と、前記上壁に接続する炎管と、第一のハウジングの側壁に固定されたバーナーと、前記バーナーに接続された可燃物供給装置とを有し、前記エバポレーターは、ハウジングを有し、当該ハウジングは、出口と、前記ハウジング内に配置される熱交換エレメントと、前記熱交換エレメントに離間して上方に位置する放水装置とを有するハウジングを有し、前記エバポレーターは、燃焼生成物の露点を上昇させるため、及び燃焼時のＮＯｘ排出物を低減するための湿潤空気の原料を前記バーナーに提供し、前記熱回収システムは、前記炎管に接続し、ここにおいて前記放水装置に使用される水を加熱するために熱が利用される、温水装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は温水装置に関するものである。ＮＯｘ生成を低減するために水量と空気温度が循環制御される温水装置に関する。

エネルギー価格の高騰下にあって、石炭は石油や天然ガスに比べ安価なエネルギーとなっている。石炭は高レベル汚染物質であることも一因となり、温水ボイラーにおける燃料源としての石炭の大部分は、天然ガス、電気及び石油に代替されている。しかし、石炭は経済的であるため、石炭バーナーを使用する温水装置の需要が増加している。石炭は経済的であるが、特に、スモッグ、酸性雨等のような環境問題の原因であるＮＯｘを生成する。

天然ガスバーナーでは、吸気を湿潤化することにより大幅な省エネルギーとＮＯｘ削減を達成できることはよく知られている。しかし、経済性を維持する目的で、このような空気湿潤化装置は、スチームポンプ原理に基づき燃焼排ガスのエネルギーを利用してバーナー燃焼用空気を加温し湿潤化している。

現在の技術水準において、このような装置は、燃焼排ガスの水分量が高いという理由から天然ガスバーナーに限定されている。この燃焼排ガスを冷却して得られる凝縮物は約１４０℃であり、これを用いてバーナーの吸気を加温し湿潤化する。エネルギー移動はこの温度によって制限される。

しかし、石炭が生成する燃焼排ガスは、天然ガスに比べかなり水分量が低いため、このガスの露点が低すぎるため、スチームポンプの設計には使用できない。

従って、熱回収システムを利用してバーナーへの吸気流を加温湿潤化するボイラーが非常に望まれている。

本発明の一形態によれば、本発明の温水装置は、温水ボイラーと、炎管と、バーナーと、可燃物供給装置と、エバポレーターと、熱交換エレメントと、熱回収システムとを含む。温水ボイラーは、上壁、底壁及び側壁を有する。炎管は、上壁に接続されている。バーナーは、第一のハウジングの側壁に固定されている。可燃物供給装置は、そのバーナーに接続されている。エバポレーターは、ハウジングを有し、そのハウジングは、出口と、ハウジング内に配置される熱交換エレメントと、熱交換エレメントに離間して上方に設けられた排水装置とを有する。エバポレーターは、燃焼生成物の露点を上昇させるため、及び燃焼時のＮＯｘ排出物を低減するために、湿潤空気源をバーナーに提供し、熱回収システムは、炎管に接続され、そこで、排水装置に使用される水を加熱するために熱が利用される。

本発明の具体的な実施形態において、さらに、温水装置は、燃焼排ガスアナライザーと、コントローラーとを含む。燃焼排ガスアナライザーは、炎管とエバポレーター出口に接続されており、二酸化炭素（ＣＯ₂）、サーマルＮＯｘ、フューエルＮＯｘ及び水（Ｈ₂Ｏ）の少なくとも一種の濃度を測定し、かつ、エバポレーター出口における温度と水分量を測定する。コントローラーは、燃焼排ガスアナライザーから得られる数値を分析する。コントローラーは、これら数値の少なくとも一つが、単独又は組み合わせで次善の燃焼条件を示す場合、温水装置の運転パラメータを最適な燃焼条件に到達するよう調整する。

本発明の好ましい実施形態においては、熱回収システムは、間接的節減装置のような温水供給源である。コントローラー出力に基づく適正量の水を、熱回収システムから取り出す。他のタイプの熱回収システムも本発明に適切であること、及び熱回収システムからの熱とは独立して水を加熱できることも理解されよう。

本装置は、温水ボイラーの代わりに、スチームボイラーや熱電供給装置等、他のタイプの加熱装置が使用され得る。

本発明の更なる形態や利点は、以下に関連する記載を参照することにより、さらに良く理解されよう。

本発明の装置の一実施形態を示す簡略化された概略図である。

本発明は温水装置に関し、熱回収システムから回収される温水を加熱し、吸気流を湿潤化してバーナーに利用する。本発明の目的は、エネルギー消費を低減し、サーマルＮＯｘ及びフューエルＮＯｘが低減されるように火炎温度を下げることにある。本発明の利点は、水量及び空気温度を循環制御することにより、悪影響が現れる前にこれらを最高濃度とすることにある。

以下のパラメータが役割を果たす。すなわち、エアーパイプ内の空気中に水滴を存在させつつ、エアーパイプ内で水を凝結させること、燃焼維持のため酸素利用率を低下させること、及び、煤のような燃焼残渣を存在させることである。

ある種の石炭や石油等の含窒素燃料から発生するＮＯｘは、主に燃料結合窒素が、燃焼の際、ＮＯｘへ転換されて供給される。燃焼中、燃料結合窒素は、フリーラジカルとして遊離し、最終的に遊離のＮ₂又はＮＯを生成する。燃料由来のＮＯｘは、石油を燃やした場合には全排出物の約５０％となり得る、石炭を燃やした場合には約８０％となり得る。本発明者らは、燃焼用空気を湿潤化することにより、遊離のＮ₂又はＮＯに変換される燃料結合性のＮＯｘの量を大幅に低減する。

抑制手法
本装置の目的は、燃焼用空気中の水蒸気がガス化を促進する条件を提供することにより、石炭バーナー、石油バーナー又は任意のバイオマスバーナーの燃焼空気の水分量を最大限実用レベルに維持することを保証することにある。

ガス化とは、固体炭素材料（石炭、石油製品又はバイオマス）を熱化学反応によって合成ガスとして知られている燃料ガスに変換する処理である。合成ガスは、水素及び一酸化炭素に富む。最適でない条件下でこの処理を実施するには酸化剤（空気、酸素、水蒸気又はこれらの組み合わせ）が必要である。しかし、工業的には空気と水蒸気の混合物が酸化剤として通常用いられる。合成ガスは、直接タービン又はボイラーに送り込まれ燃焼される。処理の全過程は、次のような幾つかの工程と区域において行われる。
Ａ）熱分解
Ｂ）酸化
Ｃ）ガス化及び水素化

熱分解工程は、酸素非存在下で固体炭素材料が加熱（３０２〜１２９２°Ｆ）されて進行し、揮発成分（タール、水素及び一酸化炭素）が遊離され、チャーを産生する。固体材料の重量損失は、揮発成分含有量及び操作条件に依存する。

酸化ゾーンにおいては、チャーと遊離揮発成分の一部により、次の発熱酸化反応が行なわれる（１２９２〜３６３２°Ｆ）。：
Ｃ ＋ Ｏ₂ ⇔ ＣＯ₂ （１）
Ｃ ＋ １／２Ｏ₂ ⇔ ＣＯ （２）
ＣＯ ＋ １／２Ｏ₂ ⇔ ＣＯ₂ （３）
２Ｈ₂ ＋ Ｏ₂ ⇔ ２Ｈ₂Ｏ （４）
ここでは、Ｃは、炭素を含む固体及び／又はチャーを表わす。

ガス化及び水素化段階が行われると、燃焼生成物、未燃焼生成物及び水蒸気がチャコール床を通過し、この床において次の反応が起こる（１４７２〜２０１２°Ｆ）：
Ｃ ＋ ＣＯ₂ ⇔ ２ＣＯ （５） ブードワ反応（吸熱）
Ｃ ＋ Ｈ₂Ｏ ⇔ Ｈ₂ ＋ ＣＯ （６） 水性ガス反応（吸熱）
ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ ⇔ ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ （７） 水性シフト反応（発熱）
Ｃ ＋ ２Ｈ₂ ⇔ ＣＨ₄ （８） メタン化（発熱）

可逆の気相水性ガスシフト反応は、ガス化装置温度で非常に早く平衡に達し、その結果、一酸化炭素、二酸化炭素及び水素の濃度バランスがとれることは重要である。

ガス化用空気を湿潤化する目的は、ガス化処理全体を改善し、生成する合成ガスの品質と発熱量を向上させることにある。

この処理を最適に制御するために、二種のパラメータ（火炎温度と燃焼排ガスの一酸化炭素（ＣＯ）レベル）を、絶えず監視する。燃焼用空気の水分量が増加するにつれ、火炎温度は低下し、一酸化炭素（ＣＯ）含量が上昇する。

火炎温度は、燃焼排ガス温度から推定する。一酸化炭素（ＣＯ）レベルは、燃焼排ガスを測定して決定する。一酸化炭素（ＣＯ）濃度が、上限の４００ｐｐｍに維持されつつ、燃焼排ガスの温度が、既定値を下回る場合、燃焼用空気の高水分含有によって燃焼処理が、悪影響を受けることが示唆される。

制御装置は、これら二種の出力パラメータと以下の入力パラメータを同時に監視する。
１．外気温度／湿度比。
２．水の入口流量と温度。エバポレーターにおける燃焼用空気の湿潤化レベルを制御するために、水の入口流量及び出口流量と温度を測定することが必要である。
３．エバポレーターから出る飽和燃焼用空気の温度。

燃焼排ガス温度と一酸化炭素（ＣＯ）含有量が、次善の燃焼条件を示す場合、制御装置は、上述の入力項目（１〜３）を変更して最適な燃焼条件を再確立する。この制御装置は、優先順位に従って、これら３種の入力パラメータに基づいて制御される。

図１を参照して、本発明の温水装置の一実施形態（１０）を示す。本装置（１０）は、垂直な筒状のハウジング（２２）を有するエバポレーター（２０）を備える。熱
交換エレメント（２４）は、ハウジング（２２）内に備えられる。熱交換エレメント（２４）の頂上部の放水装置（２６）から散水され、この水はハウジング（２２）を水滴として落下する。湿潤化された空気は出口（２８）から排出され、温水ボイラー（３０）のバーナー（３８）に達する。下降する温水流は、空気入口（２９）から供給される上昇気流と熱交換を行う。熱交換性能を向上させるために、さまざまな技術（充填物、スプレーヘッドの数、水滴の大きさ）が利用される。空気が飽和され、露点が約１９０°Ｆとなるため、再加熱コイルを用いて更に空気を暖めることにより、パイプ又はボイラーエレメント内での水蒸気凝縮を防止する。

温水ボイラー（３０）は、上壁（３２）、底壁（３４）及び側壁（３６）を有し、バーナー（３８）は、側壁（３６）の一つに固定される。可燃物供給装置（３９）が、バーナー（３８）に取り付けられ、必要な可燃物を供給する。温水ボイラー（３０）は、燃焼排ガスを排出するための炎管（４０）を更に有する。炎管（４０）は、熱回収システム（４２）（間接節減装置）に接続され、温水供給源として利用される。

続いて燃焼排ガスは、二酸化炭素（ＣＯ₂）、サーマルＮＯｘ及びフューエルＮＯｘ、水（Ｈ₂Ｏ）及び他のいずれかの燃焼排ガスのパラメータを測定する燃焼排ガスアナライザー（５０）を通過する。このアナライザーは、エバポレーター（２０）の出口（２８）における温度と水分量も測定する。燃焼排ガスアナライザー（５０）は、コントローラー（６０）に接続する。コントローラー（６０）は、燃焼排ガスアナライザー（５０）からの情報を利用してエバポレーター（２０）に供給する温水の適切な量を、水温と燃焼の質に基づいて決定する。制御アルゴリズム（ファジー論理又は他の論理）によって、最適な操業条件が維持される。かかる操業条件により、バーナー効率を低下させることなく、最大限の省エネルギーが達成され、大気中の許容限界まで汚染性排出物が低減させられる。

２０ エバポレーター
２２ ハウジング
２４ 熱交換エレメント
２６ 放水装置
２８ 出口
２９ 空気入口
３０ 温水ボイラ
３２ 上壁
３４ 底壁
３６ 側壁
３８ バーナー
３９ 可燃物供給装置
４０ 炎管
４２ 熱回収システム
５０ 燃焼排ガスアナライザー
６０ コントローラー

Claims (2)

1. 温水ボイラーと、エバポレーターと、熱回収システムとを含む温水装置であって、
   前記温水ボイラーは、上壁、底壁及び側壁と、前記上壁に接続する炎管と、一側壁に固定されたバーナーと、前記バーナーに接続された可燃物供給装置とを有し、
   前記エバポレーターは、ハウジングを有し、当該ハウジングは、出口と、前記ハウジング内に配置される熱交換エレメントと、前記熱交換エレメントに離間して上方に設けられた放水装置とを有し、前記エバポレーターは、燃焼生成物の露点を上昇させるため、及び燃焼時のＮＯｘ排出物を低減するための湿潤空気の原料を前記バーナーに提供し、
   前記熱回収システムは、前記炎管に接続され、ここにおいて前記放水装置に使用される水を加熱するために熱が利用される、温水装置。
2. 請求項１に記載の温水装置であって、燃焼排ガスアナライザーとコントローラーとを更に有し、
   前記燃焼排ガスアナライザーは、前記炎管及び前記エバポレーターの出口に接続されており、二酸化炭素（ＣＯ₂）、サーマルＮＯｘ、フューエルＮＯｘ及び水（Ｈ₂Ｏ）の少なくとも一種の濃度を測定し、且つ前記エバポレーターの出口における温度と水分量を測定し、
   前記コントローラーは、二酸化炭素（ＣＯ₂）、サーマルＮＯｘ、フューエルＮＯｘ及び水（Ｈ₂Ｏ）の少なくとも一種の濃度を測定し、且つ前記エバポレーターの出口における温度と水分量を分析し、これら数値の少なくとも一が、単独又は組み合わせで次善の燃焼条件を示す場合、前記温水装置の操業パラメータを最適な燃焼条件に到達するよう調整する、温水装置。