JP2548781B2 - 燃焼装置 - Google Patents

燃焼装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はボイラ、ガスタービン及び各種エンジンなど
の燃焼装置の改良に関し、特に該装置から排出される排
ガス中の窒素酸化物(NOx)を低減しうる燃焼装置に関
する。
〔従来の技術〕
光化学スモツグの発生に関連して、NOxに関心がよせ
られているがNOxは自動車の排出ガスに含まれているだ
けでなくジエツトエンジン、ボイラなどほとんどすべて
の燃焼装置の排ガスに含まれている。
窒素酸化物の種類は多いが燃料によつて発生し、かつ
大気汚染で問題になつているのは主に一酸化窒素(NO)
と二酸化窒素(NO2)である。NOxの生成は燃料中の窒素
分にはそれほど関係なく、燃焼用空気中のN2とO2とが高
温下で反応してNOとなり、さらにその一部が酸化されて
NO2となることによつて生成される。
これらを式(1),(2)に示す。
N2+O22NO (1) 2NO+O22NO2 (2) 又(1)式だけを考えた場合のNO濃度はほゞ表1に示
す通りである。
以上の事実より、NOx生成を抑制する手段としては、
低酸素燃料及び火炎温度の低下が有効であると考えられ
種々の手段が採用もしくは提案されていた。
それらは安藤淳平著「燃料転換とSOx・NOx対策技術」
(1983年6月25日発行)及び小早川隆著「自動車排出ガ
ス公害の問題」(日本機械学会誌、1971年3月号、第74
巻、Vol.626号、217〜227頁)などに詳述されており、
概略は次の通りである。
〔I〕:運転条件の改善 (I−1):運転空気比範囲の変更 例えば重油だきボイラにおける過剰O2の低減として
は、3%から0.3%に減少することによりNOxを約220ppm
から約100ppmに減少させた例がある。
又自動車用エンジンでも希薄燃焼の効果が報告されて
いる。
(I−2):エア・レジスター操作による燃焼室内混合
特性の変更流動床燃焼 (I−3):燃焼室熱負荷の低減 (I−4):燃焼用空気予熱の低減 〔II〕:燃焼方法の改善 (II−1):バーナの改善 混合促進法、分割火炎法、自己再循環法、段階的燃焼
法及び組込み法などがある。
(II−2):段階的燃焼法の採用 濃淡燃焼法又は二段燃焼法などであり、後者の例とし
てBurnhartらは理論空気量の90%を主バーナに送り、残
りの所要空気をバーナの下流で供給し、最高温度が1段
燃焼の火炎温度より低くなるようにしてNOxを47%減少
させたと報告している(Burnhart,D.H.,他1名、J.Air
Pollution Contr,Assoc.,10(1960),397) (II−3):排ガス循環燃焼 自動車などでは各種低減法のうち最も有望とみられて
いるもので、排気循環装着E.G.R.(Exhaust Gas Recirc
ulation)によつて5〜15%の排気を吸入させ、燃焼温
度及びO2濃度を低下させる方法である。
発電用ボイラなどについても、ガス循環フアン(G.R.
F)などを設置することで使用されている。
(II−4):水又は水蒸気噴射 ガスタービン燃焼器などで採用されており、それなり
の効果をあげている。
又、上記技術を採用してもNOx生成が排ガス規制値を
充たさぬ場合には各種NOx除去装置が採用されている。
具体的には表2に乾式法を表3に湿式法を示す。
〔発明が解決しようとする課題〕 排出ガス中のNOx濃度の規制値は、エネルギ消費総量
の増大と共に低くない。それに対応する経済的な脱硝装
置が求められているが魅力的なものがないのが現状であ
る。
即ち発生量を抑制するには燃焼温度の低減又はO2量の
低減が必要であり、燃焼効率及び出力の低下を招くこと
が多かつた。
又排ガス中からNOxを除去するには多量の触媒を又、
時にはアンモニアを必要とし設備費及び寿命の点で問題
であつた。
本発明は上記技術水準に鑑み、燃焼効率及び出力を低
下させることなく、しかも設備の安価なNOxの排出を低
くおさえることのできる燃料装置を提供しようとするも
のである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は (1) 燃焼装置、該燃焼装置からの排ガス中のNOxを
濃縮分離するガス分離装置、該ガス分離装置で濃縮され
たNOx含有ガスを前記燃焼装置に返送する手段及び前記
ガス分離装置から排出される希薄NOx含有ガスを系外に
放出する手段を具備することを特徴とする燃焼装置 である。
本発明においてガス分離装置としては、圧力変動式ガ
ス分離装置を採用するのが好ましい。圧力変動式ガス分
離装置は空気中のN2とO2を分離する際に広く使用されて
いるものであるが、相対的に高圧下で原料ガス中の易吸
着成分を吸着剤に吸着させて難吸着成分を放出させ、吸
着剤に吸着した易吸着成分を相対的に低圧下で脱着して
濃縮された易吸着成分を含有するガスを取得する装置で
ある。
〔作用〕
ガス分離装置で分離回収される高濃度NOx含有ガスを
燃焼装置に返送すると、燃焼装置の温度下の化学平衡に
より、前記(1)又は(2)式の反応は右辺から左辺に
向つて進行し、その結果NOxはN2とO2に分解されるの
で、ガス分離装置から排出される排ガス中のNOx濃度は
ある一定値以上にはならない。
また、ガス分離装置から排出される排ガス中のNOx濃
度がなお高い場合には従来より用いられている脱硝装置
を後流に設置することもあるが、NOx量が相対的に低く
なつているので、設置する脱硝装置は小型ですむことに
なる。
〔実施例1〕 第1図は本発明を発電用ボイラに適用した例を示すも
のである。
第1図において、11はボイラ、12は空気予熱器、13は
熱交換器、14は脱硫装置、15は煙突、16は燃料ポンプ、
17はエアフイルタ、18は真空ポンプ、19は高濃度NOx含
有ガス返送管、20はフアンであり、AはNOx分離回収装
置を示す。
第2図は第1図のNOx分離回収装置の一例を示す図で
あり、こゝでは圧力変動式ガス分離装置を示す。
第2図において、Aは圧力変動式ガス分離装置であ
り、A1,A2は2つの吸脱着塔、B1〜B6は弁、Cは真空ポ
ンプ、Dはボイラからの排ガスライン、Eはボイラへの
返送ライン(第1図の19に相当)、Fは低濃度NOx含有
ガスを煙突へ送るラインである。
ボイラ11からの排ガスは空気予熱器12でエアフイルタ
17を介して供給される空気を予熱し、NOx分離回収装置
(こゝでは圧力変動式ガス分離装置)Aに導かれる。こ
ゝで相当量のNOxが除去された後、フアン20、予熱器13
を経て脱硫装置14に導かれる。こゝで脱硫された排ガス
は予熱器13で昇温されて煙突15より大気中に放出され
る。
こゝにおける圧力変動式ガス分離装置においては、NO
x吸着剤を充填した脱着塔に相対的に高圧下で排ガスを
供給し、吸着剤にNOxを吸着させ、低NOx含有ガスを放出
させ、吸着剤に吸着したNOxは相対的に減圧して高濃度N
Ox含有ガスを採取するものである。
第2図における圧力変動式ガス分離装置は、連続処理
ができるように2つの吸脱着塔A1,A2を弁B1〜B6の開閉
により吸着、脱着が交互に行えるようにしたものであ
り、一方、例えば吸脱着塔A1が吸着工程にある時には他
方の例えばA2は脱着工程にあるようにしたものである。
第1図,第2図よりなる系において、ボイラ11から送
られてくる排ガス(第2図のラインDの排ガス)10,000
Nm3/h(NOx:500ppm、1.2ata、80〜100℃)を第2図の圧
力変動式ガス分離装置(吸着剤:Cu・Y型ゼオライト)
に送り、排ガス中のNOxを吸着除去した排ガス(第2図
のラインFの排ガス)は9,500Nm3/h(NOx:10ppm、1.1at
a、80〜100℃)であり、吸着したNOxを0.05ataで減圧し
て脱着し、真空ポンプCを経て取出される排ガス(第2
図のラインEの排ガス)は500Nm3/h(NOx:10,000ppm、
1.1ata、80〜100℃)であつた。
なお、この場合、ボイラ11での燃焼条件は下記の通り
であつた。
〔実施例2〕 第3図は本発明をエンジンに適用した例を示すもので
ある。
第3図において、31はピストンエンジン、32は給気混
合器、33はマフラー、34は給気弁、35は排気弁、36は燃
料混合器、37は出力軸、38は排気(高NOx含有ガス)循
環ライン、16は燃料ポンプ、17はエアフイルタであり、
Aは前記第2図によつて説明したような圧力変動式ガス
分離装置を示す。
ピストンエンジン31の排気弁35より出て来た排ガスは
圧力変動式ガス分離装置Aに導かれ、そこで高NOx濃度
含有排ガスと低NOx濃度含有排ガスとに分離され、後者
はマフラー33を経て系外に放出され、前者は排気循環ラ
イン38を経て給気混合器32に導かれ、こゝでエアフイル
タ17を介して供給された空気と混合された後、燃料混合
器36に導かれ、こゝで燃料ポンプ16によつて供給された
燃料と混合され、給気弁34を介してピストンエンジン31
内に送られる。
〔実施例3〕 第4図は本発明をピストンより排出された排ガスのも
つエネルギーを排ガスタービンで回収するプラントに適
用した例を示すものである。
第4図において第3図と同一符号は第3図と同一符号
を示し、39は排気タービン、40はコンプレツサ、41はO2
富化装置を示す。
この例はピストンエンジン31の排気弁35より出て来た
排ガスを排気タービン39でエネルギーを回収した後、圧
力変動式ガス分離装置Aに導く点、及び給気系にO2富化
装置41を設け、給気混合気32からのO2富化空気と高NOx
含有排ガスの混合気体をコンプレツサ40(この動力は排
気タービン39で回収されたエネルギーで補充される)で
加圧された後燃料混合器36に供給される点を除いては第
3図と基本的には同じである。
〔実施例4〕 第5図は本発明をガスタービンへ適用した例を示す。
第5図において、第4図と同一符号は第4図と同一部
分を示し、39aはコンプレツサ40用タービン、39bは排気
用(出力発生用)タービン、42は減速ギアを示す。
ガスタービン中、出力発生用タービン39bを出た高温
ガスは再生回転式熱交換器13を経て圧力変動式ガス分離
装置Aに導かれ、高NOx含有排ガスと低NOx含有排ガスと
に分離され、低NOx含有排ガスはマフラー33を経て系外
に放出される。
一方、高NOx含有排ガスは循環ライン38を介してコン
プレツサ40入口で空気と混合され、加圧されて燃焼部に
入る。
〔発明の効果〕
本発明燃焼装置によれば、燃焼装置から排出される
排ガス中のNOxを他の物質に転換させる装置が全く不要
もしくは著しく小型にすることができ、高温燃焼及び
酸素富化空気使用燃焼を脱NOxを考慮せずに行うことが
でき、N2分を多量に含む燃料への対応も容易になる効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を発電ボイラに適用した実施例を示す系
統図、第3図は本発明をエンジンに適用した実施例を示
す系統図、第4図は本発明を排ガスタービンに適用した
実施例を示す系統図、第5図は本発明をガスタービンに
適用した実施例を示す系統図、第2図は本発明における
NOx濃縮分離するガス分離装置の一態様としての圧力変
動式ガス分離装置の概要を説明するための図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−39198(JP,A) 特開 昭60−96812(JP,A) 特開 昭58−163421(JP,A) 特開 昭59−203625(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃焼装置、該燃焼装置からの排ガス中のNO
    xを濃縮分離するガス分離装置、該ガス分離装置で濃縮
    されたNOx含有ガスを前記燃焼装置に返送する手段及び
    前記ガス分離装置から排出される希薄NOx含有ガスを系
    外に放出する手段を具備することを特徴とする燃焼装
    置。
  2. 【請求項2】ガス分離装置が圧力変動式ガス分離装置で
    ある請求項(1)記載の燃焼装置。
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