JP3665542B2 - Ｎｏｘ低減のための燃料希釈方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび燃焼用空気の燃焼中の窒素酸化物の発生を低減するための燃料希釈方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素酸化物（ＮＯ_X ）は、高温における燃料／空気混合物の燃焼中に発生する。窒素と酸素との間の初期の比較的急速な反応が燃焼帯において優先的に起こり、Ｎ₂＋Ｏ₂→２ＮＯの反応に従って酸化窒素が発生する。酸化窒素（「即発ＮＯ_X 」ともいう）は燃焼帯外でさらに酸化されて、２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂の反応に従って亜酸化窒素を発生する。
【０００３】
窒素酸化物の放出は、スモッグ発生や酸性雨などを含む多数の環境問題に関係している。政府当局および機関による厳格な環境排ガス規制基準が採用されたことを受けて、燃料／空気混合物の燃焼によって発生する煙道ガス中の窒素酸化物の発生を抑制するための方法および装置がこれまでに開発され、使用されてきた。
【０００４】
たとえば、定比濃度未満の酸素中で燃料を燃焼させ、意図的にＣＯおよびＨ₂の還元的環境を作るといった方法および装置が提案されてきた。この概念は段階的空気バーナ装置において利用されており、該装置においては、ＮＯ_X 形成を抑制する還元的環境を与える第１ゾーンにおいて空気欠乏下で燃料を燃焼させ、第２ゾーンに空気の残留部分が導入される。
【０００５】
バーナ構造物中で煙道ガスを燃料または燃料／空気混合物と混合することにより、混合物を希釈してそれらの燃焼温度およびＮＯ_X 形成を低下させるという別の方法および装置も開発されている。他のアプローチとしては、煙道ガスを再循環させて、当該バーナの上流のバーナに供給される燃焼用空気と混合するものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
煙道ガスによってＮＯ_X 放出を低減する上述の技術はＮＯ_X 形成および煙道ガスのＮＯ_X 含量を低減するのに効果的ではあったが、この技術には不都合や欠点がある。たとえば、既存の炉（ボイラーを含む）を煙道ガス再循環用に転換する際に、たいていの場合、既存の一つまたは複数のバーナおよび／または燃焼用空気ブロワおよび関連する装置を改造または交換する必要がある。
【０００７】
たいていの場合、改造によって火炎の広がりが大きくなり、他の燃焼帯が変化するため、改造されたバーナが設置される炉の内部に改変を行わなければならない。この必要とされる変更および改造は、たいていの場合はかなりの資本支出を伴い、改造された炉およびバーナは、たいていは交換前に比べて運転および保守が難しく費用もかかる。
【０００８】
したがって、これまでに必要であった実質的な改造および支出を伴わずに、既存の炉において或いは既存の炉から、ＮＯ_X 形成および放出を低減するための改良方法および装置を得ることが要求され続けている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の要求を満たし、先行技術の欠点を克服する方法および装置を提供する。炉に接続されたバーナ中に導入された、少なくとも実質的に定比の燃料ガスと燃焼用空気との混合物の燃焼によって発生する煙道ガス中の窒素酸化物含量を低減するための本発明の方法は、基本的に以下の工程を含んでいる。
【００１０】
燃焼用空気がバーナに案内され、バーナおよび炉の外側に炉からの煙道ガスと燃料ガスとを混合するためのチャンバが設けられる。燃料ガスは、炉からの煙道ガスがチャンバに引き込まれてその内部の燃料ガスと混合されてこれを希釈するように、燃料ジェットの形態で混合用チャンバ内に放出される。混合用チャンバ内で形成された煙道ガス／燃料ガス混合物はバーナに案内されて、ここで混合物は燃焼用空気と混合されて炉内で燃焼される。
【００１１】
本発明の装置は、既存のバーナ、空気ブロワなどを実質的に改造または交換することなく既存のバーナ炉のシステムの中に組み込むことができ、煙道ガスおよび炉内の燃焼用空気の燃焼によって発生する煙道ガス中の窒素酸化物含量を低減する。せいぜい、増量し圧力の低下した煙道ガス／燃料ガス混合物を収容するためにバーナに小さな改造、たとえばバーナチップの交換などの必要があるかも知れないといったところである。
【００１２】
本装置は基本的には、燃料ガスがバーナに案内される前に炉からの煙道ガスと燃料ガスとを混合するための、バーナおよび炉とは独立した混合用チャンバを含んでいる。混合用チャンバは、燃料ガス導管に接続しチャンバ内の燃料ジェットを形成するための燃料ガス入口と、煙道ガスが燃料ジェットによってチャンバ内に引き込まれるように配置された煙道ガス入口と、煙道ガス／燃料ガス混合物出口とを含んでいる。炉に接続するための煙道ガス導管は、チャンバの煙道ガス入口に接続されており、バーナに接続するための煙道ガス／燃料ガス混合物導管は、チャンバの煙道ガス／燃料ガス混合物出口に接続されている。
【００１３】
したがって、本発明の一般的な目的は、ＮＯ_X 低減のための燃料希釈方法および装置を提供することである。
【００１４】
本発明の他のさらなる目的、特徴および利点は、以下に示す好ましい実施形態の説明を添付の図面と組み合わせて読むことにより、当業者によって容易に理解されるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、炉に接続されたバーナ内に導入される燃料ガスおよび燃焼用空気の燃焼によって発生する煙道ガス中の窒素酸化物含量を低減するための方法および装置を提供する。本発明の装置は、炉に接続された一つまたはそれ以上のバーナを有する炉、または複数のそのような炉に対して、既存の空気ファンまたはブロワを交換することなく、また既存のバーナを改造または交換することなく追加することができる。本装置は単純で容易に設置でき、炉の休止期間および設置費用が低減される。さらに重要なことは、本発明の方法および装置は、従来の方法および装置に比べてＮＯ_X 発生をより効果的に低減できるとともに、運転効率がより高い。
【００１６】
本方法および装置は、燃料ガスと完全に混合され混和された再循環煙道ガスを利用することにより、炉に接続された一つまたはそれ以上のバーナに導入される前に燃料ガスを十分に希釈する。煙道ガスによって希釈された燃料ガスは、バーナ内の燃焼用空気と混合されてその内部並びにより低い火炎温度の炉内において燃焼されて、より均一な燃焼が達成される。これらの要素の両方が即発ＮＯ_X の形成を低減するのに貢献しており、このことは従来技術によって概ね同程度までには達成されていなかった。
【００１７】
ここで図面、特に図１および２を参照すると、本発明の混合用チャンバ装置が図示されており、符号１０で示されている。混合用チャンバ１０は、燃料ガス導管１６に接続するための燃料ガス入口接続部１４と、煙道ガス導管２０に接続するための煙道ガス入口接続部１８とを有するガス受容区画室１２を含んでいる。
【００１８】
混合用チャンバはさらに、ベンチュリおよびガス受容区画室１２内の燃料ガス入口接続部１４に対向する開口部２４上に密封状に装着された混合用区画室２２を含んでいる。図２に見られるように、燃料ガス入口接続部１４は、ガス受容区画室１２に延びるノズル部を含み、その内部に燃料ジェット２５が形成されてベンチュリおよび混合用区画室２２のベンチュリ部２６に流入し、通過する。
【００１９】
当業者によってよく理解されるように、ベンチュリ部２６を通過する燃料ジェット２５の流れは、ガス受容区画室１２内に圧力降下を生みだし、これにより煙道ガスが煙道ガス導管２０を介してガス受容区画室１２に引き込まれ、ベンチュリおよび混合用区画室２２のベンチュリ部２６を通ってその下流の混合部２８に引き込まれる。混合用チャンバ１０に引き込まれた煙道ガスはその内部の燃料ガスと完全に混合され、煙道ガス／燃料ガス混合物導管３２が接続された煙道ガス／燃料ガス混合物出口接続部３０を通して混合用チャンバ１０から放出される。
【００２０】
ここで、図３を参照すると、混合用チャンバ１０が模式的に図示されており、該混合用チャンバ１０は、バーナ３６が接続された炉３４に動作上接続されている。図３に示されるように、混合用チャンバ１０は燃料ガス入口導管１６、煙道ガス導管２０、および煙道ガス／燃料ガス混合物導管３２に接続されている。前記燃料ガス入口導管１６の他方端部は圧縮燃料ガス源に接続されており、前記煙道ガス導管２０の他方端部は炉３４（より詳細にはその煙道ガス煙突３８）に接続されており、前記煙道ガス／燃料ガス混合物導管３２の他方端部はバーナ３６の燃料ガス入口接続部に接続されている。
【００２１】
混合用チャンバ１０内の燃料ガスと混合される煙道ガスの体積比を制御するための流量制御弁４０が、煙道ガス導管２０内に設けられている。燃焼用空気の供給源、たとえば燃焼用空気ブロワ４２が燃焼用空気導管４４に接続され、該導管４４の他方端部はバーナ３６に接続されている。
【００２２】
図３に示される装置の動作において、燃焼用空気ブロワ４２によって発生された燃焼用空気が導管４４によってバーナ３６に案内される。圧縮された燃料ガスが導管１６によって混合用チャンバ１０に案内される。燃料ガスおよび燃焼用空気の量は、従来の流量制御弁および制御器または他の装置（図示せず）によって、少なくとも実質的に定比の燃料ガスと燃焼用空気との混合物がバーナ３６に案内されるように制御される。
【００２３】
上述のように、圧縮された燃料ガスは混合用チャンバ１０内が燃料ジェットを形成することにより、炉からの煙道ガスが混合用チャンバ１０内に引き込まれ、その内部の燃料ガスと混合されて該ガスを希釈する。結果として生じる混合用チャンバ１０内で形成された煙道ガスと燃料ガスとの混合物は、導管３２によってバーナ３６に案内される。導管４４によってバーナ３６に案内された燃焼用空気および導管３２によってバーナ３６に案内された煙道ガス／燃料ガス混合物がバーナ３６内で混合される。
【００２４】
結果として生じる煙道ガスと燃料ガスと燃焼用空気との混合物が、バーナ３６および炉３４内において燃焼され、煙道ガスが形成される。煙道ガスは煙突３８を通って大気中に放出される。煙突３８内を流れる煙道ガスの一部は、引き続き該煙突に接続された導管２０を通して該煙突から引き出され、上述のように混合用チャンバ１０に流入することになる。流量制御弁４０は、煙突３８を介して大気中に排出される発生した煙道ガス中の窒素酸化物が最大限に低減されるように、混合用チャンバ１０内の燃料ガスと混合される煙道ガスの体積比を制御するために用いられる。
【００２５】
ここで図４を参照すると、混合用チャンバ１０、燃焼用空気ブロワ４２、バーナ３６および炉３４の模式図が、図３と同一の参照符号を用いて示されている。これらに加えて、図４は、流量制御弁４０と混合用チャンバ１０の間の地点で煙道ガス導管２０に装着された蒸気入口導管４６を含んでいる。蒸気入口導管４６はその内部に、導管２０内の煙道ガスと混合される蒸気の体積比を制御するための流量制御弁４８を含んでいる。
【００２６】
図４に示される装置の動作は、煙道ガスに蒸気が混合され、蒸気と煙道ガスとの混合物が混合用チャンバ１０に引き込まれて燃料ガスと混合される点を除いては、図３に示した装置について説明した動作と同様である。結果として得られる蒸気と煙道ガスと燃料ガスとの混合物がバーナ３６に案内されて、ここで該混合物に燃焼用空気が混合され、その結果得られる蒸気と煙道ガスと燃料ガスと燃焼用空気の混合物がバーナ３６および炉３４内で燃焼される。燃焼された混合物内に蒸気が存在することにより、燃料がさらに希釈され、火炎温度が低下し、大気中に排出される煙道ガス中の窒素酸化物の含量が低減する。
【００２７】
ここで、図５を参照すると、本発明のさらに他の実施形態が示されている。すなわち、混合用チャンバ１０、燃焼用空気ブロワ４２、バーナ３６および炉３４、ならびに接続用導管１６、２０、３２および４４は図３に示し上述したものと同一である。これらに加えて、第２の煙道ガス導管５０が、炉３４の煙突３８および燃焼用空気ブロワ４２の入口接続部に接続されており、これにより追加の煙道ガスが導管５０を通して煙突３８から燃焼用空気ブロワ４２に引き込まれ、燃焼用空気と混合される。燃焼用空気と混合される煙道ガスの体積比を制御するための流量制御弁５２が導管５０内に設けられている。
【００２８】
図５に示される装置の動作は、燃焼用空気と予め混合した状態で追加の煙道ガスがバーナ３６に導入されることを除いては、図３に示した装置に関して上述したのと同様である。燃焼用空気内に追加の煙道ガスが存在することにより、炉３４内の火炎温度をさらに低下させることができ、煙突３８から大気中に排出される煙道ガス内の酸化窒素化合物の量を低減することができる。
【００２９】
ここで図６を参照すると、本発明のさらに他の実施形態が示されている。混合用チャンバ１０、燃焼用空気ブロワ４２、バーナ３６および炉３４、ならびに接続用導管１６、２０、３２および４４は、図３に示し上述したものと同一である。これらに加えて、図６に示される装置は、図４に示されるように、第１の煙道ガス導管２０に接続された蒸気導管４６と、該導管４６の内部に設けられた流量制御弁４８、ならびに図５に示されるように、第２の煙道ガス導管５０と、該導管５０の内部に設けられた流量制御弁５２を含んでいる。
【００３０】
このように図６の装置は、煙道ガスおよび蒸気を燃料ガスと混合してから得られた混合物をバーナ３６に案内し、煙道ガスは燃焼用空気ブロワ４２内の燃焼用空気と混合されて、得られた混合物がバーナ３６に導入される。燃料ガスと混合される煙道ガスおよび蒸気の体積、ならびに燃焼用空気と混合される煙道ガスの体積を制御することにより、大気中に排出される煙道ガス中の窒素酸化物の含量を最小限に抑えることができる。
【００３１】
当業者によって理解されるように、図３〜６に示される装置のシステムのどれを選択するかは、様々な要素に依存する。それらの要素には、炉の大きさ、炉とともに使用されるバーナの数、燃料の形態および組成、炉の内部が達する温度などが含まれるが、これらに限定されることはない。そうした要素に基づいて、大気中に排出される煙道ガス中の窒素酸化物含量を要求されるだけ低くするのに必要な特定の装置のシステムが選択される。
【００３２】
炉に接続されたバーナに導入される少なくとも実質的に定比の燃料ガスと燃焼用空気との混合物の燃焼によって発生した、煙道ガス中の窒素酸化物含量を低減するための本発明の方法は、基本的に以下の工程を含んでいる。燃焼用空気がその供給源からバーナに案内される。炉からの煙道ガスを燃料ガスと混合するための混合用チャンバが、バーナおよび炉の外部に設けられる。燃料ガスが燃料ジェットの形で混合用チャンバに放出されて、炉からの煙道ガスがチャンバ内に引き込まれて、その内部の燃料ガスと混合されて該燃焼ガスを希釈する。
【００３３】
混合用チャンバ内で形成された煙道ガスと燃料ガスとの混合物が混合用チャンバからバーナに案内され、該バーナ内で混合物が燃焼用空気と混合されて該バーナおよび炉内で燃焼される。上記方法は、好ましくは燃料ガスと混合される煙道ガスの体積比を制御する工程も含んでいる。さらに加えて、本方法は、煙道ガスを混合用チャンバ内の燃料ガスと混合する前に煙道ガスに蒸気を混合する工程、煙道ガスと混合される蒸気の体積比を制御する工程、炉からの煙道ガスをバーナに案内された燃焼用空気と混合する工程、および燃焼用空気に混合される煙道ガスの体積比を制御する工程を含んでいてもよい。
【００３４】
本発明の方法および装置は、従来技術の方法および装置よりも著しく効率が高いことが示された。図３に示される本発明に従って全煙道ガスの約５％の再循環させたところ、全煙道ガスの２３％を燃焼用空気のみと混合するシステムに比べて、発生する煙道ガス中の窒素酸化物含量が低下していた。
【００３５】
試験の結果から、蒸気注入および燃焼用空気中の煙道ガス再循環を並行して用いずに、本発明の方法および装置を用いることにより、煙道ガス中の窒素酸化物含量を１００万分の２０以下にできることが示された。燃焼用空気への煙道ガス導入に伴って本発明に従う煙道ガスへの蒸気注入を用いた場合、煙道ガスの窒素化合物含量を１００万分の８〜１４まで下げることができる。
【００３６】
本発明の改良結果をさらに説明するために、以下の例を挙げる。
【００３７】
（実施例）
図５に示した装置について、燃料ガスに混合される煙道ガスの比、燃焼用空気に混合される煙道ガスの体積比、ならびにそれら二つの組合せを変えて、煙道ガスの窒素酸化物含量を測定する試験を行った。試験に用いた炉は、６３５０万（６３．５ミリオン）ＢＴＵ蒸気発生器であった。上記試験の結果を下記の表に示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
上記表から、本発明の方法および装置が予期せぬ低い窒素酸化物含量を有する煙道ガスを発生することがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
したがって、本発明は目的を遂行し、前述および本質的な目的および利点を達成するために十分に適用できる。当業者によって多くの変更が行われてもよいが、そのような変更は添付の請求項によって定義される本発明の要旨に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる煙道ガス／燃料ガス混合用チャンバを示す側面立面図である。
【図２】図１に示した混合用チャンバを示す側面断面図である。
【図３】従来におけるバーナおよび炉に接続された本発明の装置を示す模式図である。
【図４】蒸気入口導管が煙道ガス導管に接続されていることを除いては、図３と同様の模式図である。
【図５】炉と空気ブロワの間に第２の煙道ガス導管が接続されていることを除いては、図３と同様の模式図である。
【図６】第１の煙道ガス導管に接続された蒸気入口導管と、炉と空気ブロワの間に接続された第２の煙道ガス導管との両方を含んでいることを除いては、図３と同様の模式図である。
【符号の説明】
１０ 煙道ガス／燃料ガス混合用チャンバ
１６ 燃料ガス入口
３２ 煙道ガス／燃料ガス混合物出口
３４ 炉
３６ バーナ
４２ 空気ブロワ
４６ 蒸気入口

Claims (16)

1. 炉に接続されたバーナに導入された燃料ガスと燃焼用空気との少なくとも実質的に定比の混合物の燃焼によって発生する煙道ガス中の窒素酸化物の含量を低減するための方法において、
   （ａ）前記燃焼用空気を前記バーナに案内する工程と、
   （ｂ）前記炉からの煙道ガスを燃料ガスと混合するためのチャンバを前記バーナおよび炉の外部に設ける工程であって、前記チャンバは燃料ガスジェット形成用ノズルとベンチュリおよび混合用区画室を内部に有してなる工程と、
   （ｃ）前記煙道ガスに蒸気を混合する工程と、
   （ｄ）前記炉からの蒸気と混合後の煙道ガスが前記チャンバ内に引き込まれて、チャンバ内部の前記ベンチュリおよび混合用区画室内の燃料ガスと混合されて該ガスを希釈するように、前記燃料ガスを燃料ジェットの形で前記混合用チャンバ内に放出する工程と、
   （ｅ）工程（ｄ）において形成された蒸気と混合後の煙道ガスと燃料ガスとの混合物を前記バーナに案内し、該バーナ内において前記混合物を前記燃焼用空気と混合して該バーナ内および炉内で燃焼させる工程とを含むことを特徴とする方法。
2. 工程（ｄ）において前記燃料ガスと混合される前記蒸気と混合後の煙道ガスの体積比を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記煙道ガスと混合される蒸気の体積比を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 工程（ａ）に従って前記バーナに案内された燃焼用空気に炉からの煙道ガスを混合する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 前記燃焼用空気と混合される煙道ガスの体積比を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 炉に接続されたバーナに導入された燃料ガスと燃焼用空気との少なくとも実質的に定比の混合物の燃焼によって発生する煙道ガス中の窒素酸化物の含量を低減するための方法において、
   （ａ）前記燃焼用空気を前記バーナに案内する工程と、
   （ｂ）前記炉からの煙道ガスを燃料ガスと混合するためのチャンバを前記バーナおよび炉の外部に設ける工程であって、前記チャンバは燃料ガスジェット形成用ノズルとベンチュリおよび混合用区画室を内部に有してなる工程と、
   （ｃ）前記煙道ガスに蒸気を混合する工程と、
   （ｄ）前記炉からの蒸気と混合後の煙道ガスが前記チャンバ内に引き込まれて、チャンバ内部の前記ベンチュリおよび混合用区画室内の燃料ガスと混合されて該ガスを希釈するように、前記燃料ガスを燃料ジェットの形で前記混合用チャンバ内に放出する工程と、
   （ｅ）工程（ｄ）において前記燃料ガスと混合される前記蒸気と混合後の煙道ガスの体積比を制御する工程と、
   （ｆ）工程（ｄ）において形成された蒸気と混合後の煙道ガスと燃料ガスとの混合物を前記バーナに案内し、該バーナ内において前記混合物を前記燃焼用空気と混合して該バーナ内および炉内で燃焼させる工程とを含むことを特徴とする方法。
7. 前記煙道ガスと混合される蒸気の体積比を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 工程（ａ）に従って前記バーナに案内された燃焼用空気に炉からの煙道ガスを混合する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記燃焼用空気と混合される煙道ガスの体積比を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 燃料ガスと燃焼用空気との少なくとも実質的に定比の混合物の燃焼によって発生する煙道ガス中の窒素酸化物の含量を低減するための装置であって、前記燃料ガスは燃料ガス導管によって炉に接続されたバーナに案内され、前記燃焼用空気は燃焼用空気導管によって燃焼用空気の供給源からバーナに案内される装置において、
    前記炉からの煙道ガスを前記燃料ガスと混合するためのチャンバであって、
    前記燃料ガス導管との接続を行うための燃料ガス入口と、
    前記チャンバ内に燃焼ガスジェットを形成するための燃料ガスジェット形成用ノズルと、
    前記燃料ガスジェットによって煙道ガスが前記チャンバ内に引き込まれるよう配置された煙道ガス入口と、前記煙道ガスと燃料ガスを混合するための該チャンバ内部のベンチュリおよび混合用区画室と、煙道ガス／燃料ガス混合物出口とを有するチャンバと、
    前記チャンバの前記煙道ガス入口に接続された前記炉に接続するための第１の煙道ガス導管と、
    前記チャンバの煙道ガス／燃料ガス混合物出口に接続された前記バーナに接続するための煙道ガス／燃料ガス混合物導管と、
    前記煙道ガスに蒸気を混合するための前記第１の煙道ガス導管に接続された蒸気供給源に接続するための蒸気導管とを含むことを特徴とする装置。
11. 前記第１の煙道ガス導管内に設けられ、前記チャンバ内の燃料ガスと混合される煙道ガスの体積比を制御するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記蒸気導管内に設けられ、前記煙道ガスと混合される前記蒸気の体積比を制御するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
13. 前記燃焼用空気の供給源は燃焼用空気ブロワであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一つに記載の装置。
14. 煙道ガスが前記燃焼用空気と混合されるように、前記炉および前記燃焼用空気ブロワに接続するための第２の煙道ガス導管をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記第２の煙道ガス導管内に設けられ、前記燃焼用空気と混合される前記煙道ガスの体積比を制御するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記体積比を制御するための手段は流量制御弁を含むことを特徴とする請求項１１、１２または１５に記載の装置。

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