JP4015026B2 - ボイラー用の先進ＮＯｘ低減法 - Google Patents

Description

発明の背景

発明の分野
本発明は、固形炭質物、特に、工業および多用途ストーカーボイラーにおいて気体、液体および／または固体燃料のような他の燃料と共燃焼される、石炭、地方の固形廃棄物、バイオマス、廃棄物利用燃料などのような固形燃料、の燃焼のための方法に関する。本発明の方法および装置は、慣用的な固体燃料、廃棄物、バイオマスなどの燃焼用の工業および多用途ストーカーボイラーと比較して費用効率的に、放出物の低減、燃焼率の向上および効率面における可能な改善、および共燃焼用気体、液体および／または固体燃料消費量の低減をもたらす。

先行技術の説明

固体燃料、廃棄物、バイオマスなどの燃焼用に現存するストーカープロセスおよび装置の大半は、燃焼器の燃料口側から燃焼器の灰分取出側へと往復または移動して燃料を輸送する傾斜または水平振動ストーカー火格子を備えた燃焼室を有している。通常約１．０〜約１．３の燃料化学量論要求値に相当する燃焼用空気の一部が、ストーカー火格子の下に供給される。このような燃焼用空気は典型的には火格子下空気と称され、ストーカー火格子上に存在する燃料を乾燥および燃焼させるためにストーカー火格子へ運ばれる。燃料は最初にストーカー火格子の乾燥部または乾燥火格子上で乾燥されてから、ストーカー火格子の燃焼部または燃焼火格子上で燃焼される。次いで、灰分および炭素を主に含有している残留燃料は、ストーカー火格子の完全燃焼部または完全燃焼火格子で脱炭素または燃焼される。次いで、底の灰分が灰だめから除去される。確実に炭素を完全燃焼させるために、炭素完全燃焼に必要な量と比較して高レベルの過剰空気が完全燃焼火格子で維持される。他の種に加えて、燃料乾燥、燃焼および完全燃焼の産物は、不完全燃焼産物、例えば、一酸化炭素および全炭化水素、窒素酸化物、例えばＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏ、および他の含窒素化合物、例えばＮＨ_３、ＨＣＮなどを含有している。

ここで一次燃焼ゾーンとも称されているストーカー火格子から放出されるＮＯ_ｘの大部分は、含窒素化合物の酸化から形成されると考えられ、わずかな部分が分子状窒素の酸化から形成される。

追加空気または過燃焼用空気がここで二次燃焼ゾーンと称されるストーカー火格子の上に通常導入され、主燃焼ゾーンから放出された産物と混合されて、可燃物を完全燃焼させる。

燃料から発生する含窒素化合物は二次燃焼ゾーンの中および下流で酸素と反応して、更に多量のＮＯ_ｘを形成する。過燃焼用空気注入中およびその下流における低燃焼温度のために、このゾーンで形成されるＮＯ_ｘのほとんどは含窒素化合物の酸化による（約１０％以下が分子状窒素の酸化によりこのゾーンで形成される）。

ほとんどの場合において、ボイラーは、固形可燃物の燃焼により生じる熱を回収する上で、燃焼器の不可欠な部分である。一部の場合には、ボイラーの下流からの冷却煙道ガスは、酸素濃度を減少させて燃焼温度を低下させるために、一次および／または二次燃焼ゾーン中へ再循環され、それにより窒素酸化物の形成をいくらか減少させうると考えられている。煙道ガス再循環の欠点は、燃焼効率の減少、ボイラー熱効率の減少、資本および経営コストの増加のために、煙道ガス内および煙突ガス内で不完全燃焼産物の濃度が通常高いことである。

固形燃料、廃棄物、バイオマスなどのタイプの燃料で燃焼される工業および多用途ボイラーにおいてＮＯ_ｘ、ＣＯおよび全炭化水素放出量の低減のための１つのアプローチは、一次燃焼ゾーンにより生じる燃焼産物中への、天然ガスのような燃料の導入である。

ＵＳ特許５，２０５，２２７は、可燃物が燃焼室のストーカー火格子上へ導入されて燃焼され、一次燃焼ゾーンを形成する、可燃物の燃焼のためのプロセスおよび装置を開示している。燃料または燃料／キャリア液混合物が、一次燃焼ゾーンの上でＮＯ_ｘ減少および他の含窒素化合物分解のための酸素欠乏二次燃焼ゾーンを形成する、燃焼室中へ供給される。酸化液が、酸化三次燃焼ゾーンにおける燃焼産物との完全な混合および可燃物の少くとも部分的な完全燃焼のために、酸素欠乏二次燃焼ゾーンより上の燃焼室中へ供給される。

相当量の研究が、効率の改善、ＮＯ_ｘ放出量の減少、安定な燃焼と、資本および経営コストの低下の目的で、固形廃棄物の処分に向けられてきた。相当量の研究は、固形燃料燃焼用の工業および多用途ボイラー関連でも、これらと同様の理由から行われてきた。例えば、固形可燃物が熱分解または部分燃焼されて可燃ガスを生成させる熱分解セクションと、可燃ガスが燃焼される燃焼セクションとを有する、燃焼システムについて開示している、KosekiらのＵＳ特許５，９５７，０６３参照。一態様による装置は、固形燃料の熱分解が、火格子上に置かれた天然ガスバーナーのようなバーナーにより始められる、ストーカータイプボイラーである。

ChronowskiらのＵＳ特許５，８２３，１２２は、固形バイオマス燃料サプライおよび気化用空気サプライへ接続された気化ゾーン、既定発火点、気化ゾーンから発火点へと燃料ガスを運搬するための通路、発火点で燃料ガスおよび燃焼用空気を混合して燃料ガスおよび燃焼用空気の燃焼を開始させるための燃焼用空気注入装置からなる、固形バイオマス燃料の気化およびそこから生じる燃料ガスの燃焼のためのシステムについて開示している。

MartinらのＵＳ特許５，６５７，７０５は、縦軸の周りで回転する円筒形キャビティー、そのキャビティーの周りに置かれた燃焼室、燃料およびオキシダントをその室内へ導入するためのインジェクターからなる、固形廃棄物用の熱分解炉について開示している。

GoodのＵＳ特許５，６５５，４６３は、分解室、分解される廃棄物が分解室へ入る前に予熱されるように分解室上に置かれた廃棄物予熱室、予熱室および分解室からのガスおよび蒸気が分解固形燃料中へ取り込まれるように真空下で機能するアフターバーナー室からなる、廃棄物用の分解炉について開示している。

MartinのＵＳ特許５，２４１，９１６は、一次燃焼用空気が燃料中へ導入されて、二次燃焼用空気が排出ガス流中へ直接導入され、排出ガスの一部が排出ガス流から取り出されて燃焼プロセスへ戻される、火格子燃焼中に燃焼用空気を供給するための方法について開示している。

LePoriらのＵＳ特許４，８４８，２４９は、燃料の燃焼産物がバイオマスの予熱用の分配プレートへ通される、流動床気化器におけるバイオマスの気化のための方法および装置について開示している。

前記の先行技術で例示されているように、固形燃料、廃棄物、バイオマスなどのタイプの燃料で燃焼される多用途および工業ボイラーから汚染物質放出量を減少させる上で行われた改善にもかかわらず、同様の放出減少率の割には低い共燃焼用燃料消費量、同様の共燃焼用燃料率ではるかに高い放出量減少の可能性、より安定な燃焼、より高いターンダウン比、向上した燃焼率およびボイラー熱効率、より低い資本および経営コストをもたらす燃焼プロセスおよび装置の必要性が残されている。

発明の要旨

したがって、本発明の目的の一つは、上記のように更なる改善の必要性に対処する固形燃料および／または廃棄物の燃焼方法を提供することにある。

本発明のこれらおよび他の目的は、固形炭質物がストーカーの熱分解ゾーンで予熱および熱分解されて熱分解産物を形成し、一部揮発分除去された物質がストーカーで燃焼されて一次燃焼ゾーンを形成する、ストーカー火格子上で石炭、廃棄物、廃棄物利用燃料およびバイオマスのような固形燃料を含めた固形炭質物の燃焼のための方法により対処される。オキシダントが、一次燃焼ゾーンの下流、典型的にはその上方にある燃焼室中へ導入されて、二次燃焼ゾーンを形成し、そこでは未燃焼産物の実質的に完全な燃焼が行われる。以下で記載されるように、固形炭質物はストーカー火格子への導入前に予熱されるか、またはそれは投入ゾーンへの導入後に予熱される。ストーカー火格子の上方または一次燃焼ゾーンの下流における燃焼室中への過燃焼用オキシダントの導入は、未燃焼産物の燃焼をもたらす。本発明の特に好ましい態様によると、固形炭質物の予熱は、固形炭質物中へ連続して直接導入された共燃焼用気体、液体または固体燃料の燃焼による燃焼産物により、ストーカー火格子上で行われる。

本発明の方法は、燃焼室を取り囲む少くとも１つの壁、燃焼室の下部領域に配置されたストーカー火格子、固形炭質物を予熱するための予熱手段、熱分解剤を固形炭質物中へ連続導入するための注入手段からなる、固形炭質物の燃焼用装置で行われる。本発明の特に好ましい一態様によると、注入手段は、ストーカー火格子上へ置かれた固形炭質物中へ熱分解剤を直接導入する。

好ましい態様の詳細な説明

ここで用いられている“固形炭質物”という用語は、限定されないが、石炭、廃棄物、廃棄物利用燃料およびバイオマスを含めた、あらゆる固形の炭素含有燃料に関する。図１は、本発明の方法を行うための、本発明の一態様による適切な装置を示した図である。装置１０は、燃焼室２０を取り囲む燃焼室壁１１を有している。ストーカー火格子１２は燃焼室２０の底領域に置かれている。固形炭質物が固形燃料口１８からストーカー火格子１２へと導入されて、そこで可燃物床１９を形成する。ストーカー火格子１２上へ導入された固形炭質物は、当業者に公知の方法、例えばストーカー火格子の振動により、ストーカー火格子１２に沿って進み、示されてはいないが、灰だめ中へ灰分として堆積される。火格子下オキシダントとして知られるオキシダントは、ストーカー火格子１２の下から固形炭質物へ供給されて、固形炭質物の燃焼に必要なオキシダントをもたらす。

本発明の方法の一態様によると、固形炭質物はストーカー火格子への導入前に予熱される。次いで、予熱された固形炭質物のうち少くとも一部は熱分解される。本発明の特に好ましい態様によると、固形炭質物の予熱および熱分解がストーカー火格子１２上で同時に行われる。好ましくは、固形炭質物は約１５００°Ｆの温度へ予熱される。

予熱された固形炭質物の熱分解は、ストーカー火格子１２上の予熱固形炭質物を熱分解剤と接触させることにより行われる。好ましくは、熱分解剤は共燃焼用固体、液体および／または気体燃料から誘導される燃焼産物からなる。本発明の方法の一態様によると、共燃焼用固体、液体および／または気体燃料およびその燃焼に必要なオキシダントは、ストーカー火格子１２下の燃焼室２０中へ導入される。次いで、燃焼産物がストーカー火格子１２へ入る。実質部分の燃料窒素が、ストーカー火格子１２での熱分解前に固形炭質燃料から除去される。熱分解産物は、過燃焼用オキシダントインジェクター１４から燃焼室２０中への過燃焼用オキシダントの導入により、ストーカー火格子１２上の燃焼室２０中で燃焼される。結果的に、有意に低いＮＯ_ｘレベルが燃焼室２０中で生じる。

固形炭質物の連続予熱および熱分解を確実に行うために、共燃焼用固体、液体および／または気体燃料およびオキシダントが燃焼室２０中へ導入されるバーナー１３が、連続的に燃焼される。

図２で示されているように、本発明の一態様によると、固形炭質物の予熱および熱分解のための共燃焼用固体、液体および／または気体燃料およびオキシダントは、固形炭質物の床１９中へ直接バーナー１３から導入される。図３で示されているように、多数のバーナー１３が固形炭質物の床中へ共燃焼用燃料およびオキシダントを導入するために設置される。図１の態様のように、図２および３の態様に従う、共燃焼用固体、液体および／または気体燃料およびオキシダントの混合物を固形炭質物の床１９中へ直接注入することによる本発明の方法の操作は、ストーカー火格子１２上の一次燃焼ゾーン１６で有意に低いＮＯ_ｘレベルをもたらす。

本発明の別な好ましい態様によると、図４および５で示されているように、共燃焼用固体、液体および／または気体燃料は追加オキシダントなしに固形炭質物中へ注入されて、床１９でオキシダント欠乏雰囲気を形成する。共燃焼用固体、液体および／または気体燃料および固形炭質物の双方に関する燃焼化学量論量は、好ましくは約０．８〜約１．１の範囲内に維持される。燃焼産物中の可燃物は、過燃焼用オキシダントインジェクター１４から燃焼室２０中への過燃焼用オキシダントの導入により、ストーカー火格子１２上で燃焼される。結果的に、有意に低いＮＯ_ｘレベルがストーカー火格子１２上で生じる。

固形炭質物が共燃焼用燃料／オキシダントバーナーからの燃焼産物により予熱および熱分解される図１および２の態様と、共燃焼用固体、液体および／または気体燃料のみが床１９中へ導入される図４および５の態様とは、火格子デザイン、固形燃料特性、ボイラーサイズなどに応じて、互いに独立してまたは組合せて利用される。加えて、本発明の方法は、ＵＳ特許５，２０５，２２７で記載された慣用的メタン脱ＮＯ_ｘ、ＮＯ_ｘの選択的非触媒還元（ＳＮＣＲ）とも称される熱脱ＮＯ_ｘ、慣用的固形、気体および／または液体燃料共燃焼、および空気放出量減少および／または性能改善のための他の方法と組み合わせて効果的に用いうる。

本発明の一態様によると、再燃焼用燃料が過燃焼用オキシダントインジェクター１４上で燃焼室壁１１へ接続された少くとも１つの再燃焼用燃料インジェクター３０から燃焼室２０中へ導入されて、還元三次燃焼ゾーンを形成し、追加の過燃焼用オキシダントが上記の少くとも１つの再燃焼用燃料インジェクター３０上で燃焼室壁１１へ接続された少くとも１つの過燃焼用オキシダントインジェクター３１から燃焼室２０中へ導入される。

上記の明細書において本発明がそのある好ましい態様に関して記載され、多くの詳細が説明目的で記載されてきたが、本発明が付加的な態様に付されて、ここで記載されたある詳細が本発明の基本原理から逸脱せずにかなり変更しうることは、当業者に明らかであろう。

本発明のこれらおよび他の目的と特徴は、図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことで、良く理解されるであろう：
本発明の方法を行うための、本発明の一態様による燃焼装置の概略図である。 本発明の方法を行うための、本発明の一態様による装置の一部の図である。 線III-IIIに沿う図２の装置の図である。 本発明の方法を行うための、本発明の一態様による装置の部分断面図である。 線Ｖ-Ｖに沿う図４の装置の部分断面図である。

Claims (11)

1. 固形炭質物の燃焼方法であって、
   燃焼室に置かれたストーカー火格子上に該固形炭質物を導入して、該ストーカー火格子上に固形炭質物床を形成させ、
   該固形炭質物床中への熱分解剤の連続的な導入により、該ストーカー火格子上の該固形炭質物の少くとも一部を熱分解させ、該熱分解剤が、共燃焼用固体、液体および気体燃料ならびにオキシダントのうち少くとも一種の実質的連続燃焼からの燃焼産物を含んでなり、該固形炭質物が、該熱分解の前または該熱分解と同時に予熱され、
   該燃焼室中へ火格子下オキシダントを導入して、熱分解産物を含んでなる一次燃焼ゾーンを形成させ、そして
   該ストーカー火格子上方の該燃焼室中へ過燃焼用オキシダントを導入して、二次燃焼ゾーンの形成をもたらす
   工程を含んでなる方法。
2. 共燃焼用固体、液体および気体燃料およびオキシダントのうち少くとも一種の実質的連続燃焼が、該共燃焼用固体、液体および気体燃料および該オキシダントのうち少くとも一種を固形炭質物床中へ直接的に連続導入することにより行われる、請求項１に記載の方法。
3. 共燃焼用固体、液体および気体燃料およびオキシダントのうち少くとも一種の実質的連続燃焼が、ストーカー火格子の下で行われる、請求項１に記載の方法。
4. 固形炭質物床が酸素欠乏ゾーンを含んでなる、請求項１に記載の方法。
5. 更に、二次燃焼ゾーン上の燃焼室中へ再燃焼用燃料を導入して、還元三次燃焼ゾーンを形成させ、該還元三次燃焼ゾーンの上方へ追加の過燃焼用オキシダントを導入して、酸化四次燃焼ゾーンを形成させる、請求項１に記載の方法。
6. 熱分解産物の実質的に完全な燃焼が二次燃焼ゾーンで生じる、請求項１に記載の方法。
7. 燃焼室を取り囲む少くとも１つの壁；
   該燃焼室の下部領域に配置された固形炭質物の床を保持するために適したストーカー火格子；
   固形炭質物の該床を予熱するための予熱手段；および
   バーナーにより生じる燃焼の産物が固形炭質物の床中へ直接注入されるように置かれた少なくとも一つの連続燃焼バーナーを含んでなる、固形炭質物の該床中へ熱分解剤を連続的に導入するための注入手段
   を含んでなる、固形炭質物の燃焼用装置。
8. 注入手段が、ストーカー火格子の下方に配置された少くとも一つの連続燃焼バーナーを含んでなる、請求項７に記載の装置。
9. ストーカー火格子の上方に配置されて、該ストーカー火格子の上方の燃焼室中へ過燃焼用オキシダントを注入するようにされてなり、少くとも１つの過燃焼用オキシダントインジェクターを更に含んでなる、請求項７に記載の装置。
10. 少くとも１つの過燃焼用オキシダントインジェクターの上方に配置され、該過燃焼用オキシダント上方の燃焼室中へ再燃焼用燃料を注入するようにされてなる、少くとも１つの再燃焼用燃料インジェクターを更に含んでなる、請求項７に記載の装置。
11. 少くとも１つの再燃焼用燃料インジェクターの上方に配置され、該再燃焼用燃料の上方に追加の過燃焼用オキシダントを注入するようにされてなる、少くとも１つの追加過燃焼用オキシダントインジェクターを更に含んでなる、請求項１０に記載の装置。

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