JP4141350B2 - 燃焼装置 - Google Patents
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本発明は化石燃料を燃焼させる燃焼装置に係り、特に炉内脱硝による低窒素酸化物（ＮＯｘ）化技術に関するものである。
従来より化石燃料を燃焼させる装置で生成するＮＯｘの低減化技術に関して、種々の提案がある。そのうちの炉内脱硝は最も効果的で、この炉内脱硝は化石燃料用主バーナとその後流側に設けられている２段燃焼用空気孔との間に、メタンを主成分とした天然ガスやＬＰＧなどのガス燃料を投入して、燃料リッチな強還元雰囲気を形成して、生成ＮＯｘの還元を行うものである。
このＮＯｘの低減化技術に関しては、下記の特許文献１〜４ならびに非特許文献１などがある。
特公昭６２−２５９２７号公報
特開昭５１−１４５４６５号公報
特開昭５３−８９８７２号公報
特開２００２−１９５０１０号公報
J.B.Mereb and J.O.L.Wendt：Fuel,Vol.73,No.7,(1994)p.1020
従来技術の課題として、炉内脱硝用燃料設備の追加による設置スペースの問題がある。その対策としてガスを液化して省スペース化を計ろうとすると、非常に高い圧力でかつ低温条件にする必要があり、そのための設備、設置スペースならびにコストおよび管理などの新たな問題が生じる。
また、主バーナと２段燃焼用空気孔との間の火炉内空間は温度分布があり、火炎近傍は１２００℃以上の高温領域であるが、他の部分では１０００℃以下の領域もある。メタンガスは化学的に安定で１０００℃以下の雰囲気では分解されにくく、そのために脱硝反応にほとんど寄与せず、所望の脱硝効果が得られないなどの欠点を有している。
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、脱硝のための追加設備のスペースを可及的に小さくし、設備管理も平易で、しかも炉内の比較的低温の領域でも脱硝効果の高い燃焼装置を提供することである。
前記目的を達成するため本発明は、例えば微粉炭などの化石燃料を燃焼させる微粉炭バーナなどの主バーナと、その主バーナの燃焼排ガス流れ方向後流側に設けられた２段燃焼用空気孔とを備えて、生成ＮＯｘの炉内脱硝を行なう燃焼装置を対象とするものである。
そして第１の手段は、前記主バーナと２段燃焼用空気孔との間にジメチルエーテル（Ｃ
Ｈ3 ＯＣＨ3 以下ＤＭＥと略記する）を炉内に投入する脱硝バーナなどのジメチルエー
テル投入手段と、
前記主バーナからの空気量の量論空気に対する比を１より大きくして、ジメチルエーテル投入時のガス中の酸素とジメチルエーテルの濃度比が０．５〜２の範囲内になるように、ジメチルエーテル投入量を調整する流量調整手段が設けられていることを特徴とするものである。
Ｈ3 ＯＣＨ3 以下ＤＭＥと略記する）を炉内に投入する脱硝バーナなどのジメチルエー
テル投入手段と、
前記主バーナからの空気量の量論空気に対する比を１より大きくして、ジメチルエーテル投入時のガス中の酸素とジメチルエーテルの濃度比が０．５〜２の範囲内になるように、ジメチルエーテル投入量を調整する流量調整手段が設けられていることを特徴とするものである。
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記ＤＭＥ投入手段に噴霧ノズルが設けられ、前記ＤＭＥが液体の状態でＤＭＥ投入手段に供給されて、前記噴霧ノズルから炉内に噴霧投入されることを特徴とするものである。
本発明の第３の手段は前記第２の手段において、前記ＤＭＥ投入手段に、燃焼排ガスを前記噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入する燃焼排ガス投入手段が設けられていることを特徴とするものである。
本発明の第４の手段は、化石燃料を燃焼させる主バーナと、その主バーナの燃焼排ガス流れ方向後流側に設けられた２段燃焼用空気孔とを備えて、生成窒素酸化物の炉内脱硝を行なう燃焼装置において、
前記主バーナと２段燃焼用空気孔との間に噴霧ノズルを有するジメチルエーテル投入手段を設け、
そのジメチルエーテル投入手段に、燃焼排ガスを前記噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入する燃焼排ガス投入手段を設けて、
前記ジメチルエーテルを液体の状態で前記ジメチルエーテル投入手段に供給して前記噴霧ノズルから炉内に噴霧投入するとともに、
前記燃焼排ガス投入手段により燃焼排ガスを前記噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入することを特徴とするものである。
前記主バーナと２段燃焼用空気孔との間に噴霧ノズルを有するジメチルエーテル投入手段を設け、
そのジメチルエーテル投入手段に、燃焼排ガスを前記噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入する燃焼排ガス投入手段を設けて、
前記ジメチルエーテルを液体の状態で前記ジメチルエーテル投入手段に供給して前記噴霧ノズルから炉内に噴霧投入するとともに、
前記燃焼排ガス投入手段により燃焼排ガスを前記噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入することを特徴とするものである。
請求項１記載の第１の手段は、ＤＭＥを主バーナと２段燃焼用空気孔との間から炉内投入して強還元雰囲気を形成するため、１０００℃程度の比較的温度の低い領域でも高い脱硝効果が得られる（図３参照）。
また、ＤＭＥ投入時のガス中のＤＭＥ濃度比が０．５〜２の範囲内になるようにＤＭＥ投入量を調整する手段が設けられているから、ＤＭＥ投入効果が良く現れて、比較的温度の低い領域でも高い脱硝効果が得られる(図５参照)）などの特長を有している。
また、ＤＭＥ投入時のガス中のＤＭＥ濃度比が０．５〜２の範囲内になるようにＤＭＥ投入量を調整する手段が設けられているから、ＤＭＥ投入効果が良く現れて、比較的温度の低い領域でも高い脱硝効果が得られる(図５参照)）などの特長を有している。
請求孔２記載の第２の手段は、ＤＭＥが液体の状態で取り扱われるから、脱硝のための追加設備のスペースを可及的に小さくでき、燃焼装置周辺の限られたスペースでも炉内脱硝燃料用設備が設置でき、しかも設備管理も平易である。
請求項３記載の第３の手段は、燃焼排ガスをＤＭＥ噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入する構成になっているから、その燃焼排ガスの取り巻きにより前記強還元雰囲気を確実に形成することができ、比較的温度の低い領域でも高い脱硝効果が得られる。
請求項４記載の第４の手段は、ＤＭＥを主バーナと２段燃焼用空気孔との間から炉内投入して強還元雰囲気を形成するため、１０００℃程度の比較的温度の低い領域でも高い脱硝効果が得られる（図３参照）。
また、燃焼排ガスをＤＭＥ噴射ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入する構成になっているから、その燃焼排ガスの取り巻きにより前記強還元雰囲気を確実に形成することができ、比較的温度の低い領域でも高い脱硝効果が得られる。
また、燃焼排ガスをＤＭＥ噴射ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入する構成になっているから、その燃焼排ガスの取り巻きにより前記強還元雰囲気を確実に形成することができ、比較的温度の低い領域でも高い脱硝効果が得られる。
次に本発明の実施形態を図とともに説明する。図１は主燃料の化石燃料として微粉炭を用いた本発明の実施形態に係る燃焼装置の概略構成図、図２はこの燃焼装置に使用する脱硝バーナの概略構成図である。
図中の１はボイラ火炉、２は風箱、３は微粉炭バーナ、４は脱硝バーナ、５は２段燃焼用空気孔、６は熱交換器、７はガス再循環ファン、８はＦＤＦ、９は１次空気ファン、１０は流量調整ダンパ、１１は石炭バンカ、１２はミル、１３はＤＭＤタンク、１４はＤＭＤ供給ポンプ、１５は流量調整器、１６は循環流量調整器である。各部材、設備などは図に示すような配置、接続関係になっている。図中のＧは燃焼排ガスである。
１次空気ファン９で供給された１次空気は、ミル１２で粉砕された微粉炭を同伴して微粉炭バーナ３から火炉１内に投入されて燃焼に寄与する。また、１次空気以外の燃焼用空気は、ＦＤＦ８で供給され熱交換器６を介して風箱２に送られ、微粉炭バーナ３からは２次，３次空気として、残りは２段燃焼用空気孔５から火炉１内に送入される。
前記ＤＭＥタンク１３にあるＤＭＥ液体燃料はＤＭＥポンプ１４により搬送さ
れ、流量調整器１５により流量調整されて脱硝バーナ４に送られる。脱硝バーナ４は図２に示すように、脱硝バーナ筒２２と、その内側に設置されたＤＭＥ供給管２３の２重構造になっており、ＤＭＥ供給管２３の火炉側先端部に噴霧ノズル２４を有している。
れ、流量調整器１５により流量調整されて脱硝バーナ４に送られる。脱硝バーナ４は図２に示すように、脱硝バーナ筒２２と、その内側に設置されたＤＭＥ供給管２３の２重構造になっており、ＤＭＥ供給管２３の火炉側先端部に噴霧ノズル２４を有している。
前記ＤＭＥポンプ１４により搬送されてきたＤＭＥ液体燃料２０はＤＭＥ供給管２３を通り、噴霧ノズル２４からＤＭＥ噴霧体２５となって炉内に噴霧送入され、燃料リッチな強還元雰囲気を形成する。図１のガス再循環ファン７によって排ガスＧの一部を抽出し、図２にように循環ガス２１として脱硝バーナ４の脱硝バーナ筒２２とＤＭＥ供給管２３の間に管の接線方向から送り込み、旋回流としてＤＭＥ噴霧体２５の外周側から火炉内に送風する。
前述のように炉内脱硝用燃料としてＤＭＥを使用し、省スペース化のためにＤＭＥを液化する。ＤＭＥはメタンガスと違って２５℃において６．１気圧で容易に液化する。従ってＤＭＥを液化しても比較的低圧で扱うことができ、設備管理は平易である。
図３と図４は、窒素にＯ2 とＮＯを混合して濃度調整した模擬ガス（ＮＯｘ３００ｐｐｍ）をつくり、その模擬ガス中での各温度におけるＤＭＥとメタン（ＣＨ4 ）との脱硝性能を調べた結果を示す図で、図３が本発明のＤＭＥを使用した場合、図４が従来のメタンを使用した場合の特性図である。図中の◆印は模擬ガス中におけるＤＭＥ，ＣＨ4 濃度が１．５％、■印は模擬ガス中におけるＤＭＥ，ＣＨ4 濃度が３．０％の特性曲線である。
これらの図から明らかなように、温度が１２００℃の高温においてはＤＭＥもメタンもほぼ同等の脱硝性能が得られるが、メタンは温度が１０００℃以下においてほとんど脱硝反応を生じないが、ＤＭＥは１０００℃においてメタンよりも約１．５〜３倍の脱硝性能を示している。前述のような火炉内には１２００℃程度の高温領域もあれば、１０００℃あるいはそれ以下の比較的低温の領域も存在するから、ＤＭＥは脱硝燃料として好適であることが立証できる。
ＤＭＥの投入量については、次のようにして決める。主バーナの空気比は１以
上（例えば空気比＝１．０５）にして、脱硝バーナ前流側の出来るだけバーナ近傍で主燃料、例えば微粉炭を燃焼させ、FuelＮＯｘ（微粉炭燃料中に含まれる窒素と酸素が結合して生成されたＮＯｘ）も多く放出させる。この燃焼ガスと脱硝バーナからの再循環排ガスの混合ガス中の酸素濃度をNo［％］とすると、Noは次の式（１）によって求めることができる。
上（例えば空気比＝１．０５）にして、脱硝バーナ前流側の出来るだけバーナ近傍で主燃料、例えば微粉炭を燃焼させ、FuelＮＯｘ（微粉炭燃料中に含まれる窒素と酸素が結合して生成されたＮＯｘ）も多く放出させる。この燃焼ガスと脱硝バーナからの再循環排ガスの混合ガス中の酸素濃度をNo［％］とすると、Noは次の式（１）によって求めることができる。
No=[21Vb(λb−１)＋Fo・Vn]／（Vb＋Vn） （１）
ここで、Vb:主バーナからのガス量[m3/h]
λｂ：バーナ空気比[-]
Vn、Fo：脱硝バーナからのガス量[m3/h]と酸素濃度[%]
また、脱硝バーナ直後流でのＤＭＥ濃度Nd［％］は、次の式（２）によって求めることができる。
ここで、Vb:主バーナからのガス量[m3/h]
λｂ：バーナ空気比[-]
Vn、Fo：脱硝バーナからのガス量[m3/h]と酸素濃度[%]
また、脱硝バーナ直後流でのＤＭＥ濃度Nd［％］は、次の式（２）によって求めることができる。
Nd=Fd／（Vb+Vn） （２）
ここで、Fd: ＤＭＥ投入量[m3/h]である。
ここで、Fd: ＤＭＥ投入量[m3/h]である。
図５は、前述の酸素とＤＭＥの濃度比No/Ndの脱硝率への影響について調べた結果を示す特性図である。図中の◆印はＯ2 濃度が０％、■印はＯ2 濃度が０．５％、△印はＯ2 濃度が１．０％、×印はＯ2 濃度が２．０％の特性曲線である。
この図から明らかなように濃度比No/Ndが０．５〜２の範囲内、好ましくは０．５〜１．５の範囲内で高い脱硝率が得られる。従ってこの範囲内になるよう、ＤＭＥ投入量を流量調整器１５（図１参照）で制御すれば良い。
前記実施形態では石炭焚きの燃焼装置について説明したが、本発明はその他の化石燃料、例えばガスや油焚きの燃焼装置においても適
用可能である。
用可能である。
１：ボイラ火炉、２：風箱、３：微粉炭バーナ、４：脱硝バーナ、５：２段燃焼用空気孔、６：熱交換器、７：ガス再循環ファン、８：ＦＤＦ、９：１次空気ファン、１０：流量調整ダンパ、１１：石炭バンカ、１２：ミル、１３：ＤＭＤタンク、１４：ＤＭＤ供給ポンプ、１５：流量調整器、１６：循環流量調整器、２０：ＤＭＥ液体燃料、２１：循環ガス、２２：脱硝バーナ、２３：ＤＭＥ供給管、２４：噴霧ノズル、２５：ＤＭＥ噴霧体、Ｇ：燃焼排ガス
Claims (4)
- 化石燃料を燃焼させる主バーナと、その主バーナの燃焼排ガス流れ方向後流側に設けられた２段燃焼用空気孔とを備えて、生成窒素酸化物の炉内脱硝を行なう燃焼装置において、
前記主バーナと２段燃焼用空気孔との間にジメチルエーテルを炉内に投入するジメチルエーテル投入手段と、
前記主バーナからの空気量の量論空気に対する比を１より大きくして、ジメチルエーテル投入時のガス中の酸素とジメチルエーテルの濃度比が０．５〜２の範囲内になるように、ジメチルエーテル投入量を調整する流量調整手段が設けられていることを特徴とする燃焼装置。 - 請求項１記載の燃焼装置において、前記ジメチルエーテル投入手段に噴霧ノズルが設けられ、前記ジメチルエーテルが液体の状態でジメチルエーテル投入手段に供給されて、前記噴霧ノズルから炉内に噴霧投入されることを特徴とする燃焼装置。
- 請求項２記載の燃焼装置において、前記ジメチルエーテル投入手段に、燃焼排ガスを前記噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入する燃焼排ガス投入手段が設けられていることを特徴とする燃焼装置。
- 化石燃料を燃焼させる主バーナと、その主バーナの燃焼排ガス流れ方向後流側に設けられた２段燃焼用空気孔とを備えて、生成窒素酸化物の炉内脱硝を行なう燃焼装置において、
前記主バーナと２段燃焼用空気孔との間に噴霧ノズルを有するジメチルエーテル投入手段を設け、
そのジメチルエーテル投入手段に、燃焼排ガスを前記噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入する燃焼排ガス投入手段を設けて、
前記ジメチルエーテルを液体の状態で前記ジメチルエーテル投入手段に供給して前記噴霧ノズルから炉内に噴霧投入するとともに、
前記燃焼排ガス投入手段により燃焼排ガスを前記噴霧ノズルの周囲から旋回しながら炉内に投入することを特徴とする燃焼装置。
Priority Applications (1)
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| JP2003314128A JP4141350B2 (ja) | 2003-09-05 | 2003-09-05 | 燃焼装置 |
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|---|---|---|---|
| JP2003314128A JP4141350B2 (ja) | 2003-09-05 | 2003-09-05 | 燃焼装置 |
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