JP4382809B2 - 硫黄含有燃料の燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は硫黄含有燃料を燃焼する分野、ならびにＳＯ_ｘおよびＮＯ_ｘの生成をそこで削減することに関する。

過去数年にわたり、発電方法および硫黄含有燃料を燃焼するための他の燃焼方法は、特にＳＯ_ｘおよびＮＯ_ｘの厳しい排出規制にますます直面している。発電に一般的なものであるが特に排出の問題となる硫黄含有燃料は、石炭、ペトコークス（petcoke）および重油ボイラを含む。例えば、石炭ボイラからＳＯ_ｘを除去する現在の方法は非常に費用がかかる。数年のうちに、合衆国におけるほとんどのボイラは脱硫装置が必要となるであろう。ＮＯ_ｘ除去技術も同様に費用がかかり、処理が煩雑で難しい。本発明の好ましい実施形態はＳＯ_ｘおよびＮＯ_ｘの費用効率の高い除去方法を開示する。

従って、本発明以前の硫黄含有燃料を燃焼する方法に関する問題は、現在の環境規制の点から見て不適格なレベルのＳＯ_ｘ排出物を生成させるということである。

本発明以前の硫黄含有燃料を燃焼する方法に関するさらに他の問題は、現在の環境規制の点から見て不適格なレベルのＮＯ_ｘ排出物を生成させるということである。

本発明以前の硫黄含有燃料を燃焼する方法に関するさらにまた別の問題は、連続的に改良されておらず、スクラバなどのような高価で複雑なＳＯ_ｘ処理装置を用いることなく環境指針を十分満たすようにＳＯ_ｘ生成を十分に削減するといった、十分な燃焼特性を提供しないことである。

本発明以前の硫黄含有燃料を燃焼する方法に関するその他の問題は、連続的に改良されておらず、高価で複雑なＮＯ_ｘ処理装置を用いることなく環境指針を十分満たすようにＮＯ_ｘ生成を十分に削減するといった、十分な燃焼特性を提供しないことである。

本発明以前の硫黄含有燃料を燃焼する方法に関するさらに別の問題は、化学的にＳＯ_ｘの生成を妨げる手段を提供せず、それと同時に燃焼装置のスラッグまたはその他の汚れに関する問題を避けるメカニズムを提供していないことである。

本発明以前の硫黄含有燃料を燃焼する方法に関する他の問題は、化学的にＮＯ_ｘの生成を妨げる手段を提供せず、それと同時に燃焼装置のスラッグまたはその他の汚れに関する問題を避けるメカニズムを提供していないことである。

前述の理由のために、ＳＯ_ｘ生成を削減する費用がかからず、煩わしくない方法を容易にする一方で同時に燃焼方法の操作性および安全性を維持するといった、硫黄含有燃料の燃焼方法に対する長い間切実で未解決の要求が明示されてきている。

硫黄含有燃料を燃焼し、炎管ガスを製造するための方法を開示する。この方法は硫黄含有燃料を燃焼窒に導入し、少なくとも一つの酸素に富む酸化剤流を燃焼室に導入し、炭酸カリウムを燃焼室に導入することを含む。硫黄含有燃料を燃焼し炎管ガスと硫酸カリウムを製造する。

本発明の目的は、現在の環境規制から見て適格なレベルの範囲内のレベルでＳＯ_ｘ排出物を生成する、硫黄含有燃料を燃焼する方法を提供することである。

本発明の他の目的は、現在の環境規制から見て適格なレベルの範囲内のレベルでＮＯ_ｘ排出物を生成する、硫黄含有燃料を燃焼する方法を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、連続的に改良されており、スクラバなどのような高価で複雑なＳＯ_ｘ処理装置を用いることなく環境指針を十分に満たすようにＳＯ_ｘ生成を十分に削減するといった十分な燃焼特性を提供できる、硫黄含有燃料の燃焼方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、連続的に改良されており、高価で複雑なＮＯ_ｘ処理装置を用いることなく環境指針を十分に満たすようにＮＯ_ｘ生成を十分に削減するといった十分な燃焼特性を提供できる、硫黄含有燃料の燃焼方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、化学的にＳＯ_ｘの生成を防ぐ手段を提供し、同時に燃焼装置のスラッグまたは他の汚染に関係する問題を避けるメカニズムを提供する、硫黄含有燃料を燃焼する方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、化学的にＮＯ_ｘの生成を防ぐ手段を提供し、同時に燃焼装置のスラッグまたは他の汚染に関係する問題を避けるメカニズムを提供する、硫黄含有燃料を燃焼する方法を提供することにある。

本発明のこれらのおよび他の目的、長所および特徴は以下の詳細な記載から明らかになるであろう。

以下の詳細な記載において、以下の図面を参照する。

最も単純な応用として、硫黄含有燃料を燃焼し、炎管ガスを製造する方法を開示する。この方法は、硫黄含有燃料を燃焼室に導入し、酸化剤流を燃焼室に導入してそれを硫黄含有燃料と混合し燃焼領域を定め、炭酸カリウムを燃焼室に導入することを含む。硫黄含有燃料を燃焼し、炎管ガスと硫酸カリウムを製造する。

好ましい実施形態において、燃焼サブアセンブリは、少なくとも二つ、ときには三つの酸化剤流を使用する。石炭が硫黄含有燃料である例としては、２００４年１月１５日に出願され、ここで参照として組み込まれている、出願人の米国特許明細書出願番号No.10/(S-6415から)により十分に記載されているように、酸素富化を用いてＮＯ_ｘを削減する。

好ましい実施形態として、ボイラ、特に石炭ボイラでＳＯ_ｘの排出物を削減するために設計された方法を開示する。この方法は、燃焼処理中に炭酸カリウムをバーナーの高さまたはバーナーより上に導入することを含む。酸素富化と組み合わせて使用する場合、ＮＯ_ｘ削減を、酸素富化を単独で使用する場合に予測される場合よりさらに多く、達成することができる。この方法により、ミッドウェスタンコール（Midwestern coal）およびペトコークスのような高硫黄燃料でさえも、ＳＯ_ｘレベルを数ｐｐｍまで削減することができる。同時に、酸素富化のＮＯ_ｘ削減効果を炭酸カリウムによって促進し、低ＮＯ_ｘ処理をもたらす。炭酸カリウムの高温のスラッグ効果を避けるために、多段燃焼処理が最も好ましい。

実験室試験データは、ペトコークスの燃焼から炭酸カリウムを使用して硫黄を除去することにおいて予想される利益のほんの一部を示す。試験結果は、空気燃焼（従来）および酸素燃焼（酸素富化）による両方の炎管ガスが約６ｐｐｍのＳＯ_ｘを含んでいたことを示す。使用したペトコークスが約３−６％の硫黄を含んでいたということを考慮すると、これは極めて低い。燃焼処理で起きる反応は
Ｋ_２ＣＯ_３ ＋ ＳＯ_ｘ → Ｋ_２ＳＯ_４ ＋ ＣＯ_２ （１）
である。

Illinois No.6石炭を用いて燃焼する粉砕石炭ボイラでの、Ｋ_２ＣＯ_３によるＳＯ_２の吸着から得られる最近の計算値を以下に示す。約１０００ＭＷの電力生産量に相当する時間あたり百万ポンドの石炭を、１０％の過剰な空気を用いて燃焼できたことが推定された。親石炭の元素組成を示す。

石炭は１０％の灰を有すると想定され、水分を無視している。この石炭の硫黄組成は高い（約７重量％daf）ことに気付かれたい。吸着速度は粒子表面へのＳＯ_２の拡散により制限されると仮定される。物質移動速度は：

であり、Ｎ”_SO2は、粒子の外部表面積当りの、粒子表面へのＳＯ_２のモル流束であり、h_mは対流物質移動係数であり、C_SO2はバルクの気相または表面でのどちらかにおけるガスの濃度である。拡散限界条件下で、C_SO2ｓは実質的にゼロであり、数式（２）は非常に単純となる。物質移動係数は、小さい粒子では２．０である、ヌッセルト数から計算され、

であり、ここでｄ_ｐは粒子の直径であり、この計算では５０ミクロンと仮定される。ＳＯ_２の拡散率は動的なガスに対するチャップマン−エンスコッグ理論から計算された。燃焼後のガスに似ているので、空気に対するパラメータを使用した。拡散率は温度に応じて変化する。

この計算に対して、温度分布を想定した。粒子とガスの温度は２０００Ｋから始まり、それから直線的な傾向で１秒後に１０００Ｋに低下した。これは最も粉砕した石炭ボイラにおける条件に近づいたと考えられる。

ＳＯ_２の初期濃度を石炭と空気の流速から計算し、石炭内の全ての硫黄が最終的にＳＯ_２になると仮定した。これは約４５１０ｐｐｍの計算値を与える。この場合のＳＯ_２濃度の変化に対する微分方程式は

である。ここでｎ_ｐは粒子数密度（立方メートルあたりの粒子の数）であり、Ａ_ｐは粒子あたりの外部面積（４πｒｐ^２）であり、Ｎ”_SO2は式（２）から得られるものである。

生成したＳＯ_２の特徴を図４に示す。示したように、計算値はＳＯ_２からＫ_２ＳＯ_４への変換率を単に７０％しか示さなかった。しかし、石油コークスからの正確な実験室データはより良い結果を生む。そのデータは９５％以上の変換率を示す。この違いは完全には判明していないが、おそらくカリウム種がいくらか蒸発し、それがＳＯ_２の変換率を増加させたのではないかと思われる（粒子表面への拡散を必要としないため）。

さらに、Ｋ_２ＣＯ_３粒子を使用することによりホットポストフレームガス（hot post-flame gas）からのＳＯ_２の吸着を促進するのではないかと思われる。ここに記載される好ましい実施形態において、Ｋ_２ＣＯ_３を石炭と共に注入するのだが、この配置はＫ_２ＣＯ_３を熱くし過ぎる可能性がある。過剰な温度は、Ｋ_２ＣＯ_３を溶融し、ことによっては粘着性を有するようになり、それによって燃焼室での堆積問題を引き起こすことが予想される。しかし、データは、いくらか蒸発が起き、その結果として硫黄の硫黄炭酸塩への変換を促進することを示しているように見えるので、蒸発が効果的である可能性がある。

より好ましい実施形態では、下流での汚染の影響を削減するために、Ｋ_２ＣＯ_３は炎光領域（主燃焼領域）の上に注入される。従って、図３に示した好ましい実施形態では、炭酸カリウムを三次空気と共に第２の燃焼領域に注入する。この配置は、炎光に直接導入された場合に起こり得る炭酸カリウムのスラッグを克服するだけでなく、ＮＯ_ｘの増強された削減も提供する。データは、ＮＯ_ｘ生成が炭酸カリウムの添加により、
Ｋ_２ＣＯ_３ ＋ ＮＯ_ｘ → Ｋ_２ＮＯ_３ ＋ ＣＯ_２ （４）
の形の反応で減少することを示唆する。

このＮＯ_ｘ反応が起きるメカニズムは完全には判明していない。しかし、酸素富化との組み合わせにおいて、この好ましい実施形態は相乗的な結果を生むと思われる。

ここで図１から図３を参照して、バーナーのこれらの好ましい実施形態を概略的な方法で示す。図１に概略的に示すように、第１すなわち主燃焼領域２２、および第２すなわち補助燃焼領域２４を有する燃焼室２０を示す。三つの注入流の第１、主流２６は主酸化剤空気を固体、ここでは噴霧燃料と混ぜ合わせ、それにより燃焼室２０の主燃焼領域２２に運ぶ。燃料が固体でない用途では、主導入流を省略することができる。補助流２８は補助酸化剤を、主流２６の周りまたはその近くでバーナーに導入し、主燃焼領域２２に導入する。三次流３２を、必要であれば、補助燃焼領域２４に注入し、燃焼を完全なものにする。これらの装置において、このように説明した各々のタイプの複数の空気流（主流、補助流、および三次流）を利用することができ、実際には複数のバーナーを使用できることがわかる。（以下の記載では各々、簡潔さのために、単独でしめす。）
図１に示すように、酸素富化を主酸化剤流および補助酸化剤流に用い、炭酸カリウムを燃料と共に導入する。図２に示すように、酸素富化を３つ全ての酸化剤流に用い、炭酸カリウムを燃料と共に導入する。図３に示すように、酸素富化を３つ全ての酸化剤流に用い、炭酸カリウムを三次酸化剤と共に補助燃焼領域に導入する。

炎管ガス３４を形成し、燃焼室２０から排出する。従って、第１燃焼領域は燃料がバーナーの高さの周囲で反応する領域である。Ｏ_２を炉の出口より前のバーナーからの下流に酸素を提供することでより完全な燃焼を下流に提供するのであれば、補助領域が時には必要となる。酸化剤の酸素当量を酸化剤流（主流、補助流、および、もし使えるものなら、三次流）で調節し、燃焼を完了させるのに必要な化学量論平衡を考慮した過剰酸素の予定した量を維持する。炎管ガスの酸素含有量を１．５パーセントから４．５パーセントの間に、より好ましくは２．５パーセントから３．５パーセントの間に、最も好ましくは約３．０パーセントに維持するために、過剰酸素のこの量を好ましくは維持する。この用途用として、全てのＯ_２含有量は乾燥ガス（Ｈ_２Ｏを除いた）体積で示される。

従って、好ましい実施形態は、ＮＯ_ｘおよびＳＯ_ｘをボイラ、特に石炭ボイラにおいて削減するように設計された方法を開示する。これらの実施形態は、燃焼処理において炭酸カリウムをバーナーの高さまたはバーナーの上で酸素富化と組み合わせて導入することを含む。この方法を用いて、ミッドウェスタンコールおよびペトコークスのような高硫黄燃料でさえも、ＳＯ_ｘレベルを数ｐｐｍに削減することができる。同時に、酸素富化のＮＯ_ｘ削減効果は炭酸カリウムにより著しく促進され、低ＮＯ_ｘ処理をもたらす。炭酸カリウムの高温のスラッグ効果のために、多段燃焼処理が好ましいだろう。硫酸カリウムを燃料ガスから洗い落とすことができ、それを肥料として販売できる。

図１は第１の好ましい実施形態を示す。ボイラはペトコークスまたは石炭のような固体燃料を使用し、３つの酸化剤流−燃料移動用の主流、燃焼用の補助流、多段燃焼用の三次流を利用する。液体燃料燃焼装置に適合するときには、主酸化剤流は必要のない場合もあることに気付かれたい。

示すように、この方法は、バーナーの高さでの温度を制御し、さらに炭酸カリウムをボイラにおいて同じ高さで燃料と共に導入することにより、ＮＯ_ｘの排出量を削減する働きをする。温度を制御し、高温になり過ぎることを制限することにより、ＮＯ_ｘの生成を避け、炭酸カリウムのスラッグを削減する、またはことによるとそれを完全に避けるであろう。酸素を主／補助酸化剤の高さで注入し、燃焼処理を空気単独の場合（特に燃料に富む条件下）よりもより早く、より効率的に開始させる。

主／補助酸化剤の高さで使用される空気は少ないであろうから、燃焼はあまり効率的ではないであろうことに気付く。これらの状況下で、空気燃焼と比較した場合に増長されている反応性に起因して、酸素はこの効果の釣り合いを保つための明確な方法を提供する。さらに、無煙炭またはペトコークスのような揮発性の低い燃料を用いる場合には、主燃焼領域での酸素の存在はなおさらより望まれる。最終的に、主燃焼領域の酸素富化酸化剤は燃料をよりすばやく加熱し、一酸化窒素に変換するのではなくて窒素を純粋な形で放出させるであろう。

図２に示された好ましい実施形態はバーナーの高さでの酸素と燃料の混合を燃料と酸化剤の間で改良することで燃焼効率を改良する代替方法を示す。図２の実施形態では、酸素富化は三次酸化剤の高さにもまた導入され、補助燃焼領域での燃焼を促進する。

ここで図３を参照すると、炭酸カリウムは三次酸化剤の高さでボイラに導入される。補助燃焼領域での炭酸カリウムの注入により、バーナーの高さでの高温環境は避けられる。炭酸カリウムは、高い流速ゆえに、空気流を通して、さらに良好には酸素流（酸素ランスを使用するところ）を通して注入することができ、炎管ガス流との良好な混合をもたらす。あるいは、酸素を、ＮＯ_ｘ制御のために主／補助酸化剤の高さのみで注入することができる。

使用する炭酸カリウムの量は燃料中の硫黄含有量により定義される化学量論を示すように選択されることが好ましい。好ましい実施形態においては、燃料中の硫黄と反応するのに必要な化学量論所要量を約０％から約５０％の間で十分に超える量で、炭酸カリウムを燃焼室に導入する。より好ましい実施形態においては、過剰量は約１０％から約５０％の間にある。最も好ましい実施形態では、過剰量は約２０％から約３５％の間にある。データが示すように、この方法は硫酸カリウムに変換することで硫黄含有燃料の硫黄を少なくとも半分にする。ＮＯ_ｘ生成と灰の中の未燃燃料を最小限にするための主／補助酸化剤流と三次流との間の関係で、酸素を使用して全ての酸化剤の１０−２０％未満を置換する。

従って、好ましい実施形態において、硫黄含有燃料を燃焼し、炎管ガスを製造する方法を開示する。硫黄含有燃料は燃料導入口で燃焼室に導入される。２１％以上の酸素を含む主酸化剤流を燃焼室に主酸化剤導入口で導入し、硫黄含有燃料と混合して第１燃焼領域を定める。主酸化剤導入口は燃料導入口の近くまたはそれに一致する位置にある。２１％以上の酸素を含む補助酸化剤流を燃焼室に補助酸化剤導入口で導入する。補助酸化剤導入口は補助酸化剤が燃焼室の主燃焼領域に入るように位置している。２１％以上の酸素を含む三次酸化剤流を燃焼室に三次酸化剤導入口で導入する。三次酸化剤導入口は主酸化剤導入口および補助酸化剤導入口から離れて位置する。三次酸化剤は燃焼室に入り、補助燃焼領域を定める。

燃焼室に入る酸化剤の合計酸素含有量は２１％を超える。炭酸カリウムを燃焼室に三次空気導入口を通して、燃料中の硫黄と反応するのに必要な化学量論所要量を０％から５０％の間で十分に超える量で導入する。硫黄含有燃料を燃焼し、炎管ガスおよび硫酸カリウムを製造する。硫黄含有燃料の硫黄の少なくとも半分を硫酸カリウムに変換する。

上記の明細書において、本発明をある好ましい実施形態に関して説明し、多くの詳細事項を説明の目的で述べてきたが、本発明は他の実施形態でも可能であり、ここで説明した詳細のいくつかを本発明の基本原理から外れることなしに相当変化させることが可能であることは、当業者には明白であろう。

硫黄含有燃料を燃焼する方法の、第１の好ましい実施形態を示す概略図。 硫黄含有燃料を燃焼する方法の、第２の好ましい実施形態を示す概略図。 硫黄含有燃料を燃焼する方法の、第３の好ましい実施形態を示す概略図。 硫黄含有燃料を燃焼する方法の好ましい実施形態に従って硫黄含有燃料を燃焼することから予想されるデータを示すグラフ。

Claims (4)

1. 硫黄含有燃料を燃焼して炎管ガスを製造する方法であって、
   硫黄含有燃料を燃焼室へと導入することと、
   少なくとも１つの酸化剤流を酸素富化させることと、
   主酸化剤流を、前記燃料の導入口の近くまたはそれに一致する位置にある主酸化剤の導入口で前記燃焼室へと導入し、前記硫黄含有燃料と混合して第１燃焼領域を定めることと、
   補助酸化剤流を、前記補助酸化剤が前記燃焼室の前記第１燃焼領域に入るように位置した補助酸化剤の導入口で前記燃焼室へと導入することと、
   三次酸化剤流を、前記主酸化剤の導入口と前記補助酸化剤の導入口とから離れて位置した三次酸化剤の導入口で前記燃焼室へと導入し、前記三次酸化剤流が、前記燃焼室に入って補助燃焼領域を定め、前記三次酸化剤流が前記硫黄含有燃料の燃焼を完全なものにすることと、
   炭酸カリウムを、前記三次酸化剤流を介して前記燃焼室へと導入することと、
   前記硫黄含有燃料を燃焼し、炎管ガスと硫酸カリウムとを製造することと
   を含んだ方法。
2. 前記燃焼室に入る前記酸化剤の合計酸素含有量は２１％を超える請求項１記載の方法。
3. 前記燃料中の硫黄と反応するのに必要な化学量論所要量を０％から５０％の間で十分に超える量で、前記炭酸カリウムを前記燃焼室に導入する請求項２記載の方法。
4. 前記硫黄含有燃料中の硫黄の少なくとも半分を硫酸カリウムに変換する請求項２記載の方法。

Images