JP4534783B2 - 排ガス予熱装置及び排ガス予熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱炉や焼却炉等の燃焼設備からの燃焼排ガスを予熱するために用られる排ガス予熱装置及び排ガス予熱方法に関するものである。

例えば、加熱炉や焼却炉等からの燃焼排ガス中の窒素酸化物を乾式で除去するために、選択接触還元法が各種産業で広く利用されている。この選択接触還元法は、排ガス中に還元剤を添加し、還元剤を窒素酸化物と選択的に反応させて、窒素酸化物を還元（分解）する方法である。

その際、窒素酸化物の還元剤として、アンモニア、炭化水素、水素、一酸化炭素等が用いられ、特にアンモニアが多用されている（例えば、特許文献１参照。）。また、触媒として、Ａｌ₂Ｏ₃やＴｉＯ₂等に担持させた金属酸化物が用いられている。

窒素酸化物の還元剤としてアンモニアを使用する場合、その還元プロセスは、
４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
６ＮＯ＋４ＮＨ₃→５Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
６Ｎ０₂＋８ＮＨ₃→７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ
で示される。そして、この反応は温度が２５０〜４００℃付近で優先的に進行する。

これに対して、レキュペレータで排熱回収を行うために、排ガス温度が２００℃程度まで降下する場合や、あるいは、高炉製鉄プロセスでの焼結機やコークス炉から発生する排ガスのように、発生する排ガス自体の温度が２００℃以下である場合があり、その場合には、これらの処理対象排ガスを通常の拡散型バーナで再加熱し、このバーナ燃焼排ガスを処理対象排ガスに混合して所定の温度まで昇温させてから、還元剤のアンモニアを添加するようにしている（例えば、非特許文献１参照。）。
特開平１１−３００１６４号公報 「公害防止の技術と法規」：産業公害防止協会発行

しかし、上記のように、処理対象排ガスを通常の拡散型バーナで再加熱し、このバーナ燃焼排ガスを処理対象排ガスに混合して所定の温度まで昇温させる従来技術は、以下のような問題点がある。

すなわち、従来の排ガス予熱技術、特に、選択接触還元法による排ガス脱硝プロセスにおける従来の排ガス予熱技術では、拡散型バーナで生成するバーナ燃焼排ガスと、本来脱硝処理するべき処理対象排ガスとの混合が進行し難く、均一かつ速やかな混合を行うためには、空筒速度を低減させる必要があり、そのために大型の混合予熱室を設けることになって、設備費の高騰を招く。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、加熱炉や焼却炉等の燃焼設備からの燃焼排ガスの脱硝処理等を行う場合に、処理対象の燃焼排ガスを所定温度に予熱するための排ガス予熱装置として、コンパクトな構造で効率良く燃焼排ガスを予熱することができる排ガス予熱装置を提供することを目的とするものである。また、その排ガス予熱装置を用いた好適な排ガス予熱方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］燃焼排ガスを所定温度に予熱するための排ガス予熱装置であって、
管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口し、燃料と酸素含有ガスを別々にあるいは予混合して吹き込むノズルを備え、各ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナが、該管状火炎バーナの燃焼排ガスの旋回流が前記排ガスダクト内を旋回を伴ったまま進行するように、前記燃焼排ガスが流通する排ガスダクトに取り付けられていることを特徴とする排ガス予熱装置。

［２］管状火炎バーナが、前記燃焼排ガスが流通する排ガスダクトが曲がった個所に、前記管状火炎バーナの燃焼排ガスの旋回流が前記管状火炎バーナの燃焼室から前記排ガスダクト内に旋回を伴ったまま流入するように取り付けられていることを特徴とする前記［１］に記載の排ガス予熱装置。
［３］管状火炎バーナの燃焼室が、前記燃焼排ガスが流通する排ガスダクトをもって構成され、前記管状火炎バーナの燃焼排ガスが形成する旋回流が前記排ガスダクト内を進行するようになっていることを特徴とする前記［１］に記載の排ガス予熱装置。

［４］前記燃焼排ガスの一部を酸素含有ガスとして用いることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の排ガス予熱装置。

［５］管状火炎バーナで予熱された燃焼排ガスは、脱硝装置に導入されることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の排ガス予熱装置。

［６］前記［１］〜［５］のいずれかに記載の排ガス予熱装置を用いて燃焼排ガスを予熱するに際し、予熱後の燃焼排ガスの温度を測定し、測定温度が所定温度になるように管状火炎バーナの燃焼条件を制御することを特徴とする排ガス予熱方法。

本発明においては、燃焼排ガスを所定温度に予熱するために管状火炎バーナを用いるようにしているので、コンパクトな構造で効率良い予熱を行うことができる。すなわち、管状火炎バーナが生成する排ガス流は、旋回を伴って円錐状に流れる性質を有するので、予熱対象の燃焼排ガスと均一かつ速やかに混合して、特段の処置をすることなく、燃焼排ガス全体を所定温度に加熱することができる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、ここでは、第１の実施形態、第２の実施形態として、コークス炉の燃焼排ガスを、第３の実施形態として、焼結機の燃焼排ガスを、それぞれ選択接触還元法（還元剤はアンモニア）によって脱硝処理する際に、脱硝処理前の燃焼排ガスを所定温度に予熱する場合を例にして説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る排ガス予熱装置が設置されている状態を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。

この実施形態においては、図１（ａ）に示すように、コークス炉１からの燃焼排ガスが、円形断面の排ガスダクト３を経由して、脱硝装置（アンモニアを還元剤とした選択接触還元法の脱硝装置）２に導入されるようになっている。そして、排ガスダクト３が直角に曲がった個所に、管状火炎バーナ４が取り付けられており、その管状火炎バーナ４によって、コークス炉１からの燃焼排ガスが、アンモニアを還元剤とした選択接触還元法における脱硝反応に好適な２５０〜４００℃の温度に予熱されるようになっている。

管状火炎バーナ４は、管状の燃焼室１０を備えており、燃焼室１０の後端は閉鎖されていて、後端近傍に、燃焼室１０へ燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが取り付けられているととともに、燃焼室１０の先端は排ガスダクト３に向けて開放されていて、管状火炎バーナ４の燃焼排ガスが排ガスダクト３内に流入するようになっている。

そして、図１（ｂ）に示すように、燃焼室１０へのノズル噴射口として管軸方向に沿った細長いスリット１２が燃焼室１０の同一管周上に４個所に形成されており、それぞれのスリット１２に、管軸方向に細長い偏平形状のノズル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが接続されている。それぞれのノズル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの噴射方向は、燃焼室１０の内周面の接線方向でかつ同一回転方向になるように設けられている。それら４個のノズルの内、ノズル１１ａとノズル１１ｃの２個は燃料ガス吹き込みノズルであり、ノズル１１ｂとノズル１１ｄの２個は酸素含有ガス吹き込みノズルである。

なお、上記の酸素含有ガスは、空気、酸素、酸素富化空気、空気・排ガス混合ガス、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するガスを指している。

上記のように構成された排ガス予熱装置においては、燃料ガス吹き込みノズル１１ａ、１１ｃからは燃料ガスが燃焼室１０の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、酸素含有ガス吹き込みノズル１１ｂ、１１ｄからは酸素含有ガスが燃焼室１０の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、燃焼室１０の内周面に近い領域で燃料ガスと酸素含有ガスが効率良く混合されながら旋回流が形成される。その旋回流となった混合ガスに点火用スパークプラグ（図示せず）によって点火すると、燃焼室１０内に管状の火炎が生成され、その燃焼排ガスは燃焼室１０の先端から排ガスダクト３内に流入する。

そして、管状火炎バーナ４の燃焼室１０から流入した燃焼排ガスは、旋回を伴って円錐状に流れる性質を有しているので、予熱対象であるコークス炉からの燃焼排ガスと均一かつ速やかに混合して、燃焼排ガス全体を所定温度（２５０〜４００℃）に加熱することができる。

その際に、管状火炎バーナ４によって予熱された燃焼排ガスの温度を脱硝装置２に近い位置で測定し、その測定温度をフィードバックして、管状火炎バーナ４の燃焼条件（燃料ガスと酸素含有ガスの流量、圧力等）を制御することにより、所定温度（２５０〜４００℃）に的確に予熱されるようにすれば、一層好ましい。

なお、上記では、燃料ガス吹き込みノズル及び酸素含有ガス吹き込みノズルを、噴射方向が燃焼室内周面の接線方向に一致するように設けているが、必ずしも燃焼室内周面の接線方向に一致する必要はなく、燃焼室にガスの旋回流を形成できる程度に、噴射方向が燃焼室内周面の接線方向から外れていても良い。

また、上記では、燃料ガスを吹き込んでいるが、液体燃料を吹き込んでも良い。液体燃料としては、灯油、軽油、アルコール、Ａ重油等の比較的低い温度で気化するものが好適である。

また、この実施形態では、燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込んでいるが、燃料ガスと酸素含有ガスを予混合して吹き込んでも良い。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態を示すものであり、図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る排ガス予熱装置が設置されている状態を示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。

この実施形態においても、図２（ａ）に示すように、コークス炉１からの燃焼排ガスを脱硝装置２に導入するための排ガスダクト３に、管状火炎バーナ５が取り付けられており、その管状火炎バーナ５によって、コークス炉１からの燃焼排ガスが、アンモニアを還元剤とした選択接触還元法における脱硝反応に好適な２５０〜４００℃の温度に予熱されるようになっているが、この実施形態においては、管状火炎バーナ５の燃焼室が排ガスダクト３をもって構成されている。

すなわち、図２（ｂ）に示すように、円形断面の排ガスダクト３へのノズル噴射口として管軸方向に沿った細長いスリット１２が排ガスダクト３の同一管周上に４個所に形成されており、それぞれのスリット１２に、管軸方向に細長い偏平形状のノズル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが接続されている。それぞれのノズル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの噴射方向は、排ガスダクト３の内周面の接線方向でかつ同一回転方向になるように設けられている。それら４個のノズルの内、ノズル１１ａとノズル１１ｃの２個は燃料ガス吹き込みノズルであり、ノズル１１ｂとノズル１１ｄの２個は酸素含有ガス吹き込みノズルである。

上記のように構成された排ガス予熱装置においては、燃料ガス吹き込みノズル１１ａ、１１ｃからは燃料ガスが燃焼室１０の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、酸素含有ガス吹き込みノズル１１ｂ、１１ｄからは酸素含有ガスが燃焼室１０の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、燃焼室１０の内周面に近い領域で燃料ガスと酸素含有ガスが効率良く混合されながら旋回流が形成される。その旋回流となった混合ガスに点火用スパークプラグ（図示せず）によって点火すると、排ガスダクト３内に管状の火炎が生成され、その燃焼排ガスは、排ガスダクト３内を図中の左右方向に進行する。

そして、この管状火炎バーナ５の燃焼排ガスは、旋回を伴って円錐状に流れる性質を有しているので、予熱対象であるコークス炉からの燃焼排ガスと均一かつ速やかに混合して、燃焼排ガス全体を所定温度（２５０〜４００℃）に加熱することができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態を示すものであり、この実施形態においては、前述の実施形態におけるコークス炉の燃焼排ガスに代えて、焼結機の燃焼排ガスを対象にしている。図３（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る排ガス予熱装置が設置されている状態を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。

焼結機からの燃焼排ガス中には、１２％程度の酸素が含まれていることから、この実施形態においては、前述の実施形態において使用する酸素含有ガスとして、焼結機からの燃焼排ガスを用いるようにしている。

すなわち、図３に示すように、排ガスダクト３を流通する焼結機６からの燃焼排ガスの一部を抜き取り、ブロア１３で加速して、酸素含有ガス吹き込みノズル１１ｂ、１１ｄから排ガスダクト３内に吹き込むようにしている。

これによって、他の酸素含有ガスを吹き込むことでその分だけ量が多くなった燃焼排ガスが脱硝装置２に導入されることが回避されるので、非常に効率的であるといえる。

また、場合によっては、上記において、焼結機からの燃焼排ガスに空気を一定割合で混合したものを酸素含有ガスとして用いるようにしてもよく、全量他の酸素含有ガスを用いた場合に比べれば効率的といえる。

なお、上記の各実施形態は、コークス炉あるいは焼結機の燃焼排ガスを脱硝処理する際に、脱硝処理前の燃焼排ガスを所定温度に予熱する場合を例にして説明したが、それに限らず、他の燃焼設備の燃焼排ガスを所望の温度に予熱する場合にも適用することができることはいうまでもない。

本発明の実施例を以下に示す。ここでも、コークス炉又は焼結機の燃焼排ガスを脱硝処理する際に、脱硝処理前の燃焼排ガスを所定温度に予熱する場合を対象とした。

本発明例１は、図１に示した本発明の第１の実施形態によってコークス炉の排ガスの予熱を行った場合であり、本発明例２は、図３に示した本発明の第３の実施形態によって焼結機の排ガスの予熱を行った場合である。

一方、比較例１は、図４に示すように、通常の拡散型バーナ２１を用いてコークス炉１の排ガスの予熱を行った場合であり、比較例２は、図５に示すように、バイパスダクト３１と昇温炉３２を設け、バイパスダクト３１を流通するコークス炉１の排ガスを昇温炉３２で加熱して、排ガスに混合することで排ガスの予熱を行った場合である。

その結果、比較例１では、失火等によって燃焼が不安定になり、安定した予熱を行うことができなかった。また、比較例２では、安定した予熱を行うことができるのであるが、設備が大型になり、高額な設備費が必要であった。

これに対して、本発明例１及び本発明例２では、いずれも、安定した予熱を行うことができ、しかも、設備がコンパクトで、設備費も廉価であった。

このようにして、本発明の優位性を確認することができた。

本発明の第１の実施形態を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示す図である。 比較例１を示す図である。 比較例２を示す図である。

符号の説明

１ コークス炉
２ 脱硝装置
３ 排ガスダクト
４ 管状火炎バーナ
５ 管状火炎バーナ
６ 焼結機
１０ 燃焼室
１１ａ、１１ｃ 燃料ガス吹き込みノズル
１１ｂ、１１ｄ 酸素含有ガス吹き込みノズル
１２ スリット
１３ ブロア
２１ 拡散型バーナ
３１ バイパスダクト
３２ 昇温炉

Claims (6)

1. 燃焼排ガスを所定温度に予熱するための排ガス予熱装置であって、
   管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口し、燃料と酸素含有ガスを別々にあるいは予混合して吹き込むノズルを備え、各ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナが、該管状火炎バーナの燃焼排ガスの旋回流が前記排ガスダクト内を旋回を伴ったまま進行するように、前記燃焼排ガスが流通する排ガスダクトに取り付けられていることを特徴とする排ガス予熱装置。
2. 管状火炎バーナが、前記燃焼排ガスが流通する排ガスダクトが曲がった個所に、前記管状火炎バーナの燃焼排ガスの旋回流が前記管状火炎バーナの燃焼室から前記排ガスダクト内に旋回を伴ったまま流入するように取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス予熱装置。
3. 管状火炎バーナの燃焼室が、前記燃焼排ガスが流通する排ガスダクトをもって構成され、前記管状火炎バーナの燃焼排ガスが形成する旋回流が前記排ガスダクト内を進行するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス予熱装置。
4. 前記燃焼排ガスの一部を酸素含有ガスとして用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス予熱装置。
5. 管状火炎バーナで予熱された燃焼排ガスは、脱硝装置に導入されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス予熱装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の排ガス予熱装置を用いて燃焼排ガスを予熱するに際し、予熱後の燃焼排ガスの温度を測定し、測定温度が所定温度になるように管状火炎バーナの燃焼条件を制御することを特徴とする排ガス予熱方法。