JP4985857B1 - 微粉炭を用いた燃焼設備における排ガス中のＮＯｘ濃度の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】微粉炭を燃料とする燃料設備から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を、当該微粉炭の性状に基づいて事前に制御することにより、容易に大気汚染防止法等による規制値以下にすることができるとともに、当該制御の際に要する脱硝剤等の使用量も低減化することが可能になる微粉炭を用いた燃焼設備における排ガス中のＮＯｘ濃度の制御方法を提供する。
【解決手段】予め複数の炭種の微粉炭について、各々のチャーの反応速度を測定するとともに、上記排ガス中のＮＯｘ濃度と上記反応速度との関係を求めておき、当該関係に基づいて、上記チャーの反応速度が、目的とするＮＯｘ濃度以下に対応した値になるように、上記複数の炭種の微粉炭を配合して上記燃焼設備の燃料として供給する。
【選択図】図１
【解決手段】予め複数の炭種の微粉炭について、各々のチャーの反応速度を測定するとともに、上記排ガス中のＮＯｘ濃度と上記反応速度との関係を求めておき、当該関係に基づいて、上記チャーの反応速度が、目的とするＮＯｘ濃度以下に対応した値になるように、上記複数の炭種の微粉炭を配合して上記燃焼設備の燃料として供給する。
【選択図】図１
Description
本発明は、微粉炭を燃料とする各種の燃焼設備から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を制御する方法に関するものである。
一般に、セメント製造プロセスにおける仮焼炉においては、当該仮焼炉においてセメント原料を加熱して仮焼するための燃料として微粉炭が用いられている。
図３に示すように、この仮焼炉を備えたセメント製造設備は、セメント原料を焼成するためのロータリーキルン１と、このロータリーキルン１の図中左方の窯尻２に設けられた複数のサイクロン４ａ〜４ｄを備えたプレヒータ３と、このプレヒータ３の最下段のサイクロン４ｄからセメント原料をロータリーキルン１の窯尻２に供給するシュート５と、最上段のサイクロ４ａに接続されて燃焼排ガスを排出する排気ファン１０を有する排気ライン９と、図中右方の窯前６に内部を加熱するための主バーナ７と、窯前６に焼成後のセメントクリンカを冷却するためのクリンカクーラ８とを備え、さらに３段目のサイクロン４ｃと４段目のサイクロン４ｄとの間に、下端部にロータリーキルン１の窯尻２から導管部を通じて燃焼排ガスが導入されるとともに、内部に図示されない燃料供給ラインから供給される微粉炭の燃焼装置を有する仮焼炉１２が設けられたものである。なお、仮焼炉１２が、窯尻２上の導管部とは別の経路に設けられているセメント製造設備もある。
図３に示すように、この仮焼炉を備えたセメント製造設備は、セメント原料を焼成するためのロータリーキルン１と、このロータリーキルン１の図中左方の窯尻２に設けられた複数のサイクロン４ａ〜４ｄを備えたプレヒータ３と、このプレヒータ３の最下段のサイクロン４ｄからセメント原料をロータリーキルン１の窯尻２に供給するシュート５と、最上段のサイクロ４ａに接続されて燃焼排ガスを排出する排気ファン１０を有する排気ライン９と、図中右方の窯前６に内部を加熱するための主バーナ７と、窯前６に焼成後のセメントクリンカを冷却するためのクリンカクーラ８とを備え、さらに３段目のサイクロン４ｃと４段目のサイクロン４ｄとの間に、下端部にロータリーキルン１の窯尻２から導管部を通じて燃焼排ガスが導入されるとともに、内部に図示されない燃料供給ラインから供給される微粉炭の燃焼装置を有する仮焼炉１２が設けられたものである。なお、仮焼炉１２が、窯尻２上の導管部とは別の経路に設けられているセメント製造設備もある。
上記構成からなるセメントクリンカの製造設備においては、最上段のサイクロン４ａに供給された上記セメント原料が、順次下方のサイクロン４へと落下するにしたがって、下方から上昇するロータリーキルン１からの高温の排ガスによって予熱された後に、サイクロン４ｃから抜き出されて仮焼炉１２に送られ、この仮焼炉１２において仮焼された後に、最下段のサイクロン４ｄからシュート５を介してロータリーキルン１の窯尻２に導入されるようになっている。
他方、ロータリーキルン１から排出された燃焼排ガスは、仮焼炉１２を介して最下段のサイクロン４ｄへと送られ、順次上方のサイクロン４へと送られて、上記セメント原料を予熱するとともに、最終的には最上段のサイクロン４ａの上部から、排気ファン１０によって排気ライン９を介して排気されて行くようになっている。
ところで、このようなセメント製造設備においては、大気汚染防止法によって、排気ファン１０によって排気ライン９から排出される排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと表記する。）の濃度が規制されている。このため、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を常時監視して、下記特許文献１、２等に見られるように、適宜アンモニアやこれを含む汚泥等を排気ライン９中に噴霧して脱硝したり、あるいは主バーナ７の燃料の量を調整してロータリーキルン１内の温度を低下させたりして、当該排ガス中のＮＯｘ濃度が、上記規制値を超えないように制御している。
このため、上記排ガス中のＮＯｘ濃度が高くなると、噴霧するアンモニアや汚泥等の量も増えて、白煙や異臭を発生するおそれがあった。また、主バーナ７の燃料の量を調整してロータリーキルン１内の温度を過度に低下させると、セメント原料の焼成に必要な熱量が低下して、品質の低下や生産量の減少といった操業上の問題を生じるおそれがあった。
一方、燃料の燃焼によって生成するＮＯｘには、熱起源のＮＯｘ（Thermal-NOx）と、燃料起源のＮＯｘ（Fuel-NOx）に大別されることが知られている。
そこで、従来上記問題点を解決するために、熱起源のＮＯｘについては、上記特許文献３、４において提案されているように、低ＮＯｘバーナの使用等が検討されている。
そこで、従来上記問題点を解決するために、熱起源のＮＯｘについては、上記特許文献３、４において提案されているように、低ＮＯｘバーナの使用等が検討されている。
また、燃料起源のＮＯｘについては、燃料中の窒素質量割合や燃料比（＝固定炭素割合／揮発分割合）に着目し、より窒素質量割合の低い燃料を用いたり、あるいは燃料比が小さい（揮発分割合が大きい）燃料を用いて燃焼速度を速めたりすることにより、ＮＯｘ濃度を低める方法が採用されているが、何れの方法も推定精度が低く、よって操業時に所望のＮＯｘ濃度範囲に制御することが難しいという問題点があり、その改善が望まれていた。
そこで、本発明者等は、特に上記仮焼炉１２から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を高い精度で制御すべく、以下のような調査および研究を行った。
先ず、燃料として微粉炭が用いられている上記仮焼炉１２は、セメント原料を仮焼するプロセスであり、炉内温度が８００〜９００℃であるために、当該仮焼炉１２から排出される排ガス中のＮＯｘは、主に燃料起源のＮＯｘであると考えられる。
先ず、燃料として微粉炭が用いられている上記仮焼炉１２は、セメント原料を仮焼するプロセスであり、炉内温度が８００〜９００℃であるために、当該仮焼炉１２から排出される排ガス中のＮＯｘは、主に燃料起源のＮＯｘであると考えられる。
そこで次に、本発明者等は、上記仮焼炉１２において使用されている複数種の微粉炭について、各々微粉炭の性状（窒素質量割合、燃料比、チャー（固定炭素）の反応速度）を測定するとともに、実際に上記微粉炭を配合して得られたものを燃料として用いた場合の上記仮焼炉１２から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を測定した。そして、上記配合割合に基づいて、実際に燃料として用いた微粉炭の性状（窒素質量割合、燃料比、チャー（固定炭素）の反応速度）を算出するとともに、これらの性状が上記排ガス中のＮＯｘ濃度の変化に及ぼす影響について調べた。
その結果、図４（ａ）に見られるように、使用した微粉炭における窒素質量割合（Ｎwt％）と、仮焼炉出口における排ガス中のＮＯｘ濃度の値との間には、一定の相関関係を見出すことができなかった。また、図４（ｂ）に見られるように、同様に燃料比と仮焼炉出口における排ガス中のＮＯｘ濃度の値との間にも、大きな相関関係を見出すことができなかった。
これらのことから、上記従来のように、単に窒素質量割合の低い燃料を用いたり、燃料比が小さい燃料を用いたりするのみでは、所望とするＮＯｘ濃度の低下を期待したり、あるいはＮＯｘ濃度を操業上必要とされる精度で制御したりすることが困難であることが判明した。
そこで次に、上記微粉炭の配合割合に基づいて、チャーの反応速度を推定ないし測定しし、これと仮焼炉出口における排ガス中のＮＯｘ濃度の変化とを比較したところ、両者間に上記窒素質量割合や燃料比よりも強い相関関係、具体的には、チャー反応速度が速いほど、仮焼炉出口における排ガス中のＮＯｘ濃度が低下する傾向が見出された（図５）。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、微粉炭を燃料とする燃料設備から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を、当該微粉炭の性状に基づいて事前に制御することにより、容易に大気汚染防止法等による規制値以下にすることができるとともに、当該制御の際に要する脱硝剤等の使用量も低減化することが可能になる微粉炭を用いた燃焼設備における排ガス中のＮＯｘ濃度の制御方法を提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の微粉炭を燃料とした燃焼設備から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を制御する方法であって、予め複数の炭種の微粉炭について、各々のチャーの反応速度を測定するとともに、上記排ガス中のＮＯｘ濃度と上記反応速度との関係を求めておき、当該関係に基づいて、上記チャーの反応速度が、目的とするＮＯｘ濃度以下に対応した値になるように、上記複数の炭種の微粉炭を配合して上記燃焼設備の燃料として供給することを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記チャーの反応速度に代えて、当該反応速度の頻度因子を用いることを特徴とするものである。
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、上記複数の炭種の微粉炭について、熱天秤を用いて、複数の温度条件下において、重量減少の時間変化曲線の接線の傾きを、測定した酸素分圧で除すことにより当該温度におけるチャーの反応速度を求め、次いで横軸を（１／上記測定温度（単位：絶対温度））とし、かつ縦軸を当該測定温度における上記チャーの反応速度の値としたアレニウスプロットの上記縦軸の切片から上記チャー反応頻度因子を求めることを特徴とするものである。
後述する本発明者等による実験結果から明らかなように、請求項１〜３のいずれかに記載の発明によれば、予め燃焼設備に使用される複数の炭種の微粉炭について、各々のチャーの反応速度を測定するとともに、使用した微粉炭についての排ガス中のＮＯｘ濃度を測定しておき、これらの関係に基づいて、上記複数の炭種の微粉炭を配合する際に、目的とするＮＯｘ濃度以下となるようなチャーの反応速度値にすることにより、容易に上記燃料設備から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を、大気汚染防止法等による規制値以下にすることができる。
また、上記微粉炭の配合のみでは、上記チャーの反応速度の値を、排ガス中のＮＯｘ濃度が目的とするＮＯｘ濃度以下となるように制御できない場合においても、当該反応速度の調整によってＮＯｘ値を極力小さくすることにより、別途ＮＯｘ濃度低減用に添加すべき脱硝剤等の使用量も、従来よりも大幅に低減することができ、よって当該脱硝剤等の添加に起因する操業上の弊害の発生も抑制することができる。
ちなみに、上記微粉炭のチャー反応速度ｋ（１／ｓ・Ｐａ）は、下式（１）で表すことができる。
ｋ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ） （１）
ここで、Ａはチャー反応頻度因子（１／ｓ・Ｐａ）であり、Ｅは活性化エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）であり、Ｒは気体定数（８，３１４Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）であり、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。
ｋ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ） （１）
ここで、Ａはチャー反応頻度因子（１／ｓ・Ｐａ）であり、Ｅは活性化エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）であり、Ｒは気体定数（８，３１４Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）であり、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。
したがって、チャー反応速度ｋ自体は、温度Ｔの関数であることから、各微粉炭のチャーｋに基づいて、排ガス中のＮＯｘ濃度を制御することは、温度Ｔの因子も考慮する必要が生じて煩雑になる。
そこで、本発明者等は、熱天秤を用いて上記チャー反応速度ｋを測定する際に、横軸を測定温度とし、かつ縦軸を当該測定温度における上記チャーの反応速度ｋとしたアレニウスプロットの傾きから、上記活性化エネルギーＥを求め、かつ上記縦軸の切片から上記チャー反応頻度因子Ａを求めたところ、各々の微粉炭において、上記活性化エネルギーＥは一定値（傾きが一定）とみなすことが可能であり、その相違は１０％以内であることが判った。
この結果、図５に示すように、チャー反応頻度因子Ａの変化と排ガス中のＮＯｘ濃度の変化との間にも、同様の強い相関関係があることが実証された。
したがって、請求項２に記載の発明のように、上記チャー反応速度ｋに代えて、上記チャー反応頻度因子Ａを微粉炭の性状の代表値として管理すれば、当該微粉炭使用時の炉内温度の影響を考慮しなくてよいために、微粉炭の管理や燃焼制御が一層容易になる。
以下、本発明者等が行った実験例に基づいて、本発明に係る微粉炭を用いた燃焼設備における排ガス中のＮＯｘ濃度の制御方法を、図３に示したセメント製造設備における仮焼炉１２での微粉炭の燃焼によるＮＯｘ濃度の制御に適用した一実施形態について説明する。
先ず、図１に示すように、上記仮焼炉１２において用いられている複数の炭種の微粉炭について、熱天秤を用いてチャーの反応速度ｋを測定した。
なお、使用した熱天秤は、株式会社リガク製の赤外差動型示差熱天秤ＴＧ８１２０であり、試料の重量測定は、メトラー・トレド社製の電子天秤ＸＳ１０５ＤＵによった。また、燃焼性を評価する試料は、レーザー回折法による５０％累積径１０〜４０μｍの粉末を用いた。
なお、使用した熱天秤は、株式会社リガク製の赤外差動型示差熱天秤ＴＧ８１２０であり、試料の重量測定は、メトラー・トレド社製の電子天秤ＸＳ１０５ＤＵによった。また、燃焼性を評価する試料は、レーザー回折法による５０％累積径１０〜４０μｍの粉末を用いた。
そして、所定量の微粉炭の試料を窒素ガス雰囲気下において、１５Ｋ／ｓの速度で昇温し、所定温度に達した後に上記試料に含まれる揮発分の熱分解による重量減少変化が十分に小さくなるまで（１〜４分間）保持した後に、酸素を含む雰囲気に切り換えて、複数の一定温度（Ｋ）における試料の質量減少を測定した。
なお、上記試料の質量減少を測定した複数の一定温度およびその際の試料の量は、それぞれ５００℃（１．５ｍｇ）、５５０℃（１．０ｍｇ）、６００℃（０．５ｍｇ）、６５０℃（０．２ｍｇ）、７００℃（０．１ｍｇ）であった。
この際に、上記熱天秤におけるチャーの酸化による重量減少の時間変化（反応率変化ｄＸ／ｄｔ）は、下式（２）で表すことができる。
ｄＸ／ｄｔ＝ｋ（１−Ｘ）ｎＰ02 ｍ （２）
ｄＸ／ｄｔ＝ｋ（１−Ｘ）ｎＰ02 ｍ （２）
ここで、ｋはチャー反応速度（１／ｓ・Ｐａ）、Ｘはチャー反応率、Ｐ０２は酸素分圧（Ｐａ）、ｍおよびｎは反応次数である。
そして、上記反応次数を、ｎ＝０、ｍ＝１（他の予察実験により決定）とすると、ｋ＝（ｄＸ／ｄｔ）／Ｐ０２ であるから、未燃率０．３、０．５、０．７（図では０．５の場合を示す）における重量減少の時間変化における接線の傾きを、測定した酸素分圧で除した値が、当該温度Ｔにおけるチャー反応速度ｋとなる。
そして、上記反応次数を、ｎ＝０、ｍ＝１（他の予察実験により決定）とすると、ｋ＝（ｄＸ／ｄｔ）／Ｐ０２ であるから、未燃率０．３、０．５、０．７（図では０．５の場合を示す）における重量減少の時間変化における接線の傾きを、測定した酸素分圧で除した値が、当該温度Ｔにおけるチャー反応速度ｋとなる。
次いで、以上の測定等を、各々の上記温度（Ｋ）において実施して、未燃率０．３、０．５、０．７（図では０．５の場合を示す）毎に、横軸を１／Ｔ（１／Ｋ）とし、縦軸をチャー反応速度ｋとしたアレニウスプロットの傾きから上記活性化エネルギーＥを、また縦軸の切片からチャー反応頻度因子Ａを求めた。そして、未燃率０．３、０．５、０．７毎に求めたチャー反応頻度因子Ａの平均値を、測定した試料の頻度因子Ａとした。
次いで、実際に仮焼炉１２において使用した微粉炭のチャー反応頻度因子Ａと、その際の排ガス中のＮＯｘ濃度と関係を求めた。図５は、この関係を示すグラフであり、両者間に強い相関関係があることが判る。
そして、上記仮焼炉１２において、ＮＯｘ濃度を操業上の許容範囲となる５００ppm以下とするためには、微粉炭としてチャー反応頻度因子Ａが１５以上となるように配合すればよいことが判る。
そして、上記仮焼炉１２において、ＮＯｘ濃度を操業上の許容範囲となる５００ppm以下とするためには、微粉炭としてチャー反応頻度因子Ａが１５以上となるように配合すればよいことが判る。
さらに、ロータリーキルン１から排出される排ガスも含めて、最終的にアンモニア等を添加する際にも、図２に示すように、その使用量を予測することができる。
このように、上記構成からなる微粉炭を用いた仮焼炉１２における排ガス中のＮＯｘ濃度の制御方法によれば、図５に示すチャー反応頻度因子ＡとＮＯｘ濃度との関係に基づいて、目的とするＮＯｘ濃度以下となるチャーの反応頻度因子Ａの値になるように、当該仮焼炉１２において使用している複数の炭種の微粉炭を配合することにより、容易に仮焼炉１２から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を、当該仮焼炉１２における操業上の許容範囲内にすることができる。なお、配合後のチャーの反応速度ｋ、反応頻度因子Ａは、実測の他、配合する微粉炭各々の値の配合割合による加重平均によって、実用上問題なく求めることができる。
また、仮焼炉１２について、そのＮＯｘ濃度を操業上の許容範囲内にすることにより、排気ライン９から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を低下させるべくロータリーキルン１内の温度を過度に低下させて、品質の低下や生産量の減少といった操業上の問題が生じることも防止することができる。加えて、ロータリーキルン１からの排ガスも含めて、最終的に排気ライン９において添加すべきアンモニアの量も減少させることが可能になる。
１２ 仮焼炉（燃焼設備）
Claims (3)
- 微粉炭を燃料とした燃焼設備から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を制御する方法であって、
予め複数の炭種の微粉炭について、各々のチャーの反応速度を測定するとともに、上記排ガス中のＮＯｘ濃度と上記反応速度との関係を求めておき、当該関係に基づいて、上記チャーの反応速度が、目的とするＮＯｘ濃度以下に対応した値になるように、上記複数の炭種の微粉炭を配合して上記燃焼設備の燃料として供給することを特徴とする微粉炭を用いた燃焼設備における排ガス中のＮＯｘ濃度の制御方法。 - 上記チャーの反応速度に代えて、当該反応速度の頻度因子を用いることを特徴とする請求項１に記載の微粉炭を用いた燃焼設備における排ガス中のＮＯｘ濃度の制御方法。
- 上記複数の炭種の微粉炭について、熱天秤を用いて、複数の温度条件下において、重量減少の時間変化曲線の接線の傾きを、測定した酸素分圧で除すことにより当該温度におけるチャーの反応速度を求め、次いで横軸を（１／上記測定温度）とし、かつ縦軸を当該測定温度における上記チャーの反応速度の値としたアレニウスプロットの上記縦軸の切片から上記チャー反応頻度因子を求めることを特徴とする請求項２に記載の微粉炭を用いた燃焼設備における排ガス中のＮＯｘ濃度制御方法。
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