JP5399214B2

JP5399214B2 - 循環流動床炉及び循環流動床炉の制御方法

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Publication number: JP5399214B2
Application number: JP2009262862A
Authority: JP
Inventors: 好宏中谷; 裕介森岡
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: JP2011106754A

Description

本発明は、循環流動床炉及び循環流動床炉の制御方法に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の燃焼炉が知られている。この燃焼炉は、燃料を燃焼させる火炉と、この火炉で発生する排ガスから粒子物質を分離するサイクロンを備えるものである。この燃焼炉では、サイクロン内にＮＯｘ還元剤を投入して脱硝処理を行い、排ガス中のＮＯｘを低減している。

特公平６−１８６１０号公報

しかしながら、この燃焼炉を低負荷で運転する時には、サイクロンの温度が低下し、ＮＯｘ還元剤と排ガス中のＮＯｘとの反応温度が低下する。そしてこの場合、ＮＯｘ還元剤における脱硝性能が低下してしまい、高負荷運転時の所望のＮＯｘ低減率を達成できなくなるおそれもある。従って、このような脱硝処理は、燃焼炉の負荷が低いときには適用が困難であった。

そこで、本発明は、広い炉負荷の範囲において良好な排ガスの脱硝性能が得られる循環流動床炉及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の循環流動床炉は、燃料を燃焼させる火炉と、火炉で発生した排ガスから循環材を分離して火炉に戻すサイクロンと、火炉内へ還元剤を噴霧し排ガス中の窒素酸化物を還元させる火炉噴霧手段と、サイクロン内へ還元剤を噴霧し排ガス中の窒素酸化物を還元させるサイクロン噴霧手段と、火炉内の火炉温度、サイクロン内のサイクロン温度、又は炉負荷に基づいて、火炉噴霧手段における還元剤の噴霧量とサイクロン噴霧手段における還元剤の噴霧量との比率を制御する噴霧制御手段と、を備えたことを特徴とする。

この循環流動床炉は、火炉に還元剤を噴霧する火炉噴霧手段と、サイクロンに還元剤を噴霧するサイクロン噴霧手段と、を備えている。サイクロンでは排ガスの旋回流が発生するので、サイクロンに噴霧される還元剤は、旋回流で攪拌され排ガス中に良好に拡散する。更に、サイクロンでは、還元剤が拡散された排ガスの滞留時間も長い。従って、還元剤と窒素酸化物との反応が起こりやすく、排ガスの脱硝性能が得やすい。ところが、低負荷運転時には、サイクロン温度が低くなるので、サイクロンに噴霧される還元剤と窒素酸化物との反応温度が低下し、脱硝性能が低下する。その一方、火炉はサイクロンよりも温度が高いので、還元剤と窒素酸化物との反応温度が高い。従って、火炉では、還元剤の拡散性や滞留時間はサイクロンに及ばないものの、低負荷運転時にも脱硝性能の低下が比較的小さい。この知見に基づき、本発明の循環流動床炉では、炉負荷に応じて火炉及びサイクロンへの還元剤の噴霧量の比率が制御されるので、炉負荷が高いときには、拡散性・滞留時間が良好なサイクロンに比重を置いて還元剤を噴霧することで、良好な攪拌による脱硝性能を得ることができる。そして、炉負荷が低下した場合にも、火炉噴霧手段による脱硝処理に比重を移すことで、反応温度による良好な脱硝性能を維持することができる。その結果、広い炉負荷の範囲において良好な排ガスの脱硝性能が得られる。

また、本発明の循環流動床炉は、火炉噴霧手段に還元剤を供給する第１供給ラインと、サイクロン噴霧手段に還元剤を供給する第２供給ラインと、に分岐された還元剤供給ラインと、第１供給ライン上に設けられた第１のバルブと、第２供給ライン上に設けられた第２のバルブと、を備え、噴霧制御手段は、第１のバルブの開度と第２のバルブの開度とを調整することとしてもよい。この構成によれば、噴霧制御手段が第１及び第２のバルブの開度を調整することにより、容易に火炉噴霧手段とサイクロン噴霧手段との噴霧量の比率を調整することができる。

また、火炉噴霧手段よりも、サイクロン噴霧手段の方が、噴霧された還元剤の拡散性が高いことが好ましい。火炉内では循環材が激しく流動しており、火炉の壁面近傍には、循環材のダウンフローが存在する。従って、火炉噴霧手段は、火炉の壁面付近から内側に向け、比較的拡散性が低い状態で還元剤を噴霧することにより、上記ダウンフローの影響を大きく受けずに還元剤を火炉中央部まで到達させることができる。また、サイクロン内には、サイクロン内を水平に流動する排ガスの旋回流が存在する。従って、サイクロン噴霧手段は、サイクロン壁面付近から内側に向け、比較的拡散性が高い状態で還元剤を噴霧することにより、排ガスの旋回流で排ガスと還元剤とが良好に攪拌される。

また、噴霧制御手段は、炉負荷が所定の閾値以上の場合は、火炉噴霧手段における還元剤の噴霧量とサイクロン噴霧手段における還元剤の噴霧量との比率を０：１００とし、炉負荷が所定の閾値未満の場合は、火炉噴霧手段における還元剤の噴霧量とサイクロン噴霧手段における還元剤の噴霧量との比率を１００：０とすることとしてもよい。

また、サイクロン噴霧手段は、サイクロンの内部に還元剤を噴霧するサイクロン内部噴霧手段と、サイクロンの入口に還元剤を噴霧するサイクロン入口噴霧手段と、を備え、噴霧制御手段は、火炉の火炉温度、サイクロンのサイクロン温度、又は炉負荷に基づいて、更に、サイクロン内部噴霧手段における還元剤の噴霧量とサイクロン入口噴霧手段における還元剤の噴霧量との比率を制御することとしてもよい。サイクロン内部とサイクロン入口とでは、排ガス温度や拡散性・滞留時間が異なるので、それぞれの排ガス温度や拡散性・滞留時間に応じて噴霧量を調整することで、更に適切な制御が可能になる。

また、本発明の循環流動床炉の制御方法は、燃料を燃焼させる火炉と、火炉で発生した排ガスから循環材を分離して火炉に戻すサイクロンと、を備えた循環流動床炉の制御方法であって、火炉内へ還元剤を噴霧し排ガス中の窒素酸化物を還元させる火炉噴霧工程と、サイクロン内へ還元剤を噴霧し排ガス中の窒素酸化物を還元させるサイクロン噴霧工程と、火炉内の火炉温度、サイクロン内のサイクロン温度、又は炉負荷に基づいて、火炉噴霧工程における還元剤の噴霧量とサイクロン噴霧工程における還元剤の噴霧量との比率を制御する噴霧制御工程と、を備えたことを特徴とする。

この制御方法は、火炉に還元剤を噴霧する火炉噴霧工程と、サイクロンに還元剤を噴霧するサイクロン噴霧工程と、を備えている。サイクロンでは排ガスの旋回流が発生するので、サイクロンに噴霧される還元剤は、旋回流で攪拌され排ガス中に良好に拡散する。更に、サイクロンでは、還元剤が拡散された排ガスの滞留時間も長い。従って、還元剤と窒素酸化物との反応が起こりやすく、排ガスの脱硝性能が得やすい。ところが、低負荷運転時には、サイクロン温度が低くなるので、サイクロンに噴霧される還元剤と窒素酸化物との反応温度が低下し、脱硝性能が低下する。その一方、火炉はサイクロンよりも温度が高いので、還元剤と窒素酸化物との反応温度が高い。従って、火炉では、還元剤の拡散性や滞留時間はサイクロンに及ばないものの、低負荷運転時にも脱硝性能の低下が比較的小さい。この知見に基づき、本発明の制御方法では、炉負荷に応じて火炉及びサイクロンへの還元剤の噴霧量の比率が制御されるので、炉負荷が高いときには、拡散性・滞留時間が良好なサイクロンに比重を置いて還元剤を噴霧することで、良好な攪拌による脱硝性能を得ることができる。そして、炉負荷が低下した場合にも、火炉噴霧手段による脱硝処理に比重を移すことで、反応温度による良好な脱硝性能を維持することができる。その結果、広い炉負荷の範囲において良好な排ガスの脱硝性能が得られる。

本発明の循環流動床炉によれば、広い炉負荷の範囲において良好な排ガスの脱硝性能が得られる循環流動床炉及びその制御方法を提供することができる。

本発明の循環流動床炉の第１実施形態に係るボイラを示す図である。図１のボイラの運転負荷値とボイラ各部の温度との関係を示すグラフである。図１のボイラの噴霧制御部による処理を示すフローチャートである。図１のボイラの火炉噴霧ノズル及びサイクロン噴霧ノズルを示す断面図である。（ａ）は、火炉及びサイクロンの平面図、（ｂ）はその側面図であり、図４の火炉噴霧ノズル及びサイクロン噴霧ノズルの取付範囲を示す図である。火炉噴霧ノズル及びサイクロン噴霧ノズルのスプレー形状を示す図である。本発明の循環流動床炉の第２実施形態に係るボイラを示す図である。図７のボイラの噴霧制御部による処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る循環流動床炉の好適な実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の循環流動床炉の一実施形態であるボイラ１を示している。このボイラ１は、循環流動床ボイラ、或いはＣＦＢ（Circulating Fluidized Bed）ボイラなどと呼ばれるタイプのものである。ボイラ１では、石炭などの化石燃料だけではなく、バイオマス、プラスチック、タイヤ、汚泥、ＲＦＰ、ＲＤＦなどの幅広い燃料が使用可能である。

ボイラ１は、燃料を燃焼させる流動層型の火炉３を備えている。火炉３の側面には燃料を投入する燃料投入口が設けられており、火炉３の上部には燃焼で発生する排ガスを排出するガス出口３ｂが設けられている。ガス出口３ｂには、サイクロン７が接続されている。サイクロン７は、セパレータ、サイクロン分級装置、或いはサイクロン分離器などとも呼ばれ、固気分離装置として機能する。サイクロン７の入口７ａは上記ガス出口３ｂに接続されており、サイクロン７の排出口７ｂはバックパス１１を介して後段のガス処理系に接続されている。また、サイクロン７の底部出口からはダウンカマーと称されるリターンライン９が下方に延びており、リターンライン９の下端は火炉３の下部側面に接続されている。

火炉３内では、下部の給気ラインから導入される燃焼用・流動用の空気により、上記投入口から投入された燃料を含む固形物が流動し、燃料は火炉３内で流動しながら燃焼する。サイクロン７には、火炉３で発生した排ガスが固体粒子を同伴しながら導入される。サイクロン７は、内部に排ガスの旋回流を発生させて遠心分離作用により固体粒子と気体とを分離する。そしてサイクロン７は、分離された固体粒子（循環材）をリターンライン９を通して火炉３に戻すと共に、固体粒子が除かれた排ガスを排出口７ｂからバックパス１１に送出する。固体粒子は、火炉３、サイクロン７及びリターンライン９を循環する。

バックパス１１は、排ガスを搬送するダクトである。排ガスの熱を発電用として回収するために、バックパス１１には熱回収部１７が設けられている。熱回収部１７は、排ガスの流路を横切るボイラチューブを有しており、当該ボイラチューブ内には水、蒸気及び空気が流動する。サイクロン７から送られた高温の排ガスがこのボイラチューブに接触することで、排ガスの熱がチューブ内の水、蒸気及び空気に回収され、発生した高温の水蒸気がボイラチューブを通じて発電用のタービンに送られる。

バックパス１１の下部から排出される排ガスは、ラインＬ１３を通じて排ガス浄化装置１３に導入される。排ガス浄化装置１３は、排ガスに未だ同伴している飛灰等の微粒子を除去すると共に、排ガスの脱硫を行う。排ガス浄化装置１３による清浄後の排ガスはラインＬ１５を通じて煙突１５から外部に排出される。

続いて、ボイラ１における排ガス処理について説明する。

ボイラ１の煙突１５から外部に排出される排ガスについては、法令等の排ガス規制に従って、大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を規制値以下に抑える必要がある。そこで、このボイラ１では、排ガス温度が７００〜１１００℃の領域において、尿素水やアンモニア水等の還元剤を排ガス中に噴霧してＮＯｘと反応させ、ＮＯｘのＮ成分を窒素ガスに変化させることで、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減する排ガス処理が採用されている。このときのアンモニアとＮＯｘとの反応の例は以下のとおりである。
4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O …反応式（１）
また、このとき、以下のようにアンモニア自身も一部分解する。
4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O …反応式（２）
反応式（１）によるＮＯｘとの反応で消費されず、かつ反応式（２）による分解がなされなかったアンモニアが、リークアンモニアとして後段に流出する。また、噴霧する上記還元剤としてはアンモニアガス又はアンモニア水の代わりに尿素水を用いてもよく、この場合、以下の反応式（３）により尿素からアンモニアが発生する。
(NH₃)₂CO→2NH₃+CO …反応式（３）

具体的には、ボイラ１は、火炉３内に還元剤を噴霧する火炉噴霧ノズル２１と、サイクロン７内に還元剤を噴霧するサイクロン噴霧ノズル２２と、を備えている。火炉噴霧ノズル２１から火炉３内に還元剤を噴霧することにより、排ガス中のＮＯｘを還元剤により還元させて低減する（火炉噴霧工程）。また、サイクロン噴霧ノズル２２からサイクロン７内に還元剤を噴霧することにより、排ガス中のＮＯｘを還元剤により還元させて低減する（サイクロン噴霧工程）。

更に、ボイラ１は、ポンプ等の圧送により上記還元剤を供給する還元剤供給ラインＬ２０を備えている。還元剤供給ラインＬ２０は、火炉噴霧ノズル２１に還元剤を供給する第１供給ラインＬ２１と、サイクロン噴霧ノズル２２に還元剤を供給する第２供給ラインＬ２２と、の２経路に分離している。還元剤供給ラインＬ２０上には開閉バルブＶ２０が設けられ、第１供給ラインＬ２１上には開閉バルブ（第１バルブ）Ｖ２１が設けられ、第２供給ラインＬ２２上には開閉バルブ（第２バルブ）Ｖ２２が設けられている。

更に、ボイラ１は、第１バルブＶ２１及び第２バルブＶ２２の開度を調整することで、火炉噴霧ノズル２１及びサイクロン噴霧ノズル２２における噴霧量を制御する噴霧制御部２５を備えている。噴霧制御部２５は、例えばコンピュータ等で構成される。噴霧制御部２５には、ボイラ１の運転に関する各種データ（「運転データ」という）が集約される。運転データには、制御情報入力部２７からユーザが入力又はコンピュータ等で制御上求められたボイラ運転負荷値（炉負荷）と、火炉温度（火炉３内部の温度）と、サイクロン温度（サイクロン７内部の温度）と、煙突１５を通過する排ガスのＮＯｘ濃度と、が少なくとも含まれる。

上記運転データを取得すべく、ボイラ１は、火炉温度を計測する火炉温度計測部３１と、サイクロン温度を計測するサイクロン温度計測部３３と、煙突１５を通過する排ガスのＮＯｘ濃度を検知する濃度計３５とを備えている。火炉温度計測部３１としては、例えば、火炉３の出口３ｂ近傍に設置され火炉出口温度を計測する温度計や、火炉３の下部に設置され火炉下部温度を計測する温度計が用いられる。また、サイクロン温度計測部３３としては、例えば、サイクロン排出口７ｂに設置されサイクロン出口温度を計測する温度計が用いられる。

制御情報入力部２７からのボイラ運転負荷値や、火炉温度計測部３１、サイクロン温度計測部３３、及び濃度計３５の各計測値は、それぞれ電気信号として噴霧制御部２５に送信される。なお、ボイラ運転負荷値は、定格条件に対するボイラ１への燃料投入量、ボイラ１からの発生蒸気量、又は、ボイラ１への給水流量からも求めることができる。

サイクロン噴霧ノズル２２が設けられるサイクロン７では、前述のとおり排ガスの旋回流が発生するので、サイクロン噴霧ノズル２２から噴霧される還元剤は、サイクロン７内の旋回流で攪拌され排ガス中に良好に拡散する。更に、サイクロン７では、還元剤が拡散された排ガスの滞留時間も長い。従って、還元剤とＮＯｘとの反応も起こりやすく、排ガスの脱硝性能が得やすい。

ここで、図２は、ボイラ運転負荷値と、火炉温度Ｔ１、サイクロン温度Ｔ２、及びサイクロン入口温度Ｔ３（サイクロン入口７ａの温度）との関係を示すグラフである。図２に示されるように、火炉温度Ｔ１やサイクロン温度Ｔ２は、ほぼボイラ運転負荷値と一対一に対応する。従って、ボイラ１の低負荷運転時には、サイクロン温度が低くなり、サイクロン７に噴霧される還元剤とＮＯｘとの反応温度が低下し、脱硝性能が低下する。前述の反応式（１）に示す反応が良好に起こるためには、還元剤が噴霧される領域の排ガス温度が７００〜１１００℃である必要があるところ、ボイラ運転負荷値が低い場合には、サイクロン温度が７００℃未満になってしまうこともある。例えば図２によれば、ボイラ運転負荷値が約６５％を下回ると、サイクロン温度が７００℃未満になってしまうことが判る。そしてこの場合、還元剤とＮＯｘとの反応性が低いので、ＮＯｘ除去率が低下し、また、ＮＯｘと反応せずに後段に流出するアンモニアが増加してしまう。

流出したアンモニアは、後段の設備への析出物を増加させるなどの不具合を発生させる。例えば、流出アンモニアが多い場合、強いアンモニア臭が排ガスや飛灰に残存する不具合が発生したり、また、流出アンモニアが亜硫酸ガスと反応して生成する硫酸アンモンが、排ガス浄化装置１３で結露してバグフィルタのろ布を目詰まりさせる不具合が発生したりする。

その一方、火炉３はサイクロン７よりも温度が高いので、還元剤とＮＯｘとの反応温度が高く、前述の好ましい排ガス温度（７００〜１１００℃）を維持しやすい。従って、還元剤の拡散性や滞留時間はサイクロンに及ばないものの、低負荷運転時にも脱硝性能の低下が比較的小さい。

このような知見に基づき、噴霧制御部２５は、ボイラ運転負荷値に基づいて、第１バルブＶ２１及び第２バルブＶ２２の開度を調整することで、火炉噴霧ノズル２１の噴霧量とサイクロン噴霧ノズル２２の噴霧量との比率を制御する。

具体的には、図３に示すように、噴霧制御部２５は、まず、制御情報入力部２７からボイラ運転負荷値を取得し（Ｓ１０１）、ボイラ運転負荷値と予め定められた閾値との大小比較を行う（Ｓ１０３）。ここでは上記閾値を７５％とする。そして、取得したボイラ運転負荷値が７５％以上の場合には、噴霧制御部２５は、第２バルブＶ２２を開け（開度１００％とし）、第１バルブＶ２１を閉める（開度０％とする）。この場合、火炉噴霧ノズル２１における還元剤の噴霧量とサイクロン噴霧ノズル２２における還元剤の噴霧量との比率が０：１００となる（Ｓ１０５）。一方、ボイラ運転負荷値が７５％未満の場合には、第１バルブＶ２１を開け（開度１００％とし）、第２バルブＶ２２を閉める（開度０％とする）。この場合、火炉噴霧ノズル２１における還元剤の噴霧量とサイクロン噴霧ノズル２２における還元剤の噴霧量との比率が１００：０となる（Ｓ１０７）。ボイラ１の運転中において、噴霧制御部２５は、上記Ｓ１０１〜Ｓ１０７の処理を繰り返す。

要するに、噴霧制御部２５は、ボイラ運転負荷値が７５％以上となった場合には還元剤の噴霧位置をサイクロン７に切り替え、ボイラ運転負荷値が７５％未満となった場合には還元剤の噴霧位置を火炉３に切り替える。この制御により、ボイラ運転負荷値が７５％以上でも未満でも、還元剤の噴霧位置の排ガス温度を７００〜１１００℃の好ましい温度にすることができる。

また、上記制御により、ボイラ運転負荷値が７５％以上の高負荷運転時には、還元剤の拡散性・滞留時間が良好で、反応温度も適切であるサイクロン７内に還元剤が噴霧される。従って、噴霧すべき還元剤も少なく、後段に流出する還元剤（流出アンモニア等）も少ない。その一方、ボイラ運転負荷値が７５％未満の低負荷運転時には、温度が低下したサイクロン７に代えて、より高温の火炉３内に還元剤が噴霧される。火炉３では、還元剤の拡散性・滞留時間ではサイクロン７に及ばないものの適切な反応温度が維持され、良好な脱硝性能を維持することができる。従って、この場合も、噴霧すべき還元剤が少なく、後段に流出する還元剤も少ない。

以上の結果、広いボイラ運転負荷の範囲において良好な排ガスの脱硝性能が得られる。

なお、前述のとおり、火炉温度やサイクロン温度は、ほぼボイラ運転負荷値と一対一に対応することから、ボイラ運転負荷値の代わりに、火炉温度やサイクロン温度を噴霧位置切り替えの判断基準としてもよい。このような判断基準によっても、上述のような、ボイラ運転負荷値を判断基準とする制御と同様の作用効果が得られる。

具体的には、火炉温度に基づいて第１及び第２のバルブＶ２１，Ｖ２２の調整を行う場合、噴霧制御部２５は、火炉温度計測部３１から取得した火炉温度が所定の閾値（例えば、７５０℃）以上の場合には、第２バルブＶ２２を開け、第１バルブＶ２１を閉める。そして、噴霧制御部２５は、火炉温度計測部３１から取得した火炉温度が上記閾値未満の場合には、第１バルブＶ２１を開け、第２バルブＶ２２を閉める。

また、サイクロン温度に基づいて第１及び第２のバルブＶ２１，Ｖ２２の調整を行う場合、噴霧制御部２５は、サイクロン温度計測部３３から取得したサイクロン温度が所定の閾値（例えば、７５０℃）以上の場合には、第２バルブＶ２２を開け、第１バルブＶ２１を閉める。そして、噴霧制御部２５は、サイクロン温度計測部３３から取得したサイクロン温度が上記閾値未満の場合には、第１バルブＶ２１を開け、第２バルブＶ２２を閉める。サイクロン温度を判断基準とするこの構成は、サイクロン７における還元剤の反応温度低下を直接反映させて、還元剤噴霧位置を火炉３に切り替えるので、還元剤噴霧位置を正確に選択することができる点で好ましい。

続いて、火炉噴霧ノズル２１とサイクロン噴霧ノズル２２の詳細について説明する。

図４（ａ）に示すように、火炉噴霧ノズル２１は、火炉３を画成する火炉水冷壁３Ｚに設けられており、当該火炉水冷壁３Ｚを貫通して先端を火炉３内部に還元剤が到達するように設置させている。同様に、サイクロン噴霧ノズル２２は、サイクロン７の耐火物壁７Ｚに設けられており、当該耐火物壁７Ｚを貫通して先端をサイクロン７内部に還元剤が到達するように設置させている。ここで、高濃度の還元剤が高温の火炉３又はサイクロン７に投入されると、ノズル先端で還元剤が析出しノズルが閉塞するおそれもあるので、火炉噴霧ノズル２１及びサイクロン噴霧ノズル２２からは、希釈された還元剤を噴霧する必要がある。

そこで、火炉噴霧ノズル２１は、第１供給ラインＬ２１から供給される希釈尿素水又は希釈アンモニア水を、火炉３の中央部に向けて先端からスプレー噴霧する。なお、図４（ｂ）に示すように、第１供給ラインＬ２１からは希釈されていない尿素水又はアンモニア水が火炉噴霧ノズル２１に供給され、別のラインＬ３１から火炉噴霧ノズル２１に希釈水を供給することにより、火炉噴霧ノズル２１先端から希釈尿素水又は希釈アンモニア水を噴霧するようにしてもよい。また、図４（ｃ）に示すように、第１供給ラインＬ２１からは希釈尿素水又は希釈アンモニア水が火炉噴霧ノズル２１に供給され、別のラインＬ４１から火炉噴霧ノズル２１に噴霧空気を供給することにより、二流体噴霧で希釈尿素水又は希釈アンモニア水を噴霧するようにしてもよい。

同様に、図４（ａ）に示すように、サイクロン噴霧ノズル２２は、第２供給ラインＬ２２から供給される希釈尿素水又は希釈アンモニア水を、サイクロン７の中央部に向けて先端からスプレー噴霧する。なお、サイクロン噴霧ノズル２２は、図４（ｂ），（ｃ）の構成に変形可能であることも、火炉噴霧ノズル２１と同様である。

また、火炉噴霧ノズル２１は、火炉３の火炉水冷壁３Ｚのうち、図５（ａ）、（ｂ）にハッチング部で示すノズル取付範囲５３の何れの位置に設けてもよい。また、サイクロン噴霧ノズル２２は、サイクロン７の耐火物壁７Ｚのうち、図５（ａ）、（ｂ）に網かけ部で示すノズル取付範囲５７の何れの位置に設けてもよい。また、サイクロン噴霧ノズル２２は、サイクロン入口７ａに対応する耐火物壁７Ｚに設けられてもよい。なお、サイクロン入口７ａは、火炉３とサイクロン７内部とを連結する排ガス流路であり、サイクロン入口７ａでは、火炉３からサイクロン７内部へ向かう排ガスの流動が発生する。

また、図６（ａ）に示すように、火炉３内では循環材が激しく流動しており、火炉水冷壁３Ｚの壁面近傍には、循環材の粒子のダウンフローが存在する。従って、火炉噴霧ノズル２１は、拡散角度を狭くして貫通力が強いスプレー形状で還元剤を噴霧する。例えば、火炉噴霧ノズル２１は、円錐のスプレー形状で還元剤を噴霧する。このように、指向性・直進性が高く拡散性が低い状態で火炉噴霧ノズル２１から還元剤を噴霧することにより、上記ダウンフローの影響を大きく受けずに還元剤を火炉３の中央部まで到達させ、火炉３内において排ガスと還元剤とを良好に混合させることができる。還元剤の噴霧の拡散角度を狭くして貫通力を強めるためには、予め希釈された還元剤を供給ラインＬ２１から供給する一流体噴霧の構成（図４（ａ）の構成）が好ましい。

一方、サイクロン７内には、サイクロン７内を水平に流動する排ガスの旋回流が存在する。従って、図６（ｂ）に示すように、サイクロン噴霧ノズル２２は、火炉噴霧ノズル２１に比べて拡散性が高いスプレー形状で還元剤を噴霧する。例えば、サイクロン噴霧ノズル２２は、上下に長い楕円断面のスプレー形状で還元剤を噴霧（扇状噴霧）する。そのスプレー形状の上下方向の拡散角度βを、火炉噴霧ノズル２１の拡散角度よりも大きくする。このように、サイクロン噴霧ノズル２２から比較的拡散性が高い状態で還元剤を噴霧することにより、排ガスの旋回流で排ガスと還元剤とが良好に攪拌される。なお、サイクロン噴霧ノズル２２の拡散角度βは、耐火物壁７Ｚの開口縁部７Ｂに付着しない程度の大きさに調整される。

また、サイクロン７の入口７ａの耐火物壁７Ｚにサイクロン噴霧ノズル２２を設ける場合を考える。この場合、図６（ｃ）に示すように、入口７ａの排ガス流路は狭く、サイクロン噴霧ノズル２２から、対面する耐火物壁７Ｚまでの距離が小さいので、噴霧された還元剤が対面する耐火物壁７Ｚに付着し易い。そこで、入口７ａにサイクロン噴霧ノズル２２を設ける場合には、サイクロン７の他の位置にサイクロン噴霧ノズル２２を設ける場合に比べて、噴霧液滴径が微細になるようなスプレー形状とすることが好ましい。噴霧液滴径を微細にすることにより、噴霧された還元剤が対面する耐火物壁７Ｚに付着する可能性を低減することができる。このように、噴霧液滴径を微細にするためには、第２供給ラインＬ２２とは別のラインＬ４１を通じて、サイクロン噴霧ノズル２２に噴霧空気を導入することで二流体噴霧とする構成（図４（ｃ）の構成）が好ましい。なおこの場合、サイクロン噴霧ノズル２２は、例えば、円錐のスプレー形状で還元剤を噴霧する。

上述の制御に加えて更に、噴霧制御部２５は、濃度計３５で得られた排ガスのＮＯｘ濃度に基づいて、バルブＶ２０の開度を制御する。すなわち、噴霧制御部２５は、濃度計３５によるＮＯｘ濃度計測値をフィードバックとして、火炉噴霧ノズル２１の噴霧量又はサイクロン噴霧ノズル２２の噴霧量を操作し、煙突１５の排ガスのＮＯｘ濃度を、ＮＯｘ規制値以下の所望の値で安定させる制御を行う。

例えば、噴霧制御部２５は、濃度計３５のＮＯｘ濃度計測値が上昇した場合には、バルブＶ２０の開度を大きくして火炉噴霧ノズル２１の噴霧量又はサイクロン噴霧ノズル２２の噴霧量を増加させ、濃度計３５のＮＯｘ濃度計測値が低下した場合には、火炉噴霧ノズル２１の噴霧量又はサイクロン噴霧ノズル２２の噴霧量を減少させる。このような制御によれば、何らかの外乱によってＮＯｘ除去率が変動した場合にも、火炉噴霧ノズル２１又はサイクロン噴霧部によるＮＯｘ除去率を調整することで、ＮＯｘ除去率を安定させてＮＯｘ規制値を達成することができる。

なお、バルブＶ２０，Ｖ２１，Ｖ２２の切り替えは、上述のようにコンピュータを含む噴霧制御部２５により自動的に行われてもよいが、手動で行うこととしてもよい。

（第２実施形態）
図７に示すＣＦＢボイラ１０１は、ＣＦＢボイラ１の構成に加えて更に、サイクロン入口７ａに還元剤を噴霧するサイクロン入口噴霧ノズル２３を備えている。そして、ボイラ１０１の還元剤供給ラインＬ２０は、第１供給ラインＬ２１〜第３供給ラインＬ２３の３つに分岐されており、第３供給ラインＬ２３が、サイクロン入口噴霧ノズル２３に還元剤を供給する。第３供給ラインＬ２３上には、開閉バルブ（第３バルブ）Ｖ２３が設けられている。サイクロン入口噴霧ノズル２３は、サイクロン入口７ａに設けられることから、前述のように、噴霧液滴径が微細になるようなスプレー形状とすることが好ましく、サイクロン入口噴霧ノズル２３に噴霧空気を導入することで二流体噴霧とする構成（図４（ｃ）の構成を参照）が好ましい。なお、ボイラ１０１において、前述のボイラ１と同一又は同等な構成部分には図面に同一符号を付し重複する説明を省略する。

図２に示されるとおり、サイクロン入口７ａの温度Ｔ３は、サイクロン温度Ｔ２よりも高く火炉温度Ｔ１よりも低い。ボイラ運転負荷値が約４０％を下回ったところで、サイクロン入口７ａの温度Ｔ３が７００℃未満となる。また、サイクロン入口７ａでは、火炉３からサイクロン７内部に向かう排ガスの流動が発生しているので、還元剤が噴霧された場合に、ある程度良好に排ガス中に拡散する。還元剤の拡散性は、サイクロン７には及ばないが火炉３よりも良好である。このように、サイクロン入口７ａは、還元剤の噴霧位置として、火炉３とサイクロン７との中間的な性質を有しているので、サイクロン入口７ａを、還元剤の噴霧位置として加えて設定する。

すなわち、ボイラ１０１の噴霧制御部２５は、ボイラ運転負荷値に基づいて、第１バルブＶ２１、第２バルブＶ２２、及び第３バルブＶ２３の開度を調整することで、火炉噴霧ノズル２１の噴霧量とサイクロン噴霧ノズル（サイクロン内部噴霧手段）２２の噴霧量とサイクロン入口噴霧ノズル（サイクロン入口噴霧手段）２３の噴霧量との比率を制御する。

具体的には、図８に示すように、噴霧制御部１２５は、まず、制御情報入力部２７からボイラ運転負荷値を取得し（Ｓ２０１）、ボイラ運転負荷値と予め定められた２つの閾値との大小比較を行う（Ｓ２０３）。ここでは第１閾値を５０％とし、第２閾値を７５％とする。そして、取得したボイラ運転負荷値が７５％（第２閾値）以上の場合には、噴霧制御部１２５は、第２バルブＶ２２を開け（開度１００％とし）、第１バルブＶ２１及び第３バルブＶ２３を閉める（開度０％とする）。この場合、火炉噴霧ノズル２１、サイクロン噴霧ノズル２２、サイクロン入口噴霧ノズル２３における還元剤の噴霧量の比率は０：１００：０となる（Ｓ２０５）。

また、ボイラ運転負荷値が５０％（第１閾値）以上かつ７５％（第２閾値）未満の場合には、噴霧制御部１２５は、第３バルブＶ２３を開け（開度１００％とし）、第１バルブＶ２１及び第２バルブＶ２２を閉める（開度０％とする）。この場合、火炉噴霧ノズル２１、サイクロン噴霧ノズル２２、サイクロン入口噴霧ノズル２３における還元剤の噴霧量の比率は０：０：１００となる（Ｓ２０７）。また、ボイラ運転負荷値が５０％（第１閾値）未満の場合には、噴霧制御部１２５は、第１バルブＶ２１を開け（開度１００％とし）、第３バルブＶ２３及び第２バルブＶ２２を閉める（開度０％とする）。この場合、火炉噴霧ノズル２１、サイクロン噴霧ノズル２２、サイクロン入口噴霧ノズル２３における還元剤の噴霧量の比率は１００：０：０となる（Ｓ２０９）。ボイラ１０１の運転中において、噴霧制御部１２５は、上記Ｓ２０１〜Ｓ１０９の処理を繰り返す。

要するに、噴霧制御部１２５は、ボイラ運転負荷値が７５％（第２閾値）以上となった場合には還元剤の噴霧位置をサイクロン７内部に切り替え、ボイラ運転負荷値が５０％（第１閾値）以上かつ７５％（第２閾値）未満となった場合には還元剤の噴霧位置をサイクロン入口７ａに切り替え、ボイラ運転負荷値が５０％（第１閾値）未満となった場合には還元剤の噴霧位置を火炉３に切り替える。

このボイラ１０１によれば、還元剤の噴霧位置として上記のようなサイクロン入口７ａを加え、噴霧位置を３段階に切り替えることで、還元剤の噴霧位置をより適切に選択することができ、良好な脱硝性能を得ることができる。

なお、ボイラ１０１においても、ボイラ運転負荷値の代わりに、火炉温度やサイクロン温度を噴霧位置切り替えの判断基準としてもよい。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、火炉噴霧ノズル２１の還元剤とサイクロン噴霧ノズル２２の還元剤とを互いに異なる還元剤としてもよい。また実施形態では、また、本発明は、ボイラへの適用に限られず、他のタイプの燃焼炉における排ガスの脱硝処理にも適用可能である。例えば、本発明は、排ガスの熱交換による発電を行わないタイプの循環流動床焼却炉にも適用可能である。

１，１０１…ＣＦＢボイラ（循環流動床炉）、３…火炉、７…サイクロン、２１…火炉噴霧ノズル（火炉噴霧手段）、２２…サイクロン噴霧ノズル（サイクロン噴霧手段、サイクロン内部噴霧手段）、２３…サイクロン入口噴霧ノズル（サイクロン噴霧手段、サイクロン入口噴霧手段）、２５…噴霧制御部（噴霧制御手段）、Ｌ２１…第１供給ライン、Ｌ２２…第２供給ライン、Ｖ２１…第１バルブ、Ｖ２２…第２バルブ。

Claims

燃料を燃焼させる火炉と、
前記火炉で発生した排ガスから循環材を分離して前記火炉に戻すサイクロンと、
前記火炉内へ還元剤を噴霧し前記排ガス中の窒素酸化物を還元させる火炉噴霧手段と、
前記サイクロン内へ還元剤を噴霧し前記排ガス中の窒素酸化物を還元させるサイクロン噴霧手段と、
前記火炉の火炉温度、前記サイクロンのサイクロン温度、又は炉負荷に基づいて、前記火炉噴霧手段における還元剤の噴霧量と前記サイクロン噴霧手段における還元剤の噴霧量との比率を制御する噴霧制御手段と、を備え、
前記火炉噴霧手段よりも、前記サイクロン噴霧手段の方が、
噴霧された還元剤の拡散性が高いことを特徴とする循環流動床炉。
前記火炉噴霧手段に還元剤を供給する第１供給ラインと、前記サイクロン噴霧手段に還元剤を供給する第２供給ラインと、に分岐された還元剤供給ラインと、
前記第１供給ライン上に設けられた第１のバルブと、
前記第２供給ライン上に設けられた第２のバルブと、を備え、
前記噴霧制御手段は、
前記第１のバルブの開度と前記第２のバルブの開度とを調整することを特徴とする請求項１に記載の循環流動床炉。
前記噴霧制御手段は、
前記炉負荷が所定の閾値以上の場合は、前記火炉噴霧手段における還元剤の噴霧量と前記サイクロン噴霧手段における還元剤の噴霧量との比率を０：１００とし、
前記炉負荷が所定の閾値未満の場合は、前記火炉噴霧手段における還元剤の噴霧量と前記サイクロン噴霧手段における還元剤の噴霧量との比率を１００：０とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の循環流動床炉。
前記サイクロン噴霧手段は、
前記サイクロンの内部に前記還元剤を噴霧するサイクロン内部噴霧手段と、
前記サイクロンの入口に前記還元剤を噴霧するサイクロン入口噴霧手段と、を備え、
前記噴霧制御手段は、
前記火炉の火炉温度、前記サイクロンのサイクロン温度、又は炉負荷に基づいて、更に、前記サイクロン内部噴霧手段における還元剤の噴霧量と前記サイクロン入口噴霧手段における還元剤の噴霧量との比率を制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の循環流動床炉。
燃料を燃焼させる火炉と、
前記火炉で発生した排ガスから循環材を分離して前記火炉に戻すサイクロンと、を備えた循環流動床炉の制御方法であって、
前記火炉内へ還元剤を噴霧し前記排ガス中の窒素酸化物を還元させる火炉噴霧工程と、
前記サイクロン内へ還元剤を噴霧し前記排ガス中の窒素酸化物を還元させるサイクロン噴霧工程と、
前記火炉の火炉温度、前記サイクロンのサイクロン温度、又は炉負荷に基づいて、前記火炉噴霧工程における還元剤の噴霧量と前記サイクロン噴霧工程における還元剤の噴霧量との比率を制御する噴霧制御工程と、を備え、
前記火炉噴霧工程よりも、前記サイクロン噴霧工程の方が、
噴霧された還元剤の拡散性が高いことを特徴とする循環流動床炉の制御方法。