JP6542912B2 - 低ｎｏｘ燃焼方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ガラス溶解炉などの、炉内に材料が供給され、炉内で生じさせる燃焼の熱により、加熱及び／又は溶融させられる炉における燃焼に関する。
様々な処理で必要になる熱及びエネルギーを供給するために、炭化水素燃料を用いる多くの産業において、ＮＯｘの放出を減らすことが、共通の環境的目標となっている。典型的には、炭化水素燃料を酸化剤により燃焼させると、燃料の化学エネルギーが放出され、これにより、単一又は複数の高温の火炎も形成される。この火炎からの熱は、発電用の高圧蒸気を作り出すため、又は原材料を溶融させてガラス及び金属を生産するためなど、様々な目的で仕事を行うために伝達される。火炎燃焼プロセスにより、高温の煙道ガス流が生じ、これにはＣＯ２及びＨ２Ｏなどの主要な燃焼化学種、並びにＳＯ２及びＮＯｘ（即ち、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、及びこれらの２つ又は３つ全ての任意の組み合わせ）などの望ましくない排出物が含まれる。通常、炭化水素燃焼による煙道ガス中のＮＯｘは、ＮＯを含む。
ＮＯｘの排出を低減するために、多くの技術が開発されてきた。これらの技術には、燃料多段化、酸化剤多段化、再燃焼、酸素−燃料燃焼、特別に設計された低ＮＯｘバーナ、選択的無触媒還元（ＳＮＣＲ）、選択的触媒還元（ＳＣＲ）、及び煙道ガス洗浄が挙げられる。商業的な需要、その他様々な要素により、ＮＯｘ低減技術を選択することは、低減すべきＮＯｘのレベル及びそれに関連するコストに依存する。時に、ＮＯｘ低減設備を設置するために利用可能なプラント空間も、意思決定において考慮すべき要因となる。更に、異なるタイプのＮＯｘ低減技術を組み合わせて、目標とするＮＯｘ排出レベルに達することができる。
高温の予熱燃焼空気で天然ガスを燃焼する蓄熱式（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ）ガラス溶解炉では、火炎温度が非常に高くなり、高いＮＯｘ排出につながる。ＮＯｘ排出を低減する１つの方法は、燃焼空気予熱温度を下げることによって、火炎温度を下げることである。しかし、そのような方法では、炉の煙道ガスから回収される熱量が減ってしまう。
再生器の煙道ダクトの下流に追加の熱回収装置がない場合、高温の煙道ガスがスタックに排出され、燃料ペナルティ（ｆｕｅｌ ｐｅｎａｌｔｙ）が課されるため、運転コストが高くなる。システムから出る煙道ガスは高温であるため、下流の煙道ダクトを耐火性にすること、また、公害防止設備がこれらの高温レジームで動作可能であること、を確認することが重要となる。熱回収効率を低下させることなく、高温炉からのＮＯｘ排出を低減する必要がある。
本発明の一態様は、炉内で燃焼を行う方法であって、
（Ａ）炉内で燃料を燃焼させて、ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を生成することと、
（Ｂ）交互に、以下の（１）及び（２）を行うことと、を含む、方法である。
（１）ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を炉から冷却された第１の再生器内へ送り、通過させて、第１の再生器を加熱し、かつガス状燃焼生成物を冷却し、第１の再生器からの冷却されたガス状燃焼生成物の第１の部分及び燃料を、加熱された第２の再生器内へ送り、第２の再生器において、ガス状燃焼生成物と燃料とを吸熱反応で反応させて、ガス状燃焼生成物中のＮＯｘを窒素に還元し、水素、ＣＯ、及び当該窒素を含む合成ガスを形成し、合成ガスを第２の再生器から炉内へ送り、合成ガスを炉内で燃焼させ、一方で、第１の再生器からのガス状燃焼生成物の残りを送って（本明細書で定義されるように）排気させること、並びに、
（２）ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を炉から冷却された第２の再生器内へ送り、通過させて、第２の再生器を加熱し、かつガス状燃焼生成物を冷却し、第２の再生器からの冷却されたガス状燃焼生成物の第１の部分及び燃料を、加熱された第１の再生器内へ送り、第１の再生器において、ガス状燃焼生成物と燃料とを吸熱反応で反応させて、ガス状燃焼生成物中のＮＯｘを窒素に還元し、水素、ＣＯ、及び当該窒素を含む合成ガスを形成し、合成ガスを第１の再生器から炉内へ送り、合成ガスを炉内で燃焼させ、一方で、第２の再生器からのガス状燃焼生成物の残りを送って（本明細書で定義されるように）排気させること。
本発明の別の態様は、炉内で燃焼を行う方法を含み、本方法は、
（Ａ）炉内で燃料を燃焼させて、ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を生成することと、
（Ｂ）交互に、以下の（１）及び（２）を行うことと、を含む。
（１）ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を炉から冷却された第１の再生器内へ送り、通過させて、第１の再生器を加熱し、かつガス状燃焼生成物を冷却し、第１の再生器からの冷却されたガス状燃焼生成物の第１の部分及び燃料を、加熱された第２の再生器内へ送り、第２の再生器において、ガス状燃焼生成物と燃料とを吸熱反応で反応させて、ガス状燃焼生成物中のＮＯｘを窒素に還元し、水素、ＣＯ、及び当該窒素を含む合成ガスを形成し、合成ガスを第２の再生器から炉内へ送り、合成ガスを炉内で多段燃焼によって燃焼させ、一方で、炉内のＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を、第２の再生器から炉に入る合成ガス流に取り込み、多段燃焼の燃料リッチゾーンにおいて合成ガス流中のＮＯｘを還元すること、並びに、
（２）ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を炉から冷却された第２の再生器内へ送り、通過させて、第２の再生器を加熱し、かつガス状燃焼生成物を冷却し、第２の再生器からの冷却されたガス状燃焼生成物の第１の部分及び燃料を、加熱された第１の再生器内へ送り、第１の再生器において、ガス状燃焼生成物と燃料とを吸熱反応で反応させて、ガス状燃焼生成物中のＮＯｘを窒素に還元し、水素、ＣＯ、及び当該窒素を含む合成ガスを形成し、合成ガスを第１の再生器から炉内へ送り、合成ガスを炉内で多段燃焼によって燃焼させ、一方で、炉内のＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を、第１の再生器から炉に入る合成ガス流に取り込み、多段燃焼の燃料リッチゾーンにおいて合成ガス流中のＮＯｘを還元すること。
好ましくは、（本明細書で定義されているように）排気に送られる煙道ガスは、煙道ガスの第１の部分及び燃料が、いずれかの再生器から他方の再生器内へ送られないことを除いて、同じ条件下で炉を運転することによって生成されると考えられる煙道ガスの総量と比較して、少ないＮＯｘを含む。
本発明のプロセスの異なる態様の概略図である。 本発明のプロセスの異なる態様の概略図である。 本発明のプロセスの異なる態様の概略図である。
本発明は、高温の煙道ガス流から利用可能な熱を再回収する、熱回収プロセスを用いる。本発明の方法を実施することができる燃焼プロセスの好ましい例は、ガラス形成成分が溶け合って溶融ガラスを形成するガラス溶解炉を含む。
この熱回収プロセスは２つのサイクルで進行し、本明細書においては、これらを、煙道サイクル及び改質サイクルと称する。これら２つのサイクルは、チェッカを充填した２つ以上の再生器で交互に行われる。熱回収プロセスは、「酸素−燃料」燃焼プロセス、即ち、少なくとも５０体積％の酸素、好ましくは少なくとも８０体積％の酸素、更に好ましくは少なくとも９０体積％の酸素、及び更には少なくとも９９体積％の酸素の酸素含有量を含むガス状酸化剤による燃料の燃焼を採用する炉及び他の燃焼装置と関連させて実行することが好ましく、これは、酸素−燃料燃焼によって生成された煙道ガスは、より高いＨ２Ｏ及びＣＯ２濃度を有し、これらの両方が、本発明の方法で利用される吸熱改質反応を促進するからである。煙道サイクルの間、この再生器へと、また、この再生器を通過するように、炉から高温の煙道ガスが供給され、第１の再生器内のチェッカは、この高温の煙道ガスから熱を抽出して蓄える。その後、改質サイクルにおいて、第１の再生器を出る冷却された煙道ガスから、一部（本明細書では再循環煙道ガス又はＲＦＧと称する）が別の（第２の）再生器に供給され、燃料流（本明細書では改質燃料又はＲＦと称する）と混合される。以下の説明において、純メタン（ＣＨ４）は、例示の目的で改質燃料として記載されている。他の良好な燃料には、任意の可燃性ガス、ガス混合物、又は気化した液体燃料が挙げられ、これには天然ガス、プロパン、及びＬＰＧ（液化石油ガス）が挙げられるがこれらに限定されない。
以下で更に記載されるように、ＲＦＧはＮＯｘを含む。以下に記載する別の利点として、ＲＦＧは、ＮＯｘを含むがＲＦＧが得られる炉で生成されていない別のガス組成物と混合することができる。
改質サイクルにおいて、ＲＦＧ／改質燃料混合物は、本明細書に記載されているように、チェッカがすでに加熱されている第２の再生器に入り、炉に向かってその中を通って流れる。第２の再生器を通過するＲＦＧ／ＲＦ混合物の温度は、すでに予熱されたチェッカから熱を抽出することによって上昇し続ける。ＲＦＧ／ＲＦ混合物が第２の再生器を通過すると、改質反応が発生し始め、かつ継続的に発生する温度に到達し、Ｈ２及びＣＯを含む生成物が生成される。この改質反応は吸熱性であり、改質反応を促進するのに必要な熱は、加熱されたチェッカから吸収される。改質反応によって生成されたガス状組成物は、典型的には、Ｈ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＨ４、窒素、任意の残留ＮＯｘを含む未反応ガス、及び煤煙などの１つ以上の成分を含む。このように生成されたガス状組成物は、本明細書において「合成ガス」とも称される場合がある。合成ガスは、第２の再生器から炉内に入り、炉で酸化剤と共に燃焼され、炉の材料を加熱及び／又は溶融するための熱エネルギーをもたらす。
ある期間が経過すると、２つの再生器の動作が反転する、即ち、煙道サイクルで使用された再生器が改質サイクルに切り替えられ、改質サイクルで使用された再生器が煙道サイクルに切り替えられる。更なる期間の後、２つの再生器の動作が再び反転される。反転するタイミングは、経過時間によって、又は煙道サイクル中の第１の再生器から出る煙道ガスの温度などの他の基準によって決定され得る。反転プロセスは、所定の機構及び方式に従って実行され、特定のタイミングに基づいて開閉するように、弁が配列される。
本発明の動作及び制御は、図１〜図３と関連して以下に記載される。端壁（３）に２つの再生器を備えたエンドポート式ガラス炉（１０）が、例として使用される。しかし、一対の再生器について、本明細書に記載されている動作は、一対の再生器が炉（１０）の片側に並んでいるか、又は炉（１０）の両側に配置されている場合にも、同じ方法で実行することができる。
図１に示すように、エンドポート式ガラス炉（１０）は、固体のガラス製造材料（バッチ及び／又はカレットとして知られる）を含む供給材料（３０）を炉に投入して加熱及び溶融する、供給ステーション（２０）を有する。炉（１０）から流出する溶融ガラスの流れは、（９０）で表される。炉（１０）は、炉の左側の第１の再生器（１００）及び炉の右側の第２の再生器（２００）を備える。これら２つの再生器の垂直断面図が、図２及び図３で更に詳細に説明されている。
図２に見られるように、再生器（２００）は煙道サイクル中であり、炉（１０）の内部からの煙道ガス流（５０）がポートネック（２４０）に入り、その後酸素計（２５０）を通過して再生器（２００）の頂部空間（５３０）に流れる。煙道ガス流は、再生器（２００）内のチェッカの間の流路を通って流れる際、チェッカ（（５２０）で表される）を加熱し、チェッカのベッド全体の重量も支持するアーチ（５１０）に支持されているガス流路（５１５）を通って、チャンバの底部空間（５００）に入る。図１に見られるように、炉（１０）で生成された煙道ガスの一部（５２）は、部分的に開放された弁（３５０）を介して導管（７０）にバイパスされてもよく（例えば、再生器が熱くなり過ぎないように制御することが望まれる場合）、その後スタック（３４０）に入って排気される。これは、煙道ガスの一部（５２）が、炉に再び入るのではなく、代わりに大気に排出されるか、並びに／又は、貯留及び／若しくは更なる処理のための１つ以上の他の設備又は、かかる搬送先の任意の組み合わせに向けて搬送されることを意味する。最大限、熱回収を行うため、実質的に炉の全ての煙道ガスが煙道ガス流（５０）として再生器（２００）へ向かうように、弁（３５０）を閉鎖することが望ましい。
図１及び図２に見られるように、冷却された煙道ガス流（２０１）は、導管（２６０）の再生器（２００）を出て、開放された弁（２１０）及び酸素センサ（３１０）を通過し、その後送風機（３００）の吸込み側に入る。送風機の圧側を離れる大部分の煙道ガス（３０１）は、ダンパ（３３０）、その後流量計（３３２）を通過し、最終的にスタック（３４０）に導かれ、ここを通ってこの煙道ガスは、本明細書に記載されるようにシステムから排気される。煙道ガスの一部（３０３）は、導管（３２０）及び弁（３６０）を通過させることによって、再生器（１００）の底部に再循環される。これは、再循環煙道ガス（ＲＦＧ）である。この流れは、流量計（３２２）によって計量される。第２の再生器（１００）に供給される改質燃料は、導管（１３０）によって弁（１２０）を介して供給される。
図３に見られるように、流れ（１３０）からの改質燃料（ＲＦ）は、再生器（１００）の底部空間（４００）とも連通する導管（１２８）における位置（１２７）でＲＦＧ（３０３）と交わり、混合される。このＲＦＧ／ＲＦ混合物は、アーチ（４１０）のガス流路（４１５）を介して再生器（１００）のすでに予熱されたチェッカパック（４２０）に入る。再生器（１００）は、前のサイクルで、煙道ガスが炉から再生器（１００）へ入り、通過したことによって、すでに加熱されている。ＲＦＧ／ＲＦ混合物の温度は、再生器（１００）のチェッカパックを通って流れるにつれて上昇する。ＲＦＧ／ＲＦの温度が改質温度に達すると、吸熱改質反応が発生し、改質燃料（例えば、ＣＨ４）がＲＦＧ中のＣＯ２及びＨ２Ｏと反応して、ＣＯ、Ｈ２、及びいくらかの煤煙を形成する。吸熱改質反応に必要な熱は、加熱されたチェッカから得られる。ＲＦＧ／ＲＦ混合物が頂部空間（４３０）に向かって移動し続ける間、改質反応が継続する。ガス流（４２５）（本明細書では「改質」又は「合成ガス」ガス流と称される）は、チェッカパック（４２０）の頂部から出る。流れ（４２５）は高温であり、ＣＯ、Ｈ２、煤煙、未反応ＣＨ４、並びに未反応ＣＯ２及びＨ２Ｏ（更に、本明細書に記載されるように窒素及び任意の残留ＮＯｘ）などの化学種を含む。合成ガス流（４２５）は、ポートネック（１４０）及び酸素センサ（１５０）を通過し、炉（１０）に入る。合成ガス流は、例えば１８００Ｆ〜２５００Ｆの範囲の温度でチェッカパック（４２０）を出る。この合成ガスは、火炎（４０）として表されるように、炉（１０）内で燃焼され、ガラス製造材料などの炉の材料を加熱及び／又は溶融するのに有用な付加的な燃焼熱を生成する。合成ガスの燃焼に必要な酸化剤は、開放された弁（１１５）を介して導管（１３５）によって供給される。この酸化剤は空気であってもよいし、又は空気の酸素含有量、即ち少なくとも２１体積％よりも高い酸素含有量を有していてよく、好ましくは８０体積％以上、更に好ましくは９０体積％以上、又は更には少なくとも９９体積％である。
典型的には、熱回収プロセスは、図１に見られるように、煙道サイクルにおける１つの再生器と、改質サイクル内における１つの再生器と、で約２０〜４０分間、又は改質再生器内のチェッカが冷却されすぎて、所望する吸熱化学反応を促進するための十分な熱を提供しなくなるまで、進行する。その時点で、再生器（２００）が煙道サイクルにあり、再生器（１００）が改質サイクルにあった本明細書の説明を続けると、炉（１０）は、再生器（２００）が熱回収のために改質サイクルに移行し、再生器（１００）が蓄熱のために煙道サイクルへと移行する反転を受ける。反転の前に、再生器（１００）の残留合成ガスは炉（１０）にパージされるべきである。この例において、再生器へ供給されている改質燃料を、送風機（３００）からのＲＦＧの流れを継続させたまま、まず弁（１２０）を閉鎖することによって止める。パージの間、ＲＦＧ流量を増加させてパージが完了するのに必要な時間を短縮してもよい。再生器（１００）内の残留合成ガスは、所定時間にわたってＲＦＧによってパージされるので、再生器内のほぼ全ての合成ガスが炉に放出され、完全燃焼する。
反転時、炉からの煙道ガスは再生器（１００）を通過し、その一部は（本明細書に記載されるように）排気に送られ、一方で、一部又は残余は燃料と混合され、この混合物は、再生器（２００）を通過させられてから、炉内に送られる。閉鎖されていた弁（１１０）が開放され、弁（２１０）が閉鎖され、弁（３６０）が閉鎖され、かつ弁（３８０）が開放されることにより、加熱された煙道ガスが再生器（１００）から送風機（３００）へ向かって、かつ送風機（３００）を通り抜けて進んで行くことが可能となり、そして、この煙道ガスの一部（３０３）が、閉鎖されていたが現在は開放されている弁（２２０）を通って入ってくる改質燃料（２３０）と混合された後に、再生器（２００）へ送られ得るようになる。開放されていた弁（１１５）は閉鎖されており、弁（１１５）を介して酸化剤によって助長される燃焼はこの段階では発生しないため、弁（２２５）が開放される。改質燃料及び再循環煙道ガスからなる混合物は、本明細書に記載されるように、前のサイクルにおいて再生器（１００）で発生した吸熱反応を再生器（２００）で受けて、合成ガス（４２５）を生成し、この合成ガス（４２５）は、炉（１０）へ送られ、そこで弁（２２５）を介して供給される酸化剤（２３５）で燃焼させられる。
熱回収プロセスの間、炉（１０）は、合成ガス炎（４０）並びにバーナ炎（６２）及び（６４）の両方が共存するように、（６０）及び（６５）などの他のバーナと共に加熱されてもよい。更に、バーナ（６０）及び（６５）は、場合によっては、改質再生器（１００）又は（２００）が上述したパージシーケンスを受けている場合には、反転プロセス中に点火されていてもよいし、又はされていなくてもよい。最大限、熱回収を行うためには、バーナ（６０）及び（６５）が合成ガス炎（４０）と共に焚かれないことが好ましい。また、パージシーケンスの間にバーナ（６０）及び（６５）が焚かれていないことが好ましい。
本発明の実施において、炉から、煙道サイクル中の再生器に入る煙道ガスは、ＮＯｘを含む。ＮＯｘは、炉で実行される燃焼によって形成されたものであってもよい。再生器で冷却され、その後改質燃料と混合されて、改質反応のために他方の再生器に再循環されるこの煙道ガスの一部は、第１の再生器に供給された煙道ガス中にあったＮＯｘの一部を含む。第１又は第２の再生器に入る煙道ガス中のＮＯｘ濃度は、場合によっては、改質燃料又は任意の他のガスと混合される前に再循環された煙道ガス中のＮＯｘ濃度と同じである。再循環したＮＯｘの総量は、再循環煙道ガス流中のＮＯｘの体積流量及び濃度に依存する。
改質のために他方の再生器に再循環される、冷却されていた再生器を通って出てくる煙道ガスの量は、特定の炉、及び煙道ガスのＮＯｘ含有量などの特定の特性に適合させることができるが、煙道サイクルで動作している再生器から出てくる煙道ガスの、典型的には最大約４０体積％、及び好ましくは約６体積％〜２７体積％が再循環され、改質サイクルで動作している再生器に入り、かつその再生器を通るように供給されると言うことができる。
改質サイクルで動作している再生器に供給されるガス流の形成における、ＲＦＧのＲＦ（ＦＧ又はＣＨ４）に対する任意の比率を、本発明の方法に効果的に利用することができる一方、ＲＦＧのＲＦに対する好ましい（体積）比率は、０．５〜２．０、又は更には〜３．０である。
再生器（１００）が改質サイクル中の段階を示す図１−図３を再び参照すると、再循環煙道ガス中に存在するＮＯｘは、導管（１３０）からの改質燃料（ＲＦ）と混合され、改質再生器（１００）内のチェッカパック（４２０）に入り、反応して、ＮＯｘがＮ２に転化（還元）される。ＮＯｘ還元反応は、再生器（１００）における燃料改質反応と同時に発生する。より具体的には、いかなる特定の動作原理にも束縛されることを意図しないが、ＲＦＧ／ＲＦ（好ましいＲＦはＣＨ４）混合物がチェッカパック（４２０）で改質されるとき、合成ガス流（４２５）は、Ｈ２、ＣＯ、煤煙、及び未反応ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４、並びにＣＨ、ＣＨ２、及びＣＨ３などの燃料断片などの化学種を含む。様々な程度のＮＯｘ還元反応が、チャンバ（１００）の底部アーチ（４１０）から始まり、炉（１０）へのポートネック（１４０）入口まで延びる、反応ＲＦＧ／ＲＦ混合物で発生し得る。例えば、煙道ガスが煤煙（即ち、粒状炭素など）を含む場合、ＮＯｘは、Ｃ＋２ＮＯ→ＣＯ２＋Ｎ２（式ａ）などの反応を介して煤煙中の炭素によってＮ２に還元され得る。更に、並行する改質反応から生成されるＣＯ及びＨ２ガスの共存は、再循環したＮＯｘをＮ２に還元する炭素の効果を著しく促進する。更に別のＮＯｘ還元経路は、任意の特定の原理又は反応メカニズムに同意することなく、ＮＯｘ＋ＣＨ→ＸＮ（式ｂ）（式中、ＸＮはＮＨ３、又はＨＣＮ、又はＮＯ、又はこれらの成分種のうち任意の２つ又は３つを含む混合物を表す）などの反応を介する、ＮＯｘと燃料断片との反応である。例えば、ＮＯｘは、ＣＨによってＨＣＮに還元される場合があり、これは、ＮＯ＋ＣＨ→ＨＣＮ＋Ｏ（式ｃ）と表される。燃料断片ＣＨは、改質中の再生器（１００）のチェッカパック（４２０）における高温での改質及び分解の際に、改質燃料（ＣＨ４など）から生成される。ＲＦＧ流中の一部のＮＯｘは、同時的な改質反応がＣＨ、ＣＨ２、及びＣＨ３などの燃料断片を生成及び供給する間に、再生器（１００）でＮＨ３若しくはＨＣＮ、又はＮＨ３及びＨＣＮの混合物に還元され得ることが予想される。
再び図３を参照すると、再生器（１００）で形成された任意のＸＮ化学種（即ち、ＮＨ３、ＨＣＮ、及びＮＯ）は、ポートネック（１４０）を介して炉（１０）に入る合成ガス流（４２５）中に存在する。開放された弁（１１５）を介して導管（１３５）から供給される酸化剤は、合成ガスと燃焼し、火炎（４０）が確立される。この合成ガス燃焼の間、一部のＸＮ化学種は酸化されてＮＯｘに戻る場合があり、また一部は、火炎（４０）内でＮ２に還元され得る。火炎（４０）の長さ及びＸＮ化学種のＮＯｘに戻る転化の程度を制御するため、合成ガスと酸化剤との混合率を調節することが好ましい。例えば、合成ガス燃焼のための酸化剤は、合成ガス燃焼がいわゆる「多段燃焼」法によって完了されるように、異なる炉位置で複数のランスによって供給されてもよい。多段燃焼において、可燃性物質（即ち、燃料及び合成ガス）の完全燃焼のために化学量論的に必要な酸素の総量（又は凝集体としての全化学量論的要件未満の量）は、異なる炉位置で少なくとも２つの酸化剤供給源から凝集体として供給され、これは、図３において１３５及び１３５Ａとして表される。各供給源は、化学量論的に必要な総量より少ない酸素を供給する。このように、酸化剤の供給、及びその燃料との混合率は、段階化及び制御される。この燃焼方法は、燃料が、ＮＯｘ形成を促進する局所的に高いＯ２過剰条件下で燃焼されていないため、ＮＯｘの発生を低減する。更に、炉の煙道ガス中の一部のＮＯｘは、火炎の燃料リッチゾーンに取り込まれ得、合成ガス中のＸＮ化学種と反応して優先的にＮ２を形成する。更に、燃料リッチ合成ガス（４２５）は、高温で炉に入り（例えば、少なくとも１８００Ｆ、好ましくは少なくとも２０００Ｆ、最大２５００Ｆ）、合成ガス中のＮＯｘ前駆体（ＨＣＮ、ＮＨ３）は、炉の煙道ガスから取り込まれたＮＯｘと共に高温の燃焼ゾーンで還元されるため、本発明は、取り込まれた炉のＮＯｘをＮ２に還元すること、並びに合成ガス中のＨＣＮ及びＮＨ３などの潜在的なＮＯｘ前駆体を、ＮＯｘよりも優先的にＮ２に転化することに特に有効である。
本発明の方法は、炉から得たものではない別のガス流中に存在するＮＯｘを転化するためにも利用され得る。これは図１に示されており、流れ（３１５）は、別の炉などの別の供給源からのＮＯｘ含有流を表す。流れ（３１５）も、ＮＨ３及び／又はＨＣＮのうちの１種類以上を含み得る。流れ（３１５）は、導管（３２０）に接続されて供給され、これにより、弁（３１６）が開放されると、流れ（３１５）がＲＦＧと混合される。得られた混合流はその後、導管（１３０）及び（２３０）から交互に改質燃料と混合され、加熱された再生器（１００）及び（２００）に交互にそれぞれ供給される混合物を形成し、改質反応及びＮＯｘ還元反応が、本明細書に記載されるように発生する。
本発明の方法は、炉の煙道ガス中のＮＯｘを制御又は低減するための他の技術を超えた数多くの利点を提供する。即ち、炉の下流でＮＯｘを軽減するための余分な設備は必要ない。また、ＮＯｘ除去動作に対応するための燃料ペナルティを課すことなく、より高く更に効率的なＮＯｘ除去の程度が達成される。ＮＯｘ還元は、従来のＮＯｘ低減技術よりも比較的一層長い滞留時間にわたって発生するため、様々な燃焼条件のより高い信頼性及びより優れた耐性を提供する。
以下の非限定的な実施例１は、本発明を使用して、予想されるＮＯｘの低減レベルを示す。実施例１において、天然ガス（ＮＧ）及び酸化剤は、それぞれ純ＣＨ４及びＯ２であり、ＣＨ４は改質燃料であるものとする。表現を簡潔にするために、全ての体積算出は、基礎となる１モルのＣＨ４に基づいて行われる。更に、炉の煙道ガスは、ＣＨ４及びＯ２の化学量論的燃焼によるものとする。
（実施例１）
図１に示したような本発明のＮＯｘ低減装置及び方法は、この説明に使用される。推測されたＮＯｘ低減率は、以下の表１にまとめた。
図３及び表１の事例１もまた参照すると、１モルの煙道ガスは、導管（３２０）を通して再循環され、導管（１２８）の位置（１２７）で、弁（１２０）を通して導管（１３０）内に供給される１モルの改質燃料ＣＨ４と混合される。したがって、ＲＦＧ／ＮＧモル比は、１に等しい。再生器（１００）のチェッカパック（４２０）における完全改質を仮定すると、ＣＨ４＋１／３（ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ）→４／３ＣＯ＋８／３Ｈ２（式ｄ）と記述されるように、４モルの合成ガスが生成される。したがって、導管（１３５）から供給された純粋Ｏ２により形成されたＣＯガス及びＨ２ガスの火炎（４０）における化学量論的燃焼の後、煙道ガスのモル体積は、４にとどまる。バッチ／カレット由来のＣＯ２及びＨ２Ｏなどのその他のガス及びガラス炉（１０）への空気侵入は、それぞれ０．５１モル及び０．４５モルであると推定された。
事例１及び図１を参照すると、再生器（２００）に入る全煙道ガス体積（５０）は、４．９６モル（即ち、４＋０．５１＋０．４５）に等しい。再生器（２００）内の煙道ガス体積は、再生器内への空気進入がないと仮定すると、４．９６モルにとどまる。１モルのみのＲＦＧが導管（３２０）を通して送られるため、再循環率は、事例１に対して（１／４．９６）×１００＝２０％と計算された。再循環煙道ガス中のＮＯｘに対して８０％の全ＮＯｘ低減効率を仮定すると、スタック（３４０）に入る全煙道ガスのＮＯｘ低減率は、０．８×０．２＝０．１６、即ち１６％のＮＯｘ低減率である。その代わりに、ＮＯｘ低減効率が表１に示したように５０％の場合、スタックでの全ＮＯｘ低減率は、１０％である。
事例２及び事例３は、事例１の手順と同様の手順に従い、本発明の全ＮＯｘ低減可能性を評価し、ＲＦＧ／ＮＧ比は、それぞれ１．５及び２に等しい。表１で明らかなように、より高いＲＦＧ／ＮＧ比は、より多くの煙道ガスがＮＯｘ低減用の改質チャンバに戻されて再循環されるため、より高い全ＮＯｘ低減率をもたらす。本発明のＮＯｘ低減法は、上述した２つの再生器による熱回収プロセスに関連して行われ、熱回収を最大にするために好ましいＲＦＧ／ＮＧ比は、０．５〜３の範囲であってもよいため、図１に例示し、かつ表１にまとめたような本発明の全ＮＯｘ低減可能性は、ＲＦＧ／ＮＧ比が１〜２で変化する場合、１０％〜２７％になると推測された。
Figure 0006542912

Claims (12)

  1. 炉内で燃焼を行う方法であって、
    （Ａ）炉内で燃料を燃焼させて、ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を生成することと、
    （Ｂ）交互に、以下の（１）及び（２）を行うことと、を含む、方法。
    （１）ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を前記炉から冷却された第１の再生器内へ送り、通過させて、前記第１の再生器を加熱し、かつ前記ガス状燃焼生成物を冷却し、前記第１の再生器からの前記冷却されたガス状燃焼生成物の第１の部分及び燃料を、加熱された第２の再生器内へ送り、前記第２の再生器において、前記ガス状燃焼生成物と前記燃料とを吸熱反応で反応させて、前記ガス状燃焼生成物中のＮＯｘを窒素に還元し、水素、ＣＯ、及び前記窒素を含む合成ガスを形成し、前記合成ガスを前記第２の再生器から前記炉内へ送り、前記合成ガスを前記炉内で燃焼させ、一方で、前記第１の再生器からの前記ガス状燃焼生成物の残りを送って排気させること、並びに、
    （２）ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を前記炉から冷却された第２の再生器内へ送り、通過させて、前記第２の再生器を加熱し、かつ前記ガス状燃焼生成物を冷却し、前記第２の再生器からの前記冷却されたガス状燃焼生成物の第１の部分及び燃料を、加熱された第１の再生器内へ送り、前記第１の再生器において、前記ガス状燃焼生成物と前記燃料とを吸熱反応で反応させて、前記ガス状燃焼生成物中のＮＯｘを窒素に還元し、水素、ＣＯ、及び前記窒素を含む合成ガスを形成し、前記合成ガスを前記第１の再生器から前記炉内へ送り、前記合成ガスを前記炉内で燃焼させ、一方で、前記第２の再生器からの前記ガス状燃焼生成物の残りを送って排気させること。
  2. 前記燃料及び前記合成ガスは、少なくとも５０体積％の酸素を含む酸化剤によって、前記炉内で燃焼する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記燃料及び前記合成ガスは、少なくとも９０体積％の酸素を含む酸化剤によって、前記炉内で燃焼する、請求項１に記載の方法。
  4. ＮＯｘを含み、かつ前記炉で生成されていないガス流が、前記第１の再生器からのガス状燃焼生成物の前記第１の部分と共に、前記第２の再生器内へと送られ、また、ＮＯｘを含み、かつ前記炉で生成されていないガス流が、前記第２の再生器からのガス状燃焼生成物の前記第１の部分と共に、前記第１の再生器内へ送られる、請求項１に記載の方法。
  5. 前記燃料及び前記合成ガスは、少なくとも５０体積％の酸素を含む酸化剤によって、前記炉内で燃焼する、請求項４に記載の方法。
  6. 前記燃料及び前記合成ガスは、少なくとも９０体積％の酸素を含む酸化剤によって、前記炉内で燃焼する、請求項４に記載の方法。
  7. 炉内で燃焼を行う方法であって、
    （Ａ）炉内で燃料を燃焼させて、ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を生成することと、
    （Ｂ）交互に、以下の（１）及び（２）を行うことと、を含む、方法。
    （１）ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を前記炉から冷却された第１の再生器内へ送り、通過させて、前記第１の再生器を加熱し、かつ前記ガス状燃焼生成物を冷却し、前記第１の再生器からの前記冷却されたガス状燃焼生成物の第１の部分及び燃料を、加熱された第２の再生器内へ送り、前記第２の再生器において、前記ガス状燃焼生成物と前記燃料とを吸熱反応で反応させて、前記ガス状燃焼生成物中のＮＯｘを窒素に還元し、水素、ＣＯ、及び前記窒素を含む合成ガスを形成し、前記合成ガスを前記第２の再生器から前記炉内へ送り、前記合成ガスを前記炉内で多段燃焼によって燃焼させ、一方で、前記炉内のＮＯｘを含む前記ガス状燃焼生成物を、前記第２の再生器から前記炉に入る前記合成ガス流に取り込み、前記多段燃焼の燃料リッチゾーンにおいて前記合成ガス流中のＮＯｘを還元すること、並びに、
    （２）ＮＯｘを含むガス状燃焼生成物を前記炉から冷却された第２の再生器内へ送り、通過させて、前記第２の再生器を加熱し、かつ前記ガス状燃焼生成物を冷却し、前記第２の再生器からの前記冷却されたガス状燃焼生成物の第１の部分及び燃料を、加熱された第１の再生器内へ送り、前記第１の再生器において、前記ガス状燃焼生成物と前記燃料とを吸熱反応で反応させて、前記ガス状燃焼生成物中のＮＯｘを窒素に還元し、水素、ＣＯ、及び前記窒素を含む合成ガスを形成し、前記合成ガスを前記第１の再生器から前記炉内へ送り、前記合成ガスを前記炉内で多段燃焼によって燃焼させ、一方で、前記炉内のＮＯｘを含む前記ガス状燃焼生成物を、前記第１の再生器から前記炉に入る前記合成ガス流に取り込み、前記多段燃焼の燃料リッチゾーンにおいて前記合成ガス流中のＮＯｘを還元すること。
  8. 前記燃料及び前記合成ガスは、少なくとも５０体積％の酸素を含む酸化剤によって、前記炉内で燃焼する、請求項７に記載の方法。
  9. 前記燃料及び前記合成ガスは、少なくとも９０体積％の酸素を含む酸化剤によって、前記炉内で燃焼する、請求項７に記載の方法。
  10. ＮＯｘを含み、かつ前記炉で生成されていないガス流が、前記第１の再生器からのガス状燃焼生成物の前記第１の部分と共に、前記第２の再生器内へと送られ、また、ＮＯｘを含み、かつ前記炉で生成されていないガス流が、前記第２の再生器からのガス状燃焼生成物の前記第１の部分と共に、前記第１の再生器内へ送られる、請求項７に記載の方法。
  11. 前記燃料及び前記合成ガスは、少なくとも５０体積％の酸素を含む酸化剤によって、前記炉内で燃焼する、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記燃料及び前記合成ガスは、少なくとも９０体積％の酸素を含む酸化剤によって、前記炉内で燃焼する、請求項１０に記載の方法。
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