JP7320917B2

JP7320917B2 - 脱硝装置を備えた燃焼炉

Info

Publication number: JP7320917B2
Application number: JP2017197038A
Authority: JP
Inventors: 太祐舛添; 恭士工藤; 裕二有福; 聡之田中
Original assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2023-08-04
Anticipated expiration: 2037-10-10
Also published as: JP2019070488A

Description

本発明は新規な排ガス脱硝装置を備えた燃焼炉に関するものである。

化学設備等の熱媒加熱炉や直火炉等の熱源としてコークス炉ガス、高炉ガス等のガス燃料や軽油、重油等の液体燃料を燃焼させることが知られている。しかし、これらの燃料は、しばしば窒素化合物を含有することから、燃焼により発生する燃焼ガス中のＮＯｘが増加するため、還元剤により脱硝することで排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を排出基準以下とする必要がある。

脱硝方法としては、触媒脱硝法や無触媒脱硝法がある。その中で無触媒脱硝方法は、ＮＯｘを含むガスに高温状態でアンモニア等の還元剤を導入することにより、触媒を使用することなくＮＯｘを還元除去する方法であり、他の方法より設備コストがかからない利点がある。この無触媒脱硝方法において、脱硝反応に影響を及ぼす主な要因は、排ガス温度、反応時間、排ガスと還元剤との混合条件等が挙げられる。

しかし、これらの燃料のうち、特に液体燃料は、発熱量が大きい為、炉内温度が上がり過ぎてしまい、無触媒脱硝に必要な温度領域（７００～１０５０℃程度）を十分に確保できず、脱硝反応が十分に進行しない問題があった。

また、触媒を使用する脱硝であっても、燃焼ガスの温度が高すぎたり、反応温度領域において必要な滞留時間をとることができないと、脱硝反応が十分に進行しない。

一般に、一定規模以上の既設の燃焼炉には脱硝装置が備えられているが、上記の課題により、既設の脱硝装置では十分な脱硝ができないという問題が生じる。

液体燃料を用いて脱硝反応を進行させる技術としては、例えば、スプレーノズルの改良による還元剤の微粒子化（特許文献１）が報告されているが、この技術は低温度域において高い脱硝効果を得るための技術であり、前記課題を解決するための開示はない。

ガス燃料を用いて脱硝反応を進行させる技術としては、筒状体をガス燃焼用バーナから発生する炎又は炎に続く高温燃焼ガスの側面周囲を取り囲むように設置し、還元剤吹込み用ノズル先端を筒状体の内部に設ける技術（特許文献２）があるが、これを液体燃料用の燃焼炉に適用することに困難があった。
すなわち、一般に、液体燃料はガス燃料と比較して燃焼速度が遅く、火炎が長炎化するため、筒状体内で脱硝を行う場合、筒状体内の脱硝温度領域が狭くなるという問題があり、脱硝効率の低下が生じるものであった。

特開２００２-１３６８３７号公報特開２０１４-７０７８５号公報

本発明は、上記の問題を解決するために、液体燃焼炉またはその付帯設備の大幅な改造を必要とせず、排ガスの脱硝、特に無触媒脱硝を効率よく行う装置およびその方法を提供するものである。

すなわち本発明は、液体燃料燃焼用バーナ及び還元剤吹込み用ノズルを設置してなる脱硝装置を備えた液体燃料燃焼炉において、筒状体を当該液体燃料燃焼用バーナから発生する炎又は炎に続く高温燃焼ガスの側面周囲を取り囲むように設置し、還元剤吹込み用ノズル先端を筒状体の内部に設け、前記炎との非接触部に還元剤を吹き付けることを特徴とする脱硝装置を備えた燃焼炉である。

上記液体燃料燃焼用バーナから吹込まれる液体燃料のザウター平均粒子径は、１１０μｍ以下であることが好ましい。
また、上記筒状体の形状としては、円筒型であることが好ましい。また、上記脱硝装置としては、無触媒脱硝反応用の装置であることが好ましい。
また、本発明は、上記の燃焼炉を使用し、液体燃料燃焼用バーナから吹込まれる液体燃料のザウター平均粒子径を１１０μｍ以下とし、筒状体の内部に設けた還元剤吹込み用ノズル先端から還元剤を炎との非接触部に吹き付けて脱硝することを特徴とする燃焼方法である。

本発明の脱硝装置を備えた燃焼炉は、液体燃料燃焼用バーナの近傍に筒状体を設置し、さらに、還元剤の吹き付け位置を制御するというものであるので、燃焼炉の大幅な改造なしに、簡便な方法で高温燃焼ガス又は排ガスの温度や流動等の状態をコントロールできる。その結果、液体燃料の燃焼効率が向上し、排ガスの脱硝を効率よく行うことができる。また、燃焼炉を新設する場合であっても、簡単な設計変更で済むという利点がある。

本発明の熱媒加熱装置の一例を示す概略の縦断面図である。

以下、本発明を更に説明する。
本発明の燃焼炉は、液体燃料の燃焼を行う炉内に液体燃料燃焼用バーナ及び還元剤吹込み用ノズルを設置してなる脱硝装置を備えており、筒状体を当該液体燃料燃焼用バーナから発生する炎又は炎に続く高温燃焼ガスの側面周囲を取り囲むように設置し、還元剤吹込み用ノズル先端を筒状体の内部に設け、前記炎の非接触部に還元剤を吹き付ける構造を有する脱硝装置を備えている。
この筒状体は炎又は炎に続く高温燃焼ガスの温度を担保し、脱硝温度領域を構築する為に設けられる。温度を担保するとは、具体的には対流による低温排ガスの混入又は輻射による熱放散を抑制することなどである。

以下、本発明の燃焼炉の一例を、図面を参照して説明する。
燃焼炉は、燃焼部10と燃焼部からの排ガス又は熱によって加熱される加熱室を有する。燃焼部10は、バーナ15を有し、そこに液体燃料が供給される。バーナ15の周囲からは酸素含有ガス、有利には空気14が供給され、燃焼が生じ、燃焼炎とそれに続く高温燃焼ガスが生じる。一方、脱硝用の還元剤ガスは、高温燃焼ガスと接触して、混合するように管16から吹き込まれる。バーナ15の先端は、炉壁12より下部に設けられているが、それと同じ高さであってもよいし、上部であってもよい。好ましくは、脱硝温度領域確保という観点から、炉壁12より下部に設ける。図面ではバーナ15の先端は、炉壁12より下部に設けられており、炉壁12とバーナ15の先端の間の側壁はバーナタイル13で構成されている。高温排ガスは開口部17から加熱室内に流入する。筒状体11内に流入する高温排ガスは、燃焼炎部分を含んでもよく、それに続く高温燃焼ガスだけでもよく、両方を含んでもよい。なお、前記側壁を構成する材料は、バーナタイル以外の公知の材料を使用出来る。

液体燃料15は、高温排ガスの温度が高く、還元剤ガスと接触しても、脱硝に必要な温度領域を確保できないことがある。そこで、本発明では筒状体11を炉壁12に接して設け、更に、前記燃焼炎の非接触部に還元剤を吹き付けるように、還元剤用ノズル先端を筒状体の内部に設ける。ここで、燃焼炎の非接触部とは、燃焼炎の外部を意味する。燃焼炎の非接触部に還元剤を吹き付けることにより脱硝効率が向上する。

この筒状体11により、筒状体中の高温排ガスの温度を保ち、還元剤用ノズルから還元剤ガスを脱硝温度領域に吹き付けることで脱硝反応を行う。そして、本発明の燃焼炉は、筒状体11および還元剤用ノズルを中心とする脱硝装置に特徴があるので、液体燃料燃焼炉の材質、形状及び容積は、被燃焼ガスの燃焼に耐え得る耐熱性と、排気装置以外から排ガスが漏洩しない密封性を備えていれば特に制限はない。

また、液体燃料燃焼用バーナ15及び還元剤吹込み用管16に設けられるノズルの大きさ及び形状は、液体燃料燃焼炉、筒状体及び液体燃料燃焼用バーナ開口部の形状、還元ガス噴霧量及び濃度、被燃焼ガス及び排ガスの全体量、含窒素量、酸素濃度及びＮＯｘ濃度により、適宜調整し最適化することができる。例えば、図１に例示するように、液体燃料燃焼炉中に開口部17を設け、開口部17に埋没するように液体燃料燃焼用バーナを設置し、液体燃料燃焼用バーナ及び燃焼炎を取り囲むように、バーナタイル等の耐火物を設置する。しかし、後記するように液体燃料のザウター平均粒子径を１１０μｍ以下とすることが好ましく、そのために微粒化に適したバーナ開口部の形状とすることがよい。

また、筒状体の材質は、燃料ガスの燃焼に耐え得る耐熱性を備えていれば特に制限はないが、好ましくは、キャスタブル、セラミックウールをステンレス板等で補強したものや、耐火レンガが保温性、耐久性の観点から好ましい。また、筒状体の形状は、筒形状を有していれば良く、例えば角筒、三角筒等の多角筒や円筒、楕円筒が挙げられるが、高温排ガスの対流や保温性の観点から円筒型が好ましい。

また、筒状体の大きさは、高温排ガスの温度、排ガス量、排ガス中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度等により適宜調整し最適化できるが、脱硝に必要な温度領域で、一定時間以上、還元剤を燃焼排ガスと効率よく接触させるという観点から定めることができる。好ましくは、無触媒脱硝の場合は、７００～１０５０℃の温度領域で、０．１秒以上接触させるように定める。したがって、上記接触時間から筒状体の体積又は高さが定まる。

また、燃焼炉は複数の燃焼用バーナを有することもでき、この場合燃焼用バーナの全てに筒状体を設置しても、しなくともよい。燃焼炉の形状には制限はないが、筒状体を出た高温排ガスが加熱炉内の被加熱材料を所定温度に加熱し、一定温度に低下したガスが外部に出る排気装置を備えることがよい。

また、無触媒脱硝反応は、炎の非接触部で効率よく進行する。その中でも、７００℃～１０５０℃の温度領域で特に効率よく進行するので好ましい。より好ましくは８５０℃～１０５０℃の温度領域である。従って、高温排ガスと還元ガスの接触箇所における温度が、上記温度領域になるように、高温排ガスの温度を還元ガスが未接触時において、８００℃～１３００℃とすることが好ましい。触媒脱硝反応は無触媒脱硝反応より十分に低い温度で進行するので、１６０℃～６００℃程度の温度領域とすればよい。

還元剤は、排ガス中のＮＯｘを窒素に還元できれば、その種類は問わない。例えば、尿素、アンモニア水、アンモニアガスを使用できるが、水分蒸発による排ガス温度低下防止の観点から、アンモニアガスが好ましい。また、複数の上記還元ガスを使用してもよく、またＣＯ、水素等の還元ガスを混合させても良い。

また、本発明の脱硝装置は、液体燃料として、化学設備等にて発生する副生油を使用した場合、排ガスの脱硝効果が大きいが、含窒素濃度が低い液体燃料を使用した場合でも、排ガスの脱硝効果は十分にある。

また、還元剤吹込み用ノズル先端を筒状体の内部に設け、前記炎の非接触部に還元剤を吹き付けることが重要である。炎の非接触部の中でも、無触媒脱硝反応に適した７００～１０５０℃の温度領域の部分に還元剤を吹き付けることで、無触媒脱硝反応が特に効率よく進行するので好ましい。一方で、炎との接触部では、１２００℃以上であることから、この部分に還元剤を吹き付けると、還元剤の酸化反応等の副反応が進行し、無触媒脱硝反応が十分進行しない。好ましくは、炎から、０．１ｍ以上離れた位置であり、より好ましくは、０．１５ｍ以上離れた位置で、上記温度領域となる領域である。筒状体とその内部は、脱硝装置として機能する。

また、筒状体の内部における炎の長さを短くすることが好ましい。これにより、筒状対の内部における非接触部、つまり無触媒脱硝反応に適した領域の体積が大きくなる。より好ましくは、（筒状体の高さ）／（炎の高さ）の値が１．５以上であり、さらに好ましくは２以上である。

また、液体燃料の燃焼速度を上げ、燃焼反応速度を向上させるために、前記液体燃料を吹込むノズルから吹込まれる液体燃料を、微粒化することが好ましい。液体燃料を微粒化することで、液体燃料の表面積が大きくなるため、燃焼反応速度が早くなる。液体燃料の粒径は、小さいほど好ましいが、具体的には、ザウター平均粒子径が、１１０μｍ以下が好ましく、より好ましくは８０μｍ以下であり、さらに好ましくは、６０μｍ以下である。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれらにより制限されるものではない。

脱硝前後における排ガス中のＮＯｘ濃度は、ＮＯｘ計により測定し、酸素濃度６％換算した値を使用した。脱硝率は、アンモニア添加前後の安定した値より算出した。

実施例１
図１に示す構造の液体燃料燃焼炉を使用して、脱硝試験を行った。この燃焼炉は、油滴を微粒化させるための噴霧孔を有する液体燃料燃焼用バーナ１本及びアンモニア吹込み用ノズルを備え、液体燃料燃焼用バーナの開口部17の開口部直径は６００ｍｍである。この液体燃料燃焼用バーナの上部に、円筒型の筒状体（内径＝１４００ｍｍ、高さ＝２５００ｍｍ、厚さ＝１００ｍｍ、キャスタブル製）を設置した。

上記液体燃料燃焼用バーナで含窒素燃料油を燃焼した。液体燃料燃焼用バーナから吹込む液体燃料のザウター平均粒子径は、１１０μｍであった。この時発生する排ガスは、５３０Ｎｍ³／ｈであり、バーナ近傍の燃焼炎温度は１２００℃であり、筒状体中央部付近の高温排ガスの温度は約９００℃であった。また、（筒状体の高さ）／（炎の高さ）は１．５であった。
上記燃焼炉中のＮＯｘ濃度が安定した後に、燃焼炉中のＮＯｘ濃度を測定したところ、４３９ｐｐｍ（ｖoｌ）であった。
次に、上記アンモニア吹込み用ノズルから、空気及びアンモニアの混合ガスを、アンモニアとして１．２Ｎｍ³／ｈの速度で導入した。尚、噴出した混合ガスは火炎の非接触領域（炎の接触部から、０．１ｍ離れた位置）に吹き付けた。燃焼炉中のＮＯｘ濃度が安定した後に、再び燃焼炉中のＮＯｘ濃度を測定したところ、１４６ｐｐｍ（ｖoｌ）であった。アンモニアガスの導入による脱硝率は６７％と計算される。

比較例１
実施例１と同じ燃焼炉に、同様にして液体燃料を吹き込んで、ＮＯｘ濃度が安定した後に、燃焼炉中のＮＯｘ濃度を測定したところ、４０１ｐｐｍ（ｖoｌ）であった。
次に、上記アンモニア吹込み用ノズルから、空気及びアンモニアの混合ガスを、アンモニアとして１．２Ｎｍ³／ｈの速度で導入した。尚、噴出した混合ガスは火炎の接触領域に吹き付けた。上記燃焼炉中のＮＯｘ濃度が安定した後に、再び燃焼炉中のＮＯｘ濃度を測定したところ、３３７ｐｐｍ（ｖoｌ）であった。アンモニアガスの導入による脱硝率は１６％と計算される。

１０燃焼部
１１筒状体
１２炉壁
１３バーナタイル
１４空気
１５バーナ
１６還元剤導入管
１７開口部

Claims

液体燃料燃焼用バーナ及び還元剤吹込み用ノズルを設置してなる脱硝装置を備えた液体燃料燃焼炉において、筒状体を当該液体燃料燃焼用バーナから発生する炎又は炎に続く高温燃焼ガスの側面周囲を取り囲むように、そしてこの筒状体の高さを、還元剤を吹き付ける前の炎の高さの１．５倍以上となるように設置し、還元剤吹込み用ノズル先端を筒状体の内部に設け、前記炎の非接触部に還元剤を吹き付ける構造とした脱硝装置を備えた燃焼炉（但し、ロータリーキルン型の回転炉を除く。）を使用し、前記液体燃料燃焼用バーナから吹込まれる液体燃料のザウター平均粒子径を１１０μｍ以下とし、前記還元剤吹込み用ノズル先端から還元剤を炎から０．１ｍ以上離れた位置に吹込んで脱硝することを特徴とする燃焼方法。
前記筒状体が、円筒型である請求項１に記載の燃焼方法。
前記脱硝装置が、無触媒脱硝反応用装置である請求項１又は２に記載の燃焼方法。