JPH02195104A - 内部循環流動床ボイラにおける排ガス中のＮＯｘを低減する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、石炭焚き内部循環流動床ボイラの燃料として
特定の炭種の石炭を使用することにより排ガス中の窒素
酸化物（ＮＯｘ　）の含有量を低減させる方法に関する
ものである。

〔技術的背景並びに従来の技術〕

流動層を用いた燃焼装置は通常−層型でるり液状あるい
は固形廃棄物の焼却あるいは流動層ボイラなどに広く応
用されており従来知られているものである。これらの流
動燃焼装置は、通常のバーナで噴霧燃焼できない固形燃
料、スラリーなどでも安定に燃焼できるという特徴を有
するが、未燃分の発生を防止するため、理論的に必要な
空気量以上の空気を層内に送入し過剰空気条件で、運転
するのが普通である。このような運転方法では、層内全
域が酸化雰囲気となるため燃焼は促進されるが、反面、
酸化雰囲気であることから燃料中のＮ化合物が酸化され
ＮＯｘとなりやすいという欠点を有する。

例えば、Ｎを１−１８　ｗｔ％含む石炭を空気比１．２
層温度８００℃で流動燃焼させた場合、約３００ｐｐｍ
ものＮＯｘが生成する。この程度の層温度では空気中の
Ｎ、　　からのＮＯｘ発生はほとんど無視できる。ＮＯ
ｘの発生を防止するには従来公知のごとく、酸素濃度を
下げるため、空気量を減らし還元雰囲気とすれば良いの
であるが、この状態で燃焼させると、今崖は未燃カーボ
ン、ＣＯなどの未燃分が多量に発生するという問題が生
ずる。すなわち、上記の従来技術には、ＮＯｘと未燃分
を同時には低減できない、という欠点がある。

これらは、流動層を用いた燃焼装置のみでなく移動Ｊｆ
Ｉあるいは固定層を用いた燃焼装置にも共通して見られ
る欠点である。

即ち、従来の石炭焚きボイラにおいては、石炭中に含有
されている窒素（及び空気中の窒素）が燃焼に伴い高温
で酸化され、生成したＮＯｘが十分に還元されずに排出
されるため、種々の環境汚染を引き起こしていた。

そこでＮＯｘの排出を低減するため、２段燃焼等の燃焼
プロセスが開発され、実用に供されてはいるが、殆んど
の炭種において０２６％換算ＮＯｘ排出濃度を１ｏ　ｏ
　ｐｐｍ以下とするのは困難であった。また、ＮＯ！排
出濃度が１００　ｐｐｍ以下となるような石炭を使用し
た場合にはＢＯＸの排出濃度が著しく高くなる場合が多
く、排出ガスによる公害には多くの問題がめった。

また、従来から用いられている微粉炭燃焼装置では、燃
焼温度が高いためＮＯｘの生成量が多い。このＮＯｘは
燃焼部の下流部においてチャーの存在下に還元されるが
、このチャーは排ガスに伴なって排出されるのでチャー
の作用は流れに従い１回のみであるため、十分なＮＯｘ
の低減が得られなかった。

このＮＯｘは燃焼の下流部においてチャーの存在下に還
元されるが、このチャーは燃焼時に生成し、燃焼ガスの
流れに伴ない煙道中を流下し、乗じん装置で捕集される
ため、　Ｈｏｘとの反応はあまジ高くない。また正常な
運転状態では反応域でのチャーの存在量は比較的少なく
、十分なＮＯｘ低減を得られない。

低温燃焼を目して流動床ボイラが開発され実用されてい
る。これには一般Ｒ，動床ボイラ（バブリング型）と循
環流動床ボイラがろる。−膜流動床ボイラでは流動床内
で生成した未燃チャーは、微粉炭ボイラーと同様燃焼ガ
スの流れに伴ない流下するのみでろジ、十分なＮＯｘの
低減が得られない。

循環型流動床ボイラでは、燃焼温度が低いことに加えて
、流動媒体の循環にともなって未燃チャーも循環し、燃
焼ガス中のＮＯｘとチャーが接触還元する場が与えられ
るため、−膜流動床ボイラよりもＮＯＸの低減が得られ
る。しかし未燃チャーの循環数が限られ、また循環経路
のほとんどが希薄相であるため、チャーの成長は少なく
、反応性が低い。このため十分なＮＯｘの低減は得られ
なかった。

以上の各装置を使用した場合、一般的に、窒素分の多い
石炭ではＮＯｘの排出が多い。また、燃料比の低い石炭
ではＮＯＸ排出値が高い場合が多い。このため、低ＮＯ
ｘ排出を得るためには、高燃料比炭を使用するが、これ
によ５．Ｃｏ、Ｓｏｘ　、未燃分の増大が問題となる場
合が多かった。

しかるに、現在、ボイラを新設する場合、ＮＯｘを１０
０　ｐｐｍ以下としなければならないのをはじめ、その
他の有害物質についても各々規制値が定められ、今後は
更に規制が強化される見込である。よってこれらの規制
をクリアーできる石炭を燃焼装置の条件ごとに選定する
必要があり、多くの問題を生じていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上記従来技術の問題点を無くし、排ガス中の
Ｎｏｗを低減せしめる方法を提供することを目的とする
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、 １、　流動床ボイラの流動床部を主燃焼室と熱回収室に
仕切で区分し、主燃焼室下部には、流動媒体に大きな流
動化速度を与える空気室と、小さな流動化速度を与える
空気室の少なくとも２種類の空気室を備えており、これ
らの空気室から噴出される異なる空気の流動化速度の組
合せにより主燃焼室内の流動媒体に旋回循環流を形成し
た内部循環流動床ボイラにおいて、脱硫剤を特に添加せ
ずに、燃料として石炭を燃焼せしめることを特徴とする
排ガス中のＮＯｘを低減する方法。

２　上記１記載のボイラにおいて、脱硫剤を特に添加せ
ずに、燃料として燃料比１．５〜＆５、窒素含有ｉ２．
０重量％（無水、無灰ベースで）以下、硫黄含有量（Ｌ
４重量％（無水ベースで）以下の石炭を燃焼せしめるこ
とを特徴とする排ガス中のＮＯｘ排出値を５０　ｐｐｍ
以下（Ｏｘ６チ換算）、ＳＯｘ排出値を１５０　ｐｐｍ
以下（Ｏ意６％換算ンに低減する方法。

五　前記１記載のボイラにおいて、脱硫剤を特に添加せ
ずに、燃料比（１Ｂ〜１．５未満で窒素含有量ｔ６重量
％（無水、無灰ベースでン硫黄含有量α４６重量％（無
水ベースで）の石炭を燃焼せしめることを特徴とする排
ガス中のＮＯｘ排出値を１００　ｐｐｍ以下（（ｈ６％
換ｎ）、ＳＯｘ排出値ｆ　５００　ｐｐｍ以下（Ｏ８６
％換算）に低減する方法。

４、　前記１記載のボイラにおいて、脱硫剤を特に添加
せずに、燃料比五５〜７．０、窒素含有量２．５重ｔ％
（無水物ベースン以下、硫黄含有量１．０重量ｔ％（無
水物ベース）以下の石炭を燃焼せしめることを特徴とす
る排ガス中のＮＯｘ排出値を５０　ｐｐｍ以下（Ｏ２６
％換算）、ＳＯｘ排出値を５００　ｐｐｍ以下（Ｏ鵞６
％換算）に低減する方法。

である。

なお、燃料比とはＪＩＳＭ８８１２による工業分析値の
固定炭素（％）と揮発分（％）の割合を意味し、窒素含
有量、硫黄含量はＪＩＳＭ８８１３による工業分析値で
ろる。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明では、炉底部から噴出する流動化ガス、の質量速
度に噴出部分により差異をつけることにより、流動媒体
に旋回循環流動を行なわせる。

石炭等の燃料はこの旋回循環流に伴なって、旋回循環流
動しながら燃焼する。

流動層に投入された石炭は短時間で加熱によシ揮発分が
分離する。分離した揮発分は一部層内で燃焼し、他１３
層表面へ出てフリーボード部で燃焼する。揮発分が分離
した後の未燃炭素分（チャー）は、流動層中を数１０回
にわたり旋回循環しながら比較的長い時間をかけて燃焼
する。チャーは当初揮発分の分離により多孔質状となり
、その後燃焼の進行に伴い、間欠微小化する。粒径が（
Ｌ２ｍ以下となると、燃焼ガスに同伴されて煙道から一
旦炉外へ出るが、煙道途中に設けたサイクロン等の簡略
な集塵装置によシ捕果され、旋回流動層底部に戻される
。戻されたチャー（リサイクルチャー）は、再び旋回流
動に伴い流動床中に拡散され、燃焼が進行する。チャー
の燃焼が完結するまで、このプロセスを繰ジ返す。この
間、多孔質状のチャーは、層内及び７リ一ボｉド部に存
在することにより、ＮＯｘの直接還元剤として、あるい
は、ＣＯによるＮＯｘの還元を推進する触媒として作用
する。

本装置では特に７リ一ボード部において急激なＮＯｘの
低減が行われる。このＮＯｘ低減に係る反応としては （ａ）　　Ｃ＋２ＮＯ→ｃｏ＝＋Ｎ、　　　（チャーの
酸化反応）（′ｂ）２ＣＯ＋　２ＮＯ−＋　２ＣＯ１＋
　Ｎ、　　　（チャーの触媒反応）の２つの反応が考え
られる。いずれの反応もチャーが関与しており、その酸
化反応性および触媒効果が低ＮＯｘ機能を支配している
。

石炭は燃焼過程において細孔構造を変化させながら燃焼
し、その構造は石炭の炭種によって異なる。すなわち、
低燃料化炭チャーは比較的細孔が大きく反応性に富んで
いるが表面積は小さく触媒としての効果は少ない。

ある種の中燃料比炭チャーは細孔がよく発達しており、
表面積も大きく反応性に富み触媒効果もある。

高燃比炭（無煙炭）チャーも小さな細孔が多く触媒効果
が期待される反面、各々の細孔は完全に発達しておらず
反応性に乏しい。

このようにチャーの形態は炭種によって異なっており、
低ＮＯｘ化機能におよぼす影響もそれぞれの炭種で異な
る。

いずれの炭ｆＩ［ｅ使用する場合も、従来の各檀ボイラ
と比べて十分な低ＮＯｘ排出値を得られるが、数十ｐｐ
ｍという特に低い値とする必要がある場合には、上記の
中燃料比炭、特にチャーの細孔が良く発達したものを使
用する。このように適切な炭種を選ぶことにより、必要
な程度の低ＮＯｘ特性を得ることができる。

Ｂｏｘについては、石炭中に含まれるＣａＣＯ３と反応
してＣａＳＯ４となることにより低減されるが、前述の
チャーの反応と同様に、本発明では複合循環により、効
率的に反応が進められる結果、ＣＩＬＣＯ３の利用率が
高く、同じ量のＣａＣＯ３に対して通常よ）極めて高い
脱ｍ率が得られる。

また、必要に応じてＣａＣＯ３を多く含む石灰石等を脱
硫剤として添加することにより９０チの脱硫率が容易に
得られる。この時、一般にＣａＣＯ３が炉床内でＣａＯ
となり、ＮＯｘ生成触媒として働き、ＮＯｘの排出が増
加する場合があるが、本装置では層内熱回収量を制御し
て炉床温度を調整することによＦ）、ＮＯｘ生成が増加
せず、かつ脱硫率が良好となる最適温度（約８２５℃）
に炉床温度を維持できるため、低ＮＯｘ　、低ＳＯｘを
同時に具現できる。

前記したように本装置では特にフリーボード部において
急激なＮＯｘの低減が行なわれる。

この理由は、旋回流（内部循環）の中で酸化・還元を繰
返されるチャー粒子の触媒作用が向上し、フリーボード
で浮遊して低ＮＯｘ化するからである。例えば燃料比２
．２のエンジャム炭では浮遊量は少ないが、チャー表面
に細孔が多く発達しており表面積が大きい。燃料比６の
カングラ炭ではチャー表面に細孔は多いが未発達なもの
が多い。しかしながらエンジャム炭に比しフリーボード
浮遊量が多い。

以上のことよジ、チャー表面積の絶対量の多い少ないが
低ＮＯｘ化へ大きな影響を与えてるものと考えられる。

ちなみに内部循環による酸化還元は、例えば還元・酸化
の１サイクルを約５秒、石炭のｆＳ焼時間約５分とする
と、１つの粒子が繰返えす酸化・還元回数は、　５Ｘ６
０　＝６０回にもなる。

この内部循環効果はバブリング型にはない。

循環型は、酸化・還元を繰返すが希薄相での現象であり
、反応特性の良い磯厚ベツドでの反応ではない。

よって低ＮＯｘ機能は内部循環流動床ボイラー〉循環型
流動床ボイラー〉−膜流動床ボイラーの順となる。

つぎに本発明を図面を参照しながら模式的に説明する。

第１図において、ボイラ本体１の底部にはブロワ１６に
より流動化空気導入管１５から導入される流動化用空気
の分散板２が備えられ、この分散板２は両側縁部が中央
部より高くなっており、ボイラ本体底部が凹面状をなす
よう形成されている。

そしてブロワ１６によシ送られた流動化用空気は、空気
室１２．１３，１４を経て、空気分散板２から上方に噴
出せしめるようになっており、中央部の空気室１５から
噴出する流動化用空気の質量速度はボイラ本体内の流動
媒体の流動層を形成するのに十分な速度、すなわち４〜
２００ｍｆ　、好ましくは６〜１２０ｍｆの範囲内とす
るが、両側縁部の空気室１２，１４から噴出する流動化
用空気の質量速度は、前者よりも小さく一般に０〜５　
Ｃ）ｍｆの範囲内とし、伝熱管５を配した熱回収室４の
下部にある空気室１２からは質量速度０〜２Ｇｍｆ、又
、燃焼室５の下部を形成する空気室１４からは質量速度
（Ｌ５〜２０ｍｆで噴出させることが好ましい。

その結果、主燃焼室３内部においてを気室１３から噴出
する流動化用空気の質量速度が空気室１２から噴出する
流動化用空気の質量速度に比較して大きいため、空気室
１５の上部では空気と流動媒体が噴流となって流動層内
部を上方へ急激に移動し、流動層表面を出たところで周
囲に拡散し、空気室１２．１４上部の流ｊｔｈ層我面に
落下する。一方、空気室１３の上部の流動層においては
、流動媒体が上方に移動したあとをうめるべく、両側の
ゆるやかな流動層、すなわち、空気室１２．１４の上部
の流動層の底部の流動媒体が中央部、つまり空気室１３
の上部に移動してくる。その結果流動層において中央部
では激しい上昇流が形成されるが周辺部ではゆるやかな
下降移動層が形成される。この上昇流部は酸化層を形成
し、下降移動層は還元層を形成する。

熱回収室４は、この下降移動Ｗｌを利用したものである
。空気室１２．１５の境界上部の流動層内部に垂直の仕
切壁１７を設け、空気室１２の上部、すなわち仕切壁１
７の背面と、水冷炉壁の間の流動層内部に伝熱管５を配
置し熱回収室としたものである。仕切壁１７の高さは、
運転中に流動媒体が中央部から熱回収室４へ入り込むの
に十分な高さとなっているほか、仕切壁１７と底面の空
気分散板の間には熱回収室４内の流動媒体が主燃焼室３
内へ戻るよう開口部１８が設けである。従って、主燃焼
室内で噴流となって激しく上昇してきたのち、流動ｍ表
面で拡散した流動媒体は仕切壁１７を越えて熱回収室に
入り、空気室１２から吹き込まれる空気によってゆるや
かな流動が行なわれつつ徐々に下降し、その間に伝熱管
５を介して熱交換が行なわれる。

燃料である石炭は、石炭投入口よりロータリーバルブ６
ｆ、経てスプレッダ等の供給装置７により主燃焼室３内
の下降移動層へ供給する。それによって高温の流動層内
部で旋回、循環し燃料比の高い石炭でも完全に燃焼させ
ることが出来、高負荷燃焼が可能である。

排ガスはボイラを出てサイクロン８に導かれる。一方、
サイクロン８で捕集された粒子は、第１図に示すボイラ
ーにおいては空気輸送によシ主燃焼室の下降移動層に供
給され、捕集粒子中の未燃分（チャー）の燃焼とＮＯｘ
の低減等に寄与する。もちろん、サイクロン８で捕集し
た粒子は、特に図示はしないが第１図とは異なってスク
リューフィーダ等で供給することも可能である。

このボイラで燃料化工５〜７．０未満の高燃料比炭、燃
料比１．５〜五５未満の中燃料化炭及び燃料比（Ｌ８〜
ｔ５未満の低燃料化炭の各炭（事を燃焼した実験結果の
例を表１に示す。

表　　１ この結果からＮＯｘの排出が、璧素分の含有量に依存し
ていないことが明らかである。すなわち、発生したＮＯ
ｘを低減する機能に違いがある。

この機能を調べるために、チャーに着目し、リサイクル
チャーの形態を電子顕微鏡を用いて観察した。

第２図〜第７図にリサイクルチャーの形態の電子顕微鏡
写真を示す。

第２図はエベネザ炭リサイクルチャーの顕微鏡写真（Ｘ
ｌ　００）を、第３図はエペネザ炭リサイクルチャーの
顕微鏡写真（ｘ６００）を、第４図はエンジャム炭リサ
イクルチャーの顕微鏡写真（Ｘ１００）を、第５図は同
エンジャム炭リサイクルチャーの顕微鏡写真（ｘ６ｏｏ
）を、第６図はカングラ炭リサイクルチャーの顕微鏡写
真（Ｘ１００）を第７図は同カングラ炭リサイクルチャ
ーの顕微鏡写真（ｘ６ｏｏンを示す。

電子顕微鏡写真（第２図〜第７図）によると、エベネザ
炭チャーは直径５０〜１００μｍ程度の比較的大きな細
孔が多く、細孔のめき万もしつかジろいており、細孔も
非常に良く発達している。この特徴から細孔が大きいた
めチャーの表面積が小さく触媒効果は小さいが、細孔は
良く発達しているので反応性はよいことがわかる。

エンジャム炭は、２３〜１００μの小さな細孔が多く、
また細孔の数も多い。また、細孔のあき方もしつかりし
ており、かつ非常に良く発達している。したがって、表
面積が大きく触媒効果が期待でき、また、反応性にも富
んでいる。

カングラ炭チャーは２．３〜１０μｍの小さな細孔が多
く、数も多い。しかし細孔のあき方は“くぼみ“のよう
で不十分で未発達の細孔であるとｂえる。したがって、
表面積は大きく触媒効果は期待できるが、反応性は良く
ないと思われる。

また、３炭極のリサイクルチャーの比表面積を測定した
結果を表２に示す。

これは、Ｎ、吸着法（ＢＥＴ−点法）により測定したも
のである。

表　　２ 以上のように、エンジャム炭、力／グラ炭は比表面積が
大きく、低ＮＯｘ触媒としての効果が大きいことがわか
る。

これら３炭種の低ＮＯｘ能を表３にまとめる。

表３ チャー形態 一万、ＳＯｘの排出は脱硫剤を使用しないと、ｍｓ記の
表のように１００　ｐｐｍを超える値となるが、脱５Ｔ
４　Ｍ’Ｊとして石灰石を流動床内に投入することによ
り、Ａ程度の値まで低減できる。１例としてエンジャム
炭で脱硫剤を使用して、Ｂｏｘ２５　ｐｐｍという結果
を得た。従って、ＮＯＸ　。

ＳＯｘの排出値の必要な程度により、最適な炭種を選ぶ
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明は上述のような内部循環流動床ボイラで最適な炭
種を使用することによって、必要な低ＮＯｘ排出特性及
び低ＳＯｘ排出特性を得られるといつ効果を生じた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる内部循環流動床ボイラの一例
を示す概略図を示し、第２図はエペネザ炭リサイクルチ
ャーの形態を示す顕微鏡写真（Ｘｌ［）０）を、第３図
は同チャーの形態を示す顕微鏡写真（Ｘ６００）を、第
４図はエンジャム炭リサイクルチャーの形態を示す顕徹
鏡写−１ｌｃ（ｘｌｏｏ）を、第５図は同チャーの形態
を示す顕微鏡写真（Ｘ６００）を、第６図はカングラ炭
リサイクルチャーの形態を示す顕微鏡写真（Ｘ１００）
を、第７図は同チャーの形態を示す顕微鏡写真（Ｘ（５
００）である。 １・・・ボイラ、２−・分散板、４・・・熱回収部、５
・・・伝熱管、？・・・サイクロン、１２．１５．１４
・・・空気室 特肝出願人 同

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流動床ボイラの流動床部を主燃焼室と熱回収室に仕
   切で区分し、主燃焼室下部には、流動媒体に大きな流動
   化速度を与える空気室と、小さな流動化速度を与える空
   気室の少なくとも２種類の空気室を備えており、これら
   の空気室から噴出される異なる空気の流動化速度の組合
   せにより主燃焼室内の流動媒体に旋回循環流を形成した
   内部循環流動床ボイラにおいて、脱硫剤を特に添加せず
   に、燃料として石炭を燃焼せしめることを特徴とする排
   ガス中のＮＯｘを低減する方法。 ２、請求項１記載のボイラにおいて、脱硫剤を特に添加
   せずに、燃料として燃料比１．５〜３．５窒素含有量２
   ．０重量％（無水、無灰ベースで）以下、硫黄含有量０
   ．４重量％（無水ベースで）以下の石炭を燃焼せしめる
   ことを特徴とする排ガス中のＮＯｘ排出値を５０ｐｐｍ
   以下（Ｏ＿２６％換算）、ＳＯｘ排出値を１５０ｐｐｍ
   以下（Ｏ＿２　６％換算）に低減する方法。 ３、請求項１記載のボイラにおいて、脱硫剤を特に添加
   せずに、燃料比０．８〜１．５未満で窒素含有量１．６
   重量％（無水、無灰ベースで）以下、硫黄含有量０．４
   ６重量％（無水ベースで）以下の石炭を燃焼せしめるこ
   とを特徴とする排ガス中のＮＯｘ排出値を１００ｐｐｍ
   以下（Ｏ＿２　６％換算）、ＳＯｘ排出値を２００ｐｐ
   ｍ以下（Ｏ＿２　６％換算）に低減する方法。 ４、請求項１記載のボイラにおいて、脱硫剤を特に添加
   せずに、燃料比３．５〜７．０、窒素含有量２．５重量
   ％（無水ベースで）以下、硫黄含有量１．０重量％（無
   水物ベースで）以下の石炭を燃焼せしめることを特徴と
   する排ガス中のＮＯｘ排出値５０ｐｐｍ以下（Ｏ＿２　
   ６％換算）、ＳＯｘ排出値を５００ｐｐｍ以下（Ｏ＿２
   　６％換算）に低減する方法。