JPH05504825A - 燃焼方法 - 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】 燃焼方法 技術分野 本発明は窒素含有又は硫黄及び窒素含有燃料を燃焼する方法に関する。特に、本 発明は好ましくないガス状窒素化合物類（例えばＮｏ、）の放出を最小にする燃 料の燃焼方法に関する。

背景技術 化石燃料の従来法での燃焼中に、これら燃料に化学的に結合している窒素と硫黄 は夫々ＮＯｘ及びＳＯ。

に酸化されろことは知られている。更に燃焼空気中の窒素の高温酸化によりＮＯ ｘが生成する。これら機構の内、第一の機構で（即ち燃料結合窒素から）もたら されるＮＯ８は「燃料Ｎｏ、Ｊと呼ばれ、一方第二の機構で（即ち燃焼空気の窒 素から）もたらされるものは「熱的Ｎｏ□」と呼ばれる。過剰の空気中で化石燃 料を燃焼する際の燃料ＮＯ８の生成を防止するために、従来技術において多くの 努力が払われてきた。もしこれら酸性ガス、ＮＯ８及びＳＯ，、が大気に放出さ れたら、これらは大気中の湿気に吸収されその後酸性雨として大地に降る。

米国特許第４，４２７，３６２号（ディヶマ）及び第４，５２３，５３２号（モ リアーティ他）は、燃焼中に燃料ＮＯｘ及び燃料ＮＯ□と８０８との組み合わせ の夫々の放出を実質的に減少させる燃焼方法を教示しており、これら両者の内容 は参考として本文に組み入れる。これら両特許では、実質的にすべての燃料結合 窒素を無害の分子状窒素（Ｎ２）に変換する為に、特定の酸素／燃料化学量論的 割合及び温度を設定した燃焼方法を教示する。更にモリアーティ他は、ディケマ の教示する燃料ＮＯｘ放出の制御に加えて、ｓ０８の放圧を制御するために追加 的（第一）燃焼域を設けることを教示する。代表的には、低Ｎｏ、／Ｓｏ、バー ナーというバーナーで燃焼する間にこれら空気汚染物質は同時に制御される。

このようにディケマ及びモリアーティ他の両者は、低水準の燃料Ｎｏっがこの低 ＮＯ工／Ｓ０８バーナーから出るようになる燃焼方法を教示する。しかし、この 低Ｎｏ、／Ｓｏ、バーナーは炭素及び水素の燃焼をバーナー中で十分に完結させ る設計ではなくて、望ましい空気汚染制御を達成するのに必要な水準で留める設 計である。その結果バーナーから出て、その後代表的にはボイラーに入る燃焼生 成物は、まだ燃料過剰燃焼の生成物である。そのガスは高濃度の一酸化炭素及び 水素を含み、同伴粒子はまだ幾らかの未燃焼炭素を含む。これら燃料の構成要素 は、最大量の熱を放出するように、最低のエネルギー状態にまで酸化されねばな らない。

従って高温及び／又は過剰空気などでの燃焼域を少なくとも一つその後に設けて 、炭化水素の燃焼を完結させねばならない。ディケマ及びモリアーティ他は過剰 空気の残りすべてを工程の直後に（即ち低ＮＯ工／Ｓ０８バーナーの出口で）噴 射することを教示する。

これによって最終燃焼域での高温及び空気過剰の組み合わせが達成される。可燃 性のガス及び固体は好都合にこの域で燃焼を完結する。しかしこの最終燃焼域で かなりの濃度の熱的ＮＯｘが発生する可能性もある。

このため、従来技術の方法には最終的な燃料の燃焼が完結する際に「新たな」熱 的Ｎｏ工が発生することを最少にするか又は実質的に無くする手段を備えていな いという欠点があるように見える。

発明の開示 本発明の目的は、燃焼の完結に際して、ＮＯｘ特に熱的Ｎ　Ｏ、の放出が減少又 は実質的に無くなる燃料の新規な燃焼方法を提供することにある。

従って最も広くいえば、本発明は窒素含有又は硫黄及び窒素含有燃料の燃焼方法 を提供し、ここに燃料の燃焼は段階的な酸素（好ましくは空気の形での）噴射を 少なくとも二つの燃焼域に分けて行なう。第一の燃焼域では化学的に燃料に結合 している窒素（即ち燃料結合窒素）を実質的に窒素分子に転換する化学量論的に 燃料過剰の状態を与えるとを含む。第二（最終）燃焼域は少なくとも二段階を含 む。

最終燃焼域の第一段階では、第一燃焼域からの燃焼生成物を化学量論的に燃料過 剰の状態、好ましくは酸素−燃料の化学量論的割合が約０．８から約１．０で約 ２２００に以下の温度、のもとで更に燃焼させる。

最終燃焼域の第二段階では、第一段階からの燃焼生成物を酸素／燃料の化学量論 的割合が約１．０以上で約１５００に以下の温度のもとで燃焼させる。この域で 燃料の燃焼は完結するが新たな熱的ＮＯｘの生成は実質的に防がれる。

この二段階の最終燃焼域を設けることは、また多（の燃焼系において最終的なＮ ０８制御に著しい利点を与えることが見出された。即ち本発明の二段階最終燃焼 域は以下に記すように、より汎用の単一段階（空気過剰）燃焼域を用いる多くの 従来技術のＮＯｘ制御燃焼法にも利用できると考えられる。

図面の簡単な説明 本発明の態様を添付の図面を参照して説明する。図面は燃焼温度対酸素／燃料の 化学量論的割合を示し、定量平衡ＮＯ工の線が多数台まれている。

発明を実施するための最良の形態 この明細書で使用する「燃料過剰燃焼生成物」と言う語は一酸化炭素、水素、Ｎ Ｈｓ　、ＨＣＮ、Ｈｚ　Ｓ及び未燃焼炭化水素ガスなどの還元されている化合物 の一つ以上並びにこれらの通常の酸化物を大きな濃度で含む燃焼ガスを言う。ま た「化学量論的に燃料過剰」と言う語は酸素／燃料の化学量論的割合が１．０未 満を言う。

本発明の好ましい態様は、窒素含有撚料の燃焼方法において、次の工程を含む： （ａ）燃料を第一燃焼域に導入する工程、（ｂ）燃料を第一燃焼域中で化学量論 的に燃料過剰の状態と温度のもとに、燃料過剰燃焼生成物が生成して好ましくな い窒素化合物が低水準に減らされるように燃焼する工程、 （ｃ）これら燃料過剰燃焼生成物を二段階最終燃焼域に送る工程、 （ｄ）燃焼生成物を最終燃焼域の第一段階中で、化学量論的に燃料過剰の状態と 約２２００に未満の温度のもとに燃焼する工程、及び １　（ｅ）その後、第一段階からの燃焼生成物を最終燃焼域の第二段階中で、酸 素／燃料の化学量論的割合が約１．０以上で約１５００に未満の温度のもとに燃 焼する工程。

本発明のこの態様において、第一燃焼域は本質的に燃料ＮＯｘ制御域である。こ の第一燃焼域において好ましくない窒素化合物（例えばＮＯえ、Ｎ　Ｈｓ及びＨ ＣＮ）が無害の窒素原子へ転換するのを助長する分散粒状物質を加えることが望 ましい。適当な粒状物質の非限定的例としては、硫化カルシウム、酸化カルシウ ム、硫化鉄、酸化鉄及びこれらの混合物がある。第一燃焼域の化学量論的に燃料 過剰の状態は、好ましくは酸素／燃料の化学量論的割合が約０．４５〜約０．８ ０、より好ましくは約０．５５〜約０．７０である。

第一燃焼域の温度は好ましくは約１５００Ｋから約１８００にの範囲である。

別の態様において、本発明は硫黄及び窒素含有撚料の燃焼方法を提供し、それは 次の工程を含む：（ａ）燃料を第一燃焼域に導入する工程、（ｂ）燃料を硫黄捕 獲化合物の存在下に、第一燃焼域中で化学量論的に燃料過剰の状態と温度のもと に燃料過剰ガス、固体硫黄含有フライアッシュ及びスラグなどの燃焼混合物が生 成するように燃焼する工程、（ｃ）燃焼混合物を第二燃焼域に送る工程、（ｄ） 燃焼混合物を第二燃焼域中で化学量論的に燃料過剰の状態と温度のもとに燃料過 剰ガスが生成して好ましくない窒素化合物が燃焼生成物中で低水準に減らされる ように燃焼する工程、 （ｅ）燃焼生成物を二段階最終燃焼域に送る工程、（ｆ）燃焼生成物を最終燃焼 域の第一段階中で、化学量論的に燃料過剰の状態と約２２００に未満の温度のも とに燃焼する工程、及び （ｇ）その後、燃焼生成物を最終燃焼域の第二段階中で、酸素／燃料の化学量論 的割合が約１．０以上で約１５００に未満の温度のもとに燃焼する工程。

本発明のこの態様において、第一燃焼域は本質的に硫黄捕獲又はｓｏ、ｉ＋Ｉ＠ 域であり、第二燃焼域は本質的に燃料ＮＯ０制御域である。硫黄捕獲化合物は好 ましくはカルシウム系、より好ましくはカルシウムの酸化物、水酸化物及び炭酸 塩からなる群から選ばれる。

最も好ましい硫黄捕獲化合物は炭酸カルシウム（石灰石）である。

第一燃焼域の化学量論的に燃料過剰の状態は好ましくは酸素／燃料の化学量論的 割合が約０．５０未満、より好ましくは約０．２５〜約０，４０である。第一燃 焼（即ち硫黄捕獲）域の温度は好ましくは約１２００Ｋから約１６００にの範囲 にある。第二燃焼（即ち燃料ＮＯｘ制御）域の化学量論的に燃料過剰の状態は好 ましくは酸素／燃料の化学量論的割合が約０．４５〜約０．８０、より好ましく は約０．５５〜約０．７０である。第二燃焼域の温度は好ましくは約１５００Ｋ から約１８００にの範囲である。

上記の二態様においては、好ましくは最終燃焼域の第一段階での化学量論的に燃 料過剰の状態は酸素／燃料の化学量論的割合が約０．８０〜約１．０である。

更に別の態様において、本発明は石炭の燃焼方法を提供し、それは次の工程を含 む： （ａ）粒状石炭を第一燃焼域に導入する工程。

（ｂ）石炭を硫黄捕獲化合物の存在下に、第一燃焼域中で酸素／燃料の化学量論 的割合が約０．２５〜約０．４０で温度が約１２００Ｋから約１６００にの範囲 のもとに燃料過剰ガス、スラグ及びガスに同伴する固体硫黄含有フライアッシュ などの燃焼混合物が生成するように燃焼する工程、 （ｃ）燃焼混合物を第二燃焼域に送る工程、（ｄ）燃焼混合物を第二燃焼域中で 酸素／燃料の化学量論的割合が約０．５５〜約０．７０で温度が約１５００Ｋか ら約１８００にの範囲のもとに、燃料過剰燃焼生成物が生成して好ましくない窒 素化合物が燃焼生成物中で低水準に減らされるように、燃焼する工程、（ｅ）ス ラグ及びフライアッシュの大部分を燃焼生成物から分離する工程： （ｆ）残りの燃焼生成物を二段階最終燃焼域に送る工程、 （ｇ）残りの燃焼生成物を最終燃焼域の第一段階中で酸素／燃料の化学量論的割 合が約０．８０〜約１．Ｏで約２２００に未満の温度のもとに燃焼する工程、及 び （ｈ）その後、第一段階からの燃焼生成物を最終燃焼域の第二段階中で、酸素／ 燃料の化学量論的割合が約１．０以上と約１５００に未満の温度のもとに燃焼す る工程。

この明細書で使用する特定な「酸素／燃料の化学量論」は、空気と燃料との混合 物で空気により提供される酸素の量が特定の酸素／燃料の化学量論を満たすのに 十分な量である場合も含むことを認識されたい。

この明細書中で最終燃焼域に入る燃焼生成物中の窒素化合物が低水準であるとは 、Ｎ０８水準が好ましくは約５００ｐｐｍ未満、より好ましくは約２５０ｐｐｍ 未満、最も好ましくは約１１００ｐｐ未満であることを意味すると認識されたい 。

一般的に、本発明は通常の可燃性燃料への使用に適する。このような燃料の非限 定的例は、石炭、亜炭、木材、タール及び室温で固形の石油副産物などで、これ ら燃料の二以上の混合物も使用できる。本方法で好ましく使用される燃料は石炭 である。

図面については、燃焼温度対酸素／燃料の化学量論的割合の図が定量平衡ＮＯ８ の多くの線を含めて記されている。ＮＯ８水準は、約２２００に未満で且つ化学 量論的割合が約１．１０未満では、ガス温度及び化学量論的割合の両者に対して 極めて敏感であることが図から判る。例えば、化学量論的割合が０．８５ではガ スが約１２％だけ冷却（即ち約２２４０Ｋから約１９９０にへ）されれば平衡Ｎ ｏ、水準は約５００ｐｐｍから約ｓｏｐｐｍへ減少する。

硫黄及び窒素含有燃料を燃焼する場合には、第二燃焼（燃料ＮＯｘ制御）域後の 燃焼ガス中に同伴されている生成スラグ及び固体硫黄含有フライアッシュの大部 分を除去するのが好ましい。これは適当なスラグ／フライアッシュ分離器を用い て行われる。このような分離器を用いると、熱ガスから燃料の燃焼熱の約６％が 分離器の冷却水回路で除去される。これはバーナーを出て最終燃焼域中へ（代表 的にはボイラー中へ）入る断熱ガスから約２００に冷却することに相当する。

残りの過剰酸素の約半分は、次いでバーナーを出る燃料過剰ガス中に噴射され最 終燃焼域の第一段階に入るガスの化学量論的割合を約０．８から約１．０に上昇 ＮＯｘ水準が０又は近傍である。この段階中比較的高温でほぼ化学量論的混合割 合のもとに、−酸化炭素、水素及び未燃焼炭素は殆ど「新たなＪ熱的ＮＯｘの発 生なしに実質的に燃え切る。好ましくはガスが最終燃焼域の第二段階に入る前に ガス温を１５００に未満に冷却する伝熱手段を最終燃焼域の第一段階に設ける。

最後に、第二段階で実質的に燃料を完全に燃え切らすために過剰の酸素が加えら れる。

本発明の最終二段階燃焼域の好ましい操業様式は、図に「低ＮＯ０経路」を付し て破線で示される。記載のように、最終燃焼域の第一段階には酸素／燃料の化学 量論的割合が約０．８０以上と約２２００に未満の温度が含まれる。最終燃焼域 の第二段階には酸素／燃料の化学量論的割合が約１．０以上と約１５００に未満 の温度が含まれる。

本発明の態様を下記の実施例を参照して記すが、これは発明を限定するものでは ない。

パイロット規模の低Ｎｏ、／Ｓｏ、バーナーを準備した。バーナーには第一燃焼 （即ち硫黄捕獲）及び第二燃焼（即ち燃料ＮＯｘ制御）域が含まれる。バーナー から出てい（燃焼ガスは比較的低酸素／燃料の化学量論的割合で比較的高温であ った。最終的燃焼酸素は空気の形で全量がバーナー出口で燃料過剰燃焼ガス中に 噴射された。約５．２ｍの外部水冷却裸鉄導管及びこれに続（市販廃熱ボイラー の第−経路的４．６ｍを含む模擬ボイラ一部分中で最終燃焼を完結させた。燃焼 ガスは裸鉄導管部分で約１２００Ｋに冷却した。実験結果を第１表に示す。実施 例３及び４は単に比較のためで本発明の範囲外であることを認識されたい。

表１に示すように、実施例１及び２は本発明に従って操業した方法を記す。各実 施例で酸素／燃料の化学量論的割合は第二（燃料ＮＯ□制御）燃焼域では０゜５ 以下で、最終燃焼域の第一段階で０．８〜１．０の好ましい範囲であった。これ に対して、実施例３及び４では最終燃焼域の第一段階での燃焼は酸素／燃料の化 学量論的割合が夫々１，２６及び１．３１で行われ各実施例のバーナー出口にお ける燃料ＮＯｘ濃度は比較的低かった（即ち５４から２２６ｐｐｍ）。最終燃焼 域の第一段階を燃料過剰（即ち実施例１及び２では各０．９１）で運転した場合 には追加（即ち熱的）Ｎ　Ｏｘの生成がないばかりか合計のＮｏ、（即ち燃料及 び熱的）濃度も減少した。これに対して最終燃焼域の第一段階を燃料過剰（実施 例３及び４）で運転した場合には追加の熱的Ｎ　Ｏｘが生成した。実施例４の場 合はボイラー中のＮＯｘ濃度はボイラーを出てゆ（それの殆ど３倍になった。

弱 要約書 窒素含有又は硫黄及び窒素含有燃料を燃焼する方法であって、その燃料の燃焼は 、酸素（好ましくは空気の形で）を段階的にその中に噴射することにおいて。

終）燃焼域は少なくとも二つの段階を含む。最終燃焼の化学量論的割合が約０． ８０から約１．０で約２２００Ｋ　（１９２７Ｃ１３５００Ｆ）未満の温度のも とに更に燃焼させる。最終燃焼域の第二段階中では、第一段階からの燃焼生成物 を酸素／燃料の化学量論的側で燃料の燃焼は完結するが、新たな熱的ＮＯｘの発 生は実質的に防止される。従ってこの方法は、通常燃料の燃焼が完結するに際し て生成する好ましくない窒素化合物（例えばＮｏ、）の発生を減らすために用い られよう。この方法は、燃料中の硫黄及び窒素に基づ（空気汚染物質を制御する ように設計されたバーナーからの燃料過剰ガスに用いるのに特に適する。

国際調査報告 ＩＩＩ＋−”−ＩＡ”−”’”　ＰＣＴ／ＣＡ　９１１００００４国際調査報告 国際調査報告

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．窒素含有燃料の燃焼方法で、次の工程を含む方法： （ａ）該燃料を第一燃焼域に導入する工程、（ｂ）該燃料を該第一燃焼域中で化 学量論的に燃料過剰の状態と温度のもとに、燃料過剰燃焼生成物が生成して好ま しくない窒素化合物が低水準に減らされるように、燃焼する工程、 （ｃ）該燃焼生成物を二段階最終燃焼域に送る工程、（ｄ）該燃焼生成物を該最 終燃焼域の第一段階中で、化学量論的に燃料過剰の状態と約２２００Ｋ未満の温 度のもとに燃焼する工程、及び （ｅ）その後、該燃焼生成物を該最終燃焼域の第二段階中で、酸素／燃料の化学 量論的割合が約１．０以上と約１５００Ｋ未満の温度のもとに燃焼する工程。
2. ２．好ましくない窒素化合物が窒素分子へ転換するのを助長する分散粒状物質を 該第一燃焼域に加える請求項１に記載の方法。
3. ３．該粒状物質が硫化カルシウム、酸化カルシウム、硫化鉄、酸化鉄及びこれら の混合物を含む群から選ばれる請求項２に記載の方法。
4. ４．該最終燃焼域の第一段階中の化学量論的に燃料過剰の状態が酸素／燃料の化 学量論的割合で０．８０から約１．０であることを含む請求項１に記載の方法。
5. ５．該第一燃焼域中の化学量論的に燃料過剰の状態が酸素／燃料の化学量論的割 合で約０．４５から約０．８０であることを含む請求項４に記載の方法。
6. ６．該第一燃焼域中の化学量論的に燃料過剰の状態が酸素／燃料の化学量論的割 合で約０．５５から約０．７０であることを含む請求項４に記載の方法。
7. ７．該第一燃焼域中の温度が約１５００Ｋから約１８００Ｋの範囲である請求項 ６に記載の方法。
8. ８．硫黄及び窒素含有燃料の燃焼方法で、次の工程を含む方法。 （ａ）該燃料を第一燃焼域に導入する工程、（ｂ）該燃料を硫黄捕獲化合物の存 在下に、該第一燃焼城中で化学量論的に燃料過剰の状態と温度のもとに燃料過剰 ガス、固体硫黄含有フライアツシユ及びスラグなどの燃焼混合物が生成するよう に燃焼する工程、（ｃ）該燃焼混合物を第二燃焼域に送る工程、（ｄ）該燃焼混 合物を該第二燃焼域中で化学量論的に燃料過剰の状態と温度のもとに、燃料過剰 ガスが生成して好ましくない窒素化合物が低水準に減らされるように、燃焼する 工程、 （ｅ）該燃焼生成物を二段階最終燃焼域に送る工程、（ｆ）該燃焼生成物を該最 終燃焼域の第一段階中で、化学量論的に燃料過剰の状態と約２２００Ｋ未満の温 度のもとに燃焼する工程、及び （ｇ）その後、該燃焼生成物を該最終燃焼域の第二段階中で、酸素／燃料の化学 量論的割合が約１．０以上と約１５００Ｋ未満の温度のもとに燃焼する工程。
9. ９．該最終燃焼域の第一段階中の化学量論的に燃料過剰の状態が酸素／燃料の化 学量論的割合で約０．８０から約１．０であることを含む請求項８に記載の方法 。
10. １０．該第一燃焼域中の化学量論的に燃料過剰の状態が酸素／燃料の化学量論的 割合で約０．５０未満であることを含む請求項９に記載の方法。
11. １１．該第一燃焼域中の化学量論的に燃料過剰の状態が酸素／燃料の化学量論的 割合で約０．２５から約０．４０であることを含む請求項９に記載の方法。
12. １２．該第二燃焼城中の化学量論的に燃料過剰の状態が酸素／燃料の化学量論的 割合が約０．４５から約０．８０であることを含む請求項１０に記載の方法。
13. １３．該第二燃焼域中の化学量論的に燃料過剰の状態が酸素／燃料の化学量論的 割合で約０．５５から約０．７０であることを含む請求項１１に記載の方法。
14. １４．該第一燃焼域中の温度が約１２００Ｋから約１６００Ｋの範囲である請求 項１１に記載の方法。
15. １５．該第二燃焼域中の温度が約１５００Ｋから約１８００Ｋの範囲である請求 項１３に記載の方法。
16. １６．該硫黄捕獲化合物がカルシウムの酸化物、水酸化物及び炭酸塩並びにこれ らの組み合わせを含む群から選ばれる請求項８に記載の方法。
17. １７．該燃料が石炭、亜炭、木材、タール及び石油製品及び副産物を含む群から 選ばれる請求項１又は８に記載の方法。
18. １８．該燃料が石炭である請求項１又は８に記載の方法。
19. １９．石炭の燃焼方法で、次の工程を含む方法。 （ａ）粒状石炭を第一燃焼域に導入する工程、（ｂ）該石炭を硫黄捕獲化合物の 存在下に、該第一燃焼城中で酸素／燃料の化学量論的割合が約０．２５から約０ ．４０で温度が約１２００Ｋから約１６００Ｋの範囲のもとに燃料過剰ガス、ス ラグ及び該ガスに同伴する固体硫黄含有フライアツシユなどの燃焼混合物が生成 するように燃焼する工程、 （ｃ）該燃焼混合物を第二燃焼域に送る工程、（ｄ）該燃焼混合物を該第二燃焼 域中で酸素／燃料の化学量論的割合が約０．５５から約０．７０で温度が約１５ ００Ｋから約１８００Ｋの範囲のもとに、燃料過剰燃焼生成物が生成して好まし くない窒素化合物が燃焼生成物中で低水準に減らされるように、燃焼する工程、 （ｅ）該スラグ及び該フライアツシユの大部分を燃焼生成物から分離する工程： （ｆ）残りの燃焼生成物を二段階最終燃焼域に送る工程、 （ｇ）該残りの燃焼生成物を該最終燃焼域の第一段階中で酸素／燃料の化学量論 的割合が約０．８０から約１．０で約２２００Ｋ未満の温度のもとに燃焼する工 程、及び （ｈ）その後、該第一段階からの燃焼生成物を該最終燃焼域の第二段階中で、酸 素／燃料の化学量論的割合が約１．０以上で約１５００Ｋ未満の温度のもとに燃 焼する工程。