JPH0618610B2 - 煙道ガス中のNOx減少方法 - Google Patents

煙道ガス中のNOx減少方法

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JPH0618610B2
JPH0618610B2 JP62503215A JP50321587A JPH0618610B2 JP H0618610 B2 JPH0618610 B2 JP H0618610B2 JP 62503215 A JP62503215 A JP 62503215A JP 50321587 A JP50321587 A JP 50321587A JP H0618610 B2 JPH0618610 B2 JP H0618610B2
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cyclone
nox
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は燃焼装置からの煙道ガス中窒素酸化物水準を下
げることに係るものであり、より特別には、上記燃焼装
置中で好ましい反応条件が得られるような場所に組み込
まれているサイクロン分離機中に還元剤を導入すること
で、NOx水準の減少を達成しようとするものである。
発明の背景 本発明は、実際上すべての燃料、例えば固型燃料、スラ
ッジ、気体燃料または類似の燃焼を燃焼させる際に発生
する煙道ガス中の窒素酸化物を低下させる方法に係るも
のである。しかしながら、本発明は特に改良された流動
床燃焼方式を与えるものであり、ここでは流出する煙突
ガスを現在の環境基準に合致するよう経済的に管理する
ことができる。
燃料の流動床燃焼は、よく知られている実用的な方法で
ある。典型的には、空気がプレナム(plenum)を通って導
入され、プレナムでは、空気が分散格子を通ることで分
散される。燃料流動粒子および吸収剤、例えば石灰石ま
たは白雲石粒子が、通常の場合760−927℃(14
00−1700゜F)の温度範囲で炉内において流動し反
応する。この温度は、通常の炉で実施されている温度よ
りも本質的に低くなっている。この温度範囲は、優れた
燃料完全燃焼を達成できる他に、燃焼室中で硫黄酸化物
と吸収剤を反応させるのにもまた適当である。かくし
て、硫黄含有燃料からの硫黄酸化物排出を実際上減少す
ることができ、石灰石の添加によっても、比較的硫黄含
量の高い石炭の燃焼においても環境汚染を減少できる。
窒素酸化物は、すべての燃料を燃焼させる時に発生し、
空気中の窒素が熱で酸化物として固定されたり、燃料中
の窒素が変換したりして生成する。前者の反応は高温が
好適であり、(約982℃(1800゜F)以上)、一方
で後者の反応は、より低い温度、例えば、一般に流動床
燃焼系で見出される温度が非常に重要である。窒素酸化
物が光化学スモッグの生成に関係しており、低暴露レベ
ル(NOxのTLVが5ppmである)で毒性でありうるの
で、燃焼系から排出されるNOxを最小限にすることが関
心事として拡がりつつある。
米国特許第3,900,554号においては、871−
1093℃(1,600−2,000゜F)の温度範囲に
ある間に、排気流中にアンモニアを投入することによっ
て、通常の炉から発生した排出ガスから窒素酸化物を非
接触反応的に除去することが、開示されている。ヨーロ
ッパ特許出願公告番号第176,293号は、また、遠
心分離機に入る前の排気ガス流にNH3を投入することでN
Oxをコントロールすることを開示している。特許第4,
335,084号は、更により高い温度を開示してい
る。多くの別の特許では、触媒と一緒にアンモニアを使
用することが窒素酸化物を減少するのに効果があること
を開示している。低温度(例えば、121−499℃
(250−930゜F))を利用しているこれらの特許の
若干例には、米国特許第3,887,683号(活性炭
触媒)、第4,056,660号(V2O5/Mn2O3触媒)、
第4,010,238号(各種遷移金属触媒)、第4,
002,723(貴金属触媒)、第4,049,777
号(CrO触媒)、第4,031,185(銅−ハロゲニ
ド触媒)および第4,070,440号(アルファFe2O
3触媒)等が含まれている。
この他の別の数件の米国特許、例えば、第3,894,
141号および第3,867,507号は、窒素酸化物
を減少するのに、アンモニアよりも寧ろ炭化水素を使用
していることを開示している。更にほかの米国特許、例
えば、第4,325,924号および第4,208,3
86号は、NOx排出の減少のために尿素を使用してお
り、第4,154,803号および第4,507,26
9号は、別のアンモニア前駆物質を開示している。他の
米国特許、例えば、米国特許第4,119,702号お
よび第4,115,515号は、システムの作業性を改
良するために水素、オゾンおよび過酸化水素等の添加物
を使用している。
米国特許第4,218,427号は、粉体化石炭の流動
床を、約400−700℃の温度で使用することを開示
している。米国特許第4,181,705号は、アンモ
ニアまたはアンモニア生成前駆物質を直接的に炉の流動
床燃焼領域に投入することを開示している。米国特許第
3,929,967号は、NOxおよびSOxを含む煙道ガス
の処理方法を開示しており、先ず第一にSOxの量を低減
するために排出ガスをガス状アンモニアと接触させるの
に、好ましくは約371−427℃(700−800゜
F)の温度で、含まれている三酸化硫黄の全量と実際上
反応するのに十分量のガス状アンモニアを使用すること
で、期待どおり反応がSOxを変換して亜硫酸アンモニウ
ム塩および重硫酸アンモニウム塩の生成となり、この反
応に続いて生成した大量の固体生成物が機械的分離機例
えばサイクロン分離機で除去され、続いて高温静電集じ
ん機で処理される。次にアンモニアは、固体酸化硫黄ア
ンモニウム塩から回収される。
他に多くの別の方法が、当業技術において先ず第一に二
酸化硫黄除去のために示されており、例えば米国特許第
4,369,167号は、石灰水溶液の使用を教えてお
り、ここではまた、適当な洗浄媒体、例えば重クロム酸
塩溶液を使用して特にNOxを除去する第二ガス洗浄器を
含むことができるとしている。勿論、SOxを減少させる
ために燃焼室自身に石灰石を投入することも、良く知ら
れていることである。また煙道ガスの処理用にアンモニ
アを、特に一定の温度で、使用するので、アンモニアお
よび水との反応によって硫酸アンモニウムが生成し、SO
3の除去ができる、従ってアンモニアまたはアンモニア
前駆物質の使用が、またSOxレベルを低減させるのに効
果があるということは、また知られているところであ
る。
発明の要旨 NOx減少方法の有効な実施における一つの臨界パラメー
タは、還元剤と燃焼生成物の煙道ガスとの良好な混合を
達成することであることを見出した。別には、SOxコン
トロールに使用した石灰石または燃成された石灰石(Ca
O)による触媒作用で、還元剤と酸素からの好ましくない
副反応が起るのを避けねばならないことも、見出した。
高温度サイクロン分離機または類似機を使用することに
よって、および熱サイクロン中の特別な場所において流
体中に還元剤を投入することによって、NOx還元剤と燃
焼生成物の煙道ガスとの極めて有効な混合が、石灰石お
よびCaO等の粒子がそこから分離された後で、達成され
るということも見出されている。高温サイクロン分離機
は、耐火材で、ライニングされていることができ、また
は、その外表面をジャケットに水、水蒸気または空気を
循環して冷却することによって、熱条件において操作す
るのに適しているようにすることができる。還元剤およ
び工程条件に応じて、還元剤はキャリアーガスと一緒に
かまたはキャリア−ガスなしで投入することができる。
このキャリアーガスは、水蒸気、窒素、煙道ガス、すべ
ての不活性ガスまたは、これらの組み合わせから成るこ
とができる。サイクロン内における投入口または投入口
類の位置は、工程条件および使用されるNOx還元剤によ
って、多かれ少なかれ決められている。投入口の位置を
選択する時の考慮されるべき工程条件には、ガス流温
度、煙道ガス組成、負荷調整、還元剤または還元剤類の
タイプ、および特に粒状負荷体の量等が含まれている。
高温サイクロン分離機の使用は、著しく還元剤の投入を
簡単にしており、特に現在使用されている多くの投入配
置が非常に複雑になっている装置と比較として比べれ
ば、簡単になっていることが明らかである。
一つの好ましい具体例においては、本発明は、流動床燃
焼系の一部として組み込まれており、ここで燃料が燃焼
される流動床は、灰分、硫黄捕集用吸収剤、即ち石灰石
および類似品を含んでいて、760−982℃(140
0−1800゜F)の温度範囲で煙道ガス流を生成してい
る。窒素酸化物の除去は効果的であり、ガス洗浄装置を
付け加えることなしに有効に達成されている。本発明
は、またすべての炉システムにおいて使用することがで
き、例えば粉状炭またはストーカーまたはオイル燃焼装
置であって、NOx放出が最小限にされなければならない
場合に使用することができる。サイクロン(またはサイ
クロン類)は、煙道ガスが一般的に若干量の熱を一定の
一次対流表面に与えるが、しかし煙道ガスが次にサイク
ロンまたは他の高渦巻き装置を通る時にも適当な温度に
留っており、このサイクロンでは燃焼生成物煙道ガス
(同伴された粒子がそこから分離された後で)と、投入
された還元剤または還元剤類との間で非常に効果的な混
合が起るように配列されている。煙道ガスは次にそれが
そらされた別の対流圏領域にまたは更に熱交換が起るこ
とができる他の対流圏に再復帰することができる。
図面の簡単な説明 第1図は、標準的な燃料燃焼システムの模式的な図面を
示しており、これは、一般的に、請求されている本発明
が使用されることのできる多くの燃焼システムの一つを
表わしており、燃焼炉に連結されているダクトが対流部
分に導かれ、この対流部分にはサイクロンへの迂回路が
含まれ、次に究極的に煙突に導かれて煙突を通って大気
中に排出される。
第2図は、サイクロン分離機の頂蓋にある好ましい投入
位置を示す上部の図面であり、ここでは多くの投入口が
サイクロンの頂蓋を通って放射状のゼロ速度帯付近の位
置まで延びており、サイクロン内壁と中央ガス出口ダク
トのシリンダー壁との間のほぼ中間的に位置している。
第3図は、第2図の3−3線にそって一般的に採られた
垂直断面図であり、サイクロン分離機の1つの形式での
一般的に好ましい投入装置の配置を示している。
第4図は、大量のCaSO4を同伴している流体用のNOx除去
システムの模式的説明図であり、ここにNOx還元剤、例
えば、尿素粒子がサイクロン中に供給されるが、この尿
素は任意に若干の固体物質、例えば酸化ニッケルまたは
他の触媒を含むことができる。これらの粒子はサイクロ
ン底部から回収され、その1部が、ガス輸送媒体を使う
気体輸送パイプを通ってサイクロン入口ダクトに循環返
送されるので、ここでも存在する吸収剤が更に反応する
機会を有している。
第5図は、他のとるべき具体例の模式図であって、循環
流動床燃焼システムを組み合わせ、ここでは若干の熱移
動が一般的に燃焼路全体を通して起っており、それに続
いて全流体がサイクロンの方へ流れ、サイクロンは順番
に対流部分に結合し、この対流部分から袋状物または類
似物を通って煙突に導かれる。
第6図は、第5図配置で示された例に似ている別のサイ
クロン分離機の垂直断面図であり、NOx還元剤の投入の
ための好ましい位置を示している。
好ましい具体例の詳細な説明 アンモニアまたはアンモニアを遊離する前駆物質または
若干の他の類似還元剤を、熱燃焼生成物ガス流中でNOx
を還元する目的で使用する技術が、温度に敏感であり、
ガス流の全体的な組成および、最も重要な点としては、
還元剤と、石灰、石灰石またはSOxの減少のために使わ
れている類似物粒子物質との間のすべての接触を最小に
している間に、投入される還元剤とガス流のNOx成分と
の間で速やかで緊密な接触を得ることに敏感である、等
を既に見出した。後者の目的は、投入される還元剤と急
速に動くガス流との迅速で緊密な混合を高温サイクロン
分離機方法の領域中で達成することで得られ、このサイ
クロン分離機では強い渦巻きが存在しており、ここでガ
ス流から粒子物質を実際的に分離することが既に完成さ
れていること等が見出されている。耐火物ライニングさ
れたサイクロン分離機または、その金属製本体壁を許容
温度範囲内に維持して、高熱に続いて暴露されることか
ら招来される潜在的な構造的悪化を避けるために設計さ
れた外部冷却ジャケットを備えている、より標準的なサ
イクロン分離機も使用できる。
以下でより詳細に検討されるように、処理されるべきガ
ス流は、すべての型式の炉で炭素系燃料を燃焼するのに
空気を使用する炉から発生する燃焼生成物ガス流である
ことができ、この炭素系燃料は窒素酸化物および/また
は硫黄酸化物を含む燃焼生成物を発生させることがあ
り、これら窒素酸化物および硫黄酸化物は、一般的に全
世界中の諸国で一定の最小排出基準が維持されなければ
ならないように規制されている。更に以下で説明される
ように、適当な還元剤が、窒素酸化物水準を低下させて
特定標準に適合するように効果的な化学反応を起すよう
に適当な位置でガス流中に投入される。第2図および第
3図は使用可能でありそして高温度操作に適合している
サイクロン分離機11を図示している。サイクロン分離
機11は、右側の旋回断面図の上部ボデーシリンダー1
3を含んでおり、このボデーシリンダー13が中空錐台
形状のボデーコーン15の上に載っており、このボデー
コーン15の下端が粒子の出口17につながっている。
ボデーシリンダー内の中央に出口ダクト19が配置され
ており、これもまた旋回断面図で示されており、その直
径は、シリンダーの内径の約30%と約80%の間に等
し。一般的に出口ダクト19は、ボデーシリンダー13
と同軸になっており、好ましくはサイクロン中に現実的
な距離で、例えば数フィート下方に延びていて、これに
よって環状の入口領域21を作っており、この中に流入
ガス流が導かれる。燃焼生成物ガス流は、適当な温度で
入口ダクト23を通って供給され、つなぎ部分25に到
達する、このつなぎ部分はダクトからの出口及びサイク
ロン11への入口を構成する。このようなつなぎ部分は
大概のサイクロンに対して僅かに断面積が小さくなって
いるが、同一面積であることもできる。
第2図に最もよく見られるように、ガス流は粒子と一緒
に環状領域21の中へ接線方向で入り、そこで直ちに外
壁に隣接した領域の方向に外側へ強制され、大部分のガ
ス分が環状スペースの内部で強い渦巻き運動を作って、
出口ダクト19の外表面にそって一般的には下方へのら
せん状降下をする。サイクロンからの唯一のガス出口
が、出口ダクト19の内側を上昇するようになっている
ので、第二の渦巻きは第一の渦巻きの内側で展開されガ
スは上方へらせん状でダクトの内面を上昇する。勿論、
サイクロン分離機の第1の目的は、粒子物質がその慣性
値によって直ちにボデーシリンダー13の部分の外壁方
向へ外側に動きつつ起り得るような形で下部の出口17
に到達できるようにすることである。サイクロン11
は、垂直位置と同じように水平位置でもよく操作できる
が、集積した粒子を排除するのに困難があることと、こ
のような粒子が通常水平方向にある出口を閉塞する傾向
があることから、第1図に示されているような垂直方向
のサイクロンが選ばれるのが好ましい。同様に、サイク
ロン11は、ブロアーまたは別の大規模ガス移動装置の
吸引側に配置しても、加圧側に配置しても同じようによ
く作動する。
サイクロン11を高温度使用に適合させるためには、ボ
デーシリンダー部分13の円筒壁の全内表面に高温度絶
縁物層27を備えさせるのが好ましい。下部のボデーコ
ーン部分15も、またこのような高温度絶縁物を備える
のが好ましい。適当な耐摩耗性の耐火煉瓦材料の内張り
層が使用でき、または起り得るであろう高温度に耐え得
る適当な耐火絶縁材料、例えばアルミナ−シリカ繊維で
できているフェルト状材料が使用できる。サイクロン1
1が操作される温度および出口ダクト19の材料である
金属に応じて、その外表面および出来得ればその内表面
もまた熱絶縁材で断熱することもできるし、断熱しない
場合もある。しかしながら、出口ダクト19は負荷−保
持部分でないから、絶縁剤は用いられることが少ない
か、またはある場合には絶縁材が全く必要でない。サイ
クロンボデー部分13の内部表面を絶縁材被覆する替り
に、その外部表面を適切な方法で冷却することができ、
例えば外側を囲む冷却ジャケットを備えて、このジャケ
ットに比較的冷たい液体またはガス冷却剤を、サイクロ
ン構造壁における最高温度を希望する温度に維持できる
ように、流し続ける。水、空気、水蒸気またはこれらの
混合物が、高温操作用のこれらサイクロンに適用できる
好適な冷却剤の例である。
使用される還元剤または還元剤類は、1個または1個以
上の投入口31を使ってガス流中に投入され(図面で示
されているのは、同角度に配置された4個の投入口31
a−31dである)、これらの投入口の数は、使用され
るサイクロンの形式に応じて一般的に決められることと
なろう。もし下方に現実的な距離で延びている出口ダク
トが使用されないならば、投入口31dまたは投入口3
1dおよび31cは、NH3の「逸流(slippage)」、即ちN
H3が反応しないで直接サイクロン出口ダクトにバイパス
して逃げて仕舞い無効になるような一般的に望ましくな
い現象を避けるために、好ましくは除かれることにな
る。投入口のすべては、好ましくは適当な計量装置34
を備えた適切な供給ライン33によって供給される。同
様に、単一サイクロンのみが図示されているけれども、
全体的な装置の形式が、1個または複数のサイクロンが
使用されるようになるかどうかを決めることになろう。
過去においては、屡々かなり大規模のサイクロンを建設
するのが現実的に多かったが、最近では複数のより小口
径のサイクロン使用の傾向となってきており、これら複
数の小口径サイクロンが並列で運転されて、各サイクロ
ンが入口ガス流ヘッダーに連結され、出口流を1個の出
口多岐管から戻すようにしている。
投入位置は、ある程度の制限内で変えることができ十分
に満足できる操作性を得ている。好ましくは、投入口3
1は、還元剤を環状領域21中に環状領域の上部境界に
近い位置または一般的に近いといえる数個所で投入でき
るように位置している。一定のガス流還元剤を、環状領
域の僅かに下の位置で渦巻流中に投入することも行なわ
れるが、効率が若干下がるようである。還元剤を投入す
る最も効果的な配置の一つは、ガス流が瞬間的に非常に
低速の放射状外方速度となる所、慣習的にはゼロ速度帯
と称される所であることが、見出されている。このよう
な位置へ適切な投入が行なわれれば、その結果として迅
速で完全な混合が達成されることが、見出されている。
投入は、サイクロンの頂蓋を通って、または環状領域2
1の境界を決めている垂直壁を通って、好ましくはその
上部部分の近くで、例えば適当な投入口がボデーシリン
ダー13の上部領域をその頂蓋近くで普通に水平的に貫
通するような位置で、その投入口をささえることによっ
て、行なわれる。投入口は出口ダクト19を通って外側
へ貫通して環状領域に入る様に設置することも考えられ
る。しかしながら、このような位置は、恐らく出口ダク
トの周辺部にそってより多くの投入口を必要とすること
になろう。より好ましくは、複数の投入口31がサイク
ロンの頂蓋で支持されており、比較的同一角度で環状領
域に配置されている。第2図で最もよくみられるよう
に、4個の投入口は、90°間隔で配置されており、ま
たは2個が180°離れて配置することができる。図示
されている投入口は、出口ダクト19の外部表面とボデ
ーシリンダー13の内部表面との間のおおよそ中間に放
射状に位置しており、かくして切線方向に入る高温度ガ
ス流の径路内で比較的直角に位置している。
上述のような投入は、ガス流がらせん状に下降する強い
渦巻き状態で流れるので、強力で迅速なガス混合になる
ことが、見出されている。全体として、投入は、ガス流
が環状領域21に入った後、少なくとも約0.1秒以内
に開始されなければならない。ガス流によって運ばれる
粒子が実際上遠心力によって放射状に外側に移動する結
果としてガス流から分離されて仕舞った点で放射状ゼロ
速度帯中またはその付近に投入がなされることによっ
て、還元剤は非常に急速にガス流全体中に広がり、かく
して還元剤が局部的にポケット状態で存在することが避
けられ、これによって例えばアンモニアと酸素または三
酸化硫黄との間の反応が回避される。これらの反応は、
目的とする最終結果を達成するためには望ましくないも
のである。石灰石からのCaOおよび石灰石は、特にNH3+O
2→NOx+H2Oの反応を効果的に接触反応させる触媒であ
り、従って石灰が存在する領域へNH3を投入することは
避けねばならず、そうでないと処理そのものが重大な逆
効果となる。本質的には、このような方法でのアンモニ
アまたはアンモニア前駆体の投入は、サイクロンの中心
部で「アンモニアカーテン」を形成するものと信じら
れ、これによってNOxの逸散が防止され、一方で明らか
にNH3、O2およびCaOの同時に接触することが最小限にさ
れるので、従ってアンモニアによる望ましい化学反応が
起り、NOxは窒素ガスと水蒸気になることが、実際上確
認されている。例えば、NH3モル/NOxモル比を約3/1か
ら5/1のモル比でアンモニアを投入することによって、
燃焼生成物ガス流中のNOx量を70%以上低減すること
が達成できることが見出された。普通には、少なくとも
約0.5/1の比が用いられる。
前述で示されているように、炭素質系製品の燃焼から出
る煙道ガス流中の窒素酸化物(NOx)含量を低下させる還
元剤の使用は、よく知られている。発電所、工業用炉、
焼却炉おおび類似設備が、NOxの有意の寄与者となって
おり、このNOxは一般的にはNOの形になっており、これ
は炭素質形燃料とよりは寧ろ火焔中に存在する大気の窒
素と結合する酸素に由来するものであり、窒素固定(nit
rogen fixation)と称されている反応であることがよく
知られている。燃料中に有機窒素化合物が存在すると、
燃料が燃焼する時にNOをまた生成する。高温度では、窒
素酸化物の大部分がNOの形で存在し、唯僅かに少量のNO
とより高い酸化物が少量あるが、一方で低温度では、平
衡状態からNOが大気中酸素と反応してNO2を生成する。
硫黄化合物は、通常酸素と反応して二酸化硫黄を生成す
る。しかしながら、また若干量の三酸化硫黄と少量の更
に高度の硫黄酸化物も生成する。石炭、ガス、石油、頁
岩油、泥炭、褐炭およびその他の廃棄物類は、種々量の
有機窒素化合物と含硫化合物を有している。
煙道ガス中のNO水準を下げるのに用いられる多くの既知
NOx還元剤があり、これらのすべてが、関係する温度範
囲で有効に作用する本発明の一部として使用することが
できる。本発明は約800゜F以上の温度で操作できるよ
うに計画されており、そして本方法が通常殆ど大気圧で
実施されるので、圧を条件として考えておらず、炉また
は燃焼炉の必要に合致して十分に燃焼生成物を排除でき
る必要圧力で十分である。換言すれば、第一の関心事は
炉または燃焼炉を熱を希望する比率で、例えば電力発生
用、工業用熱源その他類似の必要熱を生成するために運
転することであり、そして還元方法は、炉が正常に運転
されるように最大運転率と最小運転率の間で効果的に操
作できるように簡単に設計されている。好ましくは、各
工程は649℃(1200゜F)以上及び約1093℃
(2000゜F)までで操作され、通常はNOx還元方法は
約760℃(1400゜F)と約1038℃(1900゜
F)の間で流動床ボイラーからの熱燃焼生成物ガス流と
組み合わされ運転され、現在の環境庁基準内のNOx水準
を達成することができる。
上記の温度範囲内では、好ましいNOx還元剤は、アンモ
ニアおよびアンモニア前駆物質である。アンモニア前駆
物質の中には、炭酸アンモニウム、蟻酸アンモニウム、
蓚酸アンモニウムおよび尿素が含まれており、特に尿素
はこの利用方法の目的のためには、アンモニア前駆物質
であると考えられている。アンモニアは、ガス状で使用
することもできるし、水溶液としても使用することがで
き、前駆物質の水溶液もまた使用することができる。尿
素が直接NOと反応するのか/または初めに解離してアン
モニアとなり、そのアンモニアが次に化学反応に関与す
るのか、いずれが正しいのかは不明であるが、最終的な
結果は同様であって分子状窒素と水蒸気を生成するの
で、この理由によって、尿素はアンモニア前駆物質と称
されている。尿素は、好ましくは噴霧状液体の液滴形状
で使用され、例えば水溶液の形で使用される。
使用される還元剤の量は、燃焼生成物ガス流中における
ガスの組成および最終的に大気中に排出される煙道ガス
中の適合できる希望水準とに依存している。大体におい
て、燃焼炉から出るガス流中でNOxモル当たりで約0.
2モルと約10モルの間のNOx還元剤の量が、使用され
ることが予測される。例えば、ある地方の環境基準に合
致させるためには、最終ガス流のNOx含量を100ppm
(100万分率)以下に下げるのが必要である。このよ
うな場合であるならば、より基準が緩やかな例えば15
0ppmまたは200ppmであるのに比べて、初期NOx含量
が同じである燃焼生成ガス流の処理と仮定して、より多
くのNOx還元剤が使用されることになろう。
更に、アンモニアまたはアンモニア前駆物質がNOx還元
剤として使用される時には、ガス流の酸素含量を制御す
るような考慮が成されなければならないが、これはNH3
がO2と反応する潜在的可能性がり、この反応によって余
分にNOが生成するために好ましくない。この特に好まし
くない反応の反応速度は、例えば816℃(1500
°)から927℃(1700゜F)の好ましい温度範囲に
おいては、望ましいHN3とNO間の反応よりも特に好まし
くない反応を触媒作用を及ぼすことが見出されているCa
Oの存在が避けられている限り、かなり遅い反応であ
り、そしてかくして粒子が実際上分離されてしまった後
の時点で、還元剤を迅速かつ完全に全燃料生成物ガス流
中に分散することができれば、望ましい反応が優先する
ことが見出されている。しかしながら、酸素の潜在的な
影響のすべてを最小限にするためには、サイクロンに入
る酸素ガス流を10容量パーセントより多くしないよう
に制御するのが好ましい。このような方法での制御は、
燃焼が大気中酸素を用いて行なわれる流動床燃焼ボイラ
ーを使用して効果的に実施することができ、酸素含量
は、十分な燃焼と熱伝達を達成しながらこの制限内によ
く維持することができる。
第1図は、石炭燃焼ボイラーまたは類似の燃焼装置を離
れた燃焼生成物ガス流中のNOxを低減させるのに適応し
た典型的な全装置の一例を図示している。ボイラーが描
かれており、そこでは粒状炭が燃焼炉35内で燃焼され
て、約760℃(1400゜F)から約1538℃(28
00゜F)の範囲であり得る温度を有する発生燃焼生成物
流を生成する。このガス流は、燃焼炉35の頂上から出
て導管37を通って対流部分39に入り、ここで熱の大
部分が熱ガスから抜き取られて蒸気発生また類似の利用
に当てられる。各種の熱伝達構成部分を、対流部分内に
設けることができ、例えばエコノマイザイー41が、横
切って延びている熱伝達構成部分43の直上に位置して
おり、この熱伝達構成部分43は多数の平行する熱交換
管を含んでおり、これらの熱交換管が対流部分39内で
の下降ガス流を遮ってほぼ水平方向に、第2図および第
3図でより詳細に図示されている形式の分離機11の方
へ導くダクト23中に煙道ガスの殆ど全部を分岐させて
いる。NOx還元剤は、4個の投入口31を通じて投入さ
れ、この4個の投入口はサイクロンの頂蓋を通って下向
きに突き出ており環状領域21の近くに均一に、それぞ
れがお互いに90°間隔で配置されている。
処理された煙道ガスは、出口ダクト19を通って上方に
出て環状導管47に入り、この導管47がガス流を対流
部分39の分岐熱交換構成部分43の直下の位置に戻
し、そこからガス流は遂に主として最終的な放出温度ま
で低下する熱交換部分49,51を通って下向きに通過
する。この点で、ガス流は側方放出導管53を通って出
る。放出導管53はガス流をファン54を経て、直接排
出用の煙突に通じて大気中に、またはガス流の組成に応
じて最終的にそこで、スクラバーまたはバッグフィルタ
ーまたは静電集塵機の様な粒子処理装置を経て導くこと
ができる。高温度サイクロン11中の煙道ガスから分離
してくる粒子固体は、重力で落下し、下部の出口17を
通って、そこから適当な排出装置、例えば水冷スクリュ
ーコンベアー55等によって排出される。これに加えて
の粒子降下は、また対流部分39内でも起り、このよう
な粒子落下物は同じように下部の出口57を通って排出
される。
第4図に描かれているのが、別の具体例であり、ここで
は前述のそれと同様な装置部分が素数を付けられてい
る。燃焼炉35′からの燃焼生成物は、同じようにダク
ト37′を通って、対流部分39′に達し、この対流部
分39′は、ガス流の進路を変更させる形態の熱交換器
43′を含んでおり、更にエコノマイザー41′が対流
部分の上方に位置していても良い。似たような入口ダク
ト23′が、熱交換器43′の直上の領域から高温度サ
イクロン11′へと導いている。この別の具体例は、NO
xを還元するために固体尿素粒子或は尿素の水溶液のど
ちらかを投入する様に設計されている、投入口31′は
NOx還元剤を空気、煙道ガスまたは水蒸気を使って供給
或は噴霧状態にするのに使用される。好ましくは、供給
ライン63が、サイクロン11′中に位置している投入
口31′に水蒸気を供給する。水蒸気は、丁度計量装置
34′のすぐ下流に続いているNOx還元剤供給ライン3
3′に付属している取り巻く形の共軸管を通して供給す
ることができ、ここで投入口31′は前述と同じように
環状領域21′中に設置されている。
処理されたガス流は、同じようにサイクロン内をらせん
降下し、次に中央を上方に出口ダクト19′を通って戻
りダクト47′を経て対流部分39′に戻されて、丁度
熱交換器の直下の対流部分39′に再び入ってくる。フ
ライアッシュ、CaSO4、CaCO3、CaOおよび若干のNOx還元
剤粉末(もし使用されるならば)等を含む粒子類は、サ
イクロン運動の結果としてガス流から除去され、最終的
に下部の出口57′に道を見出す。炉からの灰分の若干
を含む分離された粒子物質は、排出時に分けられて、一
部は第1図の様にスクリュウコンベアー55′により運
ばれて排気される。残りの部分は、スクリュウコンベア
ー67を用いて循環されるが、スクリュウコンベアー6
7はこれらの粒子を空気輸送管69まで運び、この空気
輸送管がこれらの抜き取られた粒子を入口ダクト23′
に戻し、ここで粒子は別の経路を通ってサイクロンの手
前でガス流に循環される。
ガス流移動導管37′中のガスの分析、および排出導管
53′を通って大気中に排出する煙突に通じているガス
流の分析は、NOx含量およびSOx含量の両方が、還元剤の
合理的な量のみの投入によって実際上非常に低減されて
いることを示している。
第5図に描かれたものは、循環流動床ボイラーを離れる
燃焼生成物含量中のNOx水準を低下させるために設計さ
れた装置である。燃焼炉135が描かれており、この中
で粒状瀝青炭が流動床で燃焼され、約1550゜Fから約
1650゜Fの範囲の温度にある燃焼生成物ガス流を生成
する。実質的な生成熱量は燃焼炉全体で熱交換され、燃
焼炉135の上部に位置している1個の熱交換器136
によって例示されている。燃焼炉135の頂部から出る
ガス流は、シリンダー部分113の高さの半分より実際
上大きい垂直寸法を有している短いガス移動ダクト13
7を通って水平移動して、第2図および第3図でより詳
細に通常の形態的図面で示された形状のサイクロン分離
機111に流れる。NOx還元剤は、2個の投入口131
を通って投入され、投入口131はサイクロンのシリン
ダー側壁113を貫通して内側に突き出しているか、ま
たは第2図における投入口31aおよび31bの一般的
に同じ角度位置にある出口ダクトの垂直投影で決まる環
状領域121の僅かに下に入っている。
処理された煙道ガスは、出口ダクト119を通って上方
に出ていき、出口ダクト119は管状導管147中にガ
ス流を排出し、管状導管147はガス流を対流部分13
9に導き、そこからガス流は、別の熱交換器149,1
51を通って下降し、次に流動床燃焼炉に一次空気およ
び二次空気を供給している2組の空気予熱器155,1
57を通過する。これらの予熱器がガス流からガス流の
温度が実際上最終排出温度に下がるまで補足的に熱を吸
収する。この時点でガス流は、側面排出導管153を通
って排出され、ここで排出導管153はバッグフィルタ
ー154を経由し大気中に排出するための煙突に達す
る。
第6図は、全体として第5図に示されている装置に似て
いる遠分離機111′の輪郭図である。入口ダクト13
7′は、高さ「h」を有する円筒部分113′を有する
として示されている分離機の上部に導いている。中央の
出口ダクト119′は、頂部に位置しており、このダク
トが上部領域に下降して延びており、頂部の環状領域を
形成する助けをしている。図示されているように、出口
ダクト119′はサイクロン中にほぼ0.25hに等しい距
離で下降して延びている;好ましくは、出口ダクトはサ
イクロン中に約0.1hと約0.8hの間の距離で延びてい
る。2個の投入口131′が描かれており、これらは第
2図における投入口31aおよび31bのそれぞれの位
置に置かれているサイクロン入口のところで、煙道ガス
中に大量の石灰石または石灰粒子が存在する場合には、
投入口は好ましくは、サイクロンの頂部から下降して延
びて約0.1hと0.9hの間に等しい距離であり、図示され
た具体例では、この距離は約0.7hに等しい。しかしな
がら、もしガスが極めて僅かかまたは全く固体粒子を含
まないならば、その時には投入口はhを超えてエゼクタ
ーが傾斜壁まで達するまで下方に延びることができる。
また距離Lが示されているが、このLは出口ダクト11
9の外表面から垂直シリンダー側壁113′の内表面ま
での半径距離を意味している。この距離は、図示されて
いる投入口に対しては0.5Lとして示されており、前述
で示した様に投入口の好ましい距離は、約0.1Lと約0.8
Lの間である。
実例となる特殊例として、約1重量パーセントの窒素と
約3重量パーセントの硫黄を含んでいる粒径が約1/4イ
ンチまでの粒状炭が燃焼炉135において流動床の一部
として燃焼された。このような石炭が、流動床燃焼炉1
35中に流速約110,000ポンド/時間で仕込ま
れ、空気が約204℃(400゜F)の温度で、空気対石
炭の重量比が約10対1で導入された。これらの条件下
では、石炭粒子は約816℃(1500゜F)から899
℃(1650゜F)の温度を有する流動床を作りながら燃
焼する。大量の熱量が、燃焼ガスからの水蒸気発生によ
って除かれるか、または燃焼炉135内に配置された水
冷管によって除かれる。燃焼生成物ガス流は、約816
℃(1500゜F)から約899℃(1650゜F)の温度
および約6500万ACF/時間(平均立方呎/時間)
の量で、燃焼炉上端を離れる。高含硫炭の燃焼からのガ
ス移動ガクト137中でのガス分析は、NOx約160ppm
およびSOx約300ppmを示している。
熱燃焼生成物のこの流量に対応するものとして使用され
るサイクロン111は、ボデーコーン部分の上にのって
いる直径13フィートおよび高さ17フィートのボデー
シリンダーを有している。このサイクロンは炭素鋼から
作られており、その内表面が約12インチ厚さの耐腐食
性絶縁材料で熱的に絶縁されている。出口ダクト19は
共軸に位置しており、外径が約5フィートでサイクロン
の頂部から下に約3フィートの距離で突き出ており、こ
れによってその高さと約4フィートの半径寸法の環状帯
が作られ、この環状帯内で下向きの渦巻が生成する。投
入口131は、サイクロン頂蓋を絶縁している耐火材料
から下向きに約4インチ突き出ている管であり、そして
その内径は約7/8インチである。投入口管の下端は、開
口している。このような2個の管が、第2図および第3
図に示されているように、環状領域内で180°離れて
大約配置されており、出口ダクトの外表面とサイクロン
のボデーシリンダーの内部絶縁表面との間の半径方向の
中間に位置するように配置されている。両投入口131
は、適当な計量装置134を使って通常の供給ライン1
33から供給され、計量装置134は、燃焼生成物が流
動床ボイラー中で生成されつつある速度の変化に対応し
て還元剤の流速を増加または減少することができる。
ガス状アンモニアが、供給ラインを通ってサイクロン環
状領域121の上部分にある注入口131中に、アンモ
ニアの時間当り約15ポンドの速度で導入される。入っ
てくる全ガス流中に注入されたアンモニアの瞬時の拡散
は強い渦巻き流れによって促進されている強力な混合の
結果として起る。サイクロンに入ってくるガスの温度
は、約1600゜Fである。排出導管153を通って、大
気中への排出のために煙突へ流れているガスの分析値
は、NOx含量が約64ppmであることを示している。
第2の実施となる例として、約1重量パーセントの窒素
と約3重量パーセントの硫黄を含んでいる粒径が約1/4
インチまでの粒状炭が、燃焼炉153中で流動床の一部
として燃焼された。このような石炭が流動床燃焼炉13
5中に時間当り約110,000ポンドの流速で導入さ
れ、同時に約204℃(400゜F)の温度の空気が、空
気対石炭の重量比が約10対1に相当する流速で導入さ
れる。これらの条件下で、石炭粒子は約816℃(15
00゜F)と899℃(1650゜F)の間で燃焼する。粒
状石灰石CaCO3が、燃焼炉中に投入され、速やかにNO焼
されてCaOになり、ここでCaOの大部分がSOxと反応して
硫酸カルシウムを生成する。大量の熱量は、蒸気発生に
よってまたは燃焼炉135中に配置されている水冷管に
よってこの例では、約120,000ポンド/時間まで
の水蒸気発生率で燃焼ガスから奪われ、流動床温度を約
843℃(1550゜F)と880℃(1630゜F)に維
持する。燃焼生成物ガス流は、約871℃(1600゜
F)の温度及び約6500万ACF/時間の流速で、燃
焼炉の上端を離れる。ガス移動ダクト137中のガスの
分析は、約160ppmのNOxおよび約300ppmのSOxを示
している。
この量の熱燃焼生成物の流れに適合して使用されるサイ
クロン111は、ボデーコーン部分の上にのっている直
径13フィートおよび高さ17フィートのボデーシリン
ダーを有している。サイクロンは炭素鋼から作られてお
り、その内表面が約12インチ厚さの耐腐食性絶縁材料
で熱的に断熱されている。出口ダクト19は共軸に置か
れており、外径が約5フィートであって、サイクロンの
頂蓋から約3フィートの距離で下方に突き出ており、こ
れによってその高さおよび約4フィートの半径寸法の実
際上の環状帯を作っており、その環状帯の中では下向き
の渦巻が生成する。注入口131は、サイクロン頂蓋を
断熱している耐火物材料から下方に突き出ている中央の
管であって、内径が約1/4インチである。この管はその
下端において開口しており、出口ダクトの外表面とサイ
クロンのボデーシリンダーの内部の断熱表面との間の半
径方向の中間に位置するように配置されている。1個の
注入口131が、適切な計量装置134を使用して供給
されており、この計量装置134は、燃焼生成物が流動
床ボイラー中で生成されつつある速度の変化に対応し
て、還元剤の流量を増加または減少することができる。
約50重量%尿素の尿素水溶液が、約49℃120゜Fの
温度で、供給ラインを通って投入口131中に導入さ
れ、この投入口131において、冷却空気ジャケットも
備えた共軸の1/2インチ管を通って流れてくる蒸気で噴
霧状にされる。投入口はサイクロンの頂蓋を通って下方
に約6フィートの距離で延びている。尿素水溶液は、NO
x各モルにアンモニア約1モルが対応するのと等しい率
で投入される。投入口は、投入口31aに似た場所に位
置しており、入ってくる全ガス流中への蒸気噴霧化アン
モニアの瞬間的な拡散が、強力な渦巻き流れによって促
進される強力混合の結果として起る。サイクロンに入っ
てくるガスの温度は、約871℃(1600゜F)であ
る。排出導管153を通って大気中への排出のための煙
突へ到る流れのガス分析は、実際上アンモニアの逸流は
なく、O2含量は約5.8%でありNOx水準は、入ってくるガ
スのNOx水準約175ppmから約68%低減され、即ち約
56ppmまで低下していた。
噴霧化尿素水溶液が頂蓋の下約6インチのところで投入
されるように上方に上げた試験を繰返した結果では、約
1.43対1のモル比において(NOx水準約170ppmおよび
O2含量約5.4%をベースにした試験)、約62%のNOx
低減され、アンモニアの逸流は未だ認められていない。
尿素水溶液がNOx1モルに対してHN3約4モルになるよう
にモル比を上げることによって、NO3の約86%低減が
達成され、ここでNH3逸流は約10ppmでありベースとな
ったNOx負荷は175ppmである。もし燃焼炉操作がNOx
ベース負荷を約135ppmにまで下げるように変えられ
れば、同じモル比での投入でNOxは約82%低減し、ア
ンモニア逸流は約8ppmとなる。逸流は約44ppmよりも
大きくならない水準で維持されなければならず、好まし
くは約10ppm或はそれ以下である。
本発明は、この時点で発明者達が発明方法を実施するの
に最良と思われる一定の選ばれた具体例について記述し
ているが、この技術に熟練している当業者には明瞭であ
るような各種の変化および修正は、本発明の範囲から逸
脱することがない限りなすことができるものである。例
えば、単一のサイクロンを使用する代りに、多数のサイ
クロンが並列で使用することができる。サイクロンを使
用する代りに、強力な渦巻きを作り出すような装置、例
えばガス流を接線方向で、ほぼ円形または楕円形の断面
積を有する密閉缶に導入することで渦巻きができる装置
を使用することができる。投入口は、粘度が下がり、固
体が沈殿するのを避けるために、予熱液体溶液を投入す
るのが好ましい。蒸気を組み合わせることによって、投
入口は粒径が約500ミクロンよりも大きくない微細液
滴または粗液滴を形成している。本発明の諸特徴は、こ
れに続く請求の範囲において強調されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 テスファイ,アスファハ アメリカ合衆国.92126 カリフォルニア, サンディエゴ,バッフィン ドライヴ 10095 (72)発明者 エンクシュトレーム,フォルケ フィンランド.48600 カルーラ,カウニ スマエンク 5 (56)参考文献 特開 昭58−167487(JP,A) 実公 昭60−36331(JP,Y2)

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】熱ガス状燃焼生成物流を、NOx含量を少な
    くとも部分的にN2に変換することによって低減させる化
    学反応を効果的に起す還元剤と、接触させ、上記還元剤
    が蒸気状態でかまたは気化し得る形態のアンモニア、ア
    ンモニア前駆物質またはこれらの混合物である、NOx含
    量を低減することによるガス状燃焼生成物を精製する方
    法に於て、その改良が上記ガス流を少なくとも約760℃
    (1400゜F)の温度で強力な渦巻き発生装置を通し、そして
    上記還元剤を直ちに上記渦巻き発生装置に入った後の上
    記ガス流に導入することを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】上記還元剤が上記ガス流に上記ガス流のNO
    x含量を200ppmよりも多くないところまで引下げるに十
    分な量で導入することを特徴とする請求の範囲第1項記
    載の方法。
  3. 【請求項3】上記導入が、上記還元剤の高温度サイクロ
    ン分離機装置中に放射状にゼロ速度帯であるところへ投
    入することにより行なわれるものであって、そのゼロ速
    度帯が上記サイクロン分離装置の外部境界から内側の半
    径内に位置しているものであり、これによって上記還元
    剤が上記ガス流中に急速に分散しその後で上記サイクロ
    ン分離装置内でらせん運動となることを特徴とする請求
    の範囲第1項記載の方法。
  4. 【請求項4】上記ガス流中への上記投入が複数点で継続
    して行なわれ、その複数点の各々は、出口ダクトから外
    側へ放射状にある円周上にあるか、またはサイクロン分
    離装置の上部環状領域の内部境界を作っている垂直方向
    での各点にあるかであり、上記円周が約0.1Lと0.8L、こ
    こでLは上記環状領域の半径幅である、の間の距離に等
    しい点にあることを特徴とする請求の範囲第3項記載の
    方法。
  5. 【請求項5】上記円周が約0.5Lの位置にあることを特徴
    とする請求の範囲第4項に記載の方法。
  6. 【請求項6】上記還元剤が、NOxモル当りで還元剤の約
    0.2モルと約10モルの間の量で導入されることを特徴と
    する請求の範囲第3項記載の方法。
  7. 【請求項7】NOx還元剤の水溶液が水蒸気によって噴霧
    化されることを特徴とする請求の範囲第2項記載の方
    法。
  8. 【請求項8】上記NOx還元剤が、約760℃(144゜F)と約103
    8℃(1900゜F)の間の温度で上記ガス流中に導入されるこ
    とを特徴とする請求の範囲第2項記載の方法。
  9. 【請求項9】上記還元剤が、上記ガス流中のO2含量が前
    容量の10%より多くない構成である上記ガス流中に導入
    させることを特徴とする請求の範囲第8項記載の方法。
  10. 【請求項10】尿素水溶液が水蒸気を使って導入され、
    噴霧化されることを特徴とする請求の範囲第9項記載の
    方法。
  11. 【請求項11】還元剤と接触させることによつて、その
    NOx含量を減少させるガス状燃焼生成物を生成するシス
    テムに於て、そのシステムが少なくとも約760℃(1400゜
    F)の温度のガス状燃焼生成物流を運ぶ導管装置、上記ガ
    ス流の渦巻きを発生するために上記導管装置からの出口
    に連結されている高温度サイクロン分離装置、および還
    元剤を直ちに上記渦巻き発生サイクロン分離装置に入っ
    た後の上記ガス流に導入する投入装置を含むことを特徴
    とする装置。
  12. 【請求項12】上記渦巻き発生装置がサイクロン分離機
    であり、上記投入装置が上記還元剤をサイクロン分離機
    の外側境界から内側放射状に本質的にゼロ速度帯に導入
    することであり、これによって還元剤がガス流中に急速
    に分散し、その後でらせん降下することを特徴とする請
    求の範囲第11項記載の装置。
  13. 【請求項13】上記渦巻き発生装置がボディーシリンダ
    ー部分および通常円形断面積である内部出口ダクトを含
    んでいるサイクン分離装置であり、上記投入装置がそれ
    が上記還元剤を上記出口ダクトと上記ボデーシリンダー
    部分との間の環状領域中に上記ボデーシリンダー部分の
    表面の実施的に内側で半径方向の位置にある環状領域に
    投入する場所にあることを特徴とする請求の範囲第11項
    記載の装置。
  14. 【請求項14】上記投入が、上記サイクロン分離装置の
    上部境界表面を通っての複数点で行なわれることを特徴
    とする請求の範囲第13項記載の装置。
  15. 【請求項15】上記投入装置が、上記サイクロン分離装
    置の垂直シリンダー側壁を通って上記サイクロン垂直シ
    リンダー部分の内側高さの上部から10%のところから上
    部から80%のところまでの間の位置で内側に突出してい
    ることを特徴とする請求の範囲第13項記載の装置。
  16. 【請求項16】上記投入装置が、粒径約500ミクロンよ
    り大きくない液滴の形状で液体を投入するように設計さ
    れていることを特徴とする請求の範囲第11項記載の装
    置。
  17. 【請求項17】上記投入装置が、上記NOx還元剤を尿素
    の水溶液の形で上記サイクロン分離装置に導入するよう
    に設計されていることを特徴とする請求の範囲第11項記
    載の装置。
  18. 【請求項18】上記投入装置が、上記還元剤をガス流
    に、約0.1Lと約0.8L、ここでLは上記出口ダクトと上記
    ボデーシリンダー壁との間の半径距離ある、の間の位置
    で投入することを特徴とする請求の範囲第11項記載の装
    置。
  19. 【請求項19】上記投入装置が、上記NOx、還元剤を上
    記サイクロン分離装置に、約0.1hと約0.9h、ここでhは
    上記ボデーシリンダー部分の垂直寸法である、の間に等
    しい垂直位置において投入することを特徴とする請求の
    範囲第13項記載の装置。
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