JPS587883B2 - ボイラ用燃料燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料燃焼装置、特にＮＯｘ．の発生をほぼ完
全に防止できるようにした燃料燃焼装置に関する。

燃料を燃焼して熱を発生する装置（いわゆるボイラー）
では、従来より燃料として石炭や重油・原油等、また燃
焼用気体として空気を使用してきた。

ところがこれらのボイラーにおいては燃焼排ガスの中に
主としてＮＯより成る窒素酸化物が形成され、これが俗
にＮＯｘと称され大気汚染物質の一つであることが明ら
かになり、公害防止のためこのＮＯｘの低減が強く求め
られている。

このＮＯｘは燃料中の窒素分が酸化されて発生するいわ
ゆるフユーエルＮＯｘと燃焼用空気中の窒素ガスが酸化
されて発生するいわゆるサーマルＮＯｘとに分けられる
。

一般にサーマルＮＯｘはフユーエルＮＯｘの数倍といわ
れているが、ＮＯｘ低減のためにはこの両者を共に低減
することが重要である。

フユーエルＮＯｘについては燃料中のＮ分を減らすこと
によって低減できる。

通常、重油には０．２〜０．３重量％のＮ分が含まれて
いるが、ナフサ等の軽質油では通常Ｎ分は０．１％以下
でありフユーエルＮＯｘは相蟲少くなる。

更に天然ガスの場合はＮ分は０．０５％以下と極く微量
であり、かつ油や石炭等のように酸化反応を起し易い原
子状のＮとしてではなく、分子状のＮ２ガスとして含ま
れるため事実上ＮＯｘは皆無である。

一方サーマルＮＯｘについては空気中には７９容積％の
Ｎ２が含まれるわけであるから、燃焼方法の改善により
多少の低減は可能であるが、燃焼用気体として空気を使
用する限り必ずサーマルＮＯｘが発生し、ＮＯｘの低減
にも限度がある。

即ち二段燃焼法や再循環ガス混合法によりある程度ＮＯ
ｘの低減は可能であるが、あまりにこの方式を進めると
ＮＯｘの発生は低減できるものの燃焼不良や未燃分の発
生等が生じ、新たな問題が派生してくることになる。

このため現状ではボイラ排ガス中のＮＯｘは約５ ０
ｐｐｍ程度が限界といわれている。

そこで本発明は、燃料として天然ガスを使用することに
よりフユーエルＮＯｘの発生を極少にし、かつ燃焼用気
体として酸素と燃焼排ガスの混合気を使用することによ
りサーマルＮＯｘを零にし、結局ＮＯｘの発生をほぼ完
全に防止できるようにした燃料燃焼装置を提供しようと
するものである。

また日本の場合天然ガスの産出が非常に少いため殆んど
が液化天然ガス（ＬＮＧ）の形で海外から輸入されてい
る。

しかるにこの−１６２℃というＬＮＧの低温が現実には
殆んど有効に使われずろすみす大気に捨てられる。

したがって本発明では、この液化天然ガスの低温を空気
から燃焼用気体の酸素を製造するのに有効利用しようと
するものである。

そのため、本発明は、低温液化天然ガスと空気とを熱交
換する熱交換器を備えた液化天然ガス気化装置、前記熱
交換されて低温となった空気を液化して酸素と窒素とを
分離する液化分離装置、前記液化酸素を気化する気化装
置、および気化された前記液化天然ガスと前記酸素およ
び窒素を含まない燃焼排ガスとの混合気とを供給して燃
焼するバーナ装置とからなることを特徴とする液化天然
ガス燃料燃焼装置を提供することを目的とする。

以下本発明を添付図面に例示したその好適な実施例によ
り詳述する。

まず第１図は従来型ボイラにおけるＮＯｘの発生状況を
示すもので、全ＮＯｘは燃焼中Ｎ分によるフユーエルＮ
Ｏｘ（ａ）と空気中Ｎ分によるサーマルＮＯｘ（ｂ）と
の合計であり、従って全ＮＯｘを零にするためには燃料
中のＮ分を零にし、かつ燃焼用気体中のＮ分も取除く必
要があることを示している。

第２図はＬＮＧ ， ０２ ，Ｎ２の沸点の関係および
熱の授受を示すもので、本発明によると純粋酸素の製造
に際し、ＬＮＧの低温の利用及び発生した液体酸素の低
温をカスケード式に利用することにより、従来のように
機械的仕事（圧縮及び膨脹）に頼っていた場合に比べ格
段に必要エネルギーを節減できることを示している。

即ち−１６２℃のＬＮＧが持つ気化潜熱及び顕熱の利用
、更に空気より酸素を分離するため一旦液体酸素を製造
するが、ボイラには気体として使用するため、この液体
酸素の潜熱及び顕熱は再び回収できることを示している
。

次に第３図によりその具体的な装置について説明する。

第３図は本発明装置の全体の系統を示す図であり、本発
明は、この図に示すように、大略Ａ，Ｂ，ＣおよびＤの
４つの主要部分より成っている。

Ａは受入れた液化天然ガス（以下ＬＮＧと呼ぶ）をボイ
ラ燃料として使用するための液化天然ガス気化装置、Ｂ
は大気を液化させて酸素を取り出す液化分離装置、Ｃは
液化された酸素を気化する酸素気化装置、Ｄは燃焼設備
（バーナ）、蒸気発生設備（ボイラ）および純粋酸素に
ボイラ排ガスを混合する設備等を含んだ大きな意味での
バーナ装置を示す。

まず燃料のＬＮＧは天然ガス産地で液化され、ＬＮＧ船
１等の運搬設備により受入地まで輸送されＬＮＧ気化装
置ＡのＬＮＧタンク２に貯蔵される。

受入れられたＬＮＧは移送ポンプ３によってボイラヘ送
られるが、ボイラでは液体のＬＮＧとしてではなく気体
の天然ガスとして使用するためベーパライザ４によって
気化される。

このベーパライザの高温側流体さしては従来では大気と
か海水とかが使用されていたが、必ずしもＬＮＧの有す
る“超低温″という特性が充分に活用されていなかった
。

そこで本発明ではこの高温側流体を例えばヘリウムやフ
ロン系ガスその他のような比較的低温でも固化または液
化しない液体または気体とし、この流体を後述する大気
冷却用の冷却媒体として使用するようにしてある。

ベーパライザ４によって気化された天然ガスはコンプレ
ツサ５によって昇圧され、バーナ装置Ｄに送られるとと
もに都市ガス等としても使用できる。

バーナ装置Ｄに送られた天然ガスは、まず減圧弁６によ
り適当な圧力まで減圧され、さらに流量調整弁７によっ
てボイラの燃料流量を制御しつつバーナ８へ送られる。

バーナ８より噴出された天然ガスは、後述する酸素また
は酸素と窒素以外の気体との混合物を燃焼用気体として
燃焼する。

次に酸素の製造工程について説明すると、まず液化分離
装置Ｂにおいて、大気中よりコンプレツサ１１により吸
引された空気は冷却器１２および１３により低温まで冷
却される。

このとき、冷却器１２においては、ＬＮＧ気化装置Ａの
ベーパライザ４で高温側流体として使用した流体を冷却
媒体として使用し、冷却器１２でこの流体と空気との熱
交換を行なうようにしてある。

この冷却媒体（ベーパライザ４で高温側流体）はポンプ
１８を介して想像線で示す管路１８′を循環するように
してある。

また冷却器１３では後述する酸素用のベーパライザ２１
の高温側流体を冷却媒体として使用してある。

この流体は冷却器１２の冷却媒体と同様例えばヘリウム
やフロン系ガスその他とすることができ、ポンプ１７に
よって管路１７′を循環するようにしてある。

なお、これら冷却器１２および１３においては中間の熱
交換媒体を使用することなく直接ＬＮＧおよび液体酸素
と熱交換するようにすることもでき、この方が熱効率も
よい。

冷却器１３を出た空気はさらに機械的な冷却器１４によ
り酸素が液化するまで冷却される。

酸素を液化された空気は次に酸素分離器１５によって液
体酸素を分離され、残りの空気はさらに冷却器１６によ
って冷却され窒素カス（Ｎ２）その他の分離抽出を行な
うことができる。

酸素分離器１５によって分離された液体酸素は酸素気化
装置Ｃに送られる。

酸素気化装置Ｃは移送ポンプ２０とベーパライザ２１と
から成り、移送ポンプ２０によって送られた液体酸素は
ベーパライザ２１で上述の冷却器１３用の冷却媒体を成
す流体を高温側流体として熱交換され気化される３気化
された酸素は混合器２２で他の不活性ガスと混合し適当
な組成、流量および温度を持つ気体として送風機２５で
送気管２６を経由してボイラのバーナ風箱９へ送られ、
燃料である天然ガスと混合され燃焼する。

この際燃料中にも燃焼用気体中にも窒素分は全く含まれ
ないのでＮＯｘの発生は皆無となる。

なおこの混合用の不活性ガスとしてはボイラ排ガスを再
循環ガスファン２４を用いて再循環させて用いる。

２３は排ガス混合量調整用ダンパである。

ボイラの排ガス組成は、このように不活性ガスとして再
循環ガスを用いるので、純粋に水分（Ｈ２０）と炭酸ガ
ス（ ＣＯ２）のみより成る。

Ｈ２０およびＣ０２ガスは不輝炎ふく射能の高いいわゆ
る不透明ガスであるのでボイラの伝熱面における熱伝達
率は大巾に向上し、伝熱面積の低減をはかることができ
る。

参照番号１０はボイラの出口に設けた造水装置である。

ボイラ排ガスは冷却流体によって冷却され露点に達して
水分を生成し、このようにして排ガス中のＨ２０が回収
される。

このＨ２０は不純物の非常に少い高純度の純水であり、
他方面に有効に利用しうる（適当な処理を行えば飲料水
としても可である。

）またボイラ排ガスには硫黄酸化物（ＳＯｘ）や窒素酸
化物（ＮＯｘ）を全く含まぬのでとの造水装置は腐食の
問題が非常に少い。

またこの水分を除去した排ガス中にはＣＯ。

のみが残るのでこのボイラは大量の炭酸ガス製造設備と
もなり、酸素製造設備の低温と組合せればドライアイス
等も極めて容易に製造できる。

以上から明らかなように、本発明装置によると、従来装
置に比して次のような直接的な効果および付随的な効果
を奏することができる。

（１）燃料としてＮ分を含まない天然ガスを、燃焼用気
体としてＮ２ガスを全く含まぬガスを使用するのでフユ
ーエルＮＯｘ、サーマルＮＯＸ 共に零であり、ＮＯｘ
の発生を事実上零にできる。

（２）燃料が天然ガスであるので硫黄酸化物（ＳＯｘ）
やばいじんの発生は皆無であり、従って大気汚染物質は
何ら発生することがない。

（３）現在のＬＮＧ焚では−１６２℃という超低温が有
効に使われていない。

ボイラの燃焼用気体として酸素を使用する場合通常６０
０，０００ＫＷの火力発電プラントに必要な酸素を製造
するためには約１１０，０００ＫＷの電力が必要である
。

しかるに本プラントでは酸素は気体として使用されるの
で液体酸素の低温をカスケード式に再び酸素製造に利用
が可能であり、かつＬＮＧの低温を利用すると必要動力
を約５０％（約５５，０００ＫＷ）低減することが可能
である。

また酸素を取出した空気を更に冷却すると窒素の製造が
可能であり、大量の窒素を取得することができる。

（４）ボイラの排ガス主成分がＣＯ２とＨ２０という不
輝炎ふく射能の非常に高いいわゆる不透明ガスとなり、
ボイラ伝熱面の熱伝達率が大巾に上昇し、必要伝熱面積
を３０％以上低減することができる。

従ってボイラの製造費も大巾に低下する。

（５）ボイラの送気及び排気中にＮ２ガスを含まぬため
、押込通風機の容量および所要動力は約１／５に減少す
る。

また風道、煙道、煙突等も％容量のものでよく、設備費
や敷地面積を大巾に低減できる。

（６）排ガスがＨ２０とＣＯ２より成るためボイラ出口
煙道に造水装置を設置すると大量の高純度の水が取得で
きる。

例えば６００，０００ＭＷの発電プラントでは１日に約
５，０ ０ ０ Ｔｏｎの純水が得？れる。

（造水装置の冷却水としては海水を使用してもよいし、
また淡水を利用するとこの淡水を地域冷暖房用の熱源と
して使うこともできる。

）（７） Ｈ２０を除いた排ガスはＣＯのみを含むの
で、ボイラ即ちＣＯ２製造プラントともなる。

このＣＯ２を前述のＬＮＧまたは液体酸素の低温で冷や
すと簡単に大量のドライアイスを得ることができる。

６００，０００ＭＷの発電プラントの場合１日に約７，
０ ０ ０ ＴｏｎのＣＯ２を得ることができる。

（８）上述のように本方式を採用すると狭い敷地におい
て低廉なボイラが建設でき、その排ガス中にはＮＯｘ，
ＳＯＸ，ばいじん等の大気汚染物質を全く含まず、かつ
大量の純水や炭酸ガスを取得できる非常に無駄のない無
公害プラントが得られる。

また酸素製造時の副産物として大量の窒素ガスを得るこ
とができる。

（９）混合気は酸素だけでなく窒素を含まない燃焼排ガ
スを包含するので、バーナ口の燃焼温度が極端に高くな
らず、ノズルの焼損が生じない。

（１０）ボイラが加圧通風式の場合バーナ風箱およびダ
クトからのリークが予想されバーナ廻りには電気品や高
温の配管、弁類も多く、酸素だけを導入したのでは爆発
のおそれがあるが、窒素を含まない燃焼排ガスが混入し
てあればそのような危険性は全くなくなる。

■ 酸素だけでは流体のモーメンタムが小さくノズルか
ら噴射された燃料を炉内で充分に拡散燃焼できないが、
本発明の場合にはこのような欠点がない。

？お、参考までに上述の本発明装置による効果の説明の
部分で示した具体的な数値の算出根拠を示すと次のとお
りである。

６００，０００ＭＷ天然ガス焚ボイラの場合天然ガス消
費量 １２７，６８０Ｎ→用（１０ ６．８ ８ ０
ｋｇ／Ｈ） （燃料天然ガス比重量−０．８ ３ ７１ ｋｇ／Ｎｍ
”）燃焼用必要酸素量 ３０５，９００Ｎｍ／Ｈ（４
３ ７，０ ００ｋｇ／Ｈ ） （燃焼用必要空気量
１，９ ０ ０，０ ０ ０ ｋｇ／Ｈ ）９８％純
度の酸素を製造するための必要動力０． ３ ５ ＫＷ
／ＮｍＯ （冷凍機械工学ハンドブック，内田秀雄編，
Ｐ．５７３） 従って上記酸素を得るための必要動力は ０．３ ５×３ ０ ５，９０ ０＝１０ ７，０ ６
５ＫＷ／Ｈ２０℃の空気から−１８３℃の空気を得る
ために必要な熱量 Ｑ， ＝ １，９００，０ ０ ０ｋｇ／Ｈ×０．２４
Ｋｃａ ｌ／ｋｇ× （ ２０−（−１８３）） 一９２，５６８，０００Ｋｃａｌ／Ｈ 更に−１８３℃の液体酸素を得るためにはＱ２＝５１×
４３７，０００＝２２．２８７，０００Ｋｃａｌ／Ｈ結
局必要熱量は Ｑｒｅｑ．＝Ｑ＋Ｑ２＝ １１４，８５５，０００Ｋｃ
ａｌ／Ｈしかるにここで得られた液体酸素はボイラで燃
焼用気体として使用するため再び常温迄気化して用いる
から、 Ｑ３＝５１×４３７，０００＋４３７，０００×０．２
２×｛２０−（−１８３）｝ ＝２２，２８７，０００＋１９，５１６，０００＝４
Ｌ８ ０ ３，０ ０ ０Ｋｃａ ｌ／Ｈの熱量が回収
できる。

従って正味必要熱量は、 Ｑｒｅｑ’． ＝Ｑｒｅｑ． −Ｑ３ ＝１ １４，８
５５，０ ００−４− １．，８ ０ ３，０ ０ ０ 一７ ３，０ ５ ２，０ ０ ０Ｋｃａ Ｉ ／Ｈと
なる。

一方、温度のＬＮＧが−１６２℃の液体から２０℃の天
然ガスになるために吸収しうる熱量は、Ｑａｖａｉ ｌ
．−｛２０−（−１６２） ｝×０．５２×０ ６，８
８０十８３×１０６，８８０＝１０，１１５，０００＋
８，８７１，０００＝１．８，９８６，０００従って本
方式の場合、節減可能なエネルギーは、従って約５０％
の節減が可能である。

またボイラ排ガス中のＨ２０及びＣＯ２は水分量 Ｈ２
０ ＝ ２．１０ ８４Ｈ２ ０ ／Ａ’７Ｆｕｅ
Ｉ刈０ ６，８ ８ ０ｋｇ／Ｈ ＝２２５，３００〜／Ｈ 一５，４ ０ ７，０ ０ ０ ｋ（ｊ／ ｄ ａｙ炭
酸ガス量Ｃ ０２＝ ２．７ ３ ５ ｋｇＨ２０／ｋ
Ｖ Ｆｕｅ １？ ］． ０ ６，８ ０ ０ｋｙ／Ｉ
｛＝ ２ ９ ２，３ ０ ０ ｋＶ／Ｈ ＝ ７，０１６，０ ０ ０ｋｇ／ ｄａｙ（備考）
計算に使用したＬＮＧ組成（ｖｏｌ．％）ＣＨ４
８８．８３ Ｃ２Ｈ６ ５．５７ Ｃ３Ｈ８ ３．７１ Ｃ４Ｈ１ｏ１．７ ８ Ｃ５Ｈ１ ０、１１ 以上本発明をその具体例について詳述したが、本発明は
この特定の実施例に限定されるものではなく、本発明の
精神を逸脱しないで幾多の変化変形がなし得ることはも
ちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来型ボイラにおけるＮＯｘの発生状況を示す
グラフ、第２図はＬＮＧ，０２，Ｎ２の沸点の関係およ
び熱の授受を示すグラフ、第３図は本発明による装置の
１実施例の全体的な系統図である。 Ａ・・・・・・液化天然ガス気化装置、Ｂ・・・・・・
液化分離装置、Ｃ・・・・・・酸素気化装置、Ｄ・・・
・・・バーナ装置、１・・・・・・ＬＮＧ船、２・・・
・・・ＬＮＧタンク、３・・・・・・移送ポンプ、４・
・・・・・ベーパライザ、５・・・・・・コンプレツサ
、６・・・・・・減圧弁、７・・・・・・流量調整弁、
８・・・・・・バーナ、９・・・・・・風箱、１０・・
・・・・造水装置、１１・・・・・・コンプレツサ、１
２，１３，１４・・・・・・冷却器、１５・・・・・・
酸素分離器、１６・・・・・・冷却器、１７，１８・・
・・・・ポンプ、１７’，１Ｂ’・・・・・・管路、２
０・・・・・・移送ポンプ、２１・・・・・・ベーパラ
イザ、２２・・・・・・混合器、２３・・・・・・ダン
パ、２４・・・・・・再循環ガスファン、２５・・・・
・・送風機、２６・・・・・・送気管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 低温液化天然ガスと空気とを熱交換する熱交換器を
   備えた液化天然ガス気化装置、前記熱交換されて低温と
   なった空気を液化して酸素と窒素とを分離する液化分離
   装置、前記液化酸素を気化する気化装置、および気化さ
   れた前記液化天然ガスと前記酸素および窒素を含まない
   燃焼排ガスとの混合気とを供給して燃焼するバーナ装置
   とからなることを特徴とするボイラ用燃料燃焼装置。