JPS59115904A - 微粉炭の燃焼法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、微粉炭の燃焼法、特に、微粉炭の燃焼時にお
ける窒素酸化物（以下、Ｎ　Ｏｘと称する）の発生の少
ない微粉体の燃焼法に関するものである。

〔従来技術〕

化石燃料中には、炭素や水素等の成分の他に、窒素弁が
含まれている。特に石炭の場合には気体燃料や液体燃料
に比較して窒素の含有量が多い。

従って、石炭の燃焼時に発生するＮ　Ｏｘは、気体燃料
や液体燃料の燃焼時に発生するＮＯＸよりも多く、これ
を低減することが要望されている。

燃焼時に発生するＮＯｘは、サーマルＮＯｘとツユ−１
ルＮＯＸとに分類される。サーマルＮＯｘは、燃焼用空
気中の窒素が酸素によって酸化されて、生成するもので
ある。フューエルＮ　Ｏｘは燃料中の窒素弁の酸化によ
り生成するものである。

これらのＮ　Ｏｘ発生を抑止するだめの燃焼法として、
従来、燃焼用空気を多段に分割して供給する多段燃焼法
、低酸素濃度の燃焼排ガスを燃焼領域に混入する排ガス
再循環法等がある。

燃料を２段に分割供給する燃焼法には、例えば一つの燃
焼火炉に対して複数個のバーナを使用し、燃料の２段供
給燃焼を行なうものがある。この燃焼法は主バーナから
の火炎を空気比１以上にすることにより、主燃焼を行な
う工程と、ここで発生したＮ　Ｏｘを還元するために２
段目のバーナがら燃料を供給して空気比１より小なる還
元領域を形成する工程、さらに３段目のバーナがら空気
を供給して、還元領域での余剰燃料を燃焼する工程から
なるものである。

この燃焼法により　Ｎ　Ｏｘの低減が可能なことはよく
知られているが、ＮＯｘ低減効果を高めるだめには１段
目、２段目、さらに３段目バーナ間の距離を太きくシ、
各燃焼領域の区分を明瞭にする必要があるだめ、燃焼炉
が大きくなり、実用上は経済的に不利になる。まだ、実
機燃焼炉を考えた場合、燃焼炉断面積が大きく、主バー
ナからの主流と、炉壁に設置した２段目、３段目バーナ
から噴出させる燃料及び空気とを完全に混合させること
は非常に難しい。従って、炉内に燃料と空気の不均一分
布が生じ、これに伴ってＮＯｘ　濃度の不均一分布が生
じることとな９、ＮＯｘの低減効果は少なくなる。特に
、３段目バーナからの空気の混合が不良な時には、未燃
分量が増加するため、燃焼効率の低下を生じる。

また、このような欠点を補うと同時に、さらにＮＯｘ低
減効果を向上させるために、単一ノく−すにより燃料の
２段供給燃焼を行なわせる方法も提案されており、この
方法は角型セル状・く−ナを縦に複数個重ねて単一バー
ナとし燃料の２段供給燃焼を行なわせ、単一火炎内でＮ
　Ｏｘの発生及び還元を行なわせている。この方法は、
燃焼炉の大型化防止には有効であるが、未だＮ　Ｏｘ低
減効果の点では十分ではない。

すなわち、従来の低Ｎ　Ｏｘ燃焼法に共通の原理は、燃
焼火炎の温度を低下させることにより、窒素と酸素の反
応を抑制することにある。前述の二種類のＮ　Ｏｘの中
で、燃焼温度の低下によって発生を抑止できるのはサー
マルＮＯｘであり、フューエルＮ　Ｏｘの発生は燃焼温
度に対する依存性が低い。従って、火炎温度の低下を目
的とする燃焼法は、窒素弁含有量の少ない燃料からのＮ
　Ｏｘ低減には有効であるが、発生するＮ　Ｏｘの８０
％近くが、フューエルＮ　Ｏｘである微粉炭燃焼に対し
ては効果が小さい。

〔発明の目的〕

本発明はこのような問題点を除去し、効果的なＮ　Ｏｘ
の還元を可能とし、微粉体燃焼排ガス中に含有するＮ　
Ｏｘ濃度を低減することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は、石炭を一次燃料と二次燃料とに分割して供給
する微粉炭の燃焼法において、−次燃料の燃焼によって
形成される空気比１より小なる領域において、微粉炭中
の揮発性窒素化合物をＮＯｘまで酸化することなく、還
元性窒素化合物とし、この還元性窒素化合物により二次
燃料を燃焼する空気比１以上の領域で発生するＮ　Ｏｘ
を還元することを特徴とするものである。

石炭中の可燃成分は、揮発成分と固体成分とに大別でき
る。この、石炭特有の性質に従って、微粉炭の燃焼機構
は揮発分が放出される微粉炭の熱分解過程、更に熱分解
後の可燃性固体成分（以下チャーと称する）の燃焼過程
からなる。揮発成分の燃焼速度は固体成分の燃焼速度よ
シ速く、揮発成分は燃焼の初期過程で燃焼する。また、
熱分解過程では、石炭中に含有される窒素分のうち、他
の可燃分と同様に揮発、放出されるものと、チャーに残
るものとに分れる。従って、微粉炭燃焼時に発生するフ
ューエルＮ　Ｏｘは、揮発性窒素分からのＮ　Ｏｘとチ
ャー中の窒素分からのＮ　Ｏｘとに分れる。この２種類
のフューエルＮＯｘの中で、チャーからのフューエルＮ
　Ｏｘは、比較的発生量が少なく、揮発成分からのＮＯ
ｘがフューエルＮ　Ｏｘの大半を占める。

揮発性窒素分は、燃焼の初期過程及び酸素不足の燃焼領
域においてＮＨ３，ＨＣＮ等の化合物になることが知ら
れている。これらの窒素化合物は、酸素と反応してＮ　
Ｏｘになる他に、発生したＮＯｘと反応して、Ｎ０ｘｆ
窒素にする還元剤にもなり得る。この窒素化合物による
Ｎ　Ｏｘ還元反応は、Ｎ　Ｏｘとの共存系において進行
するものであり、Ｎ　Ｏｘが共存しない反応系において
は、窒素化合物の大半は酸化されてＮ　Ｏｘとなる。

従って、微粉炭燃焼時のＮ　Ｏｘの低減法としては、還
元性を有する揮発性窒素化合物とＮ　Ｏｘとを共存させ
、還元反応を起こさせてＮ　Ｏｘを窒素にする燃焼法が
有効である。即ち、ＮＯｘの前駆物質である窒素化合物
をＮ　Ｏｘの還元に利用することにより、発生したＮ　
ＯｘとＮ　Ｏｘ前駆物質の消滅を行なわせる燃焼法がＮ
　Ｏｘ低減には有効である。

本発明は、これらの原理に基づきなされたもので、例え
ば、石炭を一次燃料と二次燃料として分割して供給する
燃焼法を単一バーナーにより効率良く具現化し、低ＮＯ
Ｘを図るもので、特に、−次燃料噴出ノズルの外周同心
円上に環状の二次燃料噴出ノズルを設置した微粉炭燃焼
用バーナーを用いて、−次燃料を空気比が１よシ小なる
状態で燃焼し、二次燃料を空気比１以上で燃焼させ、し
かも、−次燃料によって形成される火炎を内炎とし、二
次燃料によって形成される火炎を外炎して燃焼させるこ
とによって、空気不足領域からの反応生成物と空気過剰
領域からの反応生成物との混合を良好として低Ｎ　Ｏｘ
燃焼を可能とするものである。また、内炎の外周を外炎
に旋回を考えることによって完全に包囲し、外炎からの
輻射熱によ′つて内炎内で進む空気不足下での微粉炭の
熱分解反応領域を長時間保持し反応を促進させるもので
ある。

すなわち、−次燃料の燃焼によって形成される空気不足
の領域において、微粉炭中の揮発性窒素化合物をＮＯｘ
Ｏｘ化することなく、ＮＨ３，ＨＣＮ等の還元性窒素化
合物にし、この還元性窒素化合物により二次燃料を燃焼
する空気過剰領域で発生するＮ　Ｏｘを還元するもので
ある。

なお、石炭はその生成過程が種々様々であるだめ、炭種
によって性質が大きく異シ、炭種によって揮発性成分が
多い、いわゆる低燃料比炭と、揮発性成分が少ない、い
わゆる高燃料比炭とに大別され、また、低燃料比炭の中
でも、揮発性窒素化合物が多く、ＮＯｘの還元に有効な
ＮＨ３等を石炭の熱分解時に多量に発生させるものと、
そうでないものとに分けられる。すなわち−次・燃料と
して用いる炭種は、よシ効果的な低ＮＯｘ燃焼を考え為
際には、どの様な炭種でも可能であるという訳ではなく
、揮発性窒素化合物を多く含み、熱分解時にＮ　Ｈ３等
Ｎ　Ｏｘの還元に有効な窒素化合物を多く発生しやすい
石炭を用いて、熱分解時に、それら窒素化合物を多量に
発生しやすい条件下で燃焼させる必要がある訳である。

第１図は３種類の石炭について雰囲気酸素濃度と石炭中
押発性Ｎ化合物のＮ　Ｈ３への転換率との関係を示すも
ので、横軸に雰囲気０２　　（％）、縦軸に転換率（％
）が示してあＩ）、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ外国炭■（オ
ーストラリア、プレアソール炭）、外国炭■（中国、大
同炭）、国内炭■（太平洋炭）である。これは任意の酸
素濃度で任意量の石炭を熱分解させ、その時に発生して
来る揮発性成分を全て採集し、その中のＮ　Ｈ３につい
て、インドフェノール法で化学分析したものである。こ
の図は各炭種とも雰囲気酸素濃度３％付近でＮＨ３の発
生量に極太値があることを示している。また、外国炭Ｉ
は、外国炭■や国内炭■に比較して、雰囲気酸素濃度３
％では約３倍のＮＨ３を発生していることがわかる。な
お、その他多くの炭種にっいて同種の実験を行ない、結
果を比較してみても外国炭Ｉ以上にＮ　Ｉ（３を発生す
る炭種はなかった。

すなわち本実験結果からは、熱分解時にＮＨ３等ＮＯｘ
の還元に有効な窒素化合物を多く発生しゃすい石炭とし
て外国炭■を用いて、がっ、熱分解時に、それら窒素化
合物を多量に発生しゃすい条件として、雰囲気酸素濃度
２〜４％として燃焼させてやれば、−次燃料として外国
炭■を用いることが低Ｎ　Ｏｘ燃焼には有効であり、燃
料二段供給式低Ｎ　Ｏｘ燃焼を行なうことができる。

第１表は、ここで用いた外国炭１１外国炭■、国内炭Ｉ
の工業分析の結果を示すもので、外国脚筒　　１　　表 ＩのＮの量は国内炭■より太きいが、この外国炭■のＮ
の量は第１表に表示されていないその他の各種の外国炭
のＮの量と比較した場合には必ずしも大きくはない。こ
のことは、単にＮの量が大きいものが良いというのでは
なく、Ｎがピリジンに代表されるようにＮＨ３を放出し
にくい形でなく、アニリンに代表されるようにＮＨ３を
放出し易い形で含むものが良いことを示している。

第２図に長炎旋回の効果を調べるためのコールドモデル
の断面図を示す。このモデルはガス導入内管１と外管２
との間に設けられている旋回発生装置３を有しており、
ガス導入配管１′から空気を流通させ、ガス導入配管２
′から窒素ガスを流通させる。次に外管２の側部に設け
られているサンプリング口群４からガスサンプリング用
注射針Ｉ”１ をそう入し、サンプリングしたガスを、ガスクロマド分
析計に導いて酸素濃度を測定した。第３図は外炎旋回の
効果を示す等酸素濃度曲線で、（ａ）は旋回発生装置を
取り付けていない場合、Φ）は旋回発生装置を取り付け
た場合で、横軸、縦軸にはそれぞれｚ／’ｒｏ、ｒ／’
ｒｏ（Ｚは内管１開口端をＯとするガス流方向の距離、
ｒは管中心からの距離、ｒｏ　は外管２の内半径）を示
している。（ａ）と（ｂ）とを比較すると、例えば、酸
素濃度１０％の領域が（＋））で示す旋回発生装置を取
り付けた場合の方が長くなっており、ガス導入配管１′
から流通させた空気がガス導入配管２′から流通させた
窒素と入口伺近ではあ捷り混合しないで、ある程度保存
された後に、混合していることがわかる。還元剤とＮＯ
ｘの発生及び両者の混合を理想的に具現化するには、還
元剤の発生領域とＮ　Ｏｘ発生領域の相互干渉を無くす
、すなわち、各反応領域での反応終了後に各領域からの
生成物を混合する必要があり、反応途中での各領域の混
合を少なくする必要がある。す々わち、各反応領域の反
応が途中の段階では、各領域の混合が少なくて、ン反応
が終了した後で初めて各反応領域での反応生成物どうし
が混合されることが好ましい。この実験結果は、そのだ
めには旋回発生装置を用いることが有効であることを示
している。

〔発明の実施例〕

第４図は本発明の微粉炭の燃焼法の一実施例を実施する
のに用いられる外炎旋回型燃料二段供給バーナの断面図
である。このバーナには、噴出ノズルとして二次燃料ノ
ズル５と、この−次燃料ノズル５の外周に位置する二次
燃料ノズル６の２つの燃料微粉炭の噴出ノズルと、二次
空気ノズル７と三次空気ノズル８と着火用燃料ノズル９
が設けられている。−次燃料、二次燃料に区分される微
粉炭は一次燃相ノズル５及び二次燃料ノズル６から噴出
されるが、二次燃料ノズル６は二次燃料ノズル５と同心
円となる環状ノズルとなっているので、−次燃料で形成
される火炎の外周を二次燃料で形成される火炎で包囲す
るようになる。また二次燃料の燃焼によって形成される
火炎に旋回流を与える手段として二次燃料ノズル６、二
次空気ノズル７、三次空気ノズル８にはそれぞれ、軸流
式の旋回流発生器（スワラ）１０，１１．１２が設けら
れている。第５図に模式的に示すように、旋回流発生器
１３によって形成された矢印のように流れる旋回流は火
炎の内部の静圧を低くする効果があるため、二次燃料混
合物の旋回が減衰し始める火炎後流イ向からバーナ先端
に向う逆向きの流れを発生し、外炎と内炎とからの生成
物の混合を促進することができる。

燃焼用空気は、微粉炭を搬送する一次空気と、二次、三
次空気に分割され、二次、三次空気はそれぞれ二次空気
ノズル７、三次空気ノズル８から噴出される。これらの
二次空気ノズル７及び三次空気ノズル８は二次燃料ノズ
ル６と同様に、−次燃料ノズル５と同心円上に設置され
た環状ノズルとなっており、二次空気ノズル７は一次燃
料ノズル５と二次燃料ノズル６との間に設置して内炎の
空気比を制御するようにし、三次空気ノズル８は二次燃
料ノズル６の外周に設置し、外炎の空気比を制御するよ
うになっている。

第６図は、このバーナを用い、１時間に２０にり小さく
、二次燃料によって形成される外炎の空気比は１以上と
して微粉炭の低Ｎ　Ｏｘ燃焼試験を行なった結果を示す
もので、横軸、縦軸には、それぞれ灰中未燃分量（％）
、排ガス中Ｎ　Ｏｘ濃度（ＩＦ）が示しである。Ｄは外
炎旋回型燃料２段供給試験を行なったもので、−次燃料
、二次燃料ともに、国内炭Ｉ又は外国炭■を用いた結果
であり、Ｅは一次燃料として外国炭Ｉ、二次燃料として
国内炭１１外国炭Ｉあるいは外国炭■を用いて同様に実
験した結果を示すもので、例えば、灰中未燃分量が５％
の時の排ガス中Ｎ０ｘａ度の値を比較してみると、Ｄで
は約１００Ｐに対して、Ｅでは約５０ｐと半減していて
、−次燃料として外国炭ｌを用いることが、低Ｎ　Ｏｘ
燃焼に非常に有効であることを・示している。

以上の如く、実施例によれば、石炭が熱分解時に発生す
る窒素化合物、特にアンモニアをＮ　Ｏｘの還元に利用
することにより、効果的にＮ　Ｏｘを還元することが出
来、微粉炭燃焼排ガス中に含有されるＮ　Ｏｘ濃度を低
減することが出来る。また、発電所等でこの微粉炭の燃
焼法を実施する場合にモアンモニア発生装置の設置は必
要なく、使用する石炭の選択によって目的の達成が可能
である。

〔発明の効果〕

本発明の微粉炭の燃焼法は、効果的なＮＯｘの還元を可
能とし、微粉体燃焼排ガス中に含有するＮＯｘ濃度を低
減することを可能とするもので、産業上の効果の犬なる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、雰囲気酸素濃度と石炭中揮発４生Ｎ（ヒ合物
のＮＨ３への転換率との関係を示す特１生図、第２図は
多久旋回の効果を調べるためのコールドモデルの断面図
、第３図は第２図のコールドモデル度曲線を外炎旋回な
しの場合と比較して示した特性線図、第４図は本発明の
微粉体の燃焼法の一実施例で用い外炎旋回型燃料二段供
給・くーナの断面図、第５図は第４図の要部の旋回流発
生器の作用を模式的に示す説明図、第６図は本発明の微
粉体の燃焼法の効果を示す特性線図である。 ５・・・−次燃料ノズル、６・・・二次燃料ノズル、７
・・・二次空気ノズル、８・・・三次空気ノズル、９・
・・着火用燃料ノズル、１０，１１．１２．１３・・・
旋回流＄ｌ　口 史 雰　囲　気　θ２　（ｙｏ） 第　２　２ 奉　３　目 Ｚ／Ｔ。 第　４　　目 ／ｌ 早　３　目 ／３ ＄１　　目 屑ナネ堺°分１　（ｚ） 日立市幸町３丁目１番１号株式 ％式％ 呉市宝町６番９号バブコック日 立株式会社呉工場内 ■出　願　人　バブコック日立株式会社東京都千代田区
大手町２丁目６ 番２号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、石炭を一次燃料と二次燃料とに分割して供給する微
   粉炭の燃焼法において、前記−次燃料の燃まで酸化する
   ことなく還元性窒素化合物とし、該還元性窒素化合物に
   より前記二次燃料を燃焼す、る空気比１以上の領域で発
   生するＮ　Ｏｘを還元することを特徴とする微粉炭の燃
   焼法。 ２、前記−次燃料として、アンモニアを多量に発生しや
   すい石炭を用いる特許請求の範囲第１項記載の微粉炭の
   燃焼法。 ３、前記−次燃料の燃焼によって形成される空気比１よ
   り小なる領域において、前記微粉炭中の揮発性窒素化合
   物をＮ　Ｏｘまで酸化することなく還元性窒素化合物と
   する工程が、前記−次燃料としてアンモニアを多量に発
   生しやすい石炭を燃料とし、燃料石炭と該燃料石炭の搬
   送を兼ねる一次燃焼空気とを空気比１より小なる低空気
   比で円筒状バーナの中心部に設けられた一次燃料ノズル
   から噴出燃焼させ、アンモニアを多量に発生しやすい雰
   囲気酸素濃度で燃焼させる工程であり、前記還元性窒素
   化合物により前記二次燃料を燃焼する空気比１以上の領
   域で発生するＮ　Ｏｘを還元する工程が、前記燃料石炭
   及び該燃料石炭搬送を兼ねた二次燃焼空気とを空気比１
   以上の高空気比で、前記−次燃料ノズルの外周に該燃料
   ノズルと同心円となるように設けられ旋回流発生装置を
   具備した二次燃料ノズルから噴出燃焼させる工程である
   特許請求の範囲第１項記載の微粉炭の燃焼法。