JPS6096814A - 低νox燃焼方法 - Google Patents

低νox燃焼方法

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JPS6096814A
JPS6096814A JP20371883A JP20371883A JPS6096814A JP S6096814 A JPS6096814 A JP S6096814A JP 20371883 A JP20371883 A JP 20371883A JP 20371883 A JP20371883 A JP 20371883A JP S6096814 A JPS6096814 A JP S6096814A
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JP
Japan
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fuel
combustion
burner
group
nox
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JP20371883A
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English (en)
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Shigeki Morita
茂樹 森田
Tadahisa Masai
政井 忠久
Toshio Uemura
俊雄 植村
Shigeto Nakashita
中下 成人
Fumio Koda
幸田 文夫
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Mitsubishi Power Ltd
Original Assignee
Babcock Hitachi KK
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • F23C6/047Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure with fuel supply in stages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2201/00Staged combustion
    • F23C2201/10Furnace staging
    • F23C2201/101Furnace staging in vertical direction, e.g. alternating lean and rich zones
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2201/00Staged combustion
    • F23C2201/30Staged fuel supply
    • F23C2201/301Staged fuel supply with different fuels in stages

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

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】 この発明は燃焼装置における窒素酸化物(NOX )の
排出量を低減し得る燃焼方法に関し、より具体的には燃
焼装置における総括脱硝効率を大幅に向上させることの
できる燃焼方法に関する。
燃焼に伴って窒素酸化物という大気環境上好ましくない
副生成物が発生することは衆知の通りである。通常、N
Oxの生成過程には次の2種類が考えられる。
(1)無機窒素(例えば空気中の窒素分子)の熱的酸化
によるものであり、いわゆるTherrnal−NOx
と呼ばれるもの。
これは次式(]、)に代表しで示される無機反応である
N、十 〇 −+ N O十 N’!j ・・・(1)
(2)シアン・アミン系のラジカルを経由する反応・C
N(又は・NH)+O□→No−1−Co、 H,O等
・・(2)このうち・a+i又は・NHの生成が空気中
の窒素分子と炭化水素ラジカルとの反応による場合、i
 Prompt NOxと称している。
また、・ON又は・NHの生成が燃料に含まれる有機窒
素酸化物に出来する場合はFuelと称して両者を区別
している。
これらは当然の事ながら、温度、濃度(分t1:、>反
応時間(滞留時間)といった反11jsの主要素に依存
することは言うまでもない。
このうち、ボイラ火炉の如き、滞留時間の成る程度限定
された燃焼器の場合、通常上述した三安素のうち2つの
因子の空間的制御により燃焼改善を図りNOxOx排出
数減が行なわれて来た。
すなわち、Thermal NOxが支配的であるよう
な燃焼器においては、排ガス混合法の如き火炎冷却法が
効を奏している。又Fuel NOxが支配的であるよ
うな燃焼器においては、バーナゾーンの酸素分圧を下げ
て空気不足燃焼しNOx生成を抑制した後アフタエアに
より完全燃焼を行なう二段燃焼法が効を奏すことが実証
されている。
ここで、燃焼反応が高速酸化反応である所以は、発火も
しくは着火の段階で先ず水素引き抜き反応で生成した非
常に酸化され易いラジカルが次々と分解を繰り返し最終
はOOr H2! OO2+H20等の分子に変化する
ことにある。換言すれば、燃焼の初期においては強力な
還元性を有するラジカルが多量に生成しているに他なら
ない。ラジカルはそれ自身非常に不安定で、従って極め
て短時間(数ミリ−数百ミリ秒)で酸素含有体と衝突反
応を繰り返すことになる。故に酸素不足下では当然法の
様なNOの分解反応もすみやかに進行する。
ラジカル+NO=含窒素うジカル+生成物・・・・・・
(3) 上記の事実は次の様な燃焼方式がNOx低減燃焼法とし
て有効であることを示唆している。即ち先ず燃焼域を形
成し、その後流に於て燃料のみもしくは生燃焼域からの
残存酸素が少量すぎる場合には、少尉の空気を伴送し、
局所的に燃料大過剰燃焼を行ないかつ同時に主燃焼ガス
と混合することにより、主バーナで生成したNOxのう
ち相当量を分解出来るということを示唆している。
発明者等は上述の方法に基づいた燃焼方法を実施するこ
とによりBI’Oxの大幅な低減を実現している。しか
しながら、ある一定限度以上の低減は固唾であることも
また事実であり、現在においてはこの方法によるNOx
低減率は伸び悩み状態にあるのが実情である。このため
、発明者等は、NOxの生成および燃料過剰燃焼による
NOxの分解のプロ七スについて実験、研究ヲ行つた結
果、以下に示す様な更に改善を要する現象が介在してい
ることが明確になって来た。即ち、確かに燃料過剰燃焼
により次の式に示す反応が進行して一度はNOxは分解
されるものの、・HO(炭化氷炭ラジカル)’−1−N
O→−0N(Xは−NH) +Co、H20等 ・・・
(4)−ON(Xは・NH)+N0−)Nj、−)−0
0,H! O等−(5)一部では次の式(6)に示す反
応により過剰な・(JN・NHが水素と再結合する。
・0N(Xは−N)l)+)I、CMはH)−+HON
 (J51はNH3)・・−・・(6) しかも前述のFuel Nに相当するが如きの含窒素化
合物が副生成され、これが最終プロセス即ちアフタエア
による完全燃焼時に次の式(7)に示す反応によりO2
と反応し再度Noが生成されてシマウ・ アフタエア中
の02 HON(orNH8)−一一一−−−−−づ−−・No
−−(7ンこのNOは相当多量に再生成するため、燃焼
装置全体での脱硝効率(総括脱硝効率)の向上を妨げる
大きな要因となっていることが判明した。
こσ〕発明の目的は、」1記した現有技術の欠点すなわ
ち炉内脱硝領域におiする副生成物HONNH3’Jの
残存による総括脱硝率の低下という欠点をなくシ、これ
によって炉内jJll!硝率を増加させることにより、
排ガス中のNOxを極力低減できる燃ワ゛ト方法を提供
することにある。
要するにこの発明は、生燃焼域後流に炭化水零のオキシ
誘導体、アルデヒド・ケトン類等を住人することにより
、脱硝領域からの残存副生物である含窒素化合物量を減
少させ、これによって総括脱硝率を増加させるようにし
たものである。
先ずこの発明の詳細な説明するのに先立ってこの発明を
f1η成するに至った実験について説明する。捕礎的な
実験装置として公知の予混合ガスバーナを使用し、これ
に酸化剤として空気を、又燃料としては (1)炭化水素系燃料としてプロパンを、(2)P:A
化水素のオキシ誘導体としてメタノールを供試した。こ
の場合メタノールは80℃以上に予熱気化した状態で使
用した。更にNOの還元効果を確認するために、これら
の燃料に対してNoを所定量子混合し、両タイプの燃料
の脱硝特性を検討した。
第1図にその結果の一例を示す。横軸(1酸素当量比ず
なわち燃焼工学分野で最も一般に用いられる「空気比」
であり、この値が1以下であることは空気不足すなわち
燃料過剰であることを意味する。線図中一点鎖線は該予
混合バーナ火炎後流におけるNOa度を、実線は同位置
に8けるHON十NHの濃度を各々示す。
又各線図中(11)は燃料としてプロパンを用いた烏合
であり、Iは燃料としてメタノールを図いた場合である
さて、前に示した式(6)において過剰な・CN。
・NHから生成されたNH,は、温度1000℃以上の
高温下で容易に分解しN2に変換され易いが、一方HO
Nはこの程度の高温下では熱的に安定であり酸素が存在
しない場合は 2HON 〜ラ 0aNx+H2・・・・・・(8)式
(8ンに示す様な状態を維持している厄介な化合物であ
り、アフタエアとの再反応によるNoを低減させるため
にはこのHONを極力副生成させないことが肝要である
ON生成はヨEとして以下の式(9)(10)で示ず反
;ノシ;で生成すると考えられている。
・CHHNO3P−CN+・OH・・・(9)・02 
−1− No→ ・ON +Co ・・・(10)従っ
て炭化水素火炎ではこの・ONの発生は避は難いことが
わかった。
もつとも図に示す如く空気比0.9以下では火炎後流へ
の・0.N残存量は極く僅かではあるが、一方この領域
においては図に示す如<Noの分解率そのものも小さい
ため、全体として大幅な低NOx化を達成することはで
きない。
ところがメタノールの如き炭化水素のオキシ誘導体にな
ると、・ON生成域自体が抑制されるため空気比を小さ
くしてもHOHの生成が少ないことがわかった。但し・
ONそのものは過剰でなl−1れば式(5)で示す如く
一方ではNoの強力なる還元剤として作用し得る訳であ
る。しかし・ONは減少しても他の分解ラジカルにより
NOの還元は十分進行するため、炭化水素のオキシ誘導
体であってもNoの分解率が減少することはない。
第2図は、上述の原理をボイラ等の火炉に応用する場合
の具体例を示ず。同火炉は、下段に炭化水素系燃料、例
えばLNG (液化天然ガス)重原油1石炭を供給して
燃焼を行なう生バーナ30の群と、その上段に前記メタ
ノール等の炭化水素オキシ誘導体やケトン・アルデヒド
類、望ましくはメタノール、エタノール等の比較的安価
な低級アルキルアルコール類を供給する脱硝バーナ40
、及びその更に上級にこれら可燃分の不完全燃焼物を完
全燃焼するためのアフタエアポート50を有している。
ここで、先ず生バーナ40の空気比について以下に述べ
る。殆んど全ての燃料の燃焼について言えることである
が、生成するThermal NOx及びFuel 、
NOxの量はバーナゾーンの空気比が1以上であると急
増するのである。従って王バーナ400群はやや空気不
足、望ましくは空気比0.8〜0698に維持する必要
がある。この様な状態で王バーナ群の運転を行なうと王
バーナ火炎上刃では高温(通常1250〜15500G
)のため全体として酸素不足であるにもかかわらず・O
Hで代表される含酸素ラジカルは相当量残存しているこ
とが確認されている。
従って上記の如き高温下では前記脱硝燃料を空気等の酸
化剤を全く含まず火炉内に注入したとしても、この脱硝
燃料は・OHによる水素引抜き反+1iSによりラジカ
ルを発生して」−分NOxの還元反1+a、が進行する
。又、燃料需給の観点、発電所用ボイラの場合には、発
電コストの問題脱硝用燃料系統に関するf」帯設備面等
あらゆる1fjjから考えても脱硝用燃料は極めて少量
であることが望まれ、主バーナ40の空気比は1以下で
あることが省エネルギー上の観点からも必要不Ij丁欠
である。」−記の如く条件を選べば、脱硝用燃料流量は
4〜10 wt%程度で十分効果を発揮するのである。
もつとも主バーナ40の燃料中に窒素化合物が多量に含
有されている為に、主ノ(−すの空2比を0.8程度ま
で低下させて生バーナからのNOx発生量を抑制する必
要のある場合は・OH残存量が少なくなるため脱硝用燃
料を少量の空気と共に注入する必要が生ずる。この場合
には脱硝用燃料量は必要に応じて王バーナ燃料の50w
t%程度まで増加せざるを得ない場合もある。
尚、脱硝用燃料は王バーナ燃料に比べて通常の場合相当
少ないため、主バーナに発生した上昇ガス流に対して十
分なる貫通力もしくは混合能力を有さぬ場合が往々にし
て生ずる。この場合には通常種々の反応器で常套的に用
いられる如く、排ガスもしくは水蒸気等の不活性ガスの
伴送による運動量の増大を図ることが有効であることは
言うまでもない。
なお、第2図の空気供給系統については従来公知の技術
設備を利用可能なためその記入を省略しである。また図
中符号10はボイラ火炉、20はウィンドボックス、3
1.32は主燃料調整弁、35);l主燃料ライン、4
1は脱硝燃料調整弁、45は脱硝燃料ラインである。
この発明を実施することにより、燃料過剰燃焼によって
、NOxの気相還元用に生成した物質のうち、NOxの
気相還元に関与しない余剰の還元物質を脱硝燃料の燃焼
で再反応させてしまうので未燃分燃焼用空気との反応に
よって再度NOxを生成することがなく、最終的なNO
x排出X1tを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(は空気比と、No、HCN、NH濃度との関係
を示す線図、第2図はこの拠明に係る方法を実施するた
めのボイラ火炉の断面図である。 30・・・・・・王バーナ 35・・・・・・主燃料ラ
イン40・・・・・IJE2硝バーナ 45・・・・・
・脱硝燃料ライン第1@ 第2図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、窒素酸化物を燃料過剰燃焼で生成した物質により分
    解する方法において、燃料過剰燃焼域の下流において脱
    硝燃料を燃焼させ、この脱硝燃料の燃焼により、前記燃
    料過剰域で生成した窒素酸化物分解用の物質のうち窒素
    酸化物の分解に関与しない余剰の物質の発生を抑制し、
    この余剰の物質の酸化による窒素酸化物の再化成を防止
    するようにしたことを特徴とする低NOx燃焼方法。 2、前記脱硝燃料を炭化水素のオキシ誘導体、およびま
    たはケトン・アルデヒド類としたことを特徴とするq′
    !fg′f請求の範囲第1項記載の低NOx撚り晃方法
    。 3、前記脱硝燃料の注入量を主バーナに供給する主燃料
    の注入量の4wt%以上七以上口とを特徴とする特許請
    求の範囲第2項記載の低NOx燃焼方法。 4、脱硝燃料を注入すべき部分の雰囲気温度を1100
    ℃以上としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項な
    いし第3項のいづれかに記載の低NOx燃焼方法。 5、主燃焼域の空気比を約0.8から0.98に維持し
    、主燃焼域で窒素酸化物の分解を行うことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の低NOx燃焼方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7168947B2 (en) * 2004-07-06 2007-01-30 General Electric Company Methods and systems for operating combustion systems

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5819928A (ja) * 1981-07-30 1983-02-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd 鉄共振電源

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