JP6079391B2 - 硫黄用燃焼バーナおよびこれを備える燃焼炉並びに硫黄の燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、石炭及び石油の脱硫工程で発生する、硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄を燃焼する際に好適に用い得る、硫黄用燃焼バーナおよびこれを備える燃焼炉並びに硫黄の燃焼方法に関する。

従来、石炭及び石油の脱硫工程で発生する、硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄（以下、これらを「硫黄スラリー等」ともいう）を燃焼する際に用いられる燃焼炉は、図３に示す燃焼炉１２０のように、燃焼炉本体１２の下部に冷却缶１３を備えるととともに、燃焼炉本体１２の上部に、点火用のパイロットバーナ１１、硫黄スラリー等を空気と混合して噴射する主燃料バーナ１１０、および硫黄スラリー等の燃焼を補助するための助燃料を噴射する助燃料バーナ１１１の、３つのバーナ１１、１１０、１１１をそれぞれ独立して有している。

脱硫工程で回収された硫黄スラリー等は、主燃料バーナ１１０内に空気とともに吹き込まれて燃焼炉本体１２内へ噴霧されると点火用パイロットバーナ１１で点火されるとともに、助燃料バーナ１１１との協働により燃焼される。燃焼炉本体１２内は高温の酸化性雰囲気となり、これにより、噴霧された硫黄スラリー等は、燃焼炉本体１２内で燃焼して亜硫酸ガス等が生成され、生成された高温の亜硫酸ガス等は冷却缶１３に導かれ、缶内で冷却液との接触により冷却されて硫酸を製造する工程等の次工程に送られる。

特開２００８−１１４１１３号公報

しかしながら、図３に示した燃焼炉１２０のように、パイロットバーナ１１、主燃料バーナ１１０、および助燃料バーナ１１１をそれぞれ独立して設置する従来例にあっては、３つの独立したバーナ１１、１１０、１１１で硫黄スラリー等を燃焼させていたため、火炎の箇所によって燃焼炉本体１２内での燃焼効率に差が生じ、燃焼効率の低い箇所では未燃焼の硫黄分が発生したり、硫黄スラリー等中の水分を十分に燃焼させたりすることができないという問題があった。
また、未燃焼の硫黄分が燃焼炉本体１２の炉壁に付着し、水分が存在すると燃焼炉本体１２内で酸分が生成して炉壁が腐食するという問題があった。

また、前述のような燃焼炉１２０では、未燃焼の硫黄分を発生させないために、硫黄スラリー等の液滴径を制御していたところ、助燃料バーナ１１１のノズルからの助燃料の噴霧量のみにより液滴径をミクロンオーダーで制御しなくてはならず、制御可能な操業範囲が限られるという問題があった。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、硫黄スラリー等を燃焼する場合に、未燃焼硫黄の生成を抑制するとともに、長時間にわたって安定して燃焼を維持できる硫黄用燃焼バーナおよびこれを備える燃焼炉並びに硫黄の燃焼方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る硫黄用燃焼バーナは、硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄を燃焼させるための燃焼バーナであって、前記硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄が供給される管状の硫黄供給ノズルと、該硫黄供給ノズルの外側を囲繞して硫黄供給ノズルと自身との間隙に噴霧・燃焼用の空気が供給される管状の空気供給ノズルと、該空気供給ノズルの外側を囲繞して空気供給ノズルと自身との間隙に助燃性ガスが供給される管状の燃料ガス供給ノズルとを有する三重管ノズル構造を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る硫黄用燃焼バーナによれば、三重管ノズル構造を備え、管状の空気供給ノズルが、硫黄供給ノズルの外側を囲繞して硫黄供給ノズルと自身との間隙に噴霧・燃焼用の空気が供給されるように配置されているので、硫黄供給ノズルと空気供給ノズルとにより「二流体噴霧ノズル」が構成される。これにより、硫黄供給ノズルに供給される硫黄スラリー等に対し、その硫黄スラリー等を囲繞するように噴霧・燃焼用の空気が噴射されるので、硫黄スラリー等と空気とがノズル出口で効率良く混合された状態の硫黄スラリー等が噴霧されることで硫黄スラリー等の噴霧液滴径を微細化し、空気との混合率を高めることで燃焼効率を高め、未燃焼硫黄の生成を抑制することができる。

さらに、本発明の一態様に係る硫黄用燃焼バーナは、上記硫黄供給ノズルと空気供給ノズルとによる「二流体噴霧ノズル」の外側に、更に管状の燃料ガス供給ノズルを囲繞して設けた三重管ノズル構造としているので、噴霧された硫黄スラリー等を囲繞するように、燃料ガス（助燃性ガス）を供給することができる。そのため、硫黄スラリー等の噴霧液と燃料ガスの反応時間を短縮して燃焼効率をより向上させ、長時間にわたって安定して燃焼を維持することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃焼炉は、硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄を燃焼する際に用いられ、前記硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄を噴霧する硫黄用燃焼バーナを備える燃焼炉であって、前記硫黄用燃焼バーナとして、本発明の一態様に係る硫黄用燃焼バーナを備えていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る燃焼炉によれば、本発明の一態様に係る硫黄用燃焼バーナを備えているので、上記本発明の一態様に係る硫黄用燃焼バーナに基づく作用・効果を奏する。なお、本発明の一態様に係る燃焼炉において、着火源となるパイロットバーナを、前記硫黄用燃焼バーナの近傍に備えることは好ましい。また、前記硫黄を含有するスラリーが、石炭または石油の脱硫工程で発生する硫黄を含有するスラリーであることは好ましい。また、前記助燃性ガスが、都市ガスまたはコークス炉ガスであることは好ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る硫黄の燃焼方法は、本発明の一態様に係る燃焼炉を用いた硫黄の燃焼方法であって、前記空気供給ノズルから供給される前記空気の供給圧または供給量を調整することにより、前記硫黄用燃焼バーナから噴射される噴霧液の噴霧液滴径を制御することを特徴とする。
本発明の一態様に係る硫黄の燃焼方法によれば、本発明の一態様に係る燃焼炉を用いているので、上記本発明の一態様に係る燃焼炉に基づく作用・効果を奏する。さらに、本発明の一態様に係る硫黄の燃焼方法によれば、空気供給ノズルから供給される空気の供給圧または供給量を調整することにより、硫黄用燃焼バーナから噴射される噴霧液のの噴霧液滴径を制御するので、図３に示した燃焼炉１２０の例に比べ、噴霧液の噴霧液滴径を制御するに際し、制御可能な操業範囲をより細かく設定することができる。

以上のように、本発明によれば、硫黄を燃焼する場合に、未燃焼硫黄の生成を抑制するとともに、長時間にわたって安定して燃焼を維持することができる。

本発明の一態様に係る硫黄用燃焼バーナを備えた燃焼炉の一実施形態を説明する模式的縦断面図である。 本発明の一態様に係る硫黄用燃焼バーナの一実施形態の説明図であり、同図は、燃焼バーナの軸線を含む断面を模式的に図示している。 従来の燃焼炉の一例を説明する模式的縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図３に示した燃焼炉と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。
図１に示すように、この燃焼炉２０は、燃焼炉本体１２と、この燃焼炉本体１２の下部に設けられた冷却缶１３とを備える。また、燃焼炉本体１２の上部中央には、硫黄用燃焼バーナ（以下、単に「燃焼バーナ」ともいう）１０が設けられている。また、燃焼炉本体１２には、燃焼バーナ１０の近傍に、着火源となる点火用のパイロットバーナ１１が付設されている。

上記燃焼バーナ１０は、図２に示すように、三重管構造をなしている。詳しくは、この三重管構造の燃焼バーナ１０は、中心部分に設けられて最も細径の円筒管からなる硫黄供給ノズル１と、この硫黄供給ノズル１と同軸に設けられて硫黄供給ノズル１との径方向に所定距離を保って硫黄供給ノズル１を囲繞する円筒管状の空気供給ノズル２と、この空気供給ノズル２と同軸に設けられて空気供給ノズル２との径方向に所定距離を保って空気供給ノズル２を囲繞する円筒管状の燃料ガス供給ノズル３とを有する。

硫黄供給ノズル１からは、硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄である硫黄スラリー等Ｓが不図示の供給源から供給される。また、空気供給ノズル２からは、噴霧・燃焼用の空気Ａが不図示の供給源から供給され、燃料ガス供給ノズル３からは、都市ガス、コークス炉ガスといった燃料ガスＧが不図示の供給源から供給されるようになっている。なお、本実施形態の例では、空気供給ノズル２の直径（内径）は約φ４５ｍｍ、燃料ガス供給ノズル３の直径（内径）は約φ９０ｍｍである。

ここで、空気供給ノズル２の先端部には、硫黄スラリー等Ｓの噴霧用のノズルキャップ４が締結部６により締結されている。ノズルキャップ４の先端面４ｓは、硫黄供給ノズル１の先端面１ｓよりも燃焼バーナ１０の先端側（同図下側）に向けて張り出しており（同図の符号Ｌ１参照）、その張り出した内部に画成された空間が混合室７となっている。なお、上記燃料ガス供給ノズル３の先端面３ｓも、硫黄供給ノズル１の先端面１ｓよりも燃焼バーナ１０の先端側に向けて張り出しているが（同図の符号Ｌ２参照）、その張り出し長さＬ２は、ノズルキャップ４の先端面４ｓの張り出し長さＬ１よりも小さい（Ｌ１＞Ｌ２）寸法に設定されている。そして、このノズルキャップ４の先端側の面には、複数の開孔部５が穿孔されている。なお、本実施形態の例では、周方向に等配される同一形状の複数の開孔部５が数十箇所に穿孔されており、各開孔部５の径は、約φ１ｍｍとされている。

これにより、空気供給ノズル２は、硫黄供給ノズル１の外側に同心円状に配されて硫黄供給ノズル１と自身との間隙に空気が供給されるように配置されているので、硫黄供給ノズル１と空気供給ノズル２とにより「二流体噴霧ノズル」が構成される。そして、硫黄供給ノズル１から供給された硫黄スラリー等Ｓと、空気供給ノズル２から供給された噴霧・燃焼用の空気Ａとは、ノズルキャップ４内の混合室７で効率良く混合されるとともに、混合後の流体が噴霧・燃焼用の空気Ａの圧力によってノズルキャップ４の複数の開孔部５から微細粒滴となって燃焼炉本体１２内部に噴霧されるようになっている。また、上記燃料ガス供給ノズル３は、硫黄供給ノズル１と空気供給ノズル２とによる「二流体噴霧ノズル」の外側に同心円状に設けられて三重管ノズル構造を構成することにより、噴霧された硫黄スラリー等Ｓを囲繞するように、助燃性ガスを燃料ガスとして供給可能になっている。

次に、上述の燃焼炉２０による硫黄スラリー等Ｓの燃焼方法および作用・効果について説明する。
上述の燃焼炉２０による硫黄スラリー等Ｓの燃焼方法は、脱硫工程で回収された硫黄スラリー等Ｓを、燃焼バーナ１０の硫黄供給ノズル１内に吹き込むとともに、空気供給ノズル２から空気Ａが供給される。ここで、空気供給ノズル２から供給される空気Ａの供給圧または供給量を調整することにより、硫黄スラリー等Ｓの噴霧液滴径を制御している。

硫黄供給ノズル１と空気供給ノズル２とにより「二流体噴霧ノズル」が構成されているので、硫黄スラリー等Ｓは、硫黄供給ノズル１を囲繞する空気供給ノズル２の先端部の混合室７にて空気Ａと混合される。そして、硫黄スラリー等Ｓと空気Ａとを混合後の流体は、噴霧・燃焼用の空気Ａの圧力によってノズルキャップ４の複数の開孔部５から燃焼炉１２内へ噴霧され、着火源となる点火用のパイロットバーナ１１で点火して硫黄スラリー等Ｓが燃焼される。燃焼炉１２内は高温の酸化性雰囲気となり、これにより、噴霧された硫黄スラリー等Ｓは、燃焼炉１２内で燃焼して亜硫酸ガス等が生成され、生成された高温の亜硫酸ガス等は冷却缶１３に導かれ、缶内で冷却液との接触により冷却され、硫酸を製造する工程等の次工程に搬送される。

ここで、この燃焼炉２０の燃焼バーナ１０は、上述のように三重管構造をなし、硫黄供給ノズル１と空気供給ノズル２とが、硫黄供給ノズル１から供給された硫黄スラリー等Ｓと、空気供給ノズル２から供給された空気Ａとをノズルキャップ４内の混合室７で混合するという、内部混合式の二流体噴霧ノズルとなっており、硫黄スラリー等Ｓを囲繞するように空気が噴射される。そのため、空気供給ノズル２からの空気Ａの噴霧圧力を増加させることにより、噴霧・燃焼用の空気Ａを少なくして噴霧することが可能となる。また、硫黄スラリー等Ｓと空気Ａとがノズル出口で混合されて硫黄スラリー等Ｓが噴霧されることで噴霧液の噴霧液滴径を微細化し、空気との混合率を高めることで燃焼効率を高め、未燃焼硫黄の生成を抑制することができる。また、上記硫黄の燃焼方法によれば、空気供給ノズル２から供給される空気Ａの供給圧または供給量を調整することにより、硫黄スラリー等Ｓの噴霧液滴径を制御しているので、図３に示した燃焼炉１２０の例に比べ、硫黄スラリー等Ｓの液滴径を制御するに際し、制御可能な操業範囲をより細かく設定することができる。

更に、この燃焼バーナ１０は、硫黄供給ノズル１と空気供給ノズル２とによる「二流体噴霧ノズル」の外側に更に燃料ガス供給ノズル３を同心円状に設けて三重管ノズル構造としているので、噴霧された硫黄スラリー等Ｓを囲繞するように、助燃性ガスを燃料ガスとして供給することができる。そのため、ノズルキャップ４の複数の開孔部５から噴霧される微細粒滴は、燃料ガス供給ノズル３から供給される燃料ガスとの混合がより容易になり、これにより、硫黄スラリー等Ｓの噴霧液と助燃性ガスの反応時間を短縮して燃焼効率をより向上させ、経済的でかつ安定した燃焼を長時間にわたって維持することができる。

（実施例１）
燃焼試験として、図１に示す燃焼炉１２として、内径φ１６００ｍｍ、高さ１０８８３ｍｍの燃焼炉を用いた。この燃焼炉１２の下部には冷却缶１３を設けるとともに、燃焼炉１２の上部中央に、上述の燃焼バーナ１０を設けた。なお、この燃焼バーナ１０の近傍には、点火用のパイロットバーナ１１を付設している。硫黄スラリー等Ｓとして１４０℃の溶融硫黄２７０ｋｇ／ｈを硫黄供給ノズル１から供給し、噴霧・燃焼用の空気Ａとして空気１３５ｋｇ／ｈを空気供給ノズル２に供給し、さらに、燃料ガスＧとして燃料ガス供給ノズル３に助燃料ガス配管からコークス炉ガス２８Ｎｍ^３／ｈを供給して５時間の燃焼試験を実施した。燃焼試験終了後、燃焼バーナ１０および燃焼炉本体１２の状態を確認した。その結果、ノズルキャップ４内、及び燃焼炉本体１２内には未燃焼分などの付着はほとんど見られず、未燃焼硫黄の生成を抑制しつつ、５時間の長時間の運転が安定して可能であることが実証できた。

（実施例２）
燃焼炉１２および燃焼バーナ１０は、上記実施例１と同様のものを用いた。燃焼試験は、硫黄スラリー等Ｓとして硫黄を含有するスラリー７６０ｋｇ／ｈを中心の硫黄供給ノズル１に供給し、噴霧・燃焼用の空気Ａとして空気２５０ｋｇ／ｈを空気供給ノズル２に供給し、さらに、燃料ガスＧとして燃料ガス供給ノズル３に助燃料ガス配管からコークス炉ガス１９８Ｎｍ^３／ｈを供給して５時間の燃焼試験を実施した。燃焼試験終了後、燃焼バーナ１０および燃焼炉本体１２の状態を確認した。その結果、ノズルキャップ４内及び燃焼炉本体１２内には未燃焼分などの付着はほとんど見られず、未燃焼硫黄の生成を抑制しつつ、５時間の長時間の運転が安定して可能であることが実証できた。

なお、本発明に係る硫黄用燃焼バーナおよびこれを備える燃焼炉並びに硫黄の燃焼方法は、上記実施形態ないし実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、空気供給ノズル２の直径（内径）を約φ４５ｍｍ、燃料ガス供給ノズル３の直径（内径）を約φ９０ｍｍとした燃焼バーナ１０を例に説明したが、三重管構造の各管路の径は、適宜設定することができるし、また、管の断面形状も円形に限らず、種々の形状の管路としてよいし、また、必ずしも同心円状の配置に限定されない。また、同様に、ノズルキャップ４には、周方向に等配される同一形状の複数の開孔部５が数十箇所に穿孔され、各開孔部５の径は、約φ１ｍｍとされている例で説明したが、これに限らず、複数の開孔部５の配置や個数、開口径を適宜設定可能である。

また、例えば上記実施形態では、空気供給ノズル２の先端部に、硫黄スラリー等Ｓの噴霧用のノズルキャップ４を設けた例で説明したが、これに限らず、ノズルキャップ４は必ずしも装着する必要はなく、ノズルキャップ４を設けずに、混合後の流体を噴霧空気の圧力によって燃焼炉本体１２内に直接噴霧することもできる。これは、硫黄供給ノズル１と空気供給ノズル２とにより「二流体噴霧ノズル」が構成されるので、ノズルキャップ４を装着しなくとも硫黄スラリー等Ｓと空気Ａとの混合効果が得られからである。しかし、より良き混合効果を得る上では、上記実施形態のように、空気供給ノズル２の先端部に、硫黄スラリー等Ｓの噴霧用のノズルキャップ４を設けることが好ましい。

１ 硫黄供給ノズル
２ 空気供給ノズル
３ 燃料ガス供給ノズル
４ ノズルキャップ
５ 開孔部
６ 締結部
７ 混合室
１０ 硫黄用燃焼バーナ（燃焼バーナ）
１１ パイロットバーナ
１２ 燃焼炉本体
１３ 冷却缶
２０ 燃焼炉
Ｓ 硫黄スラリー等
Ａ （噴霧・燃焼用の）空気
Ｇ 燃料ガス

Claims (6)

1. 硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄を燃焼させるための燃焼バーナであって、
   前記硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄が供給される管状の硫黄供給ノズルと、該硫黄供給ノズルの外側を囲繞して硫黄供給ノズルと自身との間隙に噴霧・燃焼用の空気が供給される管状の空気供給ノズルと、該空気供給ノズルの外側を囲繞して空気供給ノズルと自身との間隙に助燃性ガスが供給される管状の燃料ガス供給ノズルとを有する三重管ノズル構造を備えることを特徴とする硫黄用燃焼バーナ。
2. 硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄を燃焼する際に用いられ、前記硫黄を含有するスラリーまたは溶融硫黄を噴霧する硫黄用燃焼バーナを備える燃焼炉であって、
   前記硫黄用燃焼バーナとして、請求項１に記載の硫黄用燃焼バーナを備えていることを特徴とする燃焼炉。
3. 着火源となるパイロットバーナを、前記硫黄用燃焼バーナの近傍に備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃焼炉。
4. 前記硫黄を含有するスラリーが、石炭または石油の脱硫工程で発生する硫黄を含有するスラリーであることを特徴とする請求項２または３に記載の燃焼炉。
5. 前記助燃性ガスが、都市ガスまたはコークス炉ガスであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃焼炉。
6. 請求項２〜５のいずれか一項に記載の燃焼炉を用いた硫黄の燃焼方法であって、
   前記空気供給ノズルから供給される前記空気の供給圧または供給量を調整することにより、前記硫黄用燃焼バーナから噴射される噴霧液の噴霧液滴径を制御することを特徴とする硫黄の燃焼方法。

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