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JP7376744B1 - 燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システム、発電設備 - Google Patents

燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システム、発電設備 Download PDF

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JP7376744B1 JP2023115537A JP2023115537A JP7376744B1 JP 7376744 B1 JP7376744 B1 JP 7376744B1 JP 2023115537 A JP2023115537 A JP 2023115537A JP 2023115537 A JP2023115537 A JP 2023115537A JP 7376744 B1 JP7376744 B1 JP 7376744B1
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Abstract

【課題】エネルギーを大幅に低減して反応性窒素を有効に利用（再利用）する。【解決手段】ＮＯＸの排出を伴う燃焼手段１と、燃焼手段１で排出されたＮＯＸを水溶性のＮ２Ｏ５に酸化する酸化手段２と、酸化されたＮ２Ｏ５を溶解してＮＯ３－にする溶解・酸化手段３と、溶解されたＮＯ３－を硝酸塩に変換して回収する第１変換手段４と、溶解されたＮＯ３－を還元してＮＨ４＋にすると共に、還元されたＮＨ４＋をＮＨ３やアンモニウム塩に変換して回収する還元手段５、及び、ＮＨ３変換手段６とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを有価な反応性窒素として回収する回収システム、及び、発電設備に関する。
窒素は生活に不可欠なものであり、アンモニア（ＮＨ３）などの反応性窒素として、例えば、肥料などとして使用されている。また、燃焼用の燃料としての使用が検討されている。ＮＨ３を燃焼用の燃料として使用することで、脱炭素社会の要望に応えることができると考えられている。使用後に排出される反応性窒素（窒素含有ガスや窒素含有排水）の大半はＮ２（窒素分子）に無害化することができる（例えば、特許文献１）。
ＮＨ３を得るためには、外部のエネルギーを用いて、大気中のＮ２と化石燃料から製造したＨ２（水素分子）を反応させる。そして、例えば、燃焼排ガスに含まれるＮＯＸは、外部のエネルギーと、還元剤としてのＮＨ３を用いてＮ２に分解して無害化（脱硝）されている。
このように、ＮＨ３などの反応性窒素は、様々な分野で利用されているのが現状である。脱炭素社会の構築が重要になってきている状況で、ＮＨ３などの脱炭素燃料の需要は大幅に増加することが考えられている。このような状況において、エネルギーを用いて無害化していた反応性窒素に対し、エネルギーを大幅に低減して有効に利用できる技術の出現が望まれているのが実情であった。
特開２０１７－１８９７１９号公報
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを反応性窒素として回収することで、エネルギーを大幅に低減して反応性窒素を有効に利用（再利用）することができる燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムを提供することを目的とする。
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを反応性窒素として回収することで、エネルギーを大幅に低減して反応性窒素を有効に利用（再利用）することができる排ガス処理手段を備えた発電設備を提供することを目的とする。
本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、（燃焼手段の排気系に配され）前記燃焼手段で排出された、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を硝酸塩に変換して回収する第１変換手段とを備えることが好ましい。
これにより、燃焼手段の排ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸから硝酸塩を得て回収することができる。このため、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを低減するための対策をする必要がない燃焼手段を用いることができる。例えば、二段燃焼の比率（二段燃焼率）を上げたり、空気比を下げたりして、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの発生を抑制する必要がない。これにより、例えば、燃料として石炭を用いた場合、未燃炭素を減らす燃焼を行い、灰の品質を高めることができる。即ち、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを排出する燃焼が可能になり、燃焼に対する制限を抑制することができ、排ガスにＮＨ３を投入して脱硝する必要がないので、配管の腐食などの発生を抑制することができる。
「水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ」「水溶性の窒素酸化物」における「水」とは、「純水」だけの意味ではなく「水溶液やスラリーなど」を含む意味である。
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、前記燃焼手段で排出された、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を、ＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する第２変換手段とを備え、前記第２変換手段で変換されたＮＨ ３ が、前記燃焼手段の燃料（全部もしくは一部）とされることを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、燃焼手段の排ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸからＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩を得て回収することができる。このため、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを低減するための対策をする必要がない燃焼手段を用いることができる。例えば、二段燃焼の比率（二段燃焼率）を上げたり、空気比を下げたりして、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの発生を抑制する必要がない。これにより、例えば、燃料として石炭を用いた場合、未燃炭素を減らす燃焼を行い、灰の品質を高めることができる。即ち、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを排出する燃焼が可能になり、燃焼に対する制限を抑制することができ、排ガスにＮＨ３を投入して脱硝する必要がないので、配管の腐食などの発生を抑制することができる。
そして、燃焼手段の排ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯ Ｘ から得られたＮＨ ３ を燃焼手段の燃料（全部もしくは一部）として利用することができる（窒素の循環利用）。流出する、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯ Ｘ をほぼなくすことができ、無害化するためのエネルギーを削減することができる。
また、上記目的を達成するための請求項２に係る本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、前記燃焼手段で排出された、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を硝酸塩に変換して回収する第１変換手段と、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を、ＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する第２変換手段とを備え、前記第２変換手段で変換されたＮＨ ３ が、前記燃焼手段の燃料（全部もしくは一部）とされることを特徴とする。
請求項２に係る本発明では、燃焼手段の排ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸから硝酸塩、ＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩を得て回収することができる。このため、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを低減するための対策をする必要がない燃焼手段を用いることができる。例えば、二段燃焼の比率（二段燃焼率）を上げたり、空気比を下げたりして、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの発生を抑制する必要がない。これにより、例えば、燃料として石炭を用いた場合、未燃炭素を減らす燃焼を行い、灰の品質を高めることができる。即ち、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを排出する燃焼が可能になり、燃焼に対する制限を抑制することができ、排ガスにＮＨ３を投入して脱硝する必要がないので、配管の腐食などの発生を抑制することができる。
そして、燃焼手段の排ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯ Ｘ から得られたＮＨ ３ を燃焼手段の燃料（全部もしくは一部）として利用することができる（窒素の循環利用）。流出する、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯ Ｘ をほぼなくすことができ、無害化するためのエネルギーを削減することができる。
尚、上述した本発明（請求項１、請求項２）に記載された燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムにおける、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸとは、ＮＯを主な成分として構成され、他のＮＯＸ成分を微量に含む全体のものとしている。
燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムの水溶性の窒素酸化物は、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４、Ｎ２Ｏ５のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。そして、酸化手段は、オゾンを注入する手段を含むことが好ましい。
したがって、本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムでは、燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを反応性窒素として回収することで、エネルギーを大幅に低減して反応性窒素を有効に利用（再利用）することが可能になる。
また、請求項３に係る本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、請求項１もしくは請求項２に記載の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムにおいて、前記第２変換手段は、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を還元してＮＨ４ ＋にすると共に、還元されたＮＨ４ ＋をＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収することを特徴とする。
請求項３に係る本発明では、溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －が還元されてＮＨ４ ＋にされ、還元されたＮＨ４ ＋がＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換される。
また、請求項４に係る本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、請求項１もしくは請求項２に記載の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムにおいて、前記燃焼手段は、燃料が燃焼されることで高圧流体を得るものであることを特徴とする。
請求項４に係る本発明では、燃焼手段として蒸気タービンの駆動用の蒸気を得るボイラ、ガスタービンの駆動用の燃焼ガスを得る燃焼器を適用することができる。
また、請求項５に係る本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、請求項１もしくは請求項２に記載の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムにおいて、前記燃焼手段は、燃料が燃焼されることで動力を得る機関であることを特徴とする。
請求項５に係る本発明では、燃焼手段として、燃焼室を有する内燃機関など（大型車両、船舶などのディーゼルエンジンなど）を適用することができる。
本発明の発電設備は、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、前記燃焼手段の燃焼で得られた高圧流体を膨張して発電動力を得る膨張タービンと、発電動力を得た後の排ガスを処理する排ガス処理手段とを備え、前記排ガス処理手段は、排ガス中の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を硝酸塩に変換し硝酸塩を回収する第１変換手段とを有することが好ましい。
これにより、発電動力を得た後の排ガス（ボイラの排ガス、ガスタービンの排ガス）の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸから硝酸塩を得て回収することができる。このため、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを低減するための対策をする必要がない燃焼手段を用いることができる。例えば、二段燃焼の比率を上げたり、空気比を下げたりして、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの発生を抑制する必要がない。これにより、例えば、燃料として石炭を用いた場合、未燃炭素を減らす燃焼を行い、灰の品質を高めることができる。即ち、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを排出する燃焼が可能になり、燃焼に対する制限を抑制することができ、排ガスにＮＨ３を投入して脱硝する必要がないので、配管の腐食などの発生を抑制することができる。
上記目的を達成するための請求項６に係る本発明の発電設備は、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、前記燃焼手段の燃焼で得られた高圧流体を膨張して発電動力を得る膨張タービンと、発電動力を得た後の排ガスを処理する排ガス処理手段とを備え、前記排ガス処理手段は、排ガス中の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －をＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する第２変換手段とを有し、前記燃焼手段は、燃料の一部もしくは全部がＮＨ ３ とされ、前記燃焼手段には、前記第２変換手段で回収されたＮＨ ３ が供給されることを特徴とする。
請求項６に係る本発明では、発電動力を得た後の排ガス（ボイラの排ガス、ガスタービンの排ガス）の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸからＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩を得て回収することができる。このため、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを低減するための対策をする必要がない燃焼手段を用いることができる。例えば、二段燃焼の比率（二段燃焼率）を上げたり、空気比を下げたりして、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの発生を抑制する必要がない。これにより、例えば、燃料として石炭を用いた場合、未燃炭素を減らす燃焼を行い、灰の品質を高めることができる。即ち、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを排出する燃焼が可能になり、燃焼に対する制限を抑制することができ、排ガスにＮＨ３を投入して脱硝する必要がないので、配管の腐食などの発生を抑制することができる。
そして、膨張タービンの排ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯ Ｘ から得られたＮＨ ３ を燃焼手段の燃料（全部もしくは一部）として利用することができる（窒素の循環利用）。流出する、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯ Ｘ をほぼなくすことができ、無害化するためのエネルギーを削減することができる。
また、上記目的を達成するための請求項７に係る本発明の発電設備は、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、前記燃焼手段の燃焼で得られた高圧流体を膨張して発電動力を得る膨張タービンと、発電動力を得た後の排ガスを処理する排ガス処理手段とを備え、前記排ガス処理手段は、排ガス中の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を硝酸塩に変換し硝酸塩を回収する第１変換手段と、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －をＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する第２変換手段とを有し、前記燃焼手段は、燃料の一部もしくは全部がＮＨ ３ とされ、前記燃焼手段には、前記第２変換手段で回収されたＮＨ ３ が供給されることを特徴とする。
請求項７に係る本発明では、発電動力を得た後の排ガス（ボイラの排ガス、ガスタービンの排ガス）の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸから硝酸塩、ＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩を得て回収することができる。このため、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを低減するための対策をする必要がない燃焼手段を用いることができる。例えば、二段燃焼の比率（二段燃焼率）を上げたり、空気比を下げたりして、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの発生を抑制する必要がない。これにより、例えば、燃料として石炭を用いた場合、未燃炭素を減らす燃焼を行い、灰の品質を高めることができる。即ち、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを排出する燃焼が可能になり、燃焼に対する制限を抑制することができ、排ガスにＮＨ３を投入して脱硝する必要がないので、配管の腐食などの発生を抑制することができる。
そして、膨張タービンの排ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯ Ｘ から得られたＮＨ ３ を燃焼手段の燃料（全部もしくは一部）として利用することができる（窒素の循環利用）。流出する、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯ Ｘ をほぼなくすことができ、無害化するためのエネルギーを削減することができる。
尚、上述した本発明（請求項６、請求項７）に記載された発電設備における、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸとは、ＮＯを主な成分として構成され、他のＮＯＸ成分を微量に含む全体のものとしている。
発電設備における水溶性の窒素酸化物は、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４、Ｎ２Ｏ５のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。そして、酸化手段は、オゾンを注入する手段を含むことが好ましい。
したがって、本発明の発電設備では、燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを反応性窒素として回収することで、エネルギーを大幅に低減して反応性窒素を有効に利用（再利用）することができる排ガス処理手段を備えた発電設備とすることが可能になる。
そして、請求項８に係る本発明の発電設備は、請求項６もしくは請求項７に記載の発電設備において、前記第２変換手段は、前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を還元してＮＨ４ ＋にすると共に、還元されたＮＨ４ ＋をＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収することを特徴とする。
請求項８に係る本発明では、溶解もしくは溶解・酸化されたＮＯ３ －が還元されてＮＨ４ ＋にされ、還元されたＮＨ４ ＋がＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換される。
本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを反応性窒素として回収することで、エネルギーを大幅に低減して反応性窒素を有効に利用（再利用）することが可能になる。
また、本発明の発電設備は、燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを反応性窒素として回収することで、エネルギーを大幅に低減して反応性窒素を有効に利用（再利用）することができる排ガス処理手段を備えた発電設備とすることが可能になる。
本発明の一実施例に係る燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムのブロック構成図である。 本発明の一実施例に係る発電設備の概略系統図である。 二段燃焼率とＮＯＸ濃度及び未燃炭素割合との関係を表すグラフである。 本発明の他の実施例に係る発電設備の概略系統図である。
図１には本発明の一実施例に係る燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムの全体の概略を説明するブロック構成を示してある。
図に示すように、本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段１を備えている。燃焼手段１は、石炭やＮＨ３など、窒素を含む燃料が用いられ、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（主にフューエルＮＯＸ）が排出される。また、天然ガスや水素などの窒素を含まない燃料が用いられても、燃焼用空気に含まれるＮ２により、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（サーマルＮＯＸ）が排出される。
燃焼手段１からの排ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（燃焼手段から排出されるＮＯＸ）は、酸化手段２により水溶性の窒素酸化物（ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４、Ｎ２Ｏ５のうちの少なくとも一つを含む：例えば、主にＮ２Ｏ５を含む窒素酸化物：Ｎ２Ｏ５）に酸化される。
酸化手段２としては、酸素が供給される状態になる構成の手段が適用される。また、オゾンを注入する手段を適用することが可能である。更に、酸化手段として、燃焼手段１、酸化手段２を省略し、燃焼で水溶性の窒素酸化物（ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４、Ｎ２Ｏ５のうちの少なくとも一つを含む：例えば、主にＮ２Ｏ５を含む窒素酸化物：Ｎ２Ｏ５）が発生する「燃焼機器」を用いることも可能である。この場合、酸化手段としての「燃焼機器」が請求項１に記載した「燃焼手段」「酸化手段」に相当することになる。
水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸは酸化手段２で主にＮ２Ｏ５を含む水溶性窒素酸化物となる。以下、Ｎ２Ｏ５を代表として説明する。Ｎ２Ｏ５が適用される場合、酸化手段２としては、オゾンを注入する手段を適用することが好ましい。
酸化された、Ｎ２Ｏ５は溶解・酸化手段３で溶解されてＮＯ３ －にされる。つまり、Ｎ２Ｏ５が適用される場合は、Ｎ２Ｏ５は酸化しなくてもＮＯ３ －が生じるため、溶解・酸化手段３はＮ２Ｏ５を溶解するだけの手段とされる。Ｎ２Ｏ５が溶解されて生じたＮＯ３ －は、第１変換手段４で硝酸塩に変換されて（例えば、晶析）回収される。回収された硝酸塩は、農業用の肥料として利用される（水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの窒素の再利用：窒素循環）。
尚、水溶性窒素酸化物として、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４が適用される場合は、溶解・酸化手段３では、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４が溶解、酸化されてＮＯ３ －にされる。即ち、溶解・酸化手段３は、水溶性窒素酸化物を、溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする手段となっている。
尚、酸化手段２、溶解・酸化手段３を省略し、別途、「溶解・酸化機器」を設け、「溶解・酸化機器」に、ＮＯＸをＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４にすると共に、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４をＮＯ３ －にする機能を持たせることができる。この場合、「溶解・酸化機器」が請求項１に記載した「酸化手段」「溶解・酸化手段」に相当することになる。
一方、溶解・酸化手段３で溶解されたＮＯ３ －は、例えば、生物反応や電極反応、化学反応などによる還元を行う還元手段５（第２変換手段）により還元されてＮＨ４ ＋にされる。そして、還元手段５により還元されたＮＨ４ ＋は、例えば、ストリッピングによる変換手段（第２変換手段）６によりＮＨ３に変換されて回収される。回収されたＮＨ３は、燃焼手段１の燃料（その他の燃焼手段の燃料）、外部の排煙処理用（脱硝用）の還元剤などとして利用される（水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの窒素の再利用：窒素循環）。
尚、変換手段６では、ＮＨ４ ＋をアンモニウム塩に変換することもできる。また、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換することができる。
回収されたＮＨ３を燃焼手段１の燃料として利用することで、流出する、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸをほぼなくすことができ、無害化するためのエネルギーを削減することができ、窒素の循環利用が達成される。
上記構成の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムでは、燃焼手段１の排出ガスの、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸから硝酸塩、ＮＨ３（アンモニウム塩）を得て回収することができる（水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの窒素の再利用：窒素循環）。燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを反応性窒素として回収することで、エネルギーを用いてＮ２に無害化することなく、反応性窒素を有効に利用（再利用）し、エネルギーを大幅に低減して反応性窒素の循環利用が可能になる。
本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、還元手段５、変換手段６を省略し、溶解・酸化手段３で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を第１変換手段４で硝酸塩に変換して回収するだけの構成とすることも可能である。また、第１変換手段４を省略し、溶解・酸化手段３で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を還元手段５、変換手段６でＮＨ３（アンモニウム塩）に変換して回収するだけの構成とすることも可能である。
また、溶解・酸化手段３で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －をＮＨ４ ＋に還元し、還元されたＮＨ４ ＋をＮＨ３に変換して回収した構成となっているが、ＮＯ３ －をＮＨ３（アンモニウム塩）に変換する構成であれば、還元されたＮＨ４ ＋をＮＨ３に変換する構成に限定されるものではない。
上述した燃焼プロセスは、例えば、発電設備（発電動力）のボイラや燃焼器における燃料供給系統から排気系、大型車両や船舶などのディーゼルエンジンの燃料供給系統から排気系のプロセスが該当し、本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムを適用することで、発電設備やディーゼルエンジンにおいて、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを排出する燃焼が可能になる。
図２、図３に基づいて、燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムを適用した発電設備の一例を説明する。
図２には上記構成の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムを適用した発電設備の全体の概略系統、図３には二段燃焼率と、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ濃度及び未燃炭素割合との関係を示してある。
図２に示すように、発電設備（火力発電設備）１１は、主に石炭を燃料として高温・高圧流体（高圧流体）である高圧蒸気を得るボイラ１２を備え、ボイラ１２で生成された高圧蒸気が膨張タービンである蒸気タービン１３で膨張されて駆動され、蒸気タービン１３の駆動により発電が実施される。そして、ボイラ１２の排ガス（発電動力を得た後の排ガス）を処理する排ガス処理手段１４が備えられている。
排ガス処理手段１４には、図１に示したシステムが備えられている。即ち、排ガス中の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物（ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４、Ｎ２Ｏ５のうちの少なくとも一つを含む：例えば、主にＮ２Ｏ５を含む窒素酸化物：Ｎ２Ｏ５）に酸化する酸化手段２が備えられ、酸化手段２で酸化されたＮ２Ｏ５を溶解してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段３が備えられている。溶解・酸化手段３で溶解されたＮＯ３ －を硝酸塩に変換し硝酸塩を、例えば、肥料として回収する第１変換手段４が備えられている。
尚、酸化手段２で酸化された窒素酸化物がＮ２Ｏ５である場合、溶解・酸化手段３はＮ２Ｏ５を溶解するだけの手段となる。酸化手段２で酸化された窒素酸化物がＮ２Ｏ５以外である場合（ＮＯ２など）、溶解・酸化手段３は窒素酸化物を溶解、酸化する手段となり、窒素酸化物は、溶解・酸化手段３で溶解、酸化されてＮＯ３ －とされる。
そして、溶解・酸化手段３で溶解されたＮＯ３ －を還元してＮＨ４ ＋にすると共に（還元手段５）、還元されたＮＨ４ ＋をＮＨ３（アンモニウム塩）に変換して回収する変換手段６が備えられている。変換手段６でアンモニウム塩が回収された場合、回収されたアンモニウム塩は、例えば、肥料として回収される。
ボイラ１２には、燃料の一部として変換手段６で回収されたＮＨ３が供給される。燃料に硫黄が含まれる場合、溶解・酸化手段３では、排ガス中のＳＯ２が同時に吸収される。排ガス処理手段１４には、煤塵除去を行う装置や、不純物を除去する装置が適宜備えられている。
排ガス処理手段１４を備えることで、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（主にフューエルＮＯＸ）を低減するための手当てをする必要がないボイラ１２を用いることができる。即ち、二段燃焼率を高くすると、図３に実線で示すように、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ濃度が低くなる一方、図３に点線で示すように、未燃炭素の割合が高くなる。逆に、二段燃焼率を低くすると、図３に実線で示すように、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ濃度が高くなる一方、図３に点線で示すように、未燃炭素の割合が低くなる。
排ガス処理手段１４を備えることで（図１に示したシステムを用いることで）、二段燃焼率を高くしたり、空気比を下げたりして、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（主にフューエルＮＯＸ）を低減する必要がなく、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（主にフューエルＮＯＸ）を排出する燃焼が可能になり、燃焼に対する制限を抑制することができる。また、未燃炭素を減らす燃焼を行うことができ、灰の品質を高めることができ、灰の利用を促進することができる。
更に、排ガスにＮＨ３を投入して脱硝する必要がないので、配管の腐食などの発生を抑制することができる。排ガスにＮＨ３を投入しないため、煤塵除去を行う装置に集められた塵などへのＮＨ３の付着がない。
図４に基づいて、燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムを適用した発電設備の他の実施例を説明する。
図４には上記構成の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムを適用した発電設備の全体の概略系統を示してある。
図４に示すように、発電設備（火力発電設備）２１は、天然ガスを燃料として燃焼ガスを得る燃焼器２２が備えられ、燃焼器２２には圧縮機２３からの圧縮空気が供給される。燃焼器２２の高温・高圧の燃焼ガス（高圧流体）は膨張タービン２４で膨張されて駆動され、膨張タービン２４の駆動により発電が実施される。そして、膨張タービン２４で仕事を終えた排ガス（発電動力を得た後の排ガス）を処理する排ガス処理手段２５が備えられている。
排ガス処理手段２５には、図２に示した発電設備と同様に、図１に示したシステムが備えられている。即ち、排ガス中の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（燃焼空気に含まれるＮ２に由来するＮＯＸ：サーマルＮＯＸ）を水溶性の窒素酸化物（ＮＯ２、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４、Ｎ２Ｏ５のうちの少なくとも一つを含む：例えば、主にＮ２Ｏ５を含む窒素酸化物：Ｎ２Ｏ５）に酸化する酸化手段２が備えられ、酸化手段２で酸化されたＮ２Ｏ５を溶解してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段３が備えられている。溶解・酸化手段３で溶解されたＮＯ３ －を硝酸塩に変換し硝酸塩を回収する第１変換手段４が備えられている。
尚、酸化手段２で酸化された窒素酸化物がＮ２Ｏ５である場合、溶解・酸化手段３はＮ２Ｏ５を溶解するだけの手段となる。酸化手段２で酸化された窒素酸化物がＮ２Ｏ５以外である場合（ＮＯ２など）、溶解・酸化手段３は窒素酸化物を溶解、酸化する手段となり、窒素酸化物は、溶解・酸化手段３で溶解、酸化されてＮＯ３ －とされる。
そして、溶解・酸化手段３で溶解されたＮＯ３ －を還元してＮＨ４ ＋にすると共に（還元手段５）、還元されたＮＨ４ ＋をＮＨ３（アンモニウム塩）に変換して回収する変換手段６が備えられている。変換手段６でアンモニウム塩が回収された場合、回収されたアンモニウム塩は、例えば、肥料として回収される。
燃焼器２２には、変換手段６で回収されたＮＨ３が燃料の一部として供給される。燃料に硫黄が含まれる場合、溶解・酸化手段３では、排ガス中のＳＯ２が同時に吸収される。
排ガス処理手段２５を備えることで（図１に示したシステムを用いることで）、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（主にサーマルＮＯＸ）を低減する必要がなく、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸ（主にサーマルＮＯＸ）を排出する燃焼が可能になり、燃焼に対する制限を抑制することができる。
本発明の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムは、発電動力の系統の他に、大型車両、船舶などのディーゼルエンジンの排気系に備えることができる。
本発明は、燃焼プロセスにおいて排出される、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを有価な反応性窒素として回収する回収システム、及び、発電設備の産業分野で利用することができる。
１ 燃焼手段
２ 酸化手段
３ 溶解・酸化手段
４ 第１変換手段
５ 還元手段
６ 変換手段
１１、２１ 発電設備
１２ ボイラ
１３ 蒸気タービン
１４、２５ 排ガス処理手段
２２ 燃焼器
２３ 圧縮機
２４ 膨張タービン

Claims (8)

  1. 水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、
    前記燃焼手段で排出された、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、
    前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、
    前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を、ＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する第２変換手段とを備え、
    前記第２変換手段で変換されたＮＨ ３ が、前記燃焼手段の燃料とされる
    ことを特徴とする燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システム。
  2. 水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、
    前記燃焼手段で排出された、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、
    前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、
    前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を硝酸塩に変換して回収する第１変換手段と、
    前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を、ＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する第２変換手段とを備え、
    前記第２変換手段で変換されたＮＨ ３ が、前記燃焼手段の燃料とされる
    ことを特徴とする燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システム。
  3. 請求項１もしくは請求項２に記載の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムにおいて、
    前記第２変換手段は、
    前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を還元してＮＨ４ ＋にすると共に、還元されたＮＨ４ ＋をＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する
    ことを特徴とする燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システム。
  4. 請求項１もしくは請求項２に記載の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムにおいて、
    前記燃焼手段は、燃料が燃焼されることで高圧流体を得るものである
    ことを特徴とする燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システム。
  5. 請求項１もしくは請求項２に記載の燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システムにおいて、
    前記燃焼手段は、燃料が燃焼されることで動力を得る機関である
    ことを特徴とする燃焼プロセスにおける反応性窒素の回収システム。
  6. 水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、
    前記燃焼手段の燃焼で得られた高圧流体を膨張して発電動力を得る膨張タービンと、
    発電動力を得た後の排ガスを処理する排ガス処理手段とを備え、
    前記排ガス処理手段は、
    排ガス中の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、
    前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、
    前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －をＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する第２変換手段とを有し、
    前記燃焼手段は、
    燃料の一部もしくは全部がＮＨ ３ とされ、
    前記燃焼手段には、
    前記第２変換手段で回収されたＮＨ ３ が供給される
    ことを特徴とする発電設備。
  7. 水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸの排出を伴う燃焼手段と、
    前記燃焼手段の燃焼で得られた高圧流体を膨張して発電動力を得る膨張タービンと、
    発電動力を得た後の排ガスを処理する排ガス処理手段とを備え、
    前記排ガス処理手段は、
    排ガス中の、水に対し不溶性のＮＯを主に含む不溶性のＮＯＸを水溶性の窒素酸化物に酸化する酸化手段と、
    前記酸化手段で酸化された水溶性の窒素酸化物を溶解もしくは溶解、酸化してＮＯ３ －にする溶解・酸化手段と、
    前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を硝酸塩に変換し硝酸塩を回収する第１変換手段と、
    前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －をＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する第２変換手段とを有し、
    前記燃焼手段は、
    燃料の一部もしくは全部がＮＨ ３ とされ、
    前記燃焼手段には、
    前記第２変換手段で回収されたＮＨ ３ が供給される
    ことを特徴とする発電設備。
  8. 請求項６もしくは請求項７に記載の発電設備において、
    前記第２変換手段は、
    前記溶解・酸化手段で溶解もしくは溶解、酸化されたＮＯ３ －を還元してＮＨ４ ＋にすると共に、還元されたＮＨ４ ＋をＮＨ３もしくはアンモニウム塩、または、ＮＨ３及びアンモニウム塩に変換して回収する
    ことを特徴とする発電設備。
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