JPH0297591A - 炭素含有物質の炉内での燃焼方法 - 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】 ［ａ集土の利用分野］ 本発明は、石炭燃焼炉およびその他関連する類の装置に
おいて燃焼効率を改善するための方法と添加剤組成物に
関する。

［従来の技術］ 熱発生のための石炭燃焼炉に関してはかなりの調査研究
が行われて来た。このような燃焼炉は大抵の工業地区に
おいて環境保全上問題視されている０石炭の燃焼におい
ては、システムのスタックから出る多種の燃焼性生物が
環境汚染の原因となりつる。特に問題とされるものの１
つは石炭燃焼炉のスタックからの煤（すす）のエミッシ
ョンである。これは主として炉内での石炭の不完全燃焼
に起因する。エミッションの中から煤を除去する種々の
手段が用いられて来たが、煤がどれだけ除去されるかそ
のためにどれだけコストがかかるか、の経済的バランス
が図られる。煤除去システムの負担を軽減するためには
石炭燃焼炉での燃焼を改善することが役に立つ、その見
地から、燃焼炉のファイアボールに供給される微粉炭の
粒度なコントロールすることに着目した種々の手段が用
いられて来た。さらに、炉内で可能な限り完全燃焼を行
わせるための空気の供給の調節も行われて来た。ファイ
アボールの中での燃焼を活発化させるために微粉炭に種
々の触媒やそのようなものを添加することさえも試みら
れて来た。

煤をコントロールすることは、油燃焼炉における重油の
燃焼に関しても研究されて来た０例えば米国特許第２，
８１８，４１６；　２，８９８．３５９；　３，１２２
，５７７：３．２１７，０２２．３，３４１，３１１．
３，５３５，３５６および３．９８９゜７３１号におい
て、鉄を含む化合物であるフェロセンが重油やガソリン
の燃焼を改善させるために用いられて来たことが開示さ
れている。また、口ゲット燃料のような固形推進薬の燃
焼を改善するための添加剤としてフェロセンを用いるこ
とが公知であり、そのようにフェロセンを用いることに
ついては米国特許第２，６９４，７２１；　３，５６４
，０３４゜３．５７７．４４９；　３，７３９，００４
；　３．８１３，３０７．３，８１６，３８０゜３、８
７８．２３３および４．１０８．６９６号で開示されて
いる。

し発明が解決しようとする課題］ 本発明は上記の問題を解決し、石炭燃焼の場合でも燃焼
を改善できるような手段を見出すことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者にとって意外であり、それが本発明に関するこ
とになったのなったのであるが、フェロセンまたはその
誘導体の１つまたは２つ以上のものを、適当なキャリヤ
に含ませて石炭燃焼炉のファイアボール（火球）中に送
入することによって、ファイアボールの中での燃焼が明
白に改善され、煤のエミッションが明白に減り、Ｎ０８
のエミッションは許容レベルに維持されることを発見し
た。

本発明のさらに他の側面として、石炭燃焼炉内において
燃焼により生ずるＮ０１の許容レベルを維持しつつ燃焼
効率を改善するためのプロセスが提供される。その石炭
燃焼炉は、炉内においてファイヤボールを形成してそれ
を維持するために炉内に微粉炭を送入するための少なく
とも１つの場所と、このファイアボールの中での微粉炭
の燃焼を支えるために空気を送入するための少なくとも
１つの場所を有する。

このプロセスは、微粉炭の燃焼を支えるために必要な過
剰空気の量をコントロールすることによって、Ｎ０８の
エミッションを許容レベルに維持しつつ燃焼効率を画燃
と改善するために、ある有効な量の一種の添加剤を少な
くとも１か所において送入することからなっている。そ
の添加剤は、１）　　ＲとＲ゛が各々独立に水素、アル
キル、シクロアルキル、アリールまたは複素環式である
下記構造式 で表わされるフェロセンおよびその誘導体よりなるグル
ープから選択された化合物と、２）前記フェロセン（ジ
シクロペンタジェニル鉄化合物）が可溶である有機質の
キャリヤ液とで成っている。

燃焼炉に供給される過剰空気は、所望の燃焼効率におい
て炭素を含む粒子のエミッションが許容できるレベルに
微粉炭の燃焼を支持するように、コントロールされ、そ
こで添加剤が用いられることにより、 １、　燃焼炉に供給される過剰空気を、添加剤を用いな
い場合の燃焼に必要な標準的空気量に比して減らし、こ
のように空気の供給を減らしていても、添加剤を用いる
ことにより、所望の燃焼効率と炭素粒子の許容含有量を
達成することと、 ２、　それと同時にＮ０８のエミッションのレベルを、
所望の燃焼効率と炭素粒子の許容含有量を達成できるよ
うな石炭の燃焼のための添加剤を用いなかった場合のＮ
Ｏｘのエミッションの通常レベルよりは低いレベルに維
持すること、を可能にする。

用いられる添加剤の量は、石炭の品質、石炭の供給流量
、バーナーの作動効率、といった数個のファクターによ
って定まる。ファイアボールの中に注入される添加剤の
濃度は、添加剤の中の鉄を、ファイアボールの中に供給
される石炭の量の瞬間値に対して何ｐｐｍにするかをベ
ースに決められる。用いられる添加剤の量の実際的下限
は、燃焼効率を画燃と上昇させる効果を生むに最低限必
要な鉄のｐｐ重量である。実際的上限は、さらに増して
も燃焼効率が画燃と上昇する効果を生まないようなｐｐ
重量である。燃焼効率の画燃たる上昇とは普通には１％
増から約９９％増までの範囲のこととされる。大抵の場
合には、用いられる添加剤の鉄の量は０．５ｐｐｍから
１１００ｐｐの範囲にある。添加剤をファイアボールの
中に注入するならば、少なくとも、ファイアボールの上
部領域での後段の燃焼の効率が改善されることによって
煤のエミッションは相当に減少すると共に、ＮＯｘのエ
ミッションの容認できるレベルが維持される。

［実施例］ 本発明の望ましい実施例を第１〜６図に示す。

第１図に石炭燃焼炉の代表的スケッチを示す。

燃焼炉１０は火室１２を有していて、それの大きさは横
方向１００ｆｔ　、高さ１００〜１５０ｆｔのオーダー
である。燃焼炉の火室１２の中でファイアボール１４が
形成され、それによって熱が発生され、熱は上向きに矢
印１６の方向に流れる。その熱が熱交換器１８，２０、
および２２において高温の燃焼ガスから奪われる。熱交
換器１８の領域での燃焼ガスの温度は１３００〜１４０
０℃の範囲にある。熱交換器２０の領域では、温度は約
７００〜８００℃に下っている。熱交換器２２において
は、その熱交換器から出るガスの温度が３００〜４００
℃の範囲にある。燃焼炉の底部２４にはアッシュホッパ
２６がある。それと同様に、熱交換器システムの下端２
８には、燃焼ガスがこのシステムを通過する際に自然に
落下した粒状物を除去するためのアッシュホッパ３０が
ある。燃焼ガスはさらに矢印３２の方向に動き続はダク
ト３４を通る。ダクト３４はガスを、静電セル３８を有
する電気集塵器３６に送る。そこで除去されたアッシュ
はアッシュホッパ４０に集まり、時々取り出され、トラ
ックまたは類似のもので搬出される。冷却されて１２０
℃程度になった燃焼ガス（排気）を矢印４６の方向にス
タック４４を上昇させて排出させるためにファン４２が
設けられている。

ファイアボール１４は燃焼炉の火室１２の中で、その領
域に送入される微粉炭が着火して生成する。図示してい
ないが、ノズル５０を経て微粉炭が送入されたときにそ
れに点火するための適当な天然ガスバーナが領域４８に
設けられている。

ファイアボール１４の中での燃焼を支えるために燃焼用
空気が、ノズル５０の回りにあるブレナム（空気の充満
する空間）５２から送入される。領域４８にある天然ガ
スバーナによって微粉炭が点火されてファイアボールが
生じ、それは、−互生じたら以後そのシステムに石炭と
空気が供給される限り自ら存続する。ブレナム５２には
加圧された空気がファン５４によって供給されており、
そのファンは５６において空気を取入れている。加圧さ
れた空気は流路６０を矢印５８の方向に通過する。燃焼
用空気はロータリー型エアヒータ６２によって加熱され
つる。このエフヒータは燃焼排気ガス系統３２の流路３
４から若干の熱を抽出してその熱で流入空気を、それが
ロータリーヒータのブレード６４を通過するときに加熱
する。ブレナム５２では必要量の空気をシステムに供給
しつるに十分な燃焼用空気の圧力が維持されている。

図示していないが、石炭の中にある炭素含有物質とその
他の窒素や硫黄を含む化合物を完全に燃焼させるために
必要な理論量をわずかに越える量の空気を供給するため
に、システムに入る空気量をコントロールするための制
御装置をノズル５ｏのところに設けてもよい。

燃焼炉に供給される石炭は、コンベヤ６６に乗って来て
石炭バンカー６８に入れられる０石炭はそこから石炭粉
砕機７ｏに供給される。石炭粉砕機は圧縮機７４から来
ている空気供給うイン７２が接続しており、この圧縮機
はダクト７６の中の加圧された空気の一部を取出してい
る。微粉炭は加圧された空気に伴われて流路７８を経て
マニホルド８０に供給される。複数の噴射管路８２が設
けられており、それらのおのおのはそれぞれにノズル５
０に連通している。微粉炭はノズル５０からファイアボ
ール１４の中へ噴射され、ファイアボールを維持する。

前述したように、必要な燃焼用空気がブレナム５２の中
に供給され、火室１２に流入するが、それについては第
２図によって詳しく述べる。

第３図の断面図で示されているように、燃焼炉１０の火
室１２は、対向する３つの側壁８４゜８６．８８，９０
，９２．９４によって形を規定されている。この実施例
の場合、おのおのの側壁には、微粉炭とそれの燃焼を支
えるに必要な空気を送入するだめの複数の場所がある１
例えば側壁８８には、火室のファイアボールの領域への
送入のために、ノズル５０を有する微粉炭噴射管路８２
と酸化用空気を供給するブレナム５２がある。燃焼炉の
他のすべての側壁でも同様な設備があって、このように
することは大抵の石炭燃焼炉の操業では普通に行われる
ことである。燃焼する石炭がかなり少なく、したがって
それを送入する場所の数が少なくてよい燃焼炉もあるこ
とは知られることである０例えば、これらの側壁の導入
場所が１つとか２つとい・）少ない数でシステムを操業
することもある。

第２図に石炭と空気の噴射システムがより詳しく示され
ている１例として側壁８８について言えば、２ノズル５
０は側壁の面の領域に位置している。ノズル５０への供
給は管路８２を経て行われるが、微粉炭と空気は矢印９
６の方向にこの流路に入り、ノズルから矢印９８の方向
にファイアボール１４の中へと噴出する。側壁８６にお
いても、２１ズル５０と、微粉炭をノズルに送る管路８
２をもつ同様の設備が設けられている。微粉炭をファイ
アボールの中へ導入するためには様々のノズル配置が用
いられうろことを承知すべきである。すなわち、第２図
で示しているのは、石炭燃焼炉で普通に用いられる種々
のノズルのうちの、説明のための１例に過ぎない。

図においてなお略図式に、ファイアボールでの燃焼を維
持するために必要な空気の導入のさｉ１方が示されてい
る。全体とし［５２で示すブレナムは、後壁１００、頂
部壁１０２、および、図示していない側壁を有する。ブ
レナムは、加圧された空気を包蔵するが、その空気は上
向きに矢印５８の方向に流れる。５．ノズルの管路８２
はケーシング１０４で包囲されていて、このケーシング
の端面壁１０６には開口１０８がある。開口１０８は管
路８２より大きいので、管路８２の回りに環状スベー・
ス１０８ができている。このことにより、加圧された空
気はこの環状開口を経て、やはり環状であるスベ・−ス
１１０へと流れ、そこから矢印１．１２の方向へファイ
アボールの中へと噴出することとなる。

供給された石炭の燃焼を改善するための添加剤は貯蔵タ
ンク＋１４の中に貯えられている。このタンクの出口は
１１６にあって、そこから流路１２０を経゛Ｃポンプ１
１８に供給がなされる。ポンプの出口１２２は配管１２
４に接続されている。配管１２４か６１２６、１２８と
いった数本の枝管が分岐している。枝管１２８は複数の
噴射ノズル１３０に連結している。

枝管１２８はマニホルドの役をなすもので、これには一
連のノズル１３０に供給するための複数の流路１３２が
接続されている。ノズル＋３０は、この実施例では各々
の微粉炭送入場所の下方に位置している。第１図に示し
であるように、燃焼炉の各々の壁には、縦方向に並んだ
複数の、例えば４つの微粉炭噴射ノズル５０がある。第
２図に示す実施例では、各々の微粉炭導入口の下方に１
つの噴射ノズル＋３０が位置している。しかし、燃焼炉
における微粉炭のローディング次第によっては、添加剤
のための噴射口の必要数がもつと少ない場所もあり、噴
射口は、添加剤がファイアボールの中へ送入されること
を確実にするような場所である限り、燃焼炉の壁のどん
な場所にでも置かれうるど理解してよい、そのような場
合には、微粉炭送入の場所のの１つだけの下方に１つだ
けのノズル１３０を位置させることもありうる。また、
燃焼炉の中で燃焼される所望の能力に見合う石炭の量次
第であるが、添加剤噴射ノズルの場所がすべての壁にあ
る必要がないことも承知すべきである。いずれの場合で
あっても、選択された場所に添加剤を噴射するための燃
焼炉の周壁上に配置されるすべての、ノズルへの供給に
は、ボ〕／ブ１１８１台あれば充分である。貯蔵タンク
！１４は、燃焼炉の数時間の運転のために充分な容量を
有し、必要によって追加の添加剤を用意に補給しつるも
のであればよい。　添加剤は、 １）　　ＲとＲ゛が各々独立に水素、アルキル、シクロ
アルキル、アリールまたは複素環式である下記構造式 で表わされるフェロセンおよびその誘導体からなるグル
ープから選択された化合物と、２）前記フェロセン（ジ
シクロペンタジェニル鉄化合物）が可溶であって、前述
のような燃焼炉の外部環境での運転温度で噴射可能な有
機質のキャリヤ液とでなっている。

式Ｉにおいて、アルキルとは、メチル、エチル、プロピ
ル、ｎ−ブチル、ヘキシルまたはペプチルと云った分岐
または直鎖の炭素原子数１〜ｌＯのアルキルグループを
意味する。シクロアルキルとは、シクロペンチルまたは
シクロヘキシルなどの炭素原子数３〜７の低級シクロア
ルキルグループを意味する。アリールとは、芳香族化合
物から水素原子１つが除かれて得られる有機ラジカルを
意味する。上記の化合物には、フェニルおよび低級アル
キル置換フェニルのような置換フェニルがある。これら
の化合物には、トリル、エチルフェニル、トリエチルフ
ェニル、クロロフェニルのようなへロフェニル、または
ニトロフェニルがある。複素環式とは、ピリル、ピリジ
ル、フリフリルおよび類似のものを意味する。アリール
または複素環式グループは一般には炭素原予約１５まで
を含む。

ジシクロペンタジェニル鉄は普通にフェロセンと呼ばれ
ている。したがって上記の式Ｉの化合物はフェロセンと
その誘導体であると考えられる。

式Ｉの望ましい化合物としては、フェロセン（ジシクロ
ペンタジェニル）鉄、ジ（メチルシクロペンタジェニル
）鉄、ジ（エチルシクロペンタジェニル）鉄、メチルフ
ェロセン、エチルフェロセン、ｎ−ブチルフェロセン、
ジデシルフェロセン、フェニルフェロセン、ｍ−トリ（
ｍ−ｔｏｌｙ）フェロセン、ジデシルフェロセン、ジシ
クロヘキシルフエロセン、およびジシクロペンチルフェ
ロセンがある。　有機質のキャリヤ液は、選択されたジ
シクロペンタジェニル鉄化合物が可溶であるタイプの液
である。さらにキャリヤ液は引火点が高く、運転温度に
おける粘度が噴射ノズル１３０を通じて噴射することが
可能であるような粘度の液である。キャリヤ液の引火点
が７４°Ｆより高く、沸騰点が９５°Ｆより高いのが望
ましい、キャリヤ液の粘度は普通には２０℃で５０セン
チポアズ以下であるが、２０℃において０．３〜３セン
チポアズの範囲にあるのが望ましい、適当な有機質キャ
リヤ液、すなわち溶剤は、芳香族タイプでも炭化水素タ
イプでもよい、芳香族の溶剤としては、キシレン、トル
エン、およびソルベソル（Ｓｏ　１ｖｅｓｏ　１）１０
０”（Ｉｍｐｅｒｉａｌ　Ｏｉｌ製の）がある、ソルベ
ソル１００”はベンゼンとナフタレンの混合物であって
、引火点が１００°Ｆくらいである。適当な炭化水素と
しては、ヘキサノール、オクタノールなどのアルコール
がある。その他炭化水素として、重油、軽油、石油スピ
リット、および類似のものがある。この種の溶剤は、低
い粘度と関係する引火点を有する。これら溶剤は安定で
、選択された添加剤が可溶である。もちろん、選択され
た溶剤は、燃焼したときに毒性がない。

添加剤が、石炭燃焼炉の運転に用いられるその他の物質
と区別されるべく、それに特色的な色がつくように、市
販の種々の着色剤を含んでいてもよいことを承知してお
くべきである。添加剤の容器は爆発に対して安全でなけ
ればならず、適切に取扱われるべきである。タンクには
また、爆発・火災のリスクを最小にするために、適切な
装備がなされているべきである。

第４図では、添加剤の噴射量（流量）をコントロールす
るための電子的制御回路の１例の該略図が示されている
。コントローラ１３４は、キーボード１３６とＲＯＭ１
３８に内蔵されたそれの内部プログラムによってプログ
ラミングされつるような、どんな標準型のマイクロプロ
セッサであってもよい。

さらに、追加のプログラミングインストラクションと毎
日の運転で作られたデータの記憶のためにＲＡＭ＋４０
が設けられている。コントローラの入力には、粉砕機中
に流れる石炭の型皿流量を測るためにホッパに設けられ
た標準型の流量検出デバイス１４２から来るものがある
。流量検出デバ・イス１４２の目的は、燃焼炉に送入さ
れている微粉炭の流量を、時間を区切って定期的に検出
することにある。この情報がライン１４４を経てコント
ローラに供給される。キーボード１３６とＲＯＭ１３８
の中のプログラムからの入力情報に基づいて、コントロ
ーラ！３４はポンプ１１８の吐出流■をコントロールす
る信号をライン１４６において作り出す、当業者なら理
解することであるが、ライン１４６における信号は、添
加剤をノズル＋３０を通して所望の流量で供給・噴射す
るに必要な圧力が生ずるようなポンプ１１８の特定の回
転数を設定する信号であればよい、ポンプ１１１＋から
吐出される添加剤の流量を知らせるようにライン＋５０
を経てコントローラに情報をフィードバックする、とい
うフィードバックの目的で、第２図に示されているよう
に、配管１２４に流量センサ１４８が設けられている１
次いで：コントローラは、そのフィードバックループに
より、ライン＋２４で所望の流量が得られるように、さ
らにポンプ１１８の回転数を調整することができる。こ
のようなポンプ１１８の回転数の調整動作のすべては、
コントローラ１３４の記憶装置に入っているプログラム
に基づいて行われる。

燃焼炉への石炭の流量は、２５Ｉ２ｂ／ｈ〜１７０ｔ／
ｈの範囲にある。添加剤の流量は、その中での鉄の含有
量によるが、添加剤の中の鉄は、燃焼炉に供給される石
炭の流量に瞬時値に対していつもＯｌ、〜１１００ｐｐ
の割合になっていることが望まれろ、もちろん、多量の
添加剤は不要という場合もあり、大抵の供給炭ｆ重では
、鉄の量が石炭の量に対して０．１〜５ｐｐｍとなるよ
うな添加剤の量が普通には充分であることが知られてい
る。したがって、コントローラ１３４の記憶装置に入っ
ているプログラムは、システムへの石炭供給の既知流量
を基に、所望の添加剤の流量（単位時間当たり）が得ら
れるようにポンプ１１８への必要なコントロールを行う
。

ダクト７日を通る石炭の流量を測定するシステムは、ホ
ッパに入ってから粉砕機に供給される石炭の重量を測定
しつるに適当な、どんなタイプの重力測定デバイスでも
よい、フェロセン添加剤を送入するための望ましい方法
は、大型の燃焼炉の場合は特に、前述した噴射による方
法であるが、燃焼している石炭にフェロセン添加剤を導
入するには他の種々な方法も用いられることは勿論であ
る０例えば、フェロセン添加剤が燃焼炉に導入される前
の微粉炭に混入させてもよいし、燃焼を支えるために供
給される空気に同伴させてもよい。

このタイプの添加剤を噴射することで得られる明白な効
果は燃焼効率の向上であって、それの結果どして、煤、
つまり炭素を含む粒子のエミッションが減る。実際の工
業的な条件下でこの添加剤を実験的に用いた結果から言
えば、７５％までの煤の減少が容易に得られる。このド
ラマチックな効果は、元来煤のエミッションが極めて少
ない高性能の燃焼炉システムにおいてさえも達成されつ
る０本発明によるこの添加剤は本出願者によってＣＡＲ
ＢＯＮＥＸの商品名で市販されているが、これを用いる
と、熱出力の増加による燃料供給量の明らかな節減が得
られる。燃焼効率が向上すると汚れとか腐食が減り、そ
の結果、熱伝達が改善され、装置の寿命が延び、保守費
が減少し、プラント操業の中断を最小限にする。その他
の好都合な効果として、過剰空気の必要量が減り、スー
トブロワ−を運転するためのファンの動力が減り、低品
質で安価な燃料を効果的に用いることが可能になり、市
販可能のアッシュの回収量が増える。Ｃａｒｂｏｎｅｘ
を用いることは、燃焼で生ずる酸生成成分が減ると云う
、間接的な効果を生む、燃焼中に生じた硫酸が煤に吸着
され、炭素の表面上での反応によってそれが発生すると
いうことは知られている。そのような酸を含む煤の粒子
が大気中に排出されると、いわゆる酸性スマットの落下
が結果として起る。しかし、本発明を用いれば、煤のエ
ミッションが減るのでそれに応じて酸のエミッションも
減る。　Ｃａｒｂｏｎｅｘを用いる他の利益は、エミッ
ションの中の煤が減ることによって生ずる。すなわち、
それに応じ、比較的小さい煤の粒子の大気中での量が減
る。１５ミクロンより小さい粒子は大気中に長期間にわ
たって懸濁状態で留まり、したがって呼吸によりそれを
吸い込むことはよく知られている。しかし、Ｃａｒｂｏ
ｎｅｘ添加剤を用いれば、石炭燃焼炉からの比較的小さ
い煤の粒子のエミッションが顕著に減少する。

本発明による添加剤の有効さを試験するために、パイロ
ットプラントスケールの石炭燃焼炉を、エミッションを
試験するための適当なハードウェアと共に用いた。燃焼
の性能は排気ガス中の下記のをエミッションの分析によ
り測定した。

二酸化炭素（ＣＬ）、−酸化炭素（ＣＯ）、酸素（０□
）、酸化窒素（ＮＯｘ）、二酸化硫黄（ＳＯ□）、粒状
物（ＲＯ，）排気ガス中のこれらの値を測定するために
、次ぎの分析法を用いた。ＣＯとＣＬのエミッションの
測定には非分散赤外線法、０３濃度の測定には常磁性法
、　ＮＯｘエミッションの測定には化学ルミネセンス法
、ＳＯ３のエミッションの測定にはパルス蛍光性１粒状
物質の測定や、エミッション中での粒状物質の下記の特
性の分析のためには、“５ｔａｎ−ｄｅｒｄｓ　ｏｆ　
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｆｏｒ　Ｎｅｗ　５ｔａｔｉ
ｏｎａｒｙＳｏｕｒｃｅｓ　”　Ｆｅｄｅｒａｌ　Ｒｅ
ｇｉｓｔｅｒ　３６．Ｎｏ、２４７．２４８７６゜１９
７１年１２月２３日版の方法“５”を用いた。

粒状物質の特性とは、 粒状物質の量 炭素含有量 灰含有量 粒度分布 である。

パイロットプラントスケールの燃焼炉を、平均６００〜
７００ｋＢＴｔｌ／ｈｒ負荷で運転した。当然問題にさ
れることは、この装置の運転が、＋０００ｘ　１０’Ｂ
ＴＵ／ｈ＋−またはそれ以上の負荷で燃焼される実用ス
ケールの燃焼炉で得られる運転に匹敵するかどうかであ
る。前以ての経験によれば、添加剤が燃焼効率に及ぼす
効果に関しては、実験室スケールまたはパイロットプラ
ントスケールのバーナと実用スケールの燃焼炉との間で
、かなり密接な関係があることが知られている。

本発明による添加剤の有効さを確かめるために、代表的
な石炭のサンプルを使って試験した。

石炭は下記の第１表に示すとおりの特性を有して策−」
−一潰 試験石炭の特性 一゛の　　　　　　　　創り 発熱量（Ｂｔｕ／Ｉｂ、　　乾） 工業分析（ｗｔ％、乾） 揮　　発　　分 固定炭素 灰　　　　　　分 元素分析（ｗｔ％、乾） 炭　　　素 水　　　素 窒　　　素 硫　　　黄 酸　　　素 灰　　　分 １２．７７９ ４１．３８ ４Ｂ、５９ １０．０３ ７０．４２ ５．０７ ４、Ｏｌ ９．１４ １０．０３ 有機質キャリヤ液が全体の燃料プロセスに影響を及ぼす
能力を有すると考えられるので、先ず見本的キャリヤを
用い、それが燃焼効率に影響を及ぼすとすればどの程度
であるかを確かめるための試験を行った。この例におい
ては、用いられたキャリヤ液はキシレンであった。添加
剤は、フェロセン中の鉄が重量で５０００ｐｐＨ１１の
割合でキシレンキャリヤ中に溶解してなるものであった
。この添加剤は石炭燃焼炉の中で必要な適当な鉄の濃度
になるように希釈された。つまりキシレンがフェロセン
を含む場合と含まない場合について試験し、下記第２表
に総括しである結果を得た。

／ ／ 第１のコラム（欄）、すなわち鉄はＯｐｐｍであるが石
炭にはキャリア（キシレン）がプラスされている場合が
ベースライン燃焼とされ、他の、フエセロンを用いた場
合はこれと比較される。したがって添加剤の噴射以前の
総合効率がこのコラムに記しである。

キシレンだけを用いて得られた結果と比べると、フェロ
センを含むＣａｒｂｏｎｅｘ添加剤が粒状灰中の炭素を
減らす顕著な効果を生むことが明白である。キシレンだ
けの場合の結果と比べると、Ｃａｒｂｏｎｅｘ中の鉄が
１　ｐｐｍの場合は、粒状灰中の炭素は３．１ｗｔ％か
ら２．８ｗｔ％に減っている。炎の中に噴射されたＣａ
ｒｂｏｎｅｘの濃度をフェロセン中の鉄が５　ｐｐｍの
レベルになるまで高めた結果では、粒状灰中の炭素は０
．１１ｗｔ％まで減っている。その結果として、燃焼効
率はキシレンだけの場合は９９．６２％であったのに対
し、Ｃａｒｂｏｒ＋ｅｘがある場合には９９゜８８％に
上昇している。

次表は、燃焼性能の変化により得られた結果の解析を示
す。

第３表 瀝青炭の燃焼におＧフるαｍ１）ＯｎｅＸの効果の鉄の
レベルによる相異燃焼性能の変化についての上記の解析
によれば次のとおりの有効性が確認される。すなわち、
Ｃａｒｂｏｎｅｘの噴射を、石炭の炎の中に入ったＣａ
ｒｂｏｎｅｘの中の鉄がｌ　ｐｐｍからｓ　ｐｐｍにな
るように変えたとき、粒状灰中の炭素は一１０％から一
７４％へと明白に減っている。その結果として、燃焼効
率は、Ｃａｒｂｏｎｅｘの鉄がＯｐｐｍであった場合の
燃焼効率に比べて０．２６％上昇している０石炭の炎の
中に噴射されたＣａｒｂｏｎｅｘの鉄を５　ｐｐｍとし
た場合、灰の量は７２％増加し、平均粒径は１１％増加
し、ＮＯ。

のエミッションは３１０ｐｐｉ増加している。

Ｃａｒｂｏｎｅｘの使用量を増すことによりＮＯｘのエ
ミッションが増加し、それは許容限度レベルを越えるこ
とになる。そこで、空気の供給量レベルを下げればＮＯ
ｌのエミッションは許容限度レベルまで戻るだろうとの
提案がなされた。試験の結果、過剰空気のレベルを２６
％から１０％まで下げればＮＯヨのエミッションは、第
４表と第５図で見られるように許容限度レベルまで低下
することが判明した。しかしこれは実に驚くべきことで
ある。というのは、本発明による添加剤の存在が効力を
発するので、炭素粒子を酸化するに必要な酸素量がかな
り減り、したがって窒素成分を酸化する余剰の酸素が存
在することになる、と考えられるからである。したがっ
て、ＮＯｘのエミッションを減らし、しかも炭素粒子を
酸化するのに大きな酸化力を維持しながら、空気の所要
量をらすことができる。

過去においては、典型的な石炭燃焼の実用的ボイラの運
転では、Ｎ０８のエミッションはシステムにおける過剰
空気の量に比例すると見られていた。一方では、炭素分
と炭素粒状物は過剰空気量に反比例する［これは、’Ｐ
ｒｏｇ、ｉｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄＣｏｍｂｕｓｔｉ
ｏｎ　Ｓｃｉ、”誌の１９７６年の２：１〜２５に掲載
のＡ、　Ｆ、　ＳａｒｏｆｉｍとＲ，Ｃ，Ｆ　ｌａｇａ
ｎ　　著の　“ＮＯ。

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　５ｔａｔｉｏｎａｒｙ　Ｃｏ
ｍｂｕｓｔｉｏｎ　５ｏｕｒｃｅｓおよび同誌の１９７
８年の４＋２１０〜２２０に掲載のＢ、ＰＢｒｅｅｎと
Ｊ、　Ｃ，５ｏｔｔｅｒ著の“米国の大型スチームジュ
ネレータにおける効率不良とエミッションの削減″によ
る］、シたがってそれから帰結されることは、過剰空気
が減ればｊ４０８のエミッションは減り、炭素を含む粒
状物は増えるはずだ、ということである。

石炭燃焼の実用的ボイラの運転者は、ＮＯｘによる大気
汚染の防止の基準に適合させるためと、燃焼効率を犠牲
とせずに総合プラント効率を理想的に改善するため、の
２つの理由のために過剰空気を減らしたいと欲すること
になる。しかし不都合なことに、運転者が燃焼のための
過剰空気を減らして行くと、所望のＮＯｘエミッション
に到達するよりも前に燃焼効率が低下し始め、その結果
、立ち登る黒煙ではっきり知られる程の高レベルの粒状
炭素が生成する。実に驚くべきことに、本発明により添
加剤を微粉炭の燃″焼の過程において用いることが、過
剰空気の低いレベルにおいて燃焼効率の高いレベルを維
持することを可能にする手段となる。

Ｃａｒｂｏｎｅｘフェロセン添加剤が石炭の中で発する
効果を調べるために、過剰空気のレベルを２通りとし、
Ｃａｒｂｏｎｅｘが存在する場合と存在しない場合の、
燃焼性能の広範囲にわたる緒特性を測定して試験を行っ
た。これらの試験の結果を９括して下記の第４表に示し
、またグラフにして第５図に示している。第４表におけ
る燃焼性能の諸特性値の標準偏差測定値は次のとおりで
ある。

０ス　　±　２％ ＣＬ　　±　２％ ＣＯ±　　３％ ＮＯｘ±　　　２％ 炭化水素　±　　２％ 粒状物質の伍　±　　５％ 燃焼効率　士　　、００５％ 燃焼効率は、燃焼中の炭素分が燃焼によって酸化してＣ
Ｏ□になる程度を基礎にして求められる。

第４表 ｃａｒｂｏｎｅ、ｘの噴射を行なった燃焼試験の結果第
４表に示したデータから知られるように、燃１４への添
加剤としてＣａｒｂｏｎｅｘを送入することは、過剰空
気のレベルがどちらである場合にも、燃焼効率を高める
効果を生んでいる。すなわち、　９８．３５％から９９
．３０％と、９９．６２％へから９９．８８％と高めて
いる。燃焼効率の上昇と共にＮＯｘの生成の増加と、粒
状灰中炭素の減少が起っている。予測しなかったことと
して、過剰空気を２６％から１０％に減らしたとき、Ｎ
Ｏｘ−ｃミッションの増加は、過剰空気２６％でキシレ
ンだけを用いた場合と相並ぶレベルまで減少し、この際
燃焼効率は容認されるレベルである９９．００％より下
がることはない、これらの知見から察せられることは、
過剰空気のレベルが低いときに、　ＮＯｘエミッション
に関する環境空気の質を犠牲にすることなしに燃焼効率
を維持するために、石炭燃焼添加剤としてＣａｒｂｏｎ
ｅｘが用いられうることである。

第４表番Ｊ示したデータから察せられることは。

Ｃａｒｂｏｎｅｘを１０％の過剰空気と組合せるならば
、過剰空気２６％でキシレンだけの、つまり基準の炎の
場合と似た特性の炎ができるということである。

これら両者の炎ではＮＯｘのエミッションがほぼ同様、
不完全燃焼生成物のエミッションがほぼ同様、そして燃
焼効率のレベルがほぼ同様となる。

過剰空気のレベルが低いときに、　Ｎｏ、エミッション
について環境空気の質を犠牲にすることなしに燃焼効率
を維持するために、　Ｃａｒｂｏｎｅｘが石炭燃焼添加
剤として用いられつるという、この予期しなかった知見
によって、炎とバーナシステムの物理的特性を有利に利
用することが可能となる。

どんなバーナシステムにおいても、炭素の燃焼は炎の中
のどこにその炭素粒子があるのかによって、相異る反応
条件の下で起る。炎の最高温の部分は燃料分の多い、す
なわち過剰空気の少ないコア部分である。

炎の温度は、炎の最高温領域から炎の縁端部分の方へと
ある勾配をもって減少して行く、この減少して行く温度
勾配に沿って、空気の利用度は漸次に増大して行く。

したがって燃焼の段階を次のように区別することができ
る。それは ａ）　高温で比較的に過剰空気が少ない燃料リッチの段
階、すなわち還元炎から。

ｂ）　温度が低下していく比較的に過剰空気の多いニア
リッチの段階、すなわち酸化炎まで、の範囲げわたる。

これら２つの燃焼の段階の区別を知ることにより、燃焼
の種々の段階での温度の違いと過剰空気量の違いとを利
用する段階的燃焼システムを、少なくとも理論的にＮｏ
、エミッションを減らすために、公知の方法で構築する
ことの可能性が開ける。しかし実際上、ＮＯｘエミッシ
ョンを減らすための手段として段階的燃焼を利用するこ
とは、粒状物やその他の不完全燃焼生成物の増加とＮＯ
ｘエミッションの減少との関係を断ち切ることに成功し
ていない。

本発明によるＣａｒｂｏｎｅｘ添加剤を用いることによ
って、工業規模の石炭燃焼炉システムの運転を成功裡に
行いつる。第６図に燃焼炉のバーナ一部分の拡大した断
面図を示している。微粉炭は主流路７８を経てマニホル
ド８０に供給される。複数の石炭噴射管路８２が石炭を
噴射ノズル５０に送るので、石炭は第１図に関してさき
に説明したようにファイアボールへと供給される。

ファイヤボールを維持するために注入された石炭の燃焼
を支えるために、各ノズル５０の回りから空気が供給さ
れる。空気供給の詳細については第２図でより詳しく説
明されている１段階的に燃焼を達成するために、ファイ
アボール１４の高さに沿って供給される過剰空気の量が
コントロールされる。ファイアボールの下方領域１６０
には比較的に少い過剰空気が供給され、還元炎領域がで
きる。上方領域１６２ではより多くの過剰空気が導入さ
れ、そこでは酸化炎領域ができる。ファイアボール１４
の中での還元炎から酸化炎への移行が連続的になるよう
に２導入される過剰空気の量は。

下方領Ｆ１＋６０から上方領域１６２に至る間において
段階的に少しずつ多くされている。

噴射ノズル５０の各々での過剰空気の量が、噴射ノズル
の位置によって上記のように段階的に少しずつ多くなる
ことを達成するためには、空気供給システムを変える必
要がある。つまり、圧縮機７４から来る圧縮された燃焼
用空気は４つの独立したタクト１６４．１６６、１６８
８よび１７０に供給される。ダクト１６４．１６６．１
６ａ　ｉ３よび１７０の各々に流量コントロールバルブ
１７２．１７４．１７６８よび１７８が設けられている
。これら空気のコントロールバルブは、それぞれのノズ
ルの噴射場所に供給される空気量を制御するように、電
子的に作動させられるものであるのが望ましい、その電
子的制御はコントローラ１３４によって行われつる。こ
のコントローラのための制御プログラムは、還元炎領域
から酸４化炎領域までの段階的燃焼が実現するように各
噴射場所５０において必要とされる過剰空気ふ、他の入
力に基づいて供給するようになっている。

つまりコントローラは、検出された石炭供給の状況に応
じ、バルブ１７２．１７４．１７６および１７８の開度
を、燃焼プロセスの各段階で必要とされる量の過剰空気
が正確な割合で供給されるようにセットする１例示の目
的で言うならば、これらの比例バルブは、過（１１空気
のレベルが最下段用は最も少いｌ。

％、第１の中間［０では１３％、第２の中間段では１７
％、最−に段では２０％となるようにセットされつる。

Ｃａｒｂｏｎｅｘ添加剤は段階的燃焼を実現可能で有用
な燃焼方法とした。過（１１空気のレベルが低い所では
Ｃａｒｂｏｎｅｘ添加剤の（ｒ在によって燃焼効率が上
昇する一方、許容ＮＯ、エミッションの１ノベルが維持
される。　Ｃａｒｂｏｒ＋ｅｘ添加剤の存在１．′″よ
って可能となった還元炎中での燃焼効率の上昇によって
、この段階での全体的燃焼を改善ｊ７、その結果、煤、
煙およびその他の汚染物質どして排出される不完全燃焼
生成物の発生が少なくなる。それと同時に、この段階で
の酸素の欠乏が、Ｎｏあの生成を阻止する。

残っている粒状炭素が炎の酸化性領域に入るときには、
その残りの粒状炭素を酸化することを助けるｊ：めに過
剰空気を増すことができる。その後「４階において送入
された過剰空気は、ｒ９０．エミツシヨン（二関してリ
スクを招来することにはならない、何故ならば、炎のこ
の部分では温度が低いからである。したがって、Ｃａｒ
ｂｏｎｅｘ添加剤を用いることによって、ＮＯｘの形成
を増大させることなしに燃焼効率を」−昇させ、不完全
燃焼生成物の発生を減らすという好都合な利点を有する
段階的燃焼システムを確立することができる。

段階的燃焼システムにおいてＣａｒｈｏｎｅｘの使用を
支持する証拠が下記の第５表から見出される。第５図に
示されたデータは１つの離調（ｄｅｔｕｎｅｄ）バーナ
システムで得られたものである。理解されるであろうが
、離調バーナシステムは」−述の段階的燃焼における反
応条件と似た反応条件を近似的に作り出す。

第５表のデータで示されているように、キシレンキャリ
ヤー噴射の場合の石炭の炎においては、二次燃焼用空気
の渦流を減らし平均の石炭粒径を増大させるときは、Ｎ
０８エミツシヨンが減り、全体平均粒状物粒径が増し２
粒状物量が増し、燃焼効率が低下する。これらの変化は
多かれ少かれ過剰空気の関数であるようにみえる。

５ｐｐｍのＣａｒｂｏｎｅｘ鉄を、離調のまたはより大
粒径の揮発分の多い瀝青炭の炎に噴射すると、ＮＯｘエ
ミッションが増し、全体平均粒状物粒径が減り。

粒状物量が減り、燃焼効率が増大する。これらの変化量
はバーナーを離調にしたこと、または石炭の粉砕程度を
より大粒径にしたことによる変化量と埋合せている。

低度渦流、または大粒径の石炭の炎において、鉄の割合
が５ｐｐａｒになるようにＣａｒｂｏｎｅｘを噴射する
と共に過剰空気を２０％から１０％に減らした場合、燃
焼効率は９８％十のレベルに維持されつつ、正味のＮＯ
□イ氏誠が約２５％であった。

以上を総括するに、これらの試験はこの添加物が石炭の
添加物として有効であることを明らかにしている。この
添加物は還元性の条件下で燃焼に肚蝶的に動くと見られ
つる。したがって、この添加剤は段階的または離調の燃
焼装置における燃焼効率を改善するために用いられつる
。この技術によって得られる利点は、ＮＯｘのエミッシ
ョンを減らすことができ、しかも燃焼効率を容認される
限度内に維持することが可能になることにある。

そこで（：ａ’ｒｂｏｎｅｘ添加剤は、段階的燃焼シス
テムまたは離調燃焼システムのような燃焼の段階の原理
を用いることを可能にする。　Ｃａｒｂｏｎｅｘ添加剤
がなければ、そのような燃焼システムはＮＯｘエミッシ
ョンを減らしつるような有用なシステムであり得なかっ
た。何故ならば、煤や煙としての粒状物のエミッション
が大いに増大するからである。しかしながら、微粉炭燃
料にＣａｒｂｏｎｅｘを添加するならば、そのような燃
焼の効率が向上する。許容ＮＯｘエミッションのレベル
を維持しつつ粒状物のエミッションの問題を解決するこ
とにより、多くの環境保全上の利便と経済的便益が得ら
れる。これは予期されなかった結果である。何故ならば
５従来の研究のすべては、ＮＯＭのエミッションが減れ
ば不完全燃焼生成物は増えるということが燃焼の基本法
則であると教えていたからである。酸素の有効量とＣａ
ｒｂｏｎｅｘ添加剤の量とを適宜に調節することによっ
て燃焼効率と汚染物質のエミッションとがコントロール
されつるという驚くべき結果を発見したので、この技術
的イノベーションを産業上実施、応用するために、種々
の具体的実施態様を考えることができる。それを具体化
する方法としては、全文（ｗｈｏｌｅ　ｆｌａｍｅ　）
バーナシステム、段階的燃焼、および渦流（ｓｗｉｒｌ
ｅｄ　）燃焼（当業者にとって離調燃焼としても知られ
ている）などがある０本発明が利用されつるバーナシス
テムのその他の実施態様は、当業者にとって容易に知る
ことができる。

以上、本発明の望ましい実施態様について詳しく説明し
たが、本発明の理念または特許請求の範囲に記載の内容
から離脱することなしに様々の変形を行い得ることを、
当業者は理解しつるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はエミッション除去システムな゛備えた石炭燃焼
炉の概略図、 第２図は微粉炭、空気および添加剤の噴射の場所を示す
炉壁の一部分の断面図、 第３図は第１図の３−３矢視断面図、 第４図は添加剤の噴射の量を定めるための電子的制御シ
ステムの概略図。 第５図は燃焼効率およびＮＯｘエミッションに及ぼずＣ
ａｒｂｏｎｅｘと過剰空気の効果を示す図、第６図は燃
焼炉のバーナ部分の拡大概略図である。 ＩＤ・・・・燃焼炉、 １４・・・・ファイアボール、 ５０・・・・微粉炭ノズル。 ５２・・・・ブレナム、 ｉｌｏ・・・空気過大ポート（環状スペース）、１３０
・・・添加剤噴射ノズル。 日Ｇ、５゜ （Ｏ／、） 手続補正書 （方式） ％式％ １、事件の表示 平成１年　特許願　第１４４２９１号 ２、発明の名称 炭素含有物質の炉内での燃焼方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 シーホーク・　コーポレーション ４代理人 氏名弁理士（７０２１）若　林 ５、補正命令の日付 発送臼：　　平成１年９月２６日 忠

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炉内にファイヤボールを形成し、それを維持するた
   めに炉内の微粉炭を送入するための少なくとも１つの場
   所と、このファイヤボールの中での微粉炭の燃焼を支え
   る空気を送入するための少なくとも１つの場所とを有す
   る石炭燃焼炉において、その燃焼で生ずるＮＯｘのエミ
   ッションを許容レベルに維持しながら燃焼効率を改善す
   る方法であって、 （１）前記微粉炭の燃焼を支えるために必要な過剰空気
   量をコントロールして、ＮＯｘのエミッションを許容レ
   ベルに維持しつつ燃焼効率を顕著に改善するために、有
   効量の添加剤を少なくとも１か所に置いて導入すること
   を含み、 前記添加剤が、 ａ）ＲとＲ′が各々独立に水素、アルキル、シクロアル
   キル、アリールまたは複素環式である下記構造式 ▲数式、化学式、表等があります▼ で表わされるフェロセンおよびその誘導体よりなるグル
   ープから選択された化合物と、 ｂ）前記フェロセン（ジシクロペンタジエニル鉄化合物
   ）が可溶である有機質のキャリヤ液とからなっており、 （２）前記燃焼炉に供給する過剰空気量をコントロール
   して所望の燃焼効率において炭素を含む粒子のエミッシ
   ョンを許容レベルに保ちながら微粉炭の燃焼を支持し、
   この時添加剤の使用がａ）前記燃焼炉に供給する過剰空
   気量を、添加剤を用いない場合の燃焼に必要な標準的空
   気量に比して減少させ、かつ、前記の所望の燃焼効率と
   炭素粒子の許容含有量を達成させること、ｂ）それと同
   時にＮＯｘのエミッションのレベルを、前記の所望の燃
   焼効率と炭素粒子の許容含有量を達成して、かつ、前記
   石炭の燃焼のために添加剤を用いなかった場合のＮＯｘ
   のエミッションのレベルよりは低いレベルに維持させる
   こと、 を可能にすることからなる炭素含有物質の炉内での燃焼
   方法。 ２、前記ファイアボールへの過剰空気の導入をコントロ
   ールすることによりこのファイアボールの中で段階的に
   燃焼を起させ、還元炎領域と酸化炎領域を有するこのフ
   ァイアボールの還元炎領域に前記添加剤を導入すること
   により、前記の炭素粒子の燃焼を活発化させる請求項１
   に記載の方法。 ３、前記添加剤中の鉄が、前記燃焼炉に供給される石炭
   の量に対して約０．１〜１００ｐｐｍの割合で前記炉内
   のファイアボールに注入される請求項１に記載の方法。 ４、前記添加剤中の鉄が約１〜５ｐｐｍの割合で前記の
   ファイアボールに注入される請求項３に記載の方法。 ５、前記のジシクロペンタジエニル鉄化合物が、ジシク
   ロペンタジエニル鉄、ジ（メチルシクロペンタジエニル
   ）鉄、ジ（エチルシクロペンタジエニル）鉄、メチルフ
   ェロセン、エチルフェロセン、ｎ−ブチルフェロセン、
   ジヘキシルフェロセン、フェニルフェロセン、ｍ−トリ
   フェロセン、ジデシルフェロセン、ジシクロヘキシルフ
   エロセン、およびジシクロペンチルフェロセンよりなる
   グループの中から選択される請求項４に記載の方法。 ６、前記化合物がジシクロペンタジエニル鉄である請求
   項５に記載の方法。 ７、前記キャリヤ液が、高引火点の芳香族溶剤、炭化水
   素溶剤、および石油系溶剤よりなるグループから選択さ
   れる請求項６に記載の方法。 ８、前記溶剤が、キシレン、トルエン、ヘキサノール、
   オクタノール、ケロシン、重油、石油スピリット、およ
   びソルベソル（Ｓｏｌｖｅｓｏｌ）１００＾Ｔ＾Ｍより
   なるグループから選択される請求項７に記載の方法。 ９、前記溶剤が、２０℃において５０センチポアズ以下
   の範囲にある粘度を有する請求項７に記載の方法。 １０、２０℃における前記溶剤の粘度が０．３〜３セン
   チポアズの範囲にある請求項９に記載の方法。