JPH05223209A - 流動層燃焼装置およびその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流動層燃焼器から排出されるＮＯｘの低減。 【構成】 空気流入口１からウィンドボックス２に流入
した空気は、空気分散板３を通して流動室４内に吹き込
まれ、流動室４内に充填された燃料石炭粒子および石灰
石等の粒子を流動化し、流動層燃焼を行う。発生した燃
焼排出ガスは、フリーボード部７を上昇し、フリーボー
ド部内に設置された縮流部材９によって構成されたガス
通路１０を通過して燃焼排ガス出口８より燃焼炉外へ導
かれる。縮流部材９間のガス通路１０では、燃焼排ガス
による渦流が形成される。また、縮流部材９が飛散粒子
を捕捉する効果により、ガス通路１０中で飛散粒子に含
まれる未燃炭素粒子の濃度が高い領域が形成される。 【効果】 流動層燃焼器燃焼炉内フリーボード部におい
て、飛散した未燃固体炭素粒子が高濃度に浮遊し燃焼排
出ガスと攪拌混合される領域を形成し、炭素によるＮＯ
ｘ還元反応を促進し、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流動層燃焼装置および
その燃焼方法に関し、特に、石炭等の燃料を燃焼する際
に燃焼排ガス中の窒素酸化物を燃焼炉内で脱硝する低Ｎ
Ｏｘ燃焼を可能にする流動層燃焼装置およびその燃焼方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の石炭等を燃料とする流動層燃焼器
において、燃焼に伴って発生するＮＯｘを低減する方法
として、燃焼器後部に別途脱硝施設を設置しそこにおい
て脱硝を行う方法と燃焼炉内において脱硝を行う方法が
ある。燃焼炉内において脱硝を行う方法において、その
脱硝効率をあげるための手法として、従来、（１）多段
流動層、（２）脱硝剤の注入、（３）固体炭素による脱
硝、などの方法が知られている。

【０００３】（１）の方法としては、炉内に２段の流動
層を設置し、下段分散板下部に１次空気、上段分散板下
部に２次空気、上段流動層上部に３次空気を流入し、下
段を脱硝に適した還元雰囲気、上段を脱硫と燃焼効率向
上に適した酸化雰囲気として燃焼を行う方法が知られて
いる（特開昭５８−４０４１１号公報等参照）。 （２）の方法としては、脱硝剤としてアンモニアを用
い、流動層内の高温、酸化雰囲気下でのアンモニアの酸
化によるＮＯｘの発生を避けるために、フリーボード部
内に２次空気とともにアンモニアを噴霧する方法が知ら
れている（特開昭６２−１６９９１７号公報等参照）。

【０００４】（３）の方法としては、燃料である石炭か
ら燃焼過程で生じるチャー中の炭素を用いて脱硝を行う
方法が知られている。この方法では、固体炭素自体がＮ
Ｏを還元する反応、および、チャーを触媒とするＣＯに
よるＮＯの還元反応が利用される。公知の技術として
は、内部循環型の流動層を用いてチャーを活性化し、チ
ャーの層内滞留時間を増加させることにより脱硝反応を
促進する方法が知られている（特開平２−２８２６０１
号公報等参照）。

【０００５】さらに、流動層燃焼装置のフリーボード部
内に複数の粒子分離器を間隔を保って設け、該粒子分離
器を複数の長尺な部材を逆三角形状に並べて形成し、そ
れにより従来未燃焼のまま炉外へ排出されていた細かい
燃料粒子を補足し炉内で完全燃焼させるようにしたもの
も知られている（特開昭６２−１４２９０６号公報参
照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来の技術に
おいて、技術上の課題として、次の点が上げられる。１
点目として、還元雰囲気での金属材料の腐食進行の問題
が有る。特に、流動層内に還元雰囲気を作った際、熱交
換器等が硫黄による腐食を受ける怖れが大きい。

【０００７】２点目として、アンモニアのリークの問題
がある。有害物質であるアンモニアを脱硝剤として用い
た場合、脱硝反応に用いられた後、未反応のアンモニア
が燃焼施設外に漏れ出ることを防がねばならず、アンモ
ニアを燃焼により酸化する後燃焼器やアンモニア回収の
ための施設を設けるか、注入アンモニア量を厳密に制御
する必要が有る。

【０００８】３点目として、脱硫剤である石灰石による
脱硝の阻害の問題が有る。石灰石（ＣａＣＯ₃ ）は８０
０〜９００℃の高温の流動層内では脱炭酸反応を起こし
ＣａＯとして存在する。このＣａＯが触媒となって石炭
から放出された窒素化合物の酸化反応が促進されＮＯｘ
の発生量を増やすことが知られている（例えば、G.J.Vo
gel ,Annual Report of ANL/ES-CEN 1007,1974）。その
ため、脱硫剤が多量に存在する流動層内では、脱硝効率
を上げることに限界が有る。

【０００９】４点目として、燃焼炉構造、および制御の
複雑化の問題が有る。流動層燃焼器は、燃焼炉構造が単
純であることが大きな特徴であり利点となる。これに対
して、流動層の配置、形状を特殊化する技術には、燃焼
炉構造が複雑化し、メインテナンスの煩雑化、燃焼炉寸
法の大型化などの問題点が有る。また、流動層形状の特
殊化、空気流入場所の複数化は、燃焼装置の運転制御の
複雑化につながる。

【００１０】また、流動層燃焼装置のフリーボード部内
に複数の粒子分離器を間隔を保って設け、それにより細
かい燃料粒子を補足し炉内で完全燃焼させるようにした
流動層燃焼装置においては、その構成上、フリーボード
部内に形成される高濃度の固体炭素領域において該固体
炭素成分が排出ガスと積極的に攪拌混合することは生じ
ないために、固体炭素による脱硝反応の促進は期待され
ず、低ＮＯｘ燃焼の観点からは必ずしも満足なものとは
いえないものである。

【００１１】本発明は、上記の問題点を解決することを
目的としており、より具体的には、流動層燃焼炉内のフ
リーボード部内にＮＯｘの還元反応を行なうに適した脱
硝領域を形成し、それにより、低ＮＯｘ燃焼が可能とな
った流動層燃焼装置、およびその燃焼法を提供するもの
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、フリーボード部内に固体炭素が高濃度
となる領域を形成し、その領域において固体炭素による
ＮＯｘの還元が促進されるような構成とした。すなわ
ち、本発明は、下方に空気の供給口と上方に燃焼排出ガ
スの排出口を有する燃焼炉と、該燃焼炉内の下部に設け
られた空気分散板と、該空気分散板上に形成された流動
媒体よりなる流動層と、該流動層上部のフリーボード部
を備え、該流動層中で燃焼を行う流動層燃焼装置におい
て、前記フリーボード部内に、固体炭素がフリーボード
部内の他の領域よりも高濃度に存在する領域を構成する
とともに、該領域において、該高濃度の固体炭素が流動
層表面から上昇する燃焼排出ガスと攪拌混合するように
した流動層燃焼装置を開示する。

【００１３】燃焼排出ガスの乱流を形成するための単一
あるいは複数の縮流部材を設け、それによりフリーボー
ド部内に断面積の縮小した部分を構成することにより、
あるいは、固体炭素を含有する粒子を気流搬送するガス
供給手段をさらに備えフリーボード部壁面に開口する複
数のガス供給口に該ガス供給手段を接続し、該ガス供給
口からの固体炭素の供給により、フリーボード部内に渦
流、旋回流等の流れの乱れが発生する部分領域を形成さ
せ、また、燃焼排出ガスによって吹き上げられた未燃焼
炭素分を含む飛散粒子を補足するあるいは固体炭素を含
む粒子を添加するなどの方法により、固体炭素がフリー
ボード部内の他の領域よりも高濃度に存在する領域を構
成した。

【００１４】縮流部材を、断面ほぼＹ字状形状の棒状体
から構成し、フリーボード部内の所定の箇所にそのＹ字
の脚部分を互いに向き合うように一方を他方に対して倒
立させた状態で千鳥状に複数本配置して縮流部材の間に
ガス通路を形成し、該ガス通路内において、固体炭素と
排出ガスとの攪拌混合を行わせるように構成することは
特に好ましい態様である。

【００１５】

【作用】本発明の燃焼装置および燃焼方法では、上記の
手段により、従来の流動層燃焼器のフリーボード部内と
比して高濃度の固体炭素が存在する領域を形成し、ま
た、この領域内において燃焼排出ガスの乱流を生じさせ
ることにより燃焼排出ガスの領域内滞留時間を７〜１０
倍と大きくする脱硝領域を形成する。この脱硝領域内で
は、固体炭素によるＮＯｘの還元反応に関して、（１）
反応物質である固体炭素量の増加、（２）固体炭素とＮ
Ｏｘの接触時間の増加、の効果が得られ、ＮＯｘの還元
による脱硝の効率が向上する。

【００１６】図８に、本発明の流動層燃焼装置と従来の
流動層燃焼装置における、フリーボード部内高さ方向の
ＮＯｘ濃度分布を示した。流動層表面を基点（高さ０
ｍ）とし、火炉最上部（高さ４．６ｍ）までの範囲を示
してある。本発明の流動層燃焼装置では、流動層表面よ
り１〜１．５ｍの部分に、固体炭素濃度が従来型流動層
燃焼器のフリーボード部内濃度に比して平均１．５倍に
濃縮された脱硝領域が形成されている。従来型燃焼器で
は、ＮＯｘ濃度の低下がほぼエクスポーネンシャル関数
曲線を描くのに対し、脱硝領域を形成した燃焼器では、
脱硝領域でのみＮＯｘ濃度の大きな低下がみられる。出
口ＮＯｘ濃度は、従来型燃焼器での９５ppmに対し、本
発明の燃焼器では７１．２ppmと、約２５％の低下が見
られ、このＮＯｘ濃度低下は、ほぼ全てが脱硝領域内で
おきている。

【００１７】上記の結果に示すように、本発明の燃焼装
置および燃焼方法により、脱硝剤（アンモニア）注入量
の増加、または、流動層高増加によるＮＯｘ濃度低減と
同じ効果を得ることができ、かつ、燃焼装置の大型化、
流動層部構造の複雑化、脱硝剤注入量の増加を行わず
に、燃焼炉出口におけるＮＯｘ濃度を低減できる。

【００１８】

【実施例】以下、図面に従い本発明を説明する。図１
は、本発明を適用した流動層燃焼器を用いたボイラの一
実施例である。炉体６の底部には空気分散板３が設置さ
れ、空気分散板の下部にはウィンドボックス２が形成さ
れている。ウィンドボックス２には空気流入口１が開口
しており、この空気流入口１より供給された空気は、空
気分散板３を通して炉内に供給される。空気分散板３の
上部には流動室４が設けられ、流動室４の内部には熱交
換器５が配置されている。流動室４内に充填された燃料
石炭粒子および脱硫剤などの粒子は、空気分散板３を通
して供給されるガスにより流動層を形成し、石炭粒子を
燃焼させる。

【００１９】フリーボード部７には、後記する縮流部材
９がフリーボード部７を横断するように複数配置され、
縮流部材９の間に流動層より排出される燃焼排ガスが通
過するガス通路１０が形成される。炉体６上部には燃焼
排ガスを炉外に放出する排出ガス出口８が開口してい
る。図２は、縮流部材および燃焼排出ガス通路の一実施
例であり、図１中の縮流部材９および燃焼排出ガス通路
１０部分を拡大して示したものである。この縮流部材９
は、断面ほぼＹ字状の形状をしており、フリーボード部
７内の所定の箇所にそのＹ字の脚部分９１、９１が互い
に向き合うように一方を他方に対して倒立させた状態で
千鳥状に複数本配置されるとともに縮流部材の間にガス
通路１０を形成するようになっている。

【００２０】すなわち、縮流部材９の該脚部分９１、９
１を含む各突起部分はガス通路の通路幅を狭める突起と
しての機能、すなわち縮流部分を構成する機能を果たす
とともに、ガス通路１０を通過する燃焼排ガス１４は縮
流部材９の各突起で形成される空間内で渦流を形成す
る。この渦流中では、燃焼排ガス１４とともに流れる飛
散粒子１５が一定時間空間中に保持され、燃焼排ガスと
攪拌混合される。また、渦流が形成される空間では、縮
流部材９が障害となり飛散粒子１５が捕捉されやすくな
るため、結果として該空間に浮遊する飛散粒子中に含ま
れる固体炭素の濃度が、縮流部材９を設置しない場合の
フリーボード部内での濃度に比して大きくなる。この結
果、縮流部材９設置部に形成される渦流領域では、フリ
ーボード部７内における固体炭素による脱硝反応が促進
される。

【００２１】縮流部材は、還元反応空間の形成、該空間
内部の渦流等の乱流の発生、該空間内での固体炭素濃縮
の３作用を持つ構造であればよく、他に多くの形状のも
のが存在しうる。図３は縮流部材９の他の実施例を示し
ており、異なった形状である上流側（すなわち、下段）
に位置する部材９a1と下流側（すなわち、上段）に位置
する部材９a2とで縮流部材９a が構成されている。部材
９a1は脚部９１a が幅広になった断面ほぼＴ字形状の部
材であり、部材９a2は図２に示す実施例における縮流部
材９と同一の形状の部材である。

【００２２】図４は縮流部材のさらに他の実施例を示し
ており、図３に示したものと同様に異なった形状を持つ
下段部材９b1と上段部材９b2とで縮流部材９b が構成さ
れている。部材９b1は図３の実施例における下方部材９
a1と同一の形状であり、部材９b2は断面はほぼＴ字状で
あるがその上辺部９２b を水平にするとともにその上面
を下向き傾斜を持たせた形状となっている。

【００２３】図３および図４に示される縮流部材も、図
１のものと同様に、上方に位置する部材と下方り部材と
で還元反応用の空間が形成され、該空間内で渦流などの
乱流が発生するとともに固体炭素が濃縮されることは容
易に理解されよう。特に、図３に示すものにあっては、
還元反応空間の体積は減少するが、部材上部への灰等の
沈積を防ぐことができることから、より長時間の連続運
転が可能となる。

【００２４】図５は、本発明の流動層燃焼器の、他の実
施例を示している。この燃焼器では、気体を炉内フリー
ボード部７へ噴出するための開口部１２をフリーボード
部７の壁面に形成し、該開口部１２に気流搬送管１１を
接続している。該開口部１２は、図６に示すように、炉
体６断面の対角線方向に位置する隅部に２箇所配置され
ている。従って、気流搬送管１１から噴出するガスによ
りフリーボード部７には旋回流が発生し、それにより、
流動室４での燃焼により生じた燃焼排出ガスは、同様に
旋回流を形成する。この旋回流により、この領域では、
先に図１から図４に示した実施例における渦流における
と同様に、浮遊する固体炭素濃度が大きくなりかつ燃焼
排出ガスの滞留時間が増加する。それにより充分な脱硝
効果をあげることができる。

【００２５】なお、この実施例において、気流搬送管１
１に接続した開口部１２の数、位置および開口方向は図
示のものに限ることはなく、要は、フリーボード内に旋
回流を発生させうるに適した状態で配置されていればよ
いものである。例えば、水平方向角度を持たせて配置し
ても良く、また、水平方向角度とともに垂直方向の角度
を炉内下向きとなるように持たせることも有効である。
さらには、ある程度上下方向に位置をずらした状態で配
置することも可能である。

【００２６】図５、図６に示す実施例の流動層燃焼器を
運転する一態様を図７により説明する。この運転態様に
おいては、気流搬送管１１へは、空気または他の気体を
輸送ガス１６としてを導入し、開口部１２より炉内に噴
出させる。同時に、流動層内での燃焼により発生した燃
焼排ガス１４は、フリーボード部、排ガス出口を通過し
て炉外へ排出されるが、この排出ガスには比較的粒径の
小さい飛散粒子が含まれていることから、この飛散粒子
をサイクロン１３により集塵し、集塵した飛散粒子を気
流搬送管１１を流れるガスに混入し、ガスとともに炉内
へ噴出させるようにしている。

【００２７】このような燃焼方法をとることにより、炉
内へのガスの噴出の際の温度低下を防ぐことができるこ
とことから、炉内に形成する旋回流中での浮遊固体炭素
濃度の向上とともに脱硝効果を大きくすることがで、同
時に、燃焼効率の向上も期待できる。上記の説明はあく
までも本発明のいくつかの実施例の説明であって、他に
多くの変形例が存在する。例えば、前記したように、縮
流部材の構成は、還元反応空間の形成、該空間内部の渦
流等の乱流の発生、該空間内での固体炭素濃縮の３作用
を持つ構造であれば本発明の目的を達成しうるものであ
ることは明らかであり、図示のもの以外に多くの形態が
存在しうるものである。さらに、図５に示した形態の流
動層燃焼器の運転において、サイクロン１３により集塵
した飛散粒子を気流搬送管１１を流れるガスに混入する
ことは必ずしも必須のものではなく、空気などの気体を
単に流入するようにしてもよく、さらには機外から固体
炭素を気体中に供給しフリーボード内に流入させるよう
にしてもよきものである。

【００２８】また、図１に示す縮流手段と図５に示す気
体の送入による旋回流発生手段とを同時にフリーボード
内に配置しておき、それらの手段を同時に用いて燃焼を
行うことも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、流動層燃焼器燃焼炉内のフリーボード部に、固体
炭素が高濃度に存在し、燃焼排出ガスの流れの乱れが形
成される領域を形成し、燃焼炉内における脱硝反応を促
進することが可能となる。このことにより、排ガス脱硝
に要するコストを低減することができる。この際、流動
層燃焼炉内脱硝のために流動層燃焼炉の大型化、構造の
複雑化の必要が無い。また、燃焼炉内に脱硝剤を添加す
る方法と併用する場合に、添加量を増加すること無く脱
硝効率を上げることができるため、脱硝剤であるアンモ
ニアの燃焼炉外への漏れを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の燃焼器の一実施例を示す縦断面図。

【図２】 図１に示す燃焼器の縮流部材部分の拡大断面
図。

【図３】 縮流部材の他の実施例を示す断面図。

【図４】 縮流部材のさらに他の実施例を示す断面図。

【図５】 本発明の燃焼器の他の一実施例を示す縦断面
図。

【図６】 図５に示す燃焼器の横断面図。

【図７】 図５、図６に示す燃焼器の運転方法を示す
図。

【図８】 従来の流動層燃焼装置と本発明のフリーボー
ド部内ＮＯｘ分布の比較。

【符号の説明】

１：空気流入口、２：ウィンドボックス、３：空気分散
板、４：流動室、５：熱交換器、６：炉体、７：フリー
ボード部、８：燃焼排ガス出口、９：縮流部材、１０：
ガス通路、１１：気流搬送管、１２：気流搬送管出口、
１３：サイクロン、１４：燃焼排ガス、１５：飛散粒
子、１６：輸送ガス、１７：空気

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 政英 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 森原 淳 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 大内 和紀 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下方に空気の供給口と上方に燃焼排出ガ
   スの排出口を有する燃焼炉と、該燃焼炉内の下部に設け
   られた空気分散板と、該空気分散板上に形成された流動
   媒体よりなる流動層と、該流動層上部のフリーボード部
   を備え、該流動層中で燃焼を行う流動層燃焼装置におい
   て、前記フリーボード部内に、固体炭素がフリーボード
   部内の他の領域よりも高濃度に存在する領域を有すると
   ともに、該領域において、該高濃度の固体炭素が流動層
   表面から上昇する燃焼排出ガスと攪拌混合するようにし
   たことを特徴とする、流動層燃焼装置。
2. 【請求項２】 該領域中には、燃焼排出ガスの乱流を形
   成するための単一あるいは複数の縮流部材が設けられて
   いることを特徴とする、請求項１記載の流動層燃焼装
   置。
3. 【請求項３】 縮流部材は、断面ほぼＹ字状形状の棒状
   体であり、フリーボード部内の所定の箇所にそのＹ字の
   脚部分を互いに向き合うように一方を他方に対して倒立
   させた状態で千鳥状に複数本配置することにより該縮流
   部材の間にガス通路１０を形成したことを特徴とする、
   請求項２記載の流動層燃焼装置。
4. 【請求項４】 固体炭素を含有する粒子を気流搬送する
   ガス供給手段をさらに備え、燃焼炉フリーボード部壁面
   に開口する複数のガス供給口に該ガス供給手段を接続
   し、該ガス供給口からの固体炭素の供給により、該領域
   が形成されることを特徴とする、請求項１ないし３記載
   のの流動層燃焼装置。
5. 【請求項５】 流動層燃焼装置から排出されるガスを処
   理する集塵器をさらに備え、該集塵器により分離された
   未燃固体炭素を含む飛散粒子を該ガス供給手段に供給す
   るように構成されていることを特徴とする、請求項４記
   載の流動層燃焼装置。
6. 【請求項６】 燃焼炉下部に空気分散板を有し、該空気
   分散板から供給される気体によって空気分散板上におい
   て流動媒体を流動化させた流動層中で燃焼を行うように
   した流動層燃焼装置における燃焼方法であって、フリー
   ボード部内の特定領域に固体炭素が高濃度に存在する領
   域をつくり、この領域内において固体炭素と流動層表面
   から上昇する燃焼排出ガスを攪拌混合して燃焼させるこ
   とにより、流動層内の燃焼で発生したＮＯｘを低減させ
   ることを特徴とする、流動層燃焼装置の燃焼方法。