ボイラ
【課題】本発明の目的は、ボイラ火炉内に注入した還元剤のアンモニアが炉外へ流出することを抑制し、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを提供することにある。
【解決手段】化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、少なくとも一つの出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、前記還元剤注入ノズルの出口孔から還元剤を含有する流体と酸素を含有する流体との混合流体を火炉内に供給するように構成したボイラ。
【解決手段】化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、少なくとも一つの出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、前記還元剤注入ノズルの出口孔から還元剤を含有する流体と酸素を含有する流体との混合流体を火炉内に供給するように構成したボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭又は石油等の化石燃料を燃焼するボイラに係り、特にボイラの火炉に還元剤を投入し、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料を燃焼するボイラではボイラ内で燃料を燃焼させる際に発生する燃焼ガスに含まれるＮＯｘ濃度を抑制することが求められており、その対策として一般に２段燃焼法を採用している。
【０００３】
２段燃焼法を適用したボイラとしては、例えば特開平９−３１０８０７号公報に開示されているように、微粉炭焚きボイラの火炉に微粉炭バーナと、この微粉炭バーナの下流側にアフタエアノズルとを設け、微粉炭バーナから燃料の微粉炭と燃焼用空気を供給し、アフタエアノズルからは燃焼用の空気のみを供給して燃料の微粉炭を燃焼するように構成している。
【０００４】
さらにボイラの火炉内でのＮＯｘ低減を目的として無触媒脱硝法が用いられている。例えば特開２００６−６４２９１号公報に開示されているように、アフタエア下流の酸化域で、ガス温度が約１０００℃となる領域に還元剤であるアンモニアを注入し、ＮＯｘをＮ２に還元しＮＯｘを低減する方法が開示されている。
【０００５】
またＷＯ２００５／００１３３８公報には尿素を炉内に均一に吹き込むノズル構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３１０８０７号公報
【特許文献２】特開２００６−６４２９１号公報
【特許文献３】ＷＯ２００５／００１３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アフタエア下流の酸化域に還元剤を注入する無触媒脱硝法ではＮＯｘが低減する温度帯域が狭いため温度分布のあるボイラ内では脱硝効率が悪い。また、ＮＯｘを低減しようと還元剤投入量を増していくと、未反応のアンモニアが火炉から流出する。
【０００８】
アンモニアは、燃焼ガス中の三酸化硫黄（ＳＯ３）と反応して硫安となり、エアヒータに付着して閉塞を生じさせ、また、塩化水素と反応し白煙が生じるという問題がある。また、バーナ近傍に尿素を注入する従来技術では、尿素の注入位置、注入位置でのガス温度など詳細な脱硝条件が明確でない。
【０００９】
本発明の目的は、ボイラ火炉内に注入した還元剤であるアンモニアが火炉外に流出することを抑制し、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のボイラは、化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、少なくとも一つの出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、前記還元剤注入ノズルの出口孔から還元剤を含有する流体と酸素を含有する流体との混合流体を火炉内に供給するように構成したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のボイラは、化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、複数の出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、還元剤を含有する流体及び酸素を含有する流体を、前記還元剤注入ノズルの異なる出口孔からそれぞれ火炉内に供給するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【図２】実験炉を示す構成図。
【図３】本実施例のＮＨ３／ＮＯｘモル比と出口ＮＯｘの関係を示す特性図。
【図４】本実施例のＮＯｘ、ＮＨ３残存率の関係を示す特性図。
【図５】本実施例のＯ２／ＮＨ３モル比と出口ＮＯｘの関係を示す特性図。
【図６】本発明の第２実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【図７】本発明の第３実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【図８】本発明の第４実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【図９】第１実施例乃至第４実施例で使用される還元剤注入ノズルを示す一例。
【図１０】第１実施例乃至第４実施例で使用される還元剤注入ノズルを示す他の一例。
【図１１】本発明の第５実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施例であるボイラについて図面を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１実施例であるボイラについて図１を用いて説明する。図１に示した本発明の第１実施例であるボイラ５０において、ボイラ５０を構成する火炉１の下部の壁面には、微粉炭又は石油等の化石燃料と燃焼用空気とを共に火炉１の内部に供給して燃焼する複数個のバーナ２を上下方向の複数段に設置して、燃料を完全燃焼させるために必要な理論空気比以下となる量の燃焼用空気を前記バーナ２から火炉１内に供給して空気不足の状態で燃料を燃焼させ、バーナ２による燃焼によって発生するＮＯｘを窒素に還元して火炉２内に生じたバーナ部燃焼ガス５に含まれるＮＯｘの生成を抑えている。
【００１６】
前記バーナ２よりも燃焼ガス下流側に位置する火炉１の上部の壁面には、燃焼用空気をアフタエアとして火炉１の内部に供給するアフタエアノズル３が設置されている。前記アフタエアノズル３から火炉１の内部に供給するアフタエア７によって火炉１内で完全燃焼した排ガス６は、ボイラ５０の火炉１の下流側に設置された熱交換器８を通過して該熱交換器８で蒸気を発生させ、その後、煙道９を通って煙突１０から大気に放出される。
【００１７】
本実施例のボイラ５０を構成している火炉１の壁面におけるバーナ２とアフタエアノズル３との間の領域に、バーナ部燃焼ガス５に含まれたＮＯｘを窒素（Ｎ２）に還元する還元剤を火炉１内に注入する還元剤注入ノズル４を配置している。本実施例では還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する還元剤はアンモニアガスである。図１に示された実施例では還元剤注入ノズル４は１個しか示されていないが、前記還元剤をバーナ部燃焼ガス５と均一に混合させるためには前記還元剤注入ノズル４を複数個設置することが望ましい。
【００１８】
還元剤注入ノズル４には、還元剤のアンモニアガスを含有する流体を供給する還元剤供給系統１８と、空気を供給する空気供給系統１４がそれぞれ接続されている。還元剤供給系統１８にはアンモニアガスタンク１５から還元剤のアンモニアガスを供給するように構成されており、供給するアンモニアガス流量は制御装置４０からの制御信号１６によって還元剤供給系統１８に設けた流量調節弁１７の開度を操作して必要時に必要量のアンモニアガス流量を供給して前記還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する。
【００１９】
前記アンモニアガスタンク１５に貯蔵される還元剤は、アンモニアガスだけでなく、窒素、アルゴンなどの不活性ガスと混合希釈したアンモニアガスとしても良い。また、還元剤供給系統１８に別系統を通じて不活性ガスを混合し、アンモニアガスを希釈しても良い（図示せず）。
【００２０】
空気供給系統１４にはブロア１２から空気を供給し、供給する空気流量は制御装置４０からの制御信号１１によって空気供給系統１４に設けた流量調節弁１３の開度を操作して必要時に必要量の空気流量を供給して前記還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する。
【００２１】
還元剤注入ノズル４から火炉１内に還元剤を注入してバーナ部燃焼ガス５に含まれたＮＯｘを効率良く脱硝する条件の決定にあたって図２に示す実験炉６０を用いて燃焼実験を行った。
【００２２】
図２の実験炉６０は実機ボイラと同様に２段燃焼を行い、火炉１の下部にバーナ２を配置し、バーナ２の下流にアフタエアノズル３を配置した。バーナ２から供給して燃焼させる燃料はプロパンを使用した。火炉１の壁面であるバーナ２とアフタエアノズル３との間の領域には還元剤を注入する還元剤注入ノズル４を配置した。
還元剤注入ノズル４にはアンモニアガスを供給する還元剤供給系統１８と空気を供給する空気供給系統１４をそれぞれ接続した。アフタエアノズル３から火炉１内に供給したアフタエア７によって火炉１内で完全燃焼した排ガス６は、熱交換器３３で冷却されて屋外へ放出する。火炉１の出口のＮＯｘの濃度は、熱交換器３３の下流で十分冷却され反応が停止した下流側の位置３２で測定した。
【００２３】
以下に実験炉６０での燃焼実験結果から最適な脱硝条件について述べる。
【００２４】
図３は図２に示した実験炉６０で還元剤としてアンモニアを注入する雰囲気ガス温度の影響を示した。横軸はノズルＮＨ３／ＮＯｘモル比で縦軸は出口ＮＯｘである。出口ＮＯｘはＮＨ３注入なしのときを基準として示した。
【００２５】
雰囲気ガス温度は図２の実験炉６０における火炉１内の位置３０にて測定した。ガス温度が１２００℃未満ではＮＨ３を注入しても排ガス６中のＮＯｘは低下せず、排ガス６中のＮＯｘの脱硝には１２００℃以上のガス温度が必要である。ＮＨ３の熱分解は温度が高いほど反応が促進するため還元剤注入ノズル４の位置での燃焼ガス温度は高いほどよい。
【００２６】
従来の無触媒脱硝ではアフタエアノズル３の下流の火炉１内の酸化域で、ガス温度約８００から９００℃の狭い温度帯域でしかＮＯｘが低減しないが、本方式ではアフタエアノズル上流の還元域で高温度の領域にアンモニアを注入すればよい。バーナ部の火炎温度は約１６００℃以上であり、バーナ２とアフタエアノズル３の還元領域では高温のガス温度となる。
【００２７】
次にＮＨ３の注入量であるが、図３に示したように、ＮＨ３／ＮＯｘモル比１〜２近傍でＮＯｘは極小となりＮＨ３／ＮＯｘモル比を増大するとＮＯｘも増加する傾向にある。
【００２８】
排ガス６中のＮＯｘが低減するＮＨ３／ＮＯｘモル比の範囲はＬで示した０．５〜３．０の範囲であって、最適値は１．０〜２．０の範囲である。
【００２９】
ここで、横軸のＮＯｘモルは、図２で示した還元剤注入ノズル４の上流域である火炉１内の位置３１での平均ＮＯｘ濃度から算出した。図１に示した実施例のボイラにおいても図３に示した上記範囲ＬのＮＨ３量を還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入することで排ガス６中のＮＯｘが低減する。
【００３０】
ところでバーナ２の下流側とアフタエアノズル３の上流側の火炉１内の還元域では空気不足で燃焼しており、酸素不足の領域である。本発明ではこの還元域に外部から還元剤注入ノズル４によって還元剤であるアンモニアを火炉１内に注入することで、還元剤を増やし、排ガス６中のＮＯｘの低減を図る。
【００３１】
還元域ではアンモニアはＯＨラジカルと反応し、ＮＨ２ラジカルとなりＮＨ２ラジカルがＮＯと反応して、（１）式、（２）式のようにＮＯを窒素（Ｎ２）に還元する。
【００３２】
ＮＨ３＋ＯＨ → ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ・・・・・・・（１）
ＮＨ２＋ＮＯ → Ｎ２＋Ｈ２Ｏ・・・・・・・・（２）
上式からわかるようにＮＯを窒素に還元するにはＯＨラジカルと反応してＮＨ２ラジカルを生成することが重要である。
【００３３】
ところで還元域でのＯＨラジカル濃度はバーナ空気比に依存しており、バーナ空気比が高い、すなわちバーナ部へ供給する空気量が多いほどＯＨラジカルは多く生成する。
【００３４】
図４に還元域の違いによるアンモニア注入後のＮＯｘとＮＨ３の残存率を示す。図２の実験炉６０におけるアフタエアノズル３の直上流の還元域の空間でガスサンプリングを行い、ＮＯｘ、ＮＨ３濃度を測定した。ＮＯｘはＮＨ３を注入しない時のＮＯｘ濃度を１００％とし、測定位置でのＮＯｘ濃度から残存率を算出した。またＮＨ３はＮＨ３を注入した濃度を１００％とし、測定位置でのＮＨ３濃度から残存率を算出した。アンモニア注入量は脱硝に最適なＮＯｘモルと等モル量とした。横軸の弱還元域はバーナ空気比０．８より高い場合を、強還元域はバーナ空気比０．８以下の場合を示す。
【００３５】
図４から理解できるように、強還元域では、弱還元域に比べてＮＨ３が分解せず残存することを示している。還元域で残留したＮＨ３はアフタエアノズル３から供給される空気で酸化されＮＯｘに転換する。よって還元域でＮＨ３が高濃度で残留すれば、出口ＮＯｘが増大するため、脱硝率は低下する。
【００３６】
これは前述したようにＯＨラジカルが強還元域では少ないことによる。図４に空気を添加した場合の残存率を示す。強還元域の条件下で少量のＯ２（酸素）を添加し、ＯＨラジカルを増大することでＮＨ３の分解を促進し、ＮＨ３の残存率が低下する。よって、アフタエア部でのＮＯｘ転換率を低減し、脱硝効果を高めることができる。
【００３７】
図５にＯ２注入の影響を示す。強還元域の条件でＮＨ３をＮＯｘと等モル注入時に、少量の空気を注入した。図５に示すようにＯ２／ＮＨ３モル比が１．０近傍でＮＯｘは最小となることがわかる。Ｏ２の注入量は図中のＭで示す０．５〜１．５の範囲が最適範囲である。このように強還元域でも少量の酸素を注入することで、ＯＨラジカルを増大させ、ＮＨ３の分解を促進し、出口ＮＯｘが低減する。
【００３８】
実験では強還元域の条件であるが、弱還元域でも少量の酸素を注入することでＮＨ３の分解を促進する効果は同じである。図１の実施例のボイラにおいてもＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲の最適範囲となるように、空気供給系統１４を通じて大気中のＯ２を含む空気を火炉１内に注入することでＮＯｘが低減する。
【００３９】
このように本実施例のボイラによれば、制御装置４０からの指令信号によって還元剤供給系統１８に設置した流量調節弁１７の開度を制御すると共に、吸気供給系統１４に設置した流量調節弁１３の開度を制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。
【００４０】
よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。また、ＮＨ３の分解促進に高価な薬品等を注入せずに、空気や排ガス６中に含まれる酸素を少量注入すればよく、低コストで効果が得られる。
【００４１】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【実施例２】
【００４２】
次に本発明の第１実施例であるボイラ５０について図６を用いて説明する。図６に示した本発明の第２実施例であるボイラ５０は、図１に示した第１実施例のボイラと基本的な構成が共通しているので両者に共通した構成の説明は省略し、相違する点について以下に説明する。
【００４３】
図６に示した本実施例のボイラ５０は、還元剤注入ノズル４に煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３が接続されている。排ガス供給系統２３にはブロア２０が設置されており、煙道９に接続した分岐系統１９から酸素を含んだ排ガス６の一部を吸い込み、第１実施例と同様に、制御装置４０からの制御信号２１で前記排ガス供給系統２３に設けた流量調節弁２２の開度を調整し、排ガスの供給量を制御して該排ガス供給系統２３を通じて酸素を含んだ排ガス６を前記還元剤注入ノズル４に供給して火炉１内に注入する。
【００４４】
ところで排ガス６に含まれた酸素濃度は約２〜３％であり、空気の酸素濃度２１％に比べて約１／１０の濃度である。同一の酸素濃度を供給する場合、排ガス６は空気より約１０倍の流量となる。よって、第１実施例のボイラにおける空気供給に比べて、前記還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する酸素を含有する流体の流量が増大するため運動量が増加し、火炉１内のバーナ部から上昇してくるバーナ部燃焼ガス５との混合が促進する。
【００４５】
本実施例のボイラ５０においても、制御装置４０からの指令信号１６によって還元剤供給系統１８に設置した流量調節弁１７の開度を制御すると共に、煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に設置した流量調節弁２２の開度を制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。
【００４６】
また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。
【００４７】
本実施例のボイラによれば、第１実施例のボイラと同様の効果が得られ、さらに還元剤のアンモニアと燃焼ガス５との混合が促進して短時間で均一に混合するため、排ガス中のＮＯｘ低減率が増大するというメリットがある。
【００４８】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【実施例３】
【００４９】
次に本発明の第３実施例であるボイラについて図７を用いて説明する。図７に示した本発明の第３実施例であるボイラ５０は、図１に示した第１実施例のボイラと基本的な構成が共通しているので両者に共通した構成の説明は省略し、相違する点について以下に説明する。
【００５０】
図７に示した本実施例のボイラ５０は、還元剤注入ノズル４に排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に加えて、空気を供給する空気供給系統１４が接続されている。還元剤の供給方法は先の第１実施例と同様である。
【００５１】
本実施例のボイラ５０においても、制御装置４０からの指令信号によって還元剤供給系統１８に設置した流量調節弁１７の開度を制御すると共に、煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に設置した流量調節弁２２の開度、及び酸素を含んだ空気を供給する空気供給系統１４に流量調節弁１３の開度をそれぞれ制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。
【００５２】
また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。
【００５３】
即ち、酸素を含んだ空気と酸素を含んだ排ガス６の両者を混合して前記還元剤注入ノズル４に供給することで、還元剤注入ノズル４から供給する酸素を含有する流体流量を広範囲で調整でき、ボイラ５０の負荷が変動して燃焼ガス５の流量が変化した場合でも、流量調節弁１３、２２の開度を調整し、燃焼ガス５との混合に最適な流量に調整でき、効率よく混合を促進することが可能となる。
【００５４】
本実施例によれば、前記第１実施例のボイラと同様の効果が得られ、さらにボイラの負荷変動に対応して還元剤注入ノズルから注入する還元剤と燃焼ガス５とを効率よく混合でき、ＮＯｘ低減率が増大するというメリットがある。
【００５５】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【実施例４】
【００５６】
次に本発明の第４実施例であるボイラについて図８を用いて説明する。図８に示した本発明の第４実施例であるボイラ５０は、図１に示した第１実施例のボイラと基本的な構成が共通しているので両者に共通した構成の説明は省略し、相違する点について以下に説明する。
【００５７】
図８に示した本実施例のボイラ５０は、火炉１のアフタエアノズル３が上下に２段で構成されている。本構成によればアフタエアノズル３からアフタエア（空気）を火炉１内に、より均一に分散して供給することが可能となるので、アフタエアと燃焼ガス５との混合が促進し、素早く完全燃焼ができ排ガス６内のＣＯや石炭燃焼の場合は未燃分が減少して燃焼効率が増大する。
【００５８】
本実施例のボイラ５０においても、制御装置４０からの指令信号によって還元剤供給系統１８に設置した流量調節弁１７の開度を制御すると共に、煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に設置した流量調節弁２２の開度、及び酸素を含んだ空気を供給する空気供給系統１４に流量調節弁１３の開度をそれぞれ制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。
【００５９】
また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。
【００６０】
アフタエアノズル３を上下に２段に設置した本構成は、第１実施例乃至第３実施例のボイラにも適用可能であり、同様の効果が得られる。
【００６１】
本実施例のボイラ５０によれば、第１実施例乃至第３実施例と同様の効果が得られるだけでなく、さらに排ガス中のＣＯ、未燃分が低減できて燃焼効率が改善するというメリットがある。
【００６２】
次に、図９及び図１０に第１実施例乃至第４実施例のボイラに適用する還元剤注入ノズル４の構造の一例をそれぞれ示す。図９に示した還元剤注入ノズル４は、還元剤の流体４２を噴出するノズル出口孔４１が１個の場合を、図１０に示した還元剤注入ノズル４は、還元剤の流体４２を噴出するノズル出口孔４１ａとノズル出口孔４１ｂの２個のノズル出口孔を備えた場合の構造を示す。
【００６３】
図９及び図１０に示した還元剤注入ノズル４は高温場に設置するため、ノズルが溶損しないように還元剤注入ノズル４の内部に冷却水４３を流通させる流路を形成している。
【００６４】
また、図１０に示した還元剤注入ノズル４は、ノズル出口孔４１ａとノズル出口孔４１ｂの２個のノズル出口孔に還元剤と酸素とを混合した同一流体を供給しても良く、或いは、還元剤を含有する流体と、酸素を含有する流体とを別々に供給するようにしても良い。
【００６５】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【実施例５】
【００６６】
次に本発明の第５実施例であるボイラについて図１１を用いて説明する。図１１に示した本発明の第５実施例であるボイラ５０は、図１に示した第１実施例のボイラと基本的な構成が共通しているので両者に共通した構成の説明は省略し、相違する点について以下に説明する。
【００６７】
図１１に示した本実施例のボイラ５０は、還元剤としてアンモニアガスの代わりにアンモニア水または尿素水を供給する還元剤供給系統２８が還元剤注入ノズル４に接続されている。アンモニア水または尿素水は還元剤タンク２４からポンプ２５で送液され、還元剤供給系統２８に設けた流量調節弁２７で流量を制御する。流量調節弁２７の開度は制御装置４０からの制御信号２６で操作される。
還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する液滴は、素早く気化しないで炉中央まで還元剤が到達するように微細化せず燃焼ガス５と混合させることが望ましい。
前述した図９及び図１０に示す還元剤注入ノズル４のノズル構造を用いて１流体ノズル、２流体ノズルを使用するとよい。
【００６８】
１流体ノズルを使用する場合は、還元剤を含有する液体をポンプなどで昇圧して一流体ノズルに供給し、酸素を含有する気体は別のノズルから供給するのが望ましい。
２流体ノズルを使用する場合は、還元剤を含有する液体と酸素を含有する気体を２流体ノズルに各々所定の圧に昇圧して供給し、ノズルで気液を混合して炉内に注入する。２流体ノズルは液量に対して気体量が少ないほど粗粒な液滴となる。よって、空気および酸素濃度の低い排ガス６の供給量を調整することで、所望の液滴径で炉内に注入でき、還元剤と燃焼ガスの混合が促進する。
【００６９】
ところで尿素水は尿素を水に溶解した水溶液であり、安全で取り扱いが容易である。尿素水は高温場では（３）式のようにアンモニアに分解し、還元剤として作用する。
【００７０】
ＣＯ（ＮＨ２）２＋Ｈ２Ｏ → ２ＮＨ３ ＋ＣＯ２・・・・・・（３）
また、水溶液を火炉内に注入するため、水の蒸発潜熱により燃焼ガス温度が低下し、アフタエア燃焼で生成するサーマルＮＯｘが低減し、出口ＮＯｘが低下する。
【００７１】
本実施例のボイラ５０においても、制御装置４０からの指令信号によって還元剤タンク２４からアンモニア水または尿素水を供給する還元剤供給系統２８に設置した流量調節弁２７の開度を制御すると共に、煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に設置した流量調節弁２２の開度、及び酸素を含んだ空気を供給する空気供給系統１４に流量調節弁１３の開度をそれぞれ制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。
【００７２】
また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。
【００７３】
本実施例によれば、第１実施例のボイラと同様の効果が得られるだけでなく、さらにサーマルＮＯｘが低減するというメリットがある。
【００７４】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は化石燃料の燃焼に好適なＮＯｘを低減するボイラに適用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１：火炉、２：バーナ、３：アフタエアノズル、４：還元剤注入ノズル、４１、４１ａ、４１ｂ：ノズル出口孔、４２：ノズル内流体、４３：ノズル用冷却水、５：バーナ部燃焼ガス、６：排ガス、７：アフタエア、８、３３：熱交換器、９：煙道、１０：煙突、１１、１６、２１、２６：制御信号、１３、１７、２２、２７：流量調節弁、１２、２０、：ブロア、１５：アンモニアガスタンク、１８：還元剤供給系統、２３：排ガス供給系統、２４：アンモニア水および尿素水タンク、２５：ポンプ、３０、３１、３２：測定箇所、Ｌ、Ｍ：最適範囲、４０：制御装置、５０：ボイラ、６０：実験炉。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭又は石油等の化石燃料を燃焼するボイラに係り、特にボイラの火炉に還元剤を投入し、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料を燃焼するボイラではボイラ内で燃料を燃焼させる際に発生する燃焼ガスに含まれるＮＯｘ濃度を抑制することが求められており、その対策として一般に２段燃焼法を採用している。
【０００３】
２段燃焼法を適用したボイラとしては、例えば特開平９−３１０８０７号公報に開示されているように、微粉炭焚きボイラの火炉に微粉炭バーナと、この微粉炭バーナの下流側にアフタエアノズルとを設け、微粉炭バーナから燃料の微粉炭と燃焼用空気を供給し、アフタエアノズルからは燃焼用の空気のみを供給して燃料の微粉炭を燃焼するように構成している。
【０００４】
さらにボイラの火炉内でのＮＯｘ低減を目的として無触媒脱硝法が用いられている。例えば特開２００６−６４２９１号公報に開示されているように、アフタエア下流の酸化域で、ガス温度が約１０００℃となる領域に還元剤であるアンモニアを注入し、ＮＯｘをＮ２に還元しＮＯｘを低減する方法が開示されている。
【０００５】
またＷＯ２００５／００１３３８公報には尿素を炉内に均一に吹き込むノズル構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３１０８０７号公報
【特許文献２】特開２００６−６４２９１号公報
【特許文献３】ＷＯ２００５／００１３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アフタエア下流の酸化域に還元剤を注入する無触媒脱硝法ではＮＯｘが低減する温度帯域が狭いため温度分布のあるボイラ内では脱硝効率が悪い。また、ＮＯｘを低減しようと還元剤投入量を増していくと、未反応のアンモニアが火炉から流出する。
【０００８】
アンモニアは、燃焼ガス中の三酸化硫黄（ＳＯ３）と反応して硫安となり、エアヒータに付着して閉塞を生じさせ、また、塩化水素と反応し白煙が生じるという問題がある。また、バーナ近傍に尿素を注入する従来技術では、尿素の注入位置、注入位置でのガス温度など詳細な脱硝条件が明確でない。
【０００９】
本発明の目的は、ボイラ火炉内に注入した還元剤であるアンモニアが火炉外に流出することを抑制し、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のボイラは、化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、少なくとも一つの出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、前記還元剤注入ノズルの出口孔から還元剤を含有する流体と酸素を含有する流体との混合流体を火炉内に供給するように構成したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のボイラは、化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、複数の出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、還元剤を含有する流体及び酸素を含有する流体を、前記還元剤注入ノズルの異なる出口孔からそれぞれ火炉内に供給するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【図２】実験炉を示す構成図。
【図３】本実施例のＮＨ３／ＮＯｘモル比と出口ＮＯｘの関係を示す特性図。
【図４】本実施例のＮＯｘ、ＮＨ３残存率の関係を示す特性図。
【図５】本実施例のＯ２／ＮＨ３モル比と出口ＮＯｘの関係を示す特性図。
【図６】本発明の第２実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【図７】本発明の第３実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【図８】本発明の第４実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【図９】第１実施例乃至第４実施例で使用される還元剤注入ノズルを示す一例。
【図１０】第１実施例乃至第４実施例で使用される還元剤注入ノズルを示す他の一例。
【図１１】本発明の第５実施例であるボイラの概略構造を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施例であるボイラについて図面を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１実施例であるボイラについて図１を用いて説明する。図１に示した本発明の第１実施例であるボイラ５０において、ボイラ５０を構成する火炉１の下部の壁面には、微粉炭又は石油等の化石燃料と燃焼用空気とを共に火炉１の内部に供給して燃焼する複数個のバーナ２を上下方向の複数段に設置して、燃料を完全燃焼させるために必要な理論空気比以下となる量の燃焼用空気を前記バーナ２から火炉１内に供給して空気不足の状態で燃料を燃焼させ、バーナ２による燃焼によって発生するＮＯｘを窒素に還元して火炉２内に生じたバーナ部燃焼ガス５に含まれるＮＯｘの生成を抑えている。
【００１６】
前記バーナ２よりも燃焼ガス下流側に位置する火炉１の上部の壁面には、燃焼用空気をアフタエアとして火炉１の内部に供給するアフタエアノズル３が設置されている。前記アフタエアノズル３から火炉１の内部に供給するアフタエア７によって火炉１内で完全燃焼した排ガス６は、ボイラ５０の火炉１の下流側に設置された熱交換器８を通過して該熱交換器８で蒸気を発生させ、その後、煙道９を通って煙突１０から大気に放出される。
【００１７】
本実施例のボイラ５０を構成している火炉１の壁面におけるバーナ２とアフタエアノズル３との間の領域に、バーナ部燃焼ガス５に含まれたＮＯｘを窒素（Ｎ２）に還元する還元剤を火炉１内に注入する還元剤注入ノズル４を配置している。本実施例では還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する還元剤はアンモニアガスである。図１に示された実施例では還元剤注入ノズル４は１個しか示されていないが、前記還元剤をバーナ部燃焼ガス５と均一に混合させるためには前記還元剤注入ノズル４を複数個設置することが望ましい。
【００１８】
還元剤注入ノズル４には、還元剤のアンモニアガスを含有する流体を供給する還元剤供給系統１８と、空気を供給する空気供給系統１４がそれぞれ接続されている。還元剤供給系統１８にはアンモニアガスタンク１５から還元剤のアンモニアガスを供給するように構成されており、供給するアンモニアガス流量は制御装置４０からの制御信号１６によって還元剤供給系統１８に設けた流量調節弁１７の開度を操作して必要時に必要量のアンモニアガス流量を供給して前記還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する。
【００１９】
前記アンモニアガスタンク１５に貯蔵される還元剤は、アンモニアガスだけでなく、窒素、アルゴンなどの不活性ガスと混合希釈したアンモニアガスとしても良い。また、還元剤供給系統１８に別系統を通じて不活性ガスを混合し、アンモニアガスを希釈しても良い（図示せず）。
【００２０】
空気供給系統１４にはブロア１２から空気を供給し、供給する空気流量は制御装置４０からの制御信号１１によって空気供給系統１４に設けた流量調節弁１３の開度を操作して必要時に必要量の空気流量を供給して前記還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する。
【００２１】
還元剤注入ノズル４から火炉１内に還元剤を注入してバーナ部燃焼ガス５に含まれたＮＯｘを効率良く脱硝する条件の決定にあたって図２に示す実験炉６０を用いて燃焼実験を行った。
【００２２】
図２の実験炉６０は実機ボイラと同様に２段燃焼を行い、火炉１の下部にバーナ２を配置し、バーナ２の下流にアフタエアノズル３を配置した。バーナ２から供給して燃焼させる燃料はプロパンを使用した。火炉１の壁面であるバーナ２とアフタエアノズル３との間の領域には還元剤を注入する還元剤注入ノズル４を配置した。
還元剤注入ノズル４にはアンモニアガスを供給する還元剤供給系統１８と空気を供給する空気供給系統１４をそれぞれ接続した。アフタエアノズル３から火炉１内に供給したアフタエア７によって火炉１内で完全燃焼した排ガス６は、熱交換器３３で冷却されて屋外へ放出する。火炉１の出口のＮＯｘの濃度は、熱交換器３３の下流で十分冷却され反応が停止した下流側の位置３２で測定した。
【００２３】
以下に実験炉６０での燃焼実験結果から最適な脱硝条件について述べる。
【００２４】
図３は図２に示した実験炉６０で還元剤としてアンモニアを注入する雰囲気ガス温度の影響を示した。横軸はノズルＮＨ３／ＮＯｘモル比で縦軸は出口ＮＯｘである。出口ＮＯｘはＮＨ３注入なしのときを基準として示した。
【００２５】
雰囲気ガス温度は図２の実験炉６０における火炉１内の位置３０にて測定した。ガス温度が１２００℃未満ではＮＨ３を注入しても排ガス６中のＮＯｘは低下せず、排ガス６中のＮＯｘの脱硝には１２００℃以上のガス温度が必要である。ＮＨ３の熱分解は温度が高いほど反応が促進するため還元剤注入ノズル４の位置での燃焼ガス温度は高いほどよい。
【００２６】
従来の無触媒脱硝ではアフタエアノズル３の下流の火炉１内の酸化域で、ガス温度約８００から９００℃の狭い温度帯域でしかＮＯｘが低減しないが、本方式ではアフタエアノズル上流の還元域で高温度の領域にアンモニアを注入すればよい。バーナ部の火炎温度は約１６００℃以上であり、バーナ２とアフタエアノズル３の還元領域では高温のガス温度となる。
【００２７】
次にＮＨ３の注入量であるが、図３に示したように、ＮＨ３／ＮＯｘモル比１〜２近傍でＮＯｘは極小となりＮＨ３／ＮＯｘモル比を増大するとＮＯｘも増加する傾向にある。
【００２８】
排ガス６中のＮＯｘが低減するＮＨ３／ＮＯｘモル比の範囲はＬで示した０．５〜３．０の範囲であって、最適値は１．０〜２．０の範囲である。
【００２９】
ここで、横軸のＮＯｘモルは、図２で示した還元剤注入ノズル４の上流域である火炉１内の位置３１での平均ＮＯｘ濃度から算出した。図１に示した実施例のボイラにおいても図３に示した上記範囲ＬのＮＨ３量を還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入することで排ガス６中のＮＯｘが低減する。
【００３０】
ところでバーナ２の下流側とアフタエアノズル３の上流側の火炉１内の還元域では空気不足で燃焼しており、酸素不足の領域である。本発明ではこの還元域に外部から還元剤注入ノズル４によって還元剤であるアンモニアを火炉１内に注入することで、還元剤を増やし、排ガス６中のＮＯｘの低減を図る。
【００３１】
還元域ではアンモニアはＯＨラジカルと反応し、ＮＨ２ラジカルとなりＮＨ２ラジカルがＮＯと反応して、（１）式、（２）式のようにＮＯを窒素（Ｎ２）に還元する。
【００３２】
ＮＨ３＋ＯＨ → ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ・・・・・・・（１）
ＮＨ２＋ＮＯ → Ｎ２＋Ｈ２Ｏ・・・・・・・・（２）
上式からわかるようにＮＯを窒素に還元するにはＯＨラジカルと反応してＮＨ２ラジカルを生成することが重要である。
【００３３】
ところで還元域でのＯＨラジカル濃度はバーナ空気比に依存しており、バーナ空気比が高い、すなわちバーナ部へ供給する空気量が多いほどＯＨラジカルは多く生成する。
【００３４】
図４に還元域の違いによるアンモニア注入後のＮＯｘとＮＨ３の残存率を示す。図２の実験炉６０におけるアフタエアノズル３の直上流の還元域の空間でガスサンプリングを行い、ＮＯｘ、ＮＨ３濃度を測定した。ＮＯｘはＮＨ３を注入しない時のＮＯｘ濃度を１００％とし、測定位置でのＮＯｘ濃度から残存率を算出した。またＮＨ３はＮＨ３を注入した濃度を１００％とし、測定位置でのＮＨ３濃度から残存率を算出した。アンモニア注入量は脱硝に最適なＮＯｘモルと等モル量とした。横軸の弱還元域はバーナ空気比０．８より高い場合を、強還元域はバーナ空気比０．８以下の場合を示す。
【００３５】
図４から理解できるように、強還元域では、弱還元域に比べてＮＨ３が分解せず残存することを示している。還元域で残留したＮＨ３はアフタエアノズル３から供給される空気で酸化されＮＯｘに転換する。よって還元域でＮＨ３が高濃度で残留すれば、出口ＮＯｘが増大するため、脱硝率は低下する。
【００３６】
これは前述したようにＯＨラジカルが強還元域では少ないことによる。図４に空気を添加した場合の残存率を示す。強還元域の条件下で少量のＯ２（酸素）を添加し、ＯＨラジカルを増大することでＮＨ３の分解を促進し、ＮＨ３の残存率が低下する。よって、アフタエア部でのＮＯｘ転換率を低減し、脱硝効果を高めることができる。
【００３７】
図５にＯ２注入の影響を示す。強還元域の条件でＮＨ３をＮＯｘと等モル注入時に、少量の空気を注入した。図５に示すようにＯ２／ＮＨ３モル比が１．０近傍でＮＯｘは最小となることがわかる。Ｏ２の注入量は図中のＭで示す０．５〜１．５の範囲が最適範囲である。このように強還元域でも少量の酸素を注入することで、ＯＨラジカルを増大させ、ＮＨ３の分解を促進し、出口ＮＯｘが低減する。
【００３８】
実験では強還元域の条件であるが、弱還元域でも少量の酸素を注入することでＮＨ３の分解を促進する効果は同じである。図１の実施例のボイラにおいてもＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲の最適範囲となるように、空気供給系統１４を通じて大気中のＯ２を含む空気を火炉１内に注入することでＮＯｘが低減する。
【００３９】
このように本実施例のボイラによれば、制御装置４０からの指令信号によって還元剤供給系統１８に設置した流量調節弁１７の開度を制御すると共に、吸気供給系統１４に設置した流量調節弁１３の開度を制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。
【００４０】
よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。また、ＮＨ３の分解促進に高価な薬品等を注入せずに、空気や排ガス６中に含まれる酸素を少量注入すればよく、低コストで効果が得られる。
【００４１】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【実施例２】
【００４２】
次に本発明の第１実施例であるボイラ５０について図６を用いて説明する。図６に示した本発明の第２実施例であるボイラ５０は、図１に示した第１実施例のボイラと基本的な構成が共通しているので両者に共通した構成の説明は省略し、相違する点について以下に説明する。
【００４３】
図６に示した本実施例のボイラ５０は、還元剤注入ノズル４に煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３が接続されている。排ガス供給系統２３にはブロア２０が設置されており、煙道９に接続した分岐系統１９から酸素を含んだ排ガス６の一部を吸い込み、第１実施例と同様に、制御装置４０からの制御信号２１で前記排ガス供給系統２３に設けた流量調節弁２２の開度を調整し、排ガスの供給量を制御して該排ガス供給系統２３を通じて酸素を含んだ排ガス６を前記還元剤注入ノズル４に供給して火炉１内に注入する。
【００４４】
ところで排ガス６に含まれた酸素濃度は約２〜３％であり、空気の酸素濃度２１％に比べて約１／１０の濃度である。同一の酸素濃度を供給する場合、排ガス６は空気より約１０倍の流量となる。よって、第１実施例のボイラにおける空気供給に比べて、前記還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する酸素を含有する流体の流量が増大するため運動量が増加し、火炉１内のバーナ部から上昇してくるバーナ部燃焼ガス５との混合が促進する。
【００４５】
本実施例のボイラ５０においても、制御装置４０からの指令信号１６によって還元剤供給系統１８に設置した流量調節弁１７の開度を制御すると共に、煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に設置した流量調節弁２２の開度を制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。
【００４６】
また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。
【００４７】
本実施例のボイラによれば、第１実施例のボイラと同様の効果が得られ、さらに還元剤のアンモニアと燃焼ガス５との混合が促進して短時間で均一に混合するため、排ガス中のＮＯｘ低減率が増大するというメリットがある。
【００４８】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【実施例３】
【００４９】
次に本発明の第３実施例であるボイラについて図７を用いて説明する。図７に示した本発明の第３実施例であるボイラ５０は、図１に示した第１実施例のボイラと基本的な構成が共通しているので両者に共通した構成の説明は省略し、相違する点について以下に説明する。
【００５０】
図７に示した本実施例のボイラ５０は、還元剤注入ノズル４に排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に加えて、空気を供給する空気供給系統１４が接続されている。還元剤の供給方法は先の第１実施例と同様である。
【００５１】
本実施例のボイラ５０においても、制御装置４０からの指令信号によって還元剤供給系統１８に設置した流量調節弁１７の開度を制御すると共に、煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に設置した流量調節弁２２の開度、及び酸素を含んだ空気を供給する空気供給系統１４に流量調節弁１３の開度をそれぞれ制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。
【００５２】
また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。
【００５３】
即ち、酸素を含んだ空気と酸素を含んだ排ガス６の両者を混合して前記還元剤注入ノズル４に供給することで、還元剤注入ノズル４から供給する酸素を含有する流体流量を広範囲で調整でき、ボイラ５０の負荷が変動して燃焼ガス５の流量が変化した場合でも、流量調節弁１３、２２の開度を調整し、燃焼ガス５との混合に最適な流量に調整でき、効率よく混合を促進することが可能となる。
【００５４】
本実施例によれば、前記第１実施例のボイラと同様の効果が得られ、さらにボイラの負荷変動に対応して還元剤注入ノズルから注入する還元剤と燃焼ガス５とを効率よく混合でき、ＮＯｘ低減率が増大するというメリットがある。
【００５５】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【実施例４】
【００５６】
次に本発明の第４実施例であるボイラについて図８を用いて説明する。図８に示した本発明の第４実施例であるボイラ５０は、図１に示した第１実施例のボイラと基本的な構成が共通しているので両者に共通した構成の説明は省略し、相違する点について以下に説明する。
【００５７】
図８に示した本実施例のボイラ５０は、火炉１のアフタエアノズル３が上下に２段で構成されている。本構成によればアフタエアノズル３からアフタエア（空気）を火炉１内に、より均一に分散して供給することが可能となるので、アフタエアと燃焼ガス５との混合が促進し、素早く完全燃焼ができ排ガス６内のＣＯや石炭燃焼の場合は未燃分が減少して燃焼効率が増大する。
【００５８】
本実施例のボイラ５０においても、制御装置４０からの指令信号によって還元剤供給系統１８に設置した流量調節弁１７の開度を制御すると共に、煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に設置した流量調節弁２２の開度、及び酸素を含んだ空気を供給する空気供給系統１４に流量調節弁１３の開度をそれぞれ制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。
【００５９】
また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。
【００６０】
アフタエアノズル３を上下に２段に設置した本構成は、第１実施例乃至第３実施例のボイラにも適用可能であり、同様の効果が得られる。
【００６１】
本実施例のボイラ５０によれば、第１実施例乃至第３実施例と同様の効果が得られるだけでなく、さらに排ガス中のＣＯ、未燃分が低減できて燃焼効率が改善するというメリットがある。
【００６２】
次に、図９及び図１０に第１実施例乃至第４実施例のボイラに適用する還元剤注入ノズル４の構造の一例をそれぞれ示す。図９に示した還元剤注入ノズル４は、還元剤の流体４２を噴出するノズル出口孔４１が１個の場合を、図１０に示した還元剤注入ノズル４は、還元剤の流体４２を噴出するノズル出口孔４１ａとノズル出口孔４１ｂの２個のノズル出口孔を備えた場合の構造を示す。
【００６３】
図９及び図１０に示した還元剤注入ノズル４は高温場に設置するため、ノズルが溶損しないように還元剤注入ノズル４の内部に冷却水４３を流通させる流路を形成している。
【００６４】
また、図１０に示した還元剤注入ノズル４は、ノズル出口孔４１ａとノズル出口孔４１ｂの２個のノズル出口孔に還元剤と酸素とを混合した同一流体を供給しても良く、或いは、還元剤を含有する流体と、酸素を含有する流体とを別々に供給するようにしても良い。
【００６５】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【実施例５】
【００６６】
次に本発明の第５実施例であるボイラについて図１１を用いて説明する。図１１に示した本発明の第５実施例であるボイラ５０は、図１に示した第１実施例のボイラと基本的な構成が共通しているので両者に共通した構成の説明は省略し、相違する点について以下に説明する。
【００６７】
図１１に示した本実施例のボイラ５０は、還元剤としてアンモニアガスの代わりにアンモニア水または尿素水を供給する還元剤供給系統２８が還元剤注入ノズル４に接続されている。アンモニア水または尿素水は還元剤タンク２４からポンプ２５で送液され、還元剤供給系統２８に設けた流量調節弁２７で流量を制御する。流量調節弁２７の開度は制御装置４０からの制御信号２６で操作される。
還元剤注入ノズル４から火炉１内に注入する液滴は、素早く気化しないで炉中央まで還元剤が到達するように微細化せず燃焼ガス５と混合させることが望ましい。
前述した図９及び図１０に示す還元剤注入ノズル４のノズル構造を用いて１流体ノズル、２流体ノズルを使用するとよい。
【００６８】
１流体ノズルを使用する場合は、還元剤を含有する液体をポンプなどで昇圧して一流体ノズルに供給し、酸素を含有する気体は別のノズルから供給するのが望ましい。
２流体ノズルを使用する場合は、還元剤を含有する液体と酸素を含有する気体を２流体ノズルに各々所定の圧に昇圧して供給し、ノズルで気液を混合して炉内に注入する。２流体ノズルは液量に対して気体量が少ないほど粗粒な液滴となる。よって、空気および酸素濃度の低い排ガス６の供給量を調整することで、所望の液滴径で炉内に注入でき、還元剤と燃焼ガスの混合が促進する。
【００６９】
ところで尿素水は尿素を水に溶解した水溶液であり、安全で取り扱いが容易である。尿素水は高温場では（３）式のようにアンモニアに分解し、還元剤として作用する。
【００７０】
ＣＯ（ＮＨ２）２＋Ｈ２Ｏ → ２ＮＨ３ ＋ＣＯ２・・・・・・（３）
また、水溶液を火炉内に注入するため、水の蒸発潜熱により燃焼ガス温度が低下し、アフタエア燃焼で生成するサーマルＮＯｘが低減し、出口ＮＯｘが低下する。
【００７１】
本実施例のボイラ５０においても、制御装置４０からの指令信号によって還元剤タンク２４からアンモニア水または尿素水を供給する還元剤供給系統２８に設置した流量調節弁２７の開度を制御すると共に、煙道９から分岐した分岐系統１９を経由して排ガス６の一部を供給する排ガス供給系統２３に設置した流量調節弁２２の開度、及び酸素を含んだ空気を供給する空気供給系統１４に流量調節弁１３の開度をそれぞれ制御することによって、ＮＨ３を前記した図３に示した範囲であるＮＨ３の注入量が、ＮＨ３／ＮＯｘモル比で上記した０．５〜３．０の範囲、最適範囲としては１．０〜２．０の範囲となるように調節すると共に、Ｏ２を前記した図５に示した最適範囲であるＯ２の注入量がＯ２／ＮＨ３モル比で上記した０．５〜１．５の範囲となるように調節して火炉１内の還元域に注入することで、効率よく排ガス６中のＮＯｘを低減することができる。
【００７２】
また、本実施例のボイラでのＮＨ３注入位置はアフタエアノズル３より上流側であり、未反応のＮＨ３はアフタエア７の空気で酸化されＮＯｘに転換するので炉外へのＮＨ３の流出がない。よって燃焼ガス６中にアンモニアが存在しないので火炉１の下流側に配置されたエアヒータ（図示せず）の閉塞も白煙も生じない。
【００７３】
本実施例によれば、第１実施例のボイラと同様の効果が得られるだけでなく、さらにサーマルＮＯｘが低減するというメリットがある。
【００７４】
本実施例によれば、ボイラ火炉内に還元剤を投入しても火炉外にアンモニアが排出することを抑制して、排ガス中のＮＯｘを確実に低減させることを可能としたボイラを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は化石燃料の燃焼に好適なＮＯｘを低減するボイラに適用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１：火炉、２：バーナ、３：アフタエアノズル、４：還元剤注入ノズル、４１、４１ａ、４１ｂ：ノズル出口孔、４２：ノズル内流体、４３：ノズル用冷却水、５：バーナ部燃焼ガス、６：排ガス、７：アフタエア、８、３３：熱交換器、９：煙道、１０：煙突、１１、１６、２１、２６：制御信号、１３、１７、２２、２７：流量調節弁、１２、２０、：ブロア、１５：アンモニアガスタンク、１８：還元剤供給系統、２３：排ガス供給系統、２４：アンモニア水および尿素水タンク、２５：ポンプ、３０、３１、３２：測定箇所、Ｌ、Ｍ：最適範囲、４０：制御装置、５０：ボイラ、６０：実験炉。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、
最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、少なくとも一つの出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、前記還元剤注入ノズルの出口孔から還元剤を含有する流体と酸素を含有する流体との混合流体を火炉内に供給するように構成したことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、
最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、複数の出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、還元剤を含有する流体及び酸素を含有する流体を、前記還元剤注入ノズルの異なる出口孔からそれぞれ火炉内に供給するように構成したことを特徴とするボイラ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給される還元剤は、アンモニアガス、アンモニア水、又は尿素水であって、前記還元剤注入ノズルに供給する還元剤の量は、火炉内で生成する燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）１モルに対して０．５から３モルの範囲に設定されていることを特徴とするボイラ。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給される酸素を含有する流体は、空気、燃焼排ガス、又は空気と燃焼排ガスとの混合流体であって、供給する酸素の量は、供給する還元剤１モルに対して０．５から１．５モルの範囲に設定されていることを特徴とするボイラ。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給される酸素を含有する流体は、空気、燃焼排ガス、又は空気と燃焼排ガスとの混合流体であって、前記還元剤注入ノズルが２流体ノズルの場合は前記流体を噴霧用の気体流体とし、供給する酸素量は、供給する還元剤１モルに対して０．５から１．５モルの範囲に設定されていることを特徴とするボイラ。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載のボイラにおいて、
前記アフタエアノズルは炉の壁面に複数段配置されていることを特徴とするボイラ。
【請求項７】
請求項３に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給する還元剤を含有する流体の流量を制御して、供給する還元剤の量が火炉内で生成する燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）１モルに対して０．５から３モルの範囲となるように前記還元剤注入ノズルに設置した流量調節弁と、この流量調節弁の開度を調節する制御装置が設置されていることを特徴とするボイラ。
【請求項８】
請求項４に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給する酸素を含有する流体の流量を制御して、供給する酸素の量が供給する還元剤１モルに対して０．５から１．５モルの範囲に火炉内で生成する燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）１モルに対して０．５から３モルの範囲となるように前記還元剤注入ノズルに設置した流量調節弁と、この流量調節弁の開度を調節する制御装置が設置されていることを特徴とするボイラ。
【請求項１】
化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、
最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、少なくとも一つの出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、前記還元剤注入ノズルの出口孔から還元剤を含有する流体と酸素を含有する流体との混合流体を火炉内に供給するように構成したことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
化石燃料を理論空気比以下で燃焼させる複数のバーナと、前記バーナの下流側に該バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備えたボイラにおいて、
最上段に位置する前記バーナと前記アフタエアノズルとの間の領域の火炉の壁面に、複数の出口孔を備えた還元剤注入ノズルを配設し、還元剤を含有する流体及び酸素を含有する流体を、前記還元剤注入ノズルの異なる出口孔からそれぞれ火炉内に供給するように構成したことを特徴とするボイラ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給される還元剤は、アンモニアガス、アンモニア水、又は尿素水であって、前記還元剤注入ノズルに供給する還元剤の量は、火炉内で生成する燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）１モルに対して０．５から３モルの範囲に設定されていることを特徴とするボイラ。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給される酸素を含有する流体は、空気、燃焼排ガス、又は空気と燃焼排ガスとの混合流体であって、供給する酸素の量は、供給する還元剤１モルに対して０．５から１．５モルの範囲に設定されていることを特徴とするボイラ。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給される酸素を含有する流体は、空気、燃焼排ガス、又は空気と燃焼排ガスとの混合流体であって、前記還元剤注入ノズルが２流体ノズルの場合は前記流体を噴霧用の気体流体とし、供給する酸素量は、供給する還元剤１モルに対して０．５から１．５モルの範囲に設定されていることを特徴とするボイラ。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載のボイラにおいて、
前記アフタエアノズルは炉の壁面に複数段配置されていることを特徴とするボイラ。
【請求項７】
請求項３に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給する還元剤を含有する流体の流量を制御して、供給する還元剤の量が火炉内で生成する燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）１モルに対して０．５から３モルの範囲となるように前記還元剤注入ノズルに設置した流量調節弁と、この流量調節弁の開度を調節する制御装置が設置されていることを特徴とするボイラ。
【請求項８】
請求項４に記載のボイラにおいて、
前記還元剤注入ノズルに供給する酸素を含有する流体の流量を制御して、供給する酸素の量が供給する還元剤１モルに対して０．５から１．５モルの範囲に火炉内で生成する燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）１モルに対して０．５から３モルの範囲となるように前記還元剤注入ノズルに設置した流量調節弁と、この流量調節弁の開度を調節する制御装置が設置されていることを特徴とするボイラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−９３０１３（Ｐ２０１２−９３０１３Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３９３４３（Ｐ２０１０−２３９３４３）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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