関連出願の相互参照

本出願では、2006年9月13日に出願された独逸国特許出願第10 2006 043 807.8号から、米国特許法第119条第(a)〜(d)項に基づく優先権を主張するものであり、該出願の対象物を全て本明細書において参照することによりここに組み込む。

本発明は、一次燃焼用ガスを燃料に通過させ、二次燃焼用ガスを燃料の上方で煙道ガス流に直接導入し、一部の煙道ガスを後燃焼域の煙道ガス流から取出して内部再循環ガスとして燃焼過程に戻す焼却システムに於ける、燃焼制御方法に関する。

この種類の方法は、欧州特許第EP 0498014 B 2から既知である。この事例では、同方法を使用して煙道ガス流を減少させたが、汚染物質排出を軽減する可能性については扱わなかった。

廃棄物中の窒素の一部は燃焼中に反応してNO/NO₂になり、これが煙道ガスと共に燃焼過程を出るため、複雑な処置を施してNO/NO₂が汚染物質(NO_x/酸化窒素)として環境へ放出されるのを防ぐ必要があることは、既知の事実である。窒素の別な一部は燃焼過程で反応して、NH₂又はCN化合物/ラジカルになる。これらの中間生成物は高温で不安定で、更なる反応が生じる。該中間生成物/ラジカルは、既に生成されたNO/NO₂をN₂に還元できるので、燃焼制御を、この作用を脱窒過程としてシステムに備えて使用するよう設計することは理に叶っている。

現在の最先端技術に従えば、燃焼システムの炉に関する燃焼制御は、燃焼火格子の上方で、該火格子で一次燃焼を行った後に、二次燃焼ゾーンを直ちに高乱流ゾーンとして形成するように設計されるが、該ゾーンに外気又は再循環させたガスが供給され、該ゾーンで、依然存在する全ての可燃性ガス成分(ガス及び固体粒子)をできる限り完全に燃焼させる。この過程は、燃焼反応を超化学量論的条件下、通常過剰空気率1.7〜2.2で行うよう制御される。二次空気及び/又は再循環させた煙道ガスが後燃焼領域に、高インパルス(力積)及び強力な混合効果を伴い供給され、その結果、上記中間生成物(NH₂化合物又はCN化合物)は早期に分解、即ち酸化され、従って該中間生成物は最早既に生成された酸化窒素(NO_x)とは反応できなくなる。再循環させた煙道ガスは一般的に、蒸気ボイラ及び通常煙道ガス浄化システムも通過した後、取出される。その結果、このガス流は「外部再循環ガス」と呼ばれる。

該システムを一次燃焼に関して著しく亜化学量論的レベルで運転した場合、固形燃料の完全な燃焼について、特に、激しく変動する熱量及び燃焼挙動を有する燃料を使用する際には、必ずしも保証できない。二次燃焼に関して実質的に化学量論条件下、即ち過剰空気≦1.6で運転すると、未燃ガス成分の原因となり、その結果、環境への有害な排出や下流の蒸気発生器の腐食を引き起してしまう。

本発明の目的は、固形燃料及び煙道ガスの最適な燃焼を実現するように、酸化窒素生成/排出をできるだけ抑制するように、及び低過剰空気率(過剰空気=1.3〜1.5)及び低煙道ガス量で安定運転を実現するように、燃焼過程を制御することである。

本発明によれば、この目的を、上述した種類の過程を使用して、一次燃焼用ガス流と二次燃焼用ガス流の総量を、基本的に化学量論的又は実質的に化学量論的反応条件を、二次燃焼レベル直上の煙道ガス流に関して達成するまで減少させること、及び内部再循環ガスを三次燃焼領域に供給し、該領域で二次燃焼用ガスを導入した後、煙道ガスが少なくとも1秒の滞留時間を獲得することで、達成可能である。

一次燃焼用ガスは、一般に外気であると理解される。いくつかの特殊な例では、しかしながら、外気を酸素で富化してもよい。

(発明を実施するための最良の形態) 本発明及びその効果について一層完全に、同じ参照番号で同じ特徴を示す添付図と共に以下の既述を参照することで理解できるだろう。

従来の燃焼システムの運転モードとは対照的に、一次燃焼用ガスの供給を、略化学量論的流量のまま変化させずに、固形燃料の燃焼を最適化する。全燃焼過程に関して低過剰空気レベルを維持したまま、且つ燃焼用ガスを混合/均質化するのに必要な量の二次燃焼用ガス流を可能にするために、一次ガス流と二次ガス流の総量を、基本的に化学量論的又は実質的に化学量論的反応条件となるまで減少させる。実際には、これは、相当な量の未反応酸素を依然含む一次燃焼中に生成されるガスが二次燃焼ゾーンに流入するのを防ぐことを意味する。問題のガスは、後燃焼火格子領域で発生するものである。そこでは、一次燃焼用ガスを主に供給して、確実に固形燃料を完全に燃焼させ、且つ燃焼残渣物(ボトムアッシュ)を冷却する。結果として生じる煙道ガス流は、従って、一次燃焼用ガス又は外気と比べて、単に最小限に低減された酸素含有量という特徴を有する。

こうしたガス流を後燃焼室領域から吸引によって抽出し、それにより該ガス流が二次燃焼ゾーンに流入するのを防ぐ。このガスを内部再循環ガスと呼び、本発明によれば、これを炉上部領域、即ち明確には二次燃焼ゾーン後に、戻す。この領域を、三次燃焼領域と呼ぶが、該領域で、煙道ガスは、二次燃焼用ガスを供給後、少なくとも1秒、有利には殆ど2秒の滞留時間を有する。本発明の方法を用いて、必要なだけの酸素を二次燃焼用ガスの形で二次燃焼領域に必要な際に供給して、煙道ガス流を良好に混合又は均質化できる。

二次燃焼用ガスを、外気、外気及び外部再循環ガス、或は蒸気ボイラ及び場合によっては煙道ガス浄化システムを通過させた外部再循環ガスだけとすることも可能である。

化学量論的反応条件の領域で、好適には僅かに亜化学量論的条件を有する領域で、一次燃焼用ガス流を減少させることで、NO_xの発生を低減し、NH及びCN化合物の生成を増大させる。効果を抑えた二次燃焼ゾーンを導入して、煙道ガス流を、全てのNH及びCN化合物を強力に後燃焼させずに混合し均質化した場合、これらの化合物はNO_xをN₂に還元する可能性がある。実験から、該領域での1〜2秒滞留時間が、良好な反応効率に適切なことが分かっている。特に、酸化窒素濃度を低く保つ目的には、外部再循環ガスを二次燃焼領域に供給することで、上手く対応できる。しかしながら、そのために完全に煙道ガスを燃焼する、特に全有害ガスを完全に分解するのは必ずしもこの場合確実でないことを許容する必要があり、その結果更なる反応領域を作製する必要がある。

この目標を達成するために、本発明によれば三次燃焼領域を二次燃焼領域後に形成して、完全にガスを燃焼させ、依然存在する可能性があるあらゆる有機化合物を分解させる。発明によれば、必須の乱流及び必要な過剰空気を、内部再循環ガスにより提供する。内部再循環ガスは、後火格子領域から取出したガスで、二次燃焼領域に移動できないガスである。燃焼過程用の総過剰空気はそれ以上増大せず、それにより低過剰空気率で燃焼過程を実行するという目的を達成できる。その上、内部再循環ガスの再循環は、外気の形の更なる三次燃焼用空気が不要なことを意味し、それにより煙道ガス量をできる限り少なく保てる。

本発明の更なる仕組みでは、NO_x還元用薬剤を燃焼設備の煙道ガス流に注入できるが、該設備では三次燃焼用ガスを供給して、NO_x含有量の更なる減少を可能にし、三次燃焼領域の開始時点でまだ減少していないNO_x分子を捕捉する。

本発明の更なる仕組みでは、NO_x還元用薬剤を、三次燃焼用ガス、即ち内部再循環ガスに添加することも可能である。この場合、三次燃焼用ガス供給による乱流発生効果を、薬剤を煙道ガス流と混和させる際に使用することもできる。

これらの薬剤は、選択的無触媒脱硝法(SNCR)から既知であり;尿素又はアンモニア水を好適には使用する。

これは、更なる煙道ガス乱流を、三次燃焼領域で又はその上流で、即ち内部で再循環させた煙道ガスを導入する箇所より上流で発生させる場合、更に有利である。これを、内部で再循環させた煙道ガスの導入で生じる乱流によるだけでなく、例えば炉の煙道ガス通路の断面積を、内部再循環ガスを導入する箇所又はその上流で縮小することで、或はこの領域に乱流を増大させる取付体を使用することで、達成できる。

本発明はまた、上記方法を実施するための燃焼システムに関する。

本発明について、図面(図1)での仕組みに関する一例により、以下で更に詳細に説明する。

この図面は、燃焼システムの縦断面を表した略図である。特定の燃焼システムについて図1で示し、以下で説明するが、当然ながら本発明の原理を様々な焼却システムに適合させて、所望のNO_x削減を達成してもよい。

図面で示すように、燃焼システムには供給ホッパ1を有し、それに続いて供給シュート2を有して供給テーブル3に燃料を供給し、該供給テーブル上には往復運動可能な供給ラム4を設けて、供給シュート2から到着する燃料を、燃料を燃焼させる燃焼火格子5上に搬送する。火格子を傾斜させるか、又は水平に配置するか、及びどの原理を適用するかは重要でない。

燃焼火格子5 の下には、全体として6で示し、一次燃焼用空気を供給し、一次燃焼用空気をダクト13を介してファン12を用いて導入する複数のホッパ7〜11で構成可能な装置を配設する。チャンバ7〜11から成る仕組みを通して、燃焼火格子を複数の下位火格子空気ゾーンに分割し、それにより一次燃焼用空気を燃焼火格子に関する必要条件によって異なる設定に調節できる。

燃焼火格子5上方には、炉14が存在し、該炉は煙道ガス通路15に通じており、該煙道ガス通路15は図示しない構成要素、例えば熱回収ボイラ及び煙道ガス浄化システムへと続く。炉14の後部領域を、ルーフ16、後壁17及び側壁18で画定する。19で示す燃料の燃焼を、煙道ガス通路15がその上方に位置する燃焼火格子5の前方部分で行う。殆どの一次燃焼用空気を、チャンバ7、8及び9を介して、この領域に導入する。燃焼火格子5の後部領域には、その大部分に燃焼した燃料だけ、又はボトムアッシュだけが存在し、一次燃焼用空気をこの領域にチャンバ10及び11を介して、主に冷却目的で、及び未燃分のボトムアッシュの燃焼を促進するために、導入する。

燃焼した燃料は、その後燃焼火格子5の端部で搬出装置20に落下する。ノズル21及び22を煙道ガス通路15の領域に設けて、二次燃焼用ガスを供給して煙道ガスを上昇させ、それにより煙道ガス流を混合して、煙道ガスに残存する可燃部分の後燃焼を促進する。

本発明による過程を実行するために、煙道ガスをルーフ16、後壁17及び側壁18で画定した後部炉領域から抽出する。このガスを、内部再循環ガスと呼ぶ。

吸込口23を、本典型的実施例では、後壁17に設ける。この吸込口23をファン25の吸込み側に接続し、それにより煙道ガスを抽出する。ダクト26をファンの圧迫側に接続し、抽出した煙道ガスを煙道ガス通路15上部領域にあるノズル27を通して三次燃焼領域28に供給する。この領域で、煙道ガスは二次燃焼領域を出た後、少なくとも1秒、又は有利には少なくとも2秒も滞留時間を有する。

三次燃焼領域28内又は該領域上流で、煙道ガス通路を大幅に狭窄して、通路15での煙道ガス流の乱流及び混合作用を増大させる。ノズル27を、この狭窄領域に配設する。しかしながら、他の取付部品又は要素29を、ガス流を乱すために設けて、それにより乱流を発生させることも可能である。

本発明の実施例に従う被供給燃焼用ガスを伴う焼却システムに関する高度な概略図である。

1 供給ホッパ 2 供給シュート 3 供給テーブル 4 供給ラム 5 燃焼火格子 7〜11 ホッパ 12、15 ファン 13、26 ダクト 14 炉 15 煙道ガス通路 16 ルーフ 17 後壁 18 側壁 20 搬出装置 21、22、27 ノズル 23 吸込口 28 三次燃焼領域 29 取付部品又は要素