(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炉を具備し、
前記燃焼炉が、
０．５以上０．７以下の空気過剰率となるように第１空気を供給される流動床と、
０．７以上０．９以下の空気過剰率となるように第２空気を供給され、前記流動床の上部に設けられた第１フリーボード部と、
０．９以上１．１５以下の空気過剰率となるように第３空気を供給され、前記第１フリーボード部の上部に設けられた第２フリーボード部と、
１．１５以上１．６以下の空気過剰率となるように第４空気を供給され、前記第２フリーボード部の上部に設けられた第３フリーボード部と
を備え、
前記流動床は、８００℃以上９００℃以下において、前記第１空気を含む還元雰囲気で、窒素酸化物とダイオキシンの発生を抑制するように、燃料の燃焼を行い、
前記第１フリーボード部は、８００℃以上９００℃以下において、前記第２空気を含む還元雰囲気で、前記流動床からの窒素酸化物とダイオキシンを分解し、窒素酸化物とダイオキシンの発生を抑制するように、前記流動床からの未燃ガスの燃焼を行い、
前記第２フリーボード部は、８００℃以上９００℃以下において、前記第３空気を含む雰囲気で、
０．９以上１．０未満の空気過剰率のとき前記第１フリーボード部からの窒素酸化物とダイオキシンを分解し、１．０以上１．１５以下の空気過剰率のとき前記第１フリーボード部からのダイオキシンを分解し、０．９以上１．１５以下の空気過剰率で窒素酸化物とダイオキシンの発生を抑制するように、前記第１フリーボード部からの未燃ガスの燃焼を行い、
前記第３フリーボード部は、７５０℃以上８５０℃以下において、前記第４空気を含む酸化雰囲気で、前記第２フリーボード部からのダイオキシンを分解し、窒素酸化物とダイオキシンの発生を抑制するように、前記第２フリーボード部からの未燃ガスの完全燃焼を行い、
ここで、空気過剰率は、投入される燃料が完全燃焼するのに必要な空気の量に対する、供給される空気の割合である
流動床燃焼装置。
【請求項２】
前記流動床での燃料及びガスの滞留時間は、１．５以上２．５秒以下であり、
前記第１フリーボード部での燃料及びガスの滞留時間は、０．５以上１．５秒以下であり、
前記第２フリーボード部での燃料及びガスの滞留時間は、０．1以上１．０秒以下であり、
前記第３フリーボード部での燃料及びガスの滞留時間は、１．５秒以上である
請求項１に記載の流動床燃焼装置。
【請求項３】
前記燃焼炉は、
前記第１空気を供給する第１空気供給口と、
前記第２空気を供給する第２空気供給口と、
前記第３空気を供給する第３空気供給口と、
前記第４空気を供給する第４空気供給口と
を備え、
前記第１フリーボード部は、前記流動床の上部から前記第３空気供給口までの領域であり、
前記第２フリーボード部は、前記第３空気供給口から前記第４空気供給口までの領域であり、
前記第３フリーボード部は、前記第４空気供給口から前記燃料炉の出口までの領域である
請求項２に記載の流動床燃焼装置。
【請求項４】
前記燃焼炉は、
前記第１空気供給口の位置が、前記流動床の底部にあり、
前記第２空気供給口の位置が、前記底部から１５００〜２１００ｍｍの範囲にあり、
前記第３空気供給口の位置が、前記底部から３１００〜３７００ｍｍの範囲にあり、
前記第４空気供給口の位置が、前記底部から４１００〜４７００ｍｍの範囲にある
請求項３に記載の流動床燃焼装置。
【請求項５】
前記燃焼炉は、
前記第２空気供給口と前記第３空気供給口との間に設けられた燃料投入口
を更に具備する
請求項３又は４に記載の流動床燃焼装置。
【請求項６】
前記燃料投入口の位置が、前記底部から２１００〜２７００ｍｍの範囲にある
請求項５に記載の流動床燃焼装置。
【請求項７】
（ａ）流動床に燃料を供給するステップと、
（ｂ）前記流動床へ第１空気を供給し、８００℃以上９００℃以下において、０．５以上０．７以下の空気過剰率で、窒素酸化物とダイオキシンの発生を抑制するように、前記燃料の燃焼を行うステップと、
（ｃ）前記流動床の上部に設けられた第１フリーボード部へ第２空気を供給し、８００℃以上９００℃以下において、０．７以上０．９以下の空気過剰率で、前記流動床からの窒素酸化物とダイオキシンを分解し、窒素酸化物とダイオキシンの発生を抑制するように、前記流動床からの未燃ガスの燃焼を行うステップと、
（ｄ）前記第１フリーボード部の上部に設けられた第２フリーボード部へ第３空気を供給し、８００℃以上９００℃以下において、０．９以上１．０未満の空気過剰率のとき前記第１フリーボード部からの窒素酸化物とダイオキシンを分解し、１．０以上１．１５以下の空気過剰率のとき前記第１フリーボード部からのダイオキシンを分解し、０．９以上１．１５以下の空気過剰率で窒素酸化物とダイオキシンの発生を抑制するように、前記第１フリーボード部からの未燃ガスの燃焼を行うステップと、
（ｅ）前記第２フリーボード部の上部に設けられた第３フリーボード部へ第４空気を供給し、７５０℃以上８５０℃以下において、１．１５以上１．６以下の空気過剰率で、前記第２フリーボード部からのダイオキシンを分解し、窒素酸化物とダイオキシンの発生を抑制するように、前記第２フリーボード部からの未燃ガスの完全燃焼を行うステップと
を具備する
流動床燃焼装置の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流動床燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、排出ガス等の環境基準の対象物質として、ＮＯｘ、ＣＯ、ダイオキシン類、等が規定されている。これらは、燃焼装置に後処理装置を付随させることで処理することは可能である。しかし、燃焼装置本体においてその発生量を抑えることができれば、燃焼装置の製造、運転、保守等のコスト低減にもつながり、望ましい。
【０００３】
燃焼におけるＮＯｘ発生の抑制技術の一つとして、２段階燃焼がある。燃焼用空気を２段階に分けて供給し、第１段階では、供給する空気の空気過剰率を０．８〜０．９とし、第二段階で不足の空気を補って供給し、系全体で完全燃焼させる。これは、急激な燃焼反応を抑制して火炎温度の上昇と局部高温域の出現を防止すると共に、酸素濃度の低下によってＮＯｘの生成を抑制する技術である。しかし、不完全燃焼や不安定燃焼を生じやすく、ＣＯ等の未燃分の発生に注意する必要があり、他の排ガス処理技術と併用して用いる等の工夫が必要である。
【０００４】
流動床燃焼炉における従来技術を図６により説明する。図６は、流動床型の燃焼装置の構成図である。燃焼炉１１３、サイクロン１１７、ホッパ１１８からなる。燃焼炉１１３は、1次空気供給口１０１、２次空気供給口１０２、炉出口１０５、燃料投入口１１０、伝熱部１１１、対流伝熱部１１２を備える。
【０００５】
燃焼炉１１３の低部において、砂等の流動材および燃料投入口１１０から投入された石炭、スラッジ等の燃料が、底部の１次空気供給口から供給された１次空気により混合・流動化され、流動床であるベッド部１０６を形成している。そしてベッド部１０６において燃焼が行われている。ベッド部１０６の温度は、ベッド部１０６に内設してある伝熱管１１１に水又は蒸気を流すことにより制御する。またベッド部１０６上部の燃焼領域であるフリーボードＢ１０８には対流伝熱部１１２が設置されこれに水又は蒸気を流して排ガスの保有する熱エネルギーを回収する。なお、ＮＯｘ発生量抑制とＣＯの排出を抑えるために、２次空気投入口１０２から２次空気が投入される。通常、ベッド部１０６は、ＣＯの発生を抑制するために、１次空気による理論空気量に対する空気比が１．０程度で運転される。それは、以下の理由による。すなわち、流動床燃焼が８００〜９００℃で行われること、および、２次空気投入口１０２が上方にあることにより、フリーボード部Ａ１０７の温度は５００〜７００℃と低温となる。もし燃料をベッド部１０６で１．０以下の低空気比で燃焼させた場合には、ＣＯが多く発生する。その結果、２次空気によってもＣＯが完全燃焼しきれないのでＣＯが炉外へ排出されるという不具合が発生するためである。そのため、実際の運転条件ではベッド部１０６での１次空気による理論空気量に対する空気比を１．０程度にまで下げるのが限界であるのでベッド部１０６が還元雰囲気にならず、その結果ＮＯｘの発生量が多くなる（１５０〜２５０ｐｐｍ（Ｏ２６％換算））。
【０００６】
なお、サイクロン１１７は、排出ガス中の未燃灰を捕集する。ホッパ１１８は、未燃灰を貯蔵する。貯蔵された未燃灰は、燃料として燃焼炉１１３下部へ再供給されている。
【０００７】
以上に示す様に、燃焼時における排出ガスの発生について、空気過剰率（燃料の完全燃焼に必要な空気の量（理論空気量）に対する実際に燃焼時に供給する空気の割合）が低い還元雰囲気が良いとされるＮＯｘの抑制と、空気過剰率が高い酸化雰囲気が好ましいとされるＣＯ、ダイオキシン類の抑制とを両立させることは、容易ではない。すなわち、その空気過剰率の違いから、ＮＯｘ、ＣＯおよびダイオキシン類の同時抑制は困難とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ＮＯｘ、ＣＯ、ダイオキシン類の発生を同時に抑制する燃焼装置および燃焼方法を提供することである。
【０００９】
また、別の目的としては、ＮＯｘの発生を抑制できる燃焼装置および燃焼方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本課題を解決するための手段の項における、図番号、符号は、特許請求の範囲と発明の実施の形態との対応を示すために記したものであり、特許請求の範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の流動床燃焼装置は、燃焼炉（図１、１３）を具備し、前記燃焼炉が、高さが異なる４箇所以上の酸化剤を供給する空気供給口（図１、１〜４）とを具備する。
【００１２】
また、本発明の流動床燃焼装置は、前記燃焼炉（図１、１３）が、前記燃焼炉の底部の、酸化剤を供給する第１の空気供給口（図１、１）と、前記底部からの高さが異なる、酸化剤を供給する第２乃至第４の空気供給口（図１、２〜４）とを具備する。
【００１３】
更に、本発明の流動床燃焼装置において、前記酸化剤が酸素を含むガスである。
【００１４】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記燃焼炉（図１、１３）中の流動床（図１、６）において、投入される燃料が完全燃焼するのに必要な空気の量に対する、供給される空気の割合である空気過剰率が、０．７以下である。
【００１５】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記流動床（図１、６）上部から前記第３の空気供給口（図１、３）までの空気過剰率が０．７〜０．９である。
【００１６】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記流動床（図１、６）の空気過剰率が０．５〜０．７であり、前記流動床上部から前記第３の空気供給口（図１、３）まで（図１、７）の空気過剰率が０．７〜０．９であり、前記第３の空気供給口（図１、３）から前記第４の空気供給口（図１、４）まで（図１、８）の空気過剰率が、０．９〜１．１５であり、前記第４の空気供給口（図１、４）から炉出口（図１、５）まで（図１、９）の空気過剰率が、１．１５以上である。
【００１７】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記流動床（図１、６）上部から前記第３の空気供給口（図１、３）まで（図１、７）の燃料およびガスの滞留時間が０．５〜１．５秒である。
【００１８】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記流動床（図１、６）の燃料およびガスの滞留時間が１．５〜２．５秒であり、前記流動床（図１、６）上部から前記第３の空気供給口（図１、３）まで（図１、７）の燃料およびガスの滞留時間が０．５〜１．５秒であり、前記第３の空気供給口（図１、３）から前記第４の空気供給口（図１、４）まで（図１、８）の燃料およびガスの滞留時間が０．1〜１．０秒であり、前記第４の空気供給口（図１、４）から炉出口（図１、５）まで（図１、９）の燃料およびガスの滞留時間が１．５〜２．５秒以上である。
【００１９】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記第２の空気供給口（図１、２）の位置が、前記底部から１５００〜２１００ｍｍの範囲にあり、前記第３の空気供給口（図１、３）の位置が、前記底部から３１００〜３７００ｍｍの範囲にあり、前記第４の空気供給口（図１、４）の位置が、前記底部から４１００〜４７００ｍｍの範囲にある。
【００２０】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記燃焼炉（図１、１３）が、燃料投入口（図１、１０）を具備し、前記燃料供給口（図１、１０）が、前記底部から２１００〜２７００ｍｍの範囲にある。
【００２１】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、燃焼温度が７５０℃〜９００℃である。
【００２２】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記流動床（図１、６）の燃焼温度が８００℃以上である。
【００２３】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、燃焼炉（図２、１４）を具備し、前記燃焼炉（図２、１４）が、前記燃焼炉（図２、１４）の底部の、酸化剤を供給する第１の空気供給口（図２、１）と、前記底部からの高さが異なる酸化剤を供給する第２および第３の空気供給口（図２、２〜３）とを具備し、前記第２の空気供給口（図２、２）の位置が、流動床（図２、６）の上部界面領域に影響を与えない、前記流動床（図２、６）に出来るだけ近い高さである。
【００２４】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記第３の空気供給口（図２、３）の位置が、ＮＯｘの生成が抑制される燃焼をする様に酸化剤を供給できる高さである。
【００２５】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、前記燃焼炉（図２、１４）が、前記第２の空気供給口（図２、２）よりも高い位置にある燃料投入口（図２、１０）とを具備する。
【００２６】
更に、本発明の流動床燃焼装置は、流動材及び燃料が流動床（図１、６）を形成し、ＮＯｘの生成が抑制される燃焼をする様に酸化剤を供給する第１の空気供給口（図１、１）と、ＮＯｘの生成が抑制される燃焼をする様に酸化剤を供給する第２の空気供給口（図１、２）と、ＮＯｘの生成が抑制され、ＣＯおよびダイオキシン類が低減される燃焼をする様に酸化剤を供給する第３および第４の空気供給口（図１、３〜４）とを具備する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である流動床燃焼装置の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、ボイラに使用される流動床燃焼装置を例に示して説明するが、他の流動床燃焼を用いる装置においても、適用可能である。
【００２８】
（実施例１）
本発明である流動床燃焼装置の第１の実施の形態について説明する。
【００２９】
図１を参照して、本発明の流動床燃焼装置の第１の実施例においては、燃焼用の空気を１次空気から４次空気まで最適な位置・配分量で炉内に４分割投入することにより、ＮＯｘ、ＣＯ、ダイオキシン類の発生を同時に抑制する。すなわち、流動床ベッド部６を還元雰囲気にすることにより、ＮＨ３、ＨＣＮのＮＯｘへの酸化反応（Ｆｕｅｌ  ＮＯｘの発生）を低減し、かつ、温度の急激な上昇を抑えＴｈｅｒｍａｌ  ＮＯｘの発生を抑制する。フリーボード部Ａ７〜Ｃ９では、２次空気から４次空気の最適供給により８００〜９００℃の温度領域を長い滞留時間を確保することで、高温で生成するＴｈｅｒｍａｌ  ＮＯｘを発生することなくＣＯの燃焼ならびにダイオキシン類の分解を促進し、その低減を実現する。
【００３０】
本発明の実施例である流動床燃焼装置について、詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本実施例の流動床燃焼装置を示す構成図である。燃焼炉Ａ１３、サイクロン１７、ホッパ１８より構成されている。燃焼炉Ａ１３は、１次空気供給口１、２次空気供給口２、３次空気供給口３、４次空気供給口４、炉出口５、燃料投入口１０、伝熱部１１、対流伝熱部１２を備える。
【００３２】
１次空気供給口１は、燃焼炉Ａ１３の底部にあり、流動床用および燃焼用空気を供給する。２次空気供給口２、３次空気供給口３および４次空気供給口４は、下からこの順番に燃焼炉Ａ１３側面部に設置されており、燃焼用空気を供給する。燃料投入口１０は、２次空気供給口２と３次空気供給口３との間の燃焼炉Ａ１３側面部に存在し、燃料を投入する。伝熱部１１は、１次空気供給口１と２次空気供給口２との間にあり、燃焼炉Ａ１３側面から炉内部に入り、再び側面へ戻る管である。流動床の温度制御を行う。対流伝熱部１２は、４次空気供給口４の上方にあり、燃焼炉Ａ１３側面から炉内部に入り、再び側面へ戻る管である。燃焼排出ガスの熱回収を行う。炉出口５は、燃焼炉Ａ１３の上方にあり、燃焼排出ガスの外部への出口である。サイクロン１７は、炉出口５に接続されており、排出ガス中の未燃灰を捕集する。ホッパ１８は、サイクロン１７下部にあり、未燃灰を貯蔵する。貯蔵された未燃灰は、燃料として燃焼炉Ａ１３下部へ、再供給できるように配管接続されている。以下に詳細を記す。
【００３３】
第１の空気供給口としての１次空気供給口１は、燃焼炉Ａ１３の最下部に位置し、燃料の燃焼に必要な酸化剤としての空気を最初に供給する空気供給口である。供給された空気は、上方の燃料投入口１０（後述）から投入された燃料および流動砂を浮上、攪拌、流動させると共に、燃料と燃焼反応を起こす。空気の供給においては、炉内に導入された空気が炉底面において広く均一に分散して、上方へ放出されるような構造になっている。また、その為に、１次空気供給口１が、炉底面の全体に複数の供給口を有し、面内に均一な量を放出する形にすることも可能である。
【００３４】
第２の空気供給口としての２次空気供給口２は、ベッド部（後述）のやや上方に位置し、燃料の燃焼に必要な空気を供給する空気供給口である。供給された空気は、上方の燃料投入口１０（後述）から投入された燃料および流動砂を分散させると共に、燃料と燃焼反応を起こす。２次空気供給口２の、燃焼炉Ａ１３底部からの高さは、１５００〜２１００ｍｍの範囲にある。
【００３５】
第３の空気供給口としての３次空気供給口３は、燃料投入口１０（後述）の上方に位置し、燃料の燃焼に必要な空気を供給する空気供給口である。３次空気供給口３の燃焼炉Ａ１３底部からの高さは、３１００〜３７００ｍｍの範囲にある。
【００３６】
第４の空気供給口としての４次空気供給口４は、３次空気供給口３の上方に位置し、燃料の燃焼に必要な空気を供給する空気供給口である。４次空気供給口４の燃焼炉Ａ１３底部からの高さは、４１００〜４７００ｍｍの範囲にある。
【００３７】
炉出口５は、燃焼炉Ａ１３頂部にあり、燃焼ガスの炉からの出口である。
【００３８】
燃料投入口１０は、燃焼炉での燃焼に必要な燃料を投入する投入口である。燃料としては、石炭、オイルコークス、オイルシェル、廃油、廃タイヤ、製紙スラッジ等がある。ここでは、石炭、製紙スラッジを混合して使用している。流動材としては、けい砂、石灰石等の粒子がある。ここでは、けい砂を使用している。燃料投入口１０の燃焼炉Ａ１３底部からの高さは、２１００〜２７００ｍｍの範囲にある。
【００３９】
伝熱部１１は、水又は水蒸気を内部に流すことによりベッド部６の温度を制御する。
【００４０】
対流伝熱部１２は、内部に流通する熱媒体により発生した熱を回収する部分であり、ここでは、水又は水蒸気を用いている。
【００４１】
ベッド部６は、１次空気供給口１から２次空気供給口２のやや下方までの領域であって、上方の燃料投入口１０から投入された固体または液体の燃料および流動砂が、１次空気供給口１から供給される空気の噴出す力により浮遊し、攪拌され、流動している流動床である。そして、燃料と空気とが混合して燃焼している。
【００４２】
炉内のベッド部６上方の領域をフリーボード部といい、ベッド部６で燃焼し切れなかった燃料が、燃焼する領域であり、三つに分かれている。
【００４３】
フリーボード部Ａ７は、ベッド部６の上部から３次空気供給口３までの領域である。主に、ベッド部６で燃焼しなかった燃料や、燃料のガス化した成分等が燃焼する。
【００４４】
フリーボード部Ｂ８は、３次空気供給口３から４次空気供給口４までの領域である。主に、フリーボード部Ａ７で燃焼しなかった燃料や、燃料のガス化した成分等が燃焼する。
【００４５】
フリーボード部Ｃ９は、４次空気供給口４から炉出口５までの領域である。主に、フリーボード部Ｂ８で燃焼しなかった燃料や、燃料のガス化した成分等が燃焼する。
【００４６】
なお、サイクロン１７およびホッパ１８は、排出ガス中の未燃灰を捕集し、それを貯蔵する。そして、その一部は、流動床へ還流される。これにより、燃料の消費効率を高める。
【００４７】
次に、本発明の流動床燃焼装置の動作について、詳細に説明する。
【００４８】
図１を参照して、まず、燃焼炉Ａ１３の底部において、1次空気供給口１より空気を供給すると共に、燃料投入口１０より、流動砂を導入する。流動砂の流動化を確認後、燃料投入口１０より、燃料及び流動砂の混合物を導入し、流動床（ベッド部６）を形成させ、燃焼を開始する。１次空気は、空気供給量の理論空気量に対する割合である空気過剰率が、ベッド部６において０．５〜０．７の範囲となるように、制御装置（図示せず）により調整され、供給される。ベッド部６の温度は、伝熱部１１内に流れる水又は水蒸気の流量、温度等を調整することにより、制御する。その温度は、８００〜９００℃の範囲で制御される。なお、温度制御は、空気供給量や供給速度で制御することも可能である。このとき、ベッド部６における、燃料、燃料の分解ガス、空気等の滞留時間は、１．５〜２．５秒の範囲である。
【００４９】
この様に、還元雰囲気かつ９００℃以下に保つことにより、ＮＨ３、ＨＣＮのＮＯｘへの酸化反応等によるＦｕｅｌ  ＮＯｘの生成を抑制し、かつ、温度の急激な上昇を抑えＴｈｅｒｍａｌ  ＮＯｘの発生を抑制することができる。逆に、還元雰囲気に置くことで、ＮＯｘ、ＮＨ３、ＨＣＮの還元反応による分解を促進できる。また、８００℃以上なので、ダイオキシンの生成が抑制されると共に、ダイオキシン類の分解を進めることができる。
【００５０】
ただし、空気量が不足のため、未燃の燃料（燃料が分解して生成したＣＯ等の可燃性ガス等を含む、以下同じ）が残る。
【００５１】
未燃の燃料を含むガスは、フリーボード部Ａ７へ達し、２次空気により燃焼する。ここでは、未燃の燃料の燃焼条件として、空気過剰率が０．７〜０．９の範囲になる様に、２次空気供給口２から供給される２次空気が制御される。また、フリーボード部Ａ７の温度は、８００〜９００℃の範囲で制御される。温度制御は、空気供給量や供給速度、ベッド部６から供給される未燃の燃料の量等により制御することが可能である。未燃の燃料の量は、初期の燃料の供給量およびベッド部６での燃焼条件等で制御することが出来る。フリーボード部Ａ７での、未燃の燃料を含むガスの滞留時間は、０．５〜１．５秒の範囲である。
【００５２】
もしここで、未燃の燃料を完全燃焼させるために空気過剰率を１．０以上にすると、急激に酸化雰囲気に変わるため、急激な燃焼反応が起きることになる。そのため、燃焼温度の急激な上昇や局部高温域の発生により、ＮＯｘが多量に生成する可能性が高い。従って、ベッド部６（空気過剰率０．５〜０．７）に続く領域であるフリーボード部Ａ７では、空気過剰率０．７〜０．９の還元雰囲気とする。ベッド部６に引き続いて還元雰囲気でのガスの滞留時間を長くすることで、ＮＯｘ、ＮＨ３、ＨＣＮの分解をより一層促進できる。また、８００℃以上の温度を保っているため、ベッド部６で分解されなかったダイオキシン類の分解を進めることできる。ただし、ここでも、空気量が不足のため、未燃の燃料が残る。
【００５３】
フリーボード部Ａ７から上昇してきた未燃の燃料を含むガスは、フリーボード部Ｂ８に達し、３次空気により燃焼する。ここでは、未燃の燃料の燃焼条件として、空気過剰率が、０．９〜１．１５の範囲になる様に、３次空気供給口３から供給される３次空気が制御される。また、フリーボード部Ｂ８の温度は、８００〜９００℃の範囲で制御される。温度制御は、空気供給量や供給速度、フリーボード部Ａ７から供給される未燃の燃料の量等により制御することが可能である。フリーボード部Ｂ８での、未燃の燃料を含むガスの滞留時間は、０．１〜１．０秒の範囲である。
【００５４】
この段階では、燃料の燃焼が進んでいるため、空気過剰率を１前後にしても、急激な燃焼反応が起きない。従って、急激な温度上昇や局部的な高温域が発生せず、ＮＯｘの生成も少ない。また、８００℃以上の温度を保っているため、フリーボード部Ａ７で分解されなかったダイオキシン類の分解を促進できる。更に、フリーボード部Ａ７で残っていたＣＯも、空気量が増えたため燃焼しＣＯ２となり減少する。
【００５５】
フリーボード部Ｂ８から上昇してきた未燃の燃料を含むガスは、フリーボード部Ｃ９に達し、４次空気により燃焼する。ここでは、未燃の燃料の燃焼条件として、空気過剰率が、１．１５〜１．６の範囲になる様に、４次空気供給口４から供給される４次空気が制御される。また、フリーボード部Ｃ９の温度は、７５０〜８５０℃の範囲で制御される。温度制御は、空気供給量や供給速度、フリーボード部Ｂ８から供給される未燃の燃料の量等により制御することが可能である。フリーボード部Ｃ９での、ガスの滞留時間は、１．５〜２．５秒の範囲である。
【００５６】
４次空気供給により、空気の供給が最後となるため、燃料を完全に燃焼し尽くす必要があり、高い空気過剰率となっている。この段階では、燃料の燃焼が進んでいるため、空気過剰率を１．１以上にしても、急激な燃焼反応が起きない。従って、急激な温度上昇や局部的な高温域が発生せず、ＮＯｘの生成も少ない。また、８００℃前後の温度を保っているため、フリーボード部Ａ７で分解されなかったダイオキシン類の分解を促進できる。更に、フリーボード部Ｂ８で残っていたＣＯも、空気量が増えたため酸化反応によりＣＯ２となり、ほぼ消滅する。
【００５７】
上方の空気の供給を３次と４次に分割したのは、８００℃以上の領域をより長く取ることにより、ＣＯおよびダイオキシン類の分解をより促進させるためである。
【００５８】
本実施例において、ＮＯｘを大幅に抑制するために１次および２次空気のどちらも空気過剰率を０．９以下にしているため、フリーボード部Ａ７の領域終了部では、まだＣＯを含む未燃の燃料が少なくない。その状況で、空気供給口を３次空気供給口３のみにすると、それら未燃の燃料の完全燃焼のために、空気過剰率１を大きく超えた非常に高い空気過剰率で空気を供給せざるを得ない。そうすると、急激な燃焼反応が起き、急激な温度上昇や局部的な高温域が発生するため、ＣＯは減少するが、ＮＯｘの生成が抑制しきれない可能性がある。従って、空気を３次および４次に分割して、空気過剰率は１以上であるが、１を大きく超えた非常に高い空気過剰率にはならないように配慮している。そうすることにより、ＮＯｘの生成を抑制しつつ、ＣＯを減少することが可能となる。また、８００℃以上の領域を長く取り、ガスの滞留時間を充分取ることにより、ダイオキシンを確実に分解することが出来る。更に、使用する燃料の種類により、含有塩素量も変動するため、処理すべきダイオキシン類の量の変動にも柔軟に対応できる必要がある。そのため、塩素量が多い燃料においてもダイオキシン類の処理が充分進むように、分解工程を長く充分に取るべく、４次空気供給口４を導入し燃焼領域を上方に伸ばしている。
【００５９】
図４は、ベッド部６における空気過剰率と流動床燃焼ボイラーのＮＯｘ量（Ｏ２６％換算）との関係を示す。縦軸はＮＯｘ量（ｐｐｍ）であり、横軸は空気過剰率である。ベッド部６においては、空気過剰率が低いほど、ＮＯｘ量が抑制されている。この図から、ＮＯｘを低く抑えるためには、ベッド部６において空気過剰率が０．７以下であることが望ましい。
【００６０】
また、図５は、ベッド部６における空気過剰率と流動床燃焼ボイラーのＣＯ量（Ｏ２１２％換算）との関係を示す。縦軸はＣＯ量（ｐｐｍ）であり、横軸は空気過剰率である。ベッド部６においては、空気過剰率が高いほど、ＣＯ量が抑制されている。この図から、ＣＯを低く抑えるためには、ベッド部６において空気過剰率が０．５以上であることが望ましい。従って、図４および図５から、ベッド部６での空気過剰率は、０．５〜０．７が望ましい事がわかる。
【００６１】
また、ベッド部６における燃焼温度を８００℃以下の温度に設定した場合、発生するダイオキシン量がベッド部６の温度の低下により増加することが実験により確認されている。
【００６２】
上記ベッド部６での空気過剰率の値の設定等に関する試験結果等の根拠に基づき、前述の燃焼炉でのＮＯｘ、ＣＯ、ダイオキシン類の同時削減を実現する流動床燃焼の試験を行った。その代表的な条件および結果を以下に示す。まず、温度、空気過剰率、ガスの滞留時間については、各領域（６〜９）の測定点において、ベッド部６では、温度８０４℃、空気過剰率０．５８、滞留時間１．９３秒、フリーボード部Ａ７では、温度８３８℃、空気過剰率０．８２、滞留時間１．０４秒、フリーボード部Ｂ８では、温度８７２℃、空気過剰率１．０２、滞留時間０．５５秒、フリーボード部Ｃ８では、温度８１７℃、空気過剰率１．３０、滞留時間２．１５秒、である。また、空気供給口の位置は、１次空気供給口１は、燃焼炉の底部、２次空気供給口２については、１８００ｍｍの高さ（燃焼炉の炉底から測定、以下同じ）、３次空気供給口３については、３４００ｍｍの高さ、４次空気供給口４については、４４００ｍｍの高さ、燃料投入口１０については、２４１０ｍｍの高さにある。この条件において、燃焼炉の性能として、ＮＯｘ９４ｐｐｍ（Ｏ２６％換算値）、ＣＯ  ４６ｐｐｍ（Ｏ２１２％換算値）、ダイオキシン０．１ｎｇＴＥＱ／Ｎｍ３（Ｏ２１２％換算値）以下の値を得ている。すなわち、本発明により、燃焼炉に後処理装置を付加することなく、ＮＯｘ、ＣＯ、ダイオキシン類の同時削減が可能となる。
【００６３】
なお、ここでは、底部の１次空気供給口１を含む、４種類の異なる高さの位置から空気を供給しているが、５種類以上の異なる高さの位置から空気を供給することで、同様の効果を得ることも可能である。
【００６４】
また、燃焼温度を９００℃以下に抑えているので、炉に使用される材料の選択の幅を狭くすることがなく、本発明の燃焼炉を実現することが可能である。
【００６５】
（参考例）
次に、流動床燃焼装置の参考例の実施の形態について説明する。
【００６６】
図２を参照して、流動床燃焼装置の参考例は、ベッド部６上部界面のスプラッシュ領域に影響を与えない程度の位置に、２次空気供給口２を低く設置し、２次空気供給口２から３次空気供給口３までの領域を長く取り、還元雰囲気の燃焼領域を長くすることにより、ＮＯｘの抑制を実現する（このとき、必ずしも４次空気は必要ない）。すなわち、流動床であるベッド部６を還元雰囲気にすることにより、ＮＨ３、ＨＣＮのＮＯｘへの酸化反応（Ｆｕｅｌ  ＮＯの発生）を抑制し、かつ、温度の急激な上昇を抑えＴｈｅｒｍａｌ  ＮＯｘの発生も抑制する。そしてフリーボード部Ａ７では、２次空気の最適供給により８００〜９００℃の温度領域での長い滞留時間を確保することで、高温で生成するＴｈｅｒｍａｌ  ＮＯｘを発生させずにＮＯｘ、ＮＨ３、ＨＣＮの還元反応による分解を促進できる。
【００６７】
本発明の参考例を示すボイラに使用される流動床燃焼装置について、詳細に説明する。
【００６８】
図２は、本参考例の流動床燃焼装置を示す構成図である。燃焼炉Ｂ１４、サイクロン１７、ホッパ１８より構成されている。燃焼炉Ｂ１４は、１次空気供給口１、２次空気供給口２、３次空気供給口３、炉出口５、燃料投入口１０、伝熱部１１、対流伝熱部１２を備える。各構成部分の位置関係は、実施例１の場合と同じである。なお、４次空気供給口４が必ずしも必要が無いため、図では載せていない。
【００６９】
２次空気供給口２は、ベッド部のやや上方に位置し、また、上方の燃料投入口１０の下方に位置する。３次空気供給口３は、燃料投入口１０の上方に位置する。そして、２次空気供給口２と３次空気供給口３との距離を大きくとるように設定する。設定に際しては、２次空気供給口２をベッド部６上部界面のスプラッシュ領域に影響を与えない範囲で出来るだけ下げる方法、それに加えて３次空気供給口３を出来るだけ上方へ上げる方法が考えられる。本実施例では、２次空気供給口２をベッド部６上部界面のスプラッシュ領域に影響を与えない範囲で出来るだけ下げる方法のみをとり、燃焼炉Ｂ１４底部からの高さは、２次空気供給口２は１２００ｍｍ、３次空気供給口３は３７００ｍｍ、燃料供給口１０は１９００ｍｍとした。従って、２次空気供給口２と３次空気供給口３との距離は２５００ｍｍと非常に長くなっている。
【００７０】
その他の燃焼炉Ａ１３の各構成部分の機能は、４次空気供給口４が無いこと以外は実施例１と同様である。従って、各部の説明は省略する。
【００７１】
次に、本参考例の流動床燃焼装置の動作について、説明する。
【００７２】
図２を参照して、まず、燃焼炉Ｂ１４の底部において、1次空気供給口１より空気を供給すると共に、燃料投入口１０より流動砂を導入する。流動砂の流動化を確認後、燃料投入口１０より、燃料及び流動砂の混合物を導入し、流動床（ベッド部６）を形成させ、燃焼を開始する。１次空気は、空気供給量の理論空気量に対する割合である空気過剰率が、ベッド部６において０．７〜０．９の範囲となるように、制御装置（図示せず）により調整され、供給される。空気過剰率が実施例１と異なるのは、４次空気供給口４が無いため、ベッド部６での還元雰囲気を強くしないためである。ベッド部６の温度は、伝熱部１１内に流れる水又は水蒸気の流量、温度等を調整することにより、制御する。その温度は、８００〜９００℃の範囲で制御される。なお、温度制御は、空気供給量や供給速度で制御することも可能である。
【００７３】
この様に、還元雰囲気かつ９００℃以下に保つことにより、ＮＨ３、ＨＣＮのＮＯｘの酸化反応等によるＦｕｅｌ  ＮＯｘの生成を抑制し、かつ、温度の急激な上昇を抑えＴｈｅｒｍａｌ  ＮＯｘの発生を抑制することができる。逆に、還元雰囲気に置くことで、ＮＯｘ、ＮＨ３、ＨＣＮの還元反応による分解を促進できる。また、８００℃以上なので、ダイオキシンの生成が抑制されると共に、ダイオキシン類の分解を進めることができる。
【００７４】
次に、ベッド部６から上昇してきた未燃の燃料を含むガスは、フリーボード部Ａ７へ達し、２次空気により燃焼する。燃焼条件は、空気過剰率０．８〜１．０、燃焼温度８００〜９００℃である。空気過剰率が実施例１と異なるのは、前述のように４次空気供給口４が無いためである。２次空気供給口２と３次空気供給口３との距離が大きくなるように設定されているため、この領域での燃料あるいは反応ガス等の滞留時間が長くなる。そして、長い時間還元雰囲気に置くことで、ＮＯ、ＮＨ３、ＨＣＮの還元反応による分解が促進され、ＮＯｘをより低減することが可能となる。
【００７５】
その後、フリーボード部Ａ７から上昇してきた未燃の燃料を含むガスは、フリーボード部Ｂ８へ達し、３次空気により燃焼する。燃焼条件は、空気過剰率１．０以上、温度８００〜９００℃である。この領域において、未燃の燃料を燃焼し、燃焼は完了する。
【００７６】
図３を参照して、図２とは異なり２次空気供給口２の位置を、ベッド部６およびその上部に取り付けた燃料投入口１０の更に上部にした例を見てみる。この場合、燃焼炉Ｃ１５底部からの高さは、２次空気供給口２は２５００ｍｍ、３次空気供給口３は３７００ｍｍ、燃料供給口１０は１２００ｍｍである。２次空気供給口２から３次空気供給口３までの距離が、１２００ｍｍとなっており、本実施例の燃焼炉Ｂ１４（図２）での２５００ｍｍは、その２倍以上になっている。従って、その間の滞留時間も２倍以上になると予測され、それがＮＯｘの低減に効果がある。
【００７７】
また、本参考例（図２）では、２次空気供給口２と３次空気供給口３との距離を大きくとるように設定したため、図３と比較して、燃料供給口１０が２次空気供給口２よりも上方になったことも、ＮＯｘ低減に作用する。すなわち、投入される燃料が、２次空気により分散されベッド部６へ導入されるので、ベッド部６での反応が均一かつ効率的に行われる。従って、ベッド部６において、燃料や１次空気の不均一による異常高温領域や空気富化領域の発生が起きず、ＮＯｘの発生が抑えられる。
【００７８】
前述の燃焼炉でのＮＯｘ削減を実現する流動床燃焼の試験を行った。この場合には、４次空気まで供給している。その代表的な条件および結果を以下に示す。まず、図３（４次空気供給部４は図示せず）の炉の温度、空気過剰率、ガスの滞留時間については、１次空気供給口１から２次空気供給口２までにおいて、温度８０４℃、空気過剰率０．８３、滞留時間２．１秒、２次空気供給口２から３次空気供給口３までにおいて、温度８３８℃、空気過剰率０．８８、滞留時間０．７秒、３次空気供給口３から４次空気供給口４までにおいて、温度８７２℃、空気過剰率１．２５、滞留時間０．4秒、４次空気供給口４からか炉出口５までにおいてにおいて、温度８１７℃、空気過剰率１．５６、滞留時間０．７秒、である。また、空気供給口の位置は、１次空気供給口１は、燃焼炉の底部、２次空気供給口２については、２５３５ｍｍの高さ、３次空気供給口３については、３７１０ｍｍの高さ、４次空気供給口４については、４５１０ｍｍの高さ、燃料投入口１０については、１２００ｍｍの高さにある。
【００７９】
一方、本参考例の図２（４次空気供給部４は図示せず）の炉については、基本的には、図３の場合と同じであるが、燃料投入口１０の位置が１８５０ｍｍの高さであり、２次空気供給口２の位置が１２００ｍｍの高さであり、２次空気供給口２と３次空気供給口３との距離が、３図の場合に比べて長い点が図３の場合と異なる。従って、滞留時間が、１次空気供給口１から２次空気供給口２までにおいて、滞留時間１．０秒、２次空気供給口２から３次空気供給口３までにおいて、滞留時間１．５秒と図３の場合と大きく異なる。特に、２次空気供給口２から３次空気供給口３までの滞留時間が、前述の様に確かに２倍程度になっている。この条件において、燃焼炉の性能として、ＮＯｘ（Ｏ２６％換算値）が、図３の場合の２３５ｐｐｍから１６０ｐｐｍと減少し、大きなＮＯｘ抑制効果があることが確認された。
【００８０】
【発明の効果】
本発明により、流動床燃焼装置において、ＮＯｘ、ＣＯ、ダイオキシン類の発生を同時に抑制することができる。
【００８１】
また、本発明により、流動床燃焼装置において、ＮＯｘの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の流動床燃焼炉を示す構成図である。
【図２】参考例の流動床燃焼炉を示す構成図である。
【図３】流動床燃焼炉を示す構成図である。
【図４】ＮＯｘと空気過剰率との関係を示すグラフである。
【図５】ＣＯと空気過剰率との関係を示すグラフである。
【図６】従来の流動床燃焼炉を示す構成図である。
【符号の説明】
１    １次空気供給口
２    ２次空気供給口
３    ３次空気供給口
４    ４次空気供給口
５    炉出口
６    ベッド部
７    フリーボード部Ａ
８    フリーボード部Ｂ
９    フリーボード部Ｃ
１０    燃料投入口１０
１１    伝熱部
１２    対流伝熱部
１３    燃焼炉Ａ
１４    燃焼炉Ｂ
１５    燃焼炉Ｃ
１７    サイクロン
１８    ホッパ
１０１    １次空気供給口
１０２    ２次空気供給口
１０３    ３次空気供給口
１０５    炉出口
１０６    ベッド部
１０７    フリーボード部Ａ
１０８    フリーボード部Ｂ
１１０    燃料投入口１０
１１１    伝熱部
１１２    対流伝熱部
１１３    燃焼炉
１１７    サイクロン
１１８    ホッパ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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