(57)【要約】【課題】簡単な設備でガス中に含有されるアンモニアを高除去率でかつＮＯｘの発生を最小限に抑制しながら無害化できるアンモニア含有ガス処理方法及びその装置を提供する。【解決手段】燃焼装置内１０にてアンモニア含有ガス１７を燃焼処理するアンモニア含有ガス処理装置において、前記燃焼装置１０が、該装置１０の一端に具備されて助燃用燃料１５と空気１６とを該装置内に導入して高温ガスを生成するバーナ１１を具えた高温ガス生成域と、該高温ガス生成域の下流側に位置し、前記アンモニア含有ガスの導入口１２を具えて前記高温ガスによりアンモニアを熱分解するアンモニア分解域と、その下流側に位置し、前記熱分解により生成した可燃物を燃焼する空気導入口１３を設けた燃焼域と、を備え、好適には前記アンモニアガス導入口１２を、前記バーナ位置から前記燃焼装置のガス流路幅Ｒの約１〜２倍の距離長Ｌだけ後流側に配設する。【選択図】　　　図１
2004036983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼装置内にてアンモニア含有ガスを燃焼させることにより該ガス中のアンモニアを処理するアンモニア含有ガス処理方法において、
還元性雰囲気下に保持された前記燃焼装置内に助燃用燃料及び空気を導入して高温ガスを生成する高温ガス生成工程と、
該高温ガス生成工程の後流にて前記アンモニア含有ガスを導入して前記生成された高温ガスにより該ガス中のアンモニアを還元性雰囲気下で熱分解するアンモニア分解工程と、
該アンモニア分解工程の後流にて空気を導入して前記熱分解により生成した可燃物を燃焼させる燃焼工程と、を有することを特徴とするアンモニア含有ガス処理方法。
【請求項２】
前記アンモニア分解工程は、前記高温ガス生成工程に導入された空気がほぼ完全に消費された後に開始されることを特徴とする請求項１記載のアンモニア含有ガス処理方法。
【請求項３】
前記高温ガス生成工程により生成される高温ガス温度が、約１０００℃〜１５００℃であることを特徴とする請求項１若しくは２記載のアンモニア含有ガス処理方法。
【請求項４】
前記高温ガス生成工程にて、前記助燃用燃料の理論燃焼空気と空気との導入比率を約１．０：０．７〜０．９９の範囲内としたことを特徴とする請求項１記載のアンモニア含有ガス処理方法。
【請求項５】
燃焼装置内にてアンモニア含有ガスを燃焼させることによりガス中のアンモニアを処理するアンモニア含有ガス処理装置において、
前記燃焼装置が、該装置の一端に具備され助燃用燃料及び空気を該装置内に導入して高温ガスを生成するバーナを具えた高温ガス生成域と、
該高温ガス生成域の下流側に位置し、前記アンモニア含有ガスの導入口を具えて前記高温ガスによりアンモニアを熱分解するアンモニア分解域と、
該アンモニア分解域の下流側に位置し、前記熱分解により生成した可燃物を燃焼する空気導入口を設けた燃焼域と、を備えたことを特徴とするアンモニア含有ガス処理装置。
【請求項６】
前記アンモニアガス導入口が、前記バーナ位置から前記燃焼装置のガス流路幅の約１〜２倍の距離長後流側に配設されることを特徴とする請求項５記載のアンモニア含有ガス処理装置。
【請求項７】
前記バーナから供給する前記助燃用燃料の理論燃焼空気と空気との導入比率を約１．０：０．７〜０．９９の範囲内としたことを特徴とする請求項５記載のアンモニア含有ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア含有ガスを燃焼してガス中のアンモニアを除去する処理に係り、特に窒素酸化物の発生を最小限に抑制することができるアンモニア含有ガス処理方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭ガス化発電や石油精製等の処理において、発生したガス中に副生成物として含有されるアンモニアや硫黄化合物（硫化水素、硫化カルボニル等）を公害防止、腐食防止の観点から無害化する過程が必要とされている。
従来、これらの無害化方法として、ガスを吸収液に気液接触させる湿式ガス精製方法が広く用いられてきた。そして湿式ガス精製設備にて回収されたアンモニア及び硫黄化合物は、夫々ストリッピングして高濃度のアンモニア含有のオフガス、硫黄酸化物含有のオフガスとして無害化処理されている。
【０００３】
これらのオフガスの処理は、一般に蓄熱式燃焼炉、直燃式燃焼炉などによって燃焼処理されている。かかる燃焼炉では、助燃用燃料で形成した還元性雰囲気下で硫黄化合物含有ガス、アンモニア含有ガスを燃焼し、燃料中の一部の窒素から生成した窒素酸化物を未燃のアンモニアで分解し、かつ分解後の水素を低温で燃焼させることにより、空気中の窒素から生成される窒素酸化物を低減する２段燃焼法が知られている。
【０００４】
しかし、前記蓄燃式燃焼炉を用いた場合、硫化水素を燃焼させた際に生じる副生成物であるＳＯ３の発生が低いという利点を有しながらも、複数の熱交換系経路を具備せねばならず弁機構等に煩雑さを避けられず、また故障等のトラブルが生じ易いため信頼性の観点からも問題があった。
また、アンモニア含有ガスを完全燃焼させるために炉内を約１５００℃以上の高温に維持する必要があるが、前記蓄燃式燃焼炉では蓄熱体である高温セラミックス材料の耐久温度等による制限から約１０００℃程度の運転に限られていた。さらに、多量のアンモニアを含有するガスを処理するにはＮＨ３が完全に分解する温度で処理する必要がある一方、高温下で発生するＮＯｘの発生を抑制することが望まれており、かかる燃焼炉ではこれらを同時に達成することは困難であった。
【０００５】
一方、前記直燃式燃焼炉では、バーナ部から燃料を噴出させて燃焼させることにより、硫化水素やアンモニアを極めて高温で燃焼させることが可能であるが、しかしながら、かかる直燃式燃焼炉を用いてアンモニア含有ガスを高温で燃焼させた場合、高温処理に伴いＮＯｘが生成されるため、還元剤（ＮＨ３、Ｈ２Ｓ、ＣＯ）等によるＮＯｘ低減対策が必要となってくる。
【０００６】
そこで、ＮＯｘの発生を抑えた処理として、特開平１０−１８５１５９号にアンモニア含有オフガスと硫黄化合物含有オフガスとを同時に処理する燃焼装置が開示されている。かかる燃焼装置は、図５に示されるように、ミキサー５１により予備混合されたＮＨ３含有ガスと補助燃料ガスと、該補助燃料ガスを完全燃焼させる空気量より少ない空気量の一次空気とを焼却炉の炉端ノズル５２より導入して還元性雰囲気の一次燃焼ゾーンで燃焼させた後、該一次燃焼ゾーンの下流部の二次空気供給ノズル５３とＨ２Ｓ供給ノズル５４から二次空気とＨ２Ｓを導入して未燃分とＨ２Ｓとを完全燃焼させる。
【０００７】
これにより、前記一次燃焼ゾーンでは酸素不足のためアンモニアがＮＯｘとならず、大部分がＮ２と水とに分解し、一部がＮＨ３のまま残留し、また前記二次燃焼ゾーンでは未燃ガスはＣＯ２と水蒸気となり、ＮＨ３は一部がＮＯｘとなり、他はＮ２とＨ２Ｏに分解されることとなり、アンモニアを極力ＮＯｘに転換させることなく硫化水素とアンモニアを高分解率で除去することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平１０−１８５１５９号の燃焼装置においては、高濃度のアンモニアを含有するガスに適用した場合にアンモニアによる還元作用が不十分となり処理装置出口付近での窒素酸化物濃度が高くなる惧れがある。つまり、前記アンモニア含有オフガスと一次空気供給口とが隣接して配設されているため、アンモニアと一次空気とが混焼し易くなり多量の窒素酸化物が生成してしまう為に窒素酸化物の残留量が増加してしまうのである。
また、前記二次燃焼ゾーンにて窒素酸化物をアンモニアで分解させるためには炉内を約１５００℃以上の高温に保持しなければならず、大量の助燃用燃料が必要となるばかりでなく、高温燃焼装置に使用する材料が高価となり経済的でない。
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、簡単な設備で以ってガス中に含有されるアンモニアを高除去率でかつＮＯｘの発生を最小限に抑制しながら無害化できるアンモニア含有ガス処理方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、請求項１記載の発明は、
燃焼装置内にてアンモニア含有ガスを燃焼させることにより該ガス中のアンモニアを処理するアンモニア含有ガス処理方法において、
還元性雰囲気下に保持された前記燃焼装置内に助燃用燃料及び空気を導入して高温ガスを生成する高温ガス生成工程と、
該高温ガス生成工程の後流にて前記アンモニア含有ガスを導入して前記生成された高温ガスにより該ガス中のアンモニアを還元性雰囲気下で熱分解するアンモニア分解工程と、
該アンモニア分解工程の後流にて空気を導入して前記熱分解により生成した可燃物を燃焼させる燃焼工程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、前記アンモニア分解工程は、前記高温ガス生成工程に導入された空気がほぼ完全に消費された後に開始されることを特徴とする。
かかる発明によれば、前記高温ガス生成工程にて前記助燃用燃料と空気と（この部分は修正しない方がよいかと思われます。）が十分に燃焼されて前記空気中の酸素が殆ど消費された後に高温ガス中に前記アンモニア含有ガスが導入されるため、アンモニアと酸素とが接触することが殆どなくこれらの反応を阻止でき、窒素酸化物の発生を最小限に抑制することができる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、前記高温ガス生成工程により生成される高温ガス温度が、約１０００℃〜１５００℃であることを特徴とする。
かかる発明では、窒素酸化物の発生が殆どみられないためにこれを分解する処理に要する約１５００℃以上の高温雰囲気を形成する必要がなく、アンモニアの熱分解に要する約１０００℃〜１５００℃程度の温度、好ましくは約１０００℃〜１２００℃程度の温度域で十分であるため、助燃用燃料等のランニングコストの削減が可能となるとともに、装置の材料コストも抑えることができる。
【００１２】
さらに経験的に最も良好な燃焼状態が得られる条件として請求項４記載の発明のように、前記高温ガス生成工程にて、前記助燃用燃料の理論燃焼空気と空気との導入比率を約１．０：０．７〜０．９９の範囲内とすることが好ましく、これにより燃焼状態を良好に保ちつつ前記アンモニア熱分解工程に酸素を殆ど残存させることなく高温ガスを生成することができる。
【００１３】
請求項５乃至７記載の発明は、前記発明を好適に実施する装置に関する発明で、請求項５記載の発明は、燃焼装置内にてアンモニア含有ガスを燃焼させることによりガス中のアンモニアを処理するアンモニア含有ガス処理装置において、
前記燃焼装置が、該装置の一端に具備され助燃用燃料及び空気を該装置内に導入して高温ガスを生成するバーナを具えた高温ガス生成域と、
該高温ガス生成域の下流側に位置し、前記アンモニア含有ガスの導入口を具えて前記高温ガスによりアンモニアを熱分解するアンモニア分解域と、
該アンモニア分解域の下流側に位置し、前記熱分解により生成した可燃物を燃焼する空気導入口を設けた燃焼域と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
これにより、前記高温ガス生成域にて前記助燃用燃料と空気と（この部分は修正しない方がよいかと思われます。）が十分に燃焼されて前記空気中の酸素が殆ど消費された後に前記アンモニア含有ガスが導入されるため、アンモニアと酸素とが接触することがなくこれらの反応を阻止でき、窒素酸化物の発生を最小限物に抑制することができる。
また、高温還元ガス中のアンモニアの熱分解は約１０００℃程度で十分であるため従来より装置内を低温とすることができ助燃用燃料の投入量を低減できるとともに、装置に使用される材料を安価とすることができ、低コスト化が図れる。
【００１５】
請求項６記載の発明は、前記アンモニアガス導入口が、前記バーナ位置から前記燃焼装置のガス流路幅の約１〜２倍の距離長後流側に配設されることを特徴とする。
かかる発明は、図１に示される燃焼装置において、ガス流路幅をＲ、バーナ位置からアンモニアガス導入位置までの距離をＬとすると、図３に示されるように、Ｌ／Ｒの値が約０．４付近で縦軸の炉内酸素濃度が急激に低減し、Ｌ／Ｒが約１以上で酸素濃度が略零の値を示す。一方、Ｌ／Ｒの値を２以上とすると装置が大型化し、またアンモニアガス導入位置がバーナから離れて過ぎて温度低下が懸念されるため好適でない。従って、前記Ｌ／Ｒの値が約１〜２、即ち前記アンモニアガス導入口が、前記バーナ位置から前記燃焼装置のガス流路幅の約１〜２倍の距離長後流側に配設されるように構成することにより、アンモニアガス導入口付近を略無酸素状態とすることができ、酸素とアンモニアの反応による窒素酸化物の生成を極力低減することができる。
さらに、請求項７記載の発明のように、前記バーナから供給する前記助燃用燃料の理論燃焼空気と空気との導入比率を約１：０．７０〜０．９９の範囲内とすることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１７】
図１は発明の実施形態にかかる燃焼装置の概略構成図、図２は図１における燃焼装置の概念図、図３は本実施形態の燃焼装置におけるバーナ取付位置と酸素濃度の関係を示すグラフ図、図４は本発明の実施形態にかかる燃焼装置が適用されるガス処理システムの全体構成図である。
尚、本実施形態では、燃焼装置を石炭ガス化発電設備に適用した場合につき説明しているが、これに限らず石油精製システム、化学プロセス用アンモニア処理システム等の発生ガスからアンモニアを除去するシステムであれば何れにも適用可能である。
【００１８】
まず、本実施形態にかかる燃焼装置が好適に実施されるガス処理システムについて、図４を用いて説明する。かかるガス処理システムは石炭をガス化して発電燃料とする石炭ガス化発電設備に併設されており、不図示のガス化炉にて発生する生成ガスは、熱交換器３０を介して冷却されてＣＯＳ２０にてガス中のＣＯＳがＨ２Ｓに転換された後、水洗搭２１にてガス中のアンモニアの殆どが排水中に取り込まれる。そして、アンモニアが除去された排ガスはＨ２Ｓ吸収搭２２に送られ、Ｈ２Ｓが除去される。Ｈ２Ｓ除去搭２２は、吸収液により生成ガス中のＨ２Ｓ、ＣＯＳ等の硫黄化合物がガスタービン２８の許容濃度以下まで除去される構成となっている。
【００１９】
前記Ｈ２Ｓ吸収搭２２で硫黄化合物を吸収した吸収液は吸収再生搭（不図示）に送られ、加熱することにより吸収しているＨ２Ｓを脱離し再生している。Ｈ２Ｓを除去した生成ガスは各熱交換器３０を介して昇温されてガスタービン（ＧＴ）２８に供給される。そして、Ｈ２Ｓを含有するガスは燃焼装置２３に送給されて燃焼処理が施された後、排煙ガス脱硫装置（ＦＧＤ）２４にて脱硫されて煙突２９より系外へ排出される。
一方、前記水洗搭２１により排水に取り込まれたＮＨ３はストリッパ２５に導かれ、該ストリッパ２５にて気液分離された排水は排水処理設備２６に送られるとともに、ＮＨ３を含有するガスは燃焼装置２７に送給される。
【００２０】
本発明における燃焼装置は高濃度のＮＨ３を含有する生成ガスを処理する前記燃焼装置２７であり、該燃焼装置の一実施形態として図１に燃焼装置１０の概略構成を示している。
図１において、１１は円筒状の燃焼装置１０の一端に具備されたバーナ、１４は該バーナの他端に設けられたガス出口、１２は該燃焼装置１０内で前記バーナ１１及びガス出口の間に設けられたアンモニア含有ガス導入口、１３は該アンモニア含有ガス導入口１２の下流側に配設された空気導入口である。
【００２１】
前記バーナ１１には助燃用燃料１５の供給口及び空気１６の供給口が具備されており、夫々の供給口から流量制御弁により最適な燃焼状態になるように供給量が制御されている。これらの供給量は、空気及び助燃用燃料の組成と流量、及びバーナ１１による混合状態等を基に理論空気量が設定され、好ましくは前記助燃用燃料１５と空気１６の供給量を、助燃用燃料：空気＝１．０：０．７〜０．９９の範囲内に設定するとよい。
前記アンモニア含有ガス導入口１２は、かかる燃焼装置１０の長手方向の中央部付近に具備されており、特に、該アンモニア含有ガス導入口１２の配設位置を、前記バーナ１１から前記燃焼装置１０の流路幅Ｒ（若しくは直径）の約１〜２倍の距離長Ｌだけ後流側に配置することが好適である。
【００２２】
また、ガス流路幅をＲ、バーナ１１からアンモニア含有ガス導入口１２までの距離をＬとすると、図３に示されるように、Ｌ／Ｒの値が約０．４付近で縦軸の炉内酸素濃度が急激に低減し、Ｌ／Ｒが約１以上で酸素濃度が略零の値を示す。一方、Ｌ／Ｒの値を２以上とすると装置が大型化し、またアンモニア含有ガス導入口１２がバーナ１１から離れて過ぎて温度低下が懸念されるため好適でない。従って、前記Ｌ／Ｒの値が約１〜２、即ち前記バーナ位置１１から前記アンモニア含有ガス導入口１２までの距離Ｌが、前記燃焼装置１０のガス流路幅Ｒの約１〜２倍の距離となるように配設することが最適である。尚、Ｌ／Ｒ＝０はバーナ１１の取付位置である。
これにより、前記バーナ１１から供給された助燃用燃料１５と空気１６とが十分に燃焼されて前記空気１６の酸素が殆ど消費され、前記アンモニア含有ガス導入口１２付近の酸素濃度が極めて低くなるために、該導入口１２から供給されるアンモニアと酸素との反応によるＮＯｘの生成を最小限に抑制することができる。
【００２３】
ここで、かかる燃焼装置１０内の各区域における反応を図２に示す概念図により説明する。燃焼装置１０において、前記バーナ１１が具備される上流側から高温ガス生成域１０Ａ、アンモニア分解域１０Ｂ、及び完全燃焼域１０Ｃの順に各区域が備えられている。
前記高温ガス生成域１０Ａでは、前記バーナ１１から助燃用燃料１５及び空気１６が導入され、還元性雰囲気下にて燃焼が行われて約１０００〜１５００℃の高温ガスが生成される。ここで、本燃焼装置１０は直燃式であるため前記バーナ１１から供給した助燃用燃料１５及び空気１６により燃焼装置内で燃焼が行われる。
【００２４】
前記アンモニア分解域１０Ｂは、その上流側にアンモニア含有ガス１７を導入されて、還元性雰囲気下に保持された該アンモニア分解域１０Ｂ内で、前記高温ガス生成域１０Ａにより生成された高温ガスによりアンモニアを窒素と水素とに熱分解する。このとき、前記したように、前記助燃用燃料１５と空気１６の供給量を、助燃用燃料：空気＝１．０：０．７〜０．９９の範囲内に設定し、かつアンモニア含有ガス導入口１２の配設位置を、前記バーナ１１から前記燃焼装置１０の流路幅Ｒ（若しくは直径）の約１〜２倍の距離長Ｌだけ後流側としているため、前記アンモニア分解域１０Ｂ内には殆ど酸素が残留せず、酸素とアンモニアとの反応を防止でき、有害な窒素酸化物の生成を極力低減することが可能となる。また、窒素酸化物の発生が殆どないため、燃焼装置１０内を約１０００℃程度に抑えることができ、より安価な材料で以ってかかる装置を構成することが可能となる。
【００２５】
さらに、前記完全燃焼域１０Ｃでは、前記アンモニア分解域１０Ｂにて生成した水素及び一酸化炭素を含む可燃物を窒素酸化物が生成しない温度域で燃焼させ、ガス出口１４から排出する。
このように、かかる燃焼装置１０のような構成とすることで、簡単な構成で以って、アンモニア含有量が高いガスにおいても高除去率でかつ有害な窒素酸化物を発生させることなく処理を行うことができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、前記高温ガス生成工程にて前記助燃用燃料と空気と（この部分は修正しない方がよいかと思われます。）が十分に燃焼されて前記空気中の酸素が殆ど消費された後に前記アンモニア含有ガスが導入されるため、アンモニアと酸素とが接触することがなくこれらの反応を阻止でき、窒素酸化物の発生を最小限物に抑制することができる。
また、高温還元ガス中のアンモニアの熱分解は約１０００℃程度で十分であるため従来より装置内を低温とすることができ助燃用燃料の投入量を低減できるとともに、装置に使用される材料を安価とすることができ、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる燃焼装置の概略構成図である。
【図２】図１における燃焼装置の概念図である。
【図３】本実施形態の燃焼装置におけるバーナ取付位置と酸素濃度の関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる燃焼装置が適用されるガス処理システムの全体構成図である。
【図５】従来技術における燃焼炉の概念図である。
【符号の説明】
１０　　燃焼装置
１１　　バーナ
１２　　アンモニア含有ガス導入口
１３　　空気導入口
１５　　助燃用燃料
１６　　空気
１７　　アンモニア含有ガス
１８　　空気
１０Ａ　高温ガス生成域
１０Ｂ　アンモニア分解域
１０Ｃ　完全燃焼域
【図１】
2004036983.tif 000003
【図２】
2004036983.tif 000004
【図３】
2004036983.tif 000005
【図４】
2004036983.tif 000006
【図５】
2004036983.tif 000007