(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼装置（１２）における石炭の燃焼からのガス放出物中の水銀を減少させる方法において、
ａ．前記燃焼装置の一次燃焼ゾーン（２６）における燃焼中に過剰酸素（１６）が少量であるか又は存在しない条件の下で前記一次燃焼ゾーン（２６）で石炭（１４）を燃焼させることと、
ｂ．燃焼中に炭素を豊富に含有するフライアッシュを生成することと、
ｃ．燃焼中に燃焼により生成される煙道ガスの中へ水銀を放出することと、
ｄ．前記燃焼装置の一次燃焼ゾーンの下流側にある燃焼後ゾーン（２８）で燃焼空気を噴射することにより、燃焼空気をステージングすること（２０）と、
ｅ．フライアッシュによって煙道ガス中の水銀を吸着することと、
ｆ．燃焼廃棄物処理システムでフライアッシュを吸着された水銀と共に回収すること（３２）と
を含み、
前記一次燃焼ゾーン（２６）で石炭（１４）を燃焼させること（ａ）が、石炭の燃焼により生成されるフライアッシュの中に活性炭を放出するように、一次燃焼ゾーンにおける過剰酸素のレベルを２％以下に維持することを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
燃焼中の過剰酸素（１６）のレベルは約１．０％未満である請求項１記載の方法。
【請求項３】
燃焼中の過剰酸素（１６）のレベルは約０．５％未満である請求項１記載の方法。
【請求項４】
燃焼中の過剰酸素（１６）のレベルは石炭の燃焼に必要とされる酸素の化学量論的量より少ない請求項１記載の方法。
【請求項５】
水銀の吸着を容易にするために、フライアッシュを活性炭によって２３３°Ｃ（４５０°Ｆ）以下の温度まで冷却させること（３０）を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼後ゾーン（２８）はステージングされた燃焼空気が噴射されるオーバーファイアバーンアウトゾーン（４０、４２）を含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
燃焼から放出される水銀は元素水銀（Ｈｇ０）であり、煙道ガスが冷却するにつれて元素水銀を酸化することを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
酸化された水銀はスクラバー（４８）において煙道ガスから除去される請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記燃焼廃棄物処理システムは、フライアッシュを吸着された水銀と共に捕捉し、捕捉されたフライアッシュをフライアッシュ回収装置へ排出する微粒子制御装置（３２）を含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記燃焼廃棄物処理システムは、フライアッシュが約２０５°Ｃ（４００°Ｆ）以下の温度まで冷却した後にフライアッシュを捕捉する粒子制御装置（３２）を含む請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は石炭の燃焼に関し、特に、石炭の燃焼中に生成される煙道ガス中の水銀（Ｈｇ）の減少に関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀は石炭鉱物を構成する成分の１つである。水銀は石炭の燃焼中に元素水銀（Ｈｇ０）として揮発する。燃焼炉を通過して元素水銀として残留する水銀は煙道ガス中にとどまろうとする。石炭の燃焼中に煙道ガスに放出される水銀の量を減少させることが望ましい。
【０００３】
元素水銀と比べて、酸化水銀は放出制御装置による回収が容易である。煙道ガス中の水銀の酸化は、水銀を捕捉し、煙道ガスから水銀を除去するという周知の技法である。煙道ガスが冷却するにつれて、石炭の中に存在する塩素により水銀は部分的に酸化され、燃焼中に放出される。煙道ガス中の最も酸化された水銀（Ｈｇ＋２）は塩化水銀（ＨｇＣｌ２）として存在していると考えられる。水銀の酸化は燃焼気相反応中にフライアッシュの表面で起こる。フライアッシュの表面における水銀の酸化は水銀酸化の主要な道筋であると考えられる。
【０００４】
酸化水銀（ＨｇＣｌ２又はＨｇ＋２）は水溶性であり、炭素含有量の多いフライアッシュ又は活性炭に容易に吸着される。フライアッシュにより捕捉された水銀はフライアッシュと共に回収され、微粒子回収システムを介して除去される。また、酸化水銀は、二酸化硫黄（ＳＯ２）放出物を制御するために使用される湿式スクラバーによっても容易に除去される。煙道ガス中の水銀の大部分が酸化される場合、水銀制御は一般により効果的である。
【０００５】
通常、瀝青炭は水銀酸化を改善する塩素含有量の多い石炭である。加えて、瀝青炭のフライアッシュの炭素含有量は相対的に多く、良好な水銀酸化を促進する。これに対して、低品位炭の塩素含有量は相対的に少なく、反応度は高いため、フライアッシュの炭素含有量は少なくなる。従って、低品位炭の燃焼からの元素水銀の酸化の程度は瀝青炭又は他の塩素含有量の多い石炭の燃焼の場合の水銀の酸化と比較して低い。
【特許文献１】米国特許６，４７１，５０６号公報
【特許文献２】米国特許６，２８０，６９５号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃焼装置における石炭の燃焼からのガス放出物中の水銀を減少させる方法であって、燃焼装置の一次燃焼ゾーンにおける燃焼中に過剰酸素が少量であるか又は存在しない条件の下で一次燃焼ゾーンで石炭を燃焼させることと、燃焼中に炭素を豊富に含有するフライアッシュを生成することと、燃焼中に燃焼により生成される煙道ガスの中へ水銀を放出することと、燃焼装置の一次燃焼ゾーンの下流側にある燃焼後ゾーンで燃焼空気を噴射することにより、燃焼空気をステージングすることと、フライアッシュによって煙道ガス中の水銀を吸着することと、燃焼廃棄物処理システムでフライアッシュを吸着された水銀と共に回収することとから成る方法として具現化されても良い。
【０００７】
また、本発明は、燃焼システムにおける石炭の燃焼からのガス放出物中の水銀を減少させる方法であって、燃焼により生成される煙道ガスの中へ元素水銀（Ｈｇ０）が放出されるように、燃焼システムの一次燃焼ゾーンで石炭を燃焼させることと、燃焼システムに供給される燃焼空気の一部を一次燃焼ゾーンに添加し且つ燃焼空気の第２の部分を燃焼ゾーンの下流側にあるオーバーファイア空気ゾーンに添加することにより、燃焼空気をステージングすることと、石炭の燃焼により生成されるフライアッシュの中に活性炭を放出するように、一次燃焼ゾーンにおける過剰酸素のレベルを２％以下に維持することと、酸化水銀（Ｈｇ＋２）を生成することにより、元素水銀を酸化することと、煙道ガス中の酸化水銀の少なくとも一部をフライアッシュ中の活性炭により吸着することと、燃焼廃棄物処理システムでフライアッシュを吸着された水銀と共に回収することとから成る方法として具現化されても良い。
【０００８】
更に、本発明は、石炭燃焼炉からの煙道ガス放出物中の水銀を処理するシステムであって、燃焼空気を受け入れ、燃焼中に生成される煙道ガス及びフライアッシュに対する下流側流路を有する一次燃焼ゾーンと、一次燃焼ゾーンの中へ石炭を噴射するように適合させた石炭噴射器と、石炭の燃焼により生成されるフライアッシュの中へ活性炭を放出するように一次燃焼ゾーンにおける過剰酸素の量が２％を超えないように、一次燃焼ゾーンに燃焼酸素を導入するように適合させた空気噴射器と、一次燃焼ゾーンの下流側にあり、下流側流路に含まれ、燃焼空気が噴射されるオーバーファイアバーンアウトゾーンと、煙道ガス出口及び捕捉された微粒子廃棄物の排出口に結合された燃焼廃棄物処理システムとを具備し、前記一次燃焼ゾーンは、フライアッシュが活性炭を有することにより煙道ガス中に放出された水銀を酸化し、吸着するように石炭を燃焼させるシステムとして具現化されても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
石炭燃焼プロセスにおいて現場で形成される反応性フライアッシュは、石炭燃焼火力発電装置からの水銀（Ｈｇ）放出物を減少させる上で有効であるといえる。反応性フライアッシュはフライアッシュの表面で起こる触媒反応を経て水銀の酸化を改善することができる。酸化水銀は、現場で形成される炭素含有量の多いフライアッシュ又は活性炭などの炭素含有粒子に容易に吸着されるか、あるいは湿式スクラバーで除去されることが可能である。
【００１０】
フライアッシュにおける水銀の酸化はボイラの燃焼後ゾーンで起こるが、フライアッシュの反応度はボイラの燃焼ゾーンの燃焼条件によって影響を受ける。特に、フライアッシュの反応度は燃焼ゾーンの過剰空気の量により影響を受けることがわかっている。
【００１１】
定置石炭燃焼システムにおいて、反応度の高いフライアッシュを生成するためにディープステージングされた燃焼を適用し且つボイラの燃焼ゾーンのボイラ過剰酸素を減少させることにより、有効に水銀を制御する方法が開発されている。燃焼空気は、一部の空気が燃焼ゾーンの下流側に導入され、燃焼ゾーンに導入される空気が化学量論条件にあるか又はそれに近い条件にあるようにステージングされる。
【００１２】
過剰酸素を減少させた条件の下で、例えば、燃焼が化学量論条件にあるか又はそれに近い条件にある場合に燃焼ゾーンをステージングし且つ／又は動作させることにより、煙道ガス中のフライアッシュの反応度は増加する。燃焼ステージング条件の下で形成されるフライアッシュの水銀との反応度は、通常の燃焼条件の下で形成されるフライアッシュより高い。同様に、ボイラ過剰空気を減少させた条件の下で形成されるフライアッシュは、より多くの量の過剰空気を伴う燃焼から生成されるフライアッシュより効果的に酸化水銀を吸着する。
【００１３】
燃焼中のステージングを増加させ且つ／又は過剰燃焼空気を減少させることにより、フライアッシュの反応度が高まるため、放出される水銀のうち、煙道ガス中に捕捉される部分が増加する。典型的な過剰空気燃焼条件の下では、炭素含有量の少ない（１％未満）フライアッシュは実物大ボイラにおいて有効な水銀吸収剤ではない。しかし、空気のステージングを増加させ且つ燃焼ゾーンの過剰空気の量を減少させることにより、炭素含有量の少ないフライアッシュは水銀酸化を改善するという効果を発揮することができる。
【００１４】
燃焼ステージング条件の下で形成されるフライアッシュは、通常の燃焼空気条件の下で形成されるフライアッシュより広い表面積を有する。表面積の広いフライアッシュは、従来の過剰燃焼空気量を使用する燃焼から生成される、相対的に表面積の狭いフライアッシュと比較して、水銀酸化の効果がより高い。従って、燃焼ステージングの程度を上げることで、フライアッシュの水銀を捕捉する能力を高めることができる。
【００１５】
ステージングされた燃焼は燃焼空気の一部を一次燃焼ゾーンから二次ゾーン、例えば、オーバーファイア空気（ＯＦＡ）ゾーンへ方向転換させる。既存のボイラに対して、ＮＯｘ及び水銀の放出を減少させる目的で燃焼ステージングを利用するために、ＮＯｘ制御技術などの燃焼方式の変形を実施することができる。従来、より重要なＮＯｘ制御を実現するために、より深いステージングが適用されている。有効なＮＯｘ減少を行うための従来の最適なディープステージングは、フライアッシュにおける有効な水銀酸化のための前述のディープステージングとは異なる動作条件を必要するであろう。
【００１６】
ステージングされた燃焼の間、石炭の中の炭素の一部は、燃焼ゾーンの過剰空気のレベルが高いボイラ環境で起こると考えられるように完全には燃え尽きない。ステージングされた燃焼は、特に、瀝青炭が燃焼されている場合に、フライアッシュ中の未燃炭素のレベルを上昇させる傾向にある。ディープステージング燃焼条件の下でフライアッシュ中の未燃炭素を増加させることにより、水銀除去は改善される。
【００１７】
低品位炭をステージングする場合、フライアッシュの増加は相対的に少ない。フライアッシュの大きな増加がないことは、低品位炭の場合、フライアッシュにおける水銀吸着の増加がさほど大きくはならないであろうということを示唆している。燃焼ステージングの深度、例えば、煙道ガス中にはるかに下流側で（ＯＦＡ噴射器の場所など）導入される酸素の量を増加させることにより、ステージングがフライアッシュ中の炭素の量を大幅に増加させないとしても、低品位炭のフライアッシュの表面における水銀酸化は改善される。
【００１８】
ボイラ過剰酸素を減少させると、石炭の燃焼中に形成されるフライアッシュは水銀に対する反応度を増す。ボイラ過剰空気のレベルはボイラＮＯｘ及びＣＯの放出に影響を及ぼし、通常、それらの放出物及び未燃炭素を最小にするように設定される。これは、燃焼ゾーン及びオーバーファイア空気（ＯＦＡ）ゾーンに向かう空気の流れを調整することにより実現される。
【００１９】
ボイラ過剰空気を減少させると、その結果、フライアッシュによる水銀除去の効率が向上することがわかっている。一次燃焼ゾーン、再燃焼ゾーン及びＯＦＡゾーンに向かう空気の流れを調整することにより、過剰空気（Ｏ２）を最小にできる。一次燃焼ゾーンの過剰空気は、ボイラバックパス部分の漏れを阻止することによっても減少できるであろう。それらの空気の漏れを減少させれば、ボイラＮＯｘ及びＣＯの放出に影響を及ぼすことなく、水銀酸化及びフライアッシュにおける吸着の効率を改善できるはずである。
【００２０】
反応性フライアッシュは１〜３０重量パーセント（％）、好ましくは３〜２０重量％の炭素を含む組成を有する。ボイラにおける燃焼条件は、通常の場合よりも大量の活性炭がフライアッシュ中に存在するように助長するために修正される。フライアッシュの反応度を高めることにより、フライアッシュによる水銀除去の効率は改善される。燃焼条件は、反応性フライアッシュを生成するディープステージング燃焼プロセスを適用し且つボイラの過剰空気を減少させることにより最適化される。燃焼プロセスにおいて過剰酸素を減少させることは、低窒素酸化物（ＮＯｘ）燃焼制御に対して相補的である。従って、非常に低い過剰酸素レベルで動作させ且つディープステージングを実行することにより、ＮＯｘ放出を最小限に抑えつつ、水銀放出を減少させることができるであろう。
【００２１】
図１は、石炭燃料噴射システム１４と、複数の一次空気噴射器１６と、複数の再燃焼石炭噴射器１８と、複数のオーバーファイア空気（ＯＦＡ）噴射器２０とを有する石炭燃焼炉１２、例えば、ボイラを具備する石炭燃焼火力発電装置１０を示す。外部空気ダクト２２は空気源２４、例えば、周囲空気により供給される空気を一次燃焼空気噴射器１６及びオーバーファイア空気噴射器２０に配分する。石炭燃焼システム１４及び燃焼空気噴射器１６は低ＮＯｘバーナ（ＬＮＢ）システムに含まれていても良い。
【００２２】
燃焼炉１２は燃焼ゾーン２６及び燃焼後ゾーン２８を含み、燃焼後ゾーン２８は対流パス３０を含む。発電装置１０は微粒子制御装置（ＰＣＤ）３２と、アッシュバーンアウト装置３４と、活性炭又は他の試薬の床を具備する水銀回収装置３６とを更に含む。石炭の大部分はボイラ１２の一次燃焼ゾーン２６で燃焼される。残る石炭は再燃焼石炭噴射器１８を介して下流側へ噴射され、燃料濃厚再燃焼ゾーン４０を形成する。オーバーファイア空気はＯＦＡバーンアウトゾーン４２の中へ噴射されて、燃焼を完了する。
【００２３】
石炭に含有される水銀の大部分は一次燃焼ゾーン２６における燃焼の間に煙道ガス相へ転移される。再燃焼ゾーン４０では、再燃焼石炭中の炭素は過剰な空気を有する一次燃焼ゾーンにあったときのように完全に燃え尽きるとは限らない。従って、石炭の再燃焼は煙道ガス中の未燃炭素のレベルを上昇させる。石炭燃料及び空気の噴射に際して石炭の種類と特定の条件を選択することにより、石炭含有量の多い活性フライアッシュを含む煙道ガスを生成するように、燃焼プロセスを調整することができる。煙道ガスは対流パス３０において冷却され、そこで、水銀はフライアッシュの炭素により吸収される。その後、フライアッシュは水銀と共にＰＣＤ３２で回収される。ＰＣＤ３２で回収されたフライアッシュはフライアッシュ処理装置３６で処理される。フライアッシュ処理装置はバーンアウト装置などであれば良い。バーンアウト装置が使用される場合、例えば、ボイラ熱交換のために使用される水を予備加熱することにより、発電装置により過剰な熱を一部回収することができる。フライアッシュ炭素から放出された水銀は、フライアッシュのバーンアウト生成物が水銀回収装置３６を通過するにつれて、活性炭により吸収される。
【００２４】
フライアッシュ中の窒素酸化物、水銀及び炭素の濃度は３ステッププロセスにより低減される。第１のステップでは、石炭再燃焼の燃料濃厚ゾーンでＮＯｘの濃度が低減される（他の実施例では、このステップをＬＮＢにより実現するか、又は別の燃料／空気ステージング低ＮＯｘ燃焼修正技術により実現することが可能である）。フライアッシュ中の炭素を強化するために、特定の技術の燃焼ゾーンが制御される。例えば、再燃焼燃料の量、再燃焼燃料の場所における煙道ガスの温度及び／又はＯＦＡ噴射を変化させることにより、燃料ステージング及び空気ステージングの条件、並びに燃焼条件を最適化することによって、フライアッシュ中の炭素を強化することができる。また、石炭の種類又は石炭粒子の大きさを選択することにより、フライアッシュ中の炭素の活性度を高めることができる。更に、ＬＮＢ流れを調整すること、特定のＬＮＢデザインを選択すること、主燃焼ゾーン２６における過剰空気を調整すること、燃料の化学量論比を調整すること、並びに一次燃焼ゾーン２６及び二次燃焼ゾーン２８における燃料／空気の混合を調整することにより、強化炭素を制御できる。
【００２５】
第２のステップでは、炭素を含有するフライアッシュは２３３°Ｃ（４５０°Ｆ）以下、望ましくは２０５°Ｃ（４００°Ｆ）以下、好ましくは１７８°Ｃ（３５０°Ｆ）以下に冷却される。これらのフライアッシュ温度において、ＮＯｘは炭素との反応の中で更に減少され、水銀はフライアッシュ中の強化炭素により吸収される。ＰＣＤ３２はフライアッシュを炭素及び吸収された水銀と共に回収することができる。
【００２６】
第３のステップでは、フライアッシュから炭素が燃え尽きる。同時に、フライアッシュから水銀が脱着して、活性炭素の床、あるいは他の試薬、例えば、金又はアマルガムを形成する他の金属の床で回収される。炭素バーンアウト反応器は炭素を有効に除去できるように設計されている。バーンアウト反応器は水銀捕捉反応器と組み合わせて使用されることが可能である。
【００２７】
炭素バーンアウト反応器を通過するガスの流れは煙道ガスの流れよりはるかに遅いため、水銀を回収するために必要とされる活性炭の量は同じ結果を実現するために噴射される活性炭の量より約２桁少なくて良い。
【００２８】
水銀を除去するために、フライアッシュの中で現場で形成された炭素、すなわち、ボイラ内で形成された炭素を使用するのが有益である。燃焼ゾーン２６の燃焼温度で、数秒のうちにフライアッシュ中の強化炭素を生成できる。更に、石炭燃焼ボイラからのフライアッシュにおける強化炭素の生成を最適化するための条件を制御する費用は、通常、大量使用で考えると、活性炭を噴射する場合の費用と比べてはるかに安い。炭素は「現場で」生成されるので、活性炭を処理し、それをボイラへ送り出すことに関して余分な費用は発生しない。
【００２９】
煙道ガス、フライアッシュ、未燃石炭粒子及び他の微粒子物質（合わせて「燃焼生成物」と呼ばれる）は燃焼炉１２を通って上方へ流れる。一般に、煙道ガスはフライアッシュと、窒素、酸素、二酸化炭素、窒素酸化物、水、一酸化炭素、二酸化硫黄などの様々なガス及び揮発性化合物と、様々な酸性ガスから構成されている。煙道ガスの厳密な組成は煙道ガスを生成するプロセスの性質によって決まり、時間の経過に伴って著しく大きく変動する可能性がある。一部の燃焼生成物は燃焼炉の底に落下し、廃棄物として排出される。
【００３０】
従来の石炭燃焼炉における石炭の燃焼は、通常、完全には完了せず、幾分かの炭素を含有するフライアッシュを生成する。更に、低ＮＯｘバーナ（ＬＮＢ）などの従来の低窒素酸化物（ＮＯｘ）プロセスの間、オーバーファイア空気（ＯＦＡ）の噴射中、石炭再燃焼中に、また、他の従来の低ＮＯｘ燃焼技術と関連して、活性炭フライアッシュが生成される。
【００３１】
ここで開示する燃焼炉においては、一次燃焼ゾーン２６は、燃料濃厚条件を維持することにより、炭素濃厚フライアッシュが形成されるように構成されている。例えば、一次燃焼ゾーン２６における過剰空気の量は２％未満であり、好ましくは０．３％以下である。オーバーファイア空気ゾーン４２は、燃料が希薄である状態で動作するように構成されている。しかし、ＯＦＡゾーンの温度は主燃焼ゾーンの温度より低いため、煙道ガス中のフライアッシュの炭素は完全には燃え尽きない。従って、燃焼炉の下流側へ対流パス３０に向かって流れるフライアッシュの反応度は、このような構成ではない場合に効率の良い石炭燃焼炉で期待される反応度より高くなる。
【００３２】
石炭再燃焼を適用することにより、燃焼はステージングされる。再燃焼は２段階燃料噴射技術であり、この技術によれば、石炭燃料の一部（通常は総燃焼炉熱入力の１５〜２５％）は既存の一次燃焼ゾーン２６の上方の再燃焼ゾーン４０へ方向転換され、再燃焼ゾーンでわずかに燃料が濃厚である環境を生成する。燃焼空気の一部は再燃焼ゾーンの下流側でオーバーファイア空気噴射器２０及びＯＦＡバーンアウトゾーン４２へ方向転換される。燃焼は一次燃焼ゾーン２６で起こり、再燃焼ゾーン４０で起こり、ＯＦＡゾーン４２で完了する。フライアッシュによる水銀除去の効率は、一次燃焼ゾーン２６における過剰空気を減少させることにより増加される。これは、燃焼空気の総量を減少させ、再燃焼ゾーン及びＯＦＡゾーンを有する従来の燃焼炉で起こると考えられるより多くの燃料を再燃焼ゾーンへ方向転換させ、且つより多くの空気をＯＦＡゾーンへ方向転換させることにより実現される。
【００３３】
図２は、図１に示される発電装置１０に類似する石炭燃焼火力発電装置４４を示す。図２に示される石炭燃焼火力発電装置４４のうち、図１に示される発電装置１０の構成要素と同じである構成要素を示すために同じ図中符号が使用されている。発電装置４４は活性炭噴射システム４６と、湿式スクラバー４８とを含む。
【００３４】
炭素含有量の多いフライアッシュを生成するために過剰酸素を減少させることの利点及び有効性は、以下の石炭燃焼試験の説明から明白である。試験は１．０ＭＭＢＴＵ／ｈｒボイラシミュレータ設備（ＢＳＦ）６０で実施された。ＢＳＦ設備は図３に概略的に示されている。ＢＳＦはユーティリティ発電装置の実物大ボイラで見られる煙道ガスの温度及び組成のサブスケールシミュレーションを実行する。
【００３５】
図３に示されるように、ＢＳＦ６０はバーナ６２と、垂直下向き燃焼輻射炉６４と、冷却部６６と、輻射炉から延出する水平対流パス６８と、電気集塵器（ＥＳＰ）６９と、対流パスと連通する煙道ガスサンプリング計器を有する煙突７０とを含む。バーナ６２は、軸流燃料噴射器を有する可変渦巻拡散バーナである。一次空気は燃焼炉の燃焼ゾーンに軸方向に噴射される。燃焼ゾーンにおいて制御下で燃料／空気の混合を実行するために、二次空気は複数の旋回羽根（図示せず）を介して半径方向に噴射される。旋回羽根の角度を調整することにより、渦巻の数を制御できる。輻射炉の軸に沿って多数のポートが配置されているため、再燃焼噴射器、添加剤噴射器、オーバーファイア空気噴射器及びサンプリングプローブなどの補助機器を利用できる。
【００３６】
輻射炉６４は耐火材を裏張りされた８つのモジュール部分を有し、内径は２２インチ、総高さは２０フィートである。対流パス６８にも耐火材が裏張りされており、ユーティリティボイラの過熱器及び再熱器の各部分をシミュレートするために、対流パスは複数の空冷管束を含む。輻射炉及び対流パスにおける熱抽出は、滞留時間と温度の関係を表すプロファイルが典型的な実物大ボイラのプロファイルと一致するように制御されることが可能である。吸引高温計（図示せず）は輻射炉ガスの温度を測定する。
【００３７】
ＢＳＦのＥＳＰ６９は、軸方向コロナ電極を有する１２本の管から構成されるシングルフィールド装置である。ＥＳＰ出口で、オンラインＨｇアナライザを使用して水銀の濃度を測定した。アナライザは煙道ガス中の元素水銀（Ｈｇ０）と水銀の総量の双方を測定することが可能である。水銀の総量とＨｇ０との差として、酸化水銀（Ｈｇ＋２）を判定することができる。ＥＳＰの平均温度は１７８°Ｃ（３５０°Ｆ）であった。
【００３８】
西部炭（＃１‐この図中符号は図６から図８で使用されている）、東部瀝青炭（＃２）、３種類のU. S. Powered River Basin（ＰＲＢ）炭（＃３〜＃５）、並びに２種類の亜炭（＃６及び＃７）という７種類の石炭を試験した。石炭によりＢＳＦを着火し、燃焼空気をステージングすることにより、灰中炭素含有量（ＬＯＩとしても特徴付けられる）を制御した。フライアッシュ中の未燃炭素（ＵＢＣ）の量はフライアッシュの強熱減量（ＬＯＩ）値により示される。
【００３９】
空気ステージングにより、燃焼空気の一部は一次燃焼ゾーンから外れて、下流側のＯＦＡゾーンに噴射される。一次燃焼ゾーン２６における燃料の燃焼は、空気と燃料の化学量論比（ＳＲ１）により特徴付けられるように燃料濃厚状態又は化学量論比に近い状態で起こる。オーバーファイア空気（ＯＦＡ）の噴射後の状態は燃料希薄状態であり、ＯＦＡゾーンの空気と燃料の化学量論比（ＳＲ２）により特徴付けられる。
【００４０】
酸素の量を減少させることにより、一次燃焼ゾーン２６は燃料濃厚条件の下で動作する。そのような燃料濃厚条件では、一次燃焼ゾーンにおける空気と燃料の化学量論比（ＳＲ１）は１．０以下であるか、１．０であるか、又は１．０をわずかに超える。ＳＲ１が１．０であるとき、理想的には一次燃焼ゾーンで全ての石炭が燃焼される。現実の条件の下では、ＳＲ１が１．０に等しいとき、一部の活性炭が燃焼しない。従来の燃焼炉は、一般に、燃焼を完了させるためにＳＲ１が１．１を超えるような条件で動作していた。
【００４１】
図４は、瀝青炭＃２に関して過剰酸素がＨｇ及びＮＯｘの減少、並びに一酸化炭素（ＣＯ）の放出に及ぼす影響を表すグラフである。試験規模のＢＳＦ試験は、過剰酸素を減少させることがＮＯｘ、ＬＯＩ及び水銀除去に著しく大きな影響を及ぼすことを実証した。水銀除去は、燃料と共に導入される水銀の総量と、ＥＳＰ６８の出口で気相で測定された水銀の量との差として定義された。ＳＲ１の値が１．１６から１．０に減少するにつれて、過剰酸素は２．７％からほぼ０％まで減少した。ＳＲ１値が低いとき、例えば、１．０５以下であるとき、水銀及びＮＯｘの放出の量（図４のグラフの左側）は減少した。しかし、ＳＲ１値が低いとき、例えば、１．０４以下であるとき、ＣＯ放出の量（グラフの右側）とＬＯＩは増加した。フライアッシュのＬＯＩもＳＲ１値が減少するにつれて増加した。
【００４２】
図４は、一次燃焼ゾーンにおけるＳＲ１が１．０５以下になるように過剰酸素（Ｏ２）を減少することにより、フライアッシュ吸着及びＰＣＤ除去による水銀除去の量が増加することを示している。
【００４３】
ディープステージングによって、燃焼空気の、例えば、２０％〜３５％がＯＦＡゾーン４２へ方向転換された。ＯＦＡゾーンにおける過剰酸素を回避するために、ＯＦＡゾーンの空気と燃料の化学量論比（ＳＲ２）はオーバーファイア空気の量を計測することにより制御された。一例においては、ＳＲ２は１．１６の値に維持された。ＯＦＡゾーンの過剰酸素のレベルを０．４％、好ましくは０．２％未満に維持すると、水銀除去の量が増加することが判明した。
【００４４】
図５は、亜炭＃６に関して、ＳＲ１値が０．５であるとき及び０．７であるときにＯＦＡゾーンの過剰酸素を減少させることが水銀除去に及ぼす影響を示す。図６は、ＰＲＢ炭の燃焼に関して、ＳＲ１が０．５であるときにＯＦＡゾーンの過剰酸素が水銀除去に及ぼす影響を示す。ＯＦＡゾーンの過剰酸素が減少するにつれて水銀除去は増加し、過剰酸素の値が０．２％〜０．４％の範囲にあるとき、Ｈｇ除去は７０％〜８０％に近づいた。ＯＦＡゾーンの過剰酸素レベルが非常に低いとき、例えば、１％未満であるとき、水銀除去の増加の程度は相当に大きかった。ＯＦＡゾーンの過剰酸素レベルを３％から２％に減少させたとき、水銀除去効率の５％の改善が実現された。
【００４５】
図７は、ＰＲＢ炭７０％、西部瀝青炭３０％の石炭混合物に関して、ＯＦＡゾーンの過剰酸素が水銀除去に及ぼす影響を示すグラフである。３％の過剰酸素レベルであるときに６０％であった水銀除去効率は、低い過剰酸素レベル、例えば、０．５％以下では８０％を超えるまでに増加した。図７は、石炭混合物に関して、約０．３％の過剰酸素レベルでは９０％までの水銀除去を実現できることを実証している。また、図７は、過剰Ｏ２を３％から約２％に減少させることにより、約１０％の水銀除去の改善を実現できることを実証している。
【００４６】
図８は、従来の燃焼条件と、空気ステージングとにおけるフライアッシュの表面積及び煙道ガス中の酸化水銀の量を示す。従来の条件（図８の左側の棒グラフ）はＳＲ１＝１．１３２に相当し、ステージングを含まない。空気ステージング条件（図８の右側の棒グラフ）はＳＲ１＝１．０及びＳＲ２＝１．１３２に相当する。図８に示されるように、ＢＳＲ試験規模試験は、ディープステージングによってフライアッシュ中の炭素の量が増加しない場合であっても、ディープステージングが水銀酸化の効率を上昇させたことを実証した。ＰＲＢ炭＃５の試験は、この石炭の反応度が高いために、空気ステージングがフライアッシュ中の炭素含有量にわずかな影響しか及ぼさなかったことを実証した。あらゆるステージング条件におけるフライアッシュ中炭素含有量は０．３％〜０．４％の範囲にとどまっていた。
【００４７】
しかし、空気ステージングはフライアッシュの表面積を増加させた。ディープステージングの条件の下では、従来の燃焼と比較して、より多くの元素水銀が酸化された。図８は、ディープステージングを適用することにより、煙道ガス中の酸化水銀の割合が約３０％から約６０％に増加すると共に、フライアッシュの表面積が１．４８ｍ２／ｇ（フライアッシュの１グラム当たり平方メートル）から１．７４ｍ２／ｇまで増加したことを実証している。要するに、ＢＳＲ試験規模試験の結果、ステージングの深さをより増し且つ過剰Ｏ２を非常に少なくすることで、フライアッシュにより水銀除去の効率が改善されることがわかる。
【００４８】
本発明を現時点で最も実用的で好ましい実施例であると考えられるものに関連して説明したが、本発明が開示された実施例に限定されてはならないことを理解すべきであり、特許請求の範囲で示されている図中符号は本発明の範囲を狭めるのではなく、本発明の理解を容易にすることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】低ＮＯｘバーナ（ＬＮＢ）を含む一次燃焼ゾーン、石炭再燃焼ゾーン及びオーバーファイア空気（ＯＦＡ）ゾーンを有する石炭燃焼火力発電装置の概略図。
【図２】図１に示される発電装置に類似し、活性炭噴射器及び湿式スクラバーを更に含む石炭燃焼火力発電装置の概略図。
【図３】ボイラシミュレーション設備を示す図。
【図４】瀝青炭を燃焼する一次燃焼ゾーンにおける水銀、ＮＯｘ及びＣＯの放出の、空気と燃料の化学量論比（ＳＲ１）に関する影響を示すグラフ。
【図５】０．５及び０．７の一定のＳＲ１値に対してＳＲ２（ＯＦＡ）を変化させることによりステージングが調整された場合の深い空気ステージングが水銀除去に及ぼす影響を示すグラフ。
【図６】ＳＲ１値が０．５で一定しており且つＰＲＢ炭を使用する場合に、過剰酸素のレベルが３％であるとき及び０．５％以下であるときの強熱減量（ＬＯＩ）に関する水銀除去を示すグラフ。
【図７】過剰酸素（Ｏ２）がＨｇ除去に及ぼす影響を示す図。
【図８】ＳＲ１値が１．１３２及び１．０であるときのステージングがフライアッシュの表面積及び水銀の酸化に及ぼす影響を示す図。
【符号の説明】
【００５０】
１０…石炭燃焼火力発電装置、１２…石炭燃焼炉（ボイラ）、１４…石炭燃料噴射システム、１６…一次空気噴射器、１８…再燃焼石炭噴射器、２０…オーバーファイア空気（ＯＦＡ）噴射器、２６…一次燃焼ゾーン、２８…燃焼後ゾーン、３０…対流パス、３２…微粒子制御装置（ＰＣＤ）、３４…アッシュバーンアウト装置、３６…水銀回収装置、４０…燃料濃厚再燃焼ゾーン、４２…ＯＦＡバーンアウトゾーン
【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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【図７】
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【図８】
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