(57)【要約】【課題】  燃焼煙道ガス（２４）中の窒素酸化物の濃度を低下させる方法を提供する。【解決手段】  方法によれば、気体の形態であるか、又は小さな粒子であるか、あるいは水溶液の小滴のいずれかである窒素還元剤（３４）がオーバーファイア空気（２８）と共に、オーバーファイア空気と共に一次燃焼の生成物と混合するように導入される。窒素剤は、オーバーファイア空気と煙道ガスが混合する間にＮＯｘを還元するのに最適である温度状況（５４）を通過するときにＮＯｘを還元する。低温から高温への遷移はアンモニアスリップを有効に排除する。更に、窒素剤は一次燃焼の生成物との早期混合から最適に遮蔽されるようにオーバーファイア空気の流れと混合されても良く、その場合、オーバーファイア空気の一部は、遮蔽がなければＮＯｘの化学的還元作用を妨害する可能性がある残留一酸化炭素（ＣＯ）とまず反応する。【選択図】図１
2005164227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼煙道ガス（２４）中の窒素酸化物の濃度を低下させる方法において、
ａ．燃焼ゾーン（１２）の中で窒素酸化物を含む燃焼煙道ガスを形成することと、
ｂ．オーバーファイア空気（２８）と、窒素酸化物の急速な還元を促進するために小さな平均サイズを有する選択還元剤（３４）の溶液の小滴、粒子、又はガスをバーンアウトゾーン（１６）の中に供給することと、
ｃ．前記バーンアウトゾーンで、オーバーファイア空気及び選択還元剤を窒素酸化物の還元に最適な温度範囲より高い温度で燃焼煙道ガスと混合すること（３４）と、
ｄ．燃焼煙道ガスがオーバーファイア空気及び選択還元剤を最適温度範囲（５４）まで加熱するにつれて、窒素酸化物を還元剤によって還元することと、
ｅ．オーバーファイア空気及び選択還元剤の温度を燃焼煙道ガスによって最適温度範囲を超えるまで上昇させ続けることとから成る方法。
【請求項２】
過程（ｄ）の間の最適温度範囲（５４）は０．３秒未満の短い期間に起こり、窒素酸化物の還元はその短い期間の間に起こる請求項１記載の方法。
【請求項３】
小滴及び粒子（３４）の小さな平均サイズは６０μ以下である請求項１記載の方法。
【請求項４】
小滴及び粒子（３４）の小さな平均サイズは５０μ以下である請求項１記載の方法。
【請求項５】
オーバーファイア空気及び選択還元剤を燃焼煙道ガスと混合する過程は、燃焼煙道ガスが約１３７０°Ｃ〜１１００°Ｃ（２，５００°Ｆ〜２，０００°Ｆ）の温度範囲にある間に起こり、最適温度範囲は約８７０°Ｃ〜１１００°Ｃ（１，６００°Ｆ〜２，０００°Ｆ）である請求項１記載の方法。
【請求項６】
オーバーファイア空気（２８）及び選択還元剤（３４）を供給する過程は、バーンアウトゾーンで燃焼煙道ガスの中へオーバーファイア空気を噴射するのと同時に選択還元剤をオーバーファイア空気に添加することから成る請求項１記載の方法。
【請求項７】
オーバーファイア空気（２８）及び選択還元剤（３４）を供給する過程は、バーンアウトゾーンの中へオーバーファイア空気を噴射する前に選択還元剤をオーバーファイア空気に添加することから成る請求項１記載の方法。
【請求項８】
選択還元剤はオーバーファイア空気の流れ（３０）の中心部分へ噴射される（３６）請求項１記載の方法。
【請求項９】
選択還元剤（３４）はオーバーファイア空気の流れの上部へ噴射される（３６）請求項１記載の方法。
【請求項１０】
選択還元剤（３４）は燃焼煙道ガスが１１００°Ｃ（２，０００°Ｆ）を超える平均温度であるときに窒素酸化物を還元し、燃焼煙道ガス、オーバーファイア空気及び選択還元剤の混合物は約８７０°Ｃ〜１１００°Ｃ（１，６００°Ｆ〜２，０００°Ｆ）の平均温度である請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ、燃焼炉、焼却炉及び他の大型燃焼システム（これらを合わせて「ボイラ」と呼ぶ）などの燃焼システムの窒素酸化物（ＮＯｘ）放出制御に関する。特に、本発明は、窒素酸化物を分子窒素に選択還元することによるＮＯｘ放出の減少に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーバーファイア空気（ＯＦＡ）技術の使用により、ボイラからの煙の放出は回避されるか又は少なくとも大幅に減少される。ＯＦＡは、燃焼空気の大部分がボイラの一次燃焼チャンバに流入し、燃焼空気の一部は火炎の下流側のバーンアウトゾーンへ送り出されるように燃焼空気をステージングする。ＯＦＡ空気は煙粒子及び煙粒子前駆物質の燃焼を容易にする。
【０００３】
燃焼により発生する他の種類の空気汚染物質として、窒素の酸化物、主に、ＮＯ及びＮＯ２が含まれる。窒素酸化物（ＮＯｘ）は毒性があり、酸性雨や光化学スモッグといったプロセスにおける前駆物質としての役割を持っているために、重大な問題となりつつある。ボイラにより発生されるＮＯｘの放出を減少させるための費用効率にすぐれた技法の必要性は長年にわたり感じられてきた。
【０００４】
従来のＮＯｘ減少技法は、ＮＯｘを分子窒素に選択的に還元するために無触媒反応を発生させる条件の下で煙道ガスの中へ窒素剤を噴射する選択無触媒還元（ＳＮＣＲ）である。煙道ガス中の分子酸素の大半は還元されないため、ＮＯｘの還元は選択的である。ＳＮＣＲでは、例えば、ＨＮ３、尿素又はアミン化合物などの窒素を含む試薬がＮＨ２及びＮＨラジカルとＮＯとの反応に最適である温度で煙道ガスの流れの中へ噴射され、ＮＯが分子窒素に還元される。そのような反応に最適の温度は約１，８００°Ｆを中心とする温度である。これより相当に高い温度になると、試薬が酸化されてＮＯを形成する可能性がある。相当に低い温度では、試薬は反応しないまま煙道ガスを通過し、その結果、アンモニアスリップを引き起こす。ＳＮＣＲ法を使用してＮＯｘを還元するのに最適である温度範囲は狭く、一般に約１，６００°Ｆ〜約２，０００°Ｆである。この場合の「約」は±２５°の温度差を表す。
【０００５】
煙道ガスは２，０００°Ｆを十分に超える温度に達するが、ボイラを通過して流れる間に冷却する。窒素剤が放出される前に煙道ガスを冷却させるために、例えば、オーバーファイア空気と共に、窒素剤の相対的に大粒の小滴又は粒子を煙道ガスの中へ噴射する方式が開発されている。大粒の小滴及び粒子の大きさは、煙道ガスが冷却した後に窒素剤を放出するように規定されている。特許文献１を参照。大粒の小滴は、煙道ガスのバルク温度が約１，６００°Ｆ〜約２，０００°Ｆの温度範囲に冷却するまで、煙道ガスの流れにおける試薬の放出を遅らせる。
【特許文献１】米国特許第６，２８０，６９５号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、一実施例においては、ガスの流れの中へ還元剤を噴射することにより、アンモニアスリップを最小限に抑えると同時に窒素酸化物を除去する方法を提供する。第１の実施例では、本発明は、燃焼煙道ガス中の窒素酸化物の濃度を低下させる方法であって、燃焼ゾーンの中で燃焼煙道ガスを形成することと、オーバーファイア空気と、窒素酸化物の急速な還元を促進するために小さな平均サイズを有する選択還元剤の溶液の小滴、粒子、又はガスをバーンアウトゾーンの中に供給することと、バーンアウトゾーンで、オーバーファイア空気及び選択還元剤を煙道ガス中の窒素酸化物の還元に最適な温度範囲より高い温度で燃焼煙道ガスと混合することと、燃焼煙道ガスがオーバーファイア空気及び選択還元剤を最適温度範囲まで加熱するにつれて、窒素酸化物を還元剤によって還元することと、オーバーファイア空気及び選択還元剤の温度を燃焼煙道ガスによって最適温度範囲を超えるまで上昇させ続けることとから成る方法を提供する。
【０００７】
本発明は、燃焼煙道ガス中の窒素酸化物の濃度を低下させる方法であって、燃焼ゾーンの中で窒素酸化物を含む燃焼煙道ガスを形成することと、オーバーファイア空気と、５０μ未満の初期平均サイズを有する選択還元剤の水溶液の小滴又はガスをバーンアウトゾーンの中に供給することと、燃焼煙道ガス中の窒素酸化物の濃度を低下させるために、バーンアウトゾーンで、燃焼煙道ガスをオーバーファイア空気及び選択還元剤と接触させ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、窒素酸化物を含む燃焼煙道ガスが内部で形成される燃焼ゾーン及びバーンアウトゾーンを有する封入煙道ガス経路を規定するボイラと、燃焼ゾーンと整列され、燃焼ゾーンの中へ燃料を導入する燃料噴射器及び燃焼ゾーンと整列され、燃焼ゾーンの中へ空気を導入する燃焼空気噴射器と、バーンアウトゾーンに隣接し、バーンアウトゾーンに隣接するオーバーファイア空気ポートを具備し、オーバーファイア空気がバーンアウトゾーンに流入するときに通過するオーバーファイア空気系統と、オーバーファイア空気系統と整列された出口を有し、窒素試薬のガス又は窒素試薬の、５０μ以下の平均直径を有する小滴を前記オーバーファイア空気の中へ噴射する窒素試薬噴射器とを具備する燃焼のための燃焼装置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】
ボイラの煙道ガス中のＮＯｘを減少させるために、気体状の又は小滴（直径５０μ未満）の形態をとる窒素含有試薬（「窒素剤」）は一次燃焼ゾーンの下流側で、ステージングされた燃焼空気、例えば、ＯＦＡ空気と共に導入される。ステージングされた燃焼の場合、燃焼を完了させるために要求される空気（オーバーファイア空気）の一部は、一次燃焼の煙道ガス生成物が約２，４００°Ｆ〜２，６００°Ｆまで冷却されている場所のような、一次燃焼プロセスの下流側の場所で噴射される。ガス又は水溶液の小滴（＜約５０μ）の形態をとる窒素剤はステージングされた空気と共に極めて高い温度の煙道ガスの中へ導入される。ステージングされた燃焼空気と窒素剤は２，０００°Ｆを超える煙道ガス温度まで急速に加熱される。
【００１０】
気体状の又は小滴の形態をとる窒素剤をバルク煙道ガス温度が最適のＳＮＣＲには高すぎるＯＦＡ噴射器の領域又はその付近の領域へ放出することにより、ＳＮＣＲによってＮＯｘ減少を実現できるという驚くべき発見がなされた。気体アンモニア、又は、例えば、約５０μ未満の平均直径を有する小滴から成る窒素剤は、ＯＦＡ空気がＮＯｘを含有する煙道ガスと混合する前に又はそれと同時にＯＦＡシステム内へ噴射される。窒素剤のガス又は小滴は急速に、例えば、約０．１〜０．３秒の時間のうちに窒素剤を放出させる。窒素の放出は、相対的に低温の窒素剤とオーバーファイア空気の混合物が煙道ガスによりＳＮＣＲに最適の温度範囲を経て、より高い温度まで加熱される間に起こる。窒素はこの最適温度範囲内に短時間、例えば、０．１〜０．３秒とどまっている。窒素剤をガス又は小滴として導入することにより、窒素剤は短時間の最適温度範囲の中で急速に放出される。この急速な放出は、窒素剤が最適温度範囲内にあるときに窒素剤が煙道ガス中のＮＯｘと接触することを保証する。加えて、放出は、オーバーファイア空気のジェットと煙道ガス流れとの間で強力な混合が起こるオーバーファイア空気噴射器出口に近接する場所で起こる。
【００１１】
窒素剤の小滴の大きさは、煙道ガス及びＯＦＡにおける平均小滴寿命が最適温度範囲の期間及び／又はオーバーファイア空気が燃焼煙道ガスと混合する期間とほぼ等しくなるように調整されるのが好ましい。一般に、オーバーファイア空気中に噴射される小滴の適切な初期平均サイズは直径約５０μ未満である。好ましい小滴サイズはオーバーファイア空気中に噴射されるときの小滴の大きさ、例えば、蒸発前の小滴の大きさである。平均小滴寿命は約０．１〜０．３秒未満であるのが好ましい。
【００１２】
図１は、石炭燃焼ボイラで使用されるような、本発明の方法に適合する燃焼システム１０の概略図である。燃焼システム１０は燃焼ゾーン１２と、再燃焼ゾーン１４と、バーンアウトゾーン１６とを含む。燃焼ゾーン１２は少なくとも１つ、好ましくは複数の主バーナ１８を具備し、それらのバーナには燃料入口２０を介して石炭などの主燃料が供給されると共に、空気入口２２を介して空気が供給される。主燃料は燃焼ゾーン１２で燃焼されて燃焼煙道ガス２４を形成し、燃焼煙道ガスは燃焼ゾーンから「下流方向」へバーンアウトゾーン１６に向かって流れる。
【００１３】
再燃焼ゾーンが存在しない場合、例えば、石炭などの全ての熱源は主バーナ１８を介して燃焼ゾーンへ噴射される。燃焼系統に再燃焼ゾーン１４が含まれている場合には、通常は総入力熱の約７０％〜９５％が主バーナ１８を介して供給され、残る５％〜３０％の熱は天然ガス、石炭又は油などの再燃焼燃料を再燃焼燃料入口２６を介して噴射することにより供給される。燃焼ゾーン及び再燃焼ゾーンの下流側で、オーバーファイア空気（ＯＦＡ）２８はオーバーファイア空気入口３０を介してＯＦＡバーンアウトゾーン１６へ噴射される。バーンアウトゾーンの下流側で、燃焼煙道ガス２４は一連の熱交換器３２と、煙道ガスからフライアッシュなどの固体粒子を除去する、電気集塵装置（ＥＳＰ）又はバグハウスなどの粒子制御装置（図示せず）とを通過する。
【００１４】
燃焼煙道ガス２４は、多様な従来の燃焼システムのうちのいずれかにおいて従来の燃料、例えば、石炭を燃焼させることにより形成される。バーンアウトゾーン１６は、燃焼システムの、燃焼ゾーンの下流側、すなわち、燃焼煙道ガスが流れる方向に見て下流側の領域にオーバーファイア空気２８を噴射することにより形成される。可燃性燃料を酸化するための燃焼ゾーンと、バーンアウトゾーンとを含む燃焼装置は、ＮＯｘ放出を減少させるための手段として窒素還元剤とオーバーファイア空気の混合物を受け取るように適合されることが可能である。例えば、燃焼ゾーン及びバーンアウトゾーンは発電装置、ボイラ、燃焼炉、電磁流体（ＭＨＤ）燃焼器、焼却炉、エンジン又は他の燃焼装置に設けられるであろう。
【００１５】
選択還元剤（窒素剤又はＮ剤）３４は、オーバーファイア空気２８がバーンアウトゾーン１６の中へ噴射される前に又はそれと同時にオーバーファイア空気の中へ噴射される。窒素剤は中心ノズル３６又は他の噴射システムを介してＯＦＡ空気流れの中心へ、例えば、煙道ガス流れに接続するＯＦＡ入口ポート３０の中心へ噴射されても良い。ＯＦＡポート３０はボイラの角部に複数の入口ポートを具備し、それらのポートはボイラ内の同じ高さにある。中心ノズル３６はＯＦＡの入口で窒素剤を煙道ガスに対して噴射するか、又は入口のかなり上流側の位置で、ＯＦＡが煙道ガスと混合するより相当に前の時点で噴射する。小滴を生成するために一般に使用されている従来の噴射システムを使用して、選択還元剤の水溶液をＯＦＡ空気の中へ噴射することができる。窒素剤は様々な噴霧器などの気液噴射器により噴射されることが可能である。適切な噴霧器としては、霧化剤として空気又は蒸気を使用する２流体噴霧器、並びに適切に設計された圧力噴霧器などがある。
【００１６】
窒素剤噴射システム３６は、調整可能である平均サイズで小滴を供給することができる。噴霧小滴の初期平均サイズ分布は実質的に単分散であっても良い。例えば、平均小滴サイズの約２分の１未満の小滴サイズ（すなわち、直径）を持つ小滴の量が約１０％未満であり、平均小滴サイズの約１．５倍を超える小滴サイズを有する小滴が約１０％未満という割合であっても良い。ＯＦＡへ噴射される小滴の平均サイズは、窒素剤からの小滴蒸発時間を最適にする小滴サイズを選択することにより判定されることが可能である。
【００１７】
窒素酸化物という用語と、ＮＯｘという用語は化学種である酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ２）を表すために互換性をもって使用される。Ｎ２Ｏ、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ４及びＮ２Ｏ５などの他の窒素の酸化物も知られているが、それらの種は静止燃焼源から大量には放出されない（燃焼システムによってはＮ２Ｏを除く）。窒素酸化物（ＮＯｘ）という用語は一般に全ての２成分（Ｎ‐Ｏ）化合物を包含するために使用されるが、特にＮＯ及びＮＯ２を表す。
【００１８】
選択還元剤及び窒素剤という用語は、燃焼システムにおいて酸素が存在するところでＮＯｘを選択的に還元することが可能である多様な化学種のうちのいずれかを表すために互換性をもって使用される。一般に、適切な選択還元剤は尿素、アンモニア、シアヌル酸、ヒドラジン、タノラミン、ビウレット、トリウレット、アメライド、有機酸のアンモニウム塩、無機酸のアンモニウム塩などを含む。アンモニウム塩還元剤の特定の例は硫酸アンモニウム、重硫酸アンモニウム、重亜硫酸アンモニウム、蟻酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウムなどを含む。それらの選択還元剤の混合物を使用することも可能である。選択還元剤は溶液、好ましくは水溶液、又はガスの形で供給されることが可能である。好ましい選択還元剤の１つは尿素の水溶液である。
【００１９】
オーバーファイア噴射システムと共に気体又は小滴ＳＮＣＲ噴射システムを配置することは一般に好都合であり、ボイラ又は燃焼炉の一次燃焼ゾーンに高温封じ込め空間が形成される事態を回避する。窒素剤を導入するためにオーバーファイア空気を使用することにより、ボイラ、燃焼炉又は他の燃焼システムの高温領域に噴射システムを設置するための費用や、運転停止時間を費やすことなく、窒素剤溶液の気体及び／又は小滴をＮＯｘ含有煙道ガスの中へ噴射し、その後、ＳＮＣＲのＮＯｘ還元に適する温度まで急速に加熱することが可能になる。
【００２０】
オーバーファイア空気中の選択還元剤の量と、処理されるべき煙道ガス中のＮＯｘの量との化学量論比は約０．４〜約１０、好ましくは約０．７〜約３である。化学量論比は選択還元剤中の窒素原子のモル数と、ＮＯｘ中の窒素原子のモル数との比である。
【００２１】
選択還元剤は最適化された滴の形をとる水溶液として供給されても良いし、あるいはオーバーファイア空気の中へ噴射されるガスとして供給されても良く、供給は再燃焼ゾーンへのオーバーファイアの噴射前に実行されても良いし、又はそれと同時に実行されても良く、あるいは噴射の前と噴射と同時の双方の時点で実行されても良い。窒素剤の溶液又はガスは再燃焼を伴わずに燃焼システムのＯＦＡへ噴射されても良い。窒素剤溶液は選択還元剤を何らかの適切な濃度、例えば、約５重量％〜約９０重量％の濃度で含有することができる。尿素の場合の好ましい濃度範囲は約１０重量％〜約５０重量％である。
【００２２】
窒素剤は、先に煙道ガス中へ再燃焼燃料を噴射せずにＯＦＡと共に噴射されることが可能である。更に、Ｎ剤はＯＦＡと同じ目的を果たすことができる再循環煙道ガスと共に噴射されることも可能である。例えば、酸素又は空気で濃縮された再循環煙道ガスをＮ剤と共に同じ噴射器又は別個の噴射器を介して噴射することができる。
【００２３】
図２は、ＯＦＡ及び煙道ガスにおける窒素剤の滞留時間とガス温度の関係を示すグラフ５０である。５０μ未満の大きさの小滴を有する窒素剤に対する平均ＯＦＡ温度のグラフ５２により表されるように、窒素剤とＯＦＡ空気の混合物がＯＦＡポート３０から煙道ガスに侵入するにつれて、混合物の温度は約０．４秒の間に約６００°Ｆから２，５００°Ｆまで上昇する。オーバーファイア空気、窒素剤及び煙道ガスが混合するにつれて、窒素剤はＳＮＣＲに最適な温度期間５４、例えば、１，６００°Ｆ〜２，０００°Ｆの範囲を経て加熱される。この温度期間は短く、たとえば、約０．１秒又は０．２秒である。
【００２４】
最適のＳＮＣＲの短い温度期間５４の間に、気体状の窒素剤又は直径の小さな窒素剤は煙道ガスの中のＮＯｘの量の大部分を還元する。窒素剤が最適温度期間を経て加熱されるのと同時に、ＯＦＡと煙道ガスが強く混合されると、ＮＯｘの還元は更に促進される。強力な混合と急速なＯＦＡ加熱は、一般に、オーバーファイア空気がＯＦＡ入口ポート３０から煙道ガスに侵入するときに起こる。従って、ＳＮＣＲによるＮＯｘの還元は、オーバーファイア空気が侵入し、煙道ガスと混合するときに起こる。更に、ＯＦＡ入口ポートの位置又はその付近にあり且つ／又はオーバーファイア空気流れの中心と整列されたノズル３６を介して窒素剤を噴射することは、煙道ガス中のＮＯｘの還元を促進するように思われる。窒素剤を遮蔽するＯＦＡ空気は、遮蔽がなければＳＮＣＲの化学作用を妨害すると考えられる残留一酸化炭素（ＣＯ）とまず反応する。
【００２５】
窒素剤とＯＦＡは煙道ガスにより最適ＳＮＣＲ期間５４を超える温度まで急速に加熱される（グラフ５５を参照）。煙道ガス中のＮＯｘの大部分は、ＯＦＡ及び残留窒素剤が最適ＳＮＣＲには高すぎる２，５００°Ｆの煙道ガス温度まで加熱された時点で既に還元されている（ＯＦＡのグラフ５２が煙道ガスのグラフ５５と合わさる箇所を参照）。煙道ガス５５が２，０００°Ｆ以下に冷却する間に、煙道ガスは燃焼システム、例えば、ボイラのノーズプレーン５６を越えて、ボイラから流出する煙道ガスを受け入れる過飽和蒸気（ＳＳＨ）装置５８及び蒸気再加熱（ＲＨ）装置６０まで流れる。
【００２６】
実物大ボイラで見られる煙道ガス温度及び煙道ガス組成の正確なサブスケールシミュレーションを実行する１．０ＭＭＢＴＵ／ｈｒボイラシミュレータ設備（ＢＳＦ）において、オーバーファイア空気への気体アンモニアの噴射に伴うＮＯｘ性能の試験を実施した。ＢＳＦは米国特許第６，２８０，６９５号に記載されている。この試験に際して、ＢＳＦは天然ガスで燃焼された。特別に設計されたオーバーファイア空気噴射器を特定の煙道ガス温度に置いた。噴射器は１．８７５インチの内径（ＩＤ）を有する軸方向窒素キャリア管と、それを取り囲む、０．２５インチのＩＤを有する環状オーバーファイア空気管とから構成されていた。ＮＯｘの放出を減少させるために、窒素キャリア又はオーバーファイア流れのいずれかにアンモニアを添加した。噴射器はＢＳＦ中心線と整列され、下向きであった（すなわち、煙道ガスと同じ流れ方向であった）。
【００２７】
試験における一次炎化学量論比（ＳＲ１）は１．０及び１．０５であった。最終ＳＲ（ＳＲ３）を煙道ガスにおける約３％の過剰Ｏ２に対応する１．２０に一定に維持するために、十分なＯＦＡを噴射した。それらの条件は基線として定義された。基線条件におけるＢＳＦバーナシステムは、１．０と１．５にそれぞれ等しいＳＲ１で０％Ｏ２のときに１８５ｐｐｍと２０５ｐｐｍの制御初期ＮＯｘレベルを発生した。ＳＲ１は一次燃焼ゾーン１２における空気と燃料の化学量論比であり、ＳＲ２は再燃焼ゾーン１４における同じ比であり、ＳＲ３はバーンアウトゾーン１６における化学量論比である。ＯＦＡは２，４５０°Ｆと２，３５０°Ｆの煙道ガス温度で噴射された。気体アンモニアは１．５の濃度比（ＮＳＲ）で噴射された。濃度比（ＮＳＲ）はアンモニア中の窒素原子のモル数と、ＮＯｘ中の窒素原子のモル数との比である。
【００２８】
図３から図６のグラフに示される基線、キャリアＮＨ３及びＯＦＡＮＨ３のＮＯｘ放出レベルは、ベースラインの棒が窒素剤なしで実施された試験に関し、キャリアＮＨ３の棒は窒素剤ガス（ＮＨ３）をキャリアとしての窒素と共に、それらが煙道ガスに侵入するときにオーバーファイア空気の中心へ窒素剤を放出するセンターパイプ噴射器に沿って噴射した場合に関し、ＯＦＡＮＨ３の棒は窒素剤とオーバーファイア空気が共に煙道ガスと混合する前に窒素剤ガスをオーバーファイア空気と共に噴射した場合に関するという点を除いて、ＢＳＦにおいて同様の条件の下で実施された試験に関する。
【００２９】
図３から図６は、ＯＦＡポートを介して気体アンモニアを噴射することがＮＯｘ放出に及ぼす効果を示す。図３に示されるＳＲ１＝１．０で収集された試験データの棒グラフを図４に示されるＳＲ１＝１．０５で収集されたデータのグラフと比較することによりわかるように、ＳＲ１が１．０５に等しいときより、ＳＲ１が１．０に等しいときのほうが基線ＮＯｘ濃度は低い。図５及び図６に関しても同様の比較が行われる。試験結果は、ＯＦＡへ気体アンモニア（ＮＨ３）を噴射することにより、オーバーファイア空気噴射の時点の煙道ガス温度及び主バーナの化学量論比（ＳＲ１）に応じて、ＮＯｘは２０％〜４５％減少することを実証している。オーバーファイア空気が噴射される煙道ガス温度が低いほど、良い性能が実現されていた。キャリアとして窒素ガスを使用してＯＦＡポートの中心を介してＮＨ３を噴射した場合、ＯＦＡ流れが煙道ガスと混合する前にアンモニア（ＮＨ３）をオーバーファイア空気の流れの中へ噴射した場合よりわずかに良好なＮＯｘ減少が見られた。
【００３０】
ＳＮＣＲ性能を予測するために、コンピュータによる流体力学（ＣＦＤ）解析を実行した。ＣＦＤモデルは連続性、運動量、エネルギー及び種に関する輸送方程式を解いた。乱流、放射、離散的位相軌道及び燃焼を解決するために、適切なモデルを適用した。ＣＦＤ研究のために、様々に異なる動作条件で窒素試薬をオーバーファイア空気噴射器内へ噴射して、１６０ＭＷタンジェンシャル燃焼ボイラを評価した。窒素試薬噴射プロセスをシミュレートする前に、基線現場試験データ及び全負荷動作条件におけるインハウス熱モデルからの平均温度プロファイルを使用してＣＦＤモデルを認証した。モデルの噴射器領域内への煙道ガス流れのプロファイルは試験結果をモデリングした物理的流れからのプロファイルに基づいていた。
【００３１】
試薬小滴の大きさ、ＯＦＡ噴射器のすぐ下方のガス温度により反映される燃焼速度、ＯＦＡ噴射器の下方のＣＯ濃度、及び試薬窒素と基線ＮＯｘ窒素との化学量論比（ＮＳＲ）がＳＮＣＲのＮＯｘトリム性能に及ぼす影響を調査するために、様々な動作条件でＣＦＤモデルを動作させた。この場合、ＮＯｘトリムとは純粋なオーバーファイア空気条件に対するＮＯｘ減少を超えるＮＯｘ減少を意味する。
【００３２】
図７及び図８は、様々に異なるボイラプロセス条件におけるＣＦＤモデルからの予測ＮＯｘトリム（放出減少）性能を示す。ＮＯｘ減少プロセスはＯＦＡ噴射ポートの煙道ガス温度が約２５００°Ｆ未満であり、ＣＯ濃度が０であるときに最も有効である。煙道ガス温度（ＯＦＡポートにおける温度）が２，５００°Ｆ未満であり且つＣＯ濃度が２００ｐｐｍｖ以下であるとき、窒素剤小滴の大きさが小さくなるにつれてＮＯｘトリムは増加し（ＮＯｘ放出の減少が起こる）、これは煙道ガス／ＯＦＡ混合ゾーン（例えば、バーンアウトゾーン１６）においてＯＦＡ噴射器の付近で放出される窒素試薬がＮＯｘを減少させるのに有効であることを示している。
【００３３】
パイロットスケールの実験及びＣＦＤ実験の結果は、共に、小滴（約５０〜６０μ未満の平均直径を有する）をオーバーファイア空気中へ噴射することにより、煙道ガス／オーバーファイア空気混合領域で試薬が放出されるため、約５０μを超える大きさの小滴と比較してＮＯｘトリムが改善されることを示している。
【００３４】
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、本発明は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】
【００３５】
【図１】オーバーファイア空気ポートに窒素剤噴射器を有する燃焼システムの概略側面図。
【図２】燃焼煙道ガスの温度と時間の関係を表すグラフ。
【図３】様々に異なる化学量論比及び様々に異なる煙道ガス温度における気体状窒素剤（ＮＨ３）の噴射によるＮＯｘ放出レベルへの影響を示すグラフ。
【図４】様々に異なる化学量論比及び様々に異なる煙道ガス温度における気体状窒素剤（ＮＨ３）の噴射によるＮＯｘ放出レベルへの影響を示すグラフ。
【図５】様々に異なる化学量論比及び様々に異なる煙道ガス温度における気体状窒素剤（ＮＨ３）の噴射によるＮＯｘ放出レベルへの影響を示すグラフ。
【図６】様々に異なる化学量論比及び様々に異なる煙道ガス温度における気体状窒素剤（ＮＨ３）の噴射によるＮＯｘ放出レベルへの影響を示すグラフ。
【図７】様々な窒素剤小滴の大きさ、煙道ガス温度及び他のボイラ動作パラメータに対するＮＯｘ放出減少のコンピュータ生成予測を示す表。
【図８】様々な窒素剤小滴の大きさ及び煙道ガス温度に対するＮＯｘ放出減少のコンピュータ生成予測を表すグラフ。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃焼システム、１２…燃焼ゾーン、１４…再燃焼ゾーン、１６…バーンアウトゾーン、１８…主バーナ、２０…燃料入口、２２…空気入口、２４…燃焼煙道ガス、２６…再燃焼燃料入口、２８…オーバーファイア空気（ＯＦＡ）、３０…オーバーファイア空気入口、３２…熱交換器、３４…選択還元剤、３６…中心ノズル（窒素剤噴射システム）
【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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【外国語明細書】
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