(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭を粉砕した微粉炭を空気によりバーナへ搬送し、更に燃焼用の空気を前記バーナに供給し、前記バーナで前記微粉炭を前記空気により燃焼させて発生させた燃焼ガスを伝熱管に接触させ、前記伝熱管内部を通過する水或いは蒸気を加熱し、前記微粉炭の燃焼時の発熱を回収するボイラの燃焼方法において、前記微粉炭を前記バーナに搬送する空気にジメチルエーテルを添加し、前記ジメチルエーテルの分解により生成する活性中間体により、前記微粉炭の縮合芳香族化合物を酸化したことを特徴とするボイラの燃焼方法。
【請求項２】
石炭を粉砕した微粉炭を空気によりバーナへ搬送し、更に燃焼用の空気を前記バーナに供給し、前記バーナで前記微粉炭を前記空気により燃焼させて発生させた燃焼ガスを伝熱管に接触させ、前記伝熱管内部を通過する水或いは蒸気を加熱し、前記微粉炭の燃焼時の発熱を回収するボイラの燃焼方法において、前記微粉炭を前記バーナに搬送する空気にジメチルエーテルを添加し、前記ジメチルエーテルの分解により生成する活性中間体により、前記微粉炭のＮＯをＮＯ２に酸化したことを特徴とするボイラの燃焼方法。
【請求項３】
石炭を微粉砕した微粉炭を空気によりバーナへ搬送し、更に燃焼用の空気を前記バーナに供給し、前記バーナで前記微粉炭を前記空気により燃焼させて発生させた燃焼ガスを伝熱管に接触させ、前記伝熱管内部を通過する水或いは蒸気を加熱し、前記微粉炭の燃焼時の発熱を回収するボイラの燃焼方法において、前記微粉炭の燃料比に応じて、前記微粉炭を前記バーナに搬送する空気に添加するジメチルエーテルの添加量を制御したことを特徴とするボイラの燃焼方法。
【請求項４】
石炭を粉砕した微粉炭を空気によりバーナに供給し、前記バーナからの空気により微粉炭を燃焼させて生成させた燃焼ガスを伝熱管に接触させ、前記伝熱管内部を通過する水或いは蒸気を加熱し、前記微粉炭の燃焼時の発熱を回収するボイラの燃焼方法において、前記ボイラからの排ガス中のＮＯｘ濃度を測定し、前記ＮＯｘ濃度に応じて、前記微粉炭の燃焼時の前記バーナに搬送する空気に添加するジメチルエーテルの添加量を制御したことを特徴とするボイラの燃焼方法。
【請求項５】
石炭を粉砕して微粉炭にする粉砕装置と、空気をボイラへ供給する通風装置と、前記通風装置からの空気の一部を用いて前記微粉炭をバーナへ供給する石炭供給装置と、前記微粉炭と前記空気を燃焼させるバーナと、前記バーナにより前記微粉炭の燃焼時に生成する燃焼ガスと水或いは蒸気を間接的に接触させる伝熱管とを有するボイラ装置において、前記バーナに搬送する空気に添加するジメチルエーテルを貯蔵する貯蔵設備と、前記ジメチルエーテルを石炭搬送空気と混合する混合器とを有することをボイラの燃焼装置。
【請求項６】
石炭を粉砕して微粉炭にする粉砕装置と、空気をボイラへ供給する通風装置と、前記通風装置からの空気の一部を用いて前記微粉炭をバーナへ供給する石炭供給装置と、前記微粉炭と前記空気を燃焼させるバーナと、前記バーナにより前記微粉炭の燃焼時に生成する燃焼ガスと水或いは蒸気を間接的に接触させる伝熱管とを有するボイラ装置において、前記微粉炭を前記バーナに搬送する空気に添加するジメチルエーテルを貯蔵する貯蔵設備と、前記ジメチルエーテルを石炭搬送空気と混合する混合器と、前記貯蔵設備から前記混合器への配管に設けた前記ジメチルエーテルの供給量を増減する制御弁とを備え、前記微粉炭の性状及びボイラの運転状態に応じて前記制御弁を制御する制御装置を設置したことを特徴とするボイラの燃焼装置。
【請求項７】
石炭を粉砕して微粉炭にする粉砕装置と、空気をボイラへ供給する通風装置と、前記通風装置からの空気の一部を用いて前記微粉炭をバーナへ供給する石炭供給装置と、前記微粉炭と前記空気を燃焼させるバーナと、前記バーナにより前記微粉炭の燃焼時に生成する燃焼ガスと水或いは蒸気を間接的に接触させる伝熱管とを有するボイラ装置において、前記バーナに搬送する空気に添加するジメチルエーテルを貯蔵する貯蔵設備と、前記ジメチルエーテルを石炭搬送空気と混合する混合器と、前記貯蔵設備から前記混合器への配管に設けた前記ジメチルエーテルの供給量を増減する制御弁と、前記ボイラからの排ガス中のＮＯｘ濃度を測定する計測器を備え、前記ＮＯｘ濃度の測定値、前記ＮＯｘ濃度の制限値、前記微粉炭の性状及びボイラの運転状態に応じて前記微粉炭を前記バーナに搬送する空気に添加するジメチルエーテルの添加量を計算し、所定の添加量となるように制御弁を制御する制御装置を設置したことを特徴とするボイラの燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭を燃料とする石炭ボイラ装置において、石炭の燃焼により排出される排ガス中の有害成分、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する方法に係わり、更には石炭の着火特性を改善して、ボイラの小型化、及び回収される灰中に含まれる未燃分を低減する方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術による石炭の燃焼熱を蒸気として回収する方法を図９および図１０に示す。図９はＮＯｘのＮ2への還元に専用の脱硝装置を用いる方式であり、図１０はボイラにおいてＮＯｘをＮ2に還元する方式である。
【０００３】
粗粉砕した石炭２は石炭貯蔵ホッパ１２に貯蔵し、ロータリーバルブ１３により石炭粉砕装置１４に供給する。供給量はロータリーバルブ１３の回転数により制御する。石炭は石炭粉砕装置で１００μｍ以下に粉砕され微粉炭になる。
【０００４】
微粉砕した石炭２は、押込み通風装置６１からの空気３により石炭ボイラ装置３０の石炭バーナ３１へ搬送する。この搬送空気量は石炭重量の約１０％である。石炭バーナ３１では、石炭と搬送空気、及び押込み通風装置６１からの空気３を接触させ、石炭を燃焼させる。
【０００５】
現状では着火性のよい瀝青炭を燃料としているが、今後石炭の需給が逼迫するようになると、炭化が進み着火性の悪い無煙炭まで幅広い性状の石炭の利用が望まれる。従来の方法において、無煙炭を燃焼させる場合には、瀝青炭用の燃焼設備と比較して十分な燃焼時間を確保する必要がある。
【０００６】
燃焼装置において生成するＮＯｘは排出されることにより大気中に蓄積されると、雨水中に溶解して酸性雨を引き起こし、更には光化学スモッグを発生させる原因物質であり、その低減が緊急の課題となっている。発電用ボイラは発生するガス量が多く、排出されるＮＯｘの総量が多くなるため、排出レベルの低減は重要な課題である。
【０００７】
ＮＯｘ低減のための方策は大別すると、燃焼ゾーンでの発生を抑制する処理法と、燃焼排ガスから除去する方法に分けられる。燃焼排ガス中から除去する方法としては、接触還元法がある。図９はアンモニア８を還元剤として燃焼排ガスに添加し、脱硝装置５２を通してＮＯｘを窒素（Ｎ2）に還元する方法を示している。この方法ではＮＨ3の貯蔵，保管設備及び触媒反応器がコストアップの要因となる。
【０００８】
これに対して、触媒反応器を使用しない方法がある。この方法を図１０に示した。この方法は無触媒法と呼ばれ、高温の燃焼排ガス中にペルオキシル開始物質９などの還元剤を注入し、高温条件でＮＯｘを還元する。例えば、特開平１０−５７７５５号公報及び特開平１０−２１１４１７号公報では燃焼により生成したＮＯｘを還元するために、煙道内における特定の温度範囲の部位に、還元剤である含窒素化合物（ＮＨｉ  前駆体）と、ＮＯの酸化剤である含酸素有機化合物（ペルオキシル開始剤物質）を添加することが開示されている。
【０００９】
この方法は、ペルオキシル開始物質を、ボイラの７６０℃以上の領域である帯域Ａ３４と、７６０℃以下の領域である帯域Ｂ３５に供給することで、ＮＯｘをＮ2に還元し、排ガス中のＮＯｘを低減する方式である。この方式では、石炭が燃焼し、ガス量が増加した後に還元物質を供給するので、低ＮＯｘ化の大きな効果を得るためには、還元物質の供給量が多量となり、運用コストが増大する問題があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
石炭は石油に比べて可採年数が長く、国内においても主要エネルギー源として位置付けは、今後も変わらないものと予想される。現状では国内においては、海外から輸入される高品位の瀝青炭が主として利用されている。しかし、今後石炭の需給が逼迫するようになると、褐炭等の低品位炭から、炭化の進んだ無煙炭まで幅広い性状の石炭の利用が望まれる。
【００１１】
本発明の第一の課題は、バーナ部において石炭への着火を促進し、石炭の燃焼特性を改善し、燃焼設備の大きな改造を実施することなく、炭化の進んだ石炭を効率的に燃焼させることである。
【００１２】
本発明の第二の課題は、燃焼過程から排出される排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を、低コストで低減するための方法及び装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第一の課題を解決するための手段として、微粉炭をバーナに搬送する空気に含酸素有機化合物を添加し、含酸素有機化合物の分解により生成する活性中間体により、微粉炭の縮合芳香族化合物を酸化することにある。
【００１４】
第二の課題を解決するための手段として、微粉炭をバーナに搬送する空気に含酸素有機化合物を添加し、含酸素有機化合物の分解により生成する活性中間体により、ボイラ内のＮＯをＮＯ2に酸化することにある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
(第一の課題を解決するための手段)
即ち、本発明の第一の課題である燃焼特性を改善するための手段を示す。石炭は古生代から新生代にかけて地中に埋没した樹木等の植物が、高温、高圧の条件下で変成作用を受け、脱水素、脱酸素等を伴いながら縮合し、炭化したものである。変成作用を受ける時間が長いほど、変成条件が厳しいほど炭化が進み、グラファイト類似構造が成長する。従って、炭化の進んだ石炭ほど構造の乱れが少なく、酸化即ち、燃焼に対する反応性は低下する。
【００１６】
炭化の進行度合いは一般的には燃料比で評価することができる。燃料比は、石炭中の固定炭素と揮発分の重量の比で定義される。燃料比が高いということは揮発分に対して固定炭素の量が多いことを表し、脱水素が進行して芳香族環の縮合数が大きくなり、炭化が進んでいることを表す。現状の一般的な仕様の微粉炭ボイラは、燃料比が０．５〜２程度の比較的揮発分の多い瀝青炭クラスの石炭を標準炭として設計されている。
【００１７】
しかし、このような瀝青炭クラスの石炭の需給は今後逼迫するおそれがあり、今後も継続的に石炭の利用を進めるためには、燃料比の低い褐炭クラスの石炭或いは燃料比の高い無煙炭クラスの石炭の燃料としての利用が必要になる。
【００１８】
炭化の進んだ石炭では縮合芳香族環が発達しているため、酸化反応に対する活性が低く、微粉炭を燃焼させるには、燃焼ゾーンにおける微粉炭粒子の滞留時間を長くする必要がある。具体的には、例えば、同じ石炭処理量に対して燃焼装置の大きさを大きくする必要がある。このような大幅な改造を避けるための一つの方策として、炭化の進んだ石炭の着火を促進する助剤を石炭に混合して燃焼させる方法が考えられる。そこで着火過程の機構について検討した。
【００１９】
基本的に着火過程では、ラジカル連鎖反応が進行するのに十分な反応物の量或いは温度条件が達成されている。温度条件に関しては、燃焼装置構造の影響を強く受けるため、装置の改造が必須である。これに対して、反応物の量を増やす点に関しては、燃料である炭化の進んだ石炭からの供給が不充分であれば、酸化活性の高い物質を別途供給することになる。即ち着火促進剤の添加である。
【００２０】
しかし、酸化活性の高い物質として、広く知られている酸化剤の類を燃料と混合して供給すると爆発の可能性があり、危険である。望ましくは適当な高温条件下において、酸化活性が出現するような物質が利用できれば良い。
【００２１】
本発明者らは、各種の有機化合物の燃焼過程における熱分解挙動を詳細に調べ、含酸素有機化合物において活性なラジカル種生成過程が、着火促進作用を出現させることを見出し、本発明に至った。以下に発明に至った二つの実験結果を詳細に示す。
【００２２】
まず、第一の実験例を示す。この実験は図２に示す小型試験装置により、石炭の燃焼率に及ぼす含酸素有機化合物の影響を評価したものである。この試験装置は、内径５０ｍｍ、長さ１２００ｍｍの管型反応器１１０内にバーナ１１１を挿入し、管型反応器１１０を電気炉１１６により外部から加熱する方式である。燃焼ガスは冷却器１１２により冷却した後、灰分を集塵器１１３により捕集し、ガス組成をガス分析計１１４により分析する構成となっている。
【表１】
0003986831.tif 000002
表１に示す石炭のうち、無煙炭（Ｃ炭）を１００μｍ以下に粉砕して、石炭供給器１０３により２４０ｇ／ｈの一定速度で、バーナ１１１を通して管型反応器１１０に供給した。燃焼用空気１０２は９６０リットル／ｈ、ジメチルエーテル１０１は２０リットル／ｈの一定速度でそれぞれ供給し、混合して微粉炭を搬送する形で管型反応器１１０に供給した。管型反応器内は管壁温度が１４００℃となるように調整した。
【００２３】
各石炭について試験開始から２時間後の時点から４時間まで、集塵器１１３に捕集された灰分を採取し、灰中の未燃分の量を分析したところ、表２に示す本発明の結果が得られた。
【表２】
0003986831.tif 000003
次に第二の実験例を示す。第一の実験例と同じく、図２に示す小型試験装置により、石炭の燃焼率に及ぼす含酸素有機化合物の影響を評価した。
【００２４】
表１に示す石炭のうち、無煙炭（Ｃ炭）を１００μｍ以下に粉砕して、石炭供給器１０３により２４０ｇ／ｈの一定速度で、バーナ１１１を通して管型反応器１１０に供給した。燃焼用空気１０２は９６０リットル／ｈの一定速度で供給し、微粉炭を搬送する形で管型反応器１１０に供給した。管型反応器内は管壁温度が１４００℃となるように調整した。第二の実験例では第一の実験例とは異なりジメチルエーテルを使用していない。
【００２５】
各石炭について試験開始から２時間後の時点から４時間まで、集塵器１１３に捕集された灰分を採取し、灰中の未燃分の量を分析したところ、表２に示す従来例の結果が得られた。
【００２６】
表２の結果から明らかなように、本発明よれば、ジメチルエーテルを添加することで、灰中の未燃分の量を従来例に比べておよそ１／３に低減することができ、本発明の微粉炭は従来例に比べて完全燃焼し、灰中の未燃分が少なくなり、燃焼効率を改善することができた。
【００２７】
以上で示した二つの実験結果から、以下に示す機構が明らかになった。即ち、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）は酸化力を持つラジカル種であり、通常は酸素（Ｏ2）が活性化され、有機化合物から水素を引抜いて生成する。例えば、メタン（ＣＨ4）は（１）式によりヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）とメチルラジカル（ＣＨ3）を生成する。
【００２８】
ＣＨ4＋Ｏ2→ＣＨ3＋ＨＯＯ・      （１）
（１）式により生成したヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）は、連鎖的に水素引き抜き「（２）式」或いは酸素付加「（３）式」を経て酸化反応が進行する。
【００２９】
ＲＨ＋ＨＯＯ・→Ｒ・＋２・ＯＨ      （２）
ＲＨ＋ＨＯＯ・→ＲＯＨ＋・ＯＨ      （３）
（１）式の反応において、酸素（Ｏ2）を活性化するには通常高温条件を出現させる必要がある。アルコール、エーテル、ケトン等の含酸素有機化合物は、メタン等の脂肪族炭化水素に比べてより低温で、（１）式の反応によりヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）を生成する。即ち、これら含酸素有機化合物を微粉炭の搬送空気中に混合すると、微粉炭搬送時の温度条件ではラジカル生成に至らず、燃焼場に投入され輻射による加熱を受けると、炭化水素類に比べてより早く分解してラジカルを生成し、燃焼反応を開始するので、着火促進剤として適した性状を持つ。
【００３０】
石炭と共に含酸素有機化合物は燃焼過程において分解し、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）等の酸化力を持つ中間生成物つまり活性中間体を生成する。例えば、ジメチルエーテル（ＣＨ3ＯＣＨ3）は（４）式によりヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）とアルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）を生成する。
【００３１】
ＣＨ3ＯＣＨ3＋Ｏ2→ＣＨ3ＯＣＨ2・＋ＨＯＯ・      （４）
この両者のラジカルは炭化の進んだ石炭中の構造を酸化し、燃焼が開始される。
【００３２】
本発明によれば、含酸素有機化合物の添加により、より早い時間で燃焼が開始され、燃焼の完結までに要する時間が短縮されるため、燃焼装置の大幅な改造を伴うことなく、炭化の進んだ石炭の燃焼が可能となる。
【００３３】
また炭化の進行度、具体的には燃料比に応じて含酸素有機化合物の添加量を調整して、燃焼率、具体的には灰中未燃分の量を所定の値に制御することができる。即ち、燃料比の高い石炭では、燃料比の低い石炭に比べて含酸素有機化合物の添加量を増やす。尚、最適な含酸素有機化合物の添加量は、灰中未燃分の量は燃料比だけでなく、空気比、或いは燃焼装置の構造によっても変動するため、含酸素有機化合物の添加量は、各装置ごとに設定する。
【００３４】
(第二の課題を解決するための手段)
次に、本発明の第二の課題であるＮＯｘ低減の手段を示す。燃料中にＮ分を含まない他の燃料を利用する燃焼手段では、ＮＯｘの生成は基本的にはサーマル(Ｔｈｅｒｍａｌ)  ＮＯｘと呼ばれる、空気中のＮ分の高温での酸化に起因する部分が主体である。これに比べて、石炭を燃料とする燃焼手段では、燃料中に含まれるＮ分の分解によるＮＯｘの生成の寄与があり、排出されるＮＯｘの量は多くなる。このため、石炭を燃料とする燃焼手段においては、排ガス中のＮＯｘ低減に関しては特別の工夫が必要となる。
【００３５】
石炭を燃料とする燃焼手段としては、コークス製造設備、高炉等の製鉄関連設備、及び石炭ガス化を含めた発電設備が主なものである。このうち製鉄関連設備では、基本的に還元的条件下で石炭の燃焼が進むため、ＮＯｘの排出に対するポテンシャルは小さい。石炭をガス化して合成ガス（ＣＯとＨ2を含む）を得る方法でも、基本的に還元的条件下で石炭の燃焼が進むため、ＮＯｘの排出に対するポテンシャルは小さい。
【００３６】
これに対して、石炭を燃焼させる発電設備では完全燃焼が必須であり、空気を石炭に対して過剰に供給して燃焼させるためＮＯｘ生成のポテンシャルは大きい。石炭を燃焼させる方式としては、固体である石炭の供給方式として、微粉砕した石炭を気流搬送により燃焼装置に供給する石炭ボイラ装置が主流となっている。
【００３７】
微粉炭ボイラでは火炎内脱硝法により、排出される排ガス中のＮＯｘの濃度を低減する方法が採用されている。図３を例にとり、火炎内脱硝法の概要について述べる。図３における燃焼用空気は３段に分割してバーナに供給される。第一段は石炭を気流搬送するための搬送空気７１として、微粉炭管７６を通ってバーナの中心軸に沿って中央部から微粉炭とともに供給される。その量は石炭の理論空気量よりも少なく設定する。残りの空気は二次空気７２、三次空気７３として火炎の外周に旋回流発生器７５を通して旋回をかけて供給する。
【００３８】
火炉７７内に吹き込まれた石炭は、火炎からの輻射を受けて加熱され、揮発分を放出しながら粒子温度が上昇する。放出された揮発分は酸化を受け、更に粒子温度が上昇して石炭粒子に着火し、中心軸上に火炎が形成される。石炭とともに供給された一次空気は理論空気量よりも少ないため、火炎内は還元条件となり還元雰囲気８２が形成される。還元雰囲気内では燃焼ガス中には未燃分が残存することになる。二次空気及び三次空気は旋回をかけることにより、石炭を搬送する空気（一次空気）との混合は抑制されるため、火炎内に生成した還元雰囲気の消失は抑制される。
【００３９】
還元雰囲気８２では酸素が不足するため、還元力を持つＨＣＮ，Ｏ等が生成する。同時に窒素化合物における熱分解及び空気中の窒素の酸化により生成したＮＯｘは、還元域において還元力を持つＨＣＮ，Ｏ等により窒素（Ｎ2）へと還元される。これにより火炉７７内で生成するＮＯｘの量は低減される。
【００４０】
二次空気及び三次空気が供給される還元雰囲気の外周には酸化雰囲気８３が形成され、還元雰囲気を通過したガス中の未燃分はこの領域で二次空気及び三次空気により完全酸化され、燃焼反応は完結する。更に必要があれば、アフタエアを供給する。
【００４１】
一方、燃焼排ガス中に含まれて火炉から排出されるＮＯｘの除去に関しては、接触分解法、湿式吸収法、吸着法、接触還元法、等の方法が利用されている。接触分解法は触媒を用いてＮＯｘをＮ2に分解する方式であるが、触媒活性が不充分であり実用化には至っていない。湿式吸収法及び吸着法は、ＮＯｘをアルカリ等の吸収液に吸収させるか、活性炭等に吸着させて排ガス中から除去しようとするものであり、或いは吸収液及び吸着剤の再生あるいは処理に大きなコストがかかる。
【００４２】
接触還元法には、排ガス中における共存の有無によるＮＯｘ還元能力の違いにより、非選択的接触還元法（ＮＳＣＲ法：Ｎｏｎ−Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）、選択的接触還元法（ＳＣＲ法：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ法）に分けられる。非選択的接触還元法では、還元剤として水素、一酸化炭素、或いは炭化水素類が使用されるが、酸素が共存する場合にＮＯｘの還元は阻害されるため、広範な利用には至っていない。
【００４３】
これに対して、選択的接触還元法は還元剤としてはアンモニアを利用し、酸素が共存してもＮＯｘの還元は阻害されないため広く普及し、標準的な排ガス脱硝法としての地位を確立している。触媒としては、二酸化チタン（ＴｉＯ2）を担体とし、これに例えば、モリブデン、バナジウム、タングステン等の酸化物を担持したものが利用される。
【００４４】
一方、排ガス中の未燃分を還元剤として利用する選択的接触還元法の開発も進められている。例えばゼオライト系の触媒により酸素共存化で炭化水素によりＮＯｘを還元できる。炭化水素系還元剤の中でも、含酸素有機化合物は酸素共存下でのＮＯｘの還元に対して、オレフィン類あるいはパラフィン類に比べて高活性である。
【００４５】
発明者らは、選択的接触還元法における含酸素有機化合物の特異性に着目し、燃焼過程における含酸素有機化合物の挙動を詳細に調べ、ＮＯとの特異的な反応を見出し、本発明に至った。以下に発明に至った二つの実験結果を詳細に示す。
【００４６】
第一の実験例は図２に示す小型試験装置により、ＮＯｘ排出挙動に及ぼす含酸素有機化合物の影響を評価したものである。この試験装置の構成は、既に述べたとおりである。
【００４７】
上記表１に示す石炭のうち、Ａ炭，Ｂ炭の２種の瀝青炭を１００μｍ以下に粉砕して、石炭供給器１０３により２４０ｇ／ｈの一定速度で、バーナを通して管型反応器に供給した。燃料用空気１０２は９６０リットル／ｈ、ジメチルエーテル１０１は２０リットル／ｈの一定速度でそれぞれ供給し、混合して微粉炭を搬送する形で管型反応器に供給した。管型反応器内の温度は１２００℃となるように調整した。
【００４８】
各石炭について試験開始から２時間後の時点で燃焼排ガスをガス分析計１１４に分岐してガス分析したところ、ガス中のＮＯ及びＮＯ2の濃度として表３に示す本発明の結果が得られた。
【表３】
0003986831.tif 000004
第二の実験例は、実験例一と同じく、図２に示す小型試験装置により、ＮＯｘ排出挙動に及ぼす含酸素有機化合物の影響を評価したものである。
【００４９】
表１に示す石炭のうち、Ａ，Ｂの２種の瀝青炭を１００μｍ以下に粉砕して、石炭供給器１０３により２４０ｇ／ｈの一定速度で、バーナ１１１を通して管型反応器１１０に供給した。燃焼用空気１０２は９６０リットル／ｈの一定速度で供給し、微粉炭を搬送する形で管型反応器に供給した。管型反応器内は管壁温度が１２００℃となるように調整した。第二の実験例では第一の実験例とは異なりジメチルエーテルを使用していない。
【００５０】
各石炭について試験開始から２時間後の時点で燃焼排ガスをガス分析計１１４に分岐してガス分析したところ、ガス中のＮＯ及びＮＯ2の濃度として表３に示す従来例の結果が得られた。
【００５１】
表３の結果によれば、本発明ではジメチルエーテルを添加することで、ＮＯ及びＮＯ2を従来例に比べて約１・７倍及び３〜２倍に減少することができた。
【００５２】
以上で示した二つの実験結果から、ＮＯｘ低減には、石炭ボイラにおいて気流搬送用空気のラインに含酸素有機化合物の一定量を添加し、バーナにて燃焼させる方式が有効であることがわかった。含酸素有機化合物の供給量は、微粉炭の供給量に対して５〜５０ｗｔ％、より好ましくは１０〜２５ｗｔ％の割合で添加するのが良い。含酸素有機化合物の供給量が５ｗｔ％よりも少ない場合には、下に記すようなＮＯの酸化に必要な量のラジカルを発生させることができない。逆に含酸素有機化合物の添加量が５０ｗｔ％より多い場合は未燃分としてのカルボン酸類、あるいはアルデヒド類の排出濃度が高まる恐れがある。
【００５３】
（４）式で生成したヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）は、ＮＯをＮＯ2へ酸化する（（５）式）。
【００５４】
ＨＯＯ・＋ＮＯ→ＨＯ・＋ＮＯ2      （５）
ＮＯｘと総称されるＮＯとＮＯ2であるが、両者の反応性は大きく異なる。酸素分子に比べてオゾン分子は酸化のポテンシャルが高いが、ＮＯを酸素分子に、ＮＯ2をオゾン分子に置き換えてもアナロジーが成り立つ。即ち、ＮＯに比べてＮＯ2は反応性が高く、容易に他の物質を酸化して自らはＮ2へと還元される。他の物質としては、未燃の燃料、不完全燃焼生成物であるＣＯ等、或いは（４）式で生成したアルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）等がある。
【００５５】
ＮＯがＮＯのままで存在していたのでは、触媒等の作用がないと還元反応は進行しない。またＯ2の方が酸化活性は高く、上述の未燃の燃料、不完全燃焼生成物であるＣＯ等、あるいは（４）式で生成したアルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）等は先にＯ2と反応する。
【００５６】
含酸素有機化合物としては、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、メチル−ｔ−ブチルエーテル等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド等のアルデヒド類、ギ酸、酢酸、プロピオン酸等のカルボン酸類、ギ酸メチル、酢酸エチル等のエステル類の少なくとも１種を使用することができる。
【００５７】
アルコール、エーテル等の含酸素有機化合物を燃焼させる場合には、酸化過程の中間生成物としてアルデヒド類が生成する。特開平１０−５７７５５号公報及び特開平１０−２１１４１７号公報に記載されているように、燃焼域の後段の煙道に含酸素有機化合物を供給する方法においては、上述したアルデヒド等の中間生成物が生成しても、これに対する除去策が不充分である。
【００５８】
これに対して、本発明の方法では含酸素有機化合物をバーナに供給するために、供給された含酸素有機化合物は必然的に燃焼ゾーンを通過することになる。１５００〜２０００℃の高温域を通過することにより、アルデヒド類はＣＯ2にまで完全酸化され、排ガス中の濃度は極限まで低減される。
【００５９】
即ち、微粉炭中に多く含まれる縮合芳香族化合物は、ブタン、ペンタン等の脂肪族化合物、或いはベンゼン、トルエン等の単環の芳香族化合物に比較して安定であり、酸化されにくい。従って、縮合芳香族化合物を多く含む、炭化の進んだ瀝青炭あるいは無煙炭等は着火しづらい。通常の石炭バーナで無煙炭等の燃えにくい石炭を燃焼させる場合、着火に要する時間が長く、燃焼が不充分になり、燃焼効率が低下し、灰中未燃分が増加する恐れがある。微粉砕した石炭とともに含酸素有機化合物をバーナに供給することで、石炭の着火、燃焼による温度上昇に従って、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）、アルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）、メトキシラジカル（ＣＨ3Ｏ・）及びその他のラジカル類が生成する。これらラジカルは活性が高く、微粉炭に含まれる縮合芳香族化合物と反応することができる。これにより、石炭の着火を促進することができる。
【００６０】
また、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）、アルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）、メトキシラジカル（ＣＨ3Ｏ・）は燃焼により生成した一酸化窒素（ＮＯ）を、二酸化窒素（ＮＯ2）に酸化する。ＮＯ2はＮＯに比べて活性であり、ガス中に共存する炭化水素類、一酸化炭素、水素、シアン（ＨＣＮ）、アンモニア（ＮＨ3）及びこれらに関連する化合物或いはラジカル類によりＮ2に還元される。これにより、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減することができる。
【００６１】
以下、本発明の具体的な実施例を下記により説明する。
【００６２】
(実施例１)
以下、本発明の概要を図１により説明する。
【００６３】
粗粉砕した石炭２は石炭貯蔵ホッパ１２に貯蔵し、ロータリーバルブ１３により石炭粉砕装置１４に供給する。供給量はロータリーバルブ１３の回転数により制御する。石炭は石炭粉砕装置１４で１００μｍ以下に粉砕する。微粉砕した石炭は、押込み通風装置６１からの空気４により石炭ボイラ装置３０の石炭バーナ３１へ搬送する。この搬送空気量は石炭重量の約１０％である。
【００６４】
含酸素有機化合物５は貯蔵タンク２１に貯蔵し、ポンプ６３により押し出す。この供給量は流量調整弁２２によって制御する。含酸素有機化合物の添加量は、実施例３，４，５に示した方法で決めるが、ほぼ石炭供給量に対する質量比で５〜５０％の範囲である。添加された含酸素有機化合物は、微粉炭とともに石炭バーナ３１に供給される。含酸素有機化合物の添加方法には、供給する含酸素有機化合物の形態に応じてガス供給方式、液噴霧方式、或いは固体供給方式等の方式が採用される。これらの含酸素有機化合物を添加する方式の詳細は、実施例２に示す。
【００６５】
石炭バーナ３１では、石炭と搬送空気、及び押込み通風装置６１からの空気３を接触させ、石炭２を燃焼させる。微粉炭とともに石炭バーナ３１に供給された含酸素有機化合物５例えばジメチルエーテルは、微粉炭の着火、燃焼に応じてガス温度が上昇するに従って分解し、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）を生成する。
【００６６】
ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）は燃焼により生成した一酸化窒素（ＮＯ）を、二酸化窒素（ＮＯ2）に酸化する。ＮＯ2はＮＯに比べて活性であり、ガス中に共存する炭化水素類、一酸化炭素、水素、シアン（ＨＣＮ）、アンモニア（ＮＨ3）及びこれらに関連する化合物或いはラジカル類によりＮ2に還元される。含酸素有機化合物としてジメチルエーテルを添加した場合は、生成したアルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）がＮＯ2の還元に寄与することができる。また含酸素有機化合物としてメタノールを添加した場合は、メトキシラジカル（ＣＨ3Ｏ・）が生成し、ＮＯ2の還元剤として作用することができる。
【００６７】
上述のヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）、アルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）、メトキシラジカル（ＣＨ3Ｏ・）及びその他のラジカル類は、ラジカル内に酸素原子を含み、この酸素原子を供与することで酸化剤として作用することができる。
【００６８】
微粉炭中に多く含まれる縮合芳香族化合物は、ブタン、ペンタン等の脂肪族化合物或いはベンゼン、トルエン等の単環の芳香族化合物に比較して安定であり、酸化されにくい。従って、縮合芳香族化合物を多く含む、炭化の進んだ瀝青炭或いは無煙炭等では着火しづらい。
【００６９】
通常の微粉炭バーナで無煙炭等の燃えにくい石炭を燃焼させる場合、着火に要する時間が長く、燃焼が不充分になり、燃焼効率が低下し、灰中未燃分が増加する恐れがある。これを解決するためにも、含酸素有機化合物を利用することができる。
【００７０】
添加された含酸素有機化合物は容易に分解して、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）、アルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）、メトキシラジカル（ＣＨ3Ｏ・）及びその他のラジカル類を生成する。これらラジカルは活性が高く、微粉炭に含まれる縮合芳香族化合物と反応することができる。つまりラジカル類の活性により縮合芳香族化合物の結合を切り離し燃焼するので、微粉炭への着火を促進することができる。
【００７１】
石炭燃焼室の側壁は水冷管で構成された水冷壁構造となっており、石炭燃焼熱はこの伝熱管内部を流れる水、或いは蒸気により吸収される。水冷壁での熱吸収は主に輻射によるものであり、石炭燃焼時の発熱をすべて吸収することはできない。そこで、石炭燃焼室下流の煙風道に伝熱管３３を設置し、この伝熱管内を流れる水、或いは蒸気６により更に石炭燃焼時の発熱を吸収する。
【００７２】
石炭ボイラ装置３０から出る排ガスは、ダストや硫黄化合物などを含む。そこで、ダストは集塵装置５１により除去し、硫黄化合物は脱硫装置で除去する。本実施例では、石灰石（炭酸カルシウム）スラリーを用いる湿式脱硫法を示している。この方式では、脱硫塔５３で石灰石スラリー５６を噴霧し、排ガスと石灰石スラリーを接触させ、二酸化硫黄を石膏（硫酸カルシウム）として固定し、遠心分離装置５４で石灰石スラリーから石膏を分離・回収する方式である。煙突５５から排ガスを大気へ放出する際には、水蒸気が凝縮することを防止するため、排ガス温度はガス・ガス熱交換器５２により約１００℃まで上昇させる。
【００７３】
(実施例２)
ここでは含酸素有機化合物５を石炭の搬送空気に供給する方法を示す。石炭を搬送するための空気量は、石炭に対する質量比で約１０〜１５％である。これに対し、本発明による含酸素有機物の供給量は、石炭に対する質量比で最大２５〜３０％である。含酸素有機化合物の分子量は、空気の分子量よりも大きいので、加える含酸素有機化合物の種類にもよるが、搬送空気と含酸素有機化合物の体積割合は、ほぼ同じか、搬送空気の方が若干多くなる。
【００７４】
含酸素有機化合物が常温で気体の場合、図４（Ａ）のように分岐配管から供給することで、混合することが可能となる。また含酸素有機化合物５の供給量は、石炭性状、出口のＮＯｘ濃度などに応じて変化させるので、図４（Ｂ）のように配管中に供給ノズルを出す方法であれば、搬送空気の流れを乱すことがなく、更に望ましい。
【００７５】
含酸素有機化合物５が常温で液体の場合、図４（Ｃ）に示すように、気化装置６７により気体として供給することが可能である。但し、石炭搬送窒素の温度は、安全のため２００℃以下で運用するのが望ましい。従って、この方法が利用できるのは、気体温度が２００℃以下の含酸素有機化合物に限られる。気化温度が２００℃以上の含酸素有機化合物の場合、図４（Ｄ）に示すようにポンプ６３を用いて加圧し、液体を微粒化して噴霧するためのノズル６８を搬送空気配管内に設置する方式にして、搬送空気と混合することができる。
【００７６】
含酸素有機化合物が固体の場合、石炭とともにホッパに供給し、ミルで粉砕する段階で混合することができる。
【００７７】
（実施例３）
本実施例では、含酸素有機化合物５の石炭搬送空気への添加量の決め方について、図１および図５（Ａ）を用いて示す。
【００７８】
まず、図１を用いて含酸素有機化合物の石炭搬送空気への添加系統を示す。含酸素有機化合物５は含酸素有機化合物貯蔵タンク２１に貯蔵する。含酸素有機化合物５は、ポンプ６３により加圧し、実施例２に示したような方法で石炭の搬送管から添加する。含酸素有機化合物の添加量は、ポンプの下流に設置された流量調整弁２２で調整する。流量調整弁２２の開度は、含酸素有機化合物添加流量制御装置４２で制御する。含酸素有機化合物流量制御装置には、実施例３で示した石炭性状４３、ボイラ運転状態４４、ＮＯｘ排出目標値４５に応じて添加する最適な含酸素有機化合物５の添加量を算出するアルゴリズムが組み込まれており、含酸素有機化合物の流量調節弁２２は、この流量が得られるように動作する。
【００７９】
次に、含酸素有機化合物５の添加量を求めるアルゴリズムを示す。石炭の性状は、固定炭素、揮発分、水分、灰分の工業分析結果、及び炭素、水素、窒素の元素分析結果を含むものである。石炭中の固定炭素と揮発分の重量の比で定義される燃料比は、石炭の着火性の指標として用いることができる。例えば燃料比が高いということは揮発分に対して固定炭素の量が多いことを表し、脱水素が進行して芳香族環の縮合数が大きくなり、炭化が進んでいることを表し、それだけ着火が困難になる。
【００８０】
現状の一般的な仕様の微粉炭ボイラは、燃料比が０．５〜２程度の比較的揮発分の多い瀝青炭クラスの石炭を標準炭として設計されている。従って、ボイラに供給される石炭の燃料比が設計に用いた標準炭より多い場合には、含酸素有機化合物供給量を増加する。また、現在の石炭ボイラ装置排ガス中のＮＯｘは、ほぼ石炭中の窒素に起因するものであり、石炭燃焼時の排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度は、ほぼ石炭中の窒素含有量に比例する。従って、ボイラに供給される石炭の窒素含有量が設計に用いた標準炭より多い場合には、含酸素有機化合物の量を増加する。
【００８１】
以上の方式を具体化した一例が、図５のアルゴリズムである。このアルゴリズムでは、設計炭での含酸素有機化合物添加量（設計含酸素有機化合物添加量）を補正し、基本含酸素有機化合物添加量を求める。補正に用いるのは、設計炭固定炭素を設計炭揮発分で割った設計炭の燃料比と、現在ボイラに供給されている石炭の固定炭素を揮発分で割った燃料比との差を関数器ＦＸ１に入力し、補正量１を算出する。続いて設計炭の窒素含有量と、現在ボイラに供給されている石炭の窒素含有量との差および、設計炭ＮＯｘ設定値と現在のＮＯｘ目標値との差を関数器ＦＸ２に入力し、補正量２を算出する。これら補正量１と補正量２を設計含酸素有機化合物添加量に加算し、基本含酸素有機化合物添加量を算出する。
【００８２】
(実施例４)
ＮＯｘの排出量は石炭の性状の変動、ボイラの負荷などの運用条件によって変動する。そこで、ボイラ出口の排ガス中のＮＯｘを連続分析し、この値がＮＯｘの許容レベル以下となるように、必要な含酸素有機化合物の供給量を算出し、最適な供給量を維持するように制御する。この実施例を図１および図５により示す。
【００８３】
まず図１により、含酸素有機化合物５を添加する系統を示す。含酸素有機化合物は含酸素有機化合物貯蔵タンク２１に貯蔵する。含酸素有機化合物５は、ポンプ６３により加圧し、実施例２に示したような方法で石炭の搬送菅から添加する。含酸素有機化合物５の添加量は、ポンプの下流に設置された流量調整弁２２で調整する。流量調整弁２２の開度は、含酸素有機化合物を添加する流量制御装置４２で制御する。含酸素有機化合物の流量制御装置４２は、実施例３で示した石炭性状４３、ボイラ運転状態４４、ＮＯｘ排出目標値４５に応じて添加する最適な含酸素有機化合物の添加量を算出するアルゴリズムが組み込まれており、含酸素有機化合物の流量調整弁２２は、この流量が得られるように動作する。このアルゴリズムの詳細は実施例３において、図５（Ａ）を用いて示した通りである。
【００８４】
一方、石炭ボイラ装置の出口からのＮＯｘ濃度を左右する要因は多く、前記アルゴリズムで求めた含酸素有機化合物の添加量が供給されている場合でも、石炭ボイラ装置の出口からのＮＯｘ濃度には目標値からの偏差が存在する。そこで、石炭ボイラ装置の出口からのＮＯｘを連続的にガス分析計４１により計測し、この値を含酸素有機化合物の流量制御装置４２へ入力し、ＮＯｘの計測値が目標値よりも多い場合は、含酸素有機化合物の流量調節弁２２を開き、ＮＯｘの計測値が目標値よりも小さい場合は流量調節弁を閉じる。
【００８５】
この方式を具体化したアルゴリズムの一例が図５（Ｂ）である。このアルゴリズムでは、基本含酸素有機化合物添加量を補正して、修正含酸素有機化合物添加量を算出する。補正量は、現在のＮＯｘ目標値と現在のＮＯｘ排出量の差がゼロになるように比例・積分制御方式により求めている。
【００８６】
(実施例５)
本実施例では、図６を用いて天然ガスから含酸素有機化合物を製造する実施例を示す。天然ガス２０１は脱硫装置２１１で硫化水素を除去し、加圧して水蒸気２０２とともに水蒸気改質装置２１２に供給し、水素と一酸化炭素に改質する。この反応にはニッケル系の触媒を用い、９００℃、４ＭＰａの条件で進める。反応器内部を高温に維持するために、天然ガスの一部、或いは蒸留装置２２２で分離される未反応ガス２０８を燃焼させ、この燃焼排ガスにより外部から加熱する。
【００８７】
このため、水蒸気改質装置２１２は一般的には複数の反応管を束ねた多管構造のものが反応装置に用いられる。触媒を用いる方法以外では、天然ガスと水蒸気に加えて酸素を水蒸気改質装置に供給し、天然ガスを一部、部分酸化させ、この燃焼熱により反応管内部を高温に維持して水蒸気改質反応を進める方法も実用化されている。
【００８８】
水素、一酸化炭素を主成分とする改質ガスは圧縮機２３１で加圧して含酸素有機化合物の合成反応装置２２１に供給する。含酸素有機化合物としては例えばメタノールやジメチルエーテルがある。メタノール合成は次式で示されるものである。
【００８９】
２Ｈ2＋ＣＯ→ＣＨ3ＯＨ      （６）
この反応には銅−亜鉛系の触媒が用いられ、２５０〜３００℃、５〜１０ＭＰａの条件で進められる。ジメチルエーテルは次式で示されるメタノールの脱水反応により得られる。
【００９０】
ＣＨ3ＯＨ＋ＣＨ3ＯＨ→ＣＨ3ＯＣＨ3＋Ｈ2Ｏ      （７）
この反応には例えばγ−アルミナ触媒が用いられ、メタノール合成と同様の条件、即ち、２５０〜３００℃、５〜１０ＭＰａで進められる。従来、一酸化炭素と水素からのジメチルエーテル合成は２つの反応器が必要であったが、現在は式１の反応と式２の反応を１つの反応器内で実現する方法が開発されており、メタノール合成と同様のシステム構成とすることが可能となっている。
【００９１】
これらの含酸素有機化合物の合成は平衡反応であり、必ず未反応の水素、一酸化炭素が存在する。そこで、合成反応装置２２１を出たガスは蒸留装置２２２に導き、含酸素有機化合物２０７と未反応ガス２０８を分離する。未反応ガス２０８は圧縮機２３２で加圧して合成反応装置２２１にリサイクルするか、水蒸気改質装置２１２を加熱するための燃料として利用する。
【００９２】
(実施例６)
本実施例では、石炭、酸素から含酸素有機化合物を得るための方法について図７を用いて示す。
【００９３】
微粉砕した石炭２０４は、ガス化炉２１３で酸素２０６と反応させてガス化する。この場合、石炭ガス化ガスの組成は体積比で一酸化炭素が約６０％、水素が約３０％である。即ち、水素／一酸化炭素のモル比は０．５である。一方、下流の含酸素有機化合物の合成反応装置２２１でジメチルエーテルを合成しようとした場合、ジメチルエーテル合成に適した水素／一酸化炭素のモル比は１であり、石炭ガスの組成は水素が不足している。
【００９４】
この水素を補う方法としては、水蒸気を供給してシフト反応による方法の他、炭層ガス２０５をガス化炉に供給する方法がある。炭層ガスは石炭に随伴するガスであり、主成分は水素の割合の高い有機化合物のメタンである。従って、炭田にこのプロセスを立地する場合、燃料の石炭に加えて炭層ガスを供給することで、精製ガス中の水素／一酸化炭素比を高めることが可能である。炭層ガスは、有効利用されずに廃棄されることが多いため、炭層ガスの利用の効果は大きい。
【００９５】
ガス化炉を出た石炭ガスは約１３００℃の高温なので、熱回収装置２１４により蒸気２０８として熱を回収する。生成ガスを構成する成分のうち、含酸素有機化合物の合成触媒を被毒する成分、即ち、硫化水素などの硫黄化合物や灰分はガス精製装置２１５で除去する。また、ガス化炉は通常、２〜３ＭＰａで運用するが、含酸素燃料の合成には５〜１０ＭＰａが適しているので、コンプレッサ２３１により精製ガスを加圧する。
【００９６】
精製ガスは合成反応装置２２１に供給し、メタノール、ジメチルエーテルなどの含酸素有機化合物を合成する。この合成反応は平衡反応であり、合成反応装置の出口からのガス中には必ず未反応の一酸化炭素と水素が含まれる。そこで、蒸留装置２２２で合成された含酸素有機化合物と未反応ガスは分離する。含酸素有機化合物２０７は貯蔵タンクに供給して保管する。
【００９７】
含酸素有機化合物の収率を向上させるためには、未反応ガスはリサイクルコンプレッサ２３２により加圧して合成反応装置２２１に戻し、含酸素有機化合物合成に再利用する。未反応ガスはガスタービン発電装置に供給して発電に利用することもできる。
【００９８】
(実施例７)
本実施例では、石炭ボイラ装置、石炭ガス化装置、含酸素有機化合物合成反応装置、ガスタービン発電装置を組合わせた電力・含酸素有機化合物併産プラントへの本発明の適用事例を示す。含酸素有機化合物は、発電プラントや自動車の燃料として販売可能である。
【００９９】
この電力・含酸素有機化合物併産プラントの概要を図８により示す。微粉砕した石炭２０４は、ガス化炉２１３で酸素２０６と反応させてガス化する。この時、石炭ガス化ガスの組成は約６０％が一酸化炭素、約３０％が水素である。残りの大部分は二酸化炭素、水蒸気、窒素であり、その他に硫化水素などを含む。ガス化炉下段の温度は約１５００℃であり、石炭灰は溶融してスラグになる。スラグはガス化炉下部から排出される。ガス化炉出口のガス温度は約１３００℃であり、この熱は熱回収部２１４で蒸気２０８として回収し、蒸気タービン系に供給し、発電に利用する。
【０１００】
生成ガスを構成する成分のうち、含酸素有機化合物の合成触媒を被毒する成分、即ち硫化水素などの硫黄化合物や灰分はガス精製装置２１５で除去する。精製ガスは合成反応装置２２１に供給し、メタノール、ジメチルエーテルなどの含酸素有機化合物２０７を合成する。この合成反応は平衡反応であり、合成反応装置の出口からのガス中には必ず未反応の一酸化炭素と水素が含まれる。そこで、蒸留装置２２２で合成された含酸素有機化合物と未反応ガスは分離する。含酸素有機化合物は貯蔵タンク２１に供給して保管し、販売する。
【０１０１】
未反応ガスはガスタービン発電装置に供給して発電に利用する。具体的には空気１を圧縮機２４１で圧縮し、この圧縮空気で未反応ガスを燃焼器２４２で燃焼する。この高温・高圧の燃焼ガスにより、ガスタービン２４３を駆動し、発電機２４４を回転させ、発電する。ガスタービン排ガス２４５は酸素を含むので、ボイラ燃焼用の空気として利用することが可能である。そこで、燃焼排ガスは石炭ボイラ装置３０に供給する。
【０１０２】
石炭ボイラ装置への石炭搬送には、押込み通風装置６１により加圧された空気４を用いる。この搬送管へ、前記プロセスで合成された含酸素有機化合物５をポンプ６３で加圧して供給する。含酸素有機化合物の搬送ガスへの添加方法は、実施例２に示した方法が適用可能である。
【０１０３】
本実施例は、石炭ボイラ装置を用いた発電装置の発電出力を、ガスタービン発電により増加させるリパワリングに適するものである。本実施例では含酸素有機化合物を併産するので、これを販売することが可能である。含酸素有機化合物はクリーンな燃料であり、付加価値が高く、プラントの運用上、望ましいものである。また、含酸素有機化合物の一部を既設石炭ボイラ装置に供給することが可能であり、炭種拡大や低ＮＯｘ化などの要求に応えることが可能である。
【０１０４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、添加した含酸素有機化合物から石炭の着火、燃焼による温度上昇に従ってヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）、アルキルラジカル（ＣＨ3ＯＣＨ2・）、メトキシラジカル（ＣＨ3Ｏ・）及びその他のラジカル類が生成する。これらラジカルは活性が高く、微粉炭に含まれる縮合芳香族化合物と反応することができる。これにより、微粉炭への着火を促進することができる。従って、従来は燃料とすることが困難であった燃料比の高い無煙炭クラスの石炭が利用可能となり、エネルギーの安定供給に寄与する。
【０１０５】
また、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）は燃焼により生成した一酸化窒素（ＮＯ）を、二酸化窒素（ＮＯ2）に酸化する。ＮＯ2はＮＯに比べて活性であり、ガス中に共存する炭化水素類、一酸化炭素、水素、シアン（ＨＣＮ）、アンモニア（ＮＨ3）及びこれらに関連する化合物あるいはラジカル類によりＮ2に還元され、ボイラ出口でのＮＯｘ濃度は低下する。従って、ボイラの環境適合性を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例として示した石炭ボイラ装置の系統構成図。
【図２】本発明の実施例として示した石炭の燃焼試験装置の概略構成図。
【図３】石炭の燃焼装置におけるＮＯｘ低減の原理を説明する説明図。
【図４】本発明における含酸素有機化合物の供給方式の一例を示す構成図。
【図５】本発明の含酸素有機化合物添加量を求めるアルゴリズムの一例を示すブロック図。
【図６】本発明における含酸素有機化合物の製造方式の一例を示す構成図。
【図７】本発明における含酸素有機化合物の製造方式の一例を示す構成図。
【図８】本発明における石炭ボイラ発電装置と含酸素燃料合成反応装置とを組合わせた一例を示す構成図。
【図９】従来例の一例として示した石炭ボイラ装置の構成図。
【図１０】従来例の一例として示した石炭ボイラ装置の構成図。
【符号の説明】
１…空気、２…石炭、３…石炭燃焼空気、４…石炭搬送空気、５…含酸素有機化合物、６…水または水蒸気、７…石炭ボイラ装置排ガス、８…アンモニア、９…ペルオキシル開始物質、１０…石膏、１２…石炭貯蔵ホッパ、１３…ロータリーバルブ、１４…石炭粉砕装置、２１…含酸素有機化合物貯蔵タンク、２２…含酸素有機化合物流量調整弁、２３…含酸素有機化合物添加部、３０…石炭ボイラ装置、３１…バーナ、３２…空気供給部、３３…伝熱管、３４…帯域Ａ、３５…帯域Ｂ、４１…ガス分析計、４２…流量制御装置、４３…石炭性状、４４…ボイラ運転条件、４５…ＮＯｘ目標値、５７…脱硝装置、５２…ガス熱交換器、５３…脱硫塔、５４…遠心分離機、５５…煙突、５６…石灰石スラリー、６１〜６３…通風装置（ファン）あるいはポンプ、６４…石炭搬送管、６５…含酸素有機化合物供給管、６７…気化装置、６８…噴霧ノズル、７１…石炭及び搬送空気、７２…二次空気、７３…三次空気、７５…バーナ、８２…還元雰囲気、８３…酸化雰囲気、１０１…含酸素有機化合物ボンベ、１０２…空気ボンベ、１０３…石炭供給器、１０４…燃焼ガス、１１０…管型反応器、１１１…バーナ、１１２…冷却器、１１３…集塵器、１１４…ガス分析計、１１５…排気口、１１６…電気炉、２０１…天然ガス、２０２…水蒸気、２０３…空気、２０４…石炭、２０５…炭層ガス、２０６…酸素、２０７…含酸素有機化合物、２０８…未反応ガス、２１１…脱硫装置、２１２…水蒸気改質装置、２１３…ガス化装置、２１４…熱回収装置、２１５…ガス精製装置、２２１…合成反応装置、２２２…蒸留装置、２３１〜２３２…圧縮機。
【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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【図９】
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【図１０】
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