(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア含有ガスおよび硫化水素含有ガスを燃焼処理するガス燃焼処理方法であって、燃料とアンモニア含有ガスを導入して燃焼させる、第１の燃焼処理工程と、該第１の燃焼処理工程の後流にて、還元剤を導入して還元性雰囲気下、該第１の燃焼処理工程で発生した窒素酸化物を還元する、窒素酸化物還元工程と、該窒素酸化物還元工程の後流にて、残りの硫化水素含有ガスを空気と共に導入して燃焼させる、第２の燃焼処理工程とを含み、
前記窒素酸化物還元工程において、アンモニア含有ガスの一部を導入して還元性雰囲気下、該第１の燃焼処理工程で発生した窒素酸化物を還元することを特徴とするガス燃焼処理方法。
【請求項２】
前記還元剤が、硫化水素含有ガス又はアンモニア含有ガスの一部であることを特徴とする請求項１に記載のガス燃焼処理方法。
【請求項３】
前記第１の燃焼処理工程において、１３００℃以上の酸化性雰囲気下、燃焼処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス燃焼処理方法。
【請求項４】
前記第１の燃焼工程において、出口ガス温度を計測し、所定温度以上となるよう燃料の流量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス燃焼処理方法。
【請求項５】
前記窒素酸化物還元工程あるいは第２の燃焼処理工程において、出口の窒素酸化物濃度を計測し、所定濃度以下となるよう窒素酸化物還元工程に導入する硫化水素含有ガスあるいはアンモニア含有ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のガス燃焼処理方法。
【請求項６】
アンモニア含有ガスおよび硫化水素含有ガスを燃焼処理するガス燃焼装置であって、燃料とアンモニア含有ガスを導入して燃焼させる、第１燃焼部と、前記第１燃焼部の後流に備えられ、硫化水素含有ガスの一部を導入して還元性雰囲気下、該第１燃焼部から送られてくる窒素酸化物を還元する、窒素酸化物還元部と、該窒素酸化物還元部の後流に備えられ、残りの硫化水素含有ガスを空気と共に導入して燃焼させる、第２燃焼部と、を含み、
前記窒素酸化物還元部と第２燃焼部の間に輻射遮蔽物を具備することを特徴とするガス燃焼装置。
【請求項７】
前記第１燃焼部から窒素酸化物還元部へのガス流通路断面が、該第１燃焼部断面及び窒素酸化物還元部断面よりも小さく絞られていることを特徴とする請求項６に記載のガス燃焼処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス燃焼処理方法およびガス燃焼装置に関し、詳しくは、石炭ガス化ガス湿式精製オフガス燃焼炉として好適な燃焼装置および燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭をガス化して発電燃料として使用する場合、生成ガス中には硫黄化合物（硫化水素、硫化カルボニル等）やアンモニア等の窒素化合物が含まれており、公害防止、腐食防止の観点から湿式精製設備にて除去される。湿式精製設備にて除去された硫化水素(H2S)は、ストリッピングされ高濃度の硫化水素含有のオフガス(H2Sオフガス)として排出される。また、回収されたアンモニア(NH3)は同様にストリッピングされてアンモニア含有のオフガス(NH3オフガス）として排出される。以下、これらを図３に示すシステムフローによって、具体的に説明する。
【０００３】
図３に示されるシステムフローでは、H2S除去工程において、アミンによって生成ガス中の硫化水素を除去して、そのアミンから硫化水素を再び排出させる。その硫化水素を含む再生ガスを燃焼処理させるには、H2Sオフガスは、一般の燃焼炉、蓄熱式燃焼炉などによって燃焼処理されていた。この燃焼工程に使用される燃焼装置は、従来、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特徴を持つ蓄熱式燃焼炉を選定して使用していた。
しかしながら、蓄熱式燃焼炉は、熱交換率を保つために複数の流路を変換して運転する弁機構が必要であり、その運転操作が煩雑であるという問題があった。また、故障等のトラブルを生じさせない信頼性の観点からも問題があった。つまり、蓄熱体を経由する際には熱交換が行われるので、一方の蓄熱体では温度が上昇し続け、他方の蓄熱体では温度が低下し続けることが生じる。よって、蓄熱体に導入するためのガス導入口、排出口等を適宜変換するために、複数の弁を常時切り替えて運転することが必要とされていた。
【０００４】
一方、従来の蓄熱式燃焼炉（約１０００℃）では、NH3オフガスの燃焼処理において完全にNH3の燃焼処理が行えず、後流にNH3がリークする。NH3が完全に分解するためには高温（約１５００℃程度）における燃焼が必要になるところ、蓄熱式燃焼炉では蓄熱体であるムライトやコージェライト（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。
また、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減の観点からも、すなわちNH3の一部から生成したNOとNH3との脱硝反応率は，1300℃以上で顕著であるため、高温（約１５００℃程度）における燃焼が必要になる。一方、燃焼工程によって発生するＮＯｘには、アンモニア等の含窒素燃料からできるフュエル(Fuel)ＮＯｘとフレーム等の高温部で空気中の窒素より発生するサーマルＮＯｘとがあり、サーマルＮＯｘは高温度領域ほど生成率が高くなるため、高温下では、サーマルＮＯｘの発生率が高くなる。しかし、多量のアンモニア含有ガスを連続的に処理する場合には、NH3が完全に分解する温度で処理する必要がある。つまり、アンモニア含有ガスを処理する際に、NH3が完全分解する温度で処理し、発生するＮＯｘを低減させる手法が望まれていた。
【０００５】
他方、直燃式燃焼装置では、バーナー部に燃料を存在させて燃焼させて、そこに硫化水素やアンモニアを存在させることで極めて高温で燃焼させる処理が可能である。この方式においては、アンモニア燃焼によるＮＯｘの発生を極力抑制する技術として、例えば投入する酸素の量を調整して、例えば１０００〜１２００℃付近にて一段でアンモニアを還元性雰囲気下で燃焼させる技術が提案されている。
しかしながら、還元性雰囲気下で約１０００℃以上の高温を維持するには、多量の燃料による追い焚きが必要とされる。また、大型の高温対応型燃焼装置が必要になり、運転面・設備面で経済的でない。さらに、上記した蓄熱式燃焼炉における問題を解決して、ＮＯｘ低減を十分に達成するには１０００℃付近の燃焼ではなく、少なくとも１３００℃以上の高温にてアンモニアを燃焼、分解させることが望ましい。
アンモニアを高温で燃焼、分解させるため、直燃式燃焼装置を使用した場合、高温処理に伴いＮＯｘが生成されるので、還元剤（NH3,H2S,CO等）等によるＮＯｘ低減対策が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、アンモニア含有ガスおよび硫化水素含有ガスを処理する場合、これらのオフガスを、ランニングコストを下げ、且つ、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排出を効果的に抑制して環境負荷値以下に抑え、さらに装置が簡単・小型で信頼性が高く、運転やメンテナンスが容易な処理方法を開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、アンモニアの燃焼工程と硫化水素の燃焼工程の間に、窒素酸化物の還元工程を設けると共に、アンモニアガスあるいは硫化水素ガスを２系統に分けて燃焼装置に供給する方法によって、かかる課題が解決されることを見い出した。本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、アンモニア含有ガスおよび硫化水素含有ガスを燃焼処理するガス燃焼処理方法であって、燃料とアンモニア含有ガスを導入して燃焼させる、第１の燃焼処理工程と、該第１の燃焼処理工程の後流にて、還元剤（例えば、硫化水素含有ガスあるいはアンモニア含有ガスの一部）を導入して還元性雰囲気下、該第１の燃焼処理工程で発生した窒素酸化物を還元する、窒素酸化物還元工程と、該窒素酸化物還元工程の後流にて、硫化水素含有ガスを空気と共に導入して燃焼させる、第２の燃焼処理工程と、を含むことを特徴とするガス燃焼処理方法を提供するものである。ここで、前記第１の燃焼処理工程においては、１３００℃以上の酸化性雰囲気下、燃焼処理を行うことが好ましい。また、前記窒素酸化物還元工程においては、アンモニア含有ガスの一部を導入して還元性雰囲気下、該第１の燃焼処理工程で発生した窒素酸化物を還元する。前記第１の燃焼工程においては、出口ガス温度を計測し、所定温度以上となるよう燃料の流量を制御する方法が好適に挙げられる。また、前記窒素酸化物還元工程あるいは第２の燃焼処理工程においては、出口の窒素酸化物濃度を計測し、所定濃度以下となるよう窒素酸化物還元工程に導入する硫化水素含有ガスあるいはアンモニア含有ガスの流量を制御する方法が好適に挙げられる。
【０００８】
また、本発明は、アンモニア含有ガスおよび硫化水素含有ガスを燃焼処理するガス燃焼装置であって、燃料と共にアンモニア含有ガスを導入して燃焼させる、第１燃焼部と、該第１燃焼部の後流に備えられ、硫化水素含有ガスの一部を導入して還元性雰囲気下、該第１燃焼部から送られてくる窒素酸化物を還元する、窒素酸化物還元部と、該窒素酸化物還元部の後流に備えられ、残りの硫化水素含有ガスを空気と共に導入して燃焼させる、第２燃焼部と、を含むことを特徴とするガス燃焼装置を提供するものである。ここで、該ガス燃焼装置は、前記第１燃焼部から窒素酸化物還元部へのガス流通路断面が、該第１燃焼部断面及び窒素酸化物還元部断面よりも小さく絞られていることが好適である。そして、該ガス燃焼装置は、前記窒素酸化物還元部と第２燃焼部の間に輻射遮蔽物を具備した構造のものとする。
【０００９】
本発明によれば、石炭ガス化ガスを精製する際に生じるオフガスを、極めて効率的に燃焼処理可能な３段式燃焼装置を提供できる。
本発明の燃焼装置を用いるシステムでは、NH3オフガスとH2Sオフガスとを同一の燃焼装置で燃焼処理する。NH3オフガスは、高温度域（約１５００〜１６００℃）で燃焼処理すればＮＯｘの生成が低く抑制される。よって、本発明の燃焼装置では、その前段において酸化性雰囲気の中、先ずNH3オフガスを窒素と水に完全燃焼処理を行う。H2Sオフガスは、低温度域（８００℃以上）で処理可能なため、NH3オフガス燃焼処理後にH2Sオフガスを酸化性雰囲気下、水(H2O)と二酸化硫黄(SO2)に燃焼処理させる。
また、アンモニア(NH3)を燃焼処理すると、一部窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生するため、アンモニア燃焼後に、H2SオフガスあるいはNH3オフガスの一部をバイパスさせて、アンモニア燃焼直後のＮＯｘ存在下に導入する。これによって、第２段目の窒素酸化物還元工程では、還元性雰囲気にて、ＮＯｘはＮ2に還元され、ＮＯｘ濃度の低減化が可能となる。
【００１０】
本発明の３段式燃焼装置では、ガス導入前から第１段がNH3オフガス燃焼のための第１燃焼部、第２段がＮＯｘ還元のための窒素酸化物還元部、第３段がH2Sオフガス燃焼のための第２燃焼部、のように３段に分けられる。このような３段構成により、NH3オフガスとH2Sオフガスとが同一の燃焼装置で環境負荷値の低い燃焼処理が可能となる。
本発明によれば、NH3オフガスとH2Sオフガスとの同一燃焼処理が行えるので、それぞれに処理する必要がなくなり処理システムが簡素化し、またを燃焼することにより、安水（アンモニア水）の廃棄処理費が不要となる。そして、H2SオフガスあるいはNH3オフガスのバイパスセクションを設けることにより、ＮＯｘ生成が低減する。さらに、燃焼炉排ガスの熱回収の効果が期待できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガス燃焼方法について、添付図面を参照しながら、その具体的な実施形態を説明する。
図１は、本発明の燃焼処理方法を実施するのに好適な燃焼装置の一例を、模式的に示す図である。本実施の形態の燃焼装置では、アンモニアや燃料が導入される前流から、第１燃焼部１ａ、窒素酸化物還元部１ｂ、および第２燃焼部１ｃの順に各部が備えられている。第１燃焼部１ａでは、燃料と共にアンモニア（NH3）含有ガスを導入する。本燃焼装置は直燃式であるため、燃焼炉内で燃焼を起こさせるために燃料を導入するが、通常ノズルから注入する。同時に、酸素含有ガスとして空気等を導入して、第１燃焼部１ａ内で燃料とアンモニアを燃焼させる。NH3オフガスは、高温度域（約１５００〜１６００℃）で燃焼処理すればアンモニアからのＮＯｘの生成が低く抑制される。よって、本発明の燃焼装置では、その前段部である第１燃焼部１ａにおいて酸化性雰囲気の中、先ずNH3オフガスを窒素と水に完全燃焼処理を行う。
ここで供給されるアンモニアは、アンモニアガスとして導入する。例えば、石炭ガス化ガスのシステムに用いる場合、ストリッパーにて回収されたアンモニア含有ガスは凝縮させずに、そのままガスの形態で第１燃焼部１ａに導入する。
【００１２】
アンモニアは、燃焼装置の第１燃焼部１ａに導入されて、ここで約１５００〜１６００℃程度の高温に晒され、アンモニアをN2とH2Oに完全燃焼処理される。このアンモニアの第１燃焼処理工程では、極めて高温での燃焼処理によってＮＯｘの発生がある程度抑制されるが、それでもサーマルＮＯｘの発生は回避できない。
そこで、本発明の燃焼装置では、硫化水素含有ガスあるいはアンモニア含有ガスを２つに分けて、その一部は燃焼装置の窒素酸化物還元部１ｂに導入し、残りの硫化水素ガスは燃焼装置の第２燃焼部１ｃに導入する。なお、硫化水素は８００℃程度でも十分に燃焼する成分であり、１５００℃まで高温にする必要はない。
【００１３】
第１燃焼部１ａで燃焼したガスは、そのまま後流の窒素酸化物還元部１ｂに送られる。窒素酸化物還元部１ｂでは、硫化水素含有ガスあるいはアンモニア含有ガスの一部を導入して還元性雰囲気下、第１燃焼部１ａから送られてくる窒素酸化物を還元する。第１燃焼部でアンモニア(NH3)を燃焼処理すると、窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生するので、H2Sガス全部を燃焼させる前にその一部を、あるいはアンモニア含有ガスの一部を、アンモニア燃焼直後のＮＯｘ存在下に導入する。これによってH2SガスあるいはNH3ガス雰囲気下の還元性雰囲気にて、ＮＯｘをＮ2に還元して、ガス中のＮＯｘを低減させるものである。
【００１４】
すなわち、硫化水素ガスあるいはアンモニア含有ガスの一部が導入された窒素酸化物還元部１ｂ内では、還元性雰囲気になる。第１燃焼部１ａでは高温燃焼を継続的に行わせるために、燃料を投入して追い焚きすることが必要であり酸化性雰囲気になるが、窒素酸化物還元部１ｂでは硫化水素あるいはアンモニアの導入によって、還元性雰囲気下、ＮＯｘが還元されてＮ2になる。硫化水素含有ガスあるいはアンモニア含有ガスの投入量としては、窒素酸化物還元部１ｂが還元性雰囲気になるのに必要な量以上であれば足り、具体的には存在する酸素に対して当量以上を投入する。
【００１５】
第１燃焼部１ａでは、ＮＯｘ発生を抑制させるために過剰酸素を極力低下させることが望ましいが、一方で完全燃焼させるために酸素をある程度過剰に投入することになる。そこで実際の運転条件では、第１燃焼部１ａから窒素酸化物還元部１ｂへ流下するガス中の過剰酸素の量は、通常約０．１〜３モル％の範囲、より具体的には約０．５〜１モル％程度にて制御することが好ましい。これによって、窒素酸化物還元部１ｂを還元性雰囲気へ変換するための硫化水素含有ガスあるいはアンモニア含有ガスの投入量制御が容易になる。そして、残りの硫化水素は全て第２燃焼部１ｃに投入できる。
窒素酸化物還元部１ｂと第２燃焼部１ｃへの硫化水素含有ガスの投入割合比は、処理すべきガスの性状・含有量等によっても異なるので任意に定められ特に限定されるものではないが、例えば石炭ガス化ガスの硫化水素ガス処理では、通常、窒素酸化物還元部１ｂに５〜２０％、第２燃焼部に８０〜９５％を導入する態様が好適である。また、第１燃焼部１aと窒素酸化物還元部１bへのアンモニア含有ガスの投入割合比も硫化水素の場合と同様、特に限定されるものではないが、例えば第１燃焼部１aに８０〜９９％、窒素酸化物還元部１ｂに１〜２０％を導入する態様が好適である。なお、上記窒素酸化物還元部１ｂへは燃料を投入する必要はなく、通常１４００〜１５００℃程度であるため、硫化水素は自燃し、アンモニアも分解する。
【００１６】
次いで、ＮＯｘ濃度が低減したガスは、さらに後流の第２燃焼部１ｃに送られる。この第２燃焼部１ｃでは、残りの硫化水素含有ガスを空気と共に導入して燃焼させる。H2Sガスは、低温度域（８００℃以上）で処理可能なため、NH3ガス燃焼処理後にH2Sガスを酸化性雰囲気下、水(H2O)と二酸化硫黄(SO2)に燃焼処理する。
第２燃焼部１ｃは通常８００〜９００℃程度で、硫化水素が通常自燃する。硫化水素は濃度が薄くても、一定以上の高温であれば容易に燃焼する物質であり、８００℃以上であれば自燃する。よって、窒素酸化物還元部１ｂから送られてくる１０００℃以上のガスと混合することによって、それを熱源として燃焼する。ここで導入するH2Sガスは、ガス中の成分濃度が高く高カロリーであるため、燃焼にあたり燃料は通常不要である。但し、必要に応じて燃料を加えても良い。
【００１７】
上記のような本発明の処理装置を用いれば、アンモニア含有ガスおよび硫化水素含有ガスを極めて効率的に燃焼処理することができ、その構造は本実施の形態によって限定されるものではないが、より具体的には、例えば図２に示すような装置構造を有する態様が一例として挙げられる。ここで、３は狭部（絞り部）であり、ガスが流通・混合しやすいような状態にある。４は高温セラミックス材料等からなる輻射遮蔽目的の仕切り（多孔板等の輻射遮蔽物）であり、窒素酸化物還元部１ｂと第２燃焼部１ｃの間では温度差を生じさせる。
【００１８】
なお、本発明の燃焼装置は、９００℃付近のガスが排気されるので、燃焼炉の後段にＷＨＢ２を設置することにより、熱回収を行うことができる。
H2Sの燃焼に伴って発生するSO3の発生量は蓄熱式燃焼炉に比べて直燃式燃焼炉の方が高い。ばいじんとなるSO3は後流の排煙脱硫装置（図示省略）では十分に除去できず、直燃式とする場合、燃焼炉の後流にSO3を除去できるような設備が必要である。
具体的には、直燃式燃焼炉のあとの排ガスはＷＨＢ２にて約３００℃まで熱回収され、湿潤冷却塔（図示省略）にてSO3と水を接触させて硫酸として回収する。SO3は水にほぼ１００％溶ける。この冷却塔では硫酸ミストが発生するため、硫酸ミストも排煙脱硫装置で十分には除去できないので、後流に湿式EP（図示省略）を設けて硫酸ミストを電気集塵する。このようなプロセスにすれば非常に環境負荷が低くなる。
本発明で対象とする処理ガスは特に限定されるものではなく、アンモニアと硫化水素を含むガスが広く処理対象となり、具体的には、例えばアンモニアと硫化水素を多く含む石炭ガス化ガスが挙げられる。
【００１９】
次に、本発明の燃焼装置は、石炭をガス化して発電燃料として使用するシステムにおいて、システムの一部として、アミンによる硫化水素除去工程の後段にて、石炭ガス化ガス湿式精製オフガス燃焼炉として用いることができる。上記のような本発明の処理装置を用いれば、このようなアンモニア含有ガスおよび硫化水素含有ガスを同時に処理すべきシステムにおいては、極めて効率的にそれぞれのオフガス処理が促進できる。
【００２０】
具体的には、上記した燃焼装置を、図３に示すような精製システムの燃焼工程に好適に用いることができる。この際、アンモニア含有ガスは、水洗工程で分離される排水をストリッパー処理したアンモニアガスを用いる。これによって、還元剤としてのアンモニアを外部から燃焼装置へ補給する必要がなくアンモニアを廃棄処理する必要もなくなり、１００％アンモニアを製造するための高温高圧が必要とされる大型装置等は不要となるので、処理システムが小型化・簡素化する。なお、図３で水洗工程から硫化水素除去工程に流れるガス流中にはアンモニアはほとんどなく、全てが排水中に取り込まれている。水洗工程前段のガスで1000ppm程度のアンモニアが含有する場合、水洗工程の後段のガスでは10ppm以下に減少する。また、ＣＯＳ転換工程（COSをH2Sに転換する工程）の配置は特に限定されるものではないが、例えば図３のように水洗工程の前段に設けられている態様が挙げられる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係る処理方法によれば、NH3オフガスとH2Sオフガスとの単一の系列で燃焼処理が行えるので、それぞれに処理する必要がなくなり処理システムが簡素化する。また、アンモニア含有ガスを処理する際の問題であった窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を効果的に抑制することができる。さらに、蓄熱式燃焼炉等に比較して装置が簡単・小型で信頼性が高く、運転やメンテナンスが容易である。またNH3オフガスを燃焼することにより、安水の廃棄処理費が不要となるなどランニングコストが低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼装置の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の燃焼装置の構成の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の燃焼装置が好適に用いられるシステムの一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１    燃焼装置
１ａ  第１燃焼部
１ｂ  窒素酸化物還元部
１ｃ  第２燃焼部
２    ＷＨＢ（廃熱回収ボイラー）
３    狭部
４    仕切り
１０  ＧＴ（ガスタービン）
１１  ＧＧＨ（熱交換器）
１２  煙突
【図１】
0003924150.tif 000002
【図２】
0003924150.tif 000003
【図３】
0003924150.tif 000004