(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層燃焼炉で燃料を流動層ベッド材と共に流動化させながら行う燃焼を改善する方法において、流動層ベッド材にボーキサイトもしくは活性ボーキサイトを混合して、流動層燃焼炉内に発生するＮ２Ｏ及び炭化水素を分解することを特徴とする天然鉱物により流動層燃焼炉での燃焼及び有害ガスの排出を改善する方法。
【請求項２】
上記炭化水素が、ガス・タール等の高級炭化水素である請求項１記載の天然鉱物により流動層燃焼炉での燃焼及び有害ガスの排出を改善する方法。
【請求項３】
流動層燃焼炉で燃料を流動層ベッド材と共に流動化させながら行う燃焼を改善する装置において、流動層燃焼炉内に発生するＮ２Ｏ及び炭化水素を分解すべく、流動層ベッド材にボーキサイトもしくは活性ボーキサイトを混合する装置を設けたことを特徴とする天然鉱物により流動層燃焼炉での燃焼及び有害ガスの排出を改善する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然鉱物により流動層燃焼炉での燃料の燃焼及び有害ガスの排出を改善する方法及び装置に係り、特に流動層燃焼炉ベッド材にボーキサイトもしくは活性ボーキサイトを混合することにより、燃焼炉内で発生したＮ２Ｏ及び高級炭化水素を分解して流動層燃焼炉での燃焼及び有害ガスの排出を改善する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電・ゴミ燃焼等の目的で石炭等の燃料を流動層燃焼炉で燃焼させるとき発生する酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）は、放出後成層圏へ拡散してオゾン層を破壊すると共に温室効果への寄与も大きいことが明らかになり、地球環境問題の一つとしてその排出抑制が強く望まれている。
【０００３】
又、燃焼炉の石炭供給口付近で生成されるガス・タール等の高級炭化水素は、燃料中に含まれる塩素分とフリーボード後段で反応して有機塩素化合物（ダイオキシン等）を生成する可能性があり、この有機塩素化合物も環境に悪影響を及ぼすことから、その生成の原因となる高級炭化水素の排出抑制が望まれている。
【０００４】
そして、流動層燃焼炉からの排ガスに含まれるＮ2 Ｏの除去技術としては、燃焼方式の改良によるＮ2 Ｏの低減、プラズマ照射によるＮ2 Ｏの分解、触媒によるＮ2 Ｏの分解除去等があるが、最初の２つは高温材料，熱効率，コストなどの面で実用化に問題があるので、ある種の金属化合物を触媒として用いてＮ2 Ｏを除去することが検討されている。
【０００５】
この触媒によるＮ2 Ｏ除去の場合、触媒層などを備えたＮ2 Ｏ除去装置を別途流動層燃焼炉の排ガスラインに設置する方法と、触媒を流動層の流動媒体（ベッド材）として充填する方法とがある。前者の方法においては、ゼオライトやＴｉＯ2 のハニカムにＮ2 Ｏ分解活性を有する金属を担持した触媒を使用し、空気予熱器後方の低温（約４００℃）域にこのＮ2 Ｏ除去装置を設置する。後者の方法においては、γ−アルミナ又はγ−アルミナと金属（Ｎａ，Ｋ等）化合物との混合物が流動層の流動媒体として使用される（特開平６−１２３４０６号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ゼオライトやＴｉＯ2 のハニカムにＮ2 Ｏ分解活性を有する金属を担持した触媒を用いる前者の方法においては、触媒のＮ2 Ｏ分解率が低いことに加えて触媒の寿命が短いという大きな欠点があり、余り実用的でない。
【０００７】
一方、γ−アルミナ又はγ−アルミナと金属化合物との混合物を流動層の流動媒体（ベッド材）として充填する後者の方法においては、γ−アルミナにより有効なＮ2 Ｏ分解率がもたらされるものの、γ−アルミナ及び他の金属化合物が比較的高価なため、ベッド材として多量の触媒を充填する必要上コスト面で問題があった。
【０００８】
この触媒をベッド材として充填する方法に関する上記特開平６−１２３４０６号の公報には、「流動層はγ−アルミナ又はγ−アルミナと金属化合物との混合物のみによって形成するのが好ましい…必要に応じてγ−アルミナと通常の流動媒体（砂，石灰石，石炭灰など）との混合物によって形成することもできる」とあり、最適の触媒機能を達成するには比較的高価なγ−アルミナ及び金属化合物を多量に使用してベッド材に充てる必要があること、すなわちコストが高くなるという問題があることが明らかである。
【０００９】
又、このγ−アルミナ又はγ−アルミナと金属化合物との混合物を流動層のベッド材として充填する方法の場合、燃焼炉内で発生する高級炭化水素（上述のように有機塩素化合物生成の原因となる）の除去については、一切考慮していないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、天然鉱物により流動層燃焼炉内で燃料を燃焼及び有害ガスの排出する際に、発生するＮ2 Ｏ及び高級炭化水素を効果的かつ安価に除去できる方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、流動層燃焼炉で燃料を流動層ベッド材と共に流動化させながら行う燃焼を改善する方法において、流動層ベッド材にボーキサイトもしくは活性ボーキサイトを混合して、流動層燃焼炉内に発生するＮ２Ｏ及び炭化水素を分解するように構成される。
【００１３】
請求項２の発明は、上記炭化水素が、ガス・タール等の高級炭化水素であるように構成される。
【００１４】
請求項３の発明は、流動層燃焼炉で燃料を流動層ベッド材と共に流動化させながら行う燃焼を改善する装置において、流動層燃焼炉内に発生するＮ２Ｏ及び炭化水素を分解すべく、流動層ベッド材にボーキサイトもしくは活性ボーキサイトを混合する装置を設けて構成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面により説明する。
【００１６】
図１には、発電・ゴミ燃焼等の目的で石炭等の燃料を燃焼・利用すると共にその排ガスを処理する流動層燃焼プラント３０の一部が示されている。燃料を流動化させながら燃焼する流動層燃焼炉１は、その下部に燃料２１を供給する燃料供給ライン１５が接続されると共にその上部に排ガス排出ライン１６が接続される。排ガス排出ライン１６は、図に示されるように順に接続されたサイクロン１０，セラミックフィルタ１１，脱硫装置１２，及び流動層燃焼炉１へ供給する燃焼用空気２０を排ガスで予熱する空気予熱器１４から主に構成される。脱硫装置１２は、その内部にアルカリ吸着剤（ＣａＣＯ3 等）１３を有する。
【００１７】
図示の流動層燃焼炉１は、通気性を有する下部空気分散板２及び上部空気分散板６により燃焼炉下段部１８及び上段部１９の上下２段に分割されている。上段部１９は、フリーボード９を有する。下段部１８と上段部１９との間には、燃焼炉１内に発生した顕熱を利用するための熱交換器５が設けられる。また、燃焼炉下段部１８及び上段部１９には、サイクロン１０から延びて各段部１８，１９にベッド材（硅砂，シリカ，アルミナ，灰などの混合物）４，８を供給するベッド材供給ライン１７が接続される。
【００１８】
本実施の形態においては、又、ベッド材供給ライン１７を介して活性ボーキサイトからなる天然鉱物（図示されず）が脱Ｎ２Ｏ分解触媒（及び脱高級炭化水素分解触媒）としてベッド材４，８に混合され、よって、このベッド材供給ライン１７が、本発明の流動層燃焼炉での燃焼を改善する装置を構成する。
【００１９】
下部空気分散板２上には、ベッド材供給ライン１７を介して供給されるベッド材４，燃料供給ライン１５を介して供給される燃料２１及び空気予熱器１４から供給される燃焼用空気２０により形成される下部流動層３が位置し、一方、上部空気分散板６上には、ベッド材供給ライン１７を介して供給されるベッド材８，燃料２１及び燃焼用空気２０により形成される上部流動層７が位置する。
【００２０】
本実施の形態において、下部流動層３，上部流動層７は、上述のようにベッド材供給ライン１７を介して供給される脱Ｎ２Ｏ分解触媒（及び脱高級炭化水素分解触媒）としてのボーキサイトもしくは活性ボーキサイトからなる天然鉱物（図示せず）を含む。従って、上下部流動層３，７は、触媒層でもある。
【００２１】
この触媒（すなわちボーキサイトもしくは活性ボーキサイト）は、空気分散板２，６の上に粒状のまま供給されても、あるいは固形状触媒として空気分散板２，６の定位置に固定されてもよい。
【００２３】
本発明の脱Ｎ２Ｏ剤及び脱高級炭化水素剤としてのボーキサイトまたは活性ボーキサイトは大きな吸着能力を備えた多孔質構造を有する。
【００２４】
燃焼炉１の空気分散板２，６上に、ベッド材供給ライン１７を介してベッド材４，８及びボーキサイトもしくは活性ボーキサイトからなる触媒粒が供給されると共に燃料２１が燃料供給ライン１５を介して供給され、ここに空気予熱器１４から供給される燃焼用空気２０が空気分散板２，６を介して流入すると、燃料２１とベッド材４，８及び触媒粒とが流動化され、燃焼炉下段部１８の下部流動層３と燃焼炉上段部１９の上部流動層７とが各々形成される。又、このとき、ベッド材４，８に混入された触媒（ボーキサイトもしくは活性ボーキサイト）粒により、各流動層３，７において顕著な粒子下降流がもたらされる。
【００２５】
流動層３，７では燃料が高温（約８００〜１０００℃）で燃焼される。この燃焼により生成するＮＨ3 ，ＨＣＮが下式のように反応してＮ2 Ｏを生成する。
【００２６】
２ＮＨ3 ＋２Ｏ2   →  Ｎ2 Ｏ＋３Ｈ2 Ｏ            …（１）
２ＨＣＮ＋３Ｏ2   →  Ｎ2 Ｏ＋２ＣＯ2 ＋Ｈ2 Ｏ    …（２）
又、燃焼炉下段部１８内の燃料供給ライン１５付近では、上記の燃焼により、高級炭化水素（ガス・タール等）が生成される。
【００２７】
さて、上述のように生成されたＮ２Ｏは、ベッド４，８に混入されている触媒（ボーキサイトもしくは活性ボーキサイト）に接触すると共にこれらの触媒に吸着され、分解される（下記参照）。
【００２８】
つまり、ボーキサイトもしくは活性ボーキサイトは、上述のように多孔質構造を有し大きな比表面積及び大きな吸着能力を備えているので、Ｎ２Ｏはこれらの触媒と効率よく接触し、しかもＮ２Ｏは燃焼炉１内部のような高温条件下で（これらの触媒により）分解されやすい、特に図２に示すように、ボーキサイトは、活性白土や酸性白土に比べて、５００〜７００℃でのＮ２Ｏ分解率が高くベット材に混入して用いるのに好適である。このＮ２Ｏは下記の反応に基づき速やかに分解されると共に無害化される。
【００２９】
２Ｎ２Ｏ  →  ２Ｎ２  ＋  Ｏ２                    …（３）
なお、本発明の触媒（ボーキサイトまたは活性ボーキサイト）は、やはり排ガスに含まれていてＮ２Ｏの発生源となるアンモニア及びＨＣＮを効率的に分解することが分かっている。
【００３０】
一方、上述のように燃焼炉下段部１８内の燃料供給ライン１５付近で生成された高級炭化水素も、各流動層３，７内でベッド材４，８に混入されている触媒（ボーキサイトまたは活性ボーキサイト）に接触すると共にこの触媒に吸着され、触媒により低級炭化水素あるいはＣＯ２になるまで分解される。この本発明の触媒による炭化水素の分解作用に関する試験結果が、表１に示されている。
【００３１】
【表１】
0004158208.tif 000002
【００３２】
表１は、上記の触媒の一つである活性ボーキサイトをベッド材に加えて石炭（Ａ及びＢの２種類）を流動層燃焼炉で燃焼した場合の燃焼試験結果、特に炭素マスバランス値を示す。ちなみに、炭素マスバランス値とは石炭中の炭素分がＣＯ２，ＣＯ，ＣＨ４といった低級炭化水素（ガス）に分解された割合を示す値であり、その値が１前後であれば、石炭中の炭素分がほぼ完全にＣＯ２等に分解されたことを意味する。図示されるように、石炭Ａ，石炭Ｂの両方において、活性ボーキサイトを加えた場合の炭素マスバランス値がほぼ１であり、従って、活性ボーキサイト（又、ボーキサイトも活性ボーキサイトとほぼ同様の効果を発揮する）の触媒作用により、石炭中の炭素分（ガス・タール等の高級炭化水素を含む）が低級炭化水素に効率よく分解されることが分かる。
【００３３】
つまり、本実施の形態においては、燃焼炉１内で発生した高級炭化水素が各流動層３，７において上記の触媒の作用により速やかに分解され、この結果、燃焼炉１のフリーボード９における有機塩素化合物の生成（燃料中に含まれる塩素分と高級炭化水素とが反応して起こる）が、顕著に抑制される。
【００３４】
又、上述のように触媒（粒）により各流動層３，７内に顕著な粒子下降流がもたらされるので、高級炭化水素が燃焼炉１の酸素リッチな底部に効果的に引き下ろされ、これによってもフリーボード９後段における有機塩素化合物の生成が抑制される。
【００３５】
こうしてＮ２Ｏ及び高級炭化水素を除去された排ガスは、排ガス排出ライン１６によりサイクロン１０，セラミックフィルタ１１，脱硫装置１２へと順に導入される。脱硫装置１２では、その内部のアルカリ吸着剤１３に混合された触媒（ボーキサイトまたは活性ボーキサイト）により、排ガス中に残存しているＮ２Ｏ及び高級炭化水素がさらに分解除去される。このとき、脱硫装置１２の内部温度はまだ高温（約８５０℃）に維持されているので、Ｎ２Ｏ分解率も高い値に保たれる（図２参照）。こうしてＮ２Ｏを除去された排ガスは、他の排ガス処理設備（図示せず）を経て大気放出される。
【００３６】
なお、触媒（ボーキサイトまたは活性ボーキサイト）の供給に関しては、各流動層３，７及びアルカリ吸着剤１３に供給することに加えて、燃料供給ライン１５を介して供給される燃料（図示せず）に混合して供給してもよい。
【００３７】
本発明に係る優れたＮ２Ｏ分解活性を有する触媒の分解能力を高めるためには、反応が高温条件下で行われること、及び充分な量の触媒が使用されること等の条件が満たされねばならないが、本実施の形態においては、反応は高温条件下で行われ、また触媒のボーキサイトまたは活性ボーキサイトはいづれも安価であり容易に充分な量を供給できるから、１００％近いＮ２Ｏ分解率を低コストで達成できる。
【００３８】
以上要するに本発明によれば、高温条件下において優れたＮ２Ｏ分解能力を有する天然鉱物（ボーキサイトまたは活性ボーキサイト）を、触媒として高温の流動層燃焼炉の流動層のベッド材、脱硫装置のアルカリ吸着剤及び燃料に混合することにより、燃料の燃焼により発生するＮ２Ｏ（及びアンモニア，ＨＣＮ）を高い分解率で分解除去可能である。これらの天然鉱物は比較的安価であるから、必要に応じて充分な量を供給可能であり、ゆえに１００％近いＮ２Ｏ（及びアンモニア）除去率を低コストで達成可能である。
【００３９】
又、上記の天然鉱物から成る触媒は、優れた炭化水素分解能力も有するので、燃焼炉下段部１８で生成されたガス・タール等の高級炭化水素がこの触媒により速やかに吸着・分解され、よって、フリーボード後段における有害な有機塩素化合物の生成を抑制可能である。
【００４０】
又、上記の触媒（粒）により各流動層内に顕著な粒子下降流がもたらされるので、発生した高級炭化水素が燃焼炉底部に効果的に引き下ろされ、これによってもフリーボード後段における有機塩素化合物の生成が抑制される。
【００４１】
【発明の効果】
以上要するに本発明に係る天然鉱物による燃焼及びＮ2 Ｏ排出を改善する方法及び装置によれば、以下の優れた効果がもたらされる。
【００４２】
(1)  本発明で触媒として用いられる活性ボーキサイトまたはボーキサイト（天然鉱物）は、多孔質構造を有し大きな比表面積及び大きな吸着能力を備えているので、Ｎ２Ｏはこれら触媒と効率よく接触可能であり、高い分解率がもたらされる。また上記の触媒は、高温条件下において高いＮ２Ｏ分解率を示すので、流動層燃焼炉及びその付属設備で使用されると、極めて高い分解率を達成できる。
【００４３】
(2)  本発明で触媒として用いられる活性ボーキサイトまたはボーキサイトは比較的安価な天然鉱物であり、これを触媒として多量に供給することにより、１００％近いＮ２Ｏ除去率を低コストで達成可能である。
【００４４】
(3) 上記の天然鉱物から成る触媒は、優れた炭化水素分解能力も有するので、燃焼炉下段部で生成されたガス・タール等の高級炭化水素がこの触媒により速やかに吸着・分解され、よって、フリーボード後段における有害な有機塩素化合物の生成を抑制可能である。
【００４５】
(4) 流動層内に上記の触媒粒により顕著な粒子下降流がもたらされるので、発生した高級炭化水素が燃焼炉底部に効果的に引き下ろされ、これによってもフリーボード後段における有機塩素化合物の生成が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の天然鉱物触媒によるＮ2 Ｏ排出抑制方法の好適実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の好適実施の形態において用いられる触媒の反応温度とＮ2 Ｏ分解率（％）の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  流動層燃焼炉
２  下部空気分散板
３  下部流動層
４，８  ベッド材
５  熱交換器
６  上部空気分散板
７  上部流動層
９  フリーボード
１０  サイクロン
１１  セラミックフィルタ
１２  脱硫装置
１３  アルカリ吸着剤
１４  空気予熱器
１５  燃料供給ライン
１６  排ガス排出ライン
１７  ベッド材供給ライン
１８  燃焼炉下段部
１９  燃焼炉上段部
２０  燃焼用空気
２１  燃料
３０  流動層燃焼プラント
【図１】
0004158208.tif 000003
【図２】
0004158208.tif 000004