(57)【要約】【課題】良質な灰も提供する、石炭燃焼の改良された方法を提供する。【解決手段】燃料中の成分に結合した炭素分及び燃料中の成分に結合した窒素分を含む炭化水素粒子の燃焼又は加熱の期間中において、炭化水素結合を破壊する方法であって、炭化水素粒子をバーナー内で燃料向上剤を使用して加熱するステップであり、燃料向上剤は主に酸化鉄及び二酸化ケイ素を含む、加熱するステップを含む。燃料に対する燃料向上剤の比率は炭化水素粒子の３３重量％までである。炭化水素粒子は粒子サイズ分布を有し、前記燃料向上剤は粒子サイズ分布を有し、粒子サイズ分布の９０パーセンタイル値の炭化水素の粒子は、粒子サイズ分布の９０パーセントタイル値の燃料向上剤の粒子より大きく、粒子サイズ分布の１０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子は粒子サイズ分布の９０パーセンタイル値の炭化水素の粒子より１桁小さい。【選択図】図４ａ【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料中の成分に結合した炭素分及び燃料中の成分に結合した窒素分を含む炭化水素粒子の燃焼又は加熱の期間中において、炭化水素結合を破壊する方法であって、
酸化鉄及び二酸化ケイ素を含む燃料向上剤を使用し、前記炭化水素粒子をバーナー内で加熱するステップを含み、
前記炭化水素粒子および前記燃料向上剤は、粒子サイズ分布を有し、粒子サイズ分布の９０パーセンタイル値の炭化水素の粒子が、粒子サイズ分布の９０パーセントタイル値の前記燃料向上剤の粒子より大きく、粒子サイズ分布の１０パーセンタイル値の前記燃料向上剤の粒子が粒子サイズ分布の９０パーセンタイル値の前記炭化水素の粒子より１桁小さく、
燃料に対する燃料向上剤の比率は炭化水素粒子の３３重量％までである、炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項２】
９０パーセンタイル値の前記燃料向上剤の粒子サイズは５５ミクロン以下であり、９０パーセンタイル値の炭化水素粒子の粒子サイズは６０ミクロン以上であり、１０パーセンタイル値の前記燃料向上剤の粒子サイズは６ミクロン未満である、請求項１に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項３】
１００パーセンタイル値の炭化水素粒子の粒子サイズは６０ミクロンから７００ミクロンの間である、請求項１又は２に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項４】
９０パーセンタイル値の前記燃料向上剤の粒子サイズは３５ミクロン以下である、請求項１から３の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項５】
９０パーセンタイル値の前記燃料向上剤の粒子サイズ分布は３２ミクロン以下である、請求項４に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項６】
９０パーセンタイル値の前記燃料向上剤の粒子サイズは２５ミクロン以下である、請求項５に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項７】
前記燃料向上剤の粒子の体積加重平均粒子サイズは２６ミクロン以下である、請求項１から６の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項８】
前記燃料向上剤の体積加重平均粒子サイズは１７ミクロン以下である、請求項７に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項９】
前記炭化水素粒子の体積加重平均粒子サイズは２９ミクロンから９０ミクロンである、請求項１から８の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１０】
前記燃料向上剤の面積加重平均粒子サイズは９ミクロン以下である、請求項１から９の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１１】
前記燃料向上剤の面積加重平均粒子サイズは６ミクロン以下である、請求項１０に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１２】
前記炭化水素粒子の面積加重平均粒子サイズは９ミクロンから３５ミクロンである、請求項１から１１の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１３】
９０パーセンタイル値の前記炭化水素粒子は２２０ミクロン以下である、請求項１から１２の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１４】
９０パーセンタイル値の前記炭化水素粒子は１８０ミクロン以下である、請求項１３に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１５】
燃料に対する燃料向上剤の比率は炭化水素粒子の１重量％から３３重量％の範囲である、請求項１から１４の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１６】
燃料に対する燃料向上剤の比率は炭化水素粒子の５重量％から１２重量％の範囲である、請求項１５に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１７】
前記燃料向上剤は１％から５％の間の前記炭化水素粒子と置き換えられ、燃料向上剤の割合は置き換えられた炭化水素粒子の量以上である、請求項１から１６の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１８】
前記燃料向上剤は１％から３％の前記炭化水素粒子と置き換えられる、請求項１７に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項１９】
前記炭化水素粒子は石炭である、請求項１から１８の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項２０】
前記燃料向上剤は酸化アルミニウム及び／又は酸化カルシウムを含む、請求項１から１９の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項２１】
前記燃料向上剤は７重量％までの酸化アルミニウム及び／又は１０重量％までの酸化カルシウムを含む、請求項２０に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項２２】
前記燃料向上剤は３重量％から５．５重量％の酸化アルミニウム及び／又は２重量％から７．５重量％の酸化カルシウムを含む、請求項２１に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項２３】
前記燃料向上剤は７０重量％から９１重量％の組み合わされた酸化鉄と二酸化ケイ素を備える、請求項１から２２の何れか一項に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項２４】
前記燃料向上剤は４１重量％から５２重量％の酸化鉄を備える、請求項２３に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項２５】
前記燃料向上剤は３２重量％から４０重量％の二酸化ケイ素を備える、請求項２３又は２４に記載の炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項２６】
燃料中の成分に結合した炭素分と燃料中の成分に結合した窒素分を含む炭化水素粒子の燃焼の間にポゾラン性の飛散灰を製造する方法であって、
請求項１から２５の何れか一項に記載の方法を実行するステップと、
前記バーナーから前記飛散灰を回収するステップであって、回収された飛散灰の３０％以下の粒子サイズは４５ミクロンより大きい、回収するステップと、
を備えるポゾラン性の飛散灰を製造する方法。
【請求項２７】
前記回収された飛散灰の２０％以下の粒子サイズは４５ミクロンより大きい、請求項２６に記載のポゾラン性の飛散灰を製造する方法。
【請求項２８】
前記燃料向上剤の少なくとも７０重量％は二酸化ケイ素、酸化鉄及び酸化アルミニウムから成る、請求項２６又は２７に記載のポゾラン性の飛散灰を製造する方法。
【請求項２９】
前記燃料向上剤の少なくとも７５重量％は二酸化ケイ素、酸化鉄及び酸化アルミニウム及び酸化カルシウムから成る、請求項２８に記載のポゾラン性の飛散灰を製造する方法。
【請求項３０】
前記ポゾラン性の飛散灰は７％以下の強熱減量を有する、請求項２７から２９の何れか一項に記載のポゾラン性の飛散灰を製造する方法。
【請求項３１】
請求項２７から３０の何れか一項に記載の方法を実行するステップと、得られたポゾラン性の飛散灰を水酸化カルシウムと混合するステップを含む、セメント質の化合物を製造する方法。
【請求項３２】
ポートランドセメントと、請求項３１の方法により製造されるセメント質の化合物及び／又は請求項２７から３０の何れか一項に記載の方法により製造されたポゾラン性の飛散灰との混合物を備える複合セメント。
【請求項３３】
請求項３１に記載の方法により製造されたセメント質の化合物及び／又は請求項２７から３０の何れか一項に記載の方法により製造されたポゾラン性の飛散灰に対するポートランドセメントの比率は３０：７０と７０：３０の間である、請求項３２に記載の複合セメント。
【請求項３４】
バーナー内での炭化水素粒子の燃焼から生じるボイラー内のスラグ及び／又は熱回収装置の汚染を減少させる方法であって、前記炭化水素粒子は燃料中の成分に結合した炭素分及び燃料中の成分に結合した窒素分を含み、前記方法は、
ボイラー及び／又は熱回収装置に関連付けられたバーナー内で請求項１から２５の何れか一項に記載の方法を実行するステップと、炭化水素粒子及び燃料向上剤の組合せのスラグ及び／又は汚染の指標を提供するための基礎に対する酸性の比率及び／又は単純化された基礎に対する酸性の比率Ｒ(B/A)が非常に高い範囲より下であるように前記炭化水素粒子に対する燃料向上剤の量を制御するステップとを備える、スラグ及び汚染を減少させる方法。
【請求項３５】
前記スラグの指標は２以下である、請求項３４に記載のスラグ及び汚染を減少させる方法。
【請求項３６】
前記汚染の指標は２以下である、請求項３４又は３５に記載のスラグ及び汚染を減少させる方法。
【請求項３７】
前記スラグ及び／又は汚染の指標は０．６以下である、請求項３４から３６の何れか一項に記載のスラグ及び汚染を減少させる方法。
【請求項３８】
前記炭化水素粒子は石炭である、請求項３４から３７の何れか一項に記載のスラグ及び汚染を減少させる方法。
【請求項３９】
前記燃料向上剤は酸化ナトリウム及び／又は酸化カリウムを含み、前記炭化水素粒子は酸化ナトリウム及び／又は酸化カリウムを含み、燃料向上剤と炭化水素粒子の相対的比率は、前記燃料向上剤と前記炭化水素粒子のそれぞれの酸化ナトリウム及び／又は酸化カリウムの割合に応じて選択される、請求項３４から３７の何れか一項に記載のスラグ及び汚染を減少させる方法。
【請求項４０】
燃料中の成分に結合した炭素分及び燃料中の成分に結合した窒素分を含む炭化水素粒子の燃焼又は加熱の間の窒素酸化物排出を減少させる方法であって、
チャー窒素に対する揮発性窒素の比率及びチャー炭素に対する揮発性炭素の比率を増加させるため、請求項１から２５の何れか一項に記載の方法を実行するステップを備える、窒素酸化物排出を減少させる方法。
【請求項４１】
前記炭化水素粒子の燃焼は燃料豊富な区域を有する炎を生成し、チャー窒素に対する揮発性窒素及び／又はチャー炭素に対する揮発性炭素の比率は前記燃料豊富な区域において増加する、請求項４０に記載の窒素酸化物排出を減少させる方法。
【請求項４２】
揮発性窒素を前記燃料向上剤の金属酸化物及び揮発性の酸化炭素と反応させるステップをさらに含む、請求項４０又は４１に記載の窒素酸化物排出を減少させる方法。
【請求項４３】
排気システムから出る排ガスの粉塵濃度を減少させる方法であって、
前記排煙は燃料中の成分に結合した炭素分及び燃料中の成分に結合した窒素分を含む炭化水素粒子の燃焼又は加熱から生じ、
電気集塵装置に前記排気システムを提供するステップと、
前記電気集塵装置の下流の前記排煙の粉塵の質量を減少させるため、請求項１から２５の何れか一項に記載の方法を実行するステップと、を含む、粉塵濃度を減少させる方法。
【請求項４４】
前記バーナーで加熱された燃料向上剤の量を調節することにより、前記排気ガスの粉塵の濃度を制御するステップを備える、請求項４３に記載の粉塵濃度を減少させる方法。
【請求項４５】
実質的に図面に示され、図面を参照して記載された炭化水素粒子の燃料又は加熱の間に炭化水素結合を破壊する方法。
【請求項４６】
実質的に図面に示され、図面を参照して記載されたポゾラン性の飛散灰を製造する方法。
【請求項４７】
実質的に図面に示され、図面を参照して記載されたセメント質の化合物を製造する方法。
【請求項４８】
実質的に図面に示され、図面を参照して記載されたセメント化合物を製造する方法。
【請求項４９】
実質的に図面に示され、図面を参照して記載されたスラグ及び汚染を減少させる方法。
【請求項５０】
実質的に図面に示され、図面を参照して記載された窒素酸化物排出を減少させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭化水素燃料の燃焼からの窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を減少させる方法に関し、より詳細には、窒素酸化物の排出を減少し、結果として強熱減量が改良され炭素含有量が低い灰副産物を生じる化石燃料の改良された燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工業処理ユニット、特に石炭火力発電所からの大気汚染に関する懸念が増大してきている。
【０００３】
大型燃焼施設指令（ＬＣＰＤ）はヨーロッパ連合（ＥＵ）の指令であり、ＥＵの加盟国に化石燃料発電所を含む所定の燃焼発電所からの排出を制限することを要求するものである。この指令は二酸化硫黄及び窒素酸化物の排出制限を規定する。ヨーロッパにおいてＬＣＰＤの施行は多くの従来の石炭火力発電所を閉鎖する計画である。有害な窒素酸化物、炭素及び硫黄は気候、環境及び人体の健康に根本的な害を引き起こす。
特に、排出を減少又は最小化させるシステムの発見に相当な関心が持たれ、そのために触媒や添加剤が開発された。
【０００４】
この課題の解決策は低窒素酸化物バーナーに嵌合される石炭火力発電所を含む。窒素酸化物と硫黄酸化物を減らす一方、これらのバーナーはまた燃焼効率のロスを引き起こし、それは通常、炭素が２０％の範囲である高い水準の未焼炭素が灰に含まれることを引き起こし、灰を望ましくない廃棄物にする。
【０００５】
アメリカ合衆国、インド、中国及びオーストラリアは飛散灰の主要な生産国である。２００９年に、アメリカ合衆国だけでＣＯ２換算５７．２トンの飛散灰を生産し、その内ＣＯ２換算２２．４トンのみがコンクリート／セメント製造に使用された。（ｈｔｔｐ：／／ｍｉｎｅｒａｌｓ．ｕｓｇｓ．ｇｏｖ／ｄｓ／２００５／１４０／ｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓ．ｐｄｆ）。飛散灰は主に、未焼炭素といくらかの結晶物質を含むシリコン及びアルミニウムの酸化物のガラス球を含む。低窒素酸化物バーナーの導入は飛散灰の強熱減量（ＬＯＩ）値を次第に上昇させる原因となる。未焼炭素は、凍結融解状態に対する保護を低下させる空気混入の界面活性剤を吸収する傾向があるため、空気が混入したコンクリート混合物において重要である。同様に過度の炭素は、充填の応用のための最適な密度及び水分量に影響する。飛散灰がセメントの代替物として使用されるためには、強熱減量を７％より少なくする必要がある。
触媒及び燃料添加剤も窒素酸化物及び硫黄酸化物の排出を減少又は最小化するために開発されてきた。
【０００６】
例えば、特許文献１（発明者Ｒａｄｗａｙ）は硫黄の排出、酸化窒素物の排出及び石炭火力ボイラーの重金属沈着を減らす目的の添加剤を開示する。添加剤は大部分においてカルシウム、シリコン、鉄及びアルミニウムの酸化物と組み合わされた酸化マグネシウムを含む。
【０００７】
灰は石炭の燃焼において生成される副産物である。飛散灰は一般に発電所の煙突から捕獲され、底部の灰は炉の底部から除去される。英国では、年間にちょうど１００万トンを越える飛散灰が生産される。
【０００８】
世界的に石炭火力発電所から生産される灰の大部分は埋め立て地に廃棄されるか、ボタ山に保管される。いくつかの国では埋め立て地にそのような廃棄物を廃棄するのに税金を課す。灰の再利用は増大する埋め立て地のコスト及び環境コストのため近年大きな懸念となりつつある。
【０００９】
この灰の大部分は本来ポゾラン性であり、それは水酸化カルシウムと組み合わされた時セメント質の特性を示すことを意味する。原則として、飛散灰はコンクリート混合物のポートランドセメント含有量の一部の代替として使用され得る。ポートランドセメントの製造自体はエネルギー集約型であり、およそポートランドセメント１トンにつき１トンの二酸化炭素である大量の二酸化炭素を製造し、よって他の場合では未使用の副産物と共にこの一部を代替することは炭素の排出を劇的に減少させる。
【００１０】
しかし、未焼炭素を高い割合で含む灰は、混合方法の間にコンクリートから重要なセメント性の化学混合物を吸収する傾向があるため、ポートランドセメントの代替として使用できない。これは混合物を意図した目的を達成させるために使用不可能とする。炭素含有量が７％以下の灰はポゾランとして使用するのに望ましい。
【００１１】
飛散灰はポゾランとして使用するのに十分なレベルまで炭素含有量を減らすために処理され得る。それらの方法の例は、飛散灰を再燃焼して炭素含有量を減らすこと、炭素の割合を低くする静電選別方法、及び炭素の吸収性を減らすことにより炭素含有量の影響を最小にする飛散灰の化学処理を含む。これらの方法の全ては少なくとも１つの追加の処理段階を必要とし、廃棄物よりむしろ有用な副産物を製造する全体のコストを追加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願第２００６／００３４７４３号明細書
【特許文献２】英国特許第２４５１２９９号明細書
【特許文献３】英国特許第２４６０５０５号明細書
【特許文献４】英国特許第２４７１９３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、窒素酸化物の排出を減少させ、一方環境規制を満足する方法で灰を廃棄されなければならない廃棄物よりむしろ売り物であり市場性のある副産物にする低い炭素含有量の良質な灰も提供する、石炭燃焼の改良された方法を提供することにある。さらに、燃焼される石炭の量は減少するがエネルギー出力は減少せず、好ましくはエネルギー出力が増加して炭素の排出が減少される、改良された方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一つの態様による、炭化水素結合を破壊する方法は、燃料中の成分に結合した炭素分及び燃料中の成分に結合した窒素分を含む炭化水素粒子の燃焼又は加熱の期間中において、炭化水素結合を破壊する方法であって、以下のステップを含む。
炭化水素粒子をバーナー内で燃料向上剤を使用して加熱するステップであって、燃料向上剤は主に酸化鉄及び二酸化ケイ素を含む、加熱するステップを含む。
【００１５】
炭化水素粒子は粒子サイズ分布を有し、燃料向上剤は粒子サイズ分布を有し、粒子サイズ分布の９０パーセンタイル値の炭化水素の粒子は、粒子サイズ分布の９０パーセントタイル値の燃料向上剤の粒子より大きく、粒子サイズ分布の１０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子は粒子サイズ分布の９０パーセンタイル値の炭化水素の粒子より１桁小さく、燃料に対する燃料向上剤の比率は炭化水素粒子の３３重量％までである。
【００１６】
好ましくは、９０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子サイズは５５ミクロン以下であり、９０パーセンタイル値の炭化水素粒子の粒子サイズは６０ミクロン以上であり、１０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子サイズは６ミクロン未満である。
好ましくは、１００パーセンタイル値の炭化水素粒子の粒子サイズは６０ミクロンから７００ミクロンの間である。
【００１７】
好ましくは、９０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子サイズは３５ミクロン以下である。より好ましくは、９０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子サイズ分布は３２ミクロン以下である。さらにより好ましくは、９０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子サイズは２５ミクロン以下である。
【００１８】
好ましくは、燃料向上剤の粒子の体積加重平均粒子サイズは２６ミクロン以下である。より好ましくは、燃料向上剤の体積加重平均粒子サイズは１７ミクロン以下である。
好ましくは、炭化水素粒子の体積加重平均粒子サイズは２９ミクロンから９０ミクロンの範囲である。
好ましくは、燃料向上剤の面積加重平均粒子サイズは９ミクロン以下である。より好ましくは、燃料向上剤の面積加重平均粒子サイズは６ミクロン以下である。
好ましくは、炭化水素粒子の面積加重平均粒子サイズは９ミクロンから３５ミクロンの範囲である。
【００１９】
好ましくは、９０パーセンタイル値の炭化水素粒子の粒子サイズは２２０ミクロン以下である。より好ましくは、９０パーセンタイル値の炭化水素粒子の粒子サイズは１８０ミクロン以下である。
【００２０】
好ましくは、燃料に対する燃料向上剤の比率は炭化水素粒子の１重量％から３３重量％の範囲である。より好ましくは、燃料に対する燃料向上剤の比率は炭化水素粒子の５重量％から１２重量％の範囲である。
【００２１】
好ましくは、燃料向上剤は１％から５％の間の炭化水素粒子と置き換えられ、燃料向上剤の割合は置き換えられた炭化水素粒子の量以上である。より好ましくは、燃料向上剤は１％から３％の炭化水素粒子と置き換えられる。
好ましくは、炭化水素粒子は石炭である。
【００２２】
好ましくは、燃料向上剤は酸化アルミニウム及び／又は酸化カルシウムを含む。より好ましくは、燃料向上剤は７重量％までの酸化アルミニウム及び／又は１０重量％までの酸化カルシウムを含む、さらにより好ましくは、燃料向上剤は３重量％から５．５重量％の酸化アルミニウム及び／又は２重量％から７．５重量％の酸化カルシウムを含む。
好ましくは、燃料向上剤は７０重量％から９１重量％の組み合わされた酸化鉄と二酸化ケイ素を含む。
好ましくは、燃料向上剤は４１重量％から５２重量％の酸化鉄を含む。
好ましくは、燃料向上剤は３２重量％から４０重量％の二酸化ケイ素を含む。
【００２３】
本発明の第２の態様は、燃料中の成分に結合した炭素分と燃料中の成分に結合した窒素分を含む炭化水素粒子の燃焼の間にポゾラン性の飛散灰を製造する方法であって、
以前に規定された炭化水素粒子を燃料又は加熱する間に炭化水素結合を破壊する方法を実行するステップと、
バーナーから飛散灰を回収するステップであって、回収された飛散灰の３０％以下の粒子サイズは４５ミクロンより大きい、回収するステップと、
を含むポゾラン性の飛散灰を製造する方法を提供する。
好ましくは、回収された飛散灰の２０％以下の粒子サイズは４５ミクロンより大きい。
【００２４】
好ましくは、燃料向上剤の少なくとも７０重量％は二酸化ケイ素、酸化鉄及び酸化アルミニウムから成る。より好ましくは、燃料向上剤の少なくとも７５重量％は二酸化ケイ素、酸化鉄及び酸化アルミニウム及び酸化カルシウムから成る。
好ましくは、ポゾラン性の飛散灰は７％以下の強熱減量を有する。
【００２５】
本発明の第３の態様は、以前に規定されたポゾラン性の飛散灰を製造する方法を実行するステップと、得られたポゾラン性の飛散灰を水酸化カルシウムと混合するステップを含む、セメント質の化合物を製造する方法を提供する。
【００２６】
本発明の第４の態様は、ポートランドセメントと、前に規定したセメント質の化合物を製造する方法により製造されるセメント質の化合物及び／又は前に規定したポゾラン性の飛散灰を製造する方法により製造されたポゾラン性の飛散灰との混合物を含む複合セメントを提供する。
【００２７】
好ましくは、前に規定したセメント質の化合物を製造する方法により製造されたセメント質の化合物及び／又は前に規定したポゾラン性の飛散灰を製造する方法により製造されたポゾラン性の飛散灰に対するポートランドセメントの比率は３０：７０と７０：３０の間である。
【００２８】
本発明の第５の態様は、バーナー内での炭化水素粒子の燃焼から生じるボイラー内のスラグ及び／又は熱回収装置の汚染を減少させる方法であって、炭化水素粒子は燃料中の成分に結合した炭素分及び燃料中の成分に結合した窒素分を含み、方法は、
【００２９】
ボイラー及び／又は熱回収装置に関連付けられたバーナー内で前に規定した炭化水素粒子を燃焼又は加熱する間に炭化水素結合を破壊する方法を実行するステップと、炭化水素粒子及び燃料向上剤の組合せのスラグ及び／又は汚染の指標が非常に高い範囲より下であるような基礎に対する酸性の比率及び／又は単純化された基礎に対する酸性の比率Ｒ(B/A)を提供するため、炭化水素粒子に対する燃料向上剤の量を制御するステップとを含む、スラグ及び汚染を減少させる方法を提供する。
好ましくは、スラグの指標は２以下である。
好ましくは、汚染の指標は２以下である。
より好ましくは、スラグ及び／又は汚染の指標は０．６以下である。
好ましくは、炭化水素粒子は石炭である。
【００３０】
好ましくは、燃料向上剤は酸化ナトリウム及び／又は酸化カリウムを含み、炭化水素粒子は酸化ナトリウム及び／又は酸化カリウムを含み、燃料向上剤と炭化水素粒子の相対的比率は、燃料向上剤と炭化水素粒子のそれぞれの酸化ナトリウム及び／又は酸化カリウムの割合に応じて選択される。
【００３１】
本発明の第６の態様は、燃料中の成分に結合した炭素分及び燃料中の成分に結合した窒素分を含む炭化水素粒子の燃焼又は加熱の期間中の窒素酸化物排出を減少させる方法であって、
【００３２】
チャー窒素に対する揮発性窒素の比率及びチャー炭素に対する揮発性炭素の比率を増加させるため、前に規定した炭化水素粒子の燃焼の間に炭化水素結合を破壊する方法を実行するステップを含む、窒素酸化物排出を減少させる方法を提供する。
【００３３】
好ましくは、炭化水素粒子の燃焼は燃料豊富な区域を有する炎を生成し、チャー窒素に対する揮発性窒素及び／又はチャー炭素に対する揮発性炭素の比率は燃料豊富な区域において増加する。
好ましくは、第６の態様の方法は揮発性窒素を燃料向上剤の金属酸化物及び揮発性の酸化炭素と反応させるステップをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１ａ】ローラーミルを使用した粉砕後の水冷式燃料向上剤のサンプルの分布粒子サイズを示すグラフである。
【図１ｂ】ローラーミルを使用した粉砕後の空冷式燃料向上剤のサンプルの粒子サイズ分布を示すグラフである。
【図２ａ】ローラーミルを使用した粉砕後の３つの異なる石炭サンプルの分布粒子サイズを示すグラフである。
【図２ｂ】ローラーミルを使用した粉砕後の３つの異なる石炭サンプルの分布粒子サイズを示すグラフである。
【図２ｃ】ローラーミルを使用した粉砕後の３つの異なる石炭サンプルの分布粒子サイズを示すグラフである。
【図３】理論混合比が１．２０である段階的でない炎状態の下で様々な工業用石炭からの一酸化炭素排出に関する燃料向上剤の質量分率の効果を示す一連のグラフであり、Ａはロシア石炭（ＲＣ）を使用した水冷式（ＷＣ）燃料向上剤であり、Ａ’はＲＣを使用した空冷式（ＡＣ）燃料向上剤であり、Ｂはコロンビア石炭（ＣＣ）を使用したＷＣ燃料向上剤であり、Ｂ’はＣＣを使用したＡＣ燃料向上剤であり、Ｃはキリングレー石炭（ＫＣ）を使用したＷＣ燃料向上剤であり、Ｃ’はＫＣを使用したＡＣ燃料向上剤である。
【図４ａ】石炭粒子を有する燃料向上剤粒子の相互作用のための提案されたメカニズムの概略を示す図である。
【図４ｂ】燃料向上剤の存在下で窒素酸化物減少化学経路を示す図である。
【図４ｃ】燃料向上剤の存在下で燃料Ｃ（石炭）から揮発性Ｃ（軽い炭化水素）へ熱分解するメカニズムの概略を示す図である。
【図５】２段階の固定床反応器を示す図である。
【図６】ＡＣ燃料向上剤と石炭の異なる混合物の燃焼の間の一酸化炭素の放出を示すグラフ（グラフＡ）、および、ＡＣ燃料向上剤と石炭の異なる混合物の燃焼の間の炭化水素の濃度を示すグラフ（グラフＢ）である。
【図７】空冷式（ＡＣ）燃料向上剤及び水冷式（ＷＣ）燃料向上剤の両方の質量分率が変化する様々な工業用石炭からの一酸化炭素放出を示す一連のグラフであり、ＡからＣはロシア石炭（ＲＣ）のＷＣ燃料向上剤の質量分率が６．４％、８．８％及び１３％である場合、ＤからＦはコロンビア石炭（ＣＣ）のＷＣ、ＡＣ及びＷＣ燃料向上剤の質量分率がそれぞれ５．４５％、６．２％及び７．８％である場合、ＧからＩはキリングレー石炭（ＫＣ）のＡＣ、ＷＣ及びＡＣ燃料向上剤の質量分率がそれぞれ８．９％、９．１％及び１０．３％である場合である。
【図８】３つの異なる工業用石炭のための燃料向上剤の質量分率に対して描かれた飛散灰のＬＯＩを示す一連のグラフであり、Ａはロシア石炭、Ｂはコロンビア石炭、Ｃはキリングレー石炭である。
【図９】ＲＣを４．２％燃料向上剤で燃焼し、ＫＣを４．８％燃料向上剤で燃焼するバーナーを使用して、ＲＣ、ＫＣ又は典型的な英国石炭のみを燃焼するバーナーから得られる飛散灰の粒子分布の比較を示すグラフである。
【図１０】異なる工業用石炭を有する、異なる質量分率の燃料向上剤のためのバーナー内の温度計測を示すグラフである。
【図１１】様々な石炭、及び石炭と燃料向上剤との混合に対する計算され予測されたスラグ及び汚染指標を示す表である。
【図１２】排気ボイラーの西側、中央及び東側の脚における静電気集塵機の下流の排気ガスの粉塵濃度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図面において、本発明の好ましい実施形態が示されている。本発明の改良された燃焼方法は、例えば石炭火力発電所等の炭素系燃料バーナー内のメインバーナーに燃料向上剤を注入することを含む。燃料向上剤は、典型的には銅及びニッケルの製造における金属精錬方法の副産物であるスラグから通常生じる酸化鉄の混合物から派生する。燃料向上剤は遷移金属の酸化物と他の要素との混合物を含む。燃料向上剤は主に鉄、アルミニウム、カルシウム及びシリコン酸化物の混合物を含む。２つの異なる種類の燃料向上剤が製造され得る。一方は空冷式、他方は水冷式である。表１は２つの燃料向上剤サンプルのＸ線蛍光（ＸＲＦ）分析を示す。表２はそれら２つのサンプルのＸ線回折（ＸＲＤ）分析を示す。
【００３６】
【表１】
2016527328.tif 000002
【００３７】
【表２】
2016527328.tif 000003
【００３８】
本発明の燃料向上剤成分は通常、周期表の周期３及び４（グループＩＩからＶ）に属する化学元素及びそれらの酸化物を含む。表１に示すように、燃料向上剤は主に酸化鉄及び二酸化ケイ素を含み、それは燃料向上剤に存在する酸化鉄及び二酸化ケイ素の組み合わされた量が燃料向上剤に存在する如何なる他の成分の量より多いことを意味する。
【００３９】
燃料向上剤は好ましくは、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４に記載されたボールミル又はローラーミル等の、硬質材料から微粉を製造するのに適したミルを使用して粉砕される。好ましくは、燃料向上剤は９０パーセンタイル値の粒子サイズが５５ミクロン以下［ｄ（０．９）＜５５］になるように製粉される。表３は、粒子サイズ分布が様々な方法で測定される、ローラーミルで製粉された両方の種類の燃料向上剤の粒子サイズ分布と物理的及び化学的特性を示す。
【００４０】
【表３】
2016527328.tif 000004
【００４１】
図１ａ及び図１ｂはマルバーンマスターサイザーシロッコ２０００を使用して計測した、ミル通過後の燃料向上剤の粒子サイズの直径の範囲を示すグラフである。
【００４２】
図２ａ、図２ｂ、図２ｃはミル通過後の３つの異なる石炭サンプルの粒子サイズの直径の範囲を示す。これらのグラフの粒子サイズはマルバーンマスターサイザーシロッコ２０００を使用して計測された。表４は３つの異なる石炭サンプルの粒子サイズ分布のまとめを示す。
【００４３】
【表４】
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【００４４】
燃料向上剤はまた強熱減量（ＬＯＩ）の改良に応じて、バーナーにおける１重量％から５重量％の範囲の量の炭素系燃料の比率を置き換え得る。炭素系燃焼ボイラーは、燃料向上剤の量及びＬＯＩの改良に応じてより少ない燃料を燃やすことにより同じ蒸気負荷を製造し得るか、又は同じ燃料入力を燃やすことにより蒸気負荷を増加し得る。
【００４５】
３つの商業的に入手可能な石炭を炭素系燃料として使用する実験が行われた。石炭は低度、中度及び高度の灰含有物を有していた。コロンビア石炭は低度の灰石炭であり、ロシアのサブ瀝青質の石炭は中度の灰石炭であり、英国キリングレー石炭は高度の灰石炭である。これらの石炭の化学的組成は表５に列挙される。
【００４６】
【表５】
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【００４７】
実験は長さ４メートル、内径４００ｍｍの下焚き微粉炭燃焼炉を含む１００ｋＷの燃焼試験施設で行われた。炉のバーナーは（石炭の種類によるが）およそ１０から１１．６５ｋｇ／ｈｒの石炭投入供給速度で操作され、結果として正味の熱入力は約７５から８５ｋＷとなった。主な排煙の種類である二酸化炭素、酸素、窒素酸化物及び一酸化炭素は炉の出口で計測された。ガスサンプルは、正確な燃焼状態を炉に設定可能とするために水冷のステンレス鋼のプローブを通してガスサンプルシステムへ常に引き出された。プローブからの抽出された排煙は洗浄及び乾燥の目的で一連のフィルタ及び排水器を通してポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）管を経由して移送された。排煙は冷却装置を通過することにより２℃まで冷却された。フィルタは、ガスサンプルシステムの閉塞を防止するため、しばしば排水器の洗浄と共に交換された。排煙はサンプルガスを異なるガス分析器に方向付けるマニホールドを通過した。煙道内の酸素はサンプルの一部に指示シリカゲルを通過させることにより計測された。炉から排煙に引き込むのに使用されるガスサンプルプローブが、操作中の閉塞を防止するための除去の目的で圧縮窒素供給に取り付けられた。オンラインのガス分析システムは酸素、二酸化炭素、一酸化炭素及び一酸化窒素（窒素酸化物）を監視し、炉の下の温度はそれぞれの試験期間中、監視されてＰＣに記録される。
【００４８】
添加剤が異なる種類の石炭と共に１．３から１３％の質量分率の炉に供給された。飛散灰の固形物が遠心分離機に連結された飛散灰捕獲ポットにより集められた。サンプルと排出物は各試験の定常状態条件を達成した後、集められて測定された。飛散灰のサンプルは、１０５℃で１時間乾燥した後、８５０℃で２時間加熱することによりマッフル炉の強熱減量（ＬＯＩ）のため分析された。ボイラーでは、一般的にＬＯＩの値は未燃の炭素と等しい。
【００４９】
（窒素酸化物の排出）
燃料と結合した窒素は、粉砕した石炭燃焼での窒素酸化物形成に対し約８０％から９５％貢献する。石炭燃焼中の燃料と結合した窒素は一般に揮発性Ｎと炭化Ｎに分割される。この分割は優先的に、温度、滞留時間及び加熱速度等の燃焼条件と共に窒素含有量と石炭の揮発性に依存する。サブ瀝青質の石炭の場合、タール化合物を含む揮発性Ｎは迅速にシアン化水素（ＨＣＮ）又は煤窒素に崩壊する。対照的に、低品位炭は優先的にアンモニア等の低窒素種を放出するであろう。放出された揮発性物質に存在する窒素の種（アンモニア及びシアン化水素）の燃焼及び炭化窒素の酸化は窒素酸化物を形成することとなる。しかし、シアン化水素又はアンモニアはまた、入手可能な一酸化窒素と反応した後に窒素に減少され得る。これはバーナーの近くの利用可能な理論混合比、炉内の進化した種の混合及び燃料Ｎ濃度に依存する。
【００５０】
図３は窒素酸化物排出に対する水冷式（ＷＣ）及び空冷式（ＡＣ）燃料向上剤の両方を追加することの効果を示す。この例の全てにおいて窒素酸化物排出は燃料向上剤の質量分率が０から１２％に増加するにつれて減少する。
【００５１】
図４ａは燃料向上剤と石炭の相互作用の提案されたメカニズムの概略を示す。燃料向上剤追加の間に観察される段階的でない燃焼下での窒素酸化物減少方法は、燃料向上剤粒子と石炭基質との相互作用、及び石炭粒子から放出される揮発性物質と部分的に関連付けられ、その結果燃料Ｎから揮発性Ｎへの分割に有利に働く重い炭化水素の分解をもたらす。図４ａに示すように石炭粒子は燃焼室内で発生する加熱の期間中に膨張するが、燃焼向上剤粒子は膨張しない。石炭粒子が膨張すると、燃料向上剤粒子は石炭基質に入り揮発性の炭化水素の分解を強化する。
【００５２】
このメカニズムが炭素粒子の粒子サイズ分布を進展させるためには燃料向上剤粒子の粒子サイズ分布より大きい粒子サイズを含む必要がある。更に、粒子サイズ分布の１０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子サイズは、石炭粒子サイズ分布の９０パーセントタイル値の石炭粒子の粒子サイズより１桁分小さい（１０倍小さい）必要がある。例えば、ロシア石炭及び水冷式燃料向上剤（両方ともマルバーンマスターサイザーシロッコ２０００を使用して測定される）の粒子サイズ分布を見ると、石炭の最大の粒子は６３１ミクロンの大きさであるが、燃料向上剤の最大の粒子は１３８ミクロンの大きさである。更に、１０パーセンタイル値の燃料向上剤の粒子サイズであるｄ（０．１）は４．７ミクロンであり、９０パーセンタイル値の石炭の粒子サイズであるｄ（０．９）は１７９ミクロンである。これは石炭粒子の上位１０％は燃料向上剤粒子の下位１０％の大きさの３８倍であることを意味する。図４ａに示すように、小さい燃料向上剤粒子は大きい石炭粒子と反応できる。
【００５３】
このメカニズムは酸化による一酸化窒素よりも窒素形成に向けた窒素酸化物の減少経路に有利に働く。その理由は、燃料向上剤の存在下で窒素酸化物減少の化学的経路を示す図４ｂに示すように、この燃料Ｎの形式は炎の燃料豊富な区域内の制御をより容易に行うためである。
図４ｃは、どのように燃料向上剤が燃料Ｃ（石炭）から揮発性Ｃ（軽い炭化水素）への熱分解を強化するかを示す。軽い炭化水素は炭化Ｎをより形成しにくい。
【００５４】
図５は臨床試験を実行するのに使用される２段階の固定床反応器１を示す。窒素は製品搬送ガスとして使用された。石炭サンプル２は第１の反応器３で熱分解された。派生したガスは燃料向上剤５が配置された第２の反応器４で改質された。２段階の反応後の製品は空気及びドライアイスにより凝縮器システム６で濃縮された。濃縮されないガスはガスサンプル袋７により集められ、さらにガスクロマトグラフ（ＧＣ）により分析された。反応器の両方の段階は、各段階において燃料向上剤５と石炭サンプル２をそれぞれ２グラム使用し、９５０℃で保持された。ガス及び油製品は一時間後に集められ、全ての製品（ガス及び油）が分析のために集められた。ガスの生産は燃料向上剤の存在下で増加したことが分かった。同様に油の産出量は減少し、重い炭化水素をよりガス性を有する断片に転換したことを示す。石炭から算出される油の色は暗褐色であったが、燃料向上剤を加えるときれいな油に変化した。燃料向上剤の使用時、及び不使用時の実験のまとめを以下の表６に示す。
【００５５】
【表６】
2016527328.tif 000007
【００５６】
この結果は、ガス生産及び水素濃度が、燃料向上剤の存在下で増加したことを示唆する。ガス産出量は両方の種類の燃料向上剤の存在下でおよそ５％から７％増加したことが結論付けられる。
【００５７】
同様に、図６のＡ及びＢに示すように、石炭からの一酸化炭素及び炭化水素の濃度の増加もまた、石炭にＡＣ燃料向上剤を５重量％から３３重量％の割合で混合することによりフーリエ変換赤外分光（ＦＴＩＲ）と結合された熱重量分析を使用して確認された。
【００５８】
石炭チャーの燃焼及び未混合の燃料向上剤の性質は、加熱したインターフェース及び加熱した移送ラインを経由してニコレットマグナ５６０フーリエ変換赤外分光計に連結されたスタントンレッドクロフトＴＧ７８２熱重量分析器（ＴＧＡ）を使用して調査された。この研究において、ＦＴＩＲ分光計は４００‐４０００ｃｍ‐１のスキャン範囲で操作され、スペクトルはＴＧＡの運転の過程で４５秒おきに取り出され、運転の前に１００の背景スキャンが取られて環境湿度及び二酸化炭素を修正した。移送ラインは１７０℃で保持されたが、ＴＧＡインターフェースセルは３００℃で保持され、セルの周りの窒素を絶え間なく除去し環境湿度及び二酸化炭素レベルの変化の影響を最小にした。この研究ではチャー燃焼の間のサンプルガス内の一酸化炭素及び二酸化炭素の相対的な濃度に対応する、波数範囲が２０００‐２５００ｃｍ‐１である吸収度の強度は、時間に対して描かれた。さらに、波数範囲が２１７０‐２１８０ｃｍ‐１（一酸化炭素のみ）及び２８００‐２１００ｃｍ‐１（例えば炭化水素等の様々なＣ‐Ｈ結合が石炭熱分解の間解放された）の強度がスペクトルの連続データから描かれた。
【００５９】
一酸化炭素放出の開始は約３００℃の温度であり、６００℃以下で頭打ちになる。一酸化炭素の放出は約９００℃で頂点になり、その後減少し、酸素を含む混合物が導入されると完全に焼損する。図６のＡに示すように、石炭のみから測定されるものと比べて、燃料向上剤が存在する時に生産される一酸化炭素は増加するように思われる。石炭熱分解／燃焼試験の間の炭化水素の溶出の後にＦＴＩＲが行われ、その結果が図６のＢに示される。石炭からの炭化水素の放出（窒素の下で）は約３００℃で始まり、約５００℃で最大に達し、約９００℃で完了する。燃料向上剤の存在下での炭化水素の濃度は石炭のみからのものより高かった。石炭と燃料向上剤の混合における燃料向上剤の量の間で計測された一酸化炭素及び炭化水素の濃度に大きな違いは無いように思われる。
【００６０】
このガス生産量の増加は炭化水素の分解及び放出を後押しし、いっそう多くの揮発性物質を製造し、それは図４ａ及び図４ｂを参照して記載されるように一酸化炭素が減少し窒素になるのを容易にする。
【００６１】
更に、燃料向上剤での酸化鉄の存在はまた、石炭と相互作用し、結果としてさらなる一酸化炭素減少反応となり、窒素形成への既存の経路を補完するであろう。一酸化炭素の存在下で酸化鉄（ＩＩＩ）は減少して鉄となり得、その後一酸化窒素は鉄を酸化させて酸化鉄（ＩＩＩ）を再生し得る。反応のまとめは以下のようである。
【００６２】
【化１】
2016527328.tif 000008
【００６３】
【化２】
2016527328.tif 000009
反応の正味の代数的加法は以下の通りである。
【００６４】
【化３】
2016527328.tif 000010
【００６５】
３つの異なる種類の石炭が、窒素酸化物の減少に関する添加剤の性質の変化を観察する目的で研究のために調査された。中程度の灰のロシア石炭（ＲＣ）と高度の灰のキリングレー石炭（ＫＣ）は、コロンビア石炭（ＣＣ）に比べて比較的高い揮発性物質及び低い固定炭素のため、ＣＣに比べてわずかに多い窒素酸化物の減少をもたらす。燃焼試験施設（ＣＴＦ）の空気と燃料の比率は、段階的でない炎燃焼状態において空気中濃度（１．２０の理論混合比）を越えて２０％に設定された。石炭注入の比率の１３重量％までの最適な範囲が両方の種類の燃料向上剤で観察された。ＷＣとＡＣの燃料向上剤の１３％と１２％の質量分率に対する１５％と１６％の窒素酸化物の減少がＲＣにおいてそれぞれ観察された。一方、１１％と１０％の窒素酸化物の減少がＣＣを使用したＷＣとＡＣの燃料向上剤の１１％及び１３％の質量分率に対しそれぞれ達成された。ＷＣとＡＣの燃料向上剤を使用したＫＣの共同燃焼は１０％と１３％の追加の質量分率において１４％及び１５％の窒素酸化物の減少をそれぞれ達成した。
一般的に、以下の仕組みが両方の種類の燃料向上剤を使用した窒素酸化物の排出の減少に対しまとめることができる。
【００６６】
窒素酸化物の排出の減少は部分的に燃料向上剤の粒子と石炭基質の相互作用に関連付けられ、その結果重い炭化水素の分解は燃料Ｎから揮発性Ｎへの分割に有利に働く。一酸化炭素と炭化水素の高い濃度により支援されたガス産出量の増加は、酸化による一酸化窒素よりも窒素形成への窒素酸化物減少経路に有利に働く。その理由は、窒素の揮発性部分は炎の燃料豊富な区域の制御が容易であるからである。
【００６７】
石炭に比べて粒子サイズ分布が細かいためより高い表面面積を有する燃料向上剤は、重い炭化水素を軽い炭化水素にする熱分解を容易にし、これらの軽い炭化水素は炭化‐Ｎを形成しにくい。
添加剤での酸化鉄の存在はまた、石炭と相互作用し、結果としてさらなる窒素酸化物減少反応となり、窒素形成への既存の経路を補完するであろう。
【００６８】
図７はＲＣ、ＣＣ、ＫＣに使用した燃料向上剤の異なる共同燃焼の混合に関する、燃焼区域近くの理論混合比の変化の効果を表す。炉内空気の段階的な燃焼は燃料粒子と空気の遅延した混合により燃料豊富な区域を形成し、一酸化窒素の減少をもたらす。主な燃焼区域における減少した理論混合比、即ち０．８、０．９は石炭の燃焼を抑え、大量の未燃焼のチャーが焼損区域に入り、結果として不十分な炭素焼損となる。
【００６９】
燃料向上剤の追加は空気と燃料の比率を減少させる一酸化窒素減少の向上に更なる影響を与える。ＲＣに使用したＷＣ燃料向上剤は０．９から１．２０の範囲の理論混合比に対し４．６％から２５．８％の範囲の一酸化窒素の減少をもたらした。一方、空気と燃料の比率を０．８から１．１６に変化したＣＣに使用したＷＣ／ＡＣ燃料向上剤に対し、４．７％から２３．９％の範囲が観察された。０．９から１．３０の理論混合比に対しＫＣに使用したＡＣ／ＷＣ燃料向上剤は、石炭の段階的な炎基準値に関し、７．３％から３１．１％の一酸化炭素の減少をもたらした。
【００７０】
（ＬＯＩに対する効果）
図８に示すように、燃料向上剤の使用は全ての３つの種類の試験された石炭の飛散灰のＬＯＩ値の顕著な向上をもたらす。燃料向上剤の存在は炭化水素の強度と石炭からのガス産出量転換を増加し、それは燃焼を強化させ、結果としてＬＯＩを向上させる。ロシア石炭の場合、追加した燃料向上剤の１．３％から１３％の質量分率に対して１９％から６３％の範囲のＬＯＩの全体的な正味の減少が達成された。同様に、２０％から７０％の範囲のＬＯＩ減少が、コロンビア石炭に対する燃料向上剤の２．５％から１１％の質量分率に対して発見され、６４％から７０％の範囲のＬＯＩ減少が、キリングレー石炭に対する追加の燃料向上剤の５％から１３％の質量分率に対して発見された。燃料向上剤の最適な質量分率は５％から１２％であり、その結果セメント製造に使用され得る７％未満のＬＯＩを有する飛散灰が得られる。
【００７１】
得られる石炭飛散灰の粒子サイズ分布（ＰＳＤ）は発電所の稼働に応じて変動する可能性がある。通常、発電所は一定の負荷の下で稼働し、得られる飛散灰の変化を補う。しかし、石炭飛散灰のＰＳＤはまた、具体的な製造を考慮すると重要である。汎用セメントは、微細な灰が反応しやすいという理由で微細な灰を使用する。得られるコンクリートの強度及び水分含有量はまた、飛散灰の粉末度の変動性により決定される。
【００７２】
飛散灰の粉末度は通常、４５ミクロンのふるいで保持され、パーセントで計測される。セメントと混合するのに適した飛散灰の粒子サイズを規定する英国標準のＢＳＥＮ４５０は、飛散灰の粉末度は４５ミクロンのふるいで保持されて４０％以下でなければならないと述べる。
【００７３】
図９に示すように、燃料向上剤は得られる飛散灰の粉末度を向上させると発見された。図９は燃料向上剤の使用時、及び不使用時の両方の場合のバーナーから得られる石炭飛散灰の比較を示す。グラフから分かることは、燃料向上剤を追加する（４．２％又は４．８％の質量分率で追加される）と、得られる飛散灰の粉末度はＲＣ及びＫＣ飛散灰基準値に加えてそれぞれ約３６％から８５％増加したことである。本発明の燃料向上剤を使用すると、飛散灰の粉末度は通常、４５ミクロンのふるいで保持されて２０から３０％以下になる。
【００７４】
以下の表７はＲＣのみを燃焼するバーナー、及びＲＣと４．２％の燃料向上剤を燃焼するバーナーからの飛散灰から製造されたセメント立方体に実行された圧縮強度試験を示す。試験は英国の主要なセメントメーカーにより実行された。表から分かることは、立方体の強度結果は、セメント混合物の強度特性を大きく変化させずに互いに合理的に近いということである。よって、ポートランドセメントと燃料向上剤／石炭の混合物からの石炭飛散灰の３０％を混合して作成する時、燃料向上剤の追加により等しく相当する強度のモルタルが生成される。
【００７５】
飛散灰がセメント製造に使用される場合、燃料向上剤は酸化カルシウムを含むことが有益である。その理由は酸化カルシウムが飛散灰のセメント質特性を向上させるからである。飛散灰はセメント製造の間、直接か焼炉に追加されても良く、又は単にポートランドセメントに混合されて調合済みの／ポートランド飛散灰混合のセメントを製造する。
【００７６】
【表７】
2016527328.tif 000011
【００７７】
（温度への影響）
バーナーへの燃料向上剤の追加は、バーナー内の高い温度測定結果をもたらすと分かった。余分な温度の発生は石炭供給のさらなる炭素の燃焼に起因し、チャーに残るのではなく炭素を軽い揮発性物質に分割することに有利に働く。図１０はバーナーから軸方向下方の距離で計算された温度差を示し、Ｔ１はバーナーに近くＴ７は煙道部分に近い。値は対応する石炭基準値の温度測定結果に対する、全ての研究した石炭のための燃料向上剤の異なる質量分率の計算であった。図１０に見られる一般の傾向から示されるように、Ｔ１において燃料向上剤の異なる質量分率は１２から３０℃の広い範囲の温度上昇を生成した。Ｔ１の値のこれらの変化は燃料向上剤のさらなる質量分率に依存する。温度の上昇はまたＬＯＩの値の向上を支援する。
【００７８】
（スラグ及び汚染への影響）
スラグ及び汚染はボイラーの放射部分及び熱回収部分それぞれの堆積物の特徴である。これらの堆積物は一連の複雑なメカニズムを通して形成され、腐食及び熱伝導率の減少を生じる様々な化合物を形成する。
【００７９】
スラグ及び汚染の指標はこれらの堆積物を形成する燃料灰の傾向を評価するために使用される。これらの指標は特に石炭灰のみの評価のために開発されたが、文字通り共同燃焼の燃料にも広く使用される。燃料灰の堆積傾向を計算するのに使用される最もよく使用される従来の指標は図１１に示される。予測された化合物が、知られた供給割合の石炭及び燃料向上剤に存在する金属酸化物の平均質量として計算される。これらの燃焼試験の間に集められる実際の灰サンプルは灰成分を測定するのに使用され、図１１に示す表の測定値として報告された。
【００８０】
金属酸化物の予測値は金属酸化物の実際に測定された濃度にごく近い。値の間に存在する差は、石炭と燃料向上剤の実際の供給割合の組み合わせた変化の±１から２％に起因すると予測される。しかし、予測された及び計算された指標に拘わらず、個々の石炭飛散灰サンプルの金属酸化鉄濃度と比較した時、汚染及びスラグの指標の予測値及び測定値の両方で顕著に増加する傾向がある。飛散灰サンプルの報告された化学的組成は、石炭飛散灰と石炭飛散灰に燃料向上剤を追加したサンプルとの間で狭い範囲の多様性のアルカリ酸化物を示す。全ての飛散灰サンプルにおいて二酸化ケイ素、酸化アルミニウム及び酸化鉄（ＩＩＩ）が優勢であることが発見された。これは実際の石炭及び燃料向上剤内のこれらの酸化物の固有の濃度に部分的に起因する。酸化鉄の割合は飛散灰混合物において増加したことが分かったが、アルミナの濃度の割合は僅かに減少した。
【００８１】
一般的に、酸化ナトリウム及び酸化カリウムの割合濃度の実質的な増加は商業的ボイラーの高い汚染傾向を生じる。酸化カリウムのパーセンテージは燃料向上剤に比べて、ＲＣ及びＫＣの飛散灰において比較的高く、それゆえ燃料向上剤の追加は汚染傾向を低下させるための全体的なプラスの影響を実現する。さらに、表にした全体的な測定濃度は重要でない変化を示し、結論として実際のボイラーの炉壁に些細な影響しか与えない。さらに、Ｒ(B/A)の測定値は０．７５未満であり、これは灰流の温度が高くなることを示し、その結果スラグの傾向が減少することになる。
【００８２】
燃料向上剤の追加は酸化ナトリウム及び酸化カリウムの比較的高いパーセントを有する燃料の汚染傾向を低下させるための全体的なプラスの影響を実現する。それはまた灰流の温度を上昇させ、その結果燃料（石炭）の種類に応じたスラグ傾向の減少につながる。
図１１に示す表における汚染及びスラグ指標を計算するのに使用される公式は以下の通りである。
【００８３】
Ｂ／Ａは、塩基性／酸性の比率を示す。
【数１】
2016527328.tif 000012
汚染指標であるＦｕは以下の通りに計算される。
【００８４】
【数２】
2016527328.tif 000013
ただし、Ｆｕ≦０．６の場合は低い汚染傾向が存在する。
Ｆｕ＝０．６‐４０の場合は高い汚染傾向が存在する。
Ｆｕ≧４０の場合は非常に高い汚染傾向が存在する。
スラグ（バブコック）指標であるＲｓは以下のように計算される。
【００８５】
【数３】
2016527328.tif 000014
ただし、Ｓdは乾燥燃料の合計の硫黄の質量パーセントである。
ただし、Ｒｓ＜０．６の場合は低いスラグ傾向が存在する。
Ｒｓ＝０．６‐２０の場合は中程度のスラグ傾向が存在する。
Ｒｓ＝２．０‐２．６の場合は高いスラグ傾向が存在する。
Ｒｓ＞２．６の場合は非常に高いスラグ傾向が存在する。
Ｒ(B/A)は単純化された基礎に対する酸性の比率であり、以下のように計算される。
【００８６】
【数４】
2016527328.tif 000015
【００８７】
【数５】
2016527328.tif 000016
【００８８】
燃料向上剤の量は燃焼する石炭の種類に関連して制御され得、スラグ及び汚染指標が望ましい水準、且つ非常に高い水準以下になることを確実にする。基礎に対する酸性の比率及び／又は単純化された基礎に対する酸性の比率（Ｒ(B/A)）を望ましい範囲に戻すため、低いスラグ及び汚染指標を有する石炭に対し大量の燃料向上剤が追加されても良い。
【００８９】
（電気集塵装置の効率性に関する燃料向上剤の効果）
炭化水素粒子燃焼ボイラーの排気筒は通常、電気集塵装置を含む。本発明の燃料向上剤を使用することによりこれらの電気集塵装置の効率が向上し得ることが分かり、結果として大量の飛散灰が生産され、このことは２つの理由により有益である。第１に、大気に排出される粉塵が少なくなる。第２に本発明の方法から得られる飛散灰はポゾランとして有用である。
【００９０】
以下の表８及び図１２のグラフは４時間の検査の間（２０５トン／時間の蒸気）で稼働する石炭燃焼蒸気生成ボイラー（２３０ＭＷth）の東側、中央及び西側の脚の集塵の結果を示す。ボイラーの出口脚はボイラーの出口に位置する電気集塵装置を通過する。ボイラーは２３トン／時間の粉砕した石炭を燃焼する。石炭に６．８重量％の石炭が追加され、これは１０．３６と１１．２６の間のおよそ中ほどの時間軸を横断する垂直線により示される。１４．４５と１５．３５の間のおよそ中ほどの時間軸を横断する第２の垂直線は燃料向上剤の導入が停止した点を示す。
【００９１】
もう一つの短い試験は同じボイラーを使用するが（２５２トン／時間の蒸気）で稼働し、３０トン／時間の石炭を燃焼させて４５分間継続し、９％の水冷式燃料向上剤が追加されると、石炭基準値と比較して、１３％、４．５％及び２０％の電気集塵装置の下流の排気の粉塵濃度の減少が西側、中央及び東側の脚でそれぞれ測定された。
【００９２】
【表８】
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【００９３】
電気集塵装置後の粉塵濃度は燃料向上剤が追加されると低下するが、それでも燃焼した質量は６．８％増加した（燃料向上剤が追加される時のボイラーの炉に入れられる石炭の量は減少されない）。
【００９４】
この電気集塵装置後の粉塵濃度の減少は燃料向上剤に帰属する多数の要因により説明される。第１に、上記に論じたＬＯＩの向上は飛散灰が炭素含有量を低下させることを意味する。電気集塵装置は飛散灰の炭素濃度が低い場合に良好に機能する。第２に、燃料向上剤は導電性があり、特に燃料向上剤内の酸化鉄、及び飛散灰の燃焼後の燃料向上剤の鉄かんらん石及び磁鉄鉱位相の存在は、電気集塵装置に、排煙に取り込まれる粉塵よりも多くの物質を飛散灰として除去できるようにする。
組成物の相対的量の基準は重量パーセントである。
本発明の方法は、排出量を減少し飛散灰のポゾラン性能を向上させることに加え、燃料効率を高めスラグ及び／又は汚染を改善することを提供する。
【符号の説明】
【００９５】
１・・・２段階の固定床反応器
２・・・石炭サンプル
３・・・第１の反応器
４・・・第２の反応器
５・・・燃料向上剤
６・・・凝縮器システム
７・・・ガスサンプル袋
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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