が好ましく、LNG はさらに好ましい燃料

環境対策、環境負荷の無害化処理、発生源処理です。燃料に含まれている窒素は概ね 5％4.1.4 窒素酸化物の発生抑制と排煙脱硝から 30％が NOx になりますが、この変燃料を高温で燃焼すれば一酸化窒素が発生し、大気中換割合にはボイラーや燃焼炉の酸素濃度に放散されると二酸化窒素に変わり、酸性雨や光化学オと温度条件が大きく影響します。燃料に起キシダントの原因になります。本稿では、運転条件の変更

因する NOx の寄与率は、最大で NOx 発や燃焼装置の部分的な改造で一酸化窒素の発生を抑制す生量の 75％程度に達することがあります。

る方法と、燃焼装置の下流で一酸化窒素を窒素ガスと水

このため、排出規制が厳しい地域の発生源蒸気に分解する排煙脱硝装置について概説します。排煙は燃料の選択に注意する必要があります。

脱硝装置は、発電所が総処理能力の 8 割を占めています。
一方、燃焼用の空気に含まれている窒素が酸化物になるサーマル NOx は、発生機構から１．窒素酸化物の発生抑制方法

下記の 3 種類の対策で発生を抑制できることがわかっています。

燃料の燃焼にともなって発生する窒素酸化物（NOx ）には二種類があります。一つは燃料に含（１）燃焼領域での酸素濃度を希薄にする。

まれている窒素が燃焼過程で空気中の酸素と結合（２）高温領域の燃焼ガス滞留時間を短くする。

し、窒素酸化物になるフューエル NOx です。もう（３）燃焼温度を低くする。とくに局所的な高温

一つは燃焼用の空気に含まれている窒素と酸素が領域を作らない。

高温状態で反応し、窒素酸化物になるサーマル
NOx です。フューエル NOx の発生を抑制するに

これらの方策は運転条件の変更と、燃焼装置のは、当然のことですが、なるべく窒素含有率の少改善で具体化できるので、表 1 に示す対策が実際ない燃料を使用するのが有効です。石油系燃料のに採用されています。

場合は、原油に含まれている窒素化合物が、精製の過程で沸点の高い燃料に濃縮します。原油の窒2．運転条件の変更による方法

素 含有 率は 概ね 0.1 ％～ 0.3 ％ です が、 灯油 は0.05％以下、軽油は 0.1％～0.15％、重油だと 0.3％

2.1 低空気比運転～0.5％になります。石油燃料は窒素分と硫黄分に低空気比運転は、可能な限り過剰空気量を少な

関連性があり、一般的に硫黄分の多い燃料には窒くし、燃焼領域の酸素濃度を希薄にして NOx の素分も多いと考えてよいでしょう。石炭に含まれ発生を抑制する方法です。酸素濃度が薄いとバーている窒素分は石油系燃料よりも多く、0.7％～ナーの火炎温度も低くなるので、両者が相乗効果2.2％です。ガス燃料にも窒素分が含まれていますを発揮します。過剰空気比が小さいほどエネルギが、大部分は化合物ではなく窒素ガスの状態です。

ー効率が高くなり、省エネルギー効果も得られま

このため空気中の窒素と同じ扱いでよく、フューす。しかし空気量が過少になると不完全燃焼にな

エル NOx に該当しません。このように石炭よりり、未燃焼の炭素、つまり「すす」が発生しやすく石油、石油も重油より軽油、軽油よりも灯油の方1なります。しがって炉内に酸素濃度計を設置し、2.2 燃焼室負荷の低減

コンピューターと連動させて適切に空気量を調整する自動制御システムが広く採用されています。
表 1.

燃焼室負荷の低減は、燃焼量を設計値より少な

サーマル NOx の排出抑制方法（出典：公害防止の技術と法規 2020（産業環境管理協会）

2

くして炉内と火炎の温度を下げ、NOx の発生を抑2 段階で不足する空気を供給する燃焼方法です。

制する方法です。しかし出力が低下するので、稼目的は急激な燃焼による火炎温度の上昇を抑制し、働率に余裕がないと採用が困難です。

同時に酸素不足にして NOx の発生を抑制することにあります。一段目の空気量は、ガス燃料なら2.3 空気予熱温度の低下55％から 65％程度まで減らせますが、重油の場合空気予熱温度の低下は、燃焼温度を低下させるは「すす」が発生するので、80％程度以下にはでので NOx の発生を抑制する効果があります。一きません。この方法はサーマル NOx だけでなく、方、予熱温度の低下はエネルギー効率を低下させ低酸素にすることでフューエル NOx の生成抑制る影響があります。にも寄与します。サーマル NOｘの 30％から 50％、フューエル NOｘの 50％程度まで低減できるとす

３．燃焼装置の改善による方法

る報告があります。他方、二段燃焼は不完全燃焼を起こすので一酸化炭素が発生し、煤塵も発生し運転条件の変更による NOx の排出抑制は、費用やすい点に注意が必要です。

が安いですが採用が困難な場合も少なくありませ3.2 排ガス再循環ん。一方、燃焼装置の改善による方法は、費用がかかりますが NOx の排出を確実に抑制できます。

排ガス再循環は図 2 に示すように、燃焼排ガスの一部を燃焼用空気に混入し、燃焼温度を低下さ3.1 二段燃焼せることによって NOx の生成を抑制します。酸二段燃焼は図 1 に示すように、燃焼用空気を第素濃度が希薄になることも NOx の生成抑制に寄1 段階で理論空気量の 60％～80％を吹き込み、第与します。この方法はサーマル NOx の発生抑制に は 有 効 です が 、 フュ ー エル
NOx の抑制にはあまり効果がありません。循環させる排ガスの割合は、燃焼室の構造と安定燃焼の点から制約を受けますが、15％～20％程度の範囲です。この方法を既設の燃焼設備に採用
すると、伝熱特性や温度分布の変化で多少の燃焼効率低下が予想されます。装置としては新たな送風機の導入と、排ガス再循環のダクト設置工事が必要です。
3.3 低 NOx バーナー

図 1. 二段燃焼方式の原理（出典：公害防止の技術と法規 2020（産業環境管理協会））

3低 NOx バーナーは、酸素濃度表 2．低 NOx バーナーの種類と特性

図.2

種類

特性

急速

燃料と空気の直角に近い衝突で急速に燃焼混合し、円錐形の薄い火炎を形成させ型て、燃焼ガスの高温部滞留時間を短縮。

緩慢

バーナー角度の拡大、燃焼空気の旋回、燃焼

流速低下、燃料流速の低下で、火炎表面型積を拡大させ火炎温度を低下。

火炎バーナーに溝をつけて火炎を分割し、火分割炎温度を低下させる。火炎の層が薄く、型燃焼ガスの高温部滞留時間が短縮。

自己空気と燃料の噴霧によって生じるガス再循の流れを利用し、燃焼ガスの一部をバー環型ナー内部で強制的に循環。酸素濃度が希排ガス再循環ボイラー

薄になり NOx の発生が抑制される。構（出典：公害防止の技術と法規 2020）

造の異なる 2 種類がある。の低減、火炎最高温度の低下、高温領域でのガス段階

バーナー内部に二段燃焼の原理を組込滞留時間の短縮など、NOx の発生抑制に有効な方

燃焼み、一段目で酸素濃度の薄い燃焼状態を法をバーナーの構造で具体化したものです。各メ型作り NOx の発生を抑制。微粉炭燃焼用
低 NOx バーナーは、段階燃焼組込み型。

ーカーが多様な工夫を凝らし、市場に提供しています。実用化されている低 NOx バーナーを機能的に区分すると表 2 になります。

４．低 NOx 燃焼技術の適用形態
低 NOx 燃焼技術は海外の技術開発も含めて大幅に進歩し、あらゆる燃料のボイラーだけでなく、金属加熱炉や石油加熱炉にも広く普及しています。したがって排煙から窒素酸化物を除去する排煙脱硝装置は、大型の燃焼設備以外はほとんど不要といってよいでしょう。現在、大型ボイラーでは二段燃焼、排ガス再循環、低 NOx バーナ

図３．二段燃焼、排ガス再循環、低 NOx バーナーの組合せ（出典：公害防止の技術と法規 2020）ーを単独、あるいは組合せて使用しています。小型ボイラーでは、主として自己再循環型や火炎分割型の低 NOx バーナーが採4用されています。二段燃焼、排ガス再循環、低 NOx採用事例が多くありませんが、アルカリ吸収法やバーナーの組合せ事例を図 3 に示します。

活性炭吸着法もあります。選択接触還元法は総処理能力の約 86％に達しており、現状では圧倒的な5．排煙脱硝比率を占めています。非選択接触還元法は総処理能力の７％に過ぎません。非選択触媒が選択触媒

窒素酸化物は、燃焼装置の構造や適切な運転条より先に開発されたので、1970 年代はほとんどが件の選択で、かなりの程度まで発生を抑制するこ

非選択接触還元法でしたが、時期が後になるほどとができます。しかし発電ボイラーのような大規効率のよい選択接触還元法が多くなったのです。

模な発生源は、発生の抑制だけで排出基準を達成することが困難です。このため、ボイラーの下流無触媒還元法も効率のよい触媒が開発される前で発生した窒素酸化物を無害化する排煙脱硝装置に採用されていたので、今日では処理能力で 2％が必要になります。

程度を占めるに過ぎません。アルカリ洗浄法は小規模な排出源のガス洗浄と同じで、必ずしも排煙排煙脱硝装置は 1970 年代から建設が始まりま脱硝装置とはいえません。活性炭吸着法は脱硫としたが、排煙脱硫装置より遅れて増加しています。

脱硝を兼ねた装置で、石炭火力発電所が採用して1960 年代は硫黄酸化物による環境汚染が激しかいますが、採用例としては多くありません。このったので、排煙脱硫装置の建設が先行したのです。

ように現在では選択接触還元法が主流になっておその後、1980 年代に窒素酸化物の排出規制が段階り、ボイラー、ガスタービン、ディーゼルエンジ的に強化されたので、1990 年代に設置基数が増加

ン、プロセス加熱炉や金属加熱炉などに広く採用しました。これまでに設置されてきた排煙脱硝装されています。したがって以降は、選択接触還元

置は約 1700 基で、業種としては電力、鉄鋼、化学、法について述べます。

機械、それに清掃工場も設置しています。ただし
5.2 選択接触還元法のプロセスと触媒清掃工場の設置は、脱硝装置というより排ガス洗浄装置といってよいでしょう。一方、処理能力で

図 4 に選択接触還元法のプロセスを示します。

は電力、つまり火力発電所の設置が最も多く、総ボイラー排ガスは、温度が 400℃以下に下がった処理能力の約 85％を占めています。

状態でアンモニアを噴霧され、脱硝触媒が充填された反応器に入ります。反応器では、排ガス中の5.1 排煙脱硝プロセスの種類

一酸化窒素が窒素ガスと水蒸気に分解されます。

排煙脱硝装置は、排ガスにアンモニアを加えて反応式は下記です。なお、燃焼ガスに含まれてい窒素酸化物を窒素と水蒸気に分解します。分解にる窒素酸化物の 90％以上は一酸化窒素で、大気環触媒を使用するするアンモニア接触還元法と、触境に排出されると空気中の酸素と結合して二酸化媒を使用しない無触媒還元法があります。アンモ窒素に変わるのです。

ニア接触還元法には、窒素酸化物だけを還元する
選択接触還元法と、窒素酸化物以外の成分も還元

反応式：4NO＋4NH3＋O2→４N2＋6H2Oする非選択接触還元法があります。このほかには

NO＋NO2＋2NH3→2N2＋3H2O
5

反応器を出た燃焼ガスは空気予熱器で熱を奪われ、集塵機を経て環境に排出されます。石炭や重油ボイラ
ーの排ガスのように、排ガス中に硫黄酸化物が含まれている場合は集塵機の下流に排煙脱硫装置を設置します。選択接触還元法で使わ
図４．選択接触還元法のプロセス

れる触媒は、圧力損失を小さくするために図 5 のよう（出典：公害防止の技術と法規 2020（産業環境管理協会））にハニカム型（格子状）、またはプレート型（板状）に成形して設置します。触媒は酸化チタンを担体とし、酸化バナジウムを活性金属とする構成が採用されています。広い温度領域で高活性を示しますが、排ガス中に硫酸カリウム、硫酸ナトリウムなどのアルカリ金属塩が含まれていると活性が低下します。このため、水洗などによる定期的な除去が必要になります。触媒の寿命は石炭燃焼ボイラーで 5～6 年、石油燃料ボイラーで 8～10 年です。
図56．窒素酸化物排出抑制対策の性能

排煙脱硝触媒（出典：公害防止の技術と法規 2020）

これまで述べてきた各種の窒素酸化物対策の性ーナーと二段燃焼は比較的に安く、排ガス再循環能は、石炭燃焼ボイラーの場合、何も対策を講じはダクト工事と送風機が必要なので少し高くなりなければ 500 ppm～800ppm の窒素酸化物濃度にます。排煙脱硝装置は、排出抑制策に比べて圧倒なりますが、低 NOx バーナーや二段燃焼を採用的に大きな費用が必要になります。このような性すれば 150 ppm～200ppm に低減できます。さら能と費用の関係から、小規模な燃焼装置はほとんに選択接触還元法の排煙脱硝装置を採用すれば、どが低 NOx バーナーで対処しています。中規模

40 ppm～80ppm にまで低減できます。同様に石になると、二段燃焼や排ガス再循環の組合せで対油燃焼の場合は燃焼炉の対策で 40 ppm～100ppm処し、排煙脱硝装置は規模の大きい燃焼装置で採にまで低減でき、排煙脱硝で 15～40ppm まで低用されています。

減できます。窒素酸化物対策の費用は、低 NOｘバ（おわり）

参考：公害防止の技術と法規（産業環境管理協会）

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