特許 5958856 ＣＯボイラ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5958856

(24)【登録日】2016年7月1日

(45)【発行日】2016年8月2日

(54)【発明の名称】ＣＯボイラ

(51)【国際特許分類】

   F22B 1/18 20060101AFI20160719BHJP

   F23C 5/32 20060101ALI20160719BHJP

   F23C 1/08 20060101ALI20160719BHJP

【ＦＩ】

   F22B1/18 H

   F23C5/32

   F23C1/08

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-99864(P2012-99864)

(22)【出願日】2012年4月25日

(65)【公開番号】特開2013-228135(P2013-228135A)

(43)【公開日】2013年11月7日

【審査請求日】2015年2月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】516047175

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズインダストリー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096541

【弁理士】

【氏名又は名称】松永 孝義

(74)【代理人】

【識別番号】100133318

【弁理士】

【氏名又は名称】飯塚 向日子

(72)【発明者】

【氏名】塚田 法広

(72)【発明者】

【氏名】小橋 徹

(72)【発明者】

【氏名】津村 俊一

(72)【発明者】

【氏名】北坂 朋生

(72)【発明者】

【氏名】岩瀬 徹哉

(72)【発明者】

【氏名】長島 純

(72)【発明者】

【氏名】冠木 豊

【審査官】 藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２９２３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭４８−０３５４２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公平０１−０４０９８１（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】 特開２００９−０９７７６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１６４２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２１７８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２７８１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２４０００７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２２Ｂ １／１８

Ｆ２３Ｃ １／０８

Ｆ２３Ｃ ５／０８

Ｆ２３Ｃ ７／０２

Ｆ２３Ｄ １１／０４

Ｆ２３Ｄ １４／２４

Ｆ２３Ｇ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

石油精製設備から発生する一酸化炭素を含む副生ガスを燃焼する筒型の火炉を備えたＣＯボイラにおいて、
火炉の上部側壁に設けられ、燃焼により発生する排ガスを排出する出口部と、
該出口部より下方の出口部側の側壁に設けられ、排ガスの流路を絞るくびれ部と、
該くびれ部よりも下方で、且つくびれ部と対向する側壁にのみ設けられ、助燃燃料を燃焼用空気により燃焼する助燃バーナと、
火炉の底壁に設けられ、火炉内に前記一酸化炭素を含むガスを供給するＣＯガスポートと
を備えたことを特徴とするＣＯボイラ。

【請求項2】

前記ＣＯガスポートは助燃バーナが設けられた側壁側の底壁に設けられていることを特徴とする請求項１記載のＣＯボイラ。

【請求項3】

石油精製設備から発生する一酸化炭素を含む副生ガスを燃焼する筒型の火炉を備えたＣＯボイラにおいて、
火炉の上部側壁に設けられ、燃焼により発生する排ガスを排出する出口部と、
該出口部より下方の出口部側の側壁に設けられ、排ガスの流路を絞るくびれ部と、
該くびれ部よりも下方で、且つくびれ部と対向する側壁にのみ設けられ、助燃燃料を燃焼用空気により燃焼する助燃バーナと、
助燃バーナよりも下方に設けられ、火炉内に前記一酸化炭素を含むガスを供給するＣＯガスポートと
を備え、
前記助燃バーナの燃焼用空気に旋回力を形成する旋回装置を助燃バーナに設け、
前記旋回装置による旋回力の強さを調整する調整装置を旋回装置に設けたことを特徴とするＣＯボイラ。

【請求項4】

前記助燃バーナの周囲の壁を耐火材により構成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＣＯボイラ。

【請求項5】

前記助燃バーナの上方に、該助燃バーナでの燃料の燃焼に不足する燃焼用空気を火炉内に噴出するアフターエアポートを設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＣＯボイラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、石油精製設備から排出される高温のＣＯ含有ガスを燃焼するＣＯボイラの構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

石油産業は基幹産業の一つであり、石油精製設備などにはガソリンの需要増加に伴って、重質油からガソリンを精製する重油流動分解接触装置が設置されている。重油流動分解接触装置（以下、ＲＦＣＣ装置という）は、常圧残渣油を原料とし、触媒上での高温分解により、ガソリン、灯油、軽油などの高付加価値留分を精製する装置である。

【0003】

そして、このＲＦＣＣ装置からは高温の一酸化炭素（ＣＯ）を含有するガスが排出されるため、重油流動分解接触装置の排ガス流路後流側にはＣＯ含有ガスを燃料とするボイラ（以下、ＣＯボイラという）も設置されている。ＣＯ含有ガス（以下、ＣＯガスという）を燃焼することでＣＯの大気への排出を防止すると共に、ＣＯボイラによって高温のＣＯガスから熱を回収し、工場内ユーティリティ、発電などに有効利用している。

【0004】

ＣＯガスと同様の低カロリーガスである、製鉄所での生産過程で発生する高炉ガス（以下、ＢＦＧという）を利用するボイラとして、下記特許文献１がある。特許文献１には、主バーナのすぐ下に低カロリー用のガスバーナを設け、低カロリー用のガスバーナのノズルを斜め下方に向けた燃焼装置が開示されている。難燃性の低カロリーガスを主バーナ部の旋回燃焼と分離して主バーナの着火に悪影響を及ぼすことを防止し、炉底で反転した低カロリーガスを主バーナ部の高温領域で燃焼させることで燃焼効率を向上させている。

【0005】

ＢＦＧを燃焼する場合は、ボイラ投入前に熱交換器でＣＯガスを２００℃前後に加熱するが、ＣＯガスの温度が低温であるため、一般に用いられている低カロリー用のガスバーナで、燃料とガスを同時にボイラに供給することが可能である。

【0006】

しかし、ＲＦＣＣ装置からは７００℃前後の高温のＣＯガスが大量に発生するため、ガスバーナを介してボイラに供給するためには、バーナの構造を耐熱性や耐火性に設計したり、大型化したりする必要があるが、この高温のＣＯガス専用の新たなバーナを用いた場合、バーナ本体のコストが大幅に上昇することや、ユーザーからボイラ設備のコンパクト化を求められていることから、現実的には難しい。

【0007】

また、ＣＯボイラへの燃料の投入は、図１１や図１２に示すように、通常の石炭焚ボイラ、油焚ボイラ、ガス焚ボイラ等と同様に、前壁からのみ（図１１）又は前壁と後壁の両方（図１２）から行われていた。
図１１や図１２のＣＯボイラでは、ＣＯガスを助燃バーナ１３によって火炉３内で燃焼させて、一般的には排ガス出口部７に設けた過熱器９により過熱した後、図示しない脱硝装置、脱硫装置、電気集塵機などを経て煙突から排出される。なお、過熱器、脱硝装置、脱硫装置、電気集塵機等は設置しない場合もある。

【0008】

多量の低カロリーのＣＯガスを燃焼する場合は、低カロリーガスや助燃燃料の燃焼装置及び燃焼用空気の投入口などを設置する必要があるが、バーナ本体やその配管等の付属機器を含めた燃焼装置の大型化、それに伴うボイラ設備の大型化が避けられず、配置上の制約が生じるため、ＣＯガスの処理量に制限があった。
また、このような高温のＣＯガスを燃料とするＣＯボイラとしては、下記特許文献２や特許文献３などもある。

【0009】

特許文献２に記載の構成では、助燃バーナを挟んで、上にはＣＯを含む低カロリーガス用のポートを、下にはＣＯ_２を含む不燃性ガス用のポートを配置することで、助燃バーナからの上向きの炎によって低カロリーガスと不燃性ガスが混合する直前に低カロリーガスを着火させることができる。

【0010】

また、特許文献３に記載の構成では、助燃ガスの流量を供給中のＣＯガスの比熱や発熱量などから算出されるボイラに入る正味負荷量に基づいて制御し、それをボイラの炉内温度によって補正すると共に、供給空気量も正味負荷量より算出される計算空気量と実測空気量を比較して供給空気量を制御する構成が開示されている。したがって、需要蒸気量が変化しても助燃ガスを必要最小限に抑えることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開平４−２７８１０９号公報

【特許文献2】特開平８−１１３７８８号公報

【特許文献3】特開平８−４２８０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

上述のように、ＲＦＣＣ装置から発生するＣＯガスは、７００℃前後の高温で且つ大量なため、燃焼装置の配置上の制約や装置の大型化などの問題があり、上記特許文献１に記載の構成のように、ガスバーナからボイラに供給することは、現実的には難しい。

【0013】

そして、上記特許文献２に記載の構成では、高温のＣＯを含む低カロリーガス用のポートを助燃バーナとは別に設けているものの、このポートは助燃バーナと接しているため、助燃バーナを耐火構造とするなどの配慮が必要である。また、ＣＯ含有の低カロリーガスは助燃バーナの上部から供給しているため、火炎との接触、混合する機会がないまま上向きの炎によって上方に流れてしまうため、炉内における低カロリーガスの滞留時間が確保されず、ＣＯガスが完全燃焼されないという問題も生じる。

【0014】

同様に、特許文献３に記載の構成でも、炉内におけるＣＯガスの滞留時間が確保されないと、燃焼性の悪いＣＯガスが燃え残ってしまい、火炉出口のＣＯガス濃度が高くなってしまう。火炉出口のＣＯガス濃度が高いと、エネルギー回収効率が悪くなるとともに、有害なＣＯガスが大気中に放出されてしまう。

【0015】

また、ＣＯガスの燃焼において、ＣＯガスの温度の低下がＣＯの酸化反応速度に大きく影響し、火炉の出口におけるＣＯガス濃度が高くなるという問題がある。ＣＯの酸化反応が促進する温度は７００℃以上であり、ＣＯガスの温度低下は燃焼効率にも大きく影響する。
更に、燃料の燃焼によって生じる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）も低減されることが望ましい。

【0016】

本発明の課題は、ＣＯボイラの火炉内のＣＯガスの滞留時間を十分確保して、火炉出口のＣＯガス濃度を低減可能としたＣＯボイラの提供である。また、更に燃料の燃焼によって生じるＮＯｘも低減できるＣＯボイラの提供である。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明の上記課題は、以下の手段により解決することができる。
請求項１記載の発明は、石油精製設備から発生する一酸化炭素を含む副生ガスを燃焼する筒型の火炉を備えたＣＯボイラにおいて、火炉の上部側壁に設けられ、燃焼により発生する排ガスを排出する出口部と、該出口部より下方の出口部側の側壁に設けられ、排ガスの流路を絞るくびれ部と、該くびれ部よりも下方で、且つくびれ部と対向する側壁にのみ設けられ、助燃燃料を燃焼用空気により燃焼する助燃バーナと、火炉の底壁に設けられ、火炉内に前記一酸化炭素を含むガスを供給するＣＯガスポートとを備えたＣＯボイラである。
なお、筒型とは断面が円又は四角形などの多角形状のものも含む意である。

【0018】

請求項２記載の発明は、前記ＣＯガスポートは助燃バーナが設けられた側壁側の底壁に設けられている請求項１記載のＣＯボイラである。

【0019】

請求項３記載の発明は、石油精製設備から発生する一酸化炭素を含む副生ガスを燃焼する筒型の火炉を備えたＣＯボイラにおいて、火炉の上部側壁に設けられ、燃焼により発生する排ガスを排出する出口部と、該出口部より下方の出口部側の側壁に設けられ、排ガスの流路を絞るくびれ部と、該くびれ部よりも下方で、且つくびれ部と対向する側壁にのみ設けられ、助燃燃料を燃焼用空気により燃焼する助燃バーナと、助燃バーナよりも下方に設けられ、火炉内に前記一酸化炭素を含むガスを供給するＣＯガスポートとを備え、前記助燃バーナの燃焼用空気に旋回力を形成する旋回装置を助燃バーナに設け、前記旋回装置による旋回力の強さを調整する調整装置を旋回装置に設けたＣＯボイラである。

【0020】

請求項４記載の発明は、前記助燃バーナの周囲の壁を耐火材により構成した請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＣＯボイラである。
請求項５記載の発明は、前記助燃バーナの上方に、該助燃バーナでの燃料の燃焼に不足する燃焼用空気を火炉内に噴出するアフターエアポートを設けた請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＣＯボイラである。

【0021】

（作用）
火炉の構造と、助燃バーナとＣＯガスポートの配置を工夫して、火炉内のＣＯガスの滞留時間を確保することで、火炉内を酸化性の雰囲気とし、ＣＯを二酸化炭素（ＣＯ_２）に酸化して無害化できる。

【0022】

火炉の上部側壁には排ガスの出口部があり、その下方の側壁には排ガスの流路を絞るくびれ部がある。助燃燃料を燃焼用空気により燃焼する助燃バーナをくびれ部よりも下方で、且つくびれ部と対向する側壁に設け、ＣＯガスポートを助燃バーナよりも下方に設ける。ボイラの火炉に投入されたＣＯガスは、上方の出口部に向かって流れるが、その間の流路にある助燃バーナからの噴射火炎によって、ＣＯガスはその高温の噴射火炎に伴いながらＣＯが燃焼されつつ、まずくびれ部側の側壁に流れ、更にくびれ部に沿って上方に流れた後、火炉上部の出口部から排出される。

【0023】

助燃バーナよりも上方にＣＯガスポートがあると、ボイラに投入されたＣＯガスは助燃バーナからの火炎の上昇気流によってすぐに上昇するため、助燃バーナの火炎と接触する時間が短く燃焼が十分に行われない。また、ＣＯガスはくびれ部に沿って流れずに上昇し、速い速度でくびれ部を通過してしまう。従って、火炉内のＣＯガスの滞留時間を十分確保できない。また、ＣＯガスは助燃バーナよりも下方の空間には流れにくいため、火炉内の助燃バーナよりも下方の空間は火炉内のＣＯガスの滞留時間の確保に十分に有効利用されていない。

【0024】

また、助燃バーナが火炉の前壁と後壁などの対向する両壁面に設置されている場合は、ＣＯガスポートを助燃バーナよりも下方に設けても、ＣＯガスが前壁と後壁の助燃バーナ間をすり抜ける際に両側からの助燃バーナの火炎によって舞い上がり上昇速度が増加するため、助燃バーナの火炎と接触する時間が短くなる。また燃焼ガスの上昇流が強くなることからＣＯガスが火炉内で滞留しにくいため、燃焼が十分に行われない。

【0025】

しかし、ＣＯガスポートを助燃バーナよりも下方に設けることで、ＣＯガスは助燃バーナの下方から投入されるため、ＣＯガスは助燃バーナから噴出する火炎の下側に接触し、その火炎に同伴して、その火炎に巻き込まれながら燃焼されつつ、その燃焼ガスはくびれ部側の側壁に流れた後、くびれ部に沿って再度助燃バーナを設けた側の壁側に流れ、火炉内を迂回しながら上方の火炉出口部に流れるので、ＣＯガスの流路が長くなり、燃焼反応の時間を確保することができる。

【0026】

また、助燃バーナの火炎よりも下方の空間にもＣＯガスが滞留するため、火炉内の空間は有効に利用され、火炉内のＣＯガスの滞留時間を十分確保でき、かつ火炎からの輻射熱でＣＯガスを高温に維持できることから、ＣＯガスの燃焼を十分に行うことが可能となる。

【0027】

更に、助燃バーナがくびれ部に対向する側壁にだけ設置されていることで、ＣＯガスは助燃バーナの噴射方向に沿ってくびれ部側へと流れた後、上昇するため、助燃バーナを対向する両壁面に設けた場合に生じる、火炎同士の衝突による上昇流が形成されないことから、上昇速度が抑えられ、比較的ゆっくりとした流れになる。

【0028】

したがって、請求項１記載の発明によれば、助燃バーナをくびれ部よりも下方でくびれ部に対向する側壁にのみ設置し、助燃バーナよりも下方にＣＯを含むガスを投入するＣＯガスポートを設けることで、ＣＯガスの火炉内の滞留時間が確保され、ＣＯガスの燃焼を十分に行うことが可能となる。

【0029】

また、ＣＯガスポートを火炉の底壁に設けることで助燃バーナの火炎に対して、ＣＯガスが直交する形で衝突することになり、その火炎への混合が速やかにかつ十分に行われることからＣＯガスの燃焼が促進される。

【0030】

また、炉底には燃焼装置等の装置や部材等がないため、配置上の制約が無くなるので、この部分を有効利用することでＣＯガスの処理量が多くても処理量に制限されずに、ＣＯガスポートの開口面積を大きくとることが可能である。

【0031】

請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、ＣＯガスポートを助燃バーナの備えられた側壁側の底壁に設けることで、ＣＯガスポートから投入されるＣＯガスは助燃バーナの火炎の根元側から火炎への混合が行われるため、ＣＯガスの燃焼反応時間を更に確保できる。

【0032】

請求項３記載の発明によれば、助燃バーナをくびれ部よりも下方でくびれ部に対向する側壁にのみ設置し、助燃バーナよりも下方にＣＯを含むガスを投入するＣＯガスポートを設けることで、ＣＯガスの火炉内の滞留時間が確保され、ＣＯガスの燃焼を十分に行うことが可能となる。
また、調整装置によって助燃バーナの燃焼用空気の旋回力の強弱を調整することができる。例えば、燃焼用空気の旋回力を弱めることで、燃焼用空気の直進方向の流速を大きくできるため、この燃焼用空気流によってＣＯガスはくびれ部側の側壁への流れが促進され、その流れに同伴するＣＯガス量が大幅に増える。したがって、多量のＣＯガスの火炉内の滞留時間をより確保でき、火炉出口のＣＯ濃度を大幅に低く抑えることができる。

【0033】

請求項４記載の発明によれば、上記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明の作用に加えて、助燃バーナの周囲の壁を耐火材によって構成すると、周囲の壁からの熱放散を抑えることができ、助燃バーナの火炎周囲の温度を高温に維持できることから、燃焼用空気による火炎の温度低下を防止でき、高温に保つことが可能となるため、ＣＯガスとの混合に際して、ＣＯガス温度を高いまま維持することにより、ＣＯの酸化反応の速度を増加させることでＣＯガスの燃焼性が良好となる。

【0034】

請求項５記載の発明によれば、上記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明の作用に加えて、助燃バーナでの燃料の燃焼に不足する燃焼用空気を火炉内に噴出するアフターエアポートを設置することで、二段燃焼を行え、燃焼効率が向上する。

【0035】

すなわち、助燃バーナでの空気比（理論空気量に対する実際空気量の割合）を１以下として、ＣＯを燃焼するが、急激な燃焼を抑えることにより、サーマルＮＯｘの発生を抑制する。サーマルＮＯｘとは、燃焼用空気の中に含まれている窒素と酸素とが高温状態において反応し、ＮＯとなることで生成するＮＯｘを言う。

【0036】

その後、火炉出口においてＣＯと未燃分を含む燃焼ガスに対して、アフターエアポートから残りの燃焼空気を噴出して、火炉を上昇してきた燃焼ガスに燃焼空気の一部を供給することにより緩やかな燃焼が行えることから、サーマルＮＯｘの発生の抑制を行いつつ、ＣＯと未燃分とを完全燃焼させることができる。

【発明の効果】

【0037】

本発明によれば、ＣＯボイラの火炉内のＣＯガスの滞留時間を十分確保することで、火炉出口のＣＯガス濃度を低減できる。具体的には以下の効果を有する。
請求項１記載の発明によれば、助燃バーナよりも下方に設置されたＣＯガスポートからのＣＯを含むガスが火炉内を迂回しながら上方に流れるので、ＣＯを含むガスの流路が長くなることで、ＣＯガスの火炉内の滞留時間が確保され、ＣＯガスの燃焼を十分に行うことが可能となる。

【0038】

また、ＣＯガスポートを火炉の底壁に設けることで、ＣＯガスの燃焼が促進されると共に、ＣＯガスポートの開口面積を大きくとれるため、ＣＯガスの処理量が多くても処理できる。
請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、ＣＯガスポートを助燃バーナの備えられた側壁側の底壁に設けることで、ＣＯガスの燃焼反応時間を更に確保できる。

【0039】

請求項３記載の発明によれば、助燃バーナよりも下方に設置されたＣＯガスポートからのＣＯを含むガスが火炉内を迂回しながら上方に流れるので、ＣＯを含むガスの流路が長くなることで、ＣＯガスの火炉内の滞留時間が確保され、ＣＯガスの燃焼を十分に行うことが可能となる。また、調整装置によって助燃バーナの燃焼用空気の旋回力の強弱を調整することで、燃焼用空気の直進方向の流速を増減できるため、ＣＯガスのくびれ部側の側壁への流れを促進することが可能となり、ＣＯガスの火炉内の滞留時間をより確保することができる。

【0040】

請求項４記載の発明によれば、上記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明の効果に加えて、燃焼用空気の温度を高温に維持することが可能となるため、ＣＯガスの燃焼性をより良好にできる。
請求項５記載の発明によれば、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明の効果に加えて、アフターエアポートを設置して二段燃焼を行うことで、助燃燃料の燃焼時に発生するＮＯｘを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0041】

【図1】本発明の一実施例のＣＯボイラの正面図である。

【図2】図１のＣＯボイラの側面図である。

【図3】図１のＣＯボイラの底面図である。

【図4】助燃バーナの一部断面を示す平面図である。

【図5】図３のＣＯガスポートの位置を変えた場合のＣＯボイラの底面図である。

【図6】本発明の他の実施例のＣＯボイラの平面図である。

【図7】図６のＣＯボイラの底面図である。

【図8】本発明の他の実施例のＣＯボイラの正面図である。

【図9】図８のＣＯボイラの側面図である。

【図10】図８のＣＯボイラの底面図である。

【図11】従来のＣＯボイラ（バーナを前壁にのみ設置した場合）の側面図である。

【図12】従来のＣＯボイラ（バーナを両壁に設置した場合）の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0042】

以下に、本発明の実施例について説明する。

【実施例1】

【0043】

図１には、本発明の一実施例のＣＯボイラ１の正面図を示し、図２には、図１のＣＯボイラ１の側面図を示し、図３には、図１のＣＯボイラの炉底（底壁）の平面図（底面図）を示す。
火炉３は水平断面が四角形であり、後壁１９上部に設けたくびれ部であるノーズ５と、ノーズ５よりも上方に設けた排ガス出口７と、排ガス出口７に設けた過熱器９などから構成される。

【0044】

火炉３の前壁１１には助燃燃料を燃焼用空気により燃焼する助燃バーナ１３が設けられ、助燃バーナ１３よりも下方にＣＯを含むガスを投入するＣＯガスポート１５が設けられている。

【0045】

図４には、助燃バーナ１３を油バーナとした場合の一例（一部断面を示す平面図）を示す。
助燃バーナ１３は、円筒状のスリーブ２９を備え、スリーブ２９の内部には、一次空気流路３３と、中心軸に設けた助燃用の燃料ノズル３１とを備えている。また、一次空気流路３３の外周部には燃焼用二次空気流路３５が設けられている。一次空気流路３３と燃焼用二次空気流路３５には火炉側壁の外側に配置される風箱３９から燃焼用空気が供給される。一次空気流路３３にスライド式に開閉自在に設けられたダンパ４１によりスリーブ２９の開口部の開閉度合を調整して一次空気流が形成され一次空気が供給される。二次空気流路３５にはエアレジスタ３７を設け、エアレジスタ３７によって燃焼用空気流が形成されて燃焼用空気が供給される。

【0046】

エアレジスタ３７は、燃焼用空気を流したり止めたりする仕切り（ダンパ）であり、バーナから噴射される燃料に燃焼用空気を供給するが、燃焼用空気を燃料と混合する際、燃焼用空気に旋回を与え、火炎手前では極力空気の混合を抑制したり、火炎手前より少しずつ混合したりして、燃焼性を調整したり、火炎を安定させるための空気流を調整する機能をもつ。なお、エアレジスタ３７には案内羽根を利用する軸流式など種々のものがある。

【0047】

そして、エアレジスタ３７は図示しない開閉機構や制御装置などにより作動することで、旋回力（スワール数）の強弱や燃焼用空気の流量及び流速を調整、制御可能である。ダンパ４１も同様に、一次空気の流量とそれらの流速が制御される。なお、スワール数とは、旋回を伴う流れにおいて、旋回の強さを表す無次元数であり、スワール数が大きいほど旋回の強い流れとなる。

【0048】

ＲＦＣＣ装置から発生するＣＯを含むガスは、組成がＮ_２：７０％、ＣＯ_２：１２％、ＣＯ：４％、Ｈ_２Ｏ：１３％、その他：１％（ｖｏｌ％）であり、温度が７００℃、流量が１時間あたり５００トンの条件でＣＯガスポート１５から火炉３（奥行７ｍ、高さ１０ｍ、巾１０ｍ程度の燃焼炉）に投入される。

【0049】

ＣＯを含むガスは低カロリーであり且つ低濃度であるため、安定燃焼を保持するために助燃燃料による補助燃焼が必要となる。助燃バーナ１３からは助燃燃料が燃焼用空気と共に火炉３に投入される。なお、図４では油バーナの例を示しているが、ガスバーナでも良く、また助燃燃料としては、油、ガス、副生油、副生ガス等特に指定はないが、例えばＬＰＧなどで良い。

【0050】

火炉３内の燃焼によって発生する排ガスは、出口７から過熱器９を通り矢印Ａ方向に流れて、図示しない脱硝装置、脱硫装置、電気集塵機などを経て煙突から排出される。
ＣＯガスポート１５は助燃バーナ１３よりも下方の前壁１１、側壁１７、後壁１９、炉底２１などに設けることで、火炉３に投入されたＣＯガスが、上方の排ガス出口７に向かって流れる間に助燃バーナ１３の火炎と接触するため、燃焼が十分に行われる。また、助燃バーナ１３よりも下方の空間にもＣＯガスが滞留するため、火炉３内の空間は有効に利用される。

【0051】

また、助燃バーナ１３が前壁１１にのみ設置されていることで、ＣＯガスは助燃バーナ１３の噴射方向（矢印Ｂで示す）に沿って火炎に同伴しながら、ＣＯは燃焼され、その燃焼ガスは、ノーズ５のある後壁１９側へと流れた後、後壁１９に沿って上昇し、その後ノーズ５に沿って再度助燃バーナ１３を取り付けた前壁１１に向かいながら上昇する。

【0052】

したがって、ＣＯガスの火炉３内の滞留時間が確保され、ＣＯガスの燃焼を十分に行うことが可能となる。なお、助燃バーナ１３は前壁１１の下部に設置すると、火炉３の下部空間を有効に利用でき、つまり、その空間に一時滞留するＣＯガスは、助燃バーナの火炎からの輻射熱により、ＣＯガスを高温に維持でき、そのＣＯガスの燃焼を促進することができる。
ＣＯガスポート１５は複数の壁に設けても良い。

【0053】

燃焼用空気である二次空気はバーナ火炎を包み込んで燃焼を安定化させるために必要であるが、エアレジスタ３７により燃焼用空気である二次空気の旋回力を弱める、すなわちスワール数を減少させることで、燃焼用空気の直進方向の流速を大きくすることができる。

【0054】

スワール数Ｓは、燃焼工学ハンドブック（初版、日本機械学会発行、１９９５年７月２５日、応用編１５８頁）で示される下記（１）式により定義されている。
Ｓ = Ｇφ／（Ｇ_ｘ・ｒ） （１）
ただし、Ｇφは噴流の角運動量（周方向の角運動量）、Ｇ_ｘは噴流の軸運動量（軸方向の運動量）、ｒはバーナの出口径である。

【0055】

スワール数を０．６の強い旋回とした場合は出口７のＣＯガス濃度は５００ｐｐｍを超えたが、それよりも弱い旋回である、例えば０．１〜０．３５とした場合は出口７のＣＯガス濃度が約６０ｐｐｍ以下に抑えられ、ＣＯガス濃度の削減効果が顕著であることが分かった。

【0056】

燃焼用空気の直進方向の流速が大きいと、ＣＯガスのノーズ５側の後壁１９への流れが促進され、助燃バーナ１３の火炎に沿って後壁１９へ流れるＣＯガス量が増え、ＣＯガスの火炉３内の滞留時間がより確保される。したがって出口７のＣＯガス濃度を更に低下させることができる。

【0057】

なお、ＣＯガスポート１５を助燃バーナ１３の下方の前壁１１に設ける場合は、炉底に設ける場合と比べて、助燃バーナ１３との配置上の制約があるが、助燃バーナ１３の噴出方向に沿ってＣＯガスが投入され、直進方向の流速が大きい助燃バーナ１３から噴射される火炎に同伴されながらＣＯガスは燃焼され、後壁１９側へと流れながら上昇するようになり、ＣＯガスポート１５を炉底に設けた場合と同様な効果が得られる。

【0058】

図３には、炉底２１にＣＯガスポート１５を設置した例を示しているが、この場合は特にＣＯガスが炉底２１にも溜まるため、火炉３の下部の空間をより有効に利用できる。また、炉底２１には燃焼装置等の装置や部材等がないため、この部分を有効利用することでＣＯガスの処理量が多くても処理量に制限されず、ＣＯガスポート１５の開口面積を大きくとることが可能である。

【0059】

図２にはＣＯガスの流れ（矢印Ｃ）を示す。炉底２１から投入されるＣＯガスは、助燃バーナ１３からの助燃燃料と燃焼用空気、また排ガスの流れによって後壁１９側に流される。そして火炉３内を上昇しながら、燃焼用空気からの酸素、着火源である火炎、高温雰囲気などの燃焼条件が確保された状態で、後壁上部のノーズ５に当たり、火炉３内を循環して出口７へと流れる。したがって、ＣＯガスポート１５を炉底２１に設けた場合は、火炉３内のＣＯガス流路が長く確保されるため、更なるＣＯガスの滞留時間の確保が可能となり、出口７におけるＣＯガス濃度を低下させることができる。

【0060】

特に、ＣＯガスポート１５を炉底２１の前壁１１側に設けると、ＣＯガスが投入直後に助燃バーナ１３からの火炎と直交する形で接触するため火炎と混合しながら後壁１９まで流れ、炉底２１の前壁１１側から後壁１９側への流路が確保できる。したがって、ＣＯの酸化反応時間を最大限確保でき、燃焼効率が良好となる。
また、図５に示すように、平面視における助燃バーナ１３とＣＯガスポート１５との左右方向の位置（点線Ｄで示す）を揃えると、ＣＯガスと助燃バーナ１３からの火炎がより接触しやすくなるため好適である。

【0061】

また、ＣＯガスポート１５の開口面積は、火炉３へのＣＯガスの投入速度が速くなりすぎないように設定すると良い。ＣＯガスの投入速度は、助燃バーナ１３から投入する燃焼空気速度よりも遅く設定することにより、助燃バーナ１３の火炎がＣＯガスを同伴しやすくする。したがって、一般的には２０ｍ／ｓ前後の燃焼空気投入速度とし、ＣＯガスの投入速度はそれ以下の２０ｍ／ｓ以下となり、ＣＯガスの処理量に応じてＣＯガスポート１５の開口面積は決定される。

【0062】

火炉３へのＣＯガスの投入速度が速いと助燃バーナ１３の火炎を貫通してしまうので、火炉３内のＣＯガスの滞留時間が確保できないが、火炉３へのＣＯガスの投入速度を２０ｍ／ｓ以下等の適正な速度にすることで、ＣＯガスが助燃バーナ１３の火炎に直交する形で衝突し、燃焼空気ともよく混合されながら同伴して十分に燃焼が可能となるので、ＣＯ濃度の低減が達成できる。

【0063】

更に、前壁１１の助燃バーナ１３の上方に、助燃バーナ１３での燃料の燃焼に不足する燃焼用空気を火炉３内に噴出するアフターエアポート２７を設置して二段燃焼を行えば助燃燃料の燃焼時に発生するＮＯｘを低減できる。
つまり、助燃バーナの空気比を１．０より少なくして、燃料に燃焼用空気を供給することにより、緩慢燃焼を行いサーマルＮＯｘの発生を抑制しつつＣＯガスを燃焼させ、火炉３の出口７において、アフターエアポート２７から燃焼に必要な空気量の残りの燃焼空気を、火炉３を上昇してきた燃焼ガスに供給して、その燃焼ガスに含まれるＣＯと未燃分を燃焼させる。この燃焼により、ＮＯｘの発生量の抑制とＣＯ濃度の低減を合わせて達成することができる。

【実施例2】

【0064】

図６には、本発明の他の実施例として、ＣＯボイラの平面図を示し、図７には図６のＣＯボイラの底面図を示す。本実施例では火炉３の水平断面が円形の場合を示しており、その他の構成は実施例１と同じであるため、同じ部材の説明は省略する。また、ＣＯボイラの正面図と側面図は概ね図１や図２と同じである。

【0065】

火炉３の水平断面が円形の場合は、ノーズ５と対向する位置に助燃バーナ１３を設ける。本実施例でも実施例１と同様の作用効果を奏する。なお、実施例１のようにＣＯガスポート１５を炉底２１の前側に設けたり、平面視における助燃バーナ１３とＣＯガスポート１５との左右方向の位置を揃えたり、エアレジスタ３７による燃焼用空気の旋回力を調整したり、ＣＯガスポート１５の開口面積をＣＯガスの流速を調整するために適宜変更したり、アフターエアポート２７を設置して二段燃焼を行っても良いことは言うまでもない。

【実施例3】

【0066】

図８には、本発明の他の実施例のＣＯボイラ１の正面図を示し、図９には、図８のＣＯボイラ１の側面図を示し、図１０には、図８のＣＯボイラ１の底面図を示す。なお、分かりやすいように、図１０には耐火材２３の設置箇所を示している。
本実施例は、火炉３の側壁１９の一部と前壁１１の下部に耐火材２３を設置したものであり、その他の構成は実施例１と同じであるため、同じ部材の説明は省略する。

【0067】

助燃バーナ１３の周囲の壁を耐火構造とし、壁自体を耐火材２３によって構成したり、壁面に耐火材２３を設けたりしても良い。耐火材２３は、助燃バーナ１３の周囲を取り囲むように設ける。耐火材２３を設置することで壁からの熱放散を抑制することができ、火炉３内の助燃バーナ１３の火炎の周辺部に高温域を形成することができる。

【0068】

燃焼用空気は空気予熱器（図示せず）により２５０〜３５０℃に予熱した後、助燃バーナ１３に供給する。また、耐火材２３を前壁１１や側壁１７の下端部から設置するので、炉底２１のＣＯガスポート１５から流入するＣＯガスの温度低下を防止できる。

【0069】

耐火材２３としては、ＪＩＳ Ｒ ２００１で規定されている耐火煉瓦、耐火モルタルなどがある。例えば、シリカ・アルミナを主成分としたキャスタブル耐火材（キャスターともいう）やプラスティック耐火物などがある。
耐火材２３はＣＯガス含有ガス温度やその成分によって、火炉３における施工範囲を調整することとなる。

【0070】

このような耐火構造により高温域が維持できることから、助燃バーナ１３から供給される２５０〜３５０℃の燃焼用空気が燃料と混合される際の温度降下は小さく、瞬時にＣＯの酸化反応速度が促進される温度の７００℃以上を確保でき、更にＣＯガスの混合時点でもＣＯガスの速度が７００℃であることから温度降下は生じず、ＣＯの酸化反応速度が増加するため、ＣＯガスの濃度を大幅に下げることができる。

【0071】

なお、実施例１のようにＣＯガスポート１５を炉底２１の前壁１１側に設けたり、平面視における助燃バーナ１３とＣＯガスポート１５との左右方向の位置を揃えたり、エアレジスタ３７による燃焼用空気の旋回力を調整したり、ＣＯガスポート１５の開口面積をＣＯガスの流速を調整するために適宜変更したり、アフターエアポート２７を設置して二段燃焼を行っても良いことは言うまでもない。また、実施例２のように火炉３の水平断面が円形の場合は、助燃バーナ１３周囲の側壁に耐火材２３を設置すれば良い。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明によれば、石油精製プラントなどの各種化学プラント等における高温のＣＯを含むガスを燃焼するボイラに利用可能性がある。

【符号の説明】

【0073】

１ ＣＯボイラ ３ 火炉
５ ノーズ ７ 出口
９ 過熱器 １１ 前壁
１３ 助燃バーナ １５ ＣＯガスポート
１７ 側壁 １９ 後壁
２１ 炉底 ２３ 耐火材
２５ 天井 ２７ アフターエアポート
２９ スリーブ ３１ 燃料ノズル
３３ 一次空気流路 ３５ 二次空気流路
３７ エアレジスタ ３９ 風箱
４１ ダンパ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】