バーナーの技術とコンセプト: 排出ガスへの対応

2022 年 9 月 1 日 | ジョナサン・シュテーガー著

大胆な持続可能性目標を達成するために、NOx 排出量を大幅に削減できる新しいバーナー技術と制御構成が開発されています。

業界をリードする多くの企業は、気候変動、パリ協定、国、州、地方のさまざまな規制などの要因に基づいて、排出量削減とエネルギー効率に関する大胆な持続可能性目標を設定しています。

米国では、カリフォルニア州が常に排出削減の先頭に立ってきました。 同州は、窒素酸化物 (NOx) の 30 ppm の排出基準を義務付けた最初の州であり、その後、NOx は 15 ppm、さらに NOx はわずか 9 ppm に減少しました。 現在、カリフォルニア州のいくつかの郡では、大型の工業用水管 (IWT) ボイラーに対して 2 ppm NOx 要件を施行しています。 他の州もこれに倣い、NOx 排出要件を 30 ppm、またはさらに低くする予定です。

ボイラー業界は、NOx と CO の両方の排出量を削減する高度な技術とソリューションを導入し続けています (図 1)。 現在、用途、燃料、燃焼サイズに応じて、従来の燃料と再生可能燃料に利用できるさまざまな燃焼技術と燃焼スタイルが存在します。 これらの新しい製品と高度な制御システムを組み合わせることで、高いターンダウン、一貫した燃料対空気比、燃焼の再現性が保証されます。

図 1. NOx および CO 排出量の削減要件が近づいており、これらの目標を達成するためにバーナー技術が進化しています

ターンダウンは理解することが重要な概念です。 ボイラー システムに関しては、システムの高火力設定と低火力設定を識別する比率です。 たとえば、10:1 ターンダウンの 1 億 Btu/h バーナーは、1 億 Btu/h で高火力、1,000 万 Btu/h で低火力に達します。 ボイラー システムのターンダウンを高くすることの主な利点は、サイクルが減少し、ボイラーのエネルギー消費と熱ストレスが軽減されることです。

サイクリングを減らすことで、必要な燃料が減り、大気中への排出ガスも少なくなります。 ターンダウンはバーナーの設計に大きく依存します。 多くの高ターンダウン バーナー システムには高度な制御システムが必要です。通常、これらには並列位置決めまたは完全計量システムが含まれます。

バーナー技術で最も削減される NOx の種類はサーマル NOx です。 これは、火炎の温度を下げるか、即時 NOx を除去することによって達成できます。そのうちの一部は、バーナー内の燃料と空気の混合気を最適化することによって削減できます。 現在実装できるバーナー技術と燃焼システムにはさまざまな種類があり、それぞれに NOx を削減し効率を高めるための独自の特性があります。 これらの方法には次のものが含まれます。

燃料ステージングでは、点火前に主燃料の一部を噴射して炉内の燃焼ガスと混合します (図 2)。 したがって、燃料をガス、主に N2 と H2O で希釈します。 この方法で燃料を段階的に配置すると、燃料が主火炎から点火され、その体積により炉の輻射熱伝達量が減少します。 この輻射熱伝達は炎の冷却に役立ちます。 これら 2 つの効果の燃焼により火炎温度が低下し、NOx の生成が減少します。

図 2. 排煙誘導装置による燃料ステージングには、点火前に主燃料の一部を炉に注入することが含まれます。これにより、燃料がガスで希釈され、火炎温度が効果的に低下し、NOx の生成が抑制されます。

プロセスの背後で、燃焼ヘッド (またはヘッドの穴の開いた部分) の外側にある一部のガス インジェクターには、ステージド インジェクターと呼ばれる 1 つの大きなグリルが付いています。 これらのインジェクターは、燃料ジェットを主火炎燃焼の外側に向けます。

噴射オリフィスが大きいほど、炉自体の奥まで進む大きなジェットが生成されます。 主炎で点火する前にゆっくりと混合すると、より大きな火炎エンベロープが生成され、放射熱伝達が増加します。 ボイラーから炉、そして火炎自体への熱伝達が増えると、より多くの熱が発生し、NOx 排出量が増加します。

燃料ステージングだけで NOx を約 20 ～ 25% 削減できます。 たとえば、燃料ステージングを備えた 100 ppm 標準の非制御タイプのバーナーの場合、NOx 排出量は 75 ～ 80 ppm まで削減できます。

誘導排ガス再循環 (FGR) は、サーマル NOx を削減するための最も一般的で効率的な方法の 1 つです (図 3)。 このプロセスでは、冷却した不活性排ガスを燃焼用空気と混合して火炎面を通過する質量流量を増加させ、温度と熱による NOx の生成を低減します。

図 3. 排ガス再循環 (FGR) を備えた典型的な煙管ボイラーが示されており、高温の再循環ガス流はエコノマイザーに到達する前に迂回されます。

図 3 は、排ガスがエコノマイザーに到達する前にどのように引き出されるかを示しています。 高温の小さな火管では、再循環された煙道ガスが引き出され、空気と混合されます。 そこからファンを使用して燃料が燃焼プロセスに導入され、混合されます。 これにより火炎温度が最小限に抑えられ、サーマル NOx が減少し、バーナーの排出量が減少します。

この技術は今日多くの内燃機関で使用されています。 排気ガス再循環（EGR）と呼ぶこともできます。 基本的には簡単な解決策です。 少量の水を加えるとシステムが冷却されます。 これは、炎を冷却し、NOx 排出量を低く抑えるためにシステムに煙道ガスを入れることにたとえることができます。

IWT などの大容量ボイラーの場合、FGR は通常、エコノマイザーの後に取り外されます。 大型のボイラーでは、FGR の温度をわずかに低くすることが推奨されます。

他のバーナー技術と併用すると、NOx を 90% 削減できます。 内部技術により、複数の技術を組み合わせることで、9 ～ 10 ppm の NOx を達成できます。 現在では、状況によっては 5 ppm の NOx さえも達成可能です。

高過剰空気法では、FGR ソリューションと同様に、過剰空気の質量流量を増加させて火炎を冷却します。 効果を発揮するには、火炎面の位置を制御する必要があります。 また、この方法では、バーナー点火前に燃料と空気の混合物を予混合することが非常に重要です。 そうしないと、炎が上に移動し、燃料が豊富な状態になってしまいます。 それが起こると、バーナーが変位し、火炎温度が再び上昇し始め、予混合の利点が損なわれます。

燃料と空気の混合物を事前に混合する必要があり、火炎位置の制御が必要なため、高過剰空気戦略は特定の種類のバーナーでのみ使用できます。

この種の技術を利用することで、NOx を 7.5 ～ 9 ppm まで削減できます。 高過剰空気の主な利点は、FGR を使用せずに低排出ガスを達成できることです。

最後の燃焼技術は二段階燃焼であり、二段階燃料噴射と二段階空気噴射の２種類がある。 これらのプロセスはある程度似ていますが、主な違いは、2 段階燃料噴射では最初の段階で希薄予混合燃焼が利用され、2 段階空気噴射では最初の段階で燃料が非常に豊富な燃焼が行われることです。

燃料噴射法の最初のステップは、高過剰空気と熱伝達で構成されます (図 4)。 燃焼用空気はすべてバーナーを通過しますが、燃料は一部のみが通過するため、非常に希薄な燃焼が生じます。

図 4. 燃料噴射法の最初のステップには、過剰な空気と熱伝達が含まれます

燃焼プロセスの第 2 ステップでは、追加の燃料が燃焼生成物に噴射されます。 これを効果的にするには、最初のステップの前、および 2 番目のステップに燃料を供給する前に、ある程度の熱を除去する必要があります。 熱は通常、炉壁への放射熱交換器によって除去できます。

最初のステップでは、熱交換器間の火炎温度まで低下した燃焼が不十分です。 FGR を第 1 段階の燃焼に追加して、火炎温度自体を下げることができます。 第 2 ステップで噴射される燃料は、第 2 燃料噴射ステップの炉ガスおよび燃料ステーションと混合するように段階的に調整することができ、これはこのシステムでは一般的です。

2 段階の燃料噴射システムを使用する一般的なパッケージ型ボイラーは、FGR なしで約 30 ppm の NOx を達成します。 2 段階噴射プロセスに FGR を追加すると、NOx を 9 ～ 10 ppm まで低減できます。

現場設置ボイラーなどの非常に大型の炉に 2 段階空気注入法を適用するには、膨大な量が必要となるため、2 つの燃焼システムが必要になります。

空気噴射法 (図 5) では、最初のステップは非常にリッチな燃焼、またはいわゆる準化学量論的燃焼です。 このタイプの燃焼では、最初のステップでは部分的な燃焼のみが発生します。

図 5. 空気噴射法は準化学量論的燃焼から始まります

2 番目のステップでは、燃焼用空気の残りが導入されますが、通常、2 つの噴射ステップ間の熱伝達は温度を下げるのに十分ではありません。 したがって、FGR は空気とともに第 2 噴射ステップで導入する必要があります。

2 番目の燃焼ステップはサーマル NOx 生成の大部分を担うため、火炎の温度を制御することが重要です。 現場では、これは現場設置ボイラーのオーバーファイアエアと呼ばれることがよくあります。 2段階空気注入法を採用することでNOxを30ppmまで低減できます。 Nox オイル (高 Btu 含有量の残留オイル) を使用すると、通常は約 375 ppm である NOx を 140 ppm まで減らすことができます。

これらの燃焼技術やプロセスを利用するには、平行位置決めシステムや完全計量システムなどの高度な制御が必要です。 追加のオプションには、可変速ドライブ (VSD) および O 2 トリム エアフロー トリミング システム (次のセクションで説明) が含まれます。 これらのシステムは、燃料対空気比を制御し、点火技術で良好な混合を達成するために必要な正確な制御を提供します。

平行配置。 基本的に、平行位置決めはバーナーの燃料対空気比を最適化する制御システムです。 標準の 1 点位置の代わりに平行位置決めシステムを利用すると、多くの利点があります。

エアダンパー、ガス計量バルブ、FGR バルブなどの制御バルブにアクチュエーターが直接接続されており、再現性が確保されているため、平行位置決めにより正確な燃料空気比制御が可能になります。 燃焼プロセスのあらゆる時点で、それが常に繰り返されます。

平行位置決めには高分解能アクチュエーターである専用サーボが使用され、燃料または空気のそれぞれに独自の専用サーボが搭載されています。 エアダンパーには専用のサーボを搭載。 ガス制御バルブには専用のサーボがあり、FGR が存在する場合は、再循環量を制御するサーボが FGR バルブにあります。 すべてのアクチュエータには、安全性を向上させるためのフィードバック信号も装備されています。 アクチュエータが所定の位置に到達しない場合、アラームが発せられ、シャットダウンされます。

これらのそれぞれに、適用される独自の個別のカーブを設定できます。 平行位置決めのための空燃比曲線はソフトウェア機能です。 そのため、さまざまなバーナー技術の要件を満たすために、燃料の曲線を変更したり、複数の曲線を用意したりすることが可能です。 また、ソフトウェア機能であるため、可変周波数ドライブ (VFD)、VFD バイパス、O2 トリム システムを追加する機能もあります。

高解像度のアクチュエーターが使用されているため、バーナーの調整プロセス全体を通じて良好な燃焼が行われます。 また、ヒステリシス損失が少ないことが大きな利点です。 このため、約 2 ～ 3% の燃料節約が期待できます。 この燃料の節約は、燃焼される燃料が減り、大気中への排出量が減少することを意味します。

新しい燃焼燃焼技術による高度な制御を利用することにより、NOx 排出量を 9 ppm、場合によっては 5 ppm まで削減できます。

完全従量制システム。 完全計量システムは、燃焼率制御システムにおける空気および燃料の圧力または温度の変化に対応するために使用される好ましい方法です。 並列測位システムを卒業するには、クロスリミット機能を備えた完全従量制システムに移行する必要があります (図 6)。

図 6. この完全計量制御システムには、クロスリミット機能と個別のデバイス アクチュエータが含まれています

平行位置決めシステムと同様に、完全計量システムは個別のデバイス アクチュエータを使用します。 操作上の主な違いは、並列位置決めシステムは適切な流量の指標として空気および燃料制御デバイスの位置を使用するのに対し、完全計量システムは流量センサーを使用して実際の空気およびガス燃料の流れを監視することです。 さらに、完全計量システムは監視中に、必要に応じて制御デバイスを調整して、目的の流量を達成します。

完全計量システムを使用して空気と燃料の設定値を作成し、それに対してそれぞれの流れを準備して流量制御位置の空気信号を作成します。 このタイプのシステムでは、O2 トリム システムの使用を強くお勧めします。

交差制限点火制御を備えた完全計量システムは、流量の表示と合計を可能にする空気および燃料メーターが付属しているため、現在使用されているすべてのシステムの中で最高の効率と最良の排出制御を実現します。

さらに、完全に計量されたシステムには、圧力と温度の補償の可能性があります。 また、マルチバーナー用途や代替燃料にも対応しています。 異なる種類の燃料の同時燃焼を安全、効率的、確実に行うことができます。 連邦規制と地方規制の両方で燃料トータライザーが必要になることが多く、この燃料計量システムにはそれらが含まれています。

O2トリム。 O2 トリムは、燃焼システム内の過剰空気を必要なレベルに維持するオプションです。 動作条件によって生じる燃空比のわずかな変動を補正します。 変動には、大気圧の変化、温度の変化、またはバーナーやコンポーネント自体の単なる機械的磨耗が含まれます。

バーナーの燃焼について覚えておいていただきたいのは、空気や燃料の流れに影響を与える可能性のあるものはすべてバーナーの性能に影響を与え、排出に悪影響を与えるということです。

O2 トリム オプションには、ボイラーのスタック内の排ガス出口に取り付けられた O2 センサーが必要です。 燃焼制御システムにフィードバック信号を与えます。

このシステムは最適な O2 燃焼を維持し、良好な完全燃焼で NOx 目標を達成します。 これは、パフォーマンス係数と安全係数の両方です。 O2 トリムを行うと、燃焼が濃くなりすぎたり、O2 が 1% を下回ったりするのを防ぎます。 一部のバーナーでは、燃焼中に O2 が 8 ～ 9% を超えないようにすることが重要です。

O2 トリムは、潜在的な問題を特定する非常に効果的な方法でもあります。 O2 レベルが増加し始めると、O2 トリム システムがそれを明らかにします。

O2 トリムのさらなる利点は、効率と信頼性です。 基本的に、この制御により、排ガス O2 の一貫性、燃焼の改善、および気温の変化に伴う燃料と空気の補正が保証され、その結果、燃料が約 2 ～ 3% 節約されます。

VSD。 もう 1 つのオプションは、特にファンが大きすぎる場合に、燃焼用空気の制御能力を向上させる可変速度ドライブ (VSD) をファンに取り付けることです。 空気制御が改善されると、燃空比の制御が強化され、より優れた、より正確で、より効率的な燃焼が実現されます。 そして、そうすることによって、低および超低 NOx 排出を達成することができます。

選択的触媒還元 (SCR) システムは、NOx 排出量を 94% も削減するのに役立ちます。 たとえば、施設に NOx が 100 ppm の制御されていないバーナーがある場合、SCR システムは排出量を NOx 6 ppm まで削減できます。 SCR システムのもう 1 つの利点は、上記のバーナー技術の一部を利用することにより、必要な触媒が少なくなることです。

30 ppm バーナーでは、触媒の使用量を減らしながら、SCR で 5 ～ 6 ppm NOx を達成できます。 このソリューションは、排ガス温度が 400 ～ 700°F の範囲内であれば、どのような燃料でも機能します。 この温度範囲では、触媒は最高レベルの活性を示します。 触媒床は、1 時間あたり数百万のカラムという小規模から非常に大きな排気流量に合わせて設計でき、アンモニア噴射を変更して、複数燃料および同時点火用途のさまざまな燃料に対応できます。

SCR にはいくつかの制限があることに注意してください。 1 つは、排ガスの流れには粒子状物質が多すぎることができないということです。 そうしないと、触媒がすぐに詰まってしまいます。 この問題を軽減するために使用できるさまざまな触媒ピッチがあります。 また、触媒は、触媒毒などの特定の物質の存在下で失活する可能性があります。

また、アンモニアは塩基であるため、このタイプのシステムでは排ガスの酸濃度を注意深く監視する必要があります。 酸露点以下では、アンモニアが酸と結合して塩を形成し、触媒自体が詰まる可能性があります。 図 7 は、排出ガスと NOx を削減するために SCR システムがどのように機能するかを示しています。

図 7. 選択触媒還元 (SCR) システムを使用して、燃焼プロセスの下流で排出物をさらに削減

SCR システムでは、アンモニアと NOx の反応は約 1,600°F の高温で自然に発生します。 この反応により、NOx、NO、NO2 が無害な水と窒素ガスに分解されます。

ボイラーシステムにアンモニアが導入されると、抑制する必要がある新たな排出物、つまりアンモニアスリップが追加されます。 これは、SCR システムを通過する未反応のアンモニアです。

スタックアンモニアのスリップ限界は通常 2 ～ 10 ppm です。 スリップ限界があるため、アンモニア流量は NOx 流量と一致するように正確に制御される必要があります。 この機能はアンモニア流量制御ユニットによって制御されます。 また、アンモニアのスリップを最小限に抑えるには、アンモニアの噴射パターンが NOx の分布パターンと一致する必要があります。

アンモニアのこの機能は、アンモニア注入グリッドの一部です。 排気ガスが通過する際、アンモニア流量制御は、アンモニア噴射グリッド領域に入るアンモニアの量を監視します。 内部では排気ガスと混合し、触媒を通過したり、触媒から出たりしています。 繰り返しますが、SCR では N2 と H2O が副産物として発生します。

ボイラー業界は今後も NOx 排出量の削減に努めてまいります。 NOx 排出量の削減に加えて、二酸化炭素排出量の削減にも重点が置かれています。

近い将来、NOx 排出量を削減するだけでなく、燃焼プロセスから排出される炭素の量も削減するために、これらの燃焼サイクル内で実装される技術を検討してください。 二酸化炭素回収システムやその他の技術がますます注目を集めています。

私たちの業界のもう一つの焦点はエネルギー効率です。 効率の高い機器は熱をより効率的に利用するため、必然的に燃焼に必要な燃料の量が減り、ひいては排出量も削減されます (図 8)。

図 8. 従来のバーナー (A) を新しい低 NOx バーナー (B) に交換することにより、このプラントの NOx 排出量は 90 ppm から 24 ppm まで削減されました。 また、サイクリングと余分な空気が削減され、全体的な効率が向上し、燃料使用量が 10% 削減されました。

最後に、特に温水工学の面では、人工燃料や再生可能燃料にも大きな焦点が当てられています。 再生可能燃料は副産物の排出量が少ないため、今日多くの企業が持続可能性の目標を達成するのに役立っています。 ■

1. 燃焼のバランスを達成する、化学。 Eng.、2022 年 8 月、14 ～ 17 ページ。

2. 排出のより良い制御を達成するための新しい方法、Chem. Eng.、2021 年 1 月、12 ～ 15 ページ。

3. NOx 削減のための低コスト技術、Chem. Eng.、2020 年 5 月、30 ～ 36 ページ。

4. 密閉燃焼装置と技術、化学。 Eng.、2018 年 1 月、46 ～ 49 ページ。

Jonathan Stoeger は、Cleaver-Brooks の Burner Systems グループ (221 Law St; Thomasville, GA 31792; 電子メール: [email protected]; Web サイト: www.cleaverbrooks.com) のインサイド セールスおよびアプリケーション マネージャーです。 彼は Cleaver-Brooks に 17 年間在籍し、ASME の CSD-1 コード委員会 (自動点火ボイラーの制御および安全装置) の委員を務め、現在は委員会の補欠メンバーを務めています。 ステガーは、ウィスコンシン大学プラットビル校で機械工学の学位を取得しています。