2018 Fiscal Year Research-status Report
竪型ストーカ式焼却炉内での窒素酸化物の低減メカニズムの解明と脱硝技術への応用
Project/Area Number |
18K11689
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Research Institution | Hokkaido University |
Principal Investigator |
黄 仁姫 北海道大学, 工学研究院, 助教 (70447077)
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Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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Keywords | ごみ焼却排ガス処理 / 竪型ストーカ式炉 / 窒素酸化物 / アンモニア / 酸化抑制 |
Outline of Annual Research Achievements |
本研究は,ごみ層の鉛直方向に酸素濃度の異なる反応ゾーンを形成し,効率よく焼却を行っている竪型ストーカ式焼却炉に着目し,還元剤や触媒を使わずに排ガス中窒素酸化物の濃度を低減できる運転条件とそのメカニズムを明らかにすることを目的とする。そのために,文献と実測データを用いて竪型ストーカ式焼却炉特有のごみ層と燃焼室での生成ガス(窒素,酸素,二酸化炭素,一酸化炭素,水素,炭化水素類),窒素酸化物およびその中間生成物の発生実態を把握した。ごみ層については,ごみが投入される最上部から焼却灰が排出される底部までの層全長に対して,垂直に等間隔で四つの区間に分けて,それぞれの反応特性を見た。一次燃焼空気(燃焼空気比:0.3-0.4)が供給される層底部では,酸素濃度が相対的に高く酸化雰囲気が維持されていたが,層の中心部に至ると酸素濃度が急激に減少し,水素や一酸化炭素の濃度が10%前後まで至る部分燃焼・ガス化ゾーンが形成されていた。その上部はさらに酸素濃度が減少し,炭化水素類の濃度が増加する。無酸素に近い条件下で, 投入ごみの熱分解反応が進んでいることが確認された。なお,この区間では窒素酸化物の中間生成物であるシアン化水素とアンモニアの濃度増加が見られ,その濃度は数十~数百ppm範囲であった。一方,窒素酸化物の濃度は数ppmレベルで低く,強力な還元雰囲気の中で中間生成物の酸化反応が抑制されていることがわかった。ごみ層から燃焼室に排出された可燃ガス中の酸素濃度は依然として低く2%以下であった。しかし,アンモニア濃度は大幅に増加し,シアン化水素より数倍高い濃度となっていた。シアン化水素はそのような急激な濃度増加はなく,場合によってはほぼゼロまで減少することもあった。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
竪型ストーカ式焼却炉の特徴であるごみ層内の鉛直方向に形成される反応ゾーンの特性を確認し,各ゾーンでの窒素酸化物とその中間生成物の挙動を把握した。ごみ層の最上部に形成される熱分解ゾーンによって窒素酸化物の生成が抑えられていることがわかった。なお,ごみ層から発生した可燃ガスには窒素酸化物の中間生成物でもアンモニア濃度が非常に高いことが確認された。アンモニアは,酸化反応を経て窒素酸化物になるが,窒素酸化物を窒素ガスに還元できるものでもあり,その効果を極力高めることが窒素酸化物の低減のためのキーポイントとなる。その意味で今回得られた知見は実験や計算条件を設定する上での極めて重要な情報である。次年度の研究では,ラボ実験と数値シミュレーションを通じて竪型ストーカ炉での窒素酸化物の生成を抑制し,なおかつ,窒素ガスへの還元を促進できる運転条件を見出すことを目的として研究を進める。
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Strategy for Future Research Activity |
1)室内実験より,ごみ層から発生した主な中間生成物であるアンモニアに対して燃焼室および再燃焼室での酸化・還元メカニズムを明らかにする。室内実験は,竪型ストーカ式焼却炉での反応条件を模擬し,可燃ガス(窒素,二酸化炭素,一酸化炭素,水素,メタンガス)の混合ガス,窒素酸化物の中間生成物としてアンモニアガス,窒素酸化物である二酸化窒素ガスを用いて実験を行う。特に二次燃焼空気比による酸素濃度の変化,排ガス冷却のために供給される水噴霧による水蒸気濃度,温度等を主な運転条件として,窒素酸化物の生成または窒素ガスへの還元条件を明らかにする。生成ガスは反応器出口で捕集し,窒素酸化物分析計,ガスクロ,イオンクロ等より定性・定量を行う。 2)数値計算シミュレーションによる窒素酸化物およびその中間生成物の反応経路を追跡する。各反応条件で発生するガスは最終形態しか把握できない。どのように窒素酸化物への酸化や窒素ガスへの還元が進行するか,その反応経路を知るために,共存ガスの種類と濃度,温度,圧力などの条件を入力し,窒素酸化物および各種中間生成物の生成とその濃度の時間的変化を計算する。計算ソフトは,熱力学データと化学的動力学データを用い,気相化学反応を解析できるChemkedを用いる。解析に必要な化学種と素反応式は,公開ソースであるGRI-Mech の化学種53種,素反応機構の325式を利用する。計算結果はラボ実験結果と照らし合わせながら相互検証を行う。
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