JP7743241B2 - カルボン酸燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、カルボン酸の燃焼方法に関する。

２０２０年に日本は「２０５０年カーボンニュートラル」を宣言した。
ＣＯ₂削減技術は革新的に進んでいる。ＣＯ₂を炭素源として燃料や化学品を製造し、従来の化石由来炭化水素からのＣＯ₂排出減少を目標に進んでいる。
その中でもギ酸というのはＣＯ₂とＨ₂から高効率に合成できるので、ＣＯ₂を利用したクリーンな原料とみなすことが出来る。現在、ＣＯ₂からのギ酸合成方法は増えており、その一部を示す。

一つ目の方法として、ＣＯ₂とＨ₂の合成触媒を使用することで、ギ酸が発生する。
二つ目の方法として、人工光合成がある。水中でＣＯ₂に光を当てることにより、光触媒の効果によって、ギ酸とＯ₂が発生する。
三つ目の方法として、水中でメタンに二酸化塩素と光を当てることにより、二酸化塩素の酸化効果によって、ギ酸とメタノールが発生する。
また、三つ目の方法では、メタンをエタンに置き換えることで酢酸とエタノールが発生する。

このようなＣＯ₂や化石由来炭化水素からギ酸や酢酸などのカルボン酸の製造技術が注目されている。
その理由はギ酸や酢酸などのカルボン酸は、さまざまな化学品、燃料の基幹原料となるからである。
カルボン酸から従来燃料を合成することや、ギ酸の場合、分解してＨ₂燃料とすることも出来る。

カルボン酸は液体で化学的に安定しており、濃度によっては規制のない安全なものである。
つまり、カルボン酸を合成し、カルボン酸で輸送・貯蔵し、そのまま燃料として燃焼させることも環境性・経済性・安全性の観点から選択肢として有利な場面が出てきた。
例えば上記方法の場合、ギ酸・酢酸は水中で合成され、水溶性のため水溶液として、取り出される場合がある。
ここでの燃料とは、ボイラ、ガスタービンやヒータ等の燃料を想定する。
しかし、カルボン酸水溶液そのままでは、燃料利用の場合、自燃が困難である。

燃料利用の場合ではないが、下記の特許文献１には、一般的にボイラ燃料として使われない燃焼性の低い無煙炭をアルコールやカルボン酸で燃焼性を上げ、低ＮＯxにして燃焼させる技術が提案されている。

特開２００３－２１４６１８号公報

カルボン酸水溶液は液体状態では、単位質量当たりの発熱量が低く、液体噴霧バーナでの燃焼（自燃）が困難である。
また、不完全燃焼時に発生するヒュームやミストは、人体に有害であり、金属材料に対し、腐食性を有する。

本発明は、カルボン酸水溶液を蒸気化することにより、メインの液体燃料との混合を容易にして燃焼性を高め、不完全燃焼によるヒュームやミストの放出をなくすようにしたカルボン酸燃焼方法を提供することを目的とする。

本発明のカルボン酸燃焼方法は、カルボン酸水溶液を気化（蒸気化）してカルボン酸含有蒸気とし、該カルボン酸含有蒸気を空気とともに液体燃料と混合させてバーナ等の燃焼手段で燃焼させることを特徴とする。

上記の方法において、前記カルボン酸含有蒸気を空気と混合してバーナ等の燃焼手段の２次空気、３次空気としても供給することができる。

また、本発明のカルボン酸燃焼方法は、カルボン酸水溶液を気化してカルボン酸含有蒸気とし、該カルボン酸含有蒸気を空気とともにヒータ等の加熱手段及び触媒を備えた反応器に供給して触媒燃焼させることを特徴とする。

これらの方法において、カルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸やアクリル酸等を用いることができる。

上記のようなカルボン酸は、製造方法や保存方法で一旦、水溶液になる場合が多く、そのまま使用することができる。もちろん、カルボン酸を水に溶解させて水溶液を作製してもよい。

本発明のカルボン酸燃焼方法は、カルボン酸含有蒸気を噴霧媒体として液体燃料と混合噴霧（又は先混合）することで、完全燃焼させ、排ガス中にカルボン酸を放出させない。
本発明の方法は、液体状態のカルボン酸を蒸気化することで、液体燃料との混合を容易にし、燃焼性を高める。それにより、不完全燃焼によるミストやヒュームの放出をなくす。
カルボン酸含有蒸気を空気と混合して２次空気、３次空気としても供給する場合は、燃焼性向上、メイン燃料削減にさらに寄与する。
カルボン酸水溶液の一例としてギ酸水溶液を用いる場合は、ギ酸自体は任意の量ながら液体燃料の燃焼性を向上しつつ、低ＮＯx化、メイン燃料削減にも寄与する。

図１は本発明のカルボン酸燃焼方法を適用する装置の概略構成の一例を示す説明図である。 図２は本発明のカルボン酸燃焼方法を適用する装置の概略構成の他の例を示す説明図である。 図３は本発明のカルボン酸燃焼方法を適用する装置の概略構成のさらに他の例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施できるものである。
図１～図３は、本発明のカルボン酸燃焼方法を適用する装置の概略構成を示す。

本実施形態では、カルボン酸の一例としてギ酸を用いる。カルボン酸の中でもギ酸は、一般的な物質であるが、特に燃焼性が低く、バーナでの燃焼に不向きであるため、ここでの代表例として扱う。なお、ギ酸の特質は以下の通りである。
易溶であり、任意の濃度の水溶液で流通している。
100％の場合、高位発熱量=5540kJ/kg、低位発熱量＝4288kJ/kg
75％水溶液の場合、低位発熱量≒2500kJ/kg
78％未満で消防法、90%未満で毒物及び劇物取締法の適用外
また、ギ酸は沸点が100.8℃であり、蒸留での濃縮が困難である。さらに、ギ酸はｐＨが低く、金属部材やシール材を腐食、劣化させる。
実施の第一形態、第二形態共通の反応式：ＨＣＯＯＨ＋１／２Ｏ₂ →ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ

実施の第一形態は、火炎混焼燃焼で高圧気流式内部混合形バーナ又は高圧気流式外部混合形バーナを用いるものである。図１、図２では、一例として、高圧気流式内部混合形バーナを用いている。
図１に示す装置では、カルボン酸水溶液の一例としてギ酸水溶液を噴霧媒体として利用する。ギ酸水溶液を加圧、加熱気化させ、蒸気式噴霧バーナの燃料噴霧媒体として使用し、燃料と混合させて燃焼させる。ギ酸自体は任意の量ながら液体燃料の燃焼性を向上しつつ、低ＮＯx化、メイン燃料削減にも寄与する（ボイラ蒸発量に対して、数％の効果を想定している。）。
なお、メイン燃料としては、重油、灯油、アルコール等を用いることができる。

図１について説明すると、貯蔵槽１に溜まったギ酸水溶液をポンプ２で気化器３に供給する。ポンプ２はインバータ（図示略）によって制御出来る。
ギ酸水溶液は気化器３でヒータ（図示略）によって加熱し、ギ酸水蒸気にしてバーナ４に供給する。ヒータは燃焼排熱や不足する場合は外部エネルギーによって加熱する。５は制御弁である。気化器３とバーナ４の間の制御弁６によって、供給量と蒸気状態（液化防止）を制御出来る。
ギ酸水蒸気はバーナ４の二重管外側７に供給され、二重管内側８に供給されるメインの液体燃料（重油など）の予加熱をしながら先端の混合室９に供給する。
供給部にてギ酸水蒸気と液体燃料を混合し、霧状にしてノズル１０に供給する。
混合霧をノズル１０から噴射し、燃焼させる。１１は点火器である。

図２に示す装置では、カルボン酸水溶液の一例としてギ酸水溶液をバーナ燃焼用空気と混合して利用する。ギ酸水溶液を噴霧媒体として利用するに際し、ギ酸水溶液を加圧、加熱気化させ、蒸気式噴霧バーナの燃料噴霧媒体として使用し、燃料と混合させて燃焼させる。ギ酸自体は任意の量ながら液体燃料の燃焼性を向上しつつ、低ＮＯx化、メイン燃料削減にも寄与する。ギ酸水溶液を加熱することで、蒸気化し、送風機で供給された空気と混合し、バーナに供給し、空気式噴霧バーナの燃料噴霧媒体として使用する。２次空気、３次空気としても供給し、燃焼性向上、メイン燃料削減に寄与する。上記の燃料噴霧媒体は、別途設けた加圧ポンプにて気化したギ酸蒸気を追加することで図１の効果を追加できる（ボイラ発熱量に対して、５～20％の効果を想定している。）。

図２について説明すると、貯蔵槽１に溜まったギ酸水溶液をポンプ１２で気化混合器１３に供給する。ポンプ１２はインバータ（図示略）によって制御出来る。
空気を空気送風機１４によって気化混合器１３に供給する。プレパージ・ポストパージ時には、空気はバイパスライン１５を通ってバーナ４に供給する。１６は制御弁である。
気化混合器１３にて、ギ酸水溶液をヒータ（図示略）によって加熱し、ギ酸水蒸気にする。ヒータは燃焼排熱や不足する場合は外部エネルギーによって加熱する。
気化混合器１３にて、空気とギ酸水蒸気を混合し、稀ギ酸空気として、バーナ４（１次空気）や２次空気、３次空気に供給する。
図１と同様に加熱されたギ酸水溶液をポンプ１７にて加圧気化し、稀ギ酸空気と混合し、ギ酸空気としてバーナ４（１次空気）に供給することが出来る。供給量はポンプ１７のインバータ（図示略）と制御弁１８によって制御出来る。
ギ酸空気はバーナ４の二重管外側７に供給され、二重管内側８に供給されるメインの液体燃料（重油など）の予加熱をしながら先端の混合室９に供給する。
供給部にてギ酸空気と液体燃料を混合し、霧状にしてノズル１０に供給する。
混合霧をノズル１０から噴射し、燃焼させる。１１は点火器である。

実施の第二形態は、触媒燃焼の場合である。図３に示す装置では、カルボン酸水溶液の一例としてギ酸水溶液を触媒燃焼により、利用する。ギ酸水溶液の加熱（ヒータ）は燃焼排熱や外部エネルギー、または排ガスの直接再循環によって加熱することが出来る。従来燃料の燃焼を補助するバーナ（無火炎燃焼）として利用してもよい。触媒燃焼効果により、超低ＮＯx排ガスであり、かつ、不完全燃焼によるギ酸ミストやヒュームの放出をなくす。ギ酸系統は、酸耐食性の材質を使用し腐食、劣化を防止する。
なお、触媒としては、白金やパラジウム等をアルミナやゼオライト等に担持させたものを用いることができる。

図３について説明すると、貯蔵槽１９に溜まったギ酸水溶液をポンプ２０で気化器２１に供給する。ポンプ２０はインバータ（図示略）によって制御出来る。気化器２１にて、ギ酸水溶液を噴霧、加熱し、ギ酸水蒸気して、空気と混合し、触媒を充填した反応器２２へ供給する。気化器２１にはヒータ２３が設けられている。ヒータ２３は燃焼排熱や不足する場合は、外部エネルギーによって加熱する。また、燃焼排ガスを直接混合して加熱することも出来る。
反応器２２にて、ギ酸水蒸気と空気の混合気は、触媒燃焼し、高温排ガスとなって、ボイラ２４（例えば、潜熱回収ボイラ）の熱回収部２５に供給される。

１、１９ 貯蔵槽
２、１２、１７、２０ ポンプ
３、２１ 気化器
４ バーナ
５、６、１６、１８ 制御弁
７ 二重管外側
８ 二重管内側
９ 混合室
１０ ノズル
１１ 点火器
１３ 気化混合器
１４ 空気送風機
１５ バイパスライン
２２ 反応器
２３ ヒータ
２４ ボイラ
２５ 熱回収部

Claims (3)

1. カルボン酸水溶液を気化してカルボン酸含有蒸気とし、該カルボン酸含有蒸気を空気とともに液体燃料と混合させて燃焼手段で燃焼させ、前記カルボン酸含有蒸気を空気と混合して燃焼手段の２次空気、３次空気としても供給することを特徴とするカルボン酸燃焼方法。
2. カルボン酸を水に溶解させてカルボン酸水溶液とし、該カルボン酸水溶液を気化してカルボン酸含有蒸気とし、該カルボン酸含有蒸気を空気とともに加熱手段及び触媒を備えた反応器に供給して触媒燃焼させることを特徴とするカルボン酸燃焼方法。
3. カルボン酸が、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸及びアクリル酸からなる群より選ばれた少なくともいずれかである請求項１又は２に記載のカルボン酸燃焼方法。