段階的燃焼

段階燃焼は、燃焼時に窒素酸化物（NO _x）の排出を減らすために使用される方法です。段階燃焼には、空気段階供給と燃料段階供給の2つの方法があります。段階燃焼の用途には、ボイラー^[1]やロケットエンジンなどがあります。^[2]

空気ステージング、または 2 段階燃焼は、一般的にボイラーまたは炉にオーバーファイア空気を導入することとして説明されます。バーナー内の空気のステージング (内部空気ステージング) は、一般的に低 NO _xバーナーの設計上の特徴です。

炉のオーバーファイアエア（OFA）技術では、燃焼空気を導入し、それを一次フローセクションと二次フローセクションに分離する必要があります。これにより、完全な燃焼が達成され、 NO _xではなく窒素ガス（N ₂ ）の生成が促進されます。

一次空気（70～90%）が燃料と混合され、比較的低温で酸素が不足し、燃料が豊富な領域が生成され、NO _xの生成量は中程度になります。

二次燃焼空気（10～30%）は、バーナーの上に取り付けられた空気導入ポートおよび/またはノズルを備えた特殊な風箱を通じて燃焼ゾーンの上に噴射されます。

燃焼は、この増加した炎の体積で完了します。したがって、比較的低温の二次段階により、サーマル NO _xの生成が制限されます。噴射ポートの位置とオーバーファイア空気の混合は、効率的な燃焼を維持するために重要です。

既存のボイラーにオーバーファイアエアーを後付けするには、水壁管を改造して二次空気ノズル用のポートを作成し、ダクト、ダンパー、風箱を追加します。この技術は現在、合計 50ギガワット電力(GW _e ) の容量を持つ 116 基の微粉炭火力ユニットで単独の対策として使用されています。

これは、総容量53GWeの175_基の石炭火力発電所におけるNOx制御_のための他の主要な対策と組み合わせて使用​​されています。^[3]

段階的空気供給により、50～75% の NO _x削減率が可能になります。段階的空気供給は構成もシンプルで、小規模燃焼にも適用できます。

燃料段階燃焼の1つの形態は、バーナー休止（BOOS）として知られる手順です。^[4]この技術では、1つまたは複数のバーナーからの燃料の流れを遮断して、燃料が豊富なゾーンと燃料が薄いゾーンを作成し、NO _x排出をある程度制御（10％）します。この技術は、微粉炭火力発電所（2ユニット、350MW e）では広く使用されていませ_ん。

燃料段階燃焼の別の方法は、燃料バイアスです。燃料バイアスでは、上段バーナーから下段バーナーへ、または中央バーナーからサイドバーナーへ燃料を流すことで燃焼を段階的に行います。目的は、燃料が豊富な下段または中央ゾーンと燃料が薄い上段またはサイドゾーンを作り出し、完全燃焼を達成することです。この技術により炎の温度が下がり、炉内の酸素濃度のバランスが改善されます。この技術を使用すると、 NO _{x排出量を最大 30% 削減できます。この技術は、合計容量 2.7 GW e}の 13 基の微粉炭火力発電所で使用されています。^[5]

燃料の段階的供給により、50～75% の NO _x削減率も可能となりますが、削減ゾーンで若干の温度不安定性が発生する可能性があり、より低い温度が必要となります。大規模燃焼に適用可能ですが、燃料の段階的燃焼ではより複雑な構造構成が使用されます。

段階燃焼は、1890 年代の熱球エンジンにまで遡ります。燃焼の第 1 段階は熱球内で起こり、高温のガスがシリンダー内に押し出されます。次に、追加の空気と混合されると、燃焼の第 2 段階が起こります。当時、段階燃焼が使用されていたのは、点火方法が便利だったことと、大気汚染があまり心配されていなかったためです。この原理の現代的な応用は、層状チャージ エンジンです。このエンジンでは、火花によって濃い混合気が点火され、その結果生じる火炎前面によってシリンダー内の他の場所にある薄い混合気が点火されます。

• 段階燃焼サイクル（ロケット）

• 再生熱酸化装置
• [1]