JP6338323B2

JP6338323B2 - 脱硝装置

Info

Publication number: JP6338323B2
Application number: JP2013116352A
Authority: JP
Inventors: 博山鍛冶; 了介中川; 宍戸　聡; 聡宍戸; 徹小笠原
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: US9664383B2; JP2014233671A; US20140356236A1

Description

本発明は、脱硝装置に関し、特に、燃焼設備から排出される排ガス中に含まれる窒素酸化物を還元する脱硝装置に関する。

火力発電所や各種工場から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）は、光化学スモッグや酸性雨の原因物質であり、その除去技術としてアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤とする選択的接触還元反応による排煙脱硝法が広く用いられている。この選択的接触還元反応は下記式（１）に示すように、排ガス中に含まれるＮＯｘに対してＮＨ_３を注入して、脱硝触媒によりＮＯｘを還元するものである。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ・・・・・（１）

近年米国では、還元剤であるアンモニアを安全に輸送するため、アンモニア水の形態でアンモニアを輸送するケースが一般的に見られる。アンモニア水を還元剤として使用する場合、アンモニア水をヒーターなどの熱源により一旦気化させた後に排ガスダクト内へと噴霧注入し、式（１）の反応を発生させるケースが一般的であるが、この場合熱源によるアンモニア水の気化には相当のエネルギーが必要となる。一方、近年、アンモニア水を直接排ガスダクト内に微粒化噴霧し、排ガスの持つ高温の熱により直接気化させるというシステムを採用した設備が設置され始めている（例えば、特許文献１）。このシステムにおいては、アンモニア水を排ガスダクト内に微粒化して噴霧する必要があるため、アンモニア水とアンモニア水噴霧のための圧縮空気とを噴出させる二流体ノズルを具備した注入ノズルが一般的に使用されている。

また、火力発電所内設備において石炭を燃料とするボイラの排ガスは灰分を多量に含むため、水平部に設置される排ガスダクトの底部において灰の堆積が生じる。

国際公開第０１／０１２２９９号公報

アンモニア水をヒーターなどの熱源により一旦気化させた後に排ガスダクト内へと噴霧注入する場合、熱源によるアンモニア水の気化には相当のエネルギーが必要となるため、エネルギー効率が低い。

また、特許文献１に記載された発明のように、アンモニア水を直接排ガスダクト内に微粒化噴霧し、排ガスの持つ高温の熱により直接気化させる場合、気化させるための熱源及び気化させたアンモニアを希釈するための希釈ファンが不要となるため、設備における初期機器コスト及び運転コストは低減される。しかしながら、近年の低ＮＯx（窒素酸化物）燃焼などにより排ガス中に含まれるＮＯｘが低くなっており、脱硝装置で必要とされるアンモニア水の量が少なくなっていることから、排ガスダクト内へ供給されるアンモニア水の供給量が少なくなると、ランス及び注入ノズルの内部でアンモニア水が滞留して蒸発する。この結果、アンモニア水の蒸発による気泡が原因となって、注入ノズルから噴霧されるアンモニア水の量に偏りが生じ、安定した微粒化および噴霧が阻害され、脱硝性能が低下する。

例えば、図１６に示すように、低ＮＯｘ（窒素酸化物）燃焼などにより排ガスダクト１０１内の排ガス中に含まれるＮＯｘが低い場合やＮＯｘ排出規制強化により低負荷運転時においても排ガスダクト１０１内へのアンモニア水の注入が要求される場合、脱硝反応に使用されるアンモニア水の減少に伴い、排ガス温度などによりアンモニア水が噴霧ノズル１０２に到達する前に加熱され、アンモニア水の一部が蒸発して気泡が発生し、結果として噴霧ノズル１０２へのアンモニア供給量が断続的・不安定となるので、脱硝性能が減じられる。

上記の問題は、例えばボイラ節炭器出口から脱硝反応器へと接続される水平ダクト部（水平部に設置される排ガスダクト）において、アンモニア水を直接排ガスダクト内に微粒化噴霧するシステムを使用した場合に生じるランス及び注入ノズル内部のアンモニア水の蒸発がある。
本発明が解決しようとする課題は、還元剤を含む還元液を排ガスダクト内に設置したノズルから噴霧するシステムにおいて、還元液が排ガスの熱を受けてノズルに至る間で気化することを抑止して、所定量の還元液を排ガス内に安定に噴霧することができ、結果として脱硝性能の低下を抑制した脱硝装置を提供することにある。

上記の課題を解決する本発明の脱硝装置は、燃焼設備から排出される排ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤を含む還元液を、気体の気流により前記排ガスに噴霧するノズルと、前記ノズルに前記気体を供給する気体供給部と、前記ノズルに前記還元液を供給する還元液供給部と、前記還元液に希釈液を注入して前記還元液の濃度を調整する濃度調整部とを備え、前記濃度調整部は、前記燃焼設備の負荷に関わらず、前記燃焼設備の負荷変動範囲の下限において前記還元液が前記還元液供給部で気化しない濃度に対応して定めた設定希釈液量の前記希釈液を注入することを特徴とする。

本発明によれば、還元液が排ガスの熱を受けてノズルに至る間で気化することを抑止して、所定量の還元液を排ガス内に安定に噴霧することができ、結果として脱硝性能の低下を抑制した脱硝装置を提供することができる。

第１の実施例の脱硝装置の一例を示した図である。二流体ノズルの一例を示した図である。気液比と液滴径の関係を示した図である。液滴径と還元液（アンモニア水）の蒸発時間の関係を示した図である。ボイラの負荷と排ガスの温度の関係を示した図である。ボイラの負荷と還元液（アンモニア水）の流量（供給量）の関係を示した図である。実施例１におけるボイラの負荷と希釈液（希釈水）及び還元液（アンモニア水）の流量（供給量）の関係を示した図である。実施例１におけるボイラの負荷と気液比の関係を示した図である。実施例１におけるボイラの負荷と液滴径の関係を示した図である。アンモニア水濃度と沸点の関係を示した図である。実施例２の脱硝装置の一例を示した図である。実施例２おけるボイラの負荷と希釈液（希釈水）及び還元液（アンモニア水）の流量（供給量）の関係を示した図である。実施例２におけるボイラの負荷と気液比の関係を示した図である。実施例２におけるボイラの負荷と液滴径の関係を示した図である。実施例１及び実施例２におけるボイラの負荷と液滴径の関係を示した図である。従来の脱硝装置の一例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態の脱硝装置について、図面を用いて説明する。図１は、実施例１の脱硝装置の一例を示した図である。図１は、排ガスダクト１内に還元液（アンモニア水及び尿素水など）を噴霧するノズル２と脱硝触媒１２を含む脱硝装置の上流に設置される液体供給系統の配置を示している。

本実施例に係る脱硝装置は、燃焼設備から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する還元剤を含む還元液を、気体の気流により排ガスに噴霧するノズル２と、ノズル２に気体（噴霧空気）を供給する気体供給部（空気供給ライン１１及びランス３）と、ノズル２に還元液を供給する還元液供給部（アンモニア水供給ライン１０及びランス３）と、還元剤が還元液供給部（アンモニア水供給ライン１０及びランス３）で気化しないように、還元液に希釈液を供給することにより、排ガスの温度及び還元液の供給量に基づいて還元剤の濃度を調整する濃度調整部（注入水配管６及び注入水開閉弁５）とを備える。本実施例では、還元液としてアンモニア水が用いられ、希釈液として水（希釈水）が用いられる。

脱硝される排ガスは、排ガスダクト１を通して脱硝触媒１２へ導かれる。図２に示すように、ノズル２は二流体ノズルである。ノズル（アンモニア水噴霧ノズル）２は、アンモニア水供給ライン１０及びランス３から供給される液体（アンモニア水及び水）を、空気供給ライン１１及びランス３から供給される噴霧空気により、排ガスダクト１内の排ガスに噴射する。アンモニア水制御弁９は、アンモニア水供給ライン１０を通過してノズル２へ供給されるアンモニア水の流量（供給量）を調整する。注入水配管６及び注入水開閉弁５は、アンモニア水制御弁９の下流に設けられ、排ガス中のＮＯｘの脱硝反応に必要な流量（供給量）に調節されたアンモニア水に水（希釈水）を供給する。

二流体ノズルであるノズル２から噴霧される還元液（アンモニア水）の液滴径は、気液比（噴霧空気量／液体量）に関連している。図３に示すように、気液比が大きくなると液滴径が小さくなり、ノズル２から噴霧される還元液（アンモニア水）の蒸発時間は短くなる。つまり、図４に示すように、液滴径が小さいほど、還元液（アンモニア水）の蒸発時間は排ガスダクト１内で早く蒸発する。

ボイラ（燃焼設備）の負荷は、排ガスの温度及び還元液（アンモニア水）の供給量に関連している。図５に示すように、ボイラ負荷変化運転の特性として、ボイラの負荷が低くなるほど、排ガスの温度が低下する。また、ボイラの負荷が低くなるほど、排ガスの排出量が低下し、排ガス中のＮＯｘの脱硝反応に必要な還元液（アンモニア水）の流量（供給量）が減少する。つまり、図６に示すように、ボイラの負荷が高くなるほど、ノズル２から噴霧される還元液（アンモニア水）の流量（供給量）が増加する。

実施例１では、注入水開閉弁５は、ボイラ（燃焼設備）の負荷に関わらず、水（希釈水）の供給量を略一定とする。本実施例では、ボイラの定格負荷運転（負荷１００％）における還元液（アンモニア水）の供給量の重量比１倍程度の水（希釈水）が、ボイラ（燃焼設備）の負荷に関わらず供給される。つまり、図７に示すように、注入水配管６から供給される水（希釈水）は、ボイラ（燃焼設備）の負荷に関わらず略一定である。また、ボイラの負荷が高くなるほど、ノズル２から噴霧される還元液（アンモニア水）の流量（供給量）が増加する。したがって、本実施例でノズル２から噴霧される還元液（アンモニア水＋水）の注入量は、供給される水（希釈水）の分、従来に比べ増加し、ボイラの負荷が高くなるほど増加する。

本実施例では、空気供給ライン１１からノズル２に供給される噴霧空気の量は略一定に設定されている。したがって、図８に示すように、本実施例のノズル２における気液比は、供給される水（希釈水）の分、従来に比べ低下し、ボイラの負荷が高くなるほど低下する。なお、本実施例では、ボイラ低負荷運転（例えば、負荷３０％）における本実施例の気液比を、ボイラ定格負荷運転（負荷１００％）における従来の気液比と同程度になるように、水（希釈水）が供給される。

このように、濃度調整部（注入水配管６及び注入水開閉弁５）は、アンモニアが還元液供給部（アンモニア水供給ライン１０及びランス３）で気化しないように、アンモニア水に水（希釈水）を供給することにより、ボイラの負荷（排ガスの温度）及びアンモニア水の供給量に基づいてアンモニアの濃度を調整する。本実施例の脱硝装置は、ボイラの負荷が１００％である場合のアンモニア水の供給量と略同量の水（希釈水）を供給することで、アンモニアの濃度を調整する。この場合、本実施例の気液比は、供給される水（希釈水）の分、従来に比べ低下するので、本実施例の液滴径は、図９に示すように、従来に比べ大きくなるが、ボイラ低負荷運転（例えば、負荷３０％）における本実施例の液滴径は、ボイラ定格負荷運転（負荷１００％）における従来の液滴径と同程度となる。

濃度調整部（注入水配管６及び注入水開閉弁５）は、ノズル２から噴霧されるアンモニア水の液滴径が所定の大きさになるように、アンモニア水に水（希釈水）を供給することにより、排ガスの温度に基づいて気体とアンモニア水の気液比を調整する。ボイラの定格負荷運転（負荷１００％）における還元液（アンモニア水）の供給量の重量比１倍程度の水（希釈水）を注入すれば、ボイラ低負荷運転における排ガス温度低下によるアンモニア水の不完全蒸発を防止することができ、水分を吸着したダストが排ガスダクト１又は排ガスダクト１の後流装置に閉塞することを防止することができる。また、注入された水（希釈水）によりアンモニア水が希釈されることで、図１０に示すように、アンモニア水の沸点が上昇し、蒸発による顕熱が増加するため、アンモニア水が排気ガスの温度により還元液供給部（アンモニア水供給ライン１０及びランス３）で気化することを防止することができ、ノズル２から噴霧されるアンモニア水の量を安定させて、安定した微粒化および噴霧を行うことができ、脱硝装置の脱硝性能を維持することができる。

図１１は、実施例２の脱硝装置の一例を示した図である。本実施例に係る脱硝装置は、実施例１と異なり、排ガス温度計７及びアンモニア流量計４を備える。排ガス温度計７は、ボイラの負荷に応じた排ガスの温度を計測する。アンモニア流量計４は、アンモニア水供給ライン１０を通過してノズル２へ供給されるアンモニア水の流量（供給量）を計測する。

実施例１では、濃度調整部（注入水配管６及び注入水開閉弁５）は、ボイラ（燃焼設備）の負荷に関わらず、水（希釈水）の供給量を略一定としたが、実施例２では、濃度調整部（注入水配管６、注入水開閉弁５、及び注入水制御弁８）は、ボイラ（燃焼設備）の負荷が大きくなるにつれて水（希釈水）の供給量を減少させる。

図５及び図６に示すように、ボイラの負荷が高くなるほど、排ガスの温度が上昇し、ノズル２から噴霧される還元液（アンモニア水）の流量（供給量）が増加する。本実施例では、図１２に示すように、ボイラ（燃焼設備）の負荷が大きくなるにつれて水（希釈水）の注入量（供給量）を減少させることにより、増加するアンモニア水の流量と減少する水（希釈水）の流量が相殺され、ノズル２から噴霧される還元液（アンモニア水＋水）の注入量は略一定となる。アンモニア水の流量はアンモニア流量計４により計測され、注入水制御弁８が、アンモニア水の増加流量を相殺するように、水（希釈水）の流量を制御する。このように、濃度調整部（注入水配管６、注入水開閉弁５、及び注入水制御弁８）は、燃焼設備の負荷に関わらず、還元液（アンモニア水＋水）の供給量が略一定となるように、水（希釈水）の供給量を減少させる。

本実施例では、空気供給ライン１１からノズル２に供給される噴霧空気の量は略一定に設定されており、ノズル２から噴霧される還元液（アンモニア水＋水）の注入量は略一定である。したがって、図１３に示すように、ボイラ（燃焼設備）の負荷に関わらず、本実施例のノズル２における気液比は略一定となる。ボイラ（燃焼設備）の負荷に関わらず気液比が略一定となるので、図１４に示すように、ボイラ（燃焼設備）の負荷に関わらず、本実施例の液滴径は略一定となる。このように、濃度調整部（注入水配管６、注入水開閉弁５、及び注入水制御弁８）は、燃焼設備の負荷に関わらず、気体（噴霧空気）と還元液（アンモニア水＋水）の気液比が略一定となるように、水（希釈水）の供給量を減少させる。

図１５に示すように、実施例１では、ボイラ（燃焼設備）の負荷が大きくなるにつれて液滴径が大きくなるが、実施例２では、ボイラ（燃焼設備）の負荷に関わらず液滴径が略一定となる。液滴径を略一定に維持することにより、ノズル２から噴射された後の蒸発時間を略一定にすることができる。図１５に示すように、ボイラの定格負荷運転（負荷１００％）における実施例２の液滴径が実施例１の液滴径の約半分である場合、蒸発時間は約０．１秒短縮することができ、ノズル２の噴射速度が１５ｍ／秒に設定されているとすると、混合距離が１．５ｍ（＝０．１秒×１５ｍ／秒）短縮される。また、注入水制御弁８が、還元液（アンモニア水＋水）の供給量が略一定となるように、水（希釈水）の供給量を減少させることにより、水（希釈水）の使用量の低減が可能となる。

以上のように、本発明によれば、還元剤が排気ガスの温度により還元液供給部（アンモニア水供給ライン１０及びランス３）で気化することを防止することができ、ノズル２から噴霧される還元液の量を安定させて、安定した微粒化および噴霧を行うことができ、脱硝装置の脱硝性能を維持することができる。

また、石炭焚き・高ダストボイラ用脱硝装置の還元剤注入部において、ランスやノズルなどの内部で生じる不要な還元液の蒸発を抑止するために水（希釈水）を注入し、水（希釈水）の注入量は、水（希釈水）がノズルから噴霧された後に排ガスダクト内での不完全蒸発となることにより、ダストに水分が吸着して、排ガスダクト又は排ガスダクトの後流装置が閉塞することを抑止することができる。

以上、本発明にかかる実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において変更・変形することが可能である。

本発明は、石炭焚き・高ダストボイラ用排煙処理設備において、還元剤であるアンモニア水を排ガス中に直接微粒化噴霧するアンモニア水注入ノズルを有し、アンモニア水注入ノズルに水を注入する系統で、ノズルからの噴霧後、排ガスダクト内で完全蒸発が達成可能であり、ランス及びノズルの内部でアンモニア水の蒸発を抑止し、ボイラ定格負荷運転における還元剤水溶液の供給量の重量比で２倍以下の水量を給水する系統を設置することを特徴とする脱硝装置を含む。また、この脱硝装置において、水注入する系統に流量制御弁を設け、ボイラ負荷変化に対して気液比(噴霧空気量／液体量)を一定に制御することを特徴とする脱硝装置が含まれる。

本発明に係る脱硝装置は、燃焼設備からのＮＯｘ低減や燃焼設備の低負荷運転において、還元剤の濃度を調節することにより、ランス及び注入ノズル内部の還元液の蒸発を抑制することができ、排ガスダクト内での還元液の完全蒸発を達成する脱硝装置として有用である。

１排ガスダクト
２ノズル
３ランス
４アンモニア流量計
５注入水開閉弁
６注入水配管
７排ガス温度計
８注入水制御弁
９アンモニア水制御弁
１０アンモニア水供給ライン
１１空気供給ライン
１２脱硝触媒

Claims

燃焼設備から排出される排ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤を含む還元液を、気体の気流により前記排ガスに噴霧するノズルと、
前記ノズルに前記気体を供給する気体供給部と、
前記ノズルに前記還元液を供給する還元液供給部と、
前記還元液に希釈液を注入して前記還元液の濃度を調整する濃度調整部とを備え、
前記濃度調整部は、前記燃焼設備の負荷に関わらず、前記燃焼設備の負荷変動範囲の下限において前記還元液が前記還元液供給部で気化しない濃度に対応して定めた設定希釈液量の前記希釈液を注入することを特徴とする脱硝装置。
前記ノズルは、二流体ノズルであることを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。
前記設定希釈液量は、前記燃焼設備の定格負荷に対応して定められる前記還元液の供給量と略同一重量の希釈液量であることを特徴とする請求項１又は２に記載の脱硝装置。
前記還元液供給部は、前記燃焼設備の負荷に応じて変化する前記還元液の供給量を計測する流量計を備え、
前記濃度調整部は、前記流量計で計測された前記還元液の供給量の増分を、前記設定希釈液量から相殺して前記希釈液の注入量を減少させ、
前記気体供給部は、前記燃焼設備の負荷に関わらず、前記ノズルに供給する気体流量を一定の設定気体流量とし、
前記設定気体流量は、該設定気体流量を前記濃度調整部で希釈された還元液量で除した気液比が、前記燃焼設備の負荷変動範囲において略一定になるように設定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の脱硝装置。