JP2010036157A - 排ガス処理装置、排ガス処理システム及び排ガス中の水銀酸化性能管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス中の水銀の酸化を常に安定して行うことができる排ガス処理装置、排ガス処理システム及び排ガス中の水銀酸化性能管理システムを提供する。
【解決手段】ボイラ１１からの排ガス１２中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去すると共に、排ガス１２中に塩素化剤である塩化水素を噴霧して水銀（Ｈｇ）を酸化する脱硝触媒部１３を有する排ガス処理装置であって、前記脱硝触媒部１３の入口側において、排ガスの温度、排ガスの流速分布、塩化水素濃度分布の少なくとも一以上を計測する第１のモニタリング部３１と、前記脱硝触媒部１３の出口側において、排ガス中の水銀量を計測する第２のモニタリング部３２と、第１のモニタリング部３１と第２のモニタリング部３２との結果により塩化水素の噴霧量を調整する塩化水素噴霧量調整部３３とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置から排出される排ガス中の水銀の酸化処理を行う排ガス処理装置、排ガス処理システム及び排ガス中の水銀酸化性能管理システムに関する。

例えば火力発電所等の燃焼装置である石炭焚ボイラから排出される排ガスには毒性の高い水銀が含まれるため、従来から排ガス中の水銀を除去するためのシステムが種々検討されてきた。

通常、石炭焚ボイラには排ガス中の硫黄分を除去するための湿式の脱硫装置が設けられている。このようなボイラに排ガス処理装置として脱硫装置が付設されてなる排煙処理設備においては、排ガス中の塩素（Ｃｌ）分が多くなると、水に可溶な２価の金属水銀（Ｈｇ）の割合が多くなり、前記脱硫装置で水銀が捕集しやすくなることが、広く知られている。

そのため、近年、ＮＯｘを還元する脱硝装置、および、アルカリ吸収液を硫黄酸化物（ＳＯｘ）吸収剤とする湿式脱硫装置と組み合わせて、この金属水銀を処理する方法や装置について様々な考案がなされてきた。

排ガス中の金属水銀を処理する方法としては、活性炭やセレンフィルター等の吸着剤による除去方法が知られているが、特殊な吸着除去手段が必要であり、発電所排ガス等の大容量排ガスの処理には適していない。

そこで、大容量排ガス中の金属水銀を処理する方法として、煙道中、高温の脱硝装置の前流工程で塩素化剤をガス噴霧し、脱硝触媒上で水銀を酸化（塩素化）させ、水溶性の塩化水銀にした後、後流の湿式脱硫装置で吸収させる方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２、参照）。また、排ガス煙道にガス噴霧する装置および技術は脱硝装置のＮＨ₃噴霧、塩素化剤のガス噴霧で実用化されている。

石炭焚ボイラの排ガス処理装置の概略図を図５に示す。図５に示すように、従来の排ガス処理システム１００は、燃料Ｆとして石炭を供給する石炭焚ボイラ１１からの排ガス１２中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去すると共に、排ガス１２中に塩素化剤である塩化水素（ＨＣｌ）を噴霧して水銀（Ｈｇ）を酸化する脱硝触媒部１３と、窒素酸化物（ＮＯｘ）除去後の排ガス１２中の熱を回収する空気予熱器１４と、熱回収後の排ガス１２中の煤塵を除去する電気集塵器１５と、除塵後の排ガス１２中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）、水銀（Ｈｇ）を除去する脱硫装置１６と、脱硫後の排ガス１２を浄化ガス１７として外部に排出する煙突１８とを具備するものである。

また、脱硝装置１３の前流の排ガス煙道１９には、塩酸（ＨＣｌ）の注入箇所が設けられており、塩酸（液体ＨＣｌ）供給部２０に貯蔵された塩酸（液体）は、塩化水素噴霧部２１で気化して塩化水素（ＨＣｌ）噴霧ノズル２１ａを介して塩化水素として排ガス１２に噴霧されている。

また、脱硝触媒部１３の前流の排ガス煙道１９には、アンモニア（ＮＨ₃）の注入箇所が設けられており、ＮＨ₃供給部２９から供給されるアンモニアはアンモニア噴霧ノズル２９ａにより排ガス１２に噴霧し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元を行うようにしている。
なお、図５中、符号２５は酸化還元電位測定制御装置（ＯＲＰコントローラ）、２６は空気を各々図示する。

ここで、石炭焚ボイラ１１から排ガス１２は、脱硝触媒部１３に供給され、その後空気予熱器１４で熱交換により空気２７を加熱した後、電気集塵器１５に供給され、更に、脱硫装置１６に供給された後、浄化ガス１７として大気に排出される。

また、塩素化剤による装置への腐食破損等の影響を抑え信頼性を向上させるため、湿式脱硫後の排ガスについて水銀濃度を水銀モニターで測定し、脱硫後の水銀濃度に基づいて塩素化剤の供給量を調整するようにしている（例えば、特許文献２、参照）。

このように、従来においては、排ガス１２中に塩化水素とアンモニアとを供給することで、排ガス１２中のＮＯｘ（窒素酸化物）を除去すると共に、排ガス１２中の水銀（Ｈｇ）を酸化するようにしている。

即ち、ＮＨ₃はＮＯｘの還元脱硝用に用い、ＮＨ₃供給部２９から供給されるＮＨ₃をアンモニア（ＮＨ₃）噴霧ノズル２９ａを介して排ガス１２中に噴霧し、脱硝触媒部１３で、下記式のように還元反応によりＮＯｘを窒素（Ｎ₂）に置換し、脱硝するようにしている。
４ＮＯ ＋ ４ＮＨ₃ ＋ Ｏ₂ → ４Ｎ₂ ＋ ６Ｈ₂Ｏ・・・（１）
ＮＯ ＋ ＮＯ₂ ＋ ２ＮＨ₃ → ２Ｎ₂ ＋ ３Ｈ₂Ｏ・・・（２）

また、塩化水素は水銀酸化用に用いており、塩素化剤として用いられる塩化水素はＨＣｌ供給部２０から塩化水素（ＨＣｌ）噴霧部２１に供給され、ここで塩酸は気化され、塩化水素（ＨＣｌ）として塩化水素噴霧ノズル２１ａにより排ガス１２中に噴霧することで、脱硝触媒部１３において、下記式のように脱硝触媒上で溶解度の低いＨｇを酸化(塩素化)し、水溶性の高い塩化水銀（ＨｇＣｌ₂）に変換させ、後流側に設けられる脱硫装置１６で排ガス１２中に含有するＨｇを除去するようにしている。
Ｈｇ ＋ ２ＨＣｌ ＋ １／２Ｏ₂ → ＨｇＣｌ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ・・・（３）

また、燃料として石炭又は重油を使用した場合、燃料中にはＣｌが含まれるため燃焼ガスにはＣｌ分が含まれるが、燃料の種類によりＣｌ分の含有量は異なり、排ガス中のＣｌ濃度を制御するのは困難であるため、排ガス処理システム１００の前流に必要量以上のＨＣｌ等を添加し、確実にＨｇを除去するようにするのが好ましい。

また、脱硝触媒部１３は、格子状に配列して四角形状の通路を有するハニカム形状のものに脱硝触媒を担持したものを用いており、その通路の断面形状は例えば三角形状や四角形状など多角形状からなる通路としている。

特開平１０−２３０１３７号公報 特開２００１−１９８４３４号公報

ところで、従来の脱硝触媒部１３に供給される排ガス１２の気流は、脱硝触媒部１３の手前で整流化手段（図示せず）により整流化され、層流状態であるが、実際の運転条件により、必要な塩化水素量が異なり、塩化水素の噴霧量に過不足が生じる場合がある。
この結果排ガス中の水銀の酸化性能が低下するという問題がある。
よって、排ガスの気流の条件や運転条件によらず、所要の水銀酸化性能を達成できることが切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、排ガス中の水銀の酸化性能の低下を防ぎ、常に安定して水銀処理を行うことができる排ガス処理装置、排ガス処理システム及び排ガス中の水銀酸化性能管理システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、ボイラからの排ガス中の窒素酸化物を除去すると共に、排ガス中に塩素化剤を噴霧して水銀を酸化する脱硝触媒部を有する排ガス処理装置であって、前記脱硝触媒部の入口側において、排ガスの温度、排ガスの流速分布、塩素化剤濃度分布の少なくとも一以上を計測する第１のモニタリング部と、前記脱硝触媒部の出口側において、排ガス中の水銀量を計測する第２のモニタリング部と、第１のモニタリング部と第２のモニタリング部との結果により塩素化剤の噴霧量を調整する塩素化剤噴霧量調整部とを具備することを特徴とする排ガス処理装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記塩素化剤噴霧量調整装置は、噴霧ノズルからの噴霧量の調整により行うことを特徴とする排ガス処理装置にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記脱硝触媒部に冷却装置を設け、所定設定温度よりも高い場合には、温度を低下させ、水銀酸化率を向上させることを特徴とする排ガス処理装置にある。

第４の発明は、前記ボイラと、前記ボイラの下流側の排ガス煙道に排出された排ガスに塩素化剤を注入する塩素化剤供給部と、第１乃至３のいずれか一つの排ガス処理装置と、脱硝後の排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置と、脱硫後のガスを外部に排出する煙突とを有することを特徴とする排ガス処理システムにある。

第５の発明は、第４の発明において、前記ボイラの下流側の排ガス煙道に排出された排ガスにアンモニアを投入するアンモニア供給部が設けられてなることを特徴とする排ガス処理システムにある。

第６の発明は、ボイラからの排ガス中の窒素酸化物を除去すると共に、排ガス中に塩素化剤を噴霧して水銀を脱硝触媒部で酸化する水銀酸化を行う際に、前記脱硝触媒部の入口側において、排ガスの温度、排ガスの流速分布、塩素化剤濃度分布の少なくとも一以上を第１のモニタリング部で計測すると共に、前記脱硝触媒部の出口側において、排ガス中の水銀量を第２のモニタリング部で計測し、第１のモニタリング部と第２のモニタリング部との結果により塩素化剤の噴霧量を塩素化剤噴霧量調整部により調整して、水銀酸化性能を管理することを特徴とする排ガス中の水銀酸化性能管理システムにある。

第７の発明は、第６の発明において、前記脱硝触媒部に冷却装置を設け、所定設定温度よりも高い場合には、温度を低下させ、水銀酸化率を向上させることを特徴とする排ガス中の水銀酸化性能管理システムにある。

本発明によれば、実機の運転条件やそのバラツキ度合いをモニタリングして、それらに応じて、塩素化剤の噴霧量を調整するので、所要の水銀性能を確保することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係る排ガス処理装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例に係る排ガス処理装置を示す概略図であり、図２は、実施例に係る脱硝触媒部の構成の一部を示す斜視図である。ここで、本実施例では塩素化剤として塩化水素を例にして説明する。
図１及び図２に示すように、本実施例に係る排ガス処理装置１０は、ボイラ１１からの排ガス１２中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去すると共に、排ガス１２中に塩素化剤である塩化水素を噴霧して水銀（Ｈｇ）を酸化する脱硝触媒部１３を有する排ガス処理装置であって、前記脱硝触媒部１３の入口側において、排ガスの温度、排ガスの流速分布、塩化水素濃度分布の少なくとも一以上を計測する第１のモニタリング部３１と、前記脱硝触媒部１３の出口側において、排ガス中の水銀量を計測する第２のモニタリング部３２と、第１のモニタリング部３１と第２のモニタリング部３２との結果により塩化水素の噴霧量を調整する塩化水素噴霧量調整部３３とを具備するものである。

本発明では、排ガス処理装置１０の運転条件（排ガス温度、排ガスの流速分布、排ガス中の塩化水素濃度分布）や、そのバラツキ度合いを第１のモニタリング部３１でモニタリングし、それらの値を中央演算装置（ＣＰＵ）で演算し、それらに応じて塩化水素量や排ガス温度を調整することにより、所要の水銀酸化性能を確保することができる。

第１のモニタリング部３１は、脱硝触媒部１３の入口側において、排ガス１２のガス流れに直交する方向に複数のセンサ３１ａ〜３１ｄを設けて、運転条件を計測するようにしているが、そのセンサの数は適宜増減するようにしてもよい。
また第２のモニタリング部３２は、脱硝触媒部１３の出口側において、ガス流れに直交する方向に複数のセンサ３２ａ〜３２ｂを設けて、運転条件を計測するようにしているが、そのセンサの数は適宜増減するようにしてもよい。
なお、図２においては、脱硝触媒部１３は３つの触媒層１３−１〜１３−３から構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。

図３は排ガス温度と水銀酸化率との関係図であり、温度が高くなるほど水銀酸化率が低下するのが確認された。

図４は塩化水素量と水銀酸化率との関係図であり、塩化水素量が多くなるほど水銀酸化率が向上するのが確認された。
なお、図３に示す排ガス温度と、図４に示す塩化水素の量とにおいては、排ガス温度を考慮するほうが、水銀酸化性能を大幅に向上できることが確認された。

下記、表１に排ガスを所定温度（Ｘ）に設定し、その所定温度から２０度低い場合と２０度高い場合における、所定塩化水素量（Ｙ）に設定し、その所定濃度から１００ｐｐｍ低い濃度の場合と、１００ｐｐｍ高い場合とにおける、塩化水素濃度のバラツキ（０，１０，２０％）の変化と流速バラツキ（０，１０，２０％）の関係を示す。

これらにより、塩化水素濃度のバラツキと流速のバラツキを考慮して適正な塩化水素の噴霧量を決定することができる。
なお、バラツキは（濃度の標準偏差）／（断面の濃度の平均値）、（速度の標準偏差）／（速度の濃度の平均値）により求めた。

ここで、運転条件により、適宜設定すればよいが、所定温度（Ｘ）としては、３００〜４００℃とすればよく、所定塩化水素量（Ｙ）としては、２００〜１０００ｐｐｍとすればよい。

また、第１のモニタリング部３１の計測結果により、温度が高い場合には、冷却装置３４により脱硝触媒部１３を冷却３４ａするようにしている。これにより所定設定温度よりも高い場合には、温度を低下させ、水銀酸化率を向上させることができることとなる。

ここで、前記塩化水素噴霧量調整部３３は、噴霧ノズルからの噴霧量の調整により行うこととするのが好ましい。

このように、本発明によれば、第１のモニタリング部３１と第２のモニタリング部３２との結果により塩化水素の噴霧量を塩化水素噴霧量調整部３３により調整して、水銀酸化性能を管理する排ガス中の水銀酸化性能管理システムを構築することができるので、ボイラからの排ガスを処理する際に、運転条件が変動しても常に安定して高い水銀酸化性能（例えば９５％以上）を確保することができるものとなる。

ここで、本実施例に係る排ガス処理装置１０においては、還元脱硝用に脱硝触媒部１３で用いる脱硝触媒として、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ等の金属酸化物又は硫酸塩あるいは、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒなどの貴金属、又はこれらの混合物を担体であるチタニア、シリカ、ジルコニア及びこれらの複合酸化物、又はゼオライトに担持したものを用いることができる。

また、本実施例において、用いるＨＣｌについて、特に濃度の制限はないが、例えば濃塩酸から５％程度の希塩酸を用いることができる。また、本実施例において、使用する塩素化剤として塩化水素（ＨＣｌ）を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、塩素化剤としては、排ガス中のＨｇが脱硝触媒の存在下で反応してＨｇＣｌ及び／又はＨｇＣｌ₂の塩化水銀を生成するものであればよい。例えば塩化アンモニウム、塩素、次亜塩素酸、次亜塩素酸アンモニウム、亜塩素酸、亜塩素酸アンモニウム、塩素酸、塩素酸アンモニウム、過塩素酸、過塩素酸アンモニウム、その他上記酸のアミン塩類、その他の塩類等が例示される。

また、排ガス煙道１９内における排ガス１２へのＨＣｌの添加位置は、ＮＨ₃の添加位置よりも上流側としているが、ＮＨ₃の添加位置よりも下流側としてもよい。

また、本実施例において、ボイラ１１から排出される排ガス１２にＨＣｌとＮＨ₃の両方を添加しているが、排ガス煙道１９内における排ガス１２にＮＨ₃を添加しなくてもよい。排ガス処理装置１０の脱硝触媒部１３では、排ガス１２中のＮＯｘ（窒素酸化物）を除去すると共に、排ガス１２中のＨｇを酸化し、後流側に設けられる脱硫装置（図示せず）でＨｇを除去するものであるため、排ガス煙道１９内で排ガス１２にＮＨ₃を添加しなくても、脱硝触媒部１３の脱硝触媒の存在下でＨＣｌによりＨｇを塩化物に転換し、脱硫装置（図示せず）でＨｇを除去できる効果には変わりないからである。

また、アンモニアを添加する際、該アンモニアの添加量を低減することで水銀の酸化効率が向上するので、アンモニアを添加する場合においても最低量のアンモニアとすることが望ましい。

また、本実施例では、石炭や重油などの硫黄、水銀等を含む化石燃料を燃焼する火力発電所のボイラから排出される排ガスを用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＮＯｘ濃度が低く、二酸化炭素、酸素、ＳＯｘ、煤塵、あるいは水分を含む排ガス、硫黄、水銀等を含む燃料を燃焼する工場などから排出されるボイラ排ガス、金属工場、石油精製工場、石油化学工場等から排出される加熱炉排ガス等にも適用できる。

このように、本実施例に係る排ガス処理装置を適用した排ガス処理システムによれば、実機の運転条件やそのバラツキ度合いをモニタリングして、それらに応じて、塩化水素の噴霧量を調整するので、所要の水銀性能を確保することができる。

以上のように、本発明に係る排ガス処理装置は、運転条件やそのバラツキ度合いをモニタリングして、それらに応じて、塩化水素の噴霧量を調整するので、所要の水銀性能を確保することができるので、火力発電所等の水銀を含有する石炭や重油などの化石燃料を燃焼する装置から排出される排ガスの処理に用いるのに適している。

本発明の実施例に係る排ガス処理装置を示す概略図である。 脱硝触媒部の構成の一部を示す斜視図である。 排ガス温度と水銀酸化率との関係図である。 塩化水素量と水銀酸化率との関係図である。 石炭焚ボイラの排ガス処理装置の概略図である。

符号の説明

１０ 排ガス処理装置
１３ 脱硝触媒部
３１ 第１のモニタリング部
３２ 第２のモニタリング部
３３ 塩化水素噴霧量調整部
３４ 冷却装置

Claims (7)

1. ボイラからの排ガス中の窒素酸化物を除去すると共に、排ガス中に塩素化剤を噴霧して水銀を酸化する脱硝触媒部を有する排ガス処理装置であって、
   前記脱硝触媒部の入口側において、排ガスの温度、排ガスの流速分布、塩素化剤濃度分布の少なくとも一以上を計測する第１のモニタリング部と、
   前記脱硝触媒部の出口側において、排ガス中の水銀量を計測する第２のモニタリング部と、
   第１のモニタリング部と第２のモニタリング部との結果により塩素化剤の噴霧量を調整する塩素化剤噴霧量調整部とを具備することを特徴とする排ガス処理装置。
2. 請求項１において、
   前記塩素化剤噴霧量調整部は、噴霧ノズルからの噴霧量の調整により行うことを特徴とする排ガス処理装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記脱硝触媒部に冷却装置を設け、
   所定設定温度よりも高い場合には、温度を低下させ、水銀酸化率を向上させることを特徴とする排ガス処理装置。
4. 前記ボイラと、
   前記ボイラの下流側の排ガス煙道に排出された排ガスに塩素化剤を注入する塩素化剤供給部と、
   請求項１乃至３のいずれか一つの排ガス処理装置と、
   脱硝後の排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置と、
   脱硫後のガスを外部に排出する煙突とを有することを特徴とする排ガス処理システム。
5. 請求項４において、
   前記ボイラの下流側の排ガス煙道に排出された排ガスにアンモニアを投入するアンモニア供給部が設けられてなることを特徴とする排ガス処理システム。
6. ボイラからの排ガス中の窒素酸化物を除去すると共に、排ガス中に塩素化剤を噴霧して水銀を脱硝触媒部で酸化する水銀酸化を行う際に、
   前記脱硝触媒部の入口側において、排ガスの温度、排ガスの流速分布、塩素化剤濃度分布の少なくとも一以上を第１のモニタリング部で計測すると共に、
   前記脱硝触媒部の出口側において、排ガス中の水銀量を第２のモニタリング部で計測し、
   第１のモニタリング部と第２のモニタリング部との結果により塩素化剤の噴霧量を塩素化剤噴霧量調整部により調整して、水銀酸化性能を管理することを特徴とする排ガス中の水銀酸化性能管理システム。
7. 請求項６において、
   前記脱硝触媒部に冷却装置を設け、
   所定設定温度よりも高い場合には、温度を低下させ、水銀酸化率を向上させることを特徴とする排ガス中の水銀酸化性能管理システム。

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