JP2010043782A - 排ガスボイラ及び燃焼排ガスの脱硝方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中負荷領域でも優れた脱硝性能を有する排ガスボイラ及び燃焼排ガスの脱硝方法を提供すること。
【解決手段】
（１）ガスタービンＧＴの排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、前記排ガスに対して含酸素炭化水素を注入する含酸素炭化水素注入ノズル４と、排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置１とを備える排ガスボイラ。
（２）ガスタービンＧＴの排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、前記排ガスの熱により高圧蒸気を生成する高圧蒸発器５の出口側に前記排ガスを加温するダクトバーナ６と、排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置１とを備える排ガスボイラ。
（３）ガスタービンＧＴの排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、中負荷領域でも脱硝装置１入口において前記排ガスの温度を少なくとも３００℃以上に保持する排ガスボイラ。
【選択図】図１

Description

本発明は窒素酸化物（以下ＮＯ_ｘと呼ぶ）を含有する燃焼排ガスを脱硝して熱回収する排ガスボイラ及び脱硝方法に関する。

ガスタービン等の排ガスからＮＯ_ｘを除去する方法として、特許文献１の技術等が知られている。特許文献１では、ＮＨ₃を還元剤とする選択式接触還元法を用いた乾式脱硝装置で脱硝を行っており、その技術的な優位性から良く用いられている。
ガスタービン排ガス中に含まれるＮＯ_ｘは、主にＮＯとＮＯ_２で構成されている。前記脱硝装置で用いられている、酸化チタン系触媒において、これらＮＯ、ＮＯ_２はＮＨ_３とそれぞれ以下のような反応が行なわれ、脱硝されている。
（１）ＮＯ＋ＮＨ_３＋１／４Ｏ_２ → Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ
（２）ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３ → ２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ
（３）６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３ → ７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ
特開平７−５１５３６号公報

酸化チタン系脱硝触媒の特性として、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％以上となると、脱硝性能が著しく悪化するという問題点がある。これは上記（３）式のＮＯ_２のみの場合の反応速度が著しく遅いことに起因している。それはＮＯ_ｘ中のＮＯ_２の割合が増加すると脱硝反応は（３）式で行われる割合が多くなり、結果、脱硝性能が悪化するためである。
ガスタービンの中−低負荷運転領域では、燃焼状況が悪くなるため、ＮＯ_２の排出量が顕著に多くなる。その結果、脱硝性能が所要性能を達成できなくなるという問題がある。
その原因は、詳細には以下にあると考えられる。ＮＯ_２が発生するのはガスタービンの負荷が中から低負荷であり、そのときに排ガス温度も低く、脱硝触媒の活性も低い状況にある。しかし、従来の脱硝装置において低負荷でのＮＯ_２による性能低下は見られなかった。それは排ガス中に含まれる含酸素炭化水素がＮＯ_２を脱硝触媒上でＮＯに還元し、その結果ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＜５０％とできていたからである。一方、ガスタービンの燃焼状況が比較的安定してくる中負荷領域では、
（１）燃焼が安定してくるため、排ガス中の含酸素炭化水素の量が少なくなり、ほぼゼロとなる。
（２）排ガス温度が依然低く、その温度での脱硝触媒の活性が小さい。
その結果、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％という状態を低負荷時の様に改善できず、脱硝性能未達の状況を引き起こしており、中負荷領域において著しく脱硝性能が悪化していた。
なお、含酸素炭化水素とはメタノール、ギ酸、ホルムアルデヒドなどを指す。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、中負荷領域でも優れた脱硝性能を有する排ガスボイラ及び燃焼排ガスの脱硝方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、燃焼装置の排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、前記排ガスの熱により高圧蒸気を生成する高圧蒸発器と、該高圧蒸発器の出口側に設けられ前記排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝装置と、前記脱硝装置の上流側において前記排ガス中に含酸素炭化水素を注入するノズルとを備え、前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃よりも小さくなる中負荷運転時には前記ノズルにより前記含酸素炭化水素の注入を行い、前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃以上となる高負荷運転時には前記ノズルによる前記含酸素炭化水素の注入を停止することを特徴とする。

燃焼装置の運転負荷が７０％から８５％の中負荷運転時には、排ガスの温度が３００℃よりも小さくなるため、上記のように脱硝性能が著しく低下するが、含酸素炭化水素を注入することにより、ＮＯ_２がＮＯに還元され、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＜５０％とすることができる。これにより、脱硝装置の性能低下を防止することが可能となる。また、本願発明者が鋭意検討した結果、燃焼装置の運転負荷が８５％以上の高負荷運転時には、排ガスの温度が３００℃以上となり、前述の（３）式のＮＯ_２のみの反応速度が速くなり、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％であっても、脱硝装置の性能を良好に保てることがわかった。したがって、燃焼装置の高負荷運転時には、含酸素炭化水素によりＮＯ_２をＮＯに還元する必要性を排除することができるので、ノズルからの含酸素炭化水素の注入を停止することにより、含酸素炭化水素を節約することができる。

請求項２に記載の発明は、燃焼装置の排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、前記排ガスの熱により高圧蒸気を生成する高圧蒸発器と、該高圧蒸発器の出口側に設けられ前記排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝装置とを備え、前記脱硝装置の上流側において前記排ガスを３００℃以上に加熱するダクトバーナが設けられたことを特徴とする。

脱硝触媒の活性は少なくとも３００℃、好ましくは３１０℃以上、さらに好ましくは３２０℃以上にすると、前述の（３）式のＮＯ_２のみの反応速度が速くなる。その結果、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％であっても脱硝性能は良好に保てる。したがって、請求項２の発明によれば、ダクトバーナによって、脱硝装置の脱硝触媒の温度を活性の高い温度域に保つことができ、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％となった場合においても、脱硝装置の性能低下を防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、燃焼装置の排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、前記排ガスの熱により高圧蒸気を生成する高圧蒸発器と、該高圧蒸発器の出口側に設けられ前記排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝装置とを備え、前記脱硝装置は、導入される前記排ガスの温度が３００℃以上となる位置に配置されたことを特徴とする。

排ガス温度を少なくとも３００℃、好ましくは３１０℃以上、さらに好ましくは３２０℃以上にできると、ＮＯ_２に対する脱硝触媒の活性を十分に高めることができる。したがって、請求項３の発明によれば、脱硝装置に導入される排ガスが３００℃以上となる位置に脱硝装置を配置することにより、燃焼装置からの含酸素炭化水素の排出量が減少してＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％となる中負荷運転時においても、脱硝触媒のＮＯ_２に対する活性を十分保持することができ、脱硝装置の性能低下を防止することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、燃焼装置の排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝方法において、前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃よりも小さくなる中負荷運転時には、前記排ガスに対して含酸素炭化水素を混入させ、前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃以上となる高負荷運転時には前記排ガスに対して含酸素炭化水素の混入を停止させることを特徴とする。

中負荷とは燃焼装置の運転負荷が７０％から８５％の場合をいう。この場合には、排ガスの温度が３００℃よりも小さくなるため、上記のように脱硝性能が著しく低下するが、含酸素炭化水素を混入させることにより、ＮＯ_２をＮＯに還元し、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＜５０％とすることができる。これにより、脱硝装置の性能低下を防止することが可能となる。また、本願発明者が鋭意検討した結果、燃焼装置の運転負荷が８５％以上の高負荷運転時には、排ガスの温度が３００℃以上となり、前述の（３）式のＮＯ_２のみの反応速度が速くなり、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％であっても、脱硝性能を良好に保てることがわかった。したがって、燃焼装置の高負荷運転時には、含酸素炭化水素によりＮＯ_２をＮＯに還元する必要性を排除することができるので、ノズルからの含酸素炭化水素の注入を停止することにより、含酸素炭化水素を節約することができる。

請求項５に記載の発明は、燃焼装置の排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝方法において、前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃よりも小さくなる中負荷運転時には、前記排ガスの温度を３００℃以上に加熱することを特徴とする。

脱硝触媒の活性は少なくとも３００℃、好ましくは３１０℃以上、さらに好ましくは３２０℃以上にすると、前述の（３）式のＮＯ_２のみの反応速度が速くなる。その結果、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％であっても脱硝性能は良好に保てる。したがって、請求項５の発明によれば、排ガスの温度を３００℃以上に加熱することにより、脱硝装置の脱硝触媒の温度を活性の高い温度域に保つことができ、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％となった場合においても、脱硝装置の性能低下を防止することが可能となる。

本発明の排ガスボイラ及び燃焼排ガスの脱硝方法によれば、中負荷領域でも優れた脱硝性能を発揮することができる。

〔第１の実施形態〕
次に、本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。図１において、符号１は脱硝装置、２は排ガスボイラ、３はＮＨ_３注入ノズル、４は含酸素炭化水素注入ノズル、５は高圧蒸発器である。脱硝装置１は、高圧蒸発器５の出口側に設置され、含酸素炭化水素注入ノズル４は高圧蒸発器５と脱硝装置１との間に設置される。排ガスボイラ２はガスタービン（燃焼装置）ＧＴの排ガスから排熱を回収する装置である。

ＮＨ_３注入ノズル３により、排ガスにＮＯ_ｘ還元剤としてのＮＨ_３が注入される。
ガスタービンＧＴが中負荷の場合、すなわちガスタービンＧＴの運転負荷が７０％から８５％の場合、含酸素炭化水素注入ノズル４により排ガスにＮＯ_２還元剤としての含酸素炭化水素が注入される。

ここで、ガスタービンＧＴの運転負荷が７０％から８５％の中負荷では、排ガスの温度が３００℃よりも小さくなるため、前述のように脱硝性能が著しく低下する。しかしながら、本実施形態に係る排ガスボイラによれば、含酸素炭化水素注入ノズル４により排ガスに含酸素炭化水素を注入することによって、脱硝装置１に流入する排ガスは、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＜５０％となり、脱硝性能を良好に保つことが可能となる。また、本願発明者が鋭意検討した結果、ガスタービンＧＴの運転負荷が８５％以上の高負荷運転時には、排ガスの温度が３００℃以上となり、前述の（３）式のＮＯ_２のみの反応速度が速くなり、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％であっても、脱硝装置１の性能を良好に保てることがわかった。したがって、ガスタービンＧＴの高負荷運転時には、含酸素炭化水素によりＮＯ_２をＮＯに還元する必要性を排除することができるので、含酸素炭化水素注入ノズル４からの含酸素炭化水素の注入を停止することにより、含酸素炭化水素を節約することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図２を参照して説明する。図２において、符号１は脱硝装置、２は排ガスボイラ、３はＮＨ_３注入ノズル、５は高圧蒸発器、６はダクトバーナである。脱硝装置１は、高圧蒸発器５の出口側に設置され、ダクトバーナ６は高圧蒸発器５と脱硝装置１との間に設置される。排ガスボイラ２はガスタービン（燃焼装置）ＧＴの排ガスから排熱を回収する装置である。

ＮＨ_３注入ノズル３により、排ガスにＮＯ_ｘ還元剤としてのＮＨ_３が注入される。
ガスタービンＧＴが中負荷の場合、すなわちガスタービンＧＴの運転負荷が７０％から８５％の場合、排ガスはダクトバーナ６により加熱される。ここで、ダクトバーナ６により、少なくとも３００℃以上、好ましくは３１０℃以上、さらに好ましくは３２０℃以上に加熱される。この温度は、脱硝装置１における脱硝触媒のＮＯ_２に対する活性を十分に高めることができる温度である。

したがって、本実施形態に係る排ガスボイラによれば、ダクトバーナ６によって、脱硝装置１の脱硝触媒の温度を活性の高い温度域に保つことができるので、ＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％となった場合においても、脱硝装置１の性能低下を防止することが可能となる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図３を参照して説明する。図３において、符号１は脱硝装置、２は排ガスボイラ、３はＮＨ_３注入ノズル、５は高圧蒸発器である。脱硝装置１は、高圧蒸発器５の出口側に設置される。排ガスボイラ２はガスタービン（燃焼装置）ＧＴの排ガスから排熱を回収する装置である。

ＮＨ_３ 注入ノズル３により、排ガスにＮＯ_ｘ還元剤としてのＮＨ_３が注入される。
ここで高圧蒸発器５出口の温度を、ガスタービンＧＴが中負荷のときに、すなわちガスタービンＧＴの運転負荷が７０％から８５％の場合であっても、脱硝装置１入口の排ガスが少なくとも３００℃以上、好ましくは３１０℃以上、さらに好ましくは３２０℃以上を保持するが出来るように設計を行う。この温度は、脱硝装置１における脱硝触媒のＮＯ_２に対する活性を十分に高めることができる温度である。

したがって、本実施形態に係る排ガスボイラによれば、脱硝装置１に導入される排ガスが３００℃以上となる位置に脱硝装置１を配置することにより、ガスタービンＧＴからの含酸素炭化水素の排出量が減少してＮＯ_２／ＮＯ_ｘ＞５０％となる中負荷運転時においても、脱硝触媒のＮＯ_２に対する活性を十分保持することができるので、脱硝装置１の性能低下を防止することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る排ガスボイラを示した概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る排ガスボイラを示した概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る排ガスボイラを示した概略構成図である。

符号の説明

１ 脱硝装置
２ 排ガスボイラ
３ ＮＨ₃注入ノズル
４ 含酸素炭化水素注入ノズル
５ 高圧蒸発器
６ ダクトバーナ
ＧＴ ガスタービン

Claims (5)

1. 燃焼装置の排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、
   前記排ガスの熱により高圧蒸気を生成する高圧蒸発器と、該高圧蒸発器の出口側に設けられ前記排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝装置と、前記脱硝装置の上流側において前記排ガス中に含酸素炭化水素を注入するノズルとを備え、前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃よりも小さくなる中負荷運転時には前記ノズルにより前記含酸素炭化水素の注入を行い、前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃以上となる高負荷運転時には前記ノズルによる前記含酸素炭化水素の注入を停止する排ガスボイラ。
2. 燃焼装置の排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、
   前記排ガスの熱により高圧蒸気を生成する高圧蒸発器と、該高圧蒸発器の出口側に設けられ前記排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝装置とを備え、前記脱硝装置の上流側において前記排ガス中の含酸素炭化水素が少なくなる中負荷でのガス温度を３００℃以上に加熱するダクトバーナが設けられた排ガスボイラ。
3. 燃焼装置の排ガスから熱回収を行なう排ガスボイラにおいて、
   前記排ガスの熱により高圧蒸気を生成する高圧蒸発器と、該高圧蒸発器の出口側に設けられ前記排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝装置とを備え、前記脱硝装置は、導入される前記排ガス中の含酸素炭化水素が少なくなる中負荷でのガス温度が３００℃以上となる位置に配置された排ガスボイラ。
4. 燃焼装置の排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝方法において、
   前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃よりも小さくなる中負荷運転時には前記排ガスに対して含酸素炭化水素を混入させ、前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃以上となる高負荷運転時には前記排ガスに対して含酸素炭化水素の混入を停止させる、燃焼排ガスの脱硝方法。
5. 燃焼装置の排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝方法において、
   前記燃焼装置からの前記排ガスの温度が３００℃よりも小さくなる中負荷運転時には、前記排ガスの温度を３００℃以上に加熱する燃焼排ガスの脱硝方法。

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