JP2011220580A - 火葬炉用窒素酸化物削減システム - Google Patents

Abstract

【課題】噴霧したアンモニアを均一に触媒層に導入し、火葬炉運転始動後、可能な限り触媒の昇温を早くし、また排ガス量とＮＯｘ発生量の変動に追随したアンモニア噴霧量の制御法を確立する。
【解決手段】一方が火葬炉側からの排ガス導入口であり他方が排気筒側の排ガス排出口である筒状の触媒反応塔１の内部を排ガス導入口側の混合拡散部と排ガス排出口側の触媒層部に区画し、混合拡散部における排ガス導入口近傍にアンモニア水の噴霧ノズル２を配置し、混合拡散部に、開口の位置が互いに一致しない開口部をそれぞれ有する第１の絞り２１および第２の絞り２２を触媒反応塔１の軸方向に所定距離離して配置し、触媒層部に、排ガス中の窒素酸化物のアンモニアによる反応を促進させる触媒２３を設置した火葬炉用窒素酸化物削減システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火葬炉から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を削減するシステムに関する。

各種の焼却設備における排ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_X）を除去する方法としては、排ガス中にアンモニア（ＮＨ₃）を噴霧し、触媒層を通過させ、ＮＯ_Xを窒素（Ｎ）と水（Ｈ₂Ｏ）に分解する方法が普及している。

この排ガス中の窒素酸化物の脱硝反応は、次の（１）式、または（２）式で表される。
４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ （１）式
２ＮＯ₂＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→３Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ （２）式
排ガス中のＮＯ_XはほとんどがＮＯのため、（１）式によりＮＯとＮＨ₃のモル比は１：１となり、反応に必要なアンモニア量は、ＮＯ_Xとほぼ同じモル量となる。

環境装置に使用される、この触媒とアンモニアを用いて排ガス中の窒素酸化物を除去するシステムは、大型ごみ焼却炉の排ガス処理用に開発されたシステムが主で、安定した、排ガス量の多い連続燃焼下において使用されることを前提として設計されている。

一方、火葬炉のような、バッチ運転で排ガス量が少ない上に排ガス量の変動が大きい炉で上述の窒素酸化物除去システムを使用すると、以下のような問題が起こっていた。
（１）触媒温度を、アンモニアとの反応可能温度に早く到達することに困難が伴う。
（２）排ガス量が少ないため、アンモニアの噴霧の後で、排ガスを均一に触媒に導入することが難しいので、触媒へ導入されるアンモニアの濃度分布にむらができ、その結果、未反応のアンモニアがリークしやすい。
（３）処理するガス量が少ない割には、火葬する個体差による排ガス量の変動幅が大きく、噴霧量の制御が難しい。従って、均一量を噴霧したり、タイマーによる噴霧量制御等を行ったりする方法では、未反応のアンモニアに由来するリークアンモニアの発生が避けられない。

これを解消するため、例えば、特許文献１には、排ガスが窒素酸化物のほかに臭気成分および／またはダイオキシン類をも含む火葬炉排ガスを処理するための脱硝触媒層を前段と後段に備え、排ガスを処理する際にアンモニアを導入して、前段脱硝触媒で窒素酸化物を還元処理したあと後段脱硝触媒で未反応の窒素酸化物を未反応のアンモニアで還元処理するとともに、前段および／または後段脱硝触媒により排ガス中の臭気成分およびダイオキシン類の除去処理をも同時に行う排ガスの処理装置が開示されている。

特開２００１−１７０４５２号公報

アンモニアは、悪臭物質として知られるものでもあり、悪臭物質の排出基準を守るために、火葬炉においても、リークアンモニアを最少とする技術の確立が必要である。

前掲の特許文献１に開示された排ガスの処理装置は、ＮＯｘ除去効率の向上とアンモニア量制御のために前段脱硝触媒と後段脱硝触媒の２箇所の触媒を備えているが、これは、一段の脱硝触媒ではＮＯｘの処理効率を向上できないため、複雑な構成とせざるを得なかったものである。

本発明が解決しようとする課題は、噴霧したアンモニアを均一に触媒層に導入し、火葬炉運転始動後、可能な限り触媒の昇温を早くし、また排ガス量とＮＯｘ発生量の変動に追随したアンモニア噴霧量の制御法を確立することにある。

前記課題を解決するため、本発明の第１の構成は、一方が火葬炉側からの排ガス導入口であり他方が排気筒側の排ガス排出口である筒状の触媒反応塔の内部を前記排ガス導入口側の混合拡散部と前記排ガス排出口側の触媒層部に区画し、前記混合拡散部における前記排ガス導入口近傍にアンモニア水の噴霧ノズルを配置し、前記混合拡散部に、開口の位置が互いに一致しない開口部をそれぞれ有する少なくとも第１および第２の絞りからなる少なくとも２つの絞りを前記触媒反応塔の軸方向に所定距離離して配置し、前記ガス導入口と前記第１の絞りの間に、昇温用加熱ガスを前記混合拡散部に導入するダクトを設け、前記触媒層部に、排ガス中の窒素酸化物の前記アンモニアによる反応を促進させる触媒を設置したことを特徴とする火葬炉用窒素酸化物削減システムである。

この第１の構成においては、混合拡散部に、開口の位置が互いに一致しない開口部を有する少なくとも２つの絞りを設けたことにより、噴霧ノズルから噴射されたアンモニア水と排ガスとの混合気体が良く混合され、触媒反応塔の下流側に設けられた触媒により、脱硝反応が促進される。

本発明の第２の構成は、前記ガス導入口と前記第１の絞りの間に、昇温用加熱ガスを前記混合拡散部に導入するダクトを設けたことを特徴とする。
この第２の構成においては、混合拡散部前段にダクトを設け、そのダクトから昇温用加熱ガスを導入することにより、触媒を早期に所定温度に昇温させることができ、火葬開始直後より触媒による脱硝反応を促進することができる。

本発明の第３の構成は、前記噴霧ノズルは、圧縮空気とアンモニア水の２流体ノズルであり、アンモニア水は流量制御可能な定量ポンプで供給されるようにしたことを特徴とする。
この第３の構成においては、圧縮空気とアンモニア水の混合比率を定量ポンプで制御できるので、アンモニア水の噴霧量をコンピュータにより正確かつ迅速に制御することができる。

本発明の第４の構成は、前記触媒反応塔から排出される排ガスの流量を計測する流量計と、排ガス中のＮＯｘ濃度を計測するＮＯｘ計とを備え、ＮＯｘ目標値と前記ＮＯｘ計により計測された排ガス中のＮＯｘ濃度との偏差および前記流量計により計測された排ガスの流量に基づいて前記アンモニア水の流量を制御する手段を備えたことを特徴とする。
この第４の構成においては、排ガス中のＮＯｘ濃度を常時監視し、その濃度が目標値になるようにリアルタイムでアンモニア水の流量を制御して脱硝反応させることにより、排ガス中のＮＯｘ濃度、アンモニア濃度を適正に制御することができる。

本発明によれば、噴霧したアンモニアを均一に触媒層に導入し、火葬炉運転始動後、可能な限り触媒の昇温を早くし、また排ガス量とＮＯｘ発生量の変動に追随したアンモニア噴霧量の制御法を確立することができる。

本発明の実施の形態に係る触媒反応塔の構成を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。 本発明の実施の形態に係る火葬炉用窒素酸化物削減システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る火葬炉用窒素酸化物削減システムにおいて触媒反応塔予熱時のダンパ開閉によるガスの流れを示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る火葬炉用窒素酸化物削減システムにおいて通常運転時のダンパ開閉によるガスの流れを示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る火葬炉用窒素酸化物削減システムにおいてバグフィルタ入口温度が２１０℃以上になったときのダンパ開閉によるガスの流れを示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る火葬炉用窒素酸化物削減システムにおいて自燃通風時のダンパ開閉によるガスの流れを示す説明図である。 本発明の実施の形態におけるアンモニア水噴霧量制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるアンモニア水噴霧量とＮＯｘ濃度、Ｏ₂濃度、温度の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る火葬炉用窒素酸化物削減システムの触媒反応塔１は、前半部分はアンモニアと排ガスの混合拡散部、後半部分の触媒層部となっており、触媒層部に触媒２３が充填されている。触媒反応塔１の前半部分の混合拡散部は、デッドスペースの少ない同筒形をしており、排ガスの流れ方向に、第１の絞り２１および第２の絞り２２からなる２段の絞りが設けてあり、第１の絞り２１には中央部に円形の開口部２１ａが開口されており、第２の絞り２２には３つの円形の開口部２２ａが分散配置されている。

アンモニア水噴霧ノズル２は触媒反応塔１の入口の中心部に設置され、そこよりアンモニア水が噴霧され、排ガスと接触すると同時に瞬時に蒸発し、第１の絞り２１および第２の絞り２２を通過する間に、排ガスとアンモニアは混合拡散され、均一なアンモニア濃度の排ガスとなり触媒２３に導入される。このことにより、ほぼ完全にアンモニアと窒素酸化物は反応し、窒素ガスと水とに分解される。

触媒２３を早期に昇温させるために、反応塔１の１段目に昇温用加熱ガスを導入するダクト２４を接続している。通常、再燃焼炉の昇温時の排ガスを利用して触媒を昇温するが、そうすると触媒が反応可能温度に達するのに、火葬開始後数分かかる。本実施の形態ではダクト２４から昇温用加熱ガスを導入して触媒を所定温度に加熱するので、火葬開始直後より、触媒の使用可能温度にすることができる。触媒としては、二酸化チタンを担体とする酸化バナジウムを使用することができ、そのときの使用可能温度は１７０℃である。

図２は、本発明の実施の形態に係る火葬炉用窒素酸化物削減システムの構成を示すものであり、火葬炉の副燃焼室（図示せず）から排出された排ガスは、集じん器バイパスダンパ３を介して、排ガス中の粉塵を除去するバグフィルタ４に導かれる。集じん器バイパスダンパ３を閉じると、排ガスはバグフィルタ４を迂回して触媒反応塔１の入口のダクト２４（図１参照）および触媒反応塔バイパスダンパ７の入口に導かれる。バグフィルタ４と触媒反応塔１の間には、図１に示したアンモニア水噴霧ノズル２が設けられている。

触媒反応塔１から排出されたガスは、排風機５により吸引されて排気筒６を介して大気中に排気される。触媒反応塔１と排風機５には、それぞれ触媒反応塔バイパスダンパ７、排風機バイパスダンパ８が併設され、排ガスの流路を制御している。

アンモニア水噴霧ノズル２は、均一で微細なアンモニア水粒子が出来るように、圧縮空気とアンモニア水の２流体ノズルを使用し、アンモニア水はデジタル定量ポンプ１１でアンモニア水噴霧ノズル２に供給される。デジタル定量ポンプ１１を、制御コンピュータ９により流量制御することで、アンモニア水の噴霧量を変化させる。

バグフィルタ４の出口にはＮＯｘ計１０が設けられ、触媒反応塔１に導入される排ガス中のＮＯｘ濃度Ｎｉｎを測定する。触媒２３の入口と出口にはそれぞれ入口温度Ｔｉｎと出口温度Ｔｏｕｔ（図１参照）を測定する温度計１２，１３が設けられている。また触媒反応塔１の出口側には、処理後のＮＯｘ濃度Ｎｏｕｔを測定するＮＯｘ計１４と、排ガス量Ｑ_Nを測定する流量計１５が設けられている。

上述の集じん器バイパスダンパ３、触媒反応塔バイパスダンパ７、排風機バイパスダンパ８は、運転状況により表１に示す開閉を行う。

表１に示すように、触媒反応塔予熱時は、集じん器バイパスダンパ３をバイパス側、触媒反応塔バイパスダンパ７を閉、排風機バイパスダンパ８を閉とし、火葬炉を予熱しているときの排ガス温度で触媒反応塔１の触媒を使用可能温度まで加熱する。このときの空気の流れを図３の太線で示す。なお、早く加熱したい場合は、熱風発生炉を使用することも可能である。

通常運転時は、集じん器バイパスダンパ３を主ダクト側、触媒反応塔バイパスダンパ７を閉、排風機バイパスダンパ８を閉とし、火葬炉からの排ガスをバグフィルタ４に導入して集じんを行うとともに、触媒反応塔１に排ガスを導入する。このとき、アンモニア水を圧縮空気と共にアンモニア水噴霧ノズル２により噴霧し、触媒反応塔１内の触媒で脱硝反応を促進し、窒素酸化物を窒素と水に分解する。このときの空気の流れを図４の太線で示す。

バグフィルタ４の入口温度が２１０℃を超えると、バグフィルタ４の損傷の問題があるため、集じん器バイパスダンパ３をバイパス側、触媒反応塔バイパスダンパ７を開、排風機バイパスダンパ８を閉とし、排ガスのバイパスによる強制排気を行う。このときの空気の流れを図５の太線で示す。

排風機５が故障したとき等の原因による自燃通風時は、すべての機器の保護を行うため、集じん器バイパスダンパ３をバイパス側、触媒反応塔バイパスダンパ７を開、排風機バイパスダンパ８を開とし、バイパスダクトによる自然排気を行う。このときの空気の流れを図６の太線で示す。

次に、本発明の実施の形態におけるアンモニア水噴霧量制御法について説明する。
本実施の形態においては、以下のステップにより、１０％アンモニア水の噴霧量を計算し、噴霧量制御を行う。
１）流量計１５のデータにより排ガス量Ｑ_N（Ｎｍ³／ｈｒ）を計算する。

２）ＮＯｘ目標値（Ｏ₂１２％換算値）を決め、脱硝率を求める。
Ａ：脱硝率＝｛ＮＯｘ濃度（Ｏ₂１２％換算値）−ＮＯｘ目標値（Ｏ₂１２％換算値）｝／ＮＯｘ濃度（Ｏ₂１２％換算値）・・・・・（３）式
ここでＮＯｘ濃度は、ＮＯｘ計１４によって実測されたＮＯｘ濃度値ＮｏｕｔをＯ₂１２％に換算した値を用いる。

３）以下の式により、１０％アンモニア水の噴霧量を決める。
ＮＨ₃１０％噴霧量（Ｌ／ｈｒ）＝Ｑ_N×ＮＯｘ濃度（実測値）×１０^-6×Ａ×（ＮＨ₃／ＮＯ）モル比×（１７／２２．４）×（１００／１０）×（１／ρ）・・・・・（４）式
ここで、（ＮＨ₃／ＮＯ）モル比＝Ａ／１００、ρ：１０％アンモニア水の比重
計算は、制御コンピュータ９により１秒間に１０回行い、この結果に応じてデジタル定量ポンプ１１に指令を与え、リアルタイムに噴霧量を制御している。

このアンモニア水噴霧量制御法を、図７に示すフローチャートにより説明する。
図７において、ステップＳ１００では、触媒２３の入口温度Ｔｉｎが１５０℃以上になったかどうかを温度計１２の計測値に基づき判断する。Ｙｅｓであれば次に進む。Ｎｏであれば監視を続ける。
ステップＳ１１０では、デジタル定量ポンプ１１をＯＮにする（すでにＯＮの場合は次に進む。）。

ステップＳ１３０では、触媒反応塔１に導入される排ガス中のＮＯｘ濃度ＮｉｎがＮＯｘ制御目標値ｘ以上かどうかを判断する。Ｙｅｓの場合は次に進み、Ｎｏの場合はステップＳ１２０によりデジタル定量ポンプ１１をＯＦＦにして元に戻る。
ステップＳ１４０では、アンモニア水噴霧量の計算を前掲の（４）式に基づいて実施する。
ステップＳ１５０では、デジタル定量ポンプ１１の流量制御を行う。

ステップＳ１６０では、（ａ）ＮＯｘ計１４により計測された触媒反応塔１の出口側ＮＯｘ濃度ＮｏｕｔがＮＯｘ制御下限値（０〜１０ｐｐｍ程度）以上かどうか、または（ｂ）前掲の（３）式で求められた脱硝率Ａが０．１以上かどうか、または（ｃ）触媒２３の入口温度Ｔｉｎが１４０℃以上かどうかを判断し、ＹｅｓであればステップＳ１００に戻り、ＮｏであればステップＳ１２０でデジタル定量ポンプ１１をＯＦＦしてステップＳ１００に戻る。
このようにアンモニア水噴霧量の制御を行って、排ガス中のＮＯｘ濃度、アンモニア濃度を適正に制御する。

表２は、排気筒６出口の特定悪臭物質および臭気指数、臭気濃度を測定した結果を示すものである。表中、特定悪臭物質の単位はｐｐｍ（ｖｏｌ／ｖｏｌ）、臭気指数および臭気濃度の単位は無し、「＜」は未満を示す。

表２の結果から分かるように、各炉の排気筒出口における特定悪臭物質および臭気指数、臭気濃度は、排出基準を下回っていることが確かめられた。特に、アンモニア濃度は基準の１ｐｐｍを下回っており、脱硝のために用いるアンモニア水中のアンモニア濃度制御が適正に行われていることが実証された。

図８は、実機におけるアンモニア水噴霧量とＮＯｘ濃度、Ｏ₂濃度、温度の変化を示すグラフである。★はアンモニア水噴霧開始時刻を示している。このグラフから分かるように、触媒反応塔の入口温度は、本実施の形態の火葬炉用窒素酸化物削減システムにより、常に１８０℃〜２００℃に保たれていることが示されている。

本発明は、噴霧したアンモニアを均一に触媒層に導入し、火葬炉運転始動後、可能な限り触媒の昇温を早くし、また排ガス量とＮＯｘ発生量の変動に追随したアンモニア噴霧量の制御法を確立できる火葬炉用窒素酸化物削減システムとして好適に利用することができる。

１ 触媒反応塔
２ アンモニア水噴霧ノズル
３ 集じん器バイパスダンパ
４ バグフィルタ
５ 排風機
６ 排気筒
７ 触媒反応塔バイパスダンパ
８ 排風機バイパスダンパ
９ 制御コンピュータ
１０ ＮＯｘ計
１１ デジタル定量ポンプ
１２ 温度計
１３ 温度計
１４ ＮＯｘ計
１５ 流量計
２１，２２ 絞り
２１ａ，２２ａ 開口
２３ 触媒
２４ ダクト

Claims (4)

1. 一方が火葬炉側からの排ガス導入口であり他方が排気筒側の排ガス排出口である筒状の触媒反応塔の内部を前記排ガス導入口側の混合拡散部と前記排ガス排出口側の触媒層部に区画し、前記混合拡散部における前記排ガス導入口近傍にアンモニア水の噴霧ノズルを配置し、前記混合拡散部に、開口の位置が互いに一致しない開口部をそれぞれ有する少なくとも第１および第２の絞りからなる少なくとも２つの絞りを前記触媒反応塔の軸方向に所定距離離して配置し、前記触媒層部に、排ガス中の窒素酸化物の前記アンモニアによる反応を促進させる触媒を設置したことを特徴とする火葬炉用窒素酸化物削減システム。
2. 前記ガス導入口と前記第１の絞りの間に、昇温用加熱ガスを前記混合拡散部に導入するダクトを設けた請求項１記載の火葬炉用窒素酸化物削減システム。
3. 前記噴霧ノズルは、圧縮空気とアンモニア水の２流体ノズルであり、アンモニア水は流量制御可能な定量ポンプで供給される請求項１または２に記載の火葬炉用窒素酸化物削減システム。
4. 前記触媒反応塔から排出される排ガスの流量を計測する流量計と、排ガス中のＮＯｘ濃度を計測するＮＯｘ計とを備え、ＮＯｘ目標値と前記ＮＯｘ計により計測された排ガス中のＮＯｘ濃度との偏差および前記流量計により計測された排ガスの流量に基づいて前記アンモニア水の流量を制御する手段を備えた請求項３に記載の火葬炉用窒素酸化物削減システム。

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