JP2013022520A - 排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法 - Google Patents

排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】無触媒脱硝反応の適用により排気ガス中の窒素酸化物濃度を減少させる。
【解決手段】Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼装置を有する排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法であって、燃焼器２（燃焼装置）から排出された排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の低減目標値を予め決定すると共に、当該低減目標値と排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の予測値とに基づいて脱硝薬剤の基本供給量を決定しておき、排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を数値解析を行って求め、求めた脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間とに基づいて排気ガスＧに脱硝薬剤を供給する位置６ａを決定し、決定した位置に基本供給量の脱硝薬剤を供給すると共に、脱硝反応が十分進行した位置で排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測し、計測値が低減目標値になるように脱硝薬剤の供給量をフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｏ２量論比燃焼を採用する燃焼装置を有する排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法に関する。更に詳しくは、本発明は、排気ガス中にアンモニア、尿素等の脱硝薬剤を噴射、混合して排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘと反応させ、排気ガス中に生成したＮＯｘを、気相で窒素分子Ｎ２に分解する無触媒脱硝手法を採用した排気ガスの低ＮＯｘ化技術に関するものである。
なお、排気ガスとは、燃焼装置での燃焼によって生成されたガスであり、その全量が燃料の希釈剤等としてリサイクルされる場合（排気用の煙突を設けない場合）には、リサイクル系の配管内のガスも排気ガスといい、一方、その一部が燃料の希釈剤等としてリサイクルされると共に、残りが煙突から排出される場合（排気用の煙突を設けた場合）には、リサイクル系の配管内のガス及び煙突から排出されるガスも排気ガスという。また、閉サイクル，排気ガス循環とは、排気ガスの全量を回収して希釈剤等としてリサイクルする場合と、一部を回収して希釈剤等としてリサイクルする場合とがある。
火力発電プラントでは、空気中のＮ２または燃料中のＮ分が燃焼過程で酸化して、排気ガス中に窒素酸化物ＮＯｘを生成する。従来の発電プラントでは、排気ガスを脱硝装置に導き、ハニカム状の基材に脱硝薬剤例えばアンモニアを含浸させた触媒上でＮＯｘとアンモニアＮＨ３を反応させて、Ｎ２に分解する脱硝技術が用いられている。通常の発電プラント用脱硝装置では、８５％〜９５％の脱硝率で運用されている。
一方で、火力発電プラントのうち、火力発電用ボイラでは、ボイラ炉内に脱硝薬剤例えばアンモ二アを直接供給し、炉内で発生するＮＯｘとアンモニアを気相で直接に反応させて、Ｎ２に分解する技術（いわゆる無触媒脱硝）が提案されている。一般に、無触媒脱硝には、８００℃〜１０５０℃の反応温度と適度な反応時間が必要とされ、ボイラでの適用が提案されているが、脱硝装置を設置しないで済むまでの効果は得られず、発電プラントでの適用はほとんどみられない。これは、炉内の温度分布が複雑で、特定の反応温度と反応時間を要する無触媒脱硝条件を維持できないためである。
数式１の総括反応(１)で示される無触媒脱硝反応は温度窓（Temperature window）と呼ばれる（非特許文献１）、非常に狭い反応温度範囲において進行する反応であり、制御が難しい。例えば、総括反応(１)を適用する反応温度としては、９５０℃から１０５０℃と仮定して提案された例（たとえば、特許文献１）や、８００℃から９５０℃で進行するものとして提案された例（たとえば、特許文献２）、都市ゴミ焼却炉を対象に８５０℃から９５０℃の温度範囲で反応が進行すると想定して提案された例（たとえば、特許文献３）などがある。この様に、微粉炭ボイラやゴミ焼却炉などを対象とする燃焼場によって８００℃から１０５０℃と温度条件が異なる。しかも、総括反応(１)で示される反応の温度窓は、燃焼ガス条件毎に非常に狭い温度領域で卓越して進行するため、プラントの運転条件の変化により適切な反応温度条件が異なる。そのため、通常の脱硝装置では触媒を用いて前記総括の反応温度を２００〜６００℃に低減するとともに、触媒の活性温度で該総括反応(１)が進行するようにしている。
［数１］
ＮＨ３＋ＮＯ＋１／４Ｏ２ → Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ・・・(１)
特開昭６１−２７８３３２号公報 特開２００６−６４２９１号公報 特開平６−５８５２２号公報
Lyon,R.K., Hydrocarbon Processing, October 1979, pp.109-112.
閉サイクルガスタービン等の火力発電プラントにおいて無触媒脱硝法により脱硝を適切に実施するには、前述のように反応の温度窓を考慮して、プラントにおいて適切な位置に脱硝薬剤を供給する必要がある。しかしながら、前記例示した特許文献でもわかるように、提案される反応温度は様々であり、総括反応(１)の右向き反応が進行しない場合には供給される脱硝薬剤がＮＯに酸化されるか、分解せずに系外に漏洩してしまう。また、特定の温度で脱硝薬剤を供給して、総括反応(１)等により脱硝する際には、実際には排気ガス中のＮＯｘの分解量と当量以上の脱硝薬剤を供給する必要がある。この場合も脱硝薬剤が分解せずに系外に漏洩するか、ＮＯｘとして排出されるという問題を生じる。そのため、無触媒脱硝を採用することは難しく、実際の火力発電プラントにおいては採用されていないのが現状である。
本発明は、Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼装置を有する排気ガス循環型火力発電プラントにおいて、無触媒脱硝反応の適用により排気ガス中の窒素酸化物濃度を減少させることができる排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法を提供することを目的とする。
無触媒脱硝反応は、温度窓と呼ばれる非常に狭い温度範囲で卓越して進行する反応であり、反応温度が高いと脱硝薬剤はＮＯに酸化され、反応温度が低いと脱硝薬剤とＮＯは反応せずにそのまま排出される。本発明者らは、Ｏ２量論比燃焼を採用する閉サイクルガスタービン発電プラントの排気ガス中の窒素酸化物濃度の低減について鋭意研究を行った結果、Ｏ２量論比燃焼を採用する閉サイクルガスタービン発電プラントでは、希釈剤としてリサイクルする排気ガスはＣＯ２とＨ２Ｏを主成分とし、微量のＣＯ、Ｈ２とＯ２が含まれているため、無触媒脱硝反応が比較的低い温度で進行することを知見すると共に、その温度は、閉サイクルガスタービン発電プラントの排気ガスの温度分布に含まれる温度であることを知見した。そして、このことはガスタービン発電プラントに限られるものではなく、カライド酸素燃焼プロジェクトに見られるようにＯ２燃焼技術を微粉炭ボイラに適用し、排気ガス再循環により燃焼温度を調整する石炭火力発電プラント等、Ｏ２燃焼を行う燃焼装置を有し、排気ガス再循環により燃焼温度を調整する排気ガス循環型火力発電プラントであれば適用可能であることを知見した。
本発明は、かかる知見に基づき成されたもので、請求項１記載の発明は、Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼装置を有する排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法において、燃焼装置から排出された排気ガス中の窒素酸化物濃度の低減目標値を予め決定すると共に、低減目標値と排気ガス中の窒素酸化物濃度の予測値とに基づいて脱硝薬剤の基本供給量を決定しておき、排気ガス中の窒素酸化物濃度の脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を数値解析を行って求め、求めた脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間とに基づいて排気ガスに脱硝薬剤を供給する位置を決定し、決定した位置に基本供給量の脱硝薬剤を供給すると共に、脱硝反応が十分進行した位置で排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測し、計測値が低減目標値になるように脱硝薬剤の供給量をフィードバック制御するものである。
排気ガス循環型火力発電プラントの排気ガスの流路にて無触媒脱硝を適用し、排気ガス中のＮＯｘを窒素分子Ｎ２に分解するようにしている。無触媒脱硝反応は主に総括反応(１)の右向き反応により進行し、その反応速度は反応温度によって大きく影響される。無触媒脱硝反応を適正に運用するために、反応条件を適切に維持することが重要となる。そこで、請求項１記載の発明では、排気ガス中の窒素酸化物の濃度の脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を数値解析によって求め、この条件を満たす位置に脱硝薬剤を供給する。排気ガスの温度は上流から下流へと流れるのに従って変化する（温度分布）ことから、脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を満たす位置に脱硝薬剤を供給するようにする。
例えば、閉サイクルガスタービン発電プラントでは、排気ガスの温度は、例えば、ガスタービン出口：７７０℃、排ガス圧縮機入口：９０℃であり、ガスタービン出口から排ガス圧縮機へと流れるのに従って低下する。即ち、７７０℃から９０℃までの温度分布となっている。閉サイクルガスタービン発電プラントでは無触媒脱硝の脱硝反応に適した温度はこの温度分布に含まれており、排気ガスを昇温させる特別な加熱源を別に設けなくても、脱硝薬剤を供給する位置を適切に選択することで脱硝反応に適した温度を確保することができる。
また、脱硝薬剤の供給量については、排気ガス中に生成する窒素酸化物濃度の予測値と低減目標値を考慮して予め決定すると共に、脱硝反応が十分に進行した位置での窒素酸化物濃度が低減目標値になるように脱硝薬剤の供給量を調整して、無触媒脱硝の促進を図るものである。
燃焼装置から排出される排気ガス中の窒素酸化物濃度は、使用する燃料や酸化剤、排気ガスの循環量、プラント負荷等に基づいて予測できる。また、低減目標値は必ずしも０でなくても良い。
脱硝薬剤の供給位置は、請求項９の発明のように、定格運転を想定した位置でも良いし、請求項２〜８の発明のように、複数の中から選択するようにしても良い。
また、請求項２記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法は、脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けておき、排気ガス中の窒素酸化物の濃度の変化に応じて複数の候補の中からより適した１つ又は複数の位置を選択するものである。
燃焼装置から排出される排気ガス中の窒素酸化物濃度は、使用する燃料や酸化剤、排気ガスの循環量、プラント負荷等に応じて変化する。排気ガス中の窒素酸化物濃度が変化すると、脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間も変化するので、脱硝薬剤の供給に適した位置も変化する。したがって、脱硝薬剤の供給位置として複数の候補を設けておき、この中から脱硝反応に最も適した位置を選択することで、脱硝反応に適した位置に脱硝薬剤を供給することができる。
また、請求項３記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法は、脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けておき、運転中の排気ガスの温度の変化に応じて複数の候補の中からより適した１つ又は複数の位置を選択するものである。
燃焼器から排出される排気ガスの温度はプラント負荷等に応じて変化する。排気ガスの温度が変化すると、脱硝薬剤の供給に適した位置も変化する。したがって、脱硝薬剤の供給位置として複数の候補を設けておき、この中から脱硝反応に最も適した位置を選択することで、脱硝反応に適した位置に脱硝薬剤を供給することができる。
また、請求項４記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法は、排気ガス中の残留酸素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響を数値解析を行って求め、脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎に排気ガス中の残留酸素濃度を計測する手段を設け、脱硝薬剤を供給する位置として、複数の候補の中から排気ガス中の残留酸素濃度を考慮してより適した１つ又は複数の位置を選択するものである。
無触媒脱硝反応は、温度窓と呼ばれる非常に狭い反応温度条件で卓越して促進される反応であり、効果的に運用するには反応温度の調整が重要になる。特に、Ｏ２量論比燃焼ガスタービン等のＯ２量論比燃焼を行う燃焼装置から排出される排気ガスは、燃焼条件の調整や変化により排気ガス中に残留するＯ２濃度が大きく変動する。無触媒脱硝が有効となる反応温度条件（排気ガス中の窒素酸化物濃度の脱硝反応に適した温度）は、排気ガス中のＯ２濃度に応じて変化し、また、必要となる反応時間（確保すべき反応時間）も変化する。無触媒脱硝反応は緩慢な反応であり、排気ガスをリサイクル又は排出するまでの間で十分な反応時間を設定する必要があり、この場合、無触媒脱硝反応を適正に運用するには排気ガス中のＯ２濃度条件に応じて反応温度および反応時間条件を適正に調整することが重要になる。請求項４記載の発明では、排気ガス中のＯ２濃度に応じて最適な排気ガス温度を示す位置を選択して、脱硝薬剤を供給するように運用する。
また、請求項５記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法は、排気ガス中の残留一酸化炭素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響を数値解析を行って求め、脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎に排気ガス中の残留一酸化炭素濃度を計測する手段を設け、脱硝薬剤を供給する位置として、複数の候補の中から排気ガス中の残留一酸化炭素濃度を考慮してより適した１つ又は複数の位置を選択するものである。
温度窓と呼ばれる無触媒脱硝反応の最適な反応温度条件は、排気ガス中に残留する未燃焼成分であるＣＯとＨ２濃度により低下する。Ｏ２量論比燃焼を採用する燃焼装置から排出される排気ガスは、通常のガスタービンに比べて未燃焼成分濃度が非常に高く、いずれの燃焼条件においても無触媒脱硝の最適な反応温度条件を十分に低下させる。一方で、排気ガス中の未燃焼成分濃度の増加は無触媒脱硝の反応を遅らせ、適切な反応時間を長くすることもある。請求項５記載の発明では、燃焼排出ガス中に残留する未燃焼成分のうち、変動量の大きな成分である一酸化炭素（ＣＯ）濃度に応じて脱硝薬剤の供給位置を調整することにより反応時間を適正化するように運用する。
また、請求項６記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法は、排気ガス中の残留水素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響を数値解析を行って求め、脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎に排気ガス中の残留水素濃度を計測する手段を設け、脱硝薬剤を供給する位置として、複数の候補の中から排気ガス中の残留水素濃度を考慮してより適した１つ又は複数の位置を選択するものである。
ガスタービンで用いられる燃料は、ＬＮＧやガス化ガス、重質油などがあげられる。また、微粉炭バーナで用いられる燃料としては微粉炭があげられる。これらの燃料では、通常では、排気ガス中に残留する未燃焼成分は主にＣＯである。一方で、システムによっては燃料中のＨ２成分濃度が高くなり、未燃焼成分のうちＨ２がＣＯよりも高くなる場合がある。この場合、未燃焼Ｈ２成分濃度の変動は、無触媒脱硝反応および最適な反応条件により大きな影響を及ぼすことになる。請求項６記載の発明では、排気ガス中に残留する未燃焼成分のうち、水素（Ｈ２）濃度に応じて脱硝薬剤の供給位置を調整することにより反応時間を適正化する。
ここで、排気ガス中の窒素酸化物濃度の脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を求める数値解析、排気ガス中の残留酸素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響を求める数値解析、排気ガス中の残留一酸化炭素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響を求める数値解析、排気ガス中の残留水素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響を求める数値解析は、運転前に予め行うものでも良いし、運転中に行うものでも良い。請求項７記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法は、数値解析を予め行ってその結果をデータベース化しておき、運転中にデータベースを参照して脱硝薬剤を供給する位置を決定するものである。また、請求項８記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法は、運転中に数値解析を行いながら脱硝薬剤を供給する位置を決定するものである。
さらに、請求項９記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法のように、脱硝薬剤を供給する位置として１箇所の位置が予め決定されているものでも良い。
本発明では、無触媒脱硝反応を卓越して促進させることができ、排気ガス循環を採用する燃焼装置の排気ガスへの無触媒脱硝手法の適用が可能になる。即ち、Ｏ２量論比燃焼を採用する排気ガス循環型火力発電プラントでは、比較的低い温度で脱硝反応が進行する。そして、その温度は、排気ガスが流れる温度の分布に含まれる。したがって、排気ガスをわざわざ加熱しなくても、脱硝薬剤を供給する位置を適切に設定することで脱硝反応を進めることができる。
また、燃焼装置から排出される排気ガス中の窒素酸化物濃度を予測し、その予測値を予め決定しておいた低減目標値にする量（基本供給量）の脱硝薬剤を排気ガスに供給すると共に、脱硝反応が十分進んだ位置で窒素酸化物濃度を計測して脱硝薬剤の供給量を調整するので、窒素酸化物濃度を低減目標値まで下げることができると共に、排気ガス中に脱硝薬剤が残ることもない。
また、Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼装置から排出される排気ガスを対象とする無触媒脱硝反応は、排気ガス中に残留するＯ２濃度により最適な反応条件が変動するため、当該Ｏ２濃度条件に応じて反応温度条件を適正に調整することにより、排気ガスへの無触媒脱硝手法をより適切に運用できる。さらに、排気ガス中の未燃焼成分であるＣＯまたはＨ２成分濃度に応じて、排気ガス中に供給するアンモニア等の脱硝薬剤の供給位置を調整して反応時間を調整することで、反応温度を上昇させて脱硝率を低減することなく、比較的緩慢な無触媒脱硝反応の適正化を可能にする。
本発明の運転方法を実施する発電プラントの第１の実施形態を示す概略構成図である。 図１の薬剤供給手段を示すブロック図である。 図２の薬剤供給手段の制御部を示すブロック図である。 無触媒脱硝反応に関する実験と解析結果例を示すグラフである。 無触媒脱硝反応におけるＮＯとアンモニアの分解率の経時変化（解析結果）を示すグラフである。 無触媒脱硝反応におけるＮＯ未分解率（１００−脱硝率）に及ぼすアンモニア供給量の影響を示すグラフである。 無触媒脱硝反応に及ぼす反応温度の影響（ＮＨ３供給濃度＝１３０ｐｐｍ）を示すグラフである。 無触媒脱硝反応に及ぼす反応温度の影響（ＮＨ３供給濃度＝４５００ｐｐｍ、反応時間１０秒）を示すグラフである。 無触媒脱硝反応に及ぼす反応温度の影響（ＮＨ３供給濃度＝４５００ｐｐｍ、反応時間４６秒）を示すグラフである。 本発明の運転方法を実施する発電プラントの第２の実施形態を示す概略構成図である。 図１０の薬剤供給手段を示すブロック図である。 図１１の薬剤供給手段の制御部を示すブロック図である。 本発明の運転方法を実施する発電プラントの第３の実施形態を示す概略構成図である。 図１３の薬剤供給手段を示すブロック図である。 図１４の薬剤供給手段の制御部を示すブロック図である。 無触媒脱硝反応におけるＮＯの未分解率（１００−脱硝率）の経時変化に及ぼす反応温度の影響を示すグラフである。 本発明の運転方法を実施する発電プラントの第４の実施形態を示す概略構成図である。 図１７の薬剤供給手段を示すブロック図である。 図１８の薬剤供給手段の制御部を示すブロック図である。 燃焼器排気ガス中の残留Ｏ２成分、未燃焼ＣＯおよびＨ２成分の濃度変化を示す解析例のグラフである。 燃焼器排気ガスの温度および圧力変化を示す一例を示すグラフである。 無触媒脱硝反応におけるＮＯの未分解率（１００−脱硝率）に及ぼす排気ガス中Ｏ２濃度の影響を示すグラフである。 最適な反応温度に及ぼす排気ガスＧ中の残留Ｏ２成分濃度の影響を示すグラフである。 無触媒脱硝反応におけるＮＯの未分解率（１００−脱硝率）に及ぼす排気ガス中ＣＯ濃度の影響を示すグラフである。 最適な反応温度に及ぼす排気ガスＧ中の残留ＣＯ成分濃度の影響を示すグラフである。 最適な反応温度でのＮＯの未分解率に及ぼす排気ガスＧ中の残留ＣＯ成分濃度の影響を示すグラフである。 無触媒脱硝反応におけるＮＯの未分解率（１００−脱硝率）に及ぼす排気ガス中Ｈ２濃度の影響を示すグラフである。 最適な反応温度に及ぼす排気ガスＧ中の残留Ｈ２成分濃度の影響を示すグラフである。 最適な反応温度でのＮＯの未分解率に及ぼす排気ガスＧ中の残留Ｈ２成分濃度の影響を示すグラフである。 本発明の運転方法の一例を示すフローチャートである。 脱硝装置を併用する場合の発電プラントの一例を示す概略構成図である。 本発明の運転方法を実施する発電プラントの第５の実施形態を示す概略構成図である。
以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。ここでは、Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼装置としてガスタービン燃焼器を有する閉サイクルガスタービン発電プラントを例に説明するが、これに限られるものではなく、Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼装置を有する排気ガス循環型火力発電プラントであれば適用可能である。
本発明の第１の実施形態について説明する。図１に本発明の運転方法を実施する閉サイクルガスタービン発電プラント（以下、単に発電プラントという）の例を示す。発電プラントは、液化天然ガス（Liquefied Natural Gas：ＬＮＧ）、液体燃料、ガス化ガスなどの流体の燃料ＦをＯ２主体の酸化剤ＡＯ２にて量論比燃焼させてガスタービン３を駆動し、ガスタービン３に結合されている発電機８にて発電し、また、ガスタービン３の高温排気ガスの熱を利用して蒸気サイクルにより発電するシステムで構成される。特に、ガスタービン３ではＯ２による量論比燃焼を採用し、高温の燃焼ガスをガスタービン排気ガス（希釈剤）にて希釈する閉サイクルを採用することで、発電プラントのＣＯ２回収に伴う動力を低減する技術を採用している。
ガスタービン燃料Ｆとしては、例えばＬＮＧ、液体燃料、ガス化ガス燃料等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、酸化剤ＡＯ２としては、酸素、空気、酸素富化空気等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本実施形態では、酸素を酸化剤とするＯ２量論比燃焼閉サイクルガスタービン発電プラントの場合について、装置構成を説明する。本プラントは、酸素製造装置１、燃焼器（燃焼装置）２、ガスタービン３、排熱回収ボイラ４、組成分析手段５、薬剤供給手段６、排ガス圧縮機７、発電機８、蒸気タービン９等を備えている。
燃焼器２に必要な酸化剤ＡＯ２は、酸素製造装置１にて生成される。酸素製造装置１では図示しない圧縮機で供給される高圧空気から、酸素ＡＯ２を分離して燃焼器２へ供給される。燃焼器２では、燃料Ｆまたは起動用燃料により着火し、昇速、負荷上昇の後、起動用燃料を通常の燃料Ｆに切り替えて運転を開始し、さらにプラント負荷を上昇させ、主に定格条件にて運転する。
また、ガスタービン燃焼器２から排出されガスタービン３を通り抜けた高温排気ガスＧは、排熱回収ボイラ４で給水ＦＷに熱を渡し、発生した水蒸気ＳＴを蒸気タービン９に案内して、これを駆動して、発電器８により発電する。排熱回収ボイラ４を通過した排気ガスの一部はリサイクル系２１を通って排ガス圧縮機７に戻され、残りの排気ガスはＣＯ２回収装置１１にてＣＯ２を分離回収された後、煙突１２から排気される。なお、ＣＯ２回収装置１１の上流に図示しない汽水分離器を設け、排気ガスからＨ２Ｏを除去することで排気ガスを高濃度のＣＯ２とし、ＣＯ２回収装置１１によりＣＯ２を分離回収するようにしても良い。この場合には、煙突１２から排出される排気ガスをゼロ又は極めて少量にすることができる。
リサイクル系２１の分岐位置にはリサイクル系２１へと流れる排気ガスＧとＣＯ２回収装置１１へと流れる排気ガスＧの流量割合を決定する分岐割合調節手段２２が設けられている。分岐割合調節手段２２は、例えば排ガスダンパである。排ガスダンパの開度を調節することで、分岐する流量の割合を調節することができる。ただし、分岐割合調節手段２２としては排ガスダンパ以外のものを用いても良い。
組成分析手段５は燃焼器２によって燃焼され排出された排気ガスＧのガス組成を分析するもので、そのガス採取部５ａは排気ガスＧと脱硝薬剤との脱硝反応が十分進行した後の位置に設けられている。本実施形態では、排熱回収ボイラ４と分岐割合調節手段２２との間に組成分析手段５のガス採取部５ａを設けている。ただし、ガス採取部５ａの位置はこれに限られるものではなく、例えば分岐割合調節手段２２から煙突１２の排出口までの間や、リサイクル系２１の排ガス圧縮機７までの間にガス採取部５ａを設けても良い。組成分析手段５としては、例えば排気ガスＧの組成を識別するガス分析計の使用が可能であるが、使用可能なものとしてはガス分析計に限るものではなく、少なくとも排気ガスＧ中のＮＯ濃度を計測することが可能な計測機器類であれば使用可能である。
本実施形態では、排気ガスＧ中の窒素酸化物として特にＮＯを対象にしている。排気ガスＧ中の窒素酸化物としてＮＯが圧倒的に多いことから、その他のＮＯ２等は無視することができる。ただし、ＮＯに加えて他の窒素酸化物を対象にしても良い。
薬剤供給手段６は、例えば図２に示すように、組成分析手段５から供給される計測値に基づいて脱硝薬剤の供給量を決定する制御部２３と、決定された供給量の脱硝薬剤を排気ガスＧに供給する薬剤供給部２４とを備えている。
図３に制御部２３を示す。制御部２３は、記憶部２７、演算部２９、入力部３１、表示部３２、送受信部３３を備え、これらは相互にバス等の信号回線３４により接続されている。
演算部２９は記憶部２７に記憶されている制御プログラム３０によって薬剤供給手段６全体の制御等にかかる演算を行うものであり、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）である。記憶部２７は少なくともデータやプログラムを記憶可能な装置であり、例えばメモリ、ハードディスク等である。
入力部３１は少なくとも作業者の命令やデータ等を入力するためのインターフェイスであり、例えばキーボード等である。表示部３２は演算部２９の制御により文字や図形等の描画・表示を行うものであり、例えばディスプレイ等である。なお、入力部３１および表示部３２を省略しても良い。
記憶部２７には、使用される燃料Ｆの組成５２と、脱硝薬剤のＮＨ３濃度２６と、排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の低減目標値５３と、排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の予測値５４と、基本供給量５５とが記憶されている。
使用される燃料Ｆの組成５２と、脱硝薬剤のＮＨ３濃度２６と、排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の低減目標値５３は、例えば作業者が入力部３１を操作して直接入力し、記憶部２７に記憶させる。基本供給量５５と予測値５４は制御部２３によって算出され、記憶部２７に記憶される。また、記憶部２７には、組成分析手段５から供給される計測値２８が一旦記憶される。
低減目標値５３としては、０ｐｐｍでも良いし、０ｐｐｍ以外のある程度低い値でも良い。即ち、排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の未分解率を０％にするようにしても良いし、ある程度の低い値まで減少させるようにしても良い。
演算部２９には、制御プログラム３０を実行することにより、脱硝薬剤の基本供給量５５（単位時間当たりの量）を算出する基本供給量算出部５６と、脱硝薬剤の供給量を調整する供給量調整部５７が構成される。また、本実施形態では、制御プログラム３０の実行により、排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４を算出する予測値算出部５８も構成される。
予測値算出部５８は、記憶部２７に記憶されている燃料組成５２の燃料Ｆを使用した場合の運転について反応動力学に基づく数値解析を行い、排気ガスＧのＮＯ濃度を予測する。その予測値５４は記憶部２７に一旦記憶される。なお、予測値５４がプラント設計時に予め既知となっている場合等には、予測値算出部５８を省略し、作業者が入力部３１を操作して予測値５４を直接入力し、記憶部２７に記憶させるようにしても良い。
基本供給量算出部５６は、記憶部２７に記憶されている排気ガスＧ中のＮＯ濃度の低減目標値５３と予測値５４に基づき、予測値５４を低減目標値５３にまで低減させるのに必要な脱硝薬剤の量（基本供給量５５）を算出する。即ち、ＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求め、排気ガスの組成、排気ガス温度およびＮＨ３供給濃度条件の下に反応動力学に基づく反応解析を実施し、低減目標値５３が得られるＮＨ３量で、ＮＨ３を分解せずに系外に漏洩することを防止する適正なＮＨ３量（ＮＨ３／ＮＯモル比）を算出する。このＮＨ３量に基づくと共に、記憶部２７に予め記憶している脱硝薬剤のＮＨ３濃度２６に基づき、算出したＮＨ３量になる脱硝薬剤の供給量（基本供給量５５）を算出する。例えば、基本供給量算出部５６は、プラントの運転開始時に基本供給量５５を算出する。算出された基本供給量５５は記憶部２７に記憶される。
供給量調整部５７は、組成分析手段５の計測値２８と低減目標値５３とを比較し、計測値２８が低減目標値５３よりも大きい場合には脱硝薬剤の供給量を増加させ（現在の供給量＋調整量α）、小さい場合には脱硝薬剤の供給量を減少させる（現在の供給量−調整量α）。供給量調整部５７は、プラントの運転が開始されてから所定時間経過して運転が安定した後、所定時間毎に繰り返し計測値２８と低減目標値５３との比較を行って脱硝薬剤の供給量を調整する。これによって脱硝薬剤の供給量が組成分析手段５の計測値２８に基づいてフィードバック制御される。
組成分析手段５により新たに計測された計測値２８は、送受信部３３を介して入力され、記憶部２７に供給され記憶される。組成分析手段５はプラントの運転中に排気ガス中の窒素酸化物濃度の計測を継続する。また、供給量調整部５７によって調整された脱硝薬剤の供給量は、送受信部３３を介して薬剤供給部２４に出力される。
薬剤供給部２４は、例えば、排気ガスＧの流路４１に設けられたノズル３７と、制御部２３の演算部２９によって算出された量（基本供給量５５、または基本供給量５５＋増加量α）の脱硝薬剤をノズル３７に供給する供給手段３８と、排気ガスＧに供給する脱硝薬剤を貯めておくタンク３９を備えている。供給手段３８は例えば流量調節可能なポンプであり、基本供給量５５または基本供給量５５＋増加量α（単位時間当たりの量）の脱硝薬剤をタンク３９から吸い込んでノズル３７へと圧送する。ノズル３７に圧送された脱硝薬剤は排気ガスＧ中に噴霧される。
本実施形態では、脱硝薬剤としてアンモニア（ＮＨ３）水を使用している。ただし、アンモニア水に限られるものではなく、排気ガスＧ中の窒素酸化物と反応してＮ２に分解できるものであれば使用可能である。
ノズル３７が設けられている位置、即ち、脱硝薬剤の供給位置６ａは、排気ガスＧの温度分布についての反応動力学に基づく数値解析を予め行って決定されている。即ち、この発電プラントで使用される燃料Ｆはプラント設計時に予め設定されており、その燃料Ｆを使用した定格運転時の排気ガスＧの組成（予測値５４）や流路４１を流れる排気ガスＧの温度の変化（温度分布）は反応動力学に基づく数値解析により予め求めることができる。また、排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４の脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を反応動力学に基づく数値解析により予め求めることができる。これらの数値解析の結果に基づいて脱硝薬剤の供給に適した位置を求め、その位置が脱硝薬剤の供給位置６ａとされる。本実施形態では、ガスタービン３と排熱回収ボイラ４との間の所定位置が脱硝薬剤の供給位置６ａとなっている。なお、供給位置６ａに設けるノズル３７の数は１つでも良いし、複数でも良い。
脱硝薬剤の供給位置６ａとしては、流路断面積に変更を加えずにノズル３７を設ける構成でも良いが、ノズル３７を設ける部分の流路断面積を大きくしても良い。流路断面積を大きくすることでその部分での滞留時間が長くなり、適当な反応時間を確保し易くなる。
Ｏ２量論比燃焼では、排気ガスＧ中のＣＯ濃度が高くなり、また、Ｏ２濃度は低くなる。このような組成の排気ガスを希釈剤として燃焼器２に供給する閉サイクルの発電プラントでは、総括反応(１)の無触媒脱硝の総括反応が比較的低温度で進行することなる。一方、この温度は、発電プラントの排気ガスＧの温度分布と重なる。したがって、適切な量の脱硝薬剤を適切な位置に供給することで、無触媒脱硝を実現することができる。
次に、本実施形態の発電プラントの運転方法について説明する。本実施形態の発明は、Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼器２を有する閉サイクルガスタービン発電プラントの運転方法であって、燃焼器２から排出された排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の低減目標値５３を予め決定すると共に、低減目標値５３と排気ガス中の窒素酸化物濃度の予測値５４とに基づいて脱硝薬剤の基本供給量５５を決定しておき、排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を数値解析を行って求め、求めた脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間とに基づいて排気ガスＧに脱硝薬剤を供給する位置６ａを決定し、決定した位置６ａに基本供給量５５の脱硝薬剤を供給すると共に、脱硝反応が十分進行した位置で排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測し、計測値が低減目標値５３になるように脱硝薬剤の供給量をフィードバック制御するものである。
発電プラントの運転が開始されると、薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６が算出した基本供給量５５の脱硝薬剤が薬剤供給部２４によって供給される。薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６は、記憶部２７に記憶されている排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求め、排気ガスの組成、排気ガス温度およびＮＨ３供給濃度条件の下に反応動力学に基づく反応解析を実施し、低減目標値５３が得られるＮＨ３量で、ＮＨ３を分解せずに系外に漏洩することを防止する適正なＮＨ３量（ＮＨ３／ＮＯモル比）を算出する。このＮＨ３量に基づくと共に、記憶部２７に予め記憶している脱硝薬剤のＮＨ３濃度２６に基づき、算出したＮＨ３量になる脱硝薬剤の供給量（基本供給量５５）を算出する。算出された基本供給量５５は記憶部２７に一旦記憶された後、送受信部３３を介して薬剤供給部２４の供給手段３８に出力される。
薬剤供給部２４の供給手段３８は、算出された量（基本供給量５５）の脱硝薬剤をタンク３９からノズル３７へと圧送し、流路４１を流れる排気ガスＧに供給する。排気ガスＧに混合された脱硝薬剤（ＮＨ３）は排気ガスＧ中のＮＯと反応し、窒素分子Ｎ２と水蒸気Ｈ２Ｏとに分解する。本実施形態では排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求めると共に、反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置にＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３に向けて減少させることができる。
そして、運転開始から所定時間経過した後、供給量調整部５７による脱硝薬剤の供給量のフィードバック制御が開始される。
組成分析手段５の計測値（ＮＯ濃度）２８は薬剤供給手段６に供給され、送受信部３３を介して制御部２３の記憶部２７に一旦記憶される。制御部２３の演算部２９の供給量調整部５７は、計測値２８と記憶部２７に記憶されている低減目標値５３とを比較し、計測値２８が低減目標値５３よりも大きい場合には脱硝薬剤の供給量を増加させる（現在の供給量＋調整量α）。また、計測値２８が低減目標値５３よりも小さい場合には脱硝薬剤の供給量を減少させる（現在の供給量−調整量α）。なお、計測値２８が低減目標値５３と等しい場合には、現在の供給量を維持する。これにより、脱硝薬剤の供給量がより適切な量に調整される。供給量調整部５７は所定時間毎に脱硝薬剤の供給量を繰り返し調整するので、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３に収束させることができる。調整された脱硝薬剤の供給量は送受信部３３を介して薬剤供給部２４の供給手段３８に出力される。
薬剤供給部２４の供給手段３８は、調整された量（単位時間当たりの量）の脱硝薬剤をタンク３９からノズル３７へと圧送し、流路４１を流れる排気ガスＧに供給する。排気ガスＧに混合された脱硝薬剤（ＮＨ３）は排気ガスＧ中のＮＯと反応し、窒素分子Ｎ２と水蒸気Ｈ２Ｏとに分解する。本実施形態では反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置６ａにＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３まで低下させることができる。また、排気ガスＧのＮＯ濃度に応じて脱硝薬剤の供給量を決定しているので、排気ガスＧ中に余剰の脱硝薬剤が未反応分として残ることもない。フィードバック制御はプラントの運転が停止されるまで続けられる。
なお、図示していないが、煙突１２の出口にガス分析計を設け、煙突１２から大気に放出される排気ガスＧのＮＯ濃度を確認するようにしても良い。
本発明で利用する無触媒脱硝は、燃焼過程で生成された排出ガスＧ中のＮＯ濃度に応じた適正量のアンモニアを供給して、Ｏ２の共存下で、排気ガスＧの有する温度条件下で、ＮＯとアンモニアを選択的に反応させて窒素Ｎ２とＨ２Ｏに分解するものである。ここで、無触媒脱硝反応には、一般に７００℃〜１１００℃程度の高い反応温度が必要とされ、その反応温度は図４に実験データと解析数値結果の一例を示すように狭い反応温度帯を形成し、温度窓と呼ばれる。この温度窓は燃焼排気ガス中の成分によって異なり、また、排気ガスよりも高い反応温度を必要とするため、無触媒脱硝を従来のガスタービン排気ガスに適用するのは困難である。
図５は、表１に示す排気ガスＧを対象に、無触媒脱硝を採用した際の排気ガスＧ中のＮＯとアンモニア（ＮＨ３）の経時変化について、反応動力学に基づく数値解析により調べた結果の一例である。表１に示す排気ガスＧ組成と無触媒脱硝条件の様に、排気ガスＧ中のＮＯ濃度は１３０ｐｐｍとしており、ＮＯと当量のアンモニア６ｂを供給している。
Figure 2013022520
数値解析には、MillarとBowmanによって提案された素反応スキームを使用した（文献名：Miller,J.A., and Bowman,C.T., 1989, “Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion,”Prog. Energy Combust. Sci., Vol.15, pp.287-338.）。この文献の素反応スキームは、２４８式の素反応からなり、考慮されている化学種は５１成分である。尚、素反応スキームは様々に提案されているが、本願発明者は種々のガス組成中のＮＨ３とＮＯの反応解析において、一定の条件の下で実験結果と一致することを確認している（文献名：Hasegawa,T.他, “Study of Ammonia Removal from Coal Gasified Fuel,” Combustion and Flame, Vol.114, pp.246-258, 1998.）。
熱力学データは、JANAFの熱力学物性値を使用し、不明の物性値については、Gibbsの標準生成エネルギーと化学平衡定数の関係から導出した。すなわち、５１成分の化学種が含まれる化学反応式系から、反応時間に対する各化学種濃度を求める微分方程式が５１式作成できる。この５１式の非線形微分方程式系をGear法を用いて解くことにより、任意の反応時間後の各化学種濃度を求めた。また、反応過程において、すべての化学種は均一に混合されているものとし、拡散・混合過程は考慮せず、反応は一定温度で進行するものとした。尚、数値解法は、Gear法に限定されるものではなく、ルンゲクッタ法等の他の数値解法を用いてもよい。
図５に解析結果を示す様に、反応温度を３００℃とする場合、反応時間２５秒で、排気ガス中のＮＯは７０％分解することがわかる（未分解率は３０％）。一方で、アンモニアはほぼ１００％分解しており、無触媒脱硝を有効に適用できることがわかる。また、図６は、図５と同じ条件の下で、アンモニアの供給量を変化させた場合の脱硝率を示している。アンモニア供給量をＮＯ量の当量から１．３３倍にまで上昇させると、脱硝率は７０％から９４％にまで上昇することがわかる。この際、アンモニアは９９％以上をＮ２に分解している。
現在、発電用大型ガスタービンでは、排気ガス温度は５００℃〜６００℃であり、これまでに提案されている無触媒脱硝手法では加熱を要するため実質的には適用されなかった。一方で、本発明で対象とするＯ２量論比燃焼による閉サイクルガスタービンでは、排気ガス中に未燃焼成分としてＣＯとＨ２を従来の発電用ガスタービンよりも高濃度含有しており、無触媒脱硝の反応温度を低下させる。このため、表１に示す排気ガスでは、反応温度３００℃の条件の下で無触媒脱硝を可能とし、脱硝率９０％以上を達成している。本発明によれば、無触媒脱硝により排気ガス中のＮＯ濃度を所定の濃度に低減し、従来必要とされていた脱硝装置を不要又は小型化でき、プラントの初期コストと運用コストを低減することが可能になる。
総括反応式(１)で示される無触媒脱硝反応は多数の素反応から構成されており、排気ガスＧ中に共存する成分は、最適な反応温度または反応時間に影響を及ぼす。表１に示す排気ガスＧ組成は、酸素吹き石炭ガス化ガスのＯ２量論比燃焼閉サイクルガスタービンの排気ガスの組成を示しており、その他の燃料を用いた場合、排気ガス組成は若干異なるものの同様な成分により構成される。当該燃焼排気ガスに無触媒脱硝反応を適用する場合、有効な反応温度は３００℃〜８００℃の範囲にあり、好適には３００℃〜６００℃の範囲にある。
図７は、表１に示す排気ガスにアンモニア（ＮＨ３）をＮＯ濃度と当量の１３０ｐｐｍを供給した場合のＮＨ３とＮＯの分解特性に及ぼす反応温度の影響について、反応解析により検討した結果を示す。反応時間は約２０秒としている。当該条件では、無触媒脱硝は反応温度が約３００℃の場合に有効で、反応温度が±１００℃変化すると脱硝効果は得られないことがわかる。
一方で、図８は、表１に示す燃焼排気ガス中のＮＯ濃度が４５００ｐｐｍと高濃度になり、アンモニア（ＮＨ３）をＮＯと当量の４５００ｐｐｍを供給した場合のＮＨ３とＮＯの分解特性について、反応解析により検討した結果を示す。反応時間は１０秒としている。反応温度を４００℃以上とすることにより、好適には５００〜６００℃に設定することにより脱硝効果が得られることがわかる。図９は、図８と同じ条件の下での解析結果を示しており、反応時間は約４６秒としている。これらの結果からわかるように、反応時間が１０秒以下の場合には反応温度が５００℃の場合が好適で、反応時間が４６秒以上得られるプラントでは反応温度を４００℃に設定することで脱硝率を向上し、無触媒脱硝を適正化できる。
発電プラントでは、ガスタービン３出口から煙突１２入口または排気ガス圧縮機７入口まで７７０℃〜９０℃の温度領域があり、発電プラント負荷に応じて各部の温度条件は決まる。無触媒脱硝条件に好適な温度領域にアンモニア等の脱硝薬剤を供給することにより、狭い温度領域で有効な無触媒脱硝反応を適正に運用することが可能になる。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、上述の発電プラントと同一の部材・構成要素については同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。また、図１０では排熱回収ボイラ４および水・蒸気系統の記載を省略している。
図１０に本実施形態の運転方法を実施する閉サイクルガスタービン発電プラントの例を示す。この発電プラントには脱硝薬剤の供給位置６ａとして複数の候補が設けられている。また、本実施形態の薬剤供給手段６は、上述の制御部２３および薬剤供給部２４に加えて位置切替部４０を備えており、位置切替部４０によって脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを切り替えている（図１１）。
脱硝薬剤の供給位置６ａは、例えば流路４１を流れる排気ガスＧの温度分布、排気ガスＧの流速分布、煙突１２又は排ガス圧縮機７までの距離等を考慮して予め決定される。あるいは、単純に所定距離毎に供給位置６ａを設けても良い。本実施形態では供給位置６ａを３箇所設けている。ただし、供給位置６ａの数は３箇所に限るものではない。また、各供給位置６ａ毎に１つ又は複数のノズル３７が設けられている。
位置切替部４０は１つの入口側ポートと、供給位置６ａに対応する数の出口側ポートを備える流路切替弁であり、入口側ポートに連通させる出口側ポートを択一的に切り替える弁体を駆動するアクチュエータを備えている。入口側ポートには薬剤供給部２４からのライン４２が接続され、各出口側ポートにはそれぞれ対応する供給位置６ａのノズル３７へと続くライン４３が接続されている。
本実施形態の制御部２３を図１２に示す。制御部２３の記憶部２７には、排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間（以下、反応条件４４という）が記憶されている。反応条件４４は、脱硝反応であるＮＯとＮＨ３との反応について予め反応動力学に基づく数値解析を行って求められている。反応条件４４は、例えば想定される範囲のＮＯ濃度について求められている。例えば、ＮＯ濃度：１３０ｐｐｍの場合の条件を求めるための反応動力学に基づく数値解析の結果を図７に示す。なお、反応時間は約２０秒、ＮＨ３をＮＯ濃度と当量の１３０ｐｐｍ供給した場合の解析結果である。この解析結果から、ＮＯ濃度が１３０ｐｐｍの場合の反応条件４４は、反応に適した温度（以下、単に反応温度という場合もある）：３００℃、確保すべき反応時間（以下、単に反応時間という場合もある）：２０秒となる。このような反応条件４４が、想定されるＮＯ濃度について予め求められて記憶部２７に記憶されている。
また、本実施形態の制御部２３の記憶部２７には、各供給位置６ａにおける温度・時間情報４５が記憶されている。ここで、温度・時間情報４５は、排気ガスＧの温度、確保できる反応時間（排気ガスＧが煙突１２から排出される場合は煙突１２から排出されるまでに要する時間、排気ガスＧがリサイクル系２１で循環される場合は燃焼器２に流入するまでに要する時間）である。各供給位置６ａにおける排気ガス温度は予測されるプラント負荷や運転状況に基づいて推測できるので、推測値に基づいて予め設定されている。また、各供給位置６ａにおける確保できる反応時間は、例えば煙突１２出口又は燃焼器２までの距離と排気ガスＧの流速とに基づいて算出される。
本実施形態の制御部２３の演算部２９には、基本供給量算出部５６および供給量調整部５７に加えて、第１の位置決定部４６および操作部４７が設けられている。第１の位置決定部４６および操作部４７は、基本供給量算出部５６および供給量調整部５７と同様に、制御プログラム３０の実行によりＣＰＵに実現される。
第１の位置決定部４６は、排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と、記憶部２７に記憶されている反応条件４４及び温度・時間情報４５とに基づいて脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを選択する。例えば、ＮＯ濃度の予測値５４が１３０ｐｐｍの場合、反応条件４４は反応温度：３００℃、確保すべき反応時間：２０秒であるので、この条件を満たす供給位置６ａを温度・時間情報４５を参照して選択する。いま、上流側から２番目の供給位置６ａの温度・時間情報４５が排気ガス温度：３００℃、確保できる反応時間：２０秒であった場合、第１の位置決定部４６は上流側から２番目の供給位置６ａを選択する。
なお、反応条件４４を満たす供給位置６ａが存在するとは限らないが、反応条件４４を満たす供給位置６ａが存在しない場合には、より適した供給位置６ａが選択される。ここで、より適した供給位置６ａを選択する手法としては、例えば、反応条件４４の要素（反応温度、確保できる反応時間）に優先順位を付けておき、優先順位の高い条件要素（例えば反応温度）を満たし且つ優先順位の低い条件要素（例えば確保できる反応時間）をより満足させる位置をより適した供給位置とする手法や、２つの条件要素（反応温度、反応時間）の満足度をそれぞれ点数化し、合計点が最も高い位置をより適した供給位置とする手法等が考えられるが、これらに限るものではない。
操作部４７は、位置切替部４０のアクチュエータを操作し、第１の位置決定部４６が選択した供給位置６ａに対応する出口側ポートを入口側ポートに連通させる。例えば、第１の位置決定部４６が上流側から２番目の供給位置６ａを選択した場合、操作部４７は位置切替部４０のアクチュエータを操作して上流側から２番目の供給位置６ａに対応する出口側ポートを入口側ポートに連通させる。
次に、本実施形態の発電プラントの運転方法について説明する。本実施形態では、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして複数の候補を設けておき、排気ガスＧ中の窒素酸化物の濃度の変化に応じて複数の候補の中からより適した位置６ａを選択するようにしている。
発電プラントの運転が開始されると、薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６が算出した基本供給量５５の脱硝薬剤が薬剤供給部２４によって供給される。薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６は、記憶部２７に記憶されている排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求め、排気ガスの組成、排気ガス温度およびＮＨ３供給濃度条件の下に反応動力学に基づく反応解析を実施し、低減目標値５３が得られるＮＨ３量で、ＮＨ３を分解せずに系外に漏洩することを防止する適正なＮＨ３量（ＮＨ３／ＮＯモル比）を算出する。このＮＨ３量に基づくと共に、記憶部２７に予め記憶している脱硝薬剤のＮＨ３濃度２６に基づき、算出したＮＨ３量になる脱硝薬剤の供給量（基本供給量５５）を算出する。算出された基本供給量５５は記憶部２７に一旦記憶された後、送受信部３３を介して薬剤供給部２４の供給手段３８に出力される。
また、第１の位置決定部４６は、排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４、記憶部２７に記憶されている反応条件４４、供給位置６ａにおける温度・時間情報４５を読み込み、予測値５４を反応条件４４に当てはめて反応に適した温度と確保したい反応時間を求めると共に、各供給位置６ａにおける温度・時間情報４５と比較して脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを選択する。
操作部４７は第１の位置決定部４６が選択した供給位置６ａを現在の供給位置６ａと比較し、現在の供給位置６ａと異なる場合、位置切替部４０のアクチュエータを操作して弁体を動かし入口側ポートに通じる出口側ポートを切り替える。これにより、選択された供給位置６ａから脱硝薬剤が供給されるようになる。
薬剤供給部２４の供給手段３８は、算出された量（基本供給量５５）の脱硝薬剤をタンク３９からノズル３７へと圧送し、流路４１を流れる排気ガスＧに供給する。排気ガスＧに混合された脱硝薬剤（ＮＨ３）は排気ガスＧ中のＮＯと反応し、窒素分子Ｎ２と水蒸気Ｈ２Ｏとに分解する。本実施形態では排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求めると共に、反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置として第１の位置決定部４６が選択した供給位置６ａにＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３に向けて減少させることができる。
そして、運転開始から所定時間経過した後、供給量調整部５７による脱硝薬剤の供給量のフィードバック制御が開始される。
組成分析手段５の計測値（ＮＯ濃度）２８は薬剤供給手段６に供給され、送受信部３３を介して制御部２３の記憶部２７に一旦記憶される。制御部２３の演算部２９の供給量調整部５７は、計測値２８と記憶部２７に記憶されている低減目標値５３とを比較し、計測値２８が低減目標値５３よりも大きい場合には脱硝薬剤の供給量を増加させる（現在の供給量＋調整量α）。また、計測値２８が低減目標値５３よりも小さい場合には脱硝薬剤の供給量を減少させる（現在の供給量−調整量α）。なお、計測値２８が低減目標値５３と等しい場合には、現在の供給量を維持する。これにより、脱硝薬剤の供給量がより適切な量に調整される。供給量調整部５７は所定時間毎に脱硝薬剤の供給量を繰り返し調整するので、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３に収束させることができる。調整された脱硝薬剤の供給量は送受信部３３を介して薬剤供給部２４の供給手段３８に出力される。
薬剤供給部２４の供給手段３８は、調整された量（単位時間当たりの量）の脱硝薬剤をタンク３９からノズル３７へと圧送し、流路４１を流れる排気ガスＧに供給する。排気ガスＧに混合された脱硝薬剤（ＮＨ３）は排気ガスＧ中のＮＯと反応し、窒素分子Ｎ２と水蒸気Ｈ２Ｏとに分解する。本実施形態では反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置として第１の位置決定部４６が選択した供給位置６ａにＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３まで低下させることができる。また、排気ガスＧのＮＯ濃度に応じて脱硝薬剤の供給量を決定しているので、排気ガスＧ中に余剰の脱硝薬剤が未反応分として残ることもない。フィードバック制御はプラントの運転が停止されるまで続けられる。
なお、図示していないが、煙突１２の出口にガス分析計を設け、煙突１２から大気に放出される排気ガスＧのＮＯ濃度を確認するようにしても良い。
また、上述の説明では、第１の位置決定部４６は、運転開始時に供給位置６ａを選択するようにしていたが、これに加えて、運転中に燃料や酸化剤、プラント負荷が変更された場合等に供給位置６ａを選択し直すようにしても良い。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、上述の発電プラントと同一の部材・構成要素については同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。また、図１３では排熱回収ボイラおよび水・蒸気系統の記載を省略している。
図１３に本実施形態の運転方法を実施する閉サイクルガスタービン発電プラントを示す。この発電プラントは、各脱硝薬剤の供給位置６ａ毎に排気ガスＧの温度を検出する温度検出手段４８を設けており、薬剤供給手段６が温度検出手段４８からの信号に基づき排気ガスＧの温度の変化を検出して脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを変更するものである。即ち、第２の実施形態では、反応動力学に基づく数値解析を行って予め求めておいた排気ガスＧの温度分布の予測に基づいて脱硝薬剤の供給位置６ａを選択していたが、本実施形態では、プラント運転中に排気ガスＧの温度を実際に計測し、これに基づいて脱硝薬剤の供給位置６ａを選択する。排気ガスＧの温度分布は運転負荷の変化等により変化するが、温度分布が変化しても常に適した温度の供給位置６ａに脱硝薬剤を供給することができる。
本実施形態では、温度検出等手段４８として温度計を使用している。温度計としては、例えば熱電対、測温抵抗体、放射温度計等の使用が可能である。ただし、必ずしもこの構成に限るものではなく、各脱硝薬剤の供給位置６ａ毎の排気ガスＧの温度を検出又は推定することが可能であれば使用可能である。例えば、排気ガスＧの温度の推定方法として、排熱回収ボイラ４内であれば収熱量からガス温度を推定するようにしても良い。
本実施形態の発電プラントの薬剤供給手段６を図１４に、薬剤供給手段６の制御部２３を図１５にそれぞれ示す。温度検出手段４８の計測値４９は送受信部３３を介して入力され記憶部２７に記憶される。
また、本実施形態の記憶部２７には、上述の温度・時間情報４５に代えて、各供給位置６ａにおける時間情報５０が記憶されている。ここで、時間情報５０は、確保できる反応時間（排気ガスＧが煙突１２から排出される場合は煙突１２から排出されるまでに要する時間、排気ガスＧがリサイクル系２１で循環される場合は燃焼器２に流入するまでに要する時間）である。各供給位置６ａにおける確保できる反応時間は、例えば煙突１２出口又は燃焼器２までの距離と排気ガスＧの流速とに基づいて算出され、記憶部２７に予め記憶されている。
また、本実施形態の制御部２３の演算部２９には、第１の位置決定部４６に代えて、第２の位置決定部５１が設けられている。第２の位置決定部５１は、基本供給量算出部５６，供給量調整部５７，操作部４７と同様に、制御プログラム３０の実行によりＣＰＵに実現される。
第２の位置決定部５１は、排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と、記憶部２７に記憶されている反応条件４４及び時間情報５０と、温度検出手段４８の計測値４９とに基づいて脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを選択する。即ち、図１０の第１の位置決定部４６では、脱硝薬剤の供給位置６ａにおける排気ガスＧ温度として、定格運転を想定して予め算出された値を使用して脱硝薬剤の供給位置６ａを選択していたが、第２の位置決定部５１では実際に測定されたリアルタイムの値（排気ガス温度）を使用して薬剤の供給位置６ａを選択する。例えば、ＮＯ濃度の予測値５４が１３０ｐｐｍの場合、反応条件４４は反応温度：３００℃、確保すべき反応時間：２０秒であるので、この条件を満たす供給位置６ａを温度検出手段４８の計測値４９と記憶部２７に記憶されている時間情報５０とを参照して選択する。いま、上流側から２番目の供給位置６ａの温度計の計測値が３００℃、時間情報が確保できる反応時間：２０秒であった場合、第２の位置決定部５１は上流側から２番目の供給位置６ａを選択する。
なお、必ずしも反応条件４４を満たす供給位置６ａが存在するとは限らないが、反応条件４４を満たす供給位置６ａが存在しない場合により適した供給位置６ａが選択される点は、第１の位置決定部４６と同様である。
操作部４７は、位置切替部４０のアクチュエータを操作し、第２の位置決定部５１が選択した供給位置６ａに対応する出口側ポートを入口側ポートに連通させる。例えば、第２の位置決定部５１が上流側から２番目の供給位置６ａを選択した場合、操作部４７は位置切替部４０のアクチュエータを操作して上流側から２番目の供給位置６ａに対応する出口側ポートを入口側ポートに連通させる。
次に、本実施形態の発電プラントの運転方法について説明する。本実施形態では、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして複数の候補を設けておき、運転中の排気ガスＧの温度の変化に応じて複数の候補の中からより適した位置を選択するようにしている。
発電プラントの運転が開始されると、薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６が算出した基本供給量５５の脱硝薬剤が薬剤供給部２４によって供給される。薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６は、記憶部２７に記憶されている排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求め、排気ガスの組成、排気ガス温度およびＮＨ３供給濃度条件の下に反応動力学に基づく反応解析を実施し、低減目標値５３が得られるＮＨ３量で、ＮＨ３を分解せずに系外に漏洩することを防止する適正なＮＨ３量（ＮＨ３／ＮＯモル比）を算出する。このＮＨ３量に基づくと共に、記憶部２７に予め記憶している脱硝薬剤のＮＨ３濃度２６に基づき、算出したＮＨ３量になる脱硝薬剤の供給量（基本供給量５５）を算出する。算出された基本供給量５５は記憶部２７に一旦記憶された後、送受信部３３を介して薬剤供給部２４の供給手段３８に出力される。
また、第２の位置決定部５１は、記憶部２７に記憶されている排気ガスＧのＮＯ濃度の予測値５４、反応条件４４、供給位置６ａにおける時間情報５０、温度検出等手段４８の計測値４９を読み込み、予測値５４を反応条件４４に当てはめて反応に適した温度と確保したい反応時間を求めると共に、各供給位置６ａにおける時間情報５０および温度検出手段４８の計測値４９（各供給位置６ａにおける排気ガスの実際の温度）と比較して脱硝薬剤の供給位置６ａを選択する。
操作部４７は第２の位置決定部５１が選択した供給位置６ａを現在の供給位置６ａと比較し、現在の供給位置６ａと異なる場合、位置切替部４０のアクチュエータを操作して弁体を動かし入口側ポートに通じる出口側ポートを切り替える。これにより、選択された供給位置６ａから脱硝薬剤が供給されるようになる。
一方、薬剤供給部２４の供給手段３８は、算出された量（基本供給量５５）の脱硝薬剤をタンク３９からノズル３７へと圧送し、流路４１を流れる排気ガスＧに供給する。排気ガスＧに混合された脱硝薬剤（ＮＨ３）は排気ガスＧ中のＮＯと反応し、窒素分子Ｎ２と水蒸気Ｈ２Ｏとに分解する。本実施形態では排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求めると共に、反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置として第２の位置決定部５１が選択した供給位置６ａにＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３に向けて減少させることができる。
そして、運転開始から所定時間経過した後、供給量調整部５７による脱硝薬剤の供給量のフィードバック制御が開始される。
組成分析手段５の計測値（ＮＯ濃度）２８は薬剤供給手段６に供給され、送受信部３３を介して制御部２３の記憶部２７に一旦記憶される。制御部２３の演算部２９の供給量調整部５７は、計測値２８と記憶部２７に記憶されている低減目標値５３とを比較し、計測値２８が低減目標値５３よりも大きい場合には脱硝薬剤の供給量を増加させる（現在の供給量＋調整量α）。また、計測値２８が低減目標値５３よりも小さい場合には脱硝薬剤の供給量を減少させる（現在の供給量−調整量α）。なお、計測値２８が低減目標値５３と等しい場合には、現在の供給量を維持する。これにより、脱硝薬剤の供給量がより適切な量に調整される。供給量調整部５７は所定時間毎に脱硝薬剤の供給量を繰り返し調整するので、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３に収束させることができる。調整された脱硝薬剤の供給量は送受信部３３を介して薬剤供給部２４の供給手段３８に出力される。
薬剤供給部２４の供給手段３８は、調整された量（単位時間当たりの量）の脱硝薬剤をタンク３９からノズル３７へと圧送し、流路４１を流れる排気ガスＧに供給する。排気ガスＧに混合された脱硝薬剤（ＮＨ３）は排気ガスＧ中のＮＯと反応し、窒素分子Ｎ２と水蒸気Ｈ２Ｏとに分解する。本実施形態では反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置として第２の位置決定部５１が選択した供給位置６ａにＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３まで減少させることができる。また、排気ガスＧのＮＯ濃度に応じて脱硝薬剤の供給量を決定しているので、排気ガスＧ中に余剰の脱硝薬剤が未反応分として残ることもない。フィードバック制御はプラントの運転が停止されるまで続けられる。
発電プラントでは、運転負荷の変動等に伴って排気ガスＧの流れ方向の温度分布が変化し、各脱硝薬剤の供給位置６ａの排気ガスＧ温度が変化することがある。本実施形態は、第２の位置決定部５１が各脱硝薬剤の供給位置６ａの実際の排気ガスＧ温度に基づいて各脱硝薬剤の供給位置６ａを選択するので、反応に最も適している排気ガスＧ温度の位置を常に選択することができ、排気ガスＧの温度分布の変化に対応することができる。
なお、図示していないが、煙突１２の出口にガス分析計を設け、煙突１２から大気に放出される排気ガスＧのＮＯ濃度を確認するようにしても良い。
図１６は、表１に示す燃焼排気ガスおよび脱硝条件において、反応温度を変化させた場合のＮＯの未分解率（１００−分解率）について反応解析により検討した結果の一例を示す。反応温度の相違を明確に示すために、排気ガス中のＮＯ濃度を０．４５ｖｏｌ％（アンモニア供給量も０．４５ｖｏｌ％）と高濃度条件の下で比較している。排気ガス中に供給したアンモニアは反応温度３００℃の場合を除いてほとんど分解している。
反応温度の低下に伴いＮＯの分解に必要な反応時間は長くなるものの、未分解率は低下している。そして、反応温度が４００℃以下になると、ＮＯの分解は大幅に遅れ、反応が収束するまでに約５０秒もの反応時間を要するようになる。しかしながら、ＮＯの分解率は９４％（未分解率は６％）に達する。さらに反応温度が低下して３００℃になると、当該反応ガス条件の下ではＮＯはほとんど分解しなくなる。すなわち、反応温度が８００℃、７００℃、６００℃、５００℃、４００℃とした場合、ＮＯの分解が収束する反応時間はそれぞれ４ms、１０ms、４０ms、４００ms、５０ｓとなり、反応が遅れることがわかる。５００℃以上の排ガス温度がある場合、約０．４ｓ（４００ms）の反応時間で７０％以上の脱硝が可能であり、好適には５００℃程度の低温部にアンモニアを供給することが良い。また、秒オーダの反応温度を設定できる場合、好適には４００℃〜５００℃の温度範囲で、反応時間に応じて最適な排気ガス温度の部位にアンモニアを供給することが望ましく、この場合、最大で９４％もの脱硝率が得られる。
以上を実現するために、アンモニア供給部を複数設け、各供給部において排気ガス温度を監視、計測し、適切な位置を選択してアンモニアを供給することで、適正な反応温度が狭い範囲に限られる無触媒脱硝反応を適切に運用することが可能になる。適切な反応温度が決まると、脱硝に必要な反応時間が決まり、適切な供給位置が決まる。これにより、これまでガスタービン排気ガスへの適用が困難であった無触媒脱硝を効果的に適用することが可能になる。
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、上述の発電プラントと同一の部材については同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。また、図１７では排熱回収ボイラおよび水・蒸気系統の記載を省略している。
図１７に本実施形態の運転方法を実施する閉サイクルガスタービン発電プラントを示す。また、薬剤供給手段６を図１８に、その制御部２３を図１９にそれぞれ示す。この発電プラントは、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして複数の候補を設けると共に、各候補毎に排気ガスＧ中の残留Ｏ２濃度を計測する手段５９を設けている。本実施形態では、残留Ｏ２濃度を計測する手段として酸素濃度を含む排気ガスの組成を分析するガス分析計（以下、ガス分析計５９という）を使用し、そのガス採取部５９ａを各供給位置６ａに設けることで、各供給位置６ａにおける排気ガス中の残留Ｏ２濃度を計測するようにしている。ただし、必ずしもガス分析計５９の使用に限られるものではなく、少なくとも酸素濃度を計測できる計測手段であれば排気ガスＧ中の残留Ｏ２濃度を計測する手段５９として使用可能である。ガス分析計５９で計測した各供給位置６ａの残留Ｏ２濃度の計測値６０は薬剤供給手段６の制御部２３に送信される。送信された計測値６０は送受信部３３を介して入力され、記憶部２７に記憶される。
本実施形態の制御部２３の記憶部２７には、排気ガスＧ中の残留酸素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響（以下、残留酸素による影響という）６１が記憶されている。残留酸素による影響６１は、予め反応動力学に基づく数値解析を行って求められている。
なお、本実施形態では、残留酸素による影響６１をプラント運転前に予め反応動力学に基づく数値解析を行って求めていたが、プラント運転中にリアルタイムで反応動力学に基づく数値解析を行って残留酸素による影響６１を求めるようにしても良い。即ち、実測値に基づいて残留酸素による影響６１を求めながら運転を行うようにしても良い。
本実施形態の制御部２３の演算部２９には、第２の位置決定部５１に代えて、第３の位置決定部６２が設けられている。第３の位置決定部６２は、基本供給量算出部５６，供給量調整部５７，操作部４７と同様に、制御プログラム３０の実行によりＣＰＵに実現される。
第３の位置決定部６２は、排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と、記憶部２７に記憶されている反応条件４４，残留酸素による影響６１，時間情報５０と、温度検出手段４８の計測値４９と、ガス分析計５９の計測値（残留Ｏ２濃度）６０とに基づいて脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを選択する。即ち、図１３の第２の位置決定部５１は、各脱硝薬剤の供給位置６ａにおける排気ガス温度と確保できる反応時間を参照して脱硝薬剤の供給位置６ａを選択していたが、本実施形態の第３の位置決定部６２は、各脱硝薬剤の供給位置６ａにおける排気ガス温度と確保できる反応時間に加えて、各脱硝薬剤の供給位置６ａにおける排気ガス中の残留Ｏ２濃度をも参照して脱硝薬剤の供給位置６ａを選択する。例えば、ＮＯ濃度：０．０１３vol％の場合、残留Ｏ２濃度：３．０vol％のときには反応条件４４は反応温度：３００℃、確保すべき反応時間：２０秒であり、残留Ｏ２濃度：１．５vol％のときには反応条件４４は反応温度：３００℃、確保すべき反応時間：２０秒であり、残留Ｏ２濃度：０．３vol％のときには反応条件４４は反応温度：４００℃、確保すべき反応時間：２０秒であるので、これらの反応条件４４および残留酸素による影響６１に照らし合わせて最も良く反応条件４４を満たす供給位置６ａを、各脱硝薬剤の供給位置６ａにおける温度検出手段４８の計測値とガス分析計５９の計測値と記憶部２７に記憶されている時間情報５０とを参照して選択する。
いま、例えば、排気ガス中のＮＯ濃度が０．０１３vol％で、上流側から１番目の供給位置６ａの残留Ｏ２濃度が３．０vol％、温度計の計測値が５００℃、時間情報が確保できる反応時間：２５秒であり、上流側から２番目の供給位置６ａの残留Ｏ２濃度が１．５vol％、温度計の計測値が３００℃、時間情報が確保できる反応時間：２０秒であり、上流側から３番目の供給位置６ａの残留Ｏ２濃度が０．３vol％、温度計の計測値が２００℃、時間情報が確保できる反応時間：１５秒である場合、上流側から２番目の供給位置６ａでは残留酸素による影響６１を考慮した反応条件４４が満たされるので、第３の位置決定部６２は上流側から２番目の供給位置６ａを選択する。
なお、必ずしも残留酸素による影響６１を考慮した反応条件４４を満たす供給位置６ａが存在するとは限らないが、反応条件４４を満たす供給位置６ａが存在しない場合には、より適した供給位置６ａが選択される点は、第１の位置決定部４６と同様である。
操作部４７は、位置切替部４０のアクチュエータを操作し、第３の位置決定部６２が選択した供給位置６ａに対応する出口側ポートを入口側ポートに連通させる。例えば、第３の位置決定部６２が上流側から２番目の供給位置６ａを選択した場合、操作部４７は位置切替部４０のアクチュエータを操作して上流側から２番目の供給位置６ａに対応する出口側ポートを入口側ポートに連通させる。
次に、本実施形態の発電プラントの運転方法について説明する。本実施形態では、残留酸素による影響６１を数値解析を行って求め、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎にガス分析計５９を設け、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして、複数の候補の中から排気ガスＧ中の残留酸素濃度を考慮してより適した一つの位置を選択するようにしている。なお、本実施形態では、一つの供給位置６ａを選択するようにしているが、後述するように複数の供給位置６ａを選択するようにしても良い。
発電プラントの運転が開始されると、薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６が算出した基本供給量５５の脱硝薬剤が薬剤供給部２４によって供給される。薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６は、記憶部２７に記憶されている排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求め、排気ガスの組成、排気ガス温度およびＮＨ３供給濃度条件の下に反応動力学に基づく反応解析を実施し、低減目標値５３が得られるＮＨ３量で、ＮＨ３を分解せずに系外に漏洩することを防止する適正なＮＨ３量（ＮＨ３／ＮＯモル比）を算出する。このＮＨ３量に基づくと共に、記憶部２７に予め記憶している脱硝薬剤のＮＨ３濃度２６に基づき、算出したＮＨ３量になる脱硝薬剤の供給量（基本供給量５５）を算出する。算出された基本供給量５５は記憶部２７に一旦記憶された後、送受信部３３を介して薬剤供給部２４の供給手段３８に出力される。
また、第３の位置決定部６２は、記憶部２７に記憶されている排気ガスＧのＮＯ濃度の予測値５４、反応条件４４、残留酸素による影響６１、供給位置６ａにおける時間情報５０、温度検出等手段４８の計測値４９、ガス分析計５９の計測値（残留Ｏ２濃度）６０を読み込み、予測値５４を反応条件４４に当てはめて反応に適した温度と確保したい反応時間を求めると共に、残留酸素による影響６１を考慮して脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を適正化する。そして、適正化した脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を供給位置６ａにおける時間情報５０および温度検出等手段４８の計測値４９（各供給位置６ａにおける排気ガスの実際の温度）と比較して脱硝薬剤の供給位置６ａを選択する。
操作部４７は第３の位置決定部６２が選択した供給位置６ａを現在の供給位置６ａと比較し、現在の供給位置６ａと異なる場合、位置切替部４０のアクチュエータを操作して弁体を動かし入口側ポートに通じる出口側ポートを切り替える。これにより、選択された供給位置６ａから脱硝薬剤が供給されるようになる。
一方、薬剤供給部２４の供給手段３８は、算出された量（基本供給量５５）の脱硝薬剤をタンク３９からノズル３７へと圧送し、流路４１を流れる排気ガスＧに供給する。排気ガスＧに混合された脱硝薬剤（ＮＨ３）は排気ガスＧ中のＮＯと反応し、窒素分子Ｎ２と水蒸気Ｈ２Ｏとに分解する。本実施形態では排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求めると共に、反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置として第３の位置決定部６２が選択した供給位置６ａにＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３に向けて減少させることができる。
そして、運転開始から所定時間経過した後、供給量調整部５７による脱硝薬剤の供給量のフィードバック制御が開始される。
組成分析手段５の計測値（ＮＯ濃度）２８は薬剤供給手段６に供給され、送受信部３３を介して制御部２３の記憶部２７に一旦記憶される。制御部２３の演算部２９の供給量調整部５７は、計測値２８と記憶部２７に記憶されている低減目標値５３とを比較し、計測値２８が低減目標値５３よりも大きい場合には脱硝薬剤の供給量を増加させる（現在の供給量＋調整量α）。また、計測値２８が低減目標値５３よりも小さい場合には脱硝薬剤の供給量を減少させる（現在の供給量−調整量α）。なお、計測値２８が低減目標値５３と等しい場合には、現在の供給量を維持する。これにより、脱硝薬剤の供給量がより適切な量に調整される。供給量調整部５７は所定時間毎に脱硝薬剤の供給量を繰り返し調整するので、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３に収束させることができる。調整された脱硝薬剤の供給量は送受信部３３を介して薬剤供給部２４の供給手段３８に出力される。
薬剤供給部２４の供給手段３８は、調整された量（単位時間当たりの量）の脱硝薬剤をタンク３９からノズル３７へと圧送し、流路４１を流れる排気ガスＧに供給する。排気ガスＧに混合された脱硝薬剤（ＮＨ３）は排気ガスＧ中のＮＯと反応し、窒素分子Ｎ２と水蒸気Ｈ２Ｏとに分解する。本実施形態では反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置として第３の位置決定部６２が選択した供給位置６ａにＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３まで減少させることができる。また、排気ガスＧのＮＯ濃度に応じて脱硝薬剤の供給量を決定しているので、排気ガスＧ中に余剰の脱硝薬剤が未反応分として残ることもない。フィードバック制御はプラントの運転が停止されるまで続けられる。
発電プラントでは、使用する燃料の変更等により排気ガスの成分が変化する。即ち、使用する燃料が変わると、排気ガスＧ中の残留Ｏ２濃度が変化する。しかも、排気ガスＧの燃焼は流路４１を流れながら更に進行するので、残留Ｏ２濃度は時間の経過とともに変化、即ち各脱硝薬剤の供給位置６ａ毎に変化する。本実施形態は、第３の位置決定部６２が各脱硝薬剤の供給位置６ａの実際の排気ガス中の残留Ｏ２濃度を考慮して各脱硝薬剤の供給位置６ａを選択するので、反応に最も適している排気ガス温度の位置を選択することができ、排気ガス中の残留Ｏ２濃度による影響に対応することができる。
Ｏ２量論比燃焼を採用する発電プラントでは、燃焼器２から排出される排気ガスＧ中に残留するＯ２成分濃度は、燃焼器２に供給される燃料Ｆと酸化剤ＡＯ２によって決まる当量比条件と、燃焼器２における反応時間よって大きく影響される。特に、Ｏ２量論比燃焼を採用する発電プラントでは、燃焼器２から排出される排気ガスＧは反応途中にあり、煙道や排熱回収ボイラ部において滞留時間の経過に伴い未燃焼成分であるＣＯおよびＨ２の酸化反応は進行し、残留Ｏ２成分も消費されて低下する。例えば、排気ガスＧ中に残留するＯ２成分、未燃焼ＣＯおよびＨ２成分濃度が煙突入口までに変化する様子について、反応解析により検討した結果を図２０に示す。燃焼器２出口から煙突１２入口までの排気ガス温度および圧力条件は図２１と仮定している。燃焼器２から排出される排気ガスＧは、時間の経過に伴い未燃焼成分であるＣＯおよびＨ２の酸化反応は進行し、残留Ｏ２成分も消費されて減少する。そして、排気ガスＧ中に残留するＯ２成分についてほぼ平衡濃度まで低下することがわかる。
図２２は、表１に示す排気ガスＧおよび脱硝条件でのＮＯの未分解率（１００−分解率）の経時変化に及ぼす排気ガスＧ中のＯ２濃度の影響について、反応解析により検討した結果の一例である。解析では、反応温度を３００℃で一定、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を０．０１３ｖｏｌ％（アンモニア供給量も０．０１３ｖｏｌ％）で一定とし、Ｏ２濃度を０．３ｖｏｌ％（ほぼ平衡濃度）、１．０ｖｏｌ％、１．５ｖｏｌ％、３．０ｖｏｌ％と変化させた。ＮＯの未分解率がほぼ収束する反応時間において、排気ガスＧ中に供給したアンモニアはほとんど分解している。
排気ガスＧ中のＯ２濃度の低下に伴いＮＯの分解に必要な反応時間は長くなるものの、一方でＮＯの分解反応がほぼ一定値に収束する際のＮＯの未分解率は低下する傾向を示している。ただし、Ｏ２濃度が０．３ｖｏｌ％にまで低下するとＮＯの分解は大幅に遅れ、収束条件時におけるＮＯの未分解率は僅かに上昇している。すなわち、反応時間を同一とした場合、脱硝率を最大とする排気ガスＧ中Ｏ２濃度条件が存在することになる。図２２に示す様に、燃焼排気ガス中のＯ２濃度は１〜１．５ｖｏｌ％の場合が好ましいことがわかる。この時、ガスタービンプラントの煙道および排熱回収ボイラにおいて、反応温度約３００℃の条件で反応時間を約２０秒設けられる場合、約７０％の脱硝率が得られる。
このように、燃焼器２から排出される排気ガス条件に応じて最適な反応温度が決まる。当該反応温度の条件の下で、脱硝率を向上する排気ガスＧ中Ｏ２濃度条件と、必要となる反応時間が決まる。本実施形態にもとづき無触媒脱硝を運用することで、発電プラントの煙道および排熱回収ボイラの環境の下で無触媒脱硝の反応温度、反応時間の適正化を図ることが可能となる。これにより、従来の脱硝設備を縮小、または削除することができ、プラント初期コストを低減できる。
なお、図２３にＮＯの未分解率に及ぼす反応温度の影響を示す。反応時間は約２０ｓとしている。排気ガスＧ中のＯ２濃度に応じて最適な反応温度が存在することがわかる。Ｏ２濃度が０．３ｖｏｌ％の時は反応温度が３００〜４００℃の時に、ＮＯ濃度は極小値をとるように見られるが、３００℃の時はＮＨ３がまだ残存しており、４００℃では全て分解している。本来の最適値は残留ＮＨ３と残留ＮＯの合計値を最小にする値であるため、最適な反応温度は４００℃になる。
なお、本実施形態では、各脱硝薬剤の供給位置６ａ毎に排気ガスＧ中の残留酸素濃度を計測し、残留酸素による影響６１を考慮して反応条件４４を適正化していたが、残留酸素濃度に代えて残留一酸化炭素濃度又は残留水素濃度を計測し、残留一酸化炭素濃度による影響又は残留水素濃度による影響を考慮して反応条件４４を適正化するようにしても良く、あるいは、残留酸素濃度に加えて残留一酸化炭素濃度又は残留水素濃度を計測し、残留酸素による影響６１および残留一酸化炭素濃度による影響、又は残留酸素による影響６１および残留水素濃度による影響を考慮して反応条件４４を適正化するようにしても良く、更には、残留酸素濃度に加えて残留一酸化炭素濃度および残留水素濃度を計測し、残留酸素による影響６１および残留一酸化炭素濃度による影響および残留水素濃度による影響を考慮して反応条件４４を適正化するようにしても良い。即ち、上述の説明では、第３の位置決定部６２は排気ガスＧ中の残留酸素濃度による影響を考慮していたが、これに代えて、残留ＣＯ濃度による影響又は残留水素濃度による影響を考慮しても良い。あるいは、残留酸素濃度、残留ＣＯ濃度、残留Ｈ２濃度のうち、２つ又は３つを組み合わせて良い。
例えば、残留酸素濃度に代えて残留一酸化炭素濃度を計測し、残留一酸化炭素濃度による影響を考慮して反応条件４４を適正化するようにしても良く、即ち、排気ガスＧ中の残留一酸化炭素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響を数値解析を行って求め、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎に排気ガスＧ中の残留一酸化炭素濃度を計測する手段（例えばガス分析計）を設け、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして、複数の候補の中から排気ガスＧ中の残留一酸化炭素濃度を考慮してより適した一又は複数の位置を選択するようにしても良い。
無触媒脱硝反応は反応温度および排出ガスＧ中のＯ２成分、未燃焼ＣＯまたはＨ２成分の濃度の感度が非常に高い。特に、無触媒脱硝を適正に運用するには反応温度を非常に狭い温度域に調整することが重要となり、この反応温度帯は排気ガスＧ組成に応じて決まるものの、その各種成分と濃度は反応温度に複雑に影響する。そのため、実際のプラントに無触媒脱硝を有効に適用することは難しかった。本実施形態では、排気ガスＧ中の未燃焼ＣＯ成分に着目し、反応時間を適正に調整するようにしている。
図２４は表１に示す排出ガスＧおよび脱硝条件において、ＮＯ成分の未分解率（１００−分解率）に及ぼす排出ガスＧ中のＣＯ濃度の影響について解析した結果の一例を示している。解析では、反応温度は３００℃で一定、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を０．０１３ｖｏｌ％（アンモニア供給量も０．０１３ｖｏｌ％）で一定とし、ＣＯおよびＯ２濃度条件を除きその他の条件も図２２と同様にしている。ＮＯの未分解率がほぼ収束する反応条件において、排気ガスＧ中に供給したアンモニアはほとんど分解している。
排気ガスＧ中のＣＯ濃度の増加に伴いＮＯの分解に必要な反応時間は長くなるものの、一方でＮＯの分解反応がほぼ一定値に収束する際のＮＯの未分解率は低下する傾向を示している。すなわち、排気ガスＧ中のＣＯ濃度が１ｖｏｌ％から３．５ｖｏｌ％に増加すると、脱硝反応がほぼ一定値に収束するまでの反応時間は約８秒から４０秒に増加し、脱硝率は６４％から７２％に上昇する（未分解率は３６％から２８％に低下する）。この様に、排気ガスＧ中の未燃焼ＣＯ成分濃度を計測、監視し、当該条件の下での無触媒脱硝の反応時間を十分にとれるようにアンモニア供給位置６ａを調整することにより、無触媒脱硝を適正に運用することが可能となる。
なお、図２５にＮＯの未分解率に及ぼす排気ガスＧ中の残留ＣＯ濃度の影響を示す。反応時間は約２０ｓとしている。排気ガスＧ中の残留ＣＯ濃度が１ｖｏｌ％〜３．５ｖｏｌ％の範囲でＮＯ濃度を最小にする反応温度は３００℃で一定である。しかし、図２６に３００℃でのＮＯの未分解率を示すように、排気ガスＧ中の残留ＣＯ濃度に応じてＮＯの未分解率が変化する。したがって、組成分析手段５を用いてＮＯ濃度を監視して、低減目標値５３になるように、脱硝薬剤の供給量（ＮＨ３／ＮＯモル比率）を調整する必要がある。
無触媒脱硝は狭い反応温度で有効な技術であり、上記第２の実施形態では、ガスタービン燃焼器から排出される排気ガス条件に応じて無触媒脱硝に最適な反応温度が決まる。また、上記第４の実施形態にもとづき当該反応温度の条件の下で脱硝率を向上する排気ガスＧ中のＯ２濃度条件と、必要となる反応時間が決まる。排気ガスＧは反応途中にあり、排気ガスＧ中のＯ２成分濃度は、煙道または排熱回収ボイラ部で未燃焼成分の酸化反応に使われて、流路に沿って減少する。このため、上記第４の実施形態においては、無触媒脱硝に適正な反応温度条件の下で、対象のプラントの運転条件に最適な排気ガスＧ中のＯ２成分濃度が決まり、当該Ｏ２濃度条件に応じて必要となる反応時間が決まる。これにより、無触媒脱硝に必要なアンモニアの供給位置６ａが決定される。さらに、煙道または排熱回収ボイラでの排気ガスＧ中の未燃焼成分の酸化反応に伴い、ＣＯ成分濃度が減少する。既に、燃焼器２から排出される排気ガスＧの組成に応じて無触媒脱硝反応を適正にする反応温度を決定しており、煙道または排熱回収ボイラ部における未燃焼成分の酸化反応による未燃焼成分濃度の減少は前記の適正な反応温度に顕著な影響は生じない。ただし、図２４に示す様に、排気ガスＧ中の未燃焼成分の濃度の減少は、無触媒脱硝反応が一定値に収束するまでの反応時間に影響し、無触媒脱硝に必要な反応時間を変化させる。よって、排気ガスＧ中の未燃焼ＣＯ成分濃度の変化に応じて無触媒脱硝の反応時間を調整するために、アンモニアの供給位置６ａを調整することが好ましい。
また、例えば、残留酸素濃度に代えて残留水素濃度を計測し、残留水素濃度による影響を考慮して反応条件４４を適正化するようにしても良く、即ち、排気ガスＧ中の残留水素濃度が脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間に与える影響を数値解析を行って求め、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎に排気ガスＧ中の残留水素濃度を計測する手段（例えばガス分析計）を設け、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして、複数の候補の中から排気ガスＧ中の残留水素濃度を考慮してより適した一又は複数の位置を選択するようにしても良い。
排気ガスＧは未燃焼成分として主にＣＯを排出し、燃料または燃焼条件によっては炭化水素成分やＨ２成分を排出する。上記のＣＯ成分の場合と同様に、無触媒脱硝の適正な反応温度は排気ガスＧ中の未燃焼Ｈ２成分の影響を受ける。
図２７は表１に示す排出ガスＧおよび脱硝条件において、ＮＯ成分の未分解率（１００−分解率）に及ぼす排出ガスＧ中のＨ２濃度の影響について解析した結果の一例を示す。解析では、反応温度は３００℃で一定、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を０．０１３ｖｏｌ％（アンモニア供給量も０．０１３ｖｏｌ％）で一定とし、Ｈ２濃度条件を除き、その他の条件は図２４と同様にしている。ＮＯの未分解率がほぼ収束する反応条件において、排気ガスＧ中に供給したアンモニアはほとんど分解している。
排気ガスＧ中のＨ２濃度の増加に伴いＮＯの分解に必要な反応時間は長くなるものの、一方でＮＯの分解反応がほぼ一定値に収束する際のＮＯの未分解率は低下する傾向を示している。すなわち、排気ガスＧ中のＨ２濃度が０．１ｖｏｌ％から０．６ｖｏｌ％に増加すると、脱硝反応がほぼ一定値に収束するまでの反応時間は約２０秒から４０秒に増加し、一方で脱硝率は６８％から７２％に僅かに上昇する（未分解率は３２％から２８％に低下する）。この様に、排気ガスＧ中の未燃焼Ｈ２成分濃度を計測、監視し、当該条件の下での無触媒脱硝の反応時間を十分にとれるようにアンモニア供給位置６ａを調整することにより、無触媒脱硝を適正化し、脱硝率を向上させることが可能となる。
なお、図２８にＮＯの未分解率に及ぼす排気ガスＧ中の残留Ｈ２濃度の影響を示す。反応時間は約２０ｓとしている。排気ガスＧ中の残留Ｈ２濃度が０．１ｖｏｌ％〜０．６ｖｏｌ％の範囲でＨ２濃度を最小にする反応温度は３００℃で一定である。しかし、図２９に３００℃でのＮＯの未分解率を示すように、排気ガスＧ中の残留Ｈ２濃度に応じてＮＯの未分解率が変化する。したがって、組成分析手段５を用いてＮＯ濃度を監視して、低減目標値５３になるように、脱硝薬剤の供給量（ＮＨ３／ＮＯモル比率）を調整する必要がある。
以上のように、無触媒脱硝の適正な反応温度は、上記の未燃焼ＣＯ成分の場合と同様に、排気ガスＧ中に残留する未燃焼Ｈ２成分の影響を受ける。表１に示す排気ガスは、Ｏ２吹きガス化燃料のＯ２量論比燃焼を採用する閉サイクルガスタービン発電プラントの排気ガスＧの組成の例を示しており、排気ガスＧ中の未燃焼ＣＯおよびＣＯ２濃度が高い場合を示している。一方で、ヨーロピアン・ユニオンＨ２−ＩＧＣＣプロジェクトや日本のＷＥ−ＮＥＴプロジェクトにて検討されているように、Ｈ２を主体とするガス化燃料やＨ２のＯ２量論比燃焼閉サイクルガスタービンでは、燃焼排気ガス中のＨ２成分濃度が高くなることが予想される。本実施形態によれば、排気ガス中のＨ２成分濃度が高くなる場合でも無触媒脱硝反応の適正化を実施し、脱硝率を向上できる。
また、図３０に、第３の位置決定部６２が残留酸素濃度、残留一酸化炭素濃度、残留水素濃度による影響を考慮して脱硝薬剤の供給位置６ａを決定する場合の例を示す。
各供給位置６ａにはガス分析計５９のガス採取部５９ａと温度検出手段４８が設けられており、排気ガスＧの組成（ＮＯ，Ｏ２，ＣＯ，Ｈ２）と温度が計測、監視されている（ステップＳ７１）。また、反応条件４４、残留酸素による影響６１、残留一酸化炭素による影響、残留水素による影響は、記憶部２７に予め記憶されており、これらが適宜参照される（ステップＳ７２）。
薬剤供給手段６の制御部２３の基本供給量算出部５６が基本供給量５５を算出（ステップＳ７３）した後、第３の位置決定部６２が脱硝薬剤の供給位置６ａを決定する（ステップＳ７４）。第３の位置決定部６２は反応条件４４を満たす供給位置６ａ又はより適した供給位置６ａを見つけるまでステップＳ７４→Ｓ７５→Ｓ７６→Ｓ７４を繰り返し実行する。そして、反応条件４４を満たす供給位置６ａ又はより適した供給位置６ａが決定されると（ステップＳ７６でＹｅｓ）、組成分析手段５の計測値２８を監視する（ステップＳ７７）。
そして、組成分析手段５の計測値２８が低減目標値５３よりも大きい場合又は小さい場合には、ステップＳ７８からステップＳ７３に戻り、制御部２３の供給量調整部５７が脱硝薬剤の供給量を調整する。なお、本実施形態では、組成分析手段５によって排気ガスＧ中のアンモニア（脱硝薬剤）の濃度も計測され、アンモニア濃度が０以外の場合にもステップＳ７３に戻る。そして、供給量調整部５７はアンモニア濃度が０になるように脱硝薬剤の供給量を減少させる。即ち、供給量調整部５７はＮＯ濃度が低減目標値５３に収束すると共に、アンモニア濃度が０になるように脱硝薬剤の供給量を調整する。その後、ステップＳ７４以降が実行される。一方、ＮＯ濃度が低減目標値５３に収束し且つアンモニア濃度が０である場合（ステップＳ７８でＹｅｓ）には、現在の運転を維持すると共に、組成分析手段５の計測値２８を監視する。
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、脱硝薬剤としてアンモニア水を使用した場合について説明したが、アンモニア水に限られるものではない。例えば、脱硝薬剤として尿素、シアン化水素等のＮを含む化合物を使用しても良く（アンモニア選択接触還元法）、又は、メタノール、エタノール、メタン、セタン等の炭化水素を使用しても良い（炭化水素選択接触還元法）。
なお、尿素の場合の総括反応式を数式２に示す。
［数２］
４ＮＯ＋２(ＮＨ２)２ＣＯ＋Ｏ２→４Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ２・・・(２)
また、上述の説明では、予め反応動力学に基づく数値解析を行って反応条件４４および残留酸素による影響６１を求めておき、これを記憶部２７に記憶しておくことで、脱硝薬剤の供給位置６ａの決定に使用していたが、これを使用する代わりに、プラント運転時に計測された値に基づいて反応動力学に基づく数値解析を行って反応条件４４および残留酸素による影響６１を求め、これを使用するようにしても良い。即ち、反応動力学に基づく数値解析を予め行ってその結果をデータベース化しておき、運転中にデータベースを参照して脱硝薬剤を供給する位置６ａを決定するようにしても良いし、運転中に反応動力学に基づく数値解析を行いながら脱硝薬剤を供給する位置６ａを決定するようにしても良い。
また、上述の説明では、脱硝薬剤を供給する位置として一つの供給位置６ａを選択していたが、複数の供給位置６ａを選択しても良い。例えば、排熱回収ボイラ４に燃料を投入して再燃させて出力増加を図る場合や、排気ガス中の未燃焼成分（ＣＯ、Ｈ２）やＯ２が大きく変化する等の場合には、脱硝薬剤の供給に適した位置６ａが複数になることがある。脱硝薬剤の供給に適した位置６ａが複数になった場合には、複数の供給位置６ａから脱硝薬剤を供給するようにしても良い。このとき、複数の供給位置６ａから供給する脱硝薬剤の総量が薬剤供給手段６の制御部２３が決定した供給量となるようにする。即ち、脱硝薬剤の総供給量は１箇所から供給する場合と同量にする。１箇所から供給する場合と同量の脱硝薬剤を複数の供給位置６ａから供給することで、１つの供給位置６ａから供給する脱硝薬剤の量を減らすことができ、全体として脱硝反応を迅速に終了させることができる。
また、低減目標値５３としてＮＯの未分解率を０％にする値以外の値を設定した場合には、脱硝装置を別に設けても良い。即ち、本発明では、脱硝薬剤の供給量を増減することでＮＯ未分解率を調節することできるが、必ずしもＮＯ未分解率を０％にすることを目標にする必要はない。特に、閉サイクルガスタービン発電プラントでは、ＮＯ未分解率の目標値を０％にする必要はない。ＮＯ未分解率をある程度の値とし、残りを脱硝装置によって脱硝することが効率的である場合等には、目標値をある程度の値とし、残りを脱硝装置で脱硝するようにしても良い。脱硝薬剤の供給による無触媒脱硝と脱硝装置との併用により、脱硝装置を単独で使用する場合に比べて小型化でき、設備コストを低減することができる。
図３１に脱硝装置６３を設けた例を示す。無触媒脱硝を行う位置よりも下流側で、適当な反応温度が得られる位置に脱硝装置６３を設けている。この例では、排熱回収ボイラ４と組成分析手段５のガス採取部５ａとの間に脱硝装置６３を設けている。このように、無触媒脱硝と脱硝装置６３を組み合わせることにより、無触媒脱硝による脱硝を脱硝装置６３によって補助することができ、ＮＯ成分を窒素分子に効率良く分解し、従来の脱硝装置の負荷を低減し、アンモニア等の脱硝薬剤の系外への漏洩を防止できる。また、使用する燃料の性状の変更やプラントの運用の変更により、排気ガスＧ中のＮＯ成分濃度が増加した場合、脱硝装置６３の増強等を実施することなく、所定のＮＯ濃度に低減することが可能であり、プラントの改造コストを抑えることができる。また、無触媒脱硝にて所定の値まで脱硝できれば、従来の脱硝装置を不要にすることができ、プラント建設コストを低減できる。
また、上述の説明では、排気ガスの一部をリサイクル系２１に循環させてリサイクルし、残りを煙突１２から排気していたが、この構成に限られるものではなく、排気ガスからＨ２Ｏを凝縮・分離させ、残りの排気ガスをリサイクル系２１に循環させてリサイクルするようにしても良い。この場合には、排気ガスを環境に排出することがないので環境保護面で優れている。Ｏ２量論比燃焼を採用する燃焼器２の排気ガスはＣＯ２とＨ２Ｏを主成分としているため、排気ガスからＨ２Ｏを凝縮・分離させ、残りの排気ガスをリサイクルすることができる。
また、上述の説明では、Ｏ２量論比燃焼閉サイクルガスタービンに適用した場合を例に挙げて主に説明しているが、適用可能な発電プラントとしてはこれに限られるものではなく、Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼装置を有する排気ガス循環型火力発電プラントであれば適用可能である。
例えば、微粉炭を燃料にするバーナを有するボイラ（燃焼装置）を備える排気ガス循環型石炭火力発電プラントに適用しても良い。この石炭火力発電プラントの例を図３２に示す。発電プラントは、微粉炭燃料をボイラ７３の微粉炭バーナでＯ２主体の酸化剤にて量論比燃焼させて高温・高圧の蒸気を発生させ、この蒸気で図示しない蒸気タービンを回転させて発電を行うものである。特に、ボイラ７３ではＯ２による量論比燃焼を採用し、高温の燃焼ガスを排気ガス（希釈剤）にて希釈することで排気ガス中のＣＯ２濃度を上昇させて、発電プラントのＣＯ２回収に伴う動力を低減する技術を採用している。
石炭バンカ７１の石炭がミル７２によって微粉炭にされ、ボイラ７３の微粉炭バーナに供給される。また、ボイラ７３へはリサイクル系２１から希釈剤（排気ガス）が供給される。本実施形態では、ボイラ７３のウインドボックス７３ａに希釈剤が供給される。そして、ボイラ７３から排出された燃焼ガスは１次・２次熱交換器７４を通過して冷却された後、給水加熱器７７及びファブリックフィルタ７５を通過し、誘引ファン７６へと吸い込まれる。誘引ファン７６から送り出された排気ガスの一部はリサイクル系２１を循環してボイラ７３に戻され、残りはＣＯ２が分離されて回収された後、煙突１２から排気される。リサイクル系２１の分岐位置には分岐割合調節手段２２が設けられている。
リサイクル系２１へと流入した排気ガスは再循環ファン７８によってボイラ７３又はミル７２へと循環される。このとき、ボイラ７３又はミル７２へと循環される排気ガスは１次・２次熱交換器７４によって所定温度まで加熱される。また、ミル７２へと循環される排気ガスは脱水装置７９によって脱水される。
なお、ボイラ７３での燃焼に使用される酸素は酸素製造装置１によって製造される。製造された酸素は、ボイラ７３のウインドボックス７３ａに直接供給される他、リサイクル系２１の配管の途中に供給され、ボイラ７３に供給される前の排ガス（希釈剤）に予混合される。
本実施形態では、組成分析手段５のガス採取部５ａを誘引ファン７６と分岐割合調節手段２２との間に設けている。ただし、ガス採取部５ａの位置はこれに限られるものではなく、例えば分岐割合調節手段２２から煙突１２の排出口までの間や、リサイクル系２１の酸素供給位置までの間にガス採取部５ａを設けても良い。
また、本実施形態では、脱硝薬剤の供給位置６ａをボイラ７３と１次・２次熱交換器７４との間に設けている。ただし、脱硝薬剤の供給位置６ａはこの位置に限られるものではない。
本実施形態でも、上述の各実施形態と同様に、排気ガスＧ中のＮＯ濃度の予測値５４と低減目標値５３との差（ＮＯ減少量）を求めると共に、反応動力学に基づく反応解析を実施して求めた適正な量のＮＨ３が供給され、また、排気ガスＧの温度が無触媒脱硝の反応に適した温度となっている位置６ａにＮＨ３が供給されるので、無触媒脱硝の反応が進行し、排気ガスＧ中のＮＯ濃度を低減目標値５３まで低下させることができる。また、排気ガスＧのＮＯ濃度に応じて脱硝薬剤の供給量を決定しているので、排気ガスＧ中に余剰の脱硝薬剤が未反応分として残ることもない。
本実施形態の排気ガス循環型石炭火力発電プラントでも、排気ガス中に未燃焼成分としてＣＯとＨ２を従来の発電用ガスタービンよりも高濃度含有しており、無触媒脱硝の反応温度を低下させる。このため、表１に示す排気ガスでは、反応温度３００℃の条件の下で無触媒脱硝を可能とし、脱硝率９０％以上を達成している。本発明によれば、無触媒脱硝により排気ガス中のＮＯ濃度を所定の濃度に低減し、従来必要とされていた脱硝装置を不要又は小型化でき、プラントの初期コストと運用コストを低減することが可能になる。
なお、石炭火力発電プラントについても、図１０，図１１のガスタービン発電プラントと同様に、脱硝薬剤の供給位置６ａとして複数の候補を設け、位置切替部４０によって脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを切り替えるようにしても良い。また、図１３のガスタービン発電プラントと同様に、各脱硝薬剤の供給位置６ａ毎に排気ガスＧの温度を検出する温度検出手段４８を設け、薬剤供給手段６が温度検出手段４８からの信号に基づき排気ガスＧの温度の変化を検出して脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを変更するようにしても良い。さらに、図１７〜図１９に示すガスタービン発電プラントと同様に、脱硝薬剤を供給する位置６ａとして複数の候補を設けると共に、各候補毎に排気ガスＧ中の残留Ｏ２濃度、残留ＣＯ、残量Ｏ２濃度を計測する手段５９を設け、これらの濃度に応じて脱硝薬剤を供給する供給位置６ａを変更するようにしても良い。
２ 燃焼器
５ 組成分析手段
５ａ ガス採取部
６ａ 脱硝薬剤の供給位置
２８ 組成分析手段５の計測値
５３ 排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の低減目標値
５４ 排気ガスＧ中の窒素酸化物濃度の予測値
５５ 基本供給量
５９ ガス分析計
５９ａ ガス採取部

Claims (9)

  1. Ｏ２量論比燃焼を行う燃焼装置を有する排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法において、前記燃焼装置から排出された排気ガス中の窒素酸化物濃度の低減目標値を予め決定すると共に、当該低減目標値と前記排気ガス中の窒素酸化物濃度の予測値とに基づいて脱硝薬剤の基本供給量を決定しておき、前記排気ガス中の窒素酸化物濃度の脱硝反応に適した温度と確保すべき反応時間を数値解析を行って求め、求めた前記脱硝反応に適した温度と前記確保すべき反応時間とに基づいて前記排気ガスに前記脱硝薬剤を供給する位置を決定し、決定した位置に前記基本供給量の脱硝薬剤を供給すると共に、脱硝反応が十分進行した位置で前記排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測し、計測値が前記低減目標値になるように前記脱硝薬剤の供給量をフィードバック制御することを特徴とする排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
  2. 前記脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けておき、前記排気ガス中の窒素酸化物の濃度の変化に応じて前記複数の候補の中からより適した１つ又は複数の位置を選択することを特徴とする請求項１記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
  3. 前記脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けておき、運転中の前記排気ガスの温度の変化に応じて前記複数の候補の中からより適した１つ又は複数の位置を選択することを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
  4. 前記排気ガス中の残留酸素濃度が前記脱硝反応に適した温度と前記確保すべき反応時間に与える影響を数値解析を行って求め、前記脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎に前記排気ガス中の残留酸素濃度を計測する手段を設け、前記脱硝薬剤を供給する位置として、前記複数の候補の中から前記排気ガス中の残留酸素濃度を考慮してより適した１つ又は複数の位置を選択することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
  5. 前記排気ガス中の残留一酸化炭素濃度が前記脱硝反応に適した温度と前記確保すべき反応時間に与える影響を数値解析を行って求め、前記脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎に前記排気ガス中の残留一酸化炭素濃度を計測する手段を設け、前記脱硝薬剤を供給する位置として、前記複数の候補の中から前記排気ガス中の残留一酸化炭素濃度を考慮してより適した１つ又は複数の位置を選択することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
  6. 前記排気ガス中の残留水素濃度が前記脱硝反応に適した温度と前記確保すべき反応時間に与える影響を数値解析を行って求め、前記脱硝薬剤を供給する位置として複数の候補を設けると共に、当該複数の候補毎に前記排気ガス中の残留水素濃度を計測する手段を設け、前記脱硝薬剤を供給する位置として、前記複数の候補の中から前記排気ガス中の残留水素濃度を考慮してより適した１つ又は複数の位置を選択することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
  7. 前記数値解析を予め行ってその結果をデータベース化しておき、運転中に前記データベースを参照して前記脱硝薬剤を供給する位置を決定することを特徴とする請求項２から６のいずれか１つに記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
  8. 運転中に前記数値解析を行いながら前記脱硝薬剤を供給する位置を決定することを特徴とする請求項２から６のいずれか１つに記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
  9. 前記脱硝薬剤を供給する位置として１箇所の位置が予め決定されていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス循環型火力発電プラントの運転方法。
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