JP2013238349A - Method and apparatus for treating exhaust gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ごみ焼却炉やバイオマス燃焼用ボイラ等の燃焼排ガス中の窒素酸化物濃度を低減させる、排ガス処理方法及び排ガス処理装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas treatment method and an exhaust gas treatment device that reduce the concentration of nitrogen oxides in combustion exhaust gas such as a waste incinerator and a biomass combustion boiler.
従来、ごみ焼却炉の燃焼雰囲気中にアンモニア水又は尿素水を噴霧することにより窒素酸化物を分解する無触媒脱硝方法や、触媒表を用いて燃焼排ガス中の窒素酸化物をアンモニアの存在下で窒素ガスに分解する触媒脱硝方法が知られている(特許文献1〜5)。
Conventionally, a non-catalytic denitration method that decomposes nitrogen oxides by spraying ammonia water or urea water into the combustion atmosphere of a waste incinerator, or nitrogen oxides in combustion exhaust gas in the presence of ammonia using a catalyst table Catalytic denitration methods that decompose into nitrogen gas are known (
これらの脱硝方法では、使用での簡便さから、アンモニア水より尿素水が多用されている。尿素は、加水分解によりアンモニアを発生させる。尿素の分解点は、融点(132.7℃)以上と定義されており、正確な温度については不明であるが、効率的に分解反応を進めるには300〜450℃が必要と考えられる一方、適切な触媒と接触させることにより200〜250℃の低温条件であっても分解反応が速やかに進行すると言われている(特許文献6,7、非特許文献1等)。
In these denitration methods, urea water is used more frequently than ammonia water because of its ease of use. Urea generates ammonia by hydrolysis. The decomposition point of urea is defined as the melting point (132.7 ° C.) or higher, and the exact temperature is unknown, but it is considered that 300 to 450 ° C. is necessary for the efficient decomposition reaction, It is said that the decomposition reaction proceeds rapidly even under low temperature conditions of 200 to 250 ° C. by contacting with an appropriate catalyst (
従来では、尿素水を炉内や煙道に噴霧するか、尿素水を高温排ガスに混ぜて分解してからガス状にして吹込む等している。 Conventionally, urea water is sprayed into the furnace or flue, or urea water is mixed with high-temperature exhaust gas and decomposed before being blown into a gaseous state.
NOx除去率を向上させるためには、尿素水やアンモニアガスを燃焼排ガスと均等に接触させる必要があるが、吹込み速度が遅いと接触が不十分となり、また、吹込み速度を上げようとするとポンプやブロワが大型化するといった問題がある。 In order to improve the NOx removal rate, it is necessary to contact urea water and ammonia gas evenly with the combustion exhaust gas. However, if the blowing speed is low, the contact becomes insufficient, and if it is attempted to increase the blowing speed There is a problem that pumps and blowers are enlarged.
また、尿素水やアンモニア水といった液体を噴霧する場合、液滴粒径が大きいと対面側の壁面に液滴が衝突したり、ノズルからの液だれが発生するなど、特に流量をコントロールする際のコントロール幅全てにおいて、粒径を最適に制御する困難さが生じていた。 When spraying a liquid such as urea water or ammonia water, when the droplet size is large, the droplet collides with the wall on the opposite side, or dripping from the nozzle occurs, especially when controlling the flow rate. In all the control widths, it was difficult to optimally control the particle size.
そこで、本発明は、ポンプやブロワの動力が無くても、尿素を予め熱分解して得たアンモニアガスを高速で吹込むことができる、排ガス処理方法及び排ガス処理装置を提供することを主たる目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide an exhaust gas treatment method and an exhaust gas treatment apparatus that can inject ammonia gas obtained by thermally decomposing urea in advance at high speed without the power of a pump or a blower. And
上記目的を達成するため、本発明に係る排ガス処理方法は、ボイラで発生した蒸気に尿素水を混合することにより尿素水を加水分解してアンモニア含有蒸気とし、該アンモニア含有蒸気を燃焼排ガス中に吹込むことにより、燃焼排ガス中の窒素酸化物濃度を低減させることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an exhaust gas treatment method according to the present invention comprises hydrolyzing urea water into ammonia-containing steam by mixing urea water with steam generated in a boiler, and converting the ammonia-containing steam into combustion exhaust gas. By blowing, the nitrogen oxide concentration in the combustion exhaust gas is reduced.
前記アンモニア含有蒸気を燃焼炉内に吹込むことにより無触媒脱硝を行うことができる。 Non-catalytic denitration can be performed by blowing the ammonia-containing steam into the combustion furnace.
あるいは、前記アンモニア含有蒸気を煙道の燃焼排ガスに吹込み、該燃焼排ガスを脱硝触媒に接触させることにより、触媒脱硝を行うこともできる。 Alternatively, catalytic denitration can be performed by injecting the ammonia-containing vapor into flue combustion exhaust gas and bringing the combustion exhaust gas into contact with a denitration catalyst.
尿素水を加水分解するための前記蒸気の温度は、350℃以上であることが好ましい。 The temperature of the steam for hydrolyzing the urea water is preferably 350 ° C. or higher.
尿素水を混合する前記蒸気の圧力は、1MPa以上であることが好ましい。 The pressure of the steam for mixing the urea water is preferably 1 MPa or more.
また、本発明に係る排ガス処理装置は、ボイラで発生する蒸気を燃焼炉に導く蒸気管と、該蒸気管内の蒸気に尿素水を注入する尿素水注入管と、前記蒸気管の端部に接続されて蒸気を炉内に噴霧する蒸気噴霧ノズルと、を備えることを特徴とする。 The exhaust gas treatment apparatus according to the present invention is connected to a steam pipe for guiding steam generated in a boiler to a combustion furnace, a urea water injection pipe for injecting urea water into the steam in the steam pipe, and an end of the steam pipe And a steam spray nozzle for spraying steam into the furnace.
また、本発明に係る排ガス処理装置は、他の手段として、ボイラで発生する蒸気を煙道に導く蒸気管と、該蒸気管内の蒸気に尿素水を注入する尿素水注入管と、前記蒸気管の端部に接続されて蒸気を煙道内に噴霧する蒸気噴霧ノズルと、該蒸気噴霧ノズルの下流側煙道に介在された触媒脱硝装置と、を備えることを特徴とする。 Further, the exhaust gas treatment apparatus according to the present invention includes, as other means, a steam pipe that guides steam generated in a boiler to a flue, a urea water injection pipe that injects urea water into the steam in the steam pipe, and the steam pipe A steam spray nozzle connected to the end of the steam sprayer for spraying steam into the flue, and a catalyst denitration device interposed in the flue downstream of the steam spray nozzle.
蒸気と尿素水とを混合反応させるための混合反応器が、前記蒸気管に介在されていることが好ましい。 It is preferable that a mixing reactor for mixing and reacting steam and urea water is interposed in the steam pipe.
また、前記混合反応器に、シリカ、アルミナ、チタニア、及びゼオライトからなる群から選択される1種又は2種以上の加水分解触媒が内蔵されていることが好ましい。 Further, it is preferable that one or more hydrolysis catalysts selected from the group consisting of silica, alumina, titania, and zeolite are incorporated in the mixing reactor.
さらに、前記蒸気管を分岐させて並列接続された第1蒸気管及び第2蒸気管と、前記第1蒸気管及び第2蒸気管の各々を上流側及び下流側において開閉する蒸気管開閉弁と、前記第1蒸気管及び前記第2蒸気管の各々に接続された前記尿素水注入管と、前記尿素水注入管から前記第1蒸気管又は前記第2蒸気管の何れか一方に尿素水を供給する切換弁と、前記尿素水注入管にパージガスを供給するパージガス供給管と、前記尿素水注入管に供給したパージガスを排出するパージガス排出管と、前記尿素水注入管を加熱することにより該尿素水注入管内に析出する固形物を熱分解するための加熱装置と、を備えることが好ましい。 A first steam pipe and a second steam pipe that are branched and connected in parallel; and a steam pipe on-off valve that opens and closes each of the first steam pipe and the second steam pipe on the upstream side and the downstream side; The urea water injection pipe connected to each of the first steam pipe and the second steam pipe, and urea water is supplied from the urea water injection pipe to either the first steam pipe or the second steam pipe. A supply switching valve, a purge gas supply pipe for supplying a purge gas to the urea water injection pipe, a purge gas discharge pipe for discharging the purge gas supplied to the urea water injection pipe, and the urea water injection pipe by heating the urea water injection pipe And a heating device for thermally decomposing solid matter deposited in the water injection tube.
本発明によれば、ボイラで発生する高温・高圧の蒸気をキャリアガスとして用いることにより、尿素水を予め加水分解したアンモニア含有蒸気を、ポンプやブロワを用いずに、早い流速で燃焼炉内や煙道内に吹込み、燃焼排ガスとの混合・攪拌を促進させることができる。 According to the present invention, by using high-temperature and high-pressure steam generated in a boiler as a carrier gas, ammonia-containing steam obtained by hydrolyzing urea water in advance in a combustion furnace at a high flow rate without using a pump or a blower. Mixing and stirring with combustion exhaust gas can be promoted by blowing into the flue.
本発明に係る排ガス処理方法及び排ガス処理装置の実施形態について、以下に図1〜図4を参照して説明する。なお、全図及び全実施形態を通じて同様又は類似の構成要素には同符号を付した。 Embodiments of an exhaust gas treatment method and an exhaust gas treatment apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol was attached | subjected to the same or similar component through all the figures and all the embodiment.
図1は、本発明に係る排ガス処理装置の第1実施形態を示す系統図である。排ガス処理装置は、従来と同様に、焼却炉1、ボイラ2、節炭器3、減温塔4、バグフィルター5、誘引送風機6、煙突7等を備えている。
FIG. 1 is a system diagram showing a first embodiment of an exhaust gas treatment apparatus according to the present invention. The exhaust gas treatment apparatus includes an
図1の排ガス処理装置は、更に、ボイラ2で発生する蒸気を燃焼炉1に導く蒸気管10と、蒸気管10内の蒸気に尿素水を注入する尿素水注入管11と、蒸気管10の端部に接続されて蒸気を焼却炉1内に噴霧する蒸気噴霧ノズル12と、を備えている。
1 further includes a
ごみ焼却炉等に付設されているボイラ2では、通常、3MPa〜4MPaの圧力、300〜400℃の温度の蒸気が発生する。このような高温・高圧の蒸気の一部が蒸気管10に供給され、蒸気管10内を圧送されて蒸気噴霧ノズル12に導かれる。なお、従来は3MPa、300℃クラスのボイラが主流であったが、近年の改良により、4MPa、400℃クラスのボイラが主流になりつつある。
In the
尿素水注入管11を通じて尿素水を蒸気管10内に注入し、蒸気管10内を圧送される高温・高圧蒸気に尿素水を混合させる。蒸気温度は300〜400℃であるので、尿素の加水分解が効率良く進み、アンモニアや中間生成物であるイソシアン酸等を含んだアンモニア含有蒸気となる。蒸気と尿素水との混合部、即ち蒸気管10と尿素水注入管11との接続部は、エゼクターとして、蒸気の運動エネルギーで尿素水を吸引するようにしてもよい。
The urea water is injected into the
尿素水注入管11は、尿素水を貯水する尿素水タンク13に接続されている。なお、尿素水タンク13から尿素水注入管11への尿素水の供給は、図示しないポンプによって行うこともできる。
The urea
蒸気管10内のアンモニア含有蒸気は、蒸気圧力を利用して蒸気噴霧ノズル12から燃焼炉1内に高速で噴霧される。蒸気圧力を利用するため、噴霧のための高圧のポンプやブロワが不要となる。アンモニア含有蒸気は燃焼炉1内の800〜1000℃の燃焼雰囲気中に噴霧され、燃焼排ガス中の窒素酸化物を分解することにより、無触媒脱硝が進行する。
The ammonia-containing steam in the
また、水蒸気過剰の条件にすることで、ビウレットやシアヌル酸といった分解副生物の生成を低減し、配管だけの簡易な設備で尿素水の加水分解を促進させ、さらに高圧蒸気であるため炉内への噴射速度が速く、燃焼ガスとの混合攪拌が促進され、高い脱硝効率が得られる。当然、尿素水を使用するため、アンモニア水やアンモニアガスを使用する場合の高価で複雑な設備は必要としない。 In addition, by using excessive steam conditions, the generation of decomposition by-products such as biuret and cyanuric acid is reduced, the hydrolysis of urea water is promoted with simple equipment consisting of only piping, and since it is high-pressure steam, it enters the furnace. The injection speed is high, mixing and stirring with the combustion gas is promoted, and high denitration efficiency is obtained. Naturally, since urea water is used, expensive and complicated equipment is not required when ammonia water or ammonia gas is used.
尿素を分解する際に生成する副生物であるシアヌル酸は、非常に固い難分解性、難溶性の固形物であり、反応容器内で一度生成すると高温加熱以外の手段では除去が困難である。このシアヌル酸は、350℃を超えると急激に生成比率が減少することが知られている(上記非特許文献1)。従って、蒸気管10内の蒸気温度は350℃以上にすれば、シアヌル酸の生成を減少させることができる。
Cyanuric acid, which is a by-product produced when decomposing urea, is a very hard, hardly decomposable and hardly soluble solid, and once produced in a reaction vessel, it is difficult to remove by means other than high-temperature heating. As for this cyanuric acid, when it exceeds 350 degreeC, it is known that a production | generation ratio will reduce rapidly (the said nonpatent literature 1). Therefore, if the steam temperature in the
また、蒸気管10内の蒸気圧力は、蒸気噴射ノズル12からアンモニア含有蒸気を高速で噴射して燃焼ガスとの混合攪拌を促進するために、1MPa以上であることが好ましい。
The steam pressure in the
高濃度の尿素水を使用する場合、尿素水と蒸気の合流部(特に尿素水注入管11の側の部位)で固形物(シアヌル酸等)の固着による配管詰まりが発生しやすい。
When using high-concentration urea water, piping clogging is likely to occur due to solid matter (cyanuric acid or the like) adhering at the junction of urea water and steam (particularly on the urea
尿素水は常温で供給されるが、蒸気管10に至る過程で常温から高温へと昇温される。この際特にシアヌル酸等の固形物が発生しやすい200〜300℃を通過するため、尿素水中の濃度が高い場合や、その温度域の滞留時間(通過時間)が短い場合に、固形物が析出しやすい。そこで、固形物が析出しないようにするのではなく、図2に示すシステムにより、析出した固形物を除去することができる。
The urea water is supplied at normal temperature, but the temperature is raised from normal temperature to high temperature in the process of reaching the
図2は、本発明に係る排ガス処理装置の第2実施形態の要部である固形物除去システムを示している。図2に示す固形物除去システムは、蒸気管10を分岐させて並列接続された第1蒸気管101及び第2蒸気管102と、第1蒸気管101及び第2蒸気管102の各々を上流側及び下流側において開閉する蒸気管開閉弁151、152、153、154と、第1蒸気管101及び第2蒸気管102の各々に接続されるとともに第1蒸気管101又は前記第2蒸気管の何れか一方に尿素水を供給するように切換可能に構成された尿素水注入管111、112と、尿素水注入管111、112にパージガスを供給するパージガス供給管161、162と、尿素水注入管111、112に供給したパージガスを排出するパージガス排出管171、172と、尿素水注入管111、112を加熱することにより尿素水注入管111、112内に析出する固形物を熱分解するための加熱装置181、182と、を備えている。
FIG. 2 shows a solid matter removal system that is a main part of a second embodiment of the exhaust gas treatment apparatus according to the present invention. Solids removal system shown in Figure 2, the
図示例において、蒸気管101の蒸気管開閉弁151と蒸気管開閉弁152との間に尿素水注入管111とパージガス排出口171とが接続され、蒸気管102の蒸気管開閉弁153と蒸気管開閉弁154との間に尿素水注入管112とパージガス排出口172が接続されている。図示例では、尿素水注入管111、112の其々に開閉弁191、192が介在されていて、開閉弁191及び開閉弁192の何れか一方を閉鎖することにより、尿素水注入管111、112の一方のみから尿素水を注入できるようになっている。
In the illustrated example, is connected to the urea
また、尿素水注入管111の開閉弁191と蒸気管101との間、及び、尿素水注入管112の開閉弁192と蒸気管102との間に、其々、パージガス供給管161、162が接続されている。
Further, between the opening and closing valve 19 1 and the
そして、パージガス供給管161、162の其々に開閉弁201、202が介在され、パージガス排出管171及び172の其々にも開閉弁211、212が介在されている
加熱装置181、182は、固形物が析出しやすい尿素水注入管111、112の蒸気管101、102との接続部近傍、即ち、尿素水と蒸気との合流部で尿素水注入管111、112の側に配設され得る。加熱装置181、182は、何れも600℃迄昇温可能なヒータを備えている。
Then, the opening and closing
上記構成の固形物除去システムによる固形物除去手順の例を説明する。 The example of the solid substance removal procedure by the solid substance removal system of the said structure is demonstrated.
まず、蒸気管開閉弁151、152を閉じ、尿素水注入管111の開閉弁191を閉じる。次に、パージガス供給管161の開閉弁201を開くとともに、パージガス排出管171の開閉弁211を開いて、少量のパージガス(空気)を流す。パージガスは、パージガス排出管171を通じて、図外の炉内等系外に放出される。この状態で、加熱装置181をONにして加熱を開始すると、析出したビウレットやシアヌル酸等の固形物が熱分解され、パージガスによって系外に排出され除去される。この間、蒸気管開閉弁153、154は開かれているとともに尿素水注入管112の開閉弁192が開かれる一方、パージガス供給管162の開閉弁202及びパージガス排出管172の開閉弁212が閉じられており、蒸気が第2蒸気管102を流れてそこに尿素水が注入される。このとき加熱装置182はOFFとされる。
First, close the steam pipe on-off
次に、蒸気開閉弁151、152を開き、蒸気開閉弁153、154を閉じ、尿素水注入管111の開閉弁191を開いて尿素水注入管112の開閉弁192を閉じ、パージガス供給管161の開閉弁201及びパージガス排出管171の開閉弁211を閉じるとともに、パージガス供給管162の開閉弁202及びパージガス排出管172の開閉弁212を開き、加熱装置182をONにして加熱装置181をOFFにする。こうすることにより、蒸気が第1蒸気管101を流れてそこに尿素水が注入される一方で、尿素水注入管112に析出した固形物は加熱装置182により分解されパージガスにより除去される。
Then open the steam on-off
上記のようにして、尿素水注入管111と尿素水注入管112に析出する固形物を交互に除去する。この交互の切り替えは、手動又は自動制御により定期的に行うことができる。
As described above, to remove solids precipitated urea
図2に示す例では、蒸気開閉弁を4つ設けたが、それに代えて、蒸気管の分岐箇所2箇所に一つずつ方向切換弁を設けてもよい。また、図2に示す例ではパージガス供給管を尿素水注入管に接続してパージガス排出管を蒸気管に接続しているが、逆に、パージガス供給管を蒸気管に接続してパージガス排出管を尿素水注入管に接続しても良い。 In the example shown in FIG. 2, four steam opening / closing valves are provided, but instead, one direction switching valve may be provided at each of two branch points of the steam pipe. In the example shown in FIG. 2, the purge gas supply pipe is connected to the urea water injection pipe and the purge gas discharge pipe is connected to the steam pipe. Conversely, the purge gas supply pipe is connected to the steam pipe and the purge gas discharge pipe is connected. It may be connected to a urea water injection pipe.
次に、本発明に係る排ガス処理装置の第3実施形態について、図3を参照して説明する。図3は、第3実施形態の排ガス処理装置の要部を示す系統図である。 Next, a third embodiment of the exhaust gas treatment apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a system diagram showing a main part of the exhaust gas treatment apparatus of the third embodiment.
尿素水と蒸気の合流部から蒸気噴射ノズル12迄の距離が短くて尿素の加水分解(及び熱分解)の反応時間が十分に取れない場合等においては、図3に示すように、混合反応器30を蒸気管10に介在させ、混合反応器30に尿素水注入管11を接続し、混合反応器30内で蒸気と尿素水とを混合する滞留時間をとることにより、反応時間を確保するようにしても良い。混合反応器30内での滞留時間は0.1秒以上であることが好ましい。
When the distance from the urea water / steam junction to the
また、混合反応器30内に、シリカ、アルミナ、チタニア、及びゼオライトからなる群から選択される1種又は2種以上の加水分解触媒を内蔵することもできる。尿素は加水分解触媒と接触することにより、より低温で加水分解が進行する。そのため、混合反応器30内に加水分解触媒を導入して、反応を加速させても良い。この場合は、より低温で反応が進むため、加水分解触媒に応じた蒸気温度(例えば250℃)とすることができる。なお、蒸気温度を200〜300℃に下げると、シアヌル酸等の固形物が析出しやすくなり、特に、尿素水注入管11の蒸気管10との接続部近傍に析出しやすいため、図2で示したような固形物除去システムを付設してもよい。
In addition, one or two or more hydrolysis catalysts selected from the group consisting of silica, alumina, titania, and zeolite can be incorporated in the mixing
次に、本発明に係る排ガス処理装置の第4実施形態について、図4を参照して説明する。図4は触媒脱硝の例である。 Next, a fourth embodiment of the exhaust gas treatment apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows an example of catalytic denitration.
図4に示す排ガス処理装置は、蒸気管10及び蒸気噴霧ノズル12が触媒脱硝装置9の上流側の煙道40に接続されている点が上記第1実施形態と異なる。また、第4実施形態は、煙道40に再加熱器8及び触媒脱硝装置9を備える点も上記第1実施形態と相違するが、上記第1実施形態においても再加熱器8及び触媒脱硝装置9を備えることができる。
The exhaust gas treatment device shown in FIG. 4 is different from the first embodiment in that the
触媒脱硝装置9は、触媒表面上において排ガス中の窒素酸化物を、アンモニアの存在下で窒素ガスの分解するものである。触媒には、200℃程度の低温触媒が使用されることが多いため、それに応じた温度の蒸気を、蒸気管10を通じて蒸気噴霧ノズル12から煙道40に吹込むことができる。この場合、第3実施形態で説明した混合反応器と同様、加水分解触媒を内蔵した混合反応器を蒸気管10に介在させることができる。
The
本発明は、ボイラを備えるごみ焼却炉や、バイオマスなど燃焼しているボイラ等で発生する燃焼排ガスの無触媒脱硝及び触媒脱硝に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for non-catalytic denitration and catalytic denitration of combustion exhaust gas generated in a waste incinerator equipped with a boiler, a boiler burning such as biomass, and the like.
1 焼却炉
2 ボイラ
9 触媒脱硝装置
10、101、102 蒸気管
11、111、112 尿素水注入管
151、152、153、154 蒸気管開閉弁
161、162 パージガス供給管
171、172 パージガス排出管
181、182 加熱装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
A first steam pipe and a second steam pipe branched and connected in parallel; a steam pipe on-off valve for opening and closing each of the first steam pipe and the second steam pipe on the upstream side and the downstream side; The urea water injection connected to each of the first steam pipe and the second steam pipe and configured to be switchable to supply urea water to either the first steam pipe or the second steam pipe A purge gas supply pipe for supplying a purge gas to the urea water injection pipe, a purge gas discharge pipe for discharging the purge gas supplied to the urea water injection pipe, and the urea water injection pipe by heating the urea water injection pipe An exhaust gas treatment apparatus according to any one of claims 6 to 9, further comprising: a heating device for thermally decomposing solid matter deposited on the surface.
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