JP2014514134A

JP2014514134A - 発電ボイラにおける選択触媒ｎｏｘ還元方法及び装置

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Publication number: JP2014514134A
Application number: JP2013555983A
Authority: JP
Inventors: グリーンハット、デイヴィッド; エルストン、ジョン; マッツォーラ、マイケル; エドワーズ、アルフレッド
Original assignee: フォスターホイーラノースアメリカコーポレイション
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2014-06-19
Also published as: KR20130114747A; RU2543096C1; EP2686524A1; CN103443405A; WO2012120417A1; US20120160142A1; US20120222591A1

Abstract

発電ボイラ（１０）における選択触媒ＮＯｘ還元方法及び選択触媒ＮＯｘ還元を用いた発電ボイラ。燃料をボイラの炉（１２）において燃焼し、ＮＯｘを含む煙道ガス流を発生させる。煙道ガス流を、炉から煙道ガス通路に沿って排気筒（４６）に導く。煙道ガス流を、煙道ガス通路に配置され節炭器セクション（３８）を含む後部伝熱面（３４）において冷却する。ＮＯ_Ｘの少なくとも一部を、煙道ガス通路における節炭器セクションの下流に配置されたＮＯ_Ｘ触媒において、Ｎ_２に還元する。煙道ガスをさらに冷却し、加熱空気を、煙道ガス通路における節炭器セクションの下流且つＮＯ_Ｘ触媒の上流に配置されたガス‐空気加熱器（５０）において発生させる。ガス‐空気加熱器（５０）は、管形空気加熱器であってもよいし、再循環伝熱流体を使用する熱交換器であってもよい。

Description

本発明は、固体又は液体炭化水素燃料を燃焼する発電ボイラにおける選択触媒ＮＯ_Ｘ還元（ＳＣＲ）方法及びシステムに関する。より詳細には、本発明は、かかるボイラのＮＯ_Ｘ触媒に流入する煙道ガスの温度の制御に関する。

窒素の酸化物は、ＮＯ_Ｘとしても知られ、酸性雨やスモッグの発生に寄与する。ＮＯ_Ｘ排出を許容レベルに維持するよう要求する環境規制のために、燃焼プロセス中及び燃焼プロセス後両方におけるＮＯ_Ｘの削減が、現代の発電プラントの設計及び稼働における大きな関心事となっている。

窒素の酸化物は、微粉炭や石油等の固体及び液体炭化水素燃料を燃焼した際の副産物であり、主に２つの形態で見出される。窒素が燃焼用空気に由来する場合、ＮＯ_Ｘは「サーマルＮＯ_Ｘ」と称される。サーマルＮＯ_Ｘは、窒素分子（Ｎ_２）が約１５００℃を超える温度に晒されることにより窒素元素（Ｎ）に分解され、その後、酸素元素又は分子と結合してＮＯ又はＮＯ_２を形成することで形成される。窒素が燃料中の結合窒素に由来する場合、ＮＯ_Ｘは、「フューエルＮＯ_Ｘ」と称される。

窒素酸化物の排出を制御するために様々な方法が用いられている。その方法の１つが、選択触媒還元（ＳＣＲ）である。これは、触媒、及び、還元剤一般にアンモニアガスを使用して、ＮＯ_Ｘを以下の反応により窒素ガス及び水に解離するものである。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
２ＮＯ_２＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→３Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ

ＮＯ_Ｘは、その約９５％がＮＯのため、第１の反応がプロセスの大部分を占める。ＳＣＲに理想的な動作温度範囲は、一般的に約３００〜約４００℃である。動作条件が３００℃を大きく下回ると、重硫酸アンモニウムが形成されたり触媒表面に三酸化硫黄が析出したりする可能性が高くなる。これにより触媒活性が永久に損失する場合がある。４００℃を超えると、アンモニアが解離してプロセスの有効性が低下する可能性がある。温度が約４５０℃を超えると、焼結により触媒活性が永久に損なわれる可能性がある。

ＮＯ_Ｘ削減技術としてＳＣＲを利用する典型的な発電ボイラは、煙道ガス通路と流体連通した炉を備える。炉内にて炭化水素燃料の燃焼が起こり、炉の内部を上昇する高温煙道ガスを発生させる。高温煙道ガスのエネルギーの一部が利用されて、炉の壁部の蒸発器面に水蒸気を発生させる。その後、煙道ガスは煙道ガス通路の熱回収領域（ＨＲＡ）に送られて、その追加エネルギーが利用されて蒸気を過熱するとともに節炭器面において給水を加熱する。節炭器セクションから出た煙道ガスは、ＮＯ_Ｘ触媒、空気予熱器、及び場合により煙道ガス浄化システムを通過し、最後に、排気筒から大気へと排出される。

典型的なＳＣＲシステムにおいて、煙道ガス通路における触媒セクションの上流のある部分には、アンモニアガスや尿素水溶液等の反応剤が煙道ガス流に導入され混合される。そして、反応剤及び煙道ガスの混合物は、触媒セクションに流入し、そこで、反応剤と煙道ガス中の余分な酸素との間でＮＯ_Ｘの触媒還元が行なわれる。

触媒は、典型的に、煙道ガス流の経路内に載置された複数の層の固体触媒材料を含む。最も一般的に使用されている種類の触媒材料、及び、それらが触媒として有効となる煙道ガスのおおよその温度範囲は、二酸化チタン（２７０〜４００℃）、ゼオライト（３００〜４３０℃）、酸化鉄（３８０〜４３０℃）、及び活性炭／コーク（１００〜１５０℃）である。

特許文献１には、ＮＯ_Ｘ触媒の上流に節炭器システムを有する化石燃料発電プラントであって、その節炭器システムが、低負荷条件下でもＮＯ_Ｘ触媒において所望の煙道ガス温度を維持できるように、水側バイパス管路を備える、化石燃料発電プラントが開示されている。

特許文献２には、煙道ガス通路における２つの節炭器の間に配置されたＮＯ_Ｘ触媒を有するボイラであって、該ＮＯ_Ｘ触媒が、その上流の節炭器に対する煙道ガスバイパス通路を有する、ボイラが開示されている。

特許文献３には、入口プレナムを有する管形空気加熱器が開示されており、その入口プレナムから、既存のボイラの空気加熱器の上流に、選択触媒還元（ＳＣＲ）システムを改造設置することができる。

特許文献１により対処された問題に加えて、特に、既存の発電ボイラにＮＯ_Ｘ触媒を改造設置した際に、該ＮＯ_Ｘ触媒における煙道ガス温度が、特に高負荷時に、高くなりすぎる傾向があることが観察されている。例えば、ボイラの燃料又は稼働モードの変化、さらには該ボイラの粗末な設計のために、節炭器出口の温度が、４３０℃、すなわち、既存のＮＯ_Ｘ触媒の最適温度範囲を超える可能性がある。

従って、ＮＯ_Ｘを削減するためにＳＣＲを節炭器の下流に追加するには、特別な触媒を使用することが必要な場合がある。この問題に対する他の解決手段は、ボイラの熱回収領域（ＨＲＡ）に追加の節炭器面を設置することである。しかしながら、この方法は、給水温度を上昇させる。その温度が蒸気ドラムの飽和温度近くまで上昇すると、ボイラの水循環に悪影響を及ぼし、最終的にボイラの性能を低下させてしまう。

米国特許第５，５５５，８４９号明細書欧州特許出願公開公報第０７５３７０１号明細書米国特許第６，４０５，７９１号明細書

本発明の目的は、上述の先行技術の問題を最小限に抑えることができる、発電ボイラにおける選択触媒ＮＯ_Ｘ還元方法を提供することである。

本発明の他の目的は、上述の先行技術の問題を最小限に抑えることができる、発電ボイラにおける選択触媒ＮＯ_Ｘ還元装置を提供することである。

一態様によれば、本発明は、発電ボイラにおける選択触媒ＮＯ_Ｘ還元方法であって、（ａ）前記ボイラの炉内で燃料を燃焼して、ＮＯ_Ｘを含む煙道ガス流を発生させる工程と、（ｂ）前記煙道ガス流を、前記炉から煙道ガス通路に沿って排気筒に導く工程と、（ｃ）前記煙道ガス流を、節炭器セクションを含み前記煙道ガス通路に配置された熱回収領域において冷却する工程と、（ｄ）前記ＮＯ_Ｘの少なくとも一部を、前記煙道ガス通路における前記節炭器セクションの下流に配置されたＮＯ_Ｘ触媒において、Ｎ_２に還元する工程と、（ｅ）前記煙道ガスをさらに冷却し、前記煙道ガス通路における前記節炭器セクションの下流且つ前記ＮＯ_Ｘ触媒の上流に配置されたガス‐空気加熱器において加熱空気を発生させる工程と
を含む方法を提供する。

他の態様によれば、本発明は、選択触媒ＮＯ_Ｘ還元を用いた発電ボイラであって、（ａ）ＮＯ_Ｘを含む煙道ガス流を発生させるように、前記ボイラの炉において燃料を燃焼する燃焼器と、（ｂ）前記煙道ガス流を、前記炉から排気筒に導く煙道ガス通路と、（ｃ）節炭器セクションを含み前記煙道ガス通路に配置された、前記煙道ガス流を冷却する熱回収領域と、（ｄ）前記煙道ガス通路における前記節炭器セクションの下流に配置され、前記ＮＯ_Ｘの少なくとも一部をＮ_２に還元するＮＯ_Ｘ触媒と、（ｅ）前記煙道ガス通路における前記節炭器セクションの下流且つ前記ＮＯ_Ｘ触媒の上流に配置され、前記煙道ガスをさらに冷却するとともに加熱空気を発生させるガス‐空気加熱器とを備える発電ボイラを提供する。

本発明によって、すなわち、煙道ガスを冷却するようにガス‐空気加熱器をＮＯ_Ｘ触媒の上流に配置することによって、標準的な触媒材料を使用した従来のＮＯ_Ｘ触媒を設置することが可能になるという利点が提供される。ガス‐空気加熱器は、好ましくは管形空気加熱器であるが、場合によっては、熱を煙道ガスからボイラの燃焼用空気に伝達する他の種類の熱交換器のものであってもよい。本発明の他の好適な実施例によれば、ガス‐空気加熱器は、再循環伝熱流体を用いる熱交換器である。あるいはガス‐空気加熱器は、幾つかの用途において、他の適切な種類のもの、例えば、ヒートパイプであってもよい。

発電ボイラは、有利には、バーナに運ばれた燃料を一次空気の流れによって燃焼するバーナ、実際には、一組のバーナを備える。本発明の第１実施例によれば、ガス‐空気加熱器で加熱された燃焼用空気を二次空気としてバーナに導く。二次空気を冷媒として使用するため、この方法では、給水を冷媒として使用する場合のように冷媒を過剰に加熱する恐れがない。また、二次空気に伝達された熱をボイラにおいて完全に回収できるため、この方法は、既存のボイラの稼働や効率性に影響を及ぼさない。あるいは、ガス‐空気加熱器において加熱された燃焼用空気は、炉に導かれる他の種類の燃焼用空気、例えば、一次空気とすることもできる。

本発明に係る方法をボイラの異なる負荷条件下で使用する場合、ガス‐空気加熱器を通過する空気の流れを調節又は遮断することによって、触媒に流入する煙道ガスの所望の温度を維持できる。よって有利には、空気の流れを、ボイラの負荷条件に基づき、あるいは、ＮＯ_Ｘ触媒に流入する煙道ガスの測定温度に基づき直接制御することができる。従って、本発明は、低負荷稼働のために例えば節炭器に煙道ガスバイパスや水側バイパスを設ける必要なしに、異なる負荷条件下で触媒の動作を最適化できる簡素な方法を提供する。従って、本発明は、ボイラの煙道ガス又は蒸気／水回路に何ら変更を加える必要なしに、幅広い温度制御を提供する。従って、本発明は、改造用途において特に有用であるが、同様に新しいユニットに適用して、例えば、ＮＯ_Ｘ触媒に流入する煙道ガスの温度を制御することもできる。

本発明の上述の簡潔な説明、並びに、更なる目的、特徴、及び利点は、添付の図面に関連して取り上げる、本発明の現時点での好適な、しかし例示的な、実施例に関する以下の詳細な説明を参照することによって、十分に正しく理解されよう。

本発明に係る例示的な発電ボイラの概略図を示す。本発明の他の実施例に係る発電ボイラの煙道ガス通路の一部を示す。

図１は、本発明に係る微粉炭燃焼発電ボイラ１０の概略図である。このボイラは、バーナ１４を有する炉１２を備え、バーナ１４は、石炭ミル２０から該炉に微粉炭１６及び一次空気１８の混合物を噴射する。発電ボイラは通常複数のバーナを備えるが、簡素化のため、１つのバーナのみを図１に示す。燃料は、バーナに隣接する風箱２４から炉に噴射される一次空気及び二次空気２２と共に炉内で燃焼されて、高温煙道ガスが発生する。燃焼は、実際には、バーナの下流において炉に噴射される三次空気及び／又はオーバーファイア空気によって完了してもよいが、簡素化のため、三次空気及び／又はオーバーファイア空気の噴射は図１では示していない。発生した高温煙道ガスは、炉内を上昇し、そのエネルギーの一部が、炉の壁部の蒸発器面３０において利用されて、給水２６を蒸発させて蒸気２８とする。煙道ガスは、炉の上部に接続された煙道ガス通路３２に沿って、炉から排気される。

そして煙道ガスは、煙道ガス通路の熱回収領域（ＨＲＡ）３４を通過するように送られ、その追加エネルギーが、過熱器面３６において利用されて、蒸発した蒸気を過熱するとともに、節炭器面３８において利用されて、蒸発器面に送給される給水を予熱する。典型的に、ＨＲＡは、複数の過熱器面及び再熱器面を備えるが、それらは本発明において重要ではないため、図１には１つの過熱器３６のみを示す。

節炭器３８を出た煙道ガスは、ＮＯ_Ｘ触媒４０、空気予熱器４２、煙道ガス浄化システム４４、及び排気筒４６を通過して大気へと向けられる。煙道ガス通路３２はまた、触媒４０の上流に、アンモニア等のＮＯ_Ｘ還元剤を噴射する噴射器４８を備える。触媒４０は、好ましくは、酸化チタンや酸化鉄等の従来の触媒材料を備える。典型的に、煙道ガス浄化システムは、塵分離器や脱硫器等の幾つかの煙道ガス浄化ユニットを備えるが、それらは本発明において重要ではないため、図１には１つの概略的なガス浄化システム４４のみを示す。

本発明によれば、煙道ガス通路は、ＮＯ_Ｘ触媒４０の上流に配置されたガス‐空気加熱器、この場合、管形空気加熱器５０を備える。管形空気加熱器によって、煙道ガスを、要求通り触媒の最適温度範囲、例えば、約４００℃未満まで冷却することが可能である。

管形空気加熱器５０は、有利には、二次空気２２の追加加熱を可能にするように接続される。幾つかの実施例において、管形空気加熱器を使用して、一次空気１８、又は、図１に不図示の三次空気若しくはオーバーファイア空気を加熱することも可能である。本発明の好適な実施例によれば、管形空気加熱器５０は、煙道ガス通路３２におけるＮＯ_Ｘ触媒４０の下流に配置された、ここでは第２空気加熱器とも呼ぶ空気加熱器４２と並列に接続されている。従って、二次空気ブロワ５２からの二次空気の流れを、管形空気加熱器５０と触媒４０の下流の空気加熱器４２との間の制御バルブ５４，５４’等の制御装置を使用することによって分流することができる。

管形空気加熱器５０内と、触媒４０の下流の空気加熱器４２内との空気流の比率は、有利には、ボイラ負荷に基づいて、あるいは、温度計５６等の温度測定装置により測定される触媒の上流の煙道ガス温度に基づいて決定される。従って、システムは、有利には、測定温度に基づき制御バルブ５４，５４’を制御するためのコントローラ５８を備える。

典型的に、高負荷下で、触媒の上流の煙道ガスの温度が触媒の最適動作温度を超えて上昇する傾向にある場合、触媒４０の下流に配置された空気加熱器４２に通じる二次空気ラインの分岐に配置されたバルブ５４’を少なくとも部分的に閉弁することによって、管形空気加熱器５０に導かれる二次空気をより多くなるようにする。それに対応して、低負荷下では、管形空気加熱器５０に通じる二次空気送給ラインの分岐に配置されたバルブ５４を少なくとも部分的に閉弁することによって、管形空気加熱器に導かれる二次空気をより少なくなるようにする。従って、管形空気加熱器５０と、ＮＯ_Ｘ触媒４０の下流の空気加熱器４２との間の空気流の分流を制御することによって、異なる負荷条件下においてＮＯ_Ｘ触媒に流入する煙道ガスの温度を最適化することが可能である。

図２は、本発明の他の実施例に係る発電ボイラの煙道ガス通路３２の一部を示す。ガス‐空気加熱器５０Ｎが、煙道ガス通路における触媒セクション４０の上流に配置され、従来の空気加熱器４２が、触媒セクション４０の下流に配置されている。本実施例によれば、ガス‐空気加熱器５０Ｎは、煙道ガス通路３２に煙道ガス冷却器６０と、空気送給ライン６６の分岐６４に別体の空気加熱器６２とを備える。煙道ガス冷却器６０と空気加熱器６２とは、ポンプ７０により伝熱流体を循環させる配管６８によって接続されている。

本明細書において、最も好適な実施例と現時点で考えられるものに関して、本発明を例示により説明してきたが、本発明は、その開示の実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲内に含まれるその特徴の様々な組み合わせや変形及び幾つかの他の応用を包含することを意図するものであることは理解されたい。

従って、ＮＯ_Ｘを削減するためにＳＣＲを節炭器の下流に追加するには、特別な触媒を使用することが必要な場合がある。この問題に対する他の解決手段は、ボイラの熱回収領域（ＨＲＡ）に追加の節炭器面を設置することである。しかしながら、この方法は、給水温度を上昇させる。その温度が蒸気ドラムの飽和温度近くまで上昇すると、ボイラの水循環に悪影響を及ぼし、最終的にボイラの性能を低下させてしまう。
特許文献４、特許文献５、特許文献６、及び特許文献７は、脱硝装置の上流の煙道ガス通路に空気過熱器を有するボイラを開示している。特許文献８は、ＮＯ _Ｘ触媒の上流の管状の空気加熱器、及びＮＯ _Ｘ触媒の下流の空気加熱器とを開示している。

米国特許第５，５５５，８４９号明細書欧州特許出願公開公報第０７５３７０１号明細書米国特許第６，４０５，７９１号明細書特開昭５５−０７０３２８号公報欧州特許出願公開公報第１９５６２９３号明細書欧州特許出願公開公報第１９５９１９３号明細書米国特許第５，０７８，９７３号明細書特開平７−２０８７０１号公報

図２は、本発明の他の実施例に係る発電ボイラの煙道ガス通路３２の一部を示す。ガス‐空気加熱器５０’が、煙道ガス通路における触媒セクション４０の上流に配置され、従来の空気加熱器４２が、触媒セクション４０の下流に配置されている。本実施例によれば、ガス‐空気加熱器５０Ｎは、煙道ガス通路３２に煙道ガス冷却器６０と、空気送給ライン６６の分岐６４に別体の空気加熱器６２とを備える。煙道ガス冷却器６０と空気加熱器６２とは、ポンプ７０により伝熱流体を循環させる配管６８によって接続されている。

Claims

発電ボイラにおける選択触媒ＮＯ_Ｘ還元方法であって、
（ａ）前記ボイラの炉内で燃料を燃焼して、ＮＯ_Ｘを含む煙道ガス流を発生させる工程と、
（ｂ）前記煙道ガス流を、前記炉から煙道ガス通路に沿って排気筒に導く工程と、
（ｃ）前記煙道ガス流を、前記煙道ガス通路に配置され節炭器セクションを含む熱回収領域において冷却する工程と、
（ｄ）前記ＮＯ_Ｘの少なくとも一部を、前記煙道ガス通路における前記節炭器セクションの下流に配置されたＮＯ_Ｘ触媒において、Ｎ_２に還元する工程と、
（ｅ）前記煙道ガスをさらに冷却し、加熱空気を、前記煙道ガス通路における前記節炭器セクションの下流且つ前記ＮＯ_Ｘ触媒の上流に配置されたガス‐空気加熱器において発生させる工程と
を含む方法。
前記ガス‐空気加熱器が空気の流れに接続されて、前記炉内に配置されたバーナに二次空気として導かれる加熱空気を供給する、請求項１に記載の方法。
前記煙道ガス通路における前記ＮＯ_Ｘ触媒の下流に配置された追加空気加熱器をさらに備える、請求項１に記載の方法。
前記ガス‐空気加熱器及び前記追加空気加熱器が、空気流に対して並列に接続されている、請求項３に記載の方法。
前記発電ボイラの負荷条件に基づいて前記ガス‐空気加熱器に流入する空気の流れを制御する工程をさらに備える請求項４に記載の方法。
前記ＮＯ_Ｘ触媒に流入する前記煙道ガスの温度を測定し、その測定温度に基づいて前記ガス‐空気加熱器に流入する空気の流れを制御する工程をさらに備える請求項４に記載の方法。
前記ガス‐空気加熱器が、管形空気加熱器である、請求項１に記載の方法。
前記ガス‐空気加熱器が、再循環伝熱流体を用いる熱交換器である、請求項１に記載の方法。
選択触媒ＮＯ_Ｘ還元を用いた発電ボイラであって、
（ａ）ＮＯ_Ｘを含む煙道ガス流を発生させるように、前記ボイラの炉において燃料を燃焼する燃焼器と、
（ｂ）前記煙道ガス流を、前記炉から排気筒に導く煙道ガス通路と、
（ｂ）節炭器セクションを含み前記煙道ガス通路に配置された、前記煙道ガス流を冷却する熱回収領域と、
（ｄ）前記煙道ガス通路における前記節炭器セクションの下流に配置され、前記ＮＯ_Ｘの少なくとも一部をＮ_２に還元するＮＯ_Ｘ触媒と、
（ｅ）前記煙道ガス通路における前記節炭器セクションの下流且つ前記ＮＯ_Ｘ触媒の上流に配置され、前記煙道ガスをさらに冷却するとともに加熱空気を発生させるガス‐空気加熱器と
を備える発電ボイラ。
燃料を燃焼する前記燃焼器がバーナを備え、前記ガス‐空気加熱器が、前記バーナに隣接し前記加熱空気を二次空気として前記炉に導く空気通路に接続されている、請求項９に記載の発電ボイラ。
前記煙道ガス通路における前記ＮＯ_Ｘ触媒の下流に配置された追加空気加熱器をさらに備える請求項９に記載の発電ボイラ。
前記ガス‐空気加熱器及び前記追加空気加熱器が、空気通路に対して並列に接続されている、請求項１１に記載の発電ボイラ。
前記発電ボイラの負荷条件に基づいて前記ガス‐空気加熱器に流入する空気の流れを制御するコントローラをさらに備える請求項９に記載の発電ボイラ。
前記ＮＯ_Ｘ触媒に流入する前記煙道ガスの温度を測定する温度計測器と、その測定温度に基づいて前記ガス‐空気加熱器に流入する空気の流れを制御するコントローラとを更に備える請求項９に記載の発電ボイラ。
前記ガス‐空気加熱器が、管形空気加熱器である、請求項９に記載の発電ボイラ。
前記ガス‐空気加熱器が、再循環伝熱流体を用いる熱交換器である、請求項９に記載の方法。