JP2015166058A - 集塵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集塵効率を高く維持すること。
【解決手段】
硫黄成分を含むガス中の煤塵を捕集する集塵装置であって、前記集塵装置内に設けられた一対の電極と、前記一対の電極間における前記煤塵の電気抵抗率を求める抵抗率測定部と、前記電気抵抗率に基づいて調整した量のアンモニアを前記ガス中に注入する制御部と、を備える。そして、前記制御部は、前記電気抵抗率が第１の電気抵抗率のときにおいて第１の量となるように前記アンモニアを注入し、前記電気抵抗率が前記第１の電気抵抗率よりも低いときにおいて前記第１の量よりも多い第２の量となるように前記アンモニアを注入することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い集塵効率を有する集塵装置に関する。

火力発電所などの施設では、集塵装置が設けられ排ガス中に含まれる煤塵を除去することが行われる。その際、集塵効率を高めるために排ガス中に添加剤を添加することが行われる。

特許文献１には、排ガス中にアンモニア注入装置によりアンモニアを注入し、排ガス中の三酸化硫黄を硫酸アンモニウムに変え、煤塵の電気抵抗率を上昇させ、電気集塵器により硫酸アンモニウムダストを除去することが開示されている。

特開２００２−２０６７０１号公報

煤塵の主要成分である炭素粒子は導電性物質であるため、その量が増えることで煤塵の見かけの電気抵抗率が低下する。一方、添加剤としてのアンモニアは、排ガス中の硫黄成分と反応して高い電気抵抗率を有する硫酸アンモニウムへと化学変化し、煤塵の見かけの電気抵抗率を上昇させる。

そして、煤塵の見かけの電気抵抗率が低下すると電極に付着したダストが再飛散し、一方、煤塵の見かけの電気抵抗率が上昇すると放電現象が発生する。したがって、煤塵の見かけの電気抵抗率には、集塵効率を高く維持するための好ましい範囲が存在する。

しかしながら従来、アンモニアの注入量は、火力発電所等における負荷（発電量）に応じて決められていた。このため、負荷に応じて見かけの電気抵抗率が変動し、その結果、集塵効率が低下するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、集塵効率を高く維持することにある。

前述の目的を達成するため、本発明は、硫黄成分を含むガス中の煤塵を捕集する集塵装置であって、前記集塵装置内に設けられた一対の電極と、前記一対の電極間における前記煤塵の電気抵抗率を求める抵抗率測定部と、前記電気抵抗率に基づいて調整した量のアンモニアを前記ガス中に注入する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の集塵装置によれば、集塵装置内に設けられた電極間における煤塵の電気抵抗率に応じて、硫黄成分を含むガス中に注入するアンモニアの量を調整することができるので、適切に煤塵の電気抵抗率を調整して集塵効率を高く維持することができる。

前述の集塵装置において、前記制御部は、前記電気抵抗率が第１の電気抵抗率のときにおいて第１の量となるように前記アンモニアの添加量を注入し、前記電気抵抗率が前記第１の電気抵抗率よりも低いときにおいて前記第１の量よりも多い第２の量となるように前記アンモニアの添加量を注入することが望ましい。

このようにすることで、電気抵抗率が低いときにはより多くのアンモニアを注入して電気抵抗率を高くする制御を行うことができる。また、電気抵抗率が高いときにはより少ないアンモニアを注入することとして電気抵抗率を低くする制御を行うことができる。

前述の集塵装置において、前記抵抗率測定部は、前記一対の電極間において堆積した前記煤塵の電気抵抗率を求めることが望ましい。

このようにすることで、一対の電極間において堆積した煤塵の電気抵抗率に基づいて、アンモニアを注入することができる。

本発明によれば、集塵装置内に設けられた電極間における煤塵の電気抵抗率に応じて、硫黄成分を含むガス中に注入するアンモニアの量を調整することができるので、適切に煤塵の電気抵抗率を調整して集塵効率を高く維持することができる。

本実施形態における電気集塵装置１の概念図である。 ダスト捕集箱２４の概略斜視図である。 見かけの電気抵抗率ρ_ｄと集塵率ηとの関係を説明するグラフである。 制御装置２１におけるブロック図である。 差分Δρ_ｄとアンモニアの注入量との関係を示すグラフである。

図１は、本実施形態における電気集塵装置１の概略図である。本実施形態における電気集塵装置１は、例えば、大規模な火力発電所等で用いられる。火力発電所では、石炭や石油を燃焼させるが、その排ガスからダスト（煤塵）を取り除く必要がある。このようなダストを取り除くために電気集塵装置１が用いられる。

電気集塵装置１は、放電極１１と集塵極１２とホッパ１３と集塵装置ゲートバルブ１４を備える。また、電気集塵装置１には、入口ダクト１６と出口ダクト１７が設けられ、入口ダクト１６には、ダストを含んだガスが流入させられる。なお、ガスは１００℃前後の温度で電気集塵装置１内に流入する。

放電極１１は、上下に延びる棒状の電極であって、排ガスの流路に複数設けられており、図１において、奥行き方向にも複数設けられる。放電極１１には高電圧が印加され、負に帯電させられる。そして、放電極１１はコロナ放電する。このため、排ガスに含まれるダストは、コロナ放電により負電荷を有するようになる。

集塵極１２は、上下方向および排ガスの流路方向に拡がる板状部１２ａと、奥行き方向手前側に突出する凸状部１２ｂとを備える電極である。集塵極１２の板状部１２ａは、放電極１１に対して奥行き方向にずらして配置される一方、集塵極１２の凸状部１２ｂは、放電極１１に対して奥行き方向について一部重なる位置に並ぶ。このようにすることで、放電極１１と集塵極１２との間に入口ダクト１６側から出口ダクト１７側へと抜けることができる排ガスの流路が形成される。

集塵極１２は、放電極１１と同様に、図１において奥行き方向に複数設けられる。集塵極１２は、正に帯電させられる。これにより、負電荷を有するダストは、集塵極１２に吸着する。集塵極１２には、不図示の集塵極打ち出し装置が設けられている。そして、所定の時間間隔で集塵極１２は集塵極打ち出し装置によりつち打ちされ、吸着したダストが打ち落とされる。

ホッパ１３は、打ち落とされたダストを一時的に貯留する。そして、ホッパ１３の下部に設けられた集塵装置ゲートバルブ１４が開放されると、ダストが排出される。

本実施形態における電気集塵装置１は、さらに、アンモニア注入装置２２とダスト捕集箱２４を備える。アンモニア注入装置２２は、後述する制御装置２１による制御によりアンモニアを電気集塵装置１内へと注入する装置である。アンモニア注入装置２２は、入口ダクト１６内に延びる注入管２２Ａを有する。そして、制御装置２１の制御にしたがって、気化されたアンモニアを電気集塵装置１内へ注入する。

ダスト捕集箱２４は、見かけの電気抵抗率を測定するためにダストを捕集するための捕集箱である。ダスト捕集箱２４は、電気集塵装置１内に設けられた取付用梁１５によってガス流路のほぼ中央であって、放電極１１及び集塵極１２の下方に固定される。

ダスト捕集箱２４の上面は開放されており、集塵極１２から打ち落とされたダストの一部を捕集する。ダスト捕集箱２４は、例えば、ガラスやセラミックなど、導電性を有さず、かつ流動する高温ガスに耐えうる耐熱性の材質で形成される。

ダスト捕集箱２４には、１対の電気抵抗測定用電極２３が設けられる。一対の電気抵抗測定用電極２３は、ダスト捕集箱２４内に捕集されたダストの見かけの電気抵抗率を測定するために用いられる。電気抵抗測定用電極２３は、後述する制御装置２１に接続される。

また、ダスト捕集箱２４の上部には、レベルセンサ２５が取り付けられる。レベルセンサ２５には、マイクロウェーブ式レベル計などを採用することができる。そして、ダスト捕集捕集箱２４に捕集されたダストのダスト上面の位置を示す信号を制御装置２１に送る。

ダスト捕集箱２４の下方には、ダスト捕集箱ゲートバルブ２６が設けられる。ダスト捕集箱ゲートバルブ２６は、ダスト捕集箱２４に溜まったダストを排出させるためのゲートバルブである。ダスト捕集箱ゲートバルブ２６は、制御装置２１に接続される。そして、ダスト捕集箱ゲートバルブ２６を開放するタイミングは、後述するように制御装置２１によって制御される。

図２は、ダスト捕集箱２４の概略斜視図である。図２には、ダスト捕集箱２４と、ダスト捕集箱２４内に設けられた電気抵抗測定用電極２３が示されている。以下、図２を参照しつつ、ダストの見かけ電気抵抗率について説明する。

ダストの見かけ電気抵抗率は、日本工業規格（ＪＩＳ）における「ダストの見かけ電気抵抗率の測定方法（Ｂ９９１５−１９８９）」に規定される。ダストの見かけ電気抵抗率ρ_ｄは、
ρ_ｄ＝（Ｖ／ｔ）×（Ｓ／Ｉ）
Ｖ：印加電圧（Ｖ）
ｔ：ダスト層厚（ｍ）
Ｓ：主電極面積（ｍ^２）
Ｉ：電流（Ａ）
で表される。

上記の主電極面積Ｓは、本実施形態において図２に示した電気抵抗測定用電極２３の面積Ｓである。また、ダスト層厚ｔは、図２において示した電気抵抗測定用電極２３の間隔である。後述する制御装置２１では、このような関係式に基づいて、ダストの見かけ電気抵抗率ρ_ｄが求められることになる。

図３は、見かけの電気抵抗率ρ_ｄと集塵率ηとの関係を説明するグラフである。グラフの横軸には、ダストの見かけの電気抵抗率ρ_ｄが示されている。グラフの縦軸には、集塵率ηと電圧Ｖと電流Ｉが示されている。

グラフには、異常再飛散領域と、正常領域と、逆電離領域が示されている。異常再飛散領域は、見かけの電気抵抗率ρ_ｄ（Ω・ｍ）が、１０^２（Ω・ｍ）よりも低い領域である。正常領域は、見かけの電気抵抗率ρ_ｄ（Ω・ｍ）が、１０^２（Ω・ｍ）から５×１０^８（Ω・ｍ）の領域である。逆電離領域は、見かけの電気抵抗率ρ_ｄ（Ω・ｍ）が、５×１０^８（Ω・ｍ）よりも高い領域である。

異常再飛散とは、集塵極上に付着・堆積したダストが再び排ガス中に飛散することをいう。電気集塵装置１内では、集塵極１２上に付着・堆積したダストを落とすために、集塵極１２のつち打ちが行われるが、これにより再飛散が発生する。また、ガス流速の上昇に伴って再飛散が発生する。

再飛散したダストの大部分は、集塵極１２に付着・堆積したことにより粗大化しているので、再荷電されれば比較的容易に再捕集される。しかしながら、一部のダストは、排ガス中に分散し、再捕集されないままガス流に同伴されて排出されてしまう。

図３から分かるように、ダストの見かけ電気抵抗率ρ_ｄが、約１０^２（Ω・ｍ）以下の領域では、上記のような異常再飛散が問題となる。異常再飛散領域のダストは、集塵極１２に捕集されると直ちにコロナ放電により得た電荷を失い、誘導帯電により放電極１１と逆極性に荷電される。その結果、電磁吸引力により放電極に向かう力が働き、粒子は再度空間に飛び出ることになる。このようにして、異常再飛散が発生する。

また、逆電離とは、集塵極１２に付着したダスト層の見かけ電気抵抗率ρ_ｄが極めて高い場合に、ダスト層を流れる電流が増加すると層内に著しい電界を生じ、これがダスト層の絶縁破壊電界強度を超え、ダスト層内で絶縁破壊を引き起こす現象である。

負コロナ使用時に逆電離が発生すると、ダスト層の絶縁破壊点から、多量の正のイオンが集塵空間に向かって放出される。その結果、浮遊ダスト粒子の負電荷の中和、および、逆極（正）への帯電が生じるとともに、火花電圧の著しい低下が生ずる。また、電流の異常増加が発生し、集塵効率が低下する。

上記のような観点から、ダストの見かけの電気抵抗率ρ_ｄは、１０^２（Ω・ｍ）以上かつ５×１０^８（Ω・ｍ）以下の正常領域にあることが望ましいことになる。

後述するように、アンモニアの添加量の増減によりダストの見かけの電気抵抗率ρ_ｄを変えることができる。本実施形態では、以下に説明するようにして、ダストの見かけの電気抵抗率ρ_ｄが目標の電気抵抗率になるようにアンモニアの添加量について見かけの電気抵抗率に基づくフィードバック制御を行う。

図４は、制御装置２１におけるブロック図である。本実施形態では、図４に示すような制御装置２１により、アンモニアの注入量が制御される。制御装置２１は、直流電源２１１と電流計２１２を備える。また、制御装置２１は、アンモニア注入装置制御部２１３を備える。さらに、制御装置２１は、捕集箱ゲート制御部２１７を備える。

直流電源２１１は、前述の電気抵抗測定用電極２３に電圧Ｖを印加する。また、電気抵抗測定用電極２３と直流電源２１１との間には電流計２１２が直列接続されており、電流値Ｉを取得する。

このようにすることで、印加電圧Ｖと電流値Ｉを取得することができるので、制御装置２１はこれらに基づいて、上述の式より、電気抵抗測定用電極２３間において堆積したダストの見かけの電気抵抗率ρ_ｄを求めることができる。

捕集箱ゲート制御部２１７は、レベルセンサ２５から得られたダスト上面の位置に応じてダスト捕集箱ゲートバルブ２６の開閉を制御する。具体的には、ダストが電気抵抗測定用電極２３の上限レベルに達するまで（電気抵抗測定用電極２３を埋めるまで）、捕集箱ゲート制御部２１７は、ダスト捕集箱ゲートバルブ２６を閉じる制御を行う。そして、ダスト上面の位置が電気抵抗測定用電極２３の上限レベルに達すると、それをトリガーとして、アンモニア注入装置制御部２１３にダストの見かけ電気抵抗率ρ_ｄを求めさせ、これに基づいてアンモニア注入装置２２の制御を行わせる。その後、捕集箱ゲート制御部２１７は、ダスト捕集箱ゲートバルブ２６を開き、ダストが電気抵抗測定用電極２３の下限レベルに達するまで（電気抵抗測定用電極２３の全てが露出するまで）ダスト捕集箱２４からダストを排出する。そして、ダストの排出が確認された後に、ダスト捕集箱ゲートバルブ２６を閉じる。

アンモニア注入装置制御部２１３は、前述のように、捕集箱ゲート制御部２１７からのトリガーに基づいて、ダストの見かけ電気抵抗率ρ_ｄ（図４において符号２１３ａ）を求める。そして、ダストの見かけ電気抵抗率ρ_ｄと、目標値ρ_ｔｇ（図４において符号２１３ｂ）との差分Δρ_ｄ（図４において符号２１３ｃ）を求める。そして、その差分に対してゲインＧ（図４において符号２１３ｄ）を乗じた制御量をアンモニア注入装置２２へ送る。アンモニア注入装置２２は、送られた制御量に応じた量のアンモニアを排ガスに注入する。なお、目標値ρ_ｔｇは、例えば、２×１０^５（Ω・ｍ）とすることができる。

図５は、差分Δρ_ｄとアンモニアの注入量との関係を示すグラフである。図５には、差分Δρ_ｄ（すなわち、（ダストの見かけ電気抵抗率ρ_ｄ−目標値ρ_ｔｇ））に対して注入するアンモニアの注入量が示されている。そして、差分Δρ_ｄが小さいほど多い量のアンモニアが注入されることが示されている。すなわち、見かけの電気抵抗率ρ_ｄが小さいほど多くのアンモニアが注入されることになる。このような関係を用いてアンモニア注入量を決定する理由は次の通りである。

電気集塵装置１内に流入する排ガスに含まれるものの大部分はカーボンであるが、硫黄成分も含まれている。このような排ガス中にアンモニアを注入すると、硫黄成分と反応して、硫酸アンモニウムが生成される。

ダストに含まれるカーボンの電気抵抗率は低いのであるが、硫酸アンモニウムの電気抵抗率は高い。そのため、アンモニアの注入量を増やすことで、排ガス中の硫酸アンモニウムを増加させ、ダストの見かけの電気抵抗率を上げることができる。また、アンモニアの注入量を減らすことで、ダストの見かけの電気抵抗率を下げることができる。

このような理由から、制御装置２１は、図５に示すように、差分Δρ_ｄ（＝ダストの見かけ電気抵抗率ρ_ｄ−目標値ρ_ｔｇ）が低いほど、より多くのアンモニアを注入するようにアンモニア注入装置２２を制御するのである。

ここで、仮に、アンモニアを常に一定量注入する手法を採用したとすれば、排ガス中に含まれるカーボンや硫黄成分の含有量の変動により、見かけの電気抵抗率が目標の電気抵抗率とならず、集塵効率が悪化する場合もある。

また、実際の発電所の運転状況や燃料の種類によっても実際のダストの見かけの電気抵抗率は刻々と変化するものである。そのため、火力発電所における発電量、すなわち負荷に応じてアンモニアの注入量を制御したとしても、ダストの見かけの電気抵抗率を適切に制御できず、集塵効率が悪化する。また、必要以上にアンモニアを注入したとすればコスト高となるという問題もある。

これに対し、本実施形態における電気集塵装置１によれば、電気集塵装置１内におけるダストの見かけの電気抵抗率を直接的に測定し、この測定結果に応じて目標の電気抵抗率となるようにアンモニアの注入量を制御するので、集塵効率を高い状態に維持することができる。

なお、アンモニアの注入量は、図５に示されたような線形の注入量に限られず、曲線で示される注入量であってもよい。

また、上述の実施形態では、１つの電気集塵装置１を例示して説明したが、出口ダクト１７と入口ダクト１６が連結された複数の電気集塵装置を有するものであってもよい。その場合、上流側の電気集塵装置１にダスト捕集箱２４を設けることが望ましい。これは、上流側のダストが最もアンモニアの注入量を直接的に反映したものであるためである。

また、上述の実施形態において、ダスト捕集箱２４から延びる複数の配線は、耐熱性の被覆材にて覆われていることが望ましいが、前述の取付用梁１５内に収容することとしてもよい。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

１…電気集塵装置、１１…放電極、１２…集塵極、１２ａ…板状部、１２ｂ…凸状部、１３…ホッパ、１４…集塵装置ゲートバルブ、１５…取付用梁、１６…入口ダクト、１７…出口ダクト、２１…制御装置、２２…アンモニア注入装置、２３…電気抵抗測定用電極、２４…ダスト捕集箱、２５…レベルセンサ、２６…ダスト捕集箱ゲートバルブ、２１３…アンモニア注入装置制御部、２１７…捕集箱ゲート制御部

Claims (3)

1. 硫黄成分を含むガス中の煤塵を捕集する集塵装置であって、
   前記集塵装置内に設けられた一対の電極と、
   前記一対の電極間における前記煤塵の電気抵抗率を求める抵抗率測定部と、
   前記電気抵抗率に基づいて調整した量のアンモニアを前記ガス中に注入する制御部と、
   を備えることを特徴とする集塵装置。
2. 請求項１に記載の集塵装置であって、
   前記制御部は、
   前記電気抵抗率が第１の電気抵抗率のときにおいて第１の量となるように前記アンモニアを注入し、前記電気抵抗率が前記第１の電気抵抗率よりも低いときにおいて前記第１の量よりも多い第２の量となるように前記アンモニアを注入することを特徴とする集塵装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の集塵装置であって、
   前記抵抗率測定部は、前記一対の電極間において堆積した前記煤塵の電気抵抗率を求めることを特徴とする集塵装置。

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