JP2018143949A - 排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一なガス流を実現し、より低い圧力損失、より高い反応率（脱硝率など）、およびより長い触媒寿命を実現できる、ボイラー等の火炉から排出される燃焼排ガス処理装置の提供。【解決手段】水平流路を有する入口ダクト１、排ガス浄化触媒層４の設けられた垂直流路を有する反応器ダクト６、および水平流路と垂直流路とを繋ぐ下向き傾斜流路を有する継手ダクト２を具備し、垂直流路の入口に流路断面に亘って複数の整流板が設けられ、入口ダクトに最も近い位置にある整流板３の上辺の高さが、下向き傾斜流路の底面と入口ダクト１に最も近い位置にある垂直流路の側面６ｄとが接続する位置の高さに実質的に等しく、入口ダクト１に最も近い位置から入口ダクト１に最も遠い位置に向かって、整流板３のそれぞれの上辺の高さを漸次増加させる。【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス処理装置に関する。より詳細に、本発明は、ボイラ等の火炉から排出される燃焼排ガスの処理装置に関する。

ボイラ等の火炉から排出されるガス中の有害物質、例えば、窒素酸化物、一酸化炭素、水銀、有機ハロゲン化合物（ダイオキシン類など）、アンモニア、ＶＯＣなどを触媒の存在下で分解除去することが行われている。このような排ガスの処理装置は、例えば、燃焼排ガスをダクトに通して、触媒層に導入し、有害な物質を無害若しくは除去しやすい形態に転換するための装置である。

触媒層における反応率を高めるために、反応器の性能が重要である。また、反応器の流れの設計、すなわち、窒素酸化物などの有害物質が触媒層に高効率で接触することが求められる。また、触媒層へ導入される燃焼排ガス流の圧力損失を下げること、さらに、触媒自体の性能低下を防ぐ工夫、すなわち、燃焼排ガスに含まれるダストが触媒層を局所的に摩耗させたり、若しくは触媒層に局所的に堆積したりすることによる触媒の局所的劣化を抑制することが求められる。
それらの要望に応えるための策のひとつとして、ダクトの中間に整流板を設けて、触媒層に導入されるガスの偏った流れ、すなわち、流量の不均一さ及び触媒層への流入角度の不均一さ、を減らし、触媒層にガスをできるだけ均一に流すことが挙げられる。

例えば、特許文献１は、排ガスが流入する入口ダクトと脱硝触媒を配置した触媒ダクトとをベンド部で接続することによりこの入口ダクトと触媒ダクトとが直交するように構成した装置において、ベンド部外側ケーシングを、ベンド部出口ダクトと入口ダクトの床面の延長線の交点と、ベンド部出口ダクトの延長線と入口ダクトの天井部との交点の間に差し渡すように配置し、かつ触媒ダクト内の整流格子の配置位置を、その排ガス流入面が入口ダクト床面とほぼ同一となるように構成したことを特徴とする脱硝反応装置を開示している。

特許文献２は、排ガスが流入する入口ダクト１と排ガス浄化触媒４を配置した触媒ダクト６がベンド部７で接続することにより構成され、かつ触媒ダクト入口の断面方向に複数の整流板３を配列した整流構造体を有する排ガス処理装置において、前記整流構造体の排ガス出口の触媒ダクト断面方向の排ガスの流速分布が等しくなるように、前記整流構造体の排ガス入口ダクト側の整流板の高さを、前記ベンド部側の端部７ｄに向かって徐々に高くしたことを特徴とする整流構造体を有する排ガス処理装置（図３参照）を開示している。図１０は、図３に示す排ガス処理装置におけるガス流れのシミュレーション結果を示す図である。該シミュレーションは、高さ４ｍ、奥行き１８ｍの矩形断面形状の水平流路を有する入口ダクトおよび幅１２ｍ、奥行き１８ｍの矩形断面形状の垂直流路を有する触媒ダクトの条件にて行った。図１０（ａ）または（ｂ）に示すように、入口ダクトと触媒ダクトとの直角に交わる接続部分におけるガス流れの偏向が急激である。また、図１０（ａ）または（ｃ）に示すように、垂直流路内でのガス流れの速度ベクトルに水平成分が含まれており、下向きの速度ベクトルは、ダクト壁面に対して若干傾斜しており、長さが不揃いである。

特開平１−１２７０２９号公報 特開２００２−３９５２４号公報

特許文献１または２に記載の装置によって偏った流れをある程度までは抑制できているが、更なる反応器の改良のためには改善の余地がある。
本発明の課題は、従来技術に係るそれら装置よりも、より均一なガス流を実現し、より低い圧力損失、より高い反応率（脱硝率など）、およびより長い触媒寿命を実現できる排ガス処理装置を提供することである。

上記課題を解決すべく検討した結果、以下のような態様を包含する本発明を完成するに至った。

〔１〕 水平流路を有する入口ダクト、 排ガス浄化触媒層の設けられた垂直流路を有する反応器ダクト、および 水平流路と垂直流路とを繋ぐ下向き傾斜流路を有する継手ダクトを具備し、 且つ垂直流路の入口に流路断面に亘って複数の整流板が設けられている、排ガス処理装置。

〔２〕 入口ダクトに最も近い位置にある整流板の上辺の高さが、下向き傾斜流路の底面と入口ダクトに最も近い位置にある垂直流路の側面とが接続する位置の高さに実質的に等しい、〔１〕に記載の排ガス処理装置。
〔３〕 入口ダクトに最も近い位置から入口ダクトに最も遠い位置に向かって、整流板のそれぞれの上辺の高さが漸次増加する、〔１〕または〔２〕に記載の排ガス処理装置。
〔４〕 入口ダクトに最も近い位置から入口ダクトに最も遠い位置に向かう中間の所定位置までの整流板のそれぞれの上辺の高さが漸次増加し、前記中間の所定位置から入口ダクトに最も遠い位置までの整流板のそれぞれの上辺の高さが相互に等しい、〔１〕または〔２〕に記載の排ガス処理装置。

〔５〕 入口ダクトに最も遠い位置にある整流板の上辺の高さが、水平流路の底面と実質的に等しいかまたはそれよりも高く、且つ下向き傾斜流路の天面と垂直流路の入口ダクトに最も遠い位置にある側面とが接続する位置の高さに実質的に等しい、〔１〕〜〔４〕のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。
〔６〕 整流板のそれぞれの下辺の高さが相互に等しい、〔１〕〜〔５〕のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。

〔７〕 下向き傾斜流路の底面は、水平流路の底面に対する傾斜角が、１０度〜６０度のうちのいずれか一つの角度で一定である、〔１〕〜〔６〕のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。
〔８〕 下向き傾斜流路の底面は、水平流路の底面に対する傾斜角が、水平流路から垂直流路に向かって、０度から９０度まで、漸次増加する、〔１〕〜〔６〕のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。
〔９〕 水平流路内または下向き傾斜流路内にベーンがさらに設けられている、〔１〕〜〔８〕のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。

本発明の排ガス処理装置においては、入口ダクトの底面に沿って流れるガスが、継手ダクトに沿って斜め下方に流れ、次いで整流板によって流れが整えられ、反応器ダクトを鉛直下方に流れるので、ガス流の方向変換、すなわち、偏向が緩やかに行われる。その結果、圧力損失を低く、ガス流の変動率を低くすることができる。
本発明の排ガス処理装置は、窒素酸化物還元触媒反応、一酸化炭素還元触媒反応、アンモニア分解触媒反応、有機ハロゲン化合物分解触媒反応、水銀酸化触媒反応、ＶＯＣ分解触媒反応などにおいて用いることができる。本発明の排ガス処理装置は、特に窒素酸化物還元触媒反応に好適である。

本発明に係る排ガス処理装置の第一実施形態を示す図である。 第一実施形態の入口ダクトから触媒ダクト入口までのガス流の状態を示す図である。 従来技術に係る排ガス処理装置を示す図である。 本発明に係る排ガス処理装置の第二実施形態を示す図である。 本発明に係る排ガス処理装置の第三実施形態を示す図である。 本発明に係る排ガス処理装置の第四実施形態を示す図である。 触媒ダクト入口におけるガス流の変動率に与える、下向き傾斜流路の底面の水平流路の底面に対する傾斜角の影響を示す図である。 触媒ダクト入口における圧力損失に与える、下向き傾斜流路の底面の水平流路の底面に対する傾斜角の影響を示す図である。 図１に示す形態の排ガス処理装置のガス流れ（(a)は入口ダクトから反応器ダクトまでの左側部分のガス流れ、(b)は(a)の整流板左側部分のガス流れの拡大図、(c)は(a)の反応器ダクト左側部分のガス流れの拡大図）のシミュレーション結果を示す図である。 図３に示す形態の排ガス処理装置のガス流れ（(a)は入口ダクトから反応器ダクトまでの左側部分のガス流れ、(b)は(a)の整流板左側部分のガス流れの拡大図、(c)は(a)の反応器ダクト左側部分のガス流れの拡大図）のシミュレーション結果を示す図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。なお、以下の実施形態によって本発明の範囲は制限されない。

（第一実施形態）
図１は、本発明に係る排ガス処理装置の第一実施形態を示す図である。
第一実施形態の排ガス処理装置は、水平流路を有する入口ダクト１、排ガス浄化触媒層４の設けられた垂直流路を有する反応器ダクト６、および水平流路と垂直流路とを繋ぐ下向き傾斜流路を有する継手ダクト２を具備する。
入口ダクト、反応器ダクトおよび継手ダクトは、ガス流れ方向から見た流路の断面形状が、矩形、台形、円形、楕円形などであることができる。これらのうち、加工の易しさを考えると矩形が好ましい。

反応器ダクト６の垂直流路の入口に流路断面に亘って複数の整流板３が設けられている。整流板３は、通常、入口ダクト１におけるガス流れ方向に実質的に直交するように、通常、配置される。

図１に示される排ガス処理装置においては、入口ダクト１に最も近い位置にある整流板３の上辺の高さは、下向き傾斜流路の底面２ｂと入口ダクト１に最も近い位置にある垂直流路の側面６ｐとが接続する位置の高さに実質的に等しい。

図１に示される排ガス処理装置においては、継手ダクト２における下向き傾斜流路の底面２ｂは、入口ダクト１における水平流路の底面１ｂに対する傾斜角θが、通常、０度超過９０度未満、好ましくは５度〜７０度、より好ましくは１０度〜６０度のうちのいずれか一つの角度で一定である。図１に示される排ガス処理装置においては、底面２ｂの傾斜角θが０度に近いほど、反応器ダクトにおける流速の分布が狭い、すなわち変動率が小さい（図７参照）。また、傾斜角θが３０度〜６０度の範囲においては圧力損失が小さい（図８参照）。なお、変動率ξ、変動率比ｒおよび圧力損失比Ｐ／Ｐ₀は下式にて定義される。
ξ＝σ／Ｖａ × １００
σ：ダクト内ガス流速の標準偏差
Ｖａ：ダクト内ガス流速の平均値
ｒ＝ξ（θ）／ξ（０）
ｒ：変動率比、
ξ（０）：傾斜角が０度のときの変動率
ξ（θ）：傾斜角がθのときの変動率
Ｐ／Ｐ₀：圧力損失比
Ｐ：傾斜角がθのときの圧力損失
Ｐ₀：傾斜角が３０°のときの圧力損失

図１に示される排ガス処理装置においては、継手ダクト２における下向き傾斜流路の天面２ｔは、従来技術におけるべンド部７に相当する部分（図３参照）である。下向き傾斜流路の天面２ｔは、入口ダクト１における水平流路の天面１ｔに対する傾斜角が、好ましくは５度〜７０度、より好ましくは３０度〜６０度のうちのいずれか一つの角度で一定である。なお、継手ダクト２における下向き傾斜流路の天面２ｔは、ダクト内側に凹の曲面若しくは多角面を成していてもよい。ダクト内側に凹の曲面とすると、水平流路の天面１ｔと下向き傾斜流路の天面２ｔとが接続する位置および下向き傾斜流路の天面２ｔと垂直流路の入口ダクトに最も遠い位置にある側面６ｄとが接続する位置に角を無くすことができるので、前記角の部分にて生じる恐れがある渦流などが生じ難い。

図１に示される排ガス処理装置においては、入口ダクト１に最も近い位置から入口ダクト１に最も遠い位置に向かう中間の所定位置までの整流板３のそれぞれの上辺の高さが漸次増加し、前記中間の所定位置から入口ダクト１に最も遠い位置までの整流板３のそれぞれの上辺の高さが相互に等しい。このように整流板３を設置すると、変動率を抑えながら流れを均一に偏向させることができる。なお、中間の所定位置が入口ダクトに最も遠い位置であってもよい。具体的には、入口ダクトに最も近い位置から入口ダクトに最も遠い位置に向かって、整流板のそれぞれの上辺の高さが漸次増加するように整流板を設置してもよい。

図１に示される排ガス処理装置においては、入口ダクト１に最も遠い位置にある整流板３の上辺の高さが、水平流路の底面１ｂの高さに実質的に等しいかまたはそれよりも高く、且つ下向き傾斜流路の天面２ｔと垂直流路の入口ダクトに最も遠い位置にある側面６ｄとが接続する位置の高さに実質的に等しい。このようにすると継手ダクト内で整流板手前の空間においてガス流が渦を巻くことを抑制できる。さらに、整流板３のそれぞれの下辺の高さが相互に等しいことが好ましい。

排ガスＧは、入口ダクト１、継手ダクト２、整流板３、反応器ダクト６、および出口ダクト５の順に流れる。図２に示すように，入口ダクト１の天面１ｔに近い部分のガスの流れは、継手ダクト２の天面２ｔに沿って水平方向から斜め下方に方向変換され、整流板３の隙間に流入して鉛直下方に方向変換される。入口ダクト１の底面１ｂに近い部分のガスの流れは、継手ダクト２の底面２ｂに沿って斜め下方に方向変換され、次いで整流板３で鉛直方向に方向変換される。第一実施形態によれば流れの方向変換が緩やかに行われる。
図９は、第一実施形態の排ガス処理装置におけるガス流れのシミュレーション結果を示す図である。該シミュレーションは、高さ４ｍ、奥行き１８ｍの矩形断面形状の水平流路を有する入口ダクト、幅１２ｍ、奥行き１８ｍの矩形断面形状の垂直流路を有する反応器ダクト、および傾斜角θが３０度の底面２ｂの条件にて行った。図９（ａ）または（ｂ）に示すように、下向き傾斜流路の底面２ｂの部分でのガス流れの偏向は緩やかである。この緩やかなガス流れの偏向が、圧力損失の減少に寄与している。また、図９（ａ）または（ｃ）に示すように垂直流路内でのガス流れの速度ベクトルは、ほぼ鉛直下向きになっており、長さも揃っている。

低変動率、すなわち偏った流れの少ない本発明の排ガス処理装置においては、窒素酸化物などの有害物質が触媒層に均一に接触するので触媒層における反応率を高めることができる。また、燃焼排ガスに含まれるダストが触媒層に均一に接触するので触媒層の局所的な摩耗若しくは触媒層へのダストの局所的堆積を防いで、触媒の局所的な劣化を抑制することができる。

（第二実施形態）
第二実施形態の排ガス処理装置は、図４に示すとおり、下向き傾斜流路の底面２ｂの、水平流路の底面１ｂに対する傾斜角が、水平流路から垂直流路に向かって、０度から９０度まで、漸次増加する以外は第一実施形態の排ガス処理装置と同じ構成である。
図４に示される排ガス処理装置では、下向き傾斜流路の底面２ｂが、ダクト内側に凸の曲面を成している。水平流路の底面１ｂと下向き傾斜流路の底面２ｂとが接続する位置に角が無いので、前記位置の後方にて渦流が生じ難い。なお、下向き傾斜流路の底面２ｂは、ダクト内側に凸の多角面を成していてもよい。第二実施形態の排ガス処理装置においても第一実施形態と同様に低圧力損失にて偏った流れを少なくすることができるので、触媒層における反応率の向上、触媒の局所的な劣化を抑制できる。

（第三実施形態）
第三実施形態の排ガス処理装置は、水平流路内または下向き傾斜流路内にベーン８が設けられている以外は第一実施形態の排ガス処理装置と同じ構成である。
図５に示す排ガス処理装置では、水平流路から下向き傾斜流路に切り替わるところに、ベーン８が複数設けられている。ベーン８の設置によって水平流路から傾斜流路を経て垂直流路への流れの方向変換をよりスムーズに行うことができる。第三実施形態の排ガス処理装置においても第一実施形態と同様若しくはそれ以上に低圧力損失にて偏った流れを少なくすることができるので、触媒層における反応率の向上、触媒の局所的な劣化を抑制できる。

（第四実施形態）
第四実施形態の排ガス処理装置は、入口ダクト１に最も遠い位置にある整流板の上辺の高さが、水平流路の底面の高さよりも低い以外は、第一実施形態の排ガス処理装置と同じ構成である（図６）。第四実施形態においては、下向き傾斜流路の底面に沿ってガスが流れるので、方向変換が緩やかである。その結果、偏った流れを減らすことができる。

１：入口ダクト
２：継手ダクト
３：整流板
４：触媒層
５：出口ダクト
６：反応器ダクト
７：ベンド部
２ｂ：下向き傾斜流路の底面

Claims (9)

1. 水平流路を有する入口ダクト、
   排ガス浄化触媒層の設けられた垂直流路を有する反応器ダクト、および
   水平流路と垂直流路とを繋ぐ下向き傾斜流路を有する継手ダクトを具備し、且つ
   垂直流路の入口に流路断面に亘って複数の整流板が設けられている、
   排ガス処理装置。
2. 入口ダクトに最も近い位置にある整流板の上辺の高さが、下向き傾斜流路の底面と入口ダクトに最も近い位置にある垂直流路の側面とが接続する位置の高さに実質的に等しい、請求項１に記載の排ガス処理装置。
3. 入口ダクトに最も近い位置から入口ダクトに最も遠い位置に向かって、整流板のそれぞれの上辺の高さが漸次増加する、請求項１または２に記載の排ガス処理装置。
4. 入口ダクトに最も近い位置から入口ダクトに最も遠い位置に向かう中間の所定位置までの整流板のそれぞれの上辺の高さが漸次増加し、前記中間の所定位置から入口ダクトに最も遠い位置までの整流板のそれぞれの上辺の高さが相互に等しい、
   請求項１または２に記載の排ガス処理装置。
5. 入口ダクトに最も遠い位置にある整流板の上辺の高さが、水平流路の底面と実質的に等しいかまたはそれよりも高く、且つ下向き傾斜流路の天面と垂直流路の入口ダクトに最も遠い位置にある側面とが接続する位置の高さに実質的に等しい、
   請求項１〜４のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。
6. 整流板のそれぞれの下辺の高さが相互に等しい、請求項１〜５のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。
7. 下向き傾斜流路の底面は、水平流路の底面に対する傾斜角が、１０度〜６０度のうちのいずれか一つの角度で一定である、請求項１〜６のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。
8. 下向き傾斜流路の底面は、水平流路の底面に対する傾斜角が、水平流路から垂直流路に向かって、０度から９０度まで、漸次増加する、請求項１〜６のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。
9. 水平流路内または下向き傾斜流路内にベーンがさらに設けられている、請求項１〜８のいずれか一つに記載の排ガス処理装置。

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