JP2021534363A - 火力発電所の排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

火力発電所の排ガス処理装置が提供される。排ガス処理装置は、火力発電所のガスタービン（ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ）の後段に配置されたダクトと前記ガスタービンの間で排ガスの流れを調節して前記ダクトの内壁側に誘導する拡散モジュール部と、前記拡散モジュール部から前記ダクトの内壁側に誘導された排ガスの前記ダクト内の流動区間に設置され、前記ダクトの内壁から突出形成された複数の噴射ノズルと、前記噴射ノズルと連結されて前記ダクトの外部に延びた流体供給管と、前記流体供給管を介して前記噴射ノズルに液状の汚染物質処理用流体を供給する流体供給部を含み、前記拡散モジュール部は、内部に排ガスが通過する外側シリンダ部および前記外側シリンダ部の中心部に挿入されて排ガスを遠心方向に誘導するハブ（ｈｕｂ）を含み、前記噴射ノズルは、前記ハブの外周面で前記ハブの長さ方向に延びた延長線と交差しない。【選択図】図１

Description

本発明は排ガス処理装置に関し、より詳細には火力発電所の排ガス処理装置に関する。

電力は一般的に大規模の発電施設で生産されている。発電所では主に燃料を燃焼させて発電する火力発電方式や、原子力エネルギを利用した原子力発電方式、流体の落差を利用する水力発電方式などにより発電し、その他の発電施設などでは太陽熱、潮力、風力などを利用した発電方式も使われる。

この中で火力発電方式は現在までも非常に活発に使われている発電方式として燃料を燃焼してタービンを駆動する方式である。火力発電で電力を得るためには持続的に燃料を消費しなければならず、燃料はガスタービン内で燃焼して多量の排ガス（排気ガス）を生成するようになる。このような排ガスは燃料の燃焼反応および高温熱反応などによって生成された汚染物質を含有しており、格別の処理が求められる。

したがって、火力発電所に多様な形態の処理設備が適用されているが（例、韓国登録特許第１０−１５６３０７９号公報など）、従来の処理設備では排ガスが満足できるほど処理されない。特に火力発電所はタービンの運転状態が随時変動され、それにより排ガスの流量、速度、温度などの条件も変わり得、特に、起動時の条件が急激に変わり得るため、これに対する技術的対応が必要であるが、満足できるほどの処理技術の開発はまだ不十分な実情である。

韓国登録特許第１０−１５６３０７９号公報（２０１５．１０．３０）、明細書

本発明の技術的課題は、このような問題を解決するためのものとして、火力発電所の排ガス処理装置を提供するものであり、特に火力発電施設の起動時にも排ガスを効率的に処理できる火力発電所の排ガス処理装置を提供することにある。

本発明の技術的課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の技術的課題は以下の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

本発明による火力発電所の排ガス処理装置は、火力発電所のガスタービン（ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ）の後段に配置されたダクトと前記ガスタービンの間で排ガスの流れを調節して前記ダクトの内壁側に誘導する拡散モジュール部と、前記拡散モジュール部から前記ダクトの内壁側に誘導された排ガスの前記ダクト内の流動区間に設置され、前記ダクトの内壁から突出形成された複数の噴射ノズルと、前記噴射ノズルと連結されて前記ダクトの外部に延びた流体供給管と、前記流体供給管を介して前記噴射ノズルに液状の汚染物質処理用流体を供給する流体供給部を含み、前記拡散モジュール部は、内部に排ガスが通過する外側シリンダ部および前記外側シリンダ部の中心部に挿入されて排ガスを遠心方向に誘導するハブ（ｈｕｂ）を含み、前記噴射ノズルは、前記ハブの外周面で前記ハブの長さ方向に延びた延長線と交差しない。

前記噴射ノズルは前記ダクトを貫いて結合され、一端部は前記ダクトの内部に位置し、他端部は前記ダクトの外部に露出し得る。

前記噴射ノズルは、前記ダクトを貫いて前記ダクトの外部の末端にフランジが形成されたフランジ貫通管の内側に挿入され、少なくとも一部が前記フランジに当接して固定され得る。

前記流体供給管は前記噴射ノズルの前記ダクトの外部に露出した他端部に連結され得る。

前記ダクトは、前記噴射ノズルが突出する平面形状の互いに異なる内壁が連結されて断面が多角形状をなす多角形ダクトからなり得る。

前記噴射ノズルは互いに異なる複数の前記内壁それぞれに少なくとも一つが配列され得る。

前記火力発電所の排ガス処理装置は、前記ハブに排ガスの流動方向を前記ダクトの内壁側に誘導する流れ調節部材をさらに含み得る。

前記噴射ノズルの末端は、前記ハブの外周面で前記ハブの長さ方向に平行に延びた延長線で前記ダクトの内壁に下ろした垂線ａに沿って、前記ダクトの内壁から前記垂線ａの長さの５／６以下で離隔していてもよい。

前記噴射ノズルは、前記ダクトの内壁で前記ダクトの長さ方向に平行に延びた第１延長線と前記ハブの末端で延びて前記第１延長線と垂直に交差する第２延長線の交差点から、前記第１延長線に沿って、前記ハブで前記ダクトの後段部に連結されたダクト拡管までの直線距離ｃの７／８以下で離隔していてもよい。

前記ダクトは一側に振動を緩衝させる緩衝連結部を含み、前記噴射ノズルは前記緩衝連結部の後段に位置し得る。

前記噴射ノズルは、流体吐出口と連結されて汚染物質処理用流体を移送する流体移送路、および前記流体吐出口と連結されず前記流体移送路を囲んで断熱流体を輸送する断熱流路を含み得る。

前記噴射ノズルは、前記流体吐出口と連結されて加圧気体を移送する加圧気体流路をさらに含み得る。

本発明によれば、火力発電所の排ガスを非常に効果的、効率的に処理することができる。特に簡単でかつ便利に排ガスの処理が可能である。このような本発明は特に複合火力発電所で生成されて排出される排ガスに対して卓越した処理効果を発揮することができ、複合火力発電所の起動時点にも卓越した処理効果を発揮することができる。

本発明の一実施例による火力発電所の排ガス処理装置の配置構造を示す図である。 図１の排ガス処理装置の噴射ノズルが設置されるダクト部分のＡ−Ａ’断面図である。 図２の噴射ノズルの設置構造を示す拡大図である。 図１の配置構造の一部を拡大して示す部分拡大図である。 図４の噴射ノズルの内部構造を説明するための断面図である。 図４の噴射ノズルの内部構造を説明するための断面図である。 図４の噴射ノズルの内部構造を説明するための断面図である。 ハブに形成される流れ調節部材の例を示す図である。 図１の排ガス処理装置の作動図である。

本発明の利点および特徴そしてそれらを達成するための方法は、添付する図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すると明確になる。しかし、本発明は、以下で開示する実施例に限定されるものではなく互いに異なる多様な形態で実現することができ、本実施例は、単に本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供するものであり、本発明は単に請求項によってのみ定義される。明細書全体にわたって同一参照符号は同一構成要素を称する。

以下、図１ないし図９を参照して本発明の一実施例による火力発電所の排ガス処理装置（以下、排ガス処理装置）について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例による火力発電所の排ガス処理装置の配置構造を示す図面であり、図２は図１の排ガス処理装置の噴射ノズルが設置されるダクト部分のＡ−Ａ’断面図であり、図３は図２の噴射ノズルの設置構造を示す拡大図であり、図４は図１の配置構造の一部を拡大して示す部分拡大図である。

図１ないし図４を参照すると、本発明の排ガス処理装置１０は火力発電所の排ガスの流れを利用して効果的に排ガス処理が可能であるように構成される。本発明の排ガス処理装置１０はガスタービン（ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ）１と連結された拡散モジュール部２を介してダクト３の内壁側に排ガスの流れを誘導するように形成される。噴射ノズル１１は排ガスが流動する空間内部に架設されるグリッドのような構造を必要とせず、ダクト３の内壁から直接突出しており、ダクト３内の排ガスの流れを妨げずかつ汚染物質処理用流体を排ガスに容易に注入することができる。

特に、噴射ノズル１１が配置されたダクト３内壁の区域は拡散モジュール部２により遠心方向に誘導された排ガスの流れが形成および維持される区域であり、ダクト３内の排ガスが相対的に高濃度で分布する区域である。したがって、このような区域内に配置された噴射ノズル１１で排ガス内の汚染物質処理用流体を集中的に注入することによって、より効果的に排ガス内の汚染物質を処理することができる。このように排ガスの流れを考慮して特定地点で汚染物質処理用流体を集中噴射して処理することによって排ガス全体の処理効率を大きく上昇させることができる。

このような処理構造は、ガスタービン１起動時点にまだ温度が十分に上昇されていない排ガスにも汚染物質処理用流体を集中注入して非常に卓越した処理効果を発揮できるものであり、ガスタービン１の運転状況が随時に変わり、相対的に頻繁に起動する複合火力発電所に特に効果的に適用することができる。すなわち、本発明の処理対象である排ガスは好ましくは複合火力発電所の排ガスであり得、本発明は複合火力発電所のガスタービン１が起動する時点に発生した排ガス処理に特に有用である。特に従来のこのような起動初期に排ガスに含有されて黄煙（ｙｅｌｌｏｗ ｇａｓ）を作り出す原因物質も本発明の処理構造を利用して非常に効果的に処理することができ、複合火力発電所の黄煙などの除去に本発明は非常に有用である。

本発明の一実施例による排ガス処理装置１０は、具体的には次のように構成される。排ガス処理装置１０は、火力発電所のガスタービン１の後段に配置されたダクト３とガスタービン１の間で排ガスの流れを調節してダクト３の内壁側に誘導する拡散モジュール部２、拡散モジュール部２からダクト３の内壁側に誘導された排ガスのダクト３内の流動区間に設置され、ダクト３の内壁から突出形成された複数の噴射ノズル１１、噴射ノズル１１と連結されてダクト３の外部に延びた流体供給管１２、および流体供給管１２を介して噴射ノズル１１に液状の汚染物質処理用流体を供給する流体供給部１３を含む。以下、このような排ガス処理装置１０の具体的な配置構造と各構成部の特徴などについて各図面を参照してより詳細に説明する。

先にガスタービン１、ダクト３、ダクト拡管４、および煙突６からなる排ガスの排気構造と拡散モジュール部２の配置関係について説明する。以下、前段と後段は排ガスの進行方向を基準とした相対的位置であり、図１では排ガスが横方向の右側に進行するので、各構成部に対して右側の末端側方向が後段になる。図１を参照して詳細に説明すると、ガスタービン１は燃料を燃焼させてタービンを回転させて燃焼時発生する排ガスを後段に排出する。ガスタービン１の後段にはダクト３が配置される。ダクト３はガスタービン１の後段に位置するが、ガスタービン１と直接連結されなくてもよい。拡散モジュール部２はガスタービン１とダクト３の間に形成され得る。拡散モジュール部２はガスタービン１から排出された排ガスを流入して圧力を調節して拡散させてダクト３側に排出し得る。拡散モジュール部２は排ガスを通過させて排ガスに遠心方向の速度成分を追加することができ、これによって拡散モジュール部２の後段のダクト３内の壁側に排ガスが誘導され得る。

ダクト３の後段には再びダクト拡管４が連結される。ダクト拡管４は幅が次第に増加する漏斗形状の構造物で後段の排熱回収ボイラ部５と連結される。排熱回収ボイラ部５はダクト３より幅が広い排ガス流動通路を含み、その内部には排ガスの熱エネルギを回収し、回収された熱エネルギを増幅させるための過熱器などが設置されている。排熱回収ボイラ部５の後段には垂直方向に延びた煙突６が連結されており排ガスは煙突６を介して最終排出される。

噴射ノズル１１は拡散モジュール部２からダクト３の内壁側に誘導された排ガスのダクト３内の流動区間に設置される。前述したように拡散モジュール部２は排ガスを流入して圧力を調節して拡散させて排出し、排ガスはこのような過程で遠心方向の速度成分を得て後段に位置したダクト３の内壁側に誘導される。噴射ノズル１１はダクト３の内壁で直接突出形成されるので、このようにダクト３の内壁側に誘導されて形成された高濃度の排ガスの流れに汚染物質処理用流体を直接注入して処理することができる。前記流動区間は拡散モジュール部２によりダクト３の内壁側に誘導された排ガスが流動する空間を意味し、これに制限されるものではないが、好ましくは、後述するハブ２２の外周面でハブ２２の長さ方向に平行に延びた延長線とダクト３の内壁の間に形成された空間であり得る。より好ましくは、ハブ２２の外周面でハブ２２の長さ方向に平行に延びた延長線でダクト３の内壁に下ろした垂線ａ（図４参照）に沿って、ダクト３の内壁から前記垂線ａの長さの５／６以下で離隔し、ダクト３の内壁でダクト３の長さ方向に平行に延びた第１延長線（図４のＬ１参照）とハブ２２の末端で延びて第１延長線と垂直に交差する第２延長線（図４のＬ２参照）の交差点から第１延長線に沿って、ハブ２２でダクト３の後段部に連結されたダクト拡管までの直線距離ｃ（図４参照）の７／８以下で離隔している空間であり得る。

拡散モジュール部２は、内部に排ガスが通過する外側シリンダ部２１および外側シリンダ部２１の中心部に挿入されて排ガスを遠心方向に誘導するハブ（ｈｕｂ）２２を含む構造からなり、ダクト３の内壁側に誘導された排ガスの流れをより容易に形成することができる。外側シリンダ部２１は円形断面を有し得る。外側シリンダ部２１の中心部のハブ２２は排ガスに対して一種の抵抗体として機能して排ガスの流れ方向をハブ２２の外側に変更するので、ハブ２２を通過する間排ガスに遠心方向の速度成分がさらに大きく追加され得る。ハブ２２の長さや直径などは必要に応じて変更することができる。ハブ２２は外側シリンダ部２１に支持台２３で連結されて固定されることができる。

ダクト３は拡散モジュール部２とダクト拡管４の間の配管からなり、一側に振動を緩衝させる緩衝連結部３１を含み得る。噴射ノズル１１は緩衝連結部３１の後段に位置し得る。例えばダクト３は、図面に示すように第１ダクト部３ａ、第２ダクト部３ｂ、および第１ダクト部３ａと第２ダクト部３ｂの間の緩衝連結部３１からなる構造であり得、緩衝連結部３１が振動を吸収して後段への振動の伝播を阻止するように形成された構造であり得る。噴射ノズル１１がこのような緩衝連結部３１の後段に位置することによって噴射ノズル１１はガスタービン１の機械的振動などによる影響を最小化し、かつ正常位置でより円滑に排ガスに汚染物質処理用流体を注入することができる。しかし、必ずしもこのように限定される必要はなく、必要な場合、噴射ノズル１１は緩衝連結部３１の前段あるいは後段などに関係なくダクト３内のどの位置でも設置が可能である。ただし、本実施例では緩衝連結部３１の後段に配置された例を説明するが、必ずしもこれに限定して理解する必要はない。緩衝連結部３１は多様な形態の緩衝装置を含んで形成され得、例えば、ベローズのように振動を吸収するコルゲートチューブのような構造物を含んで形成されることができる。第１ダクト部３ａと第２ダクト部３ｂの大きさは定まったものではなく緩衝連結部３１の位置や配置状態によって大きさや配置状態は適宜変更することができる。例えば、緩衝連結部３１をガスタービン１と近い方に移動させて配置することによって第１ダクト部３ａ側の長さが第２ダクト部３ｂ側よりは短く形成されることができる。

流体供給管１２は噴射ノズル１１と連結されてダクト３の外部に延びる。流体供給管１２はダクト３の外部の流体供給構造からダクト３に結合された噴射ノズル１１に汚染物質処理用流体を供給できる多様な形態に構造化することができる。したがって、図面に示すような流体供給管１２の形成方式は例示的なものであるため、流体供給管１２の形態をこれに限定して理解する必要はない。流体供給管１２には流体を流動させるポンプ１２ａと管路を開閉して流出入を制御する制御弁１２ｂなどを含む流体制御構造も多様な形態で形成されることができる。例えばポンプ１２ａは定量注入が可能な定量ポンプなどを含み得、制御弁１２ｂは流出入制御が可能な遮断弁、逆流を防止するチェック弁、圧力調節が可能なＰＲＶ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｖａｌｖｅ）などのような多様な形態の弁構造を一つまたは一つ以上組み合わせて形成することができ、その他追加的に弁を設置することも可能である。また、弁の位置も必要に応じて変更して流体を導入するメイン管路や各噴射ノズル１１に分岐される分岐管などに必要なだけ設置することができる。

流体供給部１３は流体供給管１２を介して噴射ノズル１１に液状の汚染物質処理用流体を供給する。流体供給部１３は汚染物質処理用流体を貯蔵する貯蔵所であり得、例えば流体貯蔵タンクのような構造物を含み得る。流体供給部１３には液状の汚染物質処理用流体が貯蔵されて流体供給管１２に供給され得る。汚染物質処理用流体は排ガス内の多様な汚染物質（例、窒素酸化物、硫黄酸化物など）を処理可能な物質であり得る。汚染物質の種類によって前記物質も変わり得、前記物質は単一物質であるかまたは一つ以上の物質が混合されたものであり得る。このような汚染物質処理用流体をダクト３の内壁に突出形成された噴射ノズル１１で噴射することによってダクト３の内壁側に誘導された排ガスにより効果的に注入することができる。

汚染物質処理用流体は、例えば、排ガス内の窒素酸化物を還元させる液状の還元剤であり得、特にガスタービン１の起動初期に生成されて排ガス内に含有され得る二酸化窒素のような黄煙の原因物質を還元させて処理するものであり得る。汚染物質処理用流体は例えば、非窒素系還元剤であり得、二酸化窒素を一酸化窒素に還元させて処理することによって黄煙を低減できるものであり得る。汚染物質処理用流体は、一分子内に水酸（ＯＨ）基、エーテル基、アルデヒド基、またはケトン基を一つ以上含む炭化水素、含酸素炭化水素、および炭水化物の中から選択された一つ以上であり得、液状であり得る。より好ましくは汚染物質処理用流体は、エタノール（Ｅｔｈａｎｏｌ）、エチレングリコール（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）、およびグリセリン（Ｇｌｙｃｅｒｉｎ）の中から選択された一つ以上であり得、液状であり得る。しかし、このように限定される必要はなく、汚染物質処理用流体は状況によってアンモニアのような窒素系還元剤を含むこともできる。

噴射ノズル１１は図２に示すようにダクト３を貫いて結合される。噴射ノズル１１の一端部はダクト３の内部に位置し、他端部はダクト３の外部に露出し得る。すなわち、噴射ノズル１１は前述したようにダクト３の内部で排ガス流動を妨げる構造物などの助けを受けずダクト３を貫いて非常に簡便な方式で設置が可能である。汚染物質処理用流体を供給する流体供給管１２は噴射ノズル１１のダクト３の外部に露出した他端部に連結され得る。

噴射ノズル１１は図３に示すような構造で非常に便利に設置されることができる。噴射ノズル１１は例えば、ダクト３を貫いてダクト３の外部の末端にフランジが形成されたフランジ貫通管１１４の内側に挿入され、少なくとも一部がフランジに当接して固定され得る。例えば、噴射ノズル１１の本体１１１の周囲に結合フランジ１１２を突出させて形成して結合フランジ１１２をフランジ貫通管１１４のフランジ［図３のフランジ貫通管１１４のダクト３の外側末端に形成された折り曲げ部］に当接するようにして固定させ得る。この時、結合フランジ１１２とフランジ貫通管１１４のフランジが直接当接するようにする代わりにその間にガスケット１１３を挿入して隙間を埋めて緩衝も可能な構造で形成することもできる。このような構造により、図３の（ａ）のように噴射ノズル１１をフランジ貫通管１１４に挿入して非常に便利に固定することができ、また、図３の（ｂ）のようにフランジ貫通管１１４から引き出して非常に便利に分離することができる。噴射ノズル１１の固定時には例えばボルトやナットのような着脱が可能な結合部材（図示せず）などを使用し得、その他にも突起と溝のような構造を形成して固定性を高めることも可能である。このような構造で噴射ノズル１１をダクト３に非常に便利に設置することができる。

ダクト３は噴射ノズル１１が突出する平面形状の互いに異なる内壁が連結されて断面が多角形状をなす多角形ダクトからなる。しかし、必ずしもこれに限定される必要はなくダクト３は円形断面を有する形状に形成されてもよい。ただし、本実施例では多角形ダクトである場合を例として説明し、このような場合は下記のような特徴を追加的に有することができる。しかし、本実施例は一つの例であるため、他の実施例でダクト３の形状は必要に応じて異なる形状にいくらでも変更が可能である。ダクト３は円形断面を有する外側シリンダ部２１の最大直径より幅が広くてもよい。例えば、図２に示すように外側シリンダ部２１の最大直径より幅が広く拡張された四角形状のダクトで形成され得る。噴射ノズル１１はこのようなダクト３の互いに異なる複数の内壁それぞれに少なくとも一つが配列され得る。しかし、ダクト３の形状が図面に示す形状に限定される必要はなく、噴射ノズル１１の配列も図面に示したものに限定される必要はない。必要に応じて四角形状でない他の多角形形状を有するダクト３も可能であり、ダクト３の形状や配置によって噴射ノズル１１の配列もいくらでも変えることができる。例えば、噴射ノズル１１は排ガスの流速分布などを考慮して互いに異なる内壁それぞれに設置された個数や互いに隣接するノズル間の間隔などを適宜変えることができる。

噴射ノズル１１は図２に示すようにハブ２２を見る方向にハブ２２と重ならないように形成されることができる。すなわち前述したように、拡散モジュール部２は外側シリンダ部２１の中心部に挿入されたハブ２２を含み、噴射ノズル１１はハブ２２の外周面でハブ２２の長さ方向に延びた延長線と交差しなくてもよい（図４参照）。以下、図４を参照して噴射ノズル１１の配置構造についてさらに詳細に説明する。

図４を参照すると、噴射ノズル１１の末端は、ハブ２２の外周面でハブ２２の長さ方向に平行に延びた延長線でダクト３の内壁に下ろした垂線ａに沿って、ダクト３の内壁から垂線ａの長さの５／６以下で離隔していてもよい。このような範囲に噴射ノズル１１の末端位置を設定することによってダクト３の内壁側に誘導された排ガスの流れ上に噴射ノズル１１の末端をより正確に位置させることができ、したがって、ダクト３の内側に誘導された排ガスの流れに汚染物質処理用流体をより効果的に注入して混合することが可能である。これは実験例から確認される。このような噴射ノズル１１の配置は前述したようにハブ２２の外周面でハブ２２の長さ方向に延びた延長線と交差しない限度内でなされるものであって、噴射ノズル１１の末端位置は上記した範囲の内で適宜調整されることができる。

また、噴射ノズル１１は、ダクト３の内壁でダクト３の長さ方向に平行に延びた第１延長線Ｌ１とハブ２２の末端で延びて第１延長線Ｌ１と垂直に交差する第２延長線Ｌ２の交差点から、第１延長線Ｌ１に沿って、ハブ２２でダクト３の後段部に連結されたダクト拡管４までの直線距離ｃの７／８以下で離隔していてもよい。噴射ノズル１１はダクト３内に位置する限度内で上記した範囲内に位置が適宜調整されることができる。すなわち、噴射ノズル１１は末端の位置だけでなくその全体の設置位置も調整されることができる。前記範囲内でダクト３の内側に誘導された排ガスの流れに汚染物質処理用流体をより効果的に注入して混合することが可能であり、これもまた実験例からも確認される。実験例については詳細に後述する。

以下、図５ないし図７を参照して噴射ノズルの内部構造についてより詳細に説明する。図５ないし図７は図４の噴射ノズルの内部構造を説明するための断面図である。各断面図は流体吐出口が形成された噴射ノズルの末端部を示すものであり、図面の各例で左側には縦断面図を右側には横断面図を共に配置して流路構造などの確認が容易であるようにした。

このような噴射ノズル１１は図５ないし図７に示すような流路構造が内部に形成されることができる。噴射ノズル１１は末端の流体吐出口１１ｄと連結されて汚染物質処理用流体Ｆを移送する流体移送路１１ａ、および流体吐出口１１ｄと連結されず流体移送路１１ａを囲んで断熱流体Ｈを収容する断熱流路１１ｃを含み得る。したがって、断熱流路１１ｃの断熱作用で汚染物質処理用流体Ｆが排ガスの高熱によって気化されず噴射ノズル１１の内部に安全に移動して排出されるようにすることができる。以下、このような流路構造の例をさらに詳細に説明する。

噴射ノズル１１は例えば、図５の（ａ）、（ｂ）に示すように形成されることができる。噴射ノズル１１は汚染物質処理用流体Ｆを流動させる流体移送路１１ａと、断熱流体Ｈを流動させて流体移送路１１ａを囲んで形成される断熱流路１１ｃを含んで末端に流体移送路１１ａと連通される流体吐出口１１ｄが形成されることができる。断熱流体Ｈは汚染物質処理用流体の蒸発を防ぐためのものであり得る。例えば、図面に示すように中央に流体移送路１１ａが配置され、流体移送路１１ａの周囲に断熱流路１１ｃが配置されて流路が同心円状の構造をなすことができる。噴射ノズル１１は多重の流路構造により汚染物質処理用流体を内部に位置させて保護して外部の高熱は遮断することができ、したがって、汚染物質処理用流体がノズルの内部で蒸発するなどの問題を効果的に解決することができる。すなわち、ガスタービンに直接連結された拡散モジュール部の後段で排ガスは相対的に非常に高温であり得るので、このようなノズル構造を利用して排ガスの熱によってノズルの内部の汚染物質処理用流体が吐出される前に蒸発するなどの問題を円滑に解決することができる。

このような噴射ノズル１１は、図５の（ａ）のように断熱流路１１ｃの末端が流体吐出口１１ｄの周辺に開口された構造で形成されることもでき、図５の（ｂ）のように断熱流路１１ｃの一側と他側に断熱流体Ｈを流出入して循環させる構造で形成されることもできる。断熱流体Ｈは気体または液体で形成され得、断熱流体Ｈが気体である場合、図５の（ａ）のような構造がより効果的であり得る。すなわち、断熱流体Ｈとして空気などの気体を使用することができ、これを断熱流路１１ｃの内部に持続的に通過させて排出することによって外部の熱が内部まで到達できないように効果的に断熱させることができる。また、断熱流体Ｈが水など液体で形成された場合には図５の（ｂ）のように断熱流路１１ｃの一側と他側に断熱流体Ｈを入出する流路を開設し、断熱流体Ｈが断熱流路１１ｃの内部に循環した後排出されるように構成することができる。特に、このような構造で後述する加圧気体などを活用せずとも、噴射ノズル１１で液状の汚染物質処理用流体を噴射して排ガス内に効果的に注入することができる。ただし、本発明の噴射ノズル１１の構造がこれに制限される必要はないので、必要に応じて適用が可能である他の構造についても追加的に説明する。

一方、必要に応じて噴射ノズル１１は流体吐出口１１ｄと連結されて加圧気体Ｇを移送する加圧気体流路１１ｂをさらに含むこともできる。このような場合、汚染物質処理用流体を微粒子形態の泡沫に形成して噴射させることもできる。このような場合、噴射ノズル１１は図６の（ａ）、（ｂ）に示すように、汚染物質処理用流体Ｆを流動させる流体移送路１１ａと、断熱流体Ｈを流動させて流体移送路１１ａを囲んで形成される断熱流路１１ｃと、加圧気体Ｇを流動させる加圧気体流路１１ｂを含んで末端に流体移送路１１ａと加圧気体流路１１ｂと連通される流体吐出口１１ｄが形成されることができる。好ましくは、流体移送路１１ａと断熱流路１１ｃの間に加圧気体流路１１ｂが配置されることができ、図面に示すように加圧気体流路１１ｂは流体移送路１１ａの外周部の周囲に配置されることができる。例えば、図面に示すように中央に流体移送路１１ａが配置され、流体移送路１１ａの周囲に加圧気体流路１１ｂおよび断熱流路１１ｃが順に配置されて流路は同心円状の構造をなすことができる。

図面に示していないが、コンプレッサおよびコンプレッサと連結された供給ラインなどを噴射ノズル１１と連結させて加圧気体Ｇや断熱流体Ｈの供給を受けることができる。断熱流体Ｈは例えば空気あるいは水であり得、加圧気体Ｇは例えば、圧縮空気であり得る。断熱流体Ｈは液体または気体であり得る。断熱流体Ｈを気体で形成する場合、このようなコンプレッサを活用することができる。断熱流体Ｈが液体である場合には追加的に循環用ポンプなどを連結して使うことができる。

このような噴射ノズル１１は、図７に示すような形態で流路の配置や構造が多様に変形されることもできる。例えば、図７の（ａ）のように流体移送路１１ａは加圧気体流路１１ｂの外周部の周囲に配置され得る。すなわち、流路を同心円状の構造で形成するが、中央に加圧気体流路１１ｂを配置し、その周囲に流体移送路１１ａを配置し、再び流体移送路１１ａを囲む形態に断熱流路１１ｃを形成することができる。また、図７の（ｂ）、（ｃ）のように流路は同心円状の構造でない形態に形成されることもでき、このような場合、例えば、図７の（ｂ）のように加圧気体流路１１ｂは流体移送路１１ａと離隔し、断熱流路１１ｃが加圧気体流路１１ｂも囲み得る。すなわち、断熱流路１１ｃを特定形態に限定されず噴射ノズル１１の内部空間を広く活用して互いに離隔された流体移送路１１ａと加圧気体流路１１ｂ全体を囲む形態の断熱流路１１ｃを形成することができる。また、例えば、図７の（ｃ）のように加圧気体流路１１ｂは流体移送路１１ａと離隔し、加圧気体流路１１ｂを囲む追加断熱流路１１ｃ’を形成することができる。すなわち、噴射ノズル１１の内部空間を利用して互いに離隔された流体移送路１１ａおよび加圧気体流路１１ｂそれぞれの外周部を囲む断熱流路１１ｃおよび追加断熱流路１１ｃ’をそれぞれ形成することができる。この時、断熱流体Ｈを流出入して循環させる構造を断熱流路１１ｃと追加断熱流路１１ｃ’にそれぞれ形成することができる。このように様々な形態で汚染物質処理用流体Ｆ、加圧気体Ｇ、断熱流体Ｈなどが内部を流動するノズル構造を形成してノズル内の断熱流体Ｈを利用して外部高熱を遮断することができる。これにより汚染物質処理用流体などがノズル内部で蒸発するなどの問題も非常に効果的に解決することができる。

以下、図８を参照してハブに形成可能な流れ調節部材についてより詳細に説明する。図８はハブに形成される流れ調節部材の例を示す図である。
前述したハブ２２には図８に示すような流れ調節部材２２１が形成され得る。すなわち、ハブ２２に排ガスの流動方向をダクト３の内壁側に誘導する流れ調節部材２２１を追加で形成することができる。流れ調節部材２２１は排ガスの流れをガイドして後段で遠心方向の速度成分が強化されるように形成できるものとして、様々な多様な形態で実現することができる。例えば、曲面形状の板材や流体ガイド面が外面に形成されているブロック形状の構造物などで形成することも可能である。したがって、図面に示す流れ調節部材２２１は一つの例であり、このように限定して理解する必要はない。流れ調節部材２２１の大きさと配置状態、形状などは排ガスの流れなどを考慮して適宜変更することができる。

以下、図９を参照して排ガス処理装置の作動過程について説明する。図９は図１の排ガス処理装置の作動図である。

このような本発明の排ガス処理装置１０は図９に示すように作動する。ガスタービン１が駆動されると、排ガスＥが放出され、これは後段の拡散モジュール部２を通過して流れが調整される。すなわち、前述したように拡散モジュール部２を通過する間排ガスＥは遠心方向速度を得て後段のダクト３の内壁に誘導される。特に拡散モジュール部２の中央に挿入されたハブ２２は外側シリンダ部２１に向かう放射状の流れを作ってダクト３の内壁側に向かう排ガスＥの流れをより効果的に誘導することができる。

ガスタービン１が駆動される間排ガスＥは、このような過程を経てダクト３の内壁側に持続的に誘導され、したがってダクト３の内壁に沿って進行する高濃度の排ガスの流れが形成される。このようにダクト３の内壁に誘導された排ガスＥの流れにダクト３の内壁で突出した噴射ノズル１１を利用して汚染物質処理用流体Ｆを集中的に注入する。汚染物質処理用流体Ｆは流体供給部１３に液状で貯蔵されてから流体供給管１２を介して各噴射ノズル１１に供給されて噴射ノズル１１の末端に吐出されて排ガスＥに直ちに注入される。特にダクト３の内壁に持続的に誘導されて形成された高速流動する高濃度の排ガスＥの流れに液状の汚染物質処理用流体Ｆを集中的に注入するので、汚染物質処理用流体Ｆと排ガスＥの混合率を大きく増加させることができ、汚染物質処理用流体Ｆを別に気化させるなどの過程を経ずとも排ガスＥと汚染物質処理用流体Ｆを混合させて効果的に汚染物質を処理することができる。また、ダクト３の内壁側に形成された高濃度の排ガスＥの流れに集中的に汚染物質処理用流体を注入して処理するので、排ガスＥ全体の汚染物質の濃度を大幅に下げることによって最終排出される排ガスＥも排出基準に符合させることができる。このように処理された排ガスＥをダクト３後段のダクト拡管４、排熱回収ボイラ部５、煙突６を順に通過させて残っている廃熱を回収して外部に排出させることができる。

以下、いくつかの実験例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。以下、各実験例の説明時に前述した構成部については別途の符号を併記せず指称して説明する。

＜実験例１＞複合火力発電所の排ガス処理実験
複合火力発電所に図１のような排ガス処理装置を設置して噴射ノズルを利用してエタノール系液状還元剤を３００Ｌ／ｈｒの量で注入して煙突でのＮＯ２濃度を測定した。この時、ダクト内の噴射ノズル位置はハブから前述した直線距離ｃの３／８に該当する位置にあるようにし、噴射ノズルの末端位置はダクトの内壁から前述した垂線ａの１／６に該当する位置にあるようにした。液状還元剤の注入はガスタービンの点火と同時に始め、ガスタービン点火後の時間変化に応じたガスタービンの出力変化を共に測定した。同一条件でガスタービンを運転して同一時間帯に還元剤注入前の煙突のＮＯ２濃度と、還元剤注入後の煙突のＮＯ２濃度を測定して比較した。測定結果を表１に示した。

表１のように、運転時間に関係なく還元剤注入後の煙突でのＮＯ２濃度は０〜３ｐｐｍで黄煙が全く観察されない濃度で示された。したがって、本発明によって複合火力発電所で特に問題になる黄煙などを効果的に処理できることがわかる。特に、ガスタービンの起動初期にも黄煙（気象状態によって一時的にでも観察される黄煙を含む）の処理が可能であることがわかり、ガスタービンの起動初期に相対的に低い温度条件で液状の汚染物質処理用流体を気化によって均などに分散させることが難しいため汚染物質の処理が難しい運転条件でも、本発明によれば容易に汚染物質を処理できることがわかる。これは、本発明によってダクト内の汚染物質処理用流体が処理対象に円滑に混合されたからであると判断される。以下ではダクト内の噴射ノズルの位置と噴射ノズル末端の位置変化に応じた汚染物質処理用流体分布の変化を確認することによって混合に及ぼす影響とそれに伴う排ガス処理に及ぼす影響を把握しようとした。

＜実験例２＞ダクト内噴射ノズルの位置変化に応じたダクト後段の汚染物質処理用流体の分布変化の確認
ダクト内噴射ノズルの位置変化に応じた汚染物質処理用流体の混合分布変化を確認するために次のように実験した。図１ないし図４のようなダクトの内部で噴射ノズルでアンモニア水を噴射させ、ダクトの後段に連結されたダクト拡管側でアンモニアの濃度分布を測定した。この時、ガスタービンの位置で起動時ガスタービンから流出する流体条件を模写した空気を注入した。噴射ノズルはダクトの横断面上に図２に示すように配置するが、ダクトの長さ方向に沿って前述した図４の直線距離ｃに対する一定比率でハブから離隔した距離を増加させて実験を行った。噴射ノズル末端の位置はダクトの内壁から前述した垂線ａの３／６位置にあるように維持した。ダクト拡管の末端（ダクト拡管と排熱回収ボイラが連結される地点）部にダクトの内部に接近可能な穴を形成し、前記穴を介して検知装置を挿入してダクト拡管の末端部の上部側３地点、中央側３地点、下部側３地点の合計９地点でアンモニア濃度を測定し、測定結果から下記表１のように上部側３地点の平均濃度とその標準偏差、中央側３地点の平均濃度とその標準偏差、下部側３地点の平均濃度とその標準偏差、および全体９地点の全体平均濃度とその標準偏差を算出した。噴射ノズルから噴射されるアンモニア水は測定部でアンモニア濃度が理論値として濃度７±１ｐｐｍになるように調節した。その結果、下記表２のような結果値を得た。

表２のように、噴射ノズルのダクト内の位置がハブから直線距離ｃに対して７／８を超える位置にある場合、前記９地点全体平均濃度の標準偏差が大きく上昇することが確認された。したがって、このような場合、汚染物質処理用流体が均一に排ガス内に混合されないと予想することができる。これは下部側平均濃度、中央側平均濃度、上部側平均濃度が互いに大きな差があることに起因すると解釈することができ、したがって、ダクト内噴射ノズルの位置はハブから直線距離ｃに対する７／８以内にあることが好ましいことがわかる。特に汚染物質処理用流体と排ガスの均一な混合は排ガスの処理率に直接的な影響を及ぼさざるを得ないので、噴射ノズルのダクト内位置をハブから直線距離ｃに対する７／８以内にあるようにすることによって、排ガスと汚染物質処理用流体の均一な混合を誘導して排ガスの安定した処理も可能であることがわかる。

＜実験例３＞噴射ノズルの末端位置変化に応じたダクト後段の汚染物質処理用流体の分布変化の確認
噴射ノズルの末端位置変化に応じた汚染物質処理用流体の分布変化を確認するために次のように実験した。具体的には、前記実験例２の条件中、噴射ノズルのダクト内位置をハブから直線距離ｃに対する３／８位置にあるように固定させ、噴射ノズルの末端位置を垂線ａに対する一定比率に変化させる方式で条件を変更して実験を行った。噴射ノズルから噴射されるアンモニア水は測定部でアンモニア濃度が理論値として濃度８±１ｐｐｍになるように調節したことを除いた他の実験条件は同一に維持した。これにより下記表３のような結果値を得た。

表３のように、噴射ノズルの末端位置がダクトの内壁から垂線ａに対して５／６を超える位置にある場合、前記９地点全体平均濃度の標準偏差が大きく上昇することが確認された。したがって、このような場合にも汚染物質処理用流体が均一に排ガス内に混合されないと予想することができる。これは下部側平均濃度、中央側平均濃度、上部側平均濃度が同様に互いに大きな差があることに起因すると解釈することができ、したがって、噴射ノズルの末端位置はダクトの内壁から垂線ａに対する５／６以内にあることが好ましいということがわかる。特に汚染物質処理用流体と排ガスの均一な混合は排ガスの処理率に直接的な影響を及ぼさざるを得ないので、噴射ノズルの末端位置をダクトの内壁から垂線ａに対する５／６以内にあるようにすることによって、排ガスと汚染物質処理用流体の均一な混合を誘導して排ガスの安定した処理も可能であることがわかる。

実験例２と３の結果を整理すると、噴射ノズルのダクト内の位置はハブから直線距離ｃに対する７／８以内、噴射ノズルの末端位置はダクトの内壁から垂線ａに対する５／６以内で排ガス処理がより効果的であることがわかる。

以上、添付する図面を参照して本発明の実施例について説明したが、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更せず他の具体的な形態で実施できることを理解することができる。したがって、上記一実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的なものではないと理解しなければならない。

本発明は、火力発電所の排ガスを非常に効果的、効率的に処理するために使用されることができ、したがって、本発明は複合火力発電所で生成されて排出される排ガスに対して卓越した処理をする利点があり、産業上利用可能性がある。

１ ガスタービン
２ 拡散モジュール部
３ ダクト
３ａ 第１ダクト部
３ｂ 第２ダクト部
４ ダクト拡管
５ 排熱回収ボイラ部
６ 煙突
１０ 排ガス処理装置
１１ 噴射ノズル
１１ａ 流体移送路
１１ｂ 加圧気体流路
１１ｃ 断熱流路
１１ｃ’ 追加断熱流路
１１ｄ 流体吐出口
１２ 流体供給管
１２ａ ポンプ
１２ｂ 制御弁
１３ 流体供給部
２１ 外側シリンダ部
２２ ハブ
２３ 支持台
３１ 緩衝連結部
３２ 収容溝
１１１ 本体
１１２ 結合フランジ
１１３ ガスケット
１１４ フランジ貫通管
２２１ 流れ調節部材
Ｅ 排ガス
Ｆ 汚染物質処理用流体
Ｇ 加圧気体
Ｈ 断熱流体

Claims (12)

1. 火力発電所のガスタービン（ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ）の後段に配置されたダクトと前記ガスタービンの間で排ガスの流れを調節して前記ダクトの内壁側に誘導する拡散モジュール部と、
   前記拡散モジュール部から前記ダクトの内壁側に誘導された排ガスの前記ダクト内の流動区間に設置され、前記ダクトの内壁から突出形成された複数の噴射ノズルと、
   前記噴射ノズルと連結されて前記ダクトの外部に延びた流体供給管と、
   前記流体供給管を介して前記噴射ノズルに液状の汚染物質処理用流体を供給する流体供給部とを含み、
   前記拡散モジュール部は、内部に排ガスが通過する外側シリンダ部および前記外側シリンダ部の中心部に挿入されて排ガスを遠心方向に誘導するハブ（ｈｕｂ）を含み、
   前記噴射ノズルは、前記ハブの外周面で前記ハブの長さ方向に延びた延長線と交差しない、火力発電所の排ガス処理装置。
2. 前記噴射ノズルは前記ダクトを貫いて結合され、一端部は前記ダクトの内部に位置し、他端部は前記ダクトの外部に露出する、請求項１に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
3. 前記噴射ノズルは、前記ダクトを貫いて前記ダクトの外部の末端にフランジが形成されたフランジ貫通管の内側に挿入され、少なくとも一部が前記フランジに当接して固定される、請求項２に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
4. 前記流体供給管は、前記噴射ノズルの前記ダクトの外部に露出した他端部に連結された、請求項２に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
5. 前記ダクトは、前記噴射ノズルが突出する平面形状の互いに異なる内壁が連結されて断面が多角形状をなす多角形ダクトからなる、請求項１に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
6. 前記噴射ノズルは互いに異なる複数の前記内壁それぞれに少なくとも一つが配列される、請求項５に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
7. 前記ハブに排ガスの流動方向を前記ダクトの内壁側に誘導する流れ調節部材をさらに含む、請求項１に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
8. 前記噴射ノズルの末端は、前記ハブの外周面で前記ハブの長さ方向に平行に延びた延長線で前記ダクトの内壁に下ろした垂線ａに沿って、前記ダクトの内壁から前記垂線ａの長さの５／６以下で離隔している、請求項１に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
9. 前記噴射ノズルは、前記ダクトの内壁で前記ダクトの長さ方向に平行に延びた第１延長線と前記ハブの末端で延びて前記第１延長線と垂直に交差する第２延長線の交差点から、前記第１延長線に沿って、前記ハブで前記ダクトの後段部に連結されたダクト拡管までの直線距離ｃの７／８以下で離隔している、請求項１に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
10. 前記ダクトは一側に振動を緩衝させる緩衝連結部を含み、前記噴射ノズルは前記緩衝連結部の後段に位置する、請求項１に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
11. 前記噴射ノズルは、流体吐出口と連結されて汚染物質処理用流体を移送する流体移送路、および前記流体吐出口と連結されず前記流体移送路を囲んで断熱流体を輸送する断熱流路を含む、請求項１に記載の火力発電所の排ガス処理装置。
12. 前記噴射ノズルは、前記流体吐出口と連結されて加圧気体を移送する加圧気体流路をさらに含む、請求項１１に記載の火力発電所の排ガス処理装置。

Images