JP3676032B2 - 排煙処理設備及び排煙処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも排煙の脱硝処理及び脱硫処理を行う排煙処理技術に係わり、特に設備の小型化及び高性能化が実現される排煙処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、火力発電所のボイラ等より生じる排煙中から、窒素酸化物、硫黄酸化物（主に亜硫酸ガス）及びフライアッシュ等の粉塵を除去する排煙処理設備或いは排煙処理方法としては、例えば図９及び図１０に示すものが普及している。以下、この排煙処理技術について説明する。
【０００３】
図９に示すように、ボイラ本体（図９では省略）から排出された未処理排煙Ａは、まずボイラハウス１内に配設された脱硝装置２に導入され、排煙中の窒素酸化物が分解処理される。脱硝装置２は、触媒を用いてアンモニア接触還元法により窒素酸化物を分解するもので、従来ここでは、脱硝当量と同程度の量のアンモニアＢが排煙中に注入され、この脱硝装置２の後流側にスリップするアンモニアは５ｐｐｍ程度で極めて僅かであった。
【０００４】
次に排煙は、やはりボイラハウス１内に設置されたエアヒータ３（熱交換器）に導入され、ここで熱回収されて、この熱でボイラ本体に供給される空気Ｃが加熱される。なお従来、このエアヒータ３としては、いわゆるユングストローム型の熱交換器が使用されていた。
このエアヒータ３を出た排煙は、その後、煙道４によりボイラハウス１から導出され、ボイラハウス１の外に設置された乾式の電気集塵機５に導かれ、ここで排煙中の粉塵が捕集除去される。
【０００５】
なお、重油焚きボイラ等の場合には、排煙中の三酸化硫黄（ＳＯ₃）を硫安（(ＮＨ₄)₂ＳＯ₄）として電気集塵機５で捕集するために、煙道４においてもアンモニアが排煙中に注入される場合がある。一方、石炭焚きボイラの場合には、排煙中にフライアッシュ等の多量の粉塵が存在するために、排煙中のＳＯ₃が有害なミスト（サブミクロン粒子）とならずにこの粉塵粒子に凝結した状態で電気集塵機５や後述の吸収塔８で捕集される。このため、石炭焚きボイラの場合には、この煙道４におけるアンモニア注入は省略されるのが、一般的である。
【０００６】
次に、電気集塵機５を出た排煙は、煙道６によりガスガスヒータの熱回収部７（熱交換器）に導かれ、ここで熱回収された後、脱硫装置の吸収塔８に導入される。吸収塔８は、石灰石等の吸収剤が懸濁した吸収液（以下、吸収剤スラリという。)と排煙を気液接触させて、排煙中の主にＳＯ₂を吸収剤スラリ中に吸収するとともに、残りの粉塵も吸収剤スラリ中に捕集するものである。なお、吸収塔８の底部のタンクでは、ＳＯ₂を吸収したスラリが酸化され、中和反応を含む以下のような反応により、石膏が副生される。
【０００７】
【化１】
（吸収搭）
ＳＯ₂ ＋Ｈ₂Ｏ → Ｈ⁺ ＋ＨＳＯ₃ ^- （１）
（タンク）
Ｈ⁺ ＋ＨＳＯ₃ ^- ＋１／２Ｏ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ＳＯ₄ ^2- （２）
２Ｈ⁺ ＋ＳＯ₄ ^2- ＋ＣａＣＯ₃ ＋Ｈ₂Ｏ→ ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ ＋ＣＯ₂ （３）
【０００８】
次いで、脱硫装置の吸収塔８でＳＯ₂等を除去された排煙は、ガスガスヒータの再加熱部９において、熱回収部７で回収された熱により大気放出に好ましい温度に加熱された後、煙道１０、ファン１１及び煙道１２を経由して、煙突本体１３の下部に導入され、最終的にはこの煙突本体１３の上端開口より、処理後排煙Ｄとして大気に放出される。ここでファン１１は、設備の圧力損失に対抗して排煙を圧送し、最終的に煙突本体１３より大気放出させるためのもので、従来はモータ１１ａが本体とは別置きになっていた。なお同様の目的で、吸収塔８の前流側に同様のファンがもう１台設置される場合もある。
【０００９】
またここで、煙突本体１３の地上からの必要高さＬは、大気放出の規制を遵守すべく、処理後排煙Ｄ中に残留する窒素酸化物や硫黄酸化物の濃度、さらには粉塵の濃度などにより一義的に設定されるものである。例えば、従来の性能（脱硝率及び脱硫率が８０％強程度）では、１５０ＭＷクラスの発電プラントで、一般的にＬ＝１５０ｍ程度とする必要があった。またこの場合、煙突本体１３を支持補強する架構１４も含めると、煙突の設置に必要な地表スペースは、通常１辺Ｗが３８ｍ程度となる。
【００１０】
なお図１０は、ボイラからエアヒータ３までの構成を、ブロック図として示したものである。この図１０において、符号１ａで示すものがボイラであり、符号２ａで示すものは脱硝装置の脱硝触媒、符号２ｂで示すものは脱硝装置のアンモニア分解触媒である。ここで、アンモニア分解触媒２ｂは、後流にスリップするアンモニアをなくすためのものであるが、通常のアンモニア注入量の場合には前述したようにスリップするアンモニアが極めて僅かであるため設けられない。また前述したように、エアヒータ３としては、ユングストローム型の熱交換器が使用されていたため、図１０に点線で示すように、供給された空気Ｃの一部（排煙の量に対して５％程度）はここで排煙側に漏れており、また同時に、排煙の一部（１％程度）は空気Ｃ側に漏れていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような従来の排煙処理では、大型で高コストな設備が問題となっていた。特に、開発途上国や小規模発電事業等の市場では、設置面積や煙突高さの低減に加え、大幅な低コスト化が強く要望されていた。
【００１２】
すなわち従来は、ボイラハウス１から煙突１３までの間に、電気集塵機５、吸収塔８、ファン１１といった設備を水平方向に並べて設置し、これら設備間を煙道４，６，１０，１２で接続するといった配置構成であったため、ボイラハウス１から煙突１３までの間に多大なスペースが必要になり、また複数の煙道やそのための支持部材が多数必要になりコストが嵩んでいた。
【００１３】
また、煙突高さや煙突の設置スペースについては、前述したように、処理後排煙Ｄ中に残留する窒素酸化物や硫黄酸化物の濃度等に応じて一義的に決定されるので、この煙突を小型化するためには、結局設備の性能を向上させる必要があり、これも従来の構成では困難であった。例えば、脱硫率向上については、単純に吸収塔８を大型化して気液接触容量を増やす等の手段が考えられるが、小型化の要望に反することになり、限界がある。
【００１４】
また、脱硝装置２における脱硝率を向上させるためには、単純にアンモニアの注入量を増やすことが考えられるが、この場合従来では、後流にスリップするアンモニアをなくすためアンモニア分解触媒２ｂを設けていたから、その分コストアップになる。なおこの場合、アンモニア分解触媒２ｂを設けなければ、アンモニアが後流にスリップして以下のような弊害がある。
【００１５】
すなわち、排煙中にアンモニアが残留していると、以下の反応式（４）の反応により付着性の高い酸性硫安（ＮＨ₄ＨＳＯ₄）が生じる。そして、この酸性硫安の露点はこの種の装置における通常の条件で２３０℃程度であり、一方通常のエアヒータでは、排煙が３５０℃程度から１３０℃程度まで冷却される。このため、脱硝装置２の後流の排煙中にアンモニアが残留している場合には、特にこのエアヒータにおいて多量の酸性硫安（ＮＨ₄ＨＳＯ₄）が発生することになるが、発明者らの研究によれば従来のユングストローム型のエアヒータでは、この酸性硫安がエアヒータ内部の蓄熱体の隙間に詰り易く、頻繁に清掃等のメンテナンス作業が必要になることが分った。
【００１６】
【化２】
ＳＯ₃ ＋ＮＨ₃ ＋Ｈ₂Ｏ → ＮＨ₄ＨＳＯ₄ （４）
【００１７】
そこで本発明は、第１に、設備の配置構成が改善されて設備の小型化及び低コスト化が実現される排煙処理設備を提供することを目的としている。
また第２に、排煙処理の性能向上が図られるとともに、これにより設備の小型化等が実現される排煙処理方法を提供することを目的としている。
【００１８】
また第３に、上記設備の小型化や性能向上等が、メンテナンス性の悪化を伴うことなく達成できる排煙処理方法を提供することを目的としている。
【００１９】
また第４に、設備の配置構成が改善され、かつ排煙処理の性能向上が図られて、煙突の小型化を含む大幅な設備の小型化及び低コスト化が実現できる排煙処理方法を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の排煙処理方法は、少なくとも窒素酸化物及び硫黄酸化物を含む排煙に、まずアンモニアを注入して排煙中の窒素酸化物を分解処理する脱硝工程と、この脱硝工程後の排煙を吸収塔に導入して吸収液と気液接触させることにより、排煙から少なくとも硫黄酸化物を吸収除去する脱硫工程とよりなる排煙処理方法において、前記脱硝工程後の排煙を前記吸収塔よりも前流側において熱交換器に導き、排煙から熱回収する熱回収工程を設け、前記脱硝工程より後流側で必要に応じてアンモニアを排煙中に注入するとともに、前記脱硫工程に導入される排煙中にアンモニア又はアンモニウム塩が残留するように、前記脱硝工程でのアンモニア注入量、又は／及び前記脱硝工程より後流でのアンモニア注入量を、前記熱交換器に導入される排煙中に残留するアンモニアの濃度が、ＳＯ ₃ との反応により（ＮＨ ₄ ） ₂ ＳＯ ₄ が生成されるための当量に対して１３ｐｐｍ以上過剰となるように設定し、前記吸収塔における排煙と吸収液との気液接触が行われる領域よりも後流側に、前記吸収液よりも酸性度の強い液を散布してアンモニアのガス中への放散が起き難い領域を形成し、前記脱硫工程に導入される排煙中に残留するアンモニアを前記吸収塔から排出される排煙中に残留させることなく前記吸収塔において吸収することを特徴とする。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
第１例
まず、図１により本発明の第１例について説明する。
【００２３】
なお、図９に示す従来と同様の構成要素には同符号を使用し、重複する説明を省略する。
【００２４】
本例の排煙処理設備は、煙突の一部を構成するように、煙突本体１３ａの下方の鉛直軸線上に、吸収塔２１、ガスガスヒータの再加熱部２２、及びファン２３が、直列状態に配設された点に特徴を有する。
【００２５】
また、ガスガスヒータの熱回収部２４は、乾式電気集塵機５から吸収塔２１を接続する煙道２５の途上であって、煙突の架構１４の内側に配設されており、結局、吸収塔２１、ガスガスヒータの熱回収部２４及び再加熱部２２、さらにはファン２３の全てが、煙突の架構１４の内側の空きスペースに配設されている。
【００２６】
ここで、吸収塔２１は、排煙を下部側面に形成された導入部から導入して吸収液と向流式で気液接触させることにより、排煙から少なくとも硫黄酸化物を吸収除去して上端の導出口より排出するもので、例えば石灰石を吸収剤として前述の従来例と同様に石膏を副生するものである。
【００２７】
また、ガスガスヒータの再加熱部２２は、吸収塔２１の上方に直接接続されて配設され、吸収塔２１の上端の導出口より排出された排煙を下面側から導入し、熱回収部２４で回収された熱により、排煙を大気放出に好ましい温度とすべく加熱して上面側から排出するものである。
【００２８】
なおこの場合、ガスガスヒータとしては、熱媒循環式のものが使用され、熱回収部２４及び再加熱部２２は、それぞれシェルアンドチューブ構造のノンリーク型熱交換器よりなる。このようなノンリーク型熱交換器は、排煙中のＳＯ3が排煙中のアンモニアと前述の反応式（４）の反応を起こして酸性硫安（ＮＨ4ＨＳＯ4）が発生した場合でも、このスケールの要因となり易い酸性硫安の付着が比較的少なく、有利である。
【００２９】
またファン２３は、上記再加熱部２２の上方に配設されて下面側から排煙を吸引し上面側から吐出する軸流ファンであり、モータは内部軸線上に配置されている。
【００３０】
本例の排煙処理設備の配置構成によれば、図９に示した従来の設備に比し、設備全体の設置面積が著しく削減され、水平方向の小型化が顕著に達成できる。すなわち、図９の設備における吸収塔８、ファン１１、及び煙道６，１０に必要であった分の設置スペースが全て不要となる。しかも、煙突の架構１４内には、従来より吸収塔２１等が配置できるスペースがあったため、煙突としての設置スペースは従来と変らない。
【００３１】
また、煙道６，１０自身やそのための支持部材が不要となるとともに、煙突本体１３ａの長さが従来に比し格段に短くなるため、結果的に設備コストが大幅に削減される。
【００３２】
第２例
次に、図２により本発明の第２例について説明する。なお、第１例と同様の構成要素には同符号を使用し、重複する説明を省略する。
【００３３】
本例は、シェルアンドチューブ構造のノンリーク型熱交換器よりなるエアヒータ３１（熱交換器）を備え、また、吸収塔２１ａと再加熱部２２との間に湿式電気集塵機３２が配設された設備を使用している点に特徴を有する。なお、本例においては、上記エアヒータ３１と前述のガスガスヒータの熱回収部２４とが、本発明の熱回収工程を実行する熱交換器である。また、従来例で説明した乾式電気集塵機５が本発明の第１の粉塵除去工程を実行し、上記湿式電気集塵機３２が本発明の第２の粉塵除去工程を実行するものである。
【００３４】
このような構成であると、次のような利点がある。まず、ノンリーク型熱交換器よりなるエアヒータ３１であると、このエアヒータ３１に導入される排煙中に前述の酸性硫安が発生した場合でも、比較的スケールの発生が少なく、メンテナンス上極めて有利となる。
【００３５】
すなわち、前述したように脱硝装置２の後流の排煙中にアンモニアが残留している場合には、特にエアヒータ３１において酸性硫安が発生することになるが、発明者らの研究によれば従来のユングストローム型のエアヒータでは、この酸性硫安がエアヒータ内部の蓄熱体の隙間に詰り易く、頻繁に清掃等のメンテナンス作業が必要になることが分った。
【００３６】
ところが、シェルアンドチューブ構造のノンリーク型熱交換器であれば、このような酸性硫安の付着や詰りが比較的少ないことが、発明者らの研究により判明している。なお、このような酸性硫安の発生及びその熱交換器内部への付着の問題は、排煙中にアンモニアを過剰に注入することによっても、低減されることが分っており、これについては後述する。
【００３７】
また、ノンリーク型熱交換器よりなるエアヒータ３１であると、ボイラに供給される空気Ｃが排煙中に漏れないため、その分排煙の処理流量が減り、ファン２３や各煙道などの容量や消費電力がその分削減できる。
また、湿式電気集塵機３２が設置されているため、吸収塔２１ａで捕集できなかった微細な粉塵等も除去される。これにより、処理後排煙Ｄ中の残留粉塵濃度が低減され、この点で設備の性能が向上するとともに、煙突高さの低減にも貢献できる。
【００３８】
次に、本例の排煙処理設備により実施される本発明の排煙処理方法の特徴部分の構成及び作用効果について説明する。
この方法は、まず、吸収塔２１ａに導入される排煙中にアンモニア又はアンモニウム塩が多量に残留するように、アンモニア分解触媒を使用しないで脱硝装置２でのアンモニアＢの注入量を過剰に設定するものである。
吸収塔２１ａに導入される排煙中にアンモニア又はアンモニウム塩が残留すると、排煙と吸収剤スラリとの気液接触により、このアンモニア又はアンモニウム塩が吸収塔２１ａのスラリ中に溶解し、吸収塔２１ａで循環するスラリの液中のアンモニウム塩濃度（換言すれば、アンモニウムイオン濃度）が上昇する。
【００３９】
発明者らの研究によれば、吸収塔循環液中のアンモニウム塩濃度（アンモニウムイオン濃度）が１５０ｍｍｏｌ／リットル以上に上昇すると、他の条件が一定でも図５に示すように吸収塔による排煙中の亜硫酸ガスの除去率（即ち、脱硫率）が９５％近くまで上昇することが判明している。このため、上述のように脱硝装置２でのアンモニアＢの注入量を過剰に設定する本例によれば、吸収塔２１ａが従来よりも小型化でき、しかも処理後排煙Ｄ中に残留する硫黄酸化物（主に亜硫酸ガス）の濃度をさらに低減できるので、煙突の高さを低減できる。
【００４０】
また、アンモニアＢの注入量は、当然に脱硝当量よりも過剰な量となるので、脱硝装置２（脱硝工程）の脱硝性能も向上する。発明者らの研究によれば、脱硝工程後の排煙中に残留するアンモニア（スリップアンモニア）の濃度が、３０ｐｐｍ以上となるように、脱硝当量よりも過剰にアンモニアＢの注入量を設定してやれば、脱硝率は従来の８０％程度から９０％程度に向上し、処理後排煙Ｄ中に残留する窒素酸化物の濃度を半減できることが判明している。
【００４１】
ちなみに発明者らの試算によれば、１５０ＭＷクラスの発電プラントの場合、上述の如く脱硫率と脱硝率が向上し、しかも湿式の電気集塵機３２の設置によって除塵率も向上すれば、煙突高さＬ１は、従来の１５０ｍ程度から９０ｍ程度に大幅に低減でき、さらにこれに伴って煙突架構１４ｂの設置スペース幅Ｗ１は、従来の３８ｍ程度から２５ｍ程度に大幅に削減できることが分っている。
【００４２】
なお、この場合のアンモニアＢの具体的な注入量は、脱硝当量よりも過剰とするだけでなく、排煙中のＳＯ₃濃度も考慮して設定する必要がある。
すなわち、脱硝装置２（脱硝工程）の後流の排煙中に残留するアンモニアの少なくとも一部は、この排煙中に存在するＳＯ₃と反応して前述の硫安又は酸性硫安といったアンモニウム塩となり、これらアンモニウム塩のほとんどはこの場合電気集塵機５で捕集される。このため、吸収塔２１ａに導入される排煙中のアンモニアとしては、脱硝装置２の後流の排煙中に残留したアンモニアガスのうちＳＯ₃当量に対して過剰なアンモニアガスだけとなるからである。
【００４３】
またさらに言えば、アンモニア注入量は、エアヒータ３１やガスガスヒータの熱回収部２４（熱交換器）に導入される排煙中に残留するアンモニアの濃度が、この排煙中のＳＯ₃に対して、１３ｐｐｍ以上過剰となるように設定することが望ましい。
このようにすれば、後述する実験例で実証されるように、上記熱交換器で凝縮する酸性硫安の付着がかえって抑制され、熱交換器の伝熱面等への付着物（スケール）の発生は軽微なものとなって、メンテナンスも容易となる。
【００４４】
すなわち、図９に示す従来の場合には、エアヒータ３に導入される排煙中に残留するアンモア濃度が僅か５ｐｐｍ程度であるため、通常の硫安に比較して酸性硫安が多量に発生する。そして、この酸性硫安は、特にエアヒータ３で凝縮してこのエアヒータ３でスケールとなり易い。しかし、このアンモニアの濃度が、排煙中のＳＯ₃に対して１３ｐｐｍ以上過剰であると、排煙中のＳＯ₃のほとんどは、（ＮＨ₄)₂ＳＯ₄が含まれる中性硫安系の微粉末となって、スケールとなり易い付着性の高い酸性硫安の生成量は相対的に僅かとなる。しかも、エアヒータとしてシェルアンドチューブ構造のエアヒータ３１を用いた本例であれば、従来のユングストローム型に比較してスケールによるトラブルが少ないので、結果的に酸性硫安によるスケールの問題が実用上解決でき、脱硝装置にアンモニア分解触媒を設ける必要もない。
【００４５】
なお本例の場合、アンモニアを積極的に過剰注入して吸収塔２１ａに導入される排煙中にアンモニア又はアンモニウム塩を多量に残留させるようにしているので、吸収塔２１ａのスラリ中に吸収されるアンモニアの処理や、処理後排煙Ｄ中に漏れるアンモニアが問題となるが、これら問題点は、乾式電気集塵機の粉塵と脱硫装置の排水とを混合処理しアンモニアを回収再利用する既存の無排水化技術（いわゆるＡＷＭＴ）、或いは発明者らが新たに考案したアンモニア吸収技術により解決される。
以下、これら技術の実施の形態例について、図３及び図４により説明する。なお図３は、図２に示した本例の排煙処理設備の構成のうち特に脱硫装置の詳細構成例を示した図であり、また図４は、本例の排煙処理設備に好適な無排水化装置の構成例（重油焚きの例）を示した図である。
【００４６】
この場合、脱硫装置の吸収塔２１ａは、図３に示すように、石灰石が吸収剤として懸濁する吸収液Ｅ（以下、吸収剤スラリＥという。）が供給されるタンク４１が底部に設けられ、このタンク４１の上方に延設された気液接触部において、排煙とタンク４１内のスラリとを気液接触させる液柱式の吸収塔である。
【００４７】
ここで、吸収塔２１ａは、排煙を導入する排煙導入部４２が下部に設けられるとともに、脱硫済排煙Ａ１を導出するための排煙導出部４３がその上端部に形成されて、排煙が下部から導入されて上方に向って流れるいわゆる向流式の吸収塔である。
なお、排煙導出部４３には、ミストエリミネータ４３ａが設置され、気液接触により生じた排煙中の同伴ミストがここで捕集されることにより、脱硫後排煙Ａ１に亜硫酸ガスやアンモニア等を含んだミストが多量に含まれて排出されないように構成されている。この場合、このミストエリミネータ４３ａで捕集されたミストは、このミストエリミネータ４３ａの下端から流れ落ちて直接タンク４１内に戻る構成となっている。
【００４８】
また吸収塔２１ａには、スプレーパイプ４４が複数平行に設けられ、これらスプレーパイプ４４には、タンク４１内のスラリを上方に向って液柱状に噴射するノズル（図示略）が複数形成されている。
また、タンク４１の外側には、タンク４１内の吸収剤スラリを吸上げる循環ポンプ４５が設けられ、循環ライン４６を介してスラリが各スプレーパイプ４４に送り込まれる。
【００４９】
そして図３の場合には、タンク４１内のスラリを攪拌しつつ酸化用の空気Ｆを微細な気泡として吹込む手段として、攪拌機４７と、この攪拌機４７の攪拌翼の近傍に空気Ｆを吹込む吹込み管４８とを備え、タンク４１内で亜硫酸ガスを吸収した吸収剤スラリと空気とを効率良く接触させて全量酸化し石膏を得る構成となっている。
【００５０】
すなわち、吸収搭２１ａでスプレーパイプ４４から噴射され排煙と気液接触して亜硫酸ガスや粉塵（硫安等のアンモニウム塩含む）さらにはアンモニアガスを吸収しつつ流下する吸収剤スラリは、タンク４１内において攪拌機４７と吹込み管４８により攪拌されつつ吹込まれた多数の気泡と接触して酸化され、さらには中和反応を起こして石膏を高濃度に含むスラリとなる。なお、これらの処理中に起きる主な反応は前述の反応式（１）乃至（３）となる。
【００５１】
こうしてタンク４１内には、定常的には多量の石膏と吸収剤である少量の石灰石と排煙中から捕集された僅かな粉塵やアンモニアとが懸濁又は溶存するようになっており、このタンク４１内のスラリがこの場合循環ライン４６から分岐する配管ライン４６ａにより固液分離機４９に供給され、ろ過されて水分の少ない石膏Ｇとして採り出される。一方、固液分離機４９からのろ液は、一部Ｈ１が吸収剤スラリＥを構成する水分としてこの場合スラリ調整槽５２に送られ、残りの一部が不純物の蓄積を防止すべく脱硫排水Ｈ２として排出される。
なお、排煙から吸収されたアンモニアや硫安等のアンモニウム塩は溶解度が高いので、ほとんどがスラリＥの液中に含まれ、最終的には脱硫排水Ｈ２に含まれて排出される。
【００５２】
なお、運転中タンク４１には、この場合スラリ調整槽５２から吸収剤である石灰石がスラリとして供給される。スラリ調整槽５２は、攪拌機５３を有し、図示省略したサイロから投入される粉状の石灰石Ｉと、供給された前記ろ液Ｈ１とを攪拌混合して吸収剤スラリＥを生成するもので、内部のスラリＥがスラリポンプ５４によりタンク４１に適宜供給されるようになっている。また、例えばタンク４１或いはスラリ調整槽５２には、適宜補給水（工業用水等）が供給され、吸収塔２１ａでの蒸発等により漸次減少する水分が補われる。
【００５３】
そして運転中には、上記タンク４１への補給水の流量や配管ライン４６ａからのスラリ抜き出し流量などが調整されることによって、タンク４１内には、所定濃度の石膏や吸収剤を含有するスラリが常に一定範囲のレベル内に蓄えられた状態に維持される。
また運転中には、脱硫率と石膏純度とを高く維持すべく、ボイラ負荷（排煙Ａの流量）や、吸収塔２１ａに導入される排煙中の亜硫酸ガス濃度や、タンク４１内のｐＨや石灰石濃度等がセンサにより検出され、これら検出結果に基づいて図示省略した制御装置によりタンク４１への石灰石の供給量等が適宜調節される構成となっている。ここで、タンク４１内のｐＨは、亜硫酸ガスの吸収性能を高く維持しつつ前述した酸化反応を促進して純度の高い石膏を生成すべく、従来通常は６．０程度に調整されるようになっている。
【００５４】
そして、過剰注入されたアンモニアが脱硫後排煙Ａ１中に残留しないようにする手段としては、タンク４１内のスラリよりもｐＨの低い液Ｊ（スラリでもよい）を吸収塔２１ａ内に噴射し、吸収塔２１ａの上部にアンモニアのガス中への放散が起き難い領域を形成するスプレーパイプ５５が、スプレーパイプ４４よりも上方に設置されている。
ここで、スプレーパイプ４４より噴射される液Ｊは、例えば希硫酸溶液であり、そのｐＨは、アンモニアの排煙中への放散が起き難い低い値（例えば４．０〜５．０）に調整される。
【００５５】
このような構成であれば、排煙導入部４２から吸収塔２１ａ内に導入された排煙は、まずスプレーパイプ４４から液柱状に噴射されたスラリと気液接触し、さらにスプレーパイプ５５から噴射されたスラリとも気液接触して、亜硫酸ガスとともに粉塵やアンモニアが吸収又は捕集される。
【００５６】
この際、吸収塔２１ａの出口側（上端部）においてスプレーパイプ５５から噴射されるスラリは、ｐＨをアンモニアの排煙中への放散が起き難い低い値に調整されたものである。このため、吸収塔２１ａの上部では、アンモニアの分圧が抑制され、スラリの液中に一旦溶け込んだアンモニアが逆にこの吸収塔上部で排煙中に放散してしまう現象が回避される。
【００５７】
したがって最終的には、亜硫酸ガスと粉塵とアンモニアの濃度が極めて低く抑えられた脱硫後排煙Ａ１が、吸収塔２１ａの上端の排煙導出部４３から排出される。この場合、特にアンモニアの除去率は、発明者の計算によれば、９０％程度となる。このため、アンモニアを積極的に過剰に注入する構成でありながら、図２における処理後排煙Ｄ中に、アンモニアはほとんど含有されず、アンモニアの大気中への放出が問題となることもない。
なお、大気汚染防止の観点から大気中に放出される処理後排煙Ｄ中のアンモニア濃度を極力少なくすることが望ましく、装置の小型化や高脱硫率等を実現するとともに、アンモニアの排出量の少ない排煙処理技術が要望されている。
【００５８】
次に、図４に示す無排水化装置の構成例を説明する。この例は、重油焚きボイラの排煙を処理する場合の一例で、この場合、図２及び図３に示す乾式電気集塵機５で排煙中から捕集される粉塵Ｋ中には、主成分である未燃カーボンの他に、有毒な重金属であるバナジウムや、マグネシウム等の不純物、さらには注入されたアンモニアと排煙中のＳＯ₃よりなる硫安等が含有される。
【００５９】
この装置では、図４に示すように、前述の図３に示す脱硫排水Ｈ２が、まず混合槽６１に送られ、乾式電気集塵機５から送られた粉塵Ｋと混合攪拌され、混合スラリＳ１となる。この際、粉塵Ｋ中のアンモニアや硫安等は、スラリＳ１の液中に溶け込んで、排水Ｈ２に含有されていたものと同様に、ほとんどが硫酸イオン又はアンモニウムイオンとして液中に存在するようになる。次に混合スラリＳ１は、ｐＨ調整還元槽６２に送られて、ここで硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）等の酸Ｌを加えられて、バナジウムの還元反応が可能なｐＨ値（約２以下）に調整されるとともに、例えば亜硫酸ナトリウム（Ｎａ₂ＳＯ₃）等の還元剤Ｍが添加混合されて、以下の反応式（５）で示すようなスラリ内のバナジウムの５価から４価への還元が進行し、バナジウムが液中に溶解する。
【００６０】
【化３】
２ＶＯ₂ ⁺ ＋ ＳＯ₃ ^2- ＋ ２Ｈ⁺ → ２ＶＯ²⁺ ＋ ＳＯ₄ ^2- ＋Ｈ₂Ｏ （５）
【００６１】
次いで、バナジウムの還元が行われた混合スラリＳ２は、析出槽６３に送られて、後述のアンモニアＢ３が添加混合される。ここでは、スラリ中の４価のバナジウムがアンモニアと以下の反応式（６）の反応を起こして析出する。
【００６２】
【化４】
ＶＯ²⁺ ＋ ２ＮＨ₄ＯＨ → ＶＯ(ＯＨ)₂ ＋ ２ＮＨ₄ ⁺ （６）
【００６３】
次に、バナジウムの析出処理がなされ析出槽６３から導出された混合スラリＳ３は、スラリポンプ６４により凝集沈殿装置及び／又は真空式ベルトフィルタ等よりなる固液分離機６５に送られて、その固形分Ｎが汚泥又はケーキとして分離される。なお、分離された固形分Ｎは、粉塵Ｋ中に含まれていた未燃カーボンを主体とし、析出したバナジウムを含有するものとなる。
【００６４】
次いで、バナジウムを含む固形分を除去された排液Ｓ４は、中和槽６６に送られ、ここで消石灰（Ｃａ（ＯＨ)₂）等の薬剤Ｏ及び後述の返送排液Ｐを添加攪拌されて、液中の硫酸イオンやアンモニウムイオンが、石膏又は水酸化アンモニウムとなる。
そして、こうして石膏の固形分と水酸化アンモニウムを含むようになったスラリＳ５は、次に一次濃縮器６７に送られて、アンモニアＢ１が蒸発気化により分離され、スラリポンプ６８により石膏と他の固形物を高濃度に含むスラリＳ６として排出される。
【００６５】
なお、一次濃縮器６７は、蒸発缶６７ａと加熱器６７ｂと循環ポンプ６７ｃとよりなり、発電設備のボイラ等において発生した高温蒸気Ｗ１によりスラリを加熱しアンモニアを含む水分Ｂ１を蒸発気化させるものである。
また、スラリＳ６中に含まれる石膏以外の固形物としては、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ)₂）が主に存在する。この水酸化マグネシウムは、粉塵Ｋ中に不純物として含まれていたマグネシウムとスラリ中の水酸化物イオンが結合したものである。
【００６６】
次にこのスラリＳ６は、サイクロン又は沈降遠心機等の固体分離機６９に導入されて、主に石膏（粗粒固形物）を含有するスラリＳ７と、他の微粒な固形物（主に前述の水酸化マグネシウム）を含有するスラリＳ８とに分離され、このうちスラリＳ７は図３に示す脱硫装置の吸収塔タンク４１内に返送され、一方スラリＳ８の一部は脱水器７０（二次濃縮器）により脱水されて、主に水酸化マグネシウムを含有する固形分が汚泥Ｑとして排出される。
なお、スラリＳ８のうち脱水器７０に供給されない残りの液は、返送排液Ｐとして中和槽６６に返送される。
【００６７】
また、一次濃縮機６７における蒸発気化により発生したアンモニア水Ｂ１は、冷媒として冷却水Ｗ２が供給される冷却器７１により冷却されて凝縮し、貯留タンク７２に溜められる。
そして、貯留タンク７２内のアンモニア水Ｂ１は、通常３〜６％程度の低濃度であるため、ポンプ７３を介してアンモニア濃縮装置７４に送られ、ここで１０〜２０％濃度のアンモニア水とされた後に、その一部がアンモニアＢ２として気化器７５によりガス化されて前述の脱硝装置２において水蒸気Ｗ３を含むアンモニアＢとして排煙中に注入され、また他の一部がアンモニアＢ３として前述の析出槽６３に供給される。
【００６８】
このような無排水化処理によれば、脱硫処理により生成する脱硫排水Ｈ２と除去した粉塵Ｋとを混合して処理することでハンドリング性を向上させ、この混合スラリ中のバナジウムの還元及び析出処理さらには固液分離処理を経てバナジウムを汚泥として排出するとともに、さらにこの混合スラリを濃縮してスラリ中の石膏分や水分やアンモニアを最終的には排煙中或いは脱硫装置の吸収塔などの前流側に返送することで、アンモニアの循環使用を可能とし、放流される排水がでないいわゆる無排水クローズド化システムが実現されて、放流のための排水処理が不要となるとともに、アンモニアの有効利用が図られる。
【００６９】
実験例
次に、本発明の特徴であるアンモニアの過剰注入が行われ、かつ熱回収工程の熱交換器としてシェルアンドチューブ構造のノンリーク型熱交換器が使用された場合に、酸性硫安に起因する熱交換器内部（伝熱面等）のスケール発生が抑制されることを実証するために、発明者らが行った実験について説明する。
【００７０】
まず、実験装置としては、図６に示すものを使用した。すなわち、燃焼炉８１の後流にエアヒータ８２と冷却器８３とを設置し、さらにその後流に未燃カーボン等の粉塵を分離除去するサイクロン８４を配置し、このサイクロン８４を出た排煙を熱交換器であるシェルアンドチューブ構造のノンリーク型熱交換器８５に導入した。なおこの場合、熱交換器８５の胴側（伝熱管の外側）を排煙が流通するようになっており、一方熱交換器８５の伝熱管内を熱媒が流通するようになっている。また、熱交換器８５において排煙の熱で加熱される熱媒は、冷却水を利用した冷却器８６で冷却し再生するようにした。
【００７１】
そして、エアヒータ８２の後流で冷却器８３の前流においてＳＯ₃を排煙中に注入して、排煙中のＳＯ₃濃度を調整するようにし、また、サイクロン８４の後流で熱交換器８５の前流においてアンモニアを排煙中に注入して、排煙中のアンモニア濃度を調整するようにした。また、熱交換器８５は、鋼球を連続的に胴側内に散布していわゆる鋼球クリーニングが行えるものとし、鋼球クリーニング試験も実施した。
【００７２】
また、その他の実験条件は以下のとおりである。
（燃料）種類；Ａ重油、燃焼量；１５リットル／ｈｒ
（排煙流量）２００ｍ³Ｎ／ｈ
（排煙成分の濃度）ＳＯ₃；２５ｐｐｍ、ＮＨ₃；６３ｐｐｍ
（排煙温度）サイクロン出口；１７０℃、熱交換器入口／出口；１３０／９０℃
（熱媒入口温度）７５℃
（鋼球散布強度）２２８０ｋｇ／ｍ²・ｈ
【００７３】
この場合、排煙中のアンモニア濃度は、ＳＯ₃との反応により硫安((ＮＨ₄)₂ＳＯ₄）が生成されるための当量（ＳＯ₃の２倍のモル量であり、この場合濃度としては２５×２＝５０ｐｐｍとなる。）に対して、１３ｐｐｍ過剰となるように６３ｐｐｍ（＝５０＋１３）に設定している。
【００７４】
さて、以上のような条件で、鋼球クリーニングを停止したままで実験装置を８３時間連続運転し、その後２時間だけ鋼球クリーニングを行った。
図７は、この場合の熱交換器８５の通気圧力損失変化の実測結果であり、また図８は、熱交換器８５の伝熱性能の指標となる総括伝熱係数の変化の実測結果である。
この結果から分るように、８３時間連続運転しても、通気圧力損失も総括伝熱係数も比較的僅かに変化するだけで、しかも鋼球クリーニングにより運転前の状態に完全に回復する。
【００７５】
また、８３時間連続運転後の熱交換器８５の伝熱管表面を写真撮影等により肉眼観察したところ、付着物は軽微であった。さらに、この付着物の成分を分析したところ、その主成分は硫安系化合物で、そのＮＨ₄／ＳＯ₄モル比は１．５〜１．９であった。
したがって、ＳＯ₃に対してアンモニアを１３ｐｐｍ以上過剰注入すれば、酸性硫安の生成が抑制され、付着物の除去作業も極めて容易となることが分る。
【００７６】
なお、本発明は前述の形態例に限られず各種の態様が有り得る。
例えば、アンモニア注入は脱硝装置（脱硝工程）でのみ行われる態様に限られず、脱硝装置より後流で吸収塔より前流において行われてもよい。例えば、図２における煙道４において、ＳＯ₃捕集及び脱硫性能向上のためにアンモニアを排煙中に注入してもよいし、或いは、図２における煙道２５（乾式電気集塵機５の後流側）において、脱硫性能向上等のためにアンモニアを排煙中に注入してもよい。
【００７７】
この場合、吸収塔の脱硫性能を向上させるためには、吸収塔に導入される排煙中にアンモニア又は硫安等のアンモニウム塩が残留するように、脱硝工程でのアンモニア注入量、又は／及び脱硝工程より後流でのアンモニア注入量を、脱硝当量或いはＳＯ₃に対する当量よりも過剰に設定すればよい。
また、エアヒータ３１やガスガスヒータの熱回収部２４においてＳＯ₃に起因して発生するスケールを十分抑制するためには、これら熱交換器に導入される排煙中に残留するアンモニアの濃度が、この排煙中のＳＯ₃濃度に対して１３ｐｐｍ以上過剰となるように、脱硝工程でのアンモニア注入量、又は／及び脱硝工程より後流でのアンモニア注入量を過剰に設定すればよい。
【００７８】
また、例えば図２に示した前述の形態例においては、エアヒータ３１とガスガスヒータの熱回収部２４が別個に配設されているが、これらを一体化することもできる。すなわち、例えば図２のエアヒータ３１の位置に設けた熱交換器で回収された熱により、ボイラに供給される空気Ｃを加熱するとともに、熱媒の一部をガスガスヒータの再加熱部２２に導いて処理後排煙Ｄの加熱も行うように構成することもできる。
また、エアヒータとガスガスヒータの熱回収部を別個に設ける場合でも、ガスガスヒータの熱回収部の設置位置は、電気集塵機５の前流側であってもよい。
【００７９】
ちなみに、このように電気集塵機５の前流で排煙の熱回収が全て行われ、電気集塵機５に導入される排煙の温度がより低下すると、特に石炭焚きボイラの排煙の場合には、比抵抗の関係で電気集塵機５におけるフライアッシュ等の粉塵の除去率が格段に高まり有利である。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の排煙処理設備によれば、吸収塔、再加熱部及びファンが、鉛直軸線上に直列状態に配設されて、処理後の排煙を大気放出するための煙突の少なくとも一部として機能している。このため、従来は煙突の架構の外に配置されていたこれら装置又は機器が、全て煙突の架構内のスペースに設置されることになり、設備全体の設置面積が著しく削減され、水平方向の小型化が顕著に達成できる。また、煙道やそのための支持部材が大幅に削減できるとともに、煙突本体の長さが従来に比し格段に短くなるため、結果的に設備コストが大幅に削減される。
【００８１】
また、本発明の排煙処理方法では、脱硝工程より後流側で必要に応じてアンモニアを排煙中に注入するとともに、脱硫工程に導入される排煙中にアンモニア又はアンモニウム塩が残留するように、脱硝工程でのアンモニア注入量、又は／及び脱硝工程より後流でのアンモニア注入量を過剰に設定する。
このため、少なくとも脱硫工程での脱硫率が向上し、結果的に吸収塔や煙突の小型化にも貢献できる。
【００８２】
特に、脱硝工程でのアンモニア注入量を、脱硝工程後の排煙中に残留するアンモニアの濃度が３０ｐｐｍ以上となるように設定した場合には、特に脱硝工程での脱硝率が大幅に向上し、結果的に煙突の小型化にも貢献できる。
【００８３】
また、脱硝工程後の排煙を吸収塔よりも前流側において熱交換器に導き、排煙から熱回収する熱回収工程を設け、前記熱交換器としてシェルアンドチューブ構造のノンリーク型熱交換器を採用した場合には、従来どおり排煙の熱を有効利用してボイラ用空気の予熱、或いは処理後排煙の再加熱等が可能となるとともに、スケールの発生によるトラブルが低減される。
すなわち、シェルアンドチューブ構造のノンリーク型熱交換器であると、従来のユングストローム型熱交換器に比較して、注入されたアンモニアと排煙中のＳＯ₃が反応してできる酸性硫安や、排煙中のＳＯ₃よりなる硫酸ミストが前記熱交換器内で凝縮しても、これらの伝熱面等への付着や詰りが少ない。
さらにこの場合には、熱交換器における排煙中への空気の漏れがなくなるため、排煙処理量が低減でき、この点でコスト低減が図れる。
【００８４】
また、脱硝工程後の排煙を吸収塔よりも前流側において熱交換器に導き、排煙から熱回収する熱回収工程を設け、脱硝工程でのアンモニア注入量、又は／及び脱硝工程より後流でのアンモニア注入量を、前記熱交換器に導入される排煙中に残留するアンモニアの濃度が、この排煙中のＳＯ₃濃度に対して１３ｐｐｍ以上過剰となるように設定した場合には、前記熱交換器内での酸性硫安の凝縮が抑制され、中性硫安系の微粉末が主に生成するようになるので、酸性硫安に起因するスケールの発生が格段に抑制され、メンテナンスが極めて楽になる。
【００８５】
また、吸収塔における排煙と吸収液との気液接触が行われる領域よりも後流側に、吸収液よりも酸性度の強い液を散布してアンモニアのガス中への放散が起き難い領域を形成し、脱硫工程に導入される排煙中に残留するアンモニアを吸収塔から排出される排煙中に残留させることなく吸収塔において吸収するようにした場合には、アンモニア過剰注入による弊害（大気へのアンモニア流出）が回避され、将来のアンモニア排出規制に対応できるとともに、排煙のさらなるクリーン化に貢献できる。
【００８６】
また、吸収塔の前流側で排煙を乾式電気集塵機に導いて排煙中の粉塵を除去する第１の粉塵除去工程と、吸収塔の後流側で排煙を湿式電気集塵機に導入して排煙中に残留した粉塵を除去する第２の粉塵除去工程とを設けた場合には、設備全体としての除塵性能が格段に向上する。
【００８７】
また、本発明の他の排煙処理方法は、脱硝装置及び脱硫装置等を備え、脱硫装置の吸収塔、再加熱部及びファンが、鉛直軸線上に直列状態に配設されて、処理後の排煙を大気放出するための煙突の少なくとも一部として機能している排煙処理設備により、少なくとも窒素酸化物及び硫黄酸化物を含む排煙を浄化処理するもので、脱硝装置より後流側で必要に応じてアンモニアを排煙中に注入するとともに、吸収塔に導入される排煙中にアンモニア又はアンモニウム塩が残留するように、脱硝装置でのアンモニア注入量、又は／及び前記脱硝装置より後流でのアンモニア注入量を過剰に設定する。
【００８８】
このため、まず、吸収塔、再加熱部及びファンが鉛直軸線上に直列状態に配設され煙突の一部となっていることにより、設備の設置スペースが格段に低減されるとともに、アンモニアを過剰注入することにより少なくとも脱硫率が向上し、また結果的に煙突高さも低減される。つまり、設備の性能が向上するとともに、設備が水平方向にも鉛直方向にも格段に小型化されるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１例の排煙処理設備を示す図である。
【図２】本発明の第２例の排煙処理設備を示す図である。
【図３】同設備における脱硫装置を詳細に示す図である。
【図４】同設備に好ましい無排水化装置を示す図である。
【図５】本発明の作用（脱硫率の向上）を実証するデータである。
【図６】本発明の作用（排煙中のＳＯ₃による付着物の抑制)を実証するための実験装置を示す図である。
【図７】本発明の作用（排煙中のＳＯ₃による付着物の抑制)を実証するための実験結果（熱交換器の通気圧力損失の変化）を示す図である。
【図８】本発明の作用（排煙中のＳＯ₃による付着物の抑制)を実証するための実験結果（熱交換器の総括伝熱係数の変化）を示す図である。
【図９】従来の排煙処理設備を示す図である。
【図１０】同設備における脱硝装置等を示す図である。
【符号の説明】
１ ボイラハウス
１ａ ボイラ
２ 脱硝装置
３ エアヒータ（ユングストローム型熱交換器）
５ 乾式電気集塵機
１３ａ，１３ｂ 煙突本体
１４，１４ｂ 煙突の架構
２１，２１ａ 吸収塔
２２ 再加熱部
２３ ファン
２４ 熱回収部（ノンリーク型熱交換器）
３１ エアヒータ（ノンリーク型熱交換器）
３２ 湿式電気集塵機
Ａ 未処理排煙
Ｂ アンモニア
Ｄ 処理後排煙

Claims (1)

1. 少なくとも窒素酸化物及び硫黄酸化物を含む排煙に、まずアンモニアを注入して排煙中の窒素酸化物を分解処理する脱硝工程と、この脱硝工程後の排煙を吸収塔に導入して吸収液と気液接触させることにより、排煙から少なくとも硫黄酸化物を吸収除去する脱硫工程とよりなる排煙処理方法において、前記脱硝工程後の排煙を前記吸収塔よりも前流側において熱交換器に導き、排煙から熱回収する熱回収工程を設け、前記脱硝工程より後流側で必要に応じてアンモニアを排煙中に注入するとともに、前記脱硫工程に導入される排煙中にアンモニア又はアンモニウム塩が残留するように、前記脱硝工程でのアンモニア注入量、又は／及び前記脱硝工程より後流でのアンモニア注入量を、前記熱交換器に導入される排煙中に残留するアンモニアの濃度が、ＳＯ ₃ との反応により（ＮＨ ₄ ） ₂ ＳＯ ₄ が生成されるための当量に対して１３ｐｐｍ以上過剰となるように設定し、前記吸収塔における排煙と吸収液との気液接触が行われる領域よりも後流側に、前記吸収液よりも酸性度の強い液を散布してアンモニアのガス中への放散が起き難い領域を形成し、前記脱硫工程に導入される排煙中に残留するアンモニアを前記吸収塔から排出される排煙中に残留させることなく前記吸収塔において吸収することを特徴とする排煙処理方法。

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