JP3858132B2 - 排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービン、ボイラ、加熱炉、コージェネレーションプラント、都市ごみ焼却炉等の排ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)を選択的接触還元によって除去する排ガス脱硝システムにおいて、還元剤としてのアンモニアを排ガスダクト内に注入する装置に関する。
【0002】
なお、この明細書において、「正の迎え角」とは、図5において平板翼が排ガス流れ方向に対して時計回り方向に傾いている場合の当該傾斜角をいい、「負の迎え角」とは、同逆時計回りに傾いている場合の当該傾斜角をいうものとする。また、この明細書において、「排ガス流れ方向右側」とは、図5の下側をいい、「排ガス流れ方向左側」とは、同上側をいうものとする。
【0003】
【従来の技術】
排ガス脱硝システムは、図1に示すように、ボイラ、加熱炉、ガスタービン等の排ガスダクト内に配置されかつ内部に触媒充填層を有する脱硝反応器と、排ガスダクト内における脱硝反応器の前流側に配置されたアンモニア注入グリッドからなるアンモニア注入装置とを備えている。アンモニア注入グリッドには、液体アンモニアを気化させることにより生じたアンモニアガスを空気との混合状態で供給する。図2に示すように、脱硝反応器(21)およびアンモニア注入グリッド(22)は、通常、排ガスダクト(23)の途中に設けられた排熱回収ボイラ(24)内に配置される。図3に示すように、アンモニア注入グリッド(22)は、方形枠(27)と、方形枠(27)の対向枠部に渡された複数のアンモニア注入管(25)と、同管(25)を方形枠(27)に支持する複数のサポート(28)とからなり、各アンモニア注入管(25)には多数の注入ノズル(図示略)が形成されている。このアンモニア注入グリッド(22)から排ガスダクト(23)内に排ガス中のNOxとほぼ等量の気化アンモニアガスを注入すると、これが排ガス中に拡散して、後流側の脱硝反応器(21)内の触媒充填層で反応させられることにより、NOxがN2とH2Oとに無害化される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記排ガス脱硝システムにおいて、脱硝率を向上させるには、1)アンモニア注入グリッド(22)から排ガスダクト(23)内に注入されたアンモニアガスが排ガス中に均一に拡散するようにすること、および、2)アンモニアガスを含む排ガスが脱硝反応器(21)内の触媒充填層を一様に通過して、脱硝反応器(21)内のいずれの箇所でも反応が均等に進むようにすることが肝要である。このうち1)については、図3に示すように、アンモニア注入グリッド(22)を構成する複数のアンモニア注入管(25)を排ガスダクト(23)断面において均等に配置して、これらの管(25)の多数の注入ノズルからアンモニアガスを排ガス中に均等に噴出させ、さらに、アンモニア注入グリッド(22)と脱硝反応器(21)内の触媒充填層との距離をある程度大きくとることにより拡散の促進を図っている。
【0005】
しかしながら、上記のような構成では、複数のアンモニア注入管(25)を密に配置して注入ノズルの数を多くし、各注入ノズルからのアンモニアガス噴出量を均等にするとともに、排ガス流速分布を一様にする必要があった。また、アンモニア注入グリッド(22)と触媒充填層との間に所要距離を確保する必要があるため、これがシステム全体の大型化を招く一因になっていた。
【0006】
この発明の目的は、注入ノズルの数を多くしたり、アンモニア注入グリッドと触媒充填層との距離を大きくとらなくても、排ガス中にアンモニアガスを速やかに短い距離で拡散させることができる排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明による排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置は、多数の注入ノズルを有する複数本の平行なアンモニア注入管を備えたアンモニア注入グリッドからなりかつ排ガスダクト内に配置されている排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置において、各アンモニア注入管に、アンモニア注入管の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する正の迎え角をもつ対の放射状第1平板翼と、アンモニア注入管の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する負の迎え角をもつ対の放射状第2平板翼とが、アンモニア注入管の長さ方向に交互に多数対ずつ設けられ、注入ノズルが、アンモニア注入管の排ガス流れ後流部における隣り合う第1平板翼と第2平板翼との間に位置する箇所と、アンモニア注入管の排ガス流れ左側部における第1平板翼の幅中央に位置する箇所と、アンモニア注入管の排ガス流れ右側部における第2平板翼の幅中央に位置する箇所とに設けられていることを特徴とするものである。
【0008】
上記アンモニア注入装置は、アンモニア注入管の外径をD、隣り合うアンモニア注入管どうしの間隔をS、各平板翼の幅をW、対をなす平板翼の先端間の距離をLとした場合、S=L×0.5〜2、W=L×0.5〜1、L=D×3〜5であるのが好ましい。
【0009】
また、上記アンモニア注入装置は、第1平板翼の排ガス流れ方向に対する迎え角が+15°〜+45°であり、第2平板翼の排ガス流れ方向に対する迎え角が−15°〜−45°であるのが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を図面を参照して以下に説明する。なお、排ガス脱硝システムおよびアンモニア注入装置の基本構成は、図1〜図3に示すものと同じであるので、詳しい説明は省略する。
【0011】
図4および図5は、この発明による排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置の詳細を示すものである。これらの図に示すように、アンモニア注入装置は、アンモニア注入グリッドを構成する複数本のアンモニア注入管(25)のそれぞれに、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する正の迎え角(θ1)をもつ対の放射状第1平板翼(31)と、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する負の迎え角(θ2)をもつ対の放射状第2平板翼(32)とが、アンモニア注入管(25)の長さ方向に交互に多数対ずつ設けられているものである。したがって、各アンモニア注入管(25)を端部側からみると、第1および第2平板翼(31)(32)がX字状に交差してみえる(図5参照)。
【0012】
アンモニア注入管(25)の外径をD、隣り合うアンモニア注入管(25)どうしの間隔をS(図3参照)、各平板翼(31)(32)の幅をW、対をなす平板翼(31)(32)の先端間の距離をLとした場合、これらの関係は、S=L×0.5〜2、W=L×0.5〜1、L=D×3〜5となっている。第1平板翼(31)の排ガス流れ方向に対する迎え角(θ1)は、+15°〜+45°であり、第2平板翼(32)の排ガス流れ方向に対する迎え角(θ2)は、−15°〜−45°である。また、注入ノズル(26)は、アンモニア注入管(25)の排ガス流れ後流部における隣り合う第1平板翼(31)と第2平板翼(32)との間に位置する箇所と、アンモニア注入管(25)の排ガス流れ左側部における第1平板翼(31)の幅中央に位置する箇所と、アンモニア注入管(25)の排ガス流れ右側部における第2平板翼(32)の幅中央に位置する箇所とに設けられている。これらの条件を満たす場合に、この発明による以下の効果が最もよく発揮されると考えられる。
【0013】
図6は、上記アンモニア注入装置付近のガス流れを示したものである。排ガスは、ほぼ一様流でアンモニア注入管(25)に近づくが、アンモニア注入管(25)付近では排ガス流れ方向に対する正または負の迎え角(θ1)(θ2)をもつ多数対の第1または第2平板翼(31)(32)に沿って流れる。図中、第1平板翼(31)に沿う排ガスの流れをベクトルa、第2平板翼(32)に沿う排ガスの流れをベクトルbで示してある。アンモニア注入管(25)の後流側においてベクトルaとベクトルbとが交差する領域があり、この領域では非常に強い剪断力が働いて大きな乱れエネルギーが生じている。このような排ガス流れの中に注入ノズル(26)からアンモニアガスを噴出させると、乱れエネルギーの大きい上記領域において、アンモニアガスの排ガス中への拡散が急速に進行する。その結果、排ガス中へのアンモニアガスの均一な拡散が、非常に速やかに短い距離で達成される。
【0014】
【実施例】
実施例1
図7(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅W=400mm、先端間の距離L=400mm、迎え角(θ1)=+30°である対の放射状第1平板翼(31)と、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅W=400mm、先端間の距離L=400mm、迎え角(θ2)=−30°である対の放射状第2平板翼(32)とを、アンモニア注入管(25)の長さ方向に交互に多数対ずつ設けた。
【0015】
実施例2
図8(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅W=200mm、先端間の距離L=400mm、迎え角(θ1)=+30°である対の放射状第1平板翼(31)と、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅W=200mm、先端間の距離L=400mm、迎え角(θ2)=−30°である対の放射状第2平板翼(32)とを、アンモニア注入管(25)の長さ方向に交互に多数対ずつ設けた。
【0016】
比較例1
図9(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)には、剪断流れ発生要素を一切設けていない。
【0017】
比較例2
図10(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅W=400mm、先端間の距離L=400mm、迎え角(θ)=15°である対の放射状平板翼を、アンモニア注入管の長さ方向に並列状に多数対設けた。
【0018】
比較例3
図11(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅W=400mm、先端間の距離L=400mm、迎え角(θ)=30°である対の放射状平板翼(4)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に並列状に多数対設けた。
【0019】
比較例4
図12(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅W=400mm、先端間の距離L=400mm、迎え角(θ)=45°である対の放射状平板翼(4)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に並列状に多数対設けた。
【0020】
比較例5
図13(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と交差しかつ幅W=400mm、長さL=400mm、迎え角(θ)=15°である方形平板翼(5)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に所定間隔おきに多数設けた。
【0021】
比較例6
図14(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と交差しかつ幅W=400mm、長さL=400mm、迎え角(θ)=30°である方形平板翼(5)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に所定間隔おきに多数設けた。
【0022】
比較例7
図15(a)(b)に示すように、外径D=100mmのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と交差しかつ幅W=400mm、長さL=400mm、迎え角(θ)=45°である方形平板翼(5)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に所定間隔おきに多数設けた。
【0023】
上記実施例および比較例について、アンモニア注入管(25)の後流側におけるガス流れを解析して乱れエネルギーの分布状況を調べた。解析領域は0.4m×0.4m×5mで、アンモニア注入管(25)の前流側1mから後流側4mまでの間で25m/sのガス一様流に生じる乱れエネルギーを計算した。結果は、図7〜図15の各(c)に示すとおりである。
【0024】
これらの図をみると、いずれの場合でも、アンモニア注入管(25)の後流側1mまでの範囲で乱れエネルギーが最大となり、そこから後流に向かって減衰している。管単体である比較例1の場合、乱れエネルギーが小さく、拡散が弱いことがわかる。1種類の平行状平板翼(4)を有する比較例2〜4や1種類の直交状平板翼(5)を有する比較例5〜7の場合、迎え角(θ)が大きくなるに従って最大乱れエネルギーも大きくなっている。ここで、乱れエネルギーが排ガスダクト断面全体に広がるためには、その最大値と最小値の差が小さくなる方がよい。ところが、比較例2〜7の場合、後流側4mの位置でもその差は依然として大きく、これでは乱れエネルギーによる拡散は十分とは言い難い。一方、実施例1および2の場合、短い距離で乱れエネルギーの最大値と最小値との差が小さくなっており、特に、実施例2では、アンモニア注入管(25)から1m後流の位置で乱れエネルギーの伝播が解析領域全体に広がっている。
【0025】
さらに、実施例2および比較例1について、注入ノズルから噴出させたアンモニアガスの拡散状況を調べたところ、比較例1の場合、アンモニア注入管(25)の後流側でガス流れが周期的な変動を生じ、その影響を受けて乱れエネルギーも拡散も不安定になり、後流側2.5mの位置でも拡散は不十分であった。一方、実施例2の場合、アンモニア注入管(25)の後流側にできた剪断流れ領域で乱れエネルギーが大きくなっていて、この領域でアンモニアガスの拡散が進み、後流側1.5mの位置でほとんど均一な濃度分布となった。
【0026】
以上の結果からも明らかなように、この発明によれば、排ガス流れ後流側で大きな乱れエネルギーを発生させることができ、それによってアンモニアガスの拡散が速やかに短い距離で達成される。
【0027】
【発明の効果】
この発明の排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置によれば、上記第1および第2平板翼によって、排ガス中にアンモニアガスを短い距離、例えば管単体の場合と比べて約5分の1の距離で、均一に拡散させることができる。したがって、この発明によれば、注入ノズルの数を多くしたり、アンモニア注入装置と脱硝反応器との距離を大きくとったりする必要がなく、システムの複雑化・大型化を伴わずに、排ガス中へのアンモニアガスの均一拡散による脱硝率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 排ガス脱硝システムの概略を示すフローシートである。
【図2】 排ガス脱硝システムの縦断面図である。
【図3】 アンモニア注入装置を構成するアンモニア注入グリッドの平面図である。
【図4】 アンモニア注入管の一部拡大斜視図である。
【図5】 (a)(b)(c)は、それぞれ図4のa−a線、b−b線、c−c線に沿うアンモニア注入管の横断面図である。
【図6】 アンモニア注入管付近のガス流れを示す横断面図である。
【図7】 実施例1を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図8】 実施例2を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図9】 比較例1を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図10】 比較例2を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図11】 比較例3を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図12】 比較例4を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図13】 比較例5を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図14】 比較例6を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図15】 比較例7を示すものであって、(a)はアンモニア注入管の横断面図、(b)はアンモニア注入管の一部側面図、(c)はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【符号の説明】
(23)…排ガスダクト
(22)…アンモニア注入グリッド
(25)…アンモニア注入管
(26)…注入ノズル
(31)…第1平板翼
(θ1)…正の迎え角
(32)…第2平板翼
(θ2)…負の迎え角
Claims (3)
- 多数の注入ノズルを有する複数本の平行なアンモニア注入管を備えたアンモニア注入グリッドからなりかつ排ガスダクト内に配置されている排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置において、各アンモニア注入管に、アンモニア注入管の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する正の迎え角をもつ対の放射状第1平板翼と、アンモニア注入管の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する負の迎え角をもつ対の放射状第2平板翼とが、アンモニア注入管の長さ方向に交互に多数対ずつ設けられ、注入ノズルが、アンモニア注入管の排ガス流れ後流部における隣り合う第1平板翼と第2平板翼との間に位置する箇所と、アンモニア注入管の排ガス流れ左側部における第1平板翼の幅中央に位置する箇所と、アンモニア注入管の排ガス流れ右側部における第2平板翼の幅中央に位置する箇所とに設けられていることを特徴とする、排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置。
- アンモニア注入管の外径をD、隣り合うアンモニア注入管どうしの間隔をS、各平板翼の幅をW、対をなす平板翼の先端間の距離をLとした場合、S=L×0.5〜2、W=L×0.5〜1、L=D×3〜5であることを特徴とする、請求項1に記載の排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置。
- 第1平板翼の排ガス流れ方向に対する迎え角が+15°〜+45°であり、第2平板翼の排ガス流れ方向に対する迎え角が−15°〜−45°であることを特徴とする、請求項1または2に記載の排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置。
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