JP4560447B2 - 尿素水噴射ノズルの詰まりを防止する脱硝装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼排ガス中に尿素水を噴射して窒素酸化物を除去する脱硝装置であって、尿素水噴射ノズルの詰まりを防止する制御を行う脱硝装置に関するものである。

特許第３５１３１６２号公報に記載があるように、ガスタービンやエンジンなどの原動機と、原動機で発生した燃焼排ガスから熱を回収する排熱ボイラを設置しておき、動力とともに熱を利用することで装置全体としての効率を高めるということが行われている。そして、燃焼排ガスに含まれている窒素酸化物を除去するために、燃焼排ガス中へ尿素水を噴射し、窒素酸化物を還元除去することが行われている。

燃焼排ガスへ向けて尿素水を噴射する尿素水噴射ノズルは、原動機と排熱ボイラの間をつなぐ排ガス通路に設置する。尿素水噴射ノズルは燃焼排ガスの熱を受ける場所に設置することになり、排ガス通路内の燃焼排ガスは高温であるため、尿素水噴射ノズルは燃焼排ガスによって加熱される。尿素水噴射ノズルでは尿素水を噴射している時には、供給し続けている尿素水によって尿素水噴射ノズルを冷却することができるため、尿素水噴射ノズルが高温になることを防止できる。しかし、尿素水の噴射を停止している時には、尿素水によって尿素水噴射ノズルを冷却することができないため、ノズル部が高温になることがある。

原動機運転開始直後の場合、排ガス通路内を流れる燃焼排ガス温度は低い状態から徐々に上昇していく。燃焼排ガス温度が低い状態で尿素水の噴射を開始すると、噴射された尿素水が燃焼排ガスから取り込む熱量は少なくなるため、気化に要する時間が長くなり、液状の尿素水が排ガス通路の壁面や下流に設置している水管表面に付着することになる。
そのため、脱硝運転は燃焼排ガスの温度が一定温度まで上昇してから開始する。しかし、燃焼排ガスの温度は脱硝運転を開始する温度に達していないとしても、燃焼排ガスは熱を持っており、脱硝運転開始までの間に燃焼排ガスの熱によって尿素水噴射ノズルが加熱されて尿素水噴射ノズルが高温になることがある。

脱硝運転前に、燃焼排ガスによって尿素水噴射ノズルが高温に加熱された状態で尿素水噴射ノズルへの尿素水の供給を行うと、尿素水噴射ノズル内に入った尿素水は尿素水噴射ノズル内で急加熱されて水分が蒸発し、尿素が析出することがある。脱硝運転を開始するたびに尿素水からの水分蒸発を繰り返していると、尿素水噴射ノズル内で析出した尿素分が尿素水噴射ノズルを詰まらせることになる。

特許第３５１３１６２号には、還元剤供給前にノズルへ水や空気を供給することでノズルを冷却することの記載がある。しかし、脱硝運転開始前に尿素水噴射ノズルへ水を供給することによって冷却する場合、燃焼排ガス温度が低い状態で水供給を開始すると、気化できなかった水滴が排ガス通路の壁面などに付着することになり、腐食などを発生させる要因となる。燃焼排ガス温度が十分に上昇した後に水の供給を開始する場合には、水冷却開始時点で尿素水噴射ノズルは高温になっているため、尿素水噴射ノズルを冷却し終えるまでの時間が長くなり、その間は脱硝運転を行えないため窒素酸化物の流出量が多くなる。また、脱硝運転開始前に尿素水噴射ノズルへ空気を供給することによって冷却する場合、空気による冷却では尿素水噴射ノズルの温度を十分に低下させることができず、尿素水供給開始時には尿素水噴射ノズルの温度が高くなる。そのため、尿素水からの水分蒸発を防ぐことはできなかった。
特許３５１３１６２号公報

本発明が解決しようとする課題は、尿素水噴射ノズルから尿素水を噴射することで燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元除去する脱硝装置において、尿素水噴射ノズル内で尿素が析出することによって尿素水噴射ノズルが詰まるということを防止することにある。

請求項１に記載の発明は、原動機など燃焼装置で発生した燃焼排ガスを通す排ガス通路に尿素水噴射ノズルを設置しておき、尿素水噴射ノズルから燃焼排ガスへ向けて尿素水を噴射し、燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元除去するようにしている脱硝装置であって、尿素水噴射ノズルへは尿素水のほかに水と空気の供給をそれぞれ可能としている脱硝装置において、燃焼排ガスの温度を検出する排ガス温度検出装置を設け、排ガス温度検出装置によって検出した燃焼排ガスの温度に基づいて脱硝装置の運転を制御するようにしておき、脱硝運転を開始する場合、燃焼排ガス温度が所定温度より低い間は尿素水噴射ノズル内へ空気を供給することで、尿素水噴射ノズルの空気冷却を行い、排ガス温度が所定温度よりも高くなると、尿素水噴射ノズル内への空気供給を停止し、尿素水噴射ノズルへの水供給を行うことで、尿素水噴射ノズル水冷却を行い、尿素水噴射ノズルへの水供給開始から所定時間が経過すると、尿素水噴射ノズルへの水供給を停止して尿素水噴射ノズルへの尿素水供給を開始する制御を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の尿素水噴射ノズルの詰まりを防止する脱硝装置において、尿素水噴射ノズルへの水供給は、燃焼排ガス温度が所定温度以上を一定時間維持した場合に開始することを特徴とする。

本発明を実施することで、燃焼排ガス温度が低い時には空気による冷却を行うことで、尿素水噴射ノズルの温度上昇を一定の範囲内に抑えておき、燃焼排ガス温度が高くなった以降に水による冷却で尿素水噴射ノズル温度を下げるようにしているため、尿素水供給開始時における尿素水からの水分蒸発はなくなり、尿素水噴射ノズルに詰まりが発生するということを防止できる。

そして、燃焼排ガス温度が低い間は、尿素水噴射ノズルの冷却を空気によって行うものであるため、燃焼排ガス温度が低い状態の時に水を供給して尿素水噴射ノズルを冷却する場合のように、水滴が排ガス通路や水管表面に付着し腐食が促進されるということはなく、装置の耐久性を高く維持することができる。

また、空気による冷却を行っておくことで尿素水噴射ノズルの温度はある程度以上には上昇せず、水による冷却時間は短くてすむものであるため、尿素水噴射ノズルの温度が大幅に高くなった状態から水による冷却を行う場合のように、尿素水噴射ノズルの冷却終了までの時間が長くなり、脱硝運転の開始が遅れるということはなく、窒素酸化物の流出量を少なくすることができる。

なお、尿素の結晶化は、尿素水供給開始時や停止時に発生しやすいため、尿素水供給の発停頻度が多ければ尿素水噴射ノズルが詰まりやすくなる。脱硝運転を開始するのは、燃焼排ガス温度が設定温度（脱硝運転を停止する温度よりも高い温度）以上で所定時間継続した場合とすることで、燃焼排ガス温度が設定温度の前後で揺れていたとしても、わずかな時間で脱硝運転の発停を行わないようにしている。尿素水供給の発停頻度を少なくしているため、尿素水噴射ノズルの詰まりはさらに発生しにくくなる。

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施する脱硝装置全体のフロー例を示したフロー図、図２は本発明の一実施例での脱硝運転開始操作時における尿素水噴射ノズルの冷却状況等を示したタイムチャート、図３から図５は比較のための従来例における脱硝運転開始操作時でのタイムチャートであり、図３は空気で冷却する場合、図４は水での冷却であって冷却開始を早めた場合、図５は水での冷却であって燃焼排ガス温度に基づいて冷却を開始した場合のものである。

燃焼排ガスの発生源であるガスタービン等の原動機（図示せず）からは高温の燃焼排ガスが発生するため、原動機で発生した燃焼排ガスから熱を回収する排熱ボイラ（図示せず）を設置する。原動機と排熱ボイラは、排ガス通路３で接続し、排ガス通路３を通して燃焼排ガスを流すようにしておき、排ガス通路３に尿素水噴射ノズル４を設置する。燃焼排ガスは有害な窒素酸化物含んでいるため、尿素水を燃焼排ガス中に噴射し、アンモニアの還元作用を利用して窒素酸化物を窒素と水に分解することで無害化する。排ガス通路３には燃焼排ガスの温度を検出する排ガス温度検出装置９を設けておく。

尿素水噴射ノズル４内で尿素水から尿素が析出すると尿素水噴射ノズル４が詰まることになるため、尿素水噴射ノズル４内が詰まらないようにする必要がある。そこで、尿素水噴射ノズル４へは尿素水だけでなく、水や空気を供給することもできるようにしておく。尿素水噴射ノズル４には、尿素水供給経路１と空気供給経路２を接続しており、尿素水供給経路１からは尿素水又は水、空気供給経路２からは空気を供給するようにしている。尿素水供給経路１の上流側には、尿素水供給ポンプ５と水供給ポンプ６を並列に設置しており、途中で流路を合流させている。

また、尿素水噴射ノズル４の外側にはアトマイズエアライン１２を設置しておき、尿素水噴射時にアトマイズエアを噴射することで尿素水の拡散効果を高める。空気供給経路２の上流側には空気供給ポンプ７を設け、空気供給経路２は途中で分岐して尿素水噴射ノズル４とアトマイズエアライン１２に接続する。尿素水噴射ノズル４に接続している空気供給経路２には冷却用空気制御弁１１、アトマイズエアライン１２に接続している空気供給経路２にはアトマイズエア制御弁１０を設けておく。尿素水供給ポンプ５、水供給ポンプ６、空気供給ポンプ７、アトマイズエア制御弁１０、冷却用空気制御弁１１、排ガス温度検出装置９は、脱硝装置の運転を制御する制御装置８と接続しておき、制御装置８が各機器の作動を制御する。

脱硝運転を開始する操作を行う場合における尿素水供給ポンプ５、水供給ポンプ６、冷却用空気制御弁１１の稼働制御等を図２に基づいて説明する。図２のタイムチャートでは、停止していた原動機の運転を開始するところから始まっている。点Ａで原動機の運転を開始すると、排ガス通路３内を流れている燃焼排ガスの温度は徐々に上昇していく。原動機の運転を開始したことの情報は制御装置８へ出力しておき、制御装置では、脱硝運転開始に向けた操作を開始する。制御装置８は、空気供給ポンプ７を稼働することで空気圧力を高めておき、冷却用空気制御弁１１を開く。冷却用空気制御弁１１を開くと、空気供給ポンプ７で加圧された空気は、空気供給経路２を通って尿素水噴射ノズル４内へ入り、尿素水噴射ノズル４内を通って排ガス通路３内へ噴射される。

排ガス通路３内を流れる燃焼排ガス温度が上昇すると、尿素水噴射ノズル４の温度も上昇していく。このとき、尿素水噴射ノズル４へは冷却用空気を送っているため、尿素水噴射ノズル４部分における温度上昇速度は遅くなり、燃焼排ガス温度よりも低い温度になる。しかし、空気による冷却では尿素水噴射ノズル４を十分に冷却することができず、尿素水噴射ノズル４の温度は、尿素水を供給すれば尿素が析出することになる温度である上限温度よりも高くなっている。

制御装置８は、排ガス温度検出装置９によって燃焼排ガスの温度を検出しておき、点Ｂにおいて燃焼排ガスの温度が設定温度（例えば３００℃）に達したことを検出すると、時間の計測を開始する。点Ｂから燃焼排ガス温度が設定温度を下回らないままで時間Ｔ（例えば３０秒）が経過した点Ｃになると、制御装置８は冷却用空気制御弁１１を閉じ、水供給ポンプ６の稼働を開始する。このとき、冷却用空気の供給は瞬時に停止されるが、水が尿素水噴射ノズル４内へ供給されるまでにはタイムラグがあり、一時的に尿素水噴射ノズル４を冷却するものがなくなるため、尿素水噴射ノズル４の温度が上昇している。しかし、水供給ポンプ６からの水を尿素水噴射ノズル４へ供給すると、水によって尿素水噴射ノズルが冷却され、水による冷却効果は空気による冷却効果より大きいため、尿素水噴射ノズル４の温度は低下していく。制御装置８は、水供給開始から所定時間（例えば１分）後であって、尿素水噴射ノズル４の温度が上限温度よりも低くなっている点Ｄにおいて、尿素水供給ポンプ５の運転開始と水供給ポンプ６の運転停止を行い、尿素水噴射ノズル４へは尿素水を供給する。このとき、尿素水噴射ノズル４の温度は、尿素水を供給すれば水分が蒸発して尿素が析出することになる温度である上限温度よりも低くなっているため、尿素水噴射ノズル４内での尿素析出を防止することができる。

以降は、尿素水噴射ノズル４から、尿素水を微粒化して排ガス中へ噴射し、尿素水噴射ノズル４から噴射する尿素水で燃焼排ガス中の窒素酸化物を無害な窒素と水に分解する。この時、空気供給ポンプ７からの空気をアトマイズエアライン１２へ送っておき、アトマイズエアライン１２から噴射する空気によって尿素水噴射ノズル４から噴射している尿素水の拡散効果を高める。

脱硝運転を行っている場合、尿素水噴射ノズル４へは所定量の尿素水を供給し続けているため、尿素水噴射ノズル４は次々と送られてくる尿素水によって冷却される。そのため、尿素水噴射ノズル４内の尿素水温度が大幅に高くなることはなく、脱硝運転中は尿素水噴射ノズル４内の尿素水から水分が蒸発して結晶が析出するということはない。

なお、点Ｂで燃焼排ガス温度が設定温度となってからの時間計測は、燃焼排ガスの温度が設定温度より高い場合にのみ行い、時間Ｔが経過するまでの間に排ガス温度検出装置９で検出している燃焼排ガス温度が設定温度より低くなった場合には、時間の計測を中止する。脱硝運転は、設定温度以上の温度を時間Ｔの間継続して維持した場合に開始するため、燃焼排ガス温度が設定温度前後で揺れている場合には脱硝運転を開始させない。

図３から図５は、比較のための従来例におけるタイムチャートである。図３の場合、脱硝運転開始前に尿素水噴射ノズルへ空気を供給することによって尿素水噴射ノズルを冷却しておき、点Ｆにおいて空気供給を停止し、尿素水の供給を開始するというものである。この場合、点Ｅで原動機の運転を開始するとともに、冷却用空気の供給を開始している。空気供給によって尿素水噴射ノズルを冷却することにより、尿素水噴射ノズルの温度上昇は緩やかとなっており、尿素水噴射ノズルは燃焼排ガス温度に比べると低く保たれる。しかし、空気による冷却では水による冷却に比べて冷却効果が劣るため、尿素水噴射ノズルの温度は尿素水供給を開始すると尿素水噴射ノズル内で尿素が析出する温度である上限温度を超えている。そのため、点Ｆで冷却用空気の供給を停止し、尿素水の供給を開始すると、尿素水噴射ノズル内で尿素の析出が発生する。脱硝運転開始ごとに尿素水の蒸発が発生することを繰り返していると、尿素水噴射ノズルが詰まることになるという問題が発生する。

図４の場合、点Ｈで燃焼排ガス温度が設定温度に達すると、水供給ポンプを稼働して尿素水噴射ノズルの冷却を開始し、尿素水噴射ノズルの温度が上限温度よりも低くなっている点Ｉで尿素水の供給を開始するというものである。ここでは、燃焼排ガス温度が設定温度に達した点Ｈの時点で尿素水噴射ノズルへの水供給を開始しており、本発明よりも速いタイミングで尿素水噴射ノズルへの水供給を開始している。この場合、尿素水噴射ノズルへの水供給を始めた時点での燃焼排ガス温度はまだ低いため、尿素水噴射ノズルから噴射した水の一部が気化できず、水滴の状態で排ガス通路の壁面などに付着することがある。脱硝運転開始ごとに排ガス通路壁面への水滴付着が発生すると、早期に腐食が発生するという問題が発生する。

図５の場合、点Ｋで燃焼排ガス温度が設定温度に達してから時間Ｔ経過後である点Ｌで水供給ポンプを稼働して尿素水噴射ノズルの冷却を開始し、所定時間の水冷却を行った後の点Ｍで尿素水の供給を開始するというものである。図５では、原動機の運転を開始する点Ｊから水冷却を開始する点Ｌまでは、尿素水噴射ノズルの冷却を行っていないため、尿素水噴射ノズルの温度は大幅に高くなっている。そのため、本発明と同じ時間だけ尿素水噴射ノズルへ水を供給することで尿素水噴射ノズルの水冷却を行っても、尿素水噴射ノズルの温度は上限温度まで冷却することができておらず、この状態で尿素水の供給を開始すれば、尿素水噴射ノズル内の温度が高いため尿素水噴射ノズル内で尿素水から水分が蒸発し、尿素が析出するという問題が発生する。また、尿素水噴射ノズルの温度を上限温度未満とするには水冷却に長い時間が必要となり、その場合には脱硝運転の開始が遅くなり、脱硝運転を開始するまでは窒素酸化物の分解が行えないため、窒素酸化物の排出量が増加する。

本発明を実施する装置全体の概略を示した説明図、 本発明での脱硝運転開始操作時における尿素水噴射ノズルの冷却状況等を示したタイムチャート 従来例における脱硝運転開始操作時のタイムチャート 従来例における脱硝運転開始操作時のタイムチャート 従来例における脱硝運転開始操作時のタイムチャート

符号の説明

１ 尿素水供給経路
２ 空気供給経路
３ 排ガス通路
４ 尿素水噴射ノズル
５ 尿素水供給ポンプ
６ 水供給ポンプ
７ 空気供給ポンプ
８ 制御装置
９ 排ガス温度検出装置
１０ アトマイズエア制御弁
１１ 冷却用空気制御弁
１２ アトマイズエアライン

Claims (2)

1. 原動機など燃焼装置で発生した燃焼排ガスを通す排ガス通路に尿素水噴射ノズルを設置しておき、尿素水噴射ノズルから燃焼排ガスへ向けて尿素水を噴射し、燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元除去するようにしている脱硝装置であって、尿素水噴射ノズルへは尿素水のほかに水と空気の供給をそれぞれ可能としている脱硝装置において、燃焼排ガスの温度を検出する排ガス温度検出装置を設け、排ガス温度検出装置によって検出した燃焼排ガスの温度に基づいて脱硝装置の運転を制御するようにしておき、脱硝運転を開始する場合、燃焼排ガス温度が所定温度より低い間は尿素水噴射ノズル内へ空気を供給することで、尿素水噴射ノズルの空気冷却を行い、排ガス温度が所定温度よりも高くなると、尿素水噴射ノズル内への空気供給を停止し、尿素水噴射ノズルへの水供給を行うことで、尿素水噴射ノズル水冷却を行い、尿素水噴射ノズルへの水供給開始から所定時間が経過すると、尿素水噴射ノズルへの水供給を停止して尿素水噴射ノズルへの尿素水供給を開始する制御を行うことを特徴とする尿素水噴射ノズルの詰まりを防止する脱硝装置。
2. 請求項１に記載の尿素水噴射ノズルの詰まりを防止する脱硝装置において、尿素水噴射ノズルへの水供給は、燃焼排ガス温度が所定温度以上を一定時間維持した場合に開始することを特徴とする尿素水噴射ノズルの詰まりを防止する脱硝装置。

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