JP4569954B2 - 排ガス脱硝装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は、尿素水を利用した排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する排ガス脱硝装置に関し、尿素水を直接排ガスダクト内に注入する装置において尿素水噴霧ノズルの詰まりを防止するのに好適な尿素水注入装置を備えた排ガス脱硝システムに関する。

電力の自由化に伴い、分散型電源設備を設置したオンサイトビジネスが増加してきており、これらの設備で用いられる燃料からの燃焼排ガスに含まれるＮＯｘの濃度の上限値が各自治体の規制強化で厳しくなる傾向にあり、分散型電源設備に排ガス脱硝装置が設置されるようになってきた。

前記分散型電源設備から排出する排ガス中のＮＯｘ濃度を低減する脱硝装置を設置する場合の排ガス脱硝システムの代表的な例を図２に示す。

ディーゼルエンジン１から発生する排ガスの流路であるダクト３に脱硝反応器２が設置され、ディーゼルエンジン１と脱硝反応器２の間のダクト３内に尿素水供給ライン１０に接続する尿素水噴霧ノズル４が設置され、尿素水噴霧ノズル４から噴霧された尿素水は排ガスの熱により加水分解又は熱分解され、アンモニア又はイソシアン酸などになり、脱硝触媒層に流入し、排ガスに含まれるＮＯｘと反応し、ＮＯｘは窒素に変換され、排ガスは脱硝されて浄化排ガスが大気に放出される。

排ガス中のＮＯｘの還元剤として用いられる尿素水は、尿素水供給ライン１０を経由して尿素水噴霧ノズル４から排ガス中に噴霧されるために、尿素水タンク５より尿素水供給ライン１０に定量ポンプ６が設けられるが、尿素水の噴霧粒子径を小さくし、気化分解を効率良くするために、尿素水噴霧ノズル４にはコンプレッサー７より供給される圧縮空気が導入され、尿素水と圧縮空気からなる二流体が尿素水噴霧ノズル４から噴霧される。

図２に示す排ガス脱硝システムにおいては、該システムの運転中は尿素水は絶えず安定してダクト３内に供給されるため、尿素水噴霧ノズル４内で尿素水が滞留することがない。そのため、尿素水噴霧ノズル４で尿素が熱分解して固形物に変質することは無いのでノズル内での詰まりは発生しない。

しかし、ダクト３への尿素水の供給を停止し、ディーゼルエンジン１も停止した場合、尿素水噴霧点であるダクト３内には残熱があり、尿素水噴霧ノズル４内に尿素水が残っている場合にはダクト３内の熱により尿素はイソシアン酸，シアヌル酸，アンメリン等に変化し、これらの物質が尿素水噴霧ノズル４内で固まって詰まりを生じてしまう。

そこで、上記不具合を解消するために下記のような対策が考えられるが、それぞれに問題点があった。
（１）尿素水の排ガスダクト３への注入停止後に尿素水注入ライン１０内を水で洗浄し、尿素水噴霧ノズル４内に尿素を残さないようにする。
この方法は、ダクト３内にまだ排ガスが流れている間に水で尿素水注入ライン１０内をパージする必要があり、排ガスのダクト３内への導入停止とのタイミングを合わせることが困難となり、洗浄水がダクト３内に流れ込む不具合がある。

（２）排ガスダクト３への尿素水の注入停止後に尿素水注入ライン１０内を空気によりパージし、尿素を残さないようにする。
この方法も水でのパージと同様に排ガスのダクト３内への導入停止と尿素水注入とのタイミングを合わせることが困難となる問題がある。

（３）排ガスのダクト３内への導入停止後においてもコンプレッサー７から圧縮空気を流し続ける。
この方法は、コンプレッサー７の動力用の電力が必要であり、不経済である。

（４）尿素水噴霧ノズル４を二重管にして内部に冷却用の空気を流し、尿素水に熱が加わらないようにする。
この方法も、コンプレッサー７の動力を大きくする必要があり、不経済である。

（５）尿素水噴霧ノズル４の入口に遮断弁８を設置し、尿素水供給ポンプ６の停止と共に遮断弁８を閉止して尿素水噴霧ノズル４に尿素水の供給を遮断する。なお、噴霧空気は尿素水供給停止後、数分間流し、尿素水噴霧ノズル４内の尿素水を排出する。
この方法は有効に思われるが、尿素水供給ポンプ６はダイヤフラムポンプを使用することが多く、その脈動をなくすためにエアーチャンバー９をポンプ６の出口に設置する。このため、ポンプ６の運転中はエアーチャンバー９の内部の空気がポンプ６の圧力で圧縮されており、この圧力によって、遮断弁８に異物が噛み込むこと等が原因となりリークが生じた場合には、エアーチャンバー９の残圧により尿素水噴霧ノズル４内に供給され、ダクト３の残熱により、尿素水噴霧ノズル４内に滞留した尿素が前述のような固形物になり、尿素水噴霧ノズル４を閉塞させる。
特開平０９―１５００３８号公報 特開平０８―２０６４５９号公報

図２に示す排ガス脱硝システムではディーゼルエンジン停止中に、尿素水噴霧ノズル４内に尿素水が存在すると、排ガスダクト３内の残熱により尿素がイソシアン酸，シアヌル酸，アンメリン等に変化して尿素水噴霧ノズル４を詰まらせる問題がある。このため尿素水噴霧ノズル４内をパージするか、尿素水噴霧ノズル４に熱が加わらないように二重管にし、パージ空気を流す等の工夫が必要であるが、パージ空気を流すタイミングと排ガスのダクト３内への導入停止のタイミングを合わせるのが困難である他、パージ空気等のユーティリティーが必要で、不経済となる問題点があった。

本発明の課題は、尿素水噴霧ノズル内の詰まりを簡単に経済的に防止できる、尿素水をＮＯｘ含有燃焼排ガスダクトに供給することができる排ガス脱硝システムを提供することにある。

本発明の上記課題は、次の解決手段により解決される。
請求項１記載の発明は、排ガス源から排出する排ガスの流路となる排ガスダクト（３）内に尿素水を噴霧する尿素水噴霧ノズル（４）を有する尿素水供給ライン（１０）と排ガスダクト（３）内の尿素水噴霧ノズル（４）の下流側に脱硝触媒層（２ａ）を備えた脱硝装置（２）において、尿素水供給ライン（１０）には尿素水供給ポンプ（６）を設け、該ポンプ設置部の下流に設置した脈動防止のエアーチャンバー（９）を設け、該尿素水供給ポンプ（６）とエアーチャンバー（９）の下流側の尿素水供給ライン（１０）に尿素水供給ライン（１０）内の尿素水を抜く尿素水抜きライン（１１）を接続した排ガス脱硝装置である。

請求項２記載の発明は、尿素水噴霧ノズル（４）の直前の尿素水供給ライン（１０）に遮断弁（８）を設け、尿素水抜きライン（１１）にも遮断弁（１２）を設けた請求項１記載の排ガス脱硝装置である。

請求項３記載の発明は、尿素水抜きライン（１１）のエアーチャンバー（９）下流側の尿素水供給ライン（１０）との接続部とは反対側の端部は、尿素水供給ポンプ（６）の設置部の上流側の尿素水供給ライン（１０）に接続している請求項１又は２記載の排ガス脱硝装置である。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の排ガス脱硝装置（２）の運用方法であって、排ガス源の運転を停止する場合には尿素水噴霧ノズル（４）の直前の尿素水供給ライン（１０）に設けた遮断弁（８）を閉じ、尿素水抜きライン（１１）に設けた遮断弁（１２）を開く排ガス脱硝装置の運用方法である。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の排ガス脱硝装置の運用方法であって、排ガス源の運転停止時に排ガス脱硝を実行しない場合には、尿素水供給ライン（１０）内の尿素水を抜き取る排ガス脱硝装置の運用方法。

（作用）
請求項１、５記載の発明によれば、排ガス源の運転を停止した場合に、尿素水供給ラインを閉じ、尿素水抜きラインを開いて、尿素水供給ライン内の尿素水を尿素水供給ポンプの下流側の尿素水供給ラインから尿素水抜き出しラインに抜き出すことができ、尿素水噴霧ノズル内に尿素水が滞ることがない。また、このとき尿素水抜き出しラインからエアーチャンバーの残圧を低圧部に逃がすこともできる。

請求項２、４記載の発明によれば、請求項１記載の発明の作用に加えて、排ガス源の運転を停止した場合に尿素水供給ポンプを止めて、尿素水抜きラインの遮断弁を開き、その後しばらくして、尿素水噴霧ノズルの直前の尿素水供給ラインの遮断弁を閉じてガスダクトへの尿素水の供給を遮断する。

請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の発明の作用に加えて、尿素水抜きラインから抜き出した尿素水を尿素水供給ポンプの設置部の上流側の尿素水供給ラインに戻すことができる。

請求項１、５記載の発明によれば、排ガス源の運転を停止した場合に、尿素水噴霧ノズル内に尿素水を残さないので、排ガス源の停止時の排ガスダクト内の残熱による尿素から変化した物質による尿素水供給ノズルの詰まりが防止でき、安定した尿素水を排ガスダクトに供給することができる。

請求項２、４記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、排ガス源の運転を停止した場合に、よりスムーズに尿素水供給ノズルと尿素水供給ライン中の尿素水を抜き出すことができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、尿素水抜きラインから抜き出した尿素水を尿素水供給ラインに戻すことができるので、尿素水を無駄にすることが無くなる。

以下、本発明のディーゼルエンジンからの排ガス処理用脱硝装置に用いる尿素水噴霧装置を例に図１に基づいて説明する。なお、ディーゼルエンジン以外の排ガス処理用脱硝装置においても、図１に示す装置と同様な尿素水噴霧装置を用いることができる。また、図１と同一符号で示す部材は同様な機能を奏するのでその説明は省略する。

ディーゼルエンジン１の排ガスが流れる排ガスダクト３に脱硝反応器２が設置され、ディーゼルエンジン１と脱硝反応器２の間の排ガスダクト３内に尿素水噴霧ノズル４が設置される。尿素水噴霧ノズル４から噴霧された尿素水は排ガスの熱により加水分解又は熱分解され、アンモニア又はイソシアン酸などに変換されて脱硝触媒層２ａに流入し、排ガス中のＮＯｘを窒素に変換した後、大気に放出される。

この排ガス中のＮＯｘの還元剤になる尿素水を排ガスダクト３に供給する場合に、尿素水タンク５より尿素水供給ライン１０に設けられた定量ポンプ６を用いて尿素水噴霧ノズル４に供給されるが、噴霧粒子径を小さくし、気化分解を効率良くするために、コンプレッサー７より供給される圧縮空気も同時に尿素水供給ライン１０に供給して気液二流体にて尿素水噴霧ノズル４から噴霧される。

定量ポンプ６の出口より尿素水供給ライン１０の配管を分岐して定量ポンプ６とその下流側に設けられるエアチャンバー９を迂回して尿素水噴霧ノズル４に接続する尿素水抜きライン１１を設ける。該尿素水抜きライン１１には配管流路を遮断する遮断弁１２を設置する。

ディーゼルエンジン１の運転時においては定量ポンプ６も運転されており、尿素水供給遮断弁８が開き、尿素水抜き遮断弁１２は閉じた状態で尿素水が尿素水噴霧ノズル４より排ガスダクト３に供給される。

ディーゼルエンジン１が運転停止中又は低負荷運転中には排ガスダクト３に尿素水を供給することは停止するが、このとき定量ポンプ６を停止させると同時に尿素水抜きライン１１に設けた遮断弁１２を開として定量ポンプ６の出口側の尿素水供給ライン１０にかかっている圧力を定量ポンプ６の入口側に戻して、尿素水供給ライン１０の圧力を下げる。尿素水供給遮断弁８は尿素水供給ライン１０の圧力が抜け易くなるようにするために尿素水抜きライン１１に設けた遮断弁１２が開いた後に数秒間経過した後に閉じる。

その後、ディーゼルエンジン１の停止によって排ガスの流れが止まってから少しの間は、尿素水噴霧ノズル４内に残った尿素をパージするために５〜１０分後にコンプレッサー７を運転停止させる。

図１に示すディーゼルエンジン１からの排ガス処理用脱硝装置に用いる尿素水噴霧装置は、尿素水を用いて排ガスダクト内に噴霧するシステムであるが、還元剤としてアンモニア水を用いる場合においても前記実施例と同じシステムで、アンモニア水供給ライン１０の圧力を抜くことが可能で、アンモニア水供給ライン１０からの漏洩時のアンモニアガス発生の危険を回避できる効果がある。

本発明は、尿素水を利用した排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する排ガス脱硝システムに適用できる。

本発明の一実施例の尿素水供給ラインに装置停止時に尿素水の圧力を抜く為の尿素水抜きラインを設置した尿素水供給系統を示す図である。 従来技術の尿素水を用いたディーゼルエンジンへの一般的な尿素水供給系統を示す図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン ２ 脱硝反応器
３ ダクト ４ 尿素水噴霧ノズル
５ 尿素水タンク ６ 尿素水供給ポンプ
７ コンプレッサー ８ 尿素水供給遮断弁
９ エアーチャンバー １０ 尿素水供給ライン
１１ 尿素水抜きライン １２ 尿素水抜き遮断弁

Claims (5)

1. 排ガス源から排出する排ガスの流路となる排ガスダクト（３）内に尿素水を噴霧する尿素水噴霧ノズル（４）を有する尿素水供給ライン（１０）と排ガスダクト（３）内の尿素水噴霧ノズル（４）の下流側に脱硝触媒層（２ａ）を備えた脱硝装置（２）において、
   尿素水供給ライン（１０）には尿素水供給ポンプ（６）を設け、該ポンプ設置部の下流に設置した脈動防止のエアーチャンバー（９）を設け、
   該尿素水供給ポンプ（６）とエアーチャンバー（９）の下流側の尿素水供給ライン（１０）に尿素水供給ライン（１０）内の尿素水を抜く尿素水抜きライン（１１）を接続した
   ことを特徴とする排ガス脱硝装置。
2. 尿素水噴霧ノズル（４）の直前の尿素水供給ライン（１０）に遮断弁（８）を設け、尿素水抜きライン（１１）にも遮断弁（１２）を設けたことを特徴とする請求項１記載の排ガス脱硝装置。
3. 尿素水抜きライン（１１）のエアーチャンバー（９）下流側の尿素水供給ライン（１０）との接続部とは反対側の端部は、尿素水供給ポンプ（６）の設置部の上流側の尿素水供給ライン（１０）に接続していることを特徴とする請求項１又は２記載の排ガス脱硝装置。
4. 請求項３記載の排ガス脱硝装置（２）の運用方法であって、排ガス源の運転を停止する場合には尿素水噴霧ノズル（４）の直前の尿素水供給ライン（１０）に設けた遮断弁（８）を閉じ、尿素水抜きライン（１１）に設けた遮断弁（１２）を開くことを特徴とする排ガス脱硝装置の運用方法。
5. 請求項３記載の排ガス脱硝装置の運用方法であって、排ガス源の運転停止時に排ガス脱硝を実行しない場合には、尿素水供給ライン（１０）内の尿素水を抜き取ることを特徴とする排ガス脱硝装置の運用方法。

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