JP4574918B2 - 煙道ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、還元剤を放出する添加物質の噴射装置と、窒素酸化物を還元するための触媒コンバータとを備えた、煙道ガス、特に発電所において化石燃料で焚かれる蒸気発生器から出された煙道ガスの浄化装置に関する。
【０００２】
例えば蒸気発生器から出された煙道ガスを浄化する際、触媒式窒素酸化物削減法においては通常還元剤としてアンモニアが使用されるか又は還元剤を放出する添加物質（例えば尿素）が使用される。触媒コンバータの前で煙道ガス内に導入されたアンモニアは反応器内に組込まれている触媒コンバータのところで窒素酸化物（特にＮＯ及び／又はＮＯ₂）と反応し、窒素（Ｎ₂）および水（Ｈ₂Ｏ）を生成する。噴射または導入されたアンモニアの微小量がしばしばいわゆる“アンモニアスリップ”として触媒コンバータの後の煙道ガス内に残される。アンモニアスリップは主として必要な窒素酸化物排除率と、触媒の活性度と、噴射されたアンモニアと煙道ガスとの混合の質との関数である。さらに、反応器横断面の全ての個所での等しい煙道ガス速度によって与えられる反応器内での貫流の均一性と、全触媒材料への障害のない到達性とが極めて重要である。
【０００３】
この前提条件は技術的な範囲内で是認できる費用をかけたのでは限定的にしか実現できない。その結果、反応器横断面に亘って不均一に分布したアンモニアスリップが必然的に生じていた。このアンモニアスリップは平均的にたった数ｐｐｍにすぎない。しかしながら、幾つかの個所では平均値の多数倍の値が発生することがある。
【０００４】
触媒コンバータに至る経路にはしばしば他の設備部分（石炭発電所の場合には空気予熱器（Ｌｕｖｏ））が配置されている。このような空気予熱器においては、まだ高温の煙道ガスとまだ低温の燃焼空気との熱交換が行なわれる。煙道ガスは３００℃以上から例えば約１５０℃へ冷却される。煙道ガスは場合によっては燃料に含まれている硫黄の燃焼から生成された硫黄酸化物（ＳＯ₃）を含んでいる。この硫黄酸化物はこの温度範囲においてアンモニアスリップのアンモニアと反応して次の関係式：２ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ＋ＳＯ₃--→（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄により硫酸アンモニウムを生成するか又は関係式：ＮＨ₃＋ＳＯ₃＋Ｈ₂Ｏ--→ＮＨ₄ＨＳＯ₄により硫酸水素アンモニウムを生成する。
【０００５】
硫酸水素アンモニウムはねばねばしており腐食作用がある。この性質のために、硫酸水素アンモニウムは触媒コンバータの後に配置された設備部分内もしくは空気予熱器内に付着し、そこで場合によっては閉塞および腐食を惹き起す。従来、この作用はアンモニアスリップを５ｐｐｍ以下の値に制限し、しかも幾つかの設備部分においては２ｐｐｍ以下に制限することによって抑制されている。このことは必要な触媒コンバータ容積に対して相応の高い費用を掛けることに結び付く。それにも拘らず、反応器横断面の幾つかの個所では平均値よりも高いアンモニアスリップが発生することを排除できない。従って、設備部分横断面または空気予熱器横断面の特定部位の前に部分的に高い（あまりにも高い）アンモニア濃度が発生し、それにより設備部分もしくは空気予熱器はこの部位が上述の経過によって被害を受ける。
【０００６】
触媒コンバータを備え高い窒素酸化物排除率（８５％以上〜９５％以上）が達成されねばならない特別な設備は、アンモニアスリップの不均一性の問題を呈する。この理由は、反応器横断面内に、アンモニアが反応のために利用するがしかしながら窒素酸化物がもはや存在していない部位が生じることにある。この部位ではそこでの余剰アンモニアが反応相手の不足のためにもはや分解されず、設備内に局部的に高いアンモニアスリップとして残留する。このアンモニアスリップは触媒コンバータ容積を付加的に非常に大きくしてももはや減少させられない。
【０００７】
上述の問題の従来知られている解決手段は、噴射されたアンモニアを触媒コンバータに流入する前に煙道ガスと良好に混合させることと、触媒コンバータ自身を大形に設計することとである。両手段は僅かなコストでは実現できず、しかも所望の成果を奏さない。
【０００８】
従って、本発明は、触媒コンバータの後に配置された設備部分の少なくとも前および中、特に空気予熱器の前または中では、煙道ガスにまだ含まれている僅かな残留物としての硫黄酸化物とアンモニアとの間での無視し得ない反応が起らないように煙道ガス浄化装置を構成することにある。
【０００９】
この課題は本発明によれば請求項１の特徴部に記載された構成要件によって解決される。このために、流れ方向において触媒コンバータの後方に、煙道ガスと還元剤との混合を均一化させるための第１の混合器が設置される。触媒コンバータが複数の触媒コンバータ層から構成されている場合でも、この触媒コンバータの後方にかかる（第１の）混合器を設置すると有利である。その代替的または付加的に、触媒コンバータ層間にそれぞれ混合器を設置することもできる。
【００１０】
この（第１の）混合器は触媒コンバータの下流側で煙道ガス流内にまだ存在する平均以上に高い還元剤残量の束流を残りの煙道ガスと混合させる。この装置によって、２ｐｐｍ以上のアンモニア含有量を持つ束流がもはや存在しなくなるように、煙道ガスとアンモニア残部とが均一的に混合される。
【００１１】
設備部分（例えば空気予熱器）が触媒コンバータの後に配置される場合、触媒コンバータの後に配置された（第１の）混合器が設備部分（すなわち空気予熱器）よりも触媒コンバータに接近して設置されていると好ましい。
【００１２】
好ましい実施態様によれば、浄化装置の噴射装置と触媒コンバータとの間で煙道ガスの流れ方向に連続して第２の混合器と、煙道ガスに対する転向装置及び／又は煙道ガス流に対する整流器とが設置される。さらに、触媒コンバータがモジュール状かつ層状に構成されている場合、少なくとも１つの触媒コンバータ層の直ぐ下流に煙道ガス流に対する混合器が設置され、少なくとも１つの触媒コンバータ層の上流に煙道ガス流に対する整流器が設置される。
【００１３】
有利な実施態様によれば、好ましくは静止形の混合器は煙道ガスの流れに対して斜めになるように煙道ガスダクト内に固定的に組込まれたプレートから構成される。特に触媒コンバータ層に付設された混合器のプレートは５０ｍｍ〜２００ｍｍの幅である。噴射装置に続く混合器のプレートおよび空気予熱器または設備部分の前に位置する最後の混合器のプレートが触媒コンバータの個々の層に付設された混合器内のプレートよりも幅広い、好ましくは２倍の幅であると有利である。同様に複数の混合器の内の少なくとも１つの混合器は通風機として、それゆえ能動形の混合器として形成されていてもよい。
【００１４】
他の有利な実施態様によれば、少なくとも１つの整流器が煙道ガスの流れ方向に５０ｍｍ〜２００ｍｍの高さを有し、及び／又は流れに平行に配置され好ましくは１ｍｍ〜４ｍｍの厚みの薄板条帯から成るプレートから構成される。同様に、複数の整流器の内の少なくとも１つの整流器のプレートは、好ましくは２０ｍｍ〜５０ｍｍのメッシュ値を持つ格子、又は好ましくは２０ｍｍ〜５０ｍｍの間隔で互いに平行に配置された薄板条帯から成る“すのこ”を形成する。２つの連続する“すのこ”のプレートは好ましくは９０°互いに回動される。
【００１５】
本発明によって得られる利点は特に、還元剤の噴射装置を有する浄化装置の、層状に構成された触媒コンバータの後方で、少なくとも１つの混合器を使用することによって、煙道ガスと余剰アンモニアの残部とまだ存在する他のガスの残部とから成る混合ガスの均質性を実質的に達成するような混合の均一化が得られることにある。この実質的に均質な混合ガスにおいては冒頭で述べた不所望な反応はもはや起らない。
【００１６】
以下において本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は層状に構成された触媒コンバータの後方に補助混合器を備えた浄化装置の原理的な構成を示す。
図２は層状に構成された触媒コンバータ内に補助混合器および整流器を備えた浄化装置の原理的な構成を示す。
両図において互いに対応する部分には同一符号が付されている。
【００１７】
例えば数ＭＷ〜１００ＭＷ以上の熱出力を有する発電所の図示されていない蒸気発生器から出された煙道ガス１は煙道ガスダクト２を通って噴射装置３へ流入する。蒸気発生器は石炭、廃棄物及び／又は油で焚かれ、今日では一般的である高い燃焼温度においては何れの場合にも窒素酸化物が形成され、これが煙道ガス１と共に流出する。噴射装置３は煙道ガスダクト２の水平部において、煙道ガス１の流れに対して斜めに固定設置されたプレート４´を備えた（第２の）混合器４の前に配置されている。混合器４は還元剤（例えばアンモニア）を煙道ガス１と混合する。このために例えば還元剤を放出する添加物質Ｚ（例えば尿素）が煙道ガスダクト２内に噴射される。
【００１８】
煙道ガスダクト２は、煙道ガスダクト２に比べて相当大きな横断面を有する触媒塔５の上端部内に開口している。触媒塔５は３０ｍ以上の高さを有し、垂直脚１４によって支持されている。煙道ガスダクト２から触媒塔５への移行範囲には転向壁６が配置されている。この転向壁６は、一方では煙道ガス１の流れすなわち煙道ガス流の損失のない転向を保証し、他方では煙道ガス１と還元剤とから成る混合ガスの脱混合を防止する。
【００１９】
触媒塔５内への煙道ガスダクト２の開口部には、煙道ガス１の流れに対して直角に、煙道ガス１の流れすなわち煙道ガス流の乱流を充分に抑制する整流器７が設置されている。これによって、モジュール状に構成された触媒コンバータ８の最上段の触媒コンバータ層８ａ内への煙道ガス１の流入部における浸食が相当減少する。各触媒コンバータ層８ａ〜８ｃは触媒塔５内に直角に保持された支持体９上に位置し、触媒塔５の全横断面に亘って延在している。２つの実施例において、触媒コンバータ８は詳細には示されていないやり方でそれぞれ３つの層８ａ〜８ｃから構成され、３つの層８ａ〜８ｃはそれぞれ４×４個の触媒モジュールを備えている。
【００２０】
各触媒コンバータ層８ａ〜８ｃの下側には、好ましくは同様にプレート状の静止形混合器１０が設置されており、この混合器は例えば互いに平行に配置され１ｍｍ〜４ｍｍの厚みの薄板条帯から成る好ましくは５０ｍｍ〜２００ｍｍの幅のプレート１０´から構成されている。プレート１０´は、混合器４のプレート４´と同様に、その長手軸線を中心にして回動されて、煙道ガス１の流れに対して斜めに設置されている。これによって、煙道ガス１が各触媒コンバータ層８ａ〜８ｃの通過後に新たに混合されることが保証される。特に、平均以上に高い量の還元剤を有する煙道ガス束流が形成されるのが防止される。
【００２１】
煙道ガス１が触媒コンバータ８の最下段の層８ｃから流出した後、煙道ガス１の流れは水平な煙道ガスダクト１１内へ転向される。その際に発生した乱流は、流れ方向において触媒コンバータ８の後方に配置され好ましくは同様に煙道ガス１の流れに対して斜めに設置されたプレート１２´を備えた（第１の）混合器１２において強められ、それにより窒素酸化物の少ない煙道ガス１が実質的に均質な混合ガスとして煙道ガスダクト１１を通って空気予熱器１５に流入する。空気予熱器１５においては、ここでは未だに３００℃以上の温度で到来する煙道ガスが燃焼空気１６を加熱し、この燃焼空気は詳細に示されていないやり方で蒸気発生器の燃焼室内に供給される。空気予熱器１５の代わりに、触媒コンバータ８の後方に煙道ガス１が流れる別の設備部分を配置することもできる。
【００２２】
触媒コンバータ８の連続する層８ａ〜８ｃ間の実際の間隔は１ｍ〜２ｍの大きさであるとはいえ、煙道ガス１の流れが幾つかの個所において次の触媒コンバータ層８ｂまたは８ｃに斜めに衝突することがある。その場合、特に触媒活性表面層において不所望に高い浸食が発生することがある。これを確実に回避するために、図２の実施例においては触媒コンバータ８の各層８ｂ、８ｃの前に、それぞれ全ての煙道ガス束流を軸線に平行な方向へ強制的に向けさせる整流器１３が配置されている。
【００２３】
この整流器１３は、混合器４，１０，１２および整流器７と同様に、プレート状に形成されており、１ｍｍ〜４ｍｍの厚みの薄板条帯から成る例えば５０ｍｍ〜２００ｍｍの幅のプレート１３´から構成されている。しかしながら、整流器１３のプレート１３´ならびに整流器７のプレート７´は例外なく全てが煙道ガス１の流れに対して平行に位置し、平行なプレート７´、１３から成る“すのこ”またはプレート７´、１３が交差する格子を形成している。整流器１３が“すのこ”に構成される場合、次に続く“すのこ”は煙道ガス流に対して平行な軸線を中心にして例えば９０°回動される。
【００２４】
混合器１０を使用することによって、及び／又は全く特別に混合器１２を使用することによっても、脱窒設備（触媒コンバータ）の運転確実性と、とりわけ煙道ガス１の流れにおいてさらに下流に位置する空気予熱器１５の運転確実性とが明らかに高められる。これは高い窒素酸化物排除率を有する脱窒設備にとっては特に重要である。
【００２５】
浄化装置は、補助的に設置された混合器１０，１２が状況に応じて必要な整流器１３と同様にコスト的に良好で簡単に据付けられる信頼できる部品を構成するので、経済的である。さらに、その部品によって惹き起される圧力降下は触媒コンバータ８の個々の層８ａ〜８ｃにおける圧力降下よりも明らかに小さい。ガスの良好な混合によって、幾つかのケースにおいて、設備の最適化によって、混合器１２及び／又は１０を備えていない浄化装置に比較して、触媒質量を低減させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 層状に構成された触媒コンバータの後方に補助混合器を備えた浄化装置の原理的な構成を示す概略図
【図２】 層状に構成された触媒コンバータ内に補助混合器および整流器を備えた浄化装置の原理的な構成を示す概略図
【符号の説明】
１ 煙道ガス
２ 煙道ガスダクト
３ 噴射装置
４ 混合器
４´ プレート
５ 触媒塔
６ 転向壁
７ 整流器
８ 触媒コンバータ
９ 支持体
１０ 静止形混合器
１０´ プレート
１１ 煙道ガスダクト
１２ 混合器
１３ 整流器
１５ 空気予熱器
１６ 燃焼空気

Claims (10)

1. 還元剤を放出する添加物質（Ｚ）の噴射装置（３）と、窒素酸化物を還元するための触媒コンバータ（８）とを備え、この触媒コンバータ（８）が複数の触媒コンバータ層（８ａ、８ｂ、８ｃ）で構成された煙道ガス（１）の浄化装置において、流れ方向において触媒コンバータ（８）の後方または最終段の触媒コンバータ層（８ｃ）の後方に、煙道ガス（１）と還元剤との混合を均一化させるための第１の混合器（１０，１２）が設置されていることを特徴とする煙道ガス浄化装置。
2. 噴射装置（３）と触媒コンバータ（８）との間で煙道ガス（１）の流れ方向に、第２の混合器（４）及び／又は煙道ガス（１）の流れに対する第１の整流器（７）が設置されていることを特徴とする請求項１記載の浄化装置。
3. 第２の混合器（４）と第１の整流器（７）との間に、煙道ガス（１）の流れに対する転向装置（６）が設置されていることを特徴とする請求項２記載の浄化装置。
4. 触媒コンバータ（８）が層状に構成されている場合、１つの触媒コンバータ層または各触媒コンバータ層（８ａ〜８ｃ）の下流に、第１の混合器（１０）が設置されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の浄化装置。
5. 触媒コンバータ（８）において少なくとも１つの触媒コンバータ層（８ａ，８ｂ，８ｃ）の上流に、煙道ガス（１）の流れに対する第２の整流器（１３）が設置されていることを特徴とする請求項４記載の浄化装置。
6. １つの混合器または各混合器（４，１０，１２）が静止形混合器であることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の浄化装置。
7. １つの混合器または各混合器（４，１０，１２）が煙道ガス（１）の流れに対して斜めに設置された固定のプレート（４´，１０´，１２´）から構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の浄化装置。
8. 整流器（７，１３）がプレート状または格子状に形成されていることを特徴とする請求項３乃至７の１つに記載の浄化装置。
9. 触媒コンバータ（８）に後置接続され煙道ガス（１）によって加熱される空気予熱器（１５）が設けられ、この空気予熱器の前に第１の混合器（１２）が設置されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の浄化装置。
10. 触媒コンバータ（８）の後に配置された第１の混合器（１２）及び／又は噴射装置（３）の後に配置された第２の混合器（４）が、個々の触媒コンバータ層（８ａ，８ｂ，８ｃ）に付設された混合器（１０）のプレートよりも幅広いプレート（１２´，４´）を有することを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の浄化装置。

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