JP5101481B2 - 脱硝装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば燃焼排ガス中に石炭灰を含む石炭火力設備等に適用される脱硝装置に関する。

事業用や産業用の石炭火力発電所においては、石炭焚きのボイラから排出される燃焼排ガス中に窒素酸化物（ＮＯx）が含まれており、この窒素酸化物を除去するための装置として脱硝装置が知られている。従来の脱硝装置は、窒素酸化物を化学反応により除去するための触媒が用いられており、この触媒は通常ハニカム構造となっている。
また、石炭焚きのボイラから排出される燃焼排ガス中には、窒素酸化物に加えて石炭灰が含まれているので、この石炭灰やダスト等の粉体が触媒に付着して脱硝性能を低下させる原因となっている。従って、従来の脱硝装置には、圧縮空気や蒸気の噴流を用いて付着した石炭灰やダスト等の粉体を吹き飛ばすため、スーツブロワと呼ばれる装置が設けられている。

図１０に示す従来の脱硝装置１０は、ボイラから排出された燃焼排ガスを缶（本体）１１内に導入し、燃焼排ガス中の窒素酸化物を触媒１２との化学反応により除去する装置である。複数段の触媒１２が所定の空間（間隔）１３を形成して配設されている缶１１の内部は、燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去する反応器となる。
このような脱硝装置１０には、触媒１２に付着した石炭灰やダスト等の粉体を除去するスーツブロワ１４が設けられている。このスーツブロワ１４は、図中に矢印１５で示すように、触媒１２の上方をノズル１６が左右方向にスライドして移動するもので、このノズル１６から圧縮空気や蒸気の噴流を触媒１２に向けて噴射することにより、触媒１２に付着した粉体を吹き飛ばすことができる。

また、ボイラ伝熱管の外表面に付着した石炭灰を除去するための従来技術として、圧縮空気を利用した音波式スーツブロアとその運用方法が提案されている。この従来技術は、圧縮空気を利用したボイラの音響除煤装置を開示したものである。（たとえば、特許文献１参照）
国際公開第０１／０５３７５４号パンフレット

ところで、従来の脱硝装置においては、圧縮空気や蒸気の噴流を触媒に噴射することにより、触媒に付着した石炭灰やダスト等の粉体（煤や塵）を吹き飛ばして除去する除煤装置（スーツブロワ）を採用しているので、下記のような問題が指摘されている。
１）圧縮空気や蒸気の噴流を受けて触媒が破損する。
２）圧縮空気や蒸気の噴流が当たる場所しか除煤できない。
３）脱硝装置の奥行きにわたって圧縮空気や蒸気を噴射するノズルをスライドさせる必要があるため、スーツブロワ（除煤装置）の設置及び動作に要するスペース分だけ脱硝装置の幅が大きくなる。

このような背景から、触媒に向けて蒸気や圧縮空気の噴流を噴射して石炭灰等の粉体を除去するスーツブロワ（除煤装置）に代えて、触媒の破損防止により耐久性を向上させることができ、しかも、ノズルの移動機構が不要で構造を簡略化することができる除煤装置を備えた脱硝装置の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、触媒の破損を防止できるとともに構造を簡略化した除煤装置を備えている高信頼性を有する脱硝装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る脱硝装置は、燃焼排ガスを缶内に導入して缶入口で噴霧されたアンモニア等との化学反応により前記燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去する触媒ハニカム層から成る脱硝装置において、前記触媒が前記缶内に所定の間隔をもって複数段配設され、前記触媒の各段間に形成された空間に向けて音響を放射する圧縮流体を用いた音源を、前記缶の対向壁面双方に対して設けるとともに、前記缶の対向壁面間に可動の中間仕切板を設け、該中間仕切板と前記対向壁面との面間距離を可変にしたことを特徴とするものである。

このような本発明の脱硝装置によれば、触媒が缶内に所定の間隔をもって複数段配設され、触媒の各段間に形成された空間に向けて音響を放射する圧縮流体を用いた音源を、缶の対向壁面双方に対して設けるとともに、缶の対向壁面間に可動の中間仕切板を設け、該中間仕切板と対向壁面との面間距離を可変にしたので、缶内には音響による圧力変動の力が発生する。この力は複数段ある触媒間に形成される空間毎に発生し、各段の触媒表面に付着した石炭灰等の粉体にも作用するので、粉体どうしの結びつきや粉体と構造物との結びつきを確実に取り崩して触媒から除去することができる。
また、缶の対向壁面双方に対して音源を設けることにより、音圧を効率よく増大させることができる。そして、缶の対向壁面間に可動の中間仕切板を設け、該中間仕切板と対向壁面との面間距離を可変にしたので、発信周波数を変化させて触媒の全面に効率よく音響を放射することができる。

上記の発明において、前記音源より放射される発信周波数（ｆ）は、音速（ｃ）、前記缶の面間距離（Ｌ）及びモード次数（ｎ）の関係式「ｆ＝（ｃ／２Ｌ）×ｎ」を満たすように設定されていることが望ましく、これにより、共鳴現象を利用して低い周波数の音響を用いて音圧を効率よく増大させることができる。すなわち、最も高い音圧及び最も低い音圧が作用する音波の背及び腹の位置は、面間距離（Ｌ）の中心位置と一致する音圧分布となる。

上記に発明において、前記缶の対向壁面間に仕切板を設け、前記缶の缶前側及び缶後側の一方に、前記仕切板で分割された空間毎に前記音源を設けることが好ましく、これにより、二方向の音圧モードを励起させて効率よく除煤することができる。
さらに、前記缶の前後及び左右の対向壁面間に仕切板を設け、前記缶の缶前側及び缶後側に、前記仕切板で分割された空間毎に前記音源を設けることが好ましく、これにより、二方向の音圧モードを励起させてより一層効率よく除煤することができる。

上述した本発明の脱硝装置は、音響により生じる圧力変動の力を利用して触媒に付着した石炭灰やダスト等の粉体を除去する除煤装置を備えているので、高い脱硝性能を確保しつつ除煤装置による触媒の破損を防止して耐久性を増すとともに、除煤装置の構造を簡略化して装置形状を小型化した低コストで高信頼性を有する脱硝装置を提供することが可能になる。

以下、本発明に係る脱硝装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１に示す実施形態の脱硝装置１０Ａは、燃焼排ガスを缶１１内に導入して触媒１２において缶入口で噴霧されたアンモニア等との化学反応により燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）を除去する装置であり、触媒１２が缶１１内に所定の空間（間隔）１３をもって複数段（図示の例では３段）に配設されている。
このような脱硝装置１０Ａに対し、本発明においては、ハニカム形状の触媒１２に付着した粉体（石炭灰やダスト等）の除煤装置として、触媒１２の各段間に形成された空間１３に向けて音響を放射するため、圧縮流体を用いた音源２０が設けられている。この音源２０は、圧縮空気等の圧縮流体を缶１１内の空間１３へ向けて噴射するラッパ状の装置であり、缶１１の内部には、いわゆる汽笛のような大音響が放射されることとなる。すなわち、音源２０は、図示しない圧縮空気供給源に連結されており、必要な圧縮空気量の供給を受けて音響を発するようになっている。

図１に示す実施形態において、音源２０は、矩形断面の缶１１を形成する４つの壁面において短辺側の一方に設置され、同じく短辺となる対向面に向けて空間１３に大音響を放射する。この場合の音源２０は、各段の空間１３にひとつ設置されており、その設置位置は短辺の中心位置となっている。
このような音源２０を設けて大音響を放射すると、缶１１内には音の波によって生じる空気分子の運動エネルギーが作用する。すなわち、音源２０の大音響は、図２に示すような音波を形成するものであるから、大気圧を基準として圧力が上昇した高圧部Ｐａと、圧力が低下する低圧部Ｐｂとが繰り返して形成される音圧分布となり、従って、音源２０を除煤装置として採用することにより、音の伝播に伴って生じる圧力変動の力を粉体除去に利用することが可能になる。この場合、音源２０から放射する大音響は、低い周波数と高い音圧を有するものが最も効果的に粉体を取り除くことができる。

このため、触媒１２の表面に付着している石炭灰やダスト等の粉体は、音波の運動エネルギーを受けることにより、粉体どうしの結びつきと、粉体と構造物である触媒１２との結びつきとの両方が崩壊することとなる。すなわち、ハニカム形状を有する触媒１２の部材表面に付着して固まり、隣接するものとも付着して固まった石炭灰等の粉体は、粉体どうし及び構造物との結びつきがともに音波により取り崩されて崩壊するので、自重により落下するなどして触媒１２の表面から除去される。
このような音源２０を利用した除煤装置は、圧縮空気や蒸気のような噴流を用いていないため、触媒１２を損傷させて寿命を縮めるようなことはなく、触媒１２の寿命向上に有効となる。また、音源２０は、脱硝装置１０Ａの缶１１内で移動させる必要がないため、ノズルの移動機構が不要となって構造を簡略化できる。

ところで、上述した音源２０の発信周波数（ｆ）は、共鳴現象を利用しながら音圧を効率よく増大させて除塵及び除煤効果を得るため、「ｆ＝（ｃ／２Ｌ）×ｎ」の関係式を満たすように設定することが好ましい。この関係式において、ｃは音速、Ｌは脱硝装置１０Ａの面間距離、ｎはモード次数である。なお、この場合の面間距離（Ｌ）は、音源２０を設置した面から対面までの距離となる。
すなわち、上記の関係式において、発信周波数（ｆ）または面間距離（Ｌ）を適宜調整することにより、上記関係式を満たすように設定すればよい。

上記の関係式を満たすと、音源２０から放射された音波の音圧分布は、１次モードの場合、最も音圧の高い位置が両壁面付近となる。一方、中央部の音圧を大きくする場合には２次モードを選定すればよい。以上のような操作により良好な除塵（除煤）効果を得ることができる。そして、音圧を効率よく増大させることができれば、同程度の除塵効果を得るために必要な音源２０を縮小化することでき、あるいは、音源２０に必要なエネルギーを小さくすることができる。
なお、図示の構成例では、音源２０が短辺の中央位置に１個設けられているが、たとえば適当な間隔をもって２個設置するなど、これに限定されることはない。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る脱硝装置について、第２の実施形態を図３及び図４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、缶１１の対向壁面に対して、双方に音源２０が設けられている。すなわち、この場合の音源２０は、矩形断面の缶１１を形成する４つの壁面において短辺側の両方に設置され、いずれの音源２０も対向する壁面に向けて空間１３に大音響を放射する。この場合の音源２０は、各段の空間１３に左右一対設置されており、その設置位置はいずれも短辺の中心位置となっているが、これに限定されることはない。

このような音源２０の配置にすれば、空間１３に対して対向壁面の両側から大音響を放射するので、音圧を効率よく増大させることができる。この場合、音源２０の発信周波数（ｆ）及び面間距離（Ｌ）については、上述した実施形態と同様の関係式を満たすように設定することが望ましい。
また、左右一対の音源２０について左右の発信周波数（ｆ）を２次モードと同じに設定した場合の音波分布は、たとえば図４（ａ）に示すように、壁面及び中央部で音圧が高くなり、従って、この領域及びその周辺で触媒１２に付着した粉体の除去効率が高くなる。

一方、図４（ｂ）に示す変形例では、右側に設置した音源２０Ｒと、左側に設置した音源２０Ｌとの発信周波数（ｆ）が異なっている。音源２０Ｒの発信周波数（ＦＲ）を１次モード、音源２０の発信周波数（ＦＬ）を２次モードとしたとき、ＦＲで形成される音圧分布Ｗａでは中央部で音圧が最小となるが、ＦＬで形勢される音圧分布Ｗでは中央部で音圧が最大になり、除塵効果が小さくなる領域を少なくし均一化させることができる。すなわち、左右の音源２０Ｌ，２０Ｒから放射する音響の発信周波数（ＦＬ，ＦＲ）を任意に変化させることにより、音響の圧力分布を変化させて効率よく除塵できる領域の調整が可能になる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る脱硝装置について、第３の実施形態を図５から図７に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、上述した第２の実施形態に、缶１１内の面間距離方向を二分割する中間仕切板３０が設けられており中間仕切板３０とその両側に存在する対向壁面との面間距離Ｌａ，Ｌｂが可変になっている。この結果、左右の音源２０Ｌ、２０Ｒから放射する音響の発信周波数（ＦＬ，ＦＲ）を変化させることにより、触媒１２の全面に効率よく音響を放射することができる。

上述した音源２０Ｌ、２０Ｒの発信周波数（ＦＬ，ＦＲ）及び面間距離（Ｌａ，Ｌｂ）は、音圧を効率よく増大させて除塵及び除煤効果を得るため、下記の関係式を満たすように設定する。
ＦＬ＝（ｃ／２Ｌａ）×ｎ
ＦＲ＝（ｃ／２Ｌｂ）×ｎ
この関係式において、ｃは音速、Ｌａ，Ｌｂは中間仕切板３０との面間距離、ｎはモード次数であり、「Ｌａ＋Ｌｂ＝Ｌ」の条件を満たすものとする。また、この条件においては、中間仕切板３０の板厚ｔは無視できるものとする。
また、上記の条件が「ＦＬ＝ＦＲ」及び「Ｌａ＋Ｌｂ＝Ｌ」となる場合には、たとえば図７（ｂ）に示すように、中間仕切板３０が面間距離Ｌの中間位置に存在していることを意味しており、大容量の脱硝反応器において空間の音圧を大きくさせる場合に選択される。

従って、中間仕切板３０をスライドさせて設置位置を適宜変更することにより、たとえば図７（ａ），（ｂ）に示すように、図中に示す音圧の高い領域が変動する。すなわち、中間仕切板３０の位置や音源２０Ｌ、２０Ｒの発信周波数（ＦＬ，ＦＲ）を適宜調整することにより、たとえば触媒ハニカムの閉塞傾向が偏在している場合等への対応等、音響の圧力分布を変化させて効率よく除塵できる領域の調整が可能になる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明に係る脱硝装置について、第４の実施形態を図８及び図９に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、缶１１の対向壁面間に固定の仕切板４０を設け、缶１１の缶前側及び缶後側の少なくとも一方に、仕切板４０で分割された空間毎に音源２０を設けてある。

図８に示す実施形態では、脱硝装置１１Ｄの缶１１について、左右方向の面間距離Ｌ１を均等に二分割する中間位置に固定の仕切板４０が設けられている。そして、左右の対向壁面には、音源２０Ｌ，２０Ｒが各々２個ずつ設けられている。さらに、缶１１の缶後側となる壁面には、仕切板４０で区画された空間１３Ｌ，１３Ｒ毎に１個の音源２０Ｅが設けられている。
このような構成を採用すれば、缶１１の左右方向及び前後方向の二方向に音圧モードを励起させて効率よく除塵することができる。また、図示の例では缶１１の缶後側のみに音源２１Ｅを設置したが、缶前側のみに設置してもよい。
なお、仕切板４０の位置は中間位置に限定されることはなく、また、音源２０Ｌ，２０Ｒの数についても図示の例に限定されることはない。

また、図９に示す本実施形態の変形例では、脱硝装置１１Ｄ′の缶１１について、左右方向の面間距離Ｌ１を均等に二分割する中間位置に固定の仕切板４０が設けられ、かつ、前後方向の面間距離Ｌ２を２分割する中間位置に固定の仕切板４１が設けられている。
また、左右の対向壁面には、音源２１Ｌ，２０Ｒが各々２個ずつ設けられ、さらに、缶１１の缶後側及び缶前側となる壁面にも、音源２０Ｅ，２０Ｆが各々２個ずつ設けられている。

この結果、缶１１の内部は、前後左右に４分割された空間１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを備えており、各空間には、左右方向に向けた音源及び前後方向に向けた音源が各々１個ずつ設けられている。すなわち、空間１３ａには音源２０Ｌ，２０Ｅが設けられ、空間１３ｂには音源２０Ｒ，２０Ｅが設けられ、空間１３ｃには音源２０Ｌ，２０Ｆが設けられ、空間１３ｄには音源２０Ｒ，２０Ｆが設けられている。
このため、缶１１の各空間１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにおいては、左右方向及び前後方向の二方向に音圧モードを励起させて効率よく除塵することができる。

この場合、仕切板４０，４１の位置については下記の条件を満たすものとする。
ａ）Ｆｅ＝ｃ／２Ｌｃ×ｎ となるようにＦｅまたはＬｃを選ぶ。
ｂ）Ｆｆ＝ｃ／２Ｌｄ×ｎ となるようにＦｆ またはＬｄを選ぶ。
ｃ）Ｆｅ≠Ｆｆ、Ｌｃ＋Ｌｄ＝Ｌ２ を満たす。
ｄ）Ｆｅ＝Ｆｆ、Ｌｃ＋Ｌｄ＝Ｌ２ を満たした場合は、中間位置にある仕切板となる。
なお、仕切板４０，４１の位置は図示の中間位置に限定されることはなく、また、音源２０Ｌ，２０Ｒ，２０Ｅ，２０Ｆの数についても図示の例に限定されることはない。

このように、上述した本発明の脱硝装置は、音響により生じる圧力変動の力を利用して触媒１２に付着した石炭灰やダスト等の粉体を除去する除煤装置を備えているので、この除煤装置による触媒１２の破損を防止して耐久性を増すとともに、除煤装置の構造を簡略化して装置形状を小型化することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、触媒１２の段数や音源２０の設置個数など、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る脱硝装置について第１の実施形態を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）の横断面図である。 音源により形成される音響の圧力分布を示す波形である。 本発明に係る脱硝装置について第２の実施形態を示す縦断面図である。 図３の脱硝装置について音圧分布を示す図で、（ａ）は音源の発信周波数が左右等しい（ＦＲ＝ＦＬ）場合を示し、（ｂ）は音源の発信周波数が２ＦＲ＝ＦＬの場合を示している。 本発明に係る脱硝装置について第３の実施形態を示す縦断面図である。 図５の横断面図である。 図５の脱硝装置について音圧分布を示す図で、（ａ）は中間仕切板が中間位置にある場合、（ｂ）中間仕切板が中間位置から左側へ移動した場合である。 本発明に係る脱硝装置について第４の実施形態を示す横断面図である。 図８に示す実施形態の変形例を示す横断面図である。 脱硝装置の従来構造を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は縦断面図である。

符号の説明

１０Ａ〜１０Ｄ 脱硝装置
１１ 缶
１２ 触媒
１３ 空間
２０，２０Ｌ，２０Ｒ，２０Ｅ、２０Ｆ 音源
３０ 中間仕切板
４０，４１ 仕切板

Claims (4)

1. 燃焼排ガスを缶内に導入して缶入口で噴霧されたアンモニア等との化学反応により前記燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去する触媒ハニカム層から成る脱硝装置において、
   前記触媒が前記缶内に所定の間隔をもって複数段配設され、前記触媒の各段間に形成された空間に向けて音響を放射する圧縮流体を用いた音源を、
   前記缶の対向壁面双方に対して設けるとともに、
   前記缶の対向壁面間に可動の中間仕切板を設け、該中間仕切板と前記対向壁面との面間距離を可変にしたことを特徴とする脱硝装置。
2. 前記音源より放射される発信周波数（ｆ）は、音速（ｃ）、前記缶の面間距離（Ｌ）及びモード次数（ｎ）の関係式「ｆ＝（ｃ／２Ｌ）×ｎ」を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。
3. 前記缶の対向壁面間に仕切板を設け、前記缶の缶前側及び缶後側の一方に、前記仕切板で分割された空間毎に前記音源を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の脱硝装置。
4. 前記缶の前後及び左右の対向壁面間に仕切板を設け、前記缶の缶前側及び缶後側に、前記仕切板で分割された空間毎に前記音源を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の脱硝装置。

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