JP5269565B2

JP5269565B2 - ボイラプラント

Info

Publication number: JP5269565B2
Application number: JP2008306608A
Authority: JP
Inventors: 和佳子下平; 典幸今田; 信夫森本
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: JP2010127605A

Description

本発明は、ボイラプラントに係り、特に、ボイラから排出された排ガス中の水銀を除去するボイラプラントに関する。

この種のボイラプラントとしては、石炭などの化石燃料をボイラで燃焼させ、ボイラから排出された排ガス中の窒素酸化物を脱硝装置で除去し、脱硝装置から排出された排ガスを熱交換器で冷却し、熱交換器から排出された排ガス中の飛灰を集塵装置で捕集し、集塵装置から排出された排ガス中の硫黄酸化物を脱硫装置で除去するボイラプラントが提案されている（例えば、特許文献１）。そして、排ガスに含まれる水銀を除去するため、熱交換器で集塵装置の入口側の排ガス温度を１５０℃以下に冷却して飛灰への水銀の吸着を促進している。

一方、特許文献２には、化石燃料をボイラで燃焼させ、ボイラから排出された排ガス中の二酸化硫黄を脱硫装置で除去し、脱硫装置から排出された排ガスをエアヒータで昇温し、昇温した排ガス中の飛灰を集塵装置で捕集するボイラプラントが提案されている。特に、特許文献２のボイラプラントは、集塵装置で捕集した飛灰をボイラに供給し、ボイラ内の排ガスに含まれる水銀を飛灰に吸着させて集塵装置で除去することで、ボイラプラントから排出される排ガス中の水銀量を低減している。

特開２０００−３２５７４７号公報特開２００４−１９０９３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のボイラプラントは、集塵装置の入口側の排ガス温度を１５０℃以下に冷却していることから、集塵装置内で排ガス中の三酸化硫黄が凝縮して飛灰に吸着され、飛灰の水銀吸着能が低下するという問題がある。

一方、特許文献２に記載のボイラプラントは、脱硫装置で除去されない三酸化硫黄を含む排ガスが、エアヒータを介して集塵装置に導入される。集塵装置内は温度が低く排ガス中の三酸化硫黄が凝縮して飛灰に吸着するから、集塵装置で捕集した飛灰をボイラに供給しても、飛灰が水銀を吸着しにくくなるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、飛灰の水銀吸着能を維持し、ボイラプラントから排出される排ガス中の水銀濃度を低減させることにある。

上記課題を解決するため、本発明のボイラプラントは、化石燃料を燃焼させた排ガスの熱を回収する後部伝熱部を出口側に備えてなるボイラと、ボイラから排出される排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置と、脱硝装置から排出される排ガスを冷却する熱交換器と、熱交換器から排出される排ガス中の水銀を含む飛灰を捕集する集塵装置と、集塵装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備え、後部伝熱部と熱交換器の少なくとも一方で回収した飛灰を集塵装置の上流側に供給することを特徴とする。

これによれば、排ガス温度が高く三酸化硫黄が凝縮しにくいボイラの後部伝熱部や排ガスの熱交換器で回収した飛灰を、集塵装置の上流側に供給することから、集塵装置に達する前の煙道や排ガスの熱交換器における飛灰の水銀吸着能を高くでき、しかも、水銀吸着能を有する飛灰の量を増加できる。そして、水銀を吸着した飛灰を集塵装置で捕集して排ガスから除去することで、ボイラプラントから排出される排ガス中の水銀濃度を低減できる。

また、回収した飛灰を排ガス温度が高い雰囲気、例えば、熱交換器の入口側に供給する。これによれば、高温雰囲気、例えば、２００℃〜３００℃の雰囲気に飛灰を供給して飛灰中の未燃分を触媒とすることで、排ガス中の水銀が飛灰に吸着しやすい塩化水銀（ＨｇＣｌ_２）などの水銀の酸化形態に変換する反応を促進できる。

また、熱交換器が高温熱交換器と低温熱交換器で構成されている場合は、回収した飛灰を高温熱交換器の入口側、低温熱交換器の入り口側、集塵装置の入口側の少なくなくとも１つに供給することができる。

また、ボイラプラントの上流部で回収した飛灰、例えば、後部伝熱部や高温熱交換器で回収した飛灰を排ガス温度が高い高温熱交換器の入口側に供給することが好ましい。これは、ボイラプラントの上流部で回収した飛灰は粒径が大きく、粒径が大きいほど飛灰中の未燃分が多いことから、水銀を酸化形態に変換する反応の触媒作用を一層促進できるからである。

また、高温熱交換器で低温熱交換器内の排ガス温度が硫黄酸化物の酸露点温度以下になるよう排ガスを冷却することが好ましい。これによれば、低温熱交換器で排ガス中の三酸化硫黄を凝縮させて飛灰に吸着させて除去できることから、集塵装置に導入される排ガス中の三酸化硫黄の濃度を低減できる。その結果、集塵装置内で凝縮する三酸化硫黄が飛灰に吸着することを低減でき、飛灰への水銀の吸着量を増加できる。

本発明によれば、飛灰の水銀吸着能を維持でき、ボイラプラントから排出される排ガス中の水銀濃度を低減できる。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１のボイラプラントの概略フローを示す。図示のように実施形態１のボイラプラントには、例えば、火力発電所などの微粉炭を燃焼させるボイラ１が設けられている。ボイラ１は、火炉３と後部伝熱部５により構成されている。火炉３には、図示していない微粉炭が供給されるバーナと、炉壁内を水が通流する水冷壁を含む前記伝熱部が備えられている。火炉３の排ガス出口側には、水平部７を介して後部伝熱部５が連設されている。後部伝熱部５には、図示していない伝熱管が備えられ、火炉３から排出された排ガスの熱を水蒸気に回収するようになっている。後部伝熱部５の下方の側壁には、図示していない排ガスの出口が形成され、ボイラ１から排ガスを水平方向に排出するようになっている。後部伝熱部５の底部は、先細り状に形成され、伝熱管に付着などして落下して堆積した飛灰を回収できるようになっている。後部伝熱部５で回収した飛灰はホッパ９に貯留されるようになっている。

ボイラ１の出口側には脱硝装置１１が配置されている。脱硝装置１１は、例えば、アンモニアを排ガスに添加する図示していないアンモニア注入管と脱硝触媒層を備えている。脱硝装置１１の出口側には、排ガスを冷却する熱交換器１３が配置されている。熱交換器１３は、高温熱交換器であるエアーヒータ１５と、エアーヒータ１５の下流側に配置された低温熱交換器であるガスガスヒータ１７で構成されている。エアーヒータ１５及びガスガスヒータ１７には、それぞれ伝熱流路１９、２１が備えられ、伝熱流路１９、２１内を通流する、例えば、燃焼用空気などの熱媒体で排ガスの熱を回収するようになっている。エアヒータ１５及びガスガスヒータ１７の底部は先細り状に形成され、底部に落下して堆積した飛灰を回収できるようになっている。エアヒータ１５で回収した飛灰はホッパ９に貯留され、ガスガスヒータ１７で回収した飛灰はホッパ２７に貯留されるようになっている。

ガスガスヒータ１７の出口側には、排ガス中の水銀を含む飛灰を捕集する集塵装置、例えば、電気集塵機２９が配置されている。電気集塵機２９は、排ガス中の飛灰を荷電させて集塵極で飛灰を捕集できるようになっている。電気集塵機２９で捕集した飛灰は底部から抜き出されホッパ２７に貯留されるようになっている。電気集塵機２９の出口側には、排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置、例えば、湿式脱硫装置３１が配置されている。湿式脱硫装置３１は脱硫剤、例えば、カルシウム系の脱硫剤を含む吸収液を排ガスに接触させて排ガス中の硫黄酸化物を吸収するようになっている。湿式脱硫装置３１の出口側には、図示していない再加熱器が設けられ、再加熱器で加熱した排ガスを煙突３３から大気中に放出するようになっている。

このように構成される実施形態１のボイラプラントの動作を説明する。火炉３内で微粉炭を燃焼させて発生した高温の排ガス、例えば、１６００℃以上の排ガスは、火炉３を上昇しながら水冷壁内を通流する水により熱回収され、例えば、排ガス温度が１２００℃〜１３００℃程度に低下する。火炉３から排出された排ガスは、水平部７を介して後部伝熱部５に導かれ、後部伝熱部５の側壁に沿って下降しながら、後部伝熱部５に備えられた伝熱管内を通流する水蒸気により熱回収され、例えば、排ガス温度が４００℃程度に低下する。熱回収した水蒸気は、例えば、図示していない蒸気タービンに導入されて蒸気タービンを駆動させて発電する。後部伝熱部５から排出された排ガスは、脱硝装置１１に導かれてアンモニアが添加され、排ガス中の窒素酸化物を触媒存在下で反応させて脱硝される。脱硝装置１１から排出された排ガスは、エアヒータ１５及びガスガスヒータ１７で熱回収されて、電気集塵機２９に導入され排ガス中の飛灰が除去される。電気集塵機２９から排出された排ガスは、湿式脱硫装置３１に導入され吸収液が散布される。これにより、排ガス中の二酸化硫黄などの硫黄酸化物や排ガス中に残存する飛灰、塩化水銀を吸収液に吸収させて排ガスから除去する。湿式脱硫装置３１から排出された排ガスを再加熱器を介して煙突３３から放出する。

次に、本実施形態の特徴動作を説明する。後部伝熱部５及びエアヒータ１５で回収しホッパ９に貯留した飛灰を、例えば、図示していない送気手段で気流搬送し、電気集塵機２９の入口側の煙道に供給する。後部伝熱部５及びエアヒータ１５内は、三酸化硫黄の酸露点温度よりも高い温度であるから、後部伝熱部５及びエアヒータ１５で回収した飛灰には三酸化硫黄がほとんど吸着されていないので、飛灰の水銀吸着能が維持されている。そのため、電気集塵機２９の入口側に供給することにより、三酸化硫黄が吸着する前に排ガス中の飛灰の量を増加でき、水銀の吸着量を増加できる。そして、水銀が吸着した飛灰を電気集塵機２９で捕集して排ガスから除去することで、排ガス中の水銀濃度を低減できる。この際、電気集塵機２９内の温度は２００℃以下、好ましくは、１５０℃以下になるよう、熱交換器１３で排ガスを冷却する。これは、低温雰囲気にすることで、飛灰に吸着した水銀が飛灰から脱離しにくくなり、排ガス中の水銀除去率を向上できるからである。この場合、電気集塵機２９内で排ガス中の三酸化硫黄が凝縮し三酸化硫黄が飛灰に吸着するおそれがあるが、飛灰を電気集塵機２９の入口側に供給することで、三酸化硫黄が飛灰に吸着される前に排ガス中の飛灰の量を増加でき、水銀の吸着量を増加できる。なお、ホッパ２７に貯留したガスガスヒータ１７と電気集塵機２９で回収した飛灰は系外に抜き出すようにする。

ここで図２を用いて、三酸化硫黄と飛灰の水銀吸着特性の関係について説明する。図２は、飛灰の採取場所を変えた場合の、飛灰中の三酸化硫黄（ＳＯ_３）濃度と飛灰への水銀吸着効率の関係を示している。排ガス温度がＳＯ_３の酸露点温度を超える４００℃の脱硝装置１１の入口側で採取した飛灰のＳＯ_３濃度は１．７％なのに対し、入口側の排ガス温度が１６０℃で内部の温度が酸露点温度以下の電気集塵機２９で採取した飛灰中のＳＯ_３濃度は３．４％であった。つまり、ＳＯ_３の酸露点温度以下の低温雰囲気では、飛灰のＳＯ_３の付着量が多くなっている。このとき、飛灰による水銀吸着効率は、脱硝装置１１の入口の飛灰で８０％なのに対し、電気集塵機２９で捕集した飛灰では２１％となっており、ＳＯ_３により水銀の吸着が阻害されていることがわかる。

これによれば、排ガス温度が高く三酸化硫黄が凝縮しにくいボイラの後部伝熱部５やエアヒータ１５で回収した飛灰を、電気集塵機２９の上流側に供給することから、電気集塵機２９に達する前の煙道における飛灰の水銀吸着能を高くでき、しかも、水銀吸着能を有する飛灰の量を増加できる。そして、水銀を吸着した飛灰を電気集塵機２９で捕集して排ガスから除去することで、ボイラプラントから排出される排ガス中の水銀濃度を低減できる。

また、エアヒータ１５でガスガスヒータ１７内の排ガス温度が硫黄酸化物の酸露点温度以下になるよう排ガスを冷却することができる。これによれば、排ガス中の三酸化硫黄をガスガスヒータ１７内で凝縮させて飛灰に吸着させ、電気集塵機２９に導入される排ガスの三酸化硫黄の濃度を低減できる。これにより、電気集塵機２９内で三酸化硫黄が凝縮し飛灰に吸着することを抑制でき、より一層ボイラプラントから排出される排ガスの水銀濃度を低減できる。

ここで、ガスガスヒータ１７の出口温度を１６０℃と９０℃に制御した場合の、排ガス中のＳＯ_３濃度の変化を図３に示す。図３の縦軸は排ガス中のＳＯ_３濃度であり、横軸はＳＯ_３濃度の測定位置である。ガスガスヒータ１７の出口温度がＳＯ_３の酸露点温度を超える１６０℃の場合は、電気集塵機２９内で徐々にＳＯ_３濃度が低下している。これは、電気集塵機２９内で飛灰へのＳＯ_３の吸着が進行したためであり、電気集塵機２９内の飛灰にＳＯ_３が吸着している。よって，このときの飛灰の水銀吸着効率は低くなる。これに対し、ガスガスヒータ１７出口温度をＳＯ_３の酸露点温度よりも低い９０℃とした場合は、ガスガスヒータ１７の入口から電気集塵機２９の入口にかけてＳＯ_３濃度が急激に低下しており、ガスガスヒータ１７内で大部分のＳＯ_３が飛灰に付着して除去されていることがわかる。このときの電気集塵機２９内のＳＯ_３濃度は２ｐｐｍ程度にまで下がっていることから、電気集塵機２９に集塵装置入口に供給された飛灰へのＳＯ_３吸着量が少なくなり、飛灰の水銀吸着効率は高くなる。特に、硫黄分が多い石炭をボイラ１で燃焼させる場合は、排ガス中の硫黄酸化物濃度が多くなるから、ガスガスヒータ１７で排ガス中の三酸化硫黄を除去することが好ましい。この場合、ガスガスヒータ１７で回収した飛灰には、三酸化硫黄が多く付着しているから、ガスガスヒータ１７で回収した飛灰は系外に排出する。

なお、飛灰の供給位置は本実施形態に限定されず、エアヒータ１５の入口側、ガスガスヒータ１７の入口側、電気集塵機２９の入口側のいずれか１つの煙道に供給することができる。

また、本実施形態は、熱交換器１３をエアーヒータ１５とガスガスヒータ１７で構成したが、１つの熱交換器で熱交換器１３を構成して簡素にできる。この場合、後部伝熱部５又は熱交換器１３の少なくとも一方で回収した飛灰を電気集塵機２９の上流側に供給することができる。これによれば、電気集塵機２９の上流側の飛灰に三酸化硫黄が吸着する前の煙道や熱交換器１３内で水銀を飛灰に吸着できることから、ボイラプラントから排出される排ガス中の水銀濃度を低減できる。

また、湿式脱硫装置３１で吸収液を循環使用すると吸収液に溶解した水銀の一部が排ガス中に放出するという問題がある。しかし、本実施形態では、湿式脱硫装置３１に導入される排ガスの水銀濃度を低減していることから、吸収液に溶解させる水銀量を低減でき、吸収液から排ガスに放出される水銀量を低減できる。

なお、三酸化硫黄の酸露点温度は、排ガス中のＳＯ_２濃度や水分量の変動により変化するが、酸露点温度の範囲を例示すると、１１０℃〜１５０℃である。

また、火炉３の底部に蓄積した飛灰は、粒径範囲が、例えば、１．０〜１０ｍｍと大きく、排ガスに添加しても滞空時間が短いことから、系外に抜き出すようにする。

（実施形態２）
図４に本発明の実施形態２のボイラプラントの概略フローを示す。実施形態２が実施形態１と相違する点は、ホッパ９に貯留した飛灰をエアヒータ１５の入口側とガスガスヒータ１７の入口側に供給し、ガスガスヒータ１７で回収した飛灰をホッパ４１に貯留して電気集塵機２９の入口側に供給するようにした点である。その他の構成を実施形態１と同じであるので、同一の符号を付して説明を省略する

これによれば、回収した飛灰を排ガス温度が高いエアヒータ１５の入口側に供給することで、飛灰への水銀の吸着量を向上できる。これは、エアヒータ１５は、例えば、排ガスを３５０℃から１７０℃に冷却し、エアヒータ１５内は排ガス中の水銀が酸化しやすい温度雰囲気、例えば、２００℃〜３００℃範囲だからである。そのため、エアヒータ１５の入口側に飛灰を供給することで、飛灰中の未燃分が触媒となり水銀を塩化水銀（ＨｇＣｌ_２）などの酸化形態に変換する反応を促進できる。

特に、ボイラプラントの上流部の後部伝熱部５とエアヒータ１５で回収した飛灰は粒径範囲が、例えば、０．１〜１ｍｍ程度の粗粒であり、未燃分が多く含まれ、未燃分の比表面積が大きいことから、水銀が酸化形態になる反応を一層促進できる。これにより、ボイラ１の高温により気化した、飛灰に吸着しにくい石炭中の金属水銀（Ｈｇ）を飛灰に吸着しやすい塩化水銀等の酸化形態に変換できるから、飛灰への水銀の吸着量を増加できる。そして、ガスガスヒータ１７で回収した飛灰を電気集塵機２９の入口側に供給することで、飛灰の触媒作用と水銀吸着作用により、ボイラプラントから排出される排ガスの水銀濃度を一層低減できる。

また、図５に示すように、後部伝熱部５、エアヒータ１５及びガスガスヒータ１７で回収した飛灰をホッパ９に貯留して、エアヒータ１５の入口側、ガスガスヒータ１７の入口側、電気集塵機２９の入口側に供給することができる。

ここで、飛灰中の未燃分が触媒として働く原理について説明する。２００℃〜３００℃の温度領域では、排ガス中に含まれる塩素分（Ｃｌ）が、飛灰中の未燃部に吸着する。そして、この吸着した塩素分と排ガス中の水銀（Ｈｇ）が反応して塩化水銀となり脱離すると考えられている。このとき、排ガス中のＣｌと飛灰表面のＣｌは平衡状態になっている。そして、温度が１５０℃〜２００℃以下に低下させると、飛灰から塩化水銀が脱離しにくくなり、飛灰による水銀吸着量を増加できる。

なお、エアヒータ１５の入口側に飛灰を供給すると、供給した飛灰の分だけエアヒータ１５で回収される飛灰の量が多くなるから、飛灰を循環させる系内に飛灰が蓄積するおそれがある。そのため、回収した飛灰の一部をガスガスヒータ１７の入口側に供給することで、排ガス中の水銀の除去率を向上できることに加え、循環系内で飛灰が蓄積することを防止できるという効果も得られる。また、ガスガスヒータ１７の入口側に飛灰を供給せず、回収した飛灰の一部を系外に抜き出すようにすることができる。

また、硫黄分が少ない化石燃料を燃焼させる場合など排ガス中の硫黄酸化物濃度が低い場合は、電気集塵機２９内で凝縮して飛灰に吸着する三酸化硫黄が減少するので、熱交換器１３を１つにして、排ガス中の三酸化硫黄を熱交換器１３で除去しない構成にできる。

実施形態１のボイラプラントの概略フローである。飛灰中のＳＯ_３濃度と水銀吸着効率の関係を示す図である。排ガス中のＳＯ_３濃度と排ガス温度の関係を示す図である。実施形態２のボイラプラントの概略フローである。実施形態２の変形例のボイラプラントの概略フローである。

符号の説明

１ボイラ
５後部伝熱部
１３熱交換器
１５エアヒータ
１７ガスガスヒータ
２９電気集塵機
３１湿式脱硫装置

Claims

化石燃料を燃焼させた排ガスの熱を回収する後部伝熱部を出口側に備えてなるボイラと、該ボイラから排出される排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置と、該脱硝装置から排出される排ガスを冷却する熱交換器と、該熱交換器から排出される排ガス中の水銀を含む飛灰を捕集する集塵装置と、該集塵装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備え、
前記後部伝熱部と前記熱交換器の少なくとも一方で回収した前記飛灰を前記集塵装置の上流側に供給するボイラプラント。
請求項１に記載のボイラプラントにおいて、
前記回収した飛灰を前記熱交換器の入口側と前記集塵装置の入口側の少なくとも一方に供給することを特徴とするボイラプラント。
請求項１に記載のボイラプラントにおいて、
前記熱交換器は、高温熱交換器と、該高温熱交換器の下流側に配置される低温熱交換器からなり、前記回収した飛灰を前記高温熱交換器の入口側、前記低温熱交換器の入り口側、前記集塵装置の入口側の少なくなくとも１つに供給することを特徴とするボイラプラント。
請求項３に記載のボイラプラントにおいて、前記後部伝熱部と前記高温熱交換器の少なくとも一方で回収した前記飛灰を前記高温熱交換器の入口側と前記低温熱交換器の入口側の少なくとも一方に供給し、前記低温熱交換器で回収した前記飛灰を前記集塵装置の入口側に供給することを特徴とするボイラプラント。
請求項３に記載のボイラプラントにおいて、
前記高温熱交換器は、前記低温熱交換器内の排ガス温度が前記硫黄酸化物の酸露点温度以下になるよう前記排ガスを冷却し、前記飛灰は前記後部伝熱部と前記高温熱交換器の少なくとも一方で回収されることを特徴とするボイラプラント。