JP5302597B2 - 排ガス処理装置及び排ガス処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、排ガス処理装置及び排ガス処理方法に関し、詳しくは、都市ごみや産業廃棄物等を焼却する焼却炉、ガス化溶融炉に付設されるガス燃焼炉、発電や温水利用等に使用される燃焼ボイラの火炉等の燃焼炉から排出される排ガスを化学的に処理する排ガス処理装置及び排ガス処理方法に関する。
従来、例えばごみ焼却炉等の燃焼炉から排出される排ガス中の窒素酸化物（NOX）を除去する方法として、無触媒脱硝法と触媒脱硝法とが知られている。
無触媒脱硝法では、尿素を水に溶かした尿素水を燃焼炉の燃焼室内に噴霧することにより、窒素酸化物を分解する。尿素水を噴霧する燃焼室内の温度は、高温であるほど窒素酸化物の除去効率が高いとされる。そのため、尿素水は、７５０〜９５０℃の範囲の炉内領域に噴霧され、この場合、３０％程度の窒素酸化物除去効率が期待できる。過剰な尿素水の噴霧は、塩化アンモニウムを発生させる原因となり、煙突から紫煙を発生させる。
触媒脱硝法では、触媒表面上において、燃焼排ガス中の窒素酸化物をアンモニアの存在下で窒素ガスに分解する。触媒脱硝法では、９５％程度の除去効率が期待できるが、触媒が非常に高価であることに加え、アンモニアを気化させて触媒脱硝塔の上流で吹き込む必要があるため、危険物であるアンモニアを貯留する貯留槽や、アンモニアを気化させるための設備などが必要となり、構成設備が複雑かつ高価なものになる。
図３は、従来のごみ焼却施設を示す概略図である。ごみ焼却炉１には、炉内に尿素水を噴霧するための尿素水貯水槽２が付設されている。ごみ焼却炉１で発生する燃焼排ガスは、ボイラ３及び低温熱回収器４の一種であるエコノマイザ４ａで排熱を回収された後、減温塔５、集塵装置の一種であるバグフィルタ６、再加熱器７、触媒脱硝設備を構成する触媒脱硝塔８、誘引通風器９を通じて煙突１０から放出される。脱気器１１は、ボイラ３への給水中に溶存している酸素、炭酸ガスを除去するものである。減温塔５は、バグフィルタ６の濾布材質の耐熱温度（２５０℃以下）まで排ガスの温度を下げる。バグフィルタ６の手前の煙道に、消石灰とともに特殊反応助剤を噴霧する乾式排ガス処理装置１２が設置され、濾布の目詰まり防止とともに、ＨＣｌ、ＳＯｘの中和促進が行われる。また、触媒脱硝塔８内にアンモニアガスを送るため、アンモニア気化装置１３及びアンモニア貯留槽１４が設置されている。なお、触媒脱硝塔８の触媒は、ダスト、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、アルカリ金属の堆積によって劣化するため、触媒脱硝塔８は、バグフィルタ６及び乾式排ガス処理装置の下流側に設置される。再加熱器７は、触媒反応の生じやすい温度に燃焼排ガスの温度を高める。
触媒脱硝は上記したようにコスト高であるため、このコストを低減するため、尿素水を焼却炉内の上段に噴霧し、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアの一部によりごみ焼却炉内で無触媒反応を起こさせ、ついで、ごみ焼却炉内の未反応アンモニアを用いて、ごみ焼却炉の下流側に接続された触媒脱硝塔内で触媒脱硝反応させることにより、触媒脱硝塔の入口におけるアンモニアの注入を不要にした排ガス脱硝方法が提案されている（特許文献１）。
特開平６−２６９６３４号公報
しかしながら、アンモニアは、６００℃付近から徐々に酸化分解してアンモニア由来の窒素酸化物を発生させ、この窒素酸化物は、８００℃をピークとして１０００℃程度まで発生することが報告されている（高橋康光、他６名「希薄燃焼法によるディーゼルエンジンの脱臭・分解装置としての適用」岐阜県保険環境研究所 所報 平成１８年、第１４号）。
一般にごみ焼却炉等における炉内温度は８００℃以上であるため、高温の炉内へ尿素水を噴霧した場合には、アンモニアが熱分解していまい、下流に設置された触媒脱硝塔での脱硝が不十分になることがある。
また、燃焼排ガス中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の発生量は、ごみの性質や炉負荷等によって変動し、ごみ焼却炉内での未反応アンモニア濃度を制御できないため、触媒脱硝塔において安定した脱硝ができないことがある。
さらに、都市ごみ焼却施設等の大型の施設では、排熱回収ボイラによって排熱を回収する場合が多いが、この種の排熱回収ボイラは、熱回収効率を高めるために、ボイラ出口における燃焼ガスの顕熱を利用してボイラに送る給水を予熱する低温熱回収器を備えることが多い。排熱回収ボイラの排熱回収効率を向上させるためには、給水温度を低くすることが考えられるが、いわゆる硫酸腐食（低温腐食）を考慮しなければならない。この硫酸腐食は、ごみ中の硫黄分が燃焼して生じる硫黄酸化物（ＳＯ３）が排ガス中の水分と反応して硫酸となることによって発生する。ごみの燃焼によって生じる硫黄酸化物は大半がＳＯ２であるが、わずかにＳＯ３も含まれており、このＳＯ３が数ppｍ含まれているだけでも硫酸露点が１２０〜１３０℃となる。そのため、エコノマイザ等の低温熱回収器の給水管等が硫酸腐食の影響を受けないように、排熱回収ボイラへの給水温度は１４０℃以上に設定される。すなわち、排ガスに含まれるＳＯ3が排ガス中の水分と反応して硫酸となってエコノマイザの給水管等を腐食させる低温腐食を防止するため、排熱回収ボイラへの給水温度は硫酸露点温度である１４０℃以下にすることができず、その結果、排熱回収効率を高めることができなかった。
そこで本発明は、触媒脱硝におけるコストを低減するとともに安定した脱硝を行うことができる排ガス処理装置及び排ガス処理方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、硫酸腐食を防止しつつ排熱回収効率を高めることができる、排ガス処理装置及び排ガス処理方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る排ガス処理方法は、燃焼炉から排出され窒素酸化物及び硫黄酸化物を含む排ガスをガス冷却設備により４００℃〜７００℃に冷却する工程と、４００〜７００℃に冷却された排ガスに尿素水を噴霧してアンモニアガスを発生させる工程と、発生したアンモニアガスで排ガス中のＳＯ 3 を中和させることにより低温熱回収器における硫酸腐食を防止する工程と、低温熱回収器によって熱回収された排ガス中の塵を集塵設備で集塵する工程と、ＳＯ ３ と反応せずに残ったアンモニアガスによって排ガスを触媒脱硝設備で触媒脱硝する工程と、を含むことを特徴とする。
前記ガス冷却設備が排熱ボイラであり、尿素水を噴霧された排ガス中のＳＯ ３ と反応前のアンモニア濃度を前記排熱ボイラの出口位置で検出し、ＳＯ ３ と反応後の残存アンモニアガスのアンモニア濃度を前記低温熱回収器の出口位置で検出し、これらの検出結果から、触媒脱硝の触媒量に応じて必要なアンモニア濃度になるように尿素水の噴射量を制御することが好ましい。
また、本発明に係る排ガス処理装置は、燃焼炉から排出された排ガスの熱を回収する排熱ボイラと、前記排熱ボイラによる熱回収によって４００〜７００℃の温度域にある排ガスに尿素水を噴霧するための尿素水噴霧装置と、前記排熱ボイラによって熱回収されるとともに尿素水を噴霧された低温排ガスから更に熱を回収する低温熱回収器と、前記低温熱回収器によって熱回収された排ガス中の塵を集塵する集塵設備と、該集塵設備によって塵を除去された排ガスを触媒脱硝する触媒脱硝設備と、前記尿素水噴霧装置の下流位置において排ガス中のアンモニアガス濃度を検出するための検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて前記尿素水噴霧装置による尿素水の噴霧量を制御する制御部と、を有し、前記検出部は、排ガス中のＳＯ
３
と反応前のアンモニア濃度が測定可能な前記排熱ボイラの出口位置と、ＳＯ
３
と反応後の残存アンモニアガスのアンモニア濃度が測定可能な前記低温熱回収器の出口位置とに配置され、前記制御部は、前記排熱ボイラの出口位置で検出したアンモニアガスの濃度と、前記低温熱回収器の出口位置において検出されたアンモニアガスの濃度とから、前記触媒脱硝設備の触媒量に応じて必要なアンモニア濃度になるように尿素水の噴射量を制御することを特徴とする。
本発明によれば、ごみ焼却炉等の炉から排出された後に温度を４００℃〜７００℃に低下させた排ガス中に尿素水を吹き込むことによって、アンモニアガスを発生させる。アンモニアガスは、４００℃〜６００℃の範囲では殆ど熱分解しない。アンモニアガスは、６００℃付近から徐々に熱分解し始めるが、６００℃〜７００℃の範囲で熱分解する割合は少ないので、高い生成率でアンモニアガスが得られる。従って、触媒脱硝反応において安定した触媒脱硝が可能となる。
発生したアンモニアガスは、排ガス中に硫黄酸化物が含まれている場合には、２５０℃〜４００℃の温度領域で排ガス中のSO3と反応して硫酸アンモニウムを生成させる。その結果、排熱ボイラ及び低温熱回収器を備える排ガス系統では、排ガス中のSO3が、エコノマイザ等の低温熱回収器に至るまでに大幅に除去され、排ガス中の硫酸露点温度を低下させることができる。排ガスは、ボイラによる熱回収および尿素水の蒸発によって、２５０℃〜４００℃に温度が低下する。従って、この温度領域において前記した如く排ガス中のSO3が除去されて硫酸露点温度が下がるので、エコノマイザに導入されるボイラ給水等の低温熱回収器における温度を１４０℃より低く設定し、排熱回収能力を高めることができる。
また、エコノマイザに導入されるボイラ給水等の低温熱回収器における温度を下げることにより、低温熱回収器を通過した排ガスの温度を低下させることができ、それによって、バグフィルタ等の集塵装置の保護を目的として設置されるガス減温塔を省略するかあるいは小型化することが可能となる。
また、排ガス中のSO３と未反応のアンモニアガスによって排ガスを触媒脱硝することにより、アンモニア気化装置及びアンモニア貯留槽を設置不要とすることができ、コスト削減が可能となる。
さらに、尿素水噴霧により生じるアンモニアガスの濃度を検出して、尿素水の噴霧量を制御することで、触媒脱硝塔の触媒量に応じた所望濃度のアンモニアガスを安定供給することが可能となり、また、ゴミの性質や炉負荷等に応じてSOXの発生量が変動しても、ＳＯ３を確実に除去できるとともに、過剰なアンモニアガスの発生を防止することができる。
本発明の実施形態について、以下、図面を参照して説明する。なお、図３の従来装置を含め、全図及び全実施例において、同様の構成部分には同符号を付した。まず、本発明に係る排ガス処理装置の第１実施形態として、第１実施形態の排ガス処理装置を含むごみ焼却施設について、図１を参照して説明する。
図１に示すごみ焼却施設は、燃焼炉の一種であるごみ焼却炉１、ボイラ３、低温熱回収器４、脱気器１１、乾式排ガス処理装置１２、集塵装置の一種であるバグフィルタ６、再加熱器７、触媒脱硝設備を構成する触媒脱硝塔８、誘引通風器９、煙突１０などを備え、それらが直接もしくは煙道等を介して接続されている。低温熱回収器４は、ボイラ３から出る排ガスの熱量を回収する機器であり、エコノマイザ４ａ、脱気器用ヒータ４ｂ、あるいは、空気加熱器（図示せず）等を含む。
図示例のごみ焼却炉１は、ストーカー式のごみ焼却炉であり、炉内に燃焼室１ａを備えている。燃焼室１ａの上部に排ガス出口１ｂが設けられ、排ガスは、誘引通風器９の作用によって誘引され、図１の点線の矢印に沿って流れる。
図１に示されたボイラ３は、ごみ焼却炉１と一体型であり、輻射伝熱部、ドラム３ａ、及び、ドラム３ａに連通する水管３ｂで構成される接触伝熱部３Ｂ、等を備える水管式ボイラが例示されている。ごみ焼却炉１の排ガス出口１ｂから接触伝熱部３Ｂに至る煙道２０は、図示しない蒸発管及びフィンによる水冷壁によって、公知の輻射伝熱部が形成されている。
ごみ焼却炉１の内部（燃焼室１ａ）は８００〜１０００℃程度である。ゴミ焼却炉１から排出された排ガスは、ボイラ３内で熱を奪われ、ボイラ３の入り口付近で７００℃程度であり、ボイラ３の出口付近では４００℃程度となる。
排ガスが４００〜７００℃の範囲となる領域に、尿素水を排ガス中に噴霧するための尿素水噴霧装置２Ａが設置されている。尿素水噴霧装置２Ａは、尿素水を貯留する尿素水貯留槽２ａと、尿素水を図示しないポンプによって所定箇所へ導く導管２ｂと、導管２ｂの先端に取り付けられたスプレーノズル２ｃとを備えることができる。尿素水の噴霧部位は、排ガスが４００〜７００℃の範囲となる領域に、一カ所または複数箇所設けられる。
４００℃〜７００℃の排ガスに噴霧された尿素水は、アンモニアガスを発生させる。アンモニアは、４００℃〜６００℃の範囲では殆ど熱分解しない。また、６００℃付近から徐々に熱分解し始めて窒素酸化物を発生させ、８００℃をピークとして１０００℃程度まで窒素酸化物を発生させるが、６００℃〜７００℃の範囲ではアンモニアが熱分解する割合は非常に少なく７００℃を超えたあたりから急激にアンモニアの熱分解が進行するため、６００℃〜７００℃の排ガスに尿素水を吹き込んだ場合にも高い生成率でアンモニアガスが得られる。なお、尿素水は、４００℃〜６００℃の排ガスに噴霧するようにしても良い。
ボイラ３に熱を奪われ、尿素水の蒸発により気化熱を奪われた排ガスは、２５０〜４００℃程度に冷却される。こうしてボイラ３を通過した排ガスは、低温熱回収器４に至るまでに、２５０〜４００℃まで温度が低下する。そして、２５０〜４００℃の温度範囲で排ガス中のSO3と、尿素水由来のアンモニアガスとが反応することにより硫酸アンモニウムが生成され、その結果、硫酸露点低下の原因となる排ガス中のSO3は減少する。
ボイラ３の上流に尿素水を吹き込まない場合、低温熱回収器４の入口付近のSO3濃度は１７ppm（乾燥状態）であったが、一定量の尿素水を吹き込んだ場合には、SO3濃度が２ppm（乾燥状態）となり、約９０％のSO3を低減できることが実験的に確認されている。
なお、排ガス中のSOＸ濃度を１００ppm、SO3の割合（SO3／（SO2＋SO3））を３％、尿素水噴霧によるSO３除去率を９０％、排ガス中の水分含有率を１５vol％とすると、硫酸露点温度は１１０℃となる。従って、エコノマイザ４ａや脱気器用ヒータ４ｂの給水温度等、低温熱回収器４の熱媒温度を１４０℃より低くすることが可能となり、従来に比較して熱回収能力を向上させることが可能となる。
さらに、エコノマイザ４ａの出口付近の排ガス温度は、従来では２２０℃程度となるように設計されていたが、本発明においては、たとえば、ボイラ３の給水温度を１２０℃に制御し、エコノマイザ４ａの伝熱面積を増やすことで排ガス温度を１７０℃に低下させることができる。その結果、バグフィルタ６の保護を目的としていた減温塔（図３の符合５を参照）を図示例の如く省略するか、或いは小型化することが可能となる。
さらに、SO3と反応しなかった尿素水由来のアンモニアガスは、下流のバグフィルタ６を通過し、触媒脱硝塔８での脱硝反応に使用するためのアンモニアとして作用し得る。その結果、触媒脱硝塔８にアンモニアガスを供給するためのアンモニア気化設備（図３の符合１３参照）やアンモニア貯槽（図３の符合１４参照）等のアンモニア供給装置一式が、図示例の如く不要となるか、あるいは、小型化が可能となる。
次に、本発明の第２実施形態について、図２を参照して説明する。図２は、第２実施形態の排ガス処理装置を含むごみ焼却施設を示す概略図である。
第２実施形態は、排ガス中のアンモニアガス濃度を検出するための検出部２１と、検出部２１の検出結果に基づいて、尿素水噴霧装置２Ａによる尿素水の噴霧量を制御する制御部２２と、を備える点が上記第１実施形態と相違し、その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
検出部２１は、図示例では、排ガス中のＳＯ３と反応前のアンモニア濃度が測定可能な位置であるボイラ３の出口位置２１（ａ）と、ＳＯ３と反応後の残存アンモニアガスのアンモニア濃度が測定可能な位置であるエコノマイザ４ａの出口位置２１（ｂ）とに配置されている。
ごみの燃焼によって発生するSOX等の量は、ごみの性質や炉負荷等に応じて変動するため、尿素水噴霧装置２Ａから噴霧する尿素水の量によっては、排ガス中のＳＯ３と反応しなかったアンモニアガスが過度に発生する可能性がある。排ガス中のＳＯ３と反応しなかったアンモニアガスは、バグフィルタ６で補修される飛灰に含有され、刺激臭の発生原因となる。また、排ガス中にアンモニアが過度に含まれると煙突から紫煙を発生させる。
ボイラ３の出口位置２１（ａ）では尿素水噴霧により発生したアンモニアガスの濃度を検出し、エコノマイザ４ａの出口位置２１（ｂ）では、ＳＯ３との中和反応により消費されて残存したアンモニアガスの濃度を検出する。これらの検出結果から、触媒脱硝塔８の触媒量に応じて必要なアンモニア濃度になるように演算し、尿素水の噴射量を制御することで、未反応アンモニアによる問題を解消し得る。
アンモニアガス濃度の検出部２１は、たとえば、半導体レーザー式アンモニア濃度計を採用することができ、制御部２２は、たとえば、検出部２１の検出値信号を受けて、予め記録された制御プログラムに従い、触媒脱硝塔８において必要なアンモニア濃度となるように尿素水噴霧量を演算し、電磁弁等の流量制御手段２ｄをＰＩＤ制御等により開閉制御することにより、尿素水噴霧装置２Ａの噴霧量を制御することで、紫煙の発生等を防止することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。たとえば、上記実施形態において、ごみ焼却炉１は、ストーカー式であるが、これに限定されないし、ボイラ３の形式、配置等も図示例に限定されない。
また、アンモニアガスの濃度計は、図示例の個数及び配置に限定されず、たとえば、位置２１（ｂ）に設けずに位置２１（ａ）にのみ設けることもできるし、あるいは、脱気器用ヒータ４ｂの直後、触媒脱硝塔８の直前や直後に設けることもできる。
さらに、上記実施形態ではごみ焼却設備に適用した例を示したが、これに限らず、本発明は、窒素酸化物及び／又は硫黄酸化物を含む排ガスを処理する装置及び方法に広く適用可能であり、たとえば、ガス化溶融炉に付設されるガス燃焼炉、発電や温水利用等に使用される燃焼ボイラの火炉等の燃焼炉から排出される排ガスの処理に適用可能である。
また、燃焼炉から排出された高温の排ガスを冷却する設備として、ボイラや低温熱回収器に代えて、他のガス冷却設備、たとえば、公知の水噴射式冷却設備を備えることもできる。ボイラや低温熱回収器を備えない場合、尿素水噴霧によるアンモニア濃度の制御は、ガス冷却設備の下流位置に配置した検出部によってアンモニア濃度を検出し、その検出値が予め定めた触媒脱硝塔の触媒量に応じたアンモニア濃度になるように、尿素水噴射量を制御することができる。
１ 燃焼炉（ごみ焼却炉）
２Ａ 尿素水噴霧装置
３ ボイラ
４ 低温熱回収器
６ 集塵設備（バグフィルタ）
７ 再加熱器
８ 触媒脱硝塔
９ 誘引通風器
１０ 煙突
１１ 脱気器
１２ 乾式排ガス処理装置
１３ アンモニア気化装置
１４ アンモニア貯留槽
２Ａ 尿素水噴霧装置
３ ボイラ
４ 低温熱回収器
６ 集塵設備（バグフィルタ）
７ 再加熱器
８ 触媒脱硝塔
９ 誘引通風器
１０ 煙突
１１ 脱気器
１２ 乾式排ガス処理装置
１３ アンモニア気化装置
１４ アンモニア貯留槽
Claims (3)
- 燃焼炉から排出され窒素酸化物及び硫黄酸化物を含む排ガスをガス冷却設備により４００℃〜７００℃に冷却する工程と、４００〜７００℃に冷却された排ガスに尿素水を噴霧してアンモニアガスを発生させる工程と、発生したアンモニアガスで排ガス中のＳＯ 3 を中和させることにより低温熱回収器における硫酸腐食を防止する工程と、低温熱回収器によって熱回収された排ガス中の塵を集塵設備で集塵する工程と、ＳＯ ３ と反応せずに残ったアンモニアガスによって排ガスを触媒脱硝設備で触媒脱硝する工程と、を含むことを特徴とする、排ガス処理方法。
- 前記ガス冷却設備が排熱ボイラであり、尿素水を噴霧された排ガス中のＳＯ ３ と反応前のアンモニア濃度を前記排熱ボイラの出口位置で検出し、ＳＯ ３ と反応後の残存アンモニアガスのアンモニア濃度を前記低温熱回収器の出口位置で検出し、これらの検出結果から、触媒脱硝の触媒量に応じて必要なアンモニア濃度になるように尿素水の噴射量を制御することを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理方法。
- 燃焼炉から排出された排ガスの熱を回収する排熱ボイラと、前記排熱ボイラによる熱回収によって４００〜７００℃の温度域にある排ガスに尿素水を噴霧するための尿素水噴霧装置と、前記排熱ボイラによって熱回収されるとともに尿素水を噴霧された低温排ガスから更に熱を回収する低温熱回収器と、前記低温熱回収器によって熱回収された排ガス中の塵を集塵する集塵設備と、該集塵設備によって塵を除去された排ガスを触媒脱硝する触媒脱硝設備と、前記尿素水噴霧装置の下流位置において排ガス中のアンモニアガス濃度を検出するための検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて前記尿素水噴霧装置による尿素水の噴霧量を制御する制御部と、を有し、前記検出部は、排ガス中のＳＯ ３ と反応前のアンモニア濃度が測定可能な前記排熱ボイラの出口位置と、ＳＯ ３ と反応後の残存アンモニアガスのアンモニア濃度が測定可能な前記低温熱回収器の出口位置とに配置され、前記制御部は、前記排熱ボイラの出口位置で検出したアンモニアガスの濃度と、前記低温熱回収器の出口位置において検出されたアンモニアガスの濃度とから、前記触媒脱硝設備の触媒量に応じて必要なアンモニア濃度になるように尿素水の噴射量を制御することを特徴とする、排ガス処理装置。
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