JP5489432B2

JP5489432B2 - 排ガス処理装置及び排ガス処理システム

Info

Publication number: JP5489432B2
Application number: JP2008208213A
Authority: JP
Inventors: 展康坂田; 利久磨四條; 敏浩佐藤; 盛紀村上; 展行鵜飼; 勝己野地; 正志清澤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2028-08-12
Also published as: CA2733777A1; EP2338586B1; EP2338586A4; CA2733777C; CN102119051B; CN102119051A; WO2010018769A1; US8840843B2; EP2338586A1; US20110135541A1; JP2010042356A

Description

本発明は、燃焼装置から排出される排ガスの処理を行う排ガス処理装置及び排ガス処理システムに関する。

例えば火力発電所等の燃焼装置である石炭焚ボイラから排出される排ガスには毒性の高い水銀が含まれるため、従来から排ガス中の水銀を除去するためのシステムが種々検討されてきた。

通常、石炭焚ボイラには排ガス中の硫黄分を除去するための湿式の脱硫装置が設けられている。このようなボイラに排ガス処理装置として脱硫装置が付設されてなる排煙処理設備においては、排ガス中の塩素（Ｃｌ）分が多くなると、水に可溶な２価の金属水銀（Ｈｇ）の割合が多くなり、前記脱硫装置で水銀が捕集しやすくなることが、広く知られている。

そのため、近年、ＮＯｘを還元する脱硝装置、および、アルカリ吸収液を硫黄酸化物（ＳＯｘ）吸収剤とする湿式脱硫装置と組み合わせて、この金属水銀を処理する方法や装置について様々な考案がなされてきた。

排ガス中の金属水銀を処理する方法としては、活性炭やセレンフィルター等の吸着剤による除去方法が知られているが、特殊な吸着除去手段が必要であり、発電所排ガス等の大容量排ガスの処理には適していない。

そこで、大容量排ガス中の金属水銀を処理する方法として、煙道中、高温の脱硝装置の前流工程で塩素化剤をガス噴霧し、脱硝触媒上で水銀を酸化（塩素化）させ、水溶性の塩化水銀にした後、後流の湿式脱硫装置で吸収させる方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２、参照）。また、排ガス煙道にガス噴霧する装置および技術は脱硝装置のＮＨ₃噴霧、塩素化剤のガス噴霧で実用化されている。

石炭焚きボイラの排ガス処理装置の概略図を図５に示す。図５に示すように、従来の排ガス処理システム１００は、燃料Ｆとして石炭を供給する石炭焚ボイラ１１からの排ガス１２中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去すると共に、排ガス１２中に塩酸（ＨＣｌ）を噴霧して水銀（Ｈｇ）を酸化する脱硝触媒層１３と、窒素酸化物（ＮＯｘ）除去後の排ガス１２中の熱を回収する空気予熱器１４と、熱回収後の排ガス１２中の煤塵を除去する電気集塵器１５と、除塵後の排ガス１２中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）、水銀（Ｈｇ）を除去する脱硫装置１６と、脱硫後の排ガス１２を浄化ガス１７として外部に排出する煙突１８とを具備するものである。

また、脱硝触媒層１３の前流の排ガス煙道１９には、塩酸（ＨＣｌ）の注入箇所が設けられており、塩酸（液体ＨＣｌ）供給部２０に貯蔵された塩酸（液体）は、塩化水素噴霧部２１で気化して塩化水素（ＨＣｌ）噴霧ノズル２１ａを介して塩化水素として排ガス１２に噴霧されている。

また、脱硝触媒層１３の前流の排ガス煙道１９には、アンモニア（ＮＨ₃）の注入箇所が設けられており、ＮＨ₃供給部２９から供給されるアンモニアはアンモニア噴霧ノズル２９ａにより排ガス１２に噴霧し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元を行うようにしている。
なお、図５中、符号２５は酸化還元電位測定制御装置（ＯＲＰコントローラ）、２６は空気を各々図示する。

ここで、石炭焚ボイラ１１から排ガス１２は、脱硝触媒層１３に供給され、その後空気予熱器１４で熱交換により空気２７を加熱した後、電気集塵器１５に供給され、更に、脱硫装置１６に供給された後、浄化ガス１７として大気に排出される。

また、塩素化剤による装置への腐食破損等の影響を抑え信頼性を向上させるため、湿式脱硫後の排ガスについて水銀濃度を水銀モニターで測定し、脱硫後の水銀濃度に基づいて塩素化剤の供給量を調整するようにしている（例えば、特許文献２、参照）。

このように、従来においては、排ガス１２中に塩化水素とアンモニアとを供給することで、排ガス１２中のＮＯｘ（窒素酸化物）を除去すると共に、排ガス１２中の水銀（Ｈｇ）を酸化するようにしている。

即ち、ＮＨ₃はＮＯｘの還元脱硝用に用い、ＮＨ₃供給部２９から供給されるＮＨ₃をアンモニア（ＮＨ₃）噴霧ノズル２９ａを介して排ガス１２中に噴霧し、脱硝触媒層１３で、下記式のように還元反応によりＮＯｘを窒素（Ｎ₂）に置換し、脱硝するようにしている。
４ＮＯ＋４ＮＨ₃ ＋Ｏ₂ → ４Ｎ₂ ＋６Ｈ₂Ｏ・・・（１）
ＮＯ＋ＮＯ₂ ＋２ＮＨ₃ → ２Ｎ₂ ＋３Ｈ₂Ｏ・・・（２）

また、塩化水素は水銀酸化用に用いており、塩素化剤として用いられる塩化水素はＨＣｌ供給部２０から塩化水素（ＨＣｌ）噴霧部２１に供給され、ここで塩酸は気化され、塩化水素（ＨＣｌ）として塩化水素噴霧ノズル２１ａにより排ガス１２中に噴霧することで、脱硝触媒層１３において、下記式のように脱硝触媒上で溶解度の低いＨｇを酸化(塩素化)し、水溶性の高い塩化水銀（ＨｇＣｌ₂）に変換させ、後流側に設けられる脱硫装置１６で排ガス１２中に含有するＨｇを除去するようにしている。
Ｈｇ＋２ＨＣｌ＋１／２Ｏ₂ → ＨｇＣｌ₂ ＋Ｈ₂Ｏ・・・（３）

また、燃料として石炭又は重油を使用した場合、燃料中にはＣｌが含まれるため燃焼ガスにはＣｌ分が含まれるが、燃料の種類によりＣｌ分の含有量は異なり、排ガス中のＣｌ濃度を制御するのは困難であるため、排ガス処理装置の前流に必要量以上のＨＣｌ等を添加し、確実にＨｇを除去するようにするのが好ましい。

また、脱硝触媒層１３は、格子状に配列して四角形状の通路を有するハニカム形状のものに脱硝触媒を担持したものを用いており、その通路の断面形状は例えば三角形状や四角形状など多角形状からなる通路としている。

特開平１０−２３０１３７号公報特開２００１−１９８４３４号公報

ところで、従来の脱硝触媒層１３に供給される排ガス１２の気流は、煙道内において、入口気流条件にバラツキ（偏流）があることを考慮して、塩化水素の濃度を均一化するために、数多くの投入ノズルを設置する必要があり、この結果イニシャルコスト、及びメンテナンスコストが膨大となるという問題がある。

このため、煙道内に塩化水素を効率的に噴霧すると共に、そのノズルの設置個数を低減することが切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、脱硝装置内に供給される排ガスの流れに塩化水素を効率的に拡散することができる排ガス処理装置及び排ガス処理システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、ボイラからの排ガス中の窒素酸化物を除去すると共に、排ガス中に塩化水素を噴霧して水銀を酸化する脱硝触媒層を少なくとも一つ以上有し、ガス拡散促進手段を用いて、ガス旋回流を発生しつつ塩化水素を煙道内に供給する排ガス処理装置において、前記ガス拡散促進手段が煙道内に配設されると共に、該煙道のガス流れ方向と直交して挿入された噴霧用パイプヘッダを有し、前記噴霧用パイプヘッダに前記ガス流れ方向に向けて設けられた複数の噴霧ノズルの開口側に波形、或いは、矩形の互い違い形状の旋回拡散板を設け、ガス流れ方向に縦渦流を形成してなることを特徴とする排ガス処理装置にある。

第２の発明は、前記ボイラと、前記ボイラの下流側の排ガス煙道に排出された排ガスに塩素化剤を注入する塩素化剤供給部と、第１の発明の排ガス処理装置と、脱硝後の排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置と、脱硫後のガスを外部に排出する煙突とを有することを特徴とする排ガス処理システムにある。

第３の発明は、第２の発明において、前記ボイラの下流側の排ガス煙道に排出された排ガスにアンモニアを投入するアンモニア供給部が設けられてなることを特徴とする排ガス処理システムにある。

本発明によれば、ガス拡散促進手段を用いて、ガス旋回流を発生しつつ塩化水素を煙道内に供給してなるので、塩化水素の拡散が急激に促進される。この結果、ノズルの個数を削減し、ノズル間隔を広げても触媒位置での濃度均一性を確保することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

（参考例１）
本発明による参考例１に係る排ガス処理装置について、図面を参照して説明する。
図１−１は、参考例に係る排ガス処理装置の煙道内の噴霧ノズルを示す概略図であり、図１−２は、そのＡ−Ａ矢示図である。なお、排ガス処理システムの構成は図５と同様であるので、その説明は省略する。
図１−１及び図１−２に示すように、本参考例に係る排ガス処理装置は、ボイラからの排ガス１２中の窒素酸化物を除去すると共に、排ガス１２中に塩化水素を噴霧して水銀を酸化する脱硝触媒層を少なくとも一つ以上有する排ガス処理装置であって、ガス拡散促進手段を用いて、ガス旋回流を発生しつつ塩化水素を煙道内に供給してなるものである。

本参考例では、前記ガス拡散促進手段としては、図１−１に示すように、前記ガス拡散促進手段は、煙道１９内に配設されると共に該煙道１９のガス流れ方向と直交して挿入された噴霧用パイプヘッダ５１と、前記噴霧用パイプヘッダ５１に設けられ、少なくとも３ヶ以上（本参考例では４ヶ）の噴霧ノズル５２−１〜５２−４からガス流れ方向に縦渦流を形成してなるものである。すなわち、本参考例では４ヶのノズルの噴出方向を所定の角度に調整し、複数の噴霧ノズル５２−１〜５２−４で旋回流を発生できるようにしている。

本参考例によれば、複数の噴霧ノズル５２−１〜５２−４を一つの単位として、これらの各噴霧ノズル５２−１〜５２−４からの噴流の運動量により縦渦流５３を形成するようにしている。
前記縦渦は、図１−２に示すように、排ガス１２のガス流れ方向に回転軸を持つ縦渦流５３であり、この縦渦の遠心力により、塩化水素は半径方向に拡げられることとなる。この結果、下流域では、縦渦が崩壊し、拡散が急激に促進されることとなる。図１−２中、符号５４は塩化水素拡散幅を図示する。

本参考例により、塩化水素の拡散が大幅に促進されるため、従来よりもノズルの個数を削減し、ノズル間隔を広げても触媒位置での濃度均一性を確保できる。

煙道１９内に配置する噴霧ノズルは、適切な組み合わせで、それぞれ旋回流を発生できるようにすればよく、個数も３ヶ以上の組み合わせから縦渦流を形成するようにすればよい。

（参考例２）
本発明による参考例２に係る排ガス処理装置について、図面を参照して説明する。
図２−１は、参考例に係る排ガス処理装置の煙道内の噴霧ノズルを示す概略図であり、図２−２は、そのＢ−Ｂ矢示図である。図２−３は噴霧ノズルの対向状態を示す概略図である。なお、排ガス処理システムの構成は図５と同様であるので、その説明は省略する。

図２−１、図２−２及び図２−３に示すように、本参考例では、前記ガス拡散促進手段は、煙道１９内に配設されると共に、該煙道１９のガス流れ方向と直交して挿入された噴霧用パイプヘッダ５１と、前記噴霧用パイプヘッダ５１に設けられた複数の噴霧ノズル５２を相対向させつつ、噴流どうしを衝突させるものである。

本参考例では、図２−３に示すように、噴霧ノズル５２−１，５２−２は相対向することで、２つの噴流を衝突させるようにしている。
そして、噴流同士の衝突により、ガスの拡散が小さい噴流のコア部分が早期に解消させて、拡散を促進するようにしている。

ここで、噴霧ノズル５２−１，５２−２との対向角度は、ノズル同士が直接対向（α＝０度）とする以外に、ガス流れ方向に所定角度αをもって対向するようにしてもよい。但し、α＝３０度以上であると、塩化水素の噴出流が合体してしまうので、好ましくない。

これにより、塩化水素の拡散が促進されるため、噴霧ノズルの個数を削減し、ノズル間隔を広げても触媒位置での濃度均一性を確保できることとなる。

本発明による実施例に係る排ガス処理装置について、図面を参照して説明する。
図３−１は、実施例に係る排ガス処理装置の煙道内の噴霧ノズルを示す概略図であり、図３−２は、そのＣ−Ｃ矢示図、図３−３は旋回拡散板の斜視図である。なお、排ガス処理システムの構成は図５と同様であるので、その説明は省略する。

図３−１乃至図３−３に示すように、本実施例では、前記ガス拡散促進手段は、煙道１９内に配設されると共に、該煙道１９のガス流れ方向と直交して挿入された噴霧用パイプヘッダ５１と、前記噴霧用パイプヘッダ５１に設けられた噴霧ノズル５２の開口側に旋回拡散板５５を設け、ガス流れ方向に縦渦流を形成してなるものである。

本実施例では、図３−３に示すように、噴霧ノズル５２の開口側に波形の旋回拡散板５５を付加し、塩化水素の噴流軸に縦渦を発生させるようにしている。

また、図３−４に示すように、旋回拡散板の形状は、波形のみでなく、矩形の互い違い形状の旋回拡散板５６としてもよい。

本実施例によれば、噴霧ノズル５２からの噴流は旋回拡散板５５によって発生する縦渦に巻き込まれることとなる。
この縦渦の遠心力により、塩化水素は半径方向に拡げられることとなる。この結果、下流域では、縦渦が崩壊し、拡散が急激に促進されることとなる。

本実施例により、拡散促進されるため、噴霧ノズル５２の個数を削減し、ノズル間隔を広げても触媒位置での濃度均一性を確保できることとなる。

（参考例３）
本発明による参考例３に係る排ガス処理装置について、図面を参照して説明する。
図４−１は、参考例に係る排ガス処理装置の煙道内の噴霧ノズルを示す概略図であり、図４−２は、そのＤ−Ｄ矢示図、図４−３は旋回羽根の設置状態を示す斜視概略図、図４−４はその側面概略図である。なお、排ガス処理システムの構成は図５と同様であるので、その説明は省略する。

図４−１乃至図４−４に示すように、本参考例では、前記ガス拡散促進手段は、煙道１９内に配設されると共に、該煙道１９のガス流れ方向と直交して挿入された噴霧用パイプヘッダ５１と、前記噴霧用パイプヘッダ５１に設けられた噴霧ノズル５２の開口側に旋回羽根５７を設け、ガス流れ方向に縦渦流を形成してなるものである。

本参考例では、噴霧ノズル出口に旋回羽根５７を設置し、そこに排ガスが流れてくるので、塩化水素の噴流を旋回させることとなる。

本参考例によれば、ノズルからの噴流は旋回し縦渦が発生するので、縦渦の遠心力により、塩化水素は半径方向に拡げられることとなる。
そして、下流域では、縦渦が崩壊し、拡散が急激に促進されることとなる。

本参考例により、拡散促進されるため、ノズルの個数を削減し、ノズル間隔を広げても触媒位置での濃度均一性を確保できることとなる。

ここで、本実施例に係る排ガス処理装置においては、還元脱硝用に脱硝触媒層１３で用いる脱硝触媒として、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ等の金属酸化物又は硫酸塩あるいは、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒなどの貴金属、又はこれらの混合物を担体であるチタニア、シリカ、ジルコニア及びこれらの複合酸化物、又はゼオライトに担持したものを用いることができる。

また、本実施例において、用いるＨＣｌについて、特に濃度の制限はないが、例えば濃塩酸から５％程度の希塩酸を用いることができる。また、本実施例において、使用する塩素化剤として塩化水素（ＨＣｌ）を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、塩素化剤としては、排ガス中のＨｇが脱硝触媒の存在下で反応してＨｇＣｌ及び／又はＨｇＣｌ₂の塩化水銀を生成するものであればよく、塩化アンモニウム、塩素、次亜塩素酸、次亜塩素酸アンモニウム、亜塩素酸、亜塩素酸アンモニウム、塩素酸、塩素酸アンモニウム、過塩素酸、過塩素酸アンモニウム、その他上記酸のアミン塩類、その他の塩類などが例示される。

また、排ガス１２中に添加する塩素化剤の量は、水難溶性の水銀に対して化学量論量かそれよりも過剰であればよい。排ガス１２中のＨｇを効率よく除去すると共に、後流側で排出される排水中の塩素濃度を考慮して、排ガス煙道１９内における排ガス１２の塩素化剤の濃度としては、排ガス１２に対して１０００ｐｐｍ以下となるよう噴霧するようにすればよい。

また、排ガス煙道１９内における排ガス１２へのＨＣｌの添加位置は、ＮＨ₃の添加位置よりも上流側としているが、ＮＨ₃の添加位置よりも下流側としてもよい。

また、本実施例において、ボイラ１１から排出される排ガス１２にＨＣｌとＮＨ₃の両方を添加しているが、排ガス煙道１９内における排ガス１２にＮＨ₃を添加しなくてもよい。排ガス処理装置の脱硝触媒層１３では、排ガス１２中のＮＯｘ（窒素酸化物）を除去すると共に、排ガス１２中のＨｇを酸化し、後流側に設けられる脱硫装置（図示しない）でＨｇを除去するものであるため、排ガス煙道１９内で排ガス１２にＮＨ₃を添加しなくても、脱硝触媒層１３の脱硝触媒の存在下でＨＣｌによりＨｇを塩化物に転換し、脱硫装置（図示しない）でＨｇを除去できる効果には変わりないからである。
このアンモニアの噴霧の際にも実施例に係るノズルを適用して旋回流を形成するようにしてもよい。

このように、本実施例に係る排ガス処理装置によれば、ボイラ１１からの排ガス１２中のＮＯｘ（窒素酸化物）を除去すると共に、排ガス１２中にＨＣｌを噴霧してＨｇを酸化する脱硝触媒層１３を有する排ガス処理装置において、ガス拡散促進手段を用いて、ガス旋回流を発生しつつ塩化水素を煙道内に供給してなるので、塩化水素の拡散が急激に促進される。この結果、ノズルの個数を削減し、ノズル間隔を広げても触媒位置での濃度均一性を確保することができる。

また、本実施例では、石炭や重油などの硫黄、水銀等を含む化石燃料を燃焼する火力発電所のボイラから排出される排ガスを用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＮＯｘ濃度が低く、二酸化炭素、酸素、ＳＯｘ、煤塵、あるいは水分を含む排ガス、硫黄、水銀等を含む燃料を燃焼する工場などから排出されるボイラ排ガス、金属工場、石油精製工場、石油化学工場等から排出される加熱炉排ガス等にも適用できる。

以上のように、本発明に係る排ガス処理装置は、ガス拡散促進手段を用いて、ガス旋回流を発生しつつ塩化水素を煙道内に供給してなるので、塩化水素の拡散が急激に促進され、ノズルの個数を削減し、ノズル間隔を広げても触媒位置での濃度均一性を確保することができるので、火力発電所等の水銀を含有する石炭や重油などの化石燃料を燃焼する装置から排出される排ガスの処理に用いるのに適している。

参考例１に係る排ガス処理装置の煙道内の噴霧ノズルを示す概略図である。図１−１のＡ−Ａ矢示図である。参考例２に係る排ガス処理装置の煙道内の噴霧ノズルを示す概略図である。図２−１のＢ−Ｂ矢示図である。噴霧ノズルの対向状態を示す概略図である。実施例１に係る排ガス処理装置の煙道内の噴霧ノズルを示す概略図である。図３−１のＣ−Ｃ矢示図である。旋回拡散板の設置状態を示す概略図である。他の旋回拡散板の設置状態を示す斜視図である。参考例３に係る排ガス処理装置の煙道内の噴霧ノズルを示す概略図である。図４−１のＤ−Ｄ矢示図である。旋回羽根の設置状態を示す斜視概略図である。旋回羽根の設置状態を示す側面概略図である。石炭焚きボイラの排ガス処理装置の概略図である。

５１噴霧用パイプヘッダ
５２（５２−１〜５２−４）噴霧ノズル
５３縦渦流
５４塩化水素拡散幅

Claims

ボイラからの排ガス中の窒素酸化物を除去すると共に、排ガス中に塩化水素を噴霧して水銀を酸化する脱硝触媒層を少なくとも一つ以上有し、
ガス拡散促進手段を用いて、ガス旋回流を発生しつつ塩化水素を煙道内に供給する排ガス処理装置であって、
前記ガス拡散促進手段が煙道内に配設されると共に、該煙道のガス流れ方向と直交して挿入された噴霧用パイプヘッダを有し、
前記噴霧用パイプヘッダに前記ガス流れ方向に向けて設けられた複数の噴霧ノズルの開口側に波形、或いは、矩形の互い違い形状の旋回拡散板を設け、ガス流れ方向に縦渦流を形成してなることを特徴とする排ガス処理装置。
前記ボイラと、
前記ボイラの下流側の排ガス煙道に排出された排ガスに塩素化剤を注入する塩素化剤供給部と、
請求項１に記載の排ガス処理装置と、
脱硝後の排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置と、
脱硫後のガスを外部に排出する煙突とを有することを特徴とする排ガス処理システム。
請求項２において、
前記ボイラの下流側の排ガス煙道に排出された排ガスにアンモニアを投入するアンモニア供給部が設けられてなることを特徴とする排ガス処理システム。