JP5516891B2

JP5516891B2 - 排煙脱硝装置及びその運用制御方法

Info

Publication number: JP5516891B2
Application number: JP2010274518A
Authority: JP
Inventors: 明憲幸村; 靖文望月
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: JP2012120989A

Description

本発明は、燃焼器であるガスタービンやボイラで生じる排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を無害化するのに用いられる排煙脱硝装置及びその運用制御方法に関するものである。

上記した排煙脱硝装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。
この排煙脱硝装置は、燃焼器であるボイラに続く排ガス系統に配置される脱硝反応器と、この脱硝反応器の上流側に位置するアンモニア注入部と、ボイラ節炭器（エコノマイザ）を迂回して、ボイラからの排ガスをアンモニア注入部及び脱硝反応器側に短絡的に供給して、排煙脱硝装置の運用温度を調整するエコノマイザバイパス（ＥＣＯバイパス）を備えている。

アンモニア注入部は、排ガスダクトを脱硝反応器に向って流れる排ガスに対してアンモニアを注入するようになっており、脱硝触媒を有する脱硝反応器では、アンモニアを含んだ排ガスをその脱硝触媒で反応させることで、窒素酸化物を窒素と水に分解して無公害化するようになっている。

この排煙脱硝装置において、ボイラを通常運用している場合には、ＥＣＯバイパスを遮断してボイラからの排ガスをボイラ節炭器が位置する排ガス系統に流すと共に、このボイラ節炭器を通過した排ガスにアンモニア注入部からアンモニアを注入して脱硝反応器に供給し、一方、ボイラが低負荷運用をしているなどの、脱硝装置運用温度（脱硝入口排ガス温度）が脱硝装置運用下限温度を下回る場合には、ＥＣＯバイパスを使用してボイラ節炭器入口の排ガスの一部をこのＥＣＯバイパスに流して、脱硝装置運用温度を確保した状態で、アンモニア注入部からアンモニアを注入することで、脱硝装置運用を行っている。

ここで、ボイラの運用状態を低負荷から高負荷へ移行させる場合には、ボイラから排出される排ガスの性状が過渡的に変化するが、このような状況において、上記した排煙脱硝装置では、排ガスにアンモニアを多めに注入するなどの先注入制御を行って、プラントから排出される窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）濃度が所定の排出基準値を満たすようにしている。

特開2007-275838号公報

ところが、上記した排煙脱硝装置では、ボイラの運用状態を低負荷から高負荷へ移行させるに際して、先行してアンモニアを多めに注入すると、ボイラの運用状態が高負荷に転じて排ガス温度が高くなった時点で、脱硝触媒に吸着された多量のアンモニアが放出され、脱硝装置の下流に位置する機器に悪影響を及ぼしてしまう傾向がある。

このように、上記した従来の排煙脱硝装置では、上記負荷変化時に脱硝触媒から放出されるアンモニアが、この排煙脱硝装置の下流側に位置する熱交換器等の機器に悪影響を及ぼす可能性がないとは言えないが、上記負荷変化に要する時間がボイラの負荷静定運用（負荷を変化させない運用）の時間と比べて短いことから、上記脱硝触媒からのアンモニアの放出は、成り行きに任せられているのが現状である。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、排ガスを生じる燃焼器、例えば、ボイラの運用状態を負荷が高まる方に移行させる段階において、脱硝触媒の下流側に流れる残存アンモニアを減らすことができ、その結果、脱硝触媒の下流側に位置する熱交換器等の機器に及ぼす影響を少なく抑えることが可能である排煙脱硝装置及びその運用制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明者らは、脱硝触媒の排ガス温度に対するアンモニア吸着・脱着特性に着目した。これは、図４に示すように、排ガス温度が低い範囲では、脱硝触媒でのアンモニア吸着量（飽和吸着量）が多くなり、一方、排ガス温度が高い範囲では、脱硝触媒でのアンモニア吸着量（飽和吸着量）が少なくなるという特性である。

そして、本発明者らは、上記特性に基づいて、図５左側に示すように、排ガス温度が低い場合には、脱硝触媒が多量のアンモニアを吸着して、排ガス温度が高くなった時点で多くのアンモニアを放出し、一方、図５右側に示すように、排ガス温度が高い場合には、脱硝触媒が吸着するアンモニアの量が少なく、排ガス温度が高くなっても放出するアンモニアの量が少なくなると推定した。

そこで、本発明者らは、排ガス温度を２５０℃から３００℃に変化させた際の脱硝触媒に対するアンモニア吸着・脱着量と、排ガス温度を３００℃から３５０℃と変化させた際の脱硝触媒に対するアンモニア吸着・脱着量とをそれぞれ計測したところ、図６に示すように、排ガス温度が高いところで温度を変化させた方が、アンモニア吸着・脱着量を少なく抑え得ることが確認できた。

このように、本発明者らは、排ガスを生じる燃焼器、例えば、ボイラの運用状態を負荷が高い方へ移行させる段階において、脱硝触媒の下流側に流れる残存アンモニアを減らす方策として、ボイラが高負荷運用状態になるまで脱硝触媒に高温（３４０〜３５０℃）の排ガスを供給し続けるのが有効であることを見出し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、燃焼器に続く排ガス系統に配置された脱硝触媒を有する脱硝反応器と、前記脱硝反応器の上流側に位置して、前記燃焼器からの排ガスにアンモニアを注入するアンモニア注入部と、前記アンモニア注入部の上流側に位置する熱交換器を迂回して前記燃焼器からの排ガスを前記アンモニア注入部及び前記脱硝反応器側に短絡的に供給するバイパスと、前記バイパスを連通遮断する開閉手段と、前記開閉手段による前記バイパスの連通遮断を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記燃焼器の静定負荷運用状態において、前記開閉手段により前記バイパスを遮断して、前記燃焼器からの排ガスを前記熱交換器が位置する前記排ガス系統に流すと共に、該熱交換器を通過した排ガスに前記アンモニア注入部からアンモニアを注入して前記脱硝反応器に供給し、前記燃焼器の運用状態を静定負荷運用状態から負荷が高くなる運用状態に移行させる場合において、該燃焼器を高負荷運用状態に移行させるのに先立って、前記開閉手段により前記熱交換器を迂回する前記バイパスを連通させて、前記燃焼器からの排ガスを該バイパスに流すと共に、該バイパスを通過して前記排ガス系統に導入された前記燃焼器からの排ガスに前記アンモニア注入部からアンモニアを注入して前記脱硝反応器に供給し、前記燃焼器が高負荷運用状態に移行した後に、前記開閉手段により前記バイパスを遮断するべく制御する構成としたことを特徴としており、この排煙脱硝装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の請求項２に係る発明は、燃焼器で生じる排ガスから熱を回収する熱交換器が位置する排ガス系統の前記熱交換器の下流側に配置されて、該熱交換器を通過した前記燃焼器からの排ガスがアンモニアを注入された状態で供給されると共に、前記燃焼器からの排ガスが前記熱交換器を迂回する連通遮断可能なバイパスを通して短絡的に供給される脱硝触媒を有する脱硝反応器を備えた排煙脱硝装置の運用制御方法であって、前記燃焼器の静定負荷運用状態では、前記バイパスを遮断して前記燃焼器からの排ガスを前記熱交換器が位置する前記排ガス系統に流すと共に、該熱交換器を通過した排ガスにアンモニアを注入して前記脱硝反応器に供給し、前記燃焼器の運用状態を静定負荷運用状態から負荷が高くなる運用状態に移行させる場合には、前記燃焼器を高負荷運用状態に移行させるのに先立って、前記熱交換器を迂回する前記バイパスを連通させて前記燃焼器からの排ガスを該バイパスに流すと共に、該バイパスを通過して前記排ガス系統に導入された前記燃焼器からの排ガスにアンモニアを注入して前記脱硝反応器に供給し、前記燃焼器が高負荷運用状態に移行した後に、前記バイパスを遮断する構成としたことを特徴としており、この排煙脱硝装置の運用制御方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係る排煙脱硝装置及びその運用制御方法において、燃焼器の静定負荷運用状態、例えば、通常運用の場合には、排ガスの温度が３００℃程度となり、この静定負荷運用状態から負荷が高くなる運用状態に移行させた場合には、例えば、排ガスの温度が３４０℃程度となるが、これらの排ガス温度は、燃焼器個々の特性により前後する。

また、本発明に係る排煙脱硝装置及びその運用制御方法において、燃焼器の運用状態を静定負荷運用状態から高負荷運用状態に移行させる場合には、燃焼器を高負荷運用状態に移行させるのに先立って、例えば、３０分程前に熱交換器を迂回するバイパスを連通させる。

本発明に係る排煙脱硝装置及びその運用制御方法において、燃焼器の静定負荷運用状態では、バイパスを遮断して燃焼器からの排ガスを熱交換器が位置する排ガス系統に流す。
この状態から燃焼器を負荷が高くなる運用状態に移行させるに際して、バイパスを遮断したまま排ガスに対するアンモニアの注入量を先行して増すと、温度が高くない排ガスが供給される脱硝反応器の脱硝触媒でのアンモニア吸着量（飽和吸着量）が多くなり、やがて燃焼器の運用状態が高負荷になって脱硝反応器に入り込む排ガスの温度が上昇すると、脱硝触媒に多量に吸着されているアンモニアのうちの脱硝反応に使われなかった余剰のアンモニアが放出されてしまい、下流側に向かう排ガス中に多くのアンモニアが残存することとなる。

そこで、燃焼器を高負荷運用状態に移行させるのに先立って、熱交換器を迂回するバイパスを通して燃焼器からの排ガスを排ガス系統に短絡的に流すようにしてからこの排ガスに対するアンモニアの注入量を増すと、温度が高い排ガスが供給される脱硝反応器の脱硝触媒でのアンモニア吸着量（飽和吸着量）は少なく、やがて燃焼器の運用状態が高負荷になって脱硝反応器に入り込む排ガスの温度が上昇しても、元々脱硝触媒に吸着されているアンモニア量が少ないので、放出される余剰のアンモニアも少なく、その結果、下流側に向かう残存アンモニア量が少なく抑えられることとなる。

本発明に係る排煙脱硝装置では、上記した構成としているので、排ガスを生じる燃焼器の運用状態を負荷が高くなる方に移行させる場合、脱硝触媒の下流側に流れる残存アンモニアの量を減らすことができ、その結果、脱硝触媒の下流側に位置する熱交換器等の機器に及ぼす影響を少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例による排煙脱硝装置を燃焼器であるボイラに適用した場合を示す断面説明図である。図１の排煙脱硝装置を適用したボイラの負荷変化に対する排ガス温度変化及び残存アンモニア量の変化を示すグラフである。図２のグラフにおけるアンモニアの挙動を視覚的に示すイメージ図である。脱硝触媒の排ガス温度に対するアンモニア吸着・脱着特性を示すグラフである。脱硝触媒の排ガス温度に対するアンモニア吸着・脱着特性を視覚的に示すイメージ図である。排ガス温度を変化させた際における脱硝触媒に対するアンモニア吸着・脱着量の計測結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施形態による排煙脱硝装置を示しており、この実施形態では、本発明の排煙脱硝装置を燃焼器であるボイラで生じる排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を無公害化するのに適用した場合を示す。

図１に示すように、この排煙脱硝装置は、ボイラＢに続く排ガス系統１に配置される脱硝反応器２と、この脱硝反応器２の上流側に位置するアンモニア注入部３と、このアンモニア注入部３の上流側に位置するボイラ節炭器（エコノマイザ）４を迂回して配置されるバイパス（エコノマイザバイパス、略してＥＣＯバイパス）５と、このＥＣＯバイパス５を連通遮断する開閉手段としてのダンパ６と、このダンパ６の開閉を制御するコントローラ（制御部）７を備えている。

アンモニア注入部３は、排ガス系統１を脱硝反応器２に向って流れる排ガスＧに対してアンモニアを注入するようになっており、脱硝触媒２ａを有する脱硝反応器２では、アンモニアを含んだ排ガスをその脱硝触媒２ａで反応させることで、窒素酸化物を窒素と水に分解して無公害化する。

ＥＣＯバイパス５は、排ガス系統１におけるボイラ節炭器４の上流部位１ａとアンモニア注入部３の上流部位１ｂとを結んでおり、このＥＣＯバイパス５は、ダンパ６を開とした連通状態において、ボイラＢからの分岐排ガスＧ１をアンモニア注入部３及び脱硝反応器２側に短絡的に供給して、排煙脱硝装置の運用温度を調整する。

コントローラ７は、ボイラＢの静定負荷運用状態において、ダンパ６に閉指令を出してＥＣＯバイパス５を遮断し、一方、ボイラＢの運用状態を静定負荷運用状態から負荷が高くなる運用状態に移行させる場合において、ボイラＢを高負荷運用状態に移行させるのに先立って、例えば、ボイラＢを高負荷運用状態に移行させる３０分程度前に、ダンパ６に開指令を出してボイラ節炭器４を迂回するＥＣＯバイパス５を連通させ、ボイラＢが高負荷運用状態に移行した後に、ダンパ６に閉指令を出してＥＣＯバイパス５を遮断するようになっている。

次に、図２及び図３を用いて、この排煙脱硝装置の運用要領を説明する。
図２のグラフは、ボイラＢの運用状態を静定負荷運用状態から負荷が高くなる運用状態に移行させる場合のボイラの負荷変化，排ガス温度変化及び残存アンモニア量の変化を示している。図２のグラフにおける実線は、ダンパ６を開いてＥＣＯバイパス５を連通させた状態（バイパス開）での脱硝反応器２の入口ガス温度、すなわち、脱硝反応器２に送り込む排ガスの温度が高い場合（本発明の排煙脱硝運用制御）を表し、二点鎖線は、ダンパ６を閉じてＥＣＯバイパス５を遮断した状態（バイパス閉）での脱硝反応器２の入口ガス温度、すなわち、脱硝反応器２に送り込む排ガスの温度が低い場合（従来の排煙脱硝運用制御に相当）を表している。

この排煙脱硝装置において、ボイラＢの静定負荷運用状態（図２（１）の範囲及び図３（１）の状態）では、上記コントローラ７からの指令によりダンパ６が閉じてＥＣＯバイパス５が遮断されることで、ボイラ節炭器４が位置する排ガス系統１にボイラＢからの排ガスＧが流れると共に、このボイラ節炭器４を通過した排ガスＧにアンモニア注入部３からアンモニアが注入されて脱硝反応器２に供給される。

この状態からボイラＢの運用状態を負荷が高くなる方に移行させるに際して（図２（２）の範囲及び図３（２）の状態）、ＥＣＯバイパス５を遮断したまま図２の時刻Ｔ２の時点で排ガスＧに対するアンモニアの注入量を先行して増すと、温度が高くない排ガスＧが供給される脱硝反応器２の脱硝触媒２ａでのアンモニア吸着量（飽和吸着量）が多くなり、やがてボイラＢの運用状態が高負荷（図２（３）の範囲）になって図２の時刻Ｔ３の時点で脱硝反応器２に入り込む排ガスの温度が上昇すると、図２に二点鎖線で示すように、脱硝触媒２ａに多量に吸着されているアンモニアのうちの脱硝反応に使われなかった余剰のアンモニアが図２の時刻Ｔ５の時点で放出されてしまい、下流側に向かう排ガスＧ２中に多くのアンモニアが残存することとなる。

この排煙脱硝装置では、ボイラＢを高負荷運用状態に移行させるのに先立って、図２に実線で示すように、図２の時刻Ｔ１の時点で上記コントローラ７からの指令によりダンパ６を開き、ボイラ節炭器４を迂回するＥＣＯバイパス５を通してボイラＢからの分岐排ガスＧ１を排ガス系統１に短絡的に流すようにしてから、図２の時刻Ｔ２の時点でこの排ガスＧ１に対するアンモニアの注入量を増加する。

この際、温度が高い分岐排ガスＧ１が供給されて、図２に一点鎖線で示すように、脱硝反応器２の脱硝触媒２ａは高い温度に維持されるため、この脱硝反応器２の脱硝触媒２ａでのアンモニア吸着量は少なく、やがてボイラＢの運用状態が高負荷（図２（３）の範囲）になって脱硝反応器２に入り込む排ガスＧの温度が上昇しても、元々脱硝触媒２ａに吸着されているアンモニア量が少ないので、放出される余剰のアンモニアも少なく、その結果、下流側に向かう残存アンモニア量が少なく抑えられることとなる（図３（３）の状態）。

そして、図２の時刻Ｔ４の時点でボイラＢが高負荷での静定運用状態（図２（４）の範囲及び図３（４）の状態）に移行した後に、上記コントローラ７からの指令によりダンパ６を閉じてＥＣＯバイパス５を遮断する。

このように、上記した排煙脱硝装置及びその運用制御方法では、ボイラＢを高負荷運用状態に移行させるのに先立って、ボイラ節炭器４を迂回するＥＣＯバイパス５を通してボイラＢからの分岐排ガスＧ１を排ガス系統１に短絡的に流すようにしているので、ボイラＢの運用状態を負荷が高くなる方に移行させる場合において、脱硝触媒２ａの下流側に流れる残存アンモニアの量が減ることとなり、したがって、脱硝触媒２ａの下流側に位置する熱交換器等の機器に及ぼす影響が少なく抑えられることとなる。

本発明に係る排煙脱硝装置及びその運用制御方法の構成や適用場所は、上記した実施形態に限定されるものではない。

１排ガス系統
２脱硝反応器
２ａ脱硝触媒
３アンモニア注入部
４ボイラ節炭器（熱交換器）
５ＥＣＯバイパス
６ダンパ（開閉手段）
７コントローラ（制御部）
Ｂボイラ（燃焼器）
Ｇ排ガス
Ｇ１分岐排ガス
Ｇ２残存アンモニアを含む排ガス

Claims

燃焼器に続く排ガス系統に配置された脱硝触媒を有する脱硝反応器と、
前記脱硝反応器の上流側に位置して、前記燃焼器からの排ガスにアンモニアを注入するアンモニア注入部と、
前記アンモニア注入部の上流側に位置する熱交換器を迂回して前記燃焼器からの排ガスを前記アンモニア注入部及び前記脱硝反応器側に短絡的に供給するバイパスと、
前記バイパスを連通遮断する開閉手段と、
前記開閉手段による前記バイパスの連通遮断を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記燃焼器の静定負荷運用状態において、前記開閉手段により前記バイパスを遮断して、前記燃焼器からの排ガスを前記熱交換器が位置する前記排ガス系統に流すと共に、該熱交換器を通過した排ガスに前記アンモニア注入部からアンモニアを注入して前記脱硝反応器に供給し、前記燃焼器の運用状態を静定負荷運用状態から負荷が高くなる運用状態に移行させる場合において、該燃焼器を高負荷運用状態に移行させるのに先立って、前記開閉手段により前記熱交換器を迂回する前記バイパスを連通させて、前記燃焼器からの排ガスを該バイパスに流すと共に、該バイパスを通過して前記排ガス系統に導入された前記燃焼器からの排ガスに前記アンモニア注入部からアンモニアを注入して前記脱硝反応器に供給し、前記燃焼器が高負荷運用状態に移行した後に、前記開閉手段により前記バイパスを遮断するべく制御する
ことを特徴とする排煙脱硝装置。
燃焼器で生じる排ガスから熱を回収する熱交換器が位置する排ガス系統の前記熱交換器の下流側に配置されて、該熱交換器を通過した前記燃焼器からの排ガスがアンモニアを注入された状態で供給されると共に、前記燃焼器からの排ガスが前記熱交換器を迂回する連通遮断可能なバイパスを通して短絡的に供給される脱硝触媒を有する脱硝反応器を備えた排煙脱硝装置の運用制御方法であって、
前記燃焼器の静定負荷運用状態では、前記バイパスを遮断して前記燃焼器からの排ガスを前記熱交換器が位置する前記排ガス系統に流すと共に、該熱交換器を通過した排ガスにアンモニアを注入して前記脱硝反応器に供給し、
前記燃焼器の運用状態を静定負荷運用状態から負荷が高くなる運用状態に移行させる場合には、前記燃焼器を高負荷運用状態に移行させるのに先立って、前記熱交換器を迂回する前記バイパスを連通させて前記燃焼器からの排ガスを該バイパスに流すと共に、該バイパスを通過して前記排ガス系統に導入された前記燃焼器からの排ガスにアンモニアを注入して前記脱硝反応器に供給し、
前記燃焼器が高負荷運用状態に移行した後に、前記バイパスを遮断する
ことを特徴とする排煙脱硝装置の運用制御方法。