JP5968206B2 - 排ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガス処理装置に係り、特にボイラなどの火炉から排出される排ガスの流路に脱硝触媒層を配置した排ガス処理装置に関する。

ボイラなどの火炉から排出される排ガスは、脱硝装置に収容される脱硝触媒層（以下、適宜、触媒層と略す。）を通過した後、空気予熱器などの後流機器を通って煙突から放出される。この種の排ガスには、ダストなどの未燃カーボンが含まれていることがある。このような場合、未燃カーボンが排ガスに同伴されて脱硝装置に流入し、徐々に触媒層に蓄積することがある。また、ボイラは、起動時において、ボイラの水冷壁により火炉内が冷却された状態でバーナの点火が行われるため、噴霧された燃料油などの一部が未燃のまま微細な油滴又は気化された炭化水素分（有機物）として炉内に飛散し、これが排ガスに同伴されて脱硝装置に流入し、触媒層に蓄積することがある。

こうして未燃カーボンや有機物などの未燃分が触媒層に蓄積された状態で、ボイラを停止してホットバンキングを行う場合、脱硝装置内は、触媒層がまだ暖かく、酸素が豊富に存在することから、脱硝触媒の酸化作用によって未燃分が酸化して発熱し、その熱が蓄熱されることにより、触媒層の温度が次第に上昇し、触媒の熱劣化や焼損を招くおそれがある。

特許文献１には、触媒層内に設置した温度計の検出温度を時間で微分し、その微分結果が所定の時間継続して正の値、つまり温度上昇を示す値であるとき、異常と判断して警報を流す技術が開示されている。しかし、触媒層に蓄積する未燃分の酸化による発熱は、急激に生じることがあるため、特許文献１で異常と判断したときには、未燃分の発熱がある程度進行し、触媒の熱劣化や焼損を招くおそれがある。

これに対し、特許文献２には、触媒層の前流側及び後流側に、排ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物及び硫黄酸化物のガス濃度をそれぞれ検出する複数のガス検出器と、排ガスの温度を検出する温度検出器と、触媒層の各部の温度を検出する複数の温度検出器を備え、これらの検出器の検出結果から、ガス成分及びガス温度の異常を検出して異常発熱度合いを判定する技術が開示されている。

特開２０００−６１２６７号公報 特開平２−２７５２１１号公報

特許文献２によれば、触媒層に蓄積する未燃分の酸化発熱を早期に検出できるが、設備構成が複雑になるため、製造コストの点で問題がある。そのため、より簡単な設備構成で、触媒層に蓄積する未燃分の発熱を早期に検出する技術が求められている。

本発明の課題は、簡単な設備構成で、触媒層に蓄積する未燃分の発熱を早期に検出することができる排ガス処理装置を提供することにある。

ボイラを停止してホットバンキングを行う場合、脱硝触媒層に未燃カーボンや有機物などの未燃分（以下、未燃分と略す。）が付着していると、その未燃分が脱硝触媒の酸化作用によって酸化する際に発熱し、未燃分の温度が若干上昇する。このとき、未燃分に含まれている有機物が熱分解して分解ガスが発生する。ここで、未燃分の発熱と有機物の熱分解による吸熱がバランスしているときは問題ないが、発熱量が吸熱量を上回ると、脱硝触媒層の温度が急激に上昇する。

本発明は、このように未燃分の酸化の初期段階において、未燃分に含まれる有機物が熱分解したときに発生する分解ガスに着目し、この分解ガスに含まれる有機物の酸化を促進させ、酸化された分解ガスの温度上昇を検知することにより、脱硝触媒層の急激な温度上昇の早期検出を可能とするものである。

具体的に、本発明は、排ガスが上下方向に流れる排ガス流路の断面を横切るように、排ガスの流れ方向に沿って、脱硝触媒層を複数段配置した排ガス処理装置において、この複数段の脱硝触媒層のうち、最下段に配置される脱硝触媒層を除く上段側のいずれかの脱硝触媒層は、脱硝触媒を担持する部分と、この脱硝触媒よりも有機物を酸化する能力の高い酸化触媒を担持する部分とを有し、この酸化触媒を担持する部分の上端近傍のガス温度を検出する上端温度検出手段と、この酸化触媒を担持する部分の下端近傍のガス温度を検出する下端温度検出手段とを備えることを特徴とする。

すなわち、ホットバンキングを行うときは、脱硝触媒層の前後の排ガス流路が閉じられているため、有機物が熱分解したときに発生する分解ガスは、自然対流による上昇流となって上段側の脱硝触媒層に担持された酸化触媒と接触する。その結果、分解ガス中の有機物は低温域においても酸化反応が促進され、このときの反応熱によって分解ガスの温度が上昇する。この酸化触媒と接触した後の分解ガスの温度は、脱硝触媒と接触した後の分解ガスの温度よりも高温になる。したがって、酸化触媒が担持された部分を通過する前後の分解ガスの温度を検知することで、酸化前後の分解ガスの温度差を求めることができるから、その求めた温度差に基づいて、蓄積した未燃分の発熱を早期に検出することが可能となる。

また、この構成によれば、脱硝触媒層において、例えば、既設の脱硝触媒が担持された部分の一部を酸化触媒が担持された部分に置き換えるとともに、酸化触媒が担持される部分の上端近傍と下端近傍にそれぞれ温度検出手段を設けるだけでよいから、設備構成が簡単になり、経済性を高めることができる。

この場合において、上端温度検出手段が出力した信号と下端温度検出手段が出力した信号とを入力して、上端近傍のガス温度が下端近傍のガス温度に対して設定温度以上高いときに、異常信号を出力する判断手段を備えるようにしてもよい。

すなわち、脱硝触媒層に蓄積された未燃分の蓄積量が多くなると、分解ガス中の有機物の濃度が高くなり、酸化触媒で酸化された後の分解ガスの温度、つまり上端近傍のガス温度が高くなる。したがって、酸化触媒で酸化される前後の分解ガスの温度差が設定温度以上のときに異常と判断すれば、未燃分の酸化を確実に検知することができ、しかも、未燃分の蓄積の程度を判定して、脱硝触媒層のメンテナンスのタイミングを見極めることができる。

ここで、酸化触媒は、酸化チタンにパラジウム又はパラジウムを含む化合物が担持されたものを用いることができる。

本発明によれば、簡単な設備構成で、触媒層に蓄積する未燃分の発熱を早期に検出することができる。

本発明に係る排ガス処理装置の概略図である。 図１の脱硝装置に収容される脱硝触媒層の拡大図である。 図２の第２の触媒ブロックの斜視図である。 図１の排ガス処理装置の運転例のフローチャートである。 酸化触媒の温度の酸化率との関係を説明する線図である。 図２の第２の触媒ブロックの酸化触媒層を通過する前後の分解ガス温度の経時変化を示す線図である。

以下、本発明を適用してなる排ガス処理装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の排ガス処理装置１は、図１に示すように、ボイラ３と、脱硝装置入口ダンパ５と、アンモニア注入装置７と、脱硝装置９と、脱硝装置出口ダンパ１１と、空気予熱器１３と、送風ファン１５と、煙突１７を備えて構成される。なお、空気予熱器１３よりも後流側の機器類については、本発明と直接関係ないので説明を省略する。

ボイラ３と脱硝装置９を接続する煙道１８には、脱硝装置入口ダンパ５が配設される。脱硝装置入口ダンパ５の下流側の煙道１８に、アンモニア注入装置７からアンモニア水がノズルなどから注入されるようになっている。脱硝装置９と煙突１７を接続する煙道２１には、脱硝装置出口ダンパ１１が配設される。脱硝装置出口ダンパ１１を通過した排ガスは、空気予熱器１３に導かれ、送風ファン１５から排出された空気と熱交換して所定温度に冷却されるようになっている。一方、送風ファン１５から排出された空気は、空気予熱器１３で排ガスと熱交換して所定温度に加熱された後、ボイラ３に供給されるようになっている。

脱硝装置９は、鉛直方向（上下方向）に延在する煙道１８に接続される縦型の容器２３と、この容器２３内に収容される脱硝触媒層２５とを備えて構成される。容器２３は、頂部の排ガス導入口２７に煙道１８が接続されるとともに、底部の排ガス排出口２９に煙道２１が接続され、頂部の排ガス導入口２７から導入された排ガスが下方に向かって流れ、底部の排ガス排出口２９から排出されるようになっている。脱硝触媒層２５は、容器２３内の排ガス流路を横切るように、上下方向に複数（上段、中段、下段の３つ）が間隔を開けて配置されている。なお、脱硝装置９は、容器２３の底部から排ガスを導入し、排ガスが下方から上方へ流れるように形成してもよい。

各脱硝触媒層２５は、図２に示すように、板状又はハニカム状の多数の脱硝触媒エレメント３１を枠体３３内に積層させた状態で収容して触媒ブロック３５を形成し、容器３３内を横切るように配設される図示しない支持部材の上に複数の触媒ブロック３５を敷き詰めて構成される。各触媒ブロック３５の枠体３３内には、脱硝触媒が担持された脱硝触媒エレメント３１が容器２３内を流れる排ガスの流れ方向と平行になるように配置され、隣り合う脱硝触媒エレメント３１の隙間を排ガスが上下方向に流れるようになっている。

脱硝触媒エレメント３１は、例えばエキスパンドメタルを基材に、脱硝活性のある周知の触媒成分を担持させて得られる板状のものである。

ここで、脱硝装置９の脱硝触媒層２５の構成を説明する。図２に示すように、上段に位置する脱硝触媒層２５ａと下段に位置する脱硝触媒層２５ｃは、いずれも脱硝触媒を担持した脱硝触媒エレメント３１のみを収容する複数の第１の触媒ブロック３５ａを配列して構成される。一方、容器２３内の中段に位置する脱硝触媒層２５ｂは、複数の第１の触媒ブロック３５ａと、脱硝触媒を担持した脱硝触媒エレメント３１と脱硝触媒以外の酸化触媒を担持した酸化触媒エレメント３７とをそれぞれ収容する１つの第２の触媒ブロック３５ｂを配列して構成される。

第２の触媒ブロック３５ｂは、枠体３３内の略中央部に複数の酸化触媒エレメント３７を積層して収容し、これを挟み込む形で両側にそれぞれ脱硝触媒エレメント３１を積層して収容される。すなわち、第２の触媒ブロック３５ｂは、第１の触媒ブロック３５ａの脱硝触媒エレメント３１の一部（複数枚）を酸化触媒エレメント３７に置き換えたものとなっている。

ここで、酸化触媒とは、脱硝触媒よりも有機物を酸化する能力の高い触媒を意味し、具体的には、酸化チタンにパラジウム又はパラジウムを含む化合物を担持させた組成のものが用いられる。また、酸化触媒は、耐熱温度が５００℃以上であるとともに、耐ＳＯｘに優れた機能を有していることが好ましい。

図２、３に示すように、第２の触媒ブロック３５ｂの上端近傍には、酸化触媒上端温度検出器３９と、脱硝触媒上端温度検出器４１がそれぞれ設けられ、第２の触媒ブロック３５ｂの下端近傍には、酸化触媒下端温度検出器４３と、脱硝触媒下端温度検出器４５がそれぞれ設けられている。ここで、酸化触媒上端温度検出器３９は、酸化触媒エレメント３７の上端近傍（排ガス流れ方向の上流側）に配置され、酸化触媒下端温度検出器４３は、酸化触媒エレメント３７の下端近傍（排ガス流れ方向の下流側）にそれぞれ配置されている。一方、脱硝触媒上端温度検出器４１は、脱硝触媒エレメント３１の上端近傍に配置され、脱硝触媒下端温度検出器４５は、脱硝触媒エレメント３１の下端近傍に配置されている。各温度検出器は、いずれもガス温度が検出可能な熱電対を含んで構成され、検出温度を電気信号に変換して図示しない操作室（判断手段）へ出力するようになっている。

次に、本実施形態の排ガス処理装置１の運転例とその動作について、図面を参照して説明する。なお、以下の運転例の操作は、操作室を通じて行われ、一部の操作は、操作室に入力された電気信号に基づいて、操作室から排ガス処理装置１の各構成機器類へ操作信号が出力されることで行われる。

図４に、排ガス処理装置１の運転例のフローを示す。まず、ステップＳ１において、ボイラ３への燃料供給を停止し、燃焼運転を停止する。続いて、ステップＳ２において、例えば送風ファン１５から空気をボイラ３内に供給し、ボイラ３と煙道１８内に残留する燃料などの未燃分をパージする。このパージ運転が開始されると、脱硝装置９には、図２の矢印Ｇに示すように、排ガスの流れ方向と同じ方向に空気が流れ、酸化触媒下端温度検出器４３、脱硝触媒下端温度検出器４５がそれぞれガス温度の検出を開始する。

次に、ステップ３において、パージ運転中は、例えば、脱硝触媒下端温度検出器４５の検出温度（Ｔ１）と酸化触媒下端温度検出器４３の検出温度（Ｔ２）とを比較する。そして、Ｔ２がＴ１未満まで冷却されたか否かを判断し、Ｔ２がＴ１以上であるときは、パージ運転を継続し、Ｔ２がＴ１未満になると、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４に移行すると、脱硝装置９の前後の脱硝装置入口ダンパ５と脱硝装置出口ダンパ１１が閉じられ、パージ運転が停止する。続いて、ステップＳ５に移行し、脱硝装置９のホットバンキングが開始される。ホットバンキングが開始されると、ステップＳ６に移行する。

ここで、ステップＳ６を説明する前に、脱硝触媒層２５に付着する未燃分の酸化について説明する。ホットバンキング時の脱硝装置９の内部は、まだ暖かく、酸素が豊富に含まれている。このため、各脱硝触媒層２５に付着する未燃カーボンや有機物などの未燃分は、脱硝触媒の酸化作用により酸化されて若干温度が上昇し、未燃分中の有機物が熱分解して分解ガスを発生する。このとき、脱硝装置９内には、ガスが流れていないため、有機物を含む分解ガスは自然対流となって上昇する。つまり、各脱硝触媒層２５より発生した分解ガスは上昇流となって上段側の脱硝触媒層２５を流れる。ここで、脱硝触媒層２５ｃより発生する分解ガスは、上段側の脱硝触媒層２５ｂを流れるが、この脱硝触媒層２５ｂには、酸化触媒が担持された複数の酸化触媒エレメント３７が積層される部分（以下、酸化触媒層４７という。）が含まれている。

図５に、各触媒が分解ガス中の有機物を酸化するときの酸化率（分解ガス中の有機物の酸化される割合）を示す。ここで、酸化触媒とは、酸化触媒エレメント３７に担持する酸化触媒を意味し、脱硝触媒とは、脱硝触媒エレメント３１に担持する脱硝触媒を意味し、酸化機能強化脱硝触媒とは、脱硝触媒の活性成分を多く担持したものを意味する。分解ガスが任意の温度のとき、酸化触媒は、脱硝触媒や酸化機能強化脱硝触媒と比べて、分解ガス中の有機物の酸化率が高くなっている。したがって、脱硝触媒層２５ｂを通過する分解ガスは、酸化触媒層４７以外を通過する分解ガスよりも、酸化触媒層４７を通過する分解ガスの方が、分解ガス中の有機物の酸化反応が促進されて、温度が高くなる。

図６に、ホットバンキング時における、酸化触媒上端温度検出器３９の検出温度（Ｔ３）、酸化触媒下端温度検出器４３の検出温度（Ｔ２）、及び、脱硝触媒下端温度検出器４５の検出温度（Ｔ１）の時間変化の様子を示す。図に示すように、Ｔ１とＴ２は殆ど変化しないが、未燃分の酸化が徐々に進行し、熱分解ガスが発生し始めたところで、Ｔ３が急激に上昇する。

したがって、ステップＳ６では、Ｔ３とＴ２を監視しながら、Ｔ３とＴ２の温度差を継続的に算出し、温度差が設定温度（Ｔ_Ｐ）以上であるか否かを判断する。そして、温度差がＴ_Ｐ未満のときは、ホットバンキングを継続し、温度差がＴ_Ｐ以上となったときは、操作室から異常信号を出力し、脱硝触媒層２５の急激な温度上昇が始まる前に、脱硝装置入口ダンパ５と脱硝装置出口ダンパ１１を開き、脱硝装置９内にパージ空気又は冷却空気を流入させて、ホットバンキングの状態を解除する操作を行う。

このように、本実施形態では、脱硝触媒層２５に酸化触媒層４７を形成し、この酸化触媒層４７に未燃分の酸化の初期段階で発生する分解ガスを通過させることにより、分解ガス中の有機物の酸化を促進させて、分解ガスの温度を上昇させている。これによれば、酸化触媒層４７を通過する前後の温度差が大きくなり、分解ガス中の有機物の濃度変化を高感度で検知することができるから、脱硝触媒層２５に蓄積する未燃分の発熱を早期に検出することができ、脱硝触媒層２５のメンテナンスによって未燃分を除去することで、脱硝触媒層２５の急激な温度上昇やこれによる触媒の焼損を防ぐことができる。

また、酸化触媒層４７を通過する前後の分解ガスの温度差は、排ガス中の有機物の濃度と相関するから、温度差を検知することで、脱硝触媒層２５に付着する有機物の蓄積の程度を判定し、脱硝触媒層のメンテナンスのタイミングを見極めることができる。

また、図３に示すように、酸化触媒層４７を収容する第２の触媒ブロック３５ｂは、第１の触媒ブロック３５ａと同じ枠体３３を使用しており、第１の触媒ブロック３５ａと外形寸法が同じであるから、既設の脱硝触媒層２５の第１の触媒ブロック３５ａのいずれかを第２の触媒ブロック３５ｂと交換して、新たに温度検出器を取り付けるだけでよく、交換作業を容易に行うことができ、しかも設備構成を簡単化できる。

また、第２の触媒ブロック３５ｂは、酸化触媒層４７と複数の脱硝触媒エレメント３１を枠体３３内に収容して構成されるが、酸化触媒層４７の体積比率は、特に限定されるものではなく、要は、酸化触媒層４７を通過する前後の分解ガスの温度差を検知できる程度の大きさ（酸化触媒エレメント３７の枚数）が確保されていればよい。

また、第２の触媒ブロック３５ｂは、複数段の脱硝触媒層２５のうち、排ガスの流れ方向及びその断面方向の中央付近に１つ配置するだけで、脱硝触媒層に付着する未燃分の蓄積状態を精度よく検出できるが、この位置に限定されるものではなく、最下段の脱硝触媒層２５を除いたいずれかの脱硝触媒層２５のいずれかの位置に配置されていればよい。また、第２の触媒ブロック３５ｂの設置数は、１つに限られるものではなく、最下段の脱硝触媒層２５を除いたいずれか１つの脱硝触媒層２５に複数配置されていてもよいし、複数の脱硝触媒層２５に渡って複数配置されていてもよい。これによれば、脱硝触媒層に付着する未燃分の蓄積状態をより精度よく検出することができる。例えば、ボイラ３の燃料種の変更や起動停止条件が厳しくなるなどして、脱硝触媒層２５の焼損などが懸念される場合は、第２の触媒ブロック３５ｂを複数設けてよい。ただし、第２の触媒ブロック３５ｂを複数の脱硝触媒層２５に渡って配置する場合、排ガスの流れ方向に直列に配列されないように設置する必要がある。

また、本実施形態では、酸化触媒として、酸化チタンにパラジウム又はパラジウムを含む化合物を担持させた組成を用いる例を説明したが、これに限られるものではなく、要は、同時に使用される他の脱硝触媒よりも有機物を酸化させる能力が高い組成の触媒であれば、周知の組成の触媒を用いることができる。また、脱硝触媒の活性成分を多く担持させて酸化機能を強化した脱硝触媒を用いてもよい。

１ 排ガス処理装置
３ ボイラ
９ 脱硝装置
１５ 送風ファン
２５ 脱硝触媒層
３１ 脱硝触媒エレメント
３３ 枠体
３５ 触媒ブロック
３５ａ 第１の触媒ブロック
３５ｂ 第２の触媒ブロック
３７ 酸化触媒エレメント
３９ 酸化触媒上端温度検出器
４１ 脱硝触媒上端温度検出器
４３ 酸化触媒下端温度検出器
４５ 脱硝触媒下端温度検出器
４７ 酸化触媒層

Claims (3)

1. 排ガスが上下方向に流れる排ガス流路の断面を横切るように、排ガスの流れ方向に沿って、脱硝触媒層を複数段配置した排ガス処理装置において、
   前記複数段の脱硝触媒層のうち、最下段に配置される脱硝触媒層を除く上段側の少なくとも１段の前記脱硝触媒層は、脱硝触媒を担持する部分と、前記脱硝触媒よりも有機物を酸化する能力の高い酸化触媒を担持する部分とを有し、
   前記酸化触媒を担持する部分の上端近傍のガス温度を検出する上端温度検出手段と、前記酸化触媒を担持する部分の下端近傍のガス温度を検出する下端温度検出手段とを備えることを特徴とする排ガス処理装置。
2. 前記上端温度検出手段が出力した信号と前記下端温度検出手段が出力した信号とを入力して、前記上端近傍のガス温度が前記下端近傍のガス温度に対して設定温度以上高いときに、異常信号を出力する判断手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置。
3. 前記酸化触媒は、酸化チタンにパラジウム又はパラジウムを含む化合物が担持されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス処理装置。

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