JP6167026B2 - 排ガス処理システム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンから排出された排ガスを浄化する排ガス処理システムに係り、特にガスタービン起動時における窒素酸化物の排出を抑制する技術に関する。

ガスタービンの排ガス処理においては、一般に発電効率を高めるために、排ガス流路に設置した伝熱管を介して排ガスの熱を回収し、その回収した熱で蒸気を発生させて発電する排熱回収ボイラを備えたコンバインドサイクル発電が知られている。これに対し、発電所のトラブルや自然災害などによる電力供給力の著しい低下に対応するため、納期を最優先させたシンプルサイクル発電、つまり、排熱回収ボイラを設けない発電システムの必要性が生じている。

ところで、コンバインドサイクル発電は、排熱回収ボイラの熱回収によって脱硝装置上流側の排ガス温度が約３８０℃まで低下するのに対し、シンプルサイクル発電の排ガス温度は約５５０℃〜６００℃と高温になっている。そのため、シンプルサイクル発電において、高温の排ガスを脱硝装置に導入すると、脱硝触媒（一般に適正温度が約４００℃）の触媒性能が低下するだけでなく、脱硝装置の耐熱強度が不足するおそれがある。

これに対し、特許文献１には、排ガスダクトを上下方向に横切る複数の空気管路を設け、この空気管路を上昇する空気と排ガスダクトを流れる排ガスとを熱交換することにより、排ガス温度を低下させる技術が開示されている。これによれば、排ガスを触媒の適正温度まで減温した状態で脱硝装置に導入することができる。

しかしながら、特許文献１の場合、空気管路を介して排ガスと空気とを熱交換しているため、排ガス温度を脱硝触媒の適正温度まで下げるには、排ガスダクト内に多数の空気管路を配置して排ガスと空気管路との接触面積を確保しなければならず、排ガスの圧力損失が大きくなってしまう。

これに対し、送風ファンから送風された空気をガスタービン出口と脱硝触媒入口との間の排ガスダクトに供給し、排ガス温度を低減する試みがなされている。このように空気を排ガスダクト内に直接供給することで、排ガスの圧力損失を小さくするとともに、排ガスの冷却効果を高めることができる。

特開平８−１０８０４５号公報

しかしながら、この種の送風ファンは、起動してから安定するまでに時間がかかることやファン起動時のトラブルを防止する観点からガスタービンの起動前から起動させておく必要がある。この場合、排ガスには常に空気が供給されることから、脱硝触媒入口の排ガス温度が設定温度（例えば４００℃）に達する時間が遅くなる。

一方、脱硝触媒の上流側の排ガスには、還元剤としてアンモニアが添加されるが、脱硝触媒入口の排ガス温度が設定温度に達する前にアンモニアを添加しても脱硝反応が進行しないため、アンモニアが未反応のまま有害物質として大気中に放出される。したがって、アンモニアの添加は、脱硝触媒入口の排ガス温度が設定温度に達してから開始することになるが、脱硝触媒入口の排ガス温度が設定温度に達するまで時間がかかると、それだけアンモニアを注入するタイミングが遅くなり、その間に排ガス中の窒素酸化物が大気中に放出されることになる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ガスタービンの排ガスに空気を供給する排ガス処理システムにおいて、ガスタービン起動時の窒素酸化物の放出を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る排ガス処理システムは、ガスタービンから排出された排ガスが流れる排ガス流路と、該排ガス流路を流れる前記排ガスを脱硝処理する脱硝触媒層と、該脱硝触媒層の上流側の前記排ガス流路にアンモニアを注入するアンモニア注入装置と、前記排ガス流路に空気を供給する空気供給装置とを備え、前記空気供給装置は、送風ファンと、該送風ファンから排出された前記空気を前記脱硝触媒層の上流側の前記排ガス流路に供給する空気ダクトとを有し、前記空気ダクトは、前記空気を前記排ガス流路に供給する第１の流路と前記空気を大気中に放出する第２の流路とに分岐され、前記第１の流路と前記第２の流路とを切り替える弁が設けられてなることを特徴とする。

これによれば、例えば、脱硝触媒層入口の排ガス温度が設定温度に達するまでは、第２の流路から大気中へ空気を放出し、設定温度に達したときに、第１の流路に切り替えて空気を排ガス流路へ供給することができる。このように排ガス流路に空気を供給するタイミングを遅らせることにより、結果として脱硝触媒層入口の排ガス温度が設定温度に到達する時間を早めることができる。これにより、アンモニアを早期に注入して排ガスの脱硝処理を早期に開始することができるから、大気中への窒素酸化物の放出を抑制することができる。

この場合において、前記脱硝触媒層よりも上流側の前記排ガスの温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器の検出温度に基づいて前記弁の動作と前記アンモニアの注入開始時期を制御する制御装置とを備えるものとする。

これによれば、空気ダクトの流路の切り替えとアンモニアの注入開始時期を排ガス温度に対応させて制御することができるから、脱硝処理を適切なタイミングで開始することができ、かつ、脱硝処理の自動化が可能になる。

具体的に、前記制御装置は、前記温度検出器の前記検出温度が設定温度に上昇するまでの間、前記アンモニアの注入を停止させるとともに、前記第１の流路を遮断して前記第２の流路を開放させ、前記検出温度が前記設定温度に達したときに、前記アンモニアの注入を開始させるとともに、前記第２の流路を遮断して前記第１の流路を開放させるように制御するものとする。

これによれば、検出温度が設定温度に達した直後から脱硝処理を行うことができるから、窒素酸化物の放出を最小限に抑えることが可能になる。ここで、流路の切り替えは、第１の流路と第２の流路の分岐部に一つの弁を設けて行うこともできるし、各流路にそれぞれ設けた２つの弁で行うこともできる。

本発明によれば、ガスタービン起動時の窒素酸化物の放出を抑制することができる。

本発明の一実施形態である排ガス処理システムの全体系統図である。 空気供給装置の要部を拡大して示す図である。 空気供給前後の排ガス温度の変化を示す線図である。 従来の空気供給装置を示す図である。 従来の空気供給前後の排ガス温度の変化を示す線図である。

以下、本発明が適用される排ガス処理システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態の排ガス処理システムは、ガスタービンによるシンプルサイクル発電に適用されるものである。図１に本実施の形態の排ガス処理システムの系統図を示す。

図１に示すように、本実施の形態の排ガス処理システム１１は、ガスタービン１３と、排ガスダクト１５と、空気供給装置１７と、アンモニア注入管１９と、脱硝装置２１と、煙突２３を備えて構成される。

ガスタービン１３は、空気を導入して圧縮し燃焼ガスによりタービンを回転させ、発電機を駆動するようになっている。ガスタービン１３から排出された排ガス（矢印）は、排ガス流路である排ガスダクト１５を通り、脱硝装置２１に導かれる。脱硝装置２１は、脱硝触媒層２５が収容されており、この脱硝触媒層２５を排ガスが通過することにより、排ガス中の窒素酸化物が脱硝処理されるようになっている。脱硝装置２１を出た排ガスは、排ガスダクト１５を介して煙突２３から大気中に放出されるようになっている。

脱硝装置２１の上流側の排ガスダクト１５には、空気供給装置１７から冷却用の空気が供給される一方、アンモニア注入管１９からアンモニアが注入される。アンモニア注入管１９は、排ガスダクト１５の壁に穿設された穴から排ガスダクト１５内に挿入され、複数のノズル２７から排ガスの流れ方向にアンモニア水を噴出するようになっている。排ガスダクト１５に注入されたアンモニアは、還元剤として脱硝触媒の存在下で排ガス中の窒素酸化物と接触することにより、窒素酸化物を分解する。アンモニア注入管１９は、図示しないアンモニア供給装置と接続されている。

本実施の形態の空気供給装置１７は、送風ファン２９と、空気ダクト３１と、排気ダクト３３を備えて構成される。空気ダクト３１は、その一端部が送風ファン２９の排出口と接続され、他端部が排ガスダクト１５の壁に穿設された穴から排ガスダクト１５内に挿入して設けられる。

図２に示すように、空気ダクト３１の排ガスダクト１５の外側に位置する壁には、排気口３５が形成される。空気ダクト３１の排気口３５の周縁には、排気口３５を包囲するように排気ダクト３３の一端部が接続されている。排気ダクト３３は、その他端部が開放されており、排気口３５から流入する空気を他端部から大気中に放出するようになっている。本実施の形態では、排気口３５よりも空気ダクト３１の下流側の流路を第１の流路３７といい、排気口３５と排気ダクト３３の流路を第２の流路３９という。第１の流路３７は、空気を排ガスダクト１５に供給する流路であり、第２の流路３９は、空気を大気に放出する流路となっている。

第１の流路３７と第２の流路３９は、空気ダクト３１に収容された弁４１によって流路の切り替えが可能になっている。弁４１は、第１の流路３７と第２の流路３９を交互に開閉するダンパーとして形成され、空気ダクト３１の排気口３５よりも下流側（排ガスダクト１５側）にその一端部が回動自在に軸支されている。弁４１は、空気ダクト３１の外側から駆動装置により一端部が回動操作されるようになっている。

図２は、弁４１が第１の流路３７を遮断する状態を示す。この状態では排気口３５が開放され、第２の流路３９に流れた空気が大気へ放出される。これに対し、弁４１を矢印の方向に回動させると、第１の流路３７が開放され、排気口３５が閉じる。これにより、第２の流路３９が遮断され、第１の流路３７に流れた空気が排ガスダクト１５に供給される。このように本実施の形態では、１枚の弁４１の回動によって第１の流路３７と第２の流路３９が交互に切り替えられるようになっている。一方、空気ダクト３１の排気口３５よりも上流側には、逆流防止弁４３が設けられており、第１の流路３７を介して高温の排ガスが送風ファン２９に逆流するのを防いでいる。

本実施の形態では、弁４１を回動させて第１の流路３７と第２の流路３９を切り替える駆動装置と、アンモニア注入管１９にアンモニアを供給するアンモニア供給装置とが、それぞれ図示しない制御装置と電気的に接続されている。また、排ガスダクト１５には、脱硝触媒層２５よりも上流側の排ガス温度、具体的には脱硝装置２１入口の排ガス温度を連続的又は断続的に検出する温度検出器が設けられる。この温度検出器は、制御装置と電気的に接続され、検出結果を制御装置に出力するようになっている。制御装置は、温度検出器の検出温度に基づいて弁４１の動作とアンモニアの注入開始時期を制御するようになっている。すなわち、制御装置は、温度検出器の検出結果を入力し、入力された検出結果に基づいてアンモニア供給装置にアンモニアの供給開始の指令を出力する一方、弁４１の駆動装置に第１の流路３７と第２の流路３９を切り替える信号を出力して弁４１の動作を制御するようになっている。

本実施の形態の制御装置は、温度検出器の検出温度が設定温度（本実施の形態では４００℃）に上昇するまでの間、アンモニアの注入を停止させるとともに、第１の流路３７を遮断して第２の流路３９を開放させ、検出温度が設定温度に達したときに、アンモニアの注入を開始させるとともに、第１の流路３７を開放して第２の流路３９を遮断するようになっている。

次に、本実施の形態の動作について、図３を参照して説明する。図３は、横軸が時間、縦軸が温度を示し、空気供給前後の排ガス温度の変化を表している。まず、空気供給装置１７の送風ファン２９を起動させ、その動作に問題がなければ、ガスタービン１３を起動させる。空気供給装置１７は、温度検出器の検出温度が設定温度になるまで、第１の流路３７が遮断され、第２の流路３９が開放される。これにより、送風ファン２９から送風された空気は、すべて排気ダクト３３から大気中へ放出される。一方、アンモニア注入装置は、温度検出器の検出温度が設定温度になるまでアンモニアの注入が開始されない。

これにより、脱硝装置２１入口の排ガス温度が設定温度に上昇するまでの間、送風ファン２９から送風された空気が排ガスダクト１５に流れ込むことがない。したがって、図３に示すように、ガスタービン１３出口の排ガスの温度上昇率（傾き）と脱硝装置２１入口の排ガスの温度上昇率は、ほぼ等しくなる。

さらに排ガス温度が上昇し、温度検出器の検出温度が設定温度になると、制御装置からの指令により、空気供給装置１７は、第１の流路３７が開放されて第２の流路３９が遮断される。これにより、送風ファン２９から送風された空気は、すべて排ガスダクト１５内に供給される。その結果、ガスタービン１３出口の排ガス温度は設定温度以上に上昇（最高で約６００℃）するが、空気が供給されることにより、脱硝装置２１入口の排ガス温度は設定温度近傍に保持される。

一方、温度検出器の検出温度が設定温度になると、制御装置からの指令により、アンモニア供給装置から供給されたアンモニア水がアンモニア注入管１９を介して排ガスに注入される。すると、脱硝装置２１には、設定温度の排ガスが導入されるから、アンモニアの注入によって、脱硝処理が開始される。この場合、アンモニアを注入しても、未反応のアンモニアが大気中へ放出されることがない。

ここで、図４の従来の空気供給装置を用いたときの排ガス温度の変化を図５に示したうえで、本実施の形態の効果を説明する。なお、図４において、本実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、従来の空気供給装置４５は、排気ダクト３３を有しておらず、送風ファン２９と排ガスダクト１５は直接接続されている。このため、送風ファン２９から送風された空気の流路を変えることができず、空気は、送風ファン２９の起動時から排ガスダクト１５に常時供給されることになる。したがって、ガスタービン１３出口の排ガスの温度上昇率と比べて、脱硝装置２１入口の排ガスの温度上昇率は、大きく減少する。すなわち、ガスタービン１３の出力が１００％を超えても、しばらくは、脱硝装置２１入口の排ガス温度が設定温度を下回ってしまい、アンモニアを注入することができない。そのため、排ガスの脱硝処理の開始が遅くなり、窒素酸化物が大気に放出されることになる。

これに対して、本実施の形態によれば、脱硝装置２１入口の排ガス温度が設定温度に達してから排ガスダクト１５に空気が供給されるから、ガスタービン１３の出力が１００％を超える前に、脱硝装置２１入口の排ガス温度が設定温度に到達し、従来よりも早期にアンモニアを注入することができる。したがって、図４の構成よりも脱硝処理を開始するタイミングを早めることができ、その分、排ガス中の窒素酸化物の放出を防ぐことができる。

また、図４の空気供給装置４５は、例えば送風ファン２９の異常時などにおいて、排ガスダクト１５から高温の排ガスが送風ファン２９に流入するのを防ぐため、シール空気送風ファン４７から送風された空気を空気ダクト３１に供給可能にしておく必要がある。これに対し、本実施の形態によれば、弁４１を設け、送風ファン２９の異常時に第１の流路３７を閉鎖し、第２の流路３９を開放させることで、排ガスの逆流を防ぐことができるから、シール空気送風ファン４７を設ける必要がなく、設備を簡単化することができる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、弁４１を設けたことにより、冷却用空気を大気へ放出する場合と排ガスダクト１５へ導入する場合のいずれかを所定のタイミングで選択することができるから、脱硝装置２１入口の排ガス温度を短時間で設定温度まで上げることができ、アンモニア注入のタイミングを早めることができる。これにより、ガスタービン起動時における排ガスの脱硝処理の開始を早めることができるから、大気中への窒素酸化物の放出を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態を図面により詳述してきたが、上記の実施形態は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記の実施形態の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても、本発明に含まれることは勿論である。

例えば、本実施の形態では、脱硝装置２１の入口の排ガス温度を温度検出器により検出し、この検出結果に基づいて制御装置が弁４１とアンモニア供給装置の動作を制御するようにしているが、排ガス温度の検出位置は、脱硝触媒層２５よりも上流側で、空気の供給位置よりも下流側であれば、脱硝装置２１入口に限定されるものではない。また、制御装置を設けなくても、排ガスの検出温度が設定温度に達したときに、弁４１やアンモニア供給装置を別々に操作して脱硝処理を開始するようにしてもよい。さらに、制御装置は、弁４１の切り替えとアンモニア注入開始を同時に行うようにしているが、これらのタイミングをずらして制御するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、弁４１を１枚のダンパーとして形成する例を説明したが、第１の流路３７と第２の流路３９を切り替えるものであれば、この構成に限定されるものではない。例えば、第１の流路３７と第２の流路３９にそれぞれ弁を設け、それぞれの弁を別個に操作して交互に開閉するように構成してもよい。また、弁４１に流量調整機能をもたせて弁開度を調整可能とすることもできる。

１１ 排ガス処理システム
１３ ガスタービン
１５ 排ガスダクト
１７ 空気供給装置
１９ アンモニア注入管
２１ 脱硝装置
２３ 煙突
２５ 脱硝触媒層
２９ 送風ファン
３１ 空気ダクト
３３ 排気ダクト
３５ 排気口
３７ 第１の流路
３９ 第２の流路
４１ 弁

Claims (2)

1. ガスタービンから排出された排ガスが流れる排ガス流路と、該排ガス流路を流れる前記排ガスを脱硝処理する脱硝触媒層と、該脱硝触媒層の上流側の前記排ガス流路にアンモニアを注入するアンモニア注入装置と、前記排ガス流路に空気を供給する空気供給装置とを備え、
   前記空気供給装置は、送風ファンと、該送風ファンから排出された前記空気を前記脱硝触媒層の上流側の前記排ガス流路に供給する空気ダクトとを有し、
   前記空気ダクトは、前記空気を前記排ガス流路に供給する第１の流路と前記空気を大気中に放出する第２の流路とに分岐され、前記第１の流路と前記第２の流路とを切り替える弁が設けられ、
   前記脱硝触媒層よりも上流側の前記排ガスの温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器の検出温度に基づいて前記弁の動作と前記アンモニアの注入開始時期を制御する制御装置とを備えてなる排ガス処理システム。
2. 前記制御装置は、前記温度検出器の前記検出温度が設定温度に上昇するまでの間、前記アンモニアの注入を停止させるとともに、前記第１の流路を遮断して前記第２の流路を開放させ、前記検出温度が前記設定温度に達したときに、前記アンモニアの注入を開始させるとともに、前記第２の流路を遮断して前記第１の流路を開放させるように制御する請求項１に記載の排ガス処理システム。

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