JP6915068B2

JP6915068B2 - 石炭焚きボイラ用脱硝装置

Info

Publication number: JP6915068B2
Application number: JP2019541955A
Authority: JP
Inventors: 英雄宮西; 学小田; 龍二堤; 心平戸▲高▼
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2038-08-10
Also published as: WO2019054108A1; TWI673101B; EP3628395B1; EP3628395A4; PL3628395T3; JPWO2019054108A1; TW201919751A; EP3628395A1

Description

本発明は、石炭焚きボイラ用脱硝装置に関する。

石炭焚きボイラでは、アンモニアを還元剤として用いる脱硝装置が多用されている。このような石炭焚きボイラ用脱硝装置では、ダクトの屈曲などによってアンモニア注入ノズルの設置位置にてダクト内の排ガスの流速分布に偏りがある場合、脱硝性能の高効率化を妨げるおそれがあるため、アンモニアを一様に拡散させることが望ましい。

そのため、図３に示すように、アンモニア注入ノズル４４から噴出されるアンモニアガスの拡散距離を確保するために、アンモニア注入ノズル４４の設置位置以後の垂直上昇流ダクトを長く設計する方法が採用されている。また、触媒反応器１４０の入口に整流装置４２を設けることで、触媒層４６に流入する排ガス下降流の整流を行い、脱硝性能の高効率化を図っている。

一方、特許文献１には、アンモニア注入ノズルの向き及び角度を排ガス流路形状によって変化させ、アンモニア注入ノズルから噴出されるアンモニアを排ガス中に一様に分布させる方法が開示されている。

特開平９−２４２４６号公報

石炭焚きボイラ用脱硝装置では、アンモニアを一様に拡散させることが望ましいが、図３を用いて説明したように、アンモニア注入ノズルから噴出されるアンモニアガスの拡散距離を確保するために、垂直上昇流ダクトを長く設計しなければならない。

また、既設ボイラに脱硝装置を追加する場合、アンモニア注入ノズルを設置する為に、既設ダクトのレイアウト変更が必要になり、その都度設計が必要になり、設計期間とコストが発生する。

一方、特許文献１のように、アンモニア注入ノズル自体の構造を変更する場合、構造の複雑化や組立困難性などの問題が生じる虞がある。

上記の事情を鑑み、本発明の一態様では、アンモニア注入ノズルの設置位置にて排ガスの速度分布を一様とし、整流した状態で排ガスを通過させることで、ダクトを長くせずとも噴出したアンモニアガスを均一に拡散させる石炭焚きボイラ用脱硝装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、石炭焚きボイラ用脱硝装置は以下の手段を採用する。
即ち、本発明の一態様にかかる石炭焚きボイラ用脱硝装置は、排ガスが流通する流路の一部に屈曲するベンド部を有する曲りダクトと、前記曲りダクトの出口に接続され、複数の平行平板を有する整流装置、アンモニアガスを噴出するアンモニア注入ノズル、及び触媒層を流路中に設け、流路断面積が略一定とされた部分を備える触媒反応器と、を備える石炭焚きボイラ用脱硝装置であって、前記整流装置及び前記アンモニア注入ノズルは、前記触媒層の上流に位置する前記触媒反応器の流路断面積が略一定とされた部分の入口に配置され、前記アンモニア注入ノズルは、前記整流装置の下流直後にて該整流装置と連続するように設置される。

本態様に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置では、整流装置とアンモニア注入ノズルは、触媒層の上流、且つ、触媒反応器の流路断面積が略一定とされた部分の入口に位置している。また、アンモニア注入ノズルは、整流装置の下流直後にて整流装置と連続するように設置される。これにより、触媒反応器の上流に接続された曲りダクトにて発生した排ガスの偏流は、アンモニア注入ノズル上流に設置された整流装置によって整流される。また、整流装置とアンモニア注入ノズルは連続して設置され、その間には他の部品が設置されていない。このため、アンモニア注入ノズルを通過する排ガスは整流された状態となる。これにより、アンモニア注入ノズルから噴出されるアンモニアガスは、偏流によるアンモニア濃度のばらつきが抑制され、安定的にアンモニアガスを拡散させることができる。偏流の生じる曲りダクト内にアンモニア注入ノズルを設けていた従来の脱硝装置では、ダクト内でアンモニアガスの拡散距離を確保しなければならなかった。しかし、本態様に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置によれば、触媒反応器内に整流装置及びアンモニア注入ノズルを設けて一体化することで、従来延長していたダクトを短縮することができる。したがって、脱硝装置の小型化を図ることができる。また、既設ボイラに脱硝装置を追加する場合、その都度既設ダクトのレイアウト変更を行わずに済み、設計期間短縮やコスト削減も図ることができる。

また、アンモニア注入ノズル自体の流路抵抗によって、より排ガスを整流することができる。このため、排ガスはより整流された状態で触媒層に到達するので、脱硝性能の向上及び触媒層への灰堆積の防止を図ることができる。

また、アンモニア注入ノズルを整流装置に近設した場合、支持構造を共有することができるので、部品点数の削減などのコストダウンを図ることができる。併せて、触媒層までの距離を確保できるため、アンモニアガスの拡散距離を確保することができる。

また、アンモニア注入ノズルが設置される触媒反応器（触媒反応器入口）は、曲りダクトよりも流路断面積が約３倍大きく排ガスの流速が約１/３の低速となる領域であるため、圧力損失の低減やアンモニア注入ノズルのエロージョンの低減を可能とする。

本発明の一態様にかかる石炭焚きボイラ用脱硝装置は、排ガスが流通する流路の一部に屈曲するベンド部を有する曲りダクトと、前記曲りダクトの出口に接続され、アンモニアガスを噴出するアンモニア注入ノズル、及び触媒層を流路中に設け、流路断面積が略一定とされた部分を備える触媒反応器と、を備える石炭焚きボイラ用脱硝装置であって、前記アンモニア注入ノズルは、前記触媒反応器の流路断面積が拡大している部分の直後、かつ、前記触媒層の上流に位置する前記触媒反応器の流路断面積が略一定とされた部分の入口に配置される。

本態様に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置では、アンモニア注入ノズルは、触媒層の上流、且つ、触媒反応器の流路断面積が略一定とされた部分の入口に設置されている。触媒反応器の上流に接続された曲りダクトにて発生した排ガスの偏流は、アンモニア注入ノズル自体の流路抵抗によって整流される。これにより、アンモニア注入ノズルから噴出されたアンモニアガスは、偏流によるアンモニア濃度のばらつきが抑制され、安定的にアンモニアガスを分布させることができるうえ、排ガスは整流された状態で触媒層に到達する。偏流の生じる曲りダクト内にアンモニア注入ノズルを設けていた従来の脱硝装置では、ダクト内でアンモニアガスの拡散距離を確保しなければならなかった。しかし、本態様に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置によれば、触媒反応器内にアンモニア注入ノズルを設けることで、従来延長していたダクトを短縮することができる。したがって、脱硝装置の小型化を図ることができる。また、既設ボイラに脱硝装置を追加する場合、その都度既設ダクトのレイアウト変更を行わずに済み、設計期間短縮やコスト削減も図ることができる。

また、アンモニア注入ノズルが設置される触媒反応器（触媒反応器入口）は、曲りダクトより流路断面積が約３倍大きく排ガスの流速が約１/３の低速となる領域であるため、圧力損失の低減やアンモニア注入ノズルのエロージョンの低減を可能とする。

更に、触媒反応器に整流装置を設けていないので、構造の簡易化や製造コストの削減を図ることができる。

本発明に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置によれば、アンモニア注入ノズルの設置位置にて排ガスの速度分布を一様とし、整流した状態で通過させることで、ダクトを長くせずとも噴出したアンモニアガスを均一に拡散させることができる。
また、既設ボイラに脱硝装置を追加する場合でも、既設ダクトのレイアウト変更を行わずに脱硝装置の追加を可能とする。

本発明の第１実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置の縦断面図である。本発明の第２実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置の縦断面図である。従来例の石炭焚きボイラ用脱硝装置の縦断面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ａ内を通過する石炭焚きボイラからの排ガスは、アンモニアガスと混合された後、触媒層４６を通過させることで、化学反応によって、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）は環境負荷がない窒素や水蒸気に分解される。そして、窒素酸化物（ＮＯｘ）が除去された排ガスは、排煙ダクト（図示せず）等から大気へと放出される。

図１には、本発明の第１実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ａの縦断面図が示されている。石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ａは、例えば選択触媒還元脱硝装置（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）とされている。石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ａは曲りダクト２０と触媒反応器４０Ａとを備える。曲りダクト２０のダクト出口２２が、触媒反応器４０Ａに接続されることで、曲りダクト２０と触媒反応器４０Ａが一体となる。

曲りダクト２０は、流路の一部屈曲しているベンド部２４を有している。曲りダクト２０は、ダクト出口２２とは反対側の開口（ダクトの入口）が石炭焚きボイラ（図示せず）に接続される。石炭焚きボイラから排出された窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排ガスが、ダクト入口から流入してダクト出口２２に向って流通する。排ガスがベンド部２４を通過する際、流路の屈曲により排ガスの流れに偏流が生じる。

ダクト入口から、流路方向を水平方向とするダクト出口２２に到達した排ガスは、触媒反応器４０Ａの下流に向かって流通する。

ダクト出口２２から触媒反応器４０Ａに流入した排ガスは、まず、触媒反応器４０Ａの流路が拡大している区間（流路拡大部４８）を通過しながら、その流れ方向を水平方向から上下方向に転向する。また、流路面積が約３倍に拡大しているので、排ガスの流速は約１/３に小さくなる。

流路拡大部４８の下流直後の触媒反応器４０Ａは、流路断面積が略一定とされた区間を有する。その流路断面積が略一定とされた区間の触媒反応器４０Ａには、上流（同図では上方）から順に、整流装置４２、アンモニア注入ノズル４４及び触媒層４６が備えられる。整流装置４２及びアンモニア注入ノズル４４は、流路断面積が略一定とされた区間の入口側（上流側）に設置され、アンモニア注入ノズル４４は、整流装置４２の下流直後にて整流装置４２と連続するように設置される。前記流路断面積は、ダクト面積の約３倍となる。空塔速度は、ダクトで、９ｍ/ｓ〜１８ｍ/ｓで、望ましくは、１２ｍ/ｓ〜１５ｍ/ｓである。

整流装置４２は、上下方向を短手方向、紙面垂直方向を長手方向、とする複数の平行平板を有する。複数の平行平板は、水平方向に所定の間隔をあけて設置されている。平行平板間を通過する流体（排ガス）は、平行平板の流路抵抗によって流れが一様となる。即ち、整流される。整流装置は平行平板としたが、これに限るものではなく、ガイドベーンや格子でも良い。

アンモニア注入ノズル４４は、複数設けられ、それぞれが水平方向に所定の間隔をあけて設置され、紙面垂直方向を長手方向とする円管と、その各円管から下方に向かって延出するノズルを有する。図示しない装置によって円管内に導かれたアンモニアガスは、下方に向かって延出するノズルを介して排ガス中に噴出される。アンモニアガスは、触媒反応器４０Ａの流路内で排ガスと混合されながら、アンモニア注入ノズル４４の下流に設置されている触媒層４６に向かう。長手方向の整流装置と長手方向のアンモニア注入ノズル円管は等距離が望ましく、図１から２では、両者を平行としたが交差させてもよい。

触媒層４６は、例えばセラミックスや酸化チタンを担持したものとされ、アンモニアガスと混合された排ガスを通過させることで、化学反応によって、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を環境負荷がない窒素や水蒸気へと分解する。この時の空塔速度は、３ｍ/ｓ〜６ｍ/ｓで、望ましくは、４ｍ/ｓ〜５ｍ/ｓである。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
触媒反応器４０Ａの上流に接続された曲りダクト２０にて発生した排ガスの偏流は、アンモニア注入ノズル４４上流に設置された整流装置４２によって整流される。また、整流装置４２とアンモニア注入ノズル４４は連続して設置され、その間には他の部品が設置されていない。このため、アンモニア注入ノズル４４を通過する排ガスは整流された状態となる。これにより、アンモニア注入ノズル４４から噴出されるアンモニアガスは、偏流によるアンモニア濃度のばらつきが抑制され、安定的にアンモニアガスを拡散させることができる。偏流の生じる曲りダクト２０内にアンモニア注入ノズル４４を設けていた従来の脱硝装置では、ダクト内でアンモニアガスの拡散距離を確保しなければならなかったが、本実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ａによれば、触媒反応器４０Ａ内に整流装置４２及びアンモニア注入ノズル４４を設けて一体化することで、従来延長していたダクトを短縮することができる。したがって、脱硝装置の小型化を図ることができる。また、既設ボイラに脱硝装置を追加する場合、その都度既設ダクトのレイアウト変更を行わずに済み、設計期間短縮やコスト削減も図ることができる。

また、アンモニア注入ノズル４４自体の流路抵抗によって、より排ガスを整流することができる。このため、排ガスはより整流された状態で触媒層４６に到達するので、脱硝性能の向上及び触媒層４６への灰堆積の防止を図ることができる。

また、アンモニア注入ノズル４４を整流装置４２に近設した場合、支持構造を共有することができるので、部品点数の削減などのコストダウンを図ることができる。併せて、触媒層４６までの距離を確保できるため、アンモニアガスの拡散距離を確保することができる。

また、アンモニア注入ノズル４４が設置される触媒反応器４０Ａ（触媒反応器４０Ａ入口）は、曲りダクト２０よりも流路断面積が大きく排ガスの流速が低速となる領域であるため、圧力損失の低減やアンモニア注入ノズル４４のエロージョンの低減を可能とする。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、整流装置４２の有無で異なり、その他の点については同様である。したがって、第１実施形態と異なる点についてのみ説明し、その他は同一の符号を用いてその説明を省略する。

図２には、本発明の第２実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ｂの縦断面図が示されている。本実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ｂは、第１実施形態の石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ａから整流装置４２を省いたものと同様の構成である。即ち、触媒反応器４０Ｂの流路断面積が略一定とされた区間の入口側（上流側）には、排ガスの流れを整流する部材としてはアンモニア注入ノズル４４のみが設置されている。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
触媒反応器４０Ｂの上流に接続された曲りダクト２０にて発生した排ガスの偏流は、アンモニア注入ノズル４４自体の流路抵抗によって整流される。これにより、アンモニア注入ノズル４４から噴出されたアンモニアガスは、偏流によるアンモニア濃度のばらつきが抑制され、安定的にアンモニアガスを分布させることができるうえ、排ガスは整流された状態で触媒層４６に到達する。偏流の生じる曲りダクト内にアンモニア注入ノズル４４を設けていた従来の脱硝装置では、ダクト内でアンモニアガスの拡散距離を確保しなければならなかったが、本実施形態に係る石炭焚きボイラ用脱硝装置１Ｂによれば、触媒反応器４０Ｂ内にアンモニア注入ノズル４４を設けることで、従来延長していたダクトを短縮することができる。したがって、脱硝装置の小型化を図ることができる。また、既設ボイラに脱硝装置を追加する場合、その都度既設ダクトのレイアウト変更を行わずに済み、設計期間短縮やコスト削減も図ることができる。

また、アンモニア注入ノズル４４が設置される触媒反応器４０Ｂ（触媒反応器４０Ｂ入口）は、曲りダクト２０より流路断面積が大きく排ガスの流速が低速となる領域であるため、圧力損失の低減やアンモニア注入ノズル４４のエロージョンの低減を可能とする。

また、触媒反応器４０Ｂに整流装置４２を設けていないので、構造の簡易化や製造コストの削減を図ることができる。

１（１Ａ，１Ｂ）石炭焚きボイラ用脱硝装置
２０曲りダクト
２２ダクト出口
２４ベンド部
４０（４０Ａ，４０Ｂ）触媒反応器
４２整流装置
４４アンモニア注入ノズル
４６触媒層
４８流路拡大部

Claims

排ガスが流通する流路の一部に屈曲するベンド部を有する曲りダクトと、
前記曲りダクトの出口に接続され、複数の平行平板を有する整流装置、アンモニアガスを噴出するアンモニア注入ノズル、及び触媒層を流路中に設け、流路断面積が略一定とされた部分を備える触媒反応器と、
を備える石炭焚きボイラ用脱硝装置であって、
前記整流装置及び前記アンモニア注入ノズルは、前記触媒層の上流に位置する前記触媒反応器の流路断面積が略一定とされた部分の入口に配置され、
前記アンモニア注入ノズルは、前記整流装置の下流直後にて該整流装置と連続するように設置される石炭焚きボイラ用脱硝装置。
排ガスが流通する流路の一部に屈曲するベンド部を有する曲りダクトと、
前記曲りダクトの出口に接続され、アンモニアガスを噴出するアンモニア注入ノズル、及び触媒層を流路中に設け、流路断面積が略一定とされた部分を備える触媒反応器と、
を備える石炭焚きボイラ用脱硝装置であって、
前記アンモニア注入ノズルは、前記触媒反応器の流路断面積が拡大している部分の直後、かつ、前記触媒層の上流に位置する前記触媒反応器の流路断面積が略一定とされた部分の入口に配置される石炭焚きボイラ用脱硝装置。