JP7260974B2

JP7260974B2 - 燃焼排ガスの脱硝装置

Info

Publication number: JP7260974B2
Application number: JP2018150823A
Authority: JP
Inventors: 啓一郎甲斐
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2023-04-19
Anticipated expiration: 2038-08-09
Also published as: JP2020025908A

Description

本発明は燃焼排ガスの脱硝装置に関する。より詳細に、本発明は、火力発電所、工場などに設置されるボイラなどから排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去するための装置に関する。

ボイラやガスタービンなどから排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去するための装置には触媒固定床が設けられている（例えば、図１５参照）。そして、脱硝率の向上と、圧力損失の抑制、ガス処理量の増加などを図るために触媒固定床の構造に関して種々の提案がされている。

例えば、特許文献１は、処理ガスを水平方向より導入し、水平に設けられた触媒支持材上に充填された粒状触媒層に垂直上向き方向に流入させるように配置した排ガス脱硝装置用反応器に対し、粒状触媒層ガス流路断面の一部をガス仕切板にて閉止し残りのガス流路断面部に板状あるいは格子型脱硝触媒を充填するようにしたことを特徴とした排ガス脱硝装置用反応器を開示している。

特許文献２は、少なくとも一つの触媒モジュールを含み、前記少なくとも一つの触媒モジュールは、複数の第１触媒体及び複数の第１ダクトを含む流体ストリーム入口側と、複数の第２触媒体及び複数の第２ダクトを含む流体ストリーム出口側とを含み、前記第１ダクトは、前記第２触媒体への流体ストリーム入口であり、前記第２ダクトは、前記第１触媒体の流体ストリーム出口である触媒反応器を開示している。

特許文献３は、微細固形分を含有する排ガスを固定床触媒層に接触させて処理するに際し、周期的に、もしくは微細固形分の触媒層内への付着蓄積の程度に応じて１時的に触媒層を通過する排ガス流速を増大せしめて触媒層を流動化せし、触媒層内に付着蓄積した微細固形分を除去するようになしたことを特徴とする排ガスの処理方法を開示している。

特許文献４は、プリーツの形式で配置された構造触媒体の層を含む少なくとも１つのモジュールを含み、前記構造触媒体はプリーツ入口面及びプリーツ出口面を形成し、前記構造触媒体の内部隔壁によって画定された流体流の通路は前記プリーツ入口面から前記プリーツ出口面まで延び、前記プリーツ入口面は５度から８５度までの前記モジュールの入口面との角度（δ）を形成する、触媒反応器を開示している。

特開２００２－３６１０７４号公報特表２０１３－５２９５４３号公報（US 2011/305611 A1）特開昭５２－７２３６１号公報特表２０１７－５２９２２７号公報（US 2017/266617 A1）

本発明の課題は、火力発電所、工場などに設置されるボイラなどから排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去するための装置、特に窒素酸化物の除去性能を高く維持しつつ、通風損失の低い脱硝装置を提供することである。

上記課題を解決するために以下の形態を包含する本発明を完成するに至った。

〔１〕ガス流入口側主ダクトと、ガス流出口側主ダクトと、ガス流入口側主ダクトにおけるガス流れに対して並列に並べて設けられた２以上の触媒固定床と、ガス流入口側主ダクトから触媒固定床のそれぞれにガスを誘導し且つ触媒固定床のそれぞれからガス流出口側主ダクトにガスを誘導する仕切板とを有し、
触媒固定床は、燃焼排ガスが入る流入口端面と燃焼排ガスが出る流出口端面とを有し且つ触媒を含有する隔壁によって流入口端面から流出口端面までの流路が複数に区切られている触媒ユニットからなり、
該触媒ユニットが、ガス流入口側主ダクトにおけるガス流れ方向０度に対して触媒ユニット流路のガス流れ方向が０度以外の方向になるように設置されている、
燃焼排ガス脱硝装置。

〔２〕触媒ユニットが、触媒を含有するハニカムからなるもの、または触媒を含有する板を隙間を設けて重ねたものである、〔１〕に記載の燃焼排ガス脱硝装置。
〔３〕ガス流入口側主ダクト内に、アンモニア供給口をさらに有する、〔１〕または〔２〕に記載の燃焼排ガス脱硝装置、
〔４〕火炉、過熱器、および〔１〕～〔３〕のいずれかひとつに記載の燃焼排ガス脱硝装置をこの順で有する、ボイラ。

〔５〕ガスタービン、および〔１〕～〔３〕のいずれかひとつに記載の燃焼排ガス脱硝装置をこの順で有する、発電装置。
〔６〕過熱器および蒸気タービンをさらに有する〔５〕に記載の発電装置。

本発明の燃焼排ガス脱硝装置は、脱硝率の向上と、圧力損失の低減、ガス処理量の増加を図ることができる。本発明の燃焼排ガス脱硝装置は、ガス流入口側主ダクトの断面積に比して、触媒固定床の流入口端面の面積を大きくすることができるので、ガス流入口側主ダクトにおけるガス流速を低下させることなく、触媒固定床におけるガス流速を低くする、すなわち触媒固定床におけるガスの平均滞留時間を長くすることができる。それによって、脱硝率の向上と圧力損失の低減とを実現できる。さらに、ガス流入口側主ダクトにおけるガス流速がほとんど低下しないので、タービンの回転数（発電力）を下げることがない。

本発明の燃焼排ガス脱硝装置を備えたガスタービン発電システムの一例を示す図である。触媒ユニット（直角柱）の一例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置における触媒固定床と仕切板の配置例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置における触媒固定床と仕切板の配置例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置における触媒固定床と仕切板の配置例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置における触媒固定床と仕切板の配置例を示す図である。触媒ユニット（斜角柱）の一例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置における触媒固定床と仕切板の配置例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置における触媒固定床と仕切板の配置例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置を備えたガスタービン発電システムの一例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置における触媒固定床と仕切板の配置例を示す図である。触媒ユニットを構成する板状触媒エレメントの重ね合わせの一例を示す図である。触媒ユニットを構成する板状触媒エレメントの重ね合わせの一例を示す図である。本発明の燃焼排ガス脱硝装置を備えたガスタービン発電システムの一例を示す図である。従来技術の燃焼排ガス脱硝装置を備えたガスタービン発電システムの一例を示す図である。

本発明の燃焼排ガス脱硝装置は、主ダクトと、触媒固定床と、仕切板とを有する。

主ダクトは、ガス流入口側主ダクト2と、ガス流出口側主ダクト3とからなる。ガス流入口側主ダクトは触媒固定床6および仕切板の上流、ガス流出口側主ダクトは触媒固定床6および仕切板の下流に位置する。主ダクトは、好ましくは、水平方向に亘る空洞を有し、その空洞をガスが流れる。空洞の断面形状は、矩形、円形、楕円形などであってもよい。ガス流入口側主ダクト内には、通常、アンモニア供給口5が設置されており、アンモニア供給口からアンモニアまたはアンモニア誘導体が供給される。アンモニア供給口は、噴霧ノズル形状などを成していてもよい。アンモニア誘導体としては、尿素などを挙げることができる。

触媒固定床6は、ガス流入口側主ダクトにおけるガス流れに対して並列に２以上並べて主ダクト内に設けられている。例えば、水平方向に亘る空洞を有する主ダクトにおいては、触媒固定床6を、縦に並列に並べて設けてもよいし、横に並列に並べて設けてもよいし、斜めに並列に並べて設けてもよい。

触媒固定床6は、少なくとも１つの触媒ユニット9からなる。２以上の触媒ユニット9は隙間なく並べて設置されることが好ましい。触媒ユニット9は、通常、柱形状、好ましくは６つの四角形からなる六面体形状、好ましくは斜角柱形状92（図７）、直角柱形状91（図２）、より好ましくは直方体若しくは立法体形状を成している。柱形状の天面と底面、または六面体形状の６面のうちの対向する２面は、燃焼排ガスが入る流入口端面912,922と燃焼排ガスが出る流出口端面である。流入口端面および流出口端面は、開口しており、流入口端面から流出口端面までの間はガスが流れるための空洞（流路）を成している。流入口端面および流出口端面以外の面（すなわち、側面）は、好ましくは板等で塞がれている。触媒ユニットは、流路が、触媒を含有する隔壁によって流入口端面から流出口端面まで連通する複数の小流路に区切られている。触媒ユニットは、例えば、触媒を含有するハニカムからなるもの、触媒を含有する板（板状触媒）を隙間を設けて重ねたもの、触媒を含有するコルゲートボード（コルゲート板状触媒）を重ねたものなどであることが好ましい。

触媒を含有する板としては、例えば、平坦部と該平坦部を間隔を隔てて仕切る突条部とが交互に繰り返して配置される板状の触媒エレメントなどを挙げることができる。また、隣接する触媒エレメントの突条部が互いに平行になるように板状の触媒エレメントを重ねる（例えば、図１２）か、または隣接する触媒エレメントの突条部が互いに交差するように板状の触媒エレメントを重ねる（例えば、図１３）ことができる。

触媒ユニットは、ガス流入口側主ダクトにおけるガス流れ方向０度に対して触媒ユニット流路のガス流れ方向が、０度以外の方向、好ましくは２０～１２０度の方向、より好ましくは３０～１１０度の方向となるように配置される。ガス流れ方向が、主ダクトから触媒ユニット流路にかけて変わり、ガス流れに乱れが生じるので、触媒表面の境膜が薄くなり、脱硝率が向上する。また、触媒ユニット流路のガス流れ方向が、ガス流入口側主ダクトにおけるガス流れ方向０度に対して、下向き、上向き、右向きおよび左向き、またはそれらの中間の方向となるようにしてもよい。

仕切板が、ガス流入口側主ダクトから触媒固定床のそれぞれにガスを誘導し且つ触媒固定床のそれぞれからガス流出口側主ダクトにガスを誘導する。好ましい一例として、仕切板82は、水平方向に亘る空洞を有する主ダクトにおいて触媒固定床を縦に並列に並べ且つガス流れの方向（０度）に対して触媒ユニット流路のガス流れ方向がそれぞれ同じ方向（例えば、水平より下向き９０度の方向（図３）、水平より下向き７５度の方向（図４）、水平より下向き６０度の方向（図５）、水平より下向き４５度の方向（図６））を向くように設けた場合、触媒固定床の最上流側の側面の下底と、そのすぐ下の段の触媒固定床の最下流側の側面の上底との間にさし渡すことができる。斜角柱の触媒ユニット92を用いた場合、例えば、図８，９などのように仕切板82と触媒ユニット92を配置することができる。別の一例として、仕切板81は、水平方向に亘る空洞を有する主ダクトにおいて触媒固定床を縦に並列に並べ且つガス流れの方向（０度）に対して触媒ユニット通路のガス流れ方向が交互に逆の方向（例えば、水平より上向き６０度の方向と水平より下向き６０度の方向）を向くように設けた場合、触媒固定床の最下流側の側面の下底とそのすぐ下の段の触媒固定床の最下流側の側面の上底または触媒固定床の最上流側の側面の下底とそのすぐ下の段の触媒固定床の最上流側の側面の上底とが密着し、その密着した部分から１８０度または０度の方向に向かって伸びるように設けてもよい（図１０，１１）。
仕切板は、単なる板からなるものであってもよいし、触媒を含有する板からなるものであってもよい。

本発明に用いられる触媒としては、チタンの酸化物、モリブデンおよび／またはタングステンの酸化物、ならびにバナジウムの酸化物を含有して成るもの（酸化チタン系触媒）；ＣｕやＦｅなどの金属が担持されたゼオライトなどのアルミノケイ酸塩を主に含有して成るもの（ゼオライト系触媒）；酸化チタン系触媒とゼオライト系触媒とを混合して成るものなどを挙げることができる。これらのうち酸化チタン系触媒が好ましい。

酸化チタン系触媒の例としては、Ｔｉ－Ｖ－Ｗ触媒、Ｔｉ－Ｖ－Ｍｏ触媒、Ｔｉ－Ｖ－Ｗ－Ｍｏ触媒等を挙げることができる。
Ｔｉ元素に対するＶ元素の割合は、Ｖ₂Ｏ₅／ＴｉＯ₂の重量百分率として、好ましくは１０重量％以下、より好ましくは８重量％以下である。Ｔｉ元素に対するＭｏ元素および／またはＷ元素の割合は、（ＭｏＯ₃＋ＷＯ₃）／ＴｉＯ₂の重量百分率として、好ましくは２０重量％以下、より好ましくは１５重量％以下である。

触媒の調製において、チタンの酸化物の原料として、二酸化チタン粉末または酸化チタン前駆物質を用いることができる。酸化チタン前駆物質としては、酸化チタンスラリ、酸化チタンゾル；硫酸チタン、四塩化チタン、チタン酸塩、チタンアルコキシドなどを挙げることができる。本発明においては、チタンの酸化物の原料として、アナターゼ型二酸化チタンを形成するものが好ましく用いられる。

バナジウムの酸化物の原料として、五酸化バナジウム、メタバナジン酸アンモニウム、硫酸バナジル等のバナジウム化合物を用いることができる。
タングステンの酸化物の原料として、パラタングステン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、三酸化タングステン、塩化タングステン等を用いることができる。
モリブデンの酸化物の原料として、モリブデン酸アンモニウム、三酸化モリブデンなどを用いることができる。

本発明に用いられる触媒には、助触媒または添加物として、Ｐの酸化物、Ｓの酸化物、Ａｌの酸化物（例えば、アルミナ）、Ｓｉの酸化物（例えば、ガラス繊維）、Ｚｒの酸化物（例えば、ジルコニア）、石膏（例えば、二水石膏など）、ゼオライトなどが含まれていてもよい。これらは、粉末、ゾル、スラリ、繊維などの形態で、触媒調製時に用いることができる。

本発明の燃焼排ガス脱硝装置は、ボイラ、火力発電装置などに設置して用いることができる。

本発明のボイラは、石炭炊きなどの火炉、過熱器、および本発明の燃焼排ガス脱硝装置をこの順で有する。本発明のボイラにさらに蒸気タービンと蒸気タービン発電機を設け、過熱器で発生した蒸気によって発電することができる。さらに、蒸発器、節炭器をさらに設けて、燃焼排ガスに残る熱エネルギーを回収してもよい。

本発明の発電装置は、ガスタービン、および本発明の燃焼排ガス脱硝装置をこの順で有し、必要に応じて過熱器12、蒸気タービン10、蒸気タービン発電機11、蒸発器13、節炭器14をさらに有する（例えば、図１４）。

1：ガスタービン
2：主ダクト（ガス流入口側）
3：主ダクト（ガス流出口側）
4：煙突
5：アンモニア供給口
6：触媒固定床
7：ガスタービン発電機
81：仕切板
82：仕切板
91：触媒ユニット（直角柱）
92：触媒ユニット（斜角柱）
10：蒸気タービン
11：蒸気タービン発電機
12：過熱器
13：蒸発器
14：節炭器
912、922：流入口端面

Claims

ガス流入口側主ダクトと、主ダクトと、ガス流入口側主ダクトにおけるガス流れに対して並列に並べて設けられた２以上の触媒固定床と、ガス流入口側主ダクトから触媒固定床のそれぞれにガスを誘導し且つ触媒固定床のそれぞれからガス流出口側主ダクトにガスを誘導する仕切板とを有し、
各触媒固定床は、燃焼排ガスが入る流入口端面と燃焼排ガスが出る流出口端面とを有し且つ触媒を含有する隔壁によって流入口端面から流出口端面までの流路が複数に区切られている、２以上の触媒ユニットからなり、
各触媒ユニットは、それの流入口端面および流出口端面以外の面が板で塞がれており、
前記仕切板は、
隣接する二つの触媒固定床が一方の流出口端面と他方の流入口端面を向かい合わせに間隔を開けて設置している場合において、一方の触媒固定床の流出口端面のガス流入口側主ダクトに近い側の辺と他方の触媒固定床の流入口端面のガス流出口側主ダクトに近い側の辺とを差し渡すように、設置されているか、
隣接する二つの触媒固定床が一方の流入口端面と他方の流入口端面を向かい合わせに一方の流入口端面のガス流出口側主ダクトに近い側の辺と他方の流入口端面のガス流出口側主ダクトに近い側の辺とを密着させて設置している場合において、一方の触媒固定床の流入口端面のガス流出口側主ダクトに近い側の辺と他方の触媒固定床の流入口端面のガス流出口側主ダクトに近い側の辺とを密着させている部分から二つの触媒固定床の間のガス流入口側主ダクトに近くなる側にガス流入口側主ダクトのガス流れ方向に伸びるように、設置されているか、または
隣接する二つの触媒固定床が一方の流出口端面と他方の流出口端面を向かい合わせに一方の流出口端面のガス流入口側主ダクトに近い側の辺と他方の流出口端面のガス流入口側主ダクトに近い側の辺とを密着させて設置している場合において、一方の触媒固定床の流出口端面のガス流入口側主ダクトに近い側の辺と他方の触媒固定床の流出口端面のガス流入口側主ダクトに近い側の辺とを密着させている部分から二つの触媒固定床の間のガス流出口側主ダクトに近くなる側にガス流出口側主ダクトのガス流れ方向に伸びるように、設置されており、
該触媒ユニットは、触媒表面の境膜が薄くなるように、且つガス流入口側主ダクトにおけるガス流れ方向を０度としそれに対して触媒ユニット流路のガス流れ方向が２０～１２０度で下向き、上向き、右向き若しくは左向きまたはそれらの中間の方向になるように、設置されている、
燃焼排ガス脱硝装置。
触媒ユニットが、触媒を含有するハニカムからなるもの、または触媒を含有する板を隙間を設けて重ねたものである、請求項１に記載の燃焼排ガス脱硝装置。
火炉、過熱器、および請求項１または２に記載の燃焼排ガス脱硝装置をこの順で有する、ボイラ。
ガスタービン、および請求項１または２に記載の燃焼排ガス脱硝装置をこの順で有する、発電装置。
過熱器および蒸気タービンをさらに有する請求項４に記載の発電装置。