JPH07227528A - 流体の混合方法および装置 - Google Patents

流体の混合方法および装置

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JPH07227528A
JPH07227528A JP6020618A JP2061894A JPH07227528A JP H07227528 A JPH07227528 A JP H07227528A JP 6020618 A JP6020618 A JP 6020618A JP 2061894 A JP2061894 A JP 2061894A JP H07227528 A JPH07227528 A JP H07227528A
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Taiichirou Suda
泰一朗 須田
Masakatsu Nagaoka
正勝 永岡
Tetsuhiro Nishikawa
鉄太 西川
Kunikatsu Yoshida
邦勝 吉田
Hidehisa Yoshizako
秀久 吉廻
Hiroyuki Kako
宏行 加来
Masato Mukai
正人 向井
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Kansai Electric Power Co Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧力損失の大幅な増加を招くことなく、排ガ
ス流路断面における排ガス組成や温度などの均一化を図
るための流体の混合方法および装置を提供すること、さ
らには、この混合装置を装備した高効率の排ガス脱硝装
置の提供。 【構成】 ダクト1などからなる流路を、その組成、温
度などが不均質である混合不十分な流体35の流路を一
旦分割し、該分割流体を互いに対向する噴出口12から
噴出させて合流させる。こうして相互の噴流13が直接
衝突あるいは干渉し、その周囲に極めて乱れの激しい領
域を生じ、混合流体19は組成や温度などがほぼ均質に
なる。該領域は流路の全断面に及ぶため、局所的ではな
く、流路の全断面にわたって混合が促進される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は流体の混合方法および装
置に係り、特に低い圧力損失で流体の混合を大幅に促進
する必要がある高効率の排ガス脱硝装置などにも適用し
得る、流体の混合方法および装置の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】ボイラ、加熱炉などの燃焼装置から排出
される排ガスには有害な窒素酸化物(NOx)が含まれ
ている。現在、排ガス中の窒素酸化物を除去する一般的
な装置としては、選択接触還元法による排ガス脱硝装置
がある。還元剤としてはアンモニア(NH3)が一般的
であるが、尿素など他の物質が使われる場合もある。従
来の排ガス脱硝装置の例を17図に示す。排ガスダクト
1に接続された反応器3の内部には脱硝触媒4が配置さ
れている。反応器3の上流には還元剤であるNH3を注
入するためのヘッダー5およびヘッダー5に付設された
ノズル6が配置される。なお、ヘッダー5に至る配管に
はNH3の流量を調整するための弁7などが設けられて
いる。ノズル6から噴出されたNH3噴流9は反応器3
の上流に位置する混合空間34を通過する間に拡散し、
NOxを含んだ排ガス35と混合され、混合ガス36と
なり、混合ガス36は反応器3に供給される。ここで、
混合ガス36中のNOxは、反応器3内の脱硝触媒4の
作用により下記(1)式および(2)式で示される化学
式に基づき、NH3と選択的に反応して窒素(N2)と水
(H2O)になり、無害な出口排ガス37として後流装
置に送られる。 4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O (1) NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (2) 通常、ボイラや加熱炉などの排ガス中に含まれる窒素酸
化物としてはNOが大部分であり、脱硝反応としては
(1)式の反応が主である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】排ガスの脱硝反応に必
要なNH3は(1)式および(2)式に基づいて、排ガ
ス中のNOx濃度に対応した所定の量が必要がある。N
3の量が不足すれば未反応のNOxが流出することにな
り、脱硝率(NOx濃度差/入口NOx濃度)は低下す
る。過剰にNH3を注入すれば脱硝率は上がるが、出口
排ガス中の未反応のNH3すなわちリークNH3の量が増
える。リークNH3の生成量を極力抑えながら高い脱硝
率を得るためには、反応器3入口のダクト1断面全域に
わたって、局所的にもNOxとNH3の濃度を量論比に近
づける必要がある。このことは、特に、排ガス中のNO
xを極限まで除去することを考えた高効率脱硝装置にお
いて必要とされる重要な技術課題である。
【0004】前記従来技術では、NH3の排ガスへの混
合は主として排ガス流が備えている乱流拡散作用によっ
ている。このため、NH3濃度の均一化を図るために
は、混合空間34は排ガスの流れ方向に長い距離を備え
たものが必要となり、装置の大型化あるい配置上の制約
などの問題を生じていた。かかる事態を防ぐための従来
技術における第一の工夫は、NH3注入ノズル6の数を
増やすことである。すなわち、NH3注入部のダクト1
の断面に多くのノズル6を配置し、NH3を当初から分
散注入すれば、拡散混合に必要な距離を短縮することが
できる。しかしながら、ノズル6の数を増すことは設備
費の増加を招く。さらに、ヘッダー5に付設された各ノ
ズル6から噴出するNH3の流量が全て同じであるとい
う保証はない。また、排ガスダクト1における排ガス流
35は必ず断面内で流速に分布があり、局所的な排ガス
流量または局所的なNOx流量に応じてNH3注入量を制
約しなければ意味がない。しかし、多数のノズル6に個
々に流量調整弁7を付設することは、さらに設備費の増
加をもたらす。
【0005】この点における第二の工夫は、多数のノズ
ル6を複数の群に分けて、各群毎にNH3流量調整弁7
を配設することである。しかしながら、ボイラなどの負
荷が変化すれば、排ガス流量やNOx濃度が変化するば
かりでなく、大幅でないにしても、その分布状態は変化
する。また、経時的な排ガス流量やNOx濃度の分布状
態の変動は常に起きている。脱硝率80%程度の従来型
脱硝装置であれば、この第2の従来技術で十分対処でき
るが、それ以上の高効率脱硝装置では上述の排ガス流
量、NOx濃度およびそれらの分布状態の小さな変化に
も追従することが必要であり、該第2の従来技術では十
分対応できない。第3の従来技術として、脱硝反応器4
とその上流のNH3注入設備38の間の混合空間34に
排ガス混合器(図示せず)を設置するものがある。排ガ
ス混合器は、混合性能が優れていることだけでなく、圧
力損失が低いこと、構造が簡単で設備費の大幅な上昇を
招かないことが要求される。
【0006】従来の排ガス混合器としては、図18〜図
24に示したものが知られている。図18、図19(図
18の排ガス混合器のF−F’矢視図)に示す例は、ダ
クト1の断面を、まず横方向に平板状の仕切部材40を
挿入して断面の縦方向を複数に分割し、次に断面の縦方
向に平板状の仕切部材41および42を挿入して断面の
横方向を複数に分割したものである。この時、仕切部材
41、42はダクト1のガス流動方向軸36に対してθ
または−θの角度だけ傾けてある(図19参照)。すな
わち、仕切部材40の上部に位置する仕切部材41の取
付角度がθであれば、仕切部材40の下部に位置する仕
切部材42の取付角度は−θになっている。このような
構造の混合器においては、例えば混合器の入口で、P点
(上、左部)にあった排ガスは、混合器の出口ではそれ
より右部に位置するQ点に移動する。P点の下の段では
逆に入口断面の右部から出口断面の左部に移動する。図
18および図19に示す場合は、断面の縦方向で、交互
に上述の移動があるため、主として左右方向(横方向)
の混合が促進されることになる。このような構造の混合
器は以下の欠点を有する。すなわち、断面の一方向の混
合、言い換えれば、二次元的な混合を促進するだけであ
る。ダクト断面の全域にわたって混合を促進するには、
ガス流動方向軸36に対して混合方向を変えた複数の混
合器を配置する必要があり、結局のところ、長い混合空
間を必要とすることになる。また、取付角度θが大きい
ほど、流体の移動が大幅に行われるため混合促進効果も
大きくなるが、圧力損失が増大する。従って、実用的な
圧力損失の範囲では取付角度θが限られ、ダクトの全断
面を対象とした混合促進は行われず、その混合作用は部
分的な領域に限られる。
【0007】図20および図21(図20のG−G’線
矢視図)に示す排ガス混合器の例は、仕切部材として波
板45、46を用いたものであり、基本的な構造、作用
は、前述図18および図19の従来技術と同等なもので
あり、またその欠点も同じである。図22に示す排ガス
混合器の例は、粗混合ガス18と混合ガス36の間に位
置する排ガスダクト1内の混合空間34(図17)に小
孔51を有する多孔板50を配置した例である。多孔板
50は構造が簡単であるが、狭い領域の混合しか行われ
ず、その割には圧力損失が大きい欠点がある。図23に
示す排ガス混合器の例は、混合空間34(図17)内に
柱状部材52a、52bを互いに直交するように配置し
たものであり、柱状部材52a、52bの後流に渦流を
発生させて、排ガスとNH3の混合を促進しようとする
ものである。図23の例のように、ガス流れ方向に多段
に配置した柱状部材52aと52bとが互いにほぼ直角
になっていれば、断面の縦および横方向のいずれの方向
にでも、混合促進の効果がある。しかしながら、その効
果のおよぶ範囲は狭く、局所的な混合しか行われない。
【0008】図24に示す排ガス混合器の例は、実公平
3−28898号公報に開示されたもので、並行二本管
53a,53b内の流体を合流混合させる装置であり、
両管53a,53bを対向する方向から合流させるに際
して、各々の管53a,53bを同一方向に棚板状態に
分割し、有効流路面積を各管からの棚板層54区画から
の流れが対向流とすれ違うようにして、面接触混合させ
ながら、合流管53cへ導入する流体を合流させるもの
である。しかし、この方法は各管53a,53bからの
棚板層54区画からの流れが対向流とすれ違うように配
置する必要上、有効流路面積は限られたものになり、そ
の分、棚板層54の厚みを十分大きくする必要があり、
各管53a,53bでの流体の受ける圧力損失は大きく
なる。また、棚板層54区画からの対向流がすれ違うよ
うな構造であるため、対向流同士の衝突がなく、流体の
混合効率が良くない。
【0009】本発明の目的は、圧力損失の大幅な増加を
招くことなく、排ガス流路断面における排ガス組成や温
度などの均一化を図るための流体の混合方法および装置
を提供すること、さらには、この混合装置を装備した高
効率の排ガス脱硝装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成により達成される。すなわち、組成、温度が不均質
である混合不十分な流体の流路を一旦分割し、該分割流
体を互いに対向する一対以上の噴出口から噴出させて合
流させることにより、均一な混合流体を得る流体の混合
方法、または、流体の入口を有する外郭壁で囲まれた第
一の空間内に、流体の出口を有する内部隔壁で囲まれた
第二の空間を形成し、第一の空間と第二の空間を隔離す
る前記内部隔壁に、第一の空間から第二の空間に通じる
流体噴出口を、相対向させて一対以上設けた流体の混合
装置である。本発明の一旦分割された流体を一対以上の
対向する噴出口から噴出させて得られる合流は流体の流
れ方向に複数回にわたり、複数段の一対以上の対向する
噴出口を用いて行うことができる。
【0011】また、本発明の上記目的は還元剤注入装置
と触媒反応器よりなる排ガス脱硝装置において、前記還
元剤注入装置と触媒反応器の間に前記流体の混合装置を
配した排ガス脱硝装置により達成される。
【0012】
【作用】本発明によれば、対向して噴出される相互の噴
流が直接衝突あるいは干渉し、その周囲に極めて乱れの
激しい領域を生じる。そのため、組成や温度などが不均
質な流体であっても、この領域を通過することにより、
ほぼ均質に混合される。該領域は流路の全断面に及ぶた
め、局所的ではなく、流路の全断面にわたって混合が促
進される。この混合装置を排ガス脱硝装置のアンモニア
注入部の直後の排ガス流路に装備すると排ガスとアンモ
ニアの混合率が向上して高効率の排ガス脱硝を達成する
ことができる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。本発明になる流体混合装置を排ガス脱硝装置に
適用した例を図1〜図3(図2は図1のA−A’線断面
面、図3は図1のB−B’線断面面)に示す。排ガス脱
硝装置は、排ガスダクト1に接続され、上流からNH3
注入設備38、混合器2、反応器3の順に配置されてい
る。NH3注入設備38はヘッダー5、ヘッダー5に付
設されたノズル6、NH3の流量を調整するための弁7
などから成る。反応器3の内部には脱硝触媒4が配置さ
れている。上述のように、混合器2はNH3注入設備3
8と反応器3との間に配置されており、NH3注入設備
38に連なった混合器入口14を持つ混合器外郭壁20
と、反応器3に連なった混合器出口17を持つ内部隔壁
10、内部隔壁10の一部を成す導入流路形成部材11
および内部隔壁10に設けられた噴出口12a〜12d
から構成されている。内部隔壁10および導入流路形成
部材11は、混合器外郭壁20によって形成される空間
39内に、該空間39からほぼ隔離された混合空間16
を形成している。混合空間16は噴出口12a〜12d
を介して空間39に通じており、また混合器出口17に
も通じている。導入流路形成部材11は、例えば四角錐
状を呈しており、その頂点側を混合器入口14に向け
て、空間39内に導入流路15を形成する。
【0014】本実施例では、混合空間39を形成する内
部隔壁10は矩形断面を呈しており、二組の対向する壁
面をもつ。噴出口12a〜12dは互いに対向する壁面
に対をなすように設けてある。すなわち、図2に示すよ
うに一組の対向する壁面に設けた噴出口12aと12b
は同一断面にあって互いに対を成しており、また、図3
に示すように、別の組の対向壁面に設けた噴出口12c
と12dもまた同一断面にあって対を成している。すな
わち、本例では噴出口12aおよび12bと、噴出口1
2cおよび12dとはそれぞれ別の断面に配置されてい
る。
【0015】本実施例はかかる構成であり、以下のよう
に作用する。ダクト1内に入口排ガス35が流入され、
ノズル6から噴出されたNH3噴流9と部分的に混合さ
れる。この粗混合ガス18は混合器入口14を経て、混
合器2の導入流路15を概ね4方向に分流されながら通
過し、混合器2内の空間39に至る。その後、内部隔壁
10に設けられた噴出口12a〜12dからそれぞれ噴
流13a〜13dとして、混合空間16に噴出される。
本実施例では、図2に示すように概ね混合器2の入口断
面の上部のガスが噴出口12aから噴流13aとして、
下部のガスが噴出口12bから噴流13bとして噴出さ
れる。また、図3に示すように、混合器2の入口断面の
上流から見て左部のガスが概ね出口12cから噴流13
cとして、右部のガスが概ね噴出口12dから噴流13
dとしてそれぞれ噴出される。混合空間16では、図4
に示すように、噴出口12aから噴出された噴流13a
と対向する噴出口12bから噴出された噴流13bとが
激しく衝突し、その周囲領域を相互に撹拌する。このた
め、混合器2の入口において上下方向に流体組成や温度
の偏りがあったとしてもほぼ完全に混合されるので、こ
の流体組成や温度の偏りは是正される。同様にして、噴
出口12cからの噴流13cと噴出口12dからの噴流
13dとの衝突により、混合器2の入口における左右方
向の偏りが是正される。また、噴流13は噴出する際に
周囲の流体を巻き込み、循環流22aおよび22bを生
じ、二組の噴流13a、13bと13c、13dは互い
に干渉し合う。このため、非常に強い乱れの領域は混合
空間16の断面全体におよび、噴流13の衝突による混
合空間16の断面全体における混合と並行して局所的な
混合も促進される。
【0016】この様に、混合器入口14に供給された粗
混合ガス18は、混合器出口17では均一混合ガス19
になり、下流の反応器3に至る。反応器3内では脱硝触
媒4の働きにより、(1)、(2)式の脱硝反応が起こ
る。反応器3に供給される排ガス中のNH3とNOxの
濃度比はいずれの場所でも一定となっているため、NH
3の供給量をNOx濃度に対応した量論値に近づけるこ
とができ、リークNH3を大幅に抑制した高効率の排ガ
ス脱硝装置となる。
【0017】本発明における第2の実施例を図5および
図6に示す。図5、図6(図5のC−C’線断面図)に
おいて、図1〜4と同一機能を持つ部材は同一番号を付
し、その説明は省略する。以下の実施例も同様である。
本実施例は内部隔壁10に設けた噴出口12a〜12d
を同一断面(図5のC−C’線上)に配置したものであ
り、噴出口12から混合出口17までの距離を短縮でき
る。ただ、不要な旋回渦や速度の偏りが生じないよう
に、4つの噴流13a、13b、13c、13dの流
量、速度などを一致させる必要がある。そうすれば、混
合促進の効果は第1の実施例よりも大きい。
【0018】第3の実施例を図7、図8に示す。本実施
例は、第1の実施例における内部隔壁10の矩形部分を
省略したものであり、四角錐状の導入流路形成部材11
に噴出口12a〜12dを設けたものである。噴流は真
正面から衝突せず、角度をもって衝突することになる。
本実施例では排ガスダクトが混合器外郭壁20を兼ねて
おり、混合器2の構造を非常に簡単にすることができ
る。さらに、排ガスダクトの断面が広い場合や混合器2
の長さを短縮する必要がある場合には、本実施例に示し
た噴出口12a〜12dを設けた四角錐状の導入流路形
成部材11をダクト内の同一断面に複数配設する。
【0019】第4の実施例を図9に示す。混合器外郭壁
20を兼ねた排ガスダクト中に、平板を折り曲げるか、
二つの平板部材24aと24bを角度をもって接続して
成る山形部材23aを挿入する。同様に、山形部材23
bを前記山形部材23aの下流側に配置する。この時、
山形部材23aと23bとは排ガスダクト内粗混合ガス
18の流動方向から見てそれぞれの稜線44aと44b
とがほぼ垂直に交わって見えるように配置する。山形部
材23aおよび23bには、それぞれに対向して、対を
成す噴出口12が設けられている。本例では、まず上流
の山形部材23aにより断面の上下方向の排ガスとNH
3を混合し、次に下流の山形部材23bにより左右方向
の排ガスとNH3を混合する。本実施例は、混合器2の
構造が簡単であり、製作も容易であるという特徴があ
る。
【0020】第5の実施例を図10および図11(図1
0のD−D’線断面図)に示す。本実施例は、排ガスダ
クトの曲がり部を利用して混合器2を設置する場合の例
であり、その作用、効果は第1の実施例と同様である。
本実施例のように、本発明になる混合器2は、排ガスダ
クトの直線部だけでなく曲がり部にも設置することがで
き、配置上の制約は大幅に緩和される。
【0021】第6の実施例を図12に示す。噴出口12
に旋回器25a〜25d(25dは図示せず)を対抗す
る方向に一対づつ付設したものである。旋回噴流26が
衝突するため、混合空間16における撹乱効果を増し、
混合促進効果が増大する。
【0022】第7の実施例を図13および図14(図1
3のE−E’線断面図)に示す。混合器外郭壁20の内
部における空間39を仕切部材33(図14)により分
割し、各導入流路15にダンパ32を配したものであ
る。本実施例では、四角錐状の導入流路形成部材11に
設けられた各噴出口12a〜12dから噴出され噴流1
3a〜13dのガス流量、速度などを制約することが可
能であり、混合空間16における予期しない不安定な流
動や速度の偏りを是正することができる。
【0023】前記本発明の各実施例の噴流13を低い圧
力損失で安定に噴出させるには、図15に示すように、
内部隔壁10に設けられる噴流13の噴出口12に平行
部27と拡大部28を設けた構造を採用することが望ま
しい。また、図16に示す様に、入口部30の断面が徐
々に縮小された口金29を内部隔壁10に設けられる噴
流13の噴出口12に取り付けても良い。さらに、必要
に応じて対向する噴出口12の形状、口径および数など
を変化させ、噴流の安定化や混合促進性能を増すことは
本発明の範疇である。以上の実施例では、排ガス脱硝装
置を例に取り、主として気体を混合する場合について述
べているが、本発明の混合装置は気体流だけでなく、液
体流や混相流など、流体全般に応用できる。
【0024】
【発明の効果】本発明は、混合不十分な流体を対向に噴
出させ、該噴流の相互衝突あるいは干渉を利用して、混
合空間の撹乱および乱れの増加を図って、混合を促進さ
せるものである。したがって、圧力損失が低く、均質な
混合流体を得ることができる。また、本発明になる混合
器を排ガス脱硝装置に付設すれば、還元剤であるNH3
のリーク量を大幅に抑制した高効率の排ガス脱硝装置を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例になる混合器を備えた排ガ
ス脱硝装置。
【図2】 図1のA−A’線断面図。
【図3】 図1のB−B’線断面図。
【図4】 本発明の一実施例になる混合器の混合原理を
説明した図。
【図5】 本発明の一実施例になる混合器の構造図。
【図6】 図5のC−C’線断面図。
【図7】 本発明の一実施例になる混合器の構造図。
【図8】 本発明の一実施例になる混合器の構造図。
【図9】 本発明の一実施例になる混合器の構造図。
【図10】 本発明の一実施例になる混合器の構造図。
【図11】 図10のD−D’線断面図。
【図12】 本発明の一実施例になる混合器の構造図。
【図13】 本発明の一実施例になる混合器の構造図。
【図14】 図13のE−E’線断面図。
【図15】 本発明の一実施例になる混合器の噴出口の
構造図。
【図16】 本発明の一実施例になる混合器の噴出口の
構造図。
【図17】 従来の排ガス脱硝装置を示す図。
【図18】 従来の混合器の例を示す図。
【図19】 図18のF−F’線矢視図。
【図20】 従来の混合器の例を示す図。
【図21】 図20のG−G’線矢視図。
【図22】 従来の混合器の例を示す図。
【図23】 従来の混合器の例を示す図。
【図24】 従来の混合器の例を示す図。
【符号の説明】
1…排ガスダクト、2…混合器、3…反応器、4…脱硝
触媒、9…アンモニア噴流、10…内部隔壁、11…導
入流路形成部材、12…噴出口、13…噴流、14…混
合器入口、15…導入流路、16…混合空間、17…混
合器出口、18…粗混合ガス、19…均一混合器ガス、
20…混合器外壁、22…循環流、26…旋回噴流、3
5…入口排ガス、38…アンモニア注入設備
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B01D 53/94 B01F 5/02 Z 15/04 A B01D 53/36 101 A (72)発明者 西川 鉄太 大阪市北区中之島三丁目3番22号 関西電 力株式会社内 (72)発明者 吉田 邦勝 広島県呉市宝町3番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 吉廻 秀久 広島県呉市宝町3番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 加来 宏行 広島県呉市宝町3番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 向井 正人 広島県呉市宝町6番9号 バブコック日立 株式会社呉工場内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 組成、温度が不均質である混合不十分な
    流体の流路を一旦分割し、該分割流体を互いに対向する
    一対以上の噴出口から噴出させて合流させることによ
    り、均一な混合流体を得ることを特徴とする流体の混合
    方法。
  2. 【請求項2】 一旦分割された流体を一対以上の対向す
    る噴出口から噴出させて得られた合流は流体の流れ方向
    に複数回にわたり行われることを特徴とする請求項1記
    載の流体の混合方法。
  3. 【請求項3】 流体の入口を有する外郭壁で囲まれた第
    一の空間内に、流体の出口を有する内部隔壁で囲まれた
    第二の空間を形成し、第一の空間と第二の空間を隔離す
    る前記内部隔壁に、第一の空間から第二の空間に通じる
    流体噴出口を、相対向させて一対以上設けたことを特徴
    とする流体の混合装置。
  4. 【請求項4】 対向させて設けられた一対以上の流体噴
    出口は流体の流れ方向に複数段設けられたことを特徴と
    する請求項3記載の流体の混合装置。
  5. 【請求項5】 還元剤注入装置と触媒反応器よりなる排
    ガス脱硝装置において、前記還元剤注入装置と触媒反応
    器の間に請求項3または4記載の流体の混合装置を配し
    たことを特徴とする排ガス脱硝装置。
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