JPWO2020161874A1 - 燃焼システム - Google Patents

Abstract

脱硝装置で用いられる脱硝触媒の劣化が進んでも、リークアンモニア量を所定値以下に抑えながら、規制値を超えた窒素酸化物を除去することが可能な燃焼システムを提供する。燃焼システム１は、ボイラ１０から排出される排ガスから窒素酸化物を除去する第１の脱硝装置３０と、空気予熱器４０の後段において、空気予熱器４０から排出される排ガスから窒素酸化物を除去する第２の脱硝装置７０とを備え、第１の脱硝装置３０は、リークアンモニア量に基づいて、アンモニア注入量を制御し、第２の脱硝装置７０は、出口での窒素酸化物濃度に基づいて、アンモニア注入量を制御する。

Description

本発明は、燃焼システムに関する。

石炭火力発電所では、石炭燃焼に伴い窒素酸化物が発生するが、大気汚染防止法等の規制により、その排出は一定水準以下に抑えて排出することとなっている。そこで発電所には、窒素酸化物を還元分解するために脱硝装置が設置されている。この脱硝装置には、脱硝触媒が充填されており、アンモニア（ガス）を共存させることで、高温化で還元反応を発現している。

この脱硝触媒は、３００℃〜４００℃の高温雰囲気下において、効率的に選択的触媒還元反応を行うため、ボイラで燃焼した直後の、煤塵が非常に多く含まれた排ガスを脱硝する必要がある。そのため、長期間の利用により、石炭灰が経時的に触媒表面へ堆積し、触媒表面全体を覆うことで、脱硝触媒の活性が低下する。

脱硝触媒の劣化が進んだ場合、脱硝反応に必要なアンモニア投入量を増やす必要があり、アンモニア投入量が多くなると、石炭由来の硫黄分と反応し硫酸アンモニウムが生成される。この硫酸アンモニアは、脱硝装置後段の熱交換器を閉塞させ、熱交換器において熱交換をするための排ガスを吸気することができなくなるため、発電所を停止しなくてはならないこともある。

この点、特許文献１は、処理ガス中への未反応のリークアンモニアのリーク量を所定値以下とするため、触媒層の温度を監視し、触媒層の温度が低い時点からアンモニアを自動的に注入制御し、リークアンモニア量が所定値を越えないように脱硝装置を起動する、乾式排煙脱硝装置におけるアンモニア注入量制御方法を開示している。

特開昭６０−７１０２７号公報

しかし、特許文献１に開示される方法は、単にリークアンモニア量が所定値を超えないことを目的とするものであり、脱硝触媒の劣化に伴う脱硝率の低下に対処するものではなかった。

本発明は、脱硝装置で用いられる脱硝触媒の劣化が進んでも、リークアンモニア量を所定値以下に抑えながら、規制値を超えた窒素酸化物を除去することが可能な燃焼システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃焼システムであって、燃料を燃焼させるボイラと、前記ボイラにおいて前記燃料が燃焼することによって発生する排ガスが流通する排気路と、前記排気路に配置され、第１の脱硝触媒によって前記ボイラから排出される排ガスから窒素酸化物を除去する第１の脱硝装置と、前記排気路に配置され且つ前記第１の脱硝装置の後段において、排ガスと燃焼用空気との間で熱交換し、熱交換後の燃焼用空気を前記ボイラに供給し、熱交換後の排ガスを排出する空気予熱器と、前記排気路に配置され且つ前記空気予熱器の後段において、第２の脱硝触媒によって前記空気予熱器から排出される排ガスから窒素酸化物を除去する第２の脱硝装置とを備え、前記第１の脱硝装置は、前記排ガスに対してアンモニアを注入する第１のアンモニア注入部と、当該第１の脱硝装置の出口におけるリークアンモニア量を検知するアンモニア量検知部と、前記アンモニア量検知部によって検知されたリークアンモニア量に基づいて、前記第１のアンモニア注入部によるアンモニア注入量を制御する第１のアンモニア注入制御部とを備え、前記第２の脱硝装置は、前記排ガスに対してアンモニアを注入する第２のアンモニア注入部と、当該第２の脱硝装置の出口における窒素酸化物濃度を検知する窒素酸化物濃度検知部と、前記窒素酸化物濃度検知部によって検知された窒素酸化物濃度に基づいて、前記第２のアンモニア注入部によるアンモニア注入量を制御する第２のアンモニア注入制御部を備える、燃焼システムに関する。

また、前記第２の脱硝装置は、五酸化バナジウムが４３ｗｔ％以上存在し、ＢＥＴ比表面積が３０ｍ^２／ｇ以上であり、２００℃以下での脱硝に用いられる脱硝触媒を用いることが好ましい。

また、前記第１のアンモニア注入制御部は、前記アンモニア量検知部によって検知されたリークアンモニア量が５ｐｐｍ以下となるように、アンモニア注入量を制御することが好ましい。

また、前記排気路の末端において、大気中に排ガスを放出する煙突が設置され、前記第２の脱硝装置は前記煙突内に設置されることが好ましい。

本発明によれば、脱硝装置で用いられる脱硝触媒の劣化が進んでも、リークアンモニア量を所定値以下に抑えながら、規制値を超えた窒素酸化物を除去することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃焼システムの全体構成図である。 本発明の第１実施形態に係る燃焼システムに含まれる第１の脱硝装置の内部構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る燃焼システムに含まれる第１の脱硝装置で用いられる脱硝触媒の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る燃焼システムに含まれる第１の脱硝装置の機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃焼システムに含まれる第２の脱硝装置で用いられる脱硝触媒の性質を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る燃焼システムに含まれる第２の脱硝装置で用いられる脱硝触媒の性質を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る燃焼システムに含まれる第２の脱硝装置で用いられる脱硝触媒の性質を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る燃焼システムに含まれる第２の脱硝装置で用いられる脱硝触媒の性質を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る燃焼システムに含まれる第２の脱硝装置の機能ブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃焼システムの全体構成図である。 本発明の第２実施形態に係る燃焼システムに含まれる第２の脱硝装置としての煙突の内部構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る燃焼システムに含まれる第２の脱硝装置としての煙突の内部構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る燃焼システムに含まれる第２の脱硝装置としての煙突の内部構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

〔１．第１実施形態〕
〔１．１ 全体構成〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃焼システム１の全体構成図である。図１に示すように、燃焼システム１は、燃焼装置としてのボイラ１０と、微粉炭機２０と、排気路Ｌ１と、第１の脱硝装置３０と、空気予熱器４０と、熱回収器としてのガスヒータ５０と、集塵装置６０と、第２の脱硝装置７０と、誘引通風機８０と、脱硫装置９０と、加熱器としてのガスヒータ１００と、煙突１１０と、を備える。

ボイラ１０は、燃料としての微粉炭を空気と共に燃焼させる。ボイラ１０において、微粉炭が燃焼することにより排ガスが発生する。なお、微粉炭が燃焼することによって、クリンカアッシュ及びフライアッシュ等の石炭灰が生成する。ボイラ１０において生成するクリンカアッシュは、ボイラ１０の下方に配置されるクリンカホッパ１１に排出されてから、図示しない石炭灰回収サイロに搬送される。

ボイラ１０は、全体として略逆Ｕ字状に形成される。ボイラ１０において生成する排ガスは、ボイラ１０の形状に沿って逆Ｕ字状に移動する。ボイラ１０の排ガスの出口付近における排ガスの温度は、例えば３００〜４００℃である。

微粉炭機２０は、図示しない石炭バンカから供給される石炭を、微細な粒度に粉砕して微粉炭を形成する。微粉炭機２０は、微粉炭と空気とを混合することにより、微粉炭を予熱及び乾燥させる。微粉炭機２０において形成された微粉炭は、エアーが吹きつけられることにより、ボイラ１０に供給される。

排気路Ｌ１は、上流側がボイラ１０に接続される。排気路Ｌ１は、ボイラ１０において発生する排ガスが流通する流路である。

第１の脱硝装置３０は、排気路Ｌ１におけるボイラ１０の下流側に配置される。第１の脱硝装置３０には、ボイラ１０から生成された排ガスが供給される。第１の脱硝装置３０は、脱硝触媒によって排ガスから窒素酸化物を除去する。第１の脱硝装置３０の構成について後段で詳述する。第１の脱硝装置３０における排ガスの温度は、例えば３００〜４００℃である。

第１の脱硝装置３０では、選択接触還元法によって排ガスから窒素酸化物を除去する。選択接触還元法によれば、還元剤及び脱硝触媒によって窒素酸化物から窒素及び水を生成することで、排ガスから効率的に窒素酸化物を除去することができる。選択接触還元法において用いられる還元剤は、アンモニアを含む。還元剤としてアンモニアを用いる場合、アンモニアガス、液体アンモニア及びアンモニア水溶液のいずれの状態のアンモニアを用いてもよい。

より具体的には、第１の脱硝装置３０は、導入された排ガスに対してアンモニアガスを注入してから、その混合ガスを、脱硝触媒を固定したハニカム成形体や脱硝触媒を担持させたアルミナ繊維等の繊維に接触させる構成とすることができる。なお、第１の脱硝装置３０の構成例については後述する。

空気予熱器４０は、排気路Ｌ１に配置される。空気予熱器４０は、排ガスと図示しない押込式通風機から送り込まれる燃焼用の空気との間で熱交換を行い、排ガスから熱回収する。燃焼用の空気は、空気予熱器４０において加熱されてからボイラ１０に供給される。

ガスヒータ５０は、排気路Ｌ１における空気予熱器４０の下流側に配置される。ガスヒータ５０には、空気予熱器４０において熱回収された排ガスが供給される。ガスヒータ５０は、排ガスから更に熱回収する。

集塵装置６０は、排気路Ｌ１におけるガスヒータ５０の下流側に配置される。集塵装置６０には、ガスヒータ５０において熱回収された排ガスが供給される。集塵装置６０は、電極に電圧を印加することによって排ガス中の石炭灰（フライアッシュ）等の煤塵を収集する装置である。集塵装置６０において捕集されるフライアッシュは、図示しない石炭灰回収サイロに搬送される。集塵装置６０における排ガスの温度は、例えば８０〜１２０℃である。

第２の脱硝装置７０は、排気路Ｌ１における集塵装置６０の下流側に配置される。第２の脱硝装置７０には、集塵装置６０において煤塵が収集された後の排ガスが供給される。第２の脱硝装置７０は、脱硝触媒によって排ガスから窒素酸化物を除去する。第２の脱硝装置７０の構成及び第２の脱硝装置７０において用いられる脱硝触媒については、後段で詳述する。第２の脱硝装置７０における排ガスの温度は、例えば１３０〜２００℃である。

第２の脱硝装置７０は、第１の脱硝装置３０と同様に、選択接触還元法によって排ガスから窒素酸化物を除去する。とりわけ、第２の脱硝装置７０は、燃焼システム１全体としての窒素酸化物の排出量を規制値以下に抑えるため、第１の脱硝装置３０において、脱硝触媒の劣化が進んだために分解しきれなかった窒素酸化物を除去する。
また、第１の脱硝装置３０と同様に、第２の脱硝装置において用いられる還元剤は、アンモニアを含む。還元剤としてアンモニアを用いる場合、アンモニアガス、液体アンモニア及びアンモニア水溶液のいずれの状態のアンモニアを用いてもよい。

誘引通風機８０は、排気路Ｌ１における第２の脱硝装置７０の下流側に配置される。誘引通風機８０は、第２の脱硝装置７０において窒素酸化物を除去した排ガスを、一次側から取り込んで二次側に送り出す。

脱硫装置９０は、排気路Ｌ１における誘引通風機８０の下流側に配置される。脱硫装置９０には、誘引通風機８０から送り出された排ガスが供給される。脱硫装置９０は、排ガスから硫黄酸化物を除去する。詳しくは、脱硫装置９０は、排ガスに石灰石と水との混合液（石灰石スラリー）を吹き付けることによって、排ガスに含まれる硫黄酸化物を混合液に吸収させて、排ガスから硫黄酸化物を除去する。脱硫装置９０における排ガスの温度は、例えば５０〜１２０℃である。

ガスヒータ１００は、排気路Ｌ１における脱硫装置９０の下流側に配置される。ガスヒータ１００には、脱硫装置９０において硫黄酸化物が除去された排ガスが供給される。ガスヒータ１００は、排ガスを加熱する。ガスヒータ５０及びガスヒータ１００は、排気路Ｌ１における、空気予熱器４０と集塵装置６０との間を流通する排ガスと、第２の脱硝装置７０と脱硫装置９０との間を流通する排ガスと、の間で熱交換を行うガスガスヒータとして構成してもよい。

煙突１１０は、排気路Ｌ１の下流側が接続される。煙突１１０には、ガスヒータ１００において加熱された排ガスが導入される。煙突１１０に導入された排ガスは、ガスヒータ１００によって加熱されていることから、煙突効果によって煙突１１０の上部から効果的に排出される。また、ガスヒータ１００において排ガスが加熱されることで、煙突１１０の上方において水蒸気が凝縮して白煙が生じるのを防ぐことができる。煙突１１０の出口付近における排ガスの温度は、例えば１１０℃である。

〔１．２ 第１の脱硝装置〕
図２は、第１の脱硝装置３０の構成図である。第１の脱硝装置３０は、図２に示すように、脱硝反応器３１と、この脱硝反応器３１の内部に配置される複数段の脱硝触媒層３２，３２，３２と、脱硝触媒層３２の上流側に配置される整流層３３と、脱硝反応器３１の入口付近に配置される整流板３４と、脱硝反応器３１の上流側に配置されるアンモニア注入部３５と、を備える。

脱硝反応器３１は、脱硝装置３０における脱硝反応の場となる。
脱硝触媒層３２は、脱硝反応器３１の内部に、排ガスの流路に沿って所定間隔をあけて複数段（本実施形態では３段）配置される。

図３は、脱硝触媒層３２の構成図である。
脱硝触媒層３２は、図３に示すように、例として、脱硝触媒としての複数のハニカム触媒３２２を含んで構成される。より詳細には、脱硝触媒層３２は、複数のケーシング３２１と、これら複数のケーシング３２１に収容される複数のハニカム触媒３２２と、シール部材３２３と、を備える。

ケーシング３２１は、一端及び他端が開放された角筒状の金属部材により構成される。ケーシング３２１は、開放された一端及び他端が脱硝反応器３１における排ガスの流路に向かい合うように、つまり、ケーシング３２１の内部を排ガスが流通するように配置される。また、複数のケーシング３２１は、脱硝反応器３１における排ガスの流路を塞ぐように当接した状態で連結されて配置される。

ハニカム触媒３２２は、長手方向に延びる複数の排ガス流通穴３２４が形成された長尺状（直方体状）に形成される。複数のハニカム触媒３２２は、排ガス流通穴３２４の延びる方向が排ガスの流路に沿うように配置される。本実施形態では、複数のハニカム触媒３２２は、ケーシング３２１に収容された状態で脱硝反応器３１の内部に配置される。

シール部材３２３は、短手方向に隣り合って配置されるハニカム触媒３２２の間に配置され、隣り合って配置されるハニカム触媒３２２の間の隙間に排ガスが流入することを防ぐ。本実施形態では、シール部材３２３は、導電性を有するシート状部材により構成され、ハニカム触媒３２２の長手方向の一端側及び他端側の所定の長さの部分（例えば、端部から１５０ｍｍ）に巻きつけられている。

シール部材３２３としては、アルミナやシリカを主成分とした無機繊維及びバインダーに導電性繊維や導電性を有するフィラーを混合して構成したセラミックペーパを用いることができる。

以上の脱硝触媒層３２において、ハニカム触媒３２２としては、例えば、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×８６０ｍｍの直方体形状で目開き６ｍｍ×６ｍｍの排ガス流通穴が４００個（２０×２０）形成されたものが用いられる。また、ケーシング３２１としては、このハニカム触媒３２２を７２本（縦６本×横１２本）収容可能なものが用いられる。そして、一層の脱硝触媒層３２には、このケーシング３２１が１２０〜１５０個用いられる。即ち、一層の脱硝触媒層３２には、９０００本から１００００本のハニカム触媒３２２が設置される。

図２において、整流層３３は、脱硝触媒層３２の上流側に配置される。整流層３３は、格子状に形成された複数の開口を有する金属部材等により構成され、脱硝反応器３１における排ガスの流路を区画する。整流層３３は、排気路Ｌ１を流通し脱硝反応器３１に導入される排ガスを整流して脱硝触媒層３２に均等に導く。

整流板３４は、脱硝反応器３１の入口の近傍における整流層３３よりも上流側に配置される。より具体的には、整流板３４は、脱硝反応器３１又は排気路Ｌ１の内壁における屈曲部分に配置され、内壁から内面側に突出する。整流板３４は、排気路Ｌ１又は脱硝反応器３１における屈曲部分における排ガスの流れを整える。

上記整流層３３及び整流板３４により排ガスが整流されることで、脱硝触媒層３２に導かれる偏流が小さくなり、ダストによる脱硝触媒層３２の閉塞や摩耗が防止されている。

アンモニア注入部３５は、脱硝反応器３１の上流側に配置され、排気路Ｌ１にアンモニアを注入する。

以上の構成を有する第１の脱硝装置３０によれば、まず、アンモニア注入部３５において、排気路Ｌ１を流通する高温の排ガス（３００℃〜４００℃）にアンモニアが注入される。アンモニアが注入された排ガスは、整流板３４及び整流層３３により整流され、脱硝触媒層３２に導入される。

脱硝触媒層３２においては、アンモニアを含む排ガスがハニカム触媒の排ガス流通穴を通過するときに、以下の化学反応式に従って、窒素酸化物とアンモニアとが反応し、無害な窒素と水蒸気に分解される。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ

上記方法は選択接触還元法と呼ばれる。上記反応において、ＮＯｘの量に対し添加するＮＨ_３の量が多ければ脱硝率も向上するが、排出される未反応のＮＨ_３（以下、リークＮＨ_３という）が増加する。リークＮＨ_３が多いと排ガス中のＳＯ_３と反応して酸性硫安（ＮＨ_４ＨＳＯ_４）が生成し、この酸性硫安が排ガスに含まれるダストの付着を促進させ後段に設置されている空気予熱器のエレメント等の詰まりが生じる。従ってリークＮＨ_３が一定値以下となるよう、ＮＨ_３の注入量の管理が行われている。本実施形態においては、例として、リークＮＨ_３が５ｐｐｍ以下となるように、ＮＨ_３の注入量を制御する。

図４は、第１の脱硝装置３０の機能ブロック図である。第１の脱硝装置３０は、機能ブロックとして、アンモニア注入部３５１、アンモニア量検知部３５２、及びアンモニア注入制御部３５３を備える。

アンモニア注入部３５１は、ボイラ１０から排出される排ガスに対してアンモニアを注入する。また、アンモニア注入部３５１は、図２のアンモニア注入部３５に対応する。
アンモニア量検知部３５２は、第１の脱硝装置３０の出口におけるリークＮＨ_３量を検知する。
アンモニア注入制御部３５３は、アンモニア量検知部３５２によって検知されたリークＮＨ_３量に基づいて、アンモニア注入部３５１によるアンモニア注入量を制御する。

第１の脱硝装置３０は、上記の構成を有することにより、リークＮＨ_３が一定値以下となるよう、ＮＨ_３の注入量を制御することが可能となる。

〔１．３ 第２の脱硝装置〕
第２の脱硝装置７０は、図示を省略するが、その内部構成として、第１の脱硝装置５０と同様に、脱硝触媒として複数のハニカム触媒を含む複数段の脱硝触媒層を有する。

この脱硝触媒としては、五酸化バナジウムが４３ｗｔ％以上存在し、ＢＥＴ比表面積が３０ｍ^２／ｇ以上であり、２００℃以下での脱硝に用いられる脱硝触媒を用いる。
出願人は、この脱硝触媒の国際出願として、平成２８年９月１２日にＰＣＴ／ＪＰ２０１６／０７６８７０を出願し、国内移行後、平成２９年２月１７日に特許６０９３１０１号として特許査定を受けた。以下、この脱硝触媒の概略について説明する。

図５〜図８は、上記の特許６０９３１０１号の特許公報で開示されるグラフを引用し、各々のグラフにおいてプロットされた点の呼び名を変更したものである。
なお、図５〜図８のグラフにおいて、実施例１〜３、比較例１〜５の各々のバナジウム触媒は、以下の方法により調整された。

［実施例１〜３、比較例１〜２］
バナジン酸アンモニウムをシュウ酸溶液に溶解させた（バナジウム：シュウ酸のモル比＝１：２〜１：４）。全て溶かしきった後、ホットスターラー上で溶液中の水分を蒸発させ、乾燥機中において、１２０℃で一晩乾燥させた。その後、乾燥後の粉末を空気中において３００℃で４時間焼成した。
それらのサンプル名を、各々、“Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：１”（比較例１），“Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：２”（実施例１），“Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：３”（実施例２），“Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：４”（実施例３），“Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：５”（比較例２）とした。

［比較例３］
バナジン酸アンモニウム（ＮＨ_４ＶＯ_３）を、空気中において３００℃で４時間熱分解することにより得られた五酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）を、比較例３の脱硝触媒とした。なお、この比較例３の脱硝触媒のサンプル名を、“Ｖ_２Ｏ_５＿３００”とした。

［比較例４］
バナジン酸アンモニウムを、空気中において４００℃で４時間熱分解することにより得られた五酸化バナジウムを、比較例４の脱硝触媒とした。なお、この比較例４の脱硝触媒のサンプル名を、“Ｖ_２Ｏ_５＿４００”とした。

［比較例５］
バナジン酸アンモニウムを、空気中において５００℃で４時間熱分解することにより得られた五酸化バナジウムを、比較例５の脱硝触媒とした。なお、この比較例５の脱硝触媒のサンプル名を、“Ｖ_２Ｏ_５＿５００”とした。

図５に、Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ触媒のＮＨ_３−ＳＣＲ活性を示す。図５（ａ）は、各触媒を用いたＮＨ_３−ＳＣＲ反応における、反応温度毎のＮＯ転化率を示す。また、図５（ｂ）は、反応温度１２０℃におけるバナジウム：シュウ酸の比率とＮＯ転化率の関係を示す。バナジウム：シュウ酸の比率が１：３の触媒である実施例２（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：３）において、ＮＯ転化率が最も高くなり、それ以上シュウ酸を加えると、ＮＯ転化率は減少した。実施例３（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：４）は、実施例１（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：２）よりも比表面積が大きいにもかかわらず、ＮＯ転化率が低かった。

図６に、実施例１〜３、比較例１の各Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ、及び、上記の比較例３（Ｖ_２Ｏ_５＿３００），比較例４（Ｖ_２Ｏ_５＿４００），比較例５（Ｖ_２Ｏ_５＿５００）における、ＢＥＴ比表面積とＮＯ転化率との関係を示す。なお、四角の点で示されるプロットは、実施例２（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：３）の、選択的触媒還元反応後におけるＢＥＴ比表面積とＮＯ転化率との関係を示す。上記の繰り返しとなるが、バナジウム：シュウ酸の比率が１：３の触媒である実施例２（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：３）において、ＮＯ転化率が最も高くなることが示された。

ＮＨ_３−ＴＰＤ（ＴＰＤ：昇温脱離プログラム）により、触媒表面の酸点の量を見積もることが出来る。そこで、マイクロトラックベル社製のベルキャットを用い、装置中で、比較例３（Ｖ_２Ｏ_５＿３００）、比較例４（Ｖ_２Ｏ_５＿４００）、比較例５（Ｖ_２Ｏ_５＿５００）、実施例１（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：２）、実施例２（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：３）の各触媒０．１ｇを、Ｈｅ（５０ｍｌ／ｍｉｎ）流通下３００℃にて１時間前処理した。その後、１００℃に下げ、５％アンモニア／Ｈｅ（５０ｍｌ／ｍｉｎ）を３０分流通させ、アンモニアを吸着した。流通ガスをＨｅ（５０ｍｌ／ｍｉｎ）に切り替え、３０分の安定化の後、１０℃／ｍｉｎで昇温し、質量数１６のアンモニアを質量分析計にてモニターした。

比較例３（Ｖ_２Ｏ_５＿３００）、比較例４（Ｖ_２Ｏ_５＿４００）、比較例５（Ｖ_２Ｏ_５＿５００）、実施例１（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：２）、実施例２（Ｖ_２Ｏ_５＿ＳＧ＿１：３）各々を用いた場合の、ＮＨ_３脱離量の測定結果を表１に示す。
これらのＮＨ_３脱離量の値と、各々の触媒のＢＥＴ比表面積とをプロットすると、図７のグラフが得られる。この図７のグラフからも分かるように、Ｖ_２Ｏ_５のＢＥＴ比表面積にほぼ比例して、ＮＨ_３脱離量が大きくなることが示された。また、各触媒のＮＨ_３脱離量とＮＯ転化率との対応関係をプロットすると、図８のグラフが得られた。即ち、ＮＨ_３脱離量＝触媒表面の酸点の量が大きい触媒ほど、ＮＯ転化率が高くなることが示された。

以上のように、酸化バナジウムが五酸化バナジウム換算で４３ｗｔ％以上存在し、比表面積が３０ｍ^２／ｇ以上である脱硝触媒を用いた、アンモニアを還元剤とする選択的触媒還元反応においては、２００℃以下の低温での脱硝効率が高い。一方で、ＳＯ_２の酸化は認められない。

第２の脱硝装置７０では、酸化バナジウムが五酸化バナジウム換算で４３ｗｔ％以上存在し、比表面積が３０ｍ^２／ｇ以上である脱硝触媒を用いることにより、排ガスの温度が、例えば１３０〜２００℃であっても、高い脱硝効果を発揮することが出来る。このため、第２の脱硝装置７０は、燃焼システム１全体としての窒素酸化物の排出量を規制値以下に抑えるため、第１の脱硝装置３０において、脱硝触媒の劣化が進んだために分解しきれなかった窒素酸化物を除去することが可能となる。

図９は、第２の脱硝装置７０の機能ブロック図である。第２の脱硝装置７０は、機能ブロックとして、アンモニア注入部７５１、窒素酸化物濃度検知部７５２、及びアンモニア注入制御部７５３を備える。

アンモニア注入部７５１は、集塵装置６０において煤塵が収集された後の排ガスに対してアンモニアを注入する。
窒素酸化物濃度検知部７５２は、第２の脱硝装置７０の出口における窒素酸化物濃度を検知する。
アンモニア注入制御部７５３は、窒素酸化物濃度検知部７５２によって検知された窒素酸化物濃度に基づいて、アンモニア注入部７５１によるアンモニア注入量を制御する。

第２の脱硝装置７０は、上記の構成を有することにより、燃焼システム１全体としての窒素酸化物の排出量が規制値以下となるよう、ＮＨ_３の注入量を制御することが可能となる。

〔１．４ 第１の実施形態による効果〕
以上、説明したように構成された第１の実施形態に係る燃焼システム１は、燃料を燃焼させるボイラ１０から発生する排ガスが流通する排気路Ｌ１と、排気路Ｌ１に配置され、第１の脱硝触媒によってボイラ１０から排出される排ガスから窒素酸化物を除去する第１の脱硝装置３０と、排気路Ｌ１に配置され且つ空気予熱器４０の後段において、第２の脱硝触媒によって空気予熱器４０から排出される排ガスから窒素酸化物を除去する第２の脱硝装置７０とを備え、第１の脱硝装置３０は、リークＮＨ_３量に基づいてアンモニア注入量を制御し、第２の脱硝装置７０は、脱硝装置の出口における窒素酸化物濃度に基づいてアンモニア注入量を制御する。

これにより、第１の脱硝装置３０で用いられる脱硝触媒の劣化が進んでも、第１の脱硝装置３０でリークされるリークＮＨ_３量を所定値以下に抑えながら、規制値を超えた窒素酸化物を除去することが可能となる。更に、硫酸アンモニウムによる空気予熱器４０の閉塞を抑制することが可能となる。

また、第２の脱硝装置７０は、五酸化バナジウムが４３ｗｔ％以上存在し、ＢＥＴ比表面積が３０ｍ^２／ｇ以上であり、２００℃以下での脱硝に用いられる脱硝触媒を用いる。

これにより、第２の脱硝装置７０で低温脱硝が可能な脱硝触媒を用いることで、第１の脱硝装置３０でリークＮＨ_３量を抑えるために除去しきれなかった窒素酸化物を、第１の脱硝装置３０よりも後段で除去することが可能となる。

〔２．第２実施形態〕
〔２．１ 全体構成〕
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃焼システム１Ａの全体構成図である。なお、以下では説明を分かりやすくするため、主として、第２の実施形態に係る燃焼システム１Ａが、第１の実施形態に係る燃焼システム１と異なる点について説明する。

図１０に示されるように、燃焼システム１Ａは、燃焼システム１と異なり、第２の脱硝装置７０を備えない。その代わりに、燃焼システム１Ａにおいては、煙突１１０Ａが第２の脱硝装置としての機能を有する。

煙突１１０Ａは、その内部に、第１の実施形態における第２の脱硝装置７０で用いるのと同一の脱硝触媒を用いる脱硝装置を有する。図１１Ａ〜図１１Ｃは、煙突１１０Ａの内部構造を示す。

〔２．２ 煙突〕
煙突１１０Ａは、例えば図１１Ａに示されるように、煙突１１０Ａの内壁にらせん状の溝１１１を設け、この溝１１１にバナジウムを含む低温脱硝触媒を塗布してもよい。あるいは、図１１Ｂに示すように、煙突１１０Ａの内壁に階段状のフィン１１２を設け、このフィン１１２に低温脱硝触媒を塗布してもよい。
より詳細には、上記のらせん状の溝１１１や階段状のフィン１１２を構成する耐火煉瓦に低温脱硝触媒を塗布した後、焼成することにより、煙突１１０Ａの内壁を第２の脱硝装置とすることが可能である。

通常の燃焼システムに備わる煙突では、使用年数が経過するに従って、耐火煉瓦が腐食により劣化する度合いが高くなるが、バナジウムを含む低温脱硝触媒を塗布することにより、この劣化の度合いを低くすることが可能となる。

あるいは、図１１Ｃに示すように、煙突１１０Ａの内部に、第１の実施形態の燃焼システム１に含まれる第２の脱硝装置７０と同様に、ハニカム触媒を有する脱硝触媒層１１３を設置してもよい。この脱硝触媒層１１３は、一段だけ設置してもよく複数段設置してもよい。

なお、発電所の煙突の高さは、一般的に２００ｍ前後であるため、なるべく低い位置に脱硝触媒を塗布したり、脱硝触媒を設置したりする方が、メンテナンスをする上でも好ましい。
らせん状の溝１１１や階段状のフィン１１２に脱硝触媒を塗布する場合、煙突の最下部から最上部まで塗布することも可能ではあるが、触媒量が多くなるとコストがかさむため、最下部から、排ガス量に伴う必要な触媒量が確保できるまでの高さに塗布するとよい。また、脱硝触媒層１１３を積み増す場合には、煙突内における高さ２ｍ〜２５ｍまでの箇所に、脱硝触媒を塗布したハニカム触媒を有する脱硝触媒層１１３を設置すればよい。これは、ハニカム触媒は長くても１ｍ程度であると共に、脱硝触媒層１１３同士の間の隙間は高くても３ｍ程度であり、この脱硝触媒層が５層設置されることを想定している。

〔２．３ 第２の実施形態による効果〕
以上、説明したように構成された第２の実施形態に係る燃焼システム１Ａは、第１の実施形態に係る燃焼システム１と同様の効果を奏することが出来る。

更に、燃焼システム１Ａでは、煙突を第２の脱硝装置とすることにより、燃焼システム１における第２の脱硝装置７０のスペースが不要となると共に、煙突の内壁にバナジウムを含む低温脱硝触媒を塗布することにより、腐食を抑制することが可能となる。

１ １Ａ 燃焼システム
１０ ボイラ
２０ 微粉炭機
３０ ７０ 脱硝装置
４０ 空気予熱器
５０ ガスヒータ
６０ 集塵装置
８０ 誘引通風機
９０ 脱硫装置
１００ ガスヒータ
３５１ ７５１ アンモニア注入部
３５２ アンモニア量検知部
３５３ ７５３ アンモニア注入制御部
７５２ 窒素酸化物濃度検知部

Claims (4)

1. 燃料を燃焼させるボイラと、
   前記ボイラにおいて前記燃料が燃焼することによって発生する排ガスが流通する排気路と、
   前記排気路に配置され、第１の脱硝触媒によって前記ボイラから排出される排ガスから窒素酸化物を除去する第１の脱硝装置と、
   前記排気路に配置され且つ前記第１の脱硝装置の後段において、排ガスと燃焼用空気との間で熱交換し、熱交換後の燃焼用空気を前記ボイラに供給し、熱交換後の排ガスを排出する空気予熱器と、
   前記排気路に配置され且つ前記空気予熱器の後段において、第２の脱硝触媒によって前記空気予熱器から排出される排ガスから窒素酸化物を除去する第２の脱硝装置とを備え、
   前記第１の脱硝装置は、
   前記排ガスに対してアンモニアを注入する第１のアンモニア注入部と、
   当該第１の脱硝装置の出口におけるリークアンモニア量を検知するアンモニア量検知部と、
   前記アンモニア量検知部によって検知されたリークアンモニア量に基づいて、前記第１のアンモニア注入部によるアンモニア注入量を制御する第１のアンモニア注入制御部とを備え、
   前記第２の脱硝装置は、
   前記排ガスに対してアンモニアを注入する第２のアンモニア注入部と、
   当該第２の脱硝装置の出口における窒素酸化物濃度を検知する窒素酸化物濃度検知部と、
   前記窒素酸化物濃度検知部によって検知された窒素酸化物濃度に基づいて、前記第２のアンモニア注入部によるアンモニア注入量を制御する第２のアンモニア注入制御部を備える、燃焼システム。
2. 前記第２の脱硝装置は、五酸化バナジウムが４３ｗｔ％以上存在し、ＢＥＴ比表面積が３０ｍ^２／ｇ以上であり、２００℃以下での脱硝に用いられる脱硝触媒を用いる、請求項１に記載の燃焼システム。
3. 前記第１のアンモニア注入制御部は、前記アンモニア量検知部によって検知されたリークアンモニア量が５ｐｐｍ以下となるように、アンモニア注入量を制御する、請求項１又は２に記載の燃焼システム。
4. 前記排気路の末端において、大気中に排ガスを放出する煙突が設置され、
   前記第２の脱硝装置は前記煙突内に設置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼システム。

Images