WO2020054853A1 - 脱硝装置 - Google Patents

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谷口　幸久
勝美 矢野
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Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes

Definitions

  • Patent Literature 1 discloses that a nitrogen oxide using ammonia (NH 3 ) as a reducing agent is provided before or after a NOx purification catalyst that reduces and purifies nitrogen oxides in exhaust gas using carbon monoxide or hydrocarbons in exhaust gas.
  • a reducing catalyst ammonia denitration catalyst
  • ammonia is blown into exhaust gas at a stage preceding the ammonia denitration catalyst.
  • the concentration of carbon monoxide in the exhaust gas flowing through the denitration device is not uniform in the cross section of the flow channel, and there are low and high concentrations of the carbon monoxide.
  • the reduction and removal of oxides are not effectively performed, and the effect of the carbon monoxide denitration catalyst cannot be obtained.
  • arranging the carbon monoxide denitration catalyst over the entire cross section of the flow path unnecessarily increases the cost.
  • a denitration apparatus includes a gas flow passage, a first catalyst layer, a second catalyst layer, and a reducing agent injection unit.
  • the second catalyst layer is disposed at at least four corners of the cross section of the gas flow passage and supports the second catalyst.
  • the second catalyst layer is disposed at the center of the cross section of the flow passage of the gas flow passage. It has a catalyst non-supporting region that does not support two catalysts, and is configured such that the pressure loss of flowing exhaust gas is equal in the entire region of the flow path cross section including the catalyst supporting region and the catalyst non-supporting region.
  • the carbon monoxide concentration of the exhaust gas flowing into the second catalyst layer tends to be higher at four corners and lower at the center.
  • the corners where the concentration of carbon monoxide is high are defined as catalyst-supporting regions, and the central portions where the concentration of carbon monoxide is low are defined as non-catalyst-supporting regions.
  • the second catalyst is disposed at a corner where reduction and removal of nitrogen oxides by the second catalyst (carbon monoxide denitration catalyst) can be expected, and the second catalyst is disposed at a center where reduction and removal of nitrogen oxides cannot be expected. Since no catalyst is provided, an increase in cost due to the material cost of the second catalyst can be suppressed.
  • the inlet of the second catalyst layer is The flow direction of the exhaust gas does not greatly change. For this reason, exhaust gas with a high concentration of carbon monoxide can flow through the catalyst-carrying region, and exhaust gas with a low concentration of carbon monoxide can flow through the catalyst-non-carrying region.
  • a second aspect of the present invention is the denitration apparatus according to the first aspect, wherein the catalyst supporting region of the second catalyst layer is annular along the outer peripheral edge of the gas flow passage cross section, and the catalyst non-supporting region Is an inner region surrounded by an annular catalyst carrying region.
  • the concentration of carbon monoxide in the exhaust gas flowing into the second catalyst layer is determined by an annular outer peripheral portion along the outer periphery of the cross section of the flow passage (at four locations). (Including corners) is high, and the inner region (central portion) surrounded by the outer peripheral edge tends to be lower.
  • the outer peripheral edge having a high carbon monoxide concentration is defined as a catalyst supporting region
  • the inner region where the concentration of carbon monoxide is low is defined as a catalyst non-supporting region. Therefore, the reduction and removal of nitrogen oxides can be performed in a wider range than in the case where the second catalyst is arranged only at four corners.
  • a third aspect of the present invention is the denitration apparatus of the first or second aspect, further comprising an exhaust gas cooling means for cooling exhaust gas.
  • the second catalyst layer is disposed in a gas flow passage downstream of the first catalyst layer, and the exhaust gas cooling unit is configured to control the exhaust gas flowing through the gas flow passage downstream of the first catalyst layer and upstream of the second catalyst layer. To cool.
  • the present invention while suppressing an increase in cost, it is possible to suppress adhesion and accumulation of acidic ammonium sulfate on equipment downstream of the denitration apparatus and to reduce carbon monoxide in exhaust gas.
  • FIG. 3A and 3B are cross-sectional views of a second catalyst layer along a flow path cross section of FIG. 2, wherein FIG. 2A shows a case where a rectangular annular outer peripheral edge is used as a catalyst supporting region, and FIG. Each case is shown as a supporting area.
  • 4A is an enlarged perspective view of a portion IV in FIG. 3A, wherein FIG. 3A illustrates an example in which a second catalyst layer is configured by a porous structure, and FIG. 3B illustrates an example in which the second catalyst layer is configured by a plate-shaped catalyst unit. Are respectively shown.
  • FIG.4 It is a perspective view of the structure which comprises a 2nd catalyst layer, (a) is the porous body which comprises the porous structure of FIG.4 (a), (b) is the plate-shaped catalyst unit of FIG.4 (b). Shown respectively. It is an expanded sectional view of the 2nd catalyst layer of Drawing 5 (a), (a) shows a catalyst loading field, and (b) shows a catalyst non-loading field, respectively. It is sectional drawing of the modification of a denitration apparatus.
  • a flue gas treatment system for purifying exhaust gas from a boiler (coal-fired boiler) 1 and discharging the exhaust gas to the atmosphere includes a denitration device 2, an air preheater (AH: air heater) 3, and an electric dust collector 4. And an induction draft fan 5 are provided.
  • the boiler 1 may be a boiler other than coal-fired.
  • the denitration device 2 is disposed downstream of the boiler 1 and reduces and removes nitrogen oxides (NOx) in exhaust gas.
  • the air preheater 3 is arranged downstream of the denitration device 2 and heats combustion air by heat exchange with exhaust gas.
  • the electric dust collector 4 is disposed downstream of the air preheater 3 and collects and removes dust (combustion ash) in exhaust gas.
  • the induction ventilator 5 is arranged downstream of the electric precipitator 4, and attracts and guides the exhaust gas to the chimney 6.
  • the boiler 1 and the denitration device 2 and the denitration device 2 and the air preheater 3 communicate with each other via exhaust ducts 8 and 9, respectively, and serve as gas flow passages from inside the boiler 1 to the air preheater 3.
  • a cross section of the flow path (a cross section substantially orthogonal to the exhaust gas flow direction Df) is formed in a substantially rectangular shape.
  • the denitration apparatus 2 includes a denitration reactor 10, a first catalyst layer 11, a second catalyst layer 12, a plurality of reducing agent injection nozzles (reducing agent injection means) 13, and a cooling pipe (exhaust gas cooling means). ) 14 is provided. Inside the denitration reactor 10, a gas flow passage 15 having a rectangular cross section is defined. The first catalyst layer 11, the second catalyst layer 12, and the reducing agent injection nozzle 13 are arranged in the gas flow passage 15 and fixed to the denitration reactor 10.
  • the first catalyst layer 11 includes a first catalyst (ammonia denitration catalyst) that reduces and removes nitrogen oxides in exhaust gas using ammonia as a reducing agent, and a first carrier that supports the first catalyst.
  • the second catalyst layer 12 includes a second catalyst (carbon monoxide denitration catalyst) that reduces and removes nitrogen oxides in exhaust gas using carbon monoxide as a reducing agent, and a second carrier that supports the second catalyst. It is arranged downstream of the first catalyst layer.
  • the first catalyst layer 11 and the second catalyst layer 12 may be a single layer (one step) or a plurality of layers (a plurality of steps).
  • Known catalysts and carriers are used for the first catalyst, the first carrier, the second catalyst, and the second carrier.
  • the reducing agent injection nozzle 13 is arranged in the gas flow passage 15 on the upstream side of the first catalyst layer 11 and injects ammonia into exhaust gas flowing through the gas flow passage 15. Note that the reducing agent injection nozzle 13 may be disposed in a gas flow passage in the exhaust duct 8 (see FIG. 1) connecting the boiler 1 and the denitration device 2.
  • the cooling pipe 14 is disposed in the gas flow passage 15 between the first catalyst layer 11 and the second catalyst layer 12. Cooling water flows through the inside of the cooling pipe 14 and cools the exhaust gas by heat exchange with the cooling water.
  • another exhaust gas cooling means for example, a cooling water injection nozzle that sprays cooling water into the gas flow passage 15 in a mist state
  • a cooling water injection nozzle that sprays cooling water into the gas flow passage 15 in a mist state
  • the carbon monoxide concentration in the annular outer peripheral portion is compared, the carbon monoxide concentration tends to increase at four corners.
  • the carbon monoxide concentration at four corners Is significantly higher.
  • the second catalyst layer 12 of the present embodiment a large number of porous structures 24 and 25 are arranged adjacent to each other in a flow path cross section (they are arranged in a plurality of rows and columns and are laid down). ).
  • the second catalyst layer 12 is provided with a partition wall 29 for arranging a predetermined number of porous structures 24 and 25 (in this embodiment, three rows vertically and horizontally).
  • plate catalyst units 31 and 32 in which a plurality of plate catalyst carriers 30 are stacked may be arranged as shown in FIG.
  • one plate-shaped catalyst unit 31, 32 is arranged in the space defined by the partition 29, but as shown in FIG.
  • a plurality (plurality of rows and columns) of plate-like catalyst units 31 and 32 may be spread, and the partition wall 29 may be omitted.
  • the plate-shaped catalyst units 31 and 32 are configured by a unit in which a plurality of plate-shaped catalyst carriers 30 are separated from each other and stacked in a rectangular cylindrical metal frame 33, as shown in FIG. Between the two adjacent catalyst carriers 30 and between the outermost catalyst carrier 30 and the metal frame 33 are ventilation spaces 34 through which the exhaust gas flows, and both end surfaces of the ventilation space 34 have exhaust gas flow directions Df. Are arranged so as to be located on the upstream side and the downstream side.
  • the ventilation space 34 formed between the two adjacent catalyst carriers 30 or between the outermost catalyst carrier 30 and the metal frame 33 has a wavy bent portion partially formed in each catalyst carrier 30.
  • the projecting tip 35 is held at a desired size (width) by contacting the adjacent catalyst carrier 30 or metal frame 33.
  • the catalyst carrier 30 may be formed in a flat plate shape, and the ventilation space 34 may be secured by a separate spacer.
  • the plate-shaped catalyst unit (second catalyst structure) 31 arranged in the catalyst supporting region 21 is a structure in which the plate-shaped catalyst carrier 30 supports the second catalyst. Is applied. That is, the plate-shaped catalyst carrier 30 of the second catalyst structure 31 is a second carrier that carries the second catalyst.
  • the plate-like catalyst unit (dummy structure) 32 arranged in the catalyst non-supporting region 22 is a structure in which the plate-like catalyst carrier 30 does not support the second catalyst.
  • the first catalyst layer 11 is also formed by arranging a number of porous structures or plate-like catalyst units adjacent to each other in the flow channel cross section, similarly to the second catalyst layer 12. You.
  • Each of the porous structure or the plate-shaped catalyst unit arranged in the first catalyst layer 11 is a structure in which a porous or plate-shaped catalyst carrier (first carrier) supports the first catalyst.
  • the second catalyst layer 12 is configured such that the pressure loss of the exhaust gas flowing therethrough is equal in the entire area of the flow path cross section including the catalyst supporting region 21 and the catalyst non-supporting region 22.
  • the porous body 23 having the same shape is used for the second catalyst structure 24 and the dummy structure 25.
  • the thin layer 26 of the second catalyst is fixedly formed on the inner peripheral surface of the vent 28 of the porous body 23, and the vent 28 is reduced by the thickness of the thin layer 26 (FIG. 6 (a)). )reference).
  • a dummy thin film having no active component of the second catalyst is formed on the inner peripheral surface of the vent hole 28 of the porous body 23 so as to have the same thickness as the thin layer 26 of the second catalyst.
  • the layer 27 is fixedly formed.
  • the second catalyst structure 24 and the dummy structure 25 can be made to have the same shape, and the density of the ventilation holes (the number of holes per unit area and the size of the effective inner diameter of each hole) can be made equal to each other. can do.
  • the pressure loss of the exhaust gas flowing through the second catalyst structure 24 and the pressure loss of the exhaust gas flowing through the dummy structure 25 can be made equal.
  • the second catalyst structure 31 and the dummy structure 32 When the plate-shaped catalyst units 31 and 32 are arranged in place of the porous structures 24 and 25, the second catalyst structure 31 and the dummy structure 32 have the same shape (the same as the case of the porous structures 24 and 25). The number and the size of the ventilation spaces 34 are equal), and the pressure loss of the exhaust gas flowing in the entire area of the cross section of the second catalyst layer 12 is equalized.
  • the configuration in which the entire area of the cross section of the flow path including the catalyst supporting region 21 and the catalyst non-supporting region 22 has the same pressure loss is not limited to the above, and other configurations (for example, when the inner diameter of the ventilation hole of the dummy structure is A porous body having a smaller inner diameter of the ventilation hole than the porous body of the second catalyst structure may be used as the dummy structure so as to be equal to the inner diameter of the ventilation hole of the second catalyst structure.
  • the exhaust gas passes through both the first catalyst layer 11 and the second catalyst layer 12, and the first catalyst (ammonia denitration catalyst) using ammonia as a reducing agent and the second catalyst using carbon monoxide as a reducing agent. Since the nitrogen oxides in the exhaust gas are reduced and removed using the two catalysts (carbon monoxide denitration catalyst), the amount of ammonia injected into the exhaust gas from the reducing agent injection nozzle 13 is reduced when only the ammonia denitration catalyst is used. It can be reduced in comparison.
  • the second catalyst is disposed in a region where the reduction and removal of nitrogen oxides by the second catalyst (carbon monoxide denitration catalyst) can be expected (the outer peripheral edge including four corners), and the reduction and removal of nitrogen oxides are performed. Since the second catalyst is not disposed in the central portion where is not expected, an increase in cost due to the material cost of the second catalyst can be suppressed.
  • the second catalyst is arranged on the outer peripheral edge, the reduction and removal of nitrogen oxides can be performed in a wider range than when the second catalyst is arranged only at four corners.
  • the second catalyst layer 12 is configured such that the pressure loss of the exhaust gas flowing therethrough is equal in the entire area of the flow path cross section including the catalyst supporting region 21 and the catalyst non-supporting region 22, the second catalyst layer The flow direction of the exhaust gas does not fluctuate greatly at the inlet of the nozzle 12. Therefore, the exhaust gas with a high concentration of carbon monoxide can flow through the catalyst-supporting region 21 and the exhaust gas with a low concentration of carbon monoxide can flow through the non-catalyst-supporting region 22.
  • the exhaust gas flowing on the second catalyst layer 12 is cooled by the cooling pipe 14 to the second catalyst. , And the reduction and removal of nitrogen oxides using the second catalyst can be suitably performed.
  • the temperature of the exhaust gas is lowered on the downstream side of the first catalyst layer 11, when the activation temperature of the first catalyst is higher than the activation temperature of the second catalyst, the nitrogen oxides using the first catalyst are reduced. Both reduction and removal of nitrogen oxides using the second catalyst can be suitably performed.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment and the modified example described as an example, and other than the above-described embodiment and the like, as long as the technical idea according to the present invention is not deviated. Various changes are possible according to the design and the like.
  • the first catalyst layer 11 is disposed downstream of the second catalyst layer 12, and the reducing agent injection nozzle 13 is disposed between the second catalyst layer 12 and the first catalyst layer 11. You may.

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Abstract

第１触媒層１１は、ガス流通路１５に配置され、アンモニアを還元剤として排ガス中の窒素酸化物を還元除去する第１触媒を担持する。第２触媒層１２は、第１触媒層１１の上流側又は下流側の少なくとも一方のガス流通路１５に配置され、一酸化炭素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を還元除去する第２触媒を担持する。第２触媒層１２は、ガス流通路１５の流路断面の少なくとも４箇所の隅部に配置されて第２触媒を担持する触媒担持領域２１と、ガス流通路１５の流路断面の中央部に配置されて第２触媒を担持しない触媒非担持領域２２とを有し、触媒担持領域２１と触媒非担持領域２２とを含む流路断面の全域において、流通する排ガスの圧力損失が同等となるように構成されている。

Description

脱硝装置
　本発明は、ボイラからの排ガスを浄化するための脱硝装置に関する。
　ボイラで燃料を燃焼して発電を行う火力発電所では、ボイラからの排ガスを排煙処理系統で浄化した後に大気中に排出している。排煙処理系統には、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する脱硝装置や、排ガスとの熱交換によって燃焼用空気を加熱する空気予熱器や、排ガス中の煤塵（燃焼灰）を捕集除去する電気集塵機などが設けられる。
　特許文献１には、排ガス中の一酸化炭素または炭化水素を用いて排ガス中の窒素酸化物を還元浄化するＮＯｘ浄化触媒の前段または後段に、アンモニア（ＮＨ３）を還元剤として窒素酸化物を還元する触媒（アンモニア脱硝触媒）を設置し、アンモニア脱硝触媒の前段で排ガス中にアンモニアを吹き込む排ガス浄化装置が開示されている。
特開２００８－２３８０６９号公報
　アンモニアを還元剤とする触媒を用いた脱硝装置の場合、脱硝装置へ流入する排ガスの温度が低いと、酸性硫安（硫酸水素アンモニウム：ＮＨ４ＨＳＯ４）が生成されて脱硝装置の下流側の機器（例えば、空気予熱器）に付着堆積し、当該機器の劣化や機能不全（例えば、空気予熱器の閉塞）を招くおそれがある。また、燃料と燃焼用空気との混合等が悪いと、排ガス中の一酸化炭素の濃度が高くなるため、一酸化炭素の削減が必要となる。
　これに対し、特許文献１のようにアンモニアを還元剤とする脱硝触媒（アンモニア脱硝触媒）と一酸化炭素を還元剤とする脱硝触媒（一酸化炭素脱硝触媒）とを用いた脱硝装置では、アンモニア脱硝触媒のみを用いる場合に比べて排ガス中に注入するアンモニアの量を低減することができる。このため、酸性硫安が生成され難くなり、脱硝装置の下流側の機器への酸性硫安の付着堆積を抑制することができる。また、一酸化炭素を還元剤とする一酸化炭素脱硝触媒を設けているので、排ガス中の一酸化炭素を低減することができる。
　しかし、脱硝装置を流通する排ガスの一酸化炭素濃度は、流路断面内で均一ではなく濃度が低い部分と高い部分とが存在し、一酸化炭素濃度が低い部分では一酸化炭素脱硝触媒による窒素酸化物の還元除去が有効に行われず、一酸化炭素脱硝触媒による効果を得ることができない。すなわち、流路断面の全域に一酸化炭素脱硝触媒を配置することは、必要以上にコストを上昇させる。
　そこで本発明は、コストの上昇を抑制しつつ、脱硝装置の下流側の機器への酸性硫安の付着堆積の抑制と排ガス中の一酸化炭素の低減とを図ることが可能な脱硝装置の提供を目的とする。
　上記目的を達成すべく、本発明の第１の態様に係る脱硝装置は、ガス流通路と、第１触媒層と、第２触媒層と、還元剤注入手段とを備える。
　ガス流通路は、矩形状の流路断面を有し、ボイラから排出された排ガスが流通する。第１触媒層は、ガス流通路に配置され、アンモニアを還元剤として排ガス中の窒素酸化物を還元除去する第１触媒を担持する。第２触媒層は、第１触媒層の上流側又は下流側の少なくとも一方のガス流通路に配置され、一酸化炭素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を還元除去する第２触媒を担持する。還元剤注入手段は、第１触媒層の上流側のガス流通路を流通する排ガス中へアンモニアを注入する。
　第２触媒層は、ガス流通路の流路断面の少なくとも４箇所の隅部に配置されて第２触媒を担持する触媒担持領域と、ガス流通路の流路断面の中央部に配置されて第２触媒を担持しない触媒非担持領域とを有し、触媒担持領域と触媒非担持領域とを含む流路断面の全域において、流通する排ガスの圧力損失が同等となるように構成されている。
　上記構成では、アンモニアを還元剤とする第１触媒（アンモニア脱硝触媒）と一酸化炭素を還元剤とする第２触媒（一酸化炭素脱硝触媒）とを用いて排ガス中の窒素酸化物を還元除去するので、還元剤注入手段から排ガス中へ注入するアンモニアの量を、アンモニア脱硝触媒のみを用いる場合に比べて低減することができる。このため、酸性硫安が生成され難く、脱硝装置の下流側の機器（例えば、空気予熱器）への酸性硫安の付着堆積を抑制することができる。
　ガス流通路の流路断面が矩形状であるので、第２触媒層へ流入する排ガスの一酸化炭素濃度は、４箇所の隅部が高く中央部が低くなる傾向を示し、係る傾向を考慮して、一酸化炭素濃度が高い隅部を触媒担持領域とし、一酸化炭素濃度が低い中央部を触媒非担持領域としている。このように、第２触媒（一酸化炭素脱硝触媒）による窒素酸化物の還元除去が期待できる隅部には第２触媒を配置し、窒素酸化物の還元除去が期待できない中央部には第２触媒を配置しないので、第２触媒の材料費に起因するコストの上昇を抑制することができる。
　また、触媒担持領域と触媒非担持領域とを含む流路断面の全域において、流通する排ガスの圧力損失が同等となるように第２触媒層を構成しているので、第２触媒層の入口で排ガスの流通方向が大きく変動することがない。このため、一酸化炭素濃度が高い排ガスを触媒担持領域に、一酸化炭素濃度が低い排ガスを触媒非担持領域にそれぞれ流通させることができる。
　本発明の第２の態様は、第１の態様の脱硝装置であって、第２触媒層の触媒担持領域は、ガス流通路の流路断面の外周縁に沿う環状であり、触媒非担持領域は、環状の触媒担持領域に囲まれた内側領域である。
　上記構成では、ガス流通路の流路断面が矩形状であるので、第２触媒層へ流入する排ガスの一酸化炭素濃度は、流路断面の外周縁に沿う環状の外周縁部（４箇所の隅部を含む）が高く、外周縁部に囲まれた内側領域（中央部）が低くなる傾向を示し、係る傾向を考慮して、一酸化炭素濃度が高い外周縁部を触媒担持領域とし、一酸化炭素濃度が低い内側領域を触媒非担持領域としている。このため、４箇所の隅部のみに第２触媒を配置する場合よりも窒素酸化物の還元除去を広範囲で行うことができる。
　本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の脱硝装置であって、排ガスを冷却する排ガス冷却手段を備える。第２触媒層は、第１触媒層の下流側のガス流通路に配置され、排ガス冷却手段は、第１触媒層の下流側で且つ第２触媒層の上流側のガス流通路を流通する排ガスを冷却する。
　上記構成では、第２触媒層の上流側を流通する排ガスの温度が第２触媒の活性化温度よりも高い場合であっても、第２触媒層を流通する排ガスを排ガス冷却手段によって第２触媒の活性化温度まで低下させることができ、第２触媒を用いた窒素酸化物の還元除去を好適に行うことができる。
　また、第１触媒層の下流側で排ガスの温度を低下させるので、第１触媒の活性化温度が第２触媒の活性化温度よりも高い場合において、第１触媒を用いた窒素酸化物の還元除去と第２触媒を用いた窒素酸化物の還元除去との双方を好適に行うことができる。
　本発明によれば、コストの上昇を抑制しつつ、脱硝装置の下流側の機器への酸性硫安の付着堆積の抑制と排ガス中の一酸化炭素の低減とを図ることができる。
本発明の一実施形態に係る脱硝装置を含む排煙処理系統の模式図である。 図１の脱硝装置の概略構成を示す断面図である。 図２の第２触媒層の流路断面に沿った断面図であり、（ａ）は矩形環状の外周縁部を触媒担持領域とした場合を、（ｂ）は４箇所の隅部のみを触媒担持領域とした場合をそれぞれ示す。 図３（ａ）のIV部の拡大斜視図であり、（ａ）は第２触媒層を多孔構造体によって構成した例を、（ｂ）は第２触媒層を板状触媒ユニットによって構成した例をそれぞれ示す。 第２触媒層を構成する構造体の斜視図であり、（ａ）は図４（ａ）の多孔構造体を構成する多孔体を、（ｂ）は図４（ｂ）の板状触媒ユニットをそれぞれ示す。 図５（ａ）の第２触媒層の拡大断面図であり、（ａ）は触媒担持領域を、（ｂ）は触媒非担持領域をそれぞれ示す。 脱硝装置の変形例の断面図である。
　本発明の一実施形態に係る脱硝装置について、図面を参照して説明する。なお、図中の矢印Ｄｆは排ガスの流通方向を示す。
　図１に示すように、ボイラ（石炭炊きボイラ）１からの排ガスを浄化して大気中に排出する排煙処理系統には、脱硝装置２、空気予熱器（ＡＨ：エアヒータ）３、電気集塵機４及び誘引通風機５が設けられる。なお、ボイラ１は、石炭炊き以外のボイラであってもよい。
　脱硝装置２は、ボイラ１の下流に配置され、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する。空気予熱器３は、脱硝装置２の下流に配置され、排ガスとの熱交換によって燃焼用空気を加熱する。電気集塵機４は、空気予熱器３の下流に配置され、排ガス中の煤塵（燃焼灰）を捕集除去する。誘引通風機５は、電気集塵機４の下流に配置され、排ガスを誘引して煙突６へ導く。
　ボイラ１と脱硝装置２との間、及び脱硝装置２と空気予熱器３との間は、それぞれ排気ダクト８、９を介して連通し、ボイラ１内から空気予熱器３へ至るガス流通路の流路断面（排ガスの流通方向Ｄｆと略直交する断面）は、概ね矩形状に形成されている。
　燃焼用空気は、押込通風機７によって空気予熱器３へ導入され、排ガスの熱によって予熱されてボイラ１へ供給される。
　図２に示すように、脱硝装置２は、脱硝反応器１０、第１触媒層１１、第２触媒層１２、複数の還元剤注入ノズル（還元剤注入手段）１３、及び冷却管（排ガス冷却手段）１４を備える。脱硝反応器１０の内部には、流路断面が矩形状のガス流通路１５が区画される。第１触媒層１１、第２触媒層１２、及び還元剤注入ノズル１３は、ガス流通路１５に配置され、脱硝反応器１０に対して固定される。
　第１触媒層１１は、アンモニアを還元剤として排ガス中の窒素酸化物を還元除去する第１触媒（アンモニア脱硝触媒）と、第１触媒を担持する第１担体とから構成される。第２触媒層１２は、一酸化炭素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を還元除去する第２触媒（一酸化炭素脱硝触媒）と、第２触媒を担持する第２担体とから構成され、第１触媒層の下流側に配置される。
　第１触媒層１１及び第２触媒層１２は、１層（１段）であってもよく、複数層（複数段）であってもよい。第１触媒、第１担体、第２触媒及び第２担体には、何れも公知の触媒及び担体が用いられる。
　還元剤注入ノズル１３は、第１触媒層１１の上流側のガス流通路１５に配置され、ガス流通路１５を流通する排ガス中へアンモニアを注入する。なお、ボイラ１と脱硝装置２とを接続する排気ダクト８（図１参照）内のガス流通路に還元剤注入ノズル１３を配置してもよい。
　冷却管１４は、第１触媒層１１と第２触媒層１２の間のガス流通路１５に配置される。冷却管１４は、その内部を冷却水が流通し、冷却水との熱交換によって排ガスを冷却する。なお、冷却管１４に代えて又は加えて、他の排ガス冷却手段（例えば、ガス流通路１５へ冷却水を霧状に噴射する冷却水噴射ノズル等）を設けてもよい。
　図２及び図３（ａ）に示すように、第２触媒層１２は、第２触媒を担持する触媒担持領域（図中の斜線領域）２１と、第２触媒を担持しない触媒非担持領域（図中の非斜線領域）２２とを有する。本実施形態では、ガス流通路１５の流路断面の外周縁に沿う矩形環状の外周縁部を触媒担持領域２１とし、触媒担持領域２１に囲まれた内側領域（流路断面の中央部）を触媒非担持領域２２としている。
　このように、触媒担持領域２１を外周縁部に配置しているのは、矩形状のガス流通路１５を流通して第２触媒層１２へ流入する排ガスの一酸化炭素濃度は、流路断面の外周縁に沿う環状の外周縁部（４箇所の隅部を含む）が高く、外周縁部に囲まれた内側領域（中央部）が低くなる傾向を示すためである。
　また、環状の外周縁部内での一酸化炭素濃度を比較すると、４箇所の隅部で一酸化炭素濃度が高くなる傾向を示す。特に、燃焼炉（火炉）の４つの壁面にそれぞれバーナを配置し、炉内に旋回する火炎を発生させる燃焼方式のボイラ（タンジェンシャル焚ボイラ）の場合、４箇所の隅部の一酸化炭素濃度が顕著に高くなる。
　上記一酸化炭素の濃度分布の傾向から、触媒担持領域２１は、ガス流通路１５の流路断面の少なくとも４箇所の隅部（角部）に配置されていればよく、例えば図３（ｂ）に示すように、ガス流通路１５の流路断面の４箇所の隅部を触媒担持領域２１とし、他の領域を触媒非担持領域２２としてもよい。
　図４（ａ）に示すように、本実施形態の第２触媒層１２は、多数の多孔構造体２４，２５を流路断面内に互いに隣接して配列する（縦横複数列に配置して敷き詰める）ことによって構成される。第２触媒層１２には、多孔構造体２４，２５を所定数（本実施形態では、縦横に３列ずつ）配列するための隔壁２９が設けられている。
　多孔構造体２４，２５は、図５（ａ）に示すように、両端面の間を多数の通気孔（セル）２８が貫通する直方体状の多孔体２３によって構成され、その両端面が排ガスの流通方向Ｄｆの上流側と下流側とに位置するように配置される。多孔体２３は、ハニカム構造であってもよく、他の構造であってもよい。
　触媒担持領域２１に配置される多孔構造体（第２触媒構造体）２４は、多孔体２３が第２触媒を担持する構造体であり、第２触媒構造体２４の多孔体２３は、第２触媒を担持する第２担体である。一方、触媒非担持領域２２に配置される多孔構造体（ダミー構造体）２５は、多孔体２３が第２触媒を担持しない構造体である。
　また、多孔構造体２４，２５に代えて、図４（ｂ）に示すように、板状の触媒担体３０を複数積層した板状触媒ユニット３１，３２を配置してもよい。図４（ｂ）の例では、隔壁２９が区画する空間に１つずつの板状触媒ユニット３１，３２を配置しているが、図５（ｂ）のように、隔壁２９が区画する空間に複数（縦横複数列）の板状触媒ユニット３１，３２を敷き詰めてもよく、また隔壁２９を省略してもよい。
　板状触媒ユニット３１，３２は、図５（ｂ）に示すように、矩形筒状の金属枠３３内に複数の板状の触媒担体３０を互いに離間させて積層したユニットによって構成される。隣接する２枚の触媒担体３０の間、及び最外端の触媒担体３０と金属枠３３との間が、排ガスが流通する通気空間３４であり、通気空間３４の両端面が排ガスの流通方向Ｄｆの上流側と下流側とに位置するように配置される。隣接する２枚の触媒担体３０の間や最外端の触媒担体３０と金属枠３３との間に形成される通気空間３４は、各触媒担体３０に部分的に形成された波形状の屈曲部３５の突出先端が隣接する触媒担体３０又は金属枠３３と当接することによって所望の大きさ（幅）に保持される。なお、触媒担体３０を平板状とし、別体のスペーサによって通気空間３４を確保するように構成してもよい。
　触媒担持領域２１に配置される板状触媒ユニット（第２触媒構造体）３１は、板状の触媒担体３０が第２触媒を担持する構造体であり、板状の触媒担体３０に第２触媒が塗布される。すなわち、第２触媒構造体３１の板状の触媒担体３０は、第２触媒を担持する第２担体である。一方、触媒非担持領域２２に配置される板状触媒ユニット（ダミー構造体）３２は、板状の触媒担体３０が第２触媒を担持しない構造体である。
　なお、特に図示していないが、第１触媒層１１も第２触媒層１２と同様に、多数の多孔構造体又は板状触媒ユニットを流路断面内に互いに隣接して配列することによって構成される。第１触媒層１１に配列される多孔構造体又は板状触媒ユニットは、何れも多孔体又は板状の触媒担体（第１担体）が第１触媒を担持する構造体である。
　第２触媒層１２は、触媒担持領域２１と触媒非担持領域２２とを含む流路断面の全域において、流通する排ガスの圧力損失が同等となるように構成されている。
　本実施形態では、図６に示すように、第２触媒構造体２４とダミー構造体２５とにおいて、同一形状の多孔体２３を用いる。第２触媒構造体２４では、多孔体２３の通気孔２８の内周面上に第２触媒の薄層２６が固着形成され、薄層２６の分だけ通気孔２８が縮小する（図６（ａ）参照）。このため、ダミー構造体２５では、多孔体２３の通気孔２８の内周面上に、第２触媒の薄層２６と同厚となるように第２触媒の活性成分を有さないダミーの薄層２７を固着形成する。これにより、第２触媒構造体２４とダミー構造体２５とを同形状とすることができ、両者の通気孔の密度（単位面積当たりの孔数及び各孔の有効内径の大きさ）を同等にすることができる。その結果、第２触媒構造体２４を流通する排ガスの圧力損失と、ダミー構造体２５を流通する排ガスの圧力損失とを同等に構成することができる。
　多孔構造体２４，２５に代えて板状触媒ユニット３１，３２を配置する場合も、多孔構造体２４，２５の場合と同様に、第２触媒構造体３１及びダミー構造体３２とを同形状（通気空間３４の数及び大きさを同等）とし、第２触媒層１２の流路断面の全域において流通する排ガスの圧力損失が同等となるように構成する。
　なお、触媒担持領域２１と触媒非担持領域２２とを含む流路断面の全域を同等の圧力損失とする構成は上記に限定されず、他の構成（例えば、ダミー構造体の通気孔の内径が第２触媒構造体の通気孔の内径と等しくなるように、第２触媒構造体の多孔体よりも通気孔の内径が小さい多孔体をダミー構造体として用いるなど）であってもよい。
　本実施形態によれば、排ガスが第１触媒層１１及び第２触媒層１２の双方を挿通し、アンモニアを還元剤とする第１触媒（アンモニア脱硝触媒）と一酸化炭素を還元剤とする第２触媒（一酸化炭素脱硝触媒）とを用いて排ガス中の窒素酸化物が還元除去されるので、還元剤注入ノズル１３から排ガス中へ注入するアンモニアの量を、アンモニア脱硝触媒のみを用いる場合に比べて低減することができる。このため、酸性硫安が生成され難く、脱硝装置の下流側の機器（例えば、空気予熱器３）への酸性硫安の付着堆積を抑制することができる。
　また、第２触媒（一酸化炭素脱硝触媒）による窒素酸化物の還元除去が期待できる領域（４箇所の隅部を含む外周縁部）には第２触媒を配置し、窒素酸化物の還元除去が期待できない中央部には第２触媒を配置しないので、第２触媒の材料費に起因するコストの上昇を抑制することができる。
　また、外周縁部に第２触媒を配置するので、４箇所の隅部のみに第２触媒を配置する場合よりも窒素酸化物の還元除去を広範囲で行うことができる。
　また、触媒担持領域２１と触媒非担持領域２２とを含む流路断面の全域において、流通する排ガスの圧力損失が同等となるように第２触媒層１２を構成しているので、第２触媒層１２の入口で排ガスの流通方向が大きく変動することがない。このため、一酸化炭素濃度が高い排ガスを触媒担持領域２１に、一酸化炭素濃度が低い排ガスを触媒非担持領域２２にそれぞれ流通させることができる。
　また、第２触媒層１２の上流側を流通する排ガスの温度が第２触媒の活性化温度よりも高い場合であっても、第２触媒層１２を流通する排ガスを冷却管１４によって第２触媒の活性化温度まで低下させることができ、第２触媒を用いた窒素酸化物の還元除去を好適に行うことができる。
　さらに、第１触媒層１１の下流側で排ガスの温度を低下させるので、第１触媒の活性化温度が第２触媒の活性化温度よりも高い場合において、第１触媒を用いた窒素酸化物の還元除去と第２触媒を用いた窒素酸化物の還元除去との双方を好適に行うことができる。
　なお、本発明は、一例として説明した上述の実施形態及び変形例に限定されることはなく、上述の実施形態等以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
　例えば、図７に示すように、第１触媒層１１を第２触媒層１２の下流側に配置し、還元剤注入ノズル１３を第２触媒層１２と第１触媒層１１との間に配置してもよい。
１：ボイラ
２：脱硝装置
３：空気予熱器
４：電気集塵機
５：誘引通風機
６：煙突
７：押込通風機
８，９：排気ダクト
１０：脱硝反応器
１１：第１触媒層
１２：第２触媒層
１３：還元剤注入ノズル（還元剤注入手段）
１４：冷却管（排ガス冷却手段）
１５：ガス流通路
２１：触媒担持領域
２２：触媒非担持領域
２３：多孔体
２４：多孔構造体（第２触媒構造体）
２５：多孔構造体（ダミー構造体）
２６，２７：薄層
２８：通気孔（セル）
２９：隔壁
３０：板状の触媒担体
３１：板状触媒ユニット（第２触媒構造体）
３２：板状触媒ユニット（ダミー構造体）
３３：金属枠
３４：通気空間
３５：屈曲部

Claims (3)

  1. 　矩形状の流路断面を有し、ボイラから排出された排ガスが流通するガス流通路と、
    　前記ガス流通路に配置され、アンモニアを還元剤として排ガス中の窒素酸化物を還元除去する第１触媒を担持する第１触媒層と、
    　前記第１触媒層の上流側又は下流側の少なくとも一方の前記ガス流通路に配置され、一酸化炭素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を還元除去する第２触媒を担持する第２触媒層と、
    　前記第１触媒層の上流側の前記ガス流通路を流通する排ガス中へアンモニアを注入する還元剤注入手段と、を備え、
    　前記第２触媒層は、前記ガス流通路の流路断面の少なくとも４箇所の隅部に配置されて前記第２触媒を担持する触媒担持領域と、前記ガス流通路の流路断面の中央部に配置されて前記第２触媒を担持しない触媒非担持領域とを有し、前記触媒担持領域と前記触媒非担持領域とを含む流路断面の全域において、流通する排ガスの圧力損失が同等となるように構成されている
    　ことを特徴とする脱硝装置。
  2. 　請求項１に記載の脱硝装置であって、
    　前記触媒担持領域は、前記ガス流通路の流路断面の外周縁に沿う環状であり、
    　前記触媒非担持領域は、前記環状の触媒担持領域に囲まれた内側領域である
    　ことを特徴とする脱硝装置。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の脱硝装置であって、
    　排ガスを冷却する排ガス冷却手段を備え、
    　前記第２触媒層は、前記第１触媒層の下流側の前記ガス流通路に配置され、
    　前記排ガス冷却手段は、前記第１触媒層の下流側で且つ前記第２触媒層の上流側の前記ガス流通路を流通する排ガスを冷却する
    　ことを特徴とする脱硝装置。
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