JP2004167450A - 脱硝装置へのアンモニア注入方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス循環ファンの必要動力を削減し、プラント効率を向上させることができる、脱硝装置へのＮＨ_３ 注入装置を提供すること。
【解決手段】排ガス煙道１のガス流れ方向に沿って順次設けられたＮＨ_３ 注入ノズル１０および脱硝触媒層１１を備えた脱硝装置の、前記ＮＨ_３ 注入ノズル１０の前流に連結された排ガス分岐配管２と、これに循環ファン７を介して連結されたＮＨ_３ 水の蒸発器８と、蒸発器８にＮＨ_３ 水を供給するＮＨ_３ 水配管５と、蒸発器８で発生したＮＨ_３ 含有ガスを排ガス煙道１のＮＨ_３ 注入ノズル１０に供給するＮＨ_３ 含有ガス配管４とを有する、脱硝装置へのＮＨ_３ 注入装置において、蒸発器８に供給するＮＨ_３ 水を加熱する気−液熱交換器１５を設け、排ガス分岐配管２を分岐した二次分岐配管６を気−液熱交換器１５のガス入口側に連結したこと。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脱硝装置へのアンモニア注入方法および装置に係り、特に、排ガス循環式のアンモニア注入方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンバインドサイクルプラント等に設置される排煙脱硝装置において、ガスタービン排ガスに含まれる窒素酸化物は、排ガスダクト内に注入される、還元剤としてのアンモニアと充分混合した後、後流の脱硝触媒層に流入し、脱硝触媒の存在下前記アンモニアと接触して還元、分解処理される。
【０００３】
近年、液化アンモニアに比べて保管および取扱いが容易なことから、還元剤としてアンモニア水が用いられるケースが多くなっている。アンモニア水からアンモニアガスを得る方法としては、例えば電気ヒータ蒸発方式、排熱回収ボイラから排ガスの一部を分岐して加熱源として用いる排ガス循環方式があり、プラント効率を向上させる観点から、ユーティリティ使用量が比較的少ない排ガス循環方式が好適に採用されている。
【０００４】
図５は、従来の、排ガス循環式の脱硝装置へのアンモニア注入装置を示す説明図である。図５において、このアンモニア注入装置３は、例えば排熱回収ボイラの排ガス煙道に設けられた脱硝装置に適用されたものであり、前記排ガス煙道１のガス流れ方向に沿って順次設けられたアンモニア注入ノズル１０および脱硝触媒層１１を備えた脱硝装置の、前記アンモニア注入ノズル１０の前流に連結された排ガス分岐配管２と、該排ガス分岐配管２に循環ファン７を介して連結されたアンモニア水の蒸発器８と、該蒸発器８にアンモニア源としてアンモニア水を供給するアンモニア水配管５と、前記蒸発器８で発生したアンモニア含有ガスを前記排ガス煙道１のアンモニア注入ノズル１０に供給するアンモニア含有ガス４配管とから主として構成されている。９は、アンモニア水配管５に設けられた注入制御弁である。
【０００５】
排ガス煙道１から分岐配管２を経て抜き出された排ガスは、アンモニア注入装置３に流入し、循環ファン７の作用を受けて配管機器の圧力損失に打ち勝つ程度まで昇圧された後、アンモニア水蒸発器８へ流入し、ここで、アンモニア水注入制御弁９により流量調整された後、アンモニア水配管５を経て導入され、例えば図示省略したアトマイズ装置によって微粒化されたアンモニア水を加熱、蒸発させ、アンモニアガスが生成する。生成したアンモニアガスは、水蒸気および排ガス等との混合ガスとしてアンモニア含有ガス配管４を経て前記排ガス煙道１のアンモニア注入ノズル１０に供給され、該アンモニア注入ノズル１０から排ガス煙道１内に注入される。排ガス煙道１内に注入されたアンモニアガスは排ガス中のＮＯｘと混合したのち後流の脱硝触媒層１１に流入し、ここで前記ＮＯｘを選択的に接触還元、分解して無害化する。
【０００６】
しかしながら、上記従来技術では、部分負荷時、起動時等の排ガス温度が低い条件においてはアンモニア水の蒸発に必要な熱量を確保するために、排ガス煙道から抜き出す排ガス量を増加させる必要があることから、循環ファン、配管サイズの大型化およびそれに伴うユーティリティ増加等の問題が生じていた。
【０００７】
すなわち、上記従来技術においては、アンモニア水を蒸発させる熱源はあくまでも循環ファンを経て吸引される排ガスであることから、必要アンモニアガス量を確保するためには、ファン容量の決定が設計上重要となってくる。また、近年の傾向として、定格負荷のみならず、部分負荷帯においてもＮＯｘ排出規制を遵守しなければならないことから、低温度域を考慮した設計が必要となり、必然的にアンモニア水の蒸発熱量を確保するためにファン容量を増大させる傾向があり、設置上の制約に加え、補機動力、負荷動力も無視できないものとなり、結果としてプラント効率を低下させる要因となっていた。
【特許文献１】特開平０５−０４９８５６号公報（第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、排ガス抜き出し用の循環ファンの必要経費および動力を削減し、これによってプラント効率を向上させ、しかも立地上の制約を解消することができるコンパクトな、脱硝装置へのアンモニア注入方法および装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願で特許請求する発明は以下のとおりである。
（１）排ガス煙道のガス流れ方向に沿って順次設けられたアンモニア注入ノズルおよび脱硝触媒層を備えた脱硝装置の、前記排ガス煙道を流通する排ガスの一部を抜き出し、該排ガスの熱量を利用した蒸発器でアンモニア水を蒸発させ、得られたアンモニア含有ガスを前記アンモニア注入ノズルから排ガス煙道内に噴霧する脱硝装置へのアンモニア注入方法において、前記排ガス煙道から抜出した排ガスの一部を用いて前記蒸発器に導入するアンモニア水を加熱することを特徴とする脱硝装置へのアンモニア注入方法。
（２）前記排ガス煙道の脱硝触媒層の後流に誘引送風機を設け、前記アンモニア水を加熱した後の排ガスを、前記誘引送風機で吸引し、該誘引送風機の前流側の排ガス煙道に導入することを特徴とする上記（１）に記載の脱硝装置へのアンモニア注入方法。
【００１０】
（３）排ガス煙道のガス流れ方向に沿って順次設けられたアンモニア注入ノズルおよび脱硝触媒層を備えた脱硝装置の、前記アンモニア注入ノズルの前流に連結された排ガス分岐配管と、該排ガス分岐配管に循環ファンを介して連結されたアンモニア水の蒸発器と、該蒸発器にアンモニア源としてアンモニア水を供給するアンモニア水配管と、前記蒸発器で発生したアンモニア含有ガスを前記排ガス煙道のアンモニア注入ノズルに供給するアンモニア含有ガス配管とを有する脱硝装置へのアンモニア注入装置において、前記蒸発器に供給するアンモニア水を加熱する気−液熱交換器を設け、該気−液熱交換器のガス入口側に前記排ガス分岐配管を分岐した二次分岐配管を連結して前記アンモニア水を加熱するようにしたことを特徴とする脱硝装置へのアンモニア注入装置。
（４）前記排ガス煙道の脱硝触媒層の後流に誘引送風機を設け、前記気−液熱交換器のガス出口と、前記排ガス煙道の誘引送風機の前流側とを連結する連結配管を設けたことを特徴とする上記（３）に記載の脱硝装置へのアンモニア注入装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す脱硝装置へのアンモニア注入装置の説明図である。図１において、このアンモニア注入装置３は、ガスタービンの排ガス煙道に設けられた脱硝装置に適用したものであり、ガスタービン排ガス煙道１のガス流れ方向に沿って順次設けられたアンモニア注入ノズル１０および脱硝触媒層１１を備えた脱硝装置の、前記アンモニア注入ノズル１０の前流に連結された排ガス分岐配管２と、該排ガス分岐配管２に循環ファン７を介して連結されたアンモニア水の蒸発器８と、該蒸発器８にアンモニア源としてアンモニア水を供給するアンモニア水配管５と、前記蒸発器８で発生したアンモニア含有ガスを前記排ガス煙道１のアンモニア注入ノズル１０に供給するアンモニア含有ガス配管４とを有し、前記蒸発器８に供給するアンモニア水を加熱する気−液熱交換器１５を設け、該気−液熱交換器１５のガス入口側に前記排ガス分岐配管２を分岐した二次分岐配管６を連結し、アンモニア水蒸発器８に流入するアンモニア水を前記排ガスによって加熱するようにしたものである。
【００１２】
このような構成において、排ガス煙道１から抜き出された排ガスは分岐配管２を経てアンモニア注入装置３に流入し、その一部は、二次分岐配管６を経て気−液熱交換器１５に流入し、ここでアンモニア水配管５を経て蒸発器８に導入されるアンモニア水を加熱し、その後、例えば大気に放出されるかまたは図示省略した煙突へと送られる。このとき、気−液熱交換器１５で使用される排ガス量は蒸発器８出口のアンモニア含有ガス温度が一定値以上を保つように制御される。
【００１３】
一方、排ガス煙道１から抜き出された残りの排ガスは、分岐配管２を流通し、循環ファン７で配管機器の圧力損失に打ち勝つ程度に昇圧された後、アンモニア水蒸発器８に流入し、ここで前記気−液熱交換器１５で所定温度に加熱されたアンモニア水をさらに加熱し、蒸発させてアンモニアガスを生成する。生成したアンモニアガスは、水蒸気、排ガス等との混合ガスとして蒸発器８から流出し、アンモニア含有ガス配管４を経て排ガス煙道１の前記アンモニア注入ノズル１０に供給され、該アンモニア注入ノズル１０から排ガス煙道１内に噴霧される。このとき排ガス循環ファン７の排ガス流量は排ガス流路１内における可燃性ガスとしてのアンモニア濃度が爆発領域以下となるように調整される。
【００１４】
本実施例によれば、分岐配管２を更に分岐した二次分岐配管を気−液熱交換器１５のガス入口に連結し、前記排ガス煙道１から抜出した排ガスの一部をアンモニア水の加熱源として使用することにより、循環ファン７のサイズを従来技術に比べて小さくすることができるので、その必要動力が半減し、結果としてプラント効率を向上させることができる。また、装置のコンパクト化が図られ、立地上の制約を解消させることができる。
【００１５】
また本実施例によれば、特に排ガス温度が低下する部分負荷域において、二次分岐配管を流通する排ガス量の調整のみで対応することができるので、動力使用量を大幅に低減することができる。さらに、循環排ガス流量が低減するので、蒸発器８以降の全ての機器のコンパクト化が図れることから、立地制約の厳しい場合においても本システムによる対応が可能となる。
【００１６】
図２および図３を用いて本発明の作用効果をより詳細に説明する。図２は、本発明の作用効果を従来技術と比較して示した説明図であり、計画排ガス温度に対する、循環ファンと気−液熱交換器（加熱器）が分担する希釈（抜き出し）排ガス流量比との関係を示したものである。図２において、本発明方式によれば、排ガス煙道から抜出した排ガスは、アンモニア水を加熱する気−液熱交換器（加熱器）と、アンモニア水を蒸発させる蒸発器とに分割して供給されるので、循環ファンとしては、熱交換器（加熱器）分を除いた循環ファン分に相当する量だけを確保すればよいことから、全ての排ガス量を循環ファンのみで確保する従来技術に比べて、循環ファンのサイズを小さくすることができ、ファン動力を低減することができる。
【００１７】
また、図３は、部分負荷運転時におけるアンモニア水流量比と、循環ファンと気−液熱交換器（加熱器）が分担する希釈（抜き出し）排ガス流量比との関係を示したものである。図３において、本発明方式によれば、部分負荷運転時に負荷が増大し、アンモニア流量比を増加させたい場合は、循環ファンの運転はそのままとし、気−液熱交換器（加熱器）への排ガス供給比を増加するだけで必要熱量を確保し、これによって必要アンモニア流量比を確保できることが分かる。従って、循環ファンのサイズを相対的に小さくすることができ、かつファン動力を低減することができる。なお、従来技術においては，必要熱量の確保を全て循環ファンに依存しており、過剰の排ガス量を循環する運転条件が選択されていたことになる。
【００１８】
本発明において、二次分岐配管とは、排ガス煙道に連結した排ガス分岐配管をさらに分岐した再分岐配管をいい、気−液熱交換器にアンモニア水の加熱源としての排ガスを導入するための配管をいう。
【００１９】
本発明の脱硝装置へのアンモニア注入装置は、ガスタービン排ガス煙道に設けられた脱硝装置、排熱回収ボイラの排ガス煙道に設けられた脱硝装置の他、一般的ボイラの排ガス煙道に設けられた脱硝装置にも適用することができる。内圧が低いボイラの排ガス煙道に設けられた脱硝装置に適用する際は、排ガス煙道の脱硝触媒層の後流に誘引送風機を設け（既設のものがあればそれを使用）、気−液熱交換器のガス出口と、排ガス煙道の前記誘引送風機の前流側とを連結配管で連結し、前記気−液熱交換器でアンモニア水を加熱した後の排ガスを誘引送風機で吸引し、該誘引送風機の前流側の排ガス煙道に流入させることが好ましい。これによって内圧の低いボイラに適用した場合にも気−液熱交換器への排ガスの流入量を確保してアンモニア水を加熱することができる。
【００２０】
図４は、本発明の他の実施例を示す、脱硝装置へのアンモニア注入装置の説明図である。図４において、このアンモニア注入装置３は、内圧の低いボイラ１２の排ガス煙道に設けられた脱硝装置に適用したものであり、図１と異なるところは、排ガス煙道の脱硝触媒層１１の後流、本実施例ではエアヒータ１３の後流に誘引送風機１４を設け、気−液熱交換器１５のガス出口と、排ガス煙道１の前記誘引送風機１４の前流側とを連結する連結配管１６を設けた点である。
【００２１】
ボイラからの排ガスは、ガスタービン排ガスと比べて内圧が低いことから、その内圧のまま気−液熱交換器１５へ導入することは難しいので、熱交換器１５側へ排ガスを誘導するために、ボイラの誘引送風機１４による吸引排ガス差圧を利用して行うようにしたものである。ボイラ１２の排ガス煙道１より抜き出された排ガスは分岐配管２を経てアンモニア注入装置３に流入したのち、２分割され、一方はアンモニア水熱交換器連絡配管としての二次分岐配管６を流通して熱交換器１５に流入し、ここでアンモニア水を加熱した後、脱硝触媒１１およびエアヒータ１３の後流、すなわち誘引送風機１４の前流の排ガス煙道１に吸引、導入される。他方、アンモニア水蒸発器連絡配管としての分岐配管２を流通した排ガスは上述した実施例と同様に、循環ファン７を経由し蒸発器８へ送られ、ここで、前記気−液熱交換器１５で加熱されたアンモニア水をさらに加熱し、蒸発させたのち、発生したアンモニアガスを伴ってアンモニア注入ノズル１０に流入し、該アンモニア注入ノズル１０からアンモニアガスを排ガス煙道１内に噴霧する。
【００２２】
本実施例においても上記実施例と同様、循環ファン７のサイズを小さくすることができるので、その必要動力が半減し、結果としてプラント効率を向上させることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本願の請求項１に記載の発明によれば、循環ファンの負担を低減することができるので、全ての排ガスを循環ファンのみで確保するようにした従来技術に比べて、循環ファンのサイズが小さくなり、かつファン動力が低減し、プラント効率が向上する。
本願の請求項２に記載の発明によれば、本発明方法を、内圧の低いボイラ排ガス煙道に設けられた脱硝装置にも適用することもできる。
【００２４】
本願の請求項３に記載の発明によれば、循環ファンのサイズをよりコンパクトにすることができ、立地条件が緩和されるとともに、必要動力が低減し、プラント効率が向上する。
本願の請求項４に記載の発明によれば、本発明装置を、内圧の低いボイラの排ガス煙道に設けられた脱硝装置にも適用することもできる。
【００２５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す、脱硝装置へのアンモニア注入装置の説明図。
【図２】本発明の作用効果を示す図。
【図３】本発明の作用効果を示す図。
【図４】本発明の他の実施例を示す説明図。
【図５】従来技術を示す説明図。
【符号の説明】
１…排ガス煙道、２…排ガス分岐配管（アンモニア水蒸器気連絡配管）、３…アンモニア注入装置、４…アンモニア含有ガス配管、５…アンモニア水配管、６…二次分岐配管（アンモニア水熱交換器連絡配管）、７…循環ファン、８…アンモニア水蒸発器、９…注入制御弁、１０…アンモニア注入ノズル、１１…脱硝触媒層、１２…ボイラ、１３…エアヒータ、１４…誘引送風機（ＩＤＦ）、１５…気−液熱交換器（アンモニア水熱交換器）、１６…連結配管。

Claims (4)

1. 排ガス煙道のガス流れ方向に沿って順次設けられたアンモニア注入ノズルおよび脱硝触媒層を備えた脱硝装置の、前記排ガス煙道を流通する排ガスの一部を抜き出し、該排ガスの熱量を利用した蒸発器でアンモニア水を蒸発させ、得られたアンモニア含有ガスを前記アンモニア注入ノズルから排ガス煙道内に噴霧する脱硝装置へのアンモニア注入方法において、前記排ガス煙道から抜出した排ガスの一部を用いて前記蒸発器に導入するアンモニア水を加熱することを特徴とする脱硝装置へのアンモニア注入方法。
2. 前記排ガス煙道の脱硝触媒層の後流に誘引送風機を設け、前記アンモニア水を加熱した後の排ガスを、前記誘引送風機で吸引し、該誘引送風機の前流側の排ガス煙道に導入することを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置へのアンモニア注入方法。
3. 排ガス煙道のガス流れ方向に沿って順次設けられたアンモニア注入ノズルおよび脱硝触媒層を備えた脱硝装置の、前記アンモニア注入ノズルの前流に連結された排ガス分岐配管と、該排ガス分岐配管に循環ファンを介して連結されたアンモニア水の蒸発器と、該蒸発器にアンモニア源としてアンモニア水を供給するアンモニア水配管と、前記蒸発器で発生したアンモニア含有ガスを前記排ガス煙道のアンモニア注入ノズルに供給するアンモニア含有ガス配管とを有する脱硝装置へのアンモニア注入装置において、前記蒸発器に供給するアンモニア水を加熱する気−液熱交換器を設け、該気−液熱交換器のガス入口側に前記排ガス分岐配管を分岐した二次分岐配管を連結して前記アンモニア水を加熱するようにしたことを特徴とする脱硝装置へのアンモニア注入装置。
4. 前記排ガス煙道の脱硝触媒層の後流に誘引送風機を設け、前記気−液熱交換器のガス出口と、前記排ガス煙道の誘引送風機の前流側とを連結する連結配管を設けたことを特徴とする請求項３に記載の脱硝装置へのアンモニア注入装置。

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