JP2013017934A

JP2013017934A - 脱硝装置及び脱硝方法

Info

Publication number: JP2013017934A
Application number: JP2011151908A
Authority: JP
Inventors: Akinori Yukimura; 明憲幸村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-01-31

Abstract

【課題】排ガスに含まれる窒素酸化物中に占める二酸化窒素の割合が高い場合であったとしても、効率良く窒素酸化物を無害化し得る脱硝装置及び脱硝方法を提供する。
【解決手段】二酸化窒素を含む排ガスが流れる煙道１に配置される脱硝触媒１１と、脱硝触媒１１の上流側に位置して、排ガスにアンモニアを注入するアンモニア注入ノズル１２と、脱硝触媒１１の出口ＮＯ_Ｘ濃度に応じてアンモニア注入量をコントロールする制御部１４を備え、アンモニア供給路１２ａにＮＯを注入する一酸化窒素注入系統１５を設けると共に、脱硝触媒１１の入口側に窒素酸化物計測手段１８及び一酸化窒素計測手段１９を設け、制御部１４は、各計測手段１８，１９で得られるＮＯ_Ｘ及びＮＯの実測値から排ガス中のＮＯ_２濃度を算出して、排ガス中のＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合を常時０．２５以上０．７５以下とするべく、一酸化窒素注入系統１５からのＮＯの注入量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種燃焼設備から流れる二酸化窒素（ＮＯ_２）を含む排ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を無害化するのに用いられる脱硝装置及び脱硝方法に関するものである。

上記した脱硝装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。
この脱硝装置は、ボイラに続く煙道に配置される脱硝触媒と、この脱硝触媒の上流側に位置するアンモニア注入部を備えている。

アンモニア注入部は、煙道を脱硝触媒に向って流れる二酸化窒素を含む排ガスに対してアンモニアを注入するようになっており、脱硝触媒では、アンモニアが注入された排ガスと反応することで、窒素酸化物を窒素と水に分解して無害化するようになっている。

この脱硝装置において、排ガスに含まれる窒素酸化物中に占める二酸化窒素の比率を求め、この比率から算出した理論脱硝率が得られる排ガス温度を脱硝触媒の温度特性カーブより求めて、この温度に基づいてアンモニア注入開始及び注入停止の各排ガス温度を設定するようになっている。

特開平07-136465号公報

上記した脱硝装置では、排ガス温度が低い場合でも煙道から排出される窒素酸化物の量を低減することができるものの、反応速度が遅い二酸化窒素の窒素酸化物中に占める比率が極めて高い排ガスの場合には、例えば、ガスタービンや硝酸製造プラントで生じるような高い比率（８０％以上の比率）で二酸化窒素が含まれる排ガスの場合には、この二酸化窒素に関わる触媒脱硝反応に影響されて反応速度及び応答性が低下するといった理由から、効率の良い脱硝反応システムを構築することができないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、排ガスに含まれる窒素酸化物中に占める二酸化窒素の割合が高い場合であったとしても、効率良く窒素酸化物を無害化することが可能である脱硝装置及び脱硝方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明者らは、排ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯ_Ｘと記す）の成分である一酸化窒素（以下、ＮＯと記す）及び二酸化窒素（以下、ＮＯ_２と記す）の各反応速度の違いに着目した。

ここで、
ＮＯ系の反応式は、４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ … 反応１
ＮＯ-ＮＯ_２系の反応式は、ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ … 反応２
ＮＯ_２系の反応式は、６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ … 反応３
であり、反応速度の序列は、速いものから順に反応２、反応１、反応３である。

ＮＯ及びＮＯ_２の双方を成分とするＮＯ_Ｘを含む排ガスの脱硝反応は、上記した反応速度の序列通り進行する。まず、同量のＮＯ及びＮＯ_２が反応２に従って速やかに反応し、次いで、残っているＮＯが反応１に従って速やかに反応し、最後に、残っているＮＯ_２が反応３に従ってゆっくりと反応する。

この反応構造を把握したうえで、本発明者らは、ＮＯ及びＮＯ_２の双方を成分とするＮＯ_Ｘを含む排ガスの脱硝反応が効率良く行われるようにするためには、反応２に従って進行する反応条件を作り出すこと、すなわち、ＮＯとＮＯ_２との比率が１：１つまりＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合（ＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ）が０．５程度の条件を作り出すことが有効であることを見出し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、二酸化窒素を含む排ガスが流れる煙道に配置される脱硝触媒と、この煙道における前記脱硝触媒の上流側に位置して、前記排ガスに対してアンモニアを注入するアンモニア注入ノズルと、前記脱硝触媒の出口窒素酸化物濃度に応じて前記アンモニア注入ノズルからのアンモニア注入量をコントロールする制御部を備えた脱硝装置において、前記アンモニア注入ノズルの排ガス流れ上流側又は該アンモニア注入ノズルに続くアンモニア供給路に対して一酸化窒素を注入する一酸化窒素注入系統を設けると共に、前記脱硝触媒の入口側に窒素酸化物計測手段及び一酸化窒素計測手段を設け、前記制御部は、前記窒素酸化物計測手段及び一酸化窒素計測手段で得られる窒素酸化物及び一酸化窒素の各実測値から前記排ガス中の二酸化窒素濃度を算出して、該排ガス中における窒素酸化物中に占める二酸化窒素の割合を常時０．２５以上０．７５以下とするべく、前記一酸化窒素注入系統からの一酸化窒素の注入量を制御する構成としたことを特徴としており、この脱硝装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の請求項２に係る発明は、煙道を流れる二酸化窒素を含む排ガスにアンモニアを注入して、前記煙道に配置した脱硝触媒により窒素酸化物を接触還元する脱硝方法において、前記脱硝触媒の出口窒素酸化物濃度に応じて前記アンモニアの注入量をコントロールすると共に、前記脱硝触媒の入口側における窒素酸化物及び一酸化窒素の各実測値から前記排ガス中の二酸化窒素濃度を算出して、該排ガス中における窒素酸化物中に占める二酸化窒素の割合を常時０．２５以上０．７５以下とするべく、一酸化窒素を注入する構成としたことを特徴としており、この脱硝方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係る脱硝装置及び脱硝方法において、アンモニア注入ノズルの上流側又はアンモニア供給路にＮＯを注入する際には、図２のＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ比率と脱硝率との関係を表すグラフにおける好適範囲に示すように、排ガス中のＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合が常時０．２５以上０．７５以下となるようにＮＯの注入量を決めれば良いが、より効率良く脱硝率を高めるために、ＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合が常時０．４以上０．６以下となるようにＮＯを注入することが望ましく、ＮＯ_２の割合が可能な限り０．５に近づくようにＮＯを注入することがより望ましい。

本発明に係る脱硝装置及び脱硝方法において、ＮＯ_２を含む排ガスが流れる煙道の脱硝触媒の上流側に対して、この脱硝触媒の出口ＮＯ_Ｘ濃度に応じて算出された量のアンモニアを注入する。

これと併せて、脱硝触媒の入口側におけるＮＯ_Ｘ及びＮＯの各濃度を計測して、ＮＯ_Ｘの実測値からＮＯの実測値を減じて排ガス中のＮＯ_２濃度を算出する。

そして、この算出結果によるＮＯ_２濃度に基づいて、排ガス中におけるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合を常時０．２５以上０．７５以下、望ましくは０．４以上０．６以下、より望ましくは０．５程度とするべく、排ガス中にＮＯを注入すると、ＮＯとＮＯ_２との比率が１：１に近づくこととなって、上記した反応２に従って速やかに反応することとなり、その結果、効率良くＮＯ_Ｘの無害化が成されることとなる。

本発明に係る脱硝装置では、上記した構成としているので、排ガスに含まれるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の比率が高い場合であったとしても、ＮＯ_Ｘの無害化を高効率で行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態による脱硝装置を示す構成説明図である。ＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ比率と脱硝率との関係を表すグラフである。図１の脱硝装置による脱硝率と比較例による脱硝率とを併せて示すグラフである。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による脱硝装置を示しており、この実施形態では、本発明の脱硝装置をボイラで生じる排ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを無害化するのに適用した場合を示す。

図１に示すように、この脱硝装置１０は、図外のボイラで生じたＮＯ_２を含む排ガスが流れる煙道１に配置される脱硝触媒１１と、この煙道１における脱硝触媒１１の上流側に位置して、排ガスに対してアンモニアを注入するアンモニア注入ノズル１２と、脱硝触媒１１の出口側に配置したＮＯ_Ｘ濃度計１３で計測されたＮＯ_Ｘ濃度に応じてアンモニア注入ノズル１２からのアンモニア注入量をコントロールする制御部１４を備えており、アンモニア注入ノズル１２からのアンモニアの注入は、アンモニア供給源１６に対する制御部１４からの注入指令により成されるようになっている。

また、この脱硝装置１０は、アンモニア注入ノズル１２及びアンモニア供給源１６を結ぶアンモニア供給路１２ａに接続する一酸化窒素注入系統１５を備えており、この一酸化窒素注入系統１５は、ＮＯ供給源１７が制御部１４からＮＯ注入指令を受けた段階で、アンモニア注入ノズル１２を介して煙道１にＮＯを注入するようになっている。

この場合、脱硝触媒１１の入口側には、窒素酸化物計測手段１８及び一酸化窒素計測手段１９が配置してあり、制御部１４では、窒素酸化物計測手段１８及び一酸化窒素計測手段１９で得られるＮＯ_Ｘ及びＮＯの各実測値から排ガス中のＮＯ_２濃度を算出して、図２のグラフに示すＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ比率と脱硝率との関係に基づいて、この排ガス中におけるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合を常時０．２５以上０．７５以下、望ましくは０．４以上０．６以下、より望ましくは０．５程度とするべく、一酸化窒素注入系統１５からのＮＯの注入量を制御するようになっている。
なお、図１における符号Ａは、アンモニア供給路１２ａに接続する希釈用空気供給源である。

上記した本実施形態に係る脱硝装置１０によって、排ガスに含まれるＮＯ_Ｘを無害化するに際しては、まず、ＮＯ_２を含む排ガスが流れる煙道１の脱硝触媒１１の上流側に対して、アンモニア注入ノズル１２からアンモニアを注入する。

この際、アンモニアの注入量は、脱硝触媒１１の出口側に位置するＮＯ_Ｘ濃度計１３で計測されたＮＯ_Ｘ濃度に応じて、制御部１４により適切な量にコントロールされる。

このアンモニアの注入に併せて、脱硝触媒１１の入口側におけるＮＯ_Ｘ及びＮＯの各濃度を窒素酸化物計測手段１８及び一酸化窒素計測手段１９でそれぞれ計測し、制御部１４において、ＮＯ_Ｘの実測値からＮＯの実測値を減じて排ガス中のＮＯ_２濃度が算出される。

そして、この算出結果によるＮＯ_２濃度に基づいて、同じく制御部１４では、排ガス中におけるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合が、図２のグラフに示すＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ比率の好適範囲に収まるように、すなわち、排ガス中におけるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合が、常時０．２５以上０．７５以下、望ましくは０．４以上０．６以下、より望ましくは０．５程度となるように、一酸化窒素注入系統１５のＮＯ供給源１７にＮＯ注入指令を出力する。

このように、制御部１４から一酸化窒素注入系統１５のＮＯ供給源１７にＮＯ注入指令が出されると、アンモニア注入ノズル１２を介して煙道１の排ガス中にＮＯが必要量注入され、このＮＯの注入によりＮＯとＮＯ_２との比率が１：１に近づくことで、上記した反応２に従って速やかに反応することとなり、その結果、効率良くＮＯ_Ｘの無害化が成されることとなる。

したがって、上記した本実施形態に係る脱硝装置１０では、排ガスに含まれるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の比率が高い場合であったとしても、ＮＯ_Ｘの無害化を高効率で行い得ることとなる。

そこで、排ガスに含まれるＮＯ_Ｘを本実施形態に係る脱硝装置１０により無害化するにあたって、排ガスに含まれるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合（ＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ）が０．５（５０％）程度となるように、一酸化窒素注入系統１５から排ガス中にＮＯを注入したところ、図３に示すように、安定後における静定脱硝率は９７．１％であった。

これに対して、排ガスに含まれるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合（ＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ）が０％の比較例１における排ガス、及び、排ガスに含まれるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合（ＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ）が８０％の比較例２における排ガスでは、安定後における静定脱硝率がそれぞれ９２．２％及び８０．５％であった。

このように、本実施形態に係る脱硝装置１０では、排ガス中におけるＮＯ_Ｘ中に占めるＮＯ_２の割合をＮＯ_２/ＮＯ_Ｘ比率の好適範囲である５０％程度とすることで、比較例１，２と比べて、ＮＯ_Ｘの無害化を高効率で行い得ることが実証できた。

本発明に係る脱硝装置及び脱硝方法の構成は、上記した実施形態に限定されるものではなく、他の構成として、例えば、ＮＯを注入する一酸化窒素注入系統１５をアンモニア注入ノズル１２の排ガス流れ上流側における煙道１に接続するようにしてもよい。

また、本発明に係る脱硝装置及び脱硝方法は、ボイラのバーナによる燃焼により生じる排ガスに対する脱硝に用いることができるほか、ガスタービンで生じる排ガスに対する脱硝に用いることができる。

１煙道
１０脱硝装置
１１脱硝触媒
１２アンモニア注入ノズル
１２ａアンモニア供給路
１４制御部
１５一酸化窒素注入系統
１８窒素酸化物計測手段
１９一酸化窒素計測手段

Claims

二酸化窒素を含む排ガスが流れる煙道に配置される脱硝触媒と、
この煙道における前記脱硝触媒の上流側に位置して、前記排ガスに対してアンモニアを注入するアンモニア注入ノズルと、
前記脱硝触媒の出口窒素酸化物濃度に応じて前記アンモニア注入ノズルからのアンモニア注入量をコントロールする制御部を備えた脱硝装置において、
前記アンモニア注入ノズルの排ガス流れ上流側又は該アンモニア注入ノズルに続くアンモニア供給路に対して一酸化窒素を注入する一酸化窒素注入系統を設けると共に、前記脱硝触媒の入口側に窒素酸化物計測手段及び一酸化窒素計測手段を設け、
前記制御部は、前記窒素酸化物計測手段及び一酸化窒素計測手段で得られる窒素酸化物及び一酸化窒素の各実測値から前記排ガス中の二酸化窒素濃度を算出して、該排ガス中における窒素酸化物中に占める二酸化窒素の割合を常時０．２５以上０．７５以下とするべく、前記一酸化窒素注入系統からの一酸化窒素の注入量を制御する
ことを特徴とする脱硝装置。
煙道を流れる二酸化窒素を含む排ガスにアンモニアを注入して、前記煙道に配置した脱硝触媒により窒素酸化物を接触還元する脱硝方法において、
前記脱硝触媒の出口窒素酸化物濃度に応じて前記アンモニアの注入量をコントロールすると共に、前記脱硝触媒の入口側における窒素酸化物及び一酸化窒素の各実測値から前記排ガス中の二酸化窒素濃度を算出して、該排ガス中における窒素酸化物中に占める二酸化窒素の割合を常時０．２５以上０．７５以下とするべく、一酸化窒素を注入する
ことを特徴とする脱硝方法。