JP2014005964A

JP2014005964A - ボイラのＮＯｘ処理システム

Info

Publication number: JP2014005964A
Application number: JP2012140627A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yasui; 賢志安井
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2014-01-16

Abstract

【課題】酸化触媒のＳ被毒の影響を少なくできると共に、難しい空気比制御を必要とすることなく、ＮＯxを低減すること。
【解決手段】
バーナ５にて生成される排ガスから吸熱する吸熱部６を通過後の前記排ガス中に一酸化炭素の濃度が実質的に零で、一酸化窒素が含まれるように、排ガス中の酸素濃度を理論空気比の酸素濃度より高い所定濃度に調整したボイラ１と、吸熱部６の下流側に設けられ、一酸化炭素の濃度が実質的に零の状態で、排ガス中に含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒２と、酸化触媒２の下流側に設けられ、結露水に二酸化窒素を溶解させるエコノマイザ３と、二酸化窒素が溶解して生ずる硝酸および亜硝酸を中和剤にて中和処理する中和処理手段４とを含むボイラのＮＯx処理システム。
【選択図】図１

Description

この発明は、ボイラのＮＯx処理システムに関する。

出願人は、酸化触媒を用い、バーナの空気比を理論空気比近傍に制御することで、極低ＮＯxを可能とする低ＮＯx化技術を特許文献１などで提案している。この特許文献１の低ＮＯx化技術は、排出ＮＯx濃度およびＣＯ濃度を実質的に零にすることができると共に、理論空気比近傍で燃焼させるので、省エネを達成できる。しかし、酸化触媒に流入する排ガス中の酸素濃度が低いために、酸化触媒のイオウ（Ｓ）被毒の影響が大きく、実用化のためにはＳ被毒の対策が重要となる。また、バーナの空気比を理論空気比近傍の狭い範囲で制御しなければならないので、空気比制御が容易ではない。

特開２００８−５７９５６号公報

この発明が解決しようとする課題は、酸化触媒のＳ被毒の影響を少なくできると共に、難しい空気比制御を必要とすることなく、ＮＯxを低減することである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、
請求項１に記載の発明は、燃料を燃焼させて排ガスを生成させるバーナと、前記バーナにて生成される排ガスから吸熱する吸熱部とを備え、前記吸熱部を通過後の前記排ガス中に一酸化炭素の濃度が実質的に零で、一酸化窒素が含まれるように、前記排ガス中の酸素濃度を理論空気比の酸素濃度より高い所定濃度に調整したボイラと、
前記吸熱部の下流側に設けられ、一酸化炭素の濃度が実質的に零の状態で、前記排ガス中に含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に設けられ、表面で生成された結露水に二酸化窒素を溶解させるエコノマイザと、
前記二酸化窒素が溶解して生ずる硝酸および亜硝酸を中和剤にて中和処理する中和処理手段とを含むボイラのＮＯx処理システムを特徴としている。

ここで、「一酸化炭素濃度が実質的に零」は、好ましくは、５ppm，さらに好ましくは、３ppmである。また、酸素濃度の「所定濃度」は、０．５％以上、４．０%以下が好ましい。

この発明によれば、酸化触媒に流入する排ガス中の酸素濃度を理論空気比の酸素濃度より高い濃度としているので、酸化触媒のＳ被毒の影響を少なくできると共に、理論空気比近傍の難しい空気比制御を必要とすることなく、ＮＯxを低減することができる。

この発明を実施したボイラのＮＯx処理システムの実施例１の一部縦断面の概略構成図である。同実施例１のボイラの模式的な燃焼特性図である。この発明を実施したボイラのＮＯx処理システムの実施例２の一部縦断面の概略構成図である。

この発明のボイラのＮＯx処理システムの実施例１を図面に従い説明する。

（実施例１の構成）
この実施例１のＮＯx処理システム（以下、単に、システムと称する。）は、蒸気ボイラ（以下、単にボイラと称する。）１と、酸化触媒（以下、単に触媒と称する。）２と、エコノマイザ３と、中和処理手段４とを含んで構成されている。なお、このＮＯx処理システムは、酸化触媒２および中和処理手段４を含んだボイラ１と称することができる。

ボイラ１は、バーナ５と、このバーナ５から生成される排ガスの吸熱を行う吸熱部としての水管群６を含む缶体７と、バーナ５へガス燃料を供給する燃料供給手段８と、バーナ５へ燃焼空気を供給するとともに燃焼空気および燃料を予混合する燃焼空気供給手段９と、燃料供給手段８および燃焼空気供給手段９などを制御する制御器１１とを備えている。

バーナ５は、平面状の燃焼面（予混合気の噴出面）を有する完全予混合式バーナである。このバーナ５は、特許文献１に記載のバーナと同様の構成であるが、この形式のバーナに限定されない。

缶体７は、上部管寄せ１２および下部管寄せ１３を備え、この両管寄せ間に吸熱部としての水管群６を構成する複数の内側水管６Ａ，６Ａ，・・・を配置している。そして、缶体７の長手方向の両側部に外側水管（図示省略）を連結部材（図示省略）で連結して構成した一対の水管壁（図示省略）を設け、この両水管壁（図示省略）と上部管寄せ１２および下管寄せ１３との間にバーナ５からの排ガスがほぼ直線的に流通する第一排ガス通路１４を形成している。第一排ガス通路１４の一端にはバーナ５が設けられ、他端には排排ガスが流通する第二排ガス通路（煙道）１５が接続されている。この実施例１においては、バーナ５および缶体７は、公知のものを用いている。

燃料供給手段８は、ガス燃料供給管１６と、このガス燃料供給管１６に設けた燃料流量を調整する流量調整弁１７とを含んで構成されている。流量調整弁１７は、燃料供給量を高燃焼用流量と低燃焼用流量とに制御する機能を有する。

燃焼空気供給手段９は、送風機１８と、この送風機１８からバーナ５へ燃焼空気を供給する給気通路１９とを含んで構成されている。給気通路１９内へは、ガス燃料供給管１６が燃料排ガスを噴出するように接続されている。

そして、ボイラ１は、予め、水管群６を通過後の排ガス中の一酸化炭素の濃度が実質的に零で、一酸化窒素の濃度が第一所定濃度Ｐ１で含まれるように、排ガス中の酸素濃度を理論空気比の酸素濃度より高い第二所定濃度Ｐ２としている。

今、ボイラ１の燃焼特性，すなわち水管群６の下流の排ガスの酸素（Ｏ_２）濃度に対する一酸化炭素（ＣＯ）濃度と、ＮＯx（ＮＯとＮＯ_２）濃度との関係が模式的に図２で示されるものであったとする。この実施例１では、排ガスのＯ_２濃度を２％とすることで、触媒２に流入する排ガスのＣＯ濃度は、実質的に零となっている。なお、図２から明らか
なように、排ガスのＯ_２濃度を２％より大きい数値にしても触媒２に流入する排ガスのＣＯ濃度は、実質的に零となるが、そうしないのは、空気比増加による効率の低下を防ぐためである。

第二排ガス通路１５は、排ガスの流れ方向の変化応じて、水平方向流部１５Ａ→第一垂直上昇流部１５Ｂ→垂直下降流部１５Ｃ→第二垂直上昇流部１５Ｄが形成されている。水平方向流部１５Ａには、触媒５が装着され、垂直下降流部１５Ｃには、触媒５の下流側に位置するように排熱回収器としてのエコノマイザ（給水予熱器）３が装着され、垂直下降流部１５Ｃから第二垂直上昇流部１５Ｄへの流れ変更分部には、中和処理手段４を設けている。この第二排ガス通路１５の構成は、図示のものに限定されない。

エコノマイザ３は、低温の缶体７への給水と高温の排ガスとが間接的に熱交換する熱交換器であり、排ガスが接触する表面に結露水が生成される。そして、その結露水にＮＯ_２が溶解して、硝酸（ＨＮＯ_３）、亜硝酸（ＨＮＯ_２）を生成する。このエコノマイザ３は、排ガスと結露水との接触面積を大きくするように、できるだけ表面積を大きい、フィンチューブ式熱交換器とするが、これに限定されるものではない。

触媒５は、流入する排ガス中のＣＯ濃度が実質的に零の状態で、排ガス中に含まれるＮＯをＮＯ_２に酸化する機能を有している。この実施例１では、特許文献１と同様に、触媒活性物質として、一般的に白金を用いているが、実施に応じて、白金に代表される貴金属（Ａｇ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ）または金属酸化物を用いることができる。

つぎに、中和処理手段４について説明する。図１を参照して、中和処理手段４は、エコノマイザ３にて生成され、ＨＮＯ_３およびＨＮＯ_２を含む結露水（ドレン）を貯留する結露水貯留部４Ａと、この結露水貯留部４Ａ内へ中和剤を投入する投入窓（図示省略：常時は蓋で閉じている）と、中和処理済の結露水を排出する排水路４Ｂとを含んで構成されている。排水路４Ｂには、結露水の排出を制御する排水弁４Ｃが設けられ、排水弁４Ｃは、制御器１１により、排水スイッチ（図示省略）の操作により、自動的に制御されるが、手動操作弁とすることができる。中和剤としては、この実施例では、粒子状の炭酸カルシウムを用いるが、水酸化ナトリウム，酸化カルシウム，水酸化カルシウム，水酸化マグネシウムなどを用いることができる。中和剤は、粒子状のものに限定されず、液体であってもよい。この実施例１では、中和剤の結露水貯留部４Ａへの投入を手動で行うように構成しているが、排水と同様に自動化することも可能である。

（実施例１の動作）
ここで、上述の構成を有する実施例の動作を説明する。水管群６を通過後の排ガスの酸素濃度が２％となっている。その結果、図２に示すように、触媒２へ流入する排ガス中のＣＯ濃度，ＮＯ濃度，ＮＯ_２濃度は、それぞれ零，Ｐ１ppm，Ｐ２ppmとなっている。

排ガス中のＣＯ濃度が零となっているので、触媒２では、次式の反応により、ＮＯが酸化されてＮＯ_２となる。
ＮＯ＋１／２Ｏ_２→ＮＯ_２

ついで、エコノマイザ３では、排ガスと給水とが熱交換することで、表面に結露水が生じる。この結露水に排ガス中に含まれるＮＯ_２が溶解し、次式の反応で、硝酸および亜硝酸を生ずる。
２Ｈ_２Ｏ＋２ＮＯ_２→ＨＮＯ_３＋ＨＮＯ_２

硝酸および亜硝酸を含んだ結露水は、落下して結露水貯留部４Ａに貯留される。そして、投入された中和剤としての炭酸カルシウムにより、硝酸および亜硝酸が次式の反応で中
和される。
ＣａＣＯ_３＋２ＨＮＯ_３→Ｃａ（ＮＯ_３）_２＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ
ＣａＣＯ_３＋２ＨＮＯ_２→Ｃａ（ＮＯ_２）_２＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ

中和処理された結露水は、排水路４Ｂを通して排水される。こうして、排ガス中のＮＯx濃度が中和処理により低減されることになる。Ｃａ（ＮＯ_３）_２およびＣａ（ＮＯ_２）_２は、水に溶解していて排水される。

触媒２に流入する排ガス中のＯ_２濃度を理論空気比とすると、Ｓが酸化物として飛散せず触媒２上にとどまるために、触媒２のＳ被毒量が多くなる。これに対して、上記の実施例１によれば、理論空気比のＯ_２濃度より高い濃度Ｙとしているので、触媒２のＳ被毒の影響を少なくできる。また、特許文献１のような理論空気比近傍の難しい空気比制御を必要とすることなく、ＮＯxを低減することができる。

この発明は、前記実施例１に限定されるものではない。実施例１は、酸素濃度センサから信号に基づき、触媒２に流入する排ガスの酸素濃度を設定濃度に制御する空気比調整手段を備えない簡易な構成のシステムとしている。しかしながら、この発明は、図３に示す実施例２のように、空気比調整手段を備えたシステムにも適用可能である。以下に、実施例２について、実施例１と異なる構成を中心に説明し、実施例１と同じ構成は同じ符号を付してその説明を省略する。

図３を参照して、実施例２のシステムでは、給気通路１９を流れる燃焼空気量を調整することでバーナ５の空気比を調整する空気比調整手段２０を含んでいる。空気比調整手段２０は、給気通路１９の開度（流路断面積）を調整する流量調整手段としてのダンパ２１と、このダンパ２１の開度位置を調整するためのダンパ位置調整装置２２と、このダンパ位置調整装置２２の作動を制御する制御器１１とを含んで構成されている。なお、空気比調整手段２０は、ダンパ２１を用いることなく、送風機１８をインバータ制御するものであってもよい。

そして、制御器１１は、触媒５の上流において酸素濃度を検出するセンサ２３からの信号を入力して、空気比調整手段２０を制御することにより、センサ２３により検出される水管群６の下流の排ガスのＯ_２濃度が第二設定濃度Ｙ＝２％（設定Ｏ_２濃度）となるように、構成されている。

実施例２による排ガスのＮＯx処理動作は、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。

さらに、この発明は、実施例１および実施例２に限定されるものではない。たとえば、ボイラ１は蒸気ボイラ以外の温水ボイラにも適用される。また、缶体７および吸熱部は、図１の構造のものに限定されない。

１蒸気ボイラ（ボイラ）
２酸化触媒
３エコノマイザ
４中和処理手段
５バーナ
６水管群（吸熱部）

Claims

燃料を燃焼させて排ガスを生成させるバーナと、前記バーナにて生成される排ガスから吸熱する吸熱部とを備え、前記吸熱部を通過後の前記排ガス中に一酸化炭素の濃度が実質的に零で、一酸化窒素が含まれるように、前記排ガス中の酸素濃度を理論空気比の酸素濃度より高い所定濃度に調整したボイラと、
前記吸熱部の下流側に設けられ、一酸化炭素の濃度が実質的に零の状態で、前記排ガス中に含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に設けられ、表面で生成された結露水に二酸化窒素を溶解させるエコノマイザと、
前記二酸化窒素が溶解して生ずる硝酸および亜硝酸を中和剤にて中和処理する中和処理手段とを含むことを特徴とするボイラのＮＯx処理システム。