JP2016022425A

JP2016022425A - 脱硝装置

Info

Publication number: JP2016022425A
Application number: JP2014148111A
Authority: JP
Inventors: 吉田　和生; Kazuo Yoshida; 和生吉田; 清高竹内; Kiyotaka Takeuchi; 博之吉村; Hiroyuki Yoshimura; 圭吾内山; Keigo Uchiyama
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2016-02-08

Abstract

【課題】脱硝触媒層への燃焼排ガスの流入を妨げることなく、灰の塊による脱硝触媒層の詰まりで燃焼排ガスの圧力損失が上昇することを抑制可能な脱硝装置を提供する。【解決手段】燃焼灰を含む燃焼排ガス中の窒素化合物を還元する脱硝触媒層３０が水平に配置され、最上段の脱硝触媒層に燃焼排ガスを導入する排ガス導入流路の流路断面に穴あき体からなる灰堆積プロテクタ６を配置してなる脱硝装置１において、灰堆積プロテクタを、流路断面の少なくとも一部に配置される傾斜面６１ａを有する第１穴あき体６１と、第１穴あき体の下端部に配置されて傾斜面に沿って落下する燃焼灰を貯留する第２穴あき体６２とから形成する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼灰を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する脱硝触媒層が配置された脱硝装置に関する。

火力発電所や各種工場から排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）は、光化学スモッグや酸性雨の原因物質であり、その除去技術としてアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤とする選択的接触還元反応による排煙脱硝法が用いられている。この選択的接触還元反応は下記式(１)に示すように、燃焼排ガス中に含まれるＮＯｘに対してＮＨ_３を注入して脱硝触媒により還元するものである。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２ → ４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ … (１)

特に、石炭を燃料とする火力発電所などの燃焼排ガスは、燃焼灰を含んでいるため、脱硝触媒層の目詰まりをもたらし、経時的な圧力損失の上昇や脱硝性能の低下を引き起こすことが懸念される。石炭を燃料とした高濃度の燃焼灰を含む排ガスの脱硝触媒層には、板状もしくはハニカム状のいわゆるパラレルフロー型のものが用いられる。このうち板状触媒は、ハニカム状触媒よりも燃焼排ガスの圧損が低く、燃焼灰の堆積が起こり難いとともに、摩耗に強いという利点を有する。一方、脱硝装置は、例えば複数の板状触媒エレメントを枠体内に所定ピッチで積層してユニット化し、これを複数積み重ねてブロック化して階層状に配置して形成される。そして、このような脱硝装置の最上段の脱硝触媒層の上方から燃焼排ガスを導入し、最下段の脱硝触媒層まで流過させ、次工程の排ガス処理装置に排出するようになっている。この場合、最上段の脱硝触媒層の上に燃焼灰が堆積するという問題がある。

また、石炭の性質やボイラの運転条件によっては、ポップコーンアッシュ（数ｍｍから十数ｍｍの灰の塊）に代表される大粒径の灰の塊が形成される場合がある。ポップコーンアッシュのような灰の塊は、細かい灰よりも脱硝触媒層に詰まり易いため、それだけ燃焼排ガスの圧力損失の上昇を引き起こし易い。特に、灰の塊の詰まりを発端として、細かい灰が脱硝触媒層内に堆積されるようになり、脱硝触媒層の全体に詰まりが広がってしまうおそれがある。

このための対策として、特許文献１には、グレーチングや金属網などの穴あき体により構成される平板状の灰堆積プロテクタを最上段の脱硝触媒層の上流側に配置し、触媒エレメントに対する灰の塊の堆積を防ぐことが開示されている。また、特許文献２〜４には、脱硝装置の上流側に金網などを設けて灰の塊をトラップ除去することが開示されている。

特公昭５９−４１８０号公報特開２００３−１６４７２９号公報特開昭６１−１２９０２９号公報特開２００９−１１９３８４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された対策では、水平方向に配置した脱硝触媒層の上方から燃焼灰を含む燃焼排ガスが下方に向かって流れる脱硝装置の場合、最上段の脱硝触媒層に流入する燃焼排ガスを遮るように平板状の灰堆積プロテクタが配置される。したがって、触媒エレメントへの灰の塊の落下を抑制可能な一方で、灰堆積プロテクタの上に広範囲に亘って灰の塊が堆積するため、脱硝触媒層に対する燃焼排ガスの流れが阻害されてしまうおそれがある。また、特許文献２〜４に開示された対策では、脱硝装置の大掛かりな改造が必要となるだけでなく、灰の堆積状況に応じた汎用的な対応が難しいといった問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、脱硝触媒層への燃焼排ガスの流入を妨げることなく、灰の塊による脱硝触媒層の詰まりで燃焼排ガスの圧力損失が上昇することを抑制可能な脱硝装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の脱硝装置は、燃焼灰を含む燃焼排ガス中の窒素化合物を還元する脱硝触媒層が水平に配置され、最上段の脱硝触媒層に燃焼排ガスを導入する排ガス導入流路の流路断面に穴あき体からなる灰堆積プロテクタを配置してなり、前記灰堆積プロテクタは、前記流路断面の少なくとも一部に配置される傾斜面を有する第１穴あき体と、前記第１穴あき体の下端部に配置されて前記傾斜面に沿って落下する前記燃焼灰を貯留する第２穴あき体とからなることを特徴とする。

これによれば、灰堆積プロテクタを排ガス導入流路の流路断面に配置することで、燃焼排ガス中の燃焼灰の塊を第１穴あき体の傾斜面で捕捉し、これを傾斜面に沿って落下させ、第２穴あき体により形成される溜まり部に貯留することができる。したがって、燃焼灰が脱硝触媒層に入り込むことを抑制でき、脱硝触媒層の詰まりを軽減できる。また、燃焼灰を第１穴あき体の傾斜面上を落下させることで、傾斜面に燃焼灰の塊が堆積されることを抑制できるから、燃焼排ガスの脱硝触媒層へのスムーズな流入を長期にわたって維持することができる。また、灰堆積プロテクタのメンテナンスは、定期点検等による脱硝装置の停缶時に第２穴あき体に形成された溜まり部に貯留された燃焼灰の塊を除去するだけで済むから、メンテナンス負荷を軽減することができる。

この場合、前記第１穴あき体は、前記燃焼排ガスの流過方向へ向かうに従って互いに離間するように、水平方向に対して傾斜する少なくとも一対の傾斜面を有する屋根型に形成することができ、前記第２の穴あき体は、前記第１穴あき体の下端部を取り囲む枠状に形成することができる。

本発明の脱硝装置によれば、脱硝触媒層への燃焼排ガスの流入を妨げることなく、灰の塊による脱硝触媒層の詰まりで燃焼排ガスの圧力損失が上昇することを抑制できる。

本発明の一実施形態の脱硝装置を模式的に示す図である。本発明の一実施形態の脱硝装置が備える脱硝反応器に配置される脱硝触媒層の構成を示す図である。本発明の一実施形態の灰堆積プロテクタの構成を示す斜視図である。灰堆積プロテクタの第２穴あき体のポップコーンアッシュの貯留態様を示す図である。燃焼排ガス中の燃焼灰の脱硝触媒層に対する堆積状況の一例を示す図である。

以下、本発明の脱硝装置について、添付図面を参照して説明する。図１に示すように、脱硝装置１は、石炭燃焼設備等から排出される燃焼灰を含む燃焼排ガスの流れに沿って、その上流側から順番に排ガス導入ダクト２、脱硝反応器３、排ガス排出ダクト４を備えて構成されている。

排ガス導入ダクト２は、脱硝反応器３へ導入される燃焼排ガスの流れが垂直下向きとなるように配管されている。脱硝反応器３は、脱硝触媒層３０を水平に配置して構成され、これらの脱硝触媒層３０に燃焼排ガスを上方から下方へ流過させることで、燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を、アンモニア（ＮＨ_３）を還元剤とする選択的接触還元反応により除去している。還元反応に必要なアンモニアは、最上段の脱硝触媒層３０の上流に設けたノズル（図示しない）から燃焼排ガス中に注入されるようになっている。脱硝反応器３により窒素酸化物が除去された燃焼排ガスは、排ガス排出ダクト４から排出され、次工程の排ガス処理装置等に送られる。

脱硝反応器３に配置される脱硝触媒層３０は、板状部材に触媒成分を担持して形成された多数の触媒エレメントを組み付けて構成されている。図２(ａ)に示すように、触媒エレメント３１は、複数枚が同一ピッチ（４ｍｍ〜１０ｍｍ程度）で並んで角筒状の枠体５に収容され、まずユニット化される。そして、触媒ユニット３２は、図２(ｂ),(ｃ)に示すように、複数個を一組として組み付けられ、ブロック化される。この場合、互いの触媒エレメント３１の配列方向が直交するように、触媒ユニット３２を上下に積み重ねて１つの触媒ブロック３３が構成されている。本実施形態では、触媒ブロック３３が脱硝反応器３に、垂直方向に所定間隔をあけて３段に配置され、これらの触媒ブロック３３により３層の脱硝触媒層３０が形成されている。各層の脱硝触媒層３０は、触媒ブロック３３の上側の開口から燃焼排ガスを流入させ、下側の開口から排出させる。

図１に示すように、脱硝装置１には、燃焼灰が脱硝触媒層３０に流入して堆積することを防止する灰堆積プロテクタ６が設けられている。図３及び図４は、灰堆積プロテクタ６の構成を示す概略図である。図３に示すように、灰堆積プロテクタ６は、グレーチング７や金属網８などの穴あき部材で形成された第１穴あき体６１と第２穴あき体６２を備えている。

第１穴あき体６１は、グレーチング７を芯材とし、グレーチング７の全体を覆うように金属網８を張り付けて形成されており、金属網８の穴（網目）から燃焼排ガスを通過させ、脱硝触媒層３０に流入させられるようになっている。一方で、第１穴あき体６１は、燃焼排ガスに含まれる数ｍｍから十数ｍｍ程度の大粒径の灰の塊（以下、ポップコーンアッシュという。）よりも細目の金属網８をグレーチング７に張り付けることで、ポップコーンアッシュを通過させることなく、捕捉できるようになっている。

第１穴あき体６１には、ポップコーンアッシュを捕捉し、これを傾斜に沿って落下させる傾斜面６１ａが形成されている。本実施形態では、燃焼排ガスの流過方向である下方へ向かうに従って互いに離間するように、水平方向に対して傾斜する一対の傾斜面６１ａが第１穴あき体６１に形成されている。一対の傾斜面６１ａは、いずれも矩形の平板状に延在していわゆる三角屋根型（逆Ｖ字型）をなし、最上段の脱硝触媒層３０を構成する触媒ブロック３３の排ガス流入口を覆うようになっている。これらの傾斜面６１ａの傾斜角度は、任意に設定することができるが、燃焼排ガス中のポップコーンアッシュが傾斜面６１ａに沿って容易に落下可能で、傾斜面６１ａの上に堆積することを抑制可能な４５°前後（４０°から５０°程度の間）に設定することが好ましい。

第１穴あき体６１の下端部には、傾斜面６１ａに沿って落下するポップコーンアッシュを貯留する第２穴あき体６２が配置されている。第２穴あき体６２は、一対をなす傾斜面６１ａの下端部からそれぞれ起立し、傾斜面６１ａとの間にポップコーンアッシュを貯留するたまり部６２ａを形成するとともに、これらの起立部分の間を連結して第１穴あき体６１の下端部を取り囲むような枠状に形成されている。この場合、第１穴あき体６１と一体的に第２穴あき体６２を形成してもよいし、第１穴あき体６１とは別体に形成した第２穴あき体６２を第１穴あき体６１と組み付けても構わない。いずれの場合であっても、第２穴あき体６２は、第１穴あき体６１と同様に、ポップコーンアッシュよりも細目の金属網８で形成すればよい。なお、グレーチングに金属網８を張り付けて第２穴あき体を形成してもよい。

第２穴あき体６２の起立高さは、任意に設定することができるが、図４に示すように、第１穴あき体６１の傾斜面６１ａに沿って落下したポップコーンアッシュ９を、溜まり部６２ａで一定期間（例えば、定期点検の実施間隔）にわたって貯留することが可能な高さに設定する。この場合、燃焼排ガス中のポップコーンアッシュ９の含有量の予測等により起立高さを設定すればよいが、脱硝装置１の内部点検時等におけるポップコーンアッシュ９の貯留量に応じて、例えば角筒状の穴あき体を第２穴あき体６２の上部に取り付けるなどして起立高さを適宜伸延させてもよい。

このような第１穴あき体６１及び第２穴あき体６２からなる灰堆積プロテクタ６は、燃焼排ガスを通過させる一方で、燃焼排ガス中のポップコーンアッシュを捕捉するフィルタ機能を果たしており、最上段の脱硝触媒層３０に燃焼排ガスを導入する排ガス導入流路の流路断面（排ガス導入流路の軸方向と直交する平面）に配置される。本実施形態では、排ガス導入流路を水平方向に遮断するように配置される最上段の脱硝触媒層３０を構成する触媒ブロック３３の上に、灰堆積プロテクタ６が配置されている。

これにより、燃焼排ガスの脱硝触媒層３０への流入を妨げることなく、ポップコーンアッシュ９のみを第１穴あき体６１の傾斜面６１ａで捕捉して傾斜面６１ａに沿って落下させ、第２穴あき体６２に貯留することができる。したがって、ポップコーンアッシュ９が脱硝触媒層３０に入り込んでしまうことを抑制でき、触媒エレメント３１間の詰まりを軽減できる。また、ポップコーンアッシュ９が第１穴あき体６１の傾斜面６１ａの上に堆積されることを抑制できるから、燃焼排ガスの脱硝触媒層３０へのスムーズな流入を長期にわたって維持することができる。すなわち、燃焼排ガスがポップコーンアッシュ９を含んでいたとしても、脱硝触媒層３０における燃焼排ガスの圧力損失の上昇を最小限に抑えることができ、脱硝効率の低下を防止することができる。また、灰堆積プロテクタ６のメンテナンスは、定期点検等による脱硝装置１の停缶時に第２穴あき体６２の溜まり部６２ａに貯留された燃焼灰を除去するだけで済むから、メンテナンス負荷を軽減することができる。

例えば、脱硝装置１の設計段階で燃焼排ガス中にポップコーンアッシュ９のような灰の塊が含まれることが予測されている場合、脱硝反応器３に脱硝触媒層３０を充填する際に、最上段の脱硝触媒層３０の全体もしくは一部の上に灰堆積プロテクタ６を予め配置しておけば、脱硝反応器３への充填時から脱硝触媒層３０に対するポップコーンアッシュ９の堆積防止を図り、燃焼排ガスの圧損上昇を確実に抑制することができる。具体的には、シミュレーション等を用いてポップコーンアッシュ９の堆積量分布を事前に行い、堆積量が多いと予想される箇所の触媒ブロック３３の上に灰堆積プロテクタ６を配置する。

一例として、図５に示すようなポップコーンアッシュ９の堆積量分布が予想される場合には、同図において左右方向両側の堆積量の多い箇所の触媒ブロック３３の上に灰堆積プロテクタ６を配置すればよい。すなわち、該当箇所に灰堆積プロテクタ６を配置するだけで済むため、比較的短工期で簡便に、かつピンポイントで脱硝触媒層３０に対するポップコーンアッシュ９の堆積防止を図ることができる。なお、図５において、堆積量が少ないと予想される箇所の触媒ブロック３３の上には、グレーチングや金属網のような穴あき部材で平板状に形成されたプロテクタ（フィルタ部材）１０を配置すればよい。この場合、プロテクタ１０は、灰堆積プロテクタ６と同様に、ポップコーンアッシュ９よりも穴の小さな穴あき部材で形成することが好ましい。

これに対し、脱硝反応器３への脱硝触媒層３０の充填時に灰堆積プロテクタ６を配置していない場合であっても、脱硝装置１の内部点検時等に脱硝触媒層３０の所定箇所（触媒ブロック３３）の上にポップコーンアッシュ９を含む燃焼灰の堆積が確認されれば、脱硝装置１の停缶期間等に、燃焼灰の堆積が著しい箇所の触媒ブロック３３の上に灰堆積プロテクタ６を配置するだけで、以後の脱硝触媒層３０に対する燃焼灰の堆積防止を図ることができる。すなわち、必要な個所のみに灰堆積プロテクタ６を事後配置すればよいため、実際の灰の堆積状況に応じて汎用的に対応することができ、無駄なく低コストに、かつ即効性を持って燃焼灰の堆積防止を図ることができる。本実施形態では、灰堆積プロテクタ６を第１穴あき体６１と第２穴あき体６２のみからなる簡素な構成とすることで、このような汎用的な対応を可能としている。一例として、図５に示すような燃焼灰の堆積状況が確認された場合には、同図に示すように左右方向両側の堆積量の多い箇所の触媒ブロック３３の上に灰堆積プロテクタ６を新たに配置すればよい。

以上、本発明を図１〜図５に示すような一実施形態に基づいて説明したが、上述した実施形態は本発明の一例に過ぎないものであり、本発明は上述した実施形態の構成のみに限定されるものではない。

例えば、上述した本実施形態では、灰堆積プロテクタ６の第１穴あき体６１には一対の傾斜面６１ａを形成しているが、一対の台形状もしくは三角形状に延在する傾斜面を形成するとともに、これらの傾斜面の間に三角形状に延在する傾斜面をもう一対形成することで、第１穴あき体を４面体としてもよい。なお、一対であるか二対であるかを問わず、傾斜面の水平方向に対する傾斜角度は、対をなす傾斜面同士で同一でなくとも構わない。また、垂直方向に起立して矩形状に延在する鉛直面と、その鉛直面から燃焼排ガスの流過方向である下方へ向かうに従って離間するように傾斜する一面の傾斜面を形成し、第１穴あき体をいわゆる鋸屋根型としてもよい。

また、上述した本実施形態では、最上段の脱硝触媒層３０を構成する触媒ブロック３３の上に、灰堆積プロテクタ６を配置しているが、最上段の脱硝触媒層３０よりも上流側、例えば排ガス導入ダクト２内などに灰堆積プロテクタ６を配置してもよいし、最上段に加えて中段及び最下段の脱硝触媒層３０を構成する触媒ブロック３３の上に灰堆積プロテクタ６を配置することも可能である。

１脱硝装置
６灰堆積プロテクタ
３０脱硝触媒層
６１第１穴あき体
６１ａ傾斜面
６２第２穴あき体

Claims

燃焼灰を含む燃焼排ガス中の窒素化合物を還元する脱硝触媒層が水平に配置され、最上段の脱硝触媒層に燃焼排ガスを導入する排ガス導入流路の流路断面に穴あき体からなる灰堆積プロテクタを配置してなり、
前記灰堆積プロテクタは、前記流路断面の少なくとも一部に配置される傾斜面を有する第１穴あき体と、前記第１穴あき体の下端部に配置されて前記傾斜面に沿って落下する前記燃焼灰を貯留する第２穴あき体とからなることを特徴とする脱硝装置。
前記第１穴あき体は、前記燃焼排ガスの流過方向へ向かうに従って互いに離間するように、水平方向に対して傾斜する少なくとも一対の傾斜面を有する屋根型に形成され、
前記第２の穴あき体は、前記第１穴あき体の下端部を取り囲む枠状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。