JP5170974B2

JP5170974B2 - 排煙脱硝装置

Info

Publication number: JP5170974B2
Application number: JP2006094542A
Authority: JP
Inventors: 了介中川; 哲郎引野
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007268355A; WO2007116602A1

Description

本発明は排煙脱硝装置に係り、アンモニア水直接噴霧システムの信頼性を向上し硫黄酸化物含有排ガスにおいてもノズル閉塞の問題を低減し、プラント効率向上に配慮した排煙脱硝装置に関する。

主に発電用ボイラ等に設置される排煙脱硝装置は、ボイラの燃焼排ガス中から窒素酸化物（ＮＯｘ)を除去するために、ボイラ節炭器出口の排ガスダクト中において脱硝反応の還元剤であるアンモニアを注入し、排ガスと充分な混合後、脱硝触媒上において脱硝反応を行っている。

近年、液化アンモニアに比べて保管及び取扱いが容易なことから、アンモニア水が用いられるケースが多く、アンモニア水をボイラ節炭器出口の排ガスダクト中へ噴霧し、蒸発・排ガスとの混合後脱硝反応を行うプラントが増えている。アンモニア水を排ガス中に噴霧する際には、例えば特許文献１、特許文献２に示されているように、通常二流体ノズルが用いられ、アンモニア水を噴霧空気により微粒化し、アンモニア水の蒸発促進を図っている。

アンモニア水を排ガス中に噴霧する際、排ガス中に硫黄酸化物（以降、ＳＯｘと略す)が含まれている場合、二流体ノズル付近の排ガス中のＳＯｘと反応し、酸性硫酸アンモニウム(以降、酸性硫安という)を生成し、ノズル周辺部において結晶を生成しノズルの詰りを引き起こすことが知られている。

このため、ノズル周辺以外を外装管で覆いノズル部周辺の孔からパージ空気を流すことによりノズル部への硫黄分含有排ガスが直接触れることを防止し、酸性硫安付着を抑制した。また、電気ヒータ等によりパージ空気を１００℃以上に加熱することにより酸性硫安の発生を回避し、プラントの信頼性確保を図ってきた。

一方、アンモニア水を噴霧した排ガスには通常偏流が生じており、この偏流の影響を受けた噴霧箇所下流ではアンモニア水の分布を生じ、そのまま蒸発するため、排ガス中にアンモニア分布を引き起こし、脱硝装置の性能低下等の問題が生じていた。

発電用ボイラにおける脱硝装置は、通常、脱硝触媒の性能上３００−３５０℃の排ガス温度が必要なことからボイラ節炭器後流に設置される。これまでは、図２に示されるように、アンモニア水を排ガス中に噴霧する際、排ガス中に硫黄酸化物(以降ＳＯｘと略す)が含まれている場合、二流体ノズルおよび連絡管を外装管で覆い、ノズル部の噴出し位置に孔を設けてパージ空気を流すことにより、ノズル部への硫黄分含有排ガスが直接触れることを防止し、酸性硫安付着を抑制した。又、電気ヒータ等によりパージ空気を１００℃以上に加熱することにより硫黄分酸性硫酸アンモニウム(以降、酸性硫安という)の析出を回避し、プラントの信頼性確保を図ってきた。

特許第３２９５４１９号特開平１１−３３３２５２号公報

一方、アンモニア水が噴霧される排ガスには通常偏流が生じており、この偏流の影響を受けた噴霧箇所下流ではアンモニア水が均等に分布されない。均等に分布していないアンモニア水がそのまま蒸発するため、排ガス中にアンモニアの偏在を引き起こし、脱硝装置の性能低下等の問題が生じていた。

排ガス偏流低減のために、噴霧ノズル上流にバッフルプレート等の設置も検討されているが、バッフルプレートに下流に発生する乱流の影響によりノズルから噴霧されたアンモニア水が蒸発する前に乱流に巻込まれ、アンモニア水を含む排ガスが逆流することによりアンモニア水が二流体ノズル管に付着、排ガス中のＳＯｘがアンモニア水と反応しノズル管表面に酸性硫安を生成することでノズル付近の閉塞に繋がっていた。

また、二流体ノズル全体を覆うように上流側にバッフルプレートを設置する方法も提案されているが、バッフルプレートにより二流体ノズル周辺部に充分な排ガスが供給されないことから、アンモニア水の蒸発に時間を要し、結果としてダクト流れ方向を長くすることから設置上制約を有していた。

本発明の課題は、アンモニア水直接噴霧システムに係るアンモニア水噴射ノズルの閉塞問題を解消するアンモニア注入装置を備えた排煙脱硝装置を提供することである。

上記の課題を解決する本発明は、ボイラ排ガス中に気体を用いてアンモニア水を噴霧する二流体ノズル管と、アンモニアを含む排ガスを通過させて脱硝反応を行わせる脱硝触媒とを有してなり、前記二流体ノズル管は、前記アンモニア水が流れる内管と前記気体が流れる外管とからなる二重管を、パージ空気が供給される外装管で覆って三重管状に形成され、前記二重管の先端部の管壁に前記排ガスの流れの下流側に向けて前記アンモニア水を前記気体とともに噴霧する吹出し孔と、前記吹出し孔に対向する前記外装管の管壁に前記アンモニア水と前記気体の噴霧を通過させる開口とが設けられ、前記吹出し孔の中心に対して同心をなす整流管が前記外装管の直交方向に装着され、前記整流管の内径は前記外装管の外径よりも大きく、前記整流管の両端はそれぞれ前記外装管の外周面の上流側と下流側に位置させて装着されてなることを特徴とする。

ボイラ出口からの排ガスは、二流体ノズル管の吹出し孔の中心に対して同心をなして外装管に装着された整流管により整流された後、二流体ノズル管の吹出し孔の周辺に至り、この排ガスに対し二流体ノズルの吹出し孔から排ガスの流れの下流側に向けてアンモニア水が噴霧される。排ガス中に噴霧されたアンモニア水は整流された排ガス中にて蒸発後、下流の脱硝触媒層へと流れることから、逆流による外装管への酸性硫安付着を防止できる。

また、二流体ノズル周辺に充分な排ガスが供給されることから短時間でのアンモニア水蒸発が可能となり、アンモニア水直接噴霧システム設置におけるスペース制約問題を解消できる。

本発明により、アンモニア水直接噴霧システムに係るアンモニア水噴射ノズルの閉塞問題が解消される。また、配置上制約の多いプラントにおいても、アンモニア水噴霧部周辺の必要スペースが縮小可能となる。

（第１の実施の形態）以下に本発明の排煙脱硝装置の第１の実施の形態を、図１を用いて説明する。図１に示す排煙脱硝装置は、ボイラ節炭器出口からの排ガスａを導く脱硝装置入口ダクトｂと、脱硝装置入口ダクトｂに接続され、脱硝触媒ｄを内装した脱硝装置ｃと、前記脱硝装置入口ダクトｂに内装されたアンモニア注入手段と、前記脱硝装置ｃ出口に設けられた、図示されていないＮＯｘ分析計と、を含んで構成されている。

アンモニア注入手段は、脱硝装置ｃ入口側の脱硝装置入口ダクトｂの壁面を貫通し、その軸線が、排ガスａの流れに直交するように、かつ先端部を脱硝装置入口ダクトｂ内に位置させて配置されている複数の二流体ノズル管ｈと、各二流体ノズル管ｈを個別に三重管状に覆う外装管ｊと、外装管ｊの装着された整流板ｋと、二流体ノズル管ｈと外装管ｊに脱硝装置入口ダクトｂの外部で接続されたアンモニア水配管、噴霧空気配管、パージ空気配管を含んで構成されている。

二流体ノズル管ｈは、中心にアンモニア水が流れる内管があり、その外側に噴霧空気が流れる外管が二重管をなしてかぶせられて形成されている。そして、二流体ノズル管ｈの先端部には、吹出し孔が設けられ、アンモニア水が噴霧空気とともに噴出されるようになっている。

各二流体ノズル管ｈは個別に三重管状に外装管ｊで覆われていて、外装管ｊの前記二流体ノズル管ｈの吹出し孔に対向する部分には、該吹出し孔からの噴霧を妨げる惧れのない大きさの円形の開口が設けられている。この開口の直径は、排ガスａの流れに直交する平面に投影したとき、外装管ｊの直径より小さく、前記外管の直径より大きくしてある。

また、外装管ｊには、図示のように、排ガスａの流れに沿う方向を軸線とする円筒状の整流板ｋが、前記吹出し孔の中心に対して同心をなして装着されている。整流板ｋの直径（内径）は外装管ｊの外径よりも大きく、その軸線方向の長さは、外装管ｊの外径よりも大きくしてある。したがって、整流板ｋの上流端は外装管ｊの外周面の上流端よりも上流側に位置し、整流板ｋの下流端は外装管ｊの外周面の下流端よりも下流側に位置している。なお、外装管ｊは整流板ｋの一方の壁面を貫通し、その先端は、整流板ｋの他方の壁面の内周面に固着されている。

各二流体ノズル管ｈの内管には、脱硝装置入口ダクトｂ外部でそれぞれアンモニア水配管ｅに接続され、外管には、同様に脱硝装置入口ダクトｂ外部で、それぞれ噴霧空気配管ｆが接続されている。さらに、外装管ｊには、脱硝装置入口ダクトｂ外部で、それぞれパージ空気配管ｇが接続されている。

ボイラ節炭器出口からの排ガスａは、脱硝装置入口ダクトｂにて二流体ノズル管ｈの先端の吹出し孔によりアンモニア水を噴霧される。排ガスａは、噴霧されたアンモニア水の蒸発に要する距離を経た後、脱硝反応器ｃへ流入し、脱硝触媒d上で脱硝反応を行う。脱硝反応によりＮＯｘを除去処理された排ガスが脱硝反応器ｃより排出される。

アンモニア水は、脱硝装置出口のＮＯｘ分析計により必要な量が計算され、二流体ノズル管ｈの先端部の吹出し孔を経て脱硝装置入口ダクトｂ内に注入される。このとき、アンモニア水は、その蒸発を促進するために、外管に供給される噴霧空気により、ノズル先端部の吹出し孔で霧滴状態となって脱硝装置入口ダクトｂ内に注入される。二流体ノズル管ｈおよびノズル先端部は外装管ｊにて覆われているので直接排ガスに曝されることはない。

外装管ｊへは、ボイラ押込み空気ファンからの一部の空気若しくは専用ファン等から送られる空気が、パージ空気配管gを経由してパージ空気として供給され、前記開口から脱硝装置入口ダクトｂ内にアンモニア水と共に注入される。このパージ空気は、図示されていない加熱手段により、１００℃以上に加熱されている。

脱硝装置入口ダクトｂにおける排ガスａは、外装管ｊに設置された整流板ｋにより、二流体ノズル噴射方向と平行な流れを保つように整流される。アンモニア水は整流板ｋを通過した排ガスと平行する方向に、二流体ノズル管ｈの吹出し孔から正確に下流に向けて噴射されるから、アンモニア水蒸発後においても排ガス中のアンモニアの偏在が抑制される。

また、整流板ｋにより二流体ノズル管先端部周辺における排ガス流れの逆流が抑制されるために、排ガス乱流による酸性硫安生成も防止される。

更に、外装管ｊの存在により、アンモニア水を噴霧する二流体ノズルに常に高温排ガスを供給可能となり、高温排ガスを供給することでアンモニア水の蒸発時間を短縮でき、結果としてダクト長さ或いは装置全体のコンパクト化が可能である。

本実施の形態によれば、ボイラ出口からの排ガスａは、二流体ノズル管ｈを覆う外装管ｊに設置された整流板ｋにより整流され、この整流された排ガスａに対し二流体ノズル管ｈからアンモニア水が噴霧される。排ガスａ中に噴霧されたアンモニア水は整流された排ガスａ中にて蒸発後、下流の脱硝触媒ｄへと流れることから、逆流による外装管ｊへの酸性硫安付着を防止できる。

また、二流体ノズル管ｈ周辺に充分な排ガスが供給されることから短時間でのアンモニア水蒸発が可能となり、アンモニア水直接噴霧システム設置におけるスペース制約問題を解消できる。
（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態を、図２を用いて説明する。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なるのは、円筒状の整流板ｋの上流端に、整流板ｋを塞ぐように、円板状の多孔板ｌが設置されている点であり、他の構成は前記第１の実施の形態と同じであるので説明を省略する。

本実施の形態においては、多孔板ｌは、整流板ｋの断面の形状をし、同じ大きさの６個の孔が円周方向に均等に分散配置されている。これら６個の孔は、整流板ｋの断面中心からの半径方向距離が同じ位置に、かつ、二流体ノズル管ｈの軸線に対し、対称に配置されている。また、整流板ｋの内径を２Ｒ、多孔板ｌの孔の径をｄとしたとき、ｄ／Ｒは、約０．４５としてある。

脱硝装置入口ダクトｂに流入する排ガス中の偏流影響が大きい場合、整流板ｋの上流端に多孔板ｌを設けることにより、排ガスの偏流影響を低減し、アンモニア水蒸発後の排ガス中のアンモニアの偏在が抑制される。

孔の径、数、配置は、本実施の形態の孔の径、数、配置に限らず、排ガス中の偏流の程度に応じて適宜選定することが望ましい。

本発明の第１の実施の形態に係る排煙脱硝装置の断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る排煙脱硝装置の断面図である。

符号の説明

ａボイラ排ガス
ｂ脱硝装置入口ダクト
ｃ脱硝装置
ｄ脱硝触媒
ｅアンモニア水配管
ｆ噴霧空気配管
ｇパージ空気配管
ｈ二流体ノズル管
ｊ外装管
ｋ整流板
ｌ多孔板

Claims

ボイラ排ガス中に気体を用いてアンモニア水を噴霧する二流体ノズル管と、アンモニアを含む排ガスを通過させて脱硝反応を行わせる脱硝触媒とを有してなり、前記二流体ノズル管は、前記アンモニア水が流れる内管と前記気体が流れる外管とからなる二重管を、パージ空気が供給される外装管で覆って三重管状に形成され、前記二重管の先端部の管壁に前記排ガスの流れの下流側に向けて前記アンモニア水を前記気体とともに噴霧する吹出し孔と、前記吹出し孔に対向する前記外装管の管壁に前記アンモニア水と前記気体の噴霧を通過させる開口とが設けられ、前記吹出し孔の中心に対して同心をなす整流管が前記外装管の直交方向に装着され、前記整流管の内径は前記外装管の外径よりも大きく、前記整流管の両端はそれぞれ前記外装管の外周面の上流側と下流側に位置させて装着されてなる排煙脱硝装置。
請求項１に記載の排煙脱硝装置において、前記整流管の上流端に、複数の開口を設けた多孔板が、前記整流管の上流側開口を塞ぐように装着されていることを特徴とする排煙脱硝装置。