JP6587933B2

JP6587933B2 - 脱硝装置

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Publication number: JP6587933B2
Application number: JP2015254624A
Authority: JP
Inventors: 慶一中川; 幹也桜井; 聖人板倉; 仁徳永; 尚哉奥住; 博一堤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: DK180165B1; MY189577A; RU2690823C1; WO2017110292A1; US10478774B2; JP2017113731A; DK201870420A1; US20180369749A1

Description

本発明は、脱硝装置に関し、詳しくは、還元剤を注入することにより燃焼炉で生成される排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置に関する。

従来より、アンモニアガスを供給して排ガス中のＮＯｘを還元し、無害なＮ_２に変化させる脱硝技術が種々提案されており、一般的な適用範囲は８００〜１０００℃であることは知られている。ここで、１０００℃以上の排ガスにアンモニアガスを供給すると、アンモニアガスが燃焼して却ってＮＯｘが増加し、一方８００℃以下の排ガスにアンモニアガスを供給すると還元反応の速度が遅く、脱硝が良好に進行しない。

脱硝を行う場合、アンモニアガスを排ガス中に供給するノズルの設置場所は、該排ガスが８００〜１０００℃にある領域内に設定するのが好ましい。しかし、通常、この領域には熱交換器群が設置される関係でスペースに余裕がない。このため、この領域内へアンモニアガスを供給するノズルを設置することが難しく、通常は、燃焼炉の燃焼直後の、通常排ガスが１０００℃以上となる領域のスペース内に上記ノズルを設置せざるを得なかった。

特開２００１−１８７３１５号公報

特許文献１には、通常排ガスが１０００℃以上の領域となる可能性の高い燃焼直後のスペース内にアンモニアガスを供給するノズルを多数設置した脱硝装置の例が示されている。
このような脱硝装置では、多数のノズルを設置したことにより、ある程度の高い脱硝率を維持することは可能であるが、上記理由等により、排ガスの脱硝率のさらなる向上を図ることは難しい。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃焼炉の燃焼直後の通常排ガスが１０００℃以上となる領域のスペース内に上記ノズルを設置せざるを得ない場合でも、その脱硝率を従来よりもさらに向上させることができる脱硝装置を提供することにある。

本発明に係る脱硝装置では、上記目的を達成するために、還元剤を注入することにより燃焼炉で生成される排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置において、一端に上記排ガスの排出口を備え、流量断面が上記排出口に向かって除々に広くなる形状に形成したハウジングを上記燃焼炉の上方に設置し、上記ハウジングにより上記排ガスを集合させて上記排出口に導くとともに、上記ハウジングの他端側に上記還元剤を注入するようにした構成としている。

また、本発明に係る脱硝装置の一実施の形態では、上記ハウジングは、その天井部がその一端からその他端に向かって下側へ傾斜するように形成されている構成とすることができる。
さらに、本発明に係る脱硝装置の一実施の形態では、上記還元剤としてアンモニアガスを採用し、上記排ガスが１０００℃以上の場合に、上記排ガス流量に対し、最大０．１％，好ましくは０．０１〜０．０６vol％の上記アンモニアガスを上記排ガス中に吹き込む構成としている。

さらに、本発明に係る脱硝装置の一実施の形態では、上記アンモニアガスを上記排ガス中に吹き込む位置が、上記ハウジング内の排ガスの量の５０％以下となるその他端側の領域内であり、上記排ガス中に吹き込むアンモニアガス量の５０％以上が、上記ハウジング内の排ガスの量の３０％以下、好ましくは２０％以下となるその他端側の領域内である構成としている。

さらにまた、本発明に係る脱硝装置の一実施の形態では、上記アンモニアガスを供給する吹き出し流速を１００〜２０００Ｎｍ／ｓ、好ましくは３００〜１０００Ｎｍ／ｓとする構成としている。
さらに、本発明に係る脱硝装置の一実施の形態では、アンモニアガスと同時にかつ同じ位置から窒素を吹き込む構成としている。
さらにまた、本発明に係る脱硝装置の一実施の形態では、窒素の供給量はアンモニアガス供給量に対し、０．１〜５倍、好ましくは０．５〜２倍である構成としている。

本発明に係る脱硝装置では、還元剤を注入することにより燃焼炉で生成される排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置において、一端に上記排ガスの排出口を備え、流量断面が上記排出口に向かって除々に広くなる形状に形成したハウジングを上記燃焼炉の上方に設置し、上記ハウジングにより上記排ガスを集合させて上記排出口に導くとともに、上記ハウジングの他端側に上記還元剤を注入するようにした構成としているので、燃焼炉の燃焼直後の、通常排ガスが１０００℃以上となる領域のスペース内に上記ノズルを設置せざるを得ない場合でも、上記還元剤により排ガスをその上流側から温度を脱硝に適した温度範囲まで低下させることができ、それにより、脱硝率を従来よりもさらに向上させることができる。

本発明に係る脱硝装置の一実施形態を示すもので、燃焼炉の上部に脱硝装置を設置した様子を示す断面図である。本発明に係る脱硝装置の一実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。本発明に係る脱硝装置の一実施形態における脱硝効果を示すもので、とくに、アンモニアガスの供給量と排ガス中の酸素濃度３％環境でのＮＯｘの濃度との関係を示すグラフである。本発明に係る脱硝装置の一実施形態における脱硝効果を示すもので、とくに、排ガス温度と排ガス中の酸素濃度３％環境でのＮＯｘの濃度との関係を示すグラフである。本発明に係る脱硝装置の一実施形態における脱硝効果を示すもので、とくに、排ガス流量に対するアンモニアガスの供給割合と、酸素濃度３％環境でのＮＯｘの濃度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る脱硝装置の実施の形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る脱硝装置１は、還元剤としてアンモニアガスを採用し、このアンモニアガスを注入することにより燃焼炉２で生成される排ガス中の窒素酸化物を除去するものである。

この脱硝装置１は、適宜な間隔を置いて設置された２連の燃焼炉２，２を備えており、これらの燃焼炉の上方に、これらの燃焼炉の上部を覆うハウジング３を備えている。それぞれの組の燃焼炉２は、その一端２ａから他端２ｂに渡って、多数のバーナー２ｃを複数列備えた構成となっている(図１および図２参照)。

ハウジング３は、その一端３ａに燃焼炉２からの排ガスを熱交換器４側へ排出するための排出口５を備えている。さらに、ハウジング３は、図２に概念的に示すように、その両側の肩部３ｂ，３ｂに対してその中央部３ｃが上方へ突出した、断面略ハット形状に形成され、しかも、流量断面が該排出口５に向かって除々に広くなるように中央部３ｃの天井３ｄをその一端３ａからその他端３ｅに向かって下側へ傾斜させた構成となっている(図１および図２参照)。

ハウジング３の上記形状により、燃焼炉２，２から排出される排ガスは、図１に矢印で示すように、その上方のハウジング３によって集められて、天井部３ｄの傾斜に沿って排出口５側に導かれるようになっている。

さらに、ハウジング３の他端３ｅ側の両側の肩部３ｂ，３ｂには、アンモニアガスを排ガス中に噴出供給するための複数のノズル６が配設されている。なお、以後の説明の便宜上、ハウジング３をその一端３ａから他端３ｅにかけて、均等に６つの領域に分け、それらの境界に、それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇと付する（図１参照）。

アンモニアガスを吹き込むノズル６の位置は、ハウジング３内の排ガスの量の５０％以下となるその他端３ｅ側の領域内（図１において、境界Ｄ〜Ｇ）であり、排ガス中に吹き込むアンモニアガス量の５０％以上が、ハウジング３内の排ガスの量の３０％以下、好ましくは２０％以下となるその他端３ｅ側の領域内（図１において、略境界ＥとＦの間〜Ｇ）としている。

図２は、ノズル６の位置がハウジング３の他端３ｅ側の肩部３ｂに配設された様子を示している。図２は、一例として、図示しない反応管とともに燃焼炉２を２連配設した例を示している。図２より明らかなように、本実施形態に係る脱硝装置１は、２連の燃焼炉２，２の上方を、ハウジング３を跨らせて該ハウジング１つで覆う構成となっている。

本実施形態に係る脱硝装置１の作用について説明する。
当該装置１では、図１に矢印で示すように、燃焼炉２からの排ガスが約１０００℃以上のままハウジング３内へ向かって上昇するとともに、その天井部３ｄに沿って排出口５へ流れる。その際、ノズル６からハウジング３の他端３ｅ側である、いわゆる上流にある排ガス中にアンモニアガスが噴出される。このときのアンモニアガスの供給量は、排出口５を通過する排ガスの流量に対し、最大０．１vol％相当であることが好ましい。このとき、アンモニアガスは、排ガスの上流側に噴出されるので、排ガスがハウジング３の一端３ａ側である下流側に流れるに従ってアンモニアガスが広範囲に広がり、排ガスを広範囲に渡ってアンモニアガスにより冷却する効果を得ることができるので、排ガス中のＮＯｘを高効率で低減することができる。

詳しく説明すると、当該脱硝装置１では、排ガスの上流側は排ガス量が少ないため、排ガス全体量に対するアンモニアガスの割合は少量でも、上流側の領域においては、アンモニアガスの割合が高くなり、上流側の排ガスを冷却する効果を得ることができる。また、上流側の排ガス流速は遅く、アンモニアガスを供給してもすぐに混合しないため、アンモニアガスが下流に流れるに従ってハウジング３内の排ガス中に広がる。これにより、低温のアンモニアガス群が排ガスを広範囲に渡ってその温度を低下させ、排ガス中のＮＯｘの還元を効率よく進行させることができる。本装置を用いた方法によれば、脱硝率は１５％前後（１０〜２０％）である。

さらに、他の実施形態では、排ガスが１０００℃以上の場合に、アンモニアガスを排ガス中に吹き込む量を、排ガス流量に対し、最大０．１vol％とし、アンモニアガスを供給する吹き出し流速を１００〜２０００Ｎｍ／ｓ、好ましくは３００〜１０００Ｎｍ／ｓとしている。これにより、排ガスの部分的な冷却効果を得ることができ、高効率の脱硝効果を得ることができる。

なお、アンモニアガスを排ガス中に吹き込む量が２０００Ｎｍ／ｓ以上の場合は、アンモニアガスが広範囲に広がり、部分的な冷却効果が得られず、温度が高温のままとなり、脱硝効果が得られにくく、逆にＮＯｘが増加する。また、アンモニアガスを排ガス中に吹き込む量が１００Ｎｍ／ｓ以下の場合は、アンモニアガスが局所的に高濃度となり、ＮＯｘ還元反応が限定的となり、脱硝率が得られない。

また、アンモニアガスの供給と同時に窒素を、アンモニアガスのノズル６と同じ位置から供給するようにしても良い。これによれば、窒素によるアンモニアガス群の温度が高くなるのを抑制することができるとともに、アンモニアガス群の周囲の酸素濃度が低下されるので、アンモニア自体のＮＯｘ化を抑制することができる。なお、このときの窒素の供給量はアンモニアガス供給量に対し、０．１〜５倍、好ましくは０．５〜２倍であることが好ましい。

ただし、窒素の供給量がアンモニア供給量に対し、０．１倍以下の場合、効果を発揮しない。一方、５倍以上の場合、ＮＯｘとの接触機会が減少し、反応しなくなる。また、大量の窒素が必要となり、経済的でない。

本脱硝装置１によるＮＯｘ除去効果の事例について、図３および図４を参照しながら説明する。図３は、排ガス温度が１０５５℃の条件において，脱硝装置１の上流側領域Ｆ〜Ｇにおいて、窒素の供給量を全排ガス流量の０．０４vol％とし、アンモニアガスの供給量と、酸素濃度３％環境でのＮＯｘの濃度との関係を示すものである。図３によれば、アンモニアガスを供給することにより，ＮＯｘ濃度が減少し，特に０．０１〜０．０６vol％において有効であることがわかる。

図４は、脱硝装置１の上流側領域Ｆ〜Ｇにおいて、アンモニアガスの供給割合を０．０３５vol％とした場合の、排ガスの温度と酸素濃度３％環境でのＮＯｘの濃度との関係を示すものである。図４によれば、排ガス温度が１０５５℃であるが，図３のアンモニアガスを供給しない場合のＮＯｘ濃度１３４ｍｇ/ＮＭ３に比べて，約１５％低い１１５ｍｇ/ＮＭ３に低減できたことがわかる。

図５は、排ガス温度約１０００℃の場合であり，脱硝装置１の上流側領域Ｆ〜Ｇ（Ｕｐｓｔｒｅａｍ）もしくは，Ａ〜Ｂ（Ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）において、窒素の供給量を全排ガス流量の０．０４vol％とし、アンモニアガスの供給割合と、酸素濃度３％環境でのＮＯｘの濃度との関係を示すものである。図５によれば、下流側にアンモニアガスを供給するより、上流側にアンモニアガスを供給する方が、ＮＯｘ除去率が高く、下流側にアンモニアガスを供給した場合は，大量のガスによりアンモニアガス混合排ガスの温度が高いままとなり、ＮＯｘが発生する結果となっていることがわかる。

図２に示した例による脱硝装置１は、燃焼炉２を２連配設し、これらの燃焼炉２の上方を１つのハウジング３により覆う構成としたものであるが、本発明はこれに限定されず、さらに複数連または１連のみの燃焼炉２をハウジング３で覆うようにしても勿論良い。

なお、上記実施形態では、本発明の脱硝装置を反応管を加熱する燃焼炉に適用したが、本発明はこれに限らず、ゴミの燃焼炉等、ＮＯｘを低減する必要のある燃焼炉であればいずれの燃焼炉にも適用することができ、要は、本発明のハウジングを上方に設置でき、排ガスの上流側である、該ハウジングの排ガスの排出口から遠い側においてアンモニアガスを供給できるように構成された燃焼炉であれば良い。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１脱硝装置
２燃焼炉
２ａ一端
２ｂ他端
２ｃバーナー
３ハウジング
３ａ一端
３ｂ肩部
３ｃ中央部
３ｄ天井部
３ｅ他端
４熱交換器
５排出口
６ノズル

Claims

還元剤を注入することにより燃焼炉で生成される排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置において、
一端に上記排ガスの排出口を備え、流量断面が上記排出口に向かって除々に広くなる形状に形成したハウジングを上記燃焼炉の上方に設置し、
上記ハウジングにより上記排ガスを集合させて上記排出口に導くとともに、上記ハウジングの他端側に上記還元剤を注入するようにしたことを特徴とする脱硝装置。
上記ハウジングは、その天井部がその一端からその他端に向かって下側へ傾斜するよう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。
上記還元剤としてアンモニアガスを採用し、上記排ガスが１０００℃以上の場合に、上記排ガス流量に対し、最大０．１vol％，好ましくは０．０１〜０．０６vol％の上記アンモニアガスを上記排ガス中に吹き込むことを特徴とする請求項２に記載の脱硝装置。
上記アンモニアガスを上記排ガス中に吹き込む位置が、上記ハウジング内の排ガスの量の５０％以下となるその他端側の領域内であり、上記排ガス中に吹き込むアンモニアガス量の５０％以上が、上記ハウジング内の排ガスの量の３０％以下となるその他端側の領域内であることを特徴とする請求項３に記載の脱硝装置。
上記アンモニアガスを供給する吹き出し流速を１００〜２０００Ｎｍ／ｓとすることを特徴とする請求項４に記載の脱硝装置。
アンモニアガスと同時にかつ同じ位置から窒素を吹き込むことを特徴とする請求項５に記載の脱硝装置。
窒素の供給量はアンモニアガス供給量に対し、０．１〜５倍であることを特徴とする請求項６に記載の脱硝装置。