(57)【要約】ガスタービンで生じる排ガスが流れる排ガスダクトに設置され、脱硝処理を行う脱硝触媒の、排ガスの流れ方向における上流側で排ガスにアンモニアを注入するアンモニア注入装置（１０）であって、排ガスダクトを横切る面内に互いに平行に配置される複数のアンモニア注入管（１１）を備える。アンモニア注入管には、アンモニア注入管からのアンモニアを複数のアンモニア泣入管の配列方向に噴出させるノズル管（１２）がアンモニア注入管の長手方向に複数設けられている。ノズル管には、ノズル管を中心にしてアンモニア注入管の長手方向両側で且つ排ガスの流れ方向における下流側に向けで延出する拡散板（１３）が設けられている。このアンモニア注入装置は、排ガス脱硝システムのコンパクト化に寄与することができる。
2012060378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器で生じる排ガスが流れる排ガスダクトに設置され、脱硝処理を行う脱硝触媒の、前記排ガスの流れ方向における上流側で前記排ガスにアンモニアを注入するアンモニア注入装置であって、
前記排ガスダクトを横切る面内に互いに平行に配置される複数のアンモニア注入管を備え、
前記アンモニア注入管には、前記アンモニア注入管からのアンモニアを複数のアンモニア注入管の配列方向に噴出させるノズル管が前記アンモニア注入管の長手方向に複数設けられ、
前記ノズル管には、ノズル管を中心にして前記アンモニア注入管の長手方向両側で且つ前記排ガスの流れ方向における下流側に向けて延出する拡散板が設けられている
アンモニア注入装置。
【請求項２】
前記拡散板が、前記上流側にて前記ノズル管に支持されている請求項１に記載のアンモニア注入装置。
【請求項３】
前記拡散板が、矩形状の平板を中央で折曲させた形状を成し、この中央の折曲部分が、前記上流側から前記ノズル管に固定されている請求項２に記載のアンモニア注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンやボイラ等の燃焼器で生じる排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する排ガス脱硝システムに用いられるアンモニア注入装置に係る。本願は、２０１０年１１月２日に日本に出願された特願２０１０−２４６１５１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。【０００２】
上記した排ガス脱硝システムでは、ガスタービンやボイラ等の燃焼器に続く排ガスダクト内に上記アンモニア注入装置が配置され、この排ガスダクト内におけるアンモニア注入装置の下流側に脱硝触媒が配置される。
アンモニア注入装置は、排ガスダクトを横切るように互いに平行に配置される複数のアンモニア注入管を備え、これらのアンモニア注入管には、多数の注入孔が形成されている。【０００３】
この排ガス脱硝システムでは、アンモニア注入装置の複数のアンモニア注入管から脱硝触媒に向かう排ガスに対してアンモニアを注入し、このアンモニアを含んだ排ガスを脱硝触媒で反応させることで、窒素酸化物を窒素と水とに分解して無公害化している。【０００４】
この場合、アンモニア注入装置から脱硝触媒までの距離を長くして排ガスにアンモニアが十分に拡散するための滞留時間を確保したり、複数のアンモニア注入管及び多数の注入孔をそれぞれ高密度に配置したり、アンモニア注入装置と脱硝触媒との問に混合装置を配置する等の方法で、排ガス中へのアンモニアの均一な注入を図っている。【０００５】
近年、ガスタービンコンバインドサイクルなどでは、排熱回収ボイラがコンパクト化されるのに伴って、排熱回収ボイラ内に収納されるアンモニア注入装置と脱硝触媒との距離が短くなる傾向にある。アンモニア注入装置から脱硝触媒までの距離が短いと、アンモニア注入装置から注入するアンモニアと排ガスとの混合が不十分になって、脱硝触媒における脱硝機能が十分に発揮されない場合がある。【０００６】
従来、複数のアンモニア注入管に、排ガスの流れ方向に対する正の迎え角をもつ対の放射状第１平板翼と、排ガスの流れ方向に対する負の迎え角をもつ対の放射状第２平板翼とを長さ方向に交互に多数対ずつ設けたアンモニア注入装置が提案されている（例えば、特許文献1参照）。
このアンモニア注入装置では、多数対ずつ設けた放射状第１平板翼及び放射状第２平板翼によって、アンモニア注入管の下流側に渦を生じさせる。そして、このような渦のある排ガスの流れの中に注入孔からアンモニアを注入することで、排ガス中へのアンモニアの均一な混合が、脱硝触媒までの短い距離で達成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２７９７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した従来のアンモニア注入装置では、排ガス中へのアンモニアの均一な混合を比較的短い距離で達成することができる。しかしながら、排ガス脱硝システムのより一層のコンパクト化を実現するためには、排ガスとアンモニアとの均一な混合をより短い距離で行わせることが要求されている。すなわち、より混合性能に優れたアンモニア注入装置の出現が要求されている。【０００９】
本発明は、上記した要求に着目してなされたもので、従来と比較して、排ガスとアンモニアとの均一な混合をより短距離で行うことができ、その結果、排ガス脱硝システムのコンパクト化に寄与することが可能であるアンモニア注入装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、燃焼器で生じる排ガスが流れる排ガスダクトに設置され、脱硝処理を行う脱硝触媒の、前記排ガスの流れ方向における上流側で前記排ガスにアンモニアを注入するアンモニア注入装置に関する。本発明に係るアンモニア注入装置は、前記排ガスダクトを横切る面内に互いに平行に配置される複数のアンモニア注入管を備える。アンモニア注入管には、アンモニア注入管からのアンモニアを複数のアンモニア注入管の配列方向に噴出させるノズル管がアンモニア注入管の長手方向に複数設けられる。また、ノズル管には、ノズル管を中心にして前記アンモニア注入管の長手方向両側で且つ前記排ガスの流れ方向における下流側に向けて延出する拡散板が設けられている。
なお、以下の記載中、特に注記しない限り、「上流側」及び「下流側」とは、上述した排ガスの流れ方向における上流側及び下流側を指す。【００１１】
また、本発明に係るアンモニア注入装置において、前記拡散板が、上流側にて前記ノズル管に支持されていることが好ましい。例えば、前記拡散板が、矩形状の平板を中央で折曲させた形状を成し、この中央の折曲部分が上流側から前記ノズル管に固定されていることが好ましい。【００１２】
本発明に係るアンモニア注入装置が用いられる排ガス脱硝システムでは、例えば、燃焼器からの排ガスダクト内にアンモニア注入装置が配置され、この排ガスダクト内におけるアンモニア注入装置の下流側に脱硝触媒が配置される。【００１３】
排熱回収ボイラが十分な設置スペースを考慮して計画される場合には、高圧蒸発器の上流側にアンモニア注入装置が配置され、高圧蒸発器の下流側に脱硝触媒が配置されることが多い。この場合、アンモニア注入装置から排ガス中に注入されたアンモニアは、脱硝触媒に到達するまでの間に、高圧蒸発器の伝熱管によって十分に排ガス中に混合される。
一方、排熱回収ボイラのコンパクト化を図って、限られたスペースにアンモニア注入装置及び脱硝触媒を設置する場合において、すなわち、コンパクト化が求められる排ガス脱硝システムに用いられる場合において、アンモニア注入装置は脱硝触媒の上流側に極めて接近して配置される。なお、上流側高圧蒸発器とアンモニア注入装置との間に、ＣＯＣ（ＣＯ酸化触媒）が配置される場合もある。この場合も、アンモニア注入装置と脱硝触媒との距離が短くなる。【００１４】
本発明に係るアンモニア注入装置では、燃焼器で生じた排ガスが、排ガスダクトを横切るように設置されたアンモニア注入装置の複数のアンモニア注入管を通過すると、アンモニア注入管に配置した複数の拡散板によって、アンモニア注入管の下流側に渦が生じる。【００１５】
この際、拡散板は、アンモニア注入管の長手方向に複数設けられたノズル管を介して配置されているうえ、拡散板自体が矩形状平板を中央で折曲させた形状を成している。しかも、この折曲する中央の両側部分がノズル管を中心にしてアンモニア注入管の長手方向両側で且つ下流側に向けて延出している。その結果、アンモニア注入管の下流側には、カルマン渦が生じる。そして、このようなカルマン渦のある排ガスの流れの中にノズル管からアンモニアを注入すると、排ガス中へのアンモニアの均一な混合が、脱硝触媒までの短い拒離で達成される。【００１６】
また、ノズル管を中心にしてアンモニア注入管の長手方向両側に延出する拡散板が矩形状の平板を中央で折曲させた形状を成し、拡散板の中央の折曲部分をノズル管の上流側に固定した場合には、装置の製作にかける手間が低減される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るアンモニア注入装置では、上記した構成により、排ガスとアンモニアとをより限られたスペースで均一に混合させることができる。したがって、アンモニア注入装置を脱硝触媒の近傍に配置することが可能となり、その結果、排ガス脱硝システムのコンパクト化への貢献という非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態によるアンモニア注入装置をガスタービンコンバインドサイクルに適用した場合の概略構成を示す図である。
【図２Ａ】図１のアンモニア注入装置を構成するアンモニア注入管を下流側から見た場合の、アンモニア注入装置の全体構造を説明する図である。
【図２Ｂ】図１のアンモニア注入装置のアンモニア注入管に設けたノズル管及び拡散板を上流側から見た拡大図である。
【図２Ｃ】図１のアンモニア注入装置の拡散板の構造を示す平面図である。
【図２Ｄ】図１のアンモニア注入装置の要部を示す拡大斜視図である。
【図３Ａ】本発明の各実施例によるアンモニア注入装置の性能試験に用いた試験モデルの構造を説明する正面図である。
【図３Ｂ】本発明の各実施例によるアンモニア注入装置の性能試験に用いた試験モデルの構造を説明する側面図である。
【図４】比較例としてのアンモニア注入装置を構成するアンモニア注入管の構造を説明する斜視図である。
【図５】本発明の各実施例及び比較例によるアンモニア注入装置の性能試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の来施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の一実施形態によるアンモニア注入装置を示しており、この実施形態では、木器明のアンモニア注入装置をガスタービンコンバインドサイクルに適用した場合を示す。
【００２０】
図１に示すように、このアンモニア注入装置１０は、ガスタービンＧＴ（燃焼器）で生じる排ガスＧ中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する脱硝システムに用いられる。この排ガス脱硝システムにおいて、アンモニア注入装置１０は、ガスタービンＧＴから煙突４に続く排ガスダクト１内に配置され、アンモニア注入装置１０の下流側には脱硝触媒２が配置される。そして、これらの排ガス脱硝システムを挟むようにして上流側には高圧蒸発器３Ｕが位置し、下流側には低圧蒸発器３Ｌが位置している。
【００２１】
このアンモニア注入装置１０は、排ガスダクト１を横切る面内において上下方向に互いに平行に配置される複数のアンモニア注入管１１を備えている。この場合、図２Ａ，Ｂに示すように、個々のアンモニア注入管１１は水平方向に延び、かつアンモニア注入管１１には、アンモニア注入管１１を通して供給されるアンモニアを上下方向にそれぞれ噴出させる上向き及び下向きのノズル管１２が、アンモニア注入管１１の長手方向の複数個所に配置されている。なお、アンモニア注入管１１が、排ガスダクト１を横切る面内で左右方向に互いに平行に配置される場合、個々のアンモニア注入管１１は上下方向に延び、かつアンモニア注入管１１に配置されるノズル管１２は、左向き及び右向きのノズル管１２となり、供給されるアンモニアを左右方向にそれぞれ噴出させる。
【００２２】
このノズル管１２には、図２Ｂ，Ｃに示すように、ノズル管１２を中心にしてアンモニア注入管１１の長手方向両側（図示左右側）で且つ下流側（図２Ｃの上側）に向けて延出する拡散板１３が設けられている。この場合、拡散板１３は、矩形状平板を中央で折曲させた形状を成しており、この中央の折曲部分が、上流側からノズル管１２の側面に固定されている。
【００２３】
この排ガス脱硝システムでは、アンモニア注入装置１０から脱硝触媒２に向かう排ガスＧに対してアンモニアを注入し、このアンモニアを含んだ排ガスＧを脱硝触媒２で反応させることで、窒素酸化物を窒素と水に分解して無公害化する。
【００２４】
上記したアンモニア注入装置１０において、ガスタービンＧＴで生じた排ガスＧが、排ガスダクト１を横切るように設置された複数のアンモニア注入管１１を通過すると、アンモニア注入管１１に配置した複数の拡散板１３によって、アンモニア注入管１１の下流側に渦が生じる。
【００２５】
この際、拡散板１３は、アンモニア注入管１１の長手方向に複数設けられたノズル管１２を介して配置されている。そのうえ、拡散板１３自体が矩形状平板を中央で折曲させた形状を成し、この折曲する中央の両側部分がノズル管１２を中心にしてアンモニア注入管１１の長手方向両側で且つ下流側に向けてそれぞれ延出している。その結果、アンモニア注入管１１の下流側にカルマン渦が生じる。そして、このようなカルマン渦のある排ガスＧの流れの中にノズル管１２からアンモニアを注入することにより、排ガスＧ中へのアンモニアの均一な混合が、脱硝触媒２までの短い距離で達成される。
【００２６】
また、この実施形態に係るアンモニア注入装置１０において、ノズル管１２を中心にしてアンモニア注入管１１の長手方向両側に延出する放散板１３は、中央で折曲させた矩形状平板をノズル管１２上流側に固定して形成されている。そのため、図２Ａ〜Ｄに示す構造を有するアンモニア注入装置１０の製作にかける手間が低減される。
また、ノズル管１２の上流側に拡散板１３が設置されることにより、拡散板１３の下流側（裏側）で生成するカルマン渦により、ノズル管１２から噴射されたアンモニアが排ガス中に強制混合されるという効果が得られる。これに対し、ノズル１２の上流側に拡散板１３を設置しない場合には、拡散板１３の下流側でカルマン渦による強制混合による作用を受けず、ノズル管１２から噴射されたアンモニアは、噴射されたアンモニア自体の噴霧作用により排ガス中に拡散していくため、混合効果は相対的に低下すると考えられる。
【００２７】
なお、図２Ａ〜Ｄに示す構造を有するアンモニア注入装置１０において、複数のノズル管１２のピッチＰと、拡散板１３のガス流れに対する幅Ｗとの比が、０．５〜１．５の範囲内にあることが望ましい。この比が０．５未満となると、拡散板１３によるカルマン渦による強制混合効果が低下し、アンモニアの拡散性が低下する可能性がある。また、この比が１．５を超えると、拡散板１３の両サイドからの排ガス流入量が減り、カルマン渦による強制混合効果が低下し、アンモニアの拡散性が低下する可能性がある。
また、ノズル管１２の長さｌと、拡散板１３の高さＨとの比が、０．２５〜０．７５の範囲内にあることが望ましい。この比が０．２５未満または０．７５を超える場合には、ノズル１２の噴出孔の位置が拡散板１３の中心からずれてくるので、カルマン渦による強制混合効果が低下し、アンモニアの拡散性が低下する可能性がある。
さらに、中央で折曲する拡散板１３の片側の開き角度θが３０°〜９０°であることが望ましい。この角度θが３０°未満または９０°を超える場合には、カルマン渦による強制混合効果が低下し、アンモニアの拡散性が低下する可能性がある。
［実施例１］
【００２８】
図２Ａ〜Ｄに示す構造を有し、複数のノズル管１２のピッチＰを２００ｍｍ、中央で折曲する拡散板１３の片側の開き角度θを６０°、拡散板１３のガス流れに対する幅Ｗを１００ｍｍ、拡散板１３の高さＨを１００ｍｍ、ノズル管１２の長さｌを約５５ｍｍ、アンモニア注入管１１の半径ｄを約４５ｍｍとし、アンモニア注入管１１と拡散板１３との隙間寸法を約８．５ｍｍ、上方に位置する拡散板との隙間寸法ｂを約５０ｍｍ、アンモニア注入管１１の中心から上方に位置する拡散板までの距離ｃを約２０５ｍｍとして、実施例１のアンモニア注入装置１０を製作した。
［実施例２］
【００２９】
また、アンモニア注入管１１と拡散版１３との隙間寸法ａを約１４ｍｍ、アンモニア注入管１１の中心から上方に位置する拡散絞までの距離ｃを約２１０ｍｍとし、他の仕様を実施例１の仕様と同じにした実施例２のアンモニア注入装置１０を製作した。
［実施例３］
【００３０】
さらに、複数のノズル管１２のピッチＰを３００ｍｍ、拡散板１３のガス離れに対する幅Ｗを１５０ｍｍ、拡散板１３の高さＨを約１５０ｍｍ、ノズル管１２の長さｌを約１４０ｍｍ、アンモニア注入管１１と拡散板１３との隙間寸法ａを約３５ｍｍ、上方に位置する拡散板との隙間寸法ｂを約７５ｍｍ、アンモニア注入管１１の中心から上方に位置する拡散板までの距離ｃを約３０５ｍｍとし、他の仕様を実施例１の仕様と同じにした実施例３のアンモニア注入装置１０を製作した。
［実施例４］
【００３１】
さらにまた、ノズル管１２の長さｌを約１１０ｍｍとし、他の仕様を実施例３の仕様と同じにした実施例４のアンモニア注入装置１０を製作した。
【００３２】
上記した実施例１〜４のアンモニア注入装置１０のアンモニア混合性能を確かめるべく、図３Ａ，Ｂに示すように、基礎Ｅに対向して立役したフレームＦ，Ｆ間に、実施例１〜４のアンモニア注入装置１０の各アンモニア注入管１１を上下に並べて架設し、フレームＦ，Ｆ間のアンモニア注入装置１０から０．５ｍずつ計測断面を離間させて、最大２．０m離れた位置で噴霧媒体（擬似アンモニア）の濃度計測を行った。計測断面は、両アンモニア注入管１１，１１の間に設定される５×９点の計測グリッドＳである。
【００３３】
この際、図４に示すように、比較例として、従来のアンモニア注入装置、すなわち、アンモニア注入管１１１に、排ガスの流れ方向に対する正の迎え角をもつ対の放射状第１平板翼１１２と、排ガスの流れ方向に対する負の迎え角をもつ対の放射状第２平板翼１１３とを長さ方向に交互に多数対ずつ設けたアンモニア注入装置１１０に対しても、上記と同様の試験を行った。
上記試験の結果を図５に示す。なお、図５のグラフにおいて、縦軸の変動率（％）は、断面濃度の標準偏差を断面平均濃度で割った値である。
【００３４】
図５に示すように、比較例のアンモニア注入装置１１０では、アンモニア注入装置１１０から２．０m離れた位置で、ようやく噴霧媒体濃度分布は変動率として２０％程度以下まで到達するのに対して、本実施例１〜４に係るアンモニア注入装置１０では、アンモニア注入装置１０から１．５m離れた位置で、既に変動率が１０％まで到達している。これにより、本実施例１〜４に係るアンモニア注入装置１０が、比較例のアンモニア注入装置１１０と比べて、優れた混合性能を有していることが実証できた。
【００３５】
なお、本実施例３、４に係るアンモニア注入装置１０では、本実施例１、２に係るアンモニア注入装置１０よりも、アンモニア注入装置１０間近での変動率は劣るものの、ノズル管１２のピッチＰを大きくすることができる分だけ、部品点数の削滅が図られる。
【００３６】
また、本発明に係るアンモニア注入装置の構成や適用場所は、上記した実施形態及び実施例に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
このアンモニア注入装置は、排ガス脱硝システムのコンパクト化に寄与することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  排ガスダクト、２  脱硝触媒、１０  アンモニア注入装置、１１  アンモニア注入管、１２  ノズル管、１３  拡散板、Ｇ  排ガス
【図１】
2012060378.tif 000003
【図２Ａ】
2012060378.tif 000004
【図２Ｂ】
2012060378.tif 000005
【図２Ｃ】
2012060378.tif 000006
【図２Ｄ】
2012060378.tif 000007
【図３Ａ】
2012060378.tif 000008
【図３Ｂ】
2012060378.tif 000009
【図４】
2012060378.tif 000010
【図５】
2012060378.tif 000011
【国際調査報告】
2012060378.tif 000012
2012060378.tif 000013
2012060378.tif 000014
2012060378.tif 000015