(57)【要約】      （修正有）【課題】ボイラ内のガス温度条件の変動によって生じる脱硝効率の低下による脱硝剤消費量の増加を防止するとともに、未反応アンモニアのリークによって生じる白煙の発生防止や飛灰への臭気の移行を防止することができるボイラ内ガスの無触媒脱硝方法および無触媒脱硝装置を提供する。【解決手段】ボイラ内ガスを、脱硝剤として尿素水あるいはアンモニア水を使用して脱硝する無触媒脱硝方法において、ボイラ１の複数箇所に配設された、ボイラ内に脱硝剤を吹き込む脱硝剤吹き込みノズル９ａ〜９ｅのうち、運転負荷状況に応じて、最適の脱硝剤吹き込み位置にある脱硝剤吹き込みノズルのみに切り替えてボイラ１内に脱硝剤を吹き込む。脱硝剤は、ボイラ内のノズルでのガス温度が８００〜９５０℃となるノズルのうち最高温度の箇所に配置されている脱硝剤吹き込みノズルから吹き込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ内ガスを、脱硝剤として尿素水あるいはアンモニア水を使用して脱硝する無触媒脱硝方法において、
ボイラ内にボイラ内のガス温度が異なる複数箇所に配設された、ボイラ内に脱硝剤を吹き込む脱硝剤吹き込みノズルのうち、運転負荷状況に対して、アンモニアの反応効率が最大となる位置にある脱硝剤吹き込みノズルに切り替えてボイラ内に脱硝剤を吹き込むことを特徴とするボイラ内ガスの無触媒脱硝方法。
【請求項２】
ボイラ内に脱硝剤を吹き込む脱硝剤吹き込みノズルが、ボイラ内のガス温度が８００〜９５０℃のうち最高温度の箇所に配置されている脱硝剤吹き込みノズルであることを特徴とする請求項１に記載のボイラ内ガスの無触媒脱硝方法。
【請求項３】
ボイラ内のガスを、脱硝剤として尿素水あるいはアンモニア水を使用して脱硝する無触媒脱硝装置において、
ボイラ内に脱硝剤を吹き込む脱硝剤吹き込みノズルが複数箇所に配設され、
ボイラの運転負荷状況に応じて、複数の脱硝剤吹き込みノズルのうち、アンモニアの反応効率が最大となる位置にある脱硝剤吹き込みノズルを求める吹き込み位置演算装置を設け、
吹き込み位置演算装置で求められた脱硝剤吹き込みノズルのみに切り替える切り替え装置を配設したことを特徴とするボイラ内ガスの無触媒脱硝装置。
【請求項４】
脱硝剤の吹き込みノズルを燃焼空気ノズル若しくは攪拌用空気ノズルの中に設置したことを特徴とする上記請求項３の無触媒脱硝装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物燃焼ボイラ、発電用ボイラなどのボイラにおいて、ボイラ内ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解を効率よく行うことができるボイラ内ガスの無触媒脱硝方法および無触媒脱硝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所の発電ボイラ、廃棄物処理施設の排ガス処理設備の廃熱ボイラ、廃棄物を燃焼させる廃棄物燃焼ボイラなどでは、燃焼により排出される排ガス中の窒素酸化物の除去にアンモニア水、分解によってアンモニアを発生する尿素水を用いる接触還元法が利用されている（特許文献１，２参照）。
【０００３】
ボイラにおいて窒素酸化物を分解する無触媒脱硝では、ボイラ出口等に脱硝剤としてアンモニア水あるいは尿素水を吹き込む必要があり、脱硝剤を吹き込む位置のガス温度は、アンモニアの反応効率、熱による分解により８００℃〜９５０℃程度が最適である。一方で、ボイラ内のガス温度はボイラの運転状況によって大きく変化する。つまり、計画点に対し、高負荷運転時にはボイラ内のガス温度が上がり、尿素水吹き込み位置のガス温度が上がることでアンモニアが分解し、逆に、低負荷運転時にはボイラ内のガス温度が低下することでアンモニアの反応効率が低下し、その結果脱硝効率が低下する。
【特許文献１】特開２００２−６８７３５号公報
【特許文献２】特開平６−５８５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特に、ボイラ内ガス温度が低下することによってアンモニアの反応効率が低下した場合には、未反応アンモニアが煙突から排出される際に塩化水素と反応して塩化アンモニアが生成して白煙が出る問題や飛灰に臭いが移るといった問題があった。
【０００５】
また、従来の脱硝剤吹き込み位置が固定された脱硝方法では、吹き込み位置の温度を一定に保つため、過剰空気、過剰噴霧水等が必要となり、熱利用効率の低下を招いていた。
【０００６】
そこで、本発明は、ボイラ内のガス温度条件の変動によって生じる脱硝効率の低下による脱硝剤消費量の増加を防止するとともに、未反応アンモニアのリークによって生じる白煙の発生防止や飛灰への臭気の移行を防止することができるボイラ内ガスの無触媒脱硝方法および無触媒脱硝装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ボイラ内ガスを、脱硝剤として尿素水あるいはアンモニア水を使用して脱硝する無触媒脱硝方法において、ボイラ内にボイラ内のガス温度が異なる複数箇所に配設された、ボイラ内に脱硝剤を吹き込む脱硝剤吹き込みノズルのうち、運転負荷状況に応じて、最適の脱硝剤吹き込み位置にある脱硝剤吹き込みノズルのみに切り替えてボイラ内に脱硝剤を吹き込むことを特徴とする。脱硝剤は、ボイラ内のノズルでのガス温度が８００〜９５０℃となるノズルのうち最高温度の箇所に配置されている脱硝剤吹き込みノズルから吹き込む。
【０００８】
本発明において、ボイラの運転負荷状況を監視し、負荷状況に応じて脱硝剤の吹き込み位置を自動で適正に切替えるようにする場合、運転負荷状況の監視に、燃料投入量、燃料の種類、及び燃料投入量の変化の結果得られる、ガス温度、排ガス量等の変化をもって行う。
【０００９】
本発明では、ボイラ内のガス温度を測定し、ガス温度に応じて脱硝剤の吹き込み位置を自動で、適正に切り替えられる。ガス温度はボイラ内に設置した温度測定端又は複数の温度測定の結果得られた脱硝剤の吹込み位置でのガス温度演算値を用いて制御を行う。
【００１０】
脱硝剤の吹込み位置は、ボイラが火カボイラである場合には、脱硝剤の吹込み位置は、火炉出口、火炉中部、火炉下部あるいは連結管、バックパスなどガス温度の高い位置、低い位置の別にガス温度が異なる位置が選択され、尿素水の吹き込み位置をアンモニアの反応効率が吹き込み位置の中で最大となる位置を選択する。また、廃棄物燃焼・溶融施設に付随する廃熱ボイラでは、尿素の吹込み位置は、２次燃焼室中部、２次燃焼室出口、ボイラ上部が選択できる。
【００１１】
吹込み位置の切替は電動若しくは空気駆動の自動弁を用い、あるいは複数の流量調節弁にて連続的に吹込み量を変化させてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では脱硝剤の吹き込みを吹き込み位置の切替で制御するため、機器構成が単純で、安価に尿素水使用量の低減を図ることができる。また、適正なガス温度域に尿素水を吹き込むことでより高い反応効率を得ることができる。また、運転状況（負荷変化）によって、あるいはボイラ内のガス温度を測定し、その温度分布によって適正な吹き込み位置、あるいは炉内温度分布に対して予め設定された位置を選択して脱硝剤を吹き込むことができる。脱硝剤の吹き込みの選択を自動で行うことで常に最適な脱硝効率が得られる。
【００１３】
また、様々な種類のボイラに対して適応が可能であり、脱硝剤の吹き込み位置のガス温度制御をする必要がなく、制御余裕として必要な過剰空気、過剰噴霧水等が不要となり、その結果、プラントの熱効率が上昇する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明による無触媒脱硝装置を、廃棄物を燃焼するボイラに適用した実施例を示す概略図、図２は本発明で使用する脱硝剤吹き込みノズルの配置例を示す平面図である。
【００１６】
図１において、ボイラ１は火炉１ａ、バックパス１ｂ、これらを連結する連結管１ｃで構成される。ボイラ１へは廃プラスチック、廃タイヤなどの廃棄物燃料を燃料供給管２により供給して燃焼させる。燃料供給管２には燃料投入量検出端３が配置され、検出された燃料投入量の信号は吹き込み位置演算装置４に入力される。燃料投入量は定量供給装置５で制御される。
【００１７】
ボイラ１の排ガスは、バグフィルタ６で集じんされた後、誘引通風機７により煙突８から放出される。
【００１８】
ボイラ１には、複数の脱硝剤吹き込みノズル９ａ〜９ｅが、ガス温度が異なる複数箇所にそれぞれ配置されている。脱硝剤吹き込みノズルは、例えば、図２（ａ）の火炉での配置例、（ｂ）の火炉又はバックパスでの配置例、（ｃ）の連結管での配置例に示すように、火炉１ａ、バックパス１ｂ、これらを連結する連結管１ｃに廃ガスの流れに脱硝剤が均一に噴霧されるように配置する。
【００１９】
各脱硝剤吹き込みノズル９ａ〜９ｅには、脱硝剤タンク１２からポンプ１３により脱硝剤供給配管１４を通って脱硝剤であるアンモニア水あるいは尿素水が流量調整弁１５を介して供給される。
【００２０】
脱硝剤吹き込みノズル９ａ〜９ｅからの脱硝剤の吹き込み量は脱硝剤供給配管１４に設けた流量調整弁１５で調整される。流量調整弁１５による流量調整は、煙突８から放出される排ガスのＮＯｘ濃度をＮＯｘ濃度計１６で測定し、測定されたＮ０ｘ濃度をＮＯｘ制御装置１７に入力し、ＮＯｘ制御装置１７で演算されたＮＯｘ除去に必要な脱硝剤の吹き込み量に基づいて流量調整弁１５の開度が調整される。
【００２１】
火炉１ａ、バックパス１ｂ及び連結管１ｃに配置された脱硝剤吹き込みノズル９ａ〜９ｅはそれぞれ切換弁１８ａ〜１８ｅを備え、選択された火炉１ａ、連結管１ｃ又はバックパス１ｂのいずれか一箇所の脱硝剤吹き込みノズル９ａ〜９ｅから脱硝剤が吹き込まれる。火炉１ａ、連結管１ｃ及びバックパス１ｂの脱硝剤吹き込みノズル９ａ〜９ｅの近傍で温度の異なる位置に温度計２１，２２が配置される。温度計２１，２２で検出した温度と、燃料供給管２の燃料投入量検出端３からの検出量を吹き込み位置演算装置４に入力してアンモニアの反応効率が最大となる位置を演算して火炉１ａ、連結管１ｃ又はバックパス１ｂの切換弁１８ａ〜１８ｅが選択される。
【００２２】
次に、脱硝剤吹き込み位置制御について説明する。
【００２３】
脱硝剤吹き込み位置制御装置においては、脱硝剤の吹き込み位置をアンモニアの反応効率が吹き込み位置の中で最大となる位置を選択する。
【００２４】
また、運転負荷状況によって変化するボイラ内の異なるガス温度と、燃料供給管の燃料投入量検出端からの検出投入量を脱硝剤吹き込み位置制御装置に入力してアンモニアの反応効率が吹き込み位置の中で最大となる位置を選択する。
【実施例１】
【００２５】
燃焼ガス温度を検知して吹き込み位置を制御する制御方式を説明する。図１では脱硝剤噴霧ノズルとボイラ炉内温度計をボイラ炉内に設置し、炉内温度の変化に伴って噴霧位置を変更する。定格負荷においてはノズル９ｃが最適脱硝温度（本実施例では８５０℃〜９００℃と設定する）となり、脱硝剤はノズル９ｃから噴霧される。ほかのノズルは９５０℃、１０００℃と脱硝最適温度設定点よりも高い温度雰囲気中に存在する。このとき、脱硝剤は発生した窒素酸化物に対して当量比で０．８〜１．０程度を吹き込む。負荷を順次下げていった場合には炉内の温度が低下し、それに伴って各ノズル付近のガス温度は低下する。ノズル１１の温度は８００℃以下に下がり、脱硝効率が落ちる。このまま脱硝をノズル１１により実施した場合には脱硝剤は発生窒素酸化物に対して１．２以上必要になる。このとき、各部の温度を測定し、ノズル９ｂが最適温度範囲に入っていた場合にはノズル９ｂを、ノズル９ａ付近のガス温度が脱硝最適温度に入った場合にはノズル９ａを使用し、脱硝効率の低下を防止する。負荷が低下するほど上流側のノズルを用いる。
【００２６】
ガス温度を用いて吹込み位置を選択する制御に対し、燃料投入量によるフィードフォワード制御が効果的である。一般的に温度検出端は時間遅れを有する。特にボイラの燃料ガスを測定する場合には、温度が高温であること、ガスに腐食性があることから、保護管を用いることが多い。この保護管によって温度変化が緩和され、熱電対で検出される温度変化は実際の温度変化に対し、数分の遅れを有することも珍しくない。温度の応答性を上げるには保護管を取り外し、細かい熱電対を用いる必要があるが、寿命の面で現実的でない。また、応答性の速い温度検出端として光を用いた放射温度が実現できる技術として世の中に存在し、排ガス温度の測定実績を持つが、熱電対に比べ、高価である。このため、熱電対を用いてかつ時間応答性を早める方法として、燃料の投入量の変化を捉え、燃料が増加するとガス温度が上昇する。燃料が減少するとガス温度が低下すると判断し、燃料の増減に応じて吹き込みを位置を事前に制御するフィードフォワード制御が有効である。
【００２７】
また、過去の操業データに基づく炉内温度分布に対して予め設定された位置を選択して脱硝剤を吹き込むこともできる。さらに脱硝剤の吹き込みの選択を自動で行うことで常に最適な脱硝効率が得られる。
【実施例２】
【００２８】
図３は本発明による無触媒脱硝装置を、廃棄物を燃焼するボイラに適用した別実施例を示す概略図である。なお、図３は図１に示す無触媒脱硝装置と同一の部材には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００２９】
図３はガス温度以外の間接的な方法を用いて燃焼排ガス温度測定値の代用して最適な脱硝剤噴霧位置を推測し、噴霧位置制御を実施する方法を示す。炉内温度の変化は負荷変化と相対するものとし、負荷の推定には次に述べる測定値を用いる。（１）燃料投入量検出端３で検出した燃料投入量、（２）燃焼排ガス流量計２３で測定された煙突８から放出される燃焼排ガス量、（３）発電機２４の発電量の各定値のいずれかを用いて、燃焼負荷とみなし、各測定値に応じてノズルの切り替えを行う。ノズルの切り替えは測定値と使用するノズル位置を定めた制御テーブルを用いる。前述した測定値が大きいほど使用するノズルは下流側のノズルを用いることとなる。
【実施例３】
【００３０】
図１及び図４に示すとおり脱硝剤吹き込みノズル９ｄの脱硝剤の吹き込み位置を特にガス温度が高くなる燃焼空気等の空気ノズルあるいは攪拌用空気ノズル２５の中に設置することで、空気の持つ運動エネルギーによって攪拌効果が向上すると共に、空気の流れによってノズルが冷却されるとともに、ダスト、炉内粒子から隔離されノズルの焼損、摩耗を防止出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による無触媒脱硝装置を、廃棄物を燃焼するボイラに適用した実施例を示す概略図である。
【図２】本発明で使用する脱硝剤吹き込みノズルの配置例を示す平面図である。
【図３】ガス温度以外の間接的な方法を用いて噴霧位置制御を示す系統図を示す系統図である。
【図４】脱硝剤吹き込みノズルを空気ノズルの中に設置した実施例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１：ボイラ
１ａ：火炉
１ｂ：バックパス
１ｃ：連結管
２：燃料供給管
３：燃料投入量検出端
４：吹き込み位置演算装置
５：定量供給装置
６：バグフィルタ
７：誘引通風機
８：煙突
９ａ〜９ｅ：脱硝剤吹き込みノズル
１２：脱硝剤タンク
１３：ポンプ
１４：脱硝剤供給配管
１５：流量調整弁
１６：Ｎ０ｘ濃度計
１７：Ｎ０ｘ制御装置
１８ａ〜１８ｅ：切換弁
２１，２２：温度計
２３：燃焼排ガス流量計
２４：発電機
２５：空気ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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