(57)【要約】【課題】脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を従来より抑制する。【解決手段】燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラ３と、ボイラ３から排出される燃焼排ガスに脱硝剤を添加して脱硝触媒存在下で燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元する脱硝装置９と、脱硝装置９から排出される燃焼排ガスの熱を回収する空気予熱器１１を備え、チタン、モリブデン又はタングステンの少なくとも一方、バナジウム及びビスマスの各酸化物を含んでなる脱硝触媒を採用し、かつ、脱硝装置９に導入される燃焼排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持することで、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を従来より抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、該ボイラから排出される燃焼排ガスに脱硝剤を添加して脱硝触媒存在下で燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元する脱硝装置と、該脱硝装置から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置を備え、
前記脱硝触媒は、チタン、モリブデン又はタングステンの少なくとも一方、バナジウム及びビスマスの各酸化物を含んでなり、
前記脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持するように構成されているボイラプラント。
【請求項２】
請求項１に記載のボイラプラントにおいて、
前記脱硝触媒は、リン酸又は水溶性のリン酸化物を含んでなることを特徴とするボイラプラント
【請求項３】
請求項１又は２に記載のボイラプラントにおいて、
前記ボイラの出口側のダクトには節炭器が設けられ、該節炭器の入口側と出口側のダクトにはバイパスダクトが接続され、前記燃焼排ガスを前記節炭器又は前記バイパスダクトに切り換えて通流させることを特徴とするボイラプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラから排出された燃焼排ガス中の二酸化硫黄が脱硝触媒により三酸化硫黄に酸化されることを抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、石炭焚きボイラから排出された燃焼排ガスに脱硝剤、例えば、アンモニアを添加して、脱硝触媒存在下で燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元して除去することが記載されている。また、同文献には、脱硝触媒により燃焼排ガス中の二酸化硫黄が三酸化硫黄に酸化されて、脱硝触媒後流の機器が硫酸腐食するという問題が記載されている。この問題を解決するために、同文献では、チタン、モリブデン又はタングステンの少なくとも一方、及びバナジウムを活性成分とする脱硝触媒にビスマスとリン化合物を添加して、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を抑制している。なお、同文献では、脱硝触媒における燃焼排ガスの温度を３８０℃にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ  ２００８／０９３７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術において、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を更に抑制させることが要望されている。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を、従来よりも抑制させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発明者らは、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度と三酸化硫黄の発生の関係について種々の試験を行った。その結果、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度を下げると、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生が抑制されることを知見した。つまり、燃焼排ガス温度が３８５℃では、三酸化硫黄の抑制効果が不十分である。さらに、この抑制効果は、脱硝触媒の組成によって異なり、抑制効果が高い脱硝触媒と、抑制効果が低い脱硝触媒があることを知見した。すなわち、本発明の発明者らは、特定の脱硝触媒を用いて、かつ、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度を３６５℃以下にすると、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を大きく抑制できることを見いだした。
【０００７】
これらの知見に基づいて、上記課題を解決するため、本発明のボイラプラントは、燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、ボイラから排出される燃焼排ガスに脱硝剤を添加して脱硝触媒存在下で燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元する脱硝装置と、脱硝装置から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置を備え、脱硝触媒は、チタン、モリブデン又はタングステンの少なくとも一方、バナジウム及びビスマスの各酸化物を含んでなり、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、チタン、モリブデン又はタングステンの少なくとも一方、バナジウム及びビスマスの各酸化物を含んでなる脱硝触媒を用いて、かつ、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度を３６５℃以下にすることで、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を従来よりも抑制することができる。なお、燃焼排ガスの温度を下げ過ぎると、燃焼排ガス中の窒素酸化物の還元率が低下するおそれがあるので、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度範囲は、３１５℃以上３６５℃以下にすることが好ましい。
【０００９】
また、チタン、モリブデン又はタングステンの少なくとも一方、バナジウム及びビスマスの各酸化物に、リン酸又は水溶性のリン酸化物を添加した脱硝触媒を用い、かつ、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度を３６５℃以下にすることで、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を従来よりも抑制することができる。なお、従来の触媒は、チタン、モリブデンおよび／またはタングステン、バナジウムの酸化物からなる組成物である脱硝触媒であり、従来の脱硝触媒はビスマスの酸化物を含まない。
【００１０】
この場合において、脱硝触媒に導入される燃焼排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持するようにボイラの伝熱面積を設計できる。また、ボイラと脱硝装置の間に減温手段を配置して、脱硝触媒に導入される燃焼排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持することができる。なお、脱硝触媒に導入される燃焼排ガスの温度を下げすぎるとボイラの部分負荷運転時に燃焼排ガスの温度が下がりすぎ、脱硝触媒へ導入される排ガス中に還元剤として使うアンモニアが注入できないという問題があり、最大負荷（１００％負荷）時の脱硝触媒に導入される燃焼排ガスの温度は３５０℃以上３６５℃以下にすることが望ましい。さらに、３５０℃を超えて３６５℃以下にすることが好ましい。
【００１１】
また、ボイラの出口側のダクトに節炭器を設置する場合は、節炭器の伝熱面積を、脱硝触媒に導入される燃焼排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持するように設計できる。この場合、節炭器の入口側と出口側のダクトをバイパスし、例えば、ボイラ負荷が低い場合は、バイパスダクトに燃焼排ガスを通流させ、ボイラの負荷が高い場合は、節炭器に燃焼排ガスを通流させるように周知の切り換え手段で燃焼排ガスの流れを切り換えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を、従来よりも抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態のボイラプラントのブロック図である。
【図２】排ガス温度とＳＯ２酸化率の関係を示す図である。
【図３】ボイラで低ＮＯｘ燃焼した場合の、排ガス温度とＳＯ２酸化率の関係を示す図である。
【図４】排ガス中のＳＯ３濃度と排ガスの酸露点の関係を示す図である。
【図５】脱硝装置入口側、出口側及び空気予熱器の出口側の排ガス温度を示す図である。
【図６】本発明と従来技術のボイラプラントの熱効率の違いを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態）
図１に示すように、本実施形態のボイラプラント１は、石炭などの燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラ３を備えている。ボイラ３には、燃料が供給されるバーナ５と、蒸気発生用の水及び蒸気が通流する伝熱管を備えた伝熱部７が設けられている。
【００１５】
ボイラ３の出口側には脱硝装置９が配置されている。脱硝装置９には、排ガスにアンモニアなどの脱硝剤を添加する添加手段と、脱硝剤が添加された排ガスが導入される脱硝触媒が備えられている。脱硝装置９の出口側には排ガスの熱を回収する熱回収手段として、例えば、空気予熱器１１が配置されている。空気予熱器１１には、例えば、ボイラ３に供給される燃焼用空気が通流する伝熱管が備えられ、排ガスの熱で燃焼用空気を加熱できるようになっている。空気予熱器１１の出口側には、例えば、排ガス中の煤塵と二酸化硫黄を除去して排ガスを浄化する排ガス浄化装置１３が配置されている。排ガス浄化装置１３は、例えば、湿式電気集塵機と湿式脱硫装置により構成されている。排ガス浄化装置１３の出口側には、煙突１５が配置され、浄化された排ガスを大気中に放出するようになっている。
【００１６】
次に、本実施形態の特徴構成を説明する。ボイラ３の伝熱部７の伝熱面積は、ボイラ３の最大負荷（１００％負荷）時に、脱硝装置９に導入される排ガスの温度が３１５℃以上３６５℃以下に維持されるように設計されている。
【００１７】
一方、脱硝装置９の脱硝触媒（以下、低ＳＯ２酸化触媒という。）は、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）の少なくとも一方、バナジウム（Ｖ）及びビスマス（Ｂｉ）の各酸化物に水を加えて生成した触媒ペーストを、ＳＵＳ４３０製鋼板をメタルラス加工した基材に塗布して乾燥させた後、焼成して形成されている。この低ＳＯ２酸化触媒は、Ｔｉ：Ｍｏ又はＷの少なくとも一方：Ｖの原子比が、８５〜９７．５：２〜１０：０．５〜５であり、かつ、Ｂｉ／（Ｍｏ又はＷの少なくとも一方）の原子比が０．１〜０．８になるように形成されている。なお、低ＳＯ２酸化触媒の基材は、本実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
このように構成される本実施形態の動作を説明する。ボイラ３のバーナ５に供給された燃料を燃焼して高温の排ガスを発生させる。この排ガスは、図示していない水冷壁及び伝熱部７を通流する水及び蒸気を加熱して減温される。減温された排ガスには、脱硝剤が添加されて脱硝装置９内の低ＳＯ２酸化触媒に導入される。これにより、低ＳＯ２酸化触媒存在下で排ガス中の窒素酸化物が脱硝剤により窒素に還元されて脱硝される。脱硝された排ガスは、空気予熱器１１に導入され、伝熱管内を通流する燃焼用空気との熱交換により減温される。空気予熱器１１から排出された排ガスは、排ガス浄化装置１３に導入され、排ガス中の煤塵及び二酸化硫黄が除去された後、煙突１５から大気中に放出される。
【００１９】
次に、本実施形態の特徴動作を説明する。脱硝装置９に導入される排ガスの温度は、ボイラ３の出口で３１５℃以上３６５℃以下に維持されている。この排ガスを低ＳＯ２酸化触媒に導入すると、低ＳＯ２酸化触媒により排ガス中の二酸化硫黄が酸化されて三酸化硫黄が発生する。しかし、脱硝装置９に導入される排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持し、かつ、低ＳＯ２酸化触媒を用いているので、三酸化硫黄の発生を従来よりも抑制できる。
【００２０】
この抑制効果について、図２を用いて説明する。図２は、二酸化硫黄（ＳＯ２）の酸化率と脱硝装置９に導入される排ガスの温度との関係を示した図である。図２の縦軸は、脱硝触媒によるＳＯ２酸化率であり、横軸は、脱硝装置入口の排ガス温度である。図２（ａ）は排ガス温度が約３８５℃における従来の触媒及び低ＳＯ２酸化触媒のＳＯ２酸化率であり、（ｂ）は排ガス温度を下げた場合の低ＳＯ２酸化触媒のＳＯ２の酸化率であり、（ｃ）は排ガス温度を下げた場合の従来の脱硝触媒のＳＯ２の酸化率である。なお、ＳＯ２酸化率が低いほど、脱硝触媒による三酸化硫黄（ＳＯ３）の発生量が小さくなる。
【００２１】
図２（ａ）に示すとおり、脱硝装置に導入される排ガス温度が約３８５℃の場合、従来の触媒（Ａ）に比べて本実施形態の低ＳＯ２酸化触媒（Ｂ）の方がＳＯ２酸化率が低いことがわかる。しかし、低ＳＯ２酸化触媒においてもＳＯ３の抑制効果は十分ではない。そこで、図２（ｂ）に示すとおり、低ＳＯ２酸化触媒を用いて脱硝装置に導入される排ガスの温度を約３６０℃まで下げると（Ｃ）、ＳＯ２の酸化率が大きく低下することがわかる。これに対して、従来の触媒は、排ガスの温度を下げても（Ａ'）、ＳＯ２の酸化率は殆ど低下しないことがわかる。すなわち、脱硝装置に低ＳＯ２酸化触媒を用い、かつ、脱硝装置に導入される排ガスの温度を３６５℃以下にすることで、ＳＯ２の酸化率を大きく低下でき、ＳＯ３を抑制できるのである。なお、図２（ｂ）に示すとおり、排ガスの温度を下げるほど、ＳＯ２酸化率を低減できるが、排ガスの温度を下げ過ぎると、排ガス中の窒素酸化物の還元率が低下するおそれがある。そのため、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度範囲は、３１５℃以上３６５℃以下にすることが好ましい。さらに、好ましくは、脱硝装置に導入される燃焼排ガスの温度範囲は、３５０℃以上３６５℃以下、より好ましくは、３５０℃を超えて３６５℃以下にすることが好ましい。
【００２２】
さらに、脱硝触媒に低ＳＯ２酸化触媒を採用し、脱硝装置に導入される排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持し、かつ、ボイラ３で低ＮＯｘ燃焼を行うと、三酸化硫黄の発生を一層抑制できる。例えば、ボイラ３で低ＮＯｘ燃焼を行い、ボイラ３から排出される排ガス中の窒素酸化物濃度を１５０ｐｐｍから７５ｐｐｍに半減すると、図３に示すように、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生が大きく抑制されることがわかる。なお、低ＮＯｘ燃焼としては、例えば、低酸素濃度雰囲気下で高い保炎性を維持して還元炎を発生させる低ＮＯｘバーナをボイラ３に採用して低ＮＯｘ燃焼を行うことができる。また、ボイラ３への燃焼空気の投入を２系統以上に分割して、理論空気量より少ない空気量、例えば理論空気量の７０〜９０％の空気を燃料とともに投入し、残りの空気をガス流れの後流部に投入して燃料を燃焼させる二段燃焼式のボイラを採用することができる。また、低ＮＯｘバーナと二段燃焼式のボイラを組み合わせて低ＮＯｘ燃焼することができる。
【００２３】
これによれば、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を抑制でき、三酸化硫黄による機器等の腐食を抑制できるので、硫黄分の多い石炭、例えば、硫黄分が１．５％以上の石炭を燃料として使用できる。
【００２４】
また、空気予熱器１１で加熱された燃焼用空気に燃料を同伴させ乾燥させる場合は、空気予熱器１１で燃料の乾燥に必要な熱量を確保する必要がある。特に、水分の多い石炭（例えば、水分量が２０％以上の石炭）を燃焼させる場合、石炭の乾燥に必要な熱量が増加するので、空気予熱器１１の熱回収量を多くして燃焼用空気の温度を高く維持することになる。
【００２５】
一方、排ガスの温度が酸露点（℃）以下になると排ガス中の三酸化硫黄により後流側の機器等が腐食するから、空気予熱器１１は排ガスを酸露点以下に減温できない。そのため、水分の多い石炭を燃焼する場合は、ボイラ３の熱回収量を少なくして、空気予熱器１１に導入される排ガスの温度を高くして、燃焼用空気の加熱に必要な熱量を確保している。
【００２６】
しかし、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を抑制すると、図４に示すとおり、排ガス中の三酸化硫黄濃度が下がって排ガスの酸露点が下がる。その結果、空気予熱器１１で排ガスから多くの熱量を回収できるので、空気予熱器１１に導入される排ガスの温度を下げても燃焼用空気を所定の温度に加熱でき、ボイラ３の熱回収量を増加できる。なお、図４の点（Ａ）は従来の触媒を用いた場合であり、（Ｂ）は（Ａ）の触媒を低ＳＯ２酸化触媒に代えた場合であり、（Ｃ）は（Ｂ）の低ＳＯ２酸化触媒を用いて脱硝装置９に導入される排ガス温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持した場合であり、（Ｄ）は（Ｃ）において低ＮＯｘ燃焼を行った場合である。
【００２７】
例えば、図５に示すとおり、従来の触媒を用いたボイラプラントは、排ガス中の三酸化硫黄濃度が高く排ガスの酸露点が高いから、空気予熱器で排ガスを１５０℃以下にすることはできない。そのため、ボイラの熱回収量を下げて、空気予熱器に導入される排ガスの温度を３８５℃にして、燃焼用空気を所定の温度に加熱している。
【００２８】
これに対して、本実施形態は、脱硝触媒による三酸化硫黄の発生を抑制しているから、排ガス中の三酸化硫黄濃度が低く排ガスの酸露点が低くなり、空気予熱器で排ガスを１４６℃まで減温しても、後流側の機器が三酸化硫黄により腐食されないので排ガスから回収できる熱量を増加できる。つまり、空気予熱器に導入される排ガスの温度を低くしても、燃焼用空気を所定の温度に加熱できるので、ボイラで排ガスを３６５℃に減温でき、ボイラの熱回収量を高くできる。さらに、ボイラで低ＮＯｘ燃焼すると、排ガス中の三酸化硫黄濃度を一層下げることができ、排ガスの酸露点を一層下げることができる。その結果、空気予熱器で排ガスを１４３℃まで減温でき、ボイラで排ガスを３６０℃に減温できるので、ボイラの熱回収量を一層高くできる。
【００２９】
これによれば、ボイラ及び空気予熱器の熱回収量を増加できるので、図６に示すとおり、ボイラプラントにおける熱効率を向上できる。なお、図６の横軸の（Ａ）〜（Ｄ）は、図４の（Ａ）〜（Ｄ）に対応する排ガス中の三酸化硫黄濃度におけるボイラプラントの熱効率であり、縦軸は、（Ａ）を基準とした場合の、（Ｂ）〜（Ｄ）のボイラプラントの熱効率の偏差である。
【００３０】
なお、本実施形態の低ＳＯ２酸化触媒にＰ２Ｏ５を加えた触媒を用いることができる。この場合の、各成分の割合を、Ｔｉ：Ｍｏ又はＷの少なくとも一方：Ｖの原子比が、８５〜９７．５：２〜１０：０．５〜５であり、かつ、Ｂｉ／（Ｍｏ又はＷの少なくとも一方）の原子比が０．１〜０．８であり、さらに、Ｐ２Ｏ５の含有量が０を超え２０重量％以下にすることができる。
【００３１】
また、本実施形態の低ＳＯ２酸化触媒にリン酸又は水溶性のリン酸化物を添加することができる。この場合、以下の（式１）に示す触媒成分に対するリン（Ｐ）の原子比が、０を超えて１．０以下になるようにリン酸又は水溶性のリン酸化物の添加量を調整する。
Ｐ／触媒活性成分（原子比）＝Ｐモル数／（Ｗモル数＋Ｍｏモル数＋Ｖモル数）・・・（式１）
【００３２】
なお、ボイラ３の出口側に節炭器を設置して、排ガスの予熱で蒸気発生用の水を加熱する場合は、節炭器の伝熱面積を、脱硝装置９に導入される排ガスの温度を３１５℃以上３６５℃以下に維持するように設計できる。この場合、節炭器の入口側と出口側のダクトにバイパスダクトを接続し、例えば、ボイラ３の負荷が、最低負荷から４５％負荷の間は、バイパスダクトに燃焼排ガスを通流させ、ボイラの負荷が４５％を超えたら、節炭器に燃焼排ガスを通流させるように、周知の切り換え手段で燃焼排ガスの流れを切り換えることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  ボイラプラント
３  ボイラ
９  脱硝装置
１１  空気予熱器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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