(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に上下に空間を有して配備した流動層に伝熱管が埋設され、熱ガス発生手段で作った熱ガスが下方の空間である風箱に導入されて前記伝熱管内を流れる流体を加熱しながら前記流動層を通過し上方の空間である空塔から大気中に放出されるものとした流動層熱交換器であって、前記熱ガス発生手段から前記風箱に至る熱ガスの導入路に、窒素酸化物の還元剤注入器及び還元触媒を具えた脱硝装置が前記還元触媒を前記ハウジングの内部に組み込んで設置されている脱硝装置付流動層熱交換器において、前記導入路が前記熱ガス発生手段と前記還元触媒の入口とを接続した第一導入路および前記還元触媒の出口と前記風箱とを接続した第二導入路からなり、前記空塔から延びる排出路と前記第一導入路とが第一短絡路によって接続されているとともに、前記第二導入路と第一短絡路とが第二短絡路によって接続されており、そして前記第一導入路と第一短絡路との分岐個所および前記排出路と第一短絡路との合流個所に経路切換手段がそれぞれ設けられている、ことを特徴とする脱硝装置付流動層熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換媒体を加熱して大気中に放出廃棄される熱ガスが含有している有害物質、殊に窒素酸化物（ＮＯX）を除去するための脱硝装置を具えた流動層熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水などの流体に熱を与える伝熱管を多孔の分散板上に積層した硅砂、アルミナ粒などの粒子からなる流動層に埋設し、分散板を通して吹き込んだ熱ガスが粒子を持ち上げ流動させながらそれらの間際を通過する間に伝熱管内を流れる流体に熱を伝達するものとした流動層熱交換器は、例えば特開昭５６−５３３８９号公報に見られるように広く知られている。
【０００３】
そして、流動層熱交換器においては熱ガスとして清浄な加熱空気に限らず、汚染性ガスも利用可能であることから、ボイラや発電用ディーゼルエンジンのような工場設備から排出される排気を熱ガスに使用することが広く知られている。
【０００４】
一方、ボイラやディーゼルエンジンなど燃料を燃焼させることによって発生する燃焼ガス、即ち排気には有害物質、殊に無視できない量のＮＯXを含有しており、排出量規制に適合するためにはこれを除去してから大気中に放出廃棄する必要がある。そのために、流動層熱交換器に脱硝装置を付設することが行なわれているが、これらは互いに別体の設備であって個別に設置されるため、広い設置場所を確保しなければならないとともにそれぞれの設置作業が必要である、などのの問題があった。
【０００５】
熱ガスを用いて温水などを得る代わりに、伝熱管を埋設した流動層に燃料を供給するとともに下方から空気を吹き込んで燃焼させる流動層燃焼式ボイラについては、特開昭５４−２３２２５号公報に記載されているように、流動層の表面または内部にＮＯXの還元剤を供給し、燃料の燃焼による高熱を利用して無触媒で反応を行なわせ脱硝することが考えられている。
【０００６】
しかしながら、流動層上で燃焼を行なうことにより伝熱管内の流体を加熱する前記の流動層燃焼式ボイラに比べて、ディーゼルエンジンなどの熱ガス発生手段で作った熱ガスを流動層下方の風箱にダクトを経て導入しそのまま伝熱管内の流体を加熱させるものとしている流動層熱交換器においては、熱ガス温度が無触媒反応で脱硝できる温度に至らないため、還元触媒の使用は不可欠である。或いは、無触媒で脱硝させるには熱ガスを再加熱する必要があり、そのためには特開昭５５−２０３７９号公報に記載されているような加熱手段や温度制御手段の設置に加えて、再加熱用燃料の消費を伴う、という問題を生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は熱ガス発生手段で作った熱ガスを流動層に下方から吹き込んで埋設されている伝熱管内の流体に熱を伝達し上方へ通過させることによって流体を加熱する流動層熱交換器に還元触媒を使用した脱硝装置を具えてさせる場合、広い設置場所やそれぞれの設置作業を必要とし、この問題を解消するため無触媒とすると再加熱のための装置の設置や再加熱用燃料の消費という新しい問題を生じる、という前述の課題を解決するためになされたものであって、広い設置場所を要することなく容易に設置できるものとすること、およびこのことに加えて多様な運転状態や条件に対応できるものとすること、を主な目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はハウジング内に上下に空間を有して配備した流動層に伝熱管が埋設され、熱ガス発生手段で作った熱ガスが下方の空間である風箱に導入されて前記伝熱管内を流れる流体を加熱しながら前記流動層を通過し上方の空間である空塔から大気中に放出されるものとした流動層熱交換器であって、前記熱ガス発生手段から前記風箱に至る熱ガスの導入路に、窒素酸化物の還元剤注入器及び還元触媒を具えた脱硝装置が前記還元触媒を前記ハウジングの内部に組み込んで設置されている脱硝装置付流動層熱交換器において、前記導入路が前記熱ガス発生手段と前記還元触媒の入口とを接続した第一導入路および前記還元触媒の出口と前記風箱とを接続した第二導入路からなり、前記空塔から延びる排出路と前記第一導入路とが第一短絡路によって接続されているとともに、前記第二導入路と第一短絡路とが第二短絡路によって接続されており、そして前記第一導入路と第一短絡路との分岐個所および前記排出路と第一短絡路との合流個所に経路切換手段がそれぞれ設けたことによって前記課題を解決させた。
【０００９】
還元剤注入器は導入路の還元触媒入口側適所に設置されて熱ガスに還元剤を供給し、還元触媒で含有するＮＯXを分解還元させた熱ガスが風箱から流動層を通過し空塔を経て大気中に放出される。還元触媒は流動層熱交換器のハウジング内部に組み込まれているので専用の設置場所および設置作業を不要にする、という目的が達成される。
【００１０】
次に、本発明は前記のものに加えて、導入路が熱ガス発生手段と還元触媒の入口とを接続した第一導入路および還元触媒の出口と風箱とを接続した第二導入路からなり、空塔から延びる排出路と第一導入路とが第一短絡路によって接続されているとともに、第二導入路と第一短絡路とが第二短絡路によって接続されており、そして第一導入路と第一短絡路との分岐個所および排出路と第一短絡路との合流個所に経路切換手段がそれぞれ設けられているものとした。
【００１１】
経路切換手段を操作することによって熱ガス発生手段で作られた熱ガスを脱硝装置経由で風箱に導入し熱交換を行なわせるかまたは風箱に導入することなく放出する、熱ガスを脱硝装置を経由させないで風箱に導入し熱交換を行なわせるかまたは風箱に導入することなく放出する、という四つの経路が選択でき、熱交換器や熱ガス発生手段の多様な運転状態、運転条件に対応した適切な熱ガスの流れを作ることができる。
【００１２】
更に、本発明は前記二つの脱硝装置付流動層熱交換器のいずれかにおいて、脱硝装置に熱ガスに供給する還元剤供給量の調節手段を具えるとともに、導入路および風塔から延びる排出路の少なくともいずれかに熱ガス中の窒素酸化物濃度を検出するＮＯXセンサを設けるか、または熱ガス発生手段をディーゼルエンジンとしてその運転状態の検知手段を具えさせ、ＮＯXセンサが検出した値に基いて、または検知手段が検出した運転状態に基いて判断した熱ガス中の窒素酸化物濃度に応じて還元剤供給量を調節するものとした。
【００１３】
このように、熱ガス中のＮＯX濃度を直接または間接に検出して還元剤供給量を調節することにより、ＮＯXをより効果的に減少させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１の配置図に基いて説明すると、Ａは流動層熱交換器、Ｂは脱硝装置、Ｃは熱ガス発生手段であって、流動層熱交換器Ａは箱形のハウジング１の内部に多孔の分散板２が敷設され、その上に硅砂、アルミナ粒などの粒子を積層してなる流動層３を載せているとともに、伝熱管４を流動層３に埋設させており、ハウジング１の分散板２下方の空間である風箱５から分散板２を通して流動層３に熱ガスを吹き込み、この熱ガスは粒子を持ち上げ流動させながらそれらの間際を通過する間に伝熱管４内を流れる水などの流体に熱を伝達し、流動層３を通過してその上方の空間である空塔６から大気へと放出されるようになっており、それ自体は周知のものと別段の差異はない。
【００１５】
熱ガス発生手段Ｃは本実施の形態ではディーゼルエンジン１１であって、その排気管１２は風箱５の周側面に開口した入口５Ａにダクトからなる導入路１３によって接続されている。また、空塔６の頂面に開口した出口６Ａにダクトからなる排出路１４が接続されており、この排出路１４は使用済みの熱ガスを必要に応じて設置される図示しない集塵機を経て大気中に放出させる。
【００１６】
脱硝装置Ｂはノズルからなる還元剤注入器２２および脱硝用触媒部材をハニカム形状に組立ててなる還元触媒２１を具えており、還元触媒２１はハウジング１の風箱５の下方に設けた反応室７の内部に上下二段に且つ出し入れ可能に設置されている。このように、熱交換器Ａのハウジング１の内部に還元触媒２１を組み込んだ本実施の形態によると、専用の設置場所および設置作業が不要となり、またこれらの管理、点検が容易になる、という利点がある。
【００１７】
導入路１３は排気管１２と下段還元触媒２１の入口前方において反応室７の周側面に開口した入口７Ａとを接続した第一導入路１３Ａと、上段還元触媒２１の出口前方において反応室７の周側面に開口した出口７Ｂと風箱５の入口５Ａとを接続した第二導入路１３Ｂとによって形成されており、還元剤注入器２２は第一導入路１３Ａの適所にノズル口を熱ガス流れの下流方向へ向けて装入設置されている。
【００１８】
また、第一導入路１３Ａの還元剤注入器２２よりも上流側の適所と排出路１４とがダクトからなる第一短絡路１５によって接続され、第二導入路１３Ｂと第一短絡路１５とが同じくダクトからなる第二短絡路１６によって接続されている。更に、第一導入路１３Ａと第一短絡路１５との分岐個所、および排出路１４と第一短絡路１５との合流個所のそれぞれに経路切換手段１７，１８が設置されている。この経路切換手段１７，１８は電動機（または流体圧シリンダ）からなるアクチュエータ１７ａ，１８ａによって遮蔽板１７ｂ，１８ｂを往復回動させるダンパである。
【００１９】
そして、二つの経路切換手段１７，１８を操作することによって、ディーゼルエンジン１１の排気である熱ガスは第一に、第一導入路１３Ａから反応室７の直列配置された二つの還元触媒２１を通過して第二導入路１３ｂより風箱５に入り、流動層３を通過して空塔６から排出路１４を通って大気中に放出される、という脱硝された熱ガスによる熱交換を行なう経路を流れる。第二に、ディーゼルエンジン１１の運転状態によってＮＯX濃度が脱硝不要な濃度のときは、第一導入路１３Ａの途中から第一短絡路１５に導入しその途中から第二短絡路１６を経て第二導入路１３Ｂに導いて風箱５に入れる、という脱硝不要の熱ガスによる熱交換を行なう経路を流れる。尚、触媒温度が低いときは第二の経路を流して脱硝しない熱ガスによる熱交換を行なう。
【００２０】
伝熱管４内の流体の加熱を一時的に停止する場合、或いは加熱が一時的に不要となった場合、熱ガスが前記第一の流れをしているときは、第二導入路１３Ｂに入った熱ガスを第二短絡路１６から第一短絡路１５の途中に導入し、これより排出路１４を経て大気中に放出する、という第三の流れに切換える。熱ガスが前記第二の流れをしているときは第一短絡路１５を直進させて排出路１４に導入し大気中に放出する、という第四の流れに切換える。尚、第二および第四の流れのときに還元剤注入器２２からの還元剤の供給を停止することは言うまでもない。
【００２１】
一般に、熱交換用の熱ガスを作るために使用される発電用ディーゼルエンジンは定置形であってほぼ一定負荷の定常運転を行なって熱交換に要求される流量の熱ガスを熱交換器Ａに供給するが、熱交換を行なわないときはアイドリングに切換えて燃料消費量を減少させるとともに排気量を少量として、前記第三の流れをしているときの脱硝装置Ｂの負担を軽減させることができる。また、周知のようにディーゼルエンジンの排気成分は空気過剰率、燃料噴射時期、燃料噴射率、燃焼室構造などによって変化するものであり、条件によって少排気量の運転時におけるＮＯX濃度が脱硝不要な程度であれば前記の第一の流れから第四の流れに切換えることができる。
【００２２】
このように、熱ガスの導入路１３および排出路１４に二つの短絡路１５，１６と二つの経路切換手段１７，１８とを付加した本実施の形態によると、熱交換器Ａおよび熱ガス発生手段Ｃの多様な運転状態、運転条件に対応して熱ガスの流れに無駄のない経路をとらせることができる。
【００２３】
次に、脱硝装置Ｂは前述の還元触媒２１，還元剤注入器２２に加えて、還元剤であるアンモニアガスを充填した耐圧性の容器２３と、これより還元剤注入器２２に至る送出管２４と、送出管２３に設置した手動または電磁駆動の開閉弁２５および流量制御弁２６とを具えており、流量制御弁２６によって調整された流量のアンモニアガスが熱ガスに供給されるようになっている。流量制御弁２６は還元剤供給量の調節手段Ｄを構成している。尚、還元剤としてアンモニア水など周知のものを適宜選定して使用できることは言うまでもない。
【００２４】
更に、本実施の形態では第一導入路１３Ａの経路切換手段１７よりも上流側、および排出路１４の経路切換手段１８よりも下流側にＮＯX濃度を検出するＮＯXセンサ３１，３２がそれぞれ設けられている。また、前記の機器類とは別に電子式制御装置３４が準備されている。
【００２５】
第一導入路１３Ａに設置したＮＯXセンサ３１はディーゼルエンジン１１が排出した熱ガス中のＮＯX濃度を検出し、その値を電子式制御装置３４に入力して脱硝に必要な量の還元剤を供給するように流量制御弁２６を作動させる。また、排出路１４に設置したＮＯXセンサは脱硝後の熱ガスのＮＯX濃度を検出し、その値を電子式制御装置３４に入力して排気規制適合範囲内とするように流量制御弁２６を作動させるフィードバック制御を行なう。
【００２６】
従って、二つのＮＯXセンサ３１，３２のいずれか一方のみ設置したものとしても、熱ガスに供給する還元剤の量を過不足なく調節することができるが、二つのＮＯXセンサ３１，３１を設置した本実施の形態のよると、より適正に調節してＮＯX濃度を大幅に低下させることができる。
【００２７】
ここで、本実施の形態ではディーゼルエンジン１１の運転状態、即ち回転速度、燃料噴射時期、燃料噴射率、負荷率などを検知するセンサ類からなる検知手段３３を具えさせている。この検知手段３３からの信号を電子式制御装置３４に入力して排気中のＮＯX濃度の推測値を算出させ、この値に応じて流量制御弁２６を作動して還元剤供給量を調節するものである。
【００２８】
この方式のよると、ＮＯXセンサ３１，３２を用いなくてもＮＯX濃度を低下させることができるが、ＮＯXセンサ３１，３２を併用してこれらからの信号に基いて検知手段３３による還元剤供給量を補正することにより、ＮＯX濃度を更に確実に低下させることができる。
【００２９】
尚、電子式制御装置３４を具えさせた本実施の形態によると、還元剤供給量の調節のみならず、熱ガス中のＮＯX濃度および熱交換器Ａの運転状態を入力して経路切換手段１７，１８の動作信号を出力させることもでき、人手を要することなく自動運転による熱交換を行なうことが可能となる。この場合におけるＮＯX濃度はＮＯXセンサ３１，３２が検出した値、または検知手段３３からの信号によって算出した推測値のいずれかを採用してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると脱硝装置の還元触媒を熱交換器のハウジング内に組み込んだので、それぞれに専用の設置場所を設けて個別の作業で設置する、という不便および面倒が解消され、加えて設置後の管理、点検が集約して行なえるため容易になる、という利点が得られるものである。また、このことに加えて、本発明によると短絡路および経路切換手段を付加したので、ＮＯX濃度や熱交換器の運転状態に応じて熱ガスの経路を変更し、熱ガスに無駄のない経路をとらせるとともに脱硝装置の負担を軽減させ或いは伝熱管の過熱を防止して経済的且つ安全な運転を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す配置図。
【符号の説明】
１  ハウジング，３  流動層，４  伝熱管，５  風箱，６  空塔，７  反応室，１１  ディーゼルエンジン，１３  導入路，１３Ａ  第二導入路，１４  排出路，１５  第一短絡路，１６  第二短絡路，１７，１８  経路切換手段，２１  還元触媒，２２  還元剤注入器，２６  流量制御弁，３１，３２  ＮＯXセンサ，  ３３  検知手段，３４  電子式制御装置，Ａ  流動層熱交換器，Ｂ  脱硝装置，Ｃ  熱ガス発生手段，Ｄ  調節手段
【図１】
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