(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のノズルを有しかつ所定間隔をおいて配置されている複数のアンモニア注入管(3)と、各注入管(3)へのアンモニア供給量を調整する調整弁(4)とを有し、調整弁(4)は、バタフライ弁で各注入管(3)の両端にそれぞれ設けられており、基準とされた注入管位置(No.i)と残りの注入管位置(No.1,…No.n,…No.18)との排ガス流量比が予め求められ、この流量比に見合うように各調整弁(4)の開度が調整されている脱硝装置におけるアンモニア注入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンやボイラ、加熱炉、コージェネレーションプラント、都市ごみ焼却炉等の排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的接触還元によって除去する排ガス脱硝システムにおいて、還元剤としてのアンモニアを排ガスダクト内に注入するアンモニア注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排ガス脱硝システムは、図１に示すように、ボイラ、加熱炉、ガスタービン等の排ガスダクト内に配置されかつ内部に触媒充填層を有する脱硝反応器と、排ガスダクト内における脱硝反応器の上流側に配置されたアンモニア注入グリッドからなるアンモニア注入装置とを備えている。アンモニア注入グリッドには、液体アンモニアを気化させることにより生じたアンモニアガスを空気との混合状態で供給する。従来の脱硝装置では、図６に示すように、脱硝反応器(21)およびアンモニア注入グリッド(22)は、通常、排ガスダクト(23)の途中に設けられた排熱回収ボイラ(24)内に配置されている。そして、アンモニア注入グリッド(22)は、図７に示すように、方形枠(27)と、方形枠(27)の対向枠部に渡された複数のアンモニア注入管(25)と、同管(25)を方形枠(27)に支持する複数のサポート(28)とからなり、各アンモニア注入管(25)には、多数の注入ノズル（図示略）が形成されている。このアンモニア注入グリッド(22)から排ガスダクト(23)内に排ガス中のＮＯｘと等量のアンモニア（アンモニアと希釈空気の混合流体）を注入すると、これが排ガス中に拡散して、下流側の脱硝反応器(21)内の触媒充填層で反応させられることにより、ＮＯｘがＮ２とＨ２Ｏに無害化される。
【０００３】
上記脱硝システムにおいて、脱硝率を向上させるには、１) アンモニア注入グリッド(22)から排ガスダクト(23)内に注入されたアンモニアガスが排ガス中に均一に拡散するようにすること、および、２) アンモニアガスを含む排ガスが脱硝反応器(21)の触媒充填層を一様に通過して、脱硝反応器(21)内のいずれの箇所でも反応が均等に進むようにすることが肝要である。そこで、図７に示すように、アンモニア注入グリッド(22)を構成する複数のアンモニア注入管(25)を排ガスダクト(23)断面において均等に配置して、これらの管(25)の多数の注入ノズルからアンモニアガスを排ガス中に均等に噴出させ、さらに、アンモニア注入グリッド(22)と脱硝反応器(21)内の触媒充填層との距離をある程度大きくとって、拡散の促進を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の脱硝システムでは、脱硝効率が８０％という条件を満たすことが可能であったが、近年、環境保護の点から、入口ＮＯｘ濃度が低下させられ、それにもかかわらず、システムの脱硝効率が９０％という厳しい条件が課せられるようになっている。
【０００５】
脱硝効率向上のためには、多数の注入ノズルにおけるアンモニアガス噴射量を、その付近の排ガス速度（流量）に比例するよう変化させることが好ましいが、上記従来のアンモニア注入グリッドは、排ガス速度分布を排ガスダクト内で均一化し、すべてのノズルからのガス噴射量を等しくするよう設計されており、そのためダクト内での排ガス流速の微少な不均一性に対応させることはできなかった。
【０００６】
この発明の目的は、排ガス流速の微少な不均一性に対応してアンモニアの供給量を調整することにより、脱硝効率を向上させることができる排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明による排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置は、多数のノズルを有しかつ所定間隔をおいて配置されている複数のアンモニア注入管と、各注入管へのアンモニア供給量を調整する調整弁とを有し、調整弁は、バタフライ弁で各注入管の両端にそれぞれ設けられており、基準とされた注入管位置(No.i)と残りの注入管位置(No.1,…No.n,…No.18)との排ガス流量比が予め求められ、この流量比に見合うように各調整弁の開度が調整されているものである。
【０００８】
排ガス流量比を求めるには、排ガスの速度が大きくなるほど注入管周りの圧力が低下する現象を利用することにより、基準とされた注入管の周囲の圧力と残りの注入管の周囲の圧力との差圧ΔＰを計測し、この結果に基づいて、アンモニア注入断面における排ガスの速度比分布＝流量比が求められる。速度比分布は、最初の定常運転時に求められ、予め準備されたプログラムにより、計測と同時に出力され、これに基づいて、調整弁の開度が調整され、以後、この開度に応じたアンモニアが供給される。こうして、注入管位置における排ガス流速の微少な不均一性に対応してアンモニアの供給量を調整することができる。
【０００９】
排ガス流量比、すなわち、基準とされた注入管位置の排ガス速度Ｕｉと残りの注入管位置の排ガス速度Ｕｎとの比Ｕｎ／Ｕｉは、計測結果から求められた差圧をΔＰ、排ガス密度をρｇ、圧力係数をＫ２として、次の式を用いて求められる。
【００１０】
ΔＰ＝ρｇ・（１−Ｋ２）｛（Ｕｎ／Ｕｉ）２−１｝・Ｕｉ２／２
上記式を用いることにより、簡単にかつ精度良く、アンモニア注入位置における排ガス流量を知ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を図面を参照して以下に説明する。
【００１２】
図２は、この発明による排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置を示している。同図に示すように、アンモニア注入装置は、排ガスダクト(1)の両側壁の外側に配置された一対の垂直ヘッダ管(2)と、両端部が排ガスダクト(1)の両側壁を貫通するようにダクト(1)内に上下に所定間隔をおいて配置されかつ多数の注入ノズルを有する複数本の水平アンモニア注入管(3)とを備えている。
【００１３】
ダクト(1)は、縦7.4ｍ、横5.6ｍであり、注入管(3)の数は、１８本とされている。各注入管(3)は、断面円形で、その両端開口がアンモニアの流入口とされ、ここには、アンモニア供給量を調整するためのバタフライ弁（調整弁）(4)が設けられている。また、各注入管(3)の両端には、圧力計(5)が設けられている。
【００１４】
バタフライ弁(4)の開度は、ダクト(1)内の速度比分布が予め計測され、その結果に基づいて設定されている。
【００１５】
図３に、ダクト内速度比分布の計測装置(6)を示す。この計測装置(6)は、基準とされた注入管(No.i)と残りの注入管(No.1,…No.n,…No.18)との差圧を求める微差圧計(11)と、残りの注入管(No.1,…No.n,…No.18)にそれぞれ接続された複数の入口と微差圧計(11)に接続された１つの出口を有し残りの注入管(No.1,…No.n,…No.18)のうちのいずれかと微差圧計(11)とを選択的に接続するロータリーバルブ(12)とを備えている。
【００１６】
注入管の差圧を計測して速度比分布を求める方法は以下の考え方による。
【００１７】
図４において、排ガス密度をρｇ、注入管（No.1…NO.n…NO.i…No.18）への排ガスの近寄り速度をＵｉとし、注入管のノズル付近では、速度がＫ・Ｕｉ、圧力がＰｉになるとする。各注入管の流線上において、ベルヌーイの定理を適用し、No.iの注入管を基準として、NO.nの注入管との差をとると、
Ｐｎ−Ｐｉ＝ρｇ・（１−Ｋ２）（Ｕｎ２−Ｕｉ２）／２
＝ρｇ・（１−Ｋ２）｛（Ｕｎ／Ｕｉ）２−１｝・Ｕｉ２／２……（１）
となる。ここで、Ｋは円柱周りの気流が増速される係数である。したがって、バタフライ弁を全閉にした状態で、基準となる注入管の管内圧力と計測する注入管の管内圧力との差から、Ｕｉに対するそれぞれの注入管付近での速度比を求めることができる。
【００１８】
例として、Ｕｉ＝25m/s、Ｕｎ／Ｕｉ＝0.9、ρｇ＝0.5、Ｋ＝1.5の場合、Ｐｎ−Ｐｉ＝0.5・(1-1.5２)・(0.9２−１)・25２／２＝37.1(Pa)となる。差圧が小さいことから、微差圧計を用いて計測することが好ましい。
【００１９】
図５のグラフは、上記の差圧計測から求めた速度比と、ピトー管による速度計測から求めた速度比とを比較したものである。
【００２０】
ダクト面積が縦7.4ｍ横5.6ｍと大きく、温度が550℃と高温であり、速度が25ｍ／ｓを越えるような高速であるという条件下で、速度を計測できるものとしては、ピトー管が知られているが、ピトー管の場合、精度を上げるために、計測点を多く取ろうとすると計測プローブが多く必要となって計測費用が高く付き、しかも、計測に要する時間（日数）が多くなり、また、注入管の位置と計測点とがずれることによる誤差が含まれることになる。図５に示す５点は、３日間測定して得られた結果であるが、速度比分布のパターンの変化がはっきりせず、上流側の流れの状態が変化したためなのか、測定誤差なのかの判断が付かないという問題が残った。これに対して、この計測装置によると、速度比は、各注入管位置で求められるので、ピトー管によって計測するのに比べて、位置の精度が向上する。また、計測日数も、ピトー管の３日に対して、１日と大幅に短縮することができる。
【００２１】
脱硝反応は、ＮＯｘとアンモニアが等量反応するため、局所的にどちらかの量が多いと、脱硝率が下がるか、未反応アンモニア量が増加するが、上記のアンモニア注入装置によると、各注入管位置での排ガス速度比分布したがって排ガス濃度を考慮してアンモニア供給量を調整することにより、局所的不均一に対応でき、脱硝効率を向上させ、未反応アンモニア量を減少することができる。上記の例では、脱硝装置出口におけるＮＯｘ濃度を偏差±１０％以内に抑えることができた。
【００２２】
【発明の効果】
この発明による排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置によると、排ガスの高さによる流速の微少な不均一性に対応してアンモニアの供給量を調整することができ、これにより、脱硝効率を向上させることができる。調整弁は、バタフライ弁でかつ各注入管の両端にそれぞれ設けられているので、開度調整の容易さおよび調整精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】排ガス脱硝システムを示すフローシートである。
【図２】この発明による排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置を概略的に示す正面図である。
【図３】差圧計測の配管図である。
【図４】ダクト内の流線を示す図である。
【図５】差圧の計測から求めた速度比分布とピトー管から求めた速度比分布を比較するグラフである。
【図６】従来の脱硝装置を示す縦断面図である。
【図７】従来のアンモニア注入グリッドを示す平面図である。
【符号の説明】
(3)                                 アンモニア注入管
(4)                                 バタフライ弁（調整弁）
(6)                                 差圧計測装置
(No.i)                              基準とされた注入管
(No.1,…No.n,…No.18)               残りの注入管
【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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【図７】
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