(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の注入ノズルを有する複数本の平行なアンモニア注入管を備えたアンモニア注入グリッドからなりかつ排ガスダクト内に配置されている排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置において、各アンモニア注入管に、アンモニア注入管の中心軸と平行でかつ排ガス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、アンモニア注入管の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する負の迎え角をもつ対の放射状第２平板翼とが、アンモニア注入管の長さ方向に交互に多数対ずつ設けられ、注入ノズルが、アンモニア注入管の排ガス流れ後流部における隣り合う第１平板翼と第２平板翼との間に位置する箇所と、アンモニア注入管の排ガス流れ左側部における第１平板翼の幅中央に位置する箇所と、アンモニア注入管の排ガス流れ右側部における第２平板翼の幅中央に位置する箇所とに設けられていることを特徴とする、排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置。
【請求項２】
アンモニア注入管の外径をＤ、隣り合うアンモニア注入管どうしの間隔をＳ、各平板翼の幅をＷ、対をなす平板翼の先端間の距離をＬとした場合、Ｓ＝Ｌ×０．５〜２、Ｗ＝Ｌ×０．５〜１、Ｌ＝Ｄ×３〜５であることを特徴とする、請求項１に記載の排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置。
【請求項３】
第１平板翼の排ガス流れ方向に対する迎え角が＋１５°〜＋４５°であり、第２平板翼の排ガス流れ方向に対する迎え角が−１５°〜−４５°であることを特徴とする、請求項１または２に記載の排ガス脱硝システムの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、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中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装置に関する。
【０００２】
なお、この明細書において、「正の迎え角」とは、図５において平板翼が排ガス流れ方向に対して時計回り方向に傾いている場合の当該傾斜角をいい、「負の迎え角」とは、同逆時計回りに傾いている場合の当該傾斜角をいうものとする。また、この明細書において、「排ガス流れ方向右側」とは、図５の下側をいい、「排ガス流れ方向左側」とは、同上側をいうものとする。
【０００３】
【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前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。図２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)内に配置される。図３に示すように、アンモニア注入グリッド(22)は、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とほぼ等量の気化アンモニアガスを注入すると、これが排ガス中に拡散して、後流側の脱硝反応器(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とに無害化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記排ガス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)内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。このうち１）については、図３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ることにより拡散の促進を図っている。
【０００５】
しかしながら、上記のような構成では、複数のアンモニア注入管(25)を密に配置して注入ノズルの数を多くし、各注入ノズルからのアンモニアガス噴出量を均等にするとともに、排ガス流速分布を一様にする必要があった。また、アンモニア注入グリッド(22)と触媒充填層との間に所要距離を確保する必要があるため、これがシステム全体の大型化を招く一因になっていた。
【０００６】
この発明の目的は、注入ノズルの数を多くしたり、アンモニア注入グリッドと触媒充填層との距離を大きくとらなくても、排ガス中にアンモニアガスを速やかに短い距離で拡散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、多数の注入ノズルを有する複数本の平行なアンモニア注入管を備えたアンモニア注入グリッドからなりかつ排ガスダクト内に配置されている排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置において、各アンモニア注入管に、アンモニア注入管の中心軸と平行でかつ排ガス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、アンモニア注入管の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する負の迎え角をもつ対の放射状第２平板翼とが、アンモニア注入管の長さ方向に交互に多数対ずつ設けられ、注入ノズルが、アンモニア注入管の排ガス流れ後流部における隣り合う第１平板翼と第２平板翼との間に位置する箇所と、アンモニア注入管の排ガス流れ左側部における第１平板翼の幅中央に位置する箇所と、アンモニア注入管の排ガス流れ右側部における第２平板翼の幅中央に位置する箇所とに設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
上記アンモニア注入装置は、アンモニア注入管の外径をＤ、隣り合うアンモニア注入管どうしの間隔をＳ、各平板翼の幅をＷ、対をなす平板翼の先端間の距離をＬとした場合、Ｓ＝Ｌ×０．５〜２、Ｗ＝Ｌ×０．５〜１、Ｌ＝Ｄ×３〜５であるのが好ましい。
【０００９】
また、上記アンモニア注入装置は、第１平板翼の排ガス流れ方向に対する迎え角が＋１５°〜＋４５°であり、第２平板翼の排ガス流れ方向に対する迎え角が−１５°〜−４５°であるのが好ましい。
【００１０】
【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。なお、排ガス脱硝システムおよびアンモニア注入装置の基本構成は、図１〜図３に示すものと同じであるので、詳しい説明は省略する。
【００１１】
図４および図５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の詳細を示すものである。これらの図に示すように、アンモニア注入装置は、アンモニア注入グリッドを構成する複数本のアンモニア注入管(25)のそれぞれに、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する正の迎え角(θ1)をもつ対の放射状第１平板翼(31)と、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ排ガス流れ方向に対する負の迎え角(θ2)をもつ対の放射状第２平板翼(32)とが、アンモニア注入管(25)の長さ方向に交互に多数対ずつ設けられているものである。したがって、各アンモニア注入管(25)を端部側からみると、第１および第２平板翼(31)(32)がＸ字状に交差してみえる（図５参照）。
【００１２】
アンモニア注入管(25)の外径をＤ、隣り合うアンモニア注入管(25)どうしの間隔をＳ（図３参照）、各平板翼(31)(32)の幅をＷ、対をなす平板翼(31)(32)の先端間の距離をＬとした場合、これらの関係は、Ｓ＝Ｌ×０．５〜２、Ｗ＝Ｌ×０．５〜１、Ｌ＝Ｄ×３〜５となっている。第１平板翼(31)の排ガス流れ方向に対する迎え角(θ1)は、＋１５°〜＋４５°であり、第２平板翼(32)の排ガス流れ方向に対する迎え角(θ2)は、−１５°〜−４５°である。また、注入ノズル(26)は、アンモニア注入管(25)の排ガス流れ後流部における隣り合う第１平板翼(31)と第２平板翼(32)との間に位置する箇所と、アンモニア注入管(25)の排ガス流れ左側部における第１平板翼(31)の幅中央に位置する箇所と、アンモニア注入管(25)の排ガス流れ右側部における第２平板翼(32)の幅中央に位置する箇所とに設けられている。これらの条件を満たす場合に、この発明による以下の効果が最もよく発揮されると考えられる。
【００１３】
図６は、上記アンモニア注入装置付近のガス流れを示したものである。排ガスは、ほぼ一様流でアンモニア注入管(25)に近づくが、アンモニア注入管(25)付近では排ガス流れ方向に対する正または負の迎え角(θ1)(θ2)をもつ多数対の第１または第２平板翼(31)(32)に沿って流れる。図中、第１平板翼(31)に沿う排ガスの流れをベクトルａ、第２平板翼(32)に沿う排ガスの流れをベクトルｂで示してある。アンモニア注入管(25)の後流側においてベクトルａとベクトルｂとが交差する領域があり、この領域では非常に強い剪断力が働いて大きな乱れエネルギーが生じている。このような排ガス流れの中に注入ノズル(26)からアンモニアガスを噴出させると、乱れエネルギーの大きい上記領域において、アンモニアガスの排ガス中への拡散が急速に進行する。その結果、排ガス中へのアンモニアガスの均一な拡散が、非常に速やかに短い距離で達成される。
【００１４】
【実施例】
実施例１
図７（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅Ｗ＝４００ｍｍ、先端間の距離Ｌ＝４００ｍｍ、迎え角(θ1)＝＋３０°である対の放射状第１平板翼(31)と、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅Ｗ＝４００ｍｍ、先端間の距離Ｌ＝４００ｍｍ、迎え角(θ2)＝−３０°である対の放射状第２平板翼(32)とを、アンモニア注入管(25)の長さ方向に交互に多数対ずつ設けた。
【００１５】
実施例２
図８（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅Ｗ＝２００ｍｍ、先端間の距離Ｌ＝４００ｍｍ、迎え角(θ1)＝＋３０°である対の放射状第１平板翼(31)と、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅Ｗ＝２００ｍｍ、先端間の距離Ｌ＝４００ｍｍ、迎え角(θ2)＝−３０°である対の放射状第２平板翼(32)とを、アンモニア注入管(25)の長さ方向に交互に多数対ずつ設けた。
【００１６】
比較例１
図９（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)には、剪断流れ発生要素を一切設けていない。
【００１７】
比較例２
図１０（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅Ｗ＝４００ｍｍ、先端間の距離Ｌ＝４００ｍｍ、迎え角(θ)＝１５°である対の放射状平板翼を、アンモニア注入管の長さ方向に並列状に多数対設けた。
【００１８】
比較例３
図１１（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅Ｗ＝４００ｍｍ、先端間の距離Ｌ＝４００ｍｍ、迎え角(θ)＝３０°である対の放射状平板翼(4)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に並列状に多数対設けた。
【００１９】
比較例４
図１２（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と平行でかつ幅Ｗ＝４００ｍｍ、先端間の距離Ｌ＝４００ｍｍ、迎え角(θ)＝４５°である対の放射状平板翼(4)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に並列状に多数対設けた。
【００２０】
比較例５
図１３（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と交差しかつ幅Ｗ＝４００ｍｍ、長さＬ＝４００ｍｍ、迎え角(θ)＝１５°である方形平板翼(5)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に所定間隔おきに多数設けた。
【００２１】
比較例６
図１４（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と交差しかつ幅Ｗ＝４００ｍｍ、長さＬ＝４００ｍｍ、迎え角(θ)＝３０°である方形平板翼(5)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に所定間隔おきに多数設けた。
【００２２】
比較例７
図１５（ａ）（ｂ）に示すように、外径Ｄ＝１００ｍｍのアンモニア注入管(25)に、アンモニア注入管(25)の中心軸と交差しかつ幅Ｗ＝４００ｍｍ、長さＬ＝４００ｍｍ、迎え角(θ)＝４５°である方形平板翼(5)を、アンモニア注入管(25)の長さ方向に所定間隔おきに多数設けた。
【００２３】
上記実施例および比較例について、アンモニア注入管(25)の後流側におけるガス流れを解析して乱れエネルギーの分布状況を調べた。解析領域は０．４ｍ×０．４ｍ×５ｍで、アンモニア注入管(25)の前流側１ｍから後流側４ｍまでの間で２５ｍ／ｓのガス一様流に生じる乱れエネルギーを計算した。結果は、図７〜図１５の各（ｃ）に示すとおりである。
【００２４】
これらの図をみると、いずれの場合でも、アンモニア注入管(25)の後流側１ｍまでの範囲で乱れエネルギーが最大となり、そこから後流に向かって減衰している。管単体である比較例１の場合、乱れエネルギーが小さく、拡散が弱いことがわかる。１種類の平行状平板翼(4)を有する比較例２〜４や１種類の直交状平板翼(5)を有する比較例５〜７の場合、迎え角(θ)が大きくなるに従って最大乱れエネルギーも大きくなっている。ここで、乱れエネルギーが排ガスダクト断面全体に広がるためには、その最大値と最小値の差が小さくなる方がよい。ところが、比較例２〜７の場合、後流側４ｍの位置でもその差は依然として大きく、これでは乱れエネルギーによる拡散は十分とは言い難い。一方、実施例１および２の場合、短い距離で乱れエネルギーの最大値と最小値との差が小さくなっており、特に、実施例２では、アンモニア注入管(25)から１ｍ後流の位置で乱れエネルギーの伝播が解析領域全体に広がっている。
【００２５】
さらに、実施例２および比較例１について、注入ノズルから噴出させたアンモニアガスの拡散状況を調べたところ、比較例１の場合、アンモニア注入管(25)の後流側でガス流れが周期的な変動を生じ、その影響を受けて乱れエネルギーも拡散も不安定になり、後流側２．５ｍの位置でも拡散は不十分であった。一方、実施例２の場合、アンモニア注入管(25)の後流側にできた剪断流れ領域で乱れエネルギーが大きくなっていて、この領域でアンモニアガスの拡散が進み、後流側１．５ｍの位置でほとんど均一な濃度分布となった。
【００２６】
以上の結果からも明らかなように、この発明によれば、排ガス流れ後流側で大きな乱れエネルギーを発生させることができ、それによってアンモニアガスの拡散が速やかに短い距離で達成される。
【００２７】
【発明の効果】
この発明の排ガス脱硝システムのアンモニア注入装置によれば、上記第１および第２平板翼によって、排ガス中にアンモニアガスを短い距離、例えば管単体の場合と比べて約５分の１の距離で、均一に拡散させることができる。したがって、この発明によれば、注入ノズルの数を多くしたり、アンモニア注入装置と脱硝反応器との距離を大きくとったりする必要がなく、システムの複雑化・大型化を伴わずに、排ガス中へのアンモニアガスの均一拡散による脱硝率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  排ガス脱硝システムの概略を示すフローシートである。
【図２】  排ガス脱硝システムの縦断面図である。
【図３】  アンモニア注入装置を構成するアンモニア注入グリッドの平面図である。
【図４】  アンモニア注入管の一部拡大斜視図である。
【図５】  （ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図４のａ−ａ線、ｂ−ｂ線、ｃ−ｃ線に沿うアンモニア注入管の横断面図である。
【図６】  アンモニア注入管付近のガス流れを示す横断面図である。
【図７】  実施例１を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図８】  実施例２を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図９】  比較例１を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図１０】  比較例２を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図１１】  比較例３を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図１２】  比較例４を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図１３】  比較例５を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図１４】  比較例６を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【図１５】  比較例７を示すものであって、（ａ）はアンモニア注入管の横断面図、（ｂ）はアンモニア注入管の一部側面図、（ｃ）はアンモニア注入管の後流側における乱れエネルギーの分布状況を示す図である。
【符号の説明】
(23)…排ガスダクト
(22)…アンモニア注入グリッド
(25)…アンモニア注入管
(26)…注入ノズル
(31)…第１平板翼
(θ1)…正の迎え角
(32)…第２平板翼
(θ2)…負の迎え角
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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