JP5967809B2 - 排ガス処理方法及び排ガス処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ごみ焼却炉やバイオマス燃焼用ボイラ等の燃焼排ガス中の窒素酸化物濃度を低減させる、排ガス処理方法及び排ガス処理装置に関する。
従来、ごみ焼却炉の燃焼雰囲気中にアンモニア水又は尿素水を噴霧することにより窒素酸化物を分解する無触媒脱硝方法や、触媒表を用いて燃焼排ガス中の窒素酸化物をアンモニアの存在下で窒素ガスに分解する触媒脱硝方法が知られている（特許文献１〜５）。
これらの脱硝方法では、使用での簡便さから、アンモニア水より尿素水が多用されている。尿素は、加水分解によりアンモニアを発生させる。尿素の分解点は、融点（１３２．７℃）以上と定義されており、正確な温度については不明であるが、効率的に分解反応を進めるには３００〜４５０℃が必要と考えられる一方、適切な触媒と接触させることにより２００〜２５０℃の低温条件であっても分解反応が速やかに進行すると言われている（特許文献６，７、非特許文献１等）。
ピーター エム．シェイバー（Peter M. Schaber）等著、「尿素熱的分解（熱分解）反応及びシアヌル酸生成物の重要性の研究」（Study of the urea thermal decomposition (pyrolysis) reaction and importance to cyanuric acid production、アメリカン ラボラトリー（American Laboratory）、第３１巻、Ｎｏ．１６、第１３〜２１頁、１９９９年
従来では、尿素水を炉内や煙道に噴霧するか、尿素水を高温排ガスに混ぜて分解してからガス状にして吹込む等している。
ＮＯｘ除去率を向上させるためには、尿素水やアンモニアガスを燃焼排ガスと均等に接触させる必要があるが、吹込み速度が遅いと接触が不十分となり、また、吹込み速度を上げようとするとポンプやブロワが大型化するといった問題がある。
また、尿素水やアンモニア水といった液体を噴霧する場合、液滴粒径が大きいと対面側の壁面に液滴が衝突したり、ノズルからの液だれが発生するなど、特に流量をコントロールする際のコントロール幅全てにおいて、粒径を最適に制御する困難さが生じていた。
そこで、本発明は、ポンプやブロワの動力が無くても、尿素を予め熱分解して得たアンモニアガスを高速で吹込むことができる、排ガス処理方法及び排ガス処理装置を提供することを主たる目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る排ガス処理方法は、ボイラで発生した蒸気に尿素水を混合することにより尿素水を加水分解してアンモニア含有蒸気とし、該アンモニア含有蒸気を燃焼排ガス中に吹込むことにより、燃焼排ガス中の窒素酸化物濃度を低減させることを特徴とする。
前記アンモニア含有蒸気を燃焼炉内に吹込むことにより無触媒脱硝を行うことができる。
あるいは、前記アンモニア含有蒸気を煙道の燃焼排ガスに吹込み、該燃焼排ガスを脱硝触媒に接触させることにより、触媒脱硝を行うこともできる。
尿素水を加水分解するための前記蒸気の温度は、３５０℃以上であることが好ましい。
尿素水を混合する前記蒸気の圧力は、１ＭＰａ以上であることが好ましい。
また、本発明に係る排ガス処理装置は、ボイラで発生する蒸気を燃焼炉に導く蒸気管と、該蒸気管内の蒸気に尿素水を注入する尿素水注入管と、前記蒸気管の端部に接続されて蒸気を炉内に噴霧する蒸気噴霧ノズルと、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る排ガス処理装置は、他の手段として、ボイラで発生する蒸気を煙道に導く蒸気管と、該蒸気管内の蒸気に尿素水を注入する尿素水注入管と、前記蒸気管の端部に接続されて蒸気を煙道内に噴霧する蒸気噴霧ノズルと、該蒸気噴霧ノズルの下流側煙道に介在された触媒脱硝装置と、を備えることを特徴とする。
蒸気と尿素水とを混合反応させるための混合反応器が、前記蒸気管に介在されていることが好ましい。
また、前記混合反応器に、シリカ、アルミナ、チタニア、及びゼオライトからなる群から選択される１種又は２種以上の加水分解触媒が内蔵されていることが好ましい。
さらに、前記蒸気管を分岐させて並列接続された第１蒸気管及び第２蒸気管と、前記第１蒸気管及び第２蒸気管の各々を上流側及び下流側において開閉する蒸気管開閉弁と、前記第１蒸気管及び前記第２蒸気管の各々に接続された前記尿素水注入管と、前記尿素水注入管から前記第１蒸気管又は前記第２蒸気管の何れか一方に尿素水を供給する切換弁と、前記尿素水注入管にパージガスを供給するパージガス供給管と、前記尿素水注入管に供給したパージガスを排出するパージガス排出管と、前記尿素水注入管を加熱することにより該尿素水注入管内に析出する固形物を熱分解するための加熱装置と、を備えることが好ましい。
本発明によれば、ボイラで発生する高温・高圧の蒸気をキャリアガスとして用いることにより、尿素水を予め加水分解したアンモニア含有蒸気を、ポンプやブロワを用いずに、早い流速で燃焼炉内や煙道内に吹込み、燃焼排ガスとの混合・攪拌を促進させることができる。
本発明に係る排ガス処理方法及び排ガス処理装置の実施形態について、以下に図１〜図４を参照して説明する。なお、全図及び全実施形態を通じて同様又は類似の構成要素には同符号を付した。
図１は、本発明に係る排ガス処理装置の第１実施形態を示す系統図である。排ガス処理装置は、従来と同様に、焼却炉１、ボイラ２、節炭器３、減温塔４、バグフィルター５、誘引送風機６、煙突７等を備えている。
図１の排ガス処理装置は、更に、ボイラ２で発生する蒸気を燃焼炉１に導く蒸気管１０と、蒸気管１０内の蒸気に尿素水を注入する尿素水注入管１１と、蒸気管１０の端部に接続されて蒸気を焼却炉１内に噴霧する蒸気噴霧ノズル１２と、を備えている。
ごみ焼却炉等に付設されているボイラ２では、通常、３ＭＰａ〜４ＭＰａの圧力、３００〜４００℃の温度の蒸気が発生する。このような高温・高圧の蒸気の一部が蒸気管１０に供給され、蒸気管１０内を圧送されて蒸気噴霧ノズル１２に導かれる。なお、従来は３ＭＰａ、３００℃クラスのボイラが主流であったが、近年の改良により、４ＭＰａ、４００℃クラスのボイラが主流になりつつある。
尿素水注入管１１を通じて尿素水を蒸気管１０内に注入し、蒸気管１０内を圧送される高温・高圧蒸気に尿素水を混合させる。蒸気温度は３００〜４００℃であるので、尿素の加水分解が効率良く進み、アンモニアや中間生成物であるイソシアン酸等を含んだアンモニア含有蒸気となる。蒸気と尿素水との混合部、即ち蒸気管１０と尿素水注入管１１との接続部は、エゼクターとして、蒸気の運動エネルギーで尿素水を吸引するようにしてもよい。
尿素水注入管１１は、尿素水を貯水する尿素水タンク１３に接続されている。なお、尿素水タンク１３から尿素水注入管１１への尿素水の供給は、図示しないポンプによって行うこともできる。
蒸気管１０内のアンモニア含有蒸気は、蒸気圧力を利用して蒸気噴霧ノズル１２から燃焼炉１内に高速で噴霧される。蒸気圧力を利用するため、噴霧のための高圧のポンプやブロワが不要となる。アンモニア含有蒸気は燃焼炉１内の８００〜１０００℃の燃焼雰囲気中に噴霧され、燃焼排ガス中の窒素酸化物を分解することにより、無触媒脱硝が進行する。
また、水蒸気過剰の条件にすることで、ビウレットやシアヌル酸といった分解副生物の生成を低減し、配管だけの簡易な設備で尿素水の加水分解を促進させ、さらに高圧蒸気であるため炉内への噴射速度が速く、燃焼ガスとの混合攪拌が促進され、高い脱硝効率が得られる。当然、尿素水を使用するため、アンモニア水やアンモニアガスを使用する場合の高価で複雑な設備は必要としない。
尿素を分解する際に生成する副生物であるシアヌル酸は、非常に固い難分解性、難溶性の固形物であり、反応容器内で一度生成すると高温加熱以外の手段では除去が困難である。このシアヌル酸は、３５０℃を超えると急激に生成比率が減少することが知られている（上記非特許文献１）。従って、蒸気管１０内の蒸気温度は３５０℃以上にすれば、シアヌル酸の生成を減少させることができる。
また、蒸気管１０内の蒸気圧力は、蒸気噴射ノズル１２からアンモニア含有蒸気を高速で噴射して燃焼ガスとの混合攪拌を促進するために、１ＭＰａ以上であることが好ましい。
高濃度の尿素水を使用する場合、尿素水と蒸気の合流部（特に尿素水注入管１１の側の部位）で固形物（シアヌル酸等）の固着による配管詰まりが発生しやすい。
尿素水は常温で供給されるが、蒸気管１０に至る過程で常温から高温へと昇温される。この際特にシアヌル酸等の固形物が発生しやすい２００〜３００℃を通過するため、尿素水中の濃度が高い場合や、その温度域の滞留時間（通過時間）が短い場合に、固形物が析出しやすい。そこで、固形物が析出しないようにするのではなく、図２に示すシステムにより、析出した固形物を除去することができる。
図２は、本発明に係る排ガス処理装置の第２実施形態の要部である固形物除去システムを示している。図２に示す固形物除去システムは、蒸気管１０を分岐させて並列接続された第１蒸気管１０１及び第２蒸気管１０２と、第１蒸気管１０１及び第２蒸気管１０２の各々を上流側及び下流側において開閉する蒸気管開閉弁１５１、１５２、１５３、１５４と、第１蒸気管１０１及び第２蒸気管１０２の各々に接続されるとともに第１蒸気管１０１又は前記第２蒸気管の何れか一方に尿素水を供給するように切換可能に構成された尿素水注入管１１１、１１２と、尿素水注入管１１１、１１２にパージガスを供給するパージガス供給管１６１、１６２と、尿素水注入管１１１、１１２に供給したパージガスを排出するパージガス排出管１７１、１７２と、尿素水注入管１１１、１１２を加熱することにより尿素水注入管１１１、１１２内に析出する固形物を熱分解するための加熱装置１８１、１８２と、を備えている。
図示例において、蒸気管１０１の蒸気管開閉弁１５１と蒸気管開閉弁１５２との間に尿素水注入管１１１とパージガス排出口１７１とが接続され、蒸気管１０２の蒸気管開閉弁１５３と蒸気管開閉弁１５４との間に尿素水注入管１１２とパージガス排出口１７２が接続されている。図示例では、尿素水注入管１１１、１１２の其々に開閉弁１９１、１９２が介在されていて、開閉弁１９１及び開閉弁１９２の何れか一方を閉鎖することにより、尿素水注入管１１１、１１２の一方のみから尿素水を注入できるようになっている。
また、尿素水注入管１１１の開閉弁１９１と蒸気管１０１との間、及び、尿素水注入管１１２の開閉弁１９２と蒸気管１０２との間に、其々、パージガス供給管１６１、１６２が接続されている。
そして、パージガス供給管１６１、１６２の其々に開閉弁２０１、２０２が介在され、パージガス排出管１７１及び１７２の其々にも開閉弁２１１、２１２が介在されている
加熱装置１８１、１８２は、固形物が析出しやすい尿素水注入管１１１、１１２の蒸気管１０１、１０２との接続部近傍、即ち、尿素水と蒸気との合流部で尿素水注入管１１１、１１２の側に配設され得る。加熱装置１８１、１８２は、何れも６００℃迄昇温可能なヒータを備えている。
加熱装置１８１、１８２は、固形物が析出しやすい尿素水注入管１１１、１１２の蒸気管１０１、１０２との接続部近傍、即ち、尿素水と蒸気との合流部で尿素水注入管１１１、１１２の側に配設され得る。加熱装置１８１、１８２は、何れも６００℃迄昇温可能なヒータを備えている。
上記構成の固形物除去システムによる固形物除去手順の例を説明する。
まず、蒸気管開閉弁１５１、１５２を閉じ、尿素水注入管１１１の開閉弁１９１を閉じる。次に、パージガス供給管１６１の開閉弁２０１を開くとともに、パージガス排出管１７１の開閉弁２１１を開いて、少量のパージガス（空気）を流す。パージガスは、パージガス排出管１７１を通じて、図外の炉内等系外に放出される。この状態で、加熱装置１８１をＯＮにして加熱を開始すると、析出したビウレットやシアヌル酸等の固形物が熱分解され、パージガスによって系外に排出され除去される。この間、蒸気管開閉弁１５３、１５４は開かれているとともに尿素水注入管１１２の開閉弁１９２が開かれる一方、パージガス供給管１６２の開閉弁２０２及びパージガス排出管１７２の開閉弁２１２が閉じられており、蒸気が第２蒸気管１０２を流れてそこに尿素水が注入される。このとき加熱装置１８２はＯＦＦとされる。
次に、蒸気開閉弁１５１、１５２を開き、蒸気開閉弁１５３、１５４を閉じ、尿素水注入管１１１の開閉弁１９１を開いて尿素水注入管１１２の開閉弁１９２を閉じ、パージガス供給管１６１の開閉弁２０１及びパージガス排出管１７１の開閉弁２１１を閉じるとともに、パージガス供給管１６２の開閉弁２０２及びパージガス排出管１７２の開閉弁２１２を開き、加熱装置１８２をＯＮにして加熱装置１８１をＯＦＦにする。こうすることにより、蒸気が第１蒸気管１０１を流れてそこに尿素水が注入される一方で、尿素水注入管１１２に析出した固形物は加熱装置１８２により分解されパージガスにより除去される。
上記のようにして、尿素水注入管１１１と尿素水注入管１１２に析出する固形物を交互に除去する。この交互の切り替えは、手動又は自動制御により定期的に行うことができる。
図２に示す例では、蒸気開閉弁を４つ設けたが、それに代えて、蒸気管の分岐箇所２箇所に一つずつ方向切換弁を設けてもよい。また、図２に示す例ではパージガス供給管を尿素水注入管に接続してパージガス排出管を蒸気管に接続しているが、逆に、パージガス供給管を蒸気管に接続してパージガス排出管を尿素水注入管に接続しても良い。
次に、本発明に係る排ガス処理装置の第３実施形態について、図３を参照して説明する。図３は、第３実施形態の排ガス処理装置の要部を示す系統図である。
尿素水と蒸気の合流部から蒸気噴射ノズル１２迄の距離が短くて尿素の加水分解（及び熱分解）の反応時間が十分に取れない場合等においては、図３に示すように、混合反応器３０を蒸気管１０に介在させ、混合反応器３０に尿素水注入管１１を接続し、混合反応器３０内で蒸気と尿素水とを混合する滞留時間をとることにより、反応時間を確保するようにしても良い。混合反応器３０内での滞留時間は０．１秒以上であることが好ましい。
また、混合反応器３０内に、シリカ、アルミナ、チタニア、及びゼオライトからなる群から選択される１種又は２種以上の加水分解触媒を内蔵することもできる。尿素は加水分解触媒と接触することにより、より低温で加水分解が進行する。そのため、混合反応器３０内に加水分解触媒を導入して、反応を加速させても良い。この場合は、より低温で反応が進むため、加水分解触媒に応じた蒸気温度（例えば２５０℃）とすることができる。なお、蒸気温度を２００〜３００℃に下げると、シアヌル酸等の固形物が析出しやすくなり、特に、尿素水注入管１１の蒸気管１０との接続部近傍に析出しやすいため、図２で示したような固形物除去システムを付設してもよい。
次に、本発明に係る排ガス処理装置の第４実施形態について、図４を参照して説明する。図４は触媒脱硝の例である。
図４に示す排ガス処理装置は、蒸気管１０及び蒸気噴霧ノズル１２が触媒脱硝装置９の上流側の煙道４０に接続されている点が上記第１実施形態と異なる。また、第４実施形態は、煙道４０に再加熱器８及び触媒脱硝装置９を備える点も上記第１実施形態と相違するが、上記第１実施形態においても再加熱器８及び触媒脱硝装置９を備えることができる。
触媒脱硝装置９は、触媒表面上において排ガス中の窒素酸化物を、アンモニアの存在下で窒素ガスの分解するものである。触媒には、２００℃程度の低温触媒が使用されることが多いため、それに応じた温度の蒸気を、蒸気管１０を通じて蒸気噴霧ノズル１２から煙道４０に吹込むことができる。この場合、第３実施形態で説明した混合反応器と同様、加水分解触媒を内蔵した混合反応器を蒸気管１０に介在させることができる。
本発明は、ボイラを備えるごみ焼却炉や、バイオマスなど燃焼しているボイラ等で発生する燃焼排ガスの無触媒脱硝及び触媒脱硝に利用することができる。
１ 焼却炉
２ ボイラ
９ 触媒脱硝装置
１０、１０１、１０２ 蒸気管
１１、１１１、１１２ 尿素水注入管
１５１、１５２、１５３、１５４ 蒸気管開閉弁
１６１、１６２ パージガス供給管
１７１、１７２ パージガス排出管
１８１、１８２ 加熱装置
２ ボイラ
９ 触媒脱硝装置
１０、１０１、１０２ 蒸気管
１１、１１１、１１２ 尿素水注入管
１５１、１５２、１５３、１５４ 蒸気管開閉弁
１６１、１６２ パージガス供給管
１７１、１７２ パージガス排出管
１８１、１８２ 加熱装置
Claims (4)
- ボイラで発生する蒸気を燃焼炉に導く蒸気管と、該蒸気管内の蒸気に尿素水を注入する尿素水注入管と、前記蒸気管の端部に接続されて蒸気を炉内に噴霧する蒸気噴霧ノズルと、を備える排ガス処理装置であって、
前記蒸気管を分岐させて並列接続された第１蒸気管及び第２蒸気管と、前記第１蒸気管及び第２蒸気管の各々を上流側及び下流側において開閉する蒸気管開閉弁と、前記第１蒸気管及び前記第２蒸気管の各々に接続されるとともに前記第１蒸気管又は前記第２蒸気管の何れか一方に尿素水を供給するように切換可能に構成された前記尿素水注入管と、前記尿素水注入管にパージガスを供給するパージガス供給管と、前記尿素水注入管に供給したパージガスを排出するパージガス排出管と、前記尿素水注入管を加熱することにより該尿素水注入管内に析出する固形物を熱分解するための加熱装置とを備えることを特徴とする排ガス処理装置。 - ボイラで発生する蒸気を煙道に導く蒸気管と、該蒸気管内の蒸気に尿素水を注入する尿素水注入管と、前記蒸気管の端部に接続されて蒸気を煙道内に噴霧する蒸気噴霧ノズルと、該蒸気噴霧ノズルの下流側煙道に介在された触媒脱硝装置と、を備える排ガス処理装置であって、
前記蒸気管を分岐させて並列接続された第１蒸気管及び第２蒸気管と、前記第１蒸気管及び第２蒸気管の各々を上流側及び下流側において開閉する蒸気管開閉弁と、前記第１蒸気管及び前記第２蒸気管の各々に接続されるとともに前記第１蒸気管又は前記第２蒸気管の何れか一方に尿素水を供給するように切換可能に構成された前記尿素水注入管と、前記尿素水注入管にパージガスを供給するパージガス供給管と、前記尿素水注入管に供給したパージガスを排出するパージガス排出管と、前記尿素水注入管を加熱することにより該尿素水注入管内に析出する固形物を熱分解するための加熱装置とを備えることを特徴とする排ガス処理装置。 - 蒸気と尿素水とを混合反応するための混合反応器が、前記蒸気管に介在されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス処理装置。
- 前記混合反応器に、シリカ、アルミナ、チタニア、及びゼオライトからなる群から選択される１種又は２種以上の加水分解触媒が内蔵されていることを特徴とする請求項３に記載の排ガス処理装置。
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