JP5972760B2 - 排ガス脱硝システム、排ガス脱硝装置の再生方法及び排ガス脱硝装置の触媒交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、排ガス脱硝システム、排ガス脱硝装置の再生方法及び排ガス脱硝装置の触媒交換方法に関するものである。

従来、配合ガスに含まれる特定物質の濃度測定を行う装置としてレーザ式ガス分析計が知られている。このレーザ式ガス分析計は、気体状のガス分子がそれぞれ固有の光吸収波長を有するという特性を利用し、特定物質が含まれるガスにレーザ光を照射し、その特定波長の吸光量から特定物質の濃度を測定するものである。

下記特許文献１には、アンモニアを含むガスが流通する配管ユニットからガスを吸引し、吸引したガスをレーザ式ガス分光計に導いてガス中に含まれるアンモニア濃度を測定する技術が開示されている。

特許文献２には、煙道の内部に挿入されて排ガスを採取するサンプリング管と、サンプリング管に対して加熱導管を介して接続されるフローセルユニットと、フローセルユニットに接続されるレーザ式ガス分析計とを備えるアンモニア濃度測定装置が開示されている。特許文献２に開示されているアンモニア濃度測定装置では、サンプリング管の内部に三酸化硫黄（ＳＯ₃）を吸着するがアンモニアを通過させる吸着剤を装填し、排ガスから三酸化硫黄を除去したガスをレーザ式ガス分析計に導入させることで、アンモニアの測定精度を向上させている。

特開２０１２−８００８号公報 特開２０１０−２３６８７７号公報

特許文献１、２に開示されているサンプリング方式の濃度測定装置では、以下のような問題点がある。
ガスを吸引して測定用の配管に導く際、測定の高速化が困難である。
ガスを測定用の配管に引き込んだ後に濃度測定を行うことから、配管を流通しているガスと測定管に引き込まれたガスの状態（例えば、温度等）が異なってしまい、測定精度が低下する。
流通ガスを局所的に採取して濃度測定を行うため、局所的なガス濃度測定はできても、濃度分布を取得することができない。また、サンプリング箇所を逐次変えて濃度測定を行えば、濃度分布を取得することは可能であるが、位置毎にガスの吸引、排出が必要となり、作業が煩雑であるとともに時間がかかる。

また、脱硝装置の出口側において、排ガス中のガス成分であるリークアンモニアや、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を計測する場合、排ガスが乱流となっているような場合には、的確なガス成分の濃度分布を的確に求めることが困難である、とう問題がある。

よって、例えばボイラ装置の排ガス中の窒素酸化物を脱硝する際に、ガス成分濃度分布を的確に把握して、効率的な脱硝を行うことができる排ガス脱硝システムの出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、排ガス中の窒素酸化物を脱硝する際に、ガス成分濃度分布を的確に把握して、効率的な脱硝を行うことができる排ガス脱硝システム、排ガス脱硝装置の再生方法及び排ガス脱硝装置の触媒交換方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、燃焼排ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記燃焼排ガスが流れる方向に沿って設けられた仕切部材により複数の領域に区画された領域に配置され、前記還元剤が含まれた排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を脱硝する脱硝触媒を備えた脱硝装置と、前記脱硝装置の入口側又は出口側の少なくとも一方に設けられ、前記脱硝装置のガス流れに直交する区画された各領域を流れる排ガス中のガス成分濃度分布をレーザ光によってそれぞれ計測する複数のプローブ手段を有するガス成分濃度分布測定装置と、を具備し、前記ガス成分濃度分布測定装置の計測結果より、ガス成分濃度分布を求めることを特徴とする排ガス脱硝システムにある。

第２の発明は、第１の発明において、前記ガス成分がアンモニア（ＮＨ₃）又は窒素酸化物（ＮＯｘ）のいずれか一方又は両方であることを特徴とする排ガス脱硝システムにある。

第３の発明は、第２の発明において、前記ガス成分がアンモニアの場合、前記ガス成分濃度分布測定装置の計測結果より、アンモニア濃度分布を求め、求めたアンモニア濃度分布より、リークアンモニア濃度が所定値以上の区画を判断する判断手段と、この判断された区画に対応する還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する調節手段とを具備することを特徴とする排ガス脱硝システムにある。

第４の発明は、第２の発明において、前記ガス成分が窒素酸化物の場合、前記ガス成分濃度分布測定装置の計測結果より、窒素酸化物濃度分布を求め、求めた窒素酸化物濃度分布より、窒素酸化物濃度が所定値以上の脱硝不十分な区画を判断する判断手段と、この判断された脱硝不十分な区画に対応する還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する調節手段とを具備することを特徴とする排ガス脱硝システムにある。

第５の発明は、第４の発明において、前記判断手段は、求めた窒素酸化物濃度分布から、区画された脱硝触媒の脱硝率を求め、脱硝触媒の劣化の度合いを判断し、前記調節手段は、劣化した区画に対応する還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する際、アンモニアの供給と共に、又はアンモニアの供給とは別に水を噴霧することを特徴とする排ガス脱硝システムにある。

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記プローブ手段が、レーザ光を通過する送光筒と、該送光筒の一部が所定距離区切られ、計測場に晒される計測領域を有することを特徴とする排ガス脱硝システムにある。

第７の発明は、第６の発明において、前記送光筒は、長手方向の一部が所定区間区切られてなり、前記燃焼排ガスが前記送光筒を通過する計測領域を有し、前記計測領域が、隣接する前記複数のプローブ手段間で前記送光筒の長手方向の相互に異なる位置であって、区画された前記領域の一部に位置することを特徴とすることを特徴とする排ガス脱硝システムにある。

第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの排ガス脱硝システムを用いた排ガス脱硝装置の再生方法であって、前記仕切部材によって区画された前記領域の窒素酸化物濃度分布から、区画された脱硝触媒の脱硝率を求めて前記領域に対応する脱硝触媒の劣化の度合いを判断する工程と、劣化した前記脱硝触媒に前記還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する際、アンモニアの供給と共に、又はアンモニアの供給とは別に溶剤を噴霧して劣化した前記脱硝触媒の再生を行う工程とを含むことを特徴とする排ガス脱硝装置の再生方法
にある。

第９の発明は、第１乃至７のいずれか一つの排ガス脱硝システムを用いた排ガス脱硝装置の再生方法であって、前記仕切部材によって区画された前記領域の窒素酸化物濃度分布から、区画された脱硝触媒の脱硝率を求めて前記領域に対応する脱硝触媒の劣化の度合いを判断する工程と、劣化した前記脱硝触媒を交換する工程とを含むことを特徴とする排ガス脱硝装置の触媒交換方法にある。

本発明によれば、煙道における脱硝触媒を区画し、直交する区画された脱硝触媒に対応する領域における排ガス中のガス成分（例えばアンモニア、窒素酸化物）濃度分布を計測するので、適正な濃度分布を把握することができる。この濃度分布に基づき、還元剤の開度制御を行うことができる。

図１−１は、実施例１に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。 図１−２は、実施例１に係る他の脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。 図１−３は、実施例１に係る脱硝装置の概略図である。 図１−４は、実施例１に係る他の脱硝装置の概略図である。 図１−５は、実施例２に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。 図２は、脱硝装置内部の濃度測定領域の分割領域を示す説明図である。 図３は、脱硝装置に設置するガス成分濃度分布測定装置の全体構成を示す概略図である。 図４は、基本の１セットを構成するプローブ手段の斜視図である。 図５は、実施例１に係る脱硝装置に設置するガス成分濃度分布測定装置の送光側受光側のレーザビーム窓を示す縦断面図である。 図６は、実施例１に係る脱硝装置に設置するガス成分濃度分布測定装置の送光側受光側のレーザビーム窓を示す縦断面図である。 図７は、実施例１に係る脱硝装置のアンモニア注入装置の概略構成例を示す系統図である。 図８は、吸収分光計測の概念図である。 図９は、吸収分光計測の吸収チャート図である。 図１０は、排ガス中の煤塵濃度とレーザ光透過率との関係を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１−１は、実施例１に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。図１−２は、実施例１に係る他の脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。図２は、脱硝装置内部の濃度測定領域の分割領域を示す説明図である。図３は、脱硝装置に設置するガス成分濃度分布測定装置の全体構成を示す概略図である。図４は、基本の１セットを構成するプローブ手段の斜視図である。図５は、実施例１に係る脱硝装置に設置するガス成分濃度分布測定装置の送光側受光側のレーザビーム窓を示す縦断面図である。図６は、実施例１に係る脱硝装置に設置するガス成分濃度分布測定装置の送光側受光側のレーザビーム窓を示す縦断面図である。図７は、実施例１に係る脱硝装置のアンモニア注入装置の概略構成例を示す系統図である。
図１−１に示すように、実施例１に係る排ガス脱硝システムを備えたボイラ装置１００は、ボイラ１０１からの燃焼排ガス（以下「排ガス」という）１０２中に還元剤（例えばアンモニア：ＮＨ₃）を供給する還元剤供給手段であるアンモニア注入装置１０４と、還元剤が含まれた窒素酸化物（ＮＯｘ）を脱硝する区画された脱硝触媒１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃを備えた脱硝装置１０５と、前記脱硝装置の出口側に設けられ、前記脱硝装置１０５のガス流れに直交する区画された脱硝触媒１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃに対応する領域における排ガス中のガス成分（ＮＨ₃、ＮＯｘ）濃度分布を計測する複数の送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）を有するプローブ手段を有し、レーザ計測手段によりアンモニア濃度を測定するガス成分濃度分布測定装置１１０と、を具備し、前記ガス成分濃度分布測定装置１１０のアンモニア濃度の計測結果より、区画された領域のアンモニアの濃度分布を求めるものである。
図１−１中、符号１０７は空気予熱器、１０８は煙突を図示する。

また、本実施例では、求めたアンモニア濃度分布より、脱硝不十分な区画を求める制御装置２０と、この脱硝不十分な区画に対応する還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する調節手段である開度設定部１０９を備えている。

本実施例では、脱硝装置１０５を構成する脱硝触媒を区画するために、図１−１及び図２、図３に示すように、脱硝装置１０５内を仕切り板１２０により所定領域に分割している。
なお、仕切板１２０を用いることなく、脱硝触媒がコンテナに充填されている場合には、そのコンテナの壁が仕切り手段となる。

本実施例の仕切板１２０での分割は、図２に示すように、脱硝装置１０５の煙道の壁面の第１壁部１０３ａから第２壁部１０３ｂに対して３列１０６Ａ〜１０６Ｃに分割され、第３壁部１０３ｃから第４壁部１０３ｄにわたって３行１０６Ａ-１、１０６Ａ-２、１０６Ａ−３に分割される場合、濃度測定領域には、９個の区画されたＰ₁〜Ｐ₉の分割領域が形成される。この区画された分割領域ごとに、測定対象のアンモニアの平均濃度を測定することで、濃度測定領域における測定対象の濃度分布を得ることができる。

本実施例では、仕切板１２０の下端部内に計測手段の複数の送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）を配置している。
これにより、排ガス１０２が仕切板１２０で区画された脱硝触媒を通過した後の排ガスは、お互いに混ざり合うことがなくなり、各々の区画された領域で計測できるので、各区画におけるアンモニアの濃度分布を計測することができる。

図３は、脱硝装置に設置するガス成分濃度分布測定装置の全体構成を示す概略図である。図３に示すように、ガス成分濃度分布測定装置１１０は、区画された分割領域を計測する複数の送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）を有するプローブ手段が設けられている。

また、図３に示すように、前記複数のプローブ手段の送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）の一端側の各々に、計測場の外部からレーザ光を出射させるレーザ送光部である送光器１１と、他端側の各々に計測場の外部で計測領域を通過したレーザ光を受光し、前記レーザ光の光強度を検出するレーザ受光部である受光器１２とを設けている。

図３に示すように、本実施例では、図２に示した９区画に対応するように、３種類の異なる計測領域Ｌを有する送光筒１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃからなるプローブ手段を用意している。そして、送光筒１１２Ａ〜１１２Ｃのプローブ手段を１セットとし、これが列方向に３セット（Ｉ〜III）配置されている。

図４は、この基本の１セットを構成するプローブ手段の斜視図である。
図４に示すように、基本の１セットを構成する３種類の異なる計測領域Ｌを形成するプローブ手段は、レーザ光を通過する中空の送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）と、該送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）の一部が所定距離１１２ａ、１１２ｂの間で区切られ、計測場に晒される計測領域Ｌを有している。
この区切られた計測領域Ｌに排ガス１０２が通過することとなるので、排ガス１０２中のアンモニアをレーザ光によって計測することができる。
この計測領域Ｌは、１ｍの間途切れており、レーザ光路長を１ｍとしている。

このように、アンモニア濃度を測定する所定の分割領域Ｐ₁〜Ｐ₃に対応するように、送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）の一部が所定距離１１２ａ、１１２ｂの間にわたって区切れ、計測領域Ｌを形成している。
したがって、レーザ経路上では、送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）の切れている計測領域Ｌにのみ区画された脱硝触媒を通過した排ガス１０２が存在することになり、該計測領域Ｌにおける排ガス１０２中のアンモニア濃度をレーザ光の吸収により測定できる。

本実施例では、図３に示すように、送光筒１１２Ａは、第１列Ｉ、第２列II、第３列IIIの受光器１２側の分割領域（Ｐ₁、Ｐ₄、Ｐ₇）に対応するように、所定距離１１２ａ、１１２ｂ間で区切られた計測場に晒される計測領域Ｌが設けられている。
また、送光筒１１２Ｂは、第１列Ｉ、第２列II、第３列IIIの分割領域（Ｐ₂、Ｐ₅、Ｐ₈）に対応するように、所定距離１１２ａ、１１２ｂ間で区切られた計測場に晒される計測領域Ｌが設けられている。
また、送光筒１１２Ｃは、第１列Ｉ、第２列II、第３列IIIの分割領域（Ｐ₃、Ｐ₆、Ｐ₉）に対応するように、所定距離１１２ａ、１１２ｂ間で区切られた計測場に晒される計測領域Ｌが設けられている。
なお、図３では、計測領域Ｌの図示は省略している。

よって、仕切板１２０により区分けされた脱硝触媒１０６を通過して排ガス１０２に対して、その各々の分割領域のみの濃度を測定するため、濃度を測定しない分割領域のレーザ経路には中空の送光筒１１２Ａ〜１１２Ｃの筒部分が設置されることとなる。

図５及び図６は、レーザビーム窓１５と送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）を概略的に示した図である。レーザビーム窓１５は、図５及び図６に示すように、中空部材であり、フランジ１６により脱硝装置１０５の壁部１０３ｃ、１０３ｄ面にそれぞれ固定されている。レーザビーム窓１５の内部には、内部と外部との間のガスの出入りを遮断するシール用光学ガラス１７が設けられる。シール用光学ガラス１７の受光面は、レーザ光の反射を防止するため、レーザ光に対して垂直ではなく斜めに形成されてもよい。

レーザビーム窓１５のシール用光学ガラス１７の両面側には、それぞれ給気口１８が設けられる。給気口１８からシールエア１９が吹き出すことによって、シール用光学ガラス１７への物質の付着を防止できる。なお、シールエア１９は、シール用光学ガラス１７に対して両面側ではなく、濃度測定領域Ｓ側のみに吹き出されるとしてもよい。

また、送光筒１１２Ａ〜１１２Ｃ内に供給されるシールエア１９が充満されることで、開口された計測領域Ｌからの排ガス１０２の流入(逆流)を防止している。

送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）を内壁面に設置する場合は、図５及び図６に示すように、例えばフランジ１６の端部に送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）の端部が接続される。送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）の径は、レーザビーム窓１５の径よりも大きく、レーザビーム窓１５に供給されたシールエア１９は、送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）の内部に供給される。

なお、濃度測定領域における分割領域の形成方法は、上述した３列×３行の９個に限定されるものではない。列数や行数、分割領域の数は、他の数でもよい。濃度測定領域がＭ列×Ｎ行でＰ個の分割領域が形成される場合、Ｐ本のプローブ手段のレーザ経路が設定される。

次に、本実施形態に係る濃度分布測定の原理について、図を参照して説明する。
図８は、吸収分光計測の概念図である。図９は、吸収分光計測の吸収チャート図である。
レーザ光の光強度と測定対象の濃度との関係を示す関係式として、ランベルト・ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の法則が知られている。

ランベルト・ベールの法則は、図８に示すように、送光点と受光点との間の、レーザ経路の距離である計測領域をＬとし、レーザ光の照射強度をＩ_０、レーザ光の受光強度をＩ（Ｌ）、距離Ｌ中に存在する測定対象（アンモニア）の濃度をＣ_０とした場合、以下の（１）式の関係が成立するというものである。
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ_０ｅｘｐ（−ｋＣ_０Ｌ） ……（１）
ここで、ｋは測定対象の吸光度に応じて設定される比例係数である。

測定対象の濃度を測定する分割領域の濃度平均値をＣ_１、分割領域におけるレーザ経路の距離（送光筒の区切れた場所である計測領域Ｌ）をＬ_１とすると、上記（１）式は、以下の（２）式のように表すことができる。
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ_０ｅｘｐ（−ｋＣ_１Ｌ_１） ……（２）

予め設定されたレーザ経路ごとにレーザ光を照射する際、分割領域におけるレーザ経路の距離（送光筒の区切れた場所である計測領域）Ｌ_１、レーザ光の照射強度Ｉ_０及びレーザ光の受光強度Ｉ（Ｌ）は、既知であるから、上記（２）式によって、未知数である分割領域の濃度平均値Ｃ_１を算出できる。

そして、上記構成を備えるガス成分濃度分布測定装置１１０においては、以下のような手順により、濃度測定領域のアンモニアの濃度分布が取得される。

また、ボイラ１０１からの排ガス１０２には、煤塵が含まれているので、計測領域Ｌであるレーザ光の光路長さを長くすると、煤塵の影響により光透過率が減衰することとなる。
図１０は、排ガス中の煤塵濃度とレーザ光透過率との関係を示す図である。
図１０では、波長が１．５μｍの場合、煤塵濃度が６ｇ／Ｎｍ³程度の石炭灰中に２．０ｍの光路長で計測が可能であることを確認している。
よって、煤塵濃度がそれ以上の場合には、１．５ｍ、より好適には１ｍ前後の光路長で計測することが良好である。

ここで、本実施例のように、排ガス中のアンモニア（ＮＨ₃）濃度を計測するには、半導体レーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓを例示することができる。波長：１．５μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる）を用いることができる。

図７は、実施例１に係る脱硝装置のアンモニア注入装置の概略構成例を示す系統図である。
図７に示すように、アンモニア注入装置１０４は、アンモニア供給源に接続された流路配管のアンモニア主系統２２に総流量制御弁２３を備えている。このアンモニア主系統２２は、総流量制御弁２３の下流において、ヘッダ２４から分岐させた複数本（図示の例では６本）のアンモニア供給系統２６を備えている。

また、図７に示すように、アンモニア供給系統２６は、各々が流量制御元弁２５及び複数個（図示の例では３個）の注入ノズル２７を備えており、排ガス１０２を流す流路である煙道１０３の内部に注入ノズル２７が格子状の配置となるように設置されている。注入ノズル２７は、流路配管のアンモニア主系統２２、ヘッダ２４及びアンモニア供給系統２６を通ってアンモニア供給源から供給されたアンモニアを煙道１０３の内部に液滴又はガスの状態で流出させ、燃焼排ガス中に還元剤としてのアンモニアを注入するものである。なお、液滴の状態で注入されたアンモニアは、高温の燃焼排ガスから吸熱してガス化する。

こうして煙道１０３の内部に注入されたアンモニアのガスは、混合器を通過することにより燃焼排ガス１０２と撹拌混合される。この結果、アンモニアは窒素酸化物と反応して脱硝装置１０５内の脱硝触媒１０６を通過するので、水と窒素とに分解されることで窒素酸化物が燃焼排ガス中から除去される。

開度設定部１０９には、ガス成分濃度分布測定装置１１０で測定したアンモニア（ＮＨ₃）濃度の測定値が制御装置２０を介して入力される。このようなアンモニア濃度の入力を受けた開度設定部１０９は、アンモニア濃度の平均値に基づいて総流量制御弁２３の開度の設定（開度制御）を行うとともに、複数個所のアンモニア濃度に基づいて各流量制御元弁２５の開度の設定（開度制御）を行う。すなわち、開度設定部１０９は、総流量制御弁２３及び流量制御元弁２５の開度制御信号を出力する。

この場合、開度設定部１０９による流量制御元弁２５の開度制御は、予め定めたアンモニア濃度と流量制御元弁２５毎の開度との相関関係を定めた制御マップに基づいて行われる。すなわち、脱硝装置１０５は、ボイラ１０１毎に諸条件（煙道１０３の流路系統や流路断面積、燃料の種類等）が異なるため、事前に相関関係のデータを実験等により入手して制作した制御マップを開度設定部１０９に記憶しておく。なお、この制御マップでは、煙道１０３内のアンモニア濃度を区画された面内で測定した複数位置のアンモニア濃度に対して、複数系統のアンモニア供給系統２６毎に異なる流量制御元弁２５の開度を個別に設定するものである。

ガス成分濃度分布測定装置１１０は、上述したように、脱硝触媒１０６の出口側における煙道１０３の仕切り板１２０で区画された区分内の濃度測定領域のアンモニア濃度分布を作成し、このアンモニア濃度分布を開度設定部１０９に出力する。

このような脱硝装置１０５によれば、ガス成分濃度分布測定装置１１０によって、煙道１０３における脱硝触媒１０６の出口側におけるアンモニア濃度分布が検出され、この検出結果が開度設定部１０９に出力される。開度設定部１０９では、アンモニア濃度の平均値に基づいて総流量制御弁２３の開度制御が行われ、かつ、ガス成分濃度分布測定装置１１０によって得られたアンモニア濃度分布に基づいて流量制御元弁２５の開度制御が行われる。これにより、脱硝装置１０５の運転を継続しながら、時定数の短いアンモニア濃度の測定値に応じ、複数のアンモニア供給系統２６毎に分配されるアンモニア注入量を自動的に調整することができる。

このとき、流量制御元弁２５の開度制御は、予め定めたアンモニア濃度と流量制御元弁２５毎の開度とのマップに基づいて行われるので、アンモニア濃度により総供給量が規定されたアンモニアは、流量制御元弁２５の開度に応じてアンモニア供給系統２６に対するアンモニア分配量が調整される。

このように、アンモニア濃度分布が脱硝触媒１０６の性能劣化と関連しているので、アンモニア濃度分布に基づいてアンモニア注入装置１０４によるアンモニア注入量の分布制御を実施すれば、脱硝装置１０５の後流側に余剰に排出されるリークアンモニアの分布をコントロールすることができる。また、リークアンモニアは、空気予熱器１０７を閉塞させる原因でもあるから、濃度検出に基づいてアンモニア注入装置１０４によるアンモニア注入量の分布制御を実施すれば、空気予熱器１０７の閉塞頻度低減に寄与することも可能になる。

本実施形態に係る脱硝装置１０５によれば、脱硝装置１０５の運転を継続しながら、時定数の短いアンモニア濃度の測定値に応じて、複数の還元剤供給系統毎に分配される還元剤注入量を自動的に調整することが可能になる。これにより、還元剤注入の分配最適化による脱硝触媒１０６の寿命延長や脱硝触媒１０６の更新の効率化を達成することができる。この結果、脱硝装置１０５においては、脱硝触媒１０６の更新に伴うコストの低減やアンモニア消費量の最適化を実現できる。

本実施例では、脱硝装置１０５の出口側で、ガス成分濃度分布測定装置１１０を設置し、アンモニア濃度を計測しているが、図１−２に示すように、脱硝装置１０５の入口側と出口側とにガス成分濃度分布測定装置１１０、１１０を設け、脱硝触媒１０６に供給するアンモニア濃度と脱硝後のリークアンモニア濃度を計測することで、供給アンモニア濃度に対するリークアンモニア濃度の分布を測定することもできる。

また、本実施例では、脱硝装置１０５の入口側でアンモニア濃度を計測しているが、脱硝装置１０５の入口側でのガス成分の計測に限定されず、ボイラ出口から脱硝装置１０５に至る煙道１０３のいずれかにおいて、入口側のガス成分を図るようにしてもよい。

図１−３は、実施例１に係る脱硝装置の概略図である。図１−４は、実施例１に係る他の脱硝装置の概略図である。
図１−３の脱硝装置１０５では、仕切板１２０の下端部１２０ａと上端部１２０ｂの内側に位置するように、ガス成分濃度分布測定装置１１０の送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）を有するプローブ手段を配置している。
この結果、区画された内側において、排ガス１０２中のガス成分を計測することができる。

また、図１−４の脱硝装置１０５では、仕切板１２０の上端部１２０ｂ側においては、図１−３と同様に、その上端部１２０ｂ内側に位置するように、ガス成分濃度分布測定装置１１０の送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）を有するプローブ手段を配置している。
これに対して、仕切板１２０の下端部１２０ａ側においては、その下端部１２０ａｂよりも下方側に位置するように、ガス成分濃度分布測定装置１１０の送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）を有するプローブ手段を配置している。
脱硝触媒１０６中を通過した排ガス１０２は層流に近い状態となっているので、仕切板１２０の下端部１２０ａより下側においても、その状態が維持されている。
よって、仕切板１２０の下端部１２０ａ側においては、送光筒１１２Ａ（１１２Ｂ、１１２Ｃ）の配置が内側に限定されず、下端部１２０ａよりも下方側であっても、区画された排ガス中のガス成分を確実に計測することができる。

本実施例では、図３に示すように、半導体レーザを制御するための制御装置２０が設置されている。この制御装置２０は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Read Only Memory）、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース、及び外部記憶装置が装着されるアクセス部などを備えている。これら各部は、バスを介して接続されている。更に、制御装置２０は、キーボードやマウス等からなる入力部及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部などと接続されていてもよい。

上記ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ＲＯＭに限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。なお、本実施形態では、制御装置２０を一つのコンピュータによって実現する構成としているが、複数のコンピュータによって実現してもよい。

まず、測定を行うレーザ経路に対応するように、制御装置２０によって半導体レーザの送光器１１が起動され、更に、レーザ光の出力が安定した後に、レーザ経路における測定が行われる。

このレーザ経路における測定が終了した後、次のレーザ経路における測定を開始する。このようにして、レーザ経路ごとの測定を順次行う。その後、送光器１１からレーザ光が照射され、レーザ光が所定のレーザ経路を通過することで測定対象により吸光されたレーザ光が受光器１２によって受光される。

受光器１２は、受光した光によって光強度を検出する。レーザ光の検出値は、制御装置２０に出力される。このとき、制御装置２０は、受光器１２による検出値とその検出値に対応するレーザ経路の識別情報（Ｐ₁〜Ｐ₉）とを関連付けることができる。

制御装置２０に入力された検出値とレーザ経路の情報は、互いに関連付けられて制御装置２０にて記憶される。更に、上記レーザ照射の際の送光器１１からのレーザ光の照射強度も制御装置２０にて記憶される。そして、制御装置２０では、記憶されたデータに基づいてＮＯ濃度分布が作成される。

具体的には、各レーザ経路上の分割領域の距離や、入力された検出値及びレーザ光の照射強度が読み出されて、上記（２）式で表わされる濃度演算式を用いることにより分割領域ごとの測定対象の濃度が算出される。そして、各分割領域の濃度が補間されることにより、濃度測定領域の濃度分布が作成される。これにより、濃度測定領域における測定対象の濃度分布が得られることとなる。
このようにして得られた濃度測定領域の濃度分布は、例えば、制御装置２０と接続された表示装置（図示略）に表示されることによって、ユーザに提示される。

そして、リークするアンモニア濃度分布の全てが所定値以下であれば、そのままの条件で運転を継続する。この場合、アンモニア注入装置１０４の注入量の調整は行わない。

これに対し、アンモニア濃度分布の一部に濃度が高い場所があると、制御装置２０の判断部で判断された場合には、開度設定部１０９のその情報信号を送る。そして開度設定部１０９において、その特定されたたアンモニア濃度分布の高い場所に対応するアンモニア注入装置１０４からのアンモニアが注入できるように、流量制御元弁２５の開度制御が行われる。これにより、脱硝装置１０５の運転を継続しながら、アンモニア濃度の測定値に応じ、複数のアンモニア供給系統２６毎に分配されるアンモニア注入量を自動的に調整することができる。

この結果、脱硝装置１０５の出口側で、ガス成分濃度分布測定装置１１０によりアンモニア濃度分布を各々計測することで、リアルタイムにおいて、一様に脱硝されているかを確認することができる。

排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の変動は、ボイラ負荷の変動やボイラ１０１に供給する燃料の種類等が変更した場合、ボイラ立ち上げの際に発生する。
よって、本装置を用いて、負荷変動等があった場合には、通常の計測回数よりも頻繁に濃度分布の計測を行うようにして、窒素酸化物の脱硝が確実になされているかを判断するようにしてもよい。

以上、本実施例では、排ガス中のアンモニアを計測することにより、アンモニアの注入量を調整することについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
ガス成分計測装置において、排ガス中のアンモニアを計測する代わりに、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を計測するようにしてもよい。

ここで、排ガス中のＮＯｘを計測するには、レーザ手段として、半導体レーザ以外に、量子カスケードレーザを用いる。ＮＯを計測する場合は、半導体素子：ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを例示することができ、波長：５〜６μｍ、出力：１ｍＷを用いる。またＮＯ２を計測する場合は、半導体レーザ素子：ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを例示することができ波長：３〜６μｍ、出力：１ｍＷを用いる。

ここで、脱硝装置１０５の出口側にのみ、ガス成分濃度分布測定装置１１０を設けて、脱硝装置を通過した際の排ガス中のＮＯ濃度を計測する場合には、ＮＯ濃度が所定値以下か否かを確認して、所定値以上の場合に、制御装置２０を介して、開度設定部１０９からアンモニア注入装置１０４に開度信号を送り、アンモニア供給系統２６毎に分配されるアンモニア注入量を自動的に調整する。

この際、脱硝装置１０５の入口側と出口側とにガス成分濃度分布測定装置１１０を設置するようにすれば、脱硝触媒に導入するＮＯ濃度と、出口側の脱硝された残留ＮＯ濃度とを計測することとなるので、脱硝率を同時に求めることができる。

そして、ＮＯ濃度の検出値が高いことは、すなわち脱硝触媒１０６の触媒性能が劣化したことを意味するので、ガス成分濃度分布測定装置１１０によって測定されたＮＯ濃度分布から、区画した各脱硝触媒１０６の劣化状況を把握できる。

図１−５は、実施例２に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。
図１−５は、脱硝触媒が２層の上流側脱硝触媒層１０６Ａと下流側脱硝触媒層１０６Ｂとからなる場合について説明するが、本発明は２層に限定されるものではない。
本実施例では、上流側脱硝触媒層１０６Ａの入口側にガス成分濃度分布測定装置（入口）１１０を設置し、上流側の脱硝触媒層１０６Ａと下流側の脱硝触媒層１０６Ｂとの間にガス成分濃度分布測定装置（中間）１１０を設置し、下流側脱硝触媒層１０６Ｂの出口側にガス成分濃度分布測定装置（出口）１１０を設置し、それぞれの層の間における空間のＮＯｘの濃度分布を計測し、このＮＯの濃度分布の計測結果に基づき、アンモニア注入を調整するようにしている。

この結果、複数層の脱硝触媒１０６Ａ〜１０６Ｃが配設される場合、各層間ごとにＮＯｘの濃度分布を計測することで、どの段の脱硝触媒の層のどの区画の脱硝触媒が脱硝率の低下があるかを、制御装置２０の判断部で判断することができる。

この脱硝触媒が劣化していると判断した場合、次の定期点検における脱硝触媒の交換に際し、当該劣化した区画された脱硝触媒を優先的に交換する必要がある。

また、区画された脱硝触媒の劣化の度合いを判断し、劣化した区画に対応する還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する際、アンモニアの供給と共に、又はアンモニアの供給とは別に溶剤（例えば水溶液等）を噴霧し、劣化した区画に対応する脱硝触媒の再生を行うようにしてもよい。

ここで、水の供給は、ヘッダ２４から分岐させた複数本（図示の例では６本）のアンモニア供給系統２６に各々供給するようにすればよい。

本実施例では、ガス成分としてアンモニア、窒素酸化物を別々に計測しているが、本発明はこれに限定されず、ガス成分としてアンモニアと窒素酸化物とを計測することもできる。

この両者を計測する場合には、送光器の種類が異なるので、２種類のプローブ手段を用いるか、送光器から送光筒の窓部へ光ファイバを用いて接続し、この光ファイバにアンモニア計測用の半導体レーザと、窒素酸化物計測用の量子カスケードレーザとをチャンネルセレクタを用いて接続し、交互に計測するようにしてもよい。

１１ 送光器
１２ 受光器
１５ レーザビーム窓
１９ シールエア
２０ 制御装置
１００ ボイラ装置
１０１ ボイラ
１０２ 燃焼排ガス（排ガス）
１０３ 煙道
１０４ アンモニア注入装置
１０５ 脱硝装置
１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ 脱硝触媒
１１０ ガス成分濃度分布測定装置

Claims (9)

1. 燃焼排ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記燃焼排ガスが流れる方向に沿って設けられた仕切部材により複数の領域に区画された領域に配置され、前記還元剤が含まれた排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を脱硝する脱硝触媒を備えた脱硝装置と、
   前記脱硝装置の入口側又は出口側の少なくとも一方に設けられ、前記脱硝装置のガス流れに直交する区画された各領域を流れる排ガス中のガス成分濃度分布をレーザ光によってそれぞれ計測する複数のプローブ手段を有するガス成分濃度分布測定装置と、を具備し、
   前記ガス成分濃度分布測定装置の計測結果より、ガス成分濃度分布を求めることを特徴とする排ガス脱硝システム。
2. 請求項１において、
   前記ガス成分がアンモニア（ＮＨ₃）又は窒素酸化物（ＮＯｘ）のいずれか一方又は両方であることを特徴とする排ガス脱硝システム。
3. 請求項２において、
   前記ガス成分がアンモニアの場合、前記ガス成分濃度分布測定装置の計測結果より、アンモニア濃度分布を求め、
   求めたアンモニア濃度分布より、リークアンモニア濃度が所定値以上の区画を判断する判断手段と、
   この判断された区画に対応する還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する調節手段とを具備することを特徴とする排ガス脱硝システム。
4. 請求項２において、
   前記ガス成分が窒素酸化物の場合、前記ガス成分濃度分布測定装置の計測結果より、窒素酸化物濃度分布を求め、
   求めた窒素酸化物濃度分布より、窒素酸化物濃度が所定値以上の脱硝不十分な区画を判断する判断手段と、
   この判断された脱硝不十分な区画に対応する還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する調節手段とを具備することを特徴とする排ガス脱硝システム。
5. 請求項４において、
   前記判断手段は、求めた窒素酸化物濃度分布から、区画された脱硝触媒の脱硝率を求め、脱硝触媒の劣化の度合いを判断し、
   前記調節手段は、劣化した区画に対応する還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する際、アンモニアの供給と共に、又はアンモニアの供給とは別に水を噴霧することを特徴とする排ガス脱硝システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
   前記プローブ手段が、レーザ光を通過する送光筒と、
   該送光筒の一部が所定距離区切られ、計測場に晒される計測領域を有することを特徴とする排ガス脱硝システム。
7. 請求項６において、
   前記送光筒は、長手方向の一部が所定区間区切られてなり、前記燃焼排ガスが前記送光筒を通過する計測領域を有し、前記計測領域が、隣接する前記複数のプローブ手段間で前記送光筒の長手方向の相互に異なる位置であって、区画された前記領域の一部に位置することを特徴とすることを特徴とする排ガス脱硝システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか一つの排ガス脱硝システムを用いた排ガス脱硝装置の再生方法であって、
   前記仕切部材によって区画された前記領域の窒素酸化物濃度分布から、区画された脱硝触媒の脱硝率を求めて前記領域に対応する脱硝触媒の劣化の度合いを判断する工程と、
   劣化した前記脱硝触媒に前記還元剤供給手段からの還元剤供給量を調節する際、アンモニアの供給と共に、又はアンモニアの供給とは別に溶剤を噴霧して劣化した前記脱硝触媒の再生を行う工程とを含むことを特徴とする排ガス脱硝装置の再生方法。
9. 請求項１乃至７のいずれか一つの排ガス脱硝システムを用いた排ガス脱硝装置の再生方法であって、
   前記仕切部材によって区画された前記領域の窒素酸化物濃度分布から、区画された脱硝触媒の脱硝率を求めて前記領域に対応する脱硝触媒の劣化の度合いを判断する工程と、
   劣化した前記脱硝触媒を交換する工程とを含むことを特徴とする排ガス脱硝装置の触媒交換方法。

Images