微粉炭ボイラの排ガス浄化システム
【課題】ボイラのＮＯｘ排出量を著しく低減し、脱硝装置が不要の微粉炭ボイラの排ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】微粉炭ボイラ出口の窒素酸化物濃度が煙突出口の窒素酸化物濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラ７１と、微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータ６と、エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置７５と、脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置７６を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、微粉炭ボイラ７１とエアヒータ６の間、あるいは脱塵装置７５と脱硫装置７６の間に水銀ガスを酸化する触媒装置２０２を備え、さらに、微粉炭ボイラ７１の下流で、かつ、触媒装置の上流にハロゲンガス供給装置２０１を備えた構成の微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【解決手段】微粉炭ボイラ出口の窒素酸化物濃度が煙突出口の窒素酸化物濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラ７１と、微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータ６と、エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置７５と、脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置７６を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、微粉炭ボイラ７１とエアヒータ６の間、あるいは脱塵装置７５と脱硫装置７６の間に水銀ガスを酸化する触媒装置２０２を備え、さらに、微粉炭ボイラ７１の下流で、かつ、触媒装置の上流にハロゲンガス供給装置２０１を備えた構成の微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭ボイラの排ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラでは、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の低減が求められており、この要求に応えるために、さまざまな燃焼方法が提案されている。例えば、特許文献１には、微粉炭を３段階に分けて燃焼させ、第一のゾーンの空気比を０．５５−０．７５、滞留時間を０．１−０．３秒、第二のゾーンの空気比を０．８０−０．９９、滞留時間を０．２５−０．５秒、第三のゾーンの空気比を１．０５−１．２５、滞留時間を０．２５−０．５秒とする燃焼方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６３２５００３号明細書（特許請求の範囲、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のような低ＮＯｘ燃焼方法を採用しても、煙突出口のＮＯｘ値を環境規制値（４０ｐｐｍ）以下にするには、ボイラの下流に脱硝装置を設置する必要があった。
【０００５】
本発明の目的は、ＮＯｘ濃度の更なる低減を図り、脱硝装置なしで煙突出口のＮＯｘ濃度が環境規制値を満たすことができるようにした微粉炭ボイラの排ガス浄化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の微粉炭ボイラの排ガス浄化システムは、微粉炭ボイラ出口のＮＯｘ濃度が煙突出口のＮＯｘ濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラと、前記微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により前記微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータと、前記エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置と、前記脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、前記微粉炭ボイラと前記エアヒータの間、あるいは前記脱塵装置と前記脱硫装置の間に水銀ガスを酸化する触媒装置を備え、さらに、前記微粉炭ボイラの下流で、かつ、前記触媒装置の上流にハロゲンガス供給装置を備えことを特徴とする。
【０００７】
また本発明の微粉炭ボイラの排ガス浄化システムは、微粉炭ボイラ出口の窒素酸化物濃度が煙突出口の窒素酸化物濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラと、前記微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により前記微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータと、前記エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置と、前記脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、前記脱塵装置と前記脱硫装置の間にボイラ排ガスに水銀吸着剤を吹き込む水銀吸着剤吹込み装置と、前記水銀吸着剤が吹き込まれたボイラ排ガス中から前記水銀吸着剤を除去する脱塵装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、火炉から排出されるＮＯｘの濃度を著しく低減でき、現状の環境規制値（４０ｐｐｍ）以下にすることが可能になった。これにより、脱硝装置なしで微粉炭ボイラの排ガス浄化システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの火炉部の断面と、空気及び微粉炭の供給系統を示す図である。
【図２】本発明の一実施例によるバーナの空気流れ方向の断面図である。
【図３】本発明の他の実施例による微粉炭ボイラの火炉部の断面と、空気及び微粉炭の供給系統を示す図である。
【図４】本発明のＮＯｘ低減効果を、計算により検証した結果を示す図である。
【図５】火炉空気比とＮＯｘの関係を、最上段バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間ごとに測定した結果を示す図である。
【図６】最上段バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間と、アフタエア入口部の燃焼ガス温度の関係を計算した結果を示す図である。
【図７】従来の一般的な微粉炭焚き火力発電システムの機器構成図である。
【図８】本発明の微粉炭燃焼方法を適用した微粉炭焚き火力発電システムである。
【図９】ハロゲンガス供給装置を備えた本発明の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【図１０】水銀酸化触媒装置を備えた本発明の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【図１１】水銀酸化触媒装置を備えた別の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【図１２】水銀酸化触媒装置を備えた別の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【図１３】水銀酸化触媒装置を備えた別の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明による微粉炭燃焼方法及び微粉炭ボイラでは、アフタエアポートから供給する空気に、例えば水を事前に混合するなどして空気の比熱を増加させることが望ましい。また、バーナの微粉炭搬送空気と燃焼用空気の一部を、火炉内に噴出する前に事前に混合することが望ましい。さらに、アフタエアポートから供給する空気に、ボイラ燃焼排ガスの一部を混合することが望ましい。これらにより、更なるＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１１】
また、ボイラ出口のＮＯｘ濃度が煙突出口のＮＯｘ濃度の規制値以下の場合、ボイラ排ガス中のＮＯｘを低減する脱硝装置が不要になる。脱硝装置はボイラ排ガス中の水銀ガスを酸化する作用がある。酸化した水銀ガスは、燃焼灰への吸着、水への吸収作用があり、灰を取り除く脱塵装置、さらには硫黄酸化物を取り除く脱硫装置で取り除かれていた。脱硝装置不要の場合において、脱硝装置に代わって水銀ガスを酸化する方法が必要になる。その方法として、ハロゲンガスの供給、あるいは水銀酸化触媒装置の設置、あるいは水銀吸着剤の供給が望ましい。
【００１２】
以下、火炉での空気比と、最上段バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間が、ＮＯｘ濃度に与える影響について説明する。また、本発明の微粉炭燃焼方法を実現するのに好適な微粉炭ボイラの構成と、ボイラ排ガス浄化システムの構成について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る微粉炭焚きボイラの火炉部の断面と、空気及び微粉炭の供給系統を示したものである。
【００１４】
火炉１００の壁面は、上部の火炉天井８４と、下部のホッパ８５と、側方の火炉前壁８６と、火炉後壁８７及び図示しない火炉側壁で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉燃焼空間１で発生した燃焼熱の一部が吸収される。火炉燃焼空間１で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、パネル型熱交換器１２で燃焼気体中に含まれる熱がさらに回収される。パネル型熱交換器１２で熱回収された燃焼排ガス１３は、エアヒータ６で燃焼用の空気を加熱した後、図示しない煙突から排出される。
【００１５】
火炉前壁８６と火炉後壁８７の下部には、対向するように、複数段のバーナ２が設置され、ここで空気不足の状態で微粉炭が燃焼する。各段には、それぞれ複数個のバーナが設置される。石炭は図示しない粉砕器で、およそ１５０μｍ以下に粉砕した後、空気でバーナ２に搬送され、１次空気と微粉炭４は、バーナ２から火炉内に噴出される。バーナ用２次と３次空気７は、ウインドボックス９を経て、バーナ２から火炉内に噴出される。
【００１６】
バーナ２の上方には、アフタエアポート３が設置される。アフタエアポートは主アフタエアポートのみからなる場合と、主アフタエアポートと副アフタエアポートからなる場合がある。図１では、主アフタエアポートのみからなるボイラを示している。副アフタエアポートは、主アフタエアポート間、或いは主アフタエアポートよりも上方に設置される場合が多い。ここで、アフタエアポートが火炉の上下方向に複数段備えられている場合、流量の多い段を主アフタエアポート、流量の少ない段を副アフタエアポートと定義する。
【００１７】
燃焼用空気は、ブロワ５から供給され、エアヒータ６で加熱された後、バーナ用２次と３次空気７とアフタエア空気８に配分される。
【００１８】
パネル型熱交換器１２の下流側にはガスサンプル装置１４が設けられ、燃焼排ガス１３の一部を吸引し、酸素濃度計１５で燃焼排ガス１３中の酸素濃度を測定する。測定した酸素濃度が予め計画した値になるように、図示しない制御装置から空気流量制御信号１６を出力する。本発明では、酸素濃度がおよそ２％になるように空気流量制御信号１６を出力する。これは、火炉空気比で１．１に相当する。この空気流量制御信号１６に従って空気流量制御装置１０を駆動し、アフタエア空気８と、バーナ用２次と３次空気７の一方又は両方の流量を調整する。
【００１９】
特許文献１から明らかなように、ＮＯｘ低減のためには、火炉空気比は低い方が良い。ただし、火炉空気比が低すぎると、ＣＯ濃度が高くなる。火炉空気比が１．０５より低くなると、平衡濃度のＣＯが高くなるため、原理的にＣＯを低減するのが不可能になる。従って、火炉空気比は１．０５以上にすべきである。実用的には、空気流量の変動を考慮して、１．０５よりやや高い空気比で運転するのがよい。本実施例では、５％の空気流量変動を考慮して、火炉空気比を１．１に設定した。
【００２０】
火炉近傍に設置されている工業用水配管１９から工業用水を分岐し、ポンプ２０を用いてアフタエア空気８の配管へ工業用水２１を供給する。図示しない噴霧器を用いて、工業用水２１をアフタエア空気８中へ噴霧する。これにより火炉内で燃焼する微粉炭火炎の温度を下げ、ＮＯｘをさらに低減できる。
【００２１】
ＮＯｘを低減するには、最上段バーナとアフタエアポート間の距離１７を広げ、ＮＯｘが還元される領域を大きくするのが良い。最上段バーナとアフタエアポート間の距離１７は、燃焼ガスの滞留時間で１．１〜３．３秒になるように設定するのがよい。滞留時間が１．１秒以下の場合には、火炉空気比を低くしてもＮＯｘが低減されないため、ＮＯｘ濃度が高くなる。この現象については、図５で詳しく説明する。滞留時間が３．３秒以上の場合には、アフタエアを供給した際の燃焼が困難になる。この現象については、図６で詳しく説明する。
【００２２】
最上段バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間は、最上段バーナから主アフタエアポートまでの距離によって概ね決定されるが、火炉の設計条件を以下のようにすると、よりコントロールしやすくなる。具体的には、最上段バーナとアフタエアポート間の距離１７、すなわち最上段バーナから主アフタエアポートまでの距離を、火炉底部からノーズ１１までの高さ１８の比で、２０−３０％とする。或いは、最上段バーナから主アフタエアまでの距離を、火炉底部から最初に燃焼ガスが接触するパネル型熱交換器１２までの高さ２６の比で、２０−３０％とする。或いは、最上段バーナから主アフタエアまでの距離を、ボイラの高さ２７の比で、１５−２２％とする。
【００２３】
図２は、ＮＯｘ濃度を低減するのに好適なバーナ２の構造を示したものである。
【００２４】
燃焼用空気は、１次空気噴出口２２と、２次空気噴出口２３及び３次空気噴出口２４から噴出する。１次空気と微粉炭４は、バーナ中央から噴出する。２次と３次空気の一部２５は、バーナ用２次と３次空気７から分岐し、バーナ中央部から１次空気と微粉炭４の流れに混入させる。これにより、微粉炭濃度が薄くなり、ＮＯｘ濃度が低減される。１次空気と微粉炭４の一部は、仕切り板８８で分岐し、仕切り板８８の外周側を流す。このとき、仕切り板８８の外周側を流れる１次空気と微粉炭４は、２次と３次空気の一部２５と混合することがないようにする。例えば、２次と３次空気の一部２５の噴出口よりも、仕切り板８８の先端部分を前方に設置する。こうすることで、保炎器８９の近傍では、微粉炭濃度が薄まることがなくなり、着火性が維持される。
【実施例２】
【００２５】
図３は、本発明の他の実施例に係る微粉炭焚きボイラであり、火炉部の構成を示したものである。
【００２６】
ここでは、燃焼排ガス１３の一部を吸引して、アフタエアポート３から火炉に供給している。燃焼排ガス１３は、燃焼排ガス吸引ポンプ４０で吸引し、アフタエア空気８に混入する。燃焼排ガス１３を混入したアフタエア空気８は、アフタエアポート３から火炉内に放出する。アフタエア空気８に燃焼排ガス１３を混入することで、ガスの比熱が大きくなる。また、ガス中の酸素濃度が低くなる。これにより、燃焼温度が低くなり、ＮＯｘの生成量が少なくなる。また、排ガスを混入することでアフタエアポートから噴出する気体の流速が速くなり、火炉内での混合が促進され、ＣＯも低減される。
【００２７】
本発明の効果の検証をする。
【００２８】
図４は、本発明によるＮＯｘの低減効果を計算で検証した結果である。
【００２９】
記号５１は、従来技術を用いて火炉空気比１．２で燃焼したときのＮＯｘ性能である。記号５３は、最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間を長くして、火炉空気比を１．１５としたときのＮＯｘであり、約３０％低減された。記号５４は、さらに火炉空気比を１．１０まで下げたときのＮＯｘである。約５０％ＮＯｘが低減された。
【００３０】
記号５５は、最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間を長くして、火炉空気比を１．１４及び１．１とし、さらにバーナを改良して図２の構造のバーナとし、バーナの微粉炭搬送空気と燃焼用空気の一部を、火炉内に噴出する前に事前に混合したときのＮＯｘである。記号５６は、図２の構造のバーナを用い、さらにアフタエア空気に水を混入したときのＮＯｘである。記号５６の条件では、ＮＯｘがさらに低減された。
【００３１】
これらの結果から、以下の（１）〜（３）の技術を適用し、さらに火炉空気比を１．１４以下にすることで、ＮＯｘ濃度を煙突出口の規制値より低くし、脱硝装置を省略してコストを低減できることがわかった。
【００３２】
（１）最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間を長くする。
【００３３】
（２）バーナの微粉炭搬送空気と燃焼用空気の一部を、火炉内に噴出する前に事前に混合する。
【００３４】
（３）アフタエア空気に水を混入する。
【００３５】
図５は、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間を変えて、火炉空気比とＮＯｘの関係を実験で調べた結果である。図５（ｂ）は、最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間が１．１秒以上の条件で、石炭性状を変えて火炉空気比とＮＯｘの関係を調べた結果である。符号６２，６３，６４の滞留時間はいずれも１．１５秒であるが、使用した石炭の種類が異なる。いずれの場合にも、火炉空気比を下げるとＮＯｘが単調に減少する。この結果から、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間が１．１秒以上の条件では、火炉空気比が１．２よりも、１．１４以下の方がＮＯｘを低減できることがわかった。
【００３６】
図５（ａ）は、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間が０．６７−１．０秒の条件で、石炭性状を変えて火炉空気比とＮＯｘの関係を調べた結果である。符号６１の滞留時間は０．７秒、符号５８，５９，６０の滞留時間は０．９５秒である。この条件では必ずしも火炉空気比を低くすることでＮＯｘを低減できなかった。符号５８と符号６０では、火炉空気比を低くすることでＮＯｘが低減するが、符号５９では火炉空気比を低くすることでＮＯｘが逆に増加する。また、符号６１では火炉空気比を変えてもＮＯｘはほとんど変化しない。このように、最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間が短いときには、火炉空気比を下げても、安定して低ＮＯｘ性能を得ることはできなかった。
【００３７】
これらの結果から、火炉空気比を下げて低ＮＯｘ燃焼を行うためには、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間を１．１秒以上にする必要のあることがわかった。
【００３８】
図６は、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間と、アフタエア部の入口ガス温度との関係を計算で調べた結果である。曲線６５は、燃焼ガスがアフタエア部入口に到達したときのガス温度であり、曲線６６は、アフタエア部入口に到達した燃焼ガスとアフタエア空気とが混合したときの温度である。領域６７は、ガスの着火が困難になる温度条件である。アフタエア部入口ガスとアフタエア空気を混合したときの温度が、領域６７の温度よりも高くなり、着火温度条件に入ることが、ボイラの燃焼システムを成り立たせる上での必要条件である。
【００３９】
最上段バーナからアフタエポートまでの燃焼ガスの滞留時間が長くなると、アフタエア部入口ガス温度は次第に低くなる。これは、サーマルＮＯｘを低減する上では望ましいことである。ただし、アフタエア部入口ガスとアフタエア空気とが混合したときの温度が１０００℃以下になると、着火が困難になりシステムが成り立たなくなる。
【００４０】
したがって、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガス滞留時間の望ましい値には上限がある。図６の計算結果に基づくと、最上段バーナからアフタエアポート間の滞留時間の上限は、約３．３秒である。
【実施例３】
【００４１】
本発明による微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図を、図８から図１３に示した。また、比較例として、従来の一般的な微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図を図７に示した。
【００４２】
比較例の発電システムでは、ボイラ７１に微粉炭７４を供給して燃焼させる。微粉炭の燃焼熱により発生した蒸気８１を蒸気タービン８２へ導き、蒸気タービン８２とタービンに接続された発電機８３を駆動する。燃焼後の燃焼排ガス１３は、まず脱硝装置７２へ導く。脱硝装置７２では、ＮＯｘの濃度が６％Ｏ２換算値で４０ｐｐｍ以下になるように、アンモニアを供給してＮＯｘを還元する。燃焼排ガス１３は、次にエアヒータ６で熱交換により燃焼用の空気７３を加熱する。続いて、乾式電気集塵器７５で煤塵を除去し、脱硫装置７６でＳＯｘを除去する。脱硫装置７６で発生するミストを湿式電気集塵器７７で除去した後、燃焼排ガス１３を煙突７８から排出する。
【００４３】
図８は、本発明のボイラを用いた発電システムの一実施例である。ＰＲＢ炭を燃料とした場合、本発明ではボイラ７１から発生するＮＯｘを４０ｐｐｍ以下に低くできるため、脱硝装置が不要となる。燃焼排ガス１３は直接エアヒータ６に入る。エアヒータ６の下流に乾式電気集塵器７５、脱硫装置７６、湿式電気集塵器７７および煙突７８を配置する点は、従来と同じである。
【００４４】
脱硝装置内には触媒が挿入されており、アンモニア（ＮＨ3）ガスを供給することで、ボイラ排ガス中のＮＯｘをＮ２に還元する。該触媒はボイラ排ガス中の水銀（Ｈｇ）ガスとハロゲンガス、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）ガスによりＨｇガスを酸化し、塩化水銀（ＨｇＣｌ２）ガスを生成する。塩化水銀（ＨｇＣｌ２）ガスはボイラ排ガス中の灰への吸着性があり、後流の乾式電気集塵器７５で灰とともに除去される。さらに、ＨｇＣｌ２ガスは水への吸収性があり、後流の石灰スラリーを使用する脱硫装置で除去される。
【００４５】
ここで、脱硝装置が不要となれば、Ｈｇガスを酸化する作用が低減される。そこで、Ｈｇガスの酸化を促進する方法が必要になる。その方法は、Ｈｇガスと反応するハロゲンガスを高濃度にする、Ｈｇガスを酸化する専用の触媒を設置することである。さらに、Ｈｇガスを吸着する吸着剤を供給することにより、ボイラ排ガス中のＨｇガスを低減する。
【００４６】
図９は、本発明のハロゲンガス供給装置を設けた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図である。ハロゲンガス供給装置はエアヒータ６の直前、あるいはエアヒータ６と乾式電気集塵器７５の間、あるいは乾式電気集塵器７５と脱硫装置７６の間に設ける。
【００４７】
ハロゲンガスとして、ＨＣｌガスを例にすると、供給したＨＣｌガスは、平衡反応により塩素（Ｃｌ２）ガスを生成し、さらに生成したＣｌ２ガスとＨｇガスが反応し、ＨｇＣｌ２ガスを生成する。ＨＣｌガスとＣｌ２ガスの平衡反応は、高温ほどＨＣｌガスが多く、温度が低いほどＣｌ２ガスが多くなる。Ｃｌ２ガスとＨｇガスの反応速度は、温度が高いほど速くなる。温度が高すぎれば、Ｃｌ２ガスが少ないため、ＨｇＣｌ２の生成が抑制され、温度が低すぎれば、Ｃｌ２ガスとＨｇガスの反応速度が遅くなるため、ＨｇＣｌ２の生成が抑制される。したがって、ＨｇＣｌ２の生成には、最適な温度範囲が存在し、望ましい温度範囲は１５０〜４００℃である。
【００４８】
ボイラから出た排ガスの温度遷移は、約４００℃でエアヒータ６に入り、熱交換して、乾式電気集塵器７５で約１５０℃に下がる。したがって、ハロゲンガスの供給位置は、エアヒータ６の直前から乾式電気集塵器７５の直前となる。
【００４９】
図１０から１３は、本発明の水銀酸化触媒装置を設けた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図である。図１０は水銀酸化触媒装置２０２をエアヒータ６の直前に、図１１は水銀酸化触媒２０２をエアヒータ６と乾式電気集塵器７５の間に、図１２は水銀酸化触媒２０２を乾式電気集塵器７５と脱硫装置７６の間に設けている。
【００５０】
水銀酸化触媒は、ＨＣｌガスを例にすると、ＨＣｌガスからＣｌ２ガスを生成する作用を促進する。触媒を構成する成分によって、使用温度範囲は異なり、１５０〜４００℃の範囲になる。
【００５１】
石炭としてＰＲＢ炭を用いた場合、石炭中に含まれるＣｌ量が少なく、そのような石炭では、水銀酸化触媒装置と併用して、ハロゲンガスを供給することが望ましい。その場合、水銀酸化触媒装置の上流でハロゲンガスを供給する。
【００５２】
図１３は、本発明の水銀吸着剤を供給する微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図である。排ガス中のＨｇガスおよびＨｇＣｌ２ガスを吸着させるために、乾式電気集塵器７５の下流で活性炭吹き込み装置７９を設けた。活性炭は水銀吸着剤である。水銀を吸着した活性炭は、バグフィルタ８０で回収する。
【００５３】
乾式電気集塵器７５で捕集した灰は、セメントなどへ有効利用されており、活性炭が混入すれば、有効利用できなくなる。したがって、乾式電気集塵器７５の後流で活性炭を吹き込むことになる。
【００５４】
図１０から図１３のボイラ７１は本発明のボイラであるが、ボイラ１の出口ＮＯｘ濃度が煙突７８の出口ＮＯｘ濃度規制値以下となるボイラであればよい。
【００５５】
このように、本発明によれば、ＮＯｘ低減が図れ、脱硝装置なしの微粉炭焚き火力発電システムが提供でき、発電システムのコスト低減が図れる。さらに、脱硝装置なしの場合でも水銀除去性能を確保するボイラ排ガス浄化システムが提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は微粉炭ボイラの排ガス浄化システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…火炉燃焼空間、２…バーナ、３…アフタエアポート、４…１次空気と微粉炭、５…ブロワ、６…エアヒータ、７…バーナ用２次と３次空気、８…アフタエア空気、９…ウインドボックス、１０…空気流量制御装置、１１…ノーズ、１２…パネル型熱交換器、１３…燃焼排ガス、１４…ガスサンプル装置、１５…酸素濃度計、１６…空気流量制御信号、１７…最上段バーナとアフタエアポート間の距離、１８…火炉底部からノーズまでの高さ、１９…工業用水配管、２０…ポンプ、２１…工業用水、２２…１次空気噴出口、２３…２次空気噴出口、２４…３次空気噴出口、２５…２次と３次空気の一部、２６…火炉底部から最初に燃焼ガスが接触するパネル型熱交換器までの距離、２７…ボイラの高さ、４０…排ガス吸引ポンプ、７１…ボイラ、７２…脱硝装置、７３…空気、７４…微粉炭、７５…乾式電気集塵器、７６…脱硫装置、７７…湿式電気集塵器、７８…煙突、７９…活性炭吹き込み装置、８０…バグフィルタ、８１…蒸気、８２…蒸気タービン、８３…発電機、８４…火炉天井、８５…ホッパ、８６…火炉前壁、８７…火炉後壁、８８…仕切り板、８９…保炎器、１００…火炉、２０１…ハロゲンガス供給装置、２０２…水銀酸化触媒。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭ボイラの排ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラでは、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の低減が求められており、この要求に応えるために、さまざまな燃焼方法が提案されている。例えば、特許文献１には、微粉炭を３段階に分けて燃焼させ、第一のゾーンの空気比を０．５５−０．７５、滞留時間を０．１−０．３秒、第二のゾーンの空気比を０．８０−０．９９、滞留時間を０．２５−０．５秒、第三のゾーンの空気比を１．０５−１．２５、滞留時間を０．２５−０．５秒とする燃焼方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６３２５００３号明細書（特許請求の範囲、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のような低ＮＯｘ燃焼方法を採用しても、煙突出口のＮＯｘ値を環境規制値（４０ｐｐｍ）以下にするには、ボイラの下流に脱硝装置を設置する必要があった。
【０００５】
本発明の目的は、ＮＯｘ濃度の更なる低減を図り、脱硝装置なしで煙突出口のＮＯｘ濃度が環境規制値を満たすことができるようにした微粉炭ボイラの排ガス浄化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の微粉炭ボイラの排ガス浄化システムは、微粉炭ボイラ出口のＮＯｘ濃度が煙突出口のＮＯｘ濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラと、前記微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により前記微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータと、前記エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置と、前記脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、前記微粉炭ボイラと前記エアヒータの間、あるいは前記脱塵装置と前記脱硫装置の間に水銀ガスを酸化する触媒装置を備え、さらに、前記微粉炭ボイラの下流で、かつ、前記触媒装置の上流にハロゲンガス供給装置を備えことを特徴とする。
【０００７】
また本発明の微粉炭ボイラの排ガス浄化システムは、微粉炭ボイラ出口の窒素酸化物濃度が煙突出口の窒素酸化物濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラと、前記微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により前記微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータと、前記エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置と、前記脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、前記脱塵装置と前記脱硫装置の間にボイラ排ガスに水銀吸着剤を吹き込む水銀吸着剤吹込み装置と、前記水銀吸着剤が吹き込まれたボイラ排ガス中から前記水銀吸着剤を除去する脱塵装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、火炉から排出されるＮＯｘの濃度を著しく低減でき、現状の環境規制値（４０ｐｐｍ）以下にすることが可能になった。これにより、脱硝装置なしで微粉炭ボイラの排ガス浄化システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例による微粉炭ボイラの火炉部の断面と、空気及び微粉炭の供給系統を示す図である。
【図２】本発明の一実施例によるバーナの空気流れ方向の断面図である。
【図３】本発明の他の実施例による微粉炭ボイラの火炉部の断面と、空気及び微粉炭の供給系統を示す図である。
【図４】本発明のＮＯｘ低減効果を、計算により検証した結果を示す図である。
【図５】火炉空気比とＮＯｘの関係を、最上段バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間ごとに測定した結果を示す図である。
【図６】最上段バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間と、アフタエア入口部の燃焼ガス温度の関係を計算した結果を示す図である。
【図７】従来の一般的な微粉炭焚き火力発電システムの機器構成図である。
【図８】本発明の微粉炭燃焼方法を適用した微粉炭焚き火力発電システムである。
【図９】ハロゲンガス供給装置を備えた本発明の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【図１０】水銀酸化触媒装置を備えた本発明の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【図１１】水銀酸化触媒装置を備えた別の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【図１２】水銀酸化触媒装置を備えた別の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【図１３】水銀酸化触媒装置を備えた別の実施例に係る微粉炭火力発電システムの機器構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明による微粉炭燃焼方法及び微粉炭ボイラでは、アフタエアポートから供給する空気に、例えば水を事前に混合するなどして空気の比熱を増加させることが望ましい。また、バーナの微粉炭搬送空気と燃焼用空気の一部を、火炉内に噴出する前に事前に混合することが望ましい。さらに、アフタエアポートから供給する空気に、ボイラ燃焼排ガスの一部を混合することが望ましい。これらにより、更なるＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１１】
また、ボイラ出口のＮＯｘ濃度が煙突出口のＮＯｘ濃度の規制値以下の場合、ボイラ排ガス中のＮＯｘを低減する脱硝装置が不要になる。脱硝装置はボイラ排ガス中の水銀ガスを酸化する作用がある。酸化した水銀ガスは、燃焼灰への吸着、水への吸収作用があり、灰を取り除く脱塵装置、さらには硫黄酸化物を取り除く脱硫装置で取り除かれていた。脱硝装置不要の場合において、脱硝装置に代わって水銀ガスを酸化する方法が必要になる。その方法として、ハロゲンガスの供給、あるいは水銀酸化触媒装置の設置、あるいは水銀吸着剤の供給が望ましい。
【００１２】
以下、火炉での空気比と、最上段バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間が、ＮＯｘ濃度に与える影響について説明する。また、本発明の微粉炭燃焼方法を実現するのに好適な微粉炭ボイラの構成と、ボイラ排ガス浄化システムの構成について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る微粉炭焚きボイラの火炉部の断面と、空気及び微粉炭の供給系統を示したものである。
【００１４】
火炉１００の壁面は、上部の火炉天井８４と、下部のホッパ８５と、側方の火炉前壁８６と、火炉後壁８７及び図示しない火炉側壁で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。この水管により、火炉燃焼空間１で発生した燃焼熱の一部が吸収される。火炉燃焼空間１で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、パネル型熱交換器１２で燃焼気体中に含まれる熱がさらに回収される。パネル型熱交換器１２で熱回収された燃焼排ガス１３は、エアヒータ６で燃焼用の空気を加熱した後、図示しない煙突から排出される。
【００１５】
火炉前壁８６と火炉後壁８７の下部には、対向するように、複数段のバーナ２が設置され、ここで空気不足の状態で微粉炭が燃焼する。各段には、それぞれ複数個のバーナが設置される。石炭は図示しない粉砕器で、およそ１５０μｍ以下に粉砕した後、空気でバーナ２に搬送され、１次空気と微粉炭４は、バーナ２から火炉内に噴出される。バーナ用２次と３次空気７は、ウインドボックス９を経て、バーナ２から火炉内に噴出される。
【００１６】
バーナ２の上方には、アフタエアポート３が設置される。アフタエアポートは主アフタエアポートのみからなる場合と、主アフタエアポートと副アフタエアポートからなる場合がある。図１では、主アフタエアポートのみからなるボイラを示している。副アフタエアポートは、主アフタエアポート間、或いは主アフタエアポートよりも上方に設置される場合が多い。ここで、アフタエアポートが火炉の上下方向に複数段備えられている場合、流量の多い段を主アフタエアポート、流量の少ない段を副アフタエアポートと定義する。
【００１７】
燃焼用空気は、ブロワ５から供給され、エアヒータ６で加熱された後、バーナ用２次と３次空気７とアフタエア空気８に配分される。
【００１８】
パネル型熱交換器１２の下流側にはガスサンプル装置１４が設けられ、燃焼排ガス１３の一部を吸引し、酸素濃度計１５で燃焼排ガス１３中の酸素濃度を測定する。測定した酸素濃度が予め計画した値になるように、図示しない制御装置から空気流量制御信号１６を出力する。本発明では、酸素濃度がおよそ２％になるように空気流量制御信号１６を出力する。これは、火炉空気比で１．１に相当する。この空気流量制御信号１６に従って空気流量制御装置１０を駆動し、アフタエア空気８と、バーナ用２次と３次空気７の一方又は両方の流量を調整する。
【００１９】
特許文献１から明らかなように、ＮＯｘ低減のためには、火炉空気比は低い方が良い。ただし、火炉空気比が低すぎると、ＣＯ濃度が高くなる。火炉空気比が１．０５より低くなると、平衡濃度のＣＯが高くなるため、原理的にＣＯを低減するのが不可能になる。従って、火炉空気比は１．０５以上にすべきである。実用的には、空気流量の変動を考慮して、１．０５よりやや高い空気比で運転するのがよい。本実施例では、５％の空気流量変動を考慮して、火炉空気比を１．１に設定した。
【００２０】
火炉近傍に設置されている工業用水配管１９から工業用水を分岐し、ポンプ２０を用いてアフタエア空気８の配管へ工業用水２１を供給する。図示しない噴霧器を用いて、工業用水２１をアフタエア空気８中へ噴霧する。これにより火炉内で燃焼する微粉炭火炎の温度を下げ、ＮＯｘをさらに低減できる。
【００２１】
ＮＯｘを低減するには、最上段バーナとアフタエアポート間の距離１７を広げ、ＮＯｘが還元される領域を大きくするのが良い。最上段バーナとアフタエアポート間の距離１７は、燃焼ガスの滞留時間で１．１〜３．３秒になるように設定するのがよい。滞留時間が１．１秒以下の場合には、火炉空気比を低くしてもＮＯｘが低減されないため、ＮＯｘ濃度が高くなる。この現象については、図５で詳しく説明する。滞留時間が３．３秒以上の場合には、アフタエアを供給した際の燃焼が困難になる。この現象については、図６で詳しく説明する。
【００２２】
最上段バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間は、最上段バーナから主アフタエアポートまでの距離によって概ね決定されるが、火炉の設計条件を以下のようにすると、よりコントロールしやすくなる。具体的には、最上段バーナとアフタエアポート間の距離１７、すなわち最上段バーナから主アフタエアポートまでの距離を、火炉底部からノーズ１１までの高さ１８の比で、２０−３０％とする。或いは、最上段バーナから主アフタエアまでの距離を、火炉底部から最初に燃焼ガスが接触するパネル型熱交換器１２までの高さ２６の比で、２０−３０％とする。或いは、最上段バーナから主アフタエアまでの距離を、ボイラの高さ２７の比で、１５−２２％とする。
【００２３】
図２は、ＮＯｘ濃度を低減するのに好適なバーナ２の構造を示したものである。
【００２４】
燃焼用空気は、１次空気噴出口２２と、２次空気噴出口２３及び３次空気噴出口２４から噴出する。１次空気と微粉炭４は、バーナ中央から噴出する。２次と３次空気の一部２５は、バーナ用２次と３次空気７から分岐し、バーナ中央部から１次空気と微粉炭４の流れに混入させる。これにより、微粉炭濃度が薄くなり、ＮＯｘ濃度が低減される。１次空気と微粉炭４の一部は、仕切り板８８で分岐し、仕切り板８８の外周側を流す。このとき、仕切り板８８の外周側を流れる１次空気と微粉炭４は、２次と３次空気の一部２５と混合することがないようにする。例えば、２次と３次空気の一部２５の噴出口よりも、仕切り板８８の先端部分を前方に設置する。こうすることで、保炎器８９の近傍では、微粉炭濃度が薄まることがなくなり、着火性が維持される。
【実施例２】
【００２５】
図３は、本発明の他の実施例に係る微粉炭焚きボイラであり、火炉部の構成を示したものである。
【００２６】
ここでは、燃焼排ガス１３の一部を吸引して、アフタエアポート３から火炉に供給している。燃焼排ガス１３は、燃焼排ガス吸引ポンプ４０で吸引し、アフタエア空気８に混入する。燃焼排ガス１３を混入したアフタエア空気８は、アフタエアポート３から火炉内に放出する。アフタエア空気８に燃焼排ガス１３を混入することで、ガスの比熱が大きくなる。また、ガス中の酸素濃度が低くなる。これにより、燃焼温度が低くなり、ＮＯｘの生成量が少なくなる。また、排ガスを混入することでアフタエアポートから噴出する気体の流速が速くなり、火炉内での混合が促進され、ＣＯも低減される。
【００２７】
本発明の効果の検証をする。
【００２８】
図４は、本発明によるＮＯｘの低減効果を計算で検証した結果である。
【００２９】
記号５１は、従来技術を用いて火炉空気比１．２で燃焼したときのＮＯｘ性能である。記号５３は、最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間を長くして、火炉空気比を１．１５としたときのＮＯｘであり、約３０％低減された。記号５４は、さらに火炉空気比を１．１０まで下げたときのＮＯｘである。約５０％ＮＯｘが低減された。
【００３０】
記号５５は、最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間を長くして、火炉空気比を１．１４及び１．１とし、さらにバーナを改良して図２の構造のバーナとし、バーナの微粉炭搬送空気と燃焼用空気の一部を、火炉内に噴出する前に事前に混合したときのＮＯｘである。記号５６は、図２の構造のバーナを用い、さらにアフタエア空気に水を混入したときのＮＯｘである。記号５６の条件では、ＮＯｘがさらに低減された。
【００３１】
これらの結果から、以下の（１）〜（３）の技術を適用し、さらに火炉空気比を１．１４以下にすることで、ＮＯｘ濃度を煙突出口の規制値より低くし、脱硝装置を省略してコストを低減できることがわかった。
【００３２】
（１）最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間を長くする。
【００３３】
（２）バーナの微粉炭搬送空気と燃焼用空気の一部を、火炉内に噴出する前に事前に混合する。
【００３４】
（３）アフタエア空気に水を混入する。
【００３５】
図５は、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間を変えて、火炉空気比とＮＯｘの関係を実験で調べた結果である。図５（ｂ）は、最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間が１．１秒以上の条件で、石炭性状を変えて火炉空気比とＮＯｘの関係を調べた結果である。符号６２，６３，６４の滞留時間はいずれも１．１５秒であるが、使用した石炭の種類が異なる。いずれの場合にも、火炉空気比を下げるとＮＯｘが単調に減少する。この結果から、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間が１．１秒以上の条件では、火炉空気比が１．２よりも、１．１４以下の方がＮＯｘを低減できることがわかった。
【００３６】
図５（ａ）は、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間が０．６７−１．０秒の条件で、石炭性状を変えて火炉空気比とＮＯｘの関係を調べた結果である。符号６１の滞留時間は０．７秒、符号５８，５９，６０の滞留時間は０．９５秒である。この条件では必ずしも火炉空気比を低くすることでＮＯｘを低減できなかった。符号５８と符号６０では、火炉空気比を低くすることでＮＯｘが低減するが、符号５９では火炉空気比を低くすることでＮＯｘが逆に増加する。また、符号６１では火炉空気比を変えてもＮＯｘはほとんど変化しない。このように、最上段バーナからアフタエアポートまでの滞留時間が短いときには、火炉空気比を下げても、安定して低ＮＯｘ性能を得ることはできなかった。
【００３７】
これらの結果から、火炉空気比を下げて低ＮＯｘ燃焼を行うためには、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間を１．１秒以上にする必要のあることがわかった。
【００３８】
図６は、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間と、アフタエア部の入口ガス温度との関係を計算で調べた結果である。曲線６５は、燃焼ガスがアフタエア部入口に到達したときのガス温度であり、曲線６６は、アフタエア部入口に到達した燃焼ガスとアフタエア空気とが混合したときの温度である。領域６７は、ガスの着火が困難になる温度条件である。アフタエア部入口ガスとアフタエア空気を混合したときの温度が、領域６７の温度よりも高くなり、着火温度条件に入ることが、ボイラの燃焼システムを成り立たせる上での必要条件である。
【００３９】
最上段バーナからアフタエポートまでの燃焼ガスの滞留時間が長くなると、アフタエア部入口ガス温度は次第に低くなる。これは、サーマルＮＯｘを低減する上では望ましいことである。ただし、アフタエア部入口ガスとアフタエア空気とが混合したときの温度が１０００℃以下になると、着火が困難になりシステムが成り立たなくなる。
【００４０】
したがって、最上段バーナからアフタエアポートまでの燃焼ガス滞留時間の望ましい値には上限がある。図６の計算結果に基づくと、最上段バーナからアフタエアポート間の滞留時間の上限は、約３．３秒である。
【実施例３】
【００４１】
本発明による微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図を、図８から図１３に示した。また、比較例として、従来の一般的な微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図を図７に示した。
【００４２】
比較例の発電システムでは、ボイラ７１に微粉炭７４を供給して燃焼させる。微粉炭の燃焼熱により発生した蒸気８１を蒸気タービン８２へ導き、蒸気タービン８２とタービンに接続された発電機８３を駆動する。燃焼後の燃焼排ガス１３は、まず脱硝装置７２へ導く。脱硝装置７２では、ＮＯｘの濃度が６％Ｏ２換算値で４０ｐｐｍ以下になるように、アンモニアを供給してＮＯｘを還元する。燃焼排ガス１３は、次にエアヒータ６で熱交換により燃焼用の空気７３を加熱する。続いて、乾式電気集塵器７５で煤塵を除去し、脱硫装置７６でＳＯｘを除去する。脱硫装置７６で発生するミストを湿式電気集塵器７７で除去した後、燃焼排ガス１３を煙突７８から排出する。
【００４３】
図８は、本発明のボイラを用いた発電システムの一実施例である。ＰＲＢ炭を燃料とした場合、本発明ではボイラ７１から発生するＮＯｘを４０ｐｐｍ以下に低くできるため、脱硝装置が不要となる。燃焼排ガス１３は直接エアヒータ６に入る。エアヒータ６の下流に乾式電気集塵器７５、脱硫装置７６、湿式電気集塵器７７および煙突７８を配置する点は、従来と同じである。
【００４４】
脱硝装置内には触媒が挿入されており、アンモニア（ＮＨ3）ガスを供給することで、ボイラ排ガス中のＮＯｘをＮ２に還元する。該触媒はボイラ排ガス中の水銀（Ｈｇ）ガスとハロゲンガス、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）ガスによりＨｇガスを酸化し、塩化水銀（ＨｇＣｌ２）ガスを生成する。塩化水銀（ＨｇＣｌ２）ガスはボイラ排ガス中の灰への吸着性があり、後流の乾式電気集塵器７５で灰とともに除去される。さらに、ＨｇＣｌ２ガスは水への吸収性があり、後流の石灰スラリーを使用する脱硫装置で除去される。
【００４５】
ここで、脱硝装置が不要となれば、Ｈｇガスを酸化する作用が低減される。そこで、Ｈｇガスの酸化を促進する方法が必要になる。その方法は、Ｈｇガスと反応するハロゲンガスを高濃度にする、Ｈｇガスを酸化する専用の触媒を設置することである。さらに、Ｈｇガスを吸着する吸着剤を供給することにより、ボイラ排ガス中のＨｇガスを低減する。
【００４６】
図９は、本発明のハロゲンガス供給装置を設けた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図である。ハロゲンガス供給装置はエアヒータ６の直前、あるいはエアヒータ６と乾式電気集塵器７５の間、あるいは乾式電気集塵器７５と脱硫装置７６の間に設ける。
【００４７】
ハロゲンガスとして、ＨＣｌガスを例にすると、供給したＨＣｌガスは、平衡反応により塩素（Ｃｌ２）ガスを生成し、さらに生成したＣｌ２ガスとＨｇガスが反応し、ＨｇＣｌ２ガスを生成する。ＨＣｌガスとＣｌ２ガスの平衡反応は、高温ほどＨＣｌガスが多く、温度が低いほどＣｌ２ガスが多くなる。Ｃｌ２ガスとＨｇガスの反応速度は、温度が高いほど速くなる。温度が高すぎれば、Ｃｌ２ガスが少ないため、ＨｇＣｌ２の生成が抑制され、温度が低すぎれば、Ｃｌ２ガスとＨｇガスの反応速度が遅くなるため、ＨｇＣｌ２の生成が抑制される。したがって、ＨｇＣｌ２の生成には、最適な温度範囲が存在し、望ましい温度範囲は１５０〜４００℃である。
【００４８】
ボイラから出た排ガスの温度遷移は、約４００℃でエアヒータ６に入り、熱交換して、乾式電気集塵器７５で約１５０℃に下がる。したがって、ハロゲンガスの供給位置は、エアヒータ６の直前から乾式電気集塵器７５の直前となる。
【００４９】
図１０から１３は、本発明の水銀酸化触媒装置を設けた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図である。図１０は水銀酸化触媒装置２０２をエアヒータ６の直前に、図１１は水銀酸化触媒２０２をエアヒータ６と乾式電気集塵器７５の間に、図１２は水銀酸化触媒２０２を乾式電気集塵器７５と脱硫装置７６の間に設けている。
【００５０】
水銀酸化触媒は、ＨＣｌガスを例にすると、ＨＣｌガスからＣｌ２ガスを生成する作用を促進する。触媒を構成する成分によって、使用温度範囲は異なり、１５０〜４００℃の範囲になる。
【００５１】
石炭としてＰＲＢ炭を用いた場合、石炭中に含まれるＣｌ量が少なく、そのような石炭では、水銀酸化触媒装置と併用して、ハロゲンガスを供給することが望ましい。その場合、水銀酸化触媒装置の上流でハロゲンガスを供給する。
【００５２】
図１３は、本発明の水銀吸着剤を供給する微粉炭ボイラの排ガス浄化システムの機器構成図である。排ガス中のＨｇガスおよびＨｇＣｌ２ガスを吸着させるために、乾式電気集塵器７５の下流で活性炭吹き込み装置７９を設けた。活性炭は水銀吸着剤である。水銀を吸着した活性炭は、バグフィルタ８０で回収する。
【００５３】
乾式電気集塵器７５で捕集した灰は、セメントなどへ有効利用されており、活性炭が混入すれば、有効利用できなくなる。したがって、乾式電気集塵器７５の後流で活性炭を吹き込むことになる。
【００５４】
図１０から図１３のボイラ７１は本発明のボイラであるが、ボイラ１の出口ＮＯｘ濃度が煙突７８の出口ＮＯｘ濃度規制値以下となるボイラであればよい。
【００５５】
このように、本発明によれば、ＮＯｘ低減が図れ、脱硝装置なしの微粉炭焚き火力発電システムが提供でき、発電システムのコスト低減が図れる。さらに、脱硝装置なしの場合でも水銀除去性能を確保するボイラ排ガス浄化システムが提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は微粉炭ボイラの排ガス浄化システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…火炉燃焼空間、２…バーナ、３…アフタエアポート、４…１次空気と微粉炭、５…ブロワ、６…エアヒータ、７…バーナ用２次と３次空気、８…アフタエア空気、９…ウインドボックス、１０…空気流量制御装置、１１…ノーズ、１２…パネル型熱交換器、１３…燃焼排ガス、１４…ガスサンプル装置、１５…酸素濃度計、１６…空気流量制御信号、１７…最上段バーナとアフタエアポート間の距離、１８…火炉底部からノーズまでの高さ、１９…工業用水配管、２０…ポンプ、２１…工業用水、２２…１次空気噴出口、２３…２次空気噴出口、２４…３次空気噴出口、２５…２次と３次空気の一部、２６…火炉底部から最初に燃焼ガスが接触するパネル型熱交換器までの距離、２７…ボイラの高さ、４０…排ガス吸引ポンプ、７１…ボイラ、７２…脱硝装置、７３…空気、７４…微粉炭、７５…乾式電気集塵器、７６…脱硫装置、７７…湿式電気集塵器、７８…煙突、７９…活性炭吹き込み装置、８０…バグフィルタ、８１…蒸気、８２…蒸気タービン、８３…発電機、８４…火炉天井、８５…ホッパ、８６…火炉前壁、８７…火炉後壁、８８…仕切り板、８９…保炎器、１００…火炉、２０１…ハロゲンガス供給装置、２０２…水銀酸化触媒。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粉炭ボイラ出口の窒素酸化物濃度が煙突出口の窒素酸化物濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラと、前記微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により前記微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータと、前記エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置と、前記脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラと前記エアヒータの間、あるいは前記脱塵装置と前記脱硫装置の間に水銀ガスを酸化する触媒装置を備え、さらに、前記微粉炭ボイラの下流で、かつ、前記触媒装置の上流にハロゲンガス供給装置を備えたことを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項２】
微粉炭ボイラ出口の窒素酸化物濃度が煙突出口の窒素酸化物濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラと、前記微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により前記微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータと、前記エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置と、前記脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記脱塵装置と前記脱硫装置の間にボイラ排ガスに水銀吸着剤を吹き込む水銀吸着剤吹込み装置と、前記水銀吸着剤が吹き込まれたボイラ排ガス中から前記水銀吸着剤を除去する脱塵装置とを備えたことを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、微粉炭を燃焼する火炉と、前記火炉に微粉炭と燃焼用空気を供給し、空気不足の状態で微粉炭を燃焼するバーナと、前記バーナの下流側に設けられた、完全燃焼用の空気を供給するアフタエアポートとを有する微粉炭ボイラであって、前記火炉の最上段に設置された前記バーナから主アフタエアポートまでの距離と、前記火炉の底部からノーズまでの高さとの比が２０−３０％であることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、微粉炭を燃焼する火炉と、前記火炉に微粉炭と燃焼用空気を供給し、空気不足の状態で微粉炭を燃焼するバーナと、前記バーナの下流側に設けられた、完全燃焼用の空気を供給するアフタエアポートと、燃焼ガスの熱を回収するパネル型熱交換器を有する微粉炭ボイラであって、前記火炉の最上段に設置された前記バーナから主アフタエアポートまでの距離と、前記火炉の底部から最初に燃焼ガスが接触する前記パネル型熱交換器までの高さの比が２０−３０％であることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、微粉炭を燃焼する火炉と、前記火炉に微粉炭と燃焼用空気を供給し、空気不足の状態で微粉炭を燃焼するバーナと、前記バーナの下流側に設けられた、完全燃焼用の空気を供給するアフタエアポートとを有する微粉炭ボイラであって、前記火炉の最上段に設置された前記バーナから主アフタエアポートまでの距離と、ボイラの高さの比が１５−２２％であることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項６】
請求項１または２に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、微粉炭を燃焼する火炉と、前記火炉に微粉炭と燃焼用空気を供給し、空気不足の状態で微粉炭を燃焼するバーナと、前記バーナの下流側に設けられた、完全燃焼用の空気を供給するアフタエアポートとを有する微粉炭ボイラであって、前記火炉での空気比を１．０５〜１．１４とし、最上段に設けられた前記バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間を１．１〜３．３秒とすることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項７】
請求項６に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは前記火炉の上下方向に複数段にバーナが設置されていることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項８】
請求項６に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは少なくとも主アフタエアポートを備えていることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項９】
請求項６に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記火炉から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を測定し、この酸素濃度が予め計画した値になるように、前記バーナに供給する２次及び３次空気と、前記アフタエアポートに供給する空気のうちの少なくとも一方の流量を調整して、前記火炉での空気比が１．０５〜１．１４に保持されるようにすることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１０】
請求項６に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記アフタエアポートから供給する空気の比熱を増加させることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記アフタエアポートから供給する空気に水を事前に混合して空気の比熱を増加させることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１２】
請求項６又１０に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記バーナの微粉炭搬送空気と燃焼用空気の一部を、火炉内に噴出する前に事前に混合することを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１３】
請求項６又は１０に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記アフタエアポートから供給する空気に前記微粉炭ボイラの燃焼排ガスの一部を混合することを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１】
微粉炭ボイラ出口の窒素酸化物濃度が煙突出口の窒素酸化物濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラと、前記微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により前記微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータと、前記エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置と、前記脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラと前記エアヒータの間、あるいは前記脱塵装置と前記脱硫装置の間に水銀ガスを酸化する触媒装置を備え、さらに、前記微粉炭ボイラの下流で、かつ、前記触媒装置の上流にハロゲンガス供給装置を備えたことを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項２】
微粉炭ボイラ出口の窒素酸化物濃度が煙突出口の窒素酸化物濃度の規制値以下となる微粉炭ボイラと、前記微粉炭ボイラの下流に設けられたボイラ排ガスとの熱交換により前記微粉炭ボイラの燃焼用空気を加熱するエアヒータと、前記エアヒータの下流に設けられたボイラ排ガス中の灰分を除去する脱塵装置と、前記脱塵装置の下流に設けられたボイラ排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置を備えた微粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記脱塵装置と前記脱硫装置の間にボイラ排ガスに水銀吸着剤を吹き込む水銀吸着剤吹込み装置と、前記水銀吸着剤が吹き込まれたボイラ排ガス中から前記水銀吸着剤を除去する脱塵装置とを備えたことを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、微粉炭を燃焼する火炉と、前記火炉に微粉炭と燃焼用空気を供給し、空気不足の状態で微粉炭を燃焼するバーナと、前記バーナの下流側に設けられた、完全燃焼用の空気を供給するアフタエアポートとを有する微粉炭ボイラであって、前記火炉の最上段に設置された前記バーナから主アフタエアポートまでの距離と、前記火炉の底部からノーズまでの高さとの比が２０−３０％であることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、微粉炭を燃焼する火炉と、前記火炉に微粉炭と燃焼用空気を供給し、空気不足の状態で微粉炭を燃焼するバーナと、前記バーナの下流側に設けられた、完全燃焼用の空気を供給するアフタエアポートと、燃焼ガスの熱を回収するパネル型熱交換器を有する微粉炭ボイラであって、前記火炉の最上段に設置された前記バーナから主アフタエアポートまでの距離と、前記火炉の底部から最初に燃焼ガスが接触する前記パネル型熱交換器までの高さの比が２０−３０％であることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、微粉炭を燃焼する火炉と、前記火炉に微粉炭と燃焼用空気を供給し、空気不足の状態で微粉炭を燃焼するバーナと、前記バーナの下流側に設けられた、完全燃焼用の空気を供給するアフタエアポートとを有する微粉炭ボイラであって、前記火炉の最上段に設置された前記バーナから主アフタエアポートまでの距離と、ボイラの高さの比が１５−２２％であることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項６】
請求項１または２に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、微粉炭を燃焼する火炉と、前記火炉に微粉炭と燃焼用空気を供給し、空気不足の状態で微粉炭を燃焼するバーナと、前記バーナの下流側に設けられた、完全燃焼用の空気を供給するアフタエアポートとを有する微粉炭ボイラであって、前記火炉での空気比を１．０５〜１．１４とし、最上段に設けられた前記バーナから主アフタエアポートまでの燃焼ガスの滞留時間を１．１〜３．３秒とすることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項７】
請求項６に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは前記火炉の上下方向に複数段にバーナが設置されていることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項８】
請求項６に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは少なくとも主アフタエアポートを備えていることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項９】
請求項６に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記火炉から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を測定し、この酸素濃度が予め計画した値になるように、前記バーナに供給する２次及び３次空気と、前記アフタエアポートに供給する空気のうちの少なくとも一方の流量を調整して、前記火炉での空気比が１．０５〜１．１４に保持されるようにすることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１０】
請求項６に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記アフタエアポートから供給する空気の比熱を増加させることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記アフタエアポートから供給する空気に水を事前に混合して空気の比熱を増加させることを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１２】
請求項６又１０に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記バーナの微粉炭搬送空気と燃焼用空気の一部を、火炉内に噴出する前に事前に混合することを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【請求項１３】
請求項６又は１０に記載の粉炭ボイラの排ガス浄化システムにおいて、
前記微粉炭ボイラは、前記アフタエアポートから供給する空気に前記微粉炭ボイラの燃焼排ガスの一部を混合することを特徴とする微粉炭ボイラの排ガス浄化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−１９６６６（Ｐ２０１３−１９６６６Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０４１２５（Ｐ２０１２−２０４１２５）
【出願日】平成２４年９月１８日（２０１２．９．１８）
【分割の表示】特願２００９−５１５１６５（Ｐ２００９−５１５１６５）の分割
【原出願日】平成２０年５月１４日（２００８．５．１４）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月１８日（２０１２．９．１８）
【分割の表示】特願２００９−５１５１６５（Ｐ２００９−５１５１６５）の分割
【原出願日】平成２０年５月１４日（２００８．５．１４）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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