排ガスの脱硝装置
【課題】装置の小型化が可能で、且つ還元剤の系外への流出を低減させることができる排ガスの脱硝装置を提供する。
【解決手段】燃焼炉１と減温手段２、３と除塵手段５とを含み、除塵手段５に脱硝触媒を担持させた燃焼設備に設けられる排ガスの脱硝装置において、燃焼炉１内に還元剤を供給する第１の還元剤供給手段１０と、減温手段２、３から除塵手段５の直前までの間で排ガスに還元剤を供給する第２の還元剤供給手段４０と、除塵手段出口側のＮＯｘ濃度を検出する出口側ＮＯｘ濃度検出手段６と、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量と第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量とを制御する制御手段１００とを備え、除塵手段５にて燃焼炉１の下流側に流出した未反応還元剤と第２の還元剤供給手段４０で供給される還元剤とを用いて脱硝を行い、制御手段１００は、ＮＯｘ濃度検出値がＮＯｘ濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段４０を制御する構成とした。
【解決手段】燃焼炉１と減温手段２、３と除塵手段５とを含み、除塵手段５に脱硝触媒を担持させた燃焼設備に設けられる排ガスの脱硝装置において、燃焼炉１内に還元剤を供給する第１の還元剤供給手段１０と、減温手段２、３から除塵手段５の直前までの間で排ガスに還元剤を供給する第２の還元剤供給手段４０と、除塵手段出口側のＮＯｘ濃度を検出する出口側ＮＯｘ濃度検出手段６と、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量と第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量とを制御する制御手段１００とを備え、除塵手段５にて燃焼炉１の下流側に流出した未反応還元剤と第２の還元剤供給手段４０で供給される還元剤とを用いて脱硝を行い、制御手段１００は、ＮＯｘ濃度検出値がＮＯｘ濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段４０を制御する構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼炉から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する排ガスの脱硝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばごみ焼却炉、ガス化炉、溶融炉、石炭焚きボイラ等の燃焼炉から排出される排ガス中には窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。そのため、燃焼機器が具備する排ガス処理装置にはＮＯｘを低減する脱硝手段が設けられている。ここで一例として、図６を参照して従来のごみ焼却プラントの構成例を説明する。ごみ焼却プラントは、焼却炉５１でごみを焼却処理し、発生した排ガスを焼却炉５１の煙道に接続された排ガス処理装置で処理する。この排ガス処理装置では、排ガスはボイラ５２で熱回収された後、減温塔５３で水噴霧により冷却される。次いで除塵手段５４で排ガスの除塵が行なわれるとともに、必要に応じてこの上流側で排ガス中に供給された消石灰によりＨＣｌ除去、ＳＯｘ除去が行われた後、煙突より排出される。
【０００３】
このような排ガス処理設備に用いられる従来の脱硝手段としては、以下の構成が知られている。例えば、特許文献１（特開平６−２６９６３４号公報）等に開示される炉内脱硝法が挙げられる。炉内脱硝法は無触媒脱硝法（ＳＮＣＲ法）とも呼ばれる。これは、燃焼炉内に還元剤を噴霧し、燃焼により生成したＮＯｘを還元剤により炉内で無触媒脱硝反応させてＮＯｘを還元除去するものである。還元剤には尿素水を用いることができ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成した後、このアンモニアの一部によりＮＯｘの無触媒脱硝反応を起こさせる。
【０００４】
また、他の脱硝手段として、特許文献２（特開昭６２−７４４４０号公報）等に開示される選択接触還元法（ＳＣＲ法）がある。これは、除塵手段の下流側で排ガスにアンモニアを供給し、脱硝触媒塔で排ガス中のＮＯｘを還元除去するものである。ここで、脱硝触媒は２００℃〜２５０℃程度で高い触媒活性を示すため、除塵手段から排出される１５０℃程度の排ガスを再加熱する必要がある。排ガスの再加熱には、ボイラで生成した蒸気を熱源とした蒸気式再加熱器が用いられることが多い。
【０００５】
さらにまた、他の脱硝手段として、特許文献３（特公平４−３６７２９号公報）等に開示される触媒バグフィルタ法がある。これは、バグフィルタに脱硝触媒を担持させておき、バグフィルタの上流側で排ガスに還元剤５５（図６参照）を供給し、排ガスがバグフィルタを通過する際に除塵を行うとともに脱硝触媒の存在下でＮＯｘを還元除去するものである。この方法においては、バグフィルタの上流側で消石灰等のアルカリ剤を供給し、ろ布表面の堆積層にて硫黄酸化物（ＳＯｘ）や塩化水素（ＨＣｌ）等の酸性ガスを中和反応させて除去することも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６９６３４号公報
【特許文献２】特開昭６２−７４４４０号公報
【特許文献３】特公平４−３６７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１等に開示される炉内脱硝法は、低コストであるが、脱硝性能を十分に得ようとすると尿素やアンモニア等の還元剤を多量に使用する必要があり、その結果、排ガス処理設備の下流側に未反応のアンモニアがリークし、煙突からリークアンモニアに起因する白煙、紫煙が発生するという問題点があった。
また、特許文献２等に開示されるＳＣＲ法は、環境装置では最も多く用いられているが、除塵手段出口における排ガス温度が低温の場合には蒸気式再加熱器等により排ガス温度を触媒活性の高い２００℃〜２５０℃程度まで昇温させる必要があり、結果的にエネルギーロスとなる。
【０００８】
さらに、特許文献３等に開示される触媒バグフィルタ法は、バグフィルタに触媒を担持し、脱硫、脱塩、除塵のみでなく脱硝機能をもバグフィルタにもたせた総合的な排ガス処理システムであるが、脱硝機能をもたない従来のパルス型バグフィルタに対して装置が大型化するという問題点があった。具体的には、例えばろ過速度≒０．８ｍ／ｍｉｎ程度のパルス型バグフィルタに対して、触媒バグフィルタはろ過速度≒０．４ｍ／ｍｉｎ程度で運用され、従来のパルス型バグフィルタよりろ過面積が２倍となり、バグハウスの大きさも約２倍となる。
【０００９】
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、装置の小型化が可能で、且つ還元剤の系外への流出を低減させることができる排ガスの脱硝装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明に係る排ガスの脱硝装置は、燃焼炉と、前記燃焼炉から排出される排ガスを減温する減温手段と、前記減温手段で減温された排ガスの除塵を行う除塵手段とを含み、前記除塵手段に脱硝触媒を担持させた燃焼設備に設けられ、前記排ガスに含有される窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する排ガスの脱硝装置において、前記燃焼炉内に還元剤を供給する第１の還元剤供給手段と、前記減温手段から前記除塵手段の直前までの間で前記排ガスに還元剤を供給する第２の還元剤供給手段と、前記除塵手段出口側のＮＯｘ濃度を検出する出口側ＮＯｘ濃度検出手段と、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量と前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量とを制御する制御手段とを備え、前記除塵手段にて前記燃焼炉の下流側に流出した未反応還元剤と前記第２の還元剤供給手段で供給される還元剤とを用いて脱硝を行うようにし、前記制御手段は、前記出口側ＮＯｘ濃度検出手段で検出されるＮＯｘ濃度検出値が、予め設定されたＮＯｘ濃度設定値以下となるように前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、第１の還元剤供給手段で供給される還元剤を用いて炉内脱硝を行い、さらに除塵手段にて第２の還元剤供給手段で供給される還元剤を用いて脱硝触媒の存在下で脱硝を行う構成としている。このように２段階で脱硝を行う構成とすることにより、脱硝性能を高くすることが可能である。さらに、除塵手段では未反応還元剤を有効利用して脱硝を行い、不足する分の還元剤を新たに第２の還元剤供給手段で供給する構成としているため、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを大幅に低減することができる。すなわち、従来より精密な排ガス浄化が可能となり、煙突から排出される排ガスから白煙、紫煙の発生リスクを回避できる。
【００１２】
また、２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒を担持させた除塵手段への要求性能が低くなり、その結果、従来より低温且つ高ろ過速度であっても目標性能を達成できるようになる。これにより、従来は脱硝触媒の前段に設置されていた蒸気式再加熱器が不要となり、この再加熱器に用いられていた蒸気を発電等に有効利用することができるため、ＬＣＣ（ライフサイクルコスト）の低減が可能で、さらに排出炭素の低減に貢献することが可能となる。
また、燃焼炉と除塵手段とで２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒反応塔が不要となるため、設置スペースを低減することが可能となる。
さらにまた、除塵手段を高ろ過速度とすることができるため、ろ布のろ過面積が小さくなり、除塵手段自体もコンパクト化できる。
【００１３】
また、除塵手段における脱硝は、炉内脱硝に比べて脱硝反応の応答性が高く且つ脱硝率を容易に精度よく制御できるため、コストが安価な炉内脱硝でＮＯｘを粗取りし、その後除塵手段で緻密な還元剤供給量制御を行い、目標とするＮＯｘ濃度設定値以下まで脱硝することにより、安価なコストで高い脱硝性能を確保することが可能となる。
なお、本発明において、未反応還元剤のみでＮＯｘ濃度検出値をＮＯｘ濃度設定値以下まで低減可能であれば第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を０としてもよい。
【００１４】
また、前記除塵手段出口側の還元剤濃度を検出する出口側還元剤濃度検出手段をさらに有し、前記制御手段は、前記出口側還元剤濃度検出手段で検出される還元剤濃度検出値が、予め設定された還元剤濃度設定値以下となるように前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することが好ましい。
本構成によれば、還元剤濃度検出値が目標とする還元剤濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段を制御することにより、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを確実に低減することが可能となる。
【００１５】
また、前記制御手段には、前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量の上限値及び下限値が設定されており、前記制御手段は、前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量が前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することが好ましい。
このように、第２の還元剤供給手段における還元剤供給量の上限値及び下限値を設定しておくことにより、除塵手段における性能では脱硝率の制御が不十分な場合に、第１の還元剤供給手段による炉内脱硝の制御に速やかに移行することができる。また、脱硝反応の応答遅れに起因する還元剤の過小供給、過大供給も防止できる。
【００１６】
さらに、前記制御手段は、前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、前記ＮＯｘ濃度検出値が前記ＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、前記還元剤濃度検出値が前記還元剤濃度設定値を超過する回数をカウントし、このカウント数が予め設定した設定カウント数以上となったら前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量を減少させる制御を行うことが好ましい。
一般に炉内脱硝は、除塵手段に比べて還元剤供給量が多く且つ応答性は低い。そこで、ＮＯｘ濃度検出値がＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、還元剤濃度検出値が還元剤濃度設定値を超過する回数が設定カウント数以上となるまで第１の還元剤供給手段を制御しない構成とすることにより、第１の還元剤供給手段の制御において微細な燃焼状態や燃料条件の変化、あるいは出口側ＮＯｘ濃度検出手段又は出口側還元剤濃度検出手段の検出誤差等に左右されず、安定的に炉内脱硝を制御することが可能となる。
【００１７】
さらにまた、前記制御手段は、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量及び前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を段階的に増減させる制御を行うことが好ましい。
脱硝反応においては、還元剤を供給してから脱硝性能が安定化するまで、例えば数十分〜数時間の時間を要する。したがって、還元剤供給量の制御を段階的に行うことにより、脱硝性能が不安定な状態での各種検出結果に基づく還元剤の過剰供給又は過少供給を防止することができる。
なお、段階的に増減させる制御とは、所定量の還元剤を増減した後一定時間保持し、その後再度一定量の還元剤を増減して一定時間保持する操作を繰り返すものである。この一定時間とは、脱硝性能が定常化、安定化するための静定待ち時間であり、還元剤種類や触媒性能等によって設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
以上記載のように本発明によれば、燃焼炉と除塵手段とで２段階脱硝を行う構成とすることにより、脱硝性能を高くすることが可能である。さらに、除塵手段では未反応還元剤を有効利用して脱硝を行い、不足する分の還元剤を新たに第２の還元剤供給手段で供給する構成としているため、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを大幅に低減することができる。すなわち、従来より精密な排ガス浄化が可能となり、煙突から排出される排ガスから白煙、紫煙の発生リスクを回避できる。
【００１９】
また、２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒を担持させた除塵手段への要求性能が低くなり、その結果、従来より低温且つ高ろ過速度であっても目標性能を達成できるようになる。さらに、触媒反応塔が不要となるため設置スペースを低減することが可能となる。さらにまた、除塵手段を高ろ過速度とすることができるためろ布のろ過面積が小さくなり、除塵手段自体もコンパクト化できる。
また、除塵手段における脱硝は、炉内脱硝に比べて脱硝反応の応答性が高く且つ脱硝率を容易に精度よく制御できるため、コストが安価な炉内脱硝でＮＯｘを粗取りし、その後除塵手段で緻密な還元剤供給量制御を行い、目標とするＮＯｘ濃度設定値以下まで脱硝することにより、安価なコストで高い脱硝性能を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る脱硝装置を備えた燃焼設備の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態における第２の還元剤供給手段の制御フローを示す図である。
【図３】本発明の実施形態における第２の還元剤供給手段の制御の一例を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の実施形態における第１の還元剤供給手段の制御フローを示す図である。
【図５】本発明の実施形態における第１の還元剤供給手段の制御の一例を示すタイムチャートである。
【図６】従来のごみ焼却プラントの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１に、本発明の実施形態に係る脱硝装置を備えた燃焼設備の全体構成を示す。
燃焼設備は、燃焼炉１と、ボイラ２と、減温塔３と、脱硝触媒を担持した除塵手段５とを含んで構成されている。
この燃焼設備に、本実施形態に係る脱硝装置が設けられる。脱硝装置は、第１の還元剤供給手段１０と、第２の還元剤供給手段４０と、除塵手段出口側に設けられる出口側ＮＯｘ濃度検出手段６と、出口側還元剤濃度検出手段７と、制御手段１００とを有する。
【００２３】
まず、燃焼設備の具体的構成を以下に説明する。
燃焼炉１は、種々のものを燃焼させる装置であり、炉内での燃焼反応により高温の排ガスが発生する。本実施形態においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排ガスを処理対象としている。さらに、排ガスには、ＳＯｘ、ＨＣｌ、ダイオキシン類等が含まれる場合もある。燃焼炉１として、図１にはバーナ１ａを有する焼却炉を例示しているがこれに限定されるものではなく、燃焼炉１には例えば、ごみ焼却炉、ガス化炉、溶融炉、石炭焚きボイラ等が用いられる。
【００２４】
燃焼炉１から排出された排ガスは減温手段に送られる。ここでは、減温手段はボイラ２と減温塔３とを含む。また、場合によっては減温塔３が存在しないこともある。
ボイラ２は、燃焼炉１から排出される高温の排ガスから熱を回収する。ボイラ２で熱を回収された排ガスは減温塔３に送られる。
減温塔３は、水が貯留された水タンク３１と接続されている。水タンク３１の水はポンプ３２により減温塔３に供給される。そして、ボイラ２から送られた排ガスに減温塔３で水を噴霧し、排ガスを冷却する。減温塔３で冷却された排ガスは除塵手段５に送られる。
【００２５】
ここで、除塵手段５の上流側の配管に、添加剤供給手段（図示略）を接続してもよい。添加剤供給手段は、還元剤以外の添加剤を供給する手段である。添加剤としては、例えば排ガス中に含まれるＨＣｌやＳＯｘ等の酸性ガスを中和する消石灰や苛性ソーダ等のアルカリ剤、又は、排ガス中のダイオキシン類を吸着除去する活性炭、又は、除塵手段５のろ布の目詰まりを抑制する特反剤（珪藻土）等が挙げられる。
【００２６】
除塵手段５は、配管を介して減温塔３と接続されており、減温塔３から該配管を通過した排ガスが導入される。除塵手段５は脱硝触媒を担持したフィルタを含み、主に、排ガス中に含まれる煤塵を除去するとともに、排ガス中のＮＯｘと還元剤とを触媒存在下で反応させ、ＮＯｘを還元する。除塵手段５としては、例えばバグフィルタやセラミックフィルタ等が用いられる。脱硝触媒には、担体として、酸化チタン、アルミナ、ゼオライト、シリカ、シリカ−アルミナ、ジルコニア、セリア−ジルコニア、マグネシア、ニオブ、タンタル等の金属酸化物や複合酸化物等が用いられ、これに加えて活性金属成分としてバナジウム、モリブデン、タングステン、クロム、マンガン、銅、コバルトのうち少なくとも１種類以上が用いられる。その中でも好適にはバナジウム、モリブデン、タングステンのうち少なくともいずれかを活性金属成分とする酸化チタン系触媒が用いられる。
【００２７】
また除塵手段５は、その上流側で上記した各種添加剤が添加された場合には、排ガス中の酸性ガスと消石灰との中和反応で得られた塩類やダイオキシン類等を吸着した活性炭を含む煤塵を除去する。除塵手段５で除塵、ＮＯｘ還元が行われて浄化された排ガスは煙突から排出される。
【００２８】
続いて、本実施形態に係る脱硝装置の具体的構成を以下に説明する。
上記したように、脱硝装置は、第１の還元剤供給手段１０と、第２の還元剤供給手段４０と、除塵手段出口側に設けられる出口側ＮＯｘ濃度検出手段６と、出口側還元剤濃度検出手段７と、制御手段１００とを有する。
【００２９】
第１の還元剤供給手段１０は、還元剤を貯留する還元剤タンク１１からポンプ１２により還元剤を送給し、この還元剤を排ガス中に供給する手段である。ポンプ１２の制御により第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量を調整できるようになっている。還元剤の状態は液体であることが好ましく、具体的に還元剤としては、尿素水、アンモニア水等が用いられる。排ガスに含まれるＮＯｘの一部は、ここでＮ２に還元される。未反応の還元剤は、排ガスに含まれて下流側へ流出する。
【００３０】
第２の還元剤供給手段４０は、減温塔３と除塵手段５との間の配管に接続される。第２の還元剤供給手段４０は、還元剤を貯留する還元剤タンク４１からポンプ４２により還元剤を送給し、この還元剤を排ガス中に供給する手段である。ポンプ４２の制御により第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量を調整できるようになっている。還元剤の状態は液体、気体、粉末固体のいずれであってもよく、具体的に還元剤としては、尿素水、アンモニア水、アンモニアガス等が用いられる。なお、第２の還元剤供給手段４０は減温塔３に接続されていてもよく、この場合、減温塔３内に還元剤を供給する。
【００３１】
ここで、本実施形態に係る脱硝装置においては、まず燃焼炉１にて第１の還元剤供給手段１０から供給される還元剤により炉内で無触媒脱硝を行い、ここでＮＯｘの粗取りをする。次いで、燃焼炉１から流出した未反応還元剤と、第２の還元剤供給手段４０で供給される還元剤とを用いて除塵手段５にて触媒脱硝を行い、ここで緻密な還元剤供給量制御を行うことにより目標とするＮＯｘ濃度設定値以下までＮＯｘを低減する。
好適には、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量は、脱硝反応における還元剤の当量比（ＮＯｘ単位量に対する還元剤の当量）１．０以下、さらに好適には当量比０．８以下とする。当量比１．０以上の場合、燃焼炉１からの未反応還元剤の流出量が多くなり、除塵手段５でも反応しきれず系外へリークし、白煙・紫煙などの可視化の可能性が高くなるためである。
【００３２】
このように本実施形態では、燃焼炉１と除塵手段５とにより２段階で脱硝を行う構成とすることにより、脱硝性能を高くすることが可能である。さらに、除塵手段５では未反応還元剤を有効利用して脱硝を行い、不足する分の還元剤を新たに第２の還元剤供給手段４０で供給する構成としているため、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを大幅に低減することができる。すなわち、従来より精密な排ガス浄化が可能となり、煙突から排出される排ガスから白煙、紫煙の発生リスクを回避できる。
【００３３】
また、２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒を担持させた除塵手段５への要求性能が低くなり、その結果、従来より低温且つ高ろ過速度であっても目標性能を達成できるようになる。これにより、従来は脱硝触媒の前段に設置されていた蒸気式再加熱器が不要となり、この再加熱器に用いられていた蒸気を発電等に有効利用することができるため、ＬＣＣの低減が可能で、さらに排出炭素の低減に貢献することが可能となる。
また、燃焼炉１と除塵手段とで２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒反応塔が不要となるため、設置スペースを低減することが可能となる。
さらにまた、除塵手段を高ろ過速度とすることができるため、ろ布のろ過面積が小さくなり、除塵手段自体もコンパクト化できる。
【００３４】
脱硝装置の各種検出手段及び制御手段１００は以下の構成を有する。
出口側ＮＯｘ濃度検出手段６は、除塵手段出口側の排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検出する手段である。
出口側還元剤濃度検出手段７は、除塵手段出口側の排ガスに含まれる還元剤濃度を検出する手段である。
【００３５】
制御手段１００は、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量と第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量とを制御する。
制御手段１００の主な制御は、出口側ＮＯｘ濃度検出手段６で検出されるＮＯｘ濃度検出値が、予め設定されたＮＯｘ濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量を制御する。ここで、ＮＯｘ濃度設定値とは、ＮＯｘの排出規制に基づいて設定されることが好ましい。
また、制御手段１００は、出口側還元剤濃度検出手段７で検出される還元剤濃度検出値が、予め設定された還元剤濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量を制御するようにしてもよい。ここで、還元剤濃度設定値とは、還元剤の排出規制値あるいは可視化を起こす限界下限濃度に基づいて設定されることが好ましい。
【００３６】
除塵手段５における脱硝は、炉内脱硝に比べて脱硝反応の応答性が高く且つ脱硝率を容易に精度よく制御できるため、コストが安価な炉内脱硝でＮＯｘを粗取りした後、制御手段１００により第２の還元剤供給手段４０を制御して、除塵手段５で目標とするＮＯｘ濃度設定値以下まで脱硝することにより、安価なコストで高い脱硝性能を確保することが可能となる。
なお、本構成において、未反応還元剤のみでＮＯｘ濃度検出値をＮＯｘ濃度設定値以下まで低減可能であれば第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を０としてもよい。
さらに、還元剤濃度検出値が目標とする還元剤濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段４０を制御することにより、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを確実に低減することが可能となる。
【００３７】
また、制御手段１００には、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量の上限値及び下限値が設定され、該制御手段１００は、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量が上限値を超過したとき又は下限値を下回ったときに、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量を制御することが好ましい。
このように、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量の上限値及び下限値を設定しておくことにより、除塵手段５における性能では脱硝率の制御が不十分な場合に、第１の還元剤供給手段１０による炉内脱硝の制御に速やかに移行することができる。また、脱硝反応の応答遅れに起因する還元剤の過小供給、過大供給も防止できる。
【００３８】
さらに、制御手段１００は、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量が前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、ＮＯｘ濃度検出値がＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、還元剤濃度検出値が還元剤濃度設定値を超過する回数をカウントし、このカウント数が予め設定した設定カウント数以上となったら第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量を減少させる制御を行うことが好ましい。
一般に炉内脱硝は、除塵手段に比べて還元剤供給量が多く且つ応答性は低い。そこで、ＮＯｘ濃度検出値がＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、還元剤濃度検出値が還元剤濃度設定値を超過する回数が設定カウント数以上となるまで第１の還元剤供給手段１０を制御しない構成とすることにより、第１の還元剤供給手段１０の制御において微細な燃焼状態や燃料条件の変化、あるいは出口側ＮＯｘ濃度検出手段６又は出口側還元剤濃度検出手段７の検出誤差等に左右されず、安定的に炉内脱硝を制御することが可能となる。
【００３９】
さらにまた、制御手段１００は、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量及び第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量を段階的に増減させる制御を行うことが好ましい。
脱硝反応においては、還元剤を供給してから脱硝性能が安定化するまで、例えば数十分〜数時間の時間を要する。したがって、還元剤供給量の制御を段階的に行うことにより、脱硝性能が不安定な状態での各種検出結果に基づく還元剤の過剰供給又は過少供給を防止することができる。
【００４０】
次に、図２乃至図６を参照して、本実施形態に係る脱硝装置の具体的な制御方法を説明する。
図２は本発明の実施形態における第２の還元剤供給手段の制御フローを示す図である。
まず、ステップＳ１として、出口側ＮＯｘ濃度検出手段６により除塵手段出口側のＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１、出口側還元剤濃度検出手段６により還元剤濃度検出値ＰＶ２をそれぞれ検出する。各検出値は制御手段１００に入力される。
【００４１】
制御手段１００には、予め、ＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１と、還元剤濃度設定値ＳＶ２と、第２の還元剤供給手段における還元剤供給量の上限値Ｌ２ｍａｘ及び下限値Ｌ２ｍｉｎが設定されている。
制御手段１００は、ステップＳ２として、ＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１とＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１とを比較する。ここで、ＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１がＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１以上である場合には、ステップＳ３で第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量Ｌ２を段階的に増加させる制御を行う。
【００４２】
上記した段階的に増加させる制御とは、図３に示すように所定量の還元剤ΔＬ２ｕを増加した後一定時間Δｔ保持し、その後再度一定量の還元剤ΔＬ２ｕを増加して一定時間Δｔ保持する操作を繰り返すものである。一定時間Δｔは、脱硝性能が定常化、安定化するための静定待ち時間であり、還元剤種類や触媒性能等によって設定されることが好ましい。なお、図３は本発明の実施形態における第２の還元剤供給手段の制御の一例を示すタイムチャートである。
【００４３】
そして、制御手段１００では、ステップＳ４として、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量Ｌ２と還元剤供給量の上限値Ｌ２ｍａｘとを比較し、還元剤供給量Ｌ２が上限値Ｌ２ｍａｘに満たない場合には、ステップＳ５として、還元剤供給量Ｌ２を上限値Ｌ２ｍａｘまで段階的に増加していく。そして、還元剤供給量Ｌ２が上限値Ｌ２ｍａｘ以上となったら、制御手段１００が有するタイマにより時間経過を計測し、ステップＳ６で予め設定された設定時間Δｔが経過したら、次いで炉内脱硝制御に移行する。設定時間Δｔは、上記した一定時間Δｔと同一であってもよいし、異なる時間であってもよい。
【００４４】
一方、ステップＳ２で、ＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１がＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１を下回る場合には、次いで、ステップＳ７として、還元剤濃度検出値ＰＶ２と還元剤濃度設定値ＳＶ２とを比較する。ここで、還元剤濃度検出値ＰＶ２が還元剤濃度設定値ＳＶ２以上である場合には、ステップＳ８で第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量Ｌ２を段階的に減少させる制御を行う。なお、段階的に減少させる制御とは、図３に示すように所定量の還元剤ΔＬ２ｄを減少させた後一定時間Δｔ保持し、その後再度一定量の還元剤ΔＬ２ｄを減少させて一定時間Δｔ保持する操作を繰り返すものである。
【００４５】
そして、制御手段１００では、ステップＳ９として、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量Ｌ２と還元剤供給量の下限値Ｌ２ｍｉｎとを比較し、還元剤供給量Ｌ２が下限値Ｌ２ｍｉｎを超える場合には、ステップＳ１０として、還元剤供給量Ｌ２を下限値Ｌ２ｍｉｎまで段階的に減少させていく。そして、還元剤供給量Ｌ２が下限値Ｌ２ｍｉｎ以下となったら、制御手段１００が有するタイマにより時間経過を計測し、ステップＳ６で予め設定された設定時間Δｔが経過したら、次いで炉内脱硝制御に移行する。
【００４６】
図４は本発明の実施形態における第１の還元剤供給手段（炉内脱硝）の制御フローを示す図である。
炉内脱硝制御にて制御手段１００は、ステップＳ１１として、ＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１がＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１以上、または、還元剤濃度検出値ＰＶ２が還元剤濃度設定値ＳＶ２以上となる状態を判別し、ステップＳ１２で、制御手段１００が有するカウンタにてこの状態（ＰＶ１≧ＳＶ１、または、ＰＶ２≧ＳＶ２）となった回数をカウントする。そして、ステップＳ１３として、このカウント数Ｎと、制御手段１００に予め設定された設定カウント数ＮＳＶとを比較する。ここで、カウント数Ｎが設定カウント数ＮＳＶに満たない場合には炉内脱硝制御を行わず、図２のステップＳ２に戻る。
【００４７】
他方、カウント数Ｎが設定カウント数ＮＳＶ以上である場合には、ステップＳ１４で、第１の還元剤供給手段における還元剤供給量Ｌ１を段階的に減少させる。なお、段階的に減少させる制御とは、図５に示すように所定量の還元剤ΔＬ１ｄを減少させた後一定時間Δｔ保持し、その後再度一定量の還元剤ΔＬ１ｄを減少させて一定時間Δｔ保持する操作を繰り返すものである。なお、図５は本発明の実施形態における第１の還元剤供給手段の制御の一例を示すタイムチャートである。
このとき、制御手段１００には、予め第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量の下限値Ｌ１ｍｉｎが設定されていることが好ましい。
制御手段１００では、ステップＳ１５として、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量Ｌ１と還元剤供給量の下限値Ｌ１ｍｉｎとを比較し、還元剤供給量Ｌ１が下限値Ｌ１ｍｉｎを超える場合には、ステップＳ１６として、還元剤供給量Ｌ１を下限値Ｌ１ｍｉｎまで段階的に減少させていく。そして、還元剤供給量Ｌ１が下限値Ｌ１ｍｉｎ以下となったら、ステップＳ１７で制御手段１００のカウンタを０にリセットし、炉内脱硝制御を終了して図２のステップＳ２に戻る。
【符号の説明】
【００４８】
１ 燃焼炉
２ ボイラ
３ 減温塔
４ 配管
５ 除塵手段
６ 出口側ＮＯｘ濃度検出手段
７ 出口側還元剤濃度検出手段
１０ 第１の還元剤供給手段
４０ 第２の還元剤供給手段
１００ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼炉から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する排ガスの脱硝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばごみ焼却炉、ガス化炉、溶融炉、石炭焚きボイラ等の燃焼炉から排出される排ガス中には窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。そのため、燃焼機器が具備する排ガス処理装置にはＮＯｘを低減する脱硝手段が設けられている。ここで一例として、図６を参照して従来のごみ焼却プラントの構成例を説明する。ごみ焼却プラントは、焼却炉５１でごみを焼却処理し、発生した排ガスを焼却炉５１の煙道に接続された排ガス処理装置で処理する。この排ガス処理装置では、排ガスはボイラ５２で熱回収された後、減温塔５３で水噴霧により冷却される。次いで除塵手段５４で排ガスの除塵が行なわれるとともに、必要に応じてこの上流側で排ガス中に供給された消石灰によりＨＣｌ除去、ＳＯｘ除去が行われた後、煙突より排出される。
【０００３】
このような排ガス処理設備に用いられる従来の脱硝手段としては、以下の構成が知られている。例えば、特許文献１（特開平６−２６９６３４号公報）等に開示される炉内脱硝法が挙げられる。炉内脱硝法は無触媒脱硝法（ＳＮＣＲ法）とも呼ばれる。これは、燃焼炉内に還元剤を噴霧し、燃焼により生成したＮＯｘを還元剤により炉内で無触媒脱硝反応させてＮＯｘを還元除去するものである。還元剤には尿素水を用いることができ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成した後、このアンモニアの一部によりＮＯｘの無触媒脱硝反応を起こさせる。
【０００４】
また、他の脱硝手段として、特許文献２（特開昭６２−７４４４０号公報）等に開示される選択接触還元法（ＳＣＲ法）がある。これは、除塵手段の下流側で排ガスにアンモニアを供給し、脱硝触媒塔で排ガス中のＮＯｘを還元除去するものである。ここで、脱硝触媒は２００℃〜２５０℃程度で高い触媒活性を示すため、除塵手段から排出される１５０℃程度の排ガスを再加熱する必要がある。排ガスの再加熱には、ボイラで生成した蒸気を熱源とした蒸気式再加熱器が用いられることが多い。
【０００５】
さらにまた、他の脱硝手段として、特許文献３（特公平４−３６７２９号公報）等に開示される触媒バグフィルタ法がある。これは、バグフィルタに脱硝触媒を担持させておき、バグフィルタの上流側で排ガスに還元剤５５（図６参照）を供給し、排ガスがバグフィルタを通過する際に除塵を行うとともに脱硝触媒の存在下でＮＯｘを還元除去するものである。この方法においては、バグフィルタの上流側で消石灰等のアルカリ剤を供給し、ろ布表面の堆積層にて硫黄酸化物（ＳＯｘ）や塩化水素（ＨＣｌ）等の酸性ガスを中和反応させて除去することも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６９６３４号公報
【特許文献２】特開昭６２−７４４４０号公報
【特許文献３】特公平４−３６７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１等に開示される炉内脱硝法は、低コストであるが、脱硝性能を十分に得ようとすると尿素やアンモニア等の還元剤を多量に使用する必要があり、その結果、排ガス処理設備の下流側に未反応のアンモニアがリークし、煙突からリークアンモニアに起因する白煙、紫煙が発生するという問題点があった。
また、特許文献２等に開示されるＳＣＲ法は、環境装置では最も多く用いられているが、除塵手段出口における排ガス温度が低温の場合には蒸気式再加熱器等により排ガス温度を触媒活性の高い２００℃〜２５０℃程度まで昇温させる必要があり、結果的にエネルギーロスとなる。
【０００８】
さらに、特許文献３等に開示される触媒バグフィルタ法は、バグフィルタに触媒を担持し、脱硫、脱塩、除塵のみでなく脱硝機能をもバグフィルタにもたせた総合的な排ガス処理システムであるが、脱硝機能をもたない従来のパルス型バグフィルタに対して装置が大型化するという問題点があった。具体的には、例えばろ過速度≒０．８ｍ／ｍｉｎ程度のパルス型バグフィルタに対して、触媒バグフィルタはろ過速度≒０．４ｍ／ｍｉｎ程度で運用され、従来のパルス型バグフィルタよりろ過面積が２倍となり、バグハウスの大きさも約２倍となる。
【０００９】
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、装置の小型化が可能で、且つ還元剤の系外への流出を低減させることができる排ガスの脱硝装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明に係る排ガスの脱硝装置は、燃焼炉と、前記燃焼炉から排出される排ガスを減温する減温手段と、前記減温手段で減温された排ガスの除塵を行う除塵手段とを含み、前記除塵手段に脱硝触媒を担持させた燃焼設備に設けられ、前記排ガスに含有される窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する排ガスの脱硝装置において、前記燃焼炉内に還元剤を供給する第１の還元剤供給手段と、前記減温手段から前記除塵手段の直前までの間で前記排ガスに還元剤を供給する第２の還元剤供給手段と、前記除塵手段出口側のＮＯｘ濃度を検出する出口側ＮＯｘ濃度検出手段と、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量と前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量とを制御する制御手段とを備え、前記除塵手段にて前記燃焼炉の下流側に流出した未反応還元剤と前記第２の還元剤供給手段で供給される還元剤とを用いて脱硝を行うようにし、前記制御手段は、前記出口側ＮＯｘ濃度検出手段で検出されるＮＯｘ濃度検出値が、予め設定されたＮＯｘ濃度設定値以下となるように前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、第１の還元剤供給手段で供給される還元剤を用いて炉内脱硝を行い、さらに除塵手段にて第２の還元剤供給手段で供給される還元剤を用いて脱硝触媒の存在下で脱硝を行う構成としている。このように２段階で脱硝を行う構成とすることにより、脱硝性能を高くすることが可能である。さらに、除塵手段では未反応還元剤を有効利用して脱硝を行い、不足する分の還元剤を新たに第２の還元剤供給手段で供給する構成としているため、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを大幅に低減することができる。すなわち、従来より精密な排ガス浄化が可能となり、煙突から排出される排ガスから白煙、紫煙の発生リスクを回避できる。
【００１２】
また、２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒を担持させた除塵手段への要求性能が低くなり、その結果、従来より低温且つ高ろ過速度であっても目標性能を達成できるようになる。これにより、従来は脱硝触媒の前段に設置されていた蒸気式再加熱器が不要となり、この再加熱器に用いられていた蒸気を発電等に有効利用することができるため、ＬＣＣ（ライフサイクルコスト）の低減が可能で、さらに排出炭素の低減に貢献することが可能となる。
また、燃焼炉と除塵手段とで２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒反応塔が不要となるため、設置スペースを低減することが可能となる。
さらにまた、除塵手段を高ろ過速度とすることができるため、ろ布のろ過面積が小さくなり、除塵手段自体もコンパクト化できる。
【００１３】
また、除塵手段における脱硝は、炉内脱硝に比べて脱硝反応の応答性が高く且つ脱硝率を容易に精度よく制御できるため、コストが安価な炉内脱硝でＮＯｘを粗取りし、その後除塵手段で緻密な還元剤供給量制御を行い、目標とするＮＯｘ濃度設定値以下まで脱硝することにより、安価なコストで高い脱硝性能を確保することが可能となる。
なお、本発明において、未反応還元剤のみでＮＯｘ濃度検出値をＮＯｘ濃度設定値以下まで低減可能であれば第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を０としてもよい。
【００１４】
また、前記除塵手段出口側の還元剤濃度を検出する出口側還元剤濃度検出手段をさらに有し、前記制御手段は、前記出口側還元剤濃度検出手段で検出される還元剤濃度検出値が、予め設定された還元剤濃度設定値以下となるように前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することが好ましい。
本構成によれば、還元剤濃度検出値が目標とする還元剤濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段を制御することにより、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを確実に低減することが可能となる。
【００１５】
また、前記制御手段には、前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量の上限値及び下限値が設定されており、前記制御手段は、前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量が前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することが好ましい。
このように、第２の還元剤供給手段における還元剤供給量の上限値及び下限値を設定しておくことにより、除塵手段における性能では脱硝率の制御が不十分な場合に、第１の還元剤供給手段による炉内脱硝の制御に速やかに移行することができる。また、脱硝反応の応答遅れに起因する還元剤の過小供給、過大供給も防止できる。
【００１６】
さらに、前記制御手段は、前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、前記ＮＯｘ濃度検出値が前記ＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、前記還元剤濃度検出値が前記還元剤濃度設定値を超過する回数をカウントし、このカウント数が予め設定した設定カウント数以上となったら前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量を減少させる制御を行うことが好ましい。
一般に炉内脱硝は、除塵手段に比べて還元剤供給量が多く且つ応答性は低い。そこで、ＮＯｘ濃度検出値がＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、還元剤濃度検出値が還元剤濃度設定値を超過する回数が設定カウント数以上となるまで第１の還元剤供給手段を制御しない構成とすることにより、第１の還元剤供給手段の制御において微細な燃焼状態や燃料条件の変化、あるいは出口側ＮＯｘ濃度検出手段又は出口側還元剤濃度検出手段の検出誤差等に左右されず、安定的に炉内脱硝を制御することが可能となる。
【００１７】
さらにまた、前記制御手段は、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量及び前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を段階的に増減させる制御を行うことが好ましい。
脱硝反応においては、還元剤を供給してから脱硝性能が安定化するまで、例えば数十分〜数時間の時間を要する。したがって、還元剤供給量の制御を段階的に行うことにより、脱硝性能が不安定な状態での各種検出結果に基づく還元剤の過剰供給又は過少供給を防止することができる。
なお、段階的に増減させる制御とは、所定量の還元剤を増減した後一定時間保持し、その後再度一定量の還元剤を増減して一定時間保持する操作を繰り返すものである。この一定時間とは、脱硝性能が定常化、安定化するための静定待ち時間であり、還元剤種類や触媒性能等によって設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
以上記載のように本発明によれば、燃焼炉と除塵手段とで２段階脱硝を行う構成とすることにより、脱硝性能を高くすることが可能である。さらに、除塵手段では未反応還元剤を有効利用して脱硝を行い、不足する分の還元剤を新たに第２の還元剤供給手段で供給する構成としているため、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを大幅に低減することができる。すなわち、従来より精密な排ガス浄化が可能となり、煙突から排出される排ガスから白煙、紫煙の発生リスクを回避できる。
【００１９】
また、２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒を担持させた除塵手段への要求性能が低くなり、その結果、従来より低温且つ高ろ過速度であっても目標性能を達成できるようになる。さらに、触媒反応塔が不要となるため設置スペースを低減することが可能となる。さらにまた、除塵手段を高ろ過速度とすることができるためろ布のろ過面積が小さくなり、除塵手段自体もコンパクト化できる。
また、除塵手段における脱硝は、炉内脱硝に比べて脱硝反応の応答性が高く且つ脱硝率を容易に精度よく制御できるため、コストが安価な炉内脱硝でＮＯｘを粗取りし、その後除塵手段で緻密な還元剤供給量制御を行い、目標とするＮＯｘ濃度設定値以下まで脱硝することにより、安価なコストで高い脱硝性能を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る脱硝装置を備えた燃焼設備の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態における第２の還元剤供給手段の制御フローを示す図である。
【図３】本発明の実施形態における第２の還元剤供給手段の制御の一例を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の実施形態における第１の還元剤供給手段の制御フローを示す図である。
【図５】本発明の実施形態における第１の還元剤供給手段の制御の一例を示すタイムチャートである。
【図６】従来のごみ焼却プラントの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１に、本発明の実施形態に係る脱硝装置を備えた燃焼設備の全体構成を示す。
燃焼設備は、燃焼炉１と、ボイラ２と、減温塔３と、脱硝触媒を担持した除塵手段５とを含んで構成されている。
この燃焼設備に、本実施形態に係る脱硝装置が設けられる。脱硝装置は、第１の還元剤供給手段１０と、第２の還元剤供給手段４０と、除塵手段出口側に設けられる出口側ＮＯｘ濃度検出手段６と、出口側還元剤濃度検出手段７と、制御手段１００とを有する。
【００２３】
まず、燃焼設備の具体的構成を以下に説明する。
燃焼炉１は、種々のものを燃焼させる装置であり、炉内での燃焼反応により高温の排ガスが発生する。本実施形態においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排ガスを処理対象としている。さらに、排ガスには、ＳＯｘ、ＨＣｌ、ダイオキシン類等が含まれる場合もある。燃焼炉１として、図１にはバーナ１ａを有する焼却炉を例示しているがこれに限定されるものではなく、燃焼炉１には例えば、ごみ焼却炉、ガス化炉、溶融炉、石炭焚きボイラ等が用いられる。
【００２４】
燃焼炉１から排出された排ガスは減温手段に送られる。ここでは、減温手段はボイラ２と減温塔３とを含む。また、場合によっては減温塔３が存在しないこともある。
ボイラ２は、燃焼炉１から排出される高温の排ガスから熱を回収する。ボイラ２で熱を回収された排ガスは減温塔３に送られる。
減温塔３は、水が貯留された水タンク３１と接続されている。水タンク３１の水はポンプ３２により減温塔３に供給される。そして、ボイラ２から送られた排ガスに減温塔３で水を噴霧し、排ガスを冷却する。減温塔３で冷却された排ガスは除塵手段５に送られる。
【００２５】
ここで、除塵手段５の上流側の配管に、添加剤供給手段（図示略）を接続してもよい。添加剤供給手段は、還元剤以外の添加剤を供給する手段である。添加剤としては、例えば排ガス中に含まれるＨＣｌやＳＯｘ等の酸性ガスを中和する消石灰や苛性ソーダ等のアルカリ剤、又は、排ガス中のダイオキシン類を吸着除去する活性炭、又は、除塵手段５のろ布の目詰まりを抑制する特反剤（珪藻土）等が挙げられる。
【００２６】
除塵手段５は、配管を介して減温塔３と接続されており、減温塔３から該配管を通過した排ガスが導入される。除塵手段５は脱硝触媒を担持したフィルタを含み、主に、排ガス中に含まれる煤塵を除去するとともに、排ガス中のＮＯｘと還元剤とを触媒存在下で反応させ、ＮＯｘを還元する。除塵手段５としては、例えばバグフィルタやセラミックフィルタ等が用いられる。脱硝触媒には、担体として、酸化チタン、アルミナ、ゼオライト、シリカ、シリカ−アルミナ、ジルコニア、セリア−ジルコニア、マグネシア、ニオブ、タンタル等の金属酸化物や複合酸化物等が用いられ、これに加えて活性金属成分としてバナジウム、モリブデン、タングステン、クロム、マンガン、銅、コバルトのうち少なくとも１種類以上が用いられる。その中でも好適にはバナジウム、モリブデン、タングステンのうち少なくともいずれかを活性金属成分とする酸化チタン系触媒が用いられる。
【００２７】
また除塵手段５は、その上流側で上記した各種添加剤が添加された場合には、排ガス中の酸性ガスと消石灰との中和反応で得られた塩類やダイオキシン類等を吸着した活性炭を含む煤塵を除去する。除塵手段５で除塵、ＮＯｘ還元が行われて浄化された排ガスは煙突から排出される。
【００２８】
続いて、本実施形態に係る脱硝装置の具体的構成を以下に説明する。
上記したように、脱硝装置は、第１の還元剤供給手段１０と、第２の還元剤供給手段４０と、除塵手段出口側に設けられる出口側ＮＯｘ濃度検出手段６と、出口側還元剤濃度検出手段７と、制御手段１００とを有する。
【００２９】
第１の還元剤供給手段１０は、還元剤を貯留する還元剤タンク１１からポンプ１２により還元剤を送給し、この還元剤を排ガス中に供給する手段である。ポンプ１２の制御により第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量を調整できるようになっている。還元剤の状態は液体であることが好ましく、具体的に還元剤としては、尿素水、アンモニア水等が用いられる。排ガスに含まれるＮＯｘの一部は、ここでＮ２に還元される。未反応の還元剤は、排ガスに含まれて下流側へ流出する。
【００３０】
第２の還元剤供給手段４０は、減温塔３と除塵手段５との間の配管に接続される。第２の還元剤供給手段４０は、還元剤を貯留する還元剤タンク４１からポンプ４２により還元剤を送給し、この還元剤を排ガス中に供給する手段である。ポンプ４２の制御により第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量を調整できるようになっている。還元剤の状態は液体、気体、粉末固体のいずれであってもよく、具体的に還元剤としては、尿素水、アンモニア水、アンモニアガス等が用いられる。なお、第２の還元剤供給手段４０は減温塔３に接続されていてもよく、この場合、減温塔３内に還元剤を供給する。
【００３１】
ここで、本実施形態に係る脱硝装置においては、まず燃焼炉１にて第１の還元剤供給手段１０から供給される還元剤により炉内で無触媒脱硝を行い、ここでＮＯｘの粗取りをする。次いで、燃焼炉１から流出した未反応還元剤と、第２の還元剤供給手段４０で供給される還元剤とを用いて除塵手段５にて触媒脱硝を行い、ここで緻密な還元剤供給量制御を行うことにより目標とするＮＯｘ濃度設定値以下までＮＯｘを低減する。
好適には、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量は、脱硝反応における還元剤の当量比（ＮＯｘ単位量に対する還元剤の当量）１．０以下、さらに好適には当量比０．８以下とする。当量比１．０以上の場合、燃焼炉１からの未反応還元剤の流出量が多くなり、除塵手段５でも反応しきれず系外へリークし、白煙・紫煙などの可視化の可能性が高くなるためである。
【００３２】
このように本実施形態では、燃焼炉１と除塵手段５とにより２段階で脱硝を行う構成とすることにより、脱硝性能を高くすることが可能である。さらに、除塵手段５では未反応還元剤を有効利用して脱硝を行い、不足する分の還元剤を新たに第２の還元剤供給手段４０で供給する構成としているため、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを大幅に低減することができる。すなわち、従来より精密な排ガス浄化が可能となり、煙突から排出される排ガスから白煙、紫煙の発生リスクを回避できる。
【００３３】
また、２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒を担持させた除塵手段５への要求性能が低くなり、その結果、従来より低温且つ高ろ過速度であっても目標性能を達成できるようになる。これにより、従来は脱硝触媒の前段に設置されていた蒸気式再加熱器が不要となり、この再加熱器に用いられていた蒸気を発電等に有効利用することができるため、ＬＣＣの低減が可能で、さらに排出炭素の低減に貢献することが可能となる。
また、燃焼炉１と除塵手段とで２段階脱硝を行う構成とすることにより、触媒反応塔が不要となるため、設置スペースを低減することが可能となる。
さらにまた、除塵手段を高ろ過速度とすることができるため、ろ布のろ過面積が小さくなり、除塵手段自体もコンパクト化できる。
【００３４】
脱硝装置の各種検出手段及び制御手段１００は以下の構成を有する。
出口側ＮＯｘ濃度検出手段６は、除塵手段出口側の排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検出する手段である。
出口側還元剤濃度検出手段７は、除塵手段出口側の排ガスに含まれる還元剤濃度を検出する手段である。
【００３５】
制御手段１００は、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量と第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量とを制御する。
制御手段１００の主な制御は、出口側ＮＯｘ濃度検出手段６で検出されるＮＯｘ濃度検出値が、予め設定されたＮＯｘ濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量を制御する。ここで、ＮＯｘ濃度設定値とは、ＮＯｘの排出規制に基づいて設定されることが好ましい。
また、制御手段１００は、出口側還元剤濃度検出手段７で検出される還元剤濃度検出値が、予め設定された還元剤濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量を制御するようにしてもよい。ここで、還元剤濃度設定値とは、還元剤の排出規制値あるいは可視化を起こす限界下限濃度に基づいて設定されることが好ましい。
【００３６】
除塵手段５における脱硝は、炉内脱硝に比べて脱硝反応の応答性が高く且つ脱硝率を容易に精度よく制御できるため、コストが安価な炉内脱硝でＮＯｘを粗取りした後、制御手段１００により第２の還元剤供給手段４０を制御して、除塵手段５で目標とするＮＯｘ濃度設定値以下まで脱硝することにより、安価なコストで高い脱硝性能を確保することが可能となる。
なお、本構成において、未反応還元剤のみでＮＯｘ濃度検出値をＮＯｘ濃度設定値以下まで低減可能であれば第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を０としてもよい。
さらに、還元剤濃度検出値が目標とする還元剤濃度設定値以下となるように第２の還元剤供給手段４０を制御することにより、燃焼設備外部への未反応還元剤のリークを確実に低減することが可能となる。
【００３７】
また、制御手段１００には、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量の上限値及び下限値が設定され、該制御手段１００は、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量が上限値を超過したとき又は下限値を下回ったときに、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量を制御することが好ましい。
このように、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量の上限値及び下限値を設定しておくことにより、除塵手段５における性能では脱硝率の制御が不十分な場合に、第１の還元剤供給手段１０による炉内脱硝の制御に速やかに移行することができる。また、脱硝反応の応答遅れに起因する還元剤の過小供給、過大供給も防止できる。
【００３８】
さらに、制御手段１００は、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量が前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、ＮＯｘ濃度検出値がＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、還元剤濃度検出値が還元剤濃度設定値を超過する回数をカウントし、このカウント数が予め設定した設定カウント数以上となったら第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量を減少させる制御を行うことが好ましい。
一般に炉内脱硝は、除塵手段に比べて還元剤供給量が多く且つ応答性は低い。そこで、ＮＯｘ濃度検出値がＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、還元剤濃度検出値が還元剤濃度設定値を超過する回数が設定カウント数以上となるまで第１の還元剤供給手段１０を制御しない構成とすることにより、第１の還元剤供給手段１０の制御において微細な燃焼状態や燃料条件の変化、あるいは出口側ＮＯｘ濃度検出手段６又は出口側還元剤濃度検出手段７の検出誤差等に左右されず、安定的に炉内脱硝を制御することが可能となる。
【００３９】
さらにまた、制御手段１００は、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量及び第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量を段階的に増減させる制御を行うことが好ましい。
脱硝反応においては、還元剤を供給してから脱硝性能が安定化するまで、例えば数十分〜数時間の時間を要する。したがって、還元剤供給量の制御を段階的に行うことにより、脱硝性能が不安定な状態での各種検出結果に基づく還元剤の過剰供給又は過少供給を防止することができる。
【００４０】
次に、図２乃至図６を参照して、本実施形態に係る脱硝装置の具体的な制御方法を説明する。
図２は本発明の実施形態における第２の還元剤供給手段の制御フローを示す図である。
まず、ステップＳ１として、出口側ＮＯｘ濃度検出手段６により除塵手段出口側のＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１、出口側還元剤濃度検出手段６により還元剤濃度検出値ＰＶ２をそれぞれ検出する。各検出値は制御手段１００に入力される。
【００４１】
制御手段１００には、予め、ＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１と、還元剤濃度設定値ＳＶ２と、第２の還元剤供給手段における還元剤供給量の上限値Ｌ２ｍａｘ及び下限値Ｌ２ｍｉｎが設定されている。
制御手段１００は、ステップＳ２として、ＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１とＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１とを比較する。ここで、ＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１がＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１以上である場合には、ステップＳ３で第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量Ｌ２を段階的に増加させる制御を行う。
【００４２】
上記した段階的に増加させる制御とは、図３に示すように所定量の還元剤ΔＬ２ｕを増加した後一定時間Δｔ保持し、その後再度一定量の還元剤ΔＬ２ｕを増加して一定時間Δｔ保持する操作を繰り返すものである。一定時間Δｔは、脱硝性能が定常化、安定化するための静定待ち時間であり、還元剤種類や触媒性能等によって設定されることが好ましい。なお、図３は本発明の実施形態における第２の還元剤供給手段の制御の一例を示すタイムチャートである。
【００４３】
そして、制御手段１００では、ステップＳ４として、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量Ｌ２と還元剤供給量の上限値Ｌ２ｍａｘとを比較し、還元剤供給量Ｌ２が上限値Ｌ２ｍａｘに満たない場合には、ステップＳ５として、還元剤供給量Ｌ２を上限値Ｌ２ｍａｘまで段階的に増加していく。そして、還元剤供給量Ｌ２が上限値Ｌ２ｍａｘ以上となったら、制御手段１００が有するタイマにより時間経過を計測し、ステップＳ６で予め設定された設定時間Δｔが経過したら、次いで炉内脱硝制御に移行する。設定時間Δｔは、上記した一定時間Δｔと同一であってもよいし、異なる時間であってもよい。
【００４４】
一方、ステップＳ２で、ＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１がＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１を下回る場合には、次いで、ステップＳ７として、還元剤濃度検出値ＰＶ２と還元剤濃度設定値ＳＶ２とを比較する。ここで、還元剤濃度検出値ＰＶ２が還元剤濃度設定値ＳＶ２以上である場合には、ステップＳ８で第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量Ｌ２を段階的に減少させる制御を行う。なお、段階的に減少させる制御とは、図３に示すように所定量の還元剤ΔＬ２ｄを減少させた後一定時間Δｔ保持し、その後再度一定量の還元剤ΔＬ２ｄを減少させて一定時間Δｔ保持する操作を繰り返すものである。
【００４５】
そして、制御手段１００では、ステップＳ９として、第２の還元剤供給手段４０における還元剤供給量Ｌ２と還元剤供給量の下限値Ｌ２ｍｉｎとを比較し、還元剤供給量Ｌ２が下限値Ｌ２ｍｉｎを超える場合には、ステップＳ１０として、還元剤供給量Ｌ２を下限値Ｌ２ｍｉｎまで段階的に減少させていく。そして、還元剤供給量Ｌ２が下限値Ｌ２ｍｉｎ以下となったら、制御手段１００が有するタイマにより時間経過を計測し、ステップＳ６で予め設定された設定時間Δｔが経過したら、次いで炉内脱硝制御に移行する。
【００４６】
図４は本発明の実施形態における第１の還元剤供給手段（炉内脱硝）の制御フローを示す図である。
炉内脱硝制御にて制御手段１００は、ステップＳ１１として、ＮＯｘ濃度検出値ＰＶ１がＮＯｘ濃度設定値ＳＶ１以上、または、還元剤濃度検出値ＰＶ２が還元剤濃度設定値ＳＶ２以上となる状態を判別し、ステップＳ１２で、制御手段１００が有するカウンタにてこの状態（ＰＶ１≧ＳＶ１、または、ＰＶ２≧ＳＶ２）となった回数をカウントする。そして、ステップＳ１３として、このカウント数Ｎと、制御手段１００に予め設定された設定カウント数ＮＳＶとを比較する。ここで、カウント数Ｎが設定カウント数ＮＳＶに満たない場合には炉内脱硝制御を行わず、図２のステップＳ２に戻る。
【００４７】
他方、カウント数Ｎが設定カウント数ＮＳＶ以上である場合には、ステップＳ１４で、第１の還元剤供給手段における還元剤供給量Ｌ１を段階的に減少させる。なお、段階的に減少させる制御とは、図５に示すように所定量の還元剤ΔＬ１ｄを減少させた後一定時間Δｔ保持し、その後再度一定量の還元剤ΔＬ１ｄを減少させて一定時間Δｔ保持する操作を繰り返すものである。なお、図５は本発明の実施形態における第１の還元剤供給手段の制御の一例を示すタイムチャートである。
このとき、制御手段１００には、予め第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量の下限値Ｌ１ｍｉｎが設定されていることが好ましい。
制御手段１００では、ステップＳ１５として、第１の還元剤供給手段１０における還元剤供給量Ｌ１と還元剤供給量の下限値Ｌ１ｍｉｎとを比較し、還元剤供給量Ｌ１が下限値Ｌ１ｍｉｎを超える場合には、ステップＳ１６として、還元剤供給量Ｌ１を下限値Ｌ１ｍｉｎまで段階的に減少させていく。そして、還元剤供給量Ｌ１が下限値Ｌ１ｍｉｎ以下となったら、ステップＳ１７で制御手段１００のカウンタを０にリセットし、炉内脱硝制御を終了して図２のステップＳ２に戻る。
【符号の説明】
【００４８】
１ 燃焼炉
２ ボイラ
３ 減温塔
４ 配管
５ 除塵手段
６ 出口側ＮＯｘ濃度検出手段
７ 出口側還元剤濃度検出手段
１０ 第１の還元剤供給手段
４０ 第２の還元剤供給手段
１００ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炉と、前記燃焼炉から排出される排ガスを減温する減温手段と、前記減温手段で減温された排ガスの除塵を行う除塵手段とを含み、前記除塵手段に脱硝触媒を担持させた燃焼設備に設けられ、前記排ガスに含有される窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する排ガスの脱硝装置において、
前記燃焼炉内に還元剤を供給する第１の還元剤供給手段と、
前記減温手段から前記除塵手段の直前までの間で前記排ガスに還元剤を供給する第２の還元剤供給手段と、
前記除塵手段出口側のＮＯｘ濃度を検出する出口側ＮＯｘ濃度検出手段と、
前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量と前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量とを制御する制御手段とを備え、
前記除塵手段にて前記燃焼炉の下流側に流出した未反応還元剤と前記第２の還元剤供給手段で供給される還元剤とを用いて脱硝を行うようにし、前記制御手段は、前記出口側ＮＯｘ濃度検出手段で検出されるＮＯｘ濃度検出値が、予め設定されたＮＯｘ濃度設定値以下となるように前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することを特徴とする排ガスの脱硝装置。
【請求項２】
前記除塵手段出口側の還元剤濃度を検出する出口側還元剤濃度検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記出口側還元剤濃度検出手段で検出される還元剤濃度検出値が、予め設定された還元剤濃度設定値以下となるように前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の排ガスの脱硝装置。
【請求項３】
前記制御手段には、前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量の上限値及び下限値が設定されており、
前記制御手段は、前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量が前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することを特徴とする請求項２に記載の排ガスの脱硝装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、前記ＮＯｘ濃度検出値が前記ＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、前記還元剤濃度検出値が前記還元剤濃度設定値を超過する回数をカウントし、このカウント数が予め設定した設定カウント数以上となったら前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の排ガスの脱硝装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量及び前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を段階的に増減させる制御を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の排ガスの脱硝装置。
【請求項１】
燃焼炉と、前記燃焼炉から排出される排ガスを減温する減温手段と、前記減温手段で減温された排ガスの除塵を行う除塵手段とを含み、前記除塵手段に脱硝触媒を担持させた燃焼設備に設けられ、前記排ガスに含有される窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する排ガスの脱硝装置において、
前記燃焼炉内に還元剤を供給する第１の還元剤供給手段と、
前記減温手段から前記除塵手段の直前までの間で前記排ガスに還元剤を供給する第２の還元剤供給手段と、
前記除塵手段出口側のＮＯｘ濃度を検出する出口側ＮＯｘ濃度検出手段と、
前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量と前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量とを制御する制御手段とを備え、
前記除塵手段にて前記燃焼炉の下流側に流出した未反応還元剤と前記第２の還元剤供給手段で供給される還元剤とを用いて脱硝を行うようにし、前記制御手段は、前記出口側ＮＯｘ濃度検出手段で検出されるＮＯｘ濃度検出値が、予め設定されたＮＯｘ濃度設定値以下となるように前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することを特徴とする排ガスの脱硝装置。
【請求項２】
前記除塵手段出口側の還元剤濃度を検出する出口側還元剤濃度検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記出口側還元剤濃度検出手段で検出される還元剤濃度検出値が、予め設定された還元剤濃度設定値以下となるように前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の排ガスの脱硝装置。
【請求項３】
前記制御手段には、前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量の上限値及び下限値が設定されており、
前記制御手段は、前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量が前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量を制御することを特徴とする請求項２に記載の排ガスの脱硝装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記上限値を超過したとき又は前記下限値を下回ったときに、前記ＮＯｘ濃度検出値が前記ＮＯｘ濃度設定値を超過する回数、または、前記還元剤濃度検出値が前記還元剤濃度設定値を超過する回数をカウントし、このカウント数が予め設定した設定カウント数以上となったら前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の排ガスの脱硝装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第１の還元剤供給手段における還元剤供給量及び前記第２の還元剤供給手段における還元剤供給量を段階的に増減させる制御を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の排ガスの脱硝装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２０９９２（Ｐ２０１２−１２０９９２Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７４６０８（Ｐ２０１０−２７４６０８）
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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