JPH01199633A - 排熱回収熱交換器の還元剤注入制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はガスタービン装置などからの排ガスを熱源とし
て他の蒸気原動機用の駆動蒸気やプロセス用の蒸気ある
いは温水を生成する排熱回収熱交換器に係り、特に排ガ
ス中の窒素酸化物の濃度を低減させるのに好適な排熱回
収熱交換器の還元剤注入制御装置に関する。

（従来の技術） 近年、エネルギーの有効利用の観点からコンバインドサ
イクル発電や、熱併給発電といったガスタービンやディ
ーゼルエンジンと、その排ガスを熱源として蒸気タービ
ン用の駆動蒸気やプロセス用の蒸気あるいは温水を生成
する排熱回収熱交換器とを組み合わせた発電システムが
注目されている。一方、ガスタービンやゼイーゼルエン
ジンといった機器より排出される排ガスの中には有害な
窒素酸化物が含まれているため、環境汚染対策の面から
この濃度の低減も問題となっている。

第４図は従来公知のコンバインドサイクル発電プラント
の主要な構成を示している。このプラントはガスタービ
ン装置１０、その排ガスを熱源として蒸気を生成する排
熱回収熱交換器２０、排熱回収熱交換器２０で生成され
た蒸気により駆動される蒸気タービン装置３０および前
記両タービン装置１０および３０と直結されている発電
機４０により構成されている。ガスタービン装置１０は
圧縮機１１、燃焼器１２およびガスタービン１３により
構成されている。燃焼用空気１は圧縮Ｒ１１で加圧され
て燃焼器１２に送られ、ここで燃料２と混合されて燃焼
し、高温の燃焼ガスとなる。

この燃焼ガスはガスタービン１３に送られて仕事を行な
い、その後５００〜６００℃の排ガスとなって排熱回収
熱交換器２０に導かれる。

排熱回収熱交換器２０は、例えば排ガス４の上流側から
順に過熱器２１、蒸発器２２および節炭器２３を備えて
おり、節炭器２３を出た排ガス４は図示しない煙突を通
って大気中に放出される。

蒸気タービン３１を出た排気蒸気は復水器３２にて復水
となり、給水ポンプ３３に抽出されて給水管５を介して
節炭器２３に圧送される。節炭器２３で加熱された給水
は蒸気ドラム２４の下部に導かれる。蒸気ドラム２４の
缶水は循環ポンプ２５よって蒸発器２２に送られ、ここ
で蒸気となって再び蒸気ドラム２４に戻される。蒸気ド
ラム２４に入った蒸気は湿分を除去された後、過熱器２
１に送られて加熱蒸気となり、主蒸気管６を通して蒸気
タービン３１に導かれる。この蒸気はここで膨脂して仕
事をした後、復水器３２に排出される。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記のコンバインドサイクル発電プラントに
おいて、ガスタービン装置１０より排出される排ガス４
には燃料として液化天然ガスを使用した場合に１５０ｐ
ｐｍ程度の窒素酸化物が含まれている。この窒素酸化物
の濃度を低減する方法の一つに燃焼器１２内に水または
蒸気３を注入する方法がある。しかしながら、この方法
には水または蒸気３の注入量を増加させると脱硝効率は
向上する反面、プラントの熱効率が減少してしまうとい
う問題がある。通常、水または蒸気３を注入した場合、
ガスタービン装置１０出口における窒素酸化物の濃度は
７０００１程度まで減少するが、この値は国内で定めら
れた規制値を満たすまでに至らない、一方、脱硝効率を
高めるための他の方法として排ガス４の流れ中に脱硝装
置を設置するやり方があり、その代表的方式である乾式
接触還元法は排ガス中に還元剤、たとえばアンモニアを
注入し、酸化鉄系の触媒を充填した反応器中を通過させ
ることにより、窒素酸化物を窒素と水とに分解するもの
である。（例えば、特公昭５０−３５９０８号公報参照
） この方法における脱硝効率は第５図に示すように触媒層
における反応温度に大きく依存している。

すなわち、脱硝効率は反応温度が２００°Ｃから３００
℃に上昇するに従って急激に上昇し、３５０℃から４０
０℃の間で最高値を取り、４５０℃を過ぎた辺りから再
び低下する。このため、運転負荷範囲の広いコンバイン
ド発電や熱併給発電向けの排熱回収熱交換器ではその全
負荷帯で高い脱硝効率が得られるような位置に脱硝装置
が設置されている。

（例えば特公昭６０−１７９６７号公報参照）この置型
的な配置の仕方を示すと第４図に示されるように脱硝媒
体５０を蒸発器２２の下流側に設置し、アンモニア注入
系統７と連絡しているアンモニア注入ノズル５１はその
上流側に設置されている。なお、符号５２および５３は
アンモニア注入系統７に設けられた遮断弁および調節弁
を示している。また、上述したように脱硝反応には最適
な温度範囲があり、それ以外の温度範囲でアンモニアを
注入することは未反応アンモニアの大気放出量を増加さ
せ、環境汚染が別な面から広がるため、特に起動停止の
頻繁に行なわれるコンバインド発電などではこの問題も
含めて環境汚染に対する適切な対応が求められている。

ところで、従来の脱触媒層５０は鉄等の材料でできた構
造物の表面に触媒層を定着させたものが使用されている
。このため、脱硝触媒５０全体の重量が大きくなり、熱
容量もかなり大きな値となっている。この構造上の特徴
に由来する従来の脱硝触媒５０の難点は起動時など負荷
の変動幅が大きい場合にその上流側と下流側との間で温
度上昇に著しい差を生じることである。すなわち、第６
図は起動時における脱硝触媒５０人口および出口での排
ガス温度の変化の一例を示しているが、例えば、脱硝反
応温度の実用上の下限である２５０℃に達するまでの所
要時間をみると、入口ではガスタービン着火後約１時間
２０分で到達しているのに対して、出口では約１時間５
０分かかっており、３０分程度の遅れが生じている。つ
まり、脱硝触媒５０の入口での排ガス温度が２５０℃に
達してから３０分後にようやく脱硝触＃Ｘ５０の全体の
温度が脱硝反応温度範囲の下限値に入ることになる。こ
のことは、例えば脱硝触媒５０の入口側で排ガス温度を
監視する方法によりアンモニアの注入タイミングを測る
ようにした場合、脱硝触媒５０人口の排ガス温度が反応
に適した温度Ｍ囲に達してから脱硝触媒５０人口の温度
が上記温度範囲に達するまでの間に注入ノズル５１より
注入されたアンモニアのかなりの部分が未反応のまま大
気中に放出されてしまうことになり、環境汚染に対処す
るうえて問題がある。

したがって、本発明の目的は起動時などに排ガス中に注
入した還元剤が未反応のまま大気に放出されるのを防止
するようにした排熱回収熱交換器の還元剤注入制御装置
を提供することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するなめに熱源となる排ガス中
の窒素酸化物に作用して無害な窒素等の気体成分に接触
還元せしめる還元剤を脱硝触媒の上流側にて注入するよ
うに調節弁および遮断弁を有する還元剤注入系統を設け
てなる排熱回収熱交換器において、脱硝触媒の全体の温
度が予め決められた温度になった時点で遮断弁を解放し
、その温度に満たなくなった時あるいは脱硝触媒の一部
がその決められた温度まで降下した時点にて遮断弁を閉
鎖する制御信号を出力する￥Ａ御波装置設けたことを特
徴とする。

〈作　用） 還元剤の注入タイミングを測るうえで、既に述べたよう
に脱硝触媒の熱容量の大きさを無視することはできない
０本発明においては脱硝触媒の全体を代表する点として
、例えばプラン）・起動時における脱硝触媒出口の温度
を監視の、中心に置き、検出温度（排ガス温度）が予め
決められた温度になったならば遮断弁を全開させて還元
剤の注入を開始する。一方、上記検出温度が決められた
温度に溝たなくなったならば、遮断弁を全閉させ、還元
剤の注入を停止する。この還元剤注入停止タイミングを
より正確に測る場合には脱硝触媒の局部を代表する点の
温度も監視対象に加え、一部の温度（排ガス温度）の降
下が検出されたならば遮断弁を閉鎖するようにする。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は第１の実施例を示すもので、脱硝触媒５０の出口に
おける排ガス４の温度が温度発信器５４により検出され
、その出力は比較器５５に与えられる。一方、予め定め
られた温度設定値が信号発信器５６から比較器５５に与
えられ、双方の信号から制御偏差が求められ、偏差信号
として演ｎ増幅器５７に与えられる。この演算増幅器５
７が有するヒステリシス特性は２位置動作であり、上記
偏差信号に応じた制御信号が遮断弁５２に対して出力さ
れるようになっている。

次に、上記構成に基づくところの動作を説明する。プラ
ント起動時、排熱回収熱交換器２ｏに流入する排ガス４
の温度は燃料流量の増加により急激に上昇する。この際
、脱硝触媒５ｏの出口における排ガス４の温度もある時
間遅れを持ちながら上昇して行く、この温度が温度発信
器５４により検出され、その出力が比較器５５に与えら
れて信号発信器５６から与えられる温度設定値との間で
制御偏差が作られる。この制御偏差が比較器５５から演
算増幅器５７に出力されると、２位置動作のヒステリシ
ス特性を有する演算増幅器５７がら遮断弁５２に対する
制御信号が出力される。すなわち、通常、プラント起動
初期は検出される温度が設定値よりも低く、このため遮
断弁５２は全閉状態を保持しているが、負荷の上昇に伴
ない排ガス４の温度が高くなると、検出温度が設定値を
超えるため、遮断弁５２は全開される。この遮断弁５２
の開放によりアンモニア注入系統７から注入ノズル５１
にかけての経路が通じ、アンモニアが注入ノズル５１か
ら排ガス４中に混入させられる。

ちなみに、遮断弁５２の開放以後は排ガス４中の窒素酸
化物の濃度に応じてアンモニア注入量が決定される。す
なわち、調節計（図示せず）からの制御信号により調節
弁５３の開度が調節され、脱硝反応の最適化が図られる
。

以上述べた本実施例の脱硝触媒５０出口の排ガス温度を
監視するやり方は第６図に示される如く脱硝数！Ｉ！１
５０人口での排ガス温度が常に出口での排ガス温度を上
回っており、脱硝触媒５０全体の温度が脱硝反応に適し
た温度範囲に到達した時点から開始されることから、ア
ンモニアが未反応のままで大気中に放出される危険性が
ない。

次に、第２の実施例を第２図を参照して説明する。脱硝
触媒５０の出口における排ガス４の温度が温度発信器５
４により検出され、その出力は比較器５５に与えられる
。また、各々予め定められた温度設定値が一方は第１の
信号発信器５８から、他方は第２の信号発信器５９から
信号切替器６゜を介して比較器５５に与えられ、それぞ
れに制御偏差が求められ、偏差信号として演算増幅器５
７に与えられる。ここで、第１の信号発信器５８にはプ
ラント負荷上昇時におけるある温度設定値が、第２の信
号発信器５９にはプラント負荷降下時における上記プラ
ント負荷上昇時の設定値よりも高いある温度設定値が与
えられる。また、信号切換器６０にはプラント負荷上昇
時には第１の信号発信器５８からの信号を、一方プラン
ト負荷降下時には第２の信号発信器５８からの信号を接
点を切換えて一方の信号のみを比較器５５に出力するた
めにプラント負荷制御信号が与えられる。

この第２の実施例の動作を説明すると、プラント起動時
のように負荷上昇中は、信号切換器６０が第１の信号発
信器５８から出力される信号を比較器５５に送っている
。この状態から脱硝触媒５０の出口における排ガス４の
温度が温度発信器５４にて検出され、その出力が比較器
５５に与えられて第１の信号発信器５８から与えられる
温度設定値との間で制御偏差が作られる。この制御偏差
は清算増幅器５７に出力され、２位置動作のヒステリシ
ス特性を有する演算増幅器５７から制御（ｆｉ差に応じ
て遮断弁５２に対する制御信号が出力される。すなわち
、プラント起動初期は検出される温度が設定値よりも小
さく、このため、遮断弁５２は全閉状態を保っている。

一方、負荷上昇により排ガス４の温度が上昇すると、検
出温度が設定値を超えるために遮断弁５２は全開される
。これにより、注入ノズル５１からアンモニアが噴出し
て排ガス４中に混入させられる。

一方、プラント停止時のような負荷降下中はプラント負
荷制御信号により信号切換器６０の接点が第２の信号発
信器５８に切換えられる。このため、温度発信器５４に
て検出され、比較器５５に送られている排ガス４の温度
と、第２の信号発信器５８からの温度設定値との間で制
御偏差が作られ、演算増幅器５７を介して遮断弁５２に
対する制御信号が出力される。通常、プラント停止操作
が進められる中で、排ガス４の温度は下がり続けるが、
検出される温度が設定値を超えている間は、遮断弁５２
は全開状態に保たれる。しかし、なおも排ガスの温度は
下がり続けるため、検出温度が設定値に満たなくなり、
遮断弁５２は全開に至る。このため、排ガス４中へのア
ンモニアの注入は停止される。ここで、第２の信号発信
器５９の温度設定値は第１の信号発信器５８のそれより
も一定の値高くしているが、これは次の理由による。す
なわち、負荷降下時、脱硝触媒５０人口での排ガス４の
温度が下がり始めると、脱硝触媒５０出口での排ガス４
の温度も下がるが、このとき脱硝触媒５０の熱容量が大
きいために脱硝触媒５０出口での排ガス温度は入口での
排ガス温度よりも必らず高くなる。この温度が脱硝反応
に適した温度範囲内に設定される第１の信号発信器５８
の出力を上回っている場合、遮断弁５２は解放されたま
まであり、アンモニアが排ガス４中に混入させられるが
、このとき、脱硝触媒５０人口での排ガス温度は低くな
っており、脱硝反応に適した温度範囲以下になっている
可能性があるため、未反応のアンモニアが大気中に放出
されてしまう、そこで、入口での排ガス温度が脱硝反応
に適した温度範囲内にあるうちに確実にアンモニアの注
入を停止させるため、第２の信号発信器５９の温度設定
値を第１の信号発信器５８のそれよりも一定の値高く設
定するようにする。

かくして、プラント起動時のみならず、プラント停止時
も併せて、つまりあらゆる負荷変動に対応して未反応の
アンモニアが排ガス４と共に大気中に放出されるのを防
止することが可能となる。

さらに１、第３の実施例を第３図を参照して説明する。

なお、本実施例においては第１図における各制御要素が
温度発信器５４は第１の温度発信器、比較器５５は第１
の比較器、信号発信器５６は第１の信号発信器、演算増
幅器５７は第１の演算増幅器とそれぞれ呼ばれる。

第３図において、脱硝触媒５０の入口における排ガス４
の温度が第２の温度発信器６１により検出され、その出
力は第２の比較器６２に与えられる。一方、予め定めら
れた温度設定値が第２の信号発信器６３から第２の比較
器６２に与えられ、双方の信号から制御偏差が求められ
、偏差信号として第２の演算増幅器６４に与えられる。

この演算増幅器６４が有する辷ステリシス特性は２位置
動作であり、上記偏差信号に応じた制御信号がアンド回
路６５の一方の入力端に加えられる。そして、アンド回
８６５のもう一方の入力端には第１の演算増幅器５７か
らの制御信号が加えられ、その出力は遮断弁５２に対し
て与えられるようになっている。

次に、上記構成に基づくところの動作を説明する。プラ
ント起動時、排熱回収熱交換器２０に流入する排ガス４
の温度は燃料流量の増加により急激に上昇する。この温
度が脱硝触媒５０の出口で第２の温度発信器６１により
検出され、その出力が第２の比較器６２に与えられ、第
２の信号発信器６３から与えられる温度設定値との間で
制ａｐｍ差が作られる。この制御（Ｎ差が第２の比較器
６２から第２の演算増幅器６４に出力され、２位置動作
のヒステリシス特性を有する第２の増幅器６４からアン
ド回路６５を経てＭｌｌｆｌ弁５２に対する制御信号が
出力される。ずなわち、通常、プラント起動初期は検出
される温度が設定値よりも低く、このため遮断弁５２は
全閉状態を保っているが、負荷上昇により排ガス４の温
度が高くなると、検出温度が設定値を超えるため、遮断
弁５２を全開動作せしめる制御信号がアンド回路６５に
入力される。しかし、このとき、脱硝触媒５０の出口で
は排ガス温度が入口側はどには上昇してなく、このため
第１の演算増幅器５７からアンド回路６５へ発せられる
のは遮断弁５２を全閉動作せしめる制御信号であり、し
たがってアンド回１？！６５からは遮断弁５２を全開動
作せしめるｉ’Ｊ１ｔ１］信号は出力されない、続いて
、脱硝触媒５０の温度が上昇して出口側での排ガス温度
も高くなると、第１の演算増幅器５７から遮断弁５２を
全開動作せしめる制御信号がアンド回路６５に出力され
、双方の信号から遮断弁５２は全開される。これにより
、注入ノズル５１からアンモニアが噴ｕ１シてＩＦガス
４中に混入させられる。

一方、プラント停止時、負荷降下に伴なって排ガス４の
温度は下がり続けるが、検出される温度が第１および第
２の信号発信器５６．６３の双方の設定値を超えている
間は、遮断弁５２は全開状態に保たれる。しかし、なお
も排ガス温度が下が９続けるため、脱硝触ｇ５０の熱容
量の影響を受けない入口側の排ガス温度が設定値に満た
なくなり、第２の演算増幅器６４からの出力が断たれ、
この時点で第１の演算増幅器５７の出力がアンド回路６
５に入力されていてもアンド回路６５からは遮断弁５２
を全閉動作する制御信号が出力される。このため、排ガ
ス４中へのアンモニアの注入は停止される。

かくして、プラント起動時および停止時の負荷変動の最
中に未反応のアンモニアが排ガス４と共に大気中に排出
されるのが防止される。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明は脱硝触媒の全体の温度が予
め決められた温度になった時点で遮断弁を開放し、その
温度に満たなくなった時あるいは脱硝触媒の一部の温度
がその決められた温度まで降下した時点にて３Ｊｘ断弁
を閉鎖する制御信号を出力する制御装置を設けているの
で、プラント起動時にアンモニアなどの還元剤が未反応
のまま大気中に放出されるのを防止することが可能であ
り、還元剤による環境汚染が拡がるのをなくすることが
できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明に係る還元剤注入
制御装置の構成図、第４図は従来のコンバインドサイク
ル発電プラントの主要な構成を示す系統図、第５図は脱
硝反応における温度と脱硝効率との関係を示す線図、第
６図は排ガス温度の時間特性を示す線図である。 ５０・・・・・・・・・脱硝触媒 ５１・・・・・・・・・アンモニア注入ノズル５２・・
・・・・・・・遮断弁 ５３・・・・・・・・・調節弁 ５４・・・・・・・・・（第１の〉温度発信器５５・・
・・・・・・・（第１の）比較器５６・・・・・・・・
・（第１の）信号発信器５７・・・・・・・・・（第１
の）演算増幅器５８・・・・・・・・・第１の信号発信
器５９．６３・・・第２の信号発信器 ６０・・・・・・・・・信号切換器 ６１・・・・・・・・・第２の温度発信器６２・・・・
・・・・・第２の比較器 ６４・・・・・・・・・第２の演算増幅器６５・・・・
・・・・・アンド回路 出願人　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　須　山　佐　− 第１図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱源となる排ガス中の窒素酸化物に作用して無害な窒素
   等の気体成分に接触還元せしめる還元剤を脱硝触媒の上
   流側にて注入するように調節弁および遮断弁を有する還
   元剤注入系統を設けてなる排熱回収熱交換器において、
   前記脱硝触媒の全体の温度が予め決められた温度になつ
   た時点で前記遮断弁を解放し、その温度に満たなくなつ
   た時あるいは脱硝触媒の一部の温度がその決められた温
   度まで降下した時点にて前記遮断弁を閉鎖する制御信号
   を出力する制御装置を設けたことを特徴とする排熱回収
   熱交換器の還元剤注入制御装置。