JPH04324002A - 排熱回収熱交換器 - 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］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコンバインドサイクル発
電プラントにおける、ガスタービンに代表される各種の
熱発生手段より排出される排ガスの熱を利用して蒸気を
発生させる自然循環形排熱回収熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の発電プラントでは蒸気タービン単
体またはガスタービン単体を原動機とするものが一般的
であったが、最近では両者の利点を巧みに組み合わせた
コンバインドサイクル発電が活用されるようになってき
ている。

【０００３】コンバインドサイクル発電プラントはガス
タービンからでた排ガスを排熱回収熱交換器に回収して
蒸気を発生せしめ、この発生蒸気を蒸気タービンに供給
して電力を取り出すものであって、ガスタービンの排熱
を有効に活用でき、また起動・負荷変化・停止時間を大
幅に短縮できる等の便利性がある。

【０００４】このコンバインドサイクル発電プラントで
はガスタービンの燃料として従来よりクリーン燃料と言
われている液化天然ガス（ＬＮＧ）が使用されてきたが
、近年ガスタービン燃料の多様化に伴い硫黄分を含んだ
燃料（例えば、ナフサ・灯油）を使用する場合が生じて
きている。この硫黄分を含んだ燃料を用いる場合、ガス
タービン排ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成される
ことになる。

【０００５】一方、コンバインドサイクル発電プラント
の構成機器の一つである排熱回収熱交換器中にはガスタ
ービン排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するため
にガスタービンの排ガス中にアンモニアガスを噴霧する
アンモニアインジェクショングリッド（以下ＡＩＧと称
する）及びＡＩＧの下流側に脱硝触媒（以下ＤｅＮＯｘ
と称する）を組み込んでいる。図５に従来の排熱回収熱
交換器の一例を示している。本図は二系統の蒸気発生系
統を備えた複圧式の自然循環形排熱回収熱交換器１を示
している。

【０００６】低圧給水ポンプ（図示せず）から供給され
る給水は低圧節炭器２、低圧蒸気ドラム３及び低圧蒸発
器４を順次通過するうちにガスタービン（図示せず）か
らの排ガス５と熱交換し、一部が蒸発し、残りは低圧蒸
気ドラム３に戻される。この間で発生した蒸気は図示し
ない低圧主蒸気管を経て低圧蒸気タービンに導かれる。

【０００７】また、低圧節炭器２を出た給水は一部が途
中で主経路が分かれ高圧給水ポンプ（図示せず）で昇圧
された後、高圧節炭器６、高圧蒸発器７を順次通過する
うちに排ガス５と熱交換し、一部が蒸発させられ、高圧
蒸気ドラム８にて湿分分離された後、さらに高圧過熱器
９を通過して過熱蒸気となり、図示しない高圧主蒸気管
を経て高圧蒸気タービンへ導かれる。

【０００８】これらの高圧蒸発器７と高圧蒸気ドラム８
、及び低圧蒸発器４と低圧蒸気ドラム３の各ループ内に
おいては、各蒸気ドラム８，３から各蒸発器７，４内の
伝熱管に缶水を供給する降水管内の水と蒸発器伝熱管内
の水の密度差によって循環力を得て水を循環させる自然
循環が実現している。

【０００９】一方、ガスタービンからの排ガス５は排熱
回収熱交換器１の高圧過熱器９、高圧蒸発器７、高圧節
炭器６、低圧蒸発器４、低圧節炭器２を順次通過し、煙
突１０より排出される。

【００１０】排ガス５中の窒素酸化物を低減するために
、本図では高圧過熱器９の後流側にＡＩＧ１１を設け、
さらに脱硝反応が最適に行われる排ガス温度３００　〜
４００　℃の領域にＤｅＮＯｘ１２を設置している（本
図では高圧蒸発器７の下流側に図示している）。ＤｅＮ
Ｏｘ１２の概略構成は図６に示すようになっている。

【００１１】すなわち、１ｍ角の触媒バスケット１３を
多数組み込むことにより１列の触媒層１４を形成し、一
般的には２〜３列の触媒層１４によりなり立っている。 この触媒バスケット１３は幅１５０ｍｍ　・高さ１５０
ｍｍ　・長さ１０００ｍｍ程度の単位触媒１５よりでき
ている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ガスリークによる脱硝
性能の低下が生じないようにガスシール構造には十分な
考慮を施してはいるが、前述のように単位触媒１５の集
合により触媒バスケット１３ができていること、この触
媒バスケット１３の集合により一列の触媒層１４が構成
されることから、ダクト断面を完全に覆うことはできず
、若干の流路隙間が存在することは否めない。このため
、ＡＩＧ１１より噴霧されたアンモニアがＤｅＮＯｘ１
２でガスリークし、ＤｅＮＯｘ１２より後流側に流れて
いくことになる。また、コンバインドサイクル発電プラ
ントの運転による経時劣化により除々に触媒性能が低下
した場合にＡＩＧ１１より噴霧されたアンモニアがＤｅ
ＮＯｘ１２で１００　％反応しないで未反応アンモニア
としてＤｅＮＯｘ１２より後流側に流れていくことにな
る。

【００１３】このリークアンモニアと亜硫酸ガス（ＳＯ
３　）が低温部で反応して腐食性で粘着吸湿性の強い硫
酸アンモニウム（ＮＨ４　ＨＳＯ４　）となる。化学反
応式を以下に示す。 ＮＨ３　＋ＳＯ３　＋Ｈ２　Ｏ＝ＮＨ４　ＨＳＯ４　　
この硫酸アンモニウムは平衡論的にはアンモニアと亜硫
酸ガスとがそれぞれ１０ｐｐｍ　の場合には２１０　℃
で生成し、１４７　℃の融点を持つため、１４７　℃〜
２１０　℃の範囲では液状となり、１４７℃以下では粉
状となる。

【００１４】自然循環形排熱回収熱交換器で排ガス温度
が２１０　℃以下となるのは単圧の場合は節炭器の部分
に、２圧または３圧以上の場合には低圧節炭器の部分に
相当する。

【００１５】排熱回収熱交換器１の各管群はフィンチュ
ーブにより構成されている。通常の排熱回収熱交換器１
に使用される螺旋フィンを持つフィンチューブ１６を図
７に示す。伝熱管が鉛直方向に設置されているため、フ
ィン１７は水平方向を向き、フィン１７の上に硫酸アン
モニウムが堆積することになる。硫酸アンモニウムは１
４７　℃以下では粉状であるので、フィン１７に堆積し
た粉状の硫酸アンモニウムはガスタービンの排ガス５の
流れにより吹き飛ばされる。また、堆積したとしてもス
ートブロワ等で容易に除去することができる。一方、硫
酸アンモニウムは１４７　〜２１０　℃の範囲では液状
であるので、伝熱管等に付着し、その構成材料を腐食す
ることになる。さらに、図８に示すようにフィン１７と
フィン１７との間にこの硫酸アンモニウム１８及び排ガ
ス中のダストが付着すると、伝熱管の伝熱効果を阻害す
るばかりでなく、排熱回収熱交換器１のドラフトロスを
増加させガスタービンの出力低下をもたらすことになる
。

【００１６】硫酸アンモニウム１８の付着量が大きくな
り、ドラフトロスが増大すると、通常その対策としてプ
ラントを一時停止し、硫酸アンモニウム１８を水洗によ
り除去するが、洗浄水はＰＨが低いので腐食が問題とな
る。また、停止に際しては冷却の必要があり、プラント
が元の状態に復帰するには数日を要するので、プラント
全体の稼働率にも影響を及ぼすことになる。

【００１７】そこで、本発明の目的は排ガス中の硫黄酸
化物とリークアンモニアとの反応により生じる硫酸アン
モニウムが節炭器の伝熱管へ付着するのを防止するとと
もに、付着した硫酸アンモニウムによる伝熱管の腐食、
硫酸アンモニウムと排ガス中に含まれるダストとの結合
により生じる付着物による伝熱効果の阻害並びにドラフ
トロスの増加によるガスタービン出力の低下を未然に回
避することができる自然循環形排熱回収熱交換器を提供
することにある。 ［発明の構成］

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、排熱回収熱交換器に導かれる排ガス中の窒
素酸化物を低減させるアンモニア注入装置を節炭器の上
流側に設けてなる排熱回収熱交換器において、排熱回収
熱交換器の節炭器を構成する伝熱管を水平方向に向けて
配置し、この節炭器の上部に伝熱管に向けて水を噴霧す
る噴霧手段を設けたことを特徴とするものである。

【００１９】

【作用】硫酸アンモニウムは水に溶け易いという特性を
持っているので、運転中定期的に低圧節炭器上部のスプ
レーノズルより中和水を噴霧し、伝熱管に付着した硫酸
アンモニウムを洗い流すことができる。しかし、排熱回
収熱交換器の管群を構成する伝熱管は拡大伝熱面を持つ
フィンチューブが使用されている。したがって、通常の
自然循環形排熱回収熱交換器の節炭器のように伝熱管を
鉛直方向に設置したままではフィンは水平方向を向くの
で、上方からの噴霧水がフィンとフィンとの間に入り込
めないので、フィンとフィンとの間に付着した硫酸アン
モニウムを洗い流すことは容易ではない。

【００２０】そこで、ガスタービンの排ガス温度が２１
０　℃以下となる低圧節炭器の伝熱管についてはフィン
チューブを水平方向に設置する。この場合フィンが鉛直
方向となるので、硫酸アンモニウムが堆積できる平面が
少ないため、伝熱管が鉛直方向に設置されている場合に
比べ硫酸アンモニウムの堆積量は少なくなる。また、こ
のフィンとフィンとの間に硫酸アンモニウムが付着した
としても上方からの噴霧水が容易にフィンとフィンとの
間に入りこめるので、硫酸アンモニウムを洗い流すこと
が可能である。

【００２１】なお、洗浄水はＰＨが低い強酸性の水溶液
となっているので、このまま排水することはできない。 そこで低圧節炭器下部にホットウェルを設け、ここに集
めた排水を中和漕に送水し、この中和漕で中和処理した
のち排水するものとする。

【００２２】前述したように、水噴射に用いる水溶液と
して中和水を用いるとその洗浄水はＰＨが低い強酸とな
るため、排熱回収熱交換器ダクト底面が酸により腐食さ
れることになる。そこで水噴射用にアルカリ水溶液を用
いて洗浄水が中性となるように、事前にアルカリ水溶液
のＰＨを調節しておくことが望ましい。中和水の代わり
にＰＨを調節したアルカリ水溶液を噴射すれば、ダクト
底面の腐食の問題が軽減されることになる。

【００２３】以上説明した本方法によれば、運転を停止
することなく硫酸アンモニウムを取り除くことができる
ので、付着した硫酸アンモニウムによる伝熱管の腐食、
硫酸アンモニウムと排ガス中に含まれるダストの結合に
より生じる付着物による伝熱効果の阻害並びにドラフト
ロスの増加によるガスタービン出力の以下を未然に回避
することが可能である。

【００２４】

【実施例】本発明による排熱回収熱交換器の一実施例を
図１を参照して説明する。節炭器を構成する伝熱管２０
は水平に配置され、左右のホットボックス２１内の管寄
せ２２に連結されている。節炭器の上部には多数のスプ
レーノズル２３を設けている。このスプレーノズル２３
はフラットスプレーノズルと称するものである。

【００２５】通常のスプレーノズル２３は広角に噴霧す
るが、このフラットスプレーノズルは一方向は狭く、そ
れと直角方向には広角に噴霧する特性を持っている。こ
のフラットスプレーノズルの噴霧方向は伝熱管２０の軸
方向に広がり、伝熱管２０の軸と直角にはフラットに噴
霧するように設置する。スプレーノズル２３は図１に示
すように伝熱管２０の軸長を網羅するように配置する。 このスプレーノズル２３は排ガスの流れ方向の節炭器の
列の上部に設置する。なお、符号２４は給水管である。

【００２６】次に、ダクトの下部で洗浄水を排出するホ
ットウェルについて説明する。図２にホットウェル２５
の構造を示す。図に示すようにホットウェル２５は複数
の溝２６により構成され、その上部はガスタービンの排
ガス５がショートパスしない構造となっている。各溝２
６の部分には液面計２７が設置されており、所定の水位
以上になると、出口弁（図示せず）を開け、排水管２８
より洗浄水を排出し、また設定水位以下になると出口弁
を閉じ、洗浄水をそこに溜めておく構造になっている。 この洗浄水は図示しない中和層に送水され、ここで中和
処理を施した後排出される。

【００２７】以上の構成によれば、スプレーノズル２３
より水を定期的に噴射させることにより硫酸アンモニウ
ムを容易に取り除くことができる。すなわち、図３に示
すようにフィン１７とフィン１７との間に硫酸アンモニ
ウム１８が付着したとしても上方からの噴霧水１９が容
易にフィン１７とフィン１７との間に入りこめるので、
硫酸アンモニウム１８を洗い流すことが可能である。

【００２８】したがって、付着した硫酸アンモニウムに
よる伝熱管２０の腐食、硫酸アンモニウムと排ガス中に
含まれるダストの結合により生じる付着物による伝熱効
果の阻害並びにドラフトロスの増加によるガスタービン
出力の低下を回避することが可能である。さらに、本発
明の他の実施例を図４を参照して説明する。

【００２９】図１の実施例は節炭器上部にスプレーノズ
ルを設置したものであるが、このスプレーノズル方式の
代わりに散水トレー方式を用いても同様な効果が得られ
る。図３に散水トレー２９の構造を示す。符号３０は給
水管であり、符号３１はベント管である。本実施例では
トレー３２の枚数は２枚であるが、２枚で均等化できな
い場合には、３枚以上とする。節炭器の伝熱管２０に散
水する最下段のトレー３２の穴は、節炭器管配列に対応
して開ける。なお、最下段のトレー３２は多孔板とせず
スリット板としても差し支えない。

【００３０】また、上記各実施例は高・低圧の複圧式自
然循環形排熱回収熱交換器について説明したが、単圧式
でも高・中・低の３圧式でもさらに４圧力以上の場合に
ついても適用可能である。

【００３１】さらに、各実施例は図７に示す螺旋フィン
を持つフィンチューブについて説明するものであるが、
図９に示す水平フィン３３を持つフィンチューブ３４等
の他のフィン形状を持つフィンチューブについても適用
される。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、コン
バインドサイクル発電プラントの運転を停止することは
なく、ガスタービン排ガス温度が１４７　℃〜２１０　
℃程度の範囲にある熱交換器管群を構成する節炭器のフ
ィンチューブに付着する硫酸アンモニウムを取り除くこ
とができるので、付着した硫酸アンモニウムによる伝熱
管の腐食、硫酸アンモニウムとガスタービン排ガス中に
含まれるダストの結合により生じる付着物による伝熱効
果の阻害並びにドラフトロスの増加によるガスタービン
出力の低下を未然に回避することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による排熱回収熱交換器の一実施例を示
す構成図。

【図２】節炭器下部のホットウェルを示す構成図。

【図３】本発明による節炭器のフィンチューブに硫酸ア
ンモニウムが付着した状態を示す説明図。

【図４】本発明の他の実施例を示す構成図。

【図５】従来の排熱回収熱交換器の一例を示す構成図。

【図６】ＤｅＮＯｘの概略構造を示す説明図。

【図７】通常の排熱回収熱交換器で使用されている螺旋
フィン付きのフィンチューブを示す説明図。

【図８】従来の節炭器のフィンチューブに硫酸アンモニ
ウムが付着した状態を示す説明図。

【図９】水平フィン付きのフィンチューブを示す構成図
。

【符号の説明】

２…低圧節炭器　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　５…排ガス １１…アンモニアインジェクショングリッド　　　　　
　１２…ＤｅＮＯｘ １６…フインチューブ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　１７…フィン １８…硫酸アンモニウム　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　１９…噴霧水 ２３…スプレーノズル　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　２５…ホットウェル ２９…散水トレー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　排熱回収熱交換器に導かれる排ガス中
   の窒素酸化物を低減させるアンモニア注入装置を節炭器
   の上流側に設けてなる排熱回収熱交換器において、該排
   熱回収熱交換器の節炭器を構成する伝熱管を水平方向に
   向けて配置し、この節炭器の上部に該伝熱管に向けて水
   を噴霧する噴霧手段を設けたことを特徴とする排熱回収
   熱交換器。