JPH0696093B2 - 排熱回収熱交換器の還元剤注入制御装置 - Google Patents

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、ガスタービン装置やゼィーゼル
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は圧縮機11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21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脹して仕事をした後、
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150ppm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70ppm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、その代表的方法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℃から300℃に上昇するに従って
急激に上昇し、350℃から400℃の間で最高値を取り、45
0℃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） この典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に設けられた注入遮断弁および調節
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入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50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
うやく脱硝触媒50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入
口の排ガス温度が反応に適した温度範囲に達してから脱
硝触媒50全体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で問題がある。

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］ （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た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
うに調節弁および注入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、検出された脱硝
触媒の出口域の温度信号と、脱硝反応に適する温度範囲
に決めた設定値とを比較し、その制御偏差に従い、注入
遮断弁を開放しあるいは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ものである。

また、本発明は検出された脱硝触媒の出口域ならびに入
口域の温度信号と、脱硝反応に適する温度範囲に決めた
設定値とを比較し、双方のいずれか一方の制御偏差に従
い、注入遮断弁を開放し、あるいは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ものであ
る。

（作 用） 還元剤の注入タイミングを測るのに脱硝触媒の熱容量の
大きさを無視できない。本発明においてはプラント起動
時に脱硝触媒の出口域、そして必要とあればプラント停
止時にその入口域の温度を監視の中心に置くようにセン
サによる検出部を配置する。

それぞれの温度信号は脱硝反応に適する温度範囲に定め
ている設定値と比較され、制御偏差が求められ、この偏
差信号でアンモニアの注入と遮断とを最適のタイミング
で行なう。プラント起動時には脱硝触媒の入口域では温
度上昇が著しいが、出口域の温度上昇は脱硝触媒の熱容
量の大きさから、上昇が遅れる。それゆえ、出口域の温
度が上がり、検出温度信号が設定値を越えたとき、注入
遮断弁が全開されるように制御信号を出力させる。この
出口域の温度を監視する制御装置を用いて未反応のアン
モニアが多量に流出する不具合をなくすことは可能であ
るが、より信頼を高めるために本発明は脱硝触媒の入口
域を監視の対象に加えることができる。

すなわち、プラント停止時にはその入口域の温度降下が
急激であることから、まだ出口域の温度が高いとはい
え、入口域での制御偏差に従い、温度降下の早い段階か
ら注入遮断弁が全閉されるように制御信号を出力させ
る。

かくして、プラント起動時に、そして、状況に応じて停
止時にアンモニアが未反応のまま大気中に放出されるの
を防止することができる。

（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、偏差信号として演算
増幅器57に与えられる。この演算増幅器57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
た制御信号が注入遮断弁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。この際、
脱硝触媒50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から注入遮断弁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、このため注入遮断弁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、
注入遮断弁52は全開される。この注入遮断弁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、注入遮断弁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触媒50入口で
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54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60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57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。この制御偏差は演算増幅器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から制御偏差に応じて注入遮断弁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、注入
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
えるために注入遮断弁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を介して注入遮断弁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、注入遮断弁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、注入遮断
弁52は全閉に至る。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入口での排ガス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、注入遮断弁52は開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入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、、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、アンド回路65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、その出力は注入遮断弁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御偏差が
作られる。この制御偏差が第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を経て注入遮
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、このため注入遮断弁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、注入遮断弁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ほ
どには上昇してなく、このため第１のの演算増幅器57か
らアンド回路65へ発せられるのは注入遮断弁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路65か
らは注入遮断弁52を全開動作せしめる制御信号は出力さ
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から注
入遮断弁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、双方の信号から注入遮断弁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、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、注入遮断弁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り続けるため、脱硝触媒50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65に入力
されていてもアンド回路65からは注入遮断弁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］ 以上説明したように本発明は脱硝触媒の出口域の温度を
検出して脱硝反応に適する温度範囲に定めている設定値
と比較し、その制御偏差に従い、注入遮断弁を開閉する
制御装置、あるいは脱硝触媒の出口域ならびに入口域の
温度を検出して脱硝反応に適する温度範囲に定めている
設定値と比較し、双方のいずれか一方の制御偏差に従
い、注入遮断弁を開閉する制御装置を設けているので、
プラント起動時あるいはプラント停止時にアンモニアな
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
することができ、環境汚染が拡がるのをなくすことがで
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
ル発電ブ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……注入遮断弁 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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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注入
   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、検出された前記脱硝触媒の出口域の温
   度信号と、脱硝反応に適する温度範囲に決めた設定値と
   を比較し、その制御偏差に従い、前記注入遮断弁を開放
   しあるいは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。
2. 【請求項２】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注入
   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、検出された前記脱硝触媒の出口域なら
   びに入口域の温度信号と、脱硝反応に適する温度範囲に
   決めた設定値とを比較し、双方のいずれか一方の制御偏
   差に従い、前記注入遮断弁を開放し、あるいは閉鎖する
   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。