JPS592768B2 - ガスタ−ビンの排ガス処理方法及びその装置 - Google Patents

ガスタ−ビンの排ガス処理方法及びその装置

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JPS592768B2
JPS592768B2 JP51012833A JP1283376A JPS592768B2 JP S592768 B2 JPS592768 B2 JP S592768B2 JP 51012833 A JP51012833 A JP 51012833A JP 1283376 A JP1283376 A JP 1283376A JP S592768 B2 JPS592768 B2 JP S592768B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンの排出ガス中の窒素酸化物（以
′ＦＮＯｘと記す）を処理する方法およびその装置に関
する。
ガスタービン燃焼器においては、その高温燃焼領域で導
入空気中の窒素Ｎ２が酸化され、ＮＯｘが生成ｆる。
このＮＯｘを含む燃焼ガスはガスタービンを通って大気
中に排出されるが、ＮＯｘは生物にとって有害であり、
光化学スモッグの起因物質となるので、その抑制対策が
緊、＠、課題となっている。
ガスタービンの場合、ＮＯｘを抑制する方法は、次の２
とおりに分けられる。
（イ）ＮＯｘの生成を抑える。
（０ＮＯＸを環元分解しその底減化を図る。
ここで、まず（／Ｉ）は現在実施されている方法であっ
て、その概要を説明し併せてその問題点をのべる。
ＮＯｘの生成は、下記の式に示すように、反応温度Ｔ、
雰囲気の酸素濃度〔０□〕、窒素濃度〔Ｎ２〕・および
反応滞留時間ｄｔに比例しており、とくに指数関数剰に
比例する温度Ｔに起因するところが犬である。
従って、ＮＯｘの生成を抑える具体的な方法としては、
（ａ）燃焼器内に水、蒸気などの不燃性物質を添加し、
燃焼温度を低下させる方法と、（ｂ）ガスタービンでは
理論燃焼空気量の３〜４倍の過剰の空気を燃焼器に導入
してタービンの入口温度を１０００℃前後に低下させて
いることを利用し、この過剰の空気を有効に利用して希
薄混合燃焼、二段燃焼など、水、蒸気などを添加しない
いわゆる燃焼制御によってＮＯｘ発生の低減を図る方法
がある。
しかし上記（ａ）の方法においては、高温度燃焼によっ
て生ずるいわゆるサーマルＮＯｘは低減できても、燃料
中に含有する窒素化合物が酸化することによって生ずる
ツユエルＮＯｘは低減できない欠点がある。
また、水、蒸気を添加することにより、未燃燃料成分Ｈ
ＣやＣＯの生成量が増大する。
さらに、・燃料消費率が高くなるため効率が低下する等
の欠点を有し、その低減効果にも限度があった。
また上記（ｂ）の方法では、（ａ）の方法と同様に、ツ
ユエルＮＯｘが低減できないという欠点を有する他、過
剰の空気で低温燃焼を行なわせることには、吹き消えあ
るいは不安定燃焼が生ずる等の問題が伴い、水、蒸気温
７７０以上にＮＯｘ低減効果を期待することが難かしい
。
このように、（イ）の方法では種々の問題点がある。
しかしく口）の方法、すなわち、燃焼ガスを環元分解す
る方法をとれば、上記したような問題点は回避できるの
でその採用が望まれる。
ＮＯｘを含むガス中からＮＯｘを除去する方法として、
主としてアンモニア（ＮＨ３）の酸化により硝酸を製造
する工程で採用される方法であって、被処理ガスにＣｏ
、Ｈ，、、ＮＨ３等の環元ガスを酸化物触媒のもとに作
用させ、ＮＯｘをＮ２ 、ＣＯ２、あるいはＨ２０に環
元分解させる方法は周知である（例えば米国特許第２９
７５０２５号、同３００８７９６号、特公昭４４−’１
３００２号）、ところが、上気環元ガスのうち、ＣＯや
Ｈ２をガスタービンの燃焼ガス処理に用いた場合、燃焼
ガス中には約１５％前後の過剰酸素を含有する酸化雰囲
気にあり、ＣＯ−やＨ２はＮＯｘを環元する前に酸素と
反応するので、かなり大量のＣ０５Ｈ２が必要となり、
ガスタービンの場合には不経剤である。
しかしＮＨ３の場合は、ある温度範囲ではＮＯｘの環元
反応の方がＮＨの酸化反応よりも速い（ＮＯｘの選択的
接触環元反応といわれている）、具体的には、ＮＯｘと
ＮＨとの反応は触媒存在下で通常２５０℃〜４５０℃の
温度領域で進むが、４５０℃以上となるとＮＨ３の酸化
反応が速くなり、ＮＯｘの環元反応より優先するので、
脱硝性能は低下する。
また２５０℃以下においてもＮＯｘの環元反応は遅くな
るの同様に脱硝性能は低下するにのように、ＮＨ３はＮ
Ｏｘを選択的に環元し、ＮＯｘ処理上好都合であるが、
しかし脱硝を効率よく行なうには温度範囲が限定される
。
次に本発明者らが環元剤として、ガス状ではなく、液体
状の環元剤又は環元剤溶液につきＮＯｘの環元分解の実
験を行なった結果について紹介する。
環元剤として尿素（ＣＯ（ＮＨ２）２ ）を用い、こ
れを水溶液にしてＴｌｔＦｅｔＶを主成分とする触媒に
含浸させ、水分を蒸発させた後にＮＯｘとの環元反応を
調べると、１５０℃以上でかつ０２濃度が５係以上のと
きに脱硝率が１００％となり、０２濃度が犬である程脱
硝率が高くなることがわかった。
これは０□の存在は尿素の反応性を高める働らきをする
理由によると考えられる。
また、環元剤としてヒドラジン（Ｎ２Ｈ，）を用いてＮ
Ｏｘの脱硝率を試験したところ、１５０℃以上で脱硝率
が１００係となることがわかった。
このように、ＮＯｘを大巾に低減するためには、環元剤
（ＮＨ３、Ｎ２ Ｈ４、Ｃｏ（ＮＨ２）２ ）が触媒
と共存することが必要である。
しかし、触媒を使用しない場合であっても、排ガスとの
直接触環元法によってかなりＮＯｘを低減することが可
能である。
たとえば、尿素の水溶液を燃焼性成ガス中にスプレィし
た場合の温度と脱硝率との関係の実験で、雰囲気温度が
４００℃前後より急激に脱硝率が増大し、４５０℃で最
大の脱硝率７０係が得られ、より以上の温度では脱硝率
が低下することが確認された。
これは、前に説明したようにＮＨ３ガスを被処理ガスに
混合した場合の温度と脱硝率の関係に近似している。
またこの場合も０２濃度が５係以上でその分圧が犬であ
る程脱硝率は犬となる。
ヒドラジンをスプレィした場合も同様である。
本発明は、上記した事項、すなわちアミン基を有する化
合物（イミノ基を有する化合物も同様である）等はＮＯ
ｘと選択的に反応し、しかもその反応は０２濃度が犬で
ある和動率的であるということ、また、燃焼ガス中のＮ
ＯＸを環元してＮＯｘを低減する方法には上記した利点
があること、及びタービン入口の燃焼ガス湯度は後述の
ように上昇の傾向にあり、前記（イ）の方法の効果が減
少する傾向にあることに鑑み、前記（ロ）の方法の利点
を生かることのできる排ガス処理方法および装置を提供
することを目的とする。
まず本発明の概要を、第１図に示す一般的なガスタービ
ンを参照しつつ説明する。
圧縮機１において空気６が圧縮されて燃焼器３に導びか
れ、別のルートで導入された燃料１０を燃焼させる。
燃焼ガス７はタービン２を通る間に仕事をして排ガス８
となり、サイレンチ４を通過した後に排気９される。
サイレンチ４内には吸音部材が設けられ、排ガス８はサ
イレンチの間を通過する間に吸音される。
ＮＯｘは、燃焼器３内で燃焼の過程で生成され、従来は
そのまま大気中に排出されている。
ここで、ＮＯｘが生成されてからの温度変化をみると、
タービン入口での燃焼ガスγの温度は約１０００℃前後
であり、タービンを通過した排ガスの温度は約５００℃
前後となっている。
一方、周知のように、現在はタービンの効率を十げると
いう要求から、タービンの入口温度は上昇の傾向にあし
、従って燃焼器の改善や水、蒸気等の添加によってＮＯ
ｘの生成を抑えることがますます困難となり、ＮＯｘの
環元反応、さらには脱硝装置の設置が必要となって来て
いるのである。
本発明は、タービン排ガスの温度が前記のように５００
℃前後であって、この温度ではＮｏＸの選択環元性を有
する環元剤では最大の脱硝率が得られず、４５０℃前後
において最大の脱硝率が得られることを考慮し、環元剤
に液状のものを利用するか又は環元剤の溶液を用い、こ
れを排ガス中に注入し、その潜熱を利用して排ガス温度
を下げることにより、効率的に脱硝反応が行なえるよう
にしたことを特徴とする。
さらに本発明は、脱硝反応を促進させるため、サイレン
チを交互配置とするかあるいはサイレンチに触媒を組み
入れたことを特徴とする。
次に本発明の一実施例を第２図ないし第５図によって説
明する。
第２図において、第１図と同一符号は同一のものを示す
。
１１は尿素、ヒドラジン等の環元剤供給管、１２は環元
剤と混合して溶液とする溶媒としての水の供給管、１３
は溶液供給管１５に設けたポンプ、２５，２６．１４は
それぞれ環元剤、水、溶液の流量調節弁である。
１６は溶液損傷用の空気を送り込む圧縮空気供給管であ
り、１７はその流量調節弁である。
溶液供給管１５は空気供給管１６内に挿嵌されており、
その先端の排気ダクト２０の壁２１内の部分は第３図の
１６ａで示すように分岐している。
そして空気分岐管１６ａには複数の空気噴出口２２が穿
設され、その中に収容した溶液分岐管１５ａには第４図
、第５図に示すように前記空気噴出口２２に間隙を有し
て挿嵌するノズル３０が設けられている。
第２図ないし第５図に示す構成において、環元剤及び水
は各供給管１Ｌ１２よ゛り供給されて混合され、ポンプ
１３で若干カロ圧されて溶液供給管１５をへて溶液分岐
管１５ａのノズル３０に達する。
一方、圧縮空気は、空気供給管１６をへて空気分岐管１
６ａの空気噴出口２２より噴出される。
このような溶液噴出構造とすることにより、次の２つの
大きな効果を生ずる。
その１つは、溶液ノズル３０が空気噴出口２２と同位置
にあるので、空気の高速流３１によって溶液の微粒化が
促進されることである。
この構造と異なり例えば、溶液と空気とを別々に送るの
ではなく、予め混合して同じ穴から噴出する構造も考え
られるが、そのような構造とすると、混合物を送る管あ
るいは分岐管の内面を付着して一度霧化した粒子がさら
に凝縮するために良好な霧化が得られないが、第４図お
よび第５図に示す構造とすることにより、霧化が促進さ
れて環元剤と排気ガスとの接触頻度を上げることができ
る。
他の効果は、排気ガス８と溶液微粒子との混合効果を良
好にすることである。
すなわち、第５図に示すように、排気ガス８の流れは、
分岐管１６ａの表面に添った流れとなるが、噴出口２２
から噴出する空気流とこの流れの中にまき込捷れた溶液
微粒子はほぼ音速に近い速度で噴出する。
このため、噴出流３１の噴出口２２近傍の圧力が低下し
、このため、近辺の排気ガス８が噴出孔３１にまき込寸
れて渦流３２を生じ、排気ガス８と溶液微粒子との混合
が良好に行なわれる。
このように、溶液が微粒化されかつ排気ガス８との混合
が良好に行なわれるが、排気ガス８との混合により、溶
液の微粒子は気化し、その潜熱がうばわれるので、排気
ガスの温度は低下する。
そして流量調節弁２５，２６，１４．１７の調節によっ
て環元剤、水、空気の量を調節することにより、５００
℃の排気ガス８の温度を脱硝率が最大となる温度である
４５０℃前後にすることができる。
第６図は溶液噴出構造の他の例を示す図であり、この場
合は分岐管１５ａ、１６ａを分離し、空気噴出口２２に
近接してノズル３０の噴出部を設けたものであり、溶液
流が空気流に対し交差する（対向するようにしてもよい
）ので、霧化促進の点では第５図のものより優れている
。
また第５図の場合と同様に渦流による混合効果も得られ
る。
第２図の構成において、圧縮空気の噴霧圧力はほぼ大気
圧に近い排気ダクト内に溶液の噴霧を行なうに必要な１
〜２ ｋｇ／Ｃｍ’ Ｇ程度の低圧では、１８で示すよ
うに、圧縮機１の低圧段途中から抽気した空気を用いる
ことが可能である。
この場合、噴霧に要する空気流量も微少量であることか
ら、タービン効率低下に及ぼす影響は少なく、特別に環
元剤噴霧用圧縮機を設置するに比べ、構成が簡略化され
る。
上記したように、本発明においては、排気ダクト内に溶
液状態の環元剤を注入するのであるが、サイレンサの構
造を下記のような構成とすることにより、接触滞留時間
を長くし、かつ混合効果をさらに高めてＮＯｘ低減を促
進することができる。
まず、本発明によるサイレンサの構成を説明する前に、
従来のサイレンサの構成を説明する。
従来のサイレンサは、第１図で示したように、等間隔に
ガス流にそって複数個並置されている。
そしてサイレンサ４の構造は第７図に示すようになって
いる。
すなわち、表面に多数穴４１の開いた多孔板４０の中に
吸音材としての岩綿４２を充填したものであり、側壁４
３が長く、渦流３３の生成が少なく、前記のように環元
剤溶液を注入するとしたとき、環元剤の滞留、接触時間
を長くとることはできない。
そこで、第８図に示すような構成とした。
すなわち、３４で示すように断面がほぼ三角形をなすよ
うにし、これを複数段に設置し、しかもその配列構造は
上下方向に千鳥足形状となるようにしたものである。
このような構成とすることにより、各ザイレンサ３４の
上部で渦流３３が発生し、またサイレンサ３４の間の比
較的流速の速い部分ではその流れの向きに位置した後段
のサイレンサで流れに抵抗を生じて減速されるので、混
合が良好に行なわれると共に、接触滞留時間を長くする
ことができる。
従ってその分だけＮＯｘ低減が促進される。
第９図は第８図で示すサイレンサの構造を示しており、
外形は従来形と異なるが、穴４１を多数有する多孔板４
０内に岩綿４２を収容して吸音効果を失なわないように
したものである。
次に、触媒を備えることによって排ガスと環元剤の直接
接触の場合よりもさらに艮好な脱硝効果が得られるので
、サイレンサ内に触媒層を設けた６触媒層を設ける場合
、排ガスと環元剤との混合気が触媒に接する勘合を多く
することがＮＯｘ低減促進につながる。
触媒層の設置例を第１０図ないし第１４図によって説明
する。
第１０図は従来形のサイレンサの下部（ガスの上流側）
に触媒層３５を組込みんだものであり、その詳細を第１
０図に示す。
４４は触媒層３５と岩綿４２とを分離する仕切板であっ
て、この構造においては、排ガス及び環元剤の流れに対
向する位置に触媒層が設けであるので、触媒が有効に働
き、また吸音効果も損なわれない。
第１２図に示す例は、多孔板４０の内側に触媒層３５を
設け、さらにその内側に岩綿４２を充填して吸音作用と
触媒作用を同時に行なわせるもの・である。
このような構造であれば、排ガス流８は多孔板４０の側
面にそって流れて渦流３３が生じ、その渦流が発生して
いる所に触媒層があるので、ガスと触媒との接触が効率
よく行なわれ、かつ触媒がガス流にそって設けであるの
で接触時間が長いため、ＭＯＸを有効に環元分解するこ
とができる。
第１３図の例は、第８図に示すようにサイレンサを配置
したものにおいて、一部（ガス上流側）のサイレンサ３
８に触媒３５を充填しく第１４図参照）、他のサイレン
サ３７には岩綿を充填したものであって、サイレンサの
交互配置によってガスの混合が良好となりかつ接触時間
が長くなる上、触媒によってＮＯｘ環元反応が促進され
るので、ＮＯＸの大巾な低減が可能となる。
以上に説明しかように、本発明においては、タービン排
ガス中に液状環元剤又は環元剤の溶液を霧化して注入す
るので、環元剤又は水の潜熱により迅速確実に排ガスの
熱をうばい、ＮＯｘ環元に好適な温度零四気にして、こ
の状態でＮＯｘと環元剤との反応を行なわせているので
、ＮＯｘを効果的に低減することができる。
また、本発明においては環元剤を液状にて注入している
ので、ガス状の環元剤を注入する場合に比較して注入設
備が極めて小型のものですむ。
また、本発明においては、ＮＯｘの選択的接触環元反応
性を有する環元剤を用いているので、環元剤の量は極め
て少量ですみ経済的である。
このことは上記注入設備の−そうの小型化にもつながる
。
ガまた、本発明においては、環元剤をタービン排ガスダ
クト内に注入しているので、環元剤がタービンブレード
や燃焼器など高温ガス通路部を形成する構成部材を腐食
するなどの悪影響を与えることがなく、かつタービン効
率に影響を与えることもない。
さらに、本発明においては、排気ダクト内の吸音部材を
交互配置とするかあるいは触媒を充填しているので、Ｎ
Ｏｘ環元反応が充分に行なわれてＮＯｘの低減が促進さ
れる。
さらに本発明を、ＮＯｘの生成を抑制する燃焼器と組合
わせ、燃焼におけるＮＯｘの生成を抑制した後ＮＯｘを
環元分解するようにすれば、環元剤の消費量を少なくす
る利点を生じ、ＮＯｘ低減効果を向上すると共に、経済
性の向上にもつながる。
【図面の簡単な説明】 第１図は一般的なガスタービン装置の系統図、第２図は
本発明によるガスタービン装置の一実施例を示す系統図
、第３図は第２図のＡ−Ａ断面図、第４図は第２図の環
元剤噴霧部の拡大図、第５図は第４図のＢ−Ｂ断面図、
第６図は環元剤噴霧構造の他の例を示す斜視図、第７図
は従来形サイレンサの断面図、第８図は本発明によるサ
イレンサの配置の一例を示す構成図、第９図は第８図の
サイレンサの構造を示す斜視図、第１０は本発明により
触媒を充填したサイレンサからなる吸音部の一構成例を
示す構成図、第１１図は第１０図のサイレンサの構造を
示す斜視図、第１２図は触媒充填形式を変えたサイレン
ザの構造を示す斜視図、第１３図は第８図のサイレンサ
についての触媒の充填例を示す構成図、第１４図は第１
３図のサイレンサの構造を示す斜視図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 窒素酸化物との選択接触環元反応性を有する液状環
    元剤もしくは該反応性の環元剤の溶液をガスタービンの
    排気ダクトに注入するとともに、その場合排気ダクト内
    で圧縮気体により該液状環元剤もしくは還元剤溶液を霧
    化して注入するようにし、これにより排気カスと混合さ
    せて該液状環元剤もしくは還元剤溶液を気化させること
    によって排気ガスの温度を下げ、この状態で排気ガス中
    の窒素酸化物と接触環元反応を起こさせることを特徴と
    するガスタービンの排ガス処理方法。 ２ 圧縮気体をガスタービンで駆動する圧縮機の途中段
    から抽気して得ることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項記載のガスタービンの排ガス処理方法。 ３ 窒素酸化物との選択接触環元反応性を有する液状環
    元剤もしくは該反応性の環元剤の溶液を排気ダクト内に
    霧化して注入する装置を設け、該装置より排ガスの下流
    に設置する複数個のサイレンサを排ガス気流方向に交〃
    に配置したことを特徴とするガスタービンの排ガス処理
    装置。 ４ 窒素酸化物との選択接触環元反応性を有する液状環
    元剤もしくは該反応性の環元剤の溶液を排気ダクト内に
    霧化して注入する装置を設け、該装置より排ガスの下流
    に設置する複数個の寸イレンサを排ガス気流方向に交互
    に配置するとともに、該サイレンサの一部もしくは全部
    に触媒を充填したことを特徴とするガスタービンの排ガ
    ス処理装置。
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