WO1995007751A1 - Exhaust gas boiler - Google Patents

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Toshiki Motai
Norihisa Kobayashi
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Definitions

  • the present invention provides an exhaust gas boiler in which a denitrification device is incorporated, in a case where sulfur oxides are contained in a combustion gas, almost completely decomposes excess ammonia downstream of the denitration device to form a low-temperature heat transfer tube. It relates to an exhaust gas boiler that can prevent troubles caused by the extraction of acidic ammonium sulfate and achieve high heat recovery.
  • FIG. 4 is a layout diagram of a heat transfer surface showing an example of a conventional exhaust gas boiler.
  • 1 is an exhaust gas channel
  • 2 is a high-pressure superheater
  • 3 is a high-pressure evaporator
  • 5 is a high-pressure economizer
  • 6 is a low-pressure evaporator
  • 7 is a low-pressure economizer
  • 8 is a high-pressure steam drum
  • 1 3 is a denitration device
  • 15 is an ammonia injection nozzle
  • 16 is a high-pressure water supply pump
  • 17 is a low-pressure water supply pump
  • 18 is a low-pressure steam drum
  • 19 is a chimney.
  • the temperature of the fluid in each heat transfer surface of such an exhaust gas boiler and the temperature of the gas outside it have a distribution as shown by the solid line in FIG.
  • the excess ammonia at the outlet of the denitrification device usually needs to be 10 ppm or less, which makes it difficult to increase the efficiency of the denitration device.
  • One measure against the precipitation of the acidic ammonium sulfate is to appropriately introduce a high-temperature gas on the upstream side to the heat transfer surface from which the acidic ammonium sulfate flows out of the denitration apparatus and raise the gas temperature around the heat transfer tube.
  • a method of suppressing the growth of acidic ammonium sulfate is not practical because the arrangement of the high-temperature duct becomes complicated and the effect of removing the acidic ammonium sulfate that has already adhered cannot be expected.
  • high-temperature gas is constantly flowing, the heat absorption in the high-temperature part on the upstream side decreases, and the heat absorption of the entire exhaust gas boiler also decreases, which is an appropriate method in terms of plant efficiency. hard.
  • the present invention proposes the following exhaust gas boiler in order to solve the conventional problems.
  • a residual ammonia decomposition device is disposed downstream of the denitration device and between the divided high-pressure evaporators. is there.
  • an exhaust gas boiler incorporating a denitration device the evaporator downstream of the denitration device and having a different vapor pressure level is used.
  • the first and second exhaust gas boilers are provided with means for controlling the internal pressure of an evaporator arranged upstream of the residual ammonia decomposition device. is there.
  • the excess ammonia not consumed in the denitration device is decomposed and reduced by the residual ammonia decomposition device disposed downstream thereof, so that the exhaust gas contains sulfur oxides. Even in this case, there is no danger of ammonium sulfate spilling out on the heat transfer tube in the low temperature section. Therefore, heat recovery as an exhaust gas boiler can be performed up to the low-temperature gas area, contributing to improved plant efficiency.
  • the residual ammonia decomposition device Since the residual ammonia decomposition device is provided between the divided high-pressure steamers, it is operated in a temperature range where the ammonia decomposition rate is high. In addition, since the excess ammonia is decomposed in this manner, a sufficient amount of ammonia can be supplied to the upstream of the denitrification device with confidence, and therefore a high denitration rate can be obtained.
  • the means for controlling the internal pressure of the evaporator disposed upstream of the residual ammonia decomposer is provided, so that the residual ammonia decomposer is controlled by controlling the pressure of the evaporator. Can be controlled to an optimal temperature.
  • an exhaust gas boiler incorporating a denitration device in an exhaust gas boiler incorporating a denitration device. Even if sulfur oxides are present in the combustion gas, there is no danger of acid ammonium sulfate escaping on the heat transfer tube in the low temperature part of the gas, so the same heat transfer surface arrangement as that of a conventional high-efficiency exhaust gas boiler can be adopted. . Therefore, the gas temperature at the exhaust gas boiler outlet can be lowered, which greatly contributes to the improvement of plant efficiency. Moreover, sufficient ammonia can be introduced without increasing excess ammonia, thereby improving the efficiency of the denitration equipment. I do.
  • FIG. 1 is a layout diagram of a heat transfer surface showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a heat transfer surface layout diagram showing a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a layout diagram of a heat transfer surface showing a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a layout diagram of a heat transfer surface showing an example of a conventional exhaust gas boiler.
  • FIG. 5 is a diagram showing the distribution of gas temperature and fluid temperature of the conventional exhaust gas boiler shown in FIG.
  • FIG. 6 is a layout diagram of a heat transfer surface showing another example of a conventional exhaust gas boiler.
  • Fig. 7 is a diagram showing an example of the performance of the vanmoyure decomposition apparatus.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of performance when a denitration device and an ammonia decomposition device are combined.
  • FIG. 1 is a layout diagram of a heat transfer surface showing a first embodiment of the present invention.
  • 3 a and 3 b are divided high-pressure evaporators
  • 10 is a steam pressure control valve
  • 11 is a gas temperature detector
  • 12 is a gas temperature control device
  • 14 is a residual ammonia cracker
  • 20 is a low-pressure economizer circulation pump
  • 21 is a low-pressure economizer inlet fluid temperature detector
  • 22 is a low-pressure economizer.
  • the high-pressure superheater 2, the high-pressure evaporators 3a, 3b, and the high-pressure Economizer 5, low-pressure evaporator 6, low-pressure economizer 7 will be installed.
  • a denitration device 13 and a residual ammonia decomposition device 14 are arranged between the divided high-pressure evaporators 3a and 3b.
  • the ammonia is injected by an ammonia injection nozzle 15 provided on the upstream side of the high-pressure evaporator 3.
  • the injected ammonia reacts with and reduces nitrogen oxides in the denitration device 13. Excess ammonia not consumed in the denitration device 13 is decomposed in the residual ammonia decomposing device downstream thereof into nitrogen gas and steam. Therefore, even if the exhaust gas contains sulfur oxides, there is no danger of ammonium acid sulfate being deposited on the surfaces of the low-pressure evaporator 6 and the low-pressure economizer 7 disposed in the downstream gas low-temperature section. As a result, waste heat can be recovered to the low-temperature gas area as an exhaust gas boiler, and plant efficiency is improved.
  • the low-pressure economizer inlet is determined based on the value detected by the low-pressure economizer inlet fluid temperature detector 21 to prevent low-temperature corrosion of the heat transfer tubes in the gas low-temperature section.
  • the low-pressure economizer inlet temperature control valve 22 is opened by the temperature controller 23, and the low-pressure economizer circulation pump 20 is driven to partially discharge the low-pressure economizer 7 outlet water. 7
  • the surface temperature of the heat transfer tube can be kept high by mixing with the condensate at the inlet.
  • the residual ammonia decomposition device 14 has a structure similar to that of the denitration device 13 and uses an ammonia decomposition catalyst instead of the denitration catalyst.
  • ammonia decomposition catalysts include, for example, Japanese Patent Application Nos. 5 1 3 7 1, using a Cu-supported metallosilicate catalyst disclosed in Japanese Patent Application No. 3-1992
  • the residual ammonia is decomposed into nitrogen gas and steam by the following reaction formula.
  • This ammonia decomposition apparatus using the Cu-supported meta-mouth silicate catalyst has the characteristics shown in FIG. In FIG. 7, NH 3 concentration is 3 0 ppm, 0 2 concentration was 1 4. 7%, SV value is 2 0 0 0 0 1 / H .
  • the gas temperature range in which the activity of the catalyst can be maximized is 300 to 400 ° C. When the gas temperature exceeds 40 O'C,
  • reaction formula is not preferable because the ammonia is oxidized to form nitrogen oxides.
  • the high-pressure evaporators 3a and 3b are divided so that the residual ammonia decomposing device 14 is located in a temperature region of 300 to 400.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the performance when the denitration device and the ammonia decomposition device are combined.
  • NO x concentration is 1 0 0 ppm
  • 0 2 concentration was 1 4.
  • temperature of the gas is Ru 3 6 0 'C der.
  • the denitration efficiency can be improved.
  • FIG. 1 The embodiment of FIG. 1 is suitable when the high-pressure drum pressure does not change significantly with the load.
  • Gas temperature detector 1 is
  • the pressure control valve 10 is controlled by the gas temperature controller 12 based on the detected value of 1 to set the pressure of the high-pressure steam drum 8 high.
  • FIG. 2 is a layout diagram of a heat transfer surface showing a second embodiment of the present invention. Also in this figure, the same parts as those described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
  • the high-pressure evaporators 3a and 3b are completely divided into two and connected to different high-pressure steam drums 8a and 8b, respectively.
  • the steam turbine system When the steam turbine system performs variable pressure operation, the steam pressure decreases along with the turbine load, so the gas temperature in the ammonia decomposition unit also decreases, and a situation in which the temperature tends to fall below 300 ° C occurs. sell. Even in this case, by controlling the pressure of the steam system on the upstream side of the ammonia cracker, it is possible to operate while maintaining the gas temperature near the ammonia cracker between 300 and 400 ° C. .
  • the high-pressure evaporators 3a and 3b are completely divided into two and connected to different high-pressure steam drums 8a and 8b, respectively.
  • Atmospheric gas temperature of the residual ammonia decomposition device 14 is detected by the gas temperature detector 11 and the high-pressure steam is controlled by the temperature control device 12 and the pressure control valve 10 so that this temperature is maintained at the specified temperature in any operation. It controls the steam pressure of the drum 8a and the high-pressure evaporator 3a.
  • FIG. 3 is a layout diagram of a heat transfer surface showing a third embodiment of the present invention.
  • the denitration device 13 is arranged on the gas upstream side of the high-pressure evaporator 3a.
  • the performance of the residual ammonia decomposer 14, that is, the absorption characteristics of the ammonia are the same as those described above, and the same operation and effects as those of the first and second embodiments can be obtained.

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Description

明 細 書
発明の名称
排ガスボイ ラ
技術分野
本発明は、 脱硝装置の組み込まれた排ガスボイ ラにおいて、 燃焼 ガス中に硫黄酸化物を舍む場合にも、 脱硝装置下流の余剰のァンモ ニァを殆ど完全に分解して、 低温伝熱管への酸性硫安の折出による トラブルを防止し、 高熱回収を達成できる排ガスボイ ラに関する。
背景技術
図 4 は従来の排ガスボイ ラの一例を示す伝熱面配置図である。 こ の図において、 1 は排ガス流路、 2 は高圧過熱器、 3 は高圧蒸発器、 5 は高圧節炭器、 6 は低圧蒸発器、 7 は低圧節炭器、 8 は高圧蒸気 ドラム、 1 3 は脱硝装置、 1 5 はア ンモニア注入ノ ズル、 1 6 は高 圧給水ポンプ、 1 7 は低圧給水ポンプ、 1 8は低圧蒸気ドラム、 1 9 は煙突をそれぞれ示す。 そして、 このような排ガスボイ ラの各伝 熱面内の流体温度とその外部のガス温度は、 図 5中に実線で示され るような分布となる。
上記従来の排ガスボイ ラにおいて、 もし燃焼ガス中に硫黄酸化物 が舍まれる場合は、 脱硝装置 1 3の後流の 2 0 0 'C以下のガス温度域 に配置された低温部伝熱管上に酸性硫安が折出する。 そうすると、 チューブの腐食やチューブ （特にフィ ンチューブ） の閉塞に伴いガ ス側ドラフ ト ロスが増大するという問題が生じる。 このため低温ガ ス領域 （図 5の領域 B、 C ) には伝熱面を配置できない。 したがつ て高効率で熱回収可能な図 4のような伝熱面配置ができず、 図 6の ような単純な伝熱面配置となり、 出口ガス温度も 2 0 0 'Cのレベル までしか下げられなかった。
また L N G等のク リーンガスを燃焼とする場合でも、 脱硝装置出 口の余剰アンモニアは通常 1 0 P P m以下にする必要があり、 その ため脱硝装置の高効率化が困難であった。
前記酸性硫安の析出に対する一つの対策としては、 脱硝装置後流 の酸性硫安が折出する伝熱面に上流側の高温ガスを適宜導入して、 伝熱管のまわりのガス温度を上昇させることにより、 酸性硫安の成 長を抑制する方法もある。 しかし、 この方法は、 高温ダク トの配置 が複雑になり、 また既に付着した酸性硫安を除去する程の効果も期 待できないから、 実用的でない。 また、 高温ガスを常時流していた のでは、 その上流側の高温部の熱吸収が減少し、 排ガスボイ ラ全体 の熱吸収も減少するから、 プラン ト効率の面からも適切な方法とは 言い難い。
また、 ク リーンガスの場合でも脱硝装置出口の余剰ァンモユアを 吸着処理する方法が提案されている。 しかし、 装置が大型化する等 の欠点がある。
発明の開示
本発明は、 前記従来の課題を解決するために、 次のような排ガス ボイ ラを提案するものである。
第 1 に、 脱硝装置が組み込まれた排ガスボイ ラにおいて、 上記脱 硝装置より も下流で且つ分割された高圧蒸発器の間に残留ァンモニ ァ分解装置を配置したことを特徴とする排ガスボイ ラである。
第 2に、 脱硝装置が組み込まれた排ガスボイ ラにおいて、 上記脱 硝装置より も下流で且つ異なつた蒸気圧カレベルをもつ蒸発器の間 に残留ァンモニァ分解装置を配置したことを特徴とする排ガスボイ ラである。
第 3に、 上記第 1及び第 2の排ガスボイ ラに、 上記残留ァンモニ ァ分解装置の上流に配置された蒸発器の器内圧力を制御する手段を 設けたことを特徴とする排ガスボイ ラである。
前記第 1 の解決手段においては、 脱硝装置で消費されなかった余 剰アンモニアをその下流に配置された残留アンモニア分解装置によ り分解し低減するので、 排ガス中に硫黄酸化物が含まれている場合 でも、 低温部伝熱管上に酸性硫安が折出する恐れはない。 したがつ て、 低温ガスの領域まで排ガスボイ ラとしての熱回収を行う ことが でき、 プラン ト効率の向上に寄与する。
そして上記残留ァンモユア分解装置は、 分割された高圧蒸気器の 間に設けられるので、 ァンモニァ分解率の高い温度領域で運用され ることになる。 また、 このように余剰のアンモニアは分解してしま うので、 脱硝装置の上流には十分な量のア ンモニアを安心して供給 することができ、 したがって高い脱硝率を得ることができる。
前記第 2の解決手段においては、 分割された蒸発器の蒸気圧カレ ベルが互いに異なっているので、 上記作用のほか、 蒸発器の圧カレ ベルを変化させることにより、 残留ァンモユア分解装置の入口ガス 温度を変化させることができる。
前記第 3の解決手段においては、 残留アンモニア分解装置の上流 に配置された蒸発器の器内圧力を制御する手段を備えているので、 その蒸発器の圧力を制御することにより、 残留ァンモニァ分解装置 を最適な温度に制御することができる。
本発明によれば、 脱硝装置が組み込まれた排ガスボイ ラにおいて. 燃焼ガス中に硫黄酸化物が存在していても、 ガス低温部の伝熱管上 に酸性硫安が圻出する恐れがないから、 従来の高効率排ガスボイ ラ と同様の伝熱面配置を採用できる。 したがって、 排ガスボイ ラ出口 ガス温度を下げることができ、 プラン ト効率向上に大き く寄与する, また、 余剰ア ンモニアを増加させることなく、 十分なア ンモニア を投入できるから、 脱硝装置の効率が向上する。
図面の簡単な説明
図 1 は本発明の第 1実施例を示す伝熱面配置図である。
図 2 は本発明の第 2実施例を示す伝熱面配置図である。
図 3 は本発明の第 3実施例を示す伝熱面配置図である。
図 4 は従来の排ガスボイ ラの一例を示す伝熱面配置図である。 図 5 は図 4に示された従来の排ガスボイ ラのガス温度および流体 温度の分布を示す図である。
図 6 は従来の排ガスボイ ラの他の例を示す伝熱面配置図である。 図 7 はァンモユア分解装置の性能の一例を示す図である。
図 8 は脱硝装置とァンモニァ分解装置を組み合わせた場合の性能 の一例を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
図 1 は本発明の第 1実施例を示す伝熱面配置図である。 この図に おいて、 前記図 4および図 6により説明した従来のものと同様の部 分については、 同一の符号を付け詳しい説明を省く。 本実施例で新 たに用いられる符号として、 3 a , 3 bは分割された高圧蒸発器、 1 0 は蒸気圧力制御弁、 1 1 はガス温度検出器、 1 2 はガス温度制 御装置、 1 4 は残留ア ンモニア分解装置、 2 0 は低圧節炭器循環ポ ンプ、 2 1 は低圧節炭器入口流体温度検出器、 2 2 は低圧節炭器入 口温度制御弁、 2 3 は低圧節炭器入口温度制御装置をそれぞれ示す, 本実施例においては、 伝熱面としてガス上流側から順に高圧過熱 器 2、 高圧蒸発器 3 a , 3 b、 高圧節炭器 5、 低圧蒸発器 6、 低圧 節炭器 7を配置する。 そして、 分割された高圧蒸発器 3 a , 3 bの 間に脱硝装置 1 3、 残留ア ンモニア分解装置 1 4を配置する。 ア ン モニァの注入は、 高圧蒸発器 3の上流側に設けられたァンモユア注 入ノ ズル 1 5により行う。
注入されたア ンモニアは、 脱硝装置 1 3 において窒素酸化物と反 応しこれを還元する。 脱硝装置 1 3で消費されなかった余剰ア ンモ ユアは、 その下流の残留ア ンモニア分解装置において分解されて窒 素ガスと水蒸気になる。 したがって、 排ガス中に硫黄酸化物が含ま れていた場合でも、 下流のガス低温部に配置された低圧蒸発器 6、 低圧節炭器 7等の表面に酸性硫安が析出する恐れはない。 その結果. 排ガスボイ ラとしては低温ガスの領域まで廃熱を回収することがで き、 プラ ン ト効率が向上する。
もし排ガス中の硫黄酸化物が多い場合には、 ガス低温部における 伝熱管の低温腐食を防止するため、 低圧節炭器入口流体温度検出器 2 1 の検出値に基づいて、 低圧節炭器入口温度制御装置 2 3により 低圧節炭器入口温度制御弁 2 2を開く とともに、 低圧節炭器循環ポ ンプ 2 0を駆動して、 低圧節炭器 7 の出口水の一部を低圧節炭器 7 入口の復水に混合させ、 伝熱管の表面温度を高く保持することがで きる。
残留ァンモニァ分解装置 1 4 は、 脱硝装置 1 3 と同様な構造であ り、 脱硝触媒の代わりにア ンモニア分解触媒を用いる。 ア ンモニア 分解触媒としては、 例えば特願平 1 — 2 8 1 9 9 6、 特願平 3 — 0 5 1 3 7 1、 特願平 3 — 1 9 2 8 2 9等で開示されている C u担持 メタロ シリケ一 ト触媒を用い、
4 N H a + 3 02 → 2 N z + 6 H 2 0
の反応式で残留ァンモニァを窒素ガスと水蒸気に分解する。 この C u担持メタ口シリケ一ト触媒を用いたアンモニア分解装置は図 7に 示される特性を持っている。 図 7 において、 N H 3 濃度は 3 0 p p mであり、 02 濃度は 1 4. 7 %であり、 S V値は 2 0 0 0 0 1/ Hである。 触媒の活性を最大限に生かせるガス温度域は 3 0 0〜4 0 0 'Cである。 ガス温度が 4 0 O 'Cを超えると、
Figure imgf000008_0001
の反応式でァンモニァが酸化され窒素酸化物が生じるので好ましく ない。
上記の説明から明らかなように、 残留ァンモユア分解装置はガス 温度が 3 0 0〜4 0 0 'Cの領域に設置するのが有効である。 前記図 5によれば、 これは高圧蒸発器の中間部に相当する。 本実施例にお いても、 残留ァ ンモユア分解装置 1 4が 3 0 0〜 4 0 0 の温度領 域に位置するように高圧蒸発器 3 a , 3 bを分割する。
図 8 は、 脱硝装置とァンモニァ分解装置を組み合わせた場合の性 能を例示する図である。 図 8において、 N Ox 濃度は 1 0 0 p p m であり、 02 濃度は 1 4. 7 %であり、 ガスの温度は 3 6 0 'Cであ る。 本実施例ではアンモニア注入量を増加しても余剰ア ンモニアは 殆ど増加しないので、 十分な量のア ンモニアを供給するこ とにより - 脱硝効率を向上させることができる。
図 1 の実施例は、 高圧ドラム圧力が負荷とともに大幅に変化しな い場合に好適であるが、 残留ァ ンモニァ分解装置の雰囲気ガス温度 を起動時等に極力高く保ち早期に生かすために、 ガス温度検出器 1
1 の検出値に基づきガス温度制御装置 1 2によって圧力制御弁 1 0 を制御し、 高圧蒸気ドラム 8 の圧力を高く設定する。
次に図 2 は本発明の第 2実施例を示す伝熱面配置図である。 この 図においても、 前記と同様の部分については、 同一の符号を付け詳 しい説明を省く。 本実施例では、 高圧蒸発器 3 a , 3 bが完全に 2 つに分割され、 それぞれ別の高圧蒸気ドラム 8 a , 8 bに接続され ている。
蒸気タービン系が変圧運転を行う場合には、 タービン負荷低下と ともに蒸気圧力も低下するから、 ア ンモニア分解装置部のガス温度 も低下し、 3 0 0 'C以下になろう とする事態がおこり うる。 この場 合でも、 ア ンモニア分解装置上流側の蒸気系統の圧力を制御するこ とにより、 ァンモユア分解装置近傍のガス温度を 3 0 0〜 4 0 0 'C 間に保持して運転することができる。 本実施例では、 高圧蒸発器 3 a , 3 bが完全に 2つに分割され、 それぞれ別の高圧蒸気ドラム 8 a , 8 bに接続されている。 残留ァンモユア分解装置 1 4 の雰囲気 ガス温度をガス温度検出器 1 1 により検出し、 この温度がいかなる 運転でも所定の温度となるように、 温度制御装置 1 2、 圧力制御弁 1 0により、 高圧蒸気ドラム 8 aや高圧蒸発器 3 aの蒸気圧力を制 御する。
図 3 は本発明の第 3実施例を示す伝熱面配置図である。 この実施 例では、 脱硝装置 1 3が高圧蒸発器 3 aのガス上流側に配置されて いる。 この場合でも、 残留ア ンモニア分解装置 1 4の性能、 すなわ ちア ンモニアの吸収特性は前記と同等であり、 第 1、 第 2実施例と 同様の作用 ♦ 効果を得ることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 脱硝装置が組み込まれた排ガスボイ ラにおいて、 上記脱硝装置 より も下流で且つ分割された高圧蒸発器の間に残留ァンモニァ分解 装置を配置したことを特徴とする排ガスボイ ラ。
2 . 脱硝装置が組み込まれた排ガスボイ ラにおいて、 上記脱硝装置 より も下流で且つ異なつた蒸気圧カレベルをもつ蒸発器の間に残留 ァンモニァ分解装置を配置したことを特徴とする排ガスボイ ラ。
3 . 上記残留ァンモニァ分解装置の上流に配置された蒸発器の器内 圧力を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項 1 または請求 項 2記載の排ガスボイ ラ。
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