技术领域
[0001] 本公开涉及一种脱硝装置。
相关背景技术
[0002] 在废热回收锅炉（HRSG）中，从燃气轮机等排出的废气通过管道内，废气与导热管内的水或蒸汽进行热交换，由此生成蒸汽。在废热回收锅炉的管道内部设置有具有供水、蒸汽流通的多个导热管的多个热交换器、将废气中的氮氧化物（NOx）去除（脱硝）的脱硝装置等。
[0003] 脱硝装置例如从注入喷嘴向在管道内流通的废气注入具有将氮氧化物还原的作用的还原剂（例如氨、尿素水），注入了还原剂的废气通过反应装置（例如，脱硝催化剂），由此将废气中的氮氧化物去除。在这样的脱硝装置中，为了将废气与还原剂混合而使废气中的还原剂的浓度均匀化，有时在注入喷嘴的下游侧且反应装置的上游侧设置将废气与还原剂混合的混合装置（例如，专利文献1）。专利文献1中记载了在反应装置的上游侧设置有具有多个三角板的混合装置的脱硝装置。
[0004] 在先技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1：日本实开平6－31826号公报
具体实施方式
[0025] 以下，使用图1至图8对本公开的实施方式的脱硝装置进行说明。在以下的说明及附图中，将上下方向称为Z轴方向，将水平方向中的废气流通的方向称为X轴方向，将与X轴方向及Z轴方向正交的方向称为Y轴方向。另外，在图2、图3、图5及图8中，用箭头E表示废气的流通方向。
[0026] 首先，参照图1对本实施方式的废热回收锅炉2进行说明。
[0027] 如图1所示，本实施方式的废热回收锅炉2是废气沿X轴方向（规定方向）流动的横型的废热回收锅炉。在本实施方式中，废气流动的方向即X轴方向为水平方向。
[0028] 本实施方式的废热回收锅炉2具备：管道3，其沿X轴方向延伸配置且供废气在内部流通；脱硝装置10，其设置于管道3的内部，将废气中包含的氮氧化物（NOx）去除；以及第一热交换部4及第二热交换部5，它们设置于管道3的内部。
[0029] 第一热交换部4及第二热交换部5具有以与废气流动方向交叉的方式沿铅垂方向（Z轴方向）延伸配置的多个导热管（省略图示）。第一热交换部4及第二热交换部5通过在导热管的内部流通的热介质（例如水或蒸汽）与废气的热交换来回收废气的热。
[0030] 第一热交换部4设置在比脱硝装置10靠上游侧的位置。第一热交换部4例如可以是使在导热管的内部流通的热介质过热的过热器。第二热交换部5设置在比脱硝装置10靠下游侧的位置。第二热交换部5例如可以是使在导热管的内部流通的热介质蒸发的蒸发器。
[0031] 从燃烧发动机1排出的高温的燃烧废气（废气）从管道3的入口导入管道3内，依次通过第一热交换部4、脱硝装置10及第二热交换部5后，经由管道3的出口从烟囱7排出。
[0032] 接下来，使用图1至图5对脱硝装置10进行详细说明。
[0033] 脱硝装置10将具有还原氨、尿素水等氮氧化物的作用的还原剂向在管道3内流通的废气供给，通过脱硝催化剂13的催化剂作用促进被供给了还原剂的废气中的氮氧化物（NOx）与还原剂的反应，由此去除、减少废气中的氮氧化物。在以下的说明中，对使用氨气作为还原剂的例子进行说明。需要说明的是，本公开的还原剂不限定于氨气。例如，可以是液体状的氨，另外，也可以是氨以外的物质。
[0034] 如图1及图2所示，脱硝装置10具备在管道3内从废气流动的上游侧依次配置的氨注入部（注入部）11、混合器12、脱硝催化剂（阻力部）13以及氨分解催化剂14。
[0035] 氨注入部11具有沿Z轴方向延伸的氨配管（还原剂配管）11a和设置于氨配管11a的侧面的多个喷射喷嘴（喷嘴）11b。氨注入部11通过从多个喷射喷嘴11b向管道3内沿着X轴方向喷射氨气，从而对在管道3内流通的废气注入氨。
[0036] 氨配管11a呈圆管状。氨配管11a在内部流通有氨。氨配管11a的外径d为规定的长度。
[0037] 多个喷射喷嘴11b沿着氨配管11a的延伸方向（即，Z轴方向）以规定的间隔排列配置。喷射喷嘴11b可以是形成于氨配管11a的侧面的圆孔。从喷射喷嘴11b以规定的喷射压力喷射氨气。另外，喷射喷嘴11b的喷射孔的直径例如为3mm～6mm。喷射喷嘴11b呈圆锥状喷射氨气。需要说明的是，上述的喷射喷嘴11b的喷射孔的直径、喷射方式为一例，并不限定于此。
[0038] 脱硝催化剂13以覆盖管道3的流路截面的大致整个区域的方式配置。脱硝催化剂13例如具有矩形筒状的矩形框部（省略图示）和设置于矩形框部的内部的多个催化剂（省略图示）。作为催化剂的形状，例示了废气能够沿着X轴方向通过的蜂窝形状、波板形状的催化剂，但并不限定于此。催化剂促进通过内部的废气（燃烧气体）中包含的NOx（氮氧化物）的还原反应，去除NOx的至少一部分。催化剂的成分例如以氧化钛为基础。
[0039] 氨分解催化剂14以覆盖管道3的流路截面的大致整个区域的方式配置。氨分解催化剂14通过分解废气中包含的氨而从废气中去除氨。在本实施方式中，由于在脱硝催化剂13的下游侧设置有氨分解催化剂14，因此能够通过氨分解催化剂14分解在脱硝催化剂13中未充分反应的废气中的氨。
[0040] 混合器12以覆盖管道3的流路截面的大致整个区域的方式配置。如图3及图4所示，混合器12具有多个混合部12A，该混合部12A形成以在X轴方向上延伸的中心轴线为中心而回旋的回旋流S。另外，混合部12A具有多个（在本实施方式中，作为一例为四个）单元12a。即，混合部12A通过组合多个单元12a而形成一个回旋流（涡流）S。回旋流S形成于混合部12A的大致中心。
[0041] 通过了混合器12的废气（详细而言，注入了氨的废气）在混合器12的下游侧的空间中成为多个回旋流S而流通。这样，混合器12通过形成回旋流S而将在管道内流通的废气与氨混合。
[0042] 如图4所示，多个混合部12A在Z轴方向上排列配置有多个（在本实施方式中，作为一例为两个），并且在Y轴方向上排列配置有多个（在本实施方式中，作为一例为两个）。另外，如图5所示，多个混合部12A在X轴方向上也排列配置有多个（在本实施方式中，作为一例为两个）。即，混合部12A以在X轴方向上成为2层的方式配置。需要说明的是，混合部12A的数量为一例，并不限定于本实施方式的数量。
[0043] 混合部12A具有在Z轴方向（第一交叉方向）及Y轴方向（第二交叉方向）上排列配置多个（在本实施方式中，作为一例为两个）的单元12a。单元12a呈规则的形状。
[0044] 另外，如图4所示，多个单元12a相对于一个混合部12A在Z轴方向上排列配置有多个（在本实施方式中，作为一例为两个），并且在Y轴方向上排列配置有多个（在本实施方式中，作为一例为两个）。在Z轴方向及Y轴方向上相邻的单元12a彼此配置为彼此的朝向成为以在X轴方向上延伸的中心轴线为中心旋转了90度的朝向。如图2所示，单元12a的Z轴方向上的长度为长度D。另外，单元12a的X轴方向的长度为长度L。单元12a的大小对在混合器12的下游侧形成的涡流的大小产生影响。即，单元12a决定所形成的涡流的大小。
[0045] 如图3所示，单元12a具有三角形状且板状的四张板部18。四张板部18呈相同形状。四张板部18具有配置于比单元12a的X轴方向的中心点靠上游侧的两张上游侧板部18a和配置于比中心点靠下游侧的两张下游侧板部18b。
[0046] 两张上游侧板部18a配置为成为顶点配置于下游侧的假想的四棱锥的对置的两个面。两张上游侧板部18a彼此以配置于最下游侧的顶点彼此接触的方式配置。
[0047] 两张下游侧板部18b配置为成为顶点配置于上游侧的假想的四棱锥的对置的两个面。两张下游侧板部18b彼此以配置于最上游侧的顶点彼此接触的方式配置。
[0048] 上游侧板部18a的配置于最下游侧的顶点与下游侧板部18b的配置于最上游侧的顶点接触。另外，上游侧板部18a和下游侧板部18b配置为彼此的朝向成为以在X轴方向上延伸的中心轴线为中心旋转了90度的朝向。
[0049] 需要说明的是，混合器12的结构并不限定于上述的说明的结构。混合器12只要是将多个平面或曲面的组合而产生回旋流的规则的形状排列配置的结构即可。
[0050] 另外，板部18的形状并不限定于三角形状，例如也可以是梯形。在为梯形的情况下，上游侧板部18a以短边（平行的一对边中的短边）位于下游侧的方式配置，下游侧板部18b以短边位于上游侧的方式配置。另外，两张上游侧板部18a的短边（平行的一对的边中的短边）彼此与两张下游侧板部18b的短边彼此以呈正方形的方式连接。即，具有将四个板部
18的短边全部连接的正方形的板部。
[0051] 接下来，对脱硝装置10的各部分的配置进行说明。
[0052] 如图2所示，从混合器12到脱硝催化剂13的距离B比从氨注入部11到混合器12的距离A长。距离B是从混合器12的下游端到脱硝催化剂13的上游端的距离。另外，距离A是从氨注入部11的下游端到混合器12的上游端的距离。
[0053] 另外，从氨注入部11（详细而言，氨配管11a的下游端）到混合器12的距离A为氨配管11a的外径d的10倍以上且30倍以下的长度。即，以下的（1）式成立。
[0054] 10d≤A≤30d・・・（1）
[0055] 另外，从混合器12到脱硝催化剂13的距离B比单元12a的Z轴方向上的长度D的5倍的长度长。即，以下的（2）式成立。需要说明的是，在本实施方式中，由于单元12a的Y轴方向上的长度与单元12a的Z轴方向上的长度相同，因此也可以将单元12a的Y轴方向上的长度设为长度D。
[0056] B/D＞5・・・（2）
[0057] 根据本实施方式，起到以下的作用效果。
[0058] 通过了混合器12的流体（废气与氨混合而成的混合流体）在混合器12的下游侧的空间形成回旋流。因此，形成回旋流的从混合器12到脱硝催化剂13的空间与从氨注入部11到混合器12的空间相比，废气与还原剂进一步混合。在本实施方式中，从混合器12到脱硝催化剂13的距离B比从氨注入部11到混合器12的距离A长。由此，能够延长从混合器12到脱硝催化剂13的空间的长度，因此能够适当地混合废气和氨。因此，在脱硝催化剂13中适当地发生脱硝反应，由此能够提高脱硝效率。
[0059] 使用图6的图表对脱硝效率的提高效果进行详细说明。图6的纵轴表示从氨注入部11分离60d（氨配管11a的外径的长度d的60倍的长度）的位置处的氨浓度的标准偏差，图6的横轴表示将从氨注入部11到混合器12的距离A作为基于氨配管11a的外径d的长度。另外，图
6表示从混合器12到脱硝催化剂13的距离B为30d的情况。
[0060] 在图6中，在距离A小于30d的情况下，距离A的值越小，氨浓度的标准偏差越小。即，距离A的值越小，氨浓度的偏差越小，混合进行。特别是，在距离A为30d至20d的范围内，能够判断为标准偏差急剧变小。
[0061] 这样，根据图6的图表也能够理解，通过使从混合器12到脱硝催化剂13的距离B比从氨注入部11到混合器12的距离A长，能够将废气与氨适当地混合。
[0062] 在产生回旋流的状态下，在管道内的流路截面的各位置处流速产生偏差。因此，在回旋流未充分衰减的状态下，混合流体流入脱硝催化剂13的情况下，脱硝效率有可能降低。
[0063] 另一方面，在本实施方式中，从混合器12到脱硝催化剂13的距离B比单元12a的Z轴方向上的长度D的5倍的长度长。由此，能够延长从混合器12到脱硝催化剂13的距离B，因此回旋流充分衰减的状态（回旋力充分变弱的状态）的混合流体到达脱硝催化剂13。因此，能够在抑制了管道3的流路截面的各位置处的流速的偏差的状态下使混合流体流入脱硝催化剂13。因此，能够向脱硝催化剂13供给均匀化的状态的混合流体。因此，在脱硝催化剂13中适当地发生脱硝反应，由此能够提高脱硝效率。
[0064] 使用图7的图表对脱硝效率的提高效果进行详细说明。图7的纵轴表示混合流体的流速的标准偏差，图7的横轴表示B/D的值。
[0065] 在图7中，在B/D小于5的情况下，B/D的值越小，混合流体的流速的标准偏差越大。另一方面，在B/D大于5的情况下，混合流体的流速的标准偏差与没有混合器12的情况为相同程度。由此，在B/D大于5的情况下，能够判断由混合器12形成的回旋流衰减至与没有混合器12的情况相同的程度。
[0066] 这样，根据图7的图表也能够理解，通过使距离B比单元12a的长度D的5倍的长度长，能够使回旋流充分衰减，向脱硝催化剂13供给均匀化的状态的混合流体。
[0067] 另外，在本实施方式中，从氨注入部11到混合器12的距离A为氨配管11a的外径d的10倍以上。由此，从喷射喷嘴11b喷射的氨以适当地扩散的状态流入混合器12，因此能够在混合器12中将废气与氨适当地混合。因此，能够提高脱硝效率。另外，在本实施方式中，从氨注入部11到混合器12的距离A为氨配管11a的外径d的30倍以下。由此，能够缩短管道3的全长。因此，能够使脱硝装置10小型化。这样，在本实施方式中，能够提高混合器12中的混合性能，并且能够使脱硝装置10小型化。
[0068] [变形例1]
[0069] 接下来，使用图8对本实施方式的变形例进行说明。
[0070] 在上述实施方式中，对在混合器12与脱硝催化剂13之间未设置较大的阻力体的例子进行了说明，但本公开并不限定于此。例如，如图8所示，也可以在混合器12与脱硝催化剂13之间设置作为阻力体的高压热交换部（热交换器）21。在本变形例中，脱硝催化剂13设置于高压热交换部21的下游。
[0071] 高压热交换部21与第一热交换部4及第二热交换部5同样地，在内部具有供热介质流通的导热管（省略图示），使在导热管内流通的热介质与在导热管的外部流通的废气进行热交换。在这样的结构中，混合器12与高压热交换部21的距离成为长度B。即，从混合器12到高压热交换部21的距离（距离B）设定为比混合器12的单元12a的Z轴方向上的长度D的5倍的长度长。
[0072] 这样，本实施方式的距离B只要是混合器12与配置于比混合器12靠下游侧且配置于最上游的阻力体（例如，脱硝催化剂13、高压热交换部21）之间的距离即可。阻力体是指以覆盖管道3的流路面积的大致整个区域的方式配置且对在管道3内流通的废气（详细而言，注入有氨的废气）施加阻力的物体。具体而言，阻力体是使由混合器12产生的回旋流大幅衰减的物体。阻力体例如除了上述实施方式中说明的脱硝催化剂13、高压热交换部21以外，也可以是分解氨的氨分解催化剂、分解一氧化碳的CO分解催化剂。
[0073] 根据本变形例，起到以下的作用效果。
[0074] 在本实施方式中，在抑制了偏差的状态下混合流体流入高压热交换部21，因此在高压热交换部21的下游侧也能够成为充分抑制混合流体的流速的偏差的状态。因此，也能够使均匀化的状态的混合流体流入配置于高压热交换部21的下游侧的脱硝催化剂13。因此，在脱硝催化剂13中适当地发生脱硝反应，由此能够提高脱硝效率。
[0075] 需要说明的是，本公开并不限定于上述各实施方式，在不脱离其要旨的范围内能够适当地变形。
[0076] 例如，在上述实施方式中，对在X轴方向上设置有两个（2层）混合部12A（单元12a）的例子进行了说明，但本公开并不限定于此。例如，也可以在X轴方向上设置三个（3层）以上的混合部12A（单元12a），另外，也可以在X轴方向上仅设置一个（1层）混合部12A（单元12a）。
[0077] 另外，在上述实施方式中，对在废气沿水平方向流动的横型的管道内设置脱硝装置的例子进行了说明，但本公开并不限定于此。例如，脱硝装置也可以设置于废气沿铅垂方向流动的纵型的管道内。
[0078] 以上说明的实施方式所记载的脱硝装置例如如以下那样掌握。
[0079] 本公开的第一方式的脱硝装置是设置于供废气沿规定方向（X轴方向）流通的管道（3）内的脱硝装置（10），所述脱硝装置具备：注入部（11），其对在所述管道内流通的所述废气注入还原剂，所述还原剂具有将所述废气中包含的氮氧化物还原的作用；混合部（12），其设置于所述注入部的下游侧，通过形成以沿着所述规定方向延伸的中心轴线为中心的涡流而将在所述管道内流通的所述废气与所述还原剂混合；以及阻力部（13、21），其设置于所述混合部的下游侧，对混合了所述废气和所述还原剂的混合流体的流动施加阻力，该阻力部设置在所述管道的流路截面的整个区域，所述注入部具有沿与所述规定方向交叉的方向即交叉方向延伸并在内部供所述还原剂流通的还原剂配管、以及设置于所述还原剂配管的侧面且向所述管道内喷射所述还原剂的喷嘴，从所述注入部到所述混合部的距离（A）为所述还原剂配管的外径（d）的10倍以上且30倍以下，从所述混合部到所述阻力部的距离（B）比从所述注入部到所述混合部的距离（A）长。
[0080] 通过了混合部的流体在混合部的下游侧的空间形成涡流。因此，形成涡流的从混合部到阻力部的空间与从注入部到混合部的空间相比，废气与还原剂进一步混合。在上述结构中，从混合部到阻力部的距离比从注入部到混合部的距离长。由此，能够延长从混合部到阻力部的距离，因此能够适当地混合废气和还原剂。因此，在脱硝催化剂中适当地发生脱硝反应，由此能够提高脱硝效率。
[0081] 另外，由于在抑制了偏差的状态下向阻力部流入气体，因此在阻力部的下游侧也能够成为充分抑制了混合流体的流速的偏差的状态。因此，例如，即使在阻力部为热交换器等且在热交换器的下游侧设置有脱硝催化剂的情况下，在热交换器的下游侧也成为混合流体的流速的偏差被充分抑制的状态，因此均匀化的状态的混合流体流入脱硝催化剂。因此，在脱硝催化剂中适当地发生脱硝反应，由此能够提高脱硝效率。
[0082] 另外，在上述结构中，从注入部到混合部的距离为还原剂配管的外径的10倍以上。由此，从喷嘴喷射的还原剂以适当地扩散的状态流入混合部，因此能够在混合器中将废气与还原剂适当地混合。因此，能够提高脱硝效率。另外，在上述结构中，从注入部到混合部的距离为还原剂配管的外径的30倍以下。由此，能够缩短管道的全长。因此，能够使脱硝装置小型化。这样，在上述结构中，能够提高混合部中的混合性能，并且能够使脱硝装置小型化。
[0083] 另外，在本公开的第二方式的脱硝装置在上述第一方式的基础上，所述混合部具有多个决定所形成的涡流的大小的单元（12a），从所述混合部到所述阻力部的距离（B）比所述单元在与所述规定方向交叉的方向即交叉方向上的长度（D）的5倍的长度长。
[0084] 在上述结构中，从混合部到阻力部的距离大于单元的交叉方向的长度的5倍。由此，能够延长从混合部到阻力部的距离，因此在混合部形成的涡流充分衰减的状态的混合流体到达阻力部。因此，能够在抑制了流路截面的各位置处的流速的偏差的状态下使混合流体流入阻力部。因此，例如，在阻力部为脱硝催化剂的情况下，均匀化的状态的混合流体流入脱硝催化剂，在脱硝催化剂中适当地发生脱硝反应，由此能够提高脱硝效率。
[0085] 另外，在本公开的第三方式的脱硝装置在上述第一方式或第二方式的基础上，所述阻力部具有脱硝催化剂（13），该脱硝催化剂（13）通过使所述混合流体通过而将所述废气中包含的氮氧化物去除。
[0086] 在上述结构中，能够在抑制了流路截面的各位置处的流速的偏差的状态下使混合流体流入脱硝催化剂。因此，均匀化的状态的混合流体流入脱硝催化剂，在脱硝催化剂中适当地发生脱硝反应，由此能够提高脱硝效率。
[0087] 另外，在本公开的第四方式的脱硝装置在上述第一方式或第二方式的基础上，具备脱硝催化剂（13），该硝催化剂（13）配置于所述阻力部的下游侧，通过使所述混合流体通过而将所述废气中包含的氮氧化物去除，所述阻力部具有热交换器（21），该热交换器（21）在内部具备供水或蒸汽流通的导热管并且使在所述导热管内流通的水或蒸汽与在所述管道内流通的所述废气进行热交换。
[0088] 在上述结构中，在阻力部（热交换器）的下游侧也能够成为充分抑制了混合流体的流速的偏差的状态，因此能够使均匀化的状态的混合流体流入脱硝催化剂。因此，在脱硝催化剂中适当地发生脱硝反应，由此能够提高脱硝效率。
[0089] 附图标记说明：
[0090] 1：燃烧发动机
[0091] 2：废热回收锅炉
[0092] 3：管道
[0093] 4：第一热交换部
[0094] 5：第二热交换部
[0095] 7：烟囱
[0096] 10：脱硝装置
[0097] 11：氨注入部
[0098] 11a：氨配管
[0099] 11b：喷射喷嘴
[0100] 12：混合器
[0101] 12A：混合部
[0102] 12a：单元
[0103] 13：脱硝催化剂
[0104] 14：氨分解催化剂
[0105] 18：板部
[0106] 18a：上游侧板部
[0107] 18b：下游侧板部
[0108] 21：高压热交换部。
