特開 2016-203032 流体の混合装置及び該流体の混合装置を備えた脱硝装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-203032(P2016-203032A)

(43)【公開日】2016年12月8日

(54)【発明の名称】流体の混合装置及び該流体の混合装置を備えた脱硝装置

(51)【国際特許分類】

   B01F 5/00 20060101AFI20161111BHJP

   B01F 3/02 20060101ALI20161111BHJP

   B01D 53/90 20060101ALI20161111BHJP

   B01D 53/86 20060101ALI20161111BHJP

【ＦＩ】

   B01F5/00 GZAB

   B01F3/02

   B01F5/00 D

   B01D53/90

   B01D53/86 228

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-83385(P2015-83385)

(22)【出願日】2015年4月15日

(71)【出願人】

【識別番号】000236089

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズインダストリー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137752

【弁理士】

【氏名又は名称】亀井 岳行

(74)【代理人】

【識別番号】100096541

【弁理士】

【氏名又は名称】松永 孝義

(74)【代理人】

【識別番号】100133318

【弁理士】

【氏名又は名称】飯塚 向日子

(74)【代理人】

【識別番号】100174953

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 豪

(72)【発明者】

【氏名】塚田 法広

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 一教

(72)【発明者】

【氏名】岩瀬 徹哉

(72)【発明者】

【氏名】津村 俊一

(72)【発明者】

【氏名】大塚 徹

(72)【発明者】

【氏名】冠木 豊

【テーマコード（参考）】

4D048

4D148

4G035

【Ｆターム（参考）】

4D048AA06

4D048AB02

4D048AC04

4D048CC23

4D048CC61

4D148AA06

4D148AB02

4D148AC04

4D148CC23

4D148CC61

4G035AB02

4G035AC01

4G035AC44

(57)【要約】

【課題】排ガスの圧力損失の増加を招くことなく、変動係数を低下させて排ガスと還元剤とを均等に混合できる流体の混合装置の提供である。
【解決手段】燃焼装置の排ガスダクト３内にあり、排ガスと還元剤とを混合する混合器９であって、この混合器９は流体の旋回部１１と混合部１３とから構成され、旋回部１１は、排ガス流れと略直交する方向に平面部を有する板状部材１１ａと、板状部材１１ａの外周方向に形成された複数の開口部１１ｂと、各開口部１１ｂの下流側に接して流体を周方向に案内する各案内部材１１ｄとを備え、混合部１３は、頂点１３ｃが上流側にあり、側面１３ａに複数の開口部１３ｂを有する、底面のない錐体部材である。上流側の旋回部１１と下流側の混合部１３によって流体の滞留時間が確保されると共に、旋回部１１で旋回が与えられた流体が混合部１３で混合されるため、圧力損失の増加を抑えながら混合が促進され、変動係数も低下する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボイラを含む燃焼装置から排出される排ガスと、該排ガスの流路内に注入される窒素酸化物の還元剤とを混合する流体の混合装置において、
該流体の混合装置は、流体の旋回部と、該旋回部よりも排ガス流れの下流側に設けられた流体の混合部とから構成され、前記旋回部は、排ガス流れ方向と略直交する方向に平面部を有する板状部材と、該板状部材の外周に沿って形成された複数の外周開口部と、該各外周開口部の排ガス流れ下流側に接し、外周開口部を通過する流体を周方向に案内する各案内部材とを備え、
前記混合部は、頂点を排ガス流れの上流側に有し、側面に複数の側面開口部を有する、底面のない錐体部材であることを特徴とする流体の混合装置。

【請求項2】

前記旋回部の板状部材は、前記外周開口部よりも中心側に形成された中心開口部を有し、前記混合部の錐体部材は、その頂点が、排ガス流れ方向から見て前記中心開口部と重複位置になるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の流体の混合装置。

【請求項3】

前記旋回部の各案内部材は筒状部材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体の混合装置。

【請求項4】

ボイラを含む燃焼装置から排出される排ガスのダクト内に、窒素酸化物の還元剤を注入する還元剤注入部と、排ガスと還元剤とを混合する流体の混合装置と、排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝触媒を備えた脱硝部とを排ガス流れの上流から下流に向かって順次配置した脱硝装置において、
前記流体の混合装置は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流体の混合装置であることを特徴とする脱硝装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、火力発電所や工場等に設置されるボイラ等の燃焼装置から発生する排ガスと還元剤等の異なる流体とを混合させる流体の混合装置及び該流体の混合装置を備えた脱硝装置に関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電所や工場等に設置されるボイラ等の燃焼装置から発生する排ガスには、有害な窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。ＮＯｘを除去する方法として、選択接触還元方法が一般的であり、この方法は、排ガスに還元剤（アンモニアなど）を噴霧した後、脱硝触媒に通過させることで、以下の反応により無害な窒素と水に変換させるものである。

【0003】

４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ （１）
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ （２）
脱硝率を上げるためには、過不足なくＮＨ_３を排ガス中に注入する必要がある。そこで、排ガスに還元剤を噴霧する還元剤噴霧部と脱硝触媒設置部との間の排ガス流路に排ガス混合部を設けることで、排ガス中に還元剤を均等に混合させて脱硝触媒による脱硝率を高めた技術が開示されている。

【0004】

下記特許文献１には、四角錐状の導入流路形成部材に噴出口を設けた排ガス混合器を排ガスダクトに設置し、噴出口からの噴流を衝突させることで混合を促進させた構成が開示されている。

【0005】

また、下記特許文献２には、開口を有する混合板を、排ガス流れ方向に開口部が重ならないように複数設置した排ガス混合器によって、上流側の混合板の開口部を通過した排ガスが下流側の混合板を通過する際に、当該混合板の非開口部に当たることで混合を促進させる構成が開示されている。

【0006】

更に、下記特許文献３に記載の構成によれば、排ガス流路内に、排ガス上流側の頂部に設けた矩形状平板の隙間形成部と隙間形成部の対向する辺に連結された台形状の二つの板状羽根部と板状羽根部に隣接する台形状の開口部とにより角錐台形状を形成する複数の混合セルを設け、当該混合セルを板状羽根部及び開口部を９０°回転させた状態で互いに隣接して連結した混合体エレメントを構成することで、渦流を形成させて混合を促進させている。

【0007】

そして、下記特許文献４には、複数に分割したガス混合器の各々に対応させてアンモニア注入ノズルを複数に分割して配置することで、狭い空間にガス混合器を配置でき、短い距離で混合できる構成が開示されている。

【0008】

更に、下記特許文献５には、四角錐状混合装置の内部にアンモニア注入ノズルを設けることで、容易に均質な混合ガスを得ることができる構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許第３２９６０６９号公報

【特許文献2】実開平４−６５１１８号公報

【特許文献3】特開２０１３−１８０２２７号公報

【特許文献4】特許第３５５４９９７号公報

【特許文献5】特許第４３３５５０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

脱硝触媒による脱硝率を高めるためには、排ガス中に還元剤を均等に混合させる必要がある。即ち、還元剤濃度の偏り具合をなくして分散させれば、排ガスと還元剤との混合を促進できる。還元剤濃度の偏り具合は変動係数によって表され、変動係数が小さい程、ばらつきが少ない、即ち分散していると判断される。変動係数の算出は、ダクト断面を所定量分割した仮想分割面における還元剤濃度の測定結果により実施される。

【0011】

変動係数の定義は下記式（３）及び（４）となる。

【0012】

下記において、測定点数ｎは仮想分割面の数（測定点数）を表し、測定値ｘは各仮想分割面の測定値であり、また、ｘ_ｉは平均値である。
特許文献１〜５に記載の構成では、いずれも開口部を設けた混合器を用いているが、開口部の開口率を上げると還元剤と排ガスとの混合が促進されず、変動係数の上昇を招いてしまう。一方、開口部の開口率を下げると変動係数は低下するものの、非開口部が多いことから、排ガスの圧力損失の増加を招いてしまう。また、圧力損失が増加すると、ファンの動力が増大し、排ガス処理設備にも負荷が掛かる。

【0013】

そして、特許文献４や特許文献５に記載の構成では、排ガス混合器をダクトの同一断面に複数配置しており、複数配置することでその箇所における混合は促進されるが、それより下流側では排ガスが混合されないため、混合率の上昇は見込めない。一方、特許文献１の図３や特許文献２の図５等に示すような排ガス流れ方向に開口部が重ならないように複数設置した排ガス混合器の場合は、排ガス流れに沿って還元剤と排ガスとの混合は促進されるものの、圧力損失の増加を招いてしまう。

【0014】

尚、特許文献３に記載のガス混合装置では、大きな旋回流の形成に寄与する板状羽根部のみ残して渦流を形成させると共に、流路断面積を増やすことで圧力損失の軽減を図っている。２流体の混合の場合、流れの乱れにより直進するだけでも混合されるが、混ざり合う時間、即ち滞留時間の確保が必要である。従って、混合体エレメントにより狭い空間で渦流を形成させて混合させる場合は、滞留時間が確保されないことから、混合促進の効果もあまり期待できない。

【0015】

本発明の課題は、排ガスの圧力損失の増加を招くことなく、排ガス中の還元剤濃度の変動係数を低下させて排ガスと還元剤とを均等に混合できる流体の混合装置及び該流体の混合装置を備えた脱硝装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記本発明の課題は、下記の構成を採用することにより解決できる。本発明によれば、排ガスと還元剤との混合の促進と流体の圧力損失の増加抑制の両立が可能になる。
請求項１記載の発明は、ボイラを含む燃焼装置から排出される排ガスと、該排ガスの流路内に注入される窒素酸化物の還元剤とを混合する流体の混合装置において、該流体の混合装置は、流体の旋回部と、該旋回部よりも排ガス流れの下流側に設けられた流体の混合部とから構成され、前記旋回部は、排ガス流れ方向と略直交する方向に平面部を有する板状部材と、該板状部材の外周に沿って形成された複数の外周開口部と、該各外周開口部の排ガス流れ下流側に接し、外周開口部を通過する流体を周方向に案内する各案内部材とを備え、前記混合部は、頂点を排ガス流れの上流側に有し、側面に複数の側面開口部を有する、底面のない錐体部材である流体の混合装置である。

【0017】

請求項２記載の発明は、前記旋回部の板状部材は、前記外周開口部よりも中心側に形成された中心開口部を有し、前記混合部の錐体部材は、その頂点が、排ガス流れ方向から見て前記中心開口部と重複位置になるように配置されている請求項１記載の流体の混合装置である。
請求項３記載の発明は、前記旋回部の各案内部材は筒状部材である請求項１又は請求項２に記載の流体の混合装置である。

【0018】

請求項４記載の発明は、ボイラを含む燃焼装置から排出される排ガスのダクト内に、窒素酸化物の還元剤を注入する還元剤注入部と、排ガスと還元剤とを混合する流体の混合装置と、排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝触媒を備えた脱硝部とを排ガス流れの上流から下流に向かって順次配置した脱硝装置において、前記流体の混合装置は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流体の混合装置である脱硝装置である。

【0019】

（作用）
上述のように、従来技術のガス混合器では開口部を設けた混合器を用いているが、開口部の開口率を上げると変動係数の上昇を招く一方、開口部の開口率を下げると排ガスの圧力損失の増加を招いてしまうという問題があった。

【0020】

本発明の混合装置は、上流側の流体の旋回部と下流側の流体の混合部との２段構えの構成である。上流側の旋回部は、排ガス流れ方向と略直交する方向に平面部を有する板状部材であって、その外周に沿って設けた複数の外周開口部と、各外周開口部の下流側に接して流体を周方向に案内する各案内部材とを備えている。また、混合部は、頂点を排ガス上流側に有し、側面に複数の側面開口部を有する錐体部材である。

【0021】

まず上流側の旋回部では、ダクト内壁側の外周開口部に流入する流体に、案内部材により周方向の流れが与えられることで旋回流となり、流速が比較的高速に保たれる。従って、その流速を保ったまま旋回しながら混合部の側面開口部に流入し、ダクトの中心軸方向に折れ曲がるように流れる。本発明によれば、複雑で過剰な渦（Ｖｏｒｔｅｘ）や後流（Ｗａｋｅ)を発生させることがなく、圧力損失を低く抑えることができる。

【0022】

そして、旋回部と混合部との２段構えの構成により、流体の滞留時間が確保されることで、混合を促進させると共に圧力損失の増加も防止できる。
従って、請求項１記載の発明によれば、流体に、上流側の旋回部によりダクト内壁側で比較的高速の周方向の流れが与えられ、その流速を保ったまま下流側の混合部でダクトの中心軸方向に流れることで、圧力損失の増加を抑えながら変動係数の低下も達成される。

【0023】

尚、旋回部の板状部材には外周開口部があるものの、圧力損失の増加防止の観点からは、開口率が高い方が望ましい。しかし、外周開口部を大きくすると、旋回流の勢いが弱まってしまう。そこで、請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の作用に加えて、旋回部の板状部材に中心開口部を設けることで、圧力損失の増加をより抑えることができる。ここで開口率を上げると変動係数は上昇するが、中心開口部を通過する流体は混合部の錐体頂点から側面の傾斜に沿って流れ、側面開口部からダクトの中心軸方向に流入する。即ち、ダクトの中心軸方向から内壁側（外側）へ流れた後、再び中心軸側へと流れ、流れ方向が変化する。

【0024】

また、外周開口部を通過する流体は旋回しながらダクト内壁側から混合部の側面開口部に流入し中心軸側へと流れる。そして、混合部では、外側の外周開口部で旋回が与えられた流体と内側の中心開口部から直線方向（水平方向）に流れる流体とが合流して、側面開口部を通過する際に混合される。従って、より一層圧力損失の増加を抑えながら混合を促進させることができ、変動係数も低下する。

【0025】

そして、請求項３記載の発明によれば、上記請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加えて、旋回部の案内部材が筒状部材であることから、流体が筒内を流れることでその流れに勢いをつけることができ高速の旋回流が保持される。

【0026】

また、請求項４記載の発明によれば、脱硝装置の排ガスダクトの還元剤注入部と脱硝部との間に、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流体の混合装置を配置することで、排ガスと還元剤とが均等に混合された流体が脱硝触媒と反応する。従って、脱硝触媒と流体との反応効率が向上し、高い脱硝率を保持できる。

【発明の効果】

【0027】

請求項１記載の発明によれば、上流側の旋回部と下流側の混合部からなる混合装置によって、排ガスと還元剤との流体の滞留時間も確保されると共に、旋回流が与えられた流体が混合されるため、圧力損失の増加を抑えながら混合が促進され、変動係数も低下させることができる。従って、排ガス処理設備におけるファンの動力の増大を招くこともない。

【0028】

また、請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、旋回部の板状部材に設けた中心開口部により、圧力損失の増加をより抑えることができる。また、中心開口部を通過する流体はダクトの中心軸から外側、再び中心軸側へと流れ方向が変化すること、及び旋回部における外側の旋回流と内側の直線流とが合流して混合部の側面開口部を通過する際に混合されることなどから、混合が促進され、変動係数の上昇も防止できる。

【0029】

そして、請求項３記載の発明によれば、上記請求項１又は請求項２に記載の発明の効果に加えて、筒状の案内部材によって高速の旋回流を保持できるため、圧力損失の増加を抑えながら、より一層混合部での混合が促進される。

【0030】

また、請求項４記載の発明によれば、脱硝触媒と流体との反応効率が向上し、高い脱硝率を保持できる脱硝装置を提供できる。
そして、本発明の実施により排ガスと還元剤との混合性を良くすることで還元剤の使用量の節約が可能となり、未反応の還元剤の削減により、還元剤に由来する異臭も低減できることから、プラント運用の向上にも貢献する。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の一実施例である脱硝装置の概略構成図（側面図）である。

【図2】図１の混合器の正面図である。

【図3】図１の混合器の混合部の正面図である。

【図4】混合器を横に二つ並べた場合の斜視図である。

【図5】図４の混合器を用いた場合の流体の流速の測定結果（流動解析）を示した図である。

【図6】図４の混合器の旋回部を排ガス流れ方向から見た場合の図である。

【図7】図７（Ａ）は、図４の混合器の混合部の平面図であり、図７（Ｂ）は、側面図である。

【図8】旋回部の板状部材に中心開口部のみ設けた場合の混合器の斜視図である。

【図9】図９（Ａ）は、旋回部の他の例を示した正面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の案内部材の拡大図である。

【図10】本発明の他の実施例である脱硝装置の概略構成図（側面図）である。

【図11】本発明の他の実施例である脱硝装置の概略構成図（側面図）である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下に、本発明の実施の形態を示す。

【実施例1】

【0033】

以下に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図１には、本発明の一実施例である脱硝装置の概略構成図を示す。また、図２には、排ガス流れ方向（ノズル５側）から見た場合の旋回部と混合部からなる混合器の図（正面図）を示し、図３には、排ガス流れ方向から見た場合の混合部の図を示す。

【0034】

本実施例の脱硝装置１は、排ガスダクト３内に還元剤としてアンモニアを注入する還元剤注入ノズル５と脱硝触媒からなる脱硝触媒層７とが排ガス流れに沿って設けられた構成である。また、還元剤注入ノズル５と脱硝触媒層７との間には、排ガスとアンモニアとの混合を促進するための混合器９が設置されている。

【0035】

図示しないボイラ（キルンなどの燃焼反応装置でも良い）から排出される排ガスは、水平方向（矢印Ａ方向）に導入され、還元剤注入ノズル５から噴霧されるアンモニアと共に排ガスダクト３内を流れ、混合器９によって混合された後、脱硝触媒層７に流入する。アンモニアの噴霧量は、注入配管６の調整弁６ａにより排ガス量に応じて調整される。尚、還元剤には尿素を用いても良い。

【0036】

本実施例の混合器９は上流側の旋回部１１と下流側の混合部１３との２段構えの構成であることに特徴がある。上流側の旋回部１１は、排ガス流れ方向と略直交する方向に平面部を有する板状部材１１ａと、板状部材１１ａの外周に沿って形成された複数の小径の外周開口部１１ｂと、板状部材１１ａの中心に形成された大径の中心開口部１１ｃと、各外周開口部１１ｂの排ガス流れ下流側に接して流体を周方向に案内する各案内部材１１ｄとを備えている。

【0037】

案内部材１１ｄは筒状であり、図２に示すように、排ガス流れ方向から見て先端部から流体が時計回り（右回り）に流れるように周方向に配置されている。図示例では円筒状であるが、断面が四角形状などの多角形状であっても良い。尚、図２では外周開口部１１ｂ及び案内部材１１ｄが左右に偏った配置となっているが、周方向に等間隔で配置しても良い。また、これら外周開口部１１ｂ及び案内部材１１ｄの数に限定はなく、排ガスダクト３の大きさや形状に合わせて設置すると良いが、概ね４の倍数が適している。

【0038】

そして、混合部１３は、頂点１３ｃを排ガス上流側に有し、側面１３ａに複数の側面開口部１３ｂを有する、底面のない四角錐体である。尚、四角錐ではなくても、円錐や三角錐などでも良く、排ガスダクト３の形状に合わせると良い。このことは、旋回部１１の板状部材１１ａについても同様である。即ち、板状部材１１ａの形状が正方形でも円形でも良く、特に限定はない。

【0039】

そして、混合部１３の四角錐体の頂点１３ｃが、排ガス流れ方向から見て旋回部１１の中心開口部１１ｃと重複するように配置されている。
アンモニアと排ガスとからなる流体は、まず上流側の旋回部１１に流入する。旋回部１１では、中心開口部１１ｃから水平方向に流れる流体の流れと外周開口部１１ｂから案内部材１１ｄによって旋回が与えられる旋回流とが形成される。

【0040】

中心開口部１１ｃを流れる流体は直進することで比較的高速を保ち、また中心開口部１１ｃを比較的大径として開口率を上げることで、圧力損失の増加を抑えることができる。一方、外周開口部１１ｂを流れる流体は比較的小径の外周開口部１１ｂから、案内部材１１ｄにより周方向の流れが与えられることで、流速が比較的高速に保たれる。特に、案内部材１１ｄを先端ほど径が小さくなるようなノズル状とすれば、高速流となる。

【0041】

そして、下流側の混合部１３では、旋回部１１を通過した流体が側面開口部１３ｂから排ガスダクト３の中心軸方向に流入する。旋回部１１の中心開口部１１ｃを通過した流体は錐体頂点１３ｃから側面１３ａの傾斜に沿って流れ、側面開口部１３ｂに流入する。一方、旋回部１１の外周開口部１１ｂを通過した流体は旋回流となって、旋回しながら側面開口部１３ｂに流入する。

【0042】

従って、旋回部１１の中心開口部１１ｃからの水平方向の流れと外周開口部１１ｂからの旋回流とが混合部１３の側面開口部１３ｂに流入して、排ガスダクト３の中心軸方向に流れることで、効率よく混合されて、変動係数も低下する。

【0043】

一般に流れの向きが変わって流線が長く伸びれば、その間に混合は進む。しかし流れの向きがヘアピンのように急激に屈折したり迷路のようであれば、圧力損失は上昇してしまう。これに対し、本実施例の構成によれば、このような極端な流れ方向の急変やそれに伴う過剰な渦の発生を抑制できるので、圧力損失は増加しない。

【0044】

また、流体が上流側の旋回部１１と下流側の混合部１３を通過することで、流体の滞留時間を確保でき、混合を促進させると共に圧力損失の増加も防止できる。
尚、図示例では、板状部材１１ａに中心開口部１１ｃを設けているが、中心開口部１１ｃは必ずしも必要ではなく、中心開口部１１ｃがなくても外周開口部１１ｂ及び案内部材１１ｄによる旋回流により比較的高速を保ちながら混合部１３の中心軸方向に流れることで、圧力損失の増加を抑えながら変動係数を低下させることができる。中心開口部１１ｃを設けない場合は、外周開口部１１ｂを比較的中心軸側に設けても良い。

【0045】

ここで、外周開口部１１ｂを小さくすると高速流を保つことができるものの、圧力損失が増加しやすくなる。一方、外周開口部１１ｂを大きくすると、圧力損失の増加は抑制されるが旋回流の勢いが弱まってしまう。そこで、更に板状部材１１ａに中心開口部１１ｃを設けることで、圧力損失の増加を防止しながら、流体の混合も促進できる。

【0046】

上述の例では、排ガスダクト３内に混合器９を一つ設置した場合を示したが、混合器９は、排ガスダクト３内に複数配置すると、混合促進効果が高くなる。特に大型の脱硝装置で排ガスダクト３が大きい場合や、断面形状が長方形であって、短辺と長辺との比率の差が大きい場合などは複数設置すると良い。

【0047】

図４には、排ガスダクト３内に混合器９を横に二つ並べた場合の斜視図（ダクト３の内部）を示し、図５（Ａ）及び（Ｂ）には、図４の混合器９を用いた場合の流体の流動解析結果を示す。また、図６には、図４の混合器９の旋回部１１を排ガス流れ方向から見た場合の図を示し、図７（Ａ）には、図４の混合器９の混合部１３の平面図を示し、図７（Ｂ）には、側面図を示す。

【0048】

縦８００（ｍｍ）×横２１００（ｍｍ）の断面長方形の排ガスダクト３内に、ダクト内壁に接するように混合器９を横に二つ設置した。各混合器９は、径約５００（ｍｍ）の中心開口部１１ｃとその横（左右方向）に径約２００×１００（ｍｍ）の楕円形の外周開口部１１ｂを４つずつ配置した板状部材１１ａに３００（ｍｍ）長さの筒状の案内部材１１ｄを各外周開口部１１ｂの下流側にそれぞれ斜めに取り付けた旋回部１１と、径約３５０（ｍｍ）の円形の側面開口部１３ｂを各側面１３ａに有し、高さ７００（ｍｍ）で母線長さが８００（ｍｍ）である四角錐体の混合部１３とし、混合部１３を、その頂点１３ｃが旋回部１１の中心開口部１１ｃの中心に一致するように配置した。頂点１３ｃを中心開口部１１ｃの中心と一致させることにより、極端な流れ方向の急変やそれに伴う過剰な渦の発生を抑制できるため、混合を促進しつつも圧力損失の増加を避けることが可能となる。

【0049】

尚、流動解析では、混合器９の入り口における還元剤濃度の変動係数が２０の偏りがある条件で解析を行った。流動解析での変動係数の設定は、ダクト断面の長辺、短辺、対角線に設定する方法が考えられるが、最も還元剤の混合が困難となるダクト断面の対角線に対して変動係数２０を設定した。

【0050】

また、この解析は汎用流体解析ソフト(Ａｎｓｙｓ Ｆｌｕｅｎｔ)（アンシス・ジャパン株式会社製）によりモデル化し、有限体積法による定常解析により実施した。条件は、後述の変動係数の解析（表１）と同様とした。

【0051】

図５では、概ね流速０．０ｍ／ｓ〜９．６ｍ／ｓを青色、流速９．６ｍ／ｓ〜１６．５ｍ／ｓを緑色、流速１６．５ｍ／ｓ〜１９．２ｍ／ｓを黄色、流速１９．２ｍ／ｓ〜２４．７ｍ／ｓを燈色、流速２４．７ｍ／ｓ〜２７．５ｍ／ｓを赤色で段階的に示している。

【0052】

図５によれば、旋回部１１と混合部１３との間の流体の流速は１６．５ｍ／ｓ以上の比較的高速に保たれており、特に筒状の案内部材１１ｄを通過する流体は２４．７ｍ／ｓ以上の箇所が多くなっている。そして、混合器９出口流速も入り口（ほぼ９．６ｍ／ｓ以下である）と比べて９．６ｍ／ｓ以上、主に１６．５ｍ／ｓ〜１９．２ｍ／ｓの箇所が多く、高くなっていることが分かる。

【0053】

従って、排ガスの圧力損失は低いものと推察される。また、流線には極端な流れ方向の急変も無く、過剰な渦の発生も無いことが確認できる。
そして、筒状の案内部材１１ｄからは流体が左右上下方向に拡散された後、中心開口部１１ｃから流入する流体と共に排ガスダクト３の中心軸方向に流れることで、混合が促進される。

【0054】

表１には、図４に示した混合器９を用いて、混合器９出口の変動係数を調べた結果を示す。

【表1】

【0055】

なお、図８には、比較として用いた、板状部材１４ａに中心開口部１４ｂのみ設けた旋回部１４と混合部１３を備えた混合器１０を示しており、寸法、形状は図４に示した混合器９と同様である。また、解析は汎用流体解析ソフト(Ａｎｓｙｓ Ｆｌｕｅｎｔ)（アンシス・ジャパン株式会社製）によりモデル化し、有限体積法による定常解析により実施した。そして、混合器９の入り口で対角線方向に還元剤濃度の変動係数が２０％となるように設定し、混合器９の出口における還元剤濃度の変動係数を算出した。変動係数の算出は、前記式（３）及び（４）によるものとした。

【0056】

このサイズのダクトでは、手分析の場合、ダクトを６分割し、各分割面の中心（６つの測定値が得られる）の測定結果を基に実機で算出する。一方、解析では手分析の制限がないため、同サイズのダクトを数千に分割し、計算した。解析では、断面を数千に分割しているため、そのそれぞれのメッシュの初期条件の一つとして濃度（ＹとＺ（図５）を変数としたＮＨ_３の濃度勾配を表す数式であって、単位は質量分率）を与えた。入り口条件は、変動係数の式を元に前記数式の係数を決定し、数式を解析ソフトに与えた。出口の結果は出口断面の数値（解析ソフトの計算結果）から変動係数の式を用いて計算した。

【0057】

また、条件として、混合ガス（Ｎ_２が７５．５４ｖｏｌ％、Ｏ_２が１３．０４ｖｏｌ％、Ｈ_２Ｏが８．２２ｖｏｌ％、ＣＯ_２が３．２０ｖｏｌ％、ｗｅｔ含んだもの）及び希釈ＮＨ_３ガス（体積分率０．０３％）を設定し、３５０℃の物性値で解析した。

【0058】

混合ガスの密度は０．５５２ｋｇ／ｍ^３、粘性係数は３．０３２５×１０^-5ｋｇ／ｍ・ｓとし、一方で希釈ＮＨ_３ガスの密度は０．３２９ｋｇ／ｍ^３、粘性係数は２．１６１×１０^-5ｋｇ／ｍ・ｓとした。また希釈ＮＨ_３ガスの質量拡散係数は８．５×１０^-5ｍ^２／ｓとした。モデルに流入する全ガス量は、１３３５４ｍ^３Ｎ／ｈとし、乱流強度は標準的な乱れを想定し１０％とした。

【0059】

表１に示すように、比較例の混合器１０の場合は変動係数が１０％と比較的高い値であったものの、本実施例の混合器９では５．８％と比較的低い値であった。従って、筒状の案内部材１１ｄによる旋回効果により、混合率が高まることが確認された。尚、変動係数が５％程度であると、還元剤が十分に分散されていると言え、高い脱硝率を維持できる。

【0060】

特に、変動係数が５％程度では、脱硝触媒層７などの脱硝設備を複数段設置することで脱硝率を９５％以上まで上げられることが実績から確認されている。
図１では脱硝触媒層７を一段しか設置していないが、この場合でも変動係数が低ければ高効率で脱硝ができる。

【0061】

例えば、還元剤注入ノズル５を格子状に数十本設置し、それぞれの注入配管６の調整弁６ａもノズル毎に設置する。そして、注入配管６の調整弁６ａの開度を微調整し、還元剤を均一に分散させた状態で脱硝触媒層７に流れるように調整する。このように、調整弁６ａの開度調整と共に排ガス混合器９を使用することにより、より一層の高効率脱硝が実現できる。

【0062】

本実施例によれば、概ね目標値である５％程度まで変動係数が下がったことで、流体が均等に混合されていることが確認できた。従って、案内部材１１ｄによって旋回流を引き起こすことで、脱硝触媒層７における触媒と流体との反応効率が向上し、高い脱硝率を保持できると言える。

【0063】

図９（Ａ）には、旋回部１１の他の例（正面図）を示す。
この図では、案内部材を旋回羽根（ベーン）１１ｅとした場合を示している。図９（Ｂ）に示すように、ベーン１１ｅは半割れの板であり、筒状の案内部材１１ｄと比べて勢いはなくなるものの、周方向の流れが形成されるため、それほど流速は低下しない。また、外周開口部１１ｂの全周ではなく一部に取り付ければ済むため簡素な構成となり、製造も容易である。図示例では、外周開口部１１ｂ及びベーン１１ｅを板状部材１１ａの角部に４つ設けた場合を示しているが、それ以上設けても良い。

【0064】

尚、混合器９を、排ガス流れ方向に複数設置しても良い。また、脱硝反応は排ガス温度にも依存するため、注入配管６の上流側にも混合器９を設置し、排ガス温度の偏りを平滑化する目的でも使用できる。これらのことは、他の実施例にも共通する。

【実施例2】

【0065】

また、図１０には、脱硝装置１の他の例（概略構成図）を示す。この例では、脱硝触媒層７を混合器９の上流側にも設けた場合を示しており、それ以外の構成は実施例１と同様である。

【0066】

この場合は、脱硝触媒層７を通過した流体、即ち排ガス中のＮＯｘがある程度除去された排ガスが混合器９に流入して混合された後、下流側の脱硝触媒層７で残りのＮＯｘが確実に除去される。従って脱硝率がより向上する。脱硝触媒層７を複数設けることで、触媒層７を通過する排ガスに含まれる還元剤を均一化することが可能となる。

【0067】

脱硝触媒層７を連続して（繋げて）設けた場合は、脱硝触媒層７を通る間に反応がより進む部分とあまり進まない部分が発生するため、後段の触媒は、還元剤が過剰な部分と希薄な部分が発生してしまう。従って、高脱硝の実現には脱硝触媒層７を分けて、その間に排ガス混合器９を設置することが望ましい。複数の脱硝触媒層７の中間に混合器９を設置することで、脱硝触媒層７を流れる間に生じる還元剤の偏りを解消できる。
尚、混合器９は排ガスダクト３内に複数配置しても良く、図９に示した旋回部１１を用いても良い。

【実施例3】

【0068】

また、図１１には、脱硝装置１の他の例（概略構成図）を示す。この例では、更に混合器９を上流側の脱硝触媒層７の手前に設けた場合を示しており、それ以外の構成は実施例２と同様である。

【0069】

還元剤注入ノズル５における還元剤の分散を確実にする目的で、一つ目の脱硝触媒層７の入口にも混合器９を設置しても良い。
脱硝触媒層７が複数設置されている場合には、各触媒層７の上流に混合器９を設置することで各触媒層７に流れる還元剤が均一となるため触媒を効率的に使用することができると共に、使用する還元剤の低減や大気へ排出されるガス中の還元剤濃度の低減が可能となる。大気へ排出されるガス中に還元剤が含まれていると異臭の原因となってしまうため、なるべく効率よく消費されることが望ましい。

【0070】

本実施例によれば、各脱硝触媒層７の手前に混合器９を設けることで、各脱硝触媒層７では排ガスと還元剤とが良く混合された状態で流入するため、よりＮＯｘ除去効果が高くなり、脱硝率の更なる向上が達成される。
尚、本実施例においても、図９に示した旋回部１１を用いても良いことは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0071】

脱硝装置の他にも、異なる二つの流体を混合させる方法として、利用可能性がある。

【符号の説明】

【0072】

１ 脱硝装置 ３ 排ガスダクト
５ 還元剤注入ノズル ６ 注入配管
７ 脱硝触媒層 ９，１０ 混合器
１１，１４ 旋回部 １３ 混合部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図5】