JP2011230120A - ＮＯｘ排出を制御および低減するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発生源で発生するガス流からのＮＯ_ｘ排出を低減する方法およびシステムを提供すること。
【解決手段】この方法は、ガス流と酸化触媒（１６）を接触させることによってガス流中に存在するＮＯガスのかなりの部分を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を生成するステップと、その後、溶媒吸収または溶媒反応によってガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去するステップとを含むことができる。システム（１０）は、ＮＯ_ｘを含むガス流を発生させるように構成されるガス発生源と、このガス発生源の下流に位置する酸化触媒（１６）であって、ガス流中のＮＯガス分子を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を生成するように構成される酸化触媒（１６）と、溶媒吸収または溶媒反応によってガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去するように構成される酸化触媒（１６）の下流に位置する除去装置とを備えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、ＮＯ_ｘ排出削減の分野にある。より詳細には、本発明は、ＮＯ_ｘ発生源からのＮＯ_ｘ排出を低減するシステムおよび方法に関する。

ＮＯ_ｘ排出は、多くの産業、特に発電産業にとって関心事である。ＮＯ_ｘの発生は、高温燃焼応用分野において、および／または窒素含有燃料を燃焼した場合によく見られる。高い燃焼温度では、燃焼空気中の二原子窒素が酸化してＮＯ_ｘを発生させ得る。燃料中の窒素も、燃焼中に遊離基として放出されてＮＯ_ｘを形成し得る。ＮＯ_ｘ排出は、一般に、酸性雨および有害な健康上の副次的作用を引き起こすことで知られており、したがって、取締り調査の対象である。

ＮＯ_ｘを還元するための一般的な手法の１つは、ＮＯ_ｘをＮ_２に変換するために触媒に還元剤を噴射することを伴う。さらにより詳細には、選択的接触還元（「ＳＣＲ」）触媒と共にアンモニアを使用することが、現在最もよく見られるＮＯ_ｘ還元の手法である。いくつかの応用例では、この手法は、ガス流からＮＯ_ｘの８０〜９５％を除去するのに有効であり得るが、アンモニア反応物を使用することにより、運転コストがかなり大きくなり得る。

したがって、ＮＯ_ｘを還元する新しいシステムおよび方法を提供することが望まれている。アンモニアなどの還元用反応物の必要性をなくす、またはこの還元用反応物の利用を削減するＮＯ_ｘを還元する新しいシステムおよび方法を提供することも望まれている。

一態様では、発生源で発生するガス流からのＮＯ_ｘ排出を低減する方法が提供される。この方法は、ガス流と酸化触媒を接触させることによってガス流中に存在するＮＯガスのかなりの部分を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を生成するステップと、その後、溶媒吸収または溶媒反応によってガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去するステップとを含むことができる。

別の態様では、ＮＯ_ｘ排出を低減するシステムが提供される。このシステムは、ＮＯ_ｘを含むガス流を発生させるように構成されるガス発生源と、ガス発生源の下流に位置する酸化触媒であって、ガス流中のＮＯガス分子を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を生成するように構成される酸化触媒と、溶媒吸収または溶媒反応によってガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去するように構成される酸化触媒の下流に位置する除去装置とを備えることができる。

本発明の１つまたは複数の実施形態によるＮＯ_ｘ排出を低減するシステムの説明図である。

ＮＯ_ｘ発生源からのＮＯ_ｘ排出を低減するシステムおよび方法が提供される。このシステムおよび方法は、ガス燃焼、蒸気発生、および炭化水素精製の応用例など、ＮＯ_ｘを発生する様々な応用例に使用することができるが、それらに限定されない。このシステムおよび方法は、一般に、ＮＯ_ｘを含むガス流が発生する任意の応用例に用いることができる。例示的な実施形態では、本発明のシステムおよび方法を用いて、ガスタービンエンジンからのＮＯ_ｘ排出を低減することができる。別の実施形態では、本発明のシステムおよび方法を用いて、ボイラからのＮＯ_ｘ排出を低減することができる。さらに別の実施形態では、本発明のシステムおよび方法を用いて、精製所からのＮＯ_ｘ排出を低減することができる。

本発明のシステムおよび方法は、主に、ガス流中のＮＯ分子をより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子に酸化し、溶媒吸収または溶媒反応によってより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子をその後除去することによってガス流からＮＯ_ｘを削減することを実現することができる。有利なことに、そのような手法は、還元剤を連続的に噴射する必要性をなくしまたは低減することができる。いくつかの実施形態では、このシステムは、ガス流に反応物を添加することなく燃焼後のガス流からＮＯ_ｘの８０〜９５％を除去することができる。同様に、そのようなシステムは、Ｎ_２Ｏ_５のようなより高い溶媒吸収または溶媒反応を有するＮ_ｘＯ_ｙ種を生成するために、オゾン（Ｏ_３）などの酸化剤またはエネルギー源を添加する必要性を低減またはなくすことができる。

「より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子」なる用語は、本明細書で用いられる場合、ｘおよび／またはｙの値が１より大きいＮ_ｘＯ_ｙ分子を指す。これら分子は、ＮＯの酸化に関する生成物であり得る。例えば、より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子なる用語は、ＮＯ_２およびＮ_２Ｏ_５を包含する。この用語は、Ｎ_２Ｏ、Ｎ_２Ｏ_３およびＮ_２Ｏ_４を含むＮＯより高次である他の窒素酸化物も包含する。
方法
一態様では、発生源で発生するガス流からのＮＯ_ｘ排出を低減する方法が提供される。この方法は、ガス流と酸化触媒を接触させることによってガス流中に存在するＮＯガスのかなりの部分を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子（ＮＯ_２および／またはＮ_２Ｏ_５など）を生成するステップと、その後、水性吸収または水性反応によってガス流からＮＯ_２ガスを除去するステップとを含むことができる。

本明細書で用いられる場合、「酸化触媒」なる用語は、一般に、ＮＯ分子を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子、例えばＮＯ_２および／またはＮ_２Ｏ_５を生成する装置を指す。この酸化触媒は、化学触媒でコーティングした内部ハニカム構造を有する流通式装置であり得る。一実施形態では、酸化触媒は、ＣＯ触媒であり得る。いくつかの実施形態では、酸化触媒は、酸化触媒から出るガス流中のＮ_ｘＯ_ｙ分子の大部分がＮＯ_２分子であるようにガス流中の十分な量のＮＯ分子を酸化させるように構成される。いくつかの実施形態では、ガス流が酸化触媒に接触する前に、ガス流中のＮＯ_ｘ分子の大部分がＮＯ分子である。好ましくは、酸化触媒は、約３５０°Ｆ〜約７００°Ｆの範囲のガス流温度に酸化触媒がさらされることになるガス流の流路に沿った位置に配置され得る。有利なことに、そのような温度範囲で酸化触媒を運転することにより、触媒表面にわたって所望の反応速度（ｄｅｓｉｒｅｄ ｒａｔｅ ｋｉｎｅｔｉｃｓ）を実現するのに十分な温度を与えつつ、触媒が、低い運転温度によりＮ_ｘＯ_ｙの発生を熱力学的に促進することが可能になり得ることが分かっている。排気流に対してＳＯ_ｘが存在することにより、最適温度をより高い値へシフトできることも分かっている。

例示的な実施形態では、従来のガスタービンエンジンは、ＮＯ_ｘ分子の約９０％がＮＯであるガス流を発生し得る。酸化触媒は、ＮＯ_ｘ分子の約５０％以上がより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子（例えば、ＮＯ_２および／またはＮ_２Ｏ_５）であり、またはより好ましくは、ＮＯ_ｘ分子の約７０％以上がより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子であり、またはさらにより好ましくは、ＮＯ_ｘ分子の約８０％以上がより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子であるガス流を発生させるように構成され得る。ＮＯ_ｘ酸化防止剤で処理されないＣＯ触媒については、ＮＯ_ｘ中で８０％を超えるより高次のＮ_ｘＯ_ｙが、約７００°Ｆ以下の温度で実現され得る。約８５％の酸化効率が、白金ベースの酸化触媒を用いて約３５０°Ｆ〜約７００°Ｆの範囲で実現され得る。この範囲は、触媒組成、触媒表面処理、および触媒の表面積に応じて変化し得る。

いくつかの実施形態では、この方法は、燃料を燃焼してガス流を発生させるステップをさらに含んでもよく、このガス流は、燃料の燃焼に関する反応生成物を含む。例えば、燃料は、炭化水素燃料、非炭化水素燃料、またはそれらの組み合わせを含み得る。例示的な実施形態では、燃料には、天然ガス、石油または石炭が含まれ得る。ガス流は、ガスタービン、ボイラ、炉、精製所、または化学処理プラントなどの様々な発生源で発生し得るが、それらに限定されない。

ガス流中のより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、溶媒吸収（水性吸収など）または溶媒反応によって酸化触媒の下流で除去することができる。より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子、特にＮＯ_２分子およびＮ_２Ｏ_５分子は、水に溶け、ガス流に水を加えることによってガス流から除去することができる。例えば、ガス流の中に水を噴霧してガス流中のより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を吸収することができる。その後、水およびより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、ガス流から分離することができる。いくつかの実施形態では、ガス流中の水蒸気を凝縮するようになされた集水器が、酸化触媒の下流に配置され得る。別の実施形態では、水性または他の溶媒膜（ｓｏｌｖｅｎｔ ｆｉｌｍ）が、デミスタパッドなど高表面積構造に坦持され、Ｎ_ｘＯ_ｙは、この膜に運ばれる。凝縮水は、ガス流中のより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を吸収することができ、その後、水およびより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、ガス流から分離することができる。他の実施形態では、より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子と反応物の反応によって分離することができる。例えば、ＮＯ_２分子は、石灰ベースの水溶液中などでソーダ石灰と接触および反応し得る。

いくつかの実施形態では、ＮＯ分子をより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子に酸化すること、およびより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子の水性吸収および／または水性反応は、ガス流からＮＯ_ｘ分子の少なくとも４０％を除去するのに効果的なやり方で行われる。好ましい実施形態では、ＮＯ分子をより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子に酸化すること、およびより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子の水性吸収および／または水性反応は、ガス流からＮＯ_ｘ分子の少なくとも７５％を除去するのに効果的なやり方で行われる。有利には、そのようなレベルのＮＯ_ｘ還元は、アンモニアを添加することなく実現され得る。
システム
別の態様では、ＮＯ_ｘ排出を低減するシステムが提供される。このシステムは、ＮＯ_ｘを含むガス流を発生させるように構成されるガス発生源と、ガス発生源の下流に位置する酸化触媒であって、ガス流中のＮＯガス分子を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を生成するように構成される酸化触媒と、水性吸収または水性反応によってガス流からＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去するように構成される酸化触媒の下流に位置する除去装置とを備えることができる。

いくつかの実施形態では、このシステムは、燃料を燃焼して燃料の燃焼に関する反応生成物を含むガス流を発生させるように構成されるガス発生源を備えることができる。燃料には、天然ガス、石油または石炭などの炭化水素燃料が含まれ得る。ガス流は、ガスタービン、ボイラ、炉、または化学処理プラント（精製所など）など様々な発生源で発生し得るが、それらに限定されない。

ガス流中のより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、水性吸収または水性反応によって酸化触媒の下流で除去することができる。より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、水に溶け、ガス流に水を加えることによってガス流から除去することができる。例えば、水噴射装置によって、例えば１つまたは複数のスプレイノズルを通じて水をガス流の中に噴霧してガス流中のより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を吸収することができる。その後、水およびより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、ガス流から分離することができる。いくつかの実施形態では、ガス流中の水蒸気を凝縮するようになされた集水器が、酸化触媒の下流に配置され得る。凝縮水は、ガス流中のより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を吸収することができ、その後、水およびより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、ガス流から分離することができる。他の実施形態では、より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子と反応物の反応によって分離することができる。例えば、より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、ソーダ石灰溶液と接触および反応し得る。

いくつかの実施形態では、ＮＯ分子をより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子に酸化すること、およびより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子の水性吸収および／または水性反応は、ガス流からＮＯ_ｘ分子の少なくとも４０％を除去するのに効果的なやり方で行われる。好ましい実施形態では、ＮＯ分子をより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子に酸化すること、およびより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子の水性吸収および／または水性反応は、ガス流からＮＯ_ｘ分子の少なくとも７５％を除去するのに効果的なやり方で行われる。有利には、そのようなレベルのＮＯ_ｘ還元は、アンモニアを添加することなく実現され得る。

図１にＮＯ_ｘ排出を低減するシステムの実施形態を示す。システム１０は、ガスタービンエンジン１２などのＮＯ_ｘ発生源を有し得る。ガスタービンエンジン１２は、排気温度が約８００〜約１２００°Ｆで、ＮＯ_ｘ濃度が９ｐｐｍであるガス流を発生し得る。ＮＯ_ｘ排出の約１０％は、ＮＯ_２を含み得るものであり、残部は主にＮＯである。ガス流が約３５０〜約８００°Ｆまで冷却できるように、ガス流が１つまたは複数の熱交換器１４を通過してもよい。次いで、ガス流は、酸化触媒１６を通過してもよく、この酸化触媒１６でＮＯ分子のかなりの部分は、より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子に酸化される。図１の本実施形態では、酸化触媒１６から出るガス流は、ＮＯ_ｘ濃度が９ｐｐｍで、ＮＯ_ｘ排出の約８０％が、ＮＯ_２、またはＮ_２Ｏ_５などの他のより高次の窒素酸化物を含むものであり得る。次いで、ガス流は、熱交換器１８において約１２０°Ｆまでさらに冷却することができる。

次いで、冷却したガス流は容器２０を通過することができ、この容器２０でＮ_ｘＯ_ｙを、水性溶媒などの溶媒中で洗浄し、吸収または反応し、次いでガス流から除去する。例えば、容器２０は、Ｎ_ｘＯ_ｙに対する水または他の溶媒をガス流の中に噴射する水噴射装置を含んでもよい。いくつかの実施形態では、容器２０は、ガス流中の水蒸気を凝縮する集水装置を含んでもよい。次いで、液体の水、および吸収したより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子は、ガス流から分離することができ、次いで、ガス流は、大気へ通じる排気管２２を通過することができる。排ガス流は、２．５ｐｐｍｖｄ（容積比百万分率）のＮＯ_ｘを含有し得る。別の実施形態では、容器２０は、ＮＯ_２に対するソーダ石灰または別の反応物を含んでもよい。

より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子の水性吸収および／または水性反応は、様々なやり方で実現することができる。例えば、高い硫黄含量を有する燃料については、より高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子の水性吸収および／または水性反応が、排煙脱硫（「ＦＧＤ」）処理の一部としてＦＧＤユニット内で行われ得る。スプレイ塔、充填層スクラバ（ｐａｃｋｅｄ ｂｅｄ ｓｃｒｕｂｂｅｒ）、および／またはベンチュリスクラバなどの様々なタイプのスクラバが、ガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を分離するために用いられ得る。

一実施形態では、ＮＯ_ｘを含むガス流を発生させるように構成されるガス発生源と、ガス発生源の下流に位置する酸化触媒とを備える、ＮＯ_ｘ排出を低減するシステムが提供される。酸化触媒は、ガス流中のＮＯガス分子を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を生成するように構成され得る。このシステムは、水性吸収または水性反応によってガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去するように構成される酸化触媒の下流に位置する除去システムをさらに備えてもよい。

いくつかの実施形態では、ガス流が酸化触媒に接触する前に、ガス流中に存在するＮＯ_ｘ分子の大部分がＮＯ分子である。例えば、ガスタービンエンジンシステムにおいては、タービン排気中のＮＯ_ｘ分子の約９０％が、ＮＯであり得る。いくつかの実施形態では、酸化触媒は、発生源で発生するＮＯ分子の約５０％以上を酸化することができる。いくつかの実施形態では、酸化触媒は、発生源で発生するＮＯ分子の約７５％以上を酸化することができる。

本明細書は、例を用いて、最良の形態を含む本発明を開示しており、いずれかの装置またはシステムを製造および使用し、いずれかの採用した方法を実施することなど、当業者が本発明を実施することも可能にする。本発明の特許性の範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、そうした他の例が、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を有する場合、またはそうした他の例が、特許請求の範囲の文言とは実質的に差のない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。

１０ システム
１２ ガスタービンエンジン
１４ （１つまたは複数の）熱交換器
１６ 酸化触媒
１８ 熱交換器
２０ 容器
２２ 排気管

Claims (10)

1. 発生源で発生するガス流からのＮＯ_ｘ排出を低減する方法であって、
   （ａ）前記ガス流と酸化触媒（１６）を接触させることによって前記ガス流中に存在するＮＯ分子の一部を酸化させてより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を生成するステップと、その後、
   （ｂ）溶媒吸収または溶媒反応によって前記ガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去するステップと
   を含む方法。
2. 燃料を燃焼して前記ガス流を生成するステップをさらに含み、前記ガス流が、前記燃料の前記燃焼に関する反応生成物を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ガス流が前記酸化触媒（１６）に接触する前に、前記ガス流中のＮＯ_ｘ分子の大部分がＮＯ分子である、請求項１記載の方法。
4. ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）が、前記ガス流から前記ＮＯ_ｘ分子の少なくとも４０％を除去するように行われる、請求項１記載の方法。
5. ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）が、アンモニアを添加することなく前記ガス流から前記ＮＯ_ｘ分子の少なくとも４０％を除去するように行われる、請求項１記載の方法。
6. 前記発生源が、ガスタービン（１２）を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記発生源が、ボイラ、炉、精製処理プラント、または化学処理プラントを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記ガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去する前記ステップが、前記ガス流に水または水溶液を加えるステップを含む、請求項１記載の方法。
9. 前記ガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去する前記ステップが、前記ガス流と、前記ガス流中の水を収集するようになされている集水器とを接触させるステップを含む、請求項１記載の方法。
10. 前記ガス流からより高次のＮ_ｘＯ_ｙ分子を除去する前記ステップが、前記ガス流と石灰ベースの水溶液を接触させるステップを含む、請求項１記載の方法。