JP2013091008A - アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良くアンモニアを分解することができる、アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法を提供する。
【解決手段】第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する、第１アンモニア分解触媒を備えた第１触媒塔と、第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスのアンモニア濃度を上昇させるガス混合器と、ガス混合器においてアンモニア濃度が上昇したガスを冷却する冷却器と、冷却器によって冷却されたガスに含まれる、アンモニアの一部又は全部を分解する、第２アンモニア分解触媒を備えた第２触媒塔とを備える、アンモニア処理システムとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法に関する。

火力発電所や下水処理場等からは、アンモニアを含有するガスが発生することが知られている。このガスを大気中に放出するためには、含まれるアンモニアを無害化する必要がある。このため、例えば、火力発電所や下水処理場等から発生するガスに含まれるアンモニアを、触媒を用いて分解するアンモニア処理システムが知られている。
このアンモニア処理システムは、火力発電所や下水処理場等から発生するガスに含まれるアンモニアを、触媒に接触させる触媒塔を備えている。この触媒塔では、例えば、４ＮＨ_３＋３Ｏ_２→２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏで示される反応が生じることによって、アンモニアが無害な窒素や水に分解される（例えば特許文献１を参照）。

特開２００４−２１６３００号公報

本発明は、効率良くアンモニアを分解することができる、アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るアンモニア処理システムは、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する、第１アンモニア分解触媒を備えた第１触媒塔と、第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスのアンモニア濃度を上昇させるガス混合器と、ガス混合器においてアンモニア濃度が上昇したガスを冷却する冷却器と、冷却器によって冷却されたガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する、第２アンモニア分解触媒を備えた第２触媒塔とを備える。

また、本発明に係るアンモニア処理システムは、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する、第１アンモニア分解触媒を備えた第１触媒塔と、第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスを冷却する冷却器と、冷却器によって冷却されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、冷却されたガスのアンモニア濃度を上昇させるガス混合器と、ガス混合器においてアンモニア濃度が上昇したガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する、第２アンモニア分解触媒を備えた第２触媒塔とを備えても良い。

アンモニア処理システムは、第１触媒塔に供給される第１のガスに含まれるアンモニアの分解が第１触媒塔において起こる温度にまで、第１触媒塔に供給される前の第１のガスを加熱する加熱装置をさらに備えることが好ましい。また、この加熱装置は、第１触媒塔に供給される前の第１のガスと、第１触媒塔又は第２触媒塔から排出された後のガスとを熱交換する、熱交換器を備えることが好ましい。
第１アンモニア分解触媒及び前記第２アンモニア分解触媒は、Ｐｔ−ＣｕＯ及び／又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌを含むことが好ましい。
アンモニア処理システムは、第１触媒塔を流れるガスの流路を反転させる第１流路反転装置、及び／又は、第２触媒塔を流れるガスの流路を反転させる第２流路反転装置を、さらに備えても良い。

本発明に係るアンモニア処理方法は、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第１分解工程と、第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスのアンモニア濃度を上昇させるアンモニア混合工程と、アンモニア混合工程後のガスを冷却する冷却工程と、冷却工程において冷却されたガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程とを含む。

また、本発明に係るアンモニア処理方法は、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第１分解工程と、第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスを冷却する冷却工程と、冷却工程において冷却されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、冷却工程において冷却されたガスのアンモニア濃度を上昇させるアンモニア混合工程と、ガス混合工程においてアンモニア濃度が上昇したガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程とを含んでも良い。

本発明によれば、効率良くアンモニアを分解することができる、アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる、アンモニア処理システムの構成例を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態にかかる、アンモニア処理システムの外形を示す平面図である。 車載した図２に示すアンモニア処理システムの外形を示す平面図である。 本発明の一実施形態にかかる、触媒層の表面の構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる、触媒層における基材の表面の一部を示す斜視図である。 図５に示す触媒層における基材の全体構造を示す斜視図である。 第１試験の結果を示すグラフである。 （ａ）は第２試験の結果を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に示す結果を説明するための触媒塔Ａの模式図である。 本発明のその他の実施形態にかかる、アンモニア処理システムの構成例を説明するための模式図である。

===アンモニア処理システムの全体構成===
図１、図２、図３を参照しつつ、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１の全体構成について説明する。なお、図１は、アンモニア処理システム１の構成を説明するための模式図である。図２は、アンモニア処理システム１の外形を示す平面図である。図３は、トラック１００に車載したアンモニア処理システム１の外形を示す平面図である。

図１に示すように、アンモニア処理システム１は、加熱装置２と、第１触媒塔３と、冷却器４と、第２触媒塔５と、流量調整装置６Ａ及び６Ｂと、ガス混合器９とを備えている。これらのうち、第１触媒塔３と第２触媒塔５とにおいて、ガスに含まれるアンモニアを分解する。ここで、「アンモニアを分解する」とは、アンモニアを異なる物質に変換することをいう。例えば、４ＮＨ_３＋３Ｏ_２→２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏで示される反応によって、アンモニアを無害な窒素及び水に変換することが好ましい。

アンモニア処理システム１は、図２及び図３に示すように、例えば組み立てられた状態でトラック１００に車載され、火力発電所や下水処理施設等のアンモニアを含有するガスを発生する設備の付近まで運ばれる。そして、アンモニアを貯蔵するアンモニアタンク７内に残留する、アンモニアガスを分解する。
具体的には、アンモニア処理システム１の流量調整装置６Ａおよび６Ｂは、アンモニアタンク７内から供給されるアンモニアガスの流量をそれぞれ調整する。流量が調整されたアンモニアガスは、それぞれ、別の箇所にアンモニアガスを供給する。流量調整装置６Ａによって流量が調整されたアンモニアガスは、空気と混合された後、ブロワ８によってアンモニア処理システム１の加熱装置２に供給される。空気と混合後のアンモニア濃度は、第１触媒塔３におけるアンモニア分解効率を考慮すれば高いことが好ましいが、アンモニアの分解反応は発熱反応であるので、ガスのアンモニア濃度が高いほど、分解反応で生じる発熱量が多くなって触媒塔の温度が上昇しやすく、この結果、環境汚染の原因となるＮＯｘやＮ_２Ｏ等の副生成物の生成率が増大するという問題が生じた。このため、第１触媒塔３の温度が上昇しすぎないように、ガスに含まれるアンモニア濃度を高くなり過ぎないように、流量調整装置６Ａによってアンモニアガスの流量を調整することが好ましい。このように調整するために、例えば、第１触媒塔３から排出されたガスの温度及び／又は組成を測定しながら流量調整装置６Ａを制御することで、アンモニアガスの流量を、適宜調整することができる。
また、流量調整装置６Ｂによって流量が調整されたアンモニアガスは、アンモニア処理システム１のガス混合器９に供給される。流量調整装置６Ｂによって調整されるアンモニアガスの流量は、上記の流量調整装置６Ａの場合と同様に、ガス混合器９によって第１触媒塔３から排気されたガスと混合された後のガスのアンモニア濃度が、第２触媒塔５におけるアンモニアの分解効率を高く保てる程度に高く、第２触媒塔３の温度が上昇しすぎない程度に低くなるように、調整されることが好ましい。アンモニア濃度をこのように調整するために、例えば、第２触媒塔５から排出されたガスの温度及び／又は組成を測定しながら流量調整装置６Ｂを制御することで、アンモニアガスの流量を、適宜調整することができる。
このように、アンモニア処理システム１は、アンモニア処理システム１の２個所に供給されたアンモニアガスを分解処理する。

加熱装置２は、熱交換器２０と、ヒータ２１とを備える。
熱交換器２０は、ブロア８から供給されたアンモニアを含有するガスと、第２触媒塔５から排出されたガスとを熱交換する。これによって、熱交換器２０は、ブロア８から供給されたガスを加熱するとともに、第２触媒塔５から排出されたガスを冷却する。アンモニア処理システム１は、熱交換器２０を備えることによって、第１触媒塔３に供給される前のガスを加熱することができるので、アンモニアを含有するガスを分解処理する際に必要なエネルギーを低減できる。
ヒータ２１は、熱交換器２０での加熱が十分でなかった場合、第１触媒塔３に供給される前のガスを、必要に応じてさらに加熱する。加熱する温度は、第１触媒塔３において、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアの一部のみが分解されるような温度であることが好ましい。
なお、加熱装置２は、第１触媒塔３に供給される前のガスを加熱することができる装置であれば特に限定されず、例えば、熱交換器２０のみであっても良く、ヒータ２１のみであっても良い。
加熱装置２は、第１触媒塔３に供給される前のガスを、第１触媒塔３においてガスに含まれるアンモニアの分解が起こる温度以上に加熱することが好ましい。この際に、第１触媒塔３の温度が、副生成物であるＮＯｘやＮ_２Ｏ等の生成率を低く抑えられる温度を超えないように、第１触媒塔３に供給される前のガスを加熱することがより好ましい。

第１触媒塔３は、第１アンモニア分解触媒層３０を備え、この第１アンモニア分解触媒３０によって、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアの一部を分解する。
本実施形態では、第１触媒塔３が備えるアンモニア分解触媒は、第１アンモニア分解触媒層３０のように層状になっているが、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアと接触することができればどのような形状であっても良く、例えば、第１触媒塔３に供給されたガスの流れに沿った直線状であっても良い。また、本実施形態では、第１触媒塔３は、アンモニア分解触媒として、第１アンモニア分解触媒層３０の１つのみを備えるが、複数のアンモニア分解触媒を備えても良い。アンモニア分解触媒が２つ以上ある場合に、それぞれが、同一の形状および／または組成であっても良く、異なる形状および／または組成であっても良い。

ガス混合器９は、第１触媒塔３から排出されたガスと、流量調整装置６Ｂを通じて供給されたアンモニアガスとを混合する。ガス混合器９は、例えばバルブであっても良い。アンモニア処理システム１は、ガス混合器９を備えることによって、第１触媒塔３において低下した、ガスのアンモニア濃度を再度上昇させることができるため、アンモニア処理システム１全体としてより高濃度のアンモニアを分解処理することが可能となる。

冷却器４は、熱交換器４０と、この熱交換器４０に空気を送風するブロワ４１とを備えている。熱交換器４０は、第１触媒塔３から排出されたガスと、ブロワ４１を介して供給される空気とを熱交換させる。これによって、熱交換器４０は、第１触媒塔３から排出され、第２触媒塔５に供給される前のガスを冷却する。
冷却器４は、第２触媒塔５の温度が、副生成物であるＮＯｘやＮ_２Ｏ等の生成率を低く抑えられる温度になるように、第２触媒塔５に供給される前のガスを冷却することが好ましい。この際に、第２触媒塔５においてガスに含まれるアンモニアの分解が起こる温度を下回らないように冷却することが好ましい。

第２触媒塔５は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２を備え、第２触媒塔５に供給されたガスに含まれる、第１触媒塔３で分解されなかった残りのアンモニアの一部又は全部を分解する。
本実施形態では、第２触媒塔５が備えるアンモニア分解触媒は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２のように層状になっているが、第２触媒塔５に供給されたガスに含まれるアンモニアと接触することができればどのような形状であっても良く、例えば、第２触媒塔５に供給されたガスの流れに沿った直線状であっても良い。また、本実施形態では、第２触媒塔５は、アンモニア分解触媒として、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２の３つを備えるが、アンモニア分解触媒は１つのみであっても良く、複数であっても良い。アンモニア分解触媒が２つ以上ある場合に、それぞれが、同一の形状および／または組成であっても良く、異なる形状および／または組成であっても良い。
なお、本実施形態では、第１触媒塔３の第１アンモニア分解触媒層３０、並びに、第２触媒塔５の第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２は、それぞれ同一の形状および組成であるとし、総称して触媒層とする。この触媒層の詳細については後述する。

このように、本発明に係るアンモニア処理システム１は、アンモニア処理システム１の２個所に供給されたアンモニアを、第１触媒塔３と第２触媒塔５との２段階で分解する。
一般的に、アンモニア処理システムでは、触媒塔に供給するガスのアンモニア濃度を高めて、アンモニアの分解効率を高めることが望まれているが、アンモニアの分解反応は発熱反応であるので、ガスのアンモニア濃度が高いほど、分解反応で生じる発熱量が多くなって触媒塔の温度が上昇しやすく、この結果、環境汚染の原因となるＮＯｘやＮ_２Ｏ等の副生成物の生成率が増大するという問題が生じた。このため、従来の、触媒塔を１つしか備えないアンモニア処理システムでは、副生成物の発生を抑制しつつ、高濃度のアンモニアを分解することは困難であった。
これに対して、本発明にかかるアンモニア処理システム１は、第１触媒塔３において、ガスに含まれるアンモニアの一部のみを分解するので、ガスに含まれるアンモニア全部を分解する場合に比べて、アンモニアの分解反応による発熱量を低減でき、第１触媒塔３の最大温度の上昇を抑制できる。
そして、第１触媒塔３から排出されたガスはアンモニア濃度が低減しているので、第２触媒塔５のアンモニア分解能力に応じて、即ち、第２触媒塔５におけるアンモニアの分解効率を高くしながら、第２触媒塔３の温度が上昇しすぎないアンモニア濃度で、ガス混合器９を用いてアンモニアガスを加えることで、アンモニア濃度を再度上昇させることができる。
アンモニア濃度が上昇したガスを、冷却器４によって冷却してから第２触媒塔５に供給するが、第２触媒塔５に供給されたガスは、第１触媒塔３でアンモニアの一部が分解された後に、ガス混合器９によって適切なアンモニア濃度の調整されているため、アンモニア濃度は、第２触媒塔５のアンモニア分解能力を超えないように調整されている。第２触媒塔５の最大温度は、第２触媒塔５に供給されるガスの温度と、そのガスのアンモニア濃度とに起因して定まることから、第２触媒塔５では、第１触媒塔３においてガスのアンモニア濃度が低減した分及び冷却器４でガスが冷却された分、第２触媒塔５の温度の上昇を抑制できる。
この結果、本発明に係るアンモニア処理システム１では、触媒塔の温度上昇を抑制しながら、第１触媒塔３および第２触媒塔５のいずれにおいても高いアンモニア濃度でアンモニアの分解を行うことが可能となるので、副生成物の発生を抑制しつつ、第１触媒塔３に供給されるガスのアンモニア濃度と第２触媒塔５に供給されるガスのアンモニア濃度との合計（以下、総アンモニア濃度とも記載する）が１．７％を超えるような高濃度のアンモニアを分解できる。

===触媒層について===
<<<触媒層の構成について>>>
図４、図５、及び、図６を参照しつつ、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１の備える触媒層の構成について、第１アンモニア分解触媒層３０を例に挙げて説明する。なお、前述の通り、本実施形態では、第１アンモニア分解触媒層３０、並びに、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２は、それぞれ同一の形状および組成であるため、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２の形状および組成についての説明は省略する。
図４は、第１アンモニア分解触媒層３０の基材３１の表面における多孔質物質３２及び触媒成分３３の構造を説明するための模式図である。図５は、第１アンモニア分解触媒層３０における基材３１の表面の一部を示す斜視図である。図６は、第１アンモニア分解触媒層３０における基材３１の全体構造を示す斜視図である。

図４に示すように、第１アンモニア分解触媒層３０は、基材３１と、多孔質物質３２と、触媒成分３３とを備えている。
多孔質物質３２は、触媒成分３３を担持する。多孔質物質３２は、触媒成分３３を担持できれば特に限定されないが、本実施形態では、酸化アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いている。触媒成分３３は、ガスに含まれるアンモニアを分解することができれば特に限定されないが、Ｐｔ−ＣｕＯ又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌを含有することが好ましく、本実施形態ではＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌを用いている。触媒成分３３がＰｔ−ＣｕＯの場合、例えば白金コロイド溶液に多孔質物質３２を含浸させることで、多孔質物質３２に触媒成分３３を担持させることができる。また、触媒成分３３がＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌの場合、例えば塩化白金酸（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６）水溶液に多孔質物質３２を含浸させることで、多孔質物質３２に触媒成分３３を担持させることができる。
このＰｔ−ＣｕＯ系又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌ系触媒は、例えばＦｅ−Ｍｇ系等の他の触媒に比べて、触媒活性が高く、高濃度のアンモニアに対しても高い分解率を有する。しかし、アンモニアの分解反応が速やかに生じる分、アンモニアを含有する又は含有していたガスの温度が上昇しやすい。しかし、本発明にかかるアンモニア処理システム１では、ガスに含まれるアンモニアの一部を第１触媒塔３において分解した後、第２触媒塔５のアンモニア分解能力に応じて、ガス混合器９を用いて、第１触媒塔３から排出されたガスにアンモニアガスを加えることによってアンモニア濃度を上昇させた後、ガスを冷却器４で冷却してから第２触媒塔５に供給して残りのアンモニアの一部又は全部を分解することで、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の温度上昇を抑制できる。このため、副生成物の発生を抑制しつつ、触媒成分３３を備える触媒層によって、総アンモニア濃度が高いガスを効率的に分解できる。

基材３１は、表面に、触媒成分３３を担持した多孔質物質３２がコーティングされている。基材３１自体は、触媒成分３３を、直接または多孔質物質３２を介して担持することができれば特に限定されないが、本実施形態では、ステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。ここで、図５及び図６を参照しつつ、基材３１の構造について具体的に説明する。基材３１は、シート状のベース部３４と、このベース部３４の一方の表面から立ち上がった複数の突出片３５とを備えている。
ベース部３４は、短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状に形成されている。各突出片３５は、ベース部３４の表面から直交する角度で立ち上がっている。また、ベース部３４における各突出片３５の基端部分には突出片３５と同じ形状の貫通孔３６が形成されている。
基材３１は、突出片３５や貫通孔３６が形成されたベース部３４を、一方の短尺辺を中心として巻回された円柱形状を呈している。本実施形態では、ベース部３４は、突出片３５を備える表面が内側となるように巻回されている。これにより、各突出片３５は、円柱形状の中心軸から放射状に向いて設けられ、半径方向に重なり合うベース部３４の隙間（層間）に介在する。これによって、ベース部３４の隙間は突出片３５の高さ以上の間隔に維持され、通気性が確保される。
なお、本実施形態では、基材３１は、上述のように、ベース部３４の一方の短尺辺を中心として巻回された円柱形状を呈していることとしたが、例えば、複数のベース部３４を重ね合わせた積層構造であることとしてもよい。また、基材３１は、例えば、金属やセラミックス等から形成され、側面を共有する複数の中空の六角柱を蜂の巣状とした、いわゆるハニカム構造であってもよい。

第１アンモニア分解触媒層３０では、第１触媒塔３に供給されたガスを、基材３１の一方の端面側から他方の端面側に向かって流すことで、ガスに含まれるアンモニアが分解される。具体的には、基材３１の層間には、触媒成分３３を担持する多孔質物質３２がコーティングされた突出片３５が介在しているので、ガスが、ベース部３４または突出片３５と衝突する際に、アンモニアを酸化して窒素と水とに分解する。
この際、突出片３５は、ガスの入口側である基材３１の一方の端面側から、ガスの出口側である他方の端面側にわたって異なる位置に多数配置されている。これによって、ガスを流すための流路を基材３１の内部全体に形成でき、基材３１の内部における目詰まりを防止できる。また、突出片３５によって、ガスに対する適度な流路抵抗を与えること、ガスの流れ方向に変化を与えることができる。さらに、貫通孔３６によって、基材３１の内部において層間を跨いで三次元的にガスを流すことができる。従って、第１触媒層３０では、基材３１の内部全体でアンモニアの分解反応を生じさせることができ、ガスに含まれるアンモニアを効率よく分解できる。

本実施形態にかかる第１触媒塔３では、第１アンモニア分解触媒層３０が、基材３１の一方の端面側から他方の端面側に向かってガスが流れるように配置されている。また、第２触媒塔５では、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２が順に、それぞれの基材の一方の端面側から他方の端面側に向かってガスが流れるように直列に配置されている。

<<<触媒層のアンモニア分解特性について>>>
ここで、図７、図８を参照しつつ、本実施形態にかかる触媒層のアンモニア分解特性について説明する。なお、図７は、触媒塔Ａの最大温度とＮＯｘの発生率との関係を示すグラフである。図８（ａ）は、触媒塔Ａに供給されるガスの温度（以下、入口温度とも記載する）と、各触媒層から排出されるガスの温度（以下、出口温度とも記載する）及びアンモニアの分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、触媒塔Ａの模式図である。

先ず、比較例として、触媒塔Ａのアンモニア分解特性について、第１及び第２試験を行った。触媒塔Ａは、第１アンモニア分解触媒層３０、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２を、それぞれの基材の一方の端面側から他方の端面側に向かってガスが流れるように直列に備えている。

第１試験では、触媒塔Ａにおいて、アンモニア濃度が１．０％であるガスに含まれるアンモニアを分解した場合に、アンモニアの分解反応に伴って上昇する触媒塔Ａの最大温度と、副生成物として発生するＮＯｘの発生率との関係を計測した。
この第１試験では、触媒塔Ａに供給されるガスの温度を変化させることで、触媒塔Ａの最大温度を約３４０度〜約３８５度に変化させた。そして、触媒塔Ａから排出されたガスに含まれるＮＯｘの濃度をガス検知管法によって分析し、各最大温度におけるＮＯｘの発生率を算出した。
図７に示す第１試験の結果より、触媒塔Ａの最大温度が上昇するほど、ＮＯｘの発生率も上昇することが示された。また、ＮＯｘの発生率は、触媒塔Ａの最大温度が３８０度以下では３〜５％であるが、３８０度を超えると８％と急激に上昇することが示された。即ち、副生成物の発生を抑制するという観点から、触媒塔Ａの最大温度は３８０度以下とすることが好ましく、３７０度以下とすることがより好ましく、３６０度以下とすることが特に好ましいことが分かった。

第２試験では、触媒塔Ａにおいて、アンモニア濃度が２．０％であるガスに含まれるアンモニアを分解した場合に、触媒塔Ａにおける入口温度と、第１アンモニア分解触媒層３０、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２のそれぞれの出口におけるガスの温度及びアンモニアの分解率との関係を計測した。
この第２試験では、触媒塔Ａにおける入口温度を２５０度、２７５度、及び、３００度にそれぞれ変化させた。そして、この入口温度ごとに、各触媒層における出口温度を測定した。また、入口温度を２５０度とした測定では、第１アンモニア分解触媒層３０及び第２アンモニア分解触媒層５０からそれぞれ排出されたガスのアンモニアの濃度をガス検知管法によって分析してアンモニアの分解率を算出した。同様に、入口温度を２７５度、３００度とした測定では、それぞれ第１アンモニア分解触媒層３０から排出されたガスにおけるアンモニアの分解率を算出した。

図８（ａ）に示す第２試験の結果より、触媒塔Ａの入口温度が高いほど、各触媒層の出口温度も高くなる傾向にあることが示された。また、触媒塔Ａの入口温度が高いほど、触媒塔Ａの入口に近い触媒層（第１アンモニア分解触媒層３０）において、速やかにアンモニアが分解されることが示された。
触媒塔Ａの入口温度を２７５度及び３００度とした場合、触媒塔Ａに供給されたガスが第１アンモニア分解触媒層３０を通過した段階で、ガスに含まれるアンモニアの９０％以上が分解され、ガスの温度も５００度近くまで上昇した。
入口温度を２５０度とした場合、触媒塔Ａに供給されたガスが第１アンモニア分解触媒層３０を通過した段階では、ガスに含まれるアンモニアの分解率は５０％であり、第１アンモニア分解触媒層３０の出口温度も約３５０度である。しかし、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２においてガスに含まれる残りのアンモニアが分解されることで、触媒塔Ａの最大温度は３８０度を超えた。

即ち、第１及び第２試験の結果から、比較例である触媒塔Ａにおいて、アンモニア濃度が２％以上である高濃度のアンモニアを分解する場合、アンモニアの分解反応に伴う副生成物の発生率が非常に高くなることが示された。

===アンモニア処理システムによる処理について===
第１及び第２試験の結果より、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１では、第１アンモニア分解触媒層３０のみを備える第１触媒塔３に、加熱装置２によって例えば約２４０度以上２６０度以下に加熱したガスを供給することが好ましい。これによって、第１触媒塔３の最大温度を３８０度以下に維持しつつ、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアの一部をまず分解することができる。
そして、第１触媒塔３から排出されたガスに、ガス混合器９を用いてアンモニアガスを加えることによってアンモニア濃度を上昇させた後、冷却器４によって例えば約２４０度以上２６０度以下に冷却してから、第２触媒塔５に供給することが好ましい。これによって、第２触媒塔５における入口温度を下げることができ、さらに、ガス混合器９によってアンモニア濃度が調整されているため、第２触媒塔５のアンモニア分解能力を超えない範囲で高濃度のアンモニア濃度を含有するガスを第２触媒塔５に供給できる。これらの結果、第２触媒塔５においても、最大温度を３８０度以下に維持したまま、高濃度のアンモニアを分解できる。
よって、アンモニア処理システム１では、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の入口温度を約２４０度以上２６０度以下とし、さらに、第１触媒塔３から排出され、第２触媒塔５の供給される前のガスにアンモニアガスを加えることで、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度を３８０度以下としながら、第１触媒塔３及び第２触媒塔５のいずれにおいても高濃度のアンモニアを分解することができ、この結果、ガスの総アンモニア濃度が１．７％を超えるような高濃度のアンモニアを分解できる。

次に、本発明に係る、図１に示したアンモニア処理システム１を用いて、総アンモニア濃度が１．７％以上であるガスに含まれるアンモニアを分解する第３試験を行った。
ＳＶ値を２５０００（１／ｈ）としたＲｕｎ１、２７０００（１／ｈ）としたＲｕｎ２、及び、２９０００（１／ｈ）としたＲｕｎ３を行った。各Ｒｕｎにおいて、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の入口温度が２６０度になるように、加熱装置２または冷却器４を用いて、アンモニアを含有するガスを加熱または冷却した。また、出口温度は、３８０度、３７０度または３６０度になるように、流量調整装置６Ａ及び６Ｂを用いて、第１触媒塔３の入口及び第２触媒塔５の入口におけるガスのアンモニア濃度を調整した。
それぞれのＲｕｎについて、第１触媒塔３の入口、第１アンモニア分解触媒層３０の出口、第２触媒塔５の入口、第２アンモニア分解触媒層５０の出口、第３アンモニア分解触媒層５１の出口及び第４アンモニア分解触媒層５２の出口における、ガスに含まれるアンモニアの濃度を測定した。第１アンモニア分解触媒層３０の出口及び第４アンモニア分解触媒層５２の出口においては、ガスに含まれるＮＯｘの濃度も測定した。
Ｒｕｎ１の結果を表１に、Ｒｕｎ２の結果を表２に、そしてＲｕｎ３の結果を表３に示す。

また、表１〜表３の結果から、アンモニア処理システム１に供給した総アンモニア濃度、アンモニア処理システム１からのＮＯｘ発生率、及び、アンモニア処理システム１が処理したアンモニア処理量を算出した。総アンモニア濃度は、第１触媒塔３入口及び第２触媒塔５入口におけるガスのアンモニア濃度の合計値から、第１アンモニア分解触媒層３０の出口におけるアンモニア濃度を引くことによって算出した。ＮＯｘ発生率は、第４アンモニア分解触媒層５２の出口におけるガスのＮＯｘ濃度を、総アンモニア濃度で割ることによって算出した。また、アンモニア処理量は、ＳＶ値と総アンモニア濃度とをかけた値を、１００で割ることによって算出した。
Ｒｕｎ１の算出結果を表４に、Ｒｕｎ２の算出結果を表５に、そしてＲｕｎ３の算出結果を表６に示す。

表１〜表３において、第４アンモニア分解触媒層５２の出口におけるアンモニア濃度が０ｐｐｍであったことから分かるように、アンモニア処理システム１は、ガスの総アンモニア濃度が１．７％以上という高い濃度であっても、全てのアンモニアを分解することができる。
加えて、表４〜６が示すように、アンモニア処理システム１は、高濃度のアンモニアを分解処理しながらも、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最高温度を３８０度以下に抑えることができるので、副生成物であるＮＯｘの発生を低減することができる。具体的には、表４〜６において、最大温度が３６０度であった場合に着目すると、平均して、総アンモニア濃度が１．８％であったのに対してＮＯｘ発生率が５．４％であり、最大温度が３７０度であった場合に着目すると、平均して、総アンモニア濃度が２．０％であったのに対してＮＯｘ発生率が６．８％であり、そして、最大温度が３８０度であった場合に着目すると、平均して、総アンモニア濃度が２．２％であったのに対してＮＯｘ発生率が７．３％であった。これを、比較例である第１試験の結果、即ち、ガスに含まれるアンモニア濃度は１．０％と低かったにも関わらず、ＮＯｘ発生率は、触媒塔Ａの最大温度が３５５度の時で４％、そして、最大温度が３８５度の時で８％であったとの結果と比較すると、アンモニア処理システム１では、分解処理する総アンモニア濃度が１．８倍〜２．２倍と飛躍的に向上しているにも関わらず、ＮＯｘ発生率は０．９倍〜１．３倍に抑えられていることが分かる。

以上のように、アンモニア処理システム１は、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度を抑制しながら、第１触媒塔３および第２触媒塔５のいずれにおいても高いアンモニア濃度でアンモニアの分解を行うことができるので、副生成物の発生を抑制しつつ、総アンモニア濃度が１．７％を超えるような高濃度のアンモニアを分解処理することが可能である。

===アンモニア処理方法について===
本実施形態にかかるアンモニアの処理方法について、説明する。このアンモニア処理方法では、まず、第１のガスに含まれるアンモニアの一部のみを分解する第１分解工程を行う。次に、第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスのアンモニア濃度を上昇させるアンモニア混合工程を行う。アンモニア混合工程後のガスを冷却する冷却工程を行った後に、冷却工程において冷却されたガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程を行う。
また、アンモニア処理方法は、まず、第１のガスに含まれるアンモニアの一部のみを分解する第１分解工程を行い、第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスを冷却する冷却工程を行った後に、冷却工程において冷却されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、冷却工程において冷却されたガスのアンモニア濃度を上昇させるアンモニア混合工程を行い、そして、ガス混合工程においてアンモニア濃度が上昇したガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程を行っても良い。

これらのアンモニアの処理方法では、第１分解工程において、ガスに含まれるアンモニアの一部のみを分解するので、ガスに含まれるアンモニア全部を分解する場合に比べて、アンモニアの分解反応による発熱量を低減でき、第１分解工程における温度の上昇を抑制できる。そして、第１分解工程後のガスはアンモニア濃度が低減しているので、アンモニア混合工程において、第２分解工程で行えるアンモニア分解能力に応じてアンモニアガスを加えることで、アンモニア濃度を再度上昇させることができる。また、第１分解工程におけるアンモニアの分解反応によって温度が上昇したガスを冷却工程において冷却してから、第２分解工程を行うことができる。
よって、アンモニアの処理方法は、第１分解工程及び第２分解工程で温度が上昇することを抑制しながら、第１分解工程及び第２分解工程のいずれにおいても高いアンモニア濃度でアンモニアの分解を行うことが可能となるので、副生成物の発生を抑制しつつ、総アンモニア濃度が高いガスを分解処理できる。

===その他の実施形態について===
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更や改良等が可能であり、また本発明はその等価物も含むものである。
前述したアンモニア処理システム１では、第１触媒塔３及び第２触媒塔５においてガスに含まれるアンモニアを分解する。しかし、本発明に係るアンモニア処理システムは、特にこれに限定されるものではなく、ガスに含まれるアンモニアを３以上の触媒塔において分解してもよい。この場合、全ての触媒塔と触媒塔との間に冷却器を備えることが好ましい。

また、本発明のアンモニア処理システムは、第１触媒塔３が第１流路反転装置１６０を備えることによって、第１触媒塔３に供給されるガスの流路が適宜変更されても良く、及び／又は、第２触媒塔５が第２流路反転装置１７０を備えることによって、第２触媒塔５に供給されるガスの流路が適宜変更されても良い。図９は、第１流路反転装置１６０及び第２流路反転装置１７０を備えるアンモニア処理システム１０の構成例を示す模式図である。

第１流路反転装置１６０は、切替弁１６１，１６２，１６３及び１６４を備える。切替弁１６１，１６２，１６３及び１６４を調整することによって、加熱装置２から供給されたガスを、切替弁１６１、切替弁１６２、第１触媒塔３、切替弁１６３、そして、切替弁１６４の順に通るように調整したり、切替弁１６１、切替弁１６３、第１触媒塔３、切替弁１６２、そして、切替弁１６４の順に通るように調整したりできる。即ち、第１触媒塔３に供給されるガスの流れを、切替弁１６２から切替弁１６３の方向（本明細書においては、この方向を上流から下流とする）にしたり、逆に、切替弁１６３から切替弁１６２の方向（下流から上流）にしたりできる。
第１アンモニア分解触媒層３０に対して、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流し続けると、第１アンモニア分解触媒層３０の上流側が下流側よりも著しく速く劣化してしまうが、アンモニア処理システム１０が第１流路反転装置１６０を備えることによって、第１アンモニア分解触媒層３０に対して、上流から下流への一方方向のみならず、下流から上流への逆方向にもアンモニアを含有するガスを流し、第１アンモニア分解触媒層３０に、上流から下流と下流から上流との両方向からアンモニアを含有するガスを接触させることができ、結果として、第１アンモニア分解触媒層３０全体を有効に使うことが可能である。
これにより、アンモニア処理システム１０は、第１アンモニア分解触媒層３０の分解効率が向上し、アンモニア処理システム１０においてより効率良くアンモニアを分解することが可能となる。さらに、第１アンモニア分解触媒層３０の長寿命化が可能となることから、触媒コストを低減することができる。

また、第２流路反転装置１７０は、切替弁１７１，１７２，１７３及び１７４を備える。切替弁１７１，１７２，１７３及び１７４を調整することによって、冷却器４から供給されたガスを、切替弁１７１、切替弁１７２、第２触媒塔５、切替弁１７３、そして、切替弁１７４の順に通るように調整したり、切替弁１７１、切替弁１７３、第２触媒塔５、切替弁１７２、そして、切替弁１７４の順に通るように調整したりできる。即ち、第２触媒塔５に供給されるガスの流れを、切替弁１７２から切替弁１７３の方向（本明細書においては、この方向を上流から下流とする）にしたり、逆に、切替弁１７３から切替弁１７２の方向（下流から上流）にしたりできる。
第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に対して、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流し続けると、上流側にある第２アンモニア分解触媒層５０が、下流側にある第４アンモニア分解触媒層５２よりも著しく速く劣化してしまうが、アンモニア処理システム１０が第２流路反転装置１７０を備えることによって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に対して、上流から下流への一方方向のみならず、下流から上流への逆方向にもアンモニアを含有するガスを流し、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に、上流から下流と下流から上流との両方向からアンモニアを含有するガスを接触させることができ、結果として、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２全てを均一に使うこと、即ち、有効に使うことが可能である。
これにより、本発明に係るアンモニア処理システム１０は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２の分解効率が向上し、アンモニア処理システム１０においてより効率良くアンモニアを分解することが可能となる。さらに、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２の長寿命化が可能となることから、触媒コストを低減することができる。

なお、本発明のアンモニア処理システムでは、少なくとも、２つの触媒塔を備え、この触媒塔同士の間に冷却器を備え、いずれかの触媒塔と冷却器との間にガス混合器を備えていればよい。
この触媒塔、冷却器及びガス混合器の数は、ガスに含まれるアンモニア濃度や、アンモニア処理システムを持ち運ぶ際の可搬性等に応じて定めることができる。例えば、前述したアンモニア処理システム１のように、トラック１００等に車載する場合には、持ち運びやすいように触媒塔及び冷却器の数が少ない方が好ましい。一方、より高濃度のアンモニアを分解する場合等には、３以上の触媒塔によってより確実に副生成物の発生を抑制しつつ、アンモニアを分解することが好ましい。

１、１０…アンモニア処理システム，２…加熱装置，３…第１触媒塔，４…冷却器，５…第２触媒塔，６Ａ、６Ｂ…流量調整装置，７…アンモニアタンク，８、４１…ブロワ，２０、４０…熱交換器，２１…ヒータ，３０…第１アンモニア分解触媒層，３１…基材，３２…多孔質物質，３３…触媒成分，３４…ベース部，３５…突出片，３６…貫通孔，５０…第２アンモニア分解触媒層，５１…第３アンモニア分解触媒層，５２…第４アンモニア分解触媒層，１００…トラック，１６０…第１流路反転装置，１６１、１６２、１６３、１６４、１７１、１７２、１７３、１７４…切替弁，１７０…第２流路反転装置

Claims (8)

1. アンモニア処理システムであって、
   第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する、第１アンモニア分解触媒を備えた第１触媒塔と、
   第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスのアンモニア濃度を上昇させるガス混合器と、
   前記ガス混合器においてアンモニア濃度が上昇したガスを冷却する冷却器と、
   前記冷却器によって冷却されたガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する、第２アンモニア分解触媒を備えた第２触媒塔とを備える、アンモニア処理システム。
2. アンモニア処理システムであって、
   第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する、第１アンモニア分解触媒を備えた第１触媒塔と、
   第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスを冷却する冷却器と、
   前記冷却器によって冷却されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、冷却されたガスのアンモニア濃度を上昇させるガス混合器と、
   前記ガス混合器においてアンモニア濃度が上昇したガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する、第２アンモニア分解触媒を備えた第２触媒塔とを備える、アンモニア処理システム。
3. 第１触媒塔に供給される第１のガスに含まれるアンモニアの分解が第１触媒塔において起こる温度にまで、第１触媒塔に供給される第１のガスを加熱する加熱装置をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のアンモニア処理システム。
4. 前記加熱装置は、第１触媒塔に供給される第１のガスと、第１触媒塔または第２触媒塔から排出されたガスとを熱交換する、熱交換器を備えることを特徴とする、請求項３に記載のアンモニア処理システム。
5. 第１アンモニア分解触媒及び／又は第２アンモニア分解触媒は、Ｐｔ−ＣｕＯ又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンモニア処理システム。
6. 第１触媒塔を流れるガスの流路を反転させる第１流路反転装置、及び／又は、第２触媒塔を流れるガスの流路を反転させる第２流路反転装置をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンモニア処理システム。
7. 第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第１分解工程と、
   第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスのアンモニア濃度を上昇させるアンモニア混合工程と、
   前記アンモニア混合工程後のガスを冷却する冷却工程と、
   前記冷却工程において冷却されたガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程と
   を含むアンモニア処理方法。
8. 第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第１分解工程と、
   第１分解工程においてアンモニアの一部が分解されたガスを冷却する冷却工程と、
   前記冷却工程において冷却されたガスと、第１のガス又はアンモニアを含有する第２のガスとを混合することによって、前記冷却工程において冷却されたガスのアンモニア濃度を上昇させるアンモニア混合工程と、
   前記ガス混合工程においてアンモニア濃度が上昇したガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程と
   を含むアンモニア処理方法。