JP2013202600A - 排ガス浄化方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】尿素を還元剤として燃焼排ガス中に供給して、脱硝触媒の存在下に排ガス中の窒素酸化物を接触還元する排ガス浄化方法であって、排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させるように尿素供給量を制御する。
【選択図】図2
Description
発明者は、実験的および理論的検討を進めたところ、200℃以下の低温でも、触媒上に吸着した尿素は徐々に分解するため、尿素水を用いて窒素酸化物を接触的に還元できることを見出した。ただし、その分解速度がきわめて遅く、かつ分解速度の温度依存性が大きいために、温度が変動する条件では、リークアンモニアが増大したり、脱硝率が著しく低下したりする問題がある。
ここで、排ガスの温度が低い場合、尿素の分解速度が減少するため、還元剤となるアンモニアの生成量が不足して、脱硝率が低下する。
この状態が維持されると、時間の経過とともに、低下後の温度において分解による減少量と供給量が均衡する量まで尿素堆積量が増加する。
以上の知見に基づいて完成された前記目的を達成するための本発明の排ガス浄化方法の特徴構成は、
尿素を還元剤として燃焼排ガス中に供給して、脱硝触媒の存在下に排ガス中の窒素酸化物を接触還元する排ガス浄化方法であって、
排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させるように尿素供給量を制御する点にある。
この発明によれば、排ガス温度が150〜250℃の低温領域であるから尿素が堆積されやすい状況にある。この状況から排ガス温度の時間微分値が大きくなると、排ガス温度が上昇傾向になっていることになるから、触媒上に堆積していた尿素が急激に分解し始めアンモニアの生成量が増加し始める。このタイミングで尿素供給量を減少させれば、触媒上に堆積した尿素から発生するアンモニアの増加分と添加される尿素から発生するアンモニアの減少分を相殺することができ、排ガス温度上昇に伴う尿素分解速度の増加によるリークアンモニアの増加を抑制できる。
また、本発明の排ガス浄化装置の特徴構成は、
尿素を還元剤として燃焼排ガス中に供給して、脱硝触媒の存在下に排ガス中の窒素酸化物を接触還元する排ガス浄化装置であって、
排ガス温度の検知手段および排ガス中に尿素水を添加する尿素水供給装置を備え、
排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度の時間微分値を計算し、この値に応じて、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きい場合には、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さい場合には、尿素供給量を増加させる尿素供給量を求める演算手段を備えた点にある。
上記排ガス浄化装置は、排ガス温度の検知手段および排ガス中に尿素水を添加する尿素水供給装置を備えるから排ガス温度に基づき尿素水の供給量を設定することができる。
なお、前記脱硝触媒が、酸化チタン担体にバナジウムおよびタングステンを担持してなる脱硝触媒であってもよい。
上記脱硝触媒は、尿素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を接触還元する能力が高く、上記排ガス浄化方法によって高い脱硝効率を発揮させやすい。
排ガス浄化装置は、図2に示すように、燃焼装置1からの排ガスを排出するための排ガス路2に設けられ、前記排ガス路2に流通する排ガスに尿素水を供給する尿素水供給装置3と、前記尿素水に含まれる尿素の分解反応によって生じたアンモニアを前記排ガス中に含まれる窒素酸化物と反応させ無害化するための脱硝触媒4を備えるとともに、前記脱硝触媒4に供給される排ガスの温度を検知する検知手段としての温度センサ5と、前記温度センサ5からの出力に基づき排ガス温度の時間微分値を計算し、この値に応じて、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させる尿素供給量を求める演算手段61を備えるとともに、求められた尿素供給量に基づいて尿素水の供給量を制御する制御装置6を備える。
本発明が対象とする燃焼排ガスは、燃料の種類や燃焼装置1の種類を問わないが、天然ガスや液化石油ガスなどの気体燃料を燃料とする燃焼装置1の排ガスであることが好ましい。これは、250℃以下の低温域における脱硝反応を行う際に、排ガス中のSOx濃度が高いと酸性硫安(NH4HSO4)の析出による触媒の閉塞が発生する可能性があるためであり、この点で気体燃料は燃料中のS分が少なく懸念が少ないためである。
燃焼排ガス中のSOx濃度は、3ppm以下である必要があり、好ましくは1ppm以下である。
燃焼排ガス中の酸素濃度は、あまりに低いと脱硝反応の進行が遅くなることから、体積基準で1%以上であることが好ましく、通常は2〜15%の範囲である。
本発明で用いる脱硝触媒4は、好適には、酸化チタン担体にバナジウムおよびタングステンを活性金属として担持してなる脱硝触媒を用いる。なお、担体や活性金属、さらに付加的に添加される添加成分については、種々公知のものを適用することができる。触媒の形状は、ペレットやハニカムなどその形状を問わないが、圧力損失を低減する上では、ハニカム形状が好ましい。このような脱硝触媒4としては、市販のアンモニア脱硝用の触媒を用いることができる。
尿素水供給装置3は、尿素水を貯留する尿素水タンク31を備えるとともに、前記排ガス路2に尿素水を噴霧する噴霧部32を備え、前記尿素水タンク31から前記噴霧部32に尿素水を供給する供給路33に供給弁34を設けるとともに、前記供給弁34を制御装置6からの制御信号に基づき開度調整制御可能に構成してある。
基準となる尿素の供給量(排ガス温度の変動がない場合の供給量)A(モル/秒)は、排ガス流量および排ガス中の窒素酸化物濃度から求められる単位時間あたりの窒素酸化物流量B(モル/秒)に対して、30〜45%の値とする。この値を大きくするほど、脱硝率は向上するが、アンモニアのリーク量が増大する懸念がある。
排ガス温度の測定は、排ガス流路に挿入した熱電対などの温度センサ5に行うことができる。温度センサ5は、できるだけ脱硝触媒4に近接して設けるのが好ましく、脱硝触媒4の中に挿入してもよいが、脱硝触媒4の層の直前または直後に設けてもよい。
前記制御装置6は、温度センサ5の出力を受け取りその経時変化から排ガス温度の時間微分値を算出するとともに、あらかじめ記憶している排ガス温度の時間微分値と尿素水供給量との関係式から尿素水供給量を求める演算手段61を備え、求められた尿素水供給量に基づき前記供給弁34の開度を調整する制御を行う構成となっている。
なお、以下の例では、脱硝触媒4の量は、脱硝反応を完結させるに足る十分な量が存在するものとして、尿素分解により生じたアンモニアの量に応じて定量的に窒素酸化物が低減されるとともに、窒素酸化物の量より多い過剰のアンモニアはリークアンモニアとして放出されるものとし、尿素の分解速度は図1に従うものとする。
都市ガス燃料の燃焼炉の排ガス(流量:135Nm3/h、NOx濃度120ppm、酸素濃度8%)に20%尿素水を1.6g/分の流量で添加し、チタニア担体にバナジウムおよびタングステンを担持した脱硝触媒(堺化学工業製SCN.207)45リットルに通じた。
20%尿素水の流量を温度降下中は2.4g/分、温度上昇中は0.8g/分とした他は比較例と同様に1.6g/分の尿素水を添加して触媒出口側のNOx濃度を測定した。具体的には、排ガス温度が安定して200℃であった初期には、1.6g/分の尿素水を添加、ついで、排ガス温度が徐々に170℃まで低下する8分〜28分には2.4g/分、排ガス温度が170℃で安定している28分から48分までの間は、1.6g/分、その後、排ガス温度が上昇して200℃に復帰するまでの48分から68分までの間は、0.8g/分で尿素水を添加する制御を行った。結果を図10に示す。比較例の場合とは異なり、NOx濃度はピークでも30ppm(脱硝率75%程度)にとどまり、脱硝効率が高く維持されていることがわかった。また、この際リークアンモニアは検出されず、本発明の方法にしたがって尿素供給量を制御することで、脱硝率を安定に維持できる効果が得られることがあきらかである。
2 :排ガス路
3 :尿素水供給装置
31 :尿素水タンク
32 :噴霧部
33 :供給路
34 :供給弁
4 :脱硝触媒
5 :温度センサ
6 :制御装置
61 :演算手段
Claims (3)
- 尿素を還元剤として燃焼排ガス中に供給して、脱硝触媒の存在下に排ガス中の窒素酸化物を接触還元する排ガス浄化方法であって、
排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させるように尿素供給量を制御する排ガス浄化方法。 - 尿素を還元剤として燃焼排ガス中に供給して、脱硝触媒の存在下に排ガス中の窒素酸化物を接触還元する排ガス浄化装置であって、
排ガス温度の検知手段および排ガス中に尿素水を添加する尿素水供給装置を備え、
排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度の時間微分値を計算し、この値に応じて、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させる尿素供給量を求める演算手段を備えた排ガス浄化装置。 - 前記脱硝触媒が、酸化チタン担体にバナジウムおよびタングステンを担持してなるものである請求項2に記載の排ガス浄化装置。
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