JP2018512998A - 選択的非触媒ＮＯｘ還元のための方法およびシステム - Google Patents

選択的非触媒ＮＯｘ還元のための方法およびシステム Download PDF

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Abstract

ＮＯｘを含む排気流を処理する方法であって、排気流を受け取り、それを少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合して、混合流を形成する工程；その混合流を、約８７０℃から約１１００℃に及ぶ反応温度に加熱して、窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させる工程；反応流を第１の冷却工程において第１の温度に冷却する工程；および必要に応じて、反応流を第２の冷却工程において第２の温度にさらに冷却する工程を有してなり、第１の冷却工程が、排気流の少なくとも一部と反応流の少なくとも一部との間の熱交換を含むものである方法が、ここに開示されている。排気処理システムも、ここに開示されている。

Description

関連出願の説明
本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１５年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／１３８７８２号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張するものである。
本開示は、広く、排気流を処理するための方法およびシステムに関し、より詳しくは、ＮＯｘを含む排気流の選択的非触媒ＮＯｘ還元のための方法およびシステムに関する。
いくつか例を挙げると、燃料、冶金、およびガラス加工用途を含む多岐に渡る用途において、環境復旧過程が有用である。数多くのプロセス排出において、汚染物質として、窒素酸化物（ＮＯｘ）が存在し得る。例えば、暖房機、乾燥機、炉、および同様の設備により行われる反応などの燃焼反応は、ＮＯｘ排気を生成し得る。
未処理のＮＯｘ排気は、人間、野生生物、植物、および環境に対して数多くの脅威を示し得る。ＮＯｘへの暴露により、人間および動物において、炎症、拒絶反応、および病気が生じ得る。長期に亘る暴露は致命的になり得る。大気中に放出されるＮＯｘ排気（例えば、ＮＯ、ＮＯ2）は、水と接触した際に分解して、亜硝酸（ＨＮＯ2）および硝酸（ＨＮＯ3）、例えば、酸性雨を生じ、これは、植物および人工建造物に極めて有害であり得る。ＮＯｘ排気（例えば、ＮＯ）は、下層大気中で酸素とも反応して、例えば、反応：ＮＯ＋ＨＣ＋Ｏ2＋日光→ＮＯ2＋Ｏ3により、オゾンを形成し得る。オゾンは、人間および野生動物に対する健康被害をもたらし、植物に損傷をもたらし得る。ＮＯｘ排気（例えば、ＮＯ2）はスモッグにも寄与し得る。スモッグは、日光が、大気中のＮＯ2および未燃焼炭化水素の混合物と接したときに形成し得る。
それゆえ、有害な汚染物質から社会を保護するために、ＮＯｘ排気を減少させるように、京都議定書などの様々な環境規制が導入されてきた。これらの規制が施行される以前は、燃焼過程からの排煙は大気中に直接放出されていた。しかしながら、大気質規制が厳しくなり、大衆の意識が増すにつれて、産業界の指導者達は、ＮＯｘ排気を減少させるための様々な戦略を採用し始めた。これらの戦略の例としては、大気中に排出されるＮＯｘを減少させるための前処理、燃焼改良、工程変更、および後処理戦略が挙げられる。
前処理戦略は、供給材料（例えば、燃料、酸化剤、および／または加熱される材料）を改質または処理して、ＮＯｘ形成の可能性を低下させることを含む。燃焼改良は、過剰な空気レベルの減少または空気の予熱などの、反応過程の変更を含む。工程変更は、設備、焼成速度、および／または熱効率の変更などの、既存の工程に対する変更を含む。最後に、後処理戦略は、排気流がすでに形成された後に、それからＮＯｘを除去することを含み得る。ＣＯ、ＣＨ4、および他の炭化水素、アンモニアなどの還元剤を使用して、ＮＯｘをＮ2ガスに転化することができる。ある場合には、触媒も使用して、そのような反応を促進することができる。
触媒を利用する後処理方法は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）と称されることもある。ＳＣＲは、触媒床内でＮＯｘをＮＨ3と反応させて、Ｎ2およびＨ2Ｏを形成することによって、ＮＯｘ排気を制御することができる。従来の触媒は、例えば、チタンおよび／またはバナジウムの酸化物、および／またはモリブデン、タングステン、または他の元素を含有し得る、卑金属触媒を含み得る。ＳＣＲは、例えば、高い材料コストおよび／または工程の複雑さ、並びに排煙中の汚染物質による触媒の目詰まりまたは触媒被毒の可能性を含む多数の欠点を有し得る。選択的非触媒還元（ＳＮＣＲ）は、工程費用および／または複雑さ、並びに既存の設備を改造する能力に関して、様々な利点を与えるであろう代替方法である。ＳＮＣＲは、窒素ガス（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）、および水（Ｈ2Ｏ）を生成する、アンモニアまたは尿素などの窒素含有試薬のＮＯｘとの反応を含む。例えば、以下の反応により示されるように、尿素は、水と組み合わせ、ＮＯｘ排気を処理するために使用することができ、またはアンモニアは、液体または気体として単独で加えることができる：
ＮＨ2ＣＯＮＨ2＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
この反応機構は、ＮＨ2ラジカルのＮＯ分子への結合およびそれらのその後のＮ2およびＨ2Ｏへの分解を含む。
ＳＮＣＲはＮＯｘ排気の処理にとって都合よいことがあるが、これらの反応にも数多くの制約がある。例えば、ＳＮＣＲ反応は、約８７０℃から約１１００℃の有効温度範囲により制約され得る。約８７０℃より低い温度では、前記試薬とＮＯｘは効果的に反応しないであろう。未反応の試薬は、他の燃焼種と反応して、望ましくない副生成物を形成し得るので、一般に望ましくない。例えば、未反応のアンモニア（しばしば「アンモニアスリップ」と呼ばれる）は、三酸化硫黄（ＳＯ3）などの燃焼種と反応して、アンモニウム塩を形成し得る。約１１００℃を超える温度では、その試薬が分解して、ＮＯｘを還元せずに、むしろそれを形成するであろう。例えば、アンモニアの場合、以下の反応が生じ得る：４ＮＨ3＋５Ｏ2→４ＮＯ＋６Ｈ2Ｏ。
したがって、ＳＮＣＲの効率を最大にし、いずれの潜在的な悪い面も最小にするために、適切な温度帯において十分な滞留時間を維持することが重要であり得る。それゆえ、ＮＯｘを含む排気流を処理するための、効率的であり、費用効果的であり、容易に作動できるプロセスを提供することが都合よいであろう。排ガスを有効温度範囲内の温度に効率的に加熱するための、および／または排出前に排ガスを冷却するための、エネルギー再利用および／または回収特徴をＳＮＣＲ方法に与えることがさらに都合よいであろう。
本開示は、様々な実施の形態において、排気流を処理する方法であって、ＮＯｘを含む排気流を受け取る工程；その排気流を少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合して、混合流を形成する工程；その混合流を、約８７０℃から約１１００℃に及ぶ反応温度に加熱して、窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させる工程；反応流を第１の冷却工程において第１の温度に冷却する工程；および必要に応じて、反応流を第２の冷却工程において第２の温度にさらに冷却する工程を有してなり、第１の冷却工程が、排気流の少なくとも一部と反応流の少なくとも一部との間の熱交換を含むものである方法に関する。
また、排気流を処理する方法であって、ＮＯｘを含む排気流を受け取る工程；その排気流を第１の温度に予熱する工程；その排気流を少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合して、混合流を形成する工程；その混合流を、約８７０℃から約１１００℃に及ぶ反応温度に加熱して、窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させる工程；および反応流を第２の温度に冷却する工程を有してなり、反応流を冷却する工程および排気流を予熱する工程の少なくとも一方が、反応流の少なくとも一部と排気流の少なくとも一部との間の熱交換を含むものである方法も、ここに開示されている。
さらに、ＮＯｘを含む排気流を処理するためのシステムであって、その排気流および少なくとも１種類の窒素含有試薬を含む混合流を反応温度に加熱するための加熱槽；および反応流を第１の温度に冷却するための第１の熱交換器を備え、その第１の熱交換器が、排気流の少なくとも一部と反応流の少なくとも一部との間で熱交換を行うものであるシステムが、ここに開示されている。ここに開示されたシステムは、排気流を受け取り、それを少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合するための槽；ＮＯｘの少なくとも一部を反応させるのに十分な滞留時間に亘り混合流を反応温度に保持するための反応槽；および／または反応流を第２の温度にさらに冷却するための第２の熱交換器をさらに備え得る。
追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者に容易に明白となるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む発明をここに記載されたように実施することによって認識されるであろう。
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、様々な実施の形態を示しており、請求項に記載されたような本発明の性質および特徴を理解するための概要または骨子を提供することが意図されているのが理解されよう。添付図面は、さらなる理解を与えるために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、様々な実施の形態を示しており、説明と共に、本発明の原理および作動を説明する働きをする。
以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号により示される、以下の図面と共に読まれたときに、最もよく理解できる。
反応温度の関数としてのＮＯｘ還元効率を示すグラフ 本開示の様々な実施の形態による排気処理システムを示す説明図
排気流を処理する方法であって、ＮＯｘを含む排気流を受け取る工程；その排気流を少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合して、混合流を形成する工程；その混合流を、約８７０℃から約１１００℃に及ぶ反応温度に加熱して、窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させる工程；反応流を第１の冷却工程において第１の温度に冷却する工程；および必要に応じて、反応流を第２の冷却工程において第２の温度にさらに冷却する工程を有してなり、第１の冷却工程が、排気流の少なくとも一部と反応流の少なくとも一部との間の熱交換を含むものである方法が、ここに開示されている。また、排気流を処理する方法であって、ＮＯｘを含む排気流を受け取る工程；その排気流を第１の温度に予熱する工程；その排気流を少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合して、混合流を形成する工程；その混合流を、約８７０℃から約１１００℃に及ぶ反応温度に加熱して、窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させる工程；および反応流を第２の温度に冷却する工程を有してなり、反応流を冷却する工程および排気流を予熱する工程の少なくとも一方が、反応流の少なくとも一部と排気流の少なくとも一部との間の熱交換を含むものである方法も、ここに開示されている。
ここに用いたように、「ＮＯｘ」、「窒素酸化物」という用語、およびその変種は、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）以外の窒素の酸化物を称することを目的とする。ＮＯｘとしては、いくつか例を挙げると、例えば、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、四酸化二窒素（Ｎ2Ｏ4）、および五酸化窒素（Ｎ2Ｏ5）が挙げられる。特定の実施の形態において、一酸化窒素（ＮＯ）は、５０質量％超のＮＯ、６０質量％超、７０質量％超、８０質量％超、９０質量％超、または９５質量％超のＮＯなどのプロセス排気流の大半を占め得る。理論により束縛する意図はないが、ＮＯｘの形成は、サーマルＮＯｘ、プロンプトＮＯｘ、および原料ＮＯｘの３つの一般に認められている機構により行われ得ると考えられる。
サーマルＮＯｘは、ゼルドビッチ機構：Ｎ2＋Ｏ2→ＮＯ＋ＮＯ2による窒素の酸素との高温反応を表す。１１００℃より高い場合、サーマルＮＯｘは、燃焼過程においてＮＯｘ形成の主要機構であると考えられる。プロンプトＮＯｘは、窒素、酸素、および炭化水素ラジカルの間の比較的速い反応、例えば、ＣＨ4＋Ｏ2＋Ｎ2→ＮＯ＋ＮＯ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋微量種：を表す。プロンプトＮＯｘの形成は、より低い温度で作動する燃焼過程で生じ得、燃料リッチ条件における主要機構であると考えられる。原料ＮＯｘは、原料中に含まれる窒素化合物の直接酸化、例えば、ＲxＮ＋Ｏ2→ＮＯ、ＮＯ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋微量種：を表す。理論により束縛する意図はないが、原料ＮＯｘは、天然ガスまたはプロパンなどの高品質ガス燃料（例えば、元々結合した窒素を持たない燃料）を含む燃料過程、および元々結合した窒素を多量に含有する原料（例えば、硝酸ストロンチウム）を含む過程におけるＮＯｘ形成の主要機構であろうと考えられる。
先に述べたように、ＮＯｘの選択的非触媒還元は、約８７０℃から約１１００℃の反応温度範囲において効率的に進行し得る。図１は、ＥＰＡ Ａｉｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｓｔ Ｍａｎｕａｌ、Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．ＥＰＡ／４５２／Ｂ−０２−００１による、２つの例示の窒素含有反応体に関する反応温度の関数としてのＮＯｘ還元効率を示すグラフである。図１に示されるように、アンモニアおよび尿素の両方が、８７０〜１１００℃の温度範囲において最大のＮＯｘ還元効率を示し、この範囲は、例えば、より低温での反応体とＮＯｘとの間の非効率的な反応およびより高温での反応体の分解により、境界されるであろう。既存の過程において、最適なＮＯｘ還元温度範囲内の温度で排気流を提供することが難しいことがあり得る。大抵、これらの排気流は、排気流の温度を、所望の温度範囲内に上昇させ、維持するために、加熱される必要がある。しかしながら、排気流を予熱するのに必要な追加のエネルギーの投入は費用がかかり、ＳＮＣＲプロセスのエネルギー効率および／または費用効率が悪化し得る。
図２は、本開示の様々な実施の形態による例示の排気処理システムを示す。排気処理のないプロセスでは、ＮＯｘを含む排ガスａを、プロセス排出口Ｖから出口制御ダンパＤ１に通して、汚染対策システムＰＡを通じて大気中にそのまま排出するであろう。しかしながら、本開示による例示のプロセスにおいて、プロセス排出口Ｖを出る排気流ａは、制御ダンパＤ２を通って燃焼器Ｂに向けることができる。必要に応じて温度センサＴを利用して、排気流ａの温度を測定することができる。排気流ａは、燃焼器Ｂに入る前に、反応流ｄの向流によって、熱交換器Ｘ１内で予熱することができる。このように、排気流ａの温度は、熱交換器Ｘ１内で上昇させることができ、予熱された排気流ｂとして出ることができ、これは、次に、燃焼器Ｂ内でさらに加熱することができる。窒素含有反応体Ｒおよび酸素含有流Ｏを含む追加流を、燃焼器Ｂに導入し、予熱された排気流ｂと混合することができる。燃焼器Ｂを出る加熱流ｃは、所望の反応温度範囲（例えば、約８７０〜１１００℃）内の温度（必要に応じて、温度センサＴにより測定される）を有し得る。このように、混合流ｃは、脱ＮＯｘ反応槽ＤＲに進むことができ、その中で、混合流ｃは、排気流中のＮＯｘを少なくともある程度還元するまたは反応させるのに十分な滞留時間に亘り反応温度に保持することができる。次に、反応槽ＤＲを出た反応流ｄは、排気流ａを予熱するために、第１の熱交換器Ｘ１を通過するエネルギー再利用流として使用することができる。流ａおよびｄの間の熱伝達は、排気流を所望の反応温度範囲に予熱するのに必要な追加の外部エネルギーの量を減少させるために、内部エネルギーを再利用することによって、エネルギー節約を提供することができる。
いくつかの実施の形態において、第２の熱交換器Ｘ２を使用して、さらなるエネルギー回収を達成することができる。例えば、第１の熱交換器Ｘ１を出た冷却された反応流ｅは、外部流Ａ１の向流により熱交換器Ｘ２内でさらに冷却することができる。外部流Ａ１は、冷却された反応流ｅから熱エネルギーを吸収することができ、結果として生じた変更流Ａ２を使用して、他のプロセス成分または流を加熱または冷却することができる。このように、ＳＮＣＲプロセスからの追加の熱エネルギーを回収し、使用に役立てることができる。その上、冷却された反応流ｅを冷却して、出口流ｆを形成することができ、これは、大気に排出するのに適したより低い温度を有することが都合よいであろう。
排出前に排気流を冷却する従来の方法のいくつかは、排気流を周囲または冷却ガス流、例えば、周囲空気で希釈して、排気流の温度を低下させることができる。しかしながら、これらの方法は、汚染対策システムＰＡに過剰な体積のガスを流しすぎ得る。熱交換器（Ｘ１、Ｘ２）により反応流（ｄ、ｅ）を冷却することにより、追加のガス量を排気流に、それが排出される前に、加える必要がなくなり、それによって、汚染対策システムＰＡにかかる負荷が減少する。もちろん、特定の実施の形態において、所望であれば、排出前に、排気流を外部流で希釈しても差し支えない。例えば、出口流ｆを外部流Ａ３で希釈して、汚染対策システムＰＡに排出する前に、冷却された出口流ｇを形成しても差し支えない。所望であれば、随意的な温度センサＴを利用して、出口流ｆまたはｇおよび／または外部流Ａ３の温度を測定しても差し支えない。
特定の実施の形態において、排気系全体に亘り、１つ以上の差圧センサＰを利用して、ＳＮＣＲプロセス中の様々な地点での許容値（例えば、水柱約１インチ（約２５０ｋＰａ）を超える）を超えないことを確実にすることができる。差圧が許容できない値まで上昇した場合には、予備熱交換器Ｘ１’およびＸ２’を待機ユニットとして利用しても差し支えない。そのような状況において、流ａ、ｄ、および／またはｅを、流ａ’、ｄ’、および／またはｅ’として、予備熱交換器Ｘ１’およびＸ２’に切り換え、それによって、流ｂ’、および／またはｆ’を生じることができる。例えば、１つ以上の三方弁３Ｖを利用して、例えば、１つ以上の流路を開閉することによって、流ａ、ｂ、ｄ、ｅ、ｆ、ａ’、ｂ’、ｄ’、ｅ’、およびｆ’を所望のように向けることができる。図２において、閉じた弁部分は黒い三角形で示され、閉じた流路は点線で示されている；しかしながら、どのような弁および流路の構成も、関連する工程パラメータに応じて可能であり、本開示の範囲に入ると想定されることを理解すべきである。その上、予備熱交換器Ｘ２’の作動は、予備外部流Ａ１’および予備変更流Ａ２’を含み得る。
様々な実施の形態によれば、プロセス排出口Ｖを出る排気流ａは、ＮＯｘを含み得る。その排気流ａは、例えば、約６００ｐｐｍ（百万分率）から約１２５０ｐｐｍ、または約７５０ｐｐｍから約１０００ｐｐｍのＮＯｘなどの約５００ｐｐｍから約１５００ｐｐｍのＮＯｘ（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）を含み得る。いくつかの実施の形態において、その排気流ａは、約３００ｐｐｍから約１２５０ｐｐｍ、約４００ｐｐｍから約１０００ｐｐｍ、または約５００ｐｐｍから約７５０ｐｐｍのＮＯなどの約２００ｐｐｍから約１５００ｐｐｍのＮＯ（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）を含み得る。排気流ａの温度は、ある場合には、約２００℃から約５００℃、または約３００℃から約４００℃などの約１００℃から約６００℃（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及び得る。排気流ａの流量は、例えば、約１５００ｋｇ／ｈｒから約７５００ｋｇ／ｈｒ、約２０００ｋｇ／ｈｒから約６５００ｋｇ／ｈｒ、または約４５００ｋｇ／ｈｒから約５５００ｋｇ／ｈｒなどの約１０００ｋｇ／ｈｒから約１００００ｋｇ／ｈｒ（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及び得る。
様々な実施の形態によれば、排気流ａの少なくとも一部を、第１の熱交換器Ｘ１に通して、反応流ｄとの熱交換によって予熱することができる。例えば、排気流ａの少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、または１００％を熱交換器Ｘ１に通すことができるような、排気流ａの少なくとも約５０体積％（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）を熱交換器Ｘ１に通すことができる。熱交換後、予熱された排気流ｂは、例えば、約２５０℃から約７５０℃、約３００℃から約７００℃、約４００℃から約６５０℃、または約４５０℃から約５００℃などの約２００℃から約８００℃に及ぶ（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）温度を有し得る。予熱された排気流ｂは、妥当な場合、排気流ａのいずれの残りの部分と混合しても、および／または少なくとも１種類の窒素含有試薬を含む流Ｎおよび／または酸素を含む流Ｏ（例えば、Ｏ2、空気など）と混合しても差し支えない。
前記少なくとも１種類の窒素含有試薬は、例えば、尿素、アンモニア、シアヌル酸、ヒドラジン、同様の窒素含有化合物、およびそれらの組合せから選択することができる。特定の実施の形態において、その窒素含有試薬は尿素であり得、これを水と混合して、水溶液を形成することができる。その水溶液は、ＳＮＣＲプロセス中に反応して、アンモニアを形成することができ、次に、これがＮＯｘと反応して、Ｎ2およびＨ2Ｏを形成することができる。他の実施の形態において、窒素含有試薬として、液体または気体のアンモニアを加えても差し支えない。その窒素含有試薬は、予熱された排気流ｂと直接混合しても、別流として燃焼器Ｂに加えても差し支えない。
前記窒素含有試薬は、所望のＮＯｘ還元レベルを達成するのに適したどの程度の量で加えても差し支えない。標準化学量論比（ＮＳＲ）を使用して、排気流中の試薬とＮＯｘの間のモル比Ｎ／ＮＯｘを記載することができる。例えば、１モルのＮＯｘ毎に１モルのアンモニアが注入される場合、ＮＳＲは１である（１モルのアンモニアが１モルのＮＯｘと反応する）。１モルのＮＯｘ毎に１モルの尿素が注入される場合、ＮＳＲは２である（１モルの尿素が２モルのＮＯｘと反応する）。より大きいＮＳＲが、より多いＮＯｘ還元となり得る；しかしながら、特定の地点で、追加の試薬量は、ＮＯｘ還元に減少した影響しかないであろう。これにより、試薬が浪費され得る、および／または排気流中の試薬が望ましくなく未反応となり得る。様々な実施の形態によれば、ＮＳＲは、約１．５から約２、または約１から約２．５などの約１から約３（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及び得る。
随意的な添加剤を、燃焼器Ｂに入るいずれの流れへの添加剤として、燃焼器Ｂに入る別々の流れとして、予熱流ｂまたは加熱流ｃへの添加剤として、もしくは脱ＮＯｘ反応槽ＤＲに入る別々の流れとしてのいずれで含ませても差し支えない。例えば、ＮＯｘ還元効率を改善するため、設備保全を減少させるため、および／またはＳＮＣＲがその範囲内で効果的である温度帯を広げるため、化学添加剤を加えても差し支えない。水素ガスは、そのような添加剤の非限定的例である。これらの添加剤は、特定の実施の形態において、約２質量％から約３質量％などの約１質量％から約５質量％（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及ぶ量で加えられる。
前記混合流は、燃焼器Ｂ内で所望の反応温度に加熱することができる。例えば、燃焼器Ｂは、約９００℃から約１０５０℃、または約９５０℃から約１０００℃などの約８７０℃から約１１００℃（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及ぶ温度を有する加熱流ｃを生成し得る。次に、加熱流ｃを脱ＮＯｘ反応槽ＤＲに導入し、その中で、例えば、Ｎ2を生成するように、ＮＯｘの少なくとも一部を反応させるのに十分な滞留時間に亘り、選択された反応温度または反応温度範囲に保持することができる。その滞留時間は、例えば、約０．３秒から約２．５秒、約０．５秒から約２秒、または約１秒から約１．５秒などの約０．１秒から約３秒（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及び得る。特定の実施の形態において、その滞留時間は、所望のＮＯｘ還元効率に到達するために、必要に応じて選択することができる。例えば、Ｎ2を形成するために、ＮＯｘの少なくとも約３５質量％、４０質量％、４５質量％、５０質量％、５５質量％、６０質量％、６５質量％、７０質量％、７５質量％、８０質量％、８５質量％、９０質量％、９５質量％、または１００質量％を反応させることができるなど、排気流中のＮＯｘの少なくとも約３０質量％（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）を反応させることができる。少なくとも１種類の窒素含有試薬の少なくとも約５質量％、または少なくとも約１０質量％、１５質量％、２０質量％、２５質量％、３０質量％、約３５質量％、４０質量％、４５質量％、５０質量％、５５質量％、６０質量％、６５質量％、７０質量％、７５質量％、８０質量％、８５質量％、９０質量％、９５質量％、または１００質量％を反応させることができるなど、少なくとも１種類の窒素含有試薬の少なくとも一部をＮＯｘと反応させることができる。
様々な実施の形態によれば、脱ＮＯｘ反応槽を出る反応流ｄの少なくとも一部を第１の熱交換器Ｘ１に導入して、排気流ａに熱エネルギーを再利用することができる。例えば、いくつかの実施の形態において、反応流ｄが、排気流ａの流動方向と反対の方向に流動することができ、向流にあるこれら２つの流れの間に熱交換が行われ得る。流れの向流により、様々な実施の形態において、それらの流れの間の熱伝達率を増加させることができる。もちろん、複数の流れの間の熱交換のための他の構成（同じ流動方向など）も可能であり、本開示の範囲内に入ると想定される。非限定例として、熱エネルギーを排気流ａに伝達するために、反応流ｄの少なくとも６０体積％、少なくとも７０体積％、少なくとも８０体積％、少なくとも９０体積％、または１００体積％などの、反応流ｄの少なくとも約５０体積％（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）を使用することができる。反応流ｄは、約９００℃から約１０００℃に及ぶ、例えば、約９５０℃、１０００℃、１０５０℃、または１１００℃までなどの、約１１００℃まで（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）の温度を有し得る。特定の実施の形態において、反応流ｄを熱交換器Ｘ１内で冷却して、冷却された反応流ｅを生成することができ、これは、約７５０℃から約９００℃、または約８００℃から約８５０℃などの約７００℃から約９００℃、またはある場合には、約７００℃から約９５０℃（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及ぶ温度を有し得る。
冷却された反応流ｅの少なくとも一部を第２の熱交換器Ｘ２内でさらに冷却することができる。特定の実施の形態において、熱交換器Ｘ２内のエネルギー伝達は、例えば、流れの向流により、外部流Ａ１と冷却された反応流ｅとの間で行われ得る。例えば、外部流は、周囲流または冷却流であり得、これは気体または液体であり得る。様々な実施の形態によれば、外部流Ａ１は、周囲または冷却空気または水、もしくは流れを所望の温度に冷却するのに適した任意の他の気体または液体を含み得る。例えば、熱交換器Ｘ２を出る出口流ｆは、約３５０℃から約６００℃、約４００℃から約５５０℃、または約４５０℃から約５００℃などの約３００℃から約５００℃、またはある場合には、約３００℃から約６５０℃（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及ぶ温度を有し得る。変更された外部流Ａ２は、例えば、加熱空気または蒸気として熱交換器Ｘ２を出ることができ、次いで、それは、吸収式冷凍機、熱ポンプ、廃熱ボイラーなどの関連するまたは未関連の後続のプロセスにおけるプロセス流として使用することができる。
出口流ｆは、汚染対策システムＰＡに排出することができる、または例えば、外部流Ａ３で希釈して、排出前にその出口流の温度をさらに低下させることによって、さらに処理して、冷却された出口流ｇを生成することができる。いくつかの非限定的実施の形態において、出口流ｆは、周囲空気で希釈することができる。例えば、外部流を出口流ｆに、約１：１から約１：８、約１：２から約１：７、約１：３から約１：６、または約１：４から約１：５などの約２：１から約１：１０（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及ぶ体積比で加えることができる。冷却された出口流ｇの温度は、非限定的実施の形態において、約５０℃から約３５０℃、約７５℃から約３００℃、約１００℃から約２５０℃、または約１５０℃から約２００などの約２５℃から約４００℃（それらの間の全ての範囲と部分的範囲を含む）に及び得る。
ＮＯｘを含む排気流を処理するためのシステムも、ここに開示されている。図２に戻ると、そのシステムは、排気流および少なくとも１種類の窒素含有試薬を含む混合流を加熱するための加熱槽（例えば、燃焼器Ｂ）を備えることができる。そのシステムは、そのＮＯｘの少なくとも一部を反応させるのに十分な滞留時間に亘り、その混合流を反応温度に保持するための反応槽（例えば、脱ＮＯｘ反応槽ＤＲ）をさらに備えることができる。反応流を第１の温度に冷却するための第１の熱交換器（例えば、Ｘ１）、および必要に応じて、反応流を第２の温度にさらに冷却するための第２の熱交換器（例えば、Ｘ２）が、そのシステムにさらに含まれる。第１の熱交換器Ｘ１は、排気流ａの少なくとも一部と反応流ｄの少なくとも一部との間で熱を交換することができる。第２の熱交換器Ｘ２は、冷却された反応流ｅの少なくとも一部と、外部流Ａ１との間で熱を交換することができる。
ここに開示された方法およびシステムは、ＮＯｘを含む排気流を処理するための従来技術の方法を上回る利点を数多く提供することができる。例えば、反応流の少なくとも一部と、処理すべき排気流の少なくとも一部との間で熱交換を行うことによって、反応流の冷却、および排気流の予熱を含む、二重の目的を達成することができる。ＳＮＣＲプロセス内からの既存の熱エネルギーを使用して排気流を予熱することにより、そうでなければ排気流の温度を所望の反応温度範囲内に上昇させるのに必要であろう加熱負荷を減少させることができる。同様に、流入する排気流を使用して反応流を冷却することにより、反応流を希釈せずに、および／または追加のエネルギーを必要とせずに、汚染対策システムに排出する反応流の温度を減少させることができる。さらに、反応流と外部流との間の追加の熱交換により、反応流のさらなる冷却および他のプロセスに移送できる、反応流からのエネルギーの回収を含む二重の目的を達成することができる。
開示された様々な実施の形態は、特定の実施の形態に関連して記載された特定の特徴、要素または工程を含むであろうと認識されよう。さらに、特定の特徴、要素または工程は、１つの特定の実施の形態に関して記載されているけれでも、説明されていない様々な組合せまたは順序で、代わりの実施の形態と交換してもまたは組み合わせてもよいことが、さらに認識されよう。
ここに用いたように、名詞は、「少なくとも１つ」の対象を指し、その反対であると明白に示されていない限り、「ただ１つ」の対象に限定されないべきであると理解されよう。それゆえ、例えば、「添加剤」への言及は、文脈がそうではないと明白に示していない限り、そのような「添加剤」を２つ以上有する例を含む。
範囲は、「約」１つの特定の値から、および／または「約」別の特定の値までとここに表すことができる。そのような範囲が表された場合、例は、その１つの特定の値から、および／または他方の特定の値まで、を含む。同様に、値が、先行詞「約」を使用して、近似として表されている場合、その特定の値は別の態様を形成することが理解されよう。範囲の各々の端点は、他方の端点に関してと、他方の端点とは関係なくの両方で有意であることがさらに理解されよう。
様々な範囲が、「約」１つ以上の特定の値「より大きい」、または「約」１つ以上の特定の値「より小さい」、および「それらの間の全ての範囲と部分的範囲」としてここに表されている。そのような範囲が表された場合、例は、任意のある特定の値から任意の他方の特定の値まで、および各開示された値の間の全ての他の可能な範囲を含む。
ここに表された全ての数値は、特に明記のない限り、そのように述べられているか否かにかかわらず、「約」を含むとして解釈されるべきである。しかしながら、列挙された各数値は、「約」その値として表されているか否かにかかわらず、同様に、正確に意図されることがさらに理解されよう。それゆえ、「１０００℃超の温度」および「約１０００℃超の温度」の両方とも、「約１０００℃超の温度」並びに「１０００℃超の温度」の実施の形態を含む。
特に明記のない限り、ここに述べられたどの方法も、その工程が特定の順序で行われることを要求すると考えらることは決して意図されていない。したがって、方法の請求項が、その工程がしたがうべき順序を実際に列挙していない、またはその工程が特定の順序に限定されるべきことが請求項または説明に具体的に述べられていない場合、どの特定の順序も推測されることは決して意図されていない。
特定の実施の形態の様々な特徴、要素または工程が、移行句「含む」を使用して開示されているかもしれないが、移行句「からなる」または「から実質的になる」を使用して記載されるかもしれないものを含む、代わりの実施の形態が暗示されることが理解されよう。それゆえ、例えば、Ａ＋Ｂ＋Ｃを含む方法に対して暗示される代わりの実施の形態は、その方法がＡ＋Ｂ＋Ｃからなる実施の形態、およびその方法がＡ＋Ｂ＋Ｃから実質的になる実施の形態を含む。
本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に様々な改変および変更が行えることが当業者に明白であろう。本発明の精神および本質を含む開示された実施の形態の改変、組合せ、下位の組合せおよび変更が当業者に想起されるであろうから、本発明は、付随の特許請求の範囲およびその同等物の範囲に全てを含むと考えるべきである。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
排気流を処理する方法であって、
ＮＯｘを含む排気流を受け取る工程；
前記排気流を少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合して、混合流を形成する工程；
前記混合流を、約８７０℃から約１１００℃に及ぶ反応温度に加熱して、前記窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させる工程；および
その反応流を第１の冷却工程において第１の温度に冷却する工程；
を有してなり、
前記第１の冷却工程が、前記排気流の少なくとも一部と前記反応流の少なくとも一部との間の熱交換を含むものである方法。
実施形態２
前記少なくとも１種類の窒素含有試薬が、アンモニア、尿素、シアヌル酸、ヒドラジン、およびそれらの組合せから選択される、実施形態１に記載の方法。
実施形態３
前記少なくとも１種類の窒素含有試薬と前記排気流中のＮＯｘとの間の標準化学量論比Ｎ／ＮＯｘのモル比が約１から約３に及ぶ、実施形態１または２に記載の方法。
実施形態４
前記混合流が、空気、酸素、水素、およびそれらの組合せから選択される少なくとも１種類の気体をさらに含む、実施形態１から３いずれか１つに記載の方法。
実施形態５
約０．１秒から約３秒に及ぶ滞留時間に亘り前記反応温度を保持する工程をさらに含む、実施形態１から４いずれか１つに記載の方法。
実施形態６
前記排気流中のＮＯｘの少なくとも約３０質量％が反応せしめられる、実施形態１に記載の方法。
実施形態７
前記第１の温度が約７００℃から約９００℃に及ぶ、実施形態１から６いずれか１つに記載の方法。
実施形態８
前記反応流を第２の冷却工程において第２の温度に冷却する工程をさらに含み、該第２の冷却工程が、外部流と前記反応流の少なくとも一部との間の熱交換を含む、実施形態１から７いずれか１つに記載の方法。
実施形態９
前記第２の温度が約３００℃から約５００℃に及ぶ、実施形態８に記載の方法。
実施形態１０
前記外部流が周囲空気を含む、実施形態８に記載の方法。
実施形態１１
前記第１の冷却工程後、前記反応流を第２の外部流と混合する工程をさらに含む、実施形態１から１０いずれか１つに記載の方法。
実施形態１２
前記混合工程の前に、前記排気流を、約２００℃から約８００℃に及ぶ温度に予熱する工程をさらに含む、実施形態１から１１いずれか１つに記載の方法。
実施形態１３
前記排気流が、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、四酸化二窒素（Ｎ2Ｏ4）、五酸化窒素（Ｎ2Ｏ5）、またはそれらの組合せを含む、実施形態１から１２いずれか１つに記載に記載の方法。
実施形態１４
排気流を処理する方法であって、
ＮＯｘを含む排気流を受け取る工程；
前記排気流を第１の温度に予熱する工程；
前記排気流を少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合して、混合流を形成する工程；
前記混合流を、約８７０℃から約１１００℃に及ぶ反応温度に加熱して、前記窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させる工程；および
その反応流を第１の冷却工程において第２の温度に冷却する工程
を有してなり、
前記反応流を冷却する工程および前記排気流を予熱する工程の少なくとも一方が、該反応流の少なくとも一部と該排気流の少なくとも一部との間の熱交換を含むものである方法。
実施形態１５
前記第１の温度が約２００℃から約８００℃に及ぶ、実施形態１４に記載の方法。
実施形態１６
前記少なくとも１種類の窒素含有試薬が、アンモニア、尿素、シアヌル酸、ヒドラジン、およびそれらの組合せから選択される、実施形態１４または１５に記載の方法。
実施形態１７
約０．１秒から約３秒に及ぶ滞留時間に亘り前記反応温度を保持する工程をさらに含む、実施形態１４から１６いずれか１つに記載の方法。
実施形態１８
前記第２の温度が約７００℃から約９００℃に及ぶ、実施形態１４から１７いずれか１つに記載の方法。
実施形態１９
前記反応流を第２の冷却工程において、約３００℃から約５００℃に及ぶ第３の温度に冷却する工程をさらに含む、実施形態１４から１８いずれか１つに記載の方法。
実施形態２０
ＮＯｘを含む排気流を処理するためのシステムであって、
前記排気流および少なくとも１種類の窒素含有試薬を含む混合流を反応温度に加熱するための加熱槽；および
反応流を第１の温度に冷却するための第１の熱交換器
を備え、
前記第１の熱交換器が、前記排気流の少なくとも一部と前記反応流の少なくとも一部との間で熱エネルギーを伝達するものであるシステム。
実施形態２１
前記排気流を受け取り、該排気流を前記少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合するための槽をさらに備える、実施形態２０に記載のシステム。
実施形態２２
前記窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させるのに十分な滞留時間に亘り前記混合流を前記反応温度に保持するための反応槽をさらに備える、実施形態２０または２１に記載のシステム。
実施形態２３
前記反応流を第２の温度にさらに冷却するための第２の熱交換器をさらに備える、実施形態２０から２２いずれか１つに記載のシステム。
Ｖ プロセス排出口
Ｄ１ 出口制御タンパ
Ｄ２ 制御ダンパ
ＰＡ 汚染対策システム
Ｂ 燃焼器
Ｘ１ 第１の熱交換器
Ｘ２ 第２の熱交換器
ＤＲ ＮＯｘ反応槽
Ａ１ 外部流

Claims (15)

  1. 排気流を処理する方法であって、
    ＮＯｘを含む排気流を受け取る工程；
    前記排気流を少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合して、混合流を形成する工程；
    前記混合流を、約８７０℃から約１１００℃に及ぶ反応温度に加熱して、前記窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させる工程；および
    その反応流を第１の冷却工程において第１の温度に冷却する工程；
    を有してなり、
    前記第１の冷却工程が、前記排気流の少なくとも一部と前記反応流の少なくとも一部との間の熱交換を含むものである方法。
  2. 前記少なくとも１種類の窒素含有試薬が、アンモニア、尿素、シアヌル酸、ヒドラジン、およびそれらの組合せから選択される、請求項１記載の方法。
  3. 前記少なくとも１種類の窒素含有試薬と前記排気流中のＮＯｘとの間の標準化学量論比Ｎ／ＮＯｘのモル比が約１から約３に及ぶ、請求項１または２記載の方法。
  4. 前記混合流が、空気、酸素、水素、およびそれらの組合せから選択される少なくとも１種類の気体をさらに含む、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
  5. 約０．１秒から約３秒に及ぶ滞留時間に亘り前記反応温度を保持する工程をさらに含む、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
  6. 前記排気流中のＮＯｘの少なくとも約３０質量％が反応せしめられる、請求項１記載の方法。
  7. 前記第１の温度が約７００℃から約９００℃に及ぶ、請求項１から６いずれか１項記載の方法。
  8. 前記反応流を第２の冷却工程において第２の温度に冷却する工程をさらに含み、該第２の冷却工程が、外部流と前記反応流の少なくとも一部との間の熱交換を含む、請求項１から７いずれか１項記載の方法。
  9. 前記第１の冷却工程後、前記反応流を第２の外部流と混合する工程をさらに含む、請求項１から８いずれか１項記載の方法。
  10. 前記混合工程の前に、前記排気流を、約２００℃から約８００℃に及ぶ温度に予熱する工程をさらに含む、請求項１から９いずれか１項記載の方法。
  11. 前記排気流が、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、四酸化二窒素（Ｎ2Ｏ4）、五酸化窒素（Ｎ2Ｏ5）、またはそれらの組合せを含む、請求項１から１０いずれか１項記載に記載の方法。
  12. ＮＯｘを含む排気流を処理するためのシステムであって、
    前記排気流および少なくとも１種類の窒素含有試薬を含む混合流を反応温度に加熱するための加熱槽；および
    反応流を第１の温度に冷却するための第１の熱交換器
    を備え、
    前記第１の熱交換器が、前記排気流の少なくとも一部と前記反応流の少なくとも一部との間で熱エネルギーを伝達するものであるシステム。
  13. 前記排気流を受け取り、該排気流を前記少なくとも１種類の窒素含有試薬と混合するための槽をさらに備える、請求項１２記載のシステム。
  14. 前記窒素含有試薬の少なくとも一部を反応させるのに十分な滞留時間に亘り前記混合流を前記反応温度に保持するための反応槽をさらに備える、請求項１２または１３記載のシステム。
  15. 前記反応流を第２の温度にさらに冷却するための第２の熱交換器をさらに備える、請求項１２から１４いずれか１項記載のシステム。
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