JP2023026798A - アンモニアエンジンの排ガス処理システム及びアンモニアエンジンの排ガス処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】新たなアンモニアエンジンの排ガス処理システムを提供すること。【解決手段】第一の触媒としてPt及びゼオライトを含む触媒層を備える酸化触媒と、第二の触媒としてCu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える脱硝触媒と、を備えるアンモニアエンジンの排ガス処理システム。【選択図】図1
Description
本開示は、アンモニアエンジンからの排ガスを処理するための排ガス処理システム及びこれを用いた排ガス処理方法に関する。
重油や軽油等の燃料油を主燃料とする船舶用ディーゼルエンジンとして、カーボンフリーであるアンモニアを混焼させ、温室効果ガスである二酸化炭素削減を図るアンモニアエンジンが知られている(例えば、特許文献1)。
アンモニア(NH3)を燃焼するとNOx及びN2Oが副生される。NOxは公害を引き起こすガスであり、またN2Oは比較的無害であるが温暖化係数がCO2の310倍であるため、これら窒素酸化物への対処が求められる。また、アンモニアエンジン排ガスには燃焼反応にて消費されなかったアンモニアが含まれる場合があり、このアンモニアへの対処も併せて求められる。アンモニアエンジンの普及には、排ガスに含まれるNOx及びN2Oと、アンモニアとを好適に処理することのできる新たな排ガス処理システムが必要である。
本開示は、新たなアンモニアエンジンの排ガス処理システムを提供することを目的とする。また、本開示は、新たなアンモニアエンジンの排ガス処理方法を提供することを目的とする。
本開示の一側面はアンモニアエンジンの排ガス処理システムに関する。このアンモニアエンジンの排ガス処理システムは、第一の触媒としてPt及びゼオライトを含む触媒層を備える酸化触媒と、第二の触媒としてCu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える脱硝触媒と、を備える。アンモニアエンジンの排ガスは、このアンモニアエンジンの排ガス処理システムの第一の触媒及び第二の触媒を順に透過することで処理される。
上記排ガス処理システムによれば、前段側の酸化触媒にてアンモニアを燃焼させ、後段側の脱硝触媒にてNOx及びN2Oの還元を行うことで、アンモニアエンジンからの排ガスを好適に処理することができる。このシステムは、前段側の酸化触媒にてアンモニアの燃焼により生じる高温を利用して、後段側の脱硝触媒にて窒素酸化物を適切に処理するものである。
本開示の一側面はアンモニアエンジンの排ガス処理方法に関する。このアンモニアエンジンの排ガス処理方法は、アンモニアエンジンの排ガスを、上記のシステムの第一の触媒に接触させる第一の接触工程と、第一の接触工程により生じる生成ガスを、第二の触媒に接触させる第二の接触工程と、を備える。
本開示によれば、新たなアンモニアエンジンの排ガス処理システムを提供することができる。また、本開示によれば、新たなアンモニアエンジンの排ガス処理方法を提供することができる。
<用語の定義>
本明細書で用いる用語の意味は、特に断らない限り以下のとおりである。
・アンモニア分解率:触媒に接触する前と接触した後の排ガス中のアンモニア濃度の比率(%)を表す。
・NOX生成率:触媒に接触する前の排ガス中のアンモニア濃度に対する、接触後の排ガス中に生成したNOX濃度の比率(%)を表す。
・N2O生成率:触媒に接触する前の排ガス中のアンモニア濃度に対する、接触後の排ガス中に生成したN2Oの比率(%)を表す。
・窒素酸化物:NOXとN2Oの両方を指し、NOX等と表現することがある。
・N2選択率:アンモニア分解率から、触媒に接触後の排ガス中NOX等の生成率を差し引いた数値を表す。すなわち触媒に接触する前のアンモニアのうち、N2に転化した割合である。
本明細書で用いる用語の意味は、特に断らない限り以下のとおりである。
・アンモニア分解率:触媒に接触する前と接触した後の排ガス中のアンモニア濃度の比率(%)を表す。
・NOX生成率:触媒に接触する前の排ガス中のアンモニア濃度に対する、接触後の排ガス中に生成したNOX濃度の比率(%)を表す。
・N2O生成率:触媒に接触する前の排ガス中のアンモニア濃度に対する、接触後の排ガス中に生成したN2Oの比率(%)を表す。
・窒素酸化物:NOXとN2Oの両方を指し、NOX等と表現することがある。
・N2選択率:アンモニア分解率から、触媒に接触後の排ガス中NOX等の生成率を差し引いた数値を表す。すなわち触媒に接触する前のアンモニアのうち、N2に転化した割合である。
以下、本開示の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
<アンモニアエンジンの排ガス処理システム>
図1は、一実施形態に係るアンモニアエンジンの排ガス処理システムの概要を示す図である。同図に示されるように、排ガス処理システム10は、第一の触媒として酸化触媒1と、第二の触媒として脱硝触媒2と、を備える。排ガスGiは、酸化触媒1及び脱硝触媒2により順に処理されて処理ガスGpとなる。排ガス処理システムは、酸化触媒及び脱硝触媒を備える排ガス処理用複合触媒ということができる。
図1は、一実施形態に係るアンモニアエンジンの排ガス処理システムの概要を示す図である。同図に示されるように、排ガス処理システム10は、第一の触媒として酸化触媒1と、第二の触媒として脱硝触媒2と、を備える。排ガスGiは、酸化触媒1及び脱硝触媒2により順に処理されて処理ガスGpとなる。排ガス処理システムは、酸化触媒及び脱硝触媒を備える排ガス処理用複合触媒ということができる。
排ガス処理システムは、ガス風量の変動、ガス濃度の変動、触媒の性能低下等が生じた場合でも適切な処理能力を担保する観点から、第三の触媒として、Pt及びゼオライトを含む触媒層を備える他の酸化触媒を更に備えてよい。また、第四の触媒として、Cu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える他の脱硝触媒を更に備えてよい。さらに、第五の触媒として、Pt及びゼオライトを含む触媒層を備える他の酸化触媒を更に備えてよい。このように、排ガス処理システムは、酸化触媒及び脱硝触媒を交互に備えることができる。各酸化触媒同士、或いは脱硝触媒同士は、同一であっていてもよく異なっていてもよい。
[酸化触媒]
酸化触媒は、Pt及びゼオライトを含む触媒層を備える。酸化触媒は、具体的には支持体と、支持体の表面上に設けられた酸化触媒層を備える。酸化触媒はアンモニア分解触媒ということができる。
酸化触媒は、Pt及びゼオライトを含む触媒層を備える。酸化触媒は、具体的には支持体と、支持体の表面上に設けられた酸化触媒層を備える。酸化触媒はアンモニア分解触媒ということができる。
(支持体)
支持体Sは、ガス流通時に発生する差圧が小さく、ガスとの接触面積が大きい形状を有することが好ましい。支持体Sの具体例として、ハニカム、シート、メッシュ、繊維、パイプ、フィルター、球体などが挙げられる。支持体の材質は、例えば、コージライト、アルミナ等公知の触媒担体、炭素繊維、金属繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、チタン、アルミニウム、ステンレス等の金属である。
支持体Sは、ガス流通時に発生する差圧が小さく、ガスとの接触面積が大きい形状を有することが好ましい。支持体Sの具体例として、ハニカム、シート、メッシュ、繊維、パイプ、フィルター、球体などが挙げられる。支持体の材質は、例えば、コージライト、アルミナ等公知の触媒担体、炭素繊維、金属繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、チタン、アルミニウム、ステンレス等の金属である。
(酸化触媒層)
酸化触媒層は、下層(第一の層)と、下層の表面上に設けられた上層(第二の層)とを備えることができる。下層は、Ptと、無機酸化物と、場合によりリンと、第一のプロトン型ゼオライト又はCu、CoもしくはFeイオンとイオン交換された第一のイオン交換型ゼオライトとを含む。下層は支持体Sの表面上に設けられている。下層の厚さは、好ましくは10~200μmであり、より好ましくは30~100μmである。下層において下記式(1)で表される酸化反応が主に進行するとともに、下記式(2)で表される脱硝反応も進行する。
xNH3+O2→yNO+zN2O+2H2O・・・(1)
2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
酸化触媒層は、下層(第一の層)と、下層の表面上に設けられた上層(第二の層)とを備えることができる。下層は、Ptと、無機酸化物と、場合によりリンと、第一のプロトン型ゼオライト又はCu、CoもしくはFeイオンとイオン交換された第一のイオン交換型ゼオライトとを含む。下層は支持体Sの表面上に設けられている。下層の厚さは、好ましくは10~200μmであり、より好ましくは30~100μmである。下層において下記式(1)で表される酸化反応が主に進行するとともに、下記式(2)で表される脱硝反応も進行する。
xNH3+O2→yNO+zN2O+2H2O・・・(1)
2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
下層はPtを含有している。Ptは分解活性及びN2選択率の向上効果を有する。Ptを含有することにより、NOx及びN2Oの生成を抑制できる。下層は、Pt以外の貴金属(Pd、Ir、Rh及びこれらの複合物等)を更に含有していてもよい。
Ptの含有量は、下層に含まれるPt、無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの合計量を基準として、好ましくは0.3~10質量%であり、より好ましくは0.5~8質量%である。Ptの担持量は、触媒容積に対して、好ましくは0.03~1g/Lであり、より好ましくは0.1~0.9g/Lであり、更に好ましくは0.15~0.8g/Lである。Ptの量が上記範囲内であると、アンモニア分解率、NOX生成率及びN2O生成率に関してより良好な結果が得られる。
下層は無機酸化物を含有することができる。
第一の無機酸化物としては、Ptの作用を向上させ、かつPtの担体としても機能するチタニア(TiO2)、ジルコニア(ZrO2)、シリカ(SiO2)、アルミナ、並びに、セリア・ジルコニアの複合酸化物及び固溶体(CeO2・ZrO2で表され、CeO2:ZrO2モル比は1:3~3:1である)等が挙げられる。これらのうち、一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。第一の無機酸化物は、Ptの作用、すなわち分解活性の向上、とりわけ長期間使用中における分解活性の持続性向上に寄与する。上記無機酸化物の中でも、特にTiO2、ZrO2及びセリア・ジルコニア(複合酸化物又は固溶体)は長期間使用における分解活性の持続効果が優れている。
第一の無機酸化物の含有量は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの合計量を基準として、好ましくは5~50質量%であり、より好ましくは10~35質量%である。第一の無機酸化物の担持量は、触媒容積に対して、好ましくは1~50g/Lであり、より好ましくは5~20g/Lである。第一の無機酸化物の量が上記範囲内であると、アンモニア分解率、NOX生成率及びN2O生成率に関してより良好な結果が得られる。
第一の無機酸化物は、Ptを担持させた状態で、触媒中に含有させることができる。例えば、TiO2粒子に0.1~10質量%(TiO2の質量基準)のPtを予め担持した粒子(これをPt/TiO2と表現する。)を用意しておいて、該粒子を他の成分と混合することにより、Ptと第一の無機酸化物とを含有した触媒組成物を調製することができる。
第一の無機酸化物は、触媒組成物中におけるPtの機能をより有効に発揮させる観点から、粒子状であることが好ましい。第一の無機酸化物の平均粒径は、例えば、0.1~100μmである。ここで粒径とは、二次粒子の大きさであり、SEMで観察したときの長径の長さである。平均粒径とは、少なくとも10個の粒子についてSEMを用いて長径を測定したときの平均値である。
第一の無機酸化物として、TiO2粒子を用いる場合、TiO2粒子のBET比表面積は、好ましくは50m2/g以上であり、より好ましくは200m2/g以上である。第一の無機酸化物として、ZrO2粒子を用いる場合、比表面積が10m2/g以上の多孔質のZrO2粒子を用いることが好ましい。なお、ZrO2は、単斜晶系、正方晶系及び立方晶系のいずれであってもよい。また、複合系のZrO2(例えば、ZrO2・nCeO2、ZrO2・nSiO2、ZrO2・nTiO2、nは概して0.25~0.75)を用いてもよい。第一の無機酸化物として、SiO2を用いる場合、ゼオライト構造を有する高シリカゼオライト(例えば、モルデナイト)を用いることが好ましい。
第二の無機酸化物としては、分解活性とN2選択率を高く維持する機能を有する銅酸化物が挙げられる。銅酸化物は、銅を含む酸化物を指し、銅含有複合酸化物を含む。銅酸化物としては、一般式CuOx(0.45≦x≦1.1)の組成式で表される銅酸化物が挙げられる。典型的にはCuO及びCu2Oであり、ホプカライト等の銅含有複合酸化物で存在する銅酸化物を含む。
銅酸化物の含有量は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの重量の合計を100質量部とすると、1~30質量部が好ましく、5~10質量部より好ましい。銅酸化物の割合が1質量部未満では、NOX等の生成が増加し、結果としてN2選択率が低下する場合があり、一方、銅酸化物の割合が30質量部を超えると、相対的にゼオライトの割合が少なくなり、分解率が低下する場合がある。また、銅酸化物の担持量は、触媒容積に対して0.5~20g/Lが好ましく、5~10g/Lがより好ましい。上記の範囲内であると、NOXの生成率、N2選択率及びアンモニア分解率に関して、より良好な結果を得ることができる。
銅酸化物は、ゼオライト及び第一の無機酸化物と共に、触媒中で均一に混合される。他成分の粒子との共存下で触媒作用を発揮するため、他の成分との均一分散の面から、その平均粒径は0.1μm~100μmが好ましい。
第三の無機酸化物としては、無機バインダーとしての機能を有する、コロイダルシリカ、シリカゾル、アルミナゾル、ケイ酸ゾル、チタニアゾル、ベーマイト、白土、カオリン、セピオライト等が挙げられる。
下層にリンを含有させる場合、使用できるリン含有化合物としては、リン酸(H3PO4)、メタリン酸、リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)、第二リン酸アンモニウム((NH4)2HPO4)等の水溶性のリン酸、これらのNa塩、K塩、アンモニウム塩等の無機塩又は有機酸エステルが例示される。
リンの含有量は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、リン及びゼオライトの重量の合計に対して0.1~10質量%が好ましく、1~5質量%がより好ましい。また、リンの担持量は、触媒容積に対して0.1~10g/Lが好ましく、0.5~5g/Lがより好ましい。
リンの含有量及び担持量が上述の範囲より低すぎると、耐久性の向上効果が不十分となる場合があり、リンの含有量及び担持量が上述の範囲より高すぎると、初期活性が低下する場合がある。
ゼオライトは天然品であっても合成品であってもよい。プロトン型ゼオライトとしては、モルデナイト、エリオナイト、フェリエライト、チャバサイト、X型ゼオライト、β型ゼオライト、MFI型ゼオライト、Y型ゼオライト、SAPO等が挙げられる。プロトン型ゼオライトは、脱硝反応が固体酸点で進行する観点から、β型ゼオライトであってもよい。これらのゼオライトはプロトン型(H型)の他、Cu、Co又はFeとイオン交換したイオン交換型ゼオライトであってもよい。プロトン型ゼオライトは、耐水熱性の観点からCHA型構造を有するゼオライトであってもよい。CHA型構造は、三次元の細孔構造を有する。CHA型構造のゼオライトとして、プロトン型(H型)の他、Cu、Co又はFeとイオン交換したイオン交換型ゼオライトを用いることができる。イオン交換量はゼオライト質量の1.0~6.0質量%が好ましく、1.5~5.0質量%がより好ましい。これらのゼオライトの一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。
ゼオライトは粒子状であることが好ましい。ゼオライトの平均粒径は、例えば、0.1~5.0μmである。ここで粒径とは、ゼオライト結晶の大きさであり、SEMで観察したときの長径の長さである。平均粒径とは、少なくとも10個の粒子についてSEMを用いて長径を測定したときの平均値である。
NOXの抑制性能及び耐久性の観点から、ゼオライトとしてCuイオン交換型ゼオライトが好ましい。また、CHA型構造を有するゼオライトとして、Cuイオン交換CHA型ゼオライトを使用することが好ましく、Cuイオン交換SSZゼオライト(SSZ-13)又はCuイオン交換SAPO-34ゼオライトを使用することがより好ましい。Cuイオン交換SSZゼオライトのシリカアルミナ比(SAR、Si/Al)は、好ましくは10~50であり、より好ましくは10~20である。SARが10未満であると、NOxの還元能力が高まるが水熱条件での耐性が低下する傾向にあり、他方、50を超えると、水熱条件での耐性は高まるがNOxの還元能力が低下する傾向にある。Cuイオン交換SAPOゼオライトのシリカに対するリン酸アルミニウムの量(Al+P)/Siは、好ましくは1~30であり、より好ましくは5~30である。(Al+P)/Si比が1未満であると、水熱条件で耐久性が低下する傾向にあり、他方、30を超えると、NOxの還元性能が低下する傾向にある。
Cuイオン交換型ゼオライトのアンモニアによるNOX還元性能(脱硝性能)は、Cuの分散性が高い方が良好となり、また、ゼオライトが保持している固体酸量が多いほど良好となる傾向がある。一般にゼオライトの酸量はSARが低い方が高くなるが、SARが低いゼオライトは親水性が高まり、高温、高水分の条件下では脱アルミが進行しやすく、経時的に酸量が低下し、脱硝性能が低下する傾向にある。同様にSAPO系ゼオライトも(Al+P)/Siが低い方が酸量高くなり同様の傾向にあると推測できる。本実施形態におけるCuイオン交換SSZゼオライト(SSZ-13)又はCuイオン交換SAPOゼオライト(SAPO-34)は構造的に高い水熱安定性を有しているので、βゼオライト(SAR:35)よりも酸量が多い組成で触媒化できているため、NOXの抑制性能と耐久性を両立ができると推察される。
下層に含まれるゼオライトの含有量は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの合計を基準として、好ましくは40~95質量%であり、より好ましくは50~90質量%である。下層におけるゼオライト担持量は、触媒容積に対して、好ましくは5~95g/Lであり、より好ましくは10~90g/Lである。下層におけるゼオライトの量が上記範囲内であると、アンモニア分解率、NOX生成率及びN2O生成率に関してより良好な結果が得られる。
下層が、CHA型構造のゼオライトに起因して優れた耐水熱性を有している場合、下層はリンを含んでいなくてもよい。下層がリンを含むとしても、その含有量(下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、リン及びゼオライトの合計を基準)は、0.05質量%未満でよく、0.01質量%未満であってもよい。
上層は、第二のプロトン型ゼオライト又はCu、CoもしくはFeイオンとイオン交換された第二のイオン交換型ゼオライトとを含む。上層は下層の表面上に設けられている。上層の厚さは、好ましくは10~200μmであり、より好ましくは30~100μmである。上層において下記式(2)で表される脱硝反応が主に進行する。
脱硝反応:2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
脱硝反応:2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
上層に含まれるゼオライトとしては、下層において例示したゼオライトが挙げられる。上層に含まれるゼオライトは、下層に含まれるゼオライトと同一であっても異なっていてもよい。
上層におけるゼオライト担持量は、触媒容積に対して、好ましくは20~150g/Lであり、より好ましくは30~130g/Lである。上層におけるゼオライト量が上記範囲内であると、アンモニア分解率、NOX生成率及びN2O生成率に関してより良好な結果が得られる。
上層に含まれるゼオライトの量(プロトン型ゼオライト及びイオン交換型ゼオライトの合計量)は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの合計を100質量部とすると、好ましくは20~400質量部であり、より好ましくは50~150質量部である。この量が20質量部以上であることで、上層における脱硝反応によってNOXの生成率をより低くできる傾向にあり、他方、400質量部以下であることで、アンモニアが下層に効率的に接触して分解される傾向にある。
上層は、必要に応じて無機バインダーを含有することができる。無機バインダーとしては、コロイダルシリカ、シリカゾル、アルミナゾル、ケイ酸ゾル、チタニアゾル、ベーマイト、白土、カオリン、セピオライト等が挙げられる。
以下に、酸化触媒の製造方法の一例を示す。ただし、酸化触媒の製造方法は以下の方法に限定されるものではない。
まず、容器の中にPt含有水溶液を入れ、これに第一の無機酸化物を加える。第一の無機酸化物中にPt含有水溶液を十分含浸させた後、攪拌しながら加熱して水分を蒸発させ、乾燥させる。その後、更に乾燥機中で加熱し、得られた粉末を空気中で焼成して、Pt(金属分として)が所定量担持された第一の無機酸化物粒子を得る。
この粉末と脱イオン水とを混ぜ合わせた後、ここに、所定量の無機バインダー及び上記ゼオライトを混ぜ合わせて、下層用スラリーを調製する。このスラリーを支持体Sに塗布し、余剰をエアブローにて吹き飛ばす。その後、加熱して乾燥し、更に空気流通下の高温炉にて焼成することによって、支持体Sの表面上に下層が形成される。
脱イオン水と所定量の無機バインダー及び上記ゼオライトを混ぜ合わせて、上層用スラリーを調製する。このスラリーを下層の表面上に塗布し、余剰をエアブローにて吹き飛ばす。その後、上記と同様に乾燥、焼成を実施する。これにより、下層及び上層の二層からなる酸化触媒が得られる。
下層にリンを含有させるには、まず、リン含有化合物の溶液と脱イオン水を混ぜ合わせ、リン溶液を調製する。そして、この溶液を予め調製したPt、第一の無機酸化物及び第一のプロトン型ゼオライト又は第一のイオン交換型ゼオライトを含有する層に塗布し、余剰液をエアブローにて吹き飛ばす。その後、乾燥、焼成を実施する。
下層に銅酸化物を含有させるには、出発原料として、銅酸化物の固体粒子を使用するのが好ましい。別の手段としては、銅を含有する化合物である硫酸銅や酢酸銅等の銅塩を含む水溶液を他の触媒成分と混合し、下層中に含浸させておいて、空気雰囲気下で300~600℃で焼成することにより、銅塩を銅酸化物に転換する方法が挙げられる。
上記態様では、酸化触媒が下層と上層とを備えているが、例えば、下層と同様の構成のサブ触媒と、上層と同様の構成のサブ触媒とをそれぞれ準備し、これらのサブ触媒を組み合わせて酸化触媒として用いてもよい。
酸化触媒としては市販のものを用いてもよく、例えばIKOMAC-30、IKOMAC-Z3、NHN-824E(日揮ユニバーサル株式会社製)等を用いることができる。
[脱硝触媒]
脱硝触媒は、Cu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える。脱硝触媒は、具体的には支持体と、支持体の表面上に設けられた脱硝触媒層を備える。
脱硝触媒は、Cu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える。脱硝触媒は、具体的には支持体と、支持体の表面上に設けられた脱硝触媒層を備える。
(支持体)
支持体としては、酸化触媒において例示した支持体が挙げられる。
支持体としては、酸化触媒において例示した支持体が挙げられる。
(脱硝触媒層)
脱硝触媒層において下記式(2)~(4)で表される脱硝反応が主に進行する。
2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
3N2O+2NH3→4N2+3H2O・・・(3)
2N2O→2N2+O2・・・(4)
脱硝触媒層において下記式(2)~(4)で表される脱硝反応が主に進行する。
2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
3N2O+2NH3→4N2+3H2O・・・(3)
2N2O→2N2+O2・・・(4)
ゼオライトとしては、触媒の耐熱性及び活性の点から、シリカアルミナ比が3以上である高シリカゼオライトが挙げられ、具体的には、モルデナイト、チャバサイト、ホージャサイト、β型ゼオライト、MFI型ゼオライト、Y型ゼオライト等が好ましい。これらのゼオライトの一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。N2Oの還元性能向上の観点から、ゼオライトとしてはβ型ゼオライトを用いることができる。同様の観点から、ゼオライトとしては、Feとイオン交換したイオン交換型ゼオライトを用いることができる。Feのイオン交換量はゼオライト質量の1.0~3.0質量%が好ましく、1.5~2.5質量%がより好ましい。
ゼオライトは粒子状であることが好ましい。ゼオライトの平均粒径は、例えば、0.1~10μmである。
脱硝触媒層におけるゼオライト担持量は、触媒容積に対して、好ましくは10~500g/Lであり、より好ましくは50~250g/Lである。脱硝触媒層におけるゼオライトの量が上記範囲内であると、アンモニアによるNOxの選択還元に関してより良好な結果が得られる。
脱硝触媒層は、必要に応じて無機バインダーを含有することができる。無機バインダーとしては、コロイダルシリカ、シリカゾル、アルミナゾル、ケイ酸ゾル、チタニアゾル、ベーマイト、白土、カオリン、セピオライト等が挙げられる。
以下に、脱硝触媒の製造方法の一例を示す。ただし、脱硝触媒の製造方法は以下の方法に限定されるものではない。
まず、ゼオライトを、所望の金属イオンの塩を含む水溶液中に浸漬し、ゼオライト中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属イオンを、Cu、Co又はFeイオンに置換する。水溶液としては、例えばFeイオンであれば、塩化第二鉄(FeCl3)水溶液、硝酸第3鉄(Fe(NO3)3)水溶液等を用いることができ、Coイオンであれば、塩化コバルト(CoCl2)、硝酸コバルト(Co(NO3)2)等を用いることができ、Cuイオンであれば、硝酸銅(Cu(NO3)2、塩化銅(CuCl2)等を用いることができる。その後、水溶液から取り出したゼオライトを400~900℃程度で焼成することで、脱硝触媒粉末が得られる。
当該脱硝触媒粉末と脱イオン水とを混ぜ合わせた後、ここに、所定量の無機バインダーを混ぜ合わせて、脱硝触媒用スラリーを調製する。このスラリーを支持体に塗布し、余剰をエアブローにて吹き飛ばす。その後、加熱して乾燥し、更に空気流通下の高温炉にて焼成することによって、支持体の表面上に脱硝触媒層が形成される。
脱硝触媒としては、Feβゼオライトを含有する市販の脱硝触媒を用いてもよく、例えばNCDF-200(日揮ユニバーサル株式会社製)等を用いることができる。
<アンモニアエンジンの排ガス処理方法>
アンモニアエンジンの排ガス処理方法は、アンモニアエンジンの排ガスを、上記のシステムの第一の触媒(酸化触媒)に接触させる第一の接触工程と、第一の接触工程により生じる生成ガスを、第二の触媒(脱硝触媒)に接触させる第二の接触工程と、を備える。アンモニアエンジンは、ディーゼルエンジン、船舶用エンジン、ガスタービン等として用いられる。
アンモニアエンジンの排ガス処理方法は、アンモニアエンジンの排ガスを、上記のシステムの第一の触媒(酸化触媒)に接触させる第一の接触工程と、第一の接触工程により生じる生成ガスを、第二の触媒(脱硝触媒)に接触させる第二の接触工程と、を備える。アンモニアエンジンは、ディーゼルエンジン、船舶用エンジン、ガスタービン等として用いられる。
アンモニアエンジンの排ガスは、例えば以下の特徴を有するガスであるがこれに限定されない。
・ガス温度:約250~500℃。
・NH3濃度:0.1~3容量%。
・NO濃度:50~1500容量ppm。
・N2O濃度:100~1000容量ppm。
・H2O濃度:約5~20容量%。
・ガス温度:約250~500℃。
・NH3濃度:0.1~3容量%。
・NO濃度:50~1500容量ppm。
・N2O濃度:100~1000容量ppm。
・H2O濃度:約5~20容量%。
排ガスは、上記排ガス処理システムの酸化触媒と接触し、その後脱硝触媒と接触する。前段である酸化触媒はアンモニアの酸化分解により発熱し、排ガスの温度に対して50~300℃の温度上昇が見込まれる触媒であることが好ましい。また、効率的にNOx及びN2Oを抑制する観点から、酸化触媒はそれらのガスの発生の少ない触媒であることが好ましい。酸化触媒の温度は、脱硝触媒に充分高温のガスを送り、かつ触媒の劣化を抑制する観点から、260~500℃であることが好ましく、280~400℃であることがより好ましい。後段である脱硝触媒の温度は、NOx及びN2Oの還元機能を充分に発現させる観点から、350~700℃であることが好ましく、400~650℃であることがより好ましく、450~650℃であることがさらに好ましい。酸化触媒のSV(空間速度)は、アンモニアの分解による排ガス温度の上昇が得られかつ脱硝触媒で必要な還元剤としてのアンモニア濃度を残し易い観点から、3,000~200,000h-1であることが好ましく、5,000~150,000hr-1であることがより好ましく、30,000~110,000h-1であることがさらに好ましい。脱硝触媒のSVは、NOx及びN2Oの還元機能を充分に発現させる観点から、1,000~50,000h-1であることが好ましく、5,000~25,000h-1であることがより好ましく、5,000~20,000hr-1であることがさらに好ましい。
排ガス処理方法は、第一の接触工程の前に、排ガス中にアンモニアガスを添加する工程を更に備えていてよい。排ガス中のアンモニア濃度はエンジンの燃焼条件により変動し得るため、前段である酸化触媒に充分な量のアンモニアが供されない場合がある。そうすると、酸化触媒の温度が充分に上がらず、脱硝触媒に充分高温のガスを送れない。排ガス処理に先立ちアンモニアガスを添加することで、このような事態が生じることを抑制することができる。
排ガス処理方法は、第一の接触工程の後に、第一の接触工程により生じる生成ガス中にアンモニアガスを添加する工程を更に備えていてよい。アンモニアは脱硝触媒において還元剤として機能するため、必要に応じアンモニアガスを添加することで、脱硝触媒における還元反応を好適に維持することができる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。本発明はこれらに限定されるものではない。
<酸化触媒A-1の準備>
酸化触媒A-1として、市販のアンモニア分解触媒(IKOMAC-30、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該アンモニア分解触媒は、下層(厚さ100~200μm)及び上層(厚さ80~150μm)の2層構造の触媒成分をコージライト基材に担持したハニカム型触媒である。下層はPtを担持したTiO2、Cuイオン交換したβ型ゼオライト(Cuβ)、SiO2(バインダー)及びPを含み、上層はCuイオン交換したβ型ゼオライト(Cuβ)とSiO2(バインダー)を含む。触媒成分の各層の体積当たりの担持量は、下層:Pt 0.5g/L、TiO2 10g/L、Cuβ 70g/L、P 1g/L、SiO2 25g/L、であり、上層:Cuβ 64g/L、SiO2 16g/Lである。
Cuイオン交換したβ型ゼオライトとしては、プロトンタイプのβ型ゼオライト(東ソー株式会社製HSZ-941HOA、SiO2/Al2O3比 40、平均粒径 4.0μm)にイオン交換法にてCuを担持させたものを用いている。Cuイオン交換したβ型ゼオライトのN2-BET法による比表面積は560m2/gであり、Cuの含有量(イオン交換量)は4.5質量%である。
TiO2粉末としては、平均粒径1μm未満、比表面積200m2/g以上の、石原産業株式会社製のST-90Dを用いている。
SiO2としては、コロイダルシリカ(日産化学株式会社製のスノーテックス-CM)を用いている。
酸化触媒A-1として、市販のアンモニア分解触媒(IKOMAC-30、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該アンモニア分解触媒は、下層(厚さ100~200μm)及び上層(厚さ80~150μm)の2層構造の触媒成分をコージライト基材に担持したハニカム型触媒である。下層はPtを担持したTiO2、Cuイオン交換したβ型ゼオライト(Cuβ)、SiO2(バインダー)及びPを含み、上層はCuイオン交換したβ型ゼオライト(Cuβ)とSiO2(バインダー)を含む。触媒成分の各層の体積当たりの担持量は、下層:Pt 0.5g/L、TiO2 10g/L、Cuβ 70g/L、P 1g/L、SiO2 25g/L、であり、上層:Cuβ 64g/L、SiO2 16g/Lである。
Cuイオン交換したβ型ゼオライトとしては、プロトンタイプのβ型ゼオライト(東ソー株式会社製HSZ-941HOA、SiO2/Al2O3比 40、平均粒径 4.0μm)にイオン交換法にてCuを担持させたものを用いている。Cuイオン交換したβ型ゼオライトのN2-BET法による比表面積は560m2/gであり、Cuの含有量(イオン交換量)は4.5質量%である。
TiO2粉末としては、平均粒径1μm未満、比表面積200m2/g以上の、石原産業株式会社製のST-90Dを用いている。
SiO2としては、コロイダルシリカ(日産化学株式会社製のスノーテックス-CM)を用いている。
<酸化触媒A-2の準備>
酸化触媒A-2として、市販のアンモニア分解触媒(IKOMAC-30Z3、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該アンモニア分解触媒は、下層(厚さ50~100μm)及び上層(厚さ80~150μm)の2層構造の触媒成分をコージライト基材に担持したハニカム型触媒である。下層はPtを担持したTiO2、Cuイオン交換したチャバサイト型ゼオライト(CuCHA)、SiO2(バインダー)を含み、上層はCuイオン交換したチャバサイト型ゼオライト(CuCHA)とSiO2(バインダー)を含む。触媒成分の各層の体積当たりの担持量は、下層:Pt 0.25g/L、TiO2 5g/L、CuCHA 35g/L、SiO2 13g/Lであり、上層:CuCHA 64g/L、SiO2 16g/Lである。
Cuイオン交換したチャバサイト型ゼオライトとしては、SiO2/Al2O3比 14、平均粒径3.0μm、N2-BET法による比表面積480m2/gであり、Cuの含有量(イオン交換量)は4.0質量%である、ゼオリスト社製CP-7208を用いている。
TiO2粉末及びSiO2はA-1と同様である。
酸化触媒A-2として、市販のアンモニア分解触媒(IKOMAC-30Z3、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該アンモニア分解触媒は、下層(厚さ50~100μm)及び上層(厚さ80~150μm)の2層構造の触媒成分をコージライト基材に担持したハニカム型触媒である。下層はPtを担持したTiO2、Cuイオン交換したチャバサイト型ゼオライト(CuCHA)、SiO2(バインダー)を含み、上層はCuイオン交換したチャバサイト型ゼオライト(CuCHA)とSiO2(バインダー)を含む。触媒成分の各層の体積当たりの担持量は、下層:Pt 0.25g/L、TiO2 5g/L、CuCHA 35g/L、SiO2 13g/Lであり、上層:CuCHA 64g/L、SiO2 16g/Lである。
Cuイオン交換したチャバサイト型ゼオライトとしては、SiO2/Al2O3比 14、平均粒径3.0μm、N2-BET法による比表面積480m2/gであり、Cuの含有量(イオン交換量)は4.0質量%である、ゼオリスト社製CP-7208を用いている。
TiO2粉末及びSiO2はA-1と同様である。
<脱硝触媒B-1の準備>
脱硝触媒B-1として、市販の脱硝触媒(NCDF-200、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該脱硝触媒は、セラミックコルゲート基材にFeイオン交換したβ型ゼオライト(Feβ)を担持したハニカム型触媒である。脱硝触媒層は、Feβとアルミナ(バインダー)を含む。触媒成分の体積当たりの担持量は、Feβ 170g/L、アルミナ 30g/Lである。
Feイオン交換したβ型ゼオライトとしては、プロトンタイプのβ型ゼオライト(東ソー株式会社製HSZ-931HOA、SiO2/Al2O3比 28、平均粒径 4.0μm)にイオン交換法にてFeを担持させたものを用いている。Feイオン交換したβ型ゼオライトのN2-BET法による比表面積は510m2/gであり、Feの含有量(イオン交換量)は2.1質量%である。
アルミナとしては、アルミナゾル(日産化学株式会社製のAS-520A)を用いている。
脱硝触媒B-1として、市販の脱硝触媒(NCDF-200、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該脱硝触媒は、セラミックコルゲート基材にFeイオン交換したβ型ゼオライト(Feβ)を担持したハニカム型触媒である。脱硝触媒層は、Feβとアルミナ(バインダー)を含む。触媒成分の体積当たりの担持量は、Feβ 170g/L、アルミナ 30g/Lである。
Feイオン交換したβ型ゼオライトとしては、プロトンタイプのβ型ゼオライト(東ソー株式会社製HSZ-931HOA、SiO2/Al2O3比 28、平均粒径 4.0μm)にイオン交換法にてFeを担持させたものを用いている。Feイオン交換したβ型ゼオライトのN2-BET法による比表面積は510m2/gであり、Feの含有量(イオン交換量)は2.1質量%である。
アルミナとしては、アルミナゾル(日産化学株式会社製のAS-520A)を用いている。
<脱硝触媒C-1の準備>
脱硝触媒C-1として、市販のV2O5、WO3、TiO2を含有する、45セル/インチのハニカム状触媒(NRU-5、日揮触媒化成株式会社製)を準備した。
脱硝触媒C-1として、市販のV2O5、WO3、TiO2を含有する、45セル/インチのハニカム状触媒(NRU-5、日揮触媒化成株式会社製)を準備した。
<排ガス処理システムの作製>
上記のようにして作製した各ハニカム型触媒から、円柱状(直径21mm)のハニカム型触媒を所定長さ切り出した。切り出したハニカム型触媒を、流通式反応装置に、ガスの流入側から第一触媒として酸化触媒を、第二触媒として脱硝触媒を順に充填することで、排ガス処理システムを作製した。
上記のようにして作製した各ハニカム型触媒から、円柱状(直径21mm)のハニカム型触媒を所定長さ切り出した。切り出したハニカム型触媒を、流通式反応装置に、ガスの流入側から第一触媒として酸化触媒を、第二触媒として脱硝触媒を順に充填することで、排ガス処理システムを作製した。
<活性評価試験>
アンモニアエンジンからの排ガスを想定したガスを排ガス処理システムに流通させた。マスフローコントローラーによりNH3ガス、NOxガス及びN2Oガスの流量を制御し、ローラーポンプにて水分量を制御した。水分濃度は10容量%とした。電気炉にて触媒を加熱することで触媒入口の温度(入口温度)を所定の温度として、各ガスの分解活性を評価した。表1に評価条件を示す。図2は、各例における活性評価試験の結果を示すグラフである。入口ガスNH3濃度とは酸化触媒との接触前の濃度であり、出口ガス濃度とは脱硝触媒との接触後の濃度である。
アンモニアエンジンからの排ガスを想定したガスを排ガス処理システムに流通させた。マスフローコントローラーによりNH3ガス、NOxガス及びN2Oガスの流量を制御し、ローラーポンプにて水分量を制御した。水分濃度は10容量%とした。電気炉にて触媒を加熱することで触媒入口の温度(入口温度)を所定の温度として、各ガスの分解活性を評価した。表1に評価条件を示す。図2は、各例における活性評価試験の結果を示すグラフである。入口ガスNH3濃度とは酸化触媒との接触前の濃度であり、出口ガス濃度とは脱硝触媒との接触後の濃度である。
(ガスの分析方法)
・アンモニア:ガスクロマトグラフィー(TCD検出器)又はガス検知管
・NOx:ケミルミネッセンス(化学発光式)分析装置
・N2O:ガスクロマトグラフィー(TCD検出器)
・アンモニア:ガスクロマトグラフィー(TCD検出器)又はガス検知管
・NOx:ケミルミネッセンス(化学発光式)分析装置
・N2O:ガスクロマトグラフィー(TCD検出器)
(計算)
・NH3分解率(%):100-{(出口NH3濃度)/(入口NH3濃度)×100}
・NO分解率(%):100-{(出口NOx濃度)/(入口NOx濃度)×100}
・N2O分解率(%):100-{(出口N2O濃度)/(入口N2O濃度)×100}
・NO生成率(%):(出口NOx濃度)/(入口NH3濃度)×100
・N2O生成率(%):{(出口N2O濃度)/(入口NH3濃度)}×100
・NH3分解率(%):100-{(出口NH3濃度)/(入口NH3濃度)×100}
・NO分解率(%):100-{(出口NOx濃度)/(入口NOx濃度)×100}
・N2O分解率(%):100-{(出口N2O濃度)/(入口N2O濃度)×100}
・NO生成率(%):(出口NOx濃度)/(入口NH3濃度)×100
・N2O生成率(%):{(出口N2O濃度)/(入口NH3濃度)}×100
表1に示されたとおり、酸化触媒A-1又はA-2、及び脱硝触媒B-1を組み合わせた排ガス処理システムによれば、アンモニアエンジンからの排ガスを好適に処理できると考えられる。
1…酸化触媒、2…脱硝触媒、10…排ガス処理システム。
Claims (11)
- 第一の触媒としてPt及びゼオライトを含む触媒層を備える酸化触媒と、
第二の触媒としてCu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える脱硝触媒と、
を備えるアンモニアエンジンの排ガス処理システム。 - 前記酸化触媒の触媒層が、Ptと、無機酸化物と、第一のプロトン型ゼオライト又はCu、CoもしくはFeイオンとイオン交換された第一のイオン交換型ゼオライトとを含む第一の層と、
前記第一の層の表面上に設けられおり、第二のプロトン型ゼオライト又はCu、CoもしくはFeイオンとイオン交換された第二のイオン交換型ゼオライトを含む第二の層と、
を備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記脱硝触媒の触媒層が、Feイオンとイオン交換されたβ型ゼオライトを含む層を備える、請求項1又は2に記載のシステム。
- Pt及びゼオライトを含む触媒層を備える他の酸化触媒を更に備える、請求項1~3のいずれか一項に記載のシステム。
- Cu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える他の脱硝触媒を更に備える、請求項4に記載のシステム。
- アンモニアエンジンの排ガスを、請求項1~5のいずれか一項に記載のシステムの前記第一の触媒に接触させる第一の接触工程と、前記第一の接触工程により生じる生成ガスを、前記第二の触媒に接触させる第二の接触工程と、を備える、アンモニアエンジンの排ガス処理方法。
- アンモニアエンジンの前記排ガス中のNH3濃度が0.1~3容量%である、請求項6に記載の方法。
- 前記第一の接触工程の前に、前記排ガス中にアンモニアガスを添加する工程を更に備える、請求項6又は7に記載の方法。
- 前記第一の接触工程の後に、前記生成ガス中にアンモニアガスを添加する工程を更に備える、請求項6~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第一の触媒の温度が260~500℃であり、前記第二の触媒の温度が350~700℃である、請求項6~9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸化触媒のSV(空間速度)が3,000~200,000h-1であり、前記脱硝触媒のSVが1,000~50,000h-1である、請求項6~10のいずれか一項に記載の方法。
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JP2021132159A JP2023026798A (ja) | 2021-08-16 | 2021-08-16 | アンモニアエンジンの排ガス処理システム及びアンモニアエンジンの排ガス処理方法 |
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WO2024009647A1 (ja) * | 2022-07-07 | 2024-01-11 | 三菱重工業株式会社 | 排ガス処理装置および排ガス処理装置の設計方法 |
-
2021
- 2021-08-16 JP JP2021132159A patent/JP2023026798A/ja active Pending
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