JP2023058313A - Catalyst for production of ammonia, ammonia production method and ammonia production device, and denitration method and denitration device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンモニア製造用触媒、アンモニア製造方法と製造装置及び脱硝方法と脱硝装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ammonia production catalyst, an ammonia production method and production apparatus, and a denitration method and denitration apparatus.
アンモニア(NH3)を用いた窒素酸化物(NOx)の選択的触媒還元反応脱硝(以下、NH3-SCR脱硝)において、還元剤であるNH3の製造・輸送・貯蔵・注入をも含めた全体での省力化と低コスト化が求められている。 In the selective catalytic reduction reaction denitrification of nitrogen oxides (NO x ) using ammonia (NH 3 ) (hereinafter referred to as NH 3 -SCR denitrification), production, transport, storage and injection of NH 3 as a reducing agent are included. There is a demand for labor saving and cost reduction as a whole.
NH3-SCR脱硝プロセスは、すでに様々な排ガス処理に適用されているが、いずれも、還元剤であるNH3の貯蔵・注入設備が必要であり、さらにはNH3を製造し脱硝設備サイトまで輸送する必要がある。
特に、NH3の製造プロセスは、高温・高圧を要し、さらには純度の高い原料であるN2とH2を必要とし、これらの高純度原料を製造するにも多大なエネルギーを要する。
The NH 3 -SCR denitrification process has already been applied to various exhaust gas treatment, but all of them require storage and injection equipment for NH 3 as a reducing agent. need to be transported.
In particular, the production process of NH3 requires high temperature and high pressure, and also requires high-purity raw materials N2 and H2 , and the production of these high-purity raw materials also requires a large amount of energy.
以下の非特許文献1には、NOxを酸化して硝酸塩として吸蔵し、燃料リッチ燃焼時に吸蔵されたNOxをHCやCOとの反応により還元浄化するメカニズムで、希薄燃焼時のNOxを浄化する方法が記載されている。また、従来の三元触媒にNOx吸蔵材としてアルカリ性の物質を加え、燃焼損失を1%以下に抑制する技術が記載されている。
The following
非特許文献2には、NH3-SCR脱硝プロセスに関し、高温過渡条件下でのNOx浄化率を良好とするためにH型モルデナイトゼオライト吸着材を用いる技術について記載されている。
Non-Patent
非特許文献3には、ペロブスカイト(La1-xSrxCoO3)をアルミナ担持体に支持した触媒にパラジウム等の元素を添加することでNOxの吸蔵や還元に効果を示す技術について記載されている。
Non-Patent
従来、自動車排ガスの脱硝プロセスに対し、三元触媒やNOX吸蔵還元(NSR)触媒が商用利用されている。
ところが、従来の触媒はいずれも発電所やごみ処理施設、工場排ガスのように常に酸素が共存する状態での反応性に乏しく、NOXを一旦吸蔵・濃縮し、高濃度燃料燃焼時(Rich phase)の自動車排ガスに相当する酸素非共存下状態でN2まで無害化する必要がある。
また、NOXの選択的触媒還元反応脱硝(SCR)では、エタノールを還元剤に用いたAg/Al2O3触媒を中心としたプロセス(EtOH-SCR)が取り組まれているが、このプロセスでは、NH3が約30%弱副生する。同触媒では、副生NH3が還元剤として作用せず、脱硝用としてはNH3の後逸が問題である。
一方、このプロセスをNH3製造プロセスとして見ると、NH3の収率が低すぎる問題がある。
Conventionally, three-way catalysts and NOx storage reduction (NSR) catalysts have been commercially used for the denitrification process of automobile exhaust gases.
However, all of the conventional catalysts have poor reactivity in a state where oxygen is always coexistent, such as power plants, waste treatment facilities, and factory exhaust gases. ), it is necessary to detoxify to N 2 in the absence of oxygen, which corresponds to automobile exhaust gas.
In addition, in selective catalytic reduction reaction denitrification (SCR) of NO X , a process (EtOH-SCR) centered on Ag/Al 2 O 3 catalyst using ethanol as a reducing agent is being worked on. , NH 3 is by-produced by about 30%. In this catalyst, the by-product NH3 does not act as a reducing agent, and the loss of NH3 is a problem for denitrification.
On the other hand, looking at this process as an NH3 production process, there is a problem that the yield of NH3 is too low.
本発明者は、上述の問題点を解決するために、NH3の外部調達を不要とするプロセス、さらには従来のハーバー・ボッシュ法以外のNH3製造プロセスの実現を目指して技術課題に取り組んだ。
本発明は、排ガス雰囲気(O2及び水蒸気共存下)で窒素酸化物からアンモニアを高収率で生成するアンモニア製造用触媒を提供するとともに、アンモニアを高収率で生成できる技術の提供を目的とする。
また、本発明は、長時間使用しても活性が低下しにくいアンモニア製造用触媒および該触媒を用いたアンモニア製造方法の提供と、窒素酸化物の脱硝方法と脱硝設備の提供を目的とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor tackled technical issues with the aim of realizing a process that does not require external procurement of NH3 , and furthermore, an NH3 production process other than the conventional Haber-Bosch process. .
The purpose of the present invention is to provide a catalyst for producing ammonia from nitrogen oxides in an exhaust gas atmosphere (in the presence of O 2 and water vapor) at a high yield, and to provide a technology capable of producing ammonia at a high yield. do.
Another object of the present invention is to provide an ammonia production catalyst whose activity is unlikely to decrease even after long-term use, an ammonia production method using the catalyst, and a nitrogen oxide denitrification method and denitrification equipment.
本発明の要旨は、下記の通りである。
(1)本発明のアンモニア製造用触媒は、TiO2からなる担体に金属を担持した、酸素存在下でNOXと還元剤からNH3を製造するアンモニア製造用触媒である。
(2)本発明のアンモニア製造用触媒において、前記担体に担持する金属がAgであることが好ましい。
(3)本発明のアンモニア製造用触媒において、前記担体へのAg担持量が、前記担体と前記Agの合計量全体の0.7~5質量%であることが好ましい。
(4)本発明のアンモニア製造用触媒において、水蒸気非共存下で使用する場合においては、前記担体の結晶構造がアナターゼ型であることが好ましい。
(5)本発明に係る(1)~(3)のいずれかに記載のアンモニア製造用触媒において、酸素及び水蒸気共存下で使用する場合においては、前記担体の結晶構造がルチル型である担体に金属を担持した、NOXと還元剤からNH3を製造するアンモニア製造用触媒であることが好ましい。
(6)本発明のアンモニア製造用触媒において、前記還元剤が炭化水素であることが好ましい。
(7)本発明のアンモニア製造用触媒において、前記炭化水素がC3H6であることが好ましい。
The gist of the present invention is as follows.
(1) The catalyst for ammonia production of the present invention is a catalyst for producing NH 3 from NO X and a reducing agent in the presence of oxygen, in which a metal is supported on a carrier made of TiO 2 .
(2) In the catalyst for ammonia production of the present invention, it is preferable that the metal supported on the carrier is Ag.
(3) In the ammonia production catalyst of the present invention, the amount of Ag supported on the carrier is preferably 0.7 to 5% by mass of the total amount of the carrier and Ag.
(4) When the catalyst for ammonia production of the present invention is used in the absence of water vapor, the crystal structure of the carrier is preferably an anatase type.
(5) In the ammonia production catalyst according to any one of (1) to (3) of the present invention, when used in the presence of oxygen and water vapor, the support has a rutile crystal structure. It is preferably a metal-supported ammonia production catalyst that produces NH 3 from NO X and a reducing agent.
(6) In the catalyst for ammonia production of the present invention, it is preferable that the reducing agent is a hydrocarbon.
(7) In the catalyst for ammonia production of the present invention, it is preferable that the hydrocarbon is C 3 H 6 .
(8)本発明のアンモニア製造方法は、(1)~(7)のいずれかに記載のアンモニア製造用触媒を用い、酸素及び水蒸気共存下でNOXを濃縮することなく1ポットでNOXと還元剤からNH3を製造することを特徴とする。
(9)本発明のアンモニア製造方法において、前記担体へのAg担持量を前記担体と前記Agの合計量全体の0.7~1.5質量%とし、前記アンモニア製造用触媒を400℃以上で使用することが好ましい。
(10)本発明のアンモニア製造方法において、前記担体へのAg担持量を前記担体と前記Agの合計量全体の1.5~5質量%とし、前記アンモニア製造用触媒を400℃未満の温度で使用することが好ましい。
(11)本発明のアンモニア製造装置は、(1)~(7)のいずれかに記載のアンモニア製造用触媒を反応器の内部に備え、前記反応器の一側に前記NOXの供給部及び前記還元剤の供給部を備え、前記反応器の他側に出口部を備えたことを特徴とする。
(8) The ammonia production method of the present invention uses the catalyst for ammonia production according to any one of (1) to (7), and produces NO X and NO X in one pot without concentrating NO X in the coexistence of oxygen and water vapor. It is characterized by producing NH3 from a reducing agent.
(9) In the ammonia production method of the present invention, the amount of Ag supported on the carrier is 0.7 to 1.5% by mass of the total amount of the carrier and Ag, and the ammonia production catalyst is heated at 400 ° C. or higher. It is preferred to use
(10) In the ammonia production method of the present invention, the amount of Ag supported on the carrier is 1.5 to 5 mass% of the total amount of the carrier and Ag, and the catalyst for ammonia production is heated at a temperature of less than 400 ° C. It is preferred to use
(11) The ammonia production apparatus of the present invention includes the ammonia production catalyst according to any one of (1) to (7) inside a reactor, and the NO X supply unit and the NO X supply unit on one side of the reactor. The reactor is characterized by comprising a supply section for the reducing agent and an outlet section on the other side of the reactor.
(12)本発明の脱硝方法は、(1)~(7)のいずれかに記載のアンモニア製造用触媒を前段の反応器に搭載し、後段の反応器にNH3-SCR触媒を搭載し、前記アンモニア製造用触媒を搭載した前段の前記反応器で酸素及び水蒸気が共存する排ガス中NOXの47.4%以上を前記アンモニア製造用触媒と前記還元剤を用いてNH3に転換し、転換したNH3を還元剤として後段の前記反応器で残りのNOXを還元することで後段の前記反応器へNH3の外部注入を行うことなく後段の前記反応器で脱硝を行うことを特徴とする。 (12) The denitrification method of the present invention comprises mounting the ammonia production catalyst according to any one of (1) to (7) in the front-stage reactor and mounting the NH -SCR catalyst in the rear-stage reactor, 47.4% or more of NO X in the exhaust gas in which oxygen and water vapor coexist in the preceding reactor equipped with the ammonia production catalyst is converted to NH 3 using the ammonia production catalyst and the reducing agent. The remaining NO X is reduced in the latter reactor using the NH 3 obtained as a reducing agent, so that denitrification is performed in the latter reactor without externally injecting NH 3 into the latter reactor. do.
(13)本発明の脱硝方法において、前記担体へのAg担持量を前記担体と前記Agの合計量全体の0.7~1.5質量%とし、前記アンモニア製造用触媒を400℃以上で使用することが好ましい。
(14)本発明の脱硝方法において、前記担体へのAg担持量を前記担体と前記Agの合計量全体の1.5~5質量%とし、前記アンモニア製造用触媒を400℃未満の温度で使用することが好ましい。
(13) In the denitrification method of the present invention, the amount of Ag supported on the carrier is 0.7 to 1.5% by mass of the total amount of the carrier and Ag, and the ammonia production catalyst is used at 400°C or higher. preferably.
(14) In the denitrification method of the present invention, the amount of Ag supported on the carrier is 1.5 to 5% by mass of the total amount of the carrier and Ag, and the ammonia production catalyst is used at a temperature of less than 400°C. preferably.
(15)本発明に係る脱硝方法において、(12)~(14)の何れかに記載の前記還元剤としてC3H6を用い、前記後段の反応器より下流側に設けたNOX濃度監視計によりモニタリングしている残NOX濃度と、前記後段の反応器より下流側に設けたNH3濃度監視計によりモニタリングしている残NH3濃度とC3H6濃度監視計によるモニタリングしている残C3H6濃度を基に、NH3収率と還元剤C3H6転化率の相関データを用いて演算することで、NOXから望ましいNH3を生成するのに必要な還元剤C3H6の量を調節することが好ましい。 (15) In the denitration method according to the present invention, according to any one of (12) to (14), C 3 H 6 is used as the reducing agent, and NO X concentration monitoring is provided downstream of the latter reactor. The residual NO X concentration is monitored by a meter, the residual NH 3 concentration is monitored by the NH 3 concentration monitor provided downstream from the reactor in the latter stage, and the C 3 H 6 concentration monitor is monitored. Based on the residual C 3 H 6 concentration, the reductant C required to produce the desired NH 3 from NO X was calculated using the correlation data of NH 3 yield and reductant C 3 H 6 conversion rate. It is preferable to adjust the amount of 3H6 .
(16)本発明の脱硝装置は、前段の反応器と該前段の反応器に接続された後段の反応器を備え、前段の前記反応器内に、(1)~(7)のいずれかに記載のアンモニア製造用触媒が搭載され、前記反応器の一側に前記NOXの供給部及び前記還元剤の供給部が設けられ、前記反応器の他側に出口部が設けられるとともに、後段の前記反応器内に、NH3-SCR触媒が搭載されることを特徴とする。
(17)(16)に記載の脱硝装置において、前記還元剤としてC3H6を用い、前記後段の反応器より下流側に設けたNOX濃度監視計によりモニタリングしている残NOX濃度と、前記後段の反応器より下流側に設けたNH3濃度監視計によりモニタリングしている残NH3濃度とC3H6濃度監視計によるモニタリングしている残C3H6濃度を基に、NH3収率と還元剤C3H6転化率の相関データを用いて演算することにより、NOXから望ましいNH3を生成するのに必要な還元剤C3H6の量を調節する調節装置あるいは制御装置を備えることが好ましい。
(16) The denitrification apparatus of the present invention comprises a front-stage reactor and a rear-stage reactor connected to the front-stage reactor, and the front-stage reactor contains any of (1) to (7). The ammonia production catalyst described above is mounted, the NO X supply unit and the reducing agent supply unit are provided on one side of the reactor, and the outlet is provided on the other side of the reactor. An NH 3 -SCR catalyst is installed in the reactor.
(17) In the denitrification apparatus according to (16), C 3 H 6 is used as the reducing agent, and the residual NO X concentration monitored by a NO X concentration monitor provided downstream from the reactor in the latter stage; NH _ _ _ _ _ A regulator that adjusts the amount of reductant C3H6 required to produce the desired NH3 from NOx by calculating using the correlation data of 3 yield and reductant C3H6 conversion; or A controller is preferably provided.
本発明によれば、排ガス中のNOXから大気圧で高い収率でNH3を製造でき、且つエネルギー準位もN2よりNOが高いことから、従来の高温高圧を必要とするハーバー・ボッシュ法よりも低エネルギーでNH3を製造できるアンモニア製造用触媒とアンモニア製造方法を提供できる。また、本発明によれば、高い収率でアンモニアを製造できるアンモニア製造用触媒とアンモニア製造方法を提供できる。 According to the present invention, NH3 can be produced from NOX in the exhaust gas at atmospheric pressure with a high yield, and the energy level of NO is higher than that of N2. It is possible to provide an ammonia production catalyst and an ammonia production method that can produce NH 3 with lower energy than the method. Further, according to the present invention, it is possible to provide an ammonia production catalyst and an ammonia production method that can produce ammonia at a high yield.
本発明に係るアンモニア製造方法と脱硝方法によれば、酸素及び水蒸気が共存する排ガス中のNOXからNH3を生産できるため、従来のハーバー・ボッシュ法のように高純度のN2を得るための空気深冷分離装置や、H2を得るための天然ガス改質プロセスあるいは水電気分解装置が不要となる。
本発明に係る脱硝方法によれば、工場排ガスへの脱硝プロセスに供給する還元剤NH3の輸送や貯蔵・脱硝用注入設備及びそのインフラ設備が不要となり、脱硝コスト削減に寄与する。
According to the ammonia production method and the denitrification method according to the present invention, NH3 can be produced from NOx in the exhaust gas in which oxygen and water vapor coexist, so that high-purity N2 can be obtained like the conventional Haber-Bosch method. air cryogenic separator, natural gas reforming process or water electrolysis to obtain H2 .
According to the denitration method according to the present invention, transportation and storage of the reducing agent NH3 supplied to the denitration process into the factory exhaust gas, injection equipment for storage and denitration, and infrastructure equipment therefor become unnecessary, contributing to a reduction in denitration costs.
以下、具体例を示しつつ、本実施形態に係るアンモニア製造用触媒とアンモニア製造方法およびアンモニア製造装置について詳細に説明する。また、アンモニア製造装置を利用した本実施形態に係る選択的触媒還元反応脱硝(以下、NH3-SCR脱硝)および選択的触媒還元反応脱硝装置について併せて説明する。 Hereinafter, the catalyst for ammonia production, the method for producing ammonia, and the apparatus for producing ammonia according to the present embodiment will be described in detail while showing specific examples. In addition, a selective catalytic reduction reaction denitration (hereinafter referred to as NH 3 -SCR denitration) and a selective catalytic reduction reaction denitration apparatus according to the present embodiment using the ammonia production apparatus will be described together.
図1は、本実施形態に係るNH3-SCR脱硝装置の全体構成を示す概略構成図であり、NH3-SCR脱硝装置1は、アンモニア製造のための反応器2を有する。この反応器2の上流側(前段側)に排ガス用の再加熱器3が接続され、再加熱器3の上流側に誘引通風式の通風機4が接続されている。
通風機4の上流側には工場などの排ガス発生源に接続されたバグフィルタ等からの排ガス供給源5が接続されている。排ガス供給源5から排出された窒素酸化物(NOX)などを含む排ガスは、通風機4、再加熱器3を通過し、反応器2に供給される。
反応器2の下流側(後段側)には、NH3-SCR触媒を収容した脱硝用反応器6とアンモニア吸着手段7が設けられている。アンモニア吸着手段7は、例えば、脱硝反応器6からのリークアンモニアを活性炭等で吸着させる設備であってよい。
本実施形態の構成では、排ガス供給源5からの排ガスを反応器2で処理した後、脱硝用反応器6に送るので、排ガス供給源5が最上流側の機器、脱硝用反応器6が下流側の機器となる。なお、脱硝用反応器6の下流側にアンモニア吸着手段7と排出部(煙突)7Aが設けられ、脱硝用反応器6とアンモニア吸着手段7の間の配管にNH3濃度監視計6Aが接続されている。排出部7Aには環境監視用のNOX濃度監視計7Bが接続され、排出部7Aから排出される排ガス中のNOX濃度を監視することができる。
なお、NOX濃度監視計7Bに関し、アンモニア吸着手段7を略する場合であっても排出部7Aに接続できるが、アンモニア吸着手段7を設けた場合、アンモニア吸着手段7の上流側の配管に接続させて設けることもできる。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the overall configuration of an NH 3 -SCR denitrification system according to this embodiment. The NH 3 -
An exhaust
A
In the configuration of this embodiment, since the exhaust gas from the exhaust
Regarding the NO X
再加熱器3の内部には熱交換用の蛇行管3aが設けられている。蛇行管3aの入口側は再加熱器3の外部に引き出され、再加熱器3の外部に設けられた高圧蒸気供給源8に接続されている。高圧蒸気供給源8は所望の温度に加熱された高圧蒸気を蛇行管3aに供給することができる。蛇行管3aの出口側には排気管3bが設けられ、蛇行管3aを通過した高圧蒸気を排気管3bから大気中に放出できる。
通風機4から再加熱器3に供給された排ガスは、再加熱器3の内部を通過する間に蛇行管3aにより所望の温度に温度調節され、温度調節後、再加熱器3から反応器2に供給される。
Inside the
The flue gas supplied to the
図2に反応器2の詳細構造を示す。反応器2は、縦型円筒状の胴部2Aの底部側にドーム型の導入部2Bが、天井側にドーム型の導出部2Cが形成され、導入部2Bに導入管10が接続され、導出部2Cに導出管11が接続されている。反応器2において、導入部2Bに導入管10が接続された部分は、排ガスの供給部2Eであり、導出部2Cに導出管11が接続された部分は、ガスの出口部2Fである。
導入管10は再加熱器3の出口側に接続され、導出管11はNH3-SCR脱硝器6の入口側に接続されている。
The detailed structure of the
The
導入管10において反応器2に近い部分に供給管12が接続されている。この供給管12は還元剤の供給源13に接続されている。ここで用いる還元剤は、炭化水素ガスを用いることができ、一例として、プロピレンガス(C3H6ガス)を用いることができる。供給管12の先端部が導入管10に接続された部分は反応器2に対する還元剤の供給部(供給ノズル)12aとして機能する。
A
反応器2の胴部2Aにおいて、導入部2Bに近い位置に仕切り部材としてのグレーチング15が設けられ、このグレーチング15の上にセラミックボールを敷き詰めた保持層16が形成され、保持層16の上に粒状の触媒を充填した触媒層17が設けられている。グレーチング15と保持層16により棚床が形成され、触媒層17は棚床に支持されている。触媒層17は、胴部2Aの上端部近くまで設けられ、触媒層17の上端部にセラミックボールを敷き詰めた仕切層18が設けられている。尚、触媒層17は前記触媒を塗布等で金属製あるいはセラミック製ハニカム等に固定した構造体、あるいは、前記触媒をハニカム等の形状に成型した構造体でも良い。その場合は、保持層16と仕切層18は省略してもよい。
In the
反応器2において、導入管10から胴部2Aに導入された排ガスはセラミックボール間の隙間を通過して触媒層17に至り、触媒層17における触媒粒子間の隙間を通過する。触媒層17の触媒粒子間の隙間を通過したガスはセラミックボールの隙間を通過して導出管11に至る。導出管11に至ったガスはNH3-SCR脱硝器6に供給される。
NH3-SCR脱硝器6には、活性炭など、NH3-SCR脱硝に好適な触媒が収容されている。
In the
The NH 3 -
反応器2において胴部2Aの一部に胴部2の側壁を貫通する第1連通管19が設けられ、この第1連通管19を介し触媒層17の温度を計測するための温度計測手段20が接続されている。
反応器2の底部側に導入部2Bの周壁を貫通する第2連通管21が設けられ、導出部2Cの上部側に導出部2Cの周壁を貫通する第3連通管22が設けられている。
第2連通管21を介し圧力検出器23の圧力検知センサが導入部2B内に設置されている。第3連通管22を介し圧力検出器25の圧力検知センサが導出部2C内に設置されている。
In the
A
A pressure detection sensor of a
圧力検出器23は、反応器2の底部側の圧力を検出する検出器であり、圧力検出器25は、反応器2の天井側の圧力を検出する検出器である。反応器2の底部側の圧力測定結果は触媒層17に対する上流側の圧力測定結果に相当し、反応器2の天井側の圧力は触媒層17に対する下流側の圧力測定結果に相当する。
圧力検出器23、25は、パーソナルコンピュータ、プログラマブルコントローラなどの制御機器26に接続され、圧力検出器23、25が測定した触媒層17の上流側の圧力と下流側の圧力の計測と記録、およびそれら圧力の差圧などの計算結果を記録し、把握できるように構成されている。
The
The
反応器2に適用する触媒17は、第1の例として、ルチル型酸化チタン(TiO2)からなる担体粒子の表面にAgなどの金属粒子を担持させた触媒粒子を適用できる。触媒17は、第2の例として、アナターゼ型酸化チタン(TiO2)からなる担体粒子の表面にAgなどの金属粒子を担持させた触媒粒子を適用できる。触媒17は、第3の例として、酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる担体粒子の表面にAgなどの金属粒子を担持させた触媒粒子を適用できる。あるいは、これら第1~第3の例の触媒粒子の何れかの粒子の混合粒子を用いることができる。
上述の担体粒子にAgを担持させた触媒粒子を製造する場合、それぞれの担体粒子を硝酸銀水溶液に溶かし、所定量のAg担持量とする。Ag担持量は硝酸銀水溶液の濃度調整により調整することができる。
As the
When producing catalyst particles in which Ag is supported on the carrier particles described above, each carrier particle is dissolved in an aqueous solution of silver nitrate to obtain a predetermined amount of Ag supported. The amount of Ag supported can be adjusted by adjusting the concentration of the silver nitrate aqueous solution.
上述の触媒17において、ルチル型酸化チタンあるいはアナターゼ型酸化チタンを担体とし、それら担体の表面にAgの粒子を担持する構成にできる。この場合、Agの好ましい担持量は、担持させるAgの質量と担体の質量を合計した全体の質量に対し、Agの担持量を0.7~5質量%の範囲で選択できる。
Agの担持量範囲として、触媒17を400℃未満の温度範囲で使用する場合、1.5~5質量%とすることが好ましい。
Agの担持量範囲として、触媒17を400℃以上の温度範囲で使用する場合、0.7~1.5質量%とすることが好ましい。
上述の担持量とした担体粒子を蒸発乾固で回収し、大気中で500℃程度に数時間焼成し、目的の触媒粒子を得ることができる。
触媒17の粒径は、一例として、0.3~0.6mm程度に調整できる。
In the
When the
When the
The carrier particles having the above-mentioned supported amount are recovered by evaporation to dryness and calcined in the air at about 500° C. for several hours to obtain the desired catalyst particles.
As an example, the particle size of the
なお、本願明細書において、成分含有量の範囲や粒径範囲など、特定の範囲を表記する場合、「~」を用いて上限と下限を規定した場合、特に指定しない限り、上限値と下限値をその範囲に含む意味とする。よって、前述の0.7~5質量%は0.7質量%以上、5質量%以下の範囲を意味し、1.5~5質量%は1.5質量%以上、5質量%以下の範囲を意味する。 In the present specification, when describing a specific range such as a range of component content or a particle size range, when specifying the upper and lower limits using "~", unless otherwise specified, the upper and lower limits is meant to be included in its scope. Therefore, the aforementioned 0.7 to 5 mass% means a range of 0.7 mass% or more and 5 mass% or less, and 1.5 to 5 mass% means a range of 1.5 mass% or more and 5 mass% or less. means
図1に示すNH3-SCR脱硝装置1において、反応器2はアンモニア製造装置に相当し、NH3-SCR脱硝装置1は反応器2とNH3-SCR脱硝機6を主体として構成されている。
排ガス供給源5からの排ガスを通風機4により再加熱器3aに供給し、蛇行管3aに供給した高圧蒸気により排ガスの温度を調整し、温度調整後の排ガスを導入管10を介し反応器2に供給する。導入管10を介し排ガスを反応器2に供給する場合、供給管12の供給部12aを介し排ガスに還元剤として炭化水素ガスを混合する。炭化水素ガスは、例えば、プロピレンガス(C3H6)を適用できる。
In the NH 3 -
The exhaust gas from the exhaust
ここで適用する排ガスには、例えば、NO、O2、CO、CO2、H2O、N2、SO2などが含まれる。
排ガスは反応器2の内部に収容されている触媒17に所定の温度雰囲気にて接触し、以下の反応式に示されるように反応してアンモニア(NH3)が生成される。
NO+C3H6+13/4O2→NH3+3CO2+3/2H2O
Exhaust gases as applied here include, for example, NO, O 2 , CO, CO 2 , H 2 O, N 2 , SO 2 and the like.
The exhaust gas contacts the
NO+ C3H6 +13/ 4O2 → NH3 + 3CO2 + 3 / 2H2O
排ガスが触媒17に触れてNH3に転換される反応機構想定として、以下の(1)~(5)に記載する式を考慮することができ、その内(1)~(5)に示す各式を合計すると上述の反応式を導出できる。
(1)NO+1/2O2→NO2
(2)H2O→H+OH
(3)NO2+OH→HNO3
(4)Ag+HNO3→AgNO3+1/2H2
(5)AgNO3+C3H6+9/4O2→Ag+NH3+3CO2+3/2H2O
排ガスの組成の一例として、NO:980~1020ppm、O2:9.44~10.21%、H2O:0%または5.0%、N2:バランスなどの組成の排ガスを例示できる。
The following equations (1) to (5) can be considered as assumptions of the reaction mechanism in which the exhaust gas is converted to NH 3 by contact with the
(1) NO+1/ 2O2 → NO2
(2) H2O →H+OH
(3) NO2 +OH→ HNO3
(4) Ag+ HNO3 → AgNO3 +1/ 2H2
(5) AgNO3 + C3H6 +9/ 4O2 →Ag+ NH3 + 3CO2 +3 / 2H2O
Exemplary exhaust gas compositions include NO: 980 to 1020 ppm, O 2 : 9.44 to 10.21%, H 2 O: 0% or 5.0%, and N 2 : balance.
反応器2の触媒17を通過したガス中に高い収率でアンモニア(NH3)を製造できる。後述する実施例において示すように、例えば、400℃近傍の温度範囲で担体に対するAg担持量を1~1.5質量%とすると、排ガスからの47.4%以上の高い収率でアンモニアを製造できる。
Ammonia (NH 3 ) can be produced in a high yield in the gas that has passed through the
上述の反応式に示した通り、担体表面のAgによりNOがNO2に酸化される。
また、アナターゼ型TiO2からなる担体表面の-OH基はNO2との反応性に富み、硝酸根を経由してNH3が生成する。また、表面-OH基の反応性が小さいルチル型TiO2からなる担体の場合は、共存水蒸気から担体表面にOHとHが生成し、共存水蒸気から生成するOHとNO2から硝酸根を経由してNH3が生成する。
従って、上述の結果によれば、酸素及び水蒸気共存下でNOXを濃縮することなく1ポットでアンモニア製造のための反応を進行させることができる。
従って、NOXと還元剤からNH3を製造するアンモニア製造方法を提供することができる。
As shown in the reaction scheme above, NO is oxidized to NO 2 by Ag on the support surface.
In addition, the —OH group on the surface of the support made of anatase-type TiO 2 is highly reactive with NO 2 , and NH 3 is produced via nitrate radicals. In addition, in the case of a support made of rutile TiO 2 with low reactivity of the surface —OH group, OH and H are generated on the support surface from the coexisting water vapor, and OH and NO 2 generated from the coexisting water vapor pass through the nitrate group. NH 3 is produced.
Therefore, according to the above results, it is possible to proceed the reaction for ammonia production in one pot without concentrating NO X in the coexistence of oxygen and water vapor.
Therefore, it is possible to provide an ammonia production method for producing NH3 from NOX and a reducing agent.
上述の触媒を用いたアンモニアの製造方法では、排ガス中NOXから大気圧でNH3を製造でき、且つ、エネルギー準位もN2よりNOが高いことから、従来の高温高圧を必要とするハーバー・ボッシュ法よりも低エネルギーでNH3を製造できる特徴を有する。この反応経路イメージについて図4に基づき、以下に説明する。 In the method for producing ammonia using the above-mentioned catalyst, NH3 can be produced from NOX in the exhaust gas at atmospheric pressure, and the energy level of NO is higher than that of N2 .・It has the feature that NH3 can be produced with lower energy than the Bosch method. This reaction route image will be described below with reference to FIG.
図4に示すように、N2における元素NとNの結合エネルギーは、941.6kJ/molである。NH3における元素NとHの結合エネルギーは、444.1kJ/molである。ハーバー・ボッシュ法では、高温高圧環境において、図4の左側の上向きの矢印に示すように、N2からNH3に至るように反応させる必要がある。
これに対し、NOにおける元素NとOの結合エネルギーは、626.8kJ/molである。本実施形態のアンモニア製造方法では、NOからNH3に転換する上述の反応式として表示できるので、ハーバー・ボッシュ法よりも低エネルギーでNH3を製造できると理解できる。
As shown in Fig. 4, the binding energy of the elements N and N in N2 is 941.6 kJ/mol. The binding energy of the elements N and H in NH3 is 444.1 kJ/mol. In the Haber-Bosch method, it is necessary to react N 2 to NH 3 in a high-temperature and high-pressure environment, as indicated by the upward arrow on the left side of FIG.
In contrast, the binding energy between the elements N and O in NO is 626.8 kJ/mol. In the ammonia production method of the present embodiment, it can be expressed as the above reaction formula for converting NO to NH3 , so it can be understood that NH3 can be produced with lower energy than the Haber-Bosch method.
上述のアンモニア製造方法では、酸素及び水蒸気が共存する排ガス中NOXからNH3を製造できるため、従来のハーバー・ボッシュ法のように高純度のN2を得るための空気深冷分離装置や、H2を得るための天然ガス改質プロセスあるいは水電気分解装置が不要となる。
また、工場排ガスへの脱硝プロセスに供給する還元剤NH3の輸送や貯蔵・脱硝用注入設備及びそのインフラ設備が不要となり、脱硝コスト削減に寄与する。
In the ammonia production method described above, NH3 can be produced from NOX in the exhaust gas in which oxygen and water vapor coexist. No natural gas reforming process or water electrolyzer to obtain H2 is required.
In addition, transportation and storage of the reducing agent NH3 supplied to the denitrification process of the factory exhaust gas, injection equipment for storage and denitrification, and infrastructure equipment therefor become unnecessary, contributing to a reduction in denitrification costs.
本実施形態のNH3-SCR脱硝装置1では、反応器2で製造したNH3を導出管11を介し脱硝用反応器6に送ることができる。
NH3-SCR触媒を収容した脱硝用反応器6では、供給された還元剤であるNH3のもと、NH3-SCR触媒が脱硝処理を行う。NH3-SCR触媒は一例として活性炭を用いることができ、以下の式で表示できる反応により除去される。
NO+NH3+1/2O2→N2+3/2H2O
In the NH 3 -
In the
NO+ NH3 +1/ 2O2 → N2 +3/ 2H2O
図3は、従来のハーバー・ボッシュ法に基づき、選択的触媒還元反応脱硝装置(NH3-SCR脱硝装置)を構成した場合の概略構成図を示す。
従来のNH3-SCR脱硝装置30は、NH3-SCR触媒を収容した脱硝用反応器31の前段側に、排ガス供給源32と通風機33と再加熱器34と高圧蒸気供給源35を有する。排ガス供給源32は先に説明した排ガス供給源5と同等の構成であり、通風機33は先に説明した通風機4と同等の構成を採用できる。再加熱器34は先に説明した再加熱器と同等の構成であり、高圧蒸気供給源35は先に説明した高圧蒸気供給源8と同等の構成を採用できる。
FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of a selective catalytic reduction reaction denitration device (NH 3 -SCR denitration device) based on the conventional Haber-Bosch method.
A conventional NH 3 -
従来のNH3-SCR脱硝装置30では、これらの構成に加え、還元剤NH3の輸送や貯蔵・脱硝用注入設備及びそのインフラ設備が必要となる。
図3に示すように、空気供給手段40を備えた深冷分離装置41からの窒素と、天然ガス供給源42、水供給源43を備えた水蒸気改質装置45からの水素によりハーバー・ボッシュ法を実施する反応器46が必要となる。この反応器46で製造したアンモニア47を貯留する貯留タンク48とアンモニアを搬送するためのタンクローリー車49とタンクローリー車49で搬送されるアンモニアの中継貯留所50と希釈槽51が必要となる。更に、希釈槽51から脱硝用反応器31を設置した現場まで希釈アンモニアを搬送するためのタンクローリー車52と、現場近くに設置した案水タンク53と安水気化器54が必要となる。現場の安水タンク53から安水と圧縮空気を安水気化器54に送ることにより、脱硝用反応器31に対しアンモニアの供給が可能となる。
In addition to these components, the conventional NH 3 -
As shown in FIG. 3, nitrogen from a
以上説明のように、従来のNH3-SCR脱硝装置30では、脱硝用反応器31にNH3を供給するために、様々なNH3の輸送機器や貯蔵機器、脱硝用注入設備及びそのインフラ設備が必要であった。これに対し、従来のNH3-SCR脱硝装置30で必要であった複数の設備や機器は、図1に示す実施形態のNH3-SCR脱硝装置1では、不要になり、脱硝コストの大幅な削減に寄与する。
また、上述の触媒は、繰り返し使用しても活性が低下しないので、NH3-SCR脱硝装置1は、頻繁に触媒を交換しなくとも安定した状態で運転することができる。また、反応器2はNOXから低コストかつ高収率でNH3を生産できる。
As described above, in the conventional NH 3 -
In addition, since the above-mentioned catalyst does not lose its activity even after repeated use, the NH 3 -
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the conditions in the examples are examples of conditions adopted to confirm the feasibility and effect of the present invention, and the present invention is based on this one condition. Examples are not limiting. Various conditions can be adopted in the present invention as long as the objects of the present invention are achieved without departing from the gist of the present invention.
「触媒担体」
TiO2(JRC-TIO-16and-17)とZrO2(JRC-ZRO-6)を準備した。ルチル型TiO2であるJRC-TIO-16は、堺化学工業株式会社製のものを用い、比表面積は109m2/g、Ag担持後の焼成により30-50m2/gとなる。JRC-TIO-17は、Degussa社(独)製のP-25を用いた。P-25は、Evonik Japan株式会社が70%アナターゼ型担体+20%ルチル型担体+10%アモルファス型担体に調製したもの(以降、P-25をアナターゼ型TiO2と称すこともある)である。JRC-TIO-17の比表面積はAg担持前後によらず50m2/gである。
JRC-ZRO-6は第一稀元素化学工業株式会社が加水分解法で調製したアモルファス水和ZrO2であり、比表面積279g/m2である。Ag担持焼成後は四面体結晶相に変わり、比表面積は94g/m2となる。
"catalyst carrier"
TiO 2 (JRC-TIO-16and-17) and ZrO 2 (JRC-ZRO-6) were prepared. JRC-TIO-16, which is rutile-type TiO 2 , is manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd., has a specific surface area of 109 m 2 /g, and becomes 30-50 m 2 /g by firing after supporting Ag. JRC-TIO-17 used P-25 manufactured by Degussa (Germany). P-25 was prepared by Evonik Japan Co., Ltd. as 70% anatase carrier + 20% rutile carrier + 10% amorphous carrier (hereinafter P-25 may be referred to as anatase TiO 2 ). The specific surface area of JRC-TIO-17 is 50 m 2 /g regardless of whether Ag is supported or not.
JRC-ZRO-6 is amorphous hydrated ZrO 2 prepared by the hydrolysis method by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd. and has a specific surface area of 279 g/m 2 . After Ag-supported and calcined, it changes to a tetrahedral crystal phase, and the specific surface area becomes 94 g/m 2 .
「触媒調製(金属担持)」
・Agの担持法
Agを担持する場合、それぞれの担体をAgNO3水溶液に溶解し、所定のAg担持量(例えば、全体の5質量%)に調整した。水溶液から蒸発乾固で回収した固形物を大気中で500℃にて4時間焼成し、焼成後の粒子を機械的に破砕し粒子径0.3~0.6mmに調製した。
"Catalyst preparation (metal support)"
- Method of loading Ag When loading Ag, each carrier was dissolved in an aqueous AgNO3 solution to adjust the amount of loaded Ag to a predetermined amount (for example, 5% by mass of the total). The solid matter recovered from the aqueous solution by evaporation to dryness was calcined in the atmosphere at 500° C. for 4 hours, and the calcined particles were mechanically crushed to prepare a particle size of 0.3 to 0.6 mm.
「触媒の解析」
触媒の結晶構造やAg粒子径はX線回折(D2_Phaser, Brucker, USA)とCu Kα放射線とNiフィルターを使って解析した。
「触媒反応評価」
石英管反応器(外径14mm、管厚1mm、長さ700mm)を使って触媒活性を評価した。触媒は反応器の中心部に搭載した。触媒体積は空間速度(SV)を測定するのに使用し、通常は0.6mL(SV=10000h-1)搭載(重量は約0.3~0.5g)した。反応温度は、さや管付きシーズ管で触媒充填層の中心を測定した。反応評価は全て大気圧で実施した。
"Analysis of catalysts"
The crystal structure and Ag particle size of the catalyst were analyzed using X-ray diffraction (D2_Phaser, Brucker, USA), Cu Kα radiation and Ni filter.
"Evaluation of Catalytic Reaction"
Catalytic activity was evaluated using a quartz tube reactor (outer diameter 14 mm,
NO、C3H6、O2、H2O、N2の混合ガスを反応器の頂部から100mL/min(SV=10000h-1のとき)供給し、反応後のガスを反応器底部からFT-IR(フーリエ変換赤外分光光度計)システム内の2.4mからなるガスセルに導入し、構成物質がNH3とC3H6として測定した。 A mixed gas of NO, C 3 H 6 , O 2 , H 2 O, and N 2 was supplied from the top of the reactor at 100 mL/min (when SV = 10000 h −1 ), and the post-reaction gas was supplied from the bottom of the reactor to FT It was introduced into a 2.4 m gas cell in an IR (Fourier Transform Infrared Spectrophotometer) system, and the constituents were measured as NH 3 and C 3 H 6 .
評価に用いた混合ガスの組成と流量条件等は以下の通りである。NO:980~1020ppm、C3H6:0.50~0.52%、O2:9.44~10.21%、H2O:0%または5.0%、N2:バランス、全流量:100.0~102.5mL/min、触媒量:0.6mL(SV:10000~10300h-1)。 The composition, flow rate conditions, etc. of the mixed gas used for the evaluation are as follows. NO: 980-1020 ppm, C 3 H 6 : 0.50-0.52%, O 2 : 9.44-10.21%, H 2 O: 0% or 5.0%, N 2 : balance, total Flow rate: 100.0-102.5 mL/min, amount of catalyst: 0.6 mL (SV: 10000-10300 h -1 ).
所定の温度に設定した状態で30分間の平均NH3生成速度と平均C3H6消費速度を触媒活性評価に使用した。NH3収率(YNH3)とC3H6消費速度(XC3H6)は、NOとC3H6の濃度や量を使って以下の(1)式と(2)式で計算した。
なお、SV=Space Velocity(空間速度)を示し、
SV[h-1]=供給ガス流量[mL/h]/触媒量[mL]で計算される。
The average NH 3 production rate and average C 3 H 6 consumption rate over 30 minutes at a given temperature setting were used for catalytic activity evaluation. The NH 3 yield (Y NH3 ) and the C 3 H 6 consumption rate (X C 3 H 6 ) were calculated by the following equations (1) and (2) using the concentrations and amounts of NO and C 3 H 6 .
In addition, SV = Space Velocity (spatial velocity) is shown,
SV [h −1 ]=supply gas flow rate [mL/h]/catalyst amount [mL].
図5に、Agを担持したアンモニア製造用触媒において、担体をZrO2、アナターゼ型TiO2(P-25)、ルチル型TiO2の何れかとした場合の水蒸気共存/非共存におけるNH3収率の温度依存性を比較して示す。
図5に示すように、200℃~380℃の広い温度範囲において、いずれの試料においてもアンモニア製造のための反応が進行し、アンモニアを製造できた。
図5に示す結果から、いずれの試料においても特定の温度域にNH3収率のピークが存在し、ピーク温度範囲から低温側あるいは高温側に温度が変化するとNH3収率が徐々に低下することが分かった。
FIG. 5 shows the NH 3 yield in the presence/absence of water vapor when ZrO 2 , anatase-type TiO 2 (P-25), or rutile-type TiO 2 is used as the support in the Ag-supported ammonia production catalyst. Temperature dependence is shown in comparison.
As shown in FIG. 5, in a wide temperature range of 200° C. to 380° C., the reaction for producing ammonia proceeded in all samples, and ammonia was produced.
From the results shown in FIG. 5, there is a peak of NH3 yield in a specific temperature range in any sample, and the NH3 yield gradually decreases when the temperature changes from the peak temperature range to the low temperature side or the high temperature side. I found out.
また、アナターゼ型TiO2(P-25)、ルチル型TiO2の担体にAgを担持した触媒を用いた場合、収率の高いものでは30%程度の収率でアンモニアを製造できることが分かった。なお、今回の試験結果のように、上述の触媒を用いてアンモニアの生成反応が進むこと自体、新しい知見であり、この知見により高い収率でアンモニアを製造可能な技術の提供ができることが分かる。
従って、上述の結果によれば、酸素共存下で水蒸気有無に関わらずNOXを濃縮することなく1ポットでアンモニア製造のための反応を進行させることができた。従って、NOXと還元剤からNH3を製造するアンモニア製造方法を提供できることが分かる。
It was also found that ammonia can be produced with a high yield of about 30% when using catalysts in which Ag is supported on an anatase-type TiO 2 (P-25) or rutile-type TiO 2 carrier. It should be noted that, as in the test results of this time, the progress of the reaction to produce ammonia using the above-mentioned catalyst itself is a new finding, and it can be seen that this finding can provide a technology that can produce ammonia at a high yield.
Therefore, according to the above results, the reaction for producing ammonia could proceed in one pot without concentrating NO X in the coexistence of oxygen regardless of the presence or absence of water vapor. Therefore, it can be seen that an ammonia production method for producing NH3 from NOX and a reducing agent can be provided.
図6に、Agを担持したアンモニア製造用触媒において、担体をアナターゼ型TiO2としたときの水蒸気非共存下におけるNH3収率の経時変化を示す。
図6に示す結果から、図5に示す結果と対比し、アナターゼ型TiO2の担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒は、水蒸気が共存していない場合、経時劣化する傾向を有することが分かった。
FIG. 6 shows the time course of the NH3 yield in the absence of water vapor when using an anatase-type TiO2 as the support in the Ag-supported catalyst for ammonia production.
From the results shown in FIG. 6, in contrast to the results shown in FIG. 5, it was found that the ammonia production catalyst in which Ag was supported on an anatase-type TiO 2 carrier tends to deteriorate over time when water vapor is not present. rice field.
図7に、ルチル型TiO2担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒において、反応温度と水蒸気分圧に対するNH3収率への影響を示す。
図7に示す結果から、水蒸気分圧0%の条件でNH3収率は低いが、水蒸気分圧2.5%~15%の条件において、NH3収率が各段に向上することが分かる。特に、水蒸気分圧10%~15%の条件において、温度条件を選定すると30%を超えるNH3収率が得られた。
水蒸気分圧0%の条件は、排ガスとしてドライガスを用いた場合に相当する。
なお、今回の試験結果のように、上述の触媒を用いてアンモニアの生成反応が進むこと自体、新しい知見である。このため、収率が低いドライガスを用いた場合であっても、上述の触媒を用いてアンモニアの生成反応が進むこと自体、技術的意義を有する。
FIG. 7 shows the effect of reaction temperature and water vapor partial pressure on NH3 yield in the catalyst for ammonia production in which Ag is supported on rutile-type TiO2 support.
From the results shown in FIG. 7, it can be seen that the NH 3 yield is low at a water vapor partial pressure of 0%, but the NH 3 yield is significantly improved at a water vapor partial pressure of 2.5% to 15%. . In particular, under the condition of water vapor partial pressure of 10% to 15%, NH 3 yield of over 30% was obtained when the temperature condition was selected.
The condition of water vapor partial pressure of 0% corresponds to the case of using dry gas as exhaust gas.
It should be noted that the progress of the reaction to produce ammonia using the catalyst described above, as in the present test results, itself is a new finding. Therefore, even when dry gas with a low yield is used, the fact that the ammonia production reaction proceeds using the above-described catalyst itself has technical significance.
図8に、アナターゼ型TiO2担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒において、反応温度と水蒸気分圧に対するNH3収率への影響を示す。
図8に示す結果から、水蒸気分圧0%~10%の条件において、反応温度を選択すると高いNH3収率を得られることが分かる。
ただし、水蒸気分圧0%の条件において、アナターゼ型TiO2担体を用いたアンモニア製造用触媒は、先の図6に示すように経時劣化を示すため、水蒸気が共存し長時間連続運転する工業用途には不利であると考えられる。
FIG. 8 shows the effect of reaction temperature and water vapor partial pressure on NH3 yield in the catalyst for ammonia production in which Ag is supported on an anatase-type TiO2 support.
From the results shown in FIG. 8, it can be seen that under the condition of water vapor partial pressure of 0% to 10%, a high NH 3 yield can be obtained by selecting the reaction temperature.
However, under the condition of 0% water vapor partial pressure, the catalyst for ammonia production using the anatase-type TiO 2 support shows deterioration over time as shown in FIG. is considered to be disadvantageous to
図9に、ルチル型TiO2担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒において、空間速度(SV)に対するNH3収率への影響を示す。
図9に示す結果から、いずれの試料においても280~370℃の温度域にNH3収率のピークが存在し、ピーク温度範囲から低温側あるいは高温側に温度が変化するとNH3収率が徐々に低下することが分かった。また、これらの割合は試験した範囲のいずれの空間速度においても同様な傾向を示した。
Figure 9 shows the effect of space velocity (SV) on NH3 yield for the catalyst for ammonia production with Ag supported on rutile-type TiO2 support.
From the results shown in FIG. 9, the NH 3 yield peak exists in the temperature range of 280 to 370° C. for all samples, and the NH 3 yield gradually decreases as the temperature changes from the peak temperature range to the lower or higher temperature side. was found to decrease to Also, these proportions showed similar trends at any space velocity in the tested range.
図10に、アナターゼ型TiO2担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒において、空間速度(SV)に対するNH3収率への影響を示す。
図10に示す結果から、いずれの試料においても320~350℃の温度域にNH3収率のピークが存在し、ピーク温度範囲から低温側あるいは高温側に温度が変化するとNH3収率が低下することが分かった。また、これらの割合は試験した範囲のいずれの空間速度においても同様な傾向を示した。
FIG. 10 shows the effect of space velocity (SV) on NH3 yield for ammonia production catalysts with Ag supported on anatase-type TiO2 support.
From the results shown in FIG. 10, there is a peak of NH 3 yield in the temperature range of 320 to 350 ° C in all samples, and the NH 3 yield decreases when the temperature changes from the peak temperature range to the lower or higher temperature side. I found out to do. Also, these proportions showed similar trends at any space velocity in the tested range.
図11に、ルチル型TiO2担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒において、還元剤(C3H6)の分圧減少の影響を示す。
図11に示す結果から、いずれの試料においても330~360℃の温度域にNH3収率のピークが存在し、ピーク温度範囲から低温側あるいは高温側に温度が変化するとNH3収率が低下することが分かった。
図11に示す結果は還元剤の分圧が0.28%~0.51%に変化しても、どの反応温度においてもNH3収率は殆ど変化しないことを示している。
FIG. 11 shows the effect of reducing the partial pressure of the reducing agent (C 3 H 6 ) in the ammonia production catalyst in which Ag is supported on a rutile-type TiO 2 support.
From the results shown in FIG. 11, there is a peak of NH 3 yield in the temperature range of 330 to 360° C. for all samples, and the NH 3 yield decreases when the temperature changes from the peak temperature range to the lower or higher temperature side. I found out to do.
The results shown in FIG. 11 indicate that the NH 3 yield changes little at any reaction temperature when the partial pressure of the reducing agent varies from 0.28% to 0.51%.
図12に、アナターゼ型TiO2担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒において、還元剤(C3H6)の分圧減少の影響を示す。
図12に示す結果から、いずれの試料においても320~340℃の温度域にNH3収率のピークが存在し、ピーク温度範囲から低温側あるいは高温側に温度が変化するとNH3収率が低下することが分かった。
図12に示す結果では、還元剤の分圧が0.51%から0.28%に減少すると、どの反応温度においてもNH3収率が大きく低下することが分かった。
FIG. 12 shows the effect of reducing the partial pressure of the reducing agent (C 3 H 6 ) in the catalyst for ammonia production in which Ag is supported on an anatase-type TiO 2 support.
From the results shown in FIG. 12, there is a peak of NH 3 yield in the temperature range of 320 to 340 ° C in all samples, and the NH 3 yield decreases when the temperature changes from the peak temperature range to the lower or higher temperature side. I found out to do.
The results shown in FIG. 12 show that the NH 3 yield decreases significantly at any reaction temperature when the partial pressure of the reductant is decreased from 0.51% to 0.28%.
図13に、ルチル型TiO2担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒において、NH3収率に対する触媒金属(Ag)担持量の依存性と温度依存性を評価した結果を示す。
図13に示す結果では、担体に対するAg担持量と反応温度に応じNH3収率が変化することが分かった。
尚、図13に示す“1st”、“2nd”、“3rd”、“4th”は前記図5に示す結果を求めるために実施した前述の温度依存性評価試験(「触媒反応評価」)を同一の触媒に対し繰り返し実施した回数を示しており、試験に使用された担体が350~500℃近傍の高温にさらされた回数でもある。
FIG. 13 shows the results of evaluation of the dependence of catalyst metal (Ag) supported amount on NH 3 yield and the temperature dependence of an ammonia production catalyst in which Ag is supported on a rutile-type TiO 2 support.
The results shown in FIG. 13 show that the NH 3 yield varies depending on the amount of Ag supported on the support and the reaction temperature.
Incidentally, "1st", "2nd", "3rd" and "4th" shown in FIG. It is also the number of times the carrier used in the test was exposed to high temperatures around 350 to 500°C.
例えば、図13に記載の「1.5wt%Ag_1st」のデータは、反応温度310℃で前記「触媒反応評価」に記載の方法で評価試験をした後、340℃→360℃→370℃→380℃→390℃→400℃→410℃→430℃→460℃のように反応温度を変えて同様に評価試験をして得られた温度依存性結果である。
その後、触媒を変えずに270℃で前記「触媒反応評価」に記載の方法で評価試験をした後、280℃→290℃→300℃→310℃→320℃→330℃→340℃→350℃→360℃→370℃→380℃→390℃→400℃→410℃→420℃→430℃→440℃→450℃→460℃のように反応温度を変えて同様に評価試験をして得られた温度依存性結果が図13に示す「1.5wt%Ag 2nd」で示すデータである。
For example, the data of “1.5 wt% Ag_1st” shown in FIG. 390° C.→400° C.→410° C.→430° C.→460° C., and a similar evaluation test was performed to obtain temperature dependency results.
After that, without changing the catalyst, an evaluation test was performed at 270°C by the method described in "Catalytic reaction evaluation", and then 280°C → 290°C → 300°C → 310°C → 320°C → 330°C → 340°C → 350°C. → 360°C → 370°C → 380°C → 390°C → 400°C → 410°C → 420°C → 430°C → 440°C → 450°C → 460°C. The temperature dependence result is the data indicated by "1.5 wt % Ag 2nd" shown in FIG.
ルチル型TiO2担体へのAg担持量を担体とAgの合計量全体の0.7~1.5質量%とした場合、アンモニア製造用触媒を400℃以上の温度で使用する方がNH3収率が高いことが分かった。従って、ルチル型TiO2担体へのAg担持量を0.7~1.5質量%とした場合、アンモニア製造用触媒を400℃以上の温度で使用することが好ましい。Ag担持量により望ましい触媒温度は異なるが、概ね、400~500℃の範囲を選択できる。
ルチル型TiO2担体へのAg担持量を0.7~1.0質量%とした場合、触媒温度の調整により47.4%を超える優れたNH3収率を得られることが分かる。
When the amount of Ag supported on the rutile-type TiO2 support is 0.7 to 1.5 mass% of the total amount of the support and Ag, the NH3 yield is better when the ammonia production catalyst is used at a temperature of 400 °C or higher. found to be high. Therefore, when the amount of Ag supported on the rutile-type TiO 2 support is 0.7 to 1.5% by mass, it is preferable to use the catalyst for ammonia production at a temperature of 400° C. or higher. Although the desired catalyst temperature varies depending on the amount of Ag supported, it can generally be selected in the range of 400 to 500°C.
It can be seen that an excellent NH 3 yield of over 47.4% can be obtained by adjusting the catalyst temperature when the Ag loading on the rutile-type TiO 2 support is between 0.7 and 1.0 wt%.
また、ルチル型TiO2担体へのAg担持量を担体とAgの合計量全体の1.5~5質量%とした場合、アンモニア製造用触媒を400℃未満の温度で使用する方がNH3収率が高いことが分かった。従って、ルチル型TiO2担体へのAg担持量を1.5~5質量%とした場合、アンモニア製造用触媒を400℃未満の温度で使用することが好ましい。 In addition, when the amount of Ag supported on the rutile-type TiO 2 support is 1.5 to 5% by mass of the total amount of the support and Ag, the NH 3 yield is better when the ammonia production catalyst is used at a temperature of less than 400 °C. found to be high. Therefore, when the amount of Ag supported on the rutile-type TiO 2 support is 1.5 to 5% by mass, it is preferable to use the catalyst for ammonia production at a temperature of less than 400°C.
図14に、ルチル型TiO2担体にAgを担持したアンモニア製造用触媒において、C3H6転化率に対する触媒金属(Ag)担持量の依存性を評価した結果を示す。
図14に示す結果では、担体に対するAg担持量と反応温度に応じC3H6転化率が変化することが分かった。C3H6転化率が高いことで反応性が向上していることを把握できる。
FIG. 14 shows the results of evaluating the dependence of the amount of catalyst metal (Ag) supported on the conversion rate of C 3 H 6 in a catalyst for ammonia production in which Ag is supported on a rutile-type TiO 2 support.
From the results shown in FIG. 14, it was found that the C 3 H 6 conversion rate changed depending on the amount of Ag supported on the carrier and the reaction temperature. It can be understood that the high C 3 H 6 conversion rate improves the reactivity.
図15に、ルチル型TiO2担体へAgを2質量%担持した触媒のNH3収率によるC3H6転化率の変化を示す。
NH3収率とC3H6転化率との間で非常に強い相関を示した。
FIG. 15 shows the change in C 3 H 6 conversion rate with respect to NH 3 yield of a catalyst in which 2% by mass of Ag is supported on a rutile-type TiO 2 support.
A very strong correlation was shown between NH3 yield and C3H6 conversion.
「酸素共存下NH3転換プロセス適用時のマテリアルバランス検討」
図1に示す本実施形態のNH3-SCR脱硝装置1では、排ガスが触媒17に触れてNH3に転換される反応機構想定として、以下の(1)~(5)に記載する式を考慮することができ、(1)~(5)に示す各式を合計すると下記の反応式を導出できると説明した。
(1)NO+1/2O2→NO2
(2)H2O→H+OH
(3)NO2+OH→HNO3
(4)Ag+HNO3→AgNO3+1/2H2
(5)AgNO3+C3H6+9/4O2→Ag+NH3+3CO2+3/2H2O
反応式:NO+C3H6+13/4O2→NH3+3CO2+3/2H2O
"Material balance study when applying NH3 conversion process under coexistence of oxygen"
In the NH 3 -
(1) NO+1/ 2O2 → NO2
(2) H2O →H+OH
(3) NO2 +OH→ HNO3
(4) Ag+ HNO3 → AgNO3 +1/ 2H2
(5) AgNO3 + C3H6 +9/ 4O2 →Ag+ NH3 + 3CO2 +3 / 2H2O
Reaction formula: NO+ C3H6 +13/ 4O2 → NH3 + 3CO2 + 3 / 2H2O
そこで、この関係に基づき、酸素共存下NH3転換プロセス適用時のマテリアルバランスについて以下に検討する。
図1に示すNH3-SCR脱硝装置1において、排ガス供給手段5から170℃の排ガスが供給され、再加熱器3で350.1℃に再加熱して反応器2に導入管10から導入し、40℃のC3H6を還元剤として供給管12を介し導入管10から反応器2に供給する。
触媒層17の温度を350℃に想定し、脱硝用反応器6で脱硝後にガスの温度が349.8℃になると想定する。
Therefore, based on this relationship, the material balance when applying the NH 3 conversion process in the presence of oxygen will be examined below.
In the NH 3 -
It is assumed that the temperature of the
この場合、NO、C3H6、O2、CO、CO2、H2O、N2、NH3、SO2、HCl、Arについて、再生加熱前量と、再加熱後量と、還元剤量と、NH3転換後量と、注入NH3量と、NH3-SCR脱硝後量について、以下の表1に記載する。
上述の場合、NH3収率47.48%、脱硝率90.4%、C3H6転化率93.6%、NH3リーク5ppm未満と見積もることができる。
In this case, for NO, C 3 H 6 , O 2 , CO, CO 2 , H 2 O, N 2 , NH 3 , SO 2 , HCl, and Ar, the amount before regeneration heating, the amount after reheating, and the reducing agent The amount, post-NH 3 conversion amount, injected NH 3 amount, and post-NH 3 -SCR denitrification amount are listed in Table 1 below.
In the above case, it can be estimated that the NH3 yield is 47.48%, the denitration rate is 90.4%, the C3H6 conversion rate is 93.6%, and the NH3 leak is less than 5 ppm.
以上の関係を把握した上でNH3-SCR脱硝装置1において以下の制御を実施することができる。
図15に示したような上述のNH3収率と還元剤C3H6転化率の相関データを用い、図1の排出部7Aに装備されている環境監視用のNOX濃度監視計7Bにてモニタリングしている残NOX濃度を基に、排ガス中に含まれているNOXの量から望ましいNH3を生成するのに必要な還元剤C3H6の量を決定し、適切な還元剤C3H6の量に調節することができる。
After grasping the above relationship, the following control can be performed in the NH 3 -
Using the correlation data between the NH 3 yield and the reducing agent C 3 H 6 conversion rate as shown in FIG. Based on the residual NO X concentration monitored by the , the amount of reducing agent C 3 H 6 required to produce the desired NH 3 is determined from the amount of NO X contained in the exhaust gas, and the appropriate reduction is performed. The amount of agent C3H6 can be adjusted.
図1に示すNH3-SCR脱硝装置1において、アンモニア吸着手段7を略する場合がある。この場合は、図1の排出部7Aの煙突等に接続した環境監視用のNOX濃度監視計7Bにてモニタリングしている残NH3濃度を基に、排ガス中に含まれているNOX量を求める。そして、前述の相関データを用い、前述のNOX量から望ましいNH3を生成するのに必要な還元剤C3H6の量を決定し、適切な還元剤C3H6の量に調節することができる。
In the NH 3 -
図1に示すNH3-SCR脱硝装置1において、アンモニア吸着手段7を設ける場合に、その手前の配管に接続した環境監視用のNOX濃度監視計7Bを設ける場合もある。この場合は、モニタリングしている残NH3濃度を基に、排ガス中に含まれているNOX量を求め、前述の相関データを用い、前述のNOX量から望ましいNH3を生成するのに必要な還元剤C3H6の量を決定し、適切な還元剤C3H6の量に調節することができる。
In the NH 3 -
図1に示すNH3-SCR脱硝装置1であれば、排出部7Aに装備されている環境監視用のNOX濃度監視計7Bにて残NOX濃度を、あるいは、アンモニア吸着手段7の手前の配管上に装備されているNH3濃度監視計6Aにて残NH3濃度をモニタリング可能である。また、C3H6濃度監視計6Bにて残C3H6濃度をモニタリング可能である。
In the case of the NH 3 -
図17は、図1に示すNH3-SCR脱硝装置1の変形例を示し、この例のNH3-SCR脱硝装置60は、NH3-SCR脱硝装置1に設けられていたアンモニア吸着手段7が略され、NH3濃度監視計6AとC3H6濃度監視計6Bが排出部7Aに接続された構造である。
図17のようにアンモニア吸着手段7がない場合は、NOX濃度とNH3濃度のいずれの濃度も排出部7に装備されているにNH3濃度監視計6AとC3H6濃度監視計6BとNOX濃度監視計7Bにてモニタリング可能である。
FIG . 17 shows a modification of the NH 3 -SCR denitrification device 1 shown in FIG. NH 3 concentration monitor 6A and C 3 H 6 concentration monitor 6B are connected to the
In the absence of the ammonia adsorption means 7 as shown in FIG. 17, both the NO X concentration and the NH 3 concentration are monitored by the NH 3 concentration monitor 6A and the C 3 H 6 concentration monitor 6B. and the NO X
図17のNH3-SCR脱硝装置60には、還元剤の供給源13に流量調整弁61が組み込まれ、この流量調整弁61を制御可能な演算装置(調節装置)62が設けられている。演算装置62における演算結果に応じ、流量調整弁61の開度調整により供給源13から前段側の反応器2に送る還元剤量を調整することができる。
また、NOX濃度監視計7BとNH3濃度監視計6A及びC3H6濃度監視計6Bによる残NOX濃度観測結果と残NH3濃度観測結果及びC3H6濃度観測結果は、いずれも演算装置62に入力されるようになっている。演算装置62では、前述の残NOX濃度観測結果と残NH3濃度観測結果に基づき、後述する演算結果に従い、流量調整弁61の調整により供給源13から還元剤の供給量を調節する。演算装置62は情報の記憶が可能で情報の記憶内容に応じた計算や判断が可能な機能を具備するパーソナルコンピュータ、プログラマブルコントローラなどを適用可能である。
尚、流量調整弁61は、電気にて動作する弁でも、空気圧にて動作する弁でも構わない。
In the NH 3 -
In addition, the residual NO X concentration observation result, the residual NH 3 concentration observation result, and the C 3 H 6 concentration observation result by the NO X concentration monitor 7B, the NH 3 concentration monitor 6A, and the C 3 H 6 concentration monitor 6B are all It is input to the
The
例えば、アンモニア製造用触媒の種別、反応温度等によるNOXの量から、実施例においてルチル型TiO2担体に2質量%Agを担持した触媒を一例として示した図15の関係を演算装置62に記憶させておき、この情報を基に、図16に示した制御ロジックに含まれる演算により、望ましいNH3を生成するのに必要な還元剤C3H6の量を決定し、上述の流量調整弁61を操作して還元剤の供給量を調整できる。
尚、流量調整弁61は、電気にて動作する弁でも、空気圧にて動作する弁でも構わない。
For example, from the type of ammonia production catalyst, the amount of NO X depending on the reaction temperature , etc., the relationship in FIG. Stored and based on this information, the calculations contained in the control logic shown in FIG . The
The
なお、2質量%以外のAgを担持したルチル型TiO2担体を用いた場合、図15に示す関係と同様の関係を2質量%以外のAgを担持したルチル型TiO2担体に対し求めておき、演算装置62に記憶させておけば良い。あるいは、2質量%以外のAgを担持したルチル型TiO2担体と2質量%のAgを担持したルチル型TiO2担体を混合して用いた場合は、混合比に応じた試験用の担体を用いて予め図15に示す関係と同様の関係を求めて演算装置62に記憶させ、この情報を用いると良い。
このため、図17に示すNH3-SCR脱硝装置60において、排ガス中に含まれるNOXの量を把握し、反応器2に供給する還元剤C3H6の量を決定し、調整することで、望ましい収率でNH3を製造することができる。
In addition , when a rutile-type TiO 2 carrier supporting Ag other than 2% by mass is used, the same relationship as the relationship shown in FIG. , may be stored in the
Therefore, in the NH 3 -
図16は、図17に示すNH3-SCR脱硝装置60を用い、還元剤(C3H6)の供給量を制御しつつ好ましい量のNH3を製造する場合の概略制御ロジックの一例を示すフローチャートである。
NOX濃度監視計7Bから残NOX濃度観測結果が演算装置62に送られ(第1ステップST1)、NH3濃度監視計6Aから残NH3濃度観測結果が演算装置62に送られる(第2ステップST2)。
演算装置62では、反応器6における脱硝率がp×100%のとき、反応器6の脱硝で消費するNH3量={p/1-p}×排出部残NOX量の関係が記憶されているので、第1ステップST1で求められた結果と第2ステップST2で求められた結果に基づき反応器2で生成するべきNH3量を計算できる(第3ステップST3)。
FIG. 16 shows an example of a schematic control logic when using the NH 3 -
The residual NO X concentration observation result is sent from the NO X concentration monitor 7B to the arithmetic device 62 (first step ST1), and the residual NH 3 concentration observation result is sent from the NH 3 concentration monitor 6A to the arithmetic device 62 (second step ST1). step ST2).
In the
第3ステップST3で算出された計算値を第4ステップST4において反応器2で生成するべきNH3量として認識し、第5ステップST5において反応器2で生成するべきNH3量/発生NOx量の関係から、第6ステップST6においてNH3収率がわかるので、第7ステップST7において図15に示す相関式を用いてC3H6転化率を第8ステップST8において計算できる。
The calculated value calculated in the third step ST3 is recognized as the amount of NH3 to be produced in the
また、演算装置62では、C3H6濃度監視計6Bから残C3H6濃度観測結果が演算装置62に送られ(第9ステップST9)、第8ステップST8で計算したC3H6転化率とともに、残C3H6濃度/(1-C3H6転化率/100)=C3H6供給量の関係が記憶されているので、この関係式を用いて必要なC3H6添加量を第10ステップST10において決定し、第11ステップST11に示すように認識できる。
例えば、図15は、先に説明した通り、ルチル型TiO2担体へAgを2質量%担持した触媒のNH3収率によるC3H6分圧の変化を示す。このため、図15に示す関係から求められた、y=1.9744X-5.7557の関係を基に、NH3収率からC3H6添加量を決定できる。
なお、発生NOX量は逐次変化するので、発生NOX量を経時的に第12ステップST12に示すようにモニターし、第5ステップST5の計算に繰り返し利用し、第6ステップST6以降の計算に逐次利用し、安定な制御を実施できる。
Further, in the
For example, FIG. 15 shows changes in C 3 H 6 partial pressure with respect to NH 3 yield of a catalyst in which 2% by mass of Ag is supported on a rutile-type TiO 2 support, as described above. Therefore, based on the relationship y=1.9744X-5.7557 obtained from the relationship shown in FIG. 15, the amount of C 3 H 6 added can be determined from the NH 3 yield.
Since the amount of NO X generated changes sequentially, the amount of NO X generated is monitored over time as shown in the twelfth step ST12, repeatedly used in the calculation of the fifth step ST5, and used in the calculations of the sixth step ST6 and thereafter. Stable control can be performed by using them sequentially.
1…選択的触媒還元反応脱硝装置(NH3-SCR脱硝装置)、2…反応器(アンモニア製造装置)、2A…胴部、2B…導入部、2C…導出部、2E…供給部、2F…出口部、3…再加熱器、5…排ガス供給手段、6…(NH3-SCR)脱硝用反応器、10…導入管、11…導出管、12…供給管、12a…供給部(供給ノズル)、17…触媒層、20…温度計測手段、23、25…圧力検出器、26…制御機器、62…演算装置(調節装置)。
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前段の前記反応器内に、請求項1~請求項7のいずれか一項に記載のアンモニア製造用触媒が搭載され、前記反応器の一側に前記NOXの供給部及び前記還元剤の供給部が設けられ、前記反応器の他側に出口部が設けられるとともに、
後段の前記反応器内に、NH3-SCR触媒が搭載される脱硝装置。 comprising a front reactor and a rear reactor connected to the front reactor,
The catalyst for ammonia production according to any one of claims 1 to 7 is mounted in the reactor at the front stage, and the NO X supply unit and the reducing agent are supplied to one side of the reactor. a section is provided and an outlet section is provided on the other side of the reactor, and
A denitrification device in which an NH 3 -SCR catalyst is mounted in the latter reactor.
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