JP2634251B2 - 接触分解脱硝方法 - Google Patents

接触分解脱硝方法

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  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はボイラ、ガスタービン、ガソリンエンジン、
ディーゼルエンジン、芥焼却炉等の燃焼器排ガスに含ま
れるNOxの除去方法に関する。
〔従来の技術〕
燃焼器排ガスに含まれる大気汚染の原因となるNOxは
排出に際しては厳しい規則を受けており、現在燃焼方法
の改善や脱硝装置の付設が広く実施されている。燃焼方
法の改善例としては、NOxが高温の火炉中のN2,O2の解離
により生成したり燃料中のN分のO2との反応によるた
め、火炉の温度を低減するとか、火災のもつ還元性を利
用したりする方法が採用されている。これらの方法では
NOxの低減に限界があり、ボイラ等の固定発生源ではNOx
を更に除去するため温度300〜400℃で排ガス中のNOxと
ほぼ等モルのアンモニアを加えた後、NOx還元触媒と接
触させてN2とH2Oに転換する方法が採られている。
ガソリンエンジンについては、排ガス流路に白金−ロ
ジウム−パラジウム系三元系触媒層を装荷して、排ガス
中の酸素濃度がほぼ0になるストイキオメトリック燃焼
にて運転しNOx接触分解を高脱硝率に維持する方法が採
られている。しかし、この方法では従来の排ガス中の酸
素濃度の高い希薄燃焼方式に比較し効率の低下を伴って
いることは周知のところである。
ディーゼルエンジンについては、燃焼機構上ストイキ
オメトリック燃焼は不可能なところからガソリンエンジ
ンのような接触分解触媒の導入が困難視されており、燃
焼条件の最適化に頼る以外になく、脱硝方法については
技術の確立が遅れている。
最近、北大の岩本教授等がCu(II)交換型ZSM−5にN
Ox含有ガスを400〜700℃の温度で流過させると、還元剤
を使用せずともNOxがN2,O2に分解することを“触媒”
(vol.131,No.2,1989)に発表し、注目をあびている。
前述した三元系触媒が酸素濃度1vol%以上で殆ど活性
を示さないのに比し、この触媒は酸素農度4vol%でも無
酸素条件の2/3程度の活性が示され期待されている。
しかし発表された内容を見ると三元系触媒の実用条件
SV値{1時間排ガス流量/触媒層体積比(h-1)}30,00
0で脱硝率80%以上に対し、この触媒では同上条件にて1
0〜15%に止まり実用化には更に一段の高活性化の必要
なことがうかゞえる。
〔発明が解決しようとする課題〕
前述した燃焼法の改善ではNOxの低減に限界があり、
又、一方アンモニア還元触媒脱硝法ではNOxと等モルの
アンモニアが必要という変動費上の負担があり、又NOx
に対して過剰なアンモニアの投入はアンモニアの流下に
よる環境二次汚染が懸念され、更に、三元系触媒ではス
トイキオメトリック燃焼に伴なう効率の低下が避けられ
ず、還元剤を使用しないCu(II)交換型ZSM−5ゼオラ
イト触媒では一段の高活性の必要等の問題点がある。
本発明は上記技術水準に鑑み、上述したような問題点
のなNOxの除去法を提供しようとするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、NOxにガソリン、灯油、軽油等の不飽
和高級炭化水素を〔不飽和高級炭化水素〕/〔NOx〕体
積濃度比0.1以上で混合し温度350〜750℃でCu(II)交
換型高シリカゼオライトを充填した触媒層に流過すると
NOxはSV30,000、酸素濃度4vol%の実用的で、かつ高効
率燃焼領域においても脱硝率60%が達成されることを実
験的に確認した。
本発明はこの知見に基いて完成されたもので不飽和高
級炭化水素/NOxの体積濃度比が0.1以上になるように、
排ガス中のNOxに対してガソリン、灯油及び軽油からな
る群から選ばれる不飽和高級炭化水素を添加混合し、該
混合ガスを350〜750℃の温度の下でCu(II)交換型高シ
リカゼオライトよりなる触媒と接触させることを特徴と
する接触分解脱硝方法である。
〔作用〕
本発明によれば1vol%以上の酸素の共存下においても
排ガス中のNOxは良好にN2とO2に接触分解される。
本発明において使用するガソリン、灯油及び軽油から
なる群から選ばれる不飽和高級炭化水素は還元剤として
作用するものである。
本発明において使用される高シリカゼオライトとは、
結晶を構成するシリカとアルミナの比率SiO2/Al2O3が5
以上のものを指し、Y型(SiO2/Al2O3=5)、モルデナ
イト(SiO2/Al2O3=10)、モービル社で開発されたZSM
−5(SiO2/Al2O3=20〜400)及びこれと等価でSiO2/Al
2O3比が更に高いといわゆるユニオンカーバイド社のシ
リカライト等がこれに該当する。
この高シリカゼオライトの中、ZSM−5についてはNa
をCu(II)と交換すると岩本教授等により示されるよう
に、350℃以上でNOxをN2,O2に分解し(最適温度500℃近
傍)、Cu(II)の担持率が大きい程(少くともNaとの交
換率30%以上)、またSiO2/Al2O3が高い程反応活性は高
い。しかし本発明条件ではZSM−5の担体としての使用
は必ずしも必要条件ではなく、還元剤としての不飽和高
級炭化水素の未使用条件では殆ど活性を示さないY型ゼ
オライトも良好な接触分解特性を示す。
又前述したように還元剤としての不飽和高級炭化水素
を用いない岩本教授等の方法ではSV30,000、酸素濃度4v
ol%で脱硝率15%以下であり、本発明の脱硝率60%につ
いては全く別の、酸素との燃焼反応を回避してNOxと選
択的に反応が進行する選択的接触分解反応を経由してい
ると考えられる。
以上、本発明は還元剤としてガソリン、灯油又は軽油
のいずれかの不飽和高級炭化水素、触媒としてY型、モ
ルデナイト、ZSM−5、シリカライト等の高シリカゼオ
ライトにCu(II)を交換した高シリカゼオライトを使用
して温度350〜750℃、SV値30,000、還元剤/NOx0.1以上
の条件において脱硝率60%と極めて良好な性能を示し、
ボイラ、ガスタービンガソリンエンジン、ディーゼルエ
ンジン、芥焼却炉等からの広範な排ガス中NOx処理にほ
ぼ汎用的に採用し得る方法である。
更に本発明においては、上記条件で接触分解脱硝を行
った際、触媒層を流過した未反応の不飽和高級炭化水素
をその後流に設置した接触燃焼装置で燃焼除去して二次
公害を防止することを好ましい態様とする。
〔実施例1〕 以下、本発明の一実施態様を第1図によって説明す
る。
1aはNOのガス容器であり、2,100ppmのNOが充填されて
いる。(残ガスは窒素)1bはO2のガス容器であり100vol
%のO2が充填されている。NOとO2を質量流量計2a,2bでN
O濃度2,000ppm,O2濃度4vol%,残ガス窒素に調製し、全
流量10Nl/分で流路3aから混合器4に導いた。混合器4
にはガソリン5が容器6から微量液体ポンプ7を通じて
流路3bから気体体積濃度で最大20,000ppm注入される。
混合器4から後流は電気炉8内に設置されており最高1,
000℃の温度に設定される。そのため、混合器4に導か
れたガソリン5は混合器4内に充填された石英ウール9
表面で蒸発しNOと均一に混合される。ここで石英ウール
9がNO分解の触媒能を有しないことは事前に確認されて
いる。
混合ガスは昇温されたCu(II)交換型高シリカゼオラ
イト10を20g充填した触媒層11に導かれ、NOは脱硝され
る。
ここでCu(II)交換型高シリカゼオライトの調製方法
について説明する。
Cu(II)交換方法については数種類の方法があるので
これ等を列挙するが、いずれの方法でもCu(II)のNaイ
オンに対する交換モル%〔ゼオライト中の交換後のCu
(II)モル数×2〕/〔ゼオライト中交換前Naイオンモ
ル数〕×100%が60〜200%であれば同様な結果が得られ
る。
(第1法) Na交換型ゼオライトの結晶粉末を一夜放置して吸湿さ
せた後、純水でスラリー化し、pHが4になるように酢酸
又はアンモニアで調整する。これに酢酸第二銅〔Cu(I
I)(CH3COO)〕を滴下するとゼオライト中のNaイオ
ンとCu(II)が交換してCu(II)交換型ゼオライトが得
られる。
母液中のCu(II)濃度が0.1Mを超えると過剰吸着をお
こして後述の焼成時にCuOに遊離することがあるのでそ
れ以下に保つ方がよい。ただし、遊離したCuOは反応に
預らないだけで、ゼオライトと結合したCu(II)のみが
反応活性を示す。
1回のイオン交換では20%程度の交換率に止まるので
数回のろ過、母液の更新でCu(II)交換率60〜200%を
得る。
前述の定義からすると100%以上の交換はあり得ない
こととなるが、それ以上のCu(II)もゼオライトから遊
離することなく担持される。しかしCu(II)の担持の基
本がイオン交換であることから100%以上の表記につい
ても交換率(モル%)で行った。すなわち、イオン交換
率の定義は前述したように、ゼオライト中のイオン交換
可能な陽イオン(一般にはNa+イオン)に対して何%の
イオンが交換されたかを示すものであるが、Cu(II)は
事実上100%以上の交換率となることがあるので、こゝ
では統一のため100%を超えても従来の計算法でした数
値をもって示す。
なお、シリカライトについては原料がNaを有しないに
もかかわらず、Cu(II)は担持される。Cu(II)の担持
量を交換率で表記できないのでシリカライトのみ〔wt
%〕で表記した。
(第2法) Na交換型ゼオライトの結晶粉末を一夜放置して吸湿さ
せた後、純水でスラリー化してpHが7になるように酢酸
又はアンモニアで調整する。
これに別途調整した銅アンモニア錯塩溶液を滴下する
と、ゼオライト中のNaイオンと銅アンモニア錯イオンが
交換してCu(II)交換ゼオライトが得られる。1回のCu
(II)交換では50%に止まるので数回のろ過母液更新で
Cu(II)交換率60〜200%を得る。
この方法な前述の方法に比較しイオン交換がより高交
換率で実施される点に特長があるが、事前のスラリーの
pH調整の影響を強く受けるので注意を要する。
以上の様な方法で得られたCu(II)交換高シリカゼオ
ライトをろ過、水洗した後、バインダーとして粘土を加
え造粒成形し、120℃で予備乾燥し、650℃、1時間で焼
成して8〜12メッシュのビードを調製した。調製条件、
仕様等を第1表に示す。
反応終了後のガスは流路12から系外に放出されるが、
ガスの1部はサンプリング流路13から分取されて分析さ
れる。
NOの分析にはケミルミネッセンス分析計を使用し、微
量生成物の分析にはガスクロマト質量分析計を使用し
た。
第1図の実施態様の効果を確認すべく、入口NO濃度2,
000ppm、O2濃度4vol%にて第2表の如く条件を変更し
て、 本発明の脱硝方法の効果を検証した。
第2図は第1表の仕様のCu(II)交換型高シリカゼオ
ライトの温度と脱硝率の関係である。第2図中Cu(II)
交換型Y型ゼオライトについては◎印、Cu(II)交換型
ZSM−5型ゼオライトについては△、Cu(II)交換型モ
ルデナイトについては○、Cu(II)交換型シリカライト
については□、参照の不飽和高級炭化水素の未添加のCu
(II)交換型ZSM−5については●であらわした。
第2図から判るように、反応活性は300℃付近で開始
し800℃で終了する。反応の活性はY型>ZSM−5>モル
デナイト>シリカライトの順である。従来のCu(II)交
換型ZMS−5が還元剤のない条件で最大15%(500℃で)
であったのに比べると著しい活性の向上である。
なお、750℃以上ではゼオライト自身が熱分解して劣
化するために使用できない。
第3図は塔温度を500℃として脱硝率とSV値の関係を
示したものである。SV値30,000で従来条件(●印)が15
%に対し、本発明ではY型の60%からシリカライトの45
%へと著しく活性が向上している。又SV値を2,000に低
下すると脱硝率はY型の95%からシリカライトの83%へ
と増大している。
第4図は塔温度500℃、SV値30,000とした時の脱硝率
と〔還元剤〕/〔NO〕濃度比の関係を示したものであ
る。
〔還元剤〕/〔NO〕濃度比が0.1以上で脱硝率は還元
剤無添加条件を凌ぎ濃度比の増大とともに上昇する。
脱硝に関しては濃度比が大きい程良好な結果を得るこ
ととなるが、あまりにも大きいと他の規則物質であるC
O、炭化水素の増大が懸念され上限値は酸素の等量比程
度となろう。
〔実施例2〕 実施例1では還元剤としてガソリンを使用したが、ガ
ソリンと同様に燃料として使用され硫黄分を含有しない
灯油、軽油を使用してガソリンと同様な本発明の効果を
確認した。その結果を第3表に示す。
〔実施例3〕 実施例1で出口側炭化水素濃度がガスクロマト質量分
析計で500〜5,000ppm程度計測されたため、Cu(II)交
換型高シリカゼオライトの後方に、更に10mlの三元触媒
層を設置したところ、炭化水素は25〜200ppmへと低減さ
れた。
〔発明の効果〕
本発明のCu(II)交換型高シリカゼオライトを燃焼排
ガスに適用することにより、安価な不飽和高級炭化水素
であるガソリン、灯油又は軽油を還元剤として使用し、
高効率で脱硝を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施態様のフローを示す説明図、第
2図、第3図は本発明の効果を立証するための図表で、
第2図は装置の塔温度と脱硝率の関係を示す図表、第3
図はSV値と脱硝率の関係を示す図表、第4図は還元剤/N
O濃度比と脱硝率の関係を示す図表である。
フロントページの続き (72)発明者 中川 洋 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 芹澤 暁 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重 工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 小林 敬古 東京都千代田区丸の内2丁目5番1号 三菱重工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−283727(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】不飽和高級炭化水素/NOxの体積濃度比が0.
    1以上になるように、排ガス中のNOxに対してガソリン、
    灯油及び軽油からなる群から選ばれる不飽和高級炭化水
    素を添加混合し、該混合ガスを350〜750℃の温度の下で
    Cu(II)交換型高シリカゼオライトよりなる触媒と接触
    させることを特徴とする接触分解脱硝方法。
  2. 【請求項2】Cu(II)交換型高シリカゼオライトよりな
    る触媒層を流過した未反応の不飽和高級炭化水素をその
    後流に設置した接触燃焼触媒で燃焼処理することを特徴
    とする請求項(1)の接触分解脱硝方法。
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