JP4029320B2 - 一段式脱硝 - Google Patents
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Description
(発明の属する技術分野)
本発明は、概ね、廃棄物、化合物及び廃水からNOx化合物を除去する一段法に関する。より具体的には、本発明は、爆発性、有害性及び/又は放射性材料からNOx化合物を除去するために流動層容器を用いた一段法に関する。
【0002】
本願は、1999年10月20日に出願した米国特許出願第09/421,612号の一部継続出願である。
【0003】
(発明の背景)
窒素酸化物は、多くの廃棄物及び化合物内によく見られる。窒素酸化物(本明細書において「NOx」と呼ぶ)は、硝酸、硝酸アルミニウム、硝酸ナトリウム、硝酸アンモニウム、硝酸カリウムなどの化合物を含んでいる。
【0004】
NOxを除去する旧来のアプローチは、固体及び気体状ナイトレート化合物用の乾式接触還元方法、及び、気体状NOx用の湿式吸収方法を含んでいる。乾式接触還元方法は、触媒によるものまたは触媒によらないもののいずれかとすることができ、かつ、選択的または非選択的のいずれかとすることができる。選択的還元方法は、気体状の窒素酸化物を選択的に還元し、その結果酸素の存在下で除去することを特徴とする。気体状NOx用の一般的な選択的還元剤は、アンモニアである。しかしながら、アンモニアは、酸化して高温で望ましくない窒素酸化物を形成する。さらには、過剰のアンモニアは、それ自体が汚染物質である。他の選択的還元方法は、イリジウムのような触媒を利用する。触媒還元に伴う問題は、微粒子、亜硫酸ガス及び他の毒の存在が触媒有効性及び寿命を減少しこれによりコストを増加させる。
【0005】
非選択的還元方法は、通常、気体状NOx含有材料に還元剤を加え、燃焼により全遊離酸素を消費し、残りの還元剤によりNOxを窒素に還元することを包含する。これらの処理には触媒が典型的に用いられる。これらの処理に有用な還元剤は、少なく高価である。
【0006】
湿式吸収方法は、一般的に吸収塔のような大規模かつ高価な設備を必要とする。湿式吸収方法の一例は、水またはアルカリ溶液による窒素酸化物の吸収である。湿式吸収方法の別の欠点は、気体状廃棄物スチーム中のNOx濃度が5,000ppmを超える場合に、これらの方法は経済的効果がないことである。
【0007】
核産業においては、放射能に汚染されたソルトケーキ、イオン交換媒体、スラッジ及び溶媒に分類されるかなりの量の廃棄物が毎年生じている。これらの放射性廃棄物は、窒素酸化物を含んでいるか、または、これらの廃棄物処理の一部として、窒素酸化物が生じる。特に、硝酸による核燃料再処理は、高放射性硝酸及び硝酸ナトリウム廃棄物副産物を生じる。
【0008】
固体またはスラリーNOx廃棄物及び化合物に関して、NOxを破壊するために、種々の方法が試されてきた。回転式カルサイナー及び流体層処理装置が、利用されており、該装置は、固体ナイトレートの気体NOx及び窒素への90%未満の変換が生じる典型的結果を伴う。気体状のNOxは、概ね上述のように広範な気体NOx除去方法を追加する必要がある10,000ppmを超える。さらには、ひどい凝集が、処理装置内で起こり、かつ、ナイトレート及び還元剤の可燃性または爆発性混合物が、処理装置内に生じる。
【0009】
先行技術の廃棄物処理方法に付随する別の問題は、硫黄含有化合物に関する。このような硫黄化合物がガラス化融解装置内に存在することは、融解した硫黄塩プールを、融解した無機残留物(ガラス)の上部に蓄積させ、このプールにより、融解装置の腐食速度が増してしまう。このプールは、高い電気伝導率も有することができ、このことは、融解装置の加熱電極の短絡を引き起こす。さらには、多量の水が、融解した硫黄塩プールと接触した場合には、爆発する可能性のある状態となりかねない。
【0010】
さらに、無機残留物内に重金属が存在することは、最終廃棄物を有害にする可能性があり、これにより、処分前に残留物をさらに処理する必要が生じ処分コストが高くなる。また、無機残留物は、処理後に水溶液を形成し得る可溶性成分を含み得;これらの溶液は、処分後に環境を汚染する結果となり得る。
【0011】
廃棄物流及び化合物から窒素酸化物を除去する、上述の先行技術の方法の、限界及び欠点のない方法が、強く望まれる。
【0012】
(発明の概要)
簡単に述べる主な態様によれば、本発明は、単一のスチームリフォーマー容器を用いて窒素酸化物を窒素へ直接変換させる方法及び装置である。ナイトレート(nitrate)化合物または廃棄物は、スチームと必要に応じて酸素とからなる流動ガスを伴いそれに沿って単一容器内へ給送される。単一容器は、直径が3000ミクロンまでの非晶質アルミナビーズのような高密度の媒体からなる不活性媒体層を含む。流動ガスは、800フィート/秒までの比較的高速度で注入される。
【0013】
本発明の第1の実施形態において、廃棄物供給材料内の水分を蒸発させるための熱源としてかつ主要な還元剤または還元体として、炭素質材料が、使用される。還元剤及び還元体という用語が、化合物から酸素を除去するまたは化合物に水素を加えることに有用である化学物質または材料を意味することは、廃棄物供給材料から窒素酸化物を除去する技術分野の当業者によく理解される。
【0014】
容器は、3つの領域に分けられ、最下部領域は、過熱スチーム酸素とともに加えることにより酸化条件下で作動され、それは、炭素と反応してCO/CO2を形成し、水分を蒸発させる熱を生成しナイトレート化合物を還元温度まで熱する。中間領域は、NO3、NO、N2O及びNO2が、N2に還元される強い還元条件下で作動される。この領域において炭素質材料の水蒸気改質によって、気体状の強力な還元剤として機能するCO、H2、及びCH4が形成される。上部領域は、より多くの酸素を加えることにより酸化条件下で作動され、この酸素は、第2のまたは中間領域において形成された残留するC、CO、CH4及びH2を酸化してCO2と水にする。この処理は、単一容器からのオフガス中には微量のNOx、CO及びH2のみが生じ、殆ど補助エネルギーを加える必要はない。
【0015】
本発明の第2の実施形態において、最下部領域は、酸化条件下で作動され、中間及び上部部分は、強い還元条件下で作動される。この処理は、NOxが減少し、CO及びH2の排出が増加する結果となり、補助エネルギーも低くて済む。補助エネルギーは、電気ヒータにより供給可能である。
【0016】
本発明の第3の実施形態において、3つの全ての部分は、強い還元条件下で作動される。この処理は、NOxが減少し、CO及びH2が増加する結果となり、補助エネルギーを追加する必要がある。
【0017】
本発明の第4の実施形態において、下部及び中間部分は、強い還元条件下で作動され、上部部分は、酸化条件下で作動される。この処理は、NOxが減少し、CO及びH2の排出はなくなる結果となるが、補助エネルギーを追加する必要がある。
【0018】
(好ましい実施形態)
本発明は、ナイトレート保有化合物(nitrate bearing compounds)及び廃棄物供給材料からNOxを除去する装置及び方法である。本装置及び方法を、特に放射性廃棄物に関して説明するが、廃棄または生成物流を含む種々の窒素酸化物は、以下の方法及び本システムの構成要素により処理することができる。
【0019】
本方法は、強い還元条件下でまたは、酸化条件と組み合わせた強い還元条件下で作動させることができ流動化のためにスチームを用いる単一流動層リアクター容器に基づいている。リアクター内の酸化または還元条件を変えるために他の流動ガスまたは添加剤を、利用することができる。他の典型的な流動ガスは、水素、(酸化条件が望まれる場合には)酸素、メタン、アンモニアなどを含む。層内の還元または酸化条件をさらに変えるために、木炭、炭素質材料、糖、過酸化水素などの他の添加剤を添加することができる。ウェットスクラバーが、本方法により気体状の排気を処理するために使用される。本発明により処理可能な廃棄物は、イオン交換樹脂の分解により生じるNOx含有廃棄物だけでなく、核再処理、爆発物及びエネルゲティクス(energetics)、化学肥料、及び気体状のオフガス流などにより生じるNOx含有廃棄物流も含んでいる。
【0020】
次に図1を参照すると、参照番号10により全体を指し示した本発明によるシステムが図示されている。システム10は、単一リアクター容器12を含んでいる。液体状のスラリー及びスラッジ14、及び/又は、固形物16から成り得る廃棄供給材料が、リアクター容器12内に供給される。液体状スラリー及びスラッジ14の場合には、空気ポンプ、蠕動ポンプまたは前進キャビティ18を用いて、リアクター容器12へポンプ供給可能な流体を送り込むことができる。固形物16の場合には、スクリューオーガ20を用いて、リアクター容器12内へ固体廃棄物流を送り込むことができる。
【0021】
リアクター容器12の流動層内において、不活性媒体22が使用される。媒体22は、好ましくは、シリカまたはアルミナのようにヒートシンクとして機能可能な不活性物質であり、最も好ましくは、少なくとも200好ましくは1000ミクロンまでの直径の非晶質アルミナビーズであるが、5000ミクロンまでの直径のビーズを用いることができる。このような大きさのビーズは、容器から容易に流体分級(elutriate)しないので、キャリーオーバー(carryover)を最低限にする。非晶質アルミナの別の利点は、通常の珪砂が用いられた場合のようにリアクター効率に影響を及ぼす有害な凝集塊(agglomerates)を形成する可能性のある共晶塩及びガラスを形成しないことである。非晶質アルミナは、また非常に強固で堅く、層の摩擦及び衝撃による摩滅に抵抗力を有する。
【0022】
廃棄供給材料中にある水分を蒸発させ熱源として機能させるために、木炭、糖及び/又は他の炭素質材料をリアクター容器12に加え、必要に応じて、鉄或いはニッケルオキサレート、酸化物またはナイトレートのような他の還元剤または触媒を使用することができる。反応層材料は、これらのまたは、脱硝処理をさらに改良するために他の金属を含むように変更可能である。例えば、5から10%の酸化鉄を反応層媒体に追加することによって、NOxの還元は、2倍以上に改良され得る。流動媒体(ガス)は、入口24を介して反応容器12内に導入される。流動媒体として、スチームが燃焼ガスよりも好ましく、なぜならそれはより反応性であり、炭素質材料の水蒸気改質により非常に還元性であるCO及びH2を生じるからである。気体状のNOx化合物は、入口24から流動ガスとともに同時に注入することができる。
【0023】
スチームにより生成される熱によって、窒素酸化物の還元に必要な温度で反応容器を作動させることができる。この熱は、硫黄含有化合物を揮発させることもでき、これにより、それらを無機残留物から分離することができる。上述のように、このような硫黄化合物の存在は、溶融した無機残留物の上部に、設備が損傷を受ける、溶融した腐食性硫黄塩プールを蓄積させる原因となり得る。電気伝導性プールは、多量の水が接触した場合加熱電極を短絡させるかまたは潜在的な爆発条件を生じるかもしれない。本方法は、例えば、Na2SO4のような硫黄塩を還元することにより揮発性のあるSOx及び/又はH2Sに変換させる。このような硫黄含有化合物を揮発させることによって、本方法は、窒素酸化物含有廃棄物流の還元に旧来付随しているこれらの問題を回避する。硫黄が還元された残留物は、次に、溶融ガラスプールの上部に硫黄塩プールを形成することなくガラス内に溶融され得る。
【0024】
流動媒体は、不活性ガスにすることができるが、改質ガスが好ましく、酸素を存在させてもよい。最も好ましくは、媒体は、過熱スチームである。流動速度は、層媒体により異なるが約1.0フィート/秒以上、好ましくは、層媒体の大きさにより異なるが3から10フィート/秒(FPS)とすることができる。流動ガスディストリビュータは、通常より高いガス/オリフィス速度を提供するように設計されている。典型的なガスディストリビュータ速度は、100から200FPSであるが、好ましい実施形態におけるガス速度は、400FPSを超えることが望ましい。
【0025】
高速流動ガスジェット速度は、いくつかの利点を有している。高速流動ガスジェットは垂直方向を向いた層において、より柔らかく砕けやすい供給材料を破壊するのに役立つようにジェット衝突を媒体に提供して、凝集塊を粉砕する。さらに、媒体ビーズは、流動ガスディストリビュータ周囲の高衝撃領域において摩耗による自浄を行う。
【0026】
リアクター容器12は、流体分級モード(elutriating mode)で作動されることが好ましい。その結果、ナトリウム及び他の低溶融共融混合物(low melting eutectics)が、ごく低濃度(2%未満)で存在し、層から素早く運び出される。媒体ビーズは、摩滅により自浄する。未変換のナイトレートまたはナトリウム化合物が低残留することは、凝集塊が生じる可能性を最低限にする。
【0027】
上述のように、リアクター容器12は、4つの方法の一つを利用して作動可能であって、第1の方法では、媒体層の下部は、酸化条件下で作動される。この条件にするために、酸素が、スチームと混合されて入口24からリアクター容器12内に導入され、必要に応じて過熱され得る。リアクター容器12内における圧力は、約13から15psiaであることが好ましい。リアクター容器12は、600から800℃で作動されることが好ましい。媒体層の深さは、好ましくは約3フィートと8フィートとの間に拡がる。リアクター容器12内の媒体層の中間部は、強い還元条件下で作動され、媒体層の上部は、入口25を介して酸素を追加することにより酸化条件下で作動される。リアクター容器12内の温度は、特に始動中に、ヒータ26により、すなわち、必要に応じて補充エネルギーを供給する過熱流動ガスにより、維持される。NOxが、窒素に還元されると、窒素、スチーム及び他の合成ガスは、出口28を介して反応容器12を出る。同伴された粒子を含み大きさが小さく改質された残留物も、出口28を介して出る。より重い固形物及び破片は、出入口30を介して出て、スクリューオーガ32によりコレクタ34へ運ばれる。オーガ32は、水冷式であることが好ましい。コレクタ34から、より大きな固形物及び破片を、安定化処理装置36へまたは改質された残留廃棄物の最終コレクタ38へ向けることができる。
【0028】
スクリューオーガ32は、必要に応じて水洗能力を備えることができる。水は、入口60からスクリューオーガ32の底部内へ導入可能である。水は、リアクター容器12の底部内に溜まる種々の可溶性ナトリウム塩または他の凝集塊を溶解する。塩水溶液は、篩過された出口ポート62を通りリアクター容器12の底部から除去される。望ましい場合には、出口62からの塩水溶液は、残留物分離器42内に集めることができる。
【0029】
窒素ガス、スチーム、他の合成ガス及び微粒子は、スクラバー/蒸発器40を通過する。スクラバー/蒸発器40内に集められ改質された種々の非気体状の残留物または微粒子は、改質された不溶性残留物を可溶性塩溶液から分離する残留物分離器42へ向けられる。改質された残留物は、安定化処理装置36に向けられ、また、塩溶液は、塩分離器44、次に塩乾燥器46、最後に塩パッケージ48に向けられる。オプションのフィルター(図示せず)を、リアクターのガス出口28とスクラバー/蒸発器40との間に組み込むことができる。オプションフィルターにより集められた固形物は、残留物安定化処理装置36に向けることができる。冷却され洗浄された合成ガス及び水蒸気は、次に、冷却器50へ進む。結果として生じた水は、再生水タンク52へ向けられ、また合成ガスは、熱変換器54へ移動する。熱変換器54からのオフガス(OG)は、次に、放出前に適切な環境要件とのコンプライアンスについてモニターされる。
【0030】
上述の方法1の条件下では、本方法の処理は、CO及びH2が排出されず、NOxが非常に低い最終気体状排出物が生じる結果となる。本システムは、通常、低い補助エネルギー追加で済む。このシステムは、リアクター12を出るNOx濃度が通常25ppm未満であることから、オフガススクラバーシステムにおいてNOxを除去する必要がない。COやCH4の酸化のために熱変換器54を追加する必要もない。
【0031】
代替方法及び本発明の第2の方法において、リアクター容器12内の媒体層の下部は、上述のように酸化条件下で作動され得、媒体層の中間部及び上部は、強い還元条件下で作動される。方法2によって、リアクター12を出るNOxは、方法1に比べて減少し、リアクター12の出力中のCO及びH2及び他の微量の揮発性有機物濃度は高くなる。通常、リアクター12内に補助エネルギーを追加する必要があり、熱変換器54が、必要となる。
【0032】
方法3において、リアクター容器12は、強い還元条件下のみで作動される。方法3によって、NOxは減少し、CO及びH2は増加し、補助エネルギーを増加し熱変換器54を使用する必要がある。
【0033】
方法4において、リアクター容器12の媒体層の上部のみが、酸化条件下で作動される。方法4によって、NOxは減少し、CO及びH2の出力はなく、補助エネルギーは増加される。熱変換器54は、この方法の実行には必要ない。
【0034】
特に、気体状のNOxは、他の廃棄供給材料とともにリアクター12に直接導入することにより処理することもできる。例えば、ガラス化溶融装置または熱脱硝方法による高NOxオフガスは、廃棄物流及び流動ガスとして用いることができるが、スチームは、スチームが反応層中の総ガス流の20%を超え、均一な流動ガス速度を提供するように、同時注入される。
【0035】
実験によって、NOxの還元を促進するために金属を層に追加することが有用であることが、証明された。金属の添加剤は、必ずしも必要ではないが、NOxを窒素ガスに最大限変換するのに有用である。使用可能な典型的な金属は、0.5%未満の濃度で廃棄供給材料とともに同時注入可能な銅、コバルト、鉄或いはニッケルオキサレート又はナイトレートを含んでいる。
【0036】
直径が0.5インチまでの大きさの木炭または炭素質固形物を層に追加することは、好ましい実施形態に特有である。炭素の大きな粒子は、ナイトレート還元を促進するために以前に用いられていた典型的な精糖、有機粉末または液体化学物質では不可能な、炭素の一定の残留を維持する。蟻酸、糖などの形態で可溶性炭素を追加したより大きな炭素固形物の存在は、すぐれたナイトレート還元を提供する。炭素化合物が層内に存在することは、水蒸気改質により層内において高い還元性のCO及びH2を生成することになる。
【0037】
さらには、アルミニウム金属やリン酸塩または酸化物などの特定の添加剤を加えて、アルカリ土類元素との高融点塩を形成することができる。例えば、リン酸ナトリウムは、比較的低い融点を有するナトリウム共融混合物と比較して高融点のナトリウム塩である。これらの組み合わせ元素(combining elements)は、層内に凝集塊が形成されるのを最小限にすることに役立つ。
【0038】
本方法において、重金属または無機カチオンは、適切なフッ化物や塩化物を加えることにより、揮発性フッ化または塩化化合物に変換させ得る。上述のように、重金属が無機残留物内に存在することによって、最終廃棄物が有害となり得るので、処分前に残留物をさらに処理する必要がある。例えば、相対的に非揮発性が低いCsOを含む廃棄物において、塩化物の添加剤は、セシウムを非常に揮発性が高いCsCl2に変換させることができ、これにより重金属の陽イオンを無機残留物から分離する。このような有害な金属またはカチオンを対応のフッ化物または塩化物に変換し、それらを揮発により無機残留物から除去することによって、本方法は、窒素酸化物含有廃棄物の還元に旧来付随するこの問題を回避する。
【0039】
さらには、本方法は、結果として生じる無機残留物の可溶性を調節する添加剤を使用することができる。上述のように、残留物内の可溶性成分は、処分後に環境汚染を生じ得る水溶液を形成し得る。本方法で残留物の可溶性をこのように調節する一例が、ナトリウム含有廃棄物に硝酸アルミニウムを加えることであり、この添加剤は、精確な割合において、水に不溶性であるナトリウム−アルミニウム酸化物を生成する。このような可溶性成分を不溶性誘導体に変換することによって、本方法は、窒素酸化物含有廃棄物流の還元に旧来付随するこの問題を回避する。
【0040】
廃棄物供給材料からNOxを除去する技術分野における当業者には、添付の請求の範囲により明らかにされた本発明の精神及び範囲を逸脱することなく上述の好ましい実施形態に、多くの変更や代替方法を行うことができることは明らかだろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図面において、本発明の好ましい実施形態により廃棄物流または化合物からのNOxを除去するシステムの概略図である。
Claims (21)
- 窒素酸化物を除去する方法であって、該方法は、
前記窒素酸化物を含む廃棄物供給材料を準備するステップと、
下部、中間部、及び上部を有する反応層を収容する反応容器を準備するステップと、
前記反応容器を、少なくとも400℃であり前記廃棄物供給材料中のいかなる金属イオンの蒸発温度より低い作動温度に加熱するステップと、
前記反応容器内に、過熱スチーム、還元体、及び廃棄物材料を注入するステップと、
前記反応層の少なくとも前記中間部を強い還元条件下で作動し、その結果、前記廃棄物材料中の前記窒素酸化物の実質上全てが、前記作動温度で還元されるステップと、
前記反応層の上部が酸化条件下で作動するように、前記反応容器における前記反応層の上部に対応する位置から、前記反応層の上部内に酸素を注入するステップと、を含む、方法。 - 前記過熱スチームを注入するステップにおいて、前記反応層の下部が酸化条件下で作動するように、前記反応容器における前記反応層の下部に対応する位置から、前記反応層の下部内に前記過熱スチームとともに酸素を同時注入するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記作動温度は、少なくとも400℃である請求項1に記載の方法。
- 前記作動温度は、前記反応容器内に収容された金属塩化物及び金属フッ化物の蒸発温度より上であり、かつ、前記反応容器内に収容された金属イオンの蒸発温度より下である請求項1に記載の方法。
- 前記廃棄物が、硫黄化合物を含んでいる場合、前記還元体は、アルミニウム化合物、リン酸化合物、及び炭素質化合物からなる群より選択される請求項1に記載の方法。
- 前記反応層は、不活性ビーズからなる請求項1に記載の方法。
- 前記不活性ビーズは、非晶質アルミナビーズである請求項6に記載の方法。
- 前記不活性ビーズは、少なくとも約300ミクロンの直径を有し、かつ、前記スチームは、前記層を流動させるのに十分な速度で注入される請求項6に記載の方法。
- 前記不活性ビーズは、約2000ミクロンの直径を有し、かつ、前記スチームは、前記層中において前記ビーズを攪拌するのに十分な速度で注入される請求項6に記載の方法。
- 前記スチームは、少なくとも1.0フィート/秒の平均反応層速度で前記反応容器内に注入される請求項1に記載の方法。
- 過熱されたスチームを用いることにより前記窒素酸化物の還元速度を速めるように前記反応容器内において前記廃棄物材料を攪拌するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 凝集塊の粉砕及び前記反応層の自浄を促進するために、ガスディストリビュータのオリフィス速度が300FPSを超える、前記スチーム用ガスディストリビュータを使用するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記窒素酸化物の還元を促進するために、前記反応容器内に少なくとも1つの共反応体を導入するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記共反応体は、固体の炭素質材料、可溶性炭素質材料、及び金属化合物からなる群から選択される請求項13に記載の方法。
- 前記金属化合物は、鉄化合物、ニッケル化合物、銅化合物、及びコバルト化合物からなる群から選択される請求項14に記載の方法。
- より高い融点のアルカリ土類塩を形成するために、前記反応容器内に少なくとも1つの添加剤を導入するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記添加剤は、アルミニウム化合物及びリン酸化合物からなる群から選択される請求項16に記載の方法。
- 前記廃棄物材料は、熱脱硝方法による高NOxオフガスである請求項1に記載の方法。
- 前記反応容器の底部からより大きな固形体を除去するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 可溶性塩及び凝集塊を溶解するために前記層を洗浄するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記洗浄は、前記リアクターの底部内で行われる請求項1に記載の方法。
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