JP4277170B2 - Exhaust gas purification method and apparatus - Google Patents

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    • Y02C20/20Capture or disposal of greenhouse gases of methane

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス浄化技術に関し、より詳細には、タービン、ボイラー、内燃機関等の燃焼装置から排出され、窒素酸化物(NOx)を含有するが、硫黄酸化物(SOx)を含有しない排ガス中のNOxを分解処理する排ガス浄化方法および同装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸素過剰雰囲気下で窒素酸化物(NOx)を還元し、無害な窒素に変換する技術として、アンモニア(NH)を還元剤に用いるNOx選択接触還元法(NH−SCR)が知られている。この技術によれば、簡便な装置でNOxを効率的に還元除去できるが、還元剤として用いるNHの貯蔵、維持管理、適切な安全管理などが必要であり、これらが脱硝コストの上昇をもたらしている。
【0003】
還元剤を使用せず、NOxを窒素と酸素に分解する技術は現在研究開発中であるが、実用に供しうる成績を得ることができる方法は未だ出現していない。
【0004】
燃焼排ガスに含まれる未燃の炭化水素を還元剤として用いる脱硝法(HC−SCR)も研究されているが、これも未だ実用化されるに至っていない。
【0005】
HC−SCR技術の一つとして、メタンを還元剤に用いて酸素過剰雰囲気下でNOxを分解する方法およびこれに用いる触媒が開示されている(下記の特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−61308号公報(特許請求の範囲、実施例等)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記方法の場合、反応開始初期においては約60%であったNOx転化率が、30時間後には52%、50時間後には45%、88時間後には35%と、時間の経過と共に徐々に減少しており、長時間安定的なNOx転化率が得られていない(特許文献1の実施例1および図1参照)。
【0008】
本発明は、上記の点に鑑み、酸素過剰雰囲気下においてメタン等の炭化水素を還元剤に用いてNOxを長期間安定的に分解できる排ガス浄化方法および装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
特許文献1に開示された脱硝法において、メタンによるNOxの選択還元脱硝反応は、以下のような機構で進行すると考えられる。
即ち、触媒活性点に吸着されたメタンは著しく活性化され、気相からの酸素分子の到達・活性化を待たず、触媒格子酸素と迅速に反応する。
同時に、触媒に吸着されたNOxは、上述のようにメタンとの反応で酸素欠陥を生じた触媒に酸素を奪われて還元され、窒素ガスとして脱離する。
【0010】
ここで、触媒に望まれる機能は以下の通りである。
a.メタンの吸着と活性化
b.活性化メタンと反応しやすい格子酸素の提供
c.酸素欠陥点と気相酸素との反応の抑制
d.NOxの吸着とN−O結合の切断
e.NOxの分解によって生じた酸素イオンまたはラジカルと酸素欠陥点との反応の加速
【0011】
そこで、特許文献1に示された触媒の活性を物性面から検討したところ、水酸化ジルコニウムの焼成によって得られるジルコニアの特殊な結晶と、これに担持された白金およびパラジウムの相互作用によって活性が発現しており、不安定なジルコニア結晶表面が変化するに従い活性が低下することが分かった。
【0012】
ジルコニア結晶の生成時に硫酸根が共存すると望ましい結晶が得られるが、長時間の反応中に硫酸根の脱離が起こり、それに伴って結晶表面の変化が起こる。
【0013】
一方、同触媒の活性を反応面から考察すれば、結晶表面の変化に連れてメタンの激しい活性化が低下し、吸着メタンは一般的な酸化反応機構に従い気相酸素と反応するようになる。即ち触媒表面に到達したメタンがNOxとの反応に有効に消費されなくなり、脱硝性能が低下すると考えられる。
【0014】
換言すれば、添加された硫酸根はメタンの気相酸素による酸化を抑制し、メタンとNOxとの反応の選択性を向上させていると考えられる。特許文献1記載の触媒の欠点は、このような硫酸根の脱離による脱硝性能の低下である。
【0015】
以上の研究結果に基づき、本発明者らは、酸素過剰雰囲気でメタン等の炭化水素を還元剤としてNOxを分解するに際し、排ガス中に硫黄酸化物を共存させると、触媒の活性低下の抑制に有効であることを見出した。これは、排ガス中の硫黄酸化物と触媒表面との吸着脱離平衡の関係により、触媒表面からの硫酸根の脱離が抑制され、結晶構造の変化が起こりにくくなったためと考えられる。
【0016】
即ち、本発明による排ガス浄化方法は、金属酸化物担体にルテニウム、パラジウムおよび白金のうち少なくとも1つを担持してなる触媒を排ガスに接触させ、酸素過剰雰囲気下において炭化水素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を分解する排ガス浄化方法において、排ガス中の窒素酸化物の分解を硫黄酸化物の共存下で行うことを特徴としている。
【0017】
触媒の金属酸化物担体としては、硫酸根を含有したジルコニア担体を用いるのが好ましい。担体には、ルテニウム、パラジウムおよび白金のうち少なくとも1つを担持すればよいが、好ましくは、パラジウムおよび白金を担持したものが用いられる。
【0018】
還元剤としての炭化水素は、メタンが好適である。もっとも、メタン以外の炭化水素、例えば、エタン、プロパン等を還元剤とすることも可能である。本発明においては、排ガス中に含まれる炭化水素を還元剤として用いる場合の他、系外から供給した炭化水素を還元剤として用いる場合もある。
【0019】
本発明による排ガス浄化方法において、硫黄酸化物を共存させるための第1の手段として、排ガス中の窒素酸化物の分解に伴って触媒から脱離した硫黄酸化物を捕集して再使用することを挙げることができる。
【0020】
上記手段の1つとして、触媒層の両側に冷却器を介して硫黄酸化物吸着剤層を配置するとともに、2つの冷却器のうち下流側の冷却器のみを選択的に作動させておいて、上流側吸着剤層および触媒層から脱離した硫黄酸化物を下流側吸着剤層で吸着捕集し、触媒層の脱硝性能低下に応じて排ガス流れを逐次逆方向に切り替える方法がある。
【0021】
この方法にあっては、まず、排ガスが上流側の第1の吸着剤層を流通することにより、ここから脱離した硫黄酸化物が排ガス中に混入する。第1の吸着剤層に続く第1の冷却器は作動させずにおく。そして、触媒層において、酸素過剰雰囲気下および硫黄酸化物共存下で炭化水素を還元剤として排ガス中のNOxの分解処理が行われる。NOxの分解に伴って、触媒層からも、硫黄酸化物が脱離する。硫黄酸化物を含んだ排ガスは、下流側の第2の冷却器にて温度を下げられた後、下流側の第2の吸着剤層に至り、ここで硫黄酸化物が吸着捕集される。そして、硫黄酸化物の脱離が進んで、触媒層の脱硝性能が低下したところで、排ガス流れを逆方向に切り替えるとともに、第2の冷却器の作動を止めて第1の冷却器を作動させる。すると、今度は、硫黄酸化物を吸着した第2の吸着剤層が上流側、硫黄酸化物が脱離した第1の吸着剤層が下流側となるため、前記と同様、硫黄酸化物の共存下で、NOxの分解処理が行われる。以上のような排ガス流れ方向の切替操作を繰り返すことにより、NOxを長期間安定的に分解することが可能となる。
【0022】
上記の場合において、上流側吸着剤層および触媒層の温度は、400〜500℃とするのが好ましい。これにより、上流側吸着剤層および触媒層からの硫黄酸化物の脱離が効率良く行われ、また、触媒層において高い脱硝性能が維持される。
【0023】
一方、下流側吸着剤層の温度は、常温〜300℃とするのが好ましい。これにより、下流側吸着剤層への硫黄酸化物の吸着が効率良く行われる。下流側吸着剤層の温度は、下流側の冷却器において排ガスの温度をコントロールすることによって調整される。
【0024】
吸着剤層としては、ゼオライト、チタニア、ジルコニア、シリカ、アルミナおよびシリカ−アルミナのうち少なくとも1つが好適に用いられる。
【0025】
また、触媒から脱離した硫黄酸化物を捕集して再使用する別の方法として、2つの触媒層を冷却器を介して配置しておき、上流側触媒層から脱離した硫黄酸化物を下流側触媒層で吸着捕集し、上流側触媒層の脱硝性能低下に応じて排ガス流れを逐次逆方向に切り替えるものがある。
【0026】
この方法にあっては、まず、上流側の第1の触媒層において、酸素過剰雰囲気下で炭化水素を還元剤として排ガス中のNOxの分解処理が行われる。NOxの分解に伴って、上流側触媒層から、硫黄酸化物が脱離する。この硫黄酸化物を含んだ排ガスは、冷却器にて温度を下げられた後、下流側の第2の触媒層に至り、ここで硫黄酸化物が吸着捕集される。そして、硫黄酸化物の脱離が進んで、上流側触媒層の脱硝性能が低下したところで、排ガス流れを逆方向に切り替える。すると、今度は、硫黄酸化物を吸着した第2の触媒層が上流側、硫黄酸化物が脱離した第1の触媒層が下流側となるため、前記と同様、硫黄酸化物の共存下で、NOxの分解処理が行われる。以上のような排ガス流れ方向の切替操作を繰り返すことにより、NOxを長期間安定的に分解することが可能となる。
【0027】
上記の場合において、上流側触媒層の温度は、400〜500℃とするのが好ましい。これにより、上流側触媒層からの硫黄酸化物の脱離が効率良く行われ、また、上流側触媒層において高い脱硝性能が維持される。
【0028】
一方、下流側触媒層の温度は、常温〜300℃とするのが好ましい。これにより、下流側触媒層への硫黄酸化物の吸着が効率良く行われる。下流側触媒層の温度は、冷却器において排ガスの温度をコントロールすることによって調整される。
【0029】
上述したように、排ガス中の窒素酸化物の分解に伴って触媒から脱離した硫黄酸化物を捕集して再使用する場合において、さらに、系外から硫黄分を間欠的に供給してもよい。これは、触媒層の脱硝性能が十分に発揮されない場合の補助手段として有効である。
【0030】
本発明による排ガス浄化方法において、硫黄酸化物を共存させるための第2の手段として、系外から硫黄分を供給することが挙げられる。
【0031】
系外から供給する硫黄分は、例えば、硫化水素、硫黄酸化物、および硫黄分を含む水溶液のうち少なくともいずれか1つである。
【0032】
上記の場合において、ガス状の硫黄分を、還元剤として供給される炭化水素に混合して供給することがある。また、還元剤として炭化水素を供給しない場合には、ガス状の硫黄分を、空気等の希釈ガスで希釈して供給すればよい。
【0033】
また、上記の場合において、硫黄分を含む水溶液を予め蒸発させてガス状の硫黄酸化物とした後、これを還元剤として供給される炭化水素に混合して供給することがある。また、還元剤として炭化水素を供給しない場合には、硫黄分を含む水溶液を予め蒸発させてガス状の硫黄酸化物とした後、これを空気等の希釈ガスで希釈して供給すればよい。
【0034】
系外から供給する硫黄分の濃度は、0.1〜100ppmであるのが好ましい。
【0035】
系外からの硫黄分の供給は、少なくとも触媒の脱硝性能が十分に発揮されない場合に行えば足りる。したがって、系外からの硫黄分の供給を、触媒の脱硝性能が十分に発揮されない場合に間欠的に行ってもよい。
【0036】
上記の場合において、系外から供給した硫黄分のうち窒素酸化物の分解に使用されなかったものを捕集して再使用するのが好ましい。
【0037】
次に、本発明による排ガス浄化装置は、金属酸化物担体にルテニウム、パラジウムおよび白金のうち少なくとも1つを担持してなる触媒層を備え、触媒層に排ガスを通すことにより、酸素過剰雰囲気下において炭化水素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物の分解が行われるものにおいて、触媒層の両側に冷却器を介して硫黄酸化物吸着剤層が設けられているとともに、排ガス流れ方向切替手段が設けられており、2つの冷却器のうち下流側の冷却器のみが作動させられるようになっていることを特徴とする。
【0038】
上記装置にあっては、まず、排ガスが上流側の第1の吸着剤層を流通することにより、ここから脱離した硫黄酸化物が排ガス中に混入する。第1の吸着剤層に続く第1の冷却器は作動させずにおく。そして、触媒層において、酸素過剰雰囲気下および硫黄酸化物共存下で炭化水素を還元剤として排ガス中のNOxの分解処理が行われる。NOxの分解に伴って、触媒層からも、硫黄酸化物が脱離する。硫黄酸化物を含んだ排ガスは、下流側の第2の冷却器にて温度を下げられた後、下流側の第2の吸着剤層に至り、ここで硫黄酸化物が吸着捕集される。そして、硫黄酸化物の脱離が進んで、触媒層の脱硝性能が低下したところで、排ガス流れを逆方向に切り替えるとともに、第2の冷却器の作動を止めて第1の冷却器を作動させる。すると、今度は、硫黄酸化物を吸着した第2の吸着剤層が上流側、硫黄酸化物が脱離した第1の吸着剤層が下流側となるため、前記と同様、硫黄酸化物の共存下で、NOxの分解処理が行われる。以上のような排ガス流れ方向の切替操作を繰り返すことにより、NOxを長期間安定的に分解することが可能となる。
【0039】
上記装置において、排ガス流れ方向切替手段として、触媒層、2つの吸着剤層および2つの冷却器が直列に配された排ガス主流路と、排ガス入口から排ガス主流路の両端に向かって分岐状に形成されかつ分岐点にスイッチングバルブを有する排ガス導入流路と、排ガス主流路の両端から排ガス出口に向かって合流状に形成されかつ合流点にスイッチングバルブを有する排ガス排出流路とを備えており、排ガス導入流路および排ガス排出流路のスイッチングバルブの切替操作により、排ガス主流路における排ガス流れが逆方向に切り替えられるようになっている場合がある。
【0040】
上記構成によれば、2つのスイッチングバルブの同時操作によって、排ガス流れの方向を簡単かつ迅速に切り替えることができる。
【0041】
上記装置において、2つの冷却器は、共通機器となされていてもよい。
【0042】
また、本発明による排ガス浄化装置には、触媒層が冷却器を介して2つ設けられているとともに、排ガス流れ方向切替手段が設けられているものも含まれる。
【0043】
上記第2の装置にあっては、まず、上流側の第1の触媒層において、酸素過剰雰囲気下および硫黄酸化物共存下で炭化水素を還元剤として排ガス中のNOxの分解処理が行われる。NOxの分解に伴って、上流側触媒層から、硫黄酸化物が脱離する。この硫黄酸化物を含んだ排ガスは、冷却器にて温度を下げられた後、下流側の第2の触媒層に至り、ここで硫黄酸化物が吸着捕集される。そして、硫黄酸化物の脱離が進んで、上流側触媒層の脱硝性能が低下したところで、排ガス流れを逆方向に切り替えると、今度は、硫黄酸化物を吸着した第2の触媒層が上流側、硫黄酸化物が脱離した第1の触媒層が下流側となるため、前記と同様、硫黄酸化物の共存下で、NOxの分解処理が行われる。以上のような排ガス流れ方向の切替操作を繰り返すことにより、NOxを長期間安定的に分解することが可能となる。
【0044】
上記第2の装置において、排ガス流れ方向切替手段として、2つの触媒層および冷却器が直列に配された排ガス主流路と、排ガス入口から排ガス主流路の両端に向かって分岐状に形成されかつ分岐点にスイッチングバルブを有する排ガス導入流路と、排ガス主流路の両端から排ガス出口に向かって合流状に形成されかつ合流点にスイッチングバルブを有する排ガス排出流路とを備えており、排ガス導入流路および排ガス排出流路のスイッチングバルブの切替操作により、排ガス主流路における排ガス流れが逆方向に切り替えられるようになっている場合がある。
【0045】
上記構成によれば、2つのスイッチングバルブの同時操作によって、排ガス流れの方向を簡単かつ迅速に切り替えることができる。
【0046】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明による排ガス浄化装置の第1の実施形態を示すものである。この装置(11)は、硫酸根含有ジルコニア担体にパラジウムおよび白金を担持してなる触媒層(2)を備えている。触媒層(2)の排ガス流れ方向両側には、それぞれ冷却器(4A)(AB)を介して硫黄酸化物吸着剤層(3A)(3B)が設けられている。また、この装置(11)には、排ガス流れ方向切替手段が設けられている。2つの冷却器(4A)(AB)は、そのうちの下流側の冷却器のみが作動させられるようになっている。
【0047】
排ガス流れ方向切替手段は、触媒層(2)、2つの吸着剤層(3A)(3B)および2つの冷却器(4A)(AB)が直列に配された排ガス主流路(L1)と、排ガス入口から排ガス主流路(L1)の両端に向かって分岐状に形成されかつ分岐点にスイッチングバルブ(5)を有する排ガス導入流路(L2)と、排ガス主流路(L1)の両端から排ガス出口に向かって合流状に形成されかつ合流点にスイッチングバルブ(5)を有する排ガス排出流路(L3)とで構成されている。排ガス導入流路(L2)および排ガス排出流路(L3)のスイッチングバルブ(5)の切替操作により、排ガス主流路(L1)における排ガス流れが逆方向に切り替えられる。
【0048】
上記装置(11)において、初期の状態では、図1(a)に示すように、まず、排ガスが上流側の第1の吸着剤層(3A)を流通することにより、ここから脱離した硫酸根が排ガス中に混入する。第1の吸着剤層(3A)に続く第1の冷却器(4A)は作動させずにおく。そして、触媒層(2)において、酸素過剰雰囲気下および硫黄酸化物共存下でメタンを還元剤として排ガス中のNOxの分解処理が行われる。NOxの分解に伴って、触媒層(2)からは、硫酸根が脱離する。硫酸根を含んだ排ガスは、下流側の第2の冷却器(4B)にて温度を下げられた後、下流側の第2の吸着剤層(3B)に至り、ここで硫酸根が吸着捕集される。そして、硫酸根の脱離が進んで、触媒層(2)の脱硝性能が低下したところで、スイッチングバルブ(5)の切替操作により排ガス流れを逆方向に切り替えるとともに、第2の冷却器(4B)の作動を止めて第1の冷却器(4A)を作動させる。すると、図1(b)に示すように、今度は、硫酸根を吸着した第2の吸着剤層(3B)が上流側、硫酸根が脱離した第1の吸着剤層(3A)が下流側となり、前記の場合と同様、硫黄酸化物の共存下で、NOxの分解処理が行われる。
【0049】
次に、上記装置(11)を用いた本発明の実施例1を比較例1と共に示す。
(実施例1)
触媒の調製
硫酸アンモニウム15gを溶解した150mlの水溶液に水酸化ジルコニウム150gを10時間浸漬した。この浸漬体を乾燥した後、550℃で3.5時間焼成して、硫酸根ジルコニアを得た。
【0050】
Pdとして硝酸パラジウム溶液0.011gと、Ptとして1.47重量%を含むテトラアンミン白金硝酸水溶液0.068gとを混合攪拌し、得られた混合液を純水の添加で10mlに希釈し、浸漬液を得た。
【0051】
この浸漬液に、上記硫酸根ジルコニア10gを混合攪拌し、10時間浸漬した。浸漬後の硫酸根ジルコニアを乾燥した後、500℃で9時間焼成して、0.05%Pd−0.01%Pt/硫酸根ジルコニア触媒を調製した。
【0052】
この触媒をディスク状に成形した後、これを粉砕してメッシュ22〜42に整粒し、触媒層(2)に充填した。
【0053】
吸着剤の調製
H型モルデナイト(シリカ/アルミナ比16)150gを水洗、乾燥し、吸着剤を得た。
【0054】
この吸着剤をディスク状に成形した後、これを粉砕してメッシュ22〜42に整粒し、吸着剤層(3A)(3B)に充填した。
【0055】
触媒活性試験
図1に示す排ガス浄化装置(11)に、二酸化硫黄50ppm、一酸化窒素150ppm、メタン2000ppm、水蒸気10%、残部空気を混合してなる模擬排ガスを、図1(a)に示す排ガス流れ方向で導入した。第1の吸着剤層(3A)および触媒層(2)における排ガス温度が450°となるようにした。また、第2の吸着剤層(3B)における排ガス温度が200°となるように、第2の冷却器(4B)を作動させた。吸着剤層(3A)(3B)および触媒層(2)における空間速度(SV)は、それぞれ30000h−1とした。以上の条件下で、触媒層(2)入口および出口のNOx濃度を、化学発光式NOx分析計により測定した。
【0056】
脱硝率は、反応初期では72%を示したが、反応時間が経過するにつれて徐々に低下し、20時間後には55%まで低下した。
【0057】
そこで、スイッチングバルブ(5)により排ガス流れを図1(b)に示す方向に切り替えるとともに、作動させる冷却器を第1の冷却器(4A)に切り替えたところ、再び脱硝率が上昇し、3時間後には70%まで回復した。
【0058】
スイッチングバルブ(5)による排ガス流れ方向の切替および作動させる冷却器(4A)(4B)の切替を約20〜30時間おきに繰り返した場合の測定結果を図2に実線で示す。なお、図2中、下向きの矢印は、排ガス流れ方向および作動させる冷却器(4A)(4B)の切替を行った時間を示している。
【0059】
図2に示すように、排ガス流れ方向および作動させる冷却器(4A)(4B)の切替操作の繰り返しにより、100時間以上にわたって、脱硝率を55%以上に維持することができた。
【0060】
(比較例1)
図1に示す排ガス浄化装置(11)から硫黄酸化物吸着剤層(3A)(3B)および冷却器(4A)(4B)を取り除いて、触媒層(2)のみとした。そして、この触媒層(2)に、実施例1で用いた触媒と同じものを、ディスク状に成形した後、これを粉砕してメッシュ22〜42に整粒して充填し、実施例1と同様の条件下で、触媒活性試験を行った。試験結果を図2に点線で示す。
【0061】
図2に示すように、反応初期には72%であった脱硝率が、8時間後には55%まで低下した。
【0062】
そこで、スイッチングバルブ(5)により排ガス流れを図1(b)に示す方向に切り替えたが、脱硝率はさらに低下して、100時間後には50%となり、その後も脱硝率は低下し続けた。
【0063】
図3は、本発明による排ガス浄化装置の第2の実施形態を示すものである。この装置(12)は、硫酸根含有ジルコニア担体にパラジウムおよび白金を担持してなる2つの触媒層(2A)(2B)が冷却器(4)を介して2つ設けられている。また、この装置(12)には、排ガス流れ方向切替手段が設けられている。
【0064】
排ガス流れ方向切替手段は、2つの触媒層(2A)(2B)および冷却器(4)が直列に配された排ガス主流路(L1)と、排ガス入口から排ガス主流路(L1)の両端に向かって分岐状に形成されかつ分岐点にスイッチングバルブ(5)を有する排ガス導入流路(L2)と、排ガス主流路(L1)の両端から排ガス出口に向かって合流状に形成されかつ合流点にスイッチングバルブ(5)を有する排ガス排出流路(L3)とで構成されている。排ガス導入流路(L2)および排ガス排出流路(L3)のスイッチングバルブ(5)の切替操作により、排ガス主流路(L1)における排ガス流れが逆方向に切り替えられる。
【0065】
上記装置(12)において、初期の状態では、図3(a)に示すように、まず、上流側の第1の触媒層(2A)において、酸素過剰雰囲気下および硫黄酸化物共存下でメタンを還元剤として排ガス中のNOxの分解処理が行われる。NOxの分解に伴って、第1の触媒層(2A)から、硫酸根が脱離する。硫酸根を含んだ排ガスは、冷却器(4)にて温度を下げられた後、下流側の第2の触媒層(2B)に至り、ここで硫酸根が吸着捕集される。そして、硫酸根の脱離が進んで、第1の触媒層(2A)の脱硝性能が低下したところで、スイッチングバルブ(5)の切替操作により排ガス流れを逆方向に切り替える。すると、図3(b)に示すように、今度は、硫酸根を吸着した第2の触媒層(2B)が上流側、硫酸根が脱離した第1の触媒層(2A)が下流側となり、前記の場合と同様、硫黄酸化物の共存下で、NOxの分解処理が行われる。
【0066】
次に、上記装置(12)を用いた本発明の実施例2を比較例2と共に示す。
(実施例2)
触媒の調製
実施例1と同様にして、0.05%Pd−0.01%Pt/硫酸根ジルコニア触媒を調製した。
【0067】
この触媒をディスク状に成形した後、これを粉砕してメッシュ22〜42に整粒し、2つの触媒層(2A)(2B)に充填した。
【0068】
触媒活性試験
図3に示す排ガス浄化装置(12)に、二酸化硫黄50ppm、一酸化窒素150ppm、メタン2000ppm、水蒸気10%、残部空気を混合してなる模擬排ガスを、図(a)に示す排ガス流れ方向で導入した。第1の触媒層(2A)における排ガス温度が450°となるようにした。また、第2の触媒層(2B)における排ガス温度が250°となるように、冷却器(4)を作動させた。両触媒層(2A)(2B)における空間速度(SV)は、それぞれ30000h−1とした。以上の条件下で、上流側の第1の触媒層(2A)入口および出口のNOx濃度を、化学発光式NOx分析計により測定した。
【0069】
脱硝率は、反応初期では70%以上を示したが、反応時間が経過するにつれて徐々に低下し、20時間後には55%まで低下した。
【0070】
そこで、スイッチングバルブ(5)により排ガス流れを図3(b)に示す方向に切り替えたところ、再び脱硝率が上昇し、数時間後には約70%まで回復した。
【0071】
スイッチングバルブ(5)による排ガス流れ方向の切替を約20〜30時間おきに繰り返した場合の測定結果を図に実線で示す。図中、下向きの矢印は、排ガス流れ方向の切替を行った時間を示している。
【0072】
に示すように、排ガス流れ方向の切替操作の繰り返しにより、100時間以上にわたって、脱硝率を55%以上に維持することができた。
【0073】
(比較例2)
排ガス流れを切り替えることなく連続的に測定を行ったこと以外は実施例2と同様の条件下で、触媒活性試験を行った。試験結果を図に点線で示す。
【0074】
に示すように、反応初期には70%以上であった脱硝率が、8時間後には55%まで低下し、その後も低下し続けた。
【0075】
本発明の実施例3および実施例4を比較例3と共に示す。
(比較例3)
触媒の調製
実施例1と同様にして、0.05%Pd−0.01%Pt/硫酸根ジルコニア触媒を調製した。
【0076】
触媒活性試験
上記触媒をディスク状に成形した後、これを粉砕してメッシュ22〜42に整粒し、反応管に充填した。この反応管に、一酸化窒素150ppm、メタン2000ppm、水蒸気0%または10%、残部空気を混合してなる模擬排ガスを、反応温度450°、空間速度(SV)30000h−1の条件下で通して、触媒層入口および出口のNOx濃度を化学発光式NOx分析計により測定することにより、触媒活性の試験を行った。試験結果を図5に示す。
【0077】
水蒸気を模擬排ガス中に含まない場合、0.05%Pd−0.01%Pt/硫酸根ジルコニア触媒は、反応初期において53%という高い脱硝性能を示しているが、10時間後には48%、20時間後には44%まで経時的に低下した。
【0078】
一方、水蒸気を模擬排ガス中に10%含む場合には、上記触媒は、反応初期で脱硝率38%と著しい活性劣化を起こし、さらに脱硝率は、10時間後には30%、20時間後には25%まで経時的に低下した。
【0079】
(実施例3)
比較例3と同様の触媒を反応管に充填し、この反応管に、二酸化硫黄0〜200ppm、一酸化窒素150ppm、メタン2000ppm、水蒸気0%または10%、残部空気を混合してなる模擬排ガスを、反応温度450°、空間速度(SV)30000h−1の条件下で通して、触媒活性の試験を行った。測定は、通ガス開始後10時間以上経過した時点から、さらに5時間以上安定性を確認した後に行った。水蒸気0%および10%それぞれの場合において、一酸化窒素150ppmおよびメタン2000ppmに対する二酸化硫黄濃度を0ppmから200ppmまで変化させて測定した結果を図6に示す。
【0080】
水蒸気を模擬排ガス中に含まない場合、二酸化硫黄濃度5ppmまでは脱硝率が上昇したが、それ以上になると脱硝率が低下し、二酸化硫黄濃度0ppmのときの脱硝率を下回った。
【0081】
それに対し、水蒸気10%の場合、二酸化硫黄濃度を0ppmから25ppmまで上げていくに従って脱硝率は急激に上昇し、二酸化硫黄濃度を25ppm以上に増やすと、脱硝率は水蒸気0%の場合の初期活性まで徐々に下降した。
【0082】
(実施例4)
比較例3と同様の触媒を反応管に充填し、この反応管に、二酸化硫黄5ppm、一酸化窒素150ppm、メタン2000ppm、水蒸気0%、残部空気を混合してなる模擬排ガスを、反応温度450°、空間速度(SV)30000h−1の条件下で通して、触媒活性の試験を行った。測定結果を図7に示す。
【0083】
図7に示すように、反応時間20時間においても脱硝率の経時的な変化は見られなかった。
【0084】
なお、上記の実施形態はあくまでも例示にすぎず、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変更を加えた上で本発明を実施することも勿論可能である。
【0085】
【発明の効果】
本発明の排ガス浄化方法および装置によれば、硫黄酸化物の共存状態が維持され、それによってNOxを長期間安定的に分解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による排ガス浄化装置の第1の実施形態を示す図である。
【図2】実施例1および比較例1における脱硝率と経過時間との関係を示すグラフである。
【図3】本発明による排ガス浄化装置の第2の実施形態を示す図である。
【図4】実施例2および比較例2における脱硝率と経過時間との関係を示すグラフである。
【図5】比較例3における脱硝率と反応時間との関係を示すグラフである。
【図6】実施例3における脱硝率と硫黄酸化物濃度との関係を示すグラフである。
【図7】実施例4における脱硝率と反応時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
(11):排ガス浄化装置
(2):触媒層
(3A):第1の硫黄酸化物吸着剤層
(3B):第2の硫黄酸化物吸着剤層
(4A):第1の冷却器
(4B):第2の冷却器
(12):排ガス浄化装置
(2A):第1の触媒層
(2B):第2の触媒層
(4):冷却器
(5):スイッチングバルブ
(L1):排ガス主流路
(L2):排ガス導入流路
(L3):排ガス排出流路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification technology, and more specifically, in exhaust gas that is discharged from a combustion apparatus such as a turbine, a boiler, and an internal combustion engine and contains nitrogen oxides (NOx) but does not contain sulfur oxides (SOx). The present invention relates to an exhaust gas purification method and apparatus for decomposing NOx.
[0002]
[Prior art]
As a technique for reducing nitrogen oxide (NOx) in an oxygen-excess atmosphere and converting it into harmless nitrogen, ammonia (NH3NOx selective catalytic reduction method (NH) using as a reducing agent3-SCR) is known. According to this technique, NOx can be reduced and removed efficiently with a simple apparatus, but NH used as a reducing agent3Storage, maintenance management, appropriate safety management, etc. are necessary, and these lead to an increase in denitration costs.
[0003]
A technique for decomposing NOx into nitrogen and oxygen without using a reducing agent is currently being researched and developed, but no method has yet emerged that can achieve practical results.
[0004]
A denitration method (HC-SCR) using unburned hydrocarbons contained in combustion exhaust gas as a reducing agent has been studied, but this has not yet been put into practical use.
[0005]
As one of the HC-SCR technologies, a method of decomposing NOx under an oxygen-excess atmosphere using methane as a reducing agent and a catalyst used therefor have been disclosed (see Patent Document 1 below).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-61308 A (Claims, Examples, etc.)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the above method, the NOx conversion rate, which was about 60% at the beginning of the reaction, was 52% after 30 hours, 45% after 50 hours, and 35% after 88 hours, gradually with time. The NOx conversion rate stable for a long time is not obtained (see Example 1 of Patent Document 1 and FIG. 1).
[0008]
In view of the above points, an object of the present invention is to provide an exhaust gas purification method and apparatus that can stably decompose NOx for a long period of time using a hydrocarbon such as methane as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the denitration method disclosed in Patent Document 1, it is considered that the selective reduction denitration reaction of NOx with methane proceeds by the following mechanism.
That is, methane adsorbed on the catalyst active site is remarkably activated and reacts rapidly with the catalyst lattice oxygen without waiting for the arrival and activation of oxygen molecules from the gas phase.
At the same time, the NOx adsorbed on the catalyst is reduced by being deprived of oxygen by the catalyst in which oxygen defects are generated by the reaction with methane as described above, and desorbed as nitrogen gas.
[0010]
Here, the functions desired for the catalyst are as follows.
a. Adsorption and activation of methane
b. Providing lattice oxygen that is easy to react with activated methane
c. Suppression of reaction between oxygen defects and gas phase oxygen
d. NOx adsorption and NO bond breakage
e. Acceleration of the reaction between oxygen ions or radicals generated by decomposition of NOx and oxygen defects
[0011]
Therefore, when the activity of the catalyst shown in Patent Document 1 was examined from the physical properties, the activity was expressed by the interaction of the special crystals of zirconia obtained by calcination of zirconium hydroxide and the platinum and palladium supported thereon. It has been found that the activity decreases as the unstable zirconia crystal surface changes.
[0012]
Desirable crystals can be obtained when sulfate groups coexist during the formation of zirconia crystals. However, sulfate groups are detached during a long-time reaction, and the crystal surface changes accordingly.
[0013]
On the other hand, if the activity of the catalyst is considered from the reaction surface, the violent activation of methane decreases as the crystal surface changes, and the adsorbed methane reacts with gas-phase oxygen according to a general oxidation reaction mechanism. That is, it is considered that the methane that has reached the catalyst surface is not consumed effectively for the reaction with NOx, and the denitration performance is lowered.
[0014]
In other words, it is considered that the added sulfate radical suppresses the oxidation of methane by gas phase oxygen and improves the selectivity of the reaction between methane and NOx. The drawback of the catalyst described in Patent Document 1 is a decrease in the denitration performance due to such elimination of sulfate radicals.
[0015]
Based on the above research results, when the present inventors decompose NOx by using hydrocarbons such as methane as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere, if sulfur oxides coexist in the exhaust gas, the activity of the catalyst is suppressed. I found it effective. This is presumably because the desorption of sulfate radicals from the catalyst surface was suppressed due to the relationship between the adsorption and desorption equilibrium between the sulfur oxides in the exhaust gas and the catalyst surface, and the crystal structure was less likely to change.
[0016]
That is, in the exhaust gas purification method according to the present invention, a catalyst in which at least one of ruthenium, palladium and platinum is supported on a metal oxide support is brought into contact with exhaust gas, and the hydrocarbon is used as a reducing agent in an exhaust gas atmosphere in an oxygen-excess atmosphere. In the exhaust gas purification method for decomposing nitrogen oxides, the nitrogen oxides in the exhaust gas are decomposed in the presence of sulfur oxides.
[0017]
As the metal oxide support of the catalyst, it is preferable to use a zirconia support containing a sulfate group. The carrier may support at least one of ruthenium, palladium and platinum, but preferably a carrier supporting palladium and platinum is used.
[0018]
The hydrocarbon as the reducing agent is preferably methane. However, hydrocarbons other than methane, such as ethane and propane, can be used as the reducing agent. In the present invention, in addition to the case where the hydrocarbon contained in the exhaust gas is used as the reducing agent, the hydrocarbon supplied from outside the system may be used as the reducing agent.
[0019]
In the exhaust gas purification method according to the present invention, as a first means for allowing sulfur oxides to coexist, the sulfur oxides desorbed from the catalyst accompanying the decomposition of nitrogen oxides in the exhaust gas are collected and reused. Can be mentioned.
[0020]
As one of the above means, a sulfur oxide adsorbent layer is disposed on both sides of the catalyst layer via a cooler, and only the cooler on the downstream side of the two coolers is selectively operated. There is a method in which sulfur oxides desorbed from the upstream adsorbent layer and the catalyst layer are adsorbed and collected by the downstream adsorbent layer, and the exhaust gas flow is sequentially switched in the reverse direction in accordance with a decrease in the denitration performance of the catalyst layer.
[0021]
In this method, first, exhaust gas flows through the first adsorbent layer on the upstream side, so that sulfur oxides desorbed therefrom are mixed into the exhaust gas. The first cooler following the first adsorbent layer is left unactuated. In the catalyst layer, NOx in the exhaust gas is decomposed using hydrocarbon as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere and in the presence of sulfur oxides. Along with the decomposition of NOx, sulfur oxides are also desorbed from the catalyst layer. The exhaust gas containing sulfur oxide is lowered in temperature by the second cooler on the downstream side, and then reaches the second adsorbent layer on the downstream side, where the sulfur oxide is adsorbed and collected. Then, when desulfurization of the sulfur oxide has progressed and the NOx removal performance of the catalyst layer has deteriorated, the exhaust gas flow is switched in the reverse direction, and the operation of the second cooler is stopped to operate the first cooler. This time, the second adsorbent layer that adsorbs sulfur oxide is upstream, and the first adsorbent layer from which sulfur oxide is desorbed is downstream. Below, the decomposition process of NOx is performed. By repeating the switching operation of the exhaust gas flow direction as described above, NOx can be stably decomposed for a long period of time.
[0022]
In the above case, the temperatures of the upstream adsorbent layer and the catalyst layer are preferably 400 to 500 ° C. Thereby, desorption of sulfur oxides from the upstream adsorbent layer and the catalyst layer is efficiently performed, and high denitration performance is maintained in the catalyst layer.
[0023]
On the other hand, the temperature of the downstream side adsorbent layer is preferably set to room temperature to 300 ° C. Thereby, adsorption | suction of the sulfur oxide to a downstream adsorbent layer is performed efficiently. The temperature of the downstream adsorbent layer is adjusted by controlling the temperature of the exhaust gas in the cooler on the downstream side.
[0024]
As the adsorbent layer, at least one of zeolite, titania, zirconia, silica, alumina, and silica-alumina is preferably used.
[0025]
As another method for collecting and reusing the sulfur oxide desorbed from the catalyst, two catalyst layers are arranged via a cooler, and the sulfur oxide desorbed from the upstream catalyst layer is removed. There is one that adsorbs and collects in the downstream catalyst layer and sequentially switches the exhaust gas flow in the reverse direction in accordance with a decrease in the denitration performance of the upstream catalyst layer.
[0026]
In this method, first, in the first catalyst layer on the upstream side, NOx in the exhaust gas is decomposed using hydrocarbon as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere. As NOx is decomposed, sulfur oxides are desorbed from the upstream catalyst layer. The exhaust gas containing the sulfur oxide is lowered in temperature by the cooler, and then reaches the second catalyst layer on the downstream side, where the sulfur oxide is adsorbed and collected. And when desorption | desorption of sulfur oxide advances and the denitration performance of an upstream catalyst layer falls, an exhaust gas flow is switched to a reverse direction. This time, the second catalyst layer that adsorbs sulfur oxide is upstream, and the first catalyst layer from which sulfur oxide is desorbed is downstream. , NOx decomposition processing is performed. By repeating the switching operation of the exhaust gas flow direction as described above, NOx can be stably decomposed for a long period of time.
[0027]
In said case, it is preferable that the temperature of an upstream catalyst layer shall be 400-500 degreeC. Thereby, desorption of sulfur oxides from the upstream catalyst layer is efficiently performed, and high denitration performance is maintained in the upstream catalyst layer.
[0028]
On the other hand, the temperature of the downstream catalyst layer is preferably from room temperature to 300 ° C. Thereby, adsorption | suction of the sulfur oxide to a downstream catalyst layer is performed efficiently. The temperature of the downstream catalyst layer is adjusted by controlling the temperature of the exhaust gas in the cooler.
[0029]
As described above, when sulfur oxides desorbed from the catalyst due to decomposition of nitrogen oxides in the exhaust gas are collected and reused, the sulfur content may be intermittently supplied from outside the system. Good. This is effective as an auxiliary means when the denitration performance of the catalyst layer is not sufficiently exhibited.
[0030]
In the exhaust gas purification method according to the present invention, as a second means for allowing the sulfur oxide to coexist, supplying a sulfur content from outside the system can be mentioned.
[0031]
The sulfur component supplied from outside the system is, for example, at least one of hydrogen sulfide, sulfur oxide, and an aqueous solution containing a sulfur component.
[0032]
In the above case, the gaseous sulfur content may be mixed with the hydrocarbon supplied as the reducing agent and supplied. Moreover, when hydrocarbon is not supplied as a reducing agent, the gaseous sulfur content may be diluted with a diluent gas such as air.
[0033]
In the above case, an aqueous solution containing a sulfur content may be vaporized in advance to form a gaseous sulfur oxide, which is then mixed with a hydrocarbon supplied as a reducing agent. Further, when hydrocarbon is not supplied as a reducing agent, an aqueous solution containing a sulfur content may be vaporized in advance to form a gaseous sulfur oxide, which is then diluted with a diluent gas such as air.
[0034]
The concentration of the sulfur component supplied from outside the system is preferably 0.1 to 100 ppm.
[0035]
It is sufficient to supply the sulfur content from outside the system when the denitration performance of the catalyst is not sufficiently exhibited. Therefore, the supply of the sulfur content from outside the system may be intermittently performed when the denitration performance of the catalyst is not sufficiently exhibited.
[0036]
In the above case, it is preferable to collect and reuse those sulfur components supplied from outside the system that have not been used for decomposition of nitrogen oxides.
[0037]
Next, an exhaust gas purifying apparatus according to the present invention includes a catalyst layer formed by supporting at least one of ruthenium, palladium and platinum on a metal oxide support, and passing exhaust gas through the catalyst layer, thereby allowing an oxygen-excess atmosphere. In the case where nitrogen oxides in exhaust gas are decomposed using hydrocarbon as a reducing agent, a sulfur oxide adsorbent layer is provided on both sides of the catalyst layer via a cooler, and an exhaust gas flow direction switching means is provided. It is characterized in that only the cooler on the downstream side of the two coolers can be operated.
[0038]
In the above apparatus, first, exhaust gas flows through the first adsorbent layer on the upstream side, so that sulfur oxides desorbed from the first adsorbent layer are mixed into the exhaust gas. The first cooler following the first adsorbent layer is left unactuated. In the catalyst layer, NOx in the exhaust gas is decomposed using hydrocarbon as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere and in the presence of sulfur oxides. Along with the decomposition of NOx, sulfur oxides are also desorbed from the catalyst layer. The exhaust gas containing sulfur oxide is lowered in temperature by the second cooler on the downstream side, and then reaches the second adsorbent layer on the downstream side, where the sulfur oxide is adsorbed and collected. Then, when desulfurization of the sulfur oxide has progressed and the NOx removal performance of the catalyst layer has deteriorated, the exhaust gas flow is switched in the reverse direction, and the operation of the second cooler is stopped to operate the first cooler. This time, the second adsorbent layer that adsorbs sulfur oxide is upstream, and the first adsorbent layer from which sulfur oxide is desorbed is downstream. Below, the decomposition process of NOx is performed. By repeating the switching operation of the exhaust gas flow direction as described above, NOx can be stably decomposed for a long period of time.
[0039]
In the above apparatus, as the exhaust gas flow direction switching means, a catalyst layer, two adsorbent layers and two coolers are formed in series, and branched from the exhaust gas inlet toward both ends of the exhaust gas main channel. And an exhaust gas introduction passage having a switching valve at a branch point, and an exhaust gas discharge passage formed in a confluence from both ends of the exhaust gas main passage toward the exhaust gas outlet and having a switching valve at the junction. There is a case where the exhaust gas flow in the exhaust gas main channel is switched in the reverse direction by the switching operation of the switching valves of the introduction channel and the exhaust gas discharge channel.
[0040]
According to the above configuration, the direction of the exhaust gas flow can be easily and quickly switched by simultaneous operation of the two switching valves.
[0041]
In the above apparatus, the two coolers may be common devices.
[0042]
The exhaust gas purifying apparatus according to the present invention includes one in which two catalyst layers are provided via a cooler and an exhaust gas flow direction switching means is provided.
[0043]
In the second apparatus, first, in the upstream first catalyst layer, NOx in the exhaust gas is decomposed using hydrocarbons as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere and in the presence of sulfur oxides. As NOx is decomposed, sulfur oxides are desorbed from the upstream catalyst layer. The exhaust gas containing the sulfur oxide is lowered in temperature by the cooler, and then reaches the second catalyst layer on the downstream side, where the sulfur oxide is adsorbed and collected. Then, when the desulfurization of the upstream catalyst layer is reduced due to the progress of desorption of the sulfur oxide, the exhaust gas flow is switched in the reverse direction. This time, the second catalyst layer adsorbing the sulfur oxide is upstream. Since the first catalyst layer from which the sulfur oxide is desorbed is on the downstream side, the NOx decomposition treatment is performed in the presence of the sulfur oxide as described above. By repeating the switching operation of the exhaust gas flow direction as described above, NOx can be stably decomposed for a long period of time.
[0044]
In the second apparatus, as the exhaust gas flow direction switching means, an exhaust gas main flow path in which two catalyst layers and a cooler are arranged in series, and a branch formed from the exhaust gas inlet toward both ends of the exhaust gas main flow path and branched An exhaust gas introduction flow path having a switching valve at a point, and an exhaust gas discharge flow path formed in a confluence from both ends of the exhaust gas main flow path toward the exhaust gas outlet and having a switching valve at the merge point. In some cases, the exhaust gas flow in the exhaust gas main flow path can be switched in the reverse direction by the switching operation of the switching valve of the exhaust gas exhaust flow path.
[0045]
According to the above configuration, the direction of the exhaust gas flow can be easily and quickly switched by simultaneous operation of the two switching valves.
[0046]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a first embodiment of an exhaust gas purifying apparatus according to the present invention. This device (11) includes a catalyst layer (2) formed by supporting palladium and platinum on a sulfate group-containing zirconia support. Sulfur oxide adsorbent layers (3A) (3B) are provided on both sides of the catalyst layer (2) in the exhaust gas flow direction via coolers (4A) (AB), respectively. The device (11) is provided with exhaust gas flow direction switching means. Of the two coolers (4A) and (AB), only the cooler on the downstream side is operated.
[0047]
The exhaust gas flow direction switching means includes an exhaust gas main flow path (L1) in which a catalyst layer (2), two adsorbent layers (3A) (3B) and two coolers (4A) (AB) are arranged in series, and exhaust gas An exhaust gas introduction channel (L2) that is branched from the inlet toward both ends of the exhaust gas main channel (L1) and has a switching valve (5) at the branch point, and from both ends of the exhaust gas main channel (L1) to the exhaust gas outlet The exhaust gas discharge passage (L3) is formed in a confluence state and has a switching valve (5) at the confluence. By the switching operation of the switching valve (5) of the exhaust gas introduction channel (L2) and the exhaust gas discharge channel (L3), the exhaust gas flow in the exhaust gas main channel (L1) is switched in the reverse direction.
[0048]
In the apparatus (11), in the initial state, as shown in FIG. 1 (a), first, exhaust gas flows through the first adsorbent layer (3A) on the upstream side, so that sulfuric acid desorbed therefrom is removed. Roots are mixed in the exhaust gas. The first cooler (4A) following the first adsorbent layer (3A) is not operated. In the catalyst layer (2), NOx in the exhaust gas is decomposed using methane as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere and in the presence of sulfur oxides. With the decomposition of NOx, the sulfate radical is detached from the catalyst layer (2). The exhaust gas containing sulfate radicals is cooled by the second cooler (4B) on the downstream side and reaches the second adsorbent layer (3B) on the downstream side, where the sulfate radicals are adsorbed and captured. Be collected. Then, when the desulfurization performance of the catalyst layer (2) decreases due to the progress of desorption of sulfate radicals, the exhaust gas flow is switched in the reverse direction by the switching operation of the switching valve (5), and the second cooler (4B) And the first cooler (4A) is activated. Then, as shown in FIG. 1B, this time, the second adsorbent layer (3B) that adsorbs the sulfate radical is upstream, and the first adsorbent layer (3A) from which the sulfate radical is desorbed is downstream. As in the case described above, the NOx decomposition treatment is performed in the presence of sulfur oxides.
[0049]
Next, Example 1 of the present invention using the device (11) is shown together with Comparative Example 1.
Example 1
Catalyst preparation
150 g of zirconium hydroxide was immersed in 150 ml of an aqueous solution in which 15 g of ammonium sulfate was dissolved for 10 hours. This immersion body was dried and then calcined at 550 ° C. for 3.5 hours to obtain sulfate zirconia.
[0050]
0.011 g of palladium nitrate solution as Pd and 0.068 g of tetraammineplatinum nitric acid aqueous solution containing 1.47% by weight as Pt are mixed and stirred, and the resulting mixed solution is diluted to 10 ml with the addition of pure water. Got.
[0051]
In this immersion liquid, 10 g of the sulfate zirconia was mixed and stirred and immersed for 10 hours. After the immersion, the sulfate zirconia was dried and then calcined at 500 ° C. for 9 hours to prepare a 0.05% Pd-0.01% Pt / sulfate zirconia catalyst.
[0052]
After this catalyst was formed into a disk shape, this was pulverized and sized into meshes 22 to 42, and filled into the catalyst layer (2).
[0053]
Preparation of adsorbent
150 g of H-type mordenite (silica / alumina ratio 16) was washed with water and dried to obtain an adsorbent.
[0054]
After forming this adsorbent into a disk shape, this was pulverized and sized into meshes 22 to 42, and filled into adsorbent layers (3A) and (3B).
[0055]
Catalytic activity test
A simulated exhaust gas obtained by mixing 50 ppm of sulfur dioxide, 150 ppm of nitric oxide, 2000 ppm of methane, 10% of water vapor, and the remaining air in the exhaust gas purifying apparatus (11) shown in FIG. 1 in the exhaust gas flow direction shown in FIG. Introduced. The exhaust gas temperature in the first adsorbent layer (3A) and the catalyst layer (2) was set to 450 °. Further, the second cooler (4B) was operated so that the exhaust gas temperature in the second adsorbent layer (3B) was 200 °. The space velocity (SV) in the adsorbent layers (3A) (3B) and the catalyst layer (2) is 30000 h, respectively.-1It was. Under the above conditions, the NOx concentration at the inlet and outlet of the catalyst layer (2) was measured with a chemiluminescent NOx analyzer.
[0056]
The denitration rate was 72% at the beginning of the reaction, but gradually decreased as the reaction time elapsed, and decreased to 55% after 20 hours.
[0057]
Therefore, when the exhaust gas flow is switched to the direction shown in FIG. 1B by the switching valve (5) and the operating cooler is switched to the first cooler (4A), the denitration rate rises again, and 3 hours Later it recovered to 70%.
[0058]
The measurement results when the switching of the exhaust gas flow direction by the switching valve (5) and the switching of the coolers (4A) and (4B) to be operated are repeated about every 20 to 30 hours are shown in FIG. In FIG. 2, the downward arrows indicate the direction of exhaust gas flow and the time for switching the coolers (4A) and (4B) to be operated.
[0059]
As shown in FIG. 2, the NOx removal rate was maintained at 55% or more for 100 hours or more by repeating the exhaust gas flow direction and the switching operation of the coolers (4A) and (4B) to be operated.
[0060]
(Comparative Example 1)
The sulfur oxide adsorbent layers (3A) (3B) and the coolers (4A) (4B) were removed from the exhaust gas purification device (11) shown in FIG. 1 to obtain only the catalyst layer (2). Then, after the catalyst layer (2) was molded into the same shape as the catalyst used in Example 1, it was pulverized and sized and packed into meshes 22 to 42. A catalytic activity test was conducted under the same conditions. The test results are indicated by dotted lines in FIG.
[0061]
As shown in FIG. 2, the denitration rate, which was 72% at the beginning of the reaction, decreased to 55% after 8 hours.
[0062]
Therefore, although the exhaust gas flow was switched to the direction shown in FIG. 1B by the switching valve (5), the denitration rate further decreased to 50% after 100 hours, and the denitration rate continued to decrease thereafter.
[0063]
FIG. 3 shows a second embodiment of the exhaust gas purifying apparatus according to the present invention. This device (12) is provided with two catalyst layers (2A) (2B) each having palladium and platinum supported on a sulfate group-containing zirconia support via a cooler (4). The device (12) is provided with exhaust gas flow direction switching means.
[0064]
The exhaust gas flow direction switching means includes an exhaust gas main flow path (L1) in which two catalyst layers (2A) (2B) and a cooler (4) are arranged in series, and an exhaust gas inlet to both ends of the exhaust gas main flow path (L1). The exhaust gas introduction flow path (L2) having a switching valve (5) formed at the branch point and the exhaust gas main flow path (L1) from both ends of the exhaust gas flow path to the exhaust gas outlet and switching to the merge point And an exhaust gas discharge passage (L3) having a valve (5). By the switching operation of the switching valve (5) of the exhaust gas introduction channel (L2) and the exhaust gas discharge channel (L3), the exhaust gas flow in the exhaust gas main channel (L1) is switched in the reverse direction.
[0065]
In the above apparatus (12), in the initial state, as shown in FIG. 3 (a), first, in the upstream first catalyst layer (2A), methane is produced in an oxygen-excess atmosphere and in the presence of sulfur oxides. As a reducing agent, NOx in the exhaust gas is decomposed. Along with the decomposition of NOx, the sulfate radical is detached from the first catalyst layer (2A). The exhaust gas containing sulfate radicals is lowered in temperature by the cooler (4) and then reaches the second catalyst layer (2B) on the downstream side, where the sulfate radicals are adsorbed and collected. Then, when the desulfurization performance of the first catalyst layer (2A) is reduced due to the progress of desorption of sulfate radicals, the exhaust gas flow is switched in the reverse direction by the switching operation of the switching valve (5). Then, as shown in FIG. 3B, the second catalyst layer (2B) that has adsorbed the sulfate radical is now upstream, and the first catalyst layer (2A) from which the sulfate radical has been released is downstream. As in the case described above, the NOx decomposition treatment is performed in the presence of sulfur oxides.
[0066]
Next, Example 2 of the present invention using the above device (12) is shown together with Comparative Example 2.
(Example 2)
Catalyst preparation
In the same manner as in Example 1, a 0.05% Pd-0.01% Pt / sulfate zirconia catalyst was prepared.
[0067]
After this catalyst was formed into a disk shape, it was pulverized and sized into meshes 22 to 42, and filled in two catalyst layers (2A) and (2B).
[0068]
Catalytic activity test
  A simulated exhaust gas obtained by mixing 50 ppm of sulfur dioxide, 150 ppm of nitric oxide, 2000 ppm of methane, 10% of water vapor, and the remaining air into the exhaust gas purification device (12) shown in FIG.3It was introduced in the exhaust gas flow direction shown in (a). The exhaust gas temperature in the first catalyst layer (2A) was set to 450 °. Further, the cooler (4) was operated so that the exhaust gas temperature in the second catalyst layer (2B) was 250 °. The space velocity (SV) in both catalyst layers (2A) and (2B) is 30000 h, respectively.-1It was. Under the above conditions, the NOx concentrations at the inlet and outlet of the first catalyst layer (2A) on the upstream side were measured with a chemiluminescent NOx analyzer.
[0069]
The denitration rate showed 70% or more at the beginning of the reaction, but gradually decreased as the reaction time passed, and decreased to 55% after 20 hours.
[0070]
Therefore, when the exhaust gas flow was switched to the direction shown in FIG. 3B by the switching valve (5), the denitration rate increased again and recovered to about 70% after several hours.
[0071]
  Fig. 5 shows the measurement results when the switching of the exhaust gas flow direction using the switching valve (5) is repeated approximately every 20 to 30 hours.4Is shown by a solid line. Figure4The middle and downward arrows indicate the time when the exhaust gas flow direction is switched.
[0072]
  Figure4As shown in FIG. 4, the NOx removal rate could be maintained at 55% or more for 100 hours or more by repeating the switching operation of the exhaust gas flow direction.
[0073]
(Comparative Example 2)
  A catalytic activity test was performed under the same conditions as in Example 2 except that the measurement was continuously performed without switching the exhaust gas flow. Figure of test results4Is indicated by a dotted line.
[0074]
  Figure4As shown in FIG. 5, the denitration rate, which was 70% or more at the beginning of the reaction, decreased to 55% after 8 hours and continued to decrease thereafter.
[0075]
Examples 3 and 4 of the present invention are shown together with Comparative Example 3.
(Comparative Example 3)
Catalyst preparation
In the same manner as in Example 1, a 0.05% Pd-0.01% Pt / sulfate zirconia catalyst was prepared.
[0076]
Catalytic activity test
After the catalyst was formed into a disk shape, it was pulverized and sized into meshes 22 to 42, and filled into a reaction tube. In this reaction tube, a simulated exhaust gas obtained by mixing 150 ppm of nitric oxide, 2000 ppm of methane, 0% or 10% of water vapor, and the remaining air, was reacted at a reaction temperature of 450 ° and a space velocity (SV) of 30000 h.-1The catalyst activity was tested by measuring the NOx concentration at the inlet and outlet of the catalyst layer with a chemiluminescent NOx analyzer. The test results are shown in FIG.
[0077]
When water vapor is not included in the simulated exhaust gas, the 0.05% Pd-0.01% Pt / sulfate zirconia catalyst shows a high denitration performance of 53% at the beginning of the reaction, but 48% after 10 hours, After 20 hours, it decreased to 44% over time.
[0078]
On the other hand, when 10% of water vapor is contained in the simulated exhaust gas, the catalyst causes a significant deterioration in activity at a denitration rate of 38% at the beginning of the reaction, and the denitration rate is 30% after 10 hours and 25 after 20 hours. % Over time.
[0079]
(Example 3)
A catalyst similar to that in Comparative Example 3 is filled in a reaction tube, and a simulated exhaust gas obtained by mixing sulfur dioxide 0 to 200 ppm, nitrogen monoxide 150 ppm, methane 2000 ppm, water vapor 0% or 10%, and the remaining air is mixed in the reaction tube. , Reaction temperature 450 °, space velocity (SV) 30000h-1The catalytic activity was tested under the following conditions. The measurement was carried out after confirming the stability for 5 hours or more from the time when 10 hours or more passed after the start of gas flow. FIG. 6 shows the measurement results obtained by changing the sulfur dioxide concentration with respect to nitrogen monoxide 150 ppm and methane 2000 ppm from 0 ppm to 200 ppm in each case of 0% and 10% steam.
[0080]
When water vapor was not included in the simulated exhaust gas, the denitration rate increased up to a sulfur dioxide concentration of 5 ppm, but when it exceeded that, the denitration rate decreased and was below the denitration rate when the sulfur dioxide concentration was 0 ppm.
[0081]
On the other hand, in the case of 10% water vapor, the denitration rate increases rapidly as the sulfur dioxide concentration is increased from 0 ppm to 25 ppm. When the sulfur dioxide concentration is increased to 25 ppm or more, the initial activity when the denitration rate is 0% water vapor Gradually descended.
[0082]
(Example 4)
A catalyst similar to that in Comparative Example 3 was filled in a reaction tube, and a simulated exhaust gas obtained by mixing 5 ppm of sulfur dioxide, 150 ppm of nitric oxide, 2000 ppm of methane, 0% of water vapor, and the remaining air was added to this reaction tube at a reaction temperature of 450 ° C. , Space velocity (SV) 30000h-1The catalytic activity was tested under the following conditions. The measurement results are shown in FIG.
[0083]
As shown in FIG. 7, no change in the denitration rate over time was observed even at a reaction time of 20 hours.
[0084]
It should be noted that the above embodiment is merely an example, and it is of course possible to implement the present invention with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention described in the claims.
[0085]
【The invention's effect】
According to the exhaust gas purification method and apparatus of the present invention, the coexistence state of sulfur oxide is maintained, and thereby NOx can be stably decomposed for a long period of time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an exhaust gas purifying apparatus according to the present invention.
2 is a graph showing the relationship between the denitration rate and elapsed time in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
FIG. 3 is a view showing a second embodiment of the exhaust gas purifying apparatus according to the present invention.
4 is a graph showing the relationship between the denitration rate and elapsed time in Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
5 is a graph showing the relationship between the denitration rate and reaction time in Comparative Example 3. FIG.
6 is a graph showing the relationship between the denitration rate and the sulfur oxide concentration in Example 3. FIG.
7 is a graph showing the relationship between the denitration rate and the reaction time in Example 4. FIG.
[Explanation of symbols]
(11): Exhaust gas purification device
(2): Catalyst layer
(3A): First sulfur oxide adsorbent layer
(3B): Second sulfur oxide adsorbent layer
(4A): First cooler
(4B): Second cooler
(12): Exhaust gas purification device
(2A): First catalyst layer
(2B): Second catalyst layer
(4): Cooler
(5): Switching valve
(L1): Exhaust gas main flow path
(L2): Exhaust gas introduction flow path
(L3): Exhaust gas discharge flow path

Claims (10)

硫酸根含有ジルコニア担体にルテニウム、パラジウムおよび白金のうち少なくとも1つを担持してなる触媒を排ガスに接触させ、酸素過剰雰囲気下および硫黄酸化物共存下で炭化水素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を分解する排ガス浄化方法において、触媒層の両側に冷却器を介して硫黄酸化物吸着剤層を配置するとともに、2つの冷却器のうち下流側の冷却器のみを選択的に作動させておいて、上流側吸着剤層および触媒層から脱離した硫黄酸化物を下流側吸着剤層で吸着捕集し、触媒層の脱硝性能低下に応じて排ガス流れを逐次逆方向に切り替えることを特徴とする、排ガス浄化方法。 A catalyst comprising at least one of ruthenium, palladium and platinum supported on a sulfate group-containing zirconia support is brought into contact with exhaust gas, and nitrogen is oxidized in the exhaust gas using a hydrocarbon as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere and in the presence of sulfur oxides. In the exhaust gas purification method for decomposing substances, a sulfur oxide adsorbent layer is disposed on both sides of the catalyst layer via a cooler, and only the downstream cooler of the two coolers is selectively operated. The sulfur oxide desorbed from the upstream adsorbent layer and the catalyst layer is adsorbed and collected by the downstream adsorbent layer, and the exhaust gas flow is sequentially switched in the reverse direction in accordance with the reduction in the denitration performance of the catalyst layer. An exhaust gas purification method. 上流側吸着剤層および触媒層の温度を400〜500℃とし、下流側吸着剤層の温度を常温〜300℃とすることを特徴とする、請求項記載の排ガス浄化方法。Upstream adsorbent layer and the temperature of the catalyst layer and 400 to 500 ° C., characterized by the temperature of the downstream adsorbent layer and the normal temperature to 300 ° C., the exhaust gas purification method according to claim 1. 吸着剤層が、ゼオライト、チタニア、ジルコニア、シリカ、アルミナおよびシリカ−アルミナのうち少なくとも1つよりなることを特徴とする、請求項1または2記載の排ガス浄化方法。The exhaust gas purification method according to claim 1 or 2 , wherein the adsorbent layer comprises at least one of zeolite, titania, zirconia, silica, alumina, and silica-alumina. 硫酸根含有ジルコニア担体にルテニウム、パラジウムおよび白金のうち少なくとも1つを担持してなる触媒を排ガスに接触させ、酸素過剰雰囲気下および硫黄酸化物共存下で炭化水素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を分解する排ガス浄化方法において、2つの触媒層を冷却器を介して配置しておき、上流側触媒層から脱離した硫黄酸化物を下流側触媒層で吸着捕集し、上流側触媒層の脱硝性能低下に応じて排ガス流れを逐次逆方向に切り替えることを特徴とする、排ガス浄化方法。 A catalyst comprising at least one of ruthenium, palladium and platinum supported on a sulfate group-containing zirconia support is brought into contact with exhaust gas, and nitrogen is oxidized in the exhaust gas using a hydrocarbon as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere and in the presence of sulfur oxides. In the exhaust gas purification method for decomposing substances, two catalyst layers are arranged via a cooler, and sulfur oxides desorbed from the upstream catalyst layer are adsorbed and collected by the downstream catalyst layer, and the upstream catalyst layer and switches sequentially in a direction opposite the exhaust gas flow in accordance with the denitration performance degradation, the exhaust gas purification method. 上流側触媒層の温度を400〜500℃とし、下流側触媒層の温度を常温〜300℃とすることを特徴とする、請求項記載の排ガス浄化方法。The exhaust gas purification method according to claim 4 , wherein the temperature of the upstream catalyst layer is 400 to 500 ° C, and the temperature of the downstream catalyst layer is normal temperature to 300 ° C. 硫酸根含有ジルコニア担体にルテニウム、パラジウムおよび白金のうち少なくとも1つを担持してなる触媒層を備え、触媒層に排ガスを通すことにより、酸素過剰雰囲気下において炭化水素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物の分解が行われる排ガス浄化装置において、触媒層の両側に冷却器を介して硫黄酸化物吸着剤層が設けられているとともに、排ガス流れ方向切替手段が設けられており、2つの冷却器のうち下流側の冷却器のみを選択的に作動させておいて、上流側吸着剤層および触媒層から脱離した硫黄酸化物を下流側吸着剤層で吸着捕集し、触媒層の脱硝性能低下に応じて排ガス流れを逐次逆方向に切り替えることにより、排ガス中の窒素酸化物の分解が硫黄酸化物の共存下で行われるようになっていることを特徴とする、排ガス浄化装置。 A sulfate layer-containing zirconia support is provided with a catalyst layer in which at least one of ruthenium, palladium and platinum is supported, and by passing exhaust gas through the catalyst layer, nitrogen in the exhaust gas using hydrocarbon as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere In the exhaust gas purifying apparatus in which oxide is decomposed, a sulfur oxide adsorbent layer is provided on both sides of the catalyst layer via a cooler, and an exhaust gas flow direction switching means is provided, and two coolers Only the cooler on the downstream side is selectively operated, and sulfur oxides desorbed from the upstream adsorbent layer and catalyst layer are adsorbed and collected by the downstream adsorbent layer, and the denitration performance of the catalyst layer According to the exhaust gas flow, the exhaust gas flow is sequentially switched in the reverse direction, whereby the decomposition of nitrogen oxides in the exhaust gas is performed in the presence of sulfur oxides. Purifying device. 排ガス流れ方向切替手段として、触媒層、2つの吸着剤層および2つの冷却器が直列に配された排ガス主流路と、排ガス入口から排ガス主流路の両端に向かって分岐状に形成されかつ分岐点にスイッチングバルブを有する排ガス導入流路と、排ガス主流路の両端から排ガス出口に向かって合流状に形成されかつ合流点にスイッチングバルブを有する排ガス排出流路とを備えており、排ガス導入流路および排ガス排出流路のスイッチングバルブの切替操作により、排ガス主流路における排ガス流れが逆方向に切り替えられるようになっていることを特徴とする、請求項記載の排ガス浄化装置。As exhaust gas flow direction switching means, an exhaust gas main flow path in which a catalyst layer, two adsorbent layers and two coolers are arranged in series, and a branch point formed from the exhaust gas inlet toward both ends of the exhaust gas main flow path An exhaust gas introduction flow path having a switching valve, and an exhaust gas discharge flow path formed in a confluence from both ends of the exhaust gas main flow path toward the exhaust gas outlet and having a switching valve at the junction, The exhaust gas purification apparatus according to claim 6 , wherein the exhaust gas flow in the exhaust gas main flow path is switched in the reverse direction by switching operation of the switching valve of the exhaust gas exhaust flow path. 2つの冷却器が共通機器となされていることを特徴とする、請求項6または7記載の排ガス浄化装置。The exhaust gas purifier according to claim 6 or 7 , wherein the two coolers are common devices. 硫酸根含有ジルコニア担体にルテニウム、パラジウムおよび白金のうち少なくとも1つを担持してなる触媒層を備え、触媒層に排ガスを通すことにより、酸素過剰雰囲気下において炭化水素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物の分解が行われる排ガス浄化装置において、触媒層が冷却器を介して2つ設けられているとともに、排ガス流れ方向切替手段が設けられており、上流側触媒層から脱離した硫黄酸化物を下流側触媒層で吸着捕集し、上流側触媒層の脱硝性能低下に応じて排ガス流れを逐次逆方向に切り替えることにより、排ガス中の窒素酸化物の分解が硫黄酸化物の共存下で行われるようになっていることを特徴とする、排ガス浄化装置。 A catalyst layer formed by supporting at least one of ruthenium, palladium, and platinum on a sulfate group-containing zirconia support , and passing exhaust gas through the catalyst layer allows hydrocarbons to be used as a reducing agent in an oxygen-excess atmosphere to reduce nitrogen in the exhaust gas. In the exhaust gas purification apparatus in which oxide is decomposed, two catalyst layers are provided via a cooler, and an exhaust gas flow direction switching means is provided, and sulfur oxides desorbed from the upstream catalyst layer Is absorbed and collected by the downstream catalyst layer, and the exhaust gas flow is sequentially switched in the reverse direction in accordance with the denitration performance degradation of the upstream catalyst layer, so that the decomposition of nitrogen oxides in the exhaust gas is performed in the presence of sulfur oxides. An exhaust gas purifying apparatus, characterized in that it is designed to be 排ガス流れ方向切替手段として、2つの触媒層および冷却器が直列に配された排ガス主流路と、排ガス入口から排ガス主流路の両端に向かって分岐状に形成されかつ分岐点にスイッチングバルブを有する排ガス導入流路と、排ガス主流路の両端から排ガス出口に向かって合流状に形成されかつ合流点にスイッチングバルブを有する排ガス排出流路とを備えており、排ガス導入流路および排ガス排出流路のスイッチングバルブの切替操作により、排ガス主流路における排ガス流れが逆方向に切り替えられるようになっていることを特徴とする、請求項記載の排ガス浄化装置。As an exhaust gas flow direction switching means, an exhaust gas main flow path in which two catalyst layers and a cooler are arranged in series, and an exhaust gas formed in a branched shape from the exhaust gas inlet toward both ends of the exhaust gas main flow path and having a switching valve at the branch point It is provided with an introduction flow path, and an exhaust gas discharge path formed in a confluence from both ends of the exhaust gas main flow path toward the exhaust gas outlet and having a switching valve at the junction, and switching of the exhaust gas introduction flow path and the exhaust gas discharge flow path The exhaust gas purification apparatus according to claim 9 , wherein the exhaust gas flow in the exhaust gas main flow path is switched in the reverse direction by a valve switching operation.
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