JP5667572B2 - ガス流中の微粒子状物質を減少させるための方法およびシステム - Google Patents
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Description
主題のシステムのある実施形態は、触媒が、白金を含有する触媒である触媒を含む。触媒式排出トラップはさらに、吸着剤を含み、いくつかの場合では、吸着剤は、K2CO3、BaCO3、炭酸等の組み合わせを含むが、それらに限定されない炭酸を含む。触媒式排出トラップはさらに、ウォッシュコートを含み、いくつかの場合では、ウォッシュコートは、アルミナ、チタニア等を含むが、それらに限定されない。
方法
ガス流からの微粒子状物質の排出を減少させるための方法およびシステムが提供される。いくつかの例では、該方法はまた、ガス流からの微粒子状物質前駆体の排出も減少させる。主題の方法の実施形態は、ガス流を触媒に接触させることを含む。いくつかの場合では、ガス流中の微粒子状物質が、70%以上、80%以上、90%以上、95%以上、もしくは98%以上を含む50%以上等の30%以上、減少され得る。ガス流中の微粒子状物質前駆体の量がまた、70%以上、80%以上、90%以上、95%以上、もしくは98%以上を含む50%以上等の30%以上、減少され得る。
KNO2+KNO3+CO2+4H2→K2CO3+4H2O+N2
KNO2+KNO3+CH4→2KOH+N2+CO2+H2O→K2CO3+N2+2H2O
ある実施形態では、再生ガス流は、天然ガス、合成ガス、メタン、プロパン、ディーゼル燃料、その混合物等を含むが、それらに限定されない炭化水素を含む。炭化水素は、メタン、CH4を含み得る。再生ガス流は、1%〜15%のCH4、1%〜10%のCH4を含む1%〜20%のCH4等の0.5%〜25%のCH4を含み得る、例えば1%〜5%のCH4である。いくつかの場合では、再生ガス流は、水素を含む。再生ガス流は、2%〜4%のH2を含む1%〜5%のH2等の1%〜10%のH2を含み得る。再生ガス流は、触媒式排出トラップと接触する前に混合され得る。いくつかの実施形態では、炭化水素の流れおよび蒸気の流れが、吸着剤に再生ガス流を接触させる前に再生ガス流を提供するため混合される。
CH4+2H2O→CO2+4H2(理論)
CH4+100H2O→CO2+4H2+98H2O(搬送ガスとして蒸気を伴う)
再生ガス流はさらに、蒸気等の水を含み得る。該蒸気は、加熱蒸気で有り得る。例えば、蒸気は、400℃〜500℃を含む250℃〜550℃等の150℃〜600℃までの範囲を有し得る。いくつかの場合では、蒸気は、450℃の温度を有する。蒸気は、90kPa〜110kPaを含む75kPa〜125kPa等の50kPa〜150kPaまでの範囲である圧力を有し得る。ある例では、蒸気は、100kPaの圧力を有する。ある実施形態では、蒸気は、1,000lb(450kg)/時間〜7,000lb(3150kg)/時間を含む750lb(338kg)/時間〜8,000lb(3600kg)/時間等の500lb(225kg)/時間〜10,000lb(4500kg)/時間までの範囲である流速を有する。炭化水素の流速は、120標準立方フィート毎時(scfh)(3.396標準立方メートル毎時(sm3h))〜800scfh(22.64(sm3h))を含む100scfh(2.83(sm3h))〜1,000scfh(28.3(sm3h))等の50scfh(1.42(sm3h))〜1,500scfh(42.5(sm3h))までの範囲で有り得る。いくつかの場合では、蒸気流速と炭化水素流速との比率は、7:1〜9:1を含む5:1〜10:1等の2:1〜15:1までの範囲である。所望の場合、蒸気流速と炭化水素流速との比率は、8.5:1である。
SO2+1/2O2+吸着剤→SO3吸着剤
吸着剤の再生は、SO3吸着剤複合体から吸着剤を再生することを含み得る。ある例では、吸着剤の再生は、以下の反応より、発生できる。
SO3吸着剤+H2→吸着剤+SO2+H2O
所望の場合、再生されたSO2は、硫黄トラップ、硫黄スクラバ等に再生ガス流を接触させることにより、再生ガス流から除去される。再生ガス流からSO2を除去することは、ある例では、使用された再生ガスの容積が、排出トラップに接触したガス排出流の容積よりも小さいため、ガス流からのSO2のより効率的な除去が、促進され得る。
システム
ガス流からの微粒子状物質の排出を減少させるためのシステムが提供される。主題のシステムの実施形態は、触媒、すなわち触媒式排出トラップを含む、少なくとも1つの排出トラップを含む。触媒式排出トラップは、ガス流がトラップを通って流れる際、触媒にガス流が接触するように構成される。いくつかの場合では、触媒式排出トラップは、ガス流中で微粒子状物質を、70%以上、80%以上、90%以上、95%以上、または98%以上を含む50%以上等の30%以上、減少する。触媒式排出トラップは、ガス流中で微粒子状物質前駆体を、70%以上、80%以上、90%以上、95%以上、または98%以上を含む50%以上等の30%以上、減少する。
従来の排出制御システムはNOおよびNO2の排出を制御するため、アンモニアまたはアンモニアの前駆体を排気流に混合する。しかしながら、アンモニアスリップとも言われる未反応のアンモニアは、それから排気にも存在する硫黄と反応し粒子物質を生成可能である。対象システムの実施形態はアンモニアまたはアンモニア前駆体を使用しない。幾つかの実施形態において、システムはガス流をアンモニアまたはアンモニア前駆体と接触させずに粒子物質および粒子物質の前駆体の減少を可能にする。
基板
対象システムに使用する基板は、十分な表面積を提供し、システムに使用される触媒、ウォッシュコートおよび吸着体の塗布に対応する様々な基板の種類を含んでもよい。それに、対象システムに有用な基板は高温度、腐食気体、腐食液体等の厳しい条件に露出させられても実質的な構造劣化、分解、または腐食はないことがある。例えば、システムは50°C〜550°C、例えば150°C〜500°Cを有し、200°C〜450°Cを含み、例えば、260°C〜400°Cの温度をガス流に対応するように構成されてもよい。幾つかの実施形態において、基板は金属、例えば、ステンレス鋼、チタン等を含む。幾つかの場合において、基板は酸化物を含み、例えばAl、Si、Zr、Ca、Mg、Hf、Tiの酸化物およびそれらの組み合せ等を挙げるがそれらに限定されない。幾つかの場合において、基板はセラミックを含み、例えばコージライト、ムライト等をあげるがそれらに限定されない。
触媒
幾つかの実施形態において、排出トラップにある触媒は貴金属等の金属を含む。金属は白金族の金属、例えば白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウムまたはイリジウムであってもよい。幾つかの場合において、触媒は20g/ft3(706.7g/m3)〜100g/ft3(3533.5g/m3)の分量の金属を含み、例として30g/ft3(1060g/m3)〜46g/ft3(1625.4g/m3)を含めて20g/ft3(706.7g/m3)〜50g/ft3(1766.8g/m3)を挙げる。希望に応じて、触媒は白金を含む。幾つかの場合において、触媒は白金および一つ以上の別の白金族の金属、例えばパラジウム、ロジウム、またはパラジウムおよびロジウムの組み合せを含む。幾つかの実施形態において、触媒は白金およびパラジウム、白金およびロジウム、パラジウムおよびロジウム、または、白金、パラジウムおよびロジウムを含む。幾つかの場合において、触媒は白金および50重量パーセント以下のパラジウムを含み、例えば25重量パーセント以下のパラジウムを含めて40重量パーセント以下のパラジウムを含み、例えば10重量パーセント以下のパラジウムを含む。希望に応じて、触媒は白金および50重量パーセント以下のロジウムを含み、例えば25重量パーセント以下のロジウムを含めて40重量パーセント以下のロジウムを含み、例えば10重量パーセント以下のロジウムを含む。別の場合においては、触媒は白金および50重量パーセント以下のパラジウムおよびロジウムを含み、例えば25重量パーセント以下のパラジウムおよびロジウムを含めて40重量パーセント以下のパラジウムおよびロジウムを含み、例えば10重量パーセント以下のパラジウムおよびロジウムを含む。
吸着体
対象システムの排出トラップは任意に吸着体を含む。吸着体はシステム内に粒子物質および粒子物質前駆体の保持を可能にすることがある。幾つかの場合において、吸着体に吸着される粒子物質および粒子物質前駆体は脱着される。粒子物質および粒子物質前駆体の脱着は粒子物質および粒子物質前駆体と触媒の接触を可能にすることがある。吸着体は対象システムの排出トラップに含めてもよい。吸着体はアルカリ金属、アルカリ土類金属またはそれらの組み合せを含んでもよい。吸着体はアルカリ金属炭酸塩、重炭酸アルカリ金属、アルカリ土類金属炭酸塩、重炭酸アルカリ土類金属またはそれらの組み合せであってもよい。例えば、吸着体はK2CO3、BaCO3、Na2CO3、MgCO3、CaCO3、それらの組み合せ等を含んでもよい。幾つかの場合において、吸着体はK2CO3を含む。別の場合においては、吸着体がBaCO3を含む。希望に応じて、吸着体はK2CO3およびBaCO3を含む。
NO + 1/2 O2 → NO2
NO2 + K2CO3 → KNO2 + KNO3 + CO2
幾つかの実施形態において、ガス排出流からSO2を吸着することは下記の反応により起こることがある。SO2は吸着体により吸着可能なSO3に酸化されてもよい。
SO2 + 1/2 O2 + 吸着体 → 吸着体−SO3
ウォッシュコート
幾つかの実施形態において、対象システムの排出トラップは基板に塗布されるウォッシュコートを含む。ウォッシュコートは酸化アルミニウム(例えば、アルファーアルミナ、ベータアルミナ、エータアルミナ、カイアルミナ、ガンマアルミナ、デルタアルミナ、シータアルミナ)、酸化チタン(例えば、アナターゼ型チタニア、ブルカイト型チタニア、ルチル型チタニア)等の酸化金属を含んでもよいがそれらに限定されない。幾つかの場合において、ウォッシュコートは触媒を塗布する前に基板の表面に塗布される。希望に応じて、触媒を塗布する前にウォッシュコートを乾燥させ、別の場合においては触媒を塗布する前にウォッシュコートを乾燥させない。ウォッシュコートおよび触媒は実質的に同時に基板に塗布してもよい。幾つかの場合において、ウォッシュコートは触媒と組み合わせて混合物を生成し、その混合物を基板に塗布する。混合物は様々な手法を使用し基板に塗布可能であり、例として、スラリーの塗布、吹き付け、浸漬、ゾルゲル法等を挙げるがそれらに限定されない。
有用性
本明細書で理解できるように、本開示のシステムおよび方法はガス流中の粒子物質および粒子物質前駆体の分量を減少することが望ましい様々な異なる用途に応用される。粒子物質または粒子物質前駆体を含むいかなるガス流でも対象システムおよび方法により処理可能である。例えば、対象システムおよび方法は、ガスタービン発電所、コージェネレーション発電所等を含めて発電所からのガス排出流に応用可能である。幾つかの実施形態において、本発明のシステムおよび方法は燃焼発生源からの粒子物質および粒子物質前駆体を含む排出を減少することに応用され、例としてレシプロ内燃機関、固定型内燃機関、内燃タービン、公共用ボイラー、事業用ボイラー等の燃焼機関を挙げるがそれらに限定されない。対象システムおよび方法は粒子物質および粒子物質前駆体を減少するために、これらの燃焼発生源からの燃焼ガス排出等のガス流に適用可能である。
下記の実施例において、試験されるシステムは白金酸化触媒、アルミナによるウォッシュコートおよび炭酸カリウム吸着体を含む触媒排出トラップを含む。
(実施例1)
30MWの天然ガス使用タービンにおける粒子物質(PM)制御を試験した。本試験は、2台のパイプライン天然ガス使用のGE LM2500ガスタービンにて南海岸大気保全管理区法5.2を並行に実行した。第1のタービンは排出制御装置が備えられず、第2のタービンはリーンNOxトラップが備えられた。粒子物質排出は全粒子として報告された。結果は下記表1に記載される。
(実施例2)
5.5MWの二元燃料ガスタービンにおけるPM制御を試験した。天然ガスにより駆動される5.5MWの二元燃料ガスタービンにて3回の一連の試験を実行した。タービンはリーンNOxトラップ触媒を備え、前方に硫黄トラップ触媒を備えた。第1の試験において、触媒ユニットに触媒を設置する以前および以後に米国環境保護庁法201Aおよび米国環境保護庁法202によって試料を取得した。第2の試験および第3の試験は約12ヶ月後に実行された。表2は新たなリーンNOxトラップ触媒を備えた状態で実行された試験の結果を示す。
(実施例3)
200kWケロシン使用ガスタービンにおけるPM制御を試験した。排出は硫黄トラップおよびそれの後ろに置かれたリーンNOxトラップ触媒を含む触媒室の前後に同時に測定された。もう一つの一連の試験は、粒子物質の低下が物理的な掃気の結果であるかを判断するためにコーティング無しの触媒基板を使用し実行された。使用した試験プロトコルは懸濁粒子物質しか測定しない米国環境保護庁法201Aであった。結果を下記表5に示す。
(実施例4)
43MW天然ガス使用タービンにおけるPM制御を試験した。約50パーセント負荷にて動作中の43MW天然ガス使用タービンにて2つの試験を実行した。触媒室は硫黄トラップおよびその後ろにリーンNOxトラップ触媒を含んだ。試験方法としては、試料取得に米国環境保護庁法201Aおよび米国環境保護庁法202、試料分析には南海岸大気保全管理区法5.2を用いた。結果を表6に示す。
Claims (13)
- ガス流中の微粒子状物質を減少させるための方法であって、第1の触媒を含む第1の触媒式排出トラップ及び第2の触媒を含む第2の触媒式排出トラップを備え、前記第1の触媒式排出トラップは前記第2の触媒式排出トラップの上流側又は下流側に配置され、前記第1の触媒式排出トラップは炭化水素を酸化するように構成され、前記第2の触媒式排出トラップはSO 3 をSO 2 に還元するように構成されるシステムに適用される方法において、
前記第1及び第2の触媒式排出トラップに前記ガス流を接触させる工程であって、前記ガス流中の微粒子状物質が30%以上減少させられる工程と、
微粒子状物質が減少したことを報告する工程と、
前記ガス流中の微粒子状物質の量に基づき、前記ガス流のガス毎時空間速度を調整する工程であって、前記第1及び第2の触媒式排出トラップの下流側で検知された前記ガス流中の微粒子状物質の濃度がある量だけ上昇する場合に前記ガス流中の微粒子状物質の減少を促進させるため前記ガス流のガス毎時空間速度を減少させ、前記ガス流中の微粒子状物質の濃度がある量だけ減少する場合に前記ガス流中の微粒子状物質の減少を維持するため前記ガス流のガス毎時空間速度を上昇させる行程と
を含む方法。 - 前記ガス流中の微粒子状物質が減少させられた量を確認することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記第1及び第2の触媒式排出トラップを再生することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記再生が、前記第1及び第2の触媒式排出トラップを再生ガス流と接触させることを含む請求項3に記載の方法。
- アンモニアまたはアンモニア前駆体が前記ガス流に添加されない請求項1に記載の方法。
- 前記第2の触媒式排出トラップは、前記第1の触媒式排出トラップよりも上流側に配置されている請求項1に記載の方法。
- ガス流中の微粒子状物質を減少させるためのシステムであって、
微粒子状物質を含むガス流の源と、
第1の触媒を含む第1の触媒式排出トラップ及び第2の触媒を含む第2の触媒式排出トラップであって、前記第1の触媒式排出トラップは前記第2の触媒式排出トラップの上流側又は下流側に配置され、前記第1の触媒式排出トラップは炭化水素を酸化するように構成され、前記第2の触媒式排出トラップはSO 3 をSO 2 に還元するように構成され、前記ガス流が前記第1及び第2の触媒式排出トラップを通って流れると前記ガス流が前記第1及び第2の触媒と接触するように構成され、前記ガス流中の微粒子状物質が30%以上減少させられる第1及び第2の触媒式排出トラップと、
使用者へ結果を出力するための微粒子状物質インジケータであって、前記結果が、前記ガス流中の微粒子状物質が減少させられた量である微粒子状物質インジケータと、
前記ガス流中の微粒子状物質の量に基づき、前記ガス流のガス毎時空間速度を調整するように構成された制御装置であって、前記第1及び第2の触媒式排出トラップの下流側で検知された前記ガス流中の微粒子状物質の濃度がある量だけ上昇する場合に前記ガス流中の微粒子状物質の減少を促進させるため前記ガス流のガス毎時空間速度を減少させ、前記ガス流中の微粒子状物質の濃度がある量だけ減少する場合に前記ガス流中の微粒子状物質の減少を維持するため前記ガス流のガス毎時空間速度を上昇させる制御装置と
を備えるシステム。 - 前記第1及び第2の触媒式排出トラップは、吸着剤およびウォッシュコートをさらに備える請求項7に記載のシステム。
- 前記ガス流の源が、燃焼源である請求項7に記載のシステム。
- 前記微粒子状物質が、微粒子状物質および微粒子状物質前駆体を含む請求項7に記載のシステム。
- 前記第1及び第2の触媒式排出トラップは、分離可能な触媒式排出トラップを備える請求項7に記載のシステム
- 再生ガス流源をさらに備える請求項7に記載のシステム。
- 前記第2の触媒式排出トラップは、前記第1の触媒式排出トラップよりも上流側に配置されている請求項7に記載のシステム。
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