JP5695042B2 - 煙道ガスの脱硝プロセスと装置 - Google Patents

Description

本発明は、一酸化炭素やガス状の有機物質を含む煙道ガスを、窒素酸化物の選択触媒還元によって脱硝するプロセスに関するものであり、煙道ガスは、触媒還元する前に、脱硝された煙道ガスから回収された残留熱との熱交換によって、１６０℃から５００℃の反応温度に加熱される。

本発明は、更に、窒素酸化物を触媒還元する少なくとも１つの触媒で一酸化炭素やガス状の有機物質を含む煙道ガスを脱硝する装置と、脱硝された煙道ガスの残留熱を回収して、煙道ガスを、触媒還元前に１６０℃から５００℃の反応温度に加熱する、熱交換器と、に関する。

本発明は、基本的に、一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質を含む、どんな煙道ガスの脱硝にも関するものであり、例えば、セメントクリンカーを製造する際に生じる煙道ガスに関し、セメントクリンカーの製造では、セメントクリンカーの生成に必要な原料が、ロータリーキルン内で、１３５０℃から１７００℃まで加熱される。原料は、通常、ロータリーキルン内へ達する前に、順番に配置された複数のサイクロンを備える予熱タワー内で予熱される。排ガスは、材料の流れに対して向流で製造プロセスを通過し、最後のサイクロン加熱ステージを出た後に、排ガス処理を受ける。排ガス処理の一部である脱硝においては、排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘが、環境的に中性な大気窒素Ｎ₂とＨ₂Ｏとに、最適な運転温度で分解される。この分解反応では、いわゆるＳＣＲ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒が利用され、ＳＣＲ触媒には、アンモニア、又は、アンモニア水又は尿素のようなアンモニアを放出する化合物、が添加される。排ガスは、冷却又は熱回収が行われる場合には、冷却又は熱回収の後に、最終的にフィルター段へ達し、外気へ放出される前に除塵される。排ガスを外気へ放出する前のフィルター段は、例えば、電気集塵機又はバグフィルターによって形成することができる。

煙道ガス中の埃の割合が比較的高い場合は、特にセメントクリンカーの製造では、触媒をすぐに詰まらせてしまう。触媒の使用寿命を高めるために、触媒は、しばしばクリーンガス側に、すなわち煙道ガスが除塵された後に、配置されている。この配置の欠点は、煙道ガスを、触媒還元の前に、通常１６０℃から５００℃の必要な反応温度に加熱しなければならないことである。煙道ガスは、しばしば、脱硝された煙道ガスから熱を引き出して、触媒還元前の煙道ガスに熱を供給する、熱回収装置又は熱交換器によって加熱される。損失が、熱交換における熱移動に伴って発生するので、煙道ガスを、外部エネルギーによって付加加熱することが必須である。

特許文献１は、例えば、セメント製造における煙道ガスを浄化するプラントを記述しており、特許文献１では、煙道ガスは、発電用の少なくとも１つの燃焼装置、例えば、天然ガスで運転されるガスタービン又はガスモータ、を利用して加熱される。

特許文献２は、煙道ガスの脱硝装置を記述しているが、特許文献２では、排ガス温度が約８００℃から１０００℃とすでに高いために、触媒還元のためのガスの加熱は必要とされない。

オーストリア特許公報ＡＴ５０５５４２Ｂ１ 独国公開公報ＤＥ１９７０５６６３Ａ１

本発明の課題は、外部エネルギーの利用を最小限にし、又は不要とし、同時に高い脱硝性能を発揮する、上述のプロセスと装置とを提供することであり、既知のプロセス又は装置の欠点を減少又は回避することである。

本発明に係る課題は、プロセスに関しては、熱交換の熱移動による損失が、一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質の後燃焼によるエネルギー再生によって少なくとも部分的に補償されることにより、解決される。煙道ガスを浄化するための後燃焼は、公知である。後燃焼は、有機物質を減少させるために煙道ガスを燃焼させるものとして知られている。加熱による後燃焼では、燃焼温度は、通常、約７５０℃から９００℃の温度に達する。必要に応じて、更に燃料と燃焼用空気が添加される。触媒による後燃焼は、燃焼室内に含まれる触媒によって特徴づけられ、酸化プロセスを促進するものである。酸化プロセスでは、約３００℃から５００℃の、より低い燃焼温度が必要となる。後燃焼によるエネルギー再生においては、燃料の添加は、熱交換によって煙道ガス温度をほぼ燃焼温度まで高めることにより、著しく低減することができる。従って、本発明によれば、後燃焼プロセスにおいて、煙道ガス内の一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質を燃焼させる。後燃焼の際に発生するエネルギーは、本発明により、煙道ガスの温度を触媒反応温度まで高めるために利用される。煙道ガスを触媒還元のために加熱して、エネルギーを節約するほか、煙道ガス内に含まれる一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質を低減することになる。例えば、天然ガス方式で必要とされるエネルギー量が、本発明に係るプロセスによって著しく低減でき、言い換えれば、外部エネルギーの供給は、始動の際にだけ必要とされる。本発明に係るプロセスを実現する費用は、比較的わずかであって、本プロセスは、高い費用効果で実施することができる。また、後燃焼によって、煙道ガスは、脱硝されるだけでなく、一酸化炭素含有量とガス状の有機物質の含有量も減少される。ガス状の有機物質、特にいわゆる「揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）」（ＶＯＣｓ）、の減少によって、煙道ガスの臭いを減少させることができる。

本発明に係るプロセスの一実施形態においては、煙道ガスは、連続して配置された複数の蓄熱モジュールを備える少なくとも２つの通路と、少なくとも２つの通路の間に配置された空間とに、交互に逆の方向に導入され、後燃焼によるエネルギー再生と、蓄熱モジュールの間に配置された触媒内での窒素酸化物の触媒還元と、が実施される。本発明に基づく脱硝プロセスのこの実施形態において、蓄熱モジュールと触媒とは通路内で組み合わされ、煙道ガスを交互に逆の方向へ導入することによって、触媒還元に必要な熱が、煙道ガスから引き出される。煙道ガス内の一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質の後燃焼によるエネルギー再生によって、本プロセスは、自己熱によって、すなわち外部からのエネルギー供給なしで、進行することができ、従って高い効率を得ることができる。

煙道ガスの脱硝の開始又は運転温度の維持のために、外部の熱エネルギーを供給することができる。この外部の熱エネルギーは、例えば、天然ガス又は石油のような、外部のエネルギー源の燃焼によって発生させることができる。

後燃焼によるエネルギー再生の際に得ることのできるエネルギーを増大させるために、後燃焼の前に、煙道ガスに、燃焼可能な物質、例えば天然ガス又は石油、を供給することができる。

煙道ガス内の一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質の含有量は、制御技術的手段によって増加させることができる。例えば、セメント製造において、ロータリーキルン内に供給する空気を減少させることによって、一酸化炭素の含有量を増加させ、これによって、後燃焼によるエネルギー再生を向上させることができる。

煙道ガスは、少なくとも６０％脱硝されることが好ましい。

本発明に係る課題はまた、一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質を含む煙道ガスの脱硝を行なう上述の装置によって解決され、その際、例えば、熱交換器での熱移動の損失を補償するために、一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質を後燃焼させてエネルギーを再生する後燃焼段が、少なくとも１つ設けられている。本発明に係る装置の利点は、上述の脱硝プロセスの利点から理解することができる。

本発明に係る脱硝装置の一実施形態においては、少なくとも１つの後燃焼段が、連続して配置された複数の蓄熱モジュールを備える少なくとも２つの通路と、少なくとも２つの通路の間に配置された後燃焼によるエネルギー再生のための空間と、によって形成され、煙道ガスは、この少なくとも２つの通路に、交互に逆の方向に導入され、通路毎に、窒素酸化物を触媒還元する少なくとも１つの触媒が、蓄熱モジュールの間に配置されている。

蓄熱モジュールは、セラミックのハニカム本体によって形成されることが好ましい。

他の実施形態においては、少なくとも１つの後燃焼段は、少なくとも１つの熱交換器の下流で、少なくとも１つの触媒の上流に配置されている。従って、熱交換器における熱移動に伴う損失は、後燃焼段によって補償され、後燃焼段によって、煙道ガスの触媒還元のための１６０℃から５００℃の反応温度が得られる。

本発明の別の特徴によれば、煙道ガスの脱硝の開始や運転温度を維持するために、外部から熱エネルギーを供給する装置が設けられている。上述のように、外部の熱エネルギーは、例えば天然ガス又は石油のような外部のエネルギー源の燃焼によって、発生させることができる。

後燃焼を改良するために、燃焼可能な物質、例えば天然ガス又は石油、を供給するための導管を設けることができる。

煙道ガス内の一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質の含有量を増加する手段によって、後燃焼によるエネルギー再生で得られるエネルギー収量を、増加させることができる。上述のように、煙道ガスに含まれる一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質の含有量を特に増加させる手段は、例えば、煙道ガスが発生するキルンへの空気供給を減少させる絞りによって、形成することができる。従って、キルン内の燃焼条件をこのように悪化させることによって、わずかな技術的努力で、一酸化炭素含有量及び／又はガス状の有機物質の含有量を増加させることができる。

添付図面を用いて本発明を詳細に説明する。

従来技術に基づくセメントクリンカーの製造用プラントを図式的に示す。 脱硝装置の一形態を図式的に示す。 本発明による脱硝装置の実施形態を示す。

図１は、従来技術に基づくセメントクリンカー製造装置を図式的に示している。セメントクリンカー製造装置は、キルン、特にロータリーキルン１を備え、キルンの中でセメントクリンカーを製造するための原料を燃焼させる。通常、原料は、予熱タワー２内で予熱され、予熱タワー２は、上下に配置された複数のサイクロン３からなる。この目的のために、原料は、材料供給部４を介して予熱タワー２内に送り込まれる。向流での運転で、原料が、ロータリーキルン１内へ達する一方、煙道ガスＡは、原料の流れに逆らって予熱タワー２を貫流する。予熱タワー２の下流では、窒素酸化物と埃とを含む煙道ガスＡが、フィルター５に到達し、フィルター５は、煙道ガスＡの埃含有量を減少させる。その後、煙道ガスＡは、触媒６に到達し、触媒６の中で、触媒反応によって、窒素酸化物ＮＯｘが部分的に窒素Ｎ₂と水Ｈ₂Ｏとに変換される。脱硝された煙道ガスＡは、一方では、煙道ガスＡの温度を後段の煙道ガスＡの除塵用のフィルター段８に適した温度レベルまで下げるために、必要に応じて、冷却装置７を通して案内される。他方では、冷却装置７は、煙道ガスＡに含まれる熱を回収して煙道ガスＡを触媒６に到達する前に加熱するために、利用することができる。フィルター段８は、バグフィルター又は電気集塵機によって形成され、フィルター段８の後では、脱硝され除塵された煙道ガスＡが、煙突９を介して大気に放出される。触媒６の後では、煙道ガスＡと共に移送され燃焼されたセメントクリンカーの原料が、ミル１０に到達し、ミル１０で搬出前に所望の大きさに粉砕される。

上述のように、通常は、熱回収によっては、煙道ガスＡを、触媒６の触媒反応に必要な１６０℃から５００℃の反応温度に加熱することは、不可能である。従って、従来技術によれば、外部からの熱供給によって熱損失を補償することが、必要である。しかし、外部からの熱供給は、コスト上避けるべきである。

図２は、煙道ガスＡ中の一酸化炭素及び／又はガス状の有機物質の後燃焼によるエネルギー再生を備える、一形態を示している。煙道ガスＡは、通常のフィルター（図示せず）の後に、熱交換器１１に到達し、熱交換器１１で、１６０℃から５００℃の触媒６の反応温度Ｔ_Rに加熱される。熱交換器１１は、触媒６内の煙道ガスから、また、場合によっては後段のフィルター段の後の煙道ガスから、熱エネルギーを取り出し、これによって触媒６内に進入した後の煙道ガスＡの温度を、反応温度Ｔ_Rに上昇させる。通常は、熱交換器１１内の熱移動の損失のために、煙道ガスを所望の反応温度Ｔ_Rに加熱することは不可能であり、外部からエネルギーを供給する必要がある。図２に示す形態によれば、熱交換器１１内の熱移動の損失は、煙道ガスＡ中の一酸化炭素ＣＯ及び／又はガス状の有機物質を後燃焼によるエネルギー再生を行うことによって、補償される。すなわち、熱交換器１１と触媒６との間に、煙道ガスＡ中の一酸化炭素ＣＯ及び／又はガス状の有機物質を後燃焼させてエネルギー再生を行うために、後燃焼段１２が設けられている。外部からの熱エネルギー量を制御する他に、後燃焼段１２内での後燃焼の際には、煙道ガス内の一酸化炭素ＣＯ及び／又はガス状の有機物質も減少される。後燃焼段１２内で後燃焼する際に生じる窒素酸化物と煙道ガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘは、最終的に触媒６で除去される。煙道ガスＡの脱硝の、始動又は運転温度の維持のために、外部エネルギーを供給する装置１３、例えば天然ガス導管を、後燃焼段１２の上流に配置することができる。従って、当該形態は、外部エネルギーの低減によって効率を高めるだけでなく、窒素酸化物ＮＯｘも、一酸化炭素ＣＯ及び／又はガス状の有機物質の含有量も、減少させる。煙道ガス内の一酸化炭素ＣＯを燃焼させることによって、いわゆる酸化触媒の層を付加設置することが不要になる。酸化触媒は、一酸化炭素を二酸化炭素ＣＯ₂に酸化するものである。この触媒は、例えば白金、パラジウムなどのような貴金属を用いることによって、非常にコストがかかり、また、重金属による被毒も受けやすい。

図３は、蓄熱器と触媒との組み合わせを備える、本発明に係る脱硝装置の実施形態を示している。この実施形態において、煙道ガスＡは、連続して配置された複数の蓄熱モジュール１５と、複数の蓄熱モジュール１５の間に配置され、煙道ガスＡ中の一酸化炭素ＣＯ及び／又はガス状の有機物質を後燃焼させてエネルギー再生を行う、空間１６と、を備える２つの通路１４を通して、交互に逆の方向に導かれる。流れの方向に基づいて、蓄熱モジュール１５内で煙道ガスＡから熱エネルギーが回収され、この熱エネルギーは、煙道ガスＡの温度を触媒６の反応温度Ｔ_Rまで上昇させるために利用される。導管１７を通して、例えば天然ガスのような燃料を、供給することができる。導管１８又は１８ａは、流れの反転後に、触媒６内の触媒還元に必要な物質、例えばアンモニア、を添加するために、設けられている。交互の流れ方向の制御は、適切な制御装置（図示せず）によって行なわれる。蓄熱モジュール１５は、セラミックのハニカム本体によって形成することができる。図３に示す実施形態は、煙道ガスＡの流れ方向が交代するために、温度が一定に維持できないので、反応温度Ｔ_Rの範囲が比較的大きい触媒６を必要とする。このため、更なる熱交換器１１は必要とされず、熱交換器は、蓄熱モジュール１５によって通路１４内に統合されている。更なる熱交換器１１の省略はまた、装置費用の低減を意味する。

１ ロータリーキルン
２ 予熱タワー
３ サイクロン
４ 材料供給部
５ フィルター
６ 触媒
７ 冷却装置
８ フィルター段
９ 煙突
１０ ミル
１１ 熱交換器
１２ 後燃焼段
１３ 外部エネルギーを供給する装置
１４ 通路
１５ 蓄熱モジュール
１６ 空間
１７ 導管
１８、１８ａ 導管
Ａ 煙道ガス

Claims (6)

1. 窒素酸化物（ＮＯｘ）の選択触媒還元によって一酸化炭素（ＣＯ）及びガス状の有機物質を含む煙道ガス（Ａ）を脱硝するプロセスであって、前記煙道ガス（Ａ）が、連続して配置された複数の蓄熱モジュール（１５）を備える少なくとも２つの通路（１４）を通して交互に逆方向に導かれ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の触媒還元が、前記複数の蓄熱モジュール（１５）の間に配置された触媒（６）内で行われ、更に前記煙道ガス（Ａ）が、触媒還元前に、脱硝された煙道ガス（Ａ）の残留熱を回収する熱交換によって、１６０℃から５００℃の反応温度（Ｔ_R）に加熱される、前記プロセスにおいて、
   熱交換における熱移動に伴う損失が、前記煙道ガス（Ａ）中の一酸化炭素（ＣＯ）及びガス状の有機物質の、前記少なくとも２つの通路（１４）の間に配置された空間（１６）内での後燃焼によるエネルギー再生によって、少なくとも部分的に補償されることを特徴とする、脱硝プロセス。
2. 前記煙道ガス（Ａ）の脱硝の、開始又は運転温度の維持のために、外部からエネルギーが供給されることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
3. 後燃焼の前に、前記煙道ガス（Ａ）に、燃焼可能な物質が添加されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプロセス。
4. 前記煙道ガス（Ａ）中の一酸化炭素（ＣＯ）及びガス状の有機物質の含有量が、燃焼の制御によって増加されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のプロセス。
5. 連続して配置された複数の蓄熱モジュール（１５）を備える少なくとも２つの通路（１４）を有し、煙道ガス（Ａ）を、前記少なくとも２つの通路（１４）を通して交互に逆方向に導く、一酸化炭素（ＣＯ）及びガス状の有機物質を含む煙道ガス（Ａ）を脱硝する装置であって、
   前記通路（１４）ごとに、窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒還元する少なくとも１つの触媒（６）を備え、前記少なくとも１つの触媒（６）が、前記複数の蓄熱モジュール（１５）の間に配置され、前記複数の蓄熱モジュール（１５）が、脱硝された煙道ガス（Ａ）から回収した残留熱によって、触媒還元前の前記煙道ガス（Ａ）を、１６０℃から５００℃の反応温度（Ｔ_R）に加熱し、
   前記蓄熱モジュール（１５）の熱移動に伴う損失を補償するために、一酸化炭素（ＣＯ）及びガス状の有機物質を後燃焼させてエネルギー再生を行う空間（１６）を、前記少なくとも２つの通路（１４）の間に設けていることを特徴とする、脱硝装置。
6. 前記蓄熱モジュール（１５）が、セラミックのハニカム本体によって形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。

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