JP5844097B2 - アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法に関する。
火力発電所や下水処理場等からは、アンモニアを含有するガスが発生することが知られている。このガスを大気中に放出するためには、含まれるアンモニアを無害化する必要がある。このため、例えば、火力発電所や下水処理場等から発生するガスに含まれるアンモニアを、触媒を用いて分解するアンモニア処理システムが知られている。
このアンモニア処理システムは、火力発電所や下水処理場等から発生するガスに含まれるアンモニアを、触媒に接触させる触媒塔を備えている。この触媒塔では、例えば、４ＮＨ３＋３Ｏ２→２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏで示される反応が生じることによって、アンモニアが無害な窒素や水に分解される（例えば特許文献１を参照）。
このアンモニア処理システムは、火力発電所や下水処理場等から発生するガスに含まれるアンモニアを、触媒に接触させる触媒塔を備えている。この触媒塔では、例えば、４ＮＨ３＋３Ｏ２→２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏで示される反応が生じることによって、アンモニアが無害な窒素や水に分解される（例えば特許文献１を参照）。
本発明は、効率良くアンモニアを分解することができる、アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係るアンモニア処理システムは、第１アンモニア分解触媒を備え、ガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第１触媒塔と、第１触媒塔においてアンモニアの一部が分解されたガスを冷却する冷却器と、第２アンモニア分解触媒を備え、冷却器において冷却されたガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する第２触媒塔とを備え、第１触媒塔を流れるガスの流路を反転させる第１流路反転装置、及び、第２触媒塔を流れるガスの流路を反転させる第２流路反転装置のいずれか１以上をさらに備える。
アンモニア処理システムは、第１触媒塔に供給されるガスに含まれるアンモニアの一部が、第１触媒塔において分解される温度にまで、第１触媒塔に供給される前のガスを加熱する加熱装置をさらに備えることが好ましい。また、この加熱装置は、第１触媒塔に供給される前のガスと、第２触媒塔から排出された後のガスとを熱交換する、熱交換器を備えることが好ましい。
第１アンモニア分解触媒及び前記第２アンモニア分解触媒は、Ｐｔ−ＣｕＯ及び／又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌを含むことが好ましい。第１アンモニア分解触媒は、第２アンモニア分解触媒よりも、少量及び／又は低活性であっても良い。
アンモニア処理システムは、冷却器と第２触媒塔との間に、冷却されたガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第３触媒塔と、第３触媒塔から排出されたガスを冷却する中間冷却器とをさらに備えても良い。
第１アンモニア分解触媒及び前記第２アンモニア分解触媒は、Ｐｔ−ＣｕＯ及び／又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌを含むことが好ましい。第１アンモニア分解触媒は、第２アンモニア分解触媒よりも、少量及び／又は低活性であっても良い。
アンモニア処理システムは、冷却器と第２触媒塔との間に、冷却されたガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第３触媒塔と、第３触媒塔から排出されたガスを冷却する中間冷却器とをさらに備えても良い。
本発明に係るアンモニア処理方法は、アンモニアを含有する第１のガスを、第１アンモニア分解触媒に対して第１の方向に流すことによって、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第１分解工程と、第１分解工程後の第１のガスを冷却する第１冷却工程と、第１冷却工程後の第１のガスを、第２アンモニア分解触媒に対して第２の方向に流すことによって、第１冷却工程後の第１のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程と、第１分解工程後の第１アンモニア分解触媒に対して、第１分解工程における第１の方向とは逆の方向に、アンモニアを含有する第２のガスを流すことによって、第２のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第３分解工程と、第３分解工程後の第２のガスを冷却する第２冷却工程と、第２冷却工程後の第２のガスを、第２アンモニア分解触媒または第３アンモニア分解触媒に対して第３の方向に流すことによって、第２冷却工程後の第２のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する第４分解工程とを含む。
また、本発明に係るアンモニア処理方法は、アンモニアを含有する第１のガスを、第１アンモニア分解触媒に対して第１の方向に流すことによって、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第１分解工程と、第１分解工程後の第１のガスを冷却する第１冷却工程と、第１冷却工程後の第１のガスを、第２アンモニア分解触媒に対して第２の方向に流すことによって、第１冷却工程後の第１のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程と、アンモニアを含有する第２のガスを、第１アンモニア分解触媒または第３アンモニア分解触媒に対して第３の方向に流すことによって、第２のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第３分解工程と、第３分解工程後の第２のガスを冷却する第２冷却工程と、第２分解工程後の第２アンモニア分解触媒に対して、第２分解工程における第２の方向とは逆の方向に、第２冷却工程後の第２のガスを流すことによって、第２冷却工程後の第２のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する第４分解工程とを含んでいても良い。
また、本発明に係るアンモニア処理方法は、アンモニアを含有する第１のガスを、第１アンモニア分解触媒に対して第１の方向に流すことによって、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第１分解工程と、第１分解工程後の第１のガスを冷却する第１冷却工程と、第１冷却工程後の第１のガスを、第２アンモニア分解触媒に対して第２の方向に流すことによって、第１冷却工程後の第１のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する第２分解工程と、第１分解工程後の第１アンモニア分解触媒に対して、第１分解工程における第１の方向とは逆の方向に、アンモニアを含有する第２のガスを流すことによって、第２のガスに含まれるアンモニアの一部を分解する第３分解工程と、第３分解工程後のガスを冷却する第２冷却工程と、第２分解工程後の第２アンモニア分解触媒に対して、第２分解工程における第２の方向とは逆の方向に、第２冷却工程後の第２のガスを流すことによって、第２冷却工程後の第２のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する第４分解工程とを含んでいても良い。
本発明によれば、効率良くアンモニアを分解することができる、アンモニア処理システム及びアンモニア処理方法を提供することができる。
===アンモニア処理システムの全体構成===
図１、図２、図３を参照しつつ、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１の全体構成について説明する。なお、図１は、アンモニア処理システム１の構成を説明するための模式図である。図２は、アンモニア処理システム１の外形を示す平面図である。図３は、トラック９に車載したアンモニア処理システム１の外形を示す平面図である。
図１、図２、図３を参照しつつ、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１の全体構成について説明する。なお、図１は、アンモニア処理システム１の構成を説明するための模式図である。図２は、アンモニア処理システム１の外形を示す平面図である。図３は、トラック９に車載したアンモニア処理システム１の外形を示す平面図である。
図２及び図３に示すように、アンモニア処理システム１は、例えば組み立てられた状態でトラック９に車載され、火力発電所や下水処理施設等のアンモニアを含有するガスを発生する設備の付近まで運ばれる。そして、アンモニアを貯蔵するアンモニアタンク７内に残留する、アンモニアガスを分解処理する。具体的には、アンモニアタンク７内の残留アンモニアガスは、流量調整装置６によってアンモニアの濃度が例えば２％となるように空気と混合された後、ブロワ８によってアンモニア処理システム１に供給される。
図１に示すように、アンモニア処理システム１は、加熱装置２と、第１触媒塔３と、冷却器４と、第２触媒塔５と、第１流路反転装置１６０と、第２流路反転装置１７０とを備えている。
加熱装置２は、熱交換器２０と、ヒータ２１とを備える。
熱交換器２０は、第２触媒塔５から排出されたガスと、第１触媒塔３に供給される前のガスとを熱交換する。これによって、熱交換器２０は、第２触媒塔５から排出されたガスを冷却するとともに、第１触媒塔３に供給される前のガスを加熱する。アンモニア処理システム１は、熱交換器２０を備えることによって、アンモニアを含有するガスを処理する際に必要なエネルギーを低減できる。
ヒータ２１は、熱交換器２０から排出されたガスの温度を検知するセンサ（図示せず）を備えている。ヒータ２１は、このセンサによって、ヒータ２１に入ってくるガスの温度を測定する。そして、熱交換器２０での加熱が十分でなかった場合、第１触媒塔３に供給される前のガスを、必要に応じてさらに加熱する。加熱する温度は、第１触媒塔３において、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアの一部のみが分解されるような温度であることが好ましい。
なお、加熱装置２は、第１触媒塔３に供給される前のガスを加熱することができる装置であれば特に限定されず、例えば、ヒータ２１のみであっても良い。
熱交換器２０は、第２触媒塔５から排出されたガスと、第１触媒塔３に供給される前のガスとを熱交換する。これによって、熱交換器２０は、第２触媒塔５から排出されたガスを冷却するとともに、第１触媒塔３に供給される前のガスを加熱する。アンモニア処理システム１は、熱交換器２０を備えることによって、アンモニアを含有するガスを処理する際に必要なエネルギーを低減できる。
ヒータ２１は、熱交換器２０から排出されたガスの温度を検知するセンサ（図示せず）を備えている。ヒータ２１は、このセンサによって、ヒータ２１に入ってくるガスの温度を測定する。そして、熱交換器２０での加熱が十分でなかった場合、第１触媒塔３に供給される前のガスを、必要に応じてさらに加熱する。加熱する温度は、第１触媒塔３において、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアの一部のみが分解されるような温度であることが好ましい。
なお、加熱装置２は、第１触媒塔３に供給される前のガスを加熱することができる装置であれば特に限定されず、例えば、ヒータ２１のみであっても良い。
第１触媒塔３は、第１アンモニア分解触媒層３０を備え、この第１アンモニア分解触媒３０によって、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアの一部を分解する。
本実施形態では、第１触媒塔３が備えるアンモニア分解触媒は、第１アンモニア分解触媒層３０のように層状になっているが、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアと接触することができればどのような形状であっても良く、例えば、第１触媒塔３に供給されたガスの流れに沿った直線状であっても良い。また、本実施形態では、第１触媒塔３は、アンモニア分解触媒として、第１アンモニア分解触媒層３０の１つのみを備えるが、複数のアンモニア分解触媒を備えても良い。アンモニア分解触媒が２つ以上ある場合に、それぞれが、同一の形状および／または組成であっても良く、異なる形状および／または組成であっても良い。
第１触媒塔３に供給されるガスの流路は、第１流路反転装置１６０によって適宜変更される。第１流路反転装置１６０は、切替弁１６１，１６２，１６３及び１６４を備える。切替弁１６１，１６２，１６３及び１６４を調整することによって、加熱装置２から供給されたガスを、切替弁１６１、切替弁１６２、第１触媒塔３、切替弁１６３、そして、切替弁１６４の順に通るように調整したり、切替弁１６１、切替弁１６３、第１触媒塔３、切替弁１６２、そして、切替弁１６４の順に通るように調整したりできる。即ち、第１触媒塔３に供給されるガスの流れを、切替弁１６２から切替弁１６３の方向（本明細書においては、この方向を上流から下流とする）にしたり、逆に、切替弁１６３から切替弁１６２の方向（下流から上流）にしたりできる。
従来は、第１アンモニア分解触媒層３０に対して、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流すことによって、第１アンモニア分解触媒層３０と接触させてアンモニアを分解していたが、出願人らは、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流し続けると、第１アンモニア分解触媒層３０の上流側が下流側よりも著しく速く劣化してしまうことを見出した。本発明は、この新たな知見に基づいてなされたものであり、アンモニア処理システム１が第１流路反転装置１６０を備えることによって、第１アンモニア分解触媒層３０に対して、上流から下流への一方方向のみならず、下流から上流への逆方向にもアンモニアを含有するガスを流し、第１アンモニア分解触媒層３０に、上流から下流と下流から上流との両方向からアンモニアを含有するガスを接触させることによって、第１アンモニア分解触媒層３０全体を有効に使うことが可能となった。
これにより、本発明に係るアンモニア処理システム１は、第１アンモニア分解触媒層３０の分解効率が向上し、アンモニア処理システム１において効率良くアンモニアを分解することが可能となる。さらに、第１アンモニア分解触媒層３０の長寿命化が可能となることから、触媒コストを大幅に低減することができる。
本実施形態では、第１触媒塔３が備えるアンモニア分解触媒は、第１アンモニア分解触媒層３０のように層状になっているが、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアと接触することができればどのような形状であっても良く、例えば、第１触媒塔３に供給されたガスの流れに沿った直線状であっても良い。また、本実施形態では、第１触媒塔３は、アンモニア分解触媒として、第１アンモニア分解触媒層３０の１つのみを備えるが、複数のアンモニア分解触媒を備えても良い。アンモニア分解触媒が２つ以上ある場合に、それぞれが、同一の形状および／または組成であっても良く、異なる形状および／または組成であっても良い。
第１触媒塔３に供給されるガスの流路は、第１流路反転装置１６０によって適宜変更される。第１流路反転装置１６０は、切替弁１６１，１６２，１６３及び１６４を備える。切替弁１６１，１６２，１６３及び１６４を調整することによって、加熱装置２から供給されたガスを、切替弁１６１、切替弁１６２、第１触媒塔３、切替弁１６３、そして、切替弁１６４の順に通るように調整したり、切替弁１６１、切替弁１６３、第１触媒塔３、切替弁１６２、そして、切替弁１６４の順に通るように調整したりできる。即ち、第１触媒塔３に供給されるガスの流れを、切替弁１６２から切替弁１６３の方向（本明細書においては、この方向を上流から下流とする）にしたり、逆に、切替弁１６３から切替弁１６２の方向（下流から上流）にしたりできる。
従来は、第１アンモニア分解触媒層３０に対して、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流すことによって、第１アンモニア分解触媒層３０と接触させてアンモニアを分解していたが、出願人らは、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流し続けると、第１アンモニア分解触媒層３０の上流側が下流側よりも著しく速く劣化してしまうことを見出した。本発明は、この新たな知見に基づいてなされたものであり、アンモニア処理システム１が第１流路反転装置１６０を備えることによって、第１アンモニア分解触媒層３０に対して、上流から下流への一方方向のみならず、下流から上流への逆方向にもアンモニアを含有するガスを流し、第１アンモニア分解触媒層３０に、上流から下流と下流から上流との両方向からアンモニアを含有するガスを接触させることによって、第１アンモニア分解触媒層３０全体を有効に使うことが可能となった。
これにより、本発明に係るアンモニア処理システム１は、第１アンモニア分解触媒層３０の分解効率が向上し、アンモニア処理システム１において効率良くアンモニアを分解することが可能となる。さらに、第１アンモニア分解触媒層３０の長寿命化が可能となることから、触媒コストを大幅に低減することができる。
冷却器４は、熱交換器４０と、この熱交換器４０に空気を送風するブロワ４１とを備えている。熱交換器４０は、第１触媒塔３から排出されたガスと、ブロワ４１を介して供給される空気とを熱交換させる。これによって、熱交換器４０は、第１触媒塔３から排出され、第２触媒塔５に供給される前のガスを冷却する。
第２触媒塔５は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２を備え、第２触媒塔５に供給されたガスに含まれる、第１触媒塔３で分解されなかった残りのアンモニアの一部又は全部を分解する。
本実施形態では、第２触媒塔５が備えるアンモニア分解触媒は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２のように層状になっているが、第２触媒塔５に供給されたガスに含まれるアンモニアと接触することができればどのような形状であっても良く、例えば、第２触媒塔５に供給されたガスの流れに沿った直線状であっても良い。また、本実施形態では、第２触媒塔５は、アンモニア分解触媒として、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２の３つを備えるが、アンモニア分解触媒は１つのみであっても良く、複数であっても良い。アンモニア分解触媒が２つ以上ある場合に、それぞれが、同一の形状および／または組成であっても良く、異なる形状および／または組成であっても良い。
なお、本実施形態では、第１触媒塔３の第１アンモニア分解触媒層３０、並びに、第２触媒塔５の第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２は、それぞれ同一の形状および組成であるとし、総称して触媒層とする。この触媒層の詳細については後述する。
本実施形態では、第２触媒塔５が備えるアンモニア分解触媒は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２のように層状になっているが、第２触媒塔５に供給されたガスに含まれるアンモニアと接触することができればどのような形状であっても良く、例えば、第２触媒塔５に供給されたガスの流れに沿った直線状であっても良い。また、本実施形態では、第２触媒塔５は、アンモニア分解触媒として、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２の３つを備えるが、アンモニア分解触媒は１つのみであっても良く、複数であっても良い。アンモニア分解触媒が２つ以上ある場合に、それぞれが、同一の形状および／または組成であっても良く、異なる形状および／または組成であっても良い。
なお、本実施形態では、第１触媒塔３の第１アンモニア分解触媒層３０、並びに、第２触媒塔５の第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２は、それぞれ同一の形状および組成であるとし、総称して触媒層とする。この触媒層の詳細については後述する。
第２触媒塔５に供給されるガスの流路は、第２流路反転装置１７０によって適宜変更される。第２流路反転装置１７０は、切替弁１７１，１７２，１７３及び１７４を備える。切替弁１７１，１７２，１７３及び１７４を調整することによって、冷却器４から供給されたガスを、切替弁１７１、切替弁１７２、第２触媒塔５、切替弁１７３、そして、切替弁１７４の順に通るように調整したり、切替弁１７１、切替弁１７３、第２触媒塔５、切替弁１７２、そして、切替弁１７４の順に通るように調整したりできる。即ち、第２触媒塔５に供給されるガスの流れを、切替弁１７２から切替弁１７３の方向（本明細書においては、この方向を上流から下流とする）にしたり、逆に、切替弁１７３から切替弁１７２の方向（下流から上流）にしたりできる。
従来は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に対して、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流すことによって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２と接触させてアンモニアを分解していたが、出願人らは、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流し続けると、上流側にある第２アンモニア分解触媒層５０が、下流側にある第４アンモニア分解触媒層５２よりも著しく速く劣化してしまうことを見出した。本発明は、この新たな知見に基づいてなされたものであり、アンモニア処理システム１が第２流路反転装置７０を備えることによって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に対して、上流から下流への一方方向のみならず、下流から上流への逆方向にもアンモニアを含有するガスを流し、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に、上流から下流と下流から上流との両方向からアンモニアを含有するガスを接触させることによって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２全てを均一に使うこと、即ち、有効に使うことが可能となった。
これにより、本発明に係るアンモニア処理システム１は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２の分解効率が向上し、アンモニア処理システム１において効率良くアンモニアを分解することが可能となる。さらに、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２の長寿命化が可能となることから、触媒コストを大幅に低減することができる。
従来は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に対して、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流すことによって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２と接触させてアンモニアを分解していたが、出願人らは、上流から下流の一方方向のみにアンモニアを含有するガスを流し続けると、上流側にある第２アンモニア分解触媒層５０が、下流側にある第４アンモニア分解触媒層５２よりも著しく速く劣化してしまうことを見出した。本発明は、この新たな知見に基づいてなされたものであり、アンモニア処理システム１が第２流路反転装置７０を備えることによって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に対して、上流から下流への一方方向のみならず、下流から上流への逆方向にもアンモニアを含有するガスを流し、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２に、上流から下流と下流から上流との両方向からアンモニアを含有するガスを接触させることによって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２全てを均一に使うこと、即ち、有効に使うことが可能となった。
これにより、本発明に係るアンモニア処理システム１は、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２の分解効率が向上し、アンモニア処理システム１において効率良くアンモニアを分解することが可能となる。さらに、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２の長寿命化が可能となることから、触媒コストを大幅に低減することができる。
このように、本発明に係るアンモニア処理システム１は、アンモニア処理システム１に供給されたアンモニアを、第１触媒塔３と第２触媒塔５との２段階で分解する。
一般的に、アンモニア処理システムでは、触媒塔に供給するガスのアンモニア濃度を高めて、アンモニアの分解効率を高めることが望まれているが、アンモニアの分解反応は発熱反応であるので、ガスのアンモニア濃度が高いほど、分解反応で生じる発熱量が多くなって触媒塔の温度が上昇しやすく、この結果、環境汚染の原因となるＮＯｘやＮ２Ｏ等の副生成物の生成率が増大するという問題が生じた。このため、従来の、触媒塔を１つしか備えないアンモニア処理システムでは、副生成物の発生を抑制しつつ、例えばガスのアンモニア濃度が２％を超えるような、高濃度のアンモニアを分解することは困難であった。
これに対して、本発明にかかるアンモニア処理システム１は、第１触媒塔３において、ガスに含まれるアンモニアの一部のみを分解するので、ガスに含まれるアンモニア全部を分解する場合に比べて、アンモニアの分解反応による発熱量を低減でき、第１触媒塔３の最大温度の上昇を抑制できる。そして、第１触媒塔３から排出されたガスを、冷却器４によって冷却してから第２触媒塔５に供給するが、第２触媒塔５に供給されたガスは、第１触媒塔３でアンモニアの一部が分解されているため、アンモニア濃度が低減している。第２触媒塔５の最大温度は、第２触媒塔５の入口温度と、ガスのアンモニア濃度とに起因して定まることから、第２触媒塔５では、第１触媒塔３においてガスのアンモニア濃度が低減した分及び冷却器４で処理ガスが冷却された分、第２触媒塔５の最大温度の上昇を抑制できる。
この結果、本発明に係るアンモニア処理システム１では、触媒塔の温度上昇を抑制することが可能となるので、副生成物の発生を抑制しつつ、ガスのアンモニア濃度が２％を超えるような高濃度のアンモニアを分解できる。
一般的に、アンモニア処理システムでは、触媒塔に供給するガスのアンモニア濃度を高めて、アンモニアの分解効率を高めることが望まれているが、アンモニアの分解反応は発熱反応であるので、ガスのアンモニア濃度が高いほど、分解反応で生じる発熱量が多くなって触媒塔の温度が上昇しやすく、この結果、環境汚染の原因となるＮＯｘやＮ２Ｏ等の副生成物の生成率が増大するという問題が生じた。このため、従来の、触媒塔を１つしか備えないアンモニア処理システムでは、副生成物の発生を抑制しつつ、例えばガスのアンモニア濃度が２％を超えるような、高濃度のアンモニアを分解することは困難であった。
これに対して、本発明にかかるアンモニア処理システム１は、第１触媒塔３において、ガスに含まれるアンモニアの一部のみを分解するので、ガスに含まれるアンモニア全部を分解する場合に比べて、アンモニアの分解反応による発熱量を低減でき、第１触媒塔３の最大温度の上昇を抑制できる。そして、第１触媒塔３から排出されたガスを、冷却器４によって冷却してから第２触媒塔５に供給するが、第２触媒塔５に供給されたガスは、第１触媒塔３でアンモニアの一部が分解されているため、アンモニア濃度が低減している。第２触媒塔５の最大温度は、第２触媒塔５の入口温度と、ガスのアンモニア濃度とに起因して定まることから、第２触媒塔５では、第１触媒塔３においてガスのアンモニア濃度が低減した分及び冷却器４で処理ガスが冷却された分、第２触媒塔５の最大温度の上昇を抑制できる。
この結果、本発明に係るアンモニア処理システム１では、触媒塔の温度上昇を抑制することが可能となるので、副生成物の発生を抑制しつつ、ガスのアンモニア濃度が２％を超えるような高濃度のアンモニアを分解できる。
===触媒層について===
<<<触媒層の構成について>>>
図４、図５、及び、図６を参照しつつ、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１の備える触媒層の構成について、第１アンモニア分解触媒層３０を例に挙げて説明する。なお、前述の通り、本実施形態では、第１アンモニア分解触媒層３０、並びに、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２は、それぞれ同一の形状および組成であるため、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２の形状および組成についての説明は省略する。
図４は、第１アンモニア分解触媒層３０の基材３１の表面における多孔質物質３２及び触媒成分３３の構造を説明するための模式図である。図５は、第１アンモニア分解触媒層３０における基材３１の表面の一部を示す斜視図である。図６は、第１アンモニア分解触媒層３０における基材３１の全体構造を示す斜視図である。
<<<触媒層の構成について>>>
図４、図５、及び、図６を参照しつつ、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１の備える触媒層の構成について、第１アンモニア分解触媒層３０を例に挙げて説明する。なお、前述の通り、本実施形態では、第１アンモニア分解触媒層３０、並びに、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２は、それぞれ同一の形状および組成であるため、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２の形状および組成についての説明は省略する。
図４は、第１アンモニア分解触媒層３０の基材３１の表面における多孔質物質３２及び触媒成分３３の構造を説明するための模式図である。図５は、第１アンモニア分解触媒層３０における基材３１の表面の一部を示す斜視図である。図６は、第１アンモニア分解触媒層３０における基材３１の全体構造を示す斜視図である。
図４に示すように、第１アンモニア分解触媒層３０は、基材３１と、多孔質物質３２と、触媒成分３３とを備えている。
多孔質物質３２は、触媒成分３３を担持する。多孔質物質３２は、触媒成分３３を担持できれば特に限定されないが、本実施形態では、酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いている。触媒成分３３は、ガスに含まれるアンモニアを分解することができれば特に限定されないが、Ｐｔ−ＣｕＯ又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌを含有することが好ましく、本実施形態ではＰｔ−ＣｕＯを用いている。触媒成分３３がＰｔ−ＣｕＯの場合、例えば白金コロイド溶液に多孔質物質３２を含浸させることで、多孔質物質３２に触媒成分３３を担持させることができる。また、触媒成分３３がＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌの場合、例えば塩化白金酸（Ｈ２ＰｔＣｌ６）水溶液に多孔質物質３２を含浸させることで、多孔質物質３２に触媒成分３３を担持させることができる。
このＰｔ−ＣｕＯ系又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌ系触媒は、例えばＦｅ−Ｍｇ系等の他の触媒に比べて、触媒活性が高く、高濃度のアンモニアに対しても高い分解率を有する。しかし、アンモニアの分解反応が速やかに生じる分、アンモニアを含有する又は含有していたガスの温度が上昇しやすい。しかし、本発明にかかるアンモニア処理システム１では、ガスに含まれるアンモニアの一部を第１触媒塔３において分解した後、ガスを冷却器４で冷却してから第２触媒塔５に供給して残りのアンモニアの一部又は全部を分解することで、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の温度上昇を抑制できる。このため、副生成物の発生を抑制しつつ、触媒成分３３を備える触媒層によって高濃度のアンモニアをより効率的に分解できる。
多孔質物質３２は、触媒成分３３を担持する。多孔質物質３２は、触媒成分３３を担持できれば特に限定されないが、本実施形態では、酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いている。触媒成分３３は、ガスに含まれるアンモニアを分解することができれば特に限定されないが、Ｐｔ−ＣｕＯ又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌを含有することが好ましく、本実施形態ではＰｔ−ＣｕＯを用いている。触媒成分３３がＰｔ−ＣｕＯの場合、例えば白金コロイド溶液に多孔質物質３２を含浸させることで、多孔質物質３２に触媒成分３３を担持させることができる。また、触媒成分３３がＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌの場合、例えば塩化白金酸（Ｈ２ＰｔＣｌ６）水溶液に多孔質物質３２を含浸させることで、多孔質物質３２に触媒成分３３を担持させることができる。
このＰｔ−ＣｕＯ系又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌ系触媒は、例えばＦｅ−Ｍｇ系等の他の触媒に比べて、触媒活性が高く、高濃度のアンモニアに対しても高い分解率を有する。しかし、アンモニアの分解反応が速やかに生じる分、アンモニアを含有する又は含有していたガスの温度が上昇しやすい。しかし、本発明にかかるアンモニア処理システム１では、ガスに含まれるアンモニアの一部を第１触媒塔３において分解した後、ガスを冷却器４で冷却してから第２触媒塔５に供給して残りのアンモニアの一部又は全部を分解することで、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の温度上昇を抑制できる。このため、副生成物の発生を抑制しつつ、触媒成分３３を備える触媒層によって高濃度のアンモニアをより効率的に分解できる。
基材３１は、表面に、触媒成分３３を担持した多孔質物質３２がコーティングされている。基材３１自体は、触媒成分３３を、直接または多孔質物質３２を介して担持することができれば特に限定されないが、本実施形態では、ステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。ここで、図５及び図６を参照しつつ、基材３１の構造について具体的に説明する。基材３１は、シート状のベース部３４と、このベース部３４の一方の表面から立ち上がった複数の突出片３５とを備えている。
ベース部３４は、短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状に形成されている。各突出片３５は、ベース部３４の表面から直交する角度で立ち上がっている。また、ベース部３４における各突出片３５の基端部分には突出片３５と同じ形状の貫通孔３６が形成されている。
基材３１は、突出片３５や貫通孔３６が形成されたベース部３４を、一方の短尺辺を中心として巻回された円柱形状を呈している。本実施形態では、ベース部３４は、突出片３５を備える表面が内側となるように巻回されている。これにより、各突出片３５は、円柱形状の中心軸から放射状に向いて設けられ、半径方向に重なり合うベース部３４の隙間（層間）に介在する。これによって、ベース部３４の隙間は突出片３５の高さ以上の間隔に維持され、通気性が確保される。
なお、本実施形態では、基材３１は、上述のように、ベース部３４の一方の短尺辺を中心として巻回された円柱形状を呈していることとしたが、例えば、複数のベース部３４を重ね合わせた積層構造であることとしてもよい。また、基材３１は、例えば、金属やセラミックス等から形成され、側面を共有する複数の中空の六角柱を蜂の巣状とした、いわゆるハニカム構造であってもよい。
ベース部３４は、短尺辺と長尺辺とを有する矩形帯状に形成されている。各突出片３５は、ベース部３４の表面から直交する角度で立ち上がっている。また、ベース部３４における各突出片３５の基端部分には突出片３５と同じ形状の貫通孔３６が形成されている。
基材３１は、突出片３５や貫通孔３６が形成されたベース部３４を、一方の短尺辺を中心として巻回された円柱形状を呈している。本実施形態では、ベース部３４は、突出片３５を備える表面が内側となるように巻回されている。これにより、各突出片３５は、円柱形状の中心軸から放射状に向いて設けられ、半径方向に重なり合うベース部３４の隙間（層間）に介在する。これによって、ベース部３４の隙間は突出片３５の高さ以上の間隔に維持され、通気性が確保される。
なお、本実施形態では、基材３１は、上述のように、ベース部３４の一方の短尺辺を中心として巻回された円柱形状を呈していることとしたが、例えば、複数のベース部３４を重ね合わせた積層構造であることとしてもよい。また、基材３１は、例えば、金属やセラミックス等から形成され、側面を共有する複数の中空の六角柱を蜂の巣状とした、いわゆるハニカム構造であってもよい。
第１アンモニア分解触媒層３０では、第１触媒塔３に供給されたガスを、基材３１の一方の端面側から他方の端面側に向かって流すことで、ガスに含まれるアンモニアが分解される。具体的には、基材３１の層間には、触媒成分３３を担持する多孔質物質３２がコーティングされた突出片３５が介在しているので、ガスが、ベース部３４または突出片３５と衝突する際に、アンモニア（ＮＨ３）を酸化して窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解する。
この際、突出片３５は、ガスの入口側である基材３１の一方の端面側から、ガスの出口側である他方の端面側にわたって異なる位置に多数配置されている。これによって、ガスを流すための流路を基材３１の内部全体に形成でき、基材３１の内部における目詰まりを防止できる。また、突出片３５によって、ガスに対する適度な流路抵抗を与えること、ガスの流れ方向に変化を与えることができる。さらに、貫通孔３６によって、基材３１の内部において層間を跨いで三次元的にガスを流すことができる。従って、第１触媒層３０では、基材３１の内部全体でアンモニアの分解反応を生じさせることができ、ガスに含まれるアンモニアを効率よく分解できる。
この際、突出片３５は、ガスの入口側である基材３１の一方の端面側から、ガスの出口側である他方の端面側にわたって異なる位置に多数配置されている。これによって、ガスを流すための流路を基材３１の内部全体に形成でき、基材３１の内部における目詰まりを防止できる。また、突出片３５によって、ガスに対する適度な流路抵抗を与えること、ガスの流れ方向に変化を与えることができる。さらに、貫通孔３６によって、基材３１の内部において層間を跨いで三次元的にガスを流すことができる。従って、第１触媒層３０では、基材３１の内部全体でアンモニアの分解反応を生じさせることができ、ガスに含まれるアンモニアを効率よく分解できる。
本実施形態にかかる第１触媒塔３では、第１アンモニア分解触媒層３０が、基材３１の一方の端面側から他方の端面側に向かってガスが流れるように配置されている。また、第２触媒塔５では、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２が順に、それぞれの基材の一方の端面側から他方の端面側に向かってガスが流れるように直列に配置されている。
なお、第１流路反転装置６０によって、第１アンモニア分解触媒層３０において、基材３１の一方の端面側から他方の端面側に向かって流れるガスを、他方の端面側から一方の端面側に流れさせることができる。また、第２流路反転装置２０によって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２において、それぞれの基材の一方の端面側から他方の端面側に向かって流れるガスを、それぞれの基材の他方の端面側から一方の端面側に流れさせることができる。
なお、第１流路反転装置６０によって、第１アンモニア分解触媒層３０において、基材３１の一方の端面側から他方の端面側に向かって流れるガスを、他方の端面側から一方の端面側に流れさせることができる。また、第２流路反転装置２０によって、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２において、それぞれの基材の一方の端面側から他方の端面側に向かって流れるガスを、それぞれの基材の他方の端面側から一方の端面側に流れさせることができる。
また、第１触媒塔３は、第２触媒塔５よりも少ない量の触媒成分３３、および／または、低い活性の触媒成分３３を備えることが好ましい。
アンモニアの分解反応は、ガスのアンモニア濃度が高いほど生じやすい。アンモニア処理システム１では、高濃度のアンモニアを含むガスが、まず、第１触媒塔３に供給され、第１触媒塔３において一部のアンモニアが分解されたガスが第２触媒塔５に供給される。つまり、第１触媒塔３に供給されるガスのアンモニア濃度の方が、第２触媒塔５に供給されるガスのアンモニア濃度よりも高い。従って、本実施形態においては、第１触媒塔３は第１アンモニア分解触媒層３０のみを備え、第２触媒塔５は第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５を備えることで、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度を抑制しつつ、ガスに含まれる高濃度のアンモニアを効率よく分解できる。
アンモニアの分解反応は、ガスのアンモニア濃度が高いほど生じやすい。アンモニア処理システム１では、高濃度のアンモニアを含むガスが、まず、第１触媒塔３に供給され、第１触媒塔３において一部のアンモニアが分解されたガスが第２触媒塔５に供給される。つまり、第１触媒塔３に供給されるガスのアンモニア濃度の方が、第２触媒塔５に供給されるガスのアンモニア濃度よりも高い。従って、本実施形態においては、第１触媒塔３は第１アンモニア分解触媒層３０のみを備え、第２触媒塔５は第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５を備えることで、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度を抑制しつつ、ガスに含まれる高濃度のアンモニアを効率よく分解できる。
<<<触媒層のアンモニア分解特性について>>>
ここで、図７、図８を参照しつつ、本実施形態にかかる触媒層のアンモニア分解特性について説明する。なお、図７は、触媒塔Ａの最大温度とＮＯｘの発生率との関係を示すグラフである。図８（ａ）は、触媒塔Ａにおける入口温度と、触媒層ごとの温度及びアンモニアの分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、触媒塔Ａの模式図である。
ここで、図７、図８を参照しつつ、本実施形態にかかる触媒層のアンモニア分解特性について説明する。なお、図７は、触媒塔Ａの最大温度とＮＯｘの発生率との関係を示すグラフである。図８（ａ）は、触媒塔Ａにおける入口温度と、触媒層ごとの温度及びアンモニアの分解率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、触媒塔Ａの模式図である。
先ず、比較例として、触媒塔Ａのアンモニア分解特性について、第１及び第２試験を行った。触媒塔Ａは、第１アンモニア分解触媒層３０、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２を、それぞれの基材の一方の端面側から他方の端面側に向かってガスが流れるように直列に備えている。
第１試験では、触媒塔Ａにおいて、アンモニア濃度が１％であるガスに含まれるアンモニアを分解した場合に、アンモニアの分解反応に伴って上昇する触媒塔Ａの最大温度と、副生成物として発生するＮＯｘの発生率との関係を計測した。
この第１試験では、触媒塔Ａへ供給するガスの温度（入口温度）を変化させることで、触媒塔Ａの最大温度を約３４０度〜約３８５度に変化させた。そして、触媒塔Ａから排出されたガスに含まれるＮＯｘの濃度をガス検知管法によって分析し、各最大温度におけるＮＯｘの発生率を算出した。
図７に示す第１試験の結果より、触媒塔Ａの最大温度が上昇するほど、ＮＯｘの発生率も上昇することが示された。また、ＮＯｘの発生率は、触媒塔Ａの最大温度が３８０度以下では３〜５％であるが、３８０度を超えると８％に急激に上昇することが示された。即ち、触媒塔Ａの最大温度を３８０度以下とすることで、効率よくＮＯｘの発生を抑制できることが分かった。
この第１試験では、触媒塔Ａへ供給するガスの温度（入口温度）を変化させることで、触媒塔Ａの最大温度を約３４０度〜約３８５度に変化させた。そして、触媒塔Ａから排出されたガスに含まれるＮＯｘの濃度をガス検知管法によって分析し、各最大温度におけるＮＯｘの発生率を算出した。
図７に示す第１試験の結果より、触媒塔Ａの最大温度が上昇するほど、ＮＯｘの発生率も上昇することが示された。また、ＮＯｘの発生率は、触媒塔Ａの最大温度が３８０度以下では３〜５％であるが、３８０度を超えると８％に急激に上昇することが示された。即ち、触媒塔Ａの最大温度を３８０度以下とすることで、効率よくＮＯｘの発生を抑制できることが分かった。
第２試験では、触媒塔Ａにおいて、アンモニア濃度が２％であるガスに含まれるアンモニアを分解した場合に、触媒塔Ａにおける入口温度と、第１アンモニア分解触媒層３０、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２のそれぞれの出口におけるガスの温度（出口温度）及びアンモニアの分解率との関係を計測した。
この第２試験では、触媒塔Ａにおける入口温度を２５０度、２７５度、及び、３００度にそれぞれ変化させた。そして、この入口温度ごとに、各触媒層における出口温度を測定した。また、入口温度を２５０度とした測定では、第１アンモニア分解触媒層３０及び第２アンモニア分解触媒層５０からそれぞれ排出されたガスのアンモニアの濃度をガス検知管法によって分析してアンモニアの分解率を算出した。同様に、入口温度を２７５度、３００度とした測定では、それぞれ第１アンモニア分解触媒層３０から排出されたガスにおけるアンモニアの分解率を算出した。
この第２試験では、触媒塔Ａにおける入口温度を２５０度、２７５度、及び、３００度にそれぞれ変化させた。そして、この入口温度ごとに、各触媒層における出口温度を測定した。また、入口温度を２５０度とした測定では、第１アンモニア分解触媒層３０及び第２アンモニア分解触媒層５０からそれぞれ排出されたガスのアンモニアの濃度をガス検知管法によって分析してアンモニアの分解率を算出した。同様に、入口温度を２７５度、３００度とした測定では、それぞれ第１アンモニア分解触媒層３０から排出されたガスにおけるアンモニアの分解率を算出した。
図８（ａ）に示す第２試験の結果より、触媒塔Ａの入口温度が高いほど、各触媒層の出口温度も高くなる傾向にあることが示された。また、触媒塔Ａの入口温度が高いほど、触媒塔Ａの入口に近い触媒層（第１アンモニア分解触媒層３０）において、速やかにアンモニアが分解されることが示された。
触媒塔Ａの入口温度を２７５度及び３００度とした場合、触媒塔Ａに供給されたガスが第１アンモニア分解触媒層３０を通過した段階で、ガスに含まれるアンモニアの９０％以上が分解され、ガスの温度も５００度近くまで上昇した。
入口温度を２５０度とした場合、触媒塔Ａに供給されたガスが第１アンモニア分解触媒層３０を通過した段階では、ガスに含まれるアンモニアの分解率は５０％であり、第１アンモニア分解触媒層３０の出口温度も約３５０度である。しかし、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２においてガスに含まれる残りのアンモニアが分解されることで、触媒塔Ａの最大温度は３８０度を超えた。
つまり、第１及び第２試験の結果から、比較例である触媒塔Ａにおいて、アンモニア濃度が２％以上である高濃度のアンモニアを分解する場合、アンモニアの分解反応に伴う副生成物の発生率も８％を超えて高くなることが示された。
触媒塔Ａの入口温度を２７５度及び３００度とした場合、触媒塔Ａに供給されたガスが第１アンモニア分解触媒層３０を通過した段階で、ガスに含まれるアンモニアの９０％以上が分解され、ガスの温度も５００度近くまで上昇した。
入口温度を２５０度とした場合、触媒塔Ａに供給されたガスが第１アンモニア分解触媒層３０を通過した段階では、ガスに含まれるアンモニアの分解率は５０％であり、第１アンモニア分解触媒層３０の出口温度も約３５０度である。しかし、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２においてガスに含まれる残りのアンモニアが分解されることで、触媒塔Ａの最大温度は３８０度を超えた。
つまり、第１及び第２試験の結果から、比較例である触媒塔Ａにおいて、アンモニア濃度が２％以上である高濃度のアンモニアを分解する場合、アンモニアの分解反応に伴う副生成物の発生率も８％を超えて高くなることが示された。
===アンモニア処理システムによる処理について===
第１及び第２試験の結果より、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１では、第１アンモニア分解触媒層３０のみを備える第１触媒塔３に、加熱装置２によって例えば約２４０度以上２６０度以下に加熱したガスを供給することが好ましい。これによって、第１触媒塔３の温度を３８０度以下に維持しつつ、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアの約５０％をまず分解することができる。
そして、第１触媒塔３から排出されたガスを、冷却器４によって例えば約２４０度以上３００度以下に冷却してから、第２触媒塔５に供給することが好ましい。これによって、第２触媒塔５における入口温度を下げることができる。さらに、第１触媒塔３においてアンモニアの約５０％を分解しているため、アンモニア濃度を低減させたガスを第２触媒塔５に供給できる。なお、第２触媒塔５に供給されるガスのアンモニア濃度は、第１触媒塔３に供給されるガスのアンモニア濃度よりも低くなっているため、第２触媒塔５に供給されるガスの温度（冷却器４によって冷却される温度）は、第１触媒塔３に供給されるガスの温度（加熱装置２によって加熱される温度）である約２４０度以上２６０度以下よりも上限が高い、約２４０度以上３００度以下とすることができる。
これらの結果、第２触媒塔５においても最大温度を３８０度以下に維持したまま、ガスに含まれる残りのアンモニアを分解できる。
よって、アンモニア処理システム１では、第１触媒塔３の入口温度を約２４０度以上２６０度以下とし、第２触媒塔５の入口温度を約２４０度以上３００度以下とすることで、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度を３８０度以下とすることができ、副生成物の発生をより効率よく抑制しつつ、高濃度のアンモニアを分解できる。
第１及び第２試験の結果より、本実施形態にかかるアンモニア処理システム１では、第１アンモニア分解触媒層３０のみを備える第１触媒塔３に、加熱装置２によって例えば約２４０度以上２６０度以下に加熱したガスを供給することが好ましい。これによって、第１触媒塔３の温度を３８０度以下に維持しつつ、第１触媒塔３に供給されたガスに含まれるアンモニアの約５０％をまず分解することができる。
そして、第１触媒塔３から排出されたガスを、冷却器４によって例えば約２４０度以上３００度以下に冷却してから、第２触媒塔５に供給することが好ましい。これによって、第２触媒塔５における入口温度を下げることができる。さらに、第１触媒塔３においてアンモニアの約５０％を分解しているため、アンモニア濃度を低減させたガスを第２触媒塔５に供給できる。なお、第２触媒塔５に供給されるガスのアンモニア濃度は、第１触媒塔３に供給されるガスのアンモニア濃度よりも低くなっているため、第２触媒塔５に供給されるガスの温度（冷却器４によって冷却される温度）は、第１触媒塔３に供給されるガスの温度（加熱装置２によって加熱される温度）である約２４０度以上２６０度以下よりも上限が高い、約２４０度以上３００度以下とすることができる。
これらの結果、第２触媒塔５においても最大温度を３８０度以下に維持したまま、ガスに含まれる残りのアンモニアを分解できる。
よって、アンモニア処理システム１では、第１触媒塔３の入口温度を約２４０度以上２６０度以下とし、第２触媒塔５の入口温度を約２４０度以上３００度以下とすることで、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度を３８０度以下とすることができ、副生成物の発生をより効率よく抑制しつつ、高濃度のアンモニアを分解できる。
次に、本発明に係る、図１に示したアンモニア処理システム１を用いて、アンモニア濃度が２％であるガスに含まれるアンモニアを分解し、第１アンモニア分解触媒層３０、第２アンモニア分解触媒層５０、第３アンモニア分解触媒層５１、及び、第４アンモニア分解触媒層５２のそれぞれの出口温度と、アンモニアの分解率とを計測する第３試験を行った。
この第３試験について、図９を参照しながら説明する。なお、図９（ａ）は、第１触媒塔３及び第２触媒塔５における触媒層ごとの温度及びアンモニア分解率を示すグラフであり、（ｂ）は、第１触媒塔３、冷却器４、及び、第２触媒塔５の模式図である。第３試験では、第１触媒塔３の入口温度を２６０度とし、第２触媒塔５の入口温度を２８０度とした。
この第３試験について、図９を参照しながら説明する。なお、図９（ａ）は、第１触媒塔３及び第２触媒塔５における触媒層ごとの温度及びアンモニア分解率を示すグラフであり、（ｂ）は、第１触媒塔３、冷却器４、及び、第２触媒塔５の模式図である。第３試験では、第１触媒塔３の入口温度を２６０度とし、第２触媒塔５の入口温度を２８０度とした。
図９（ａ）が示すように、第１触媒塔３が備える第１アンモニア分解触媒層３０の出口温度は３７０度となり、第１触媒塔３によるアンモニアの分解率は５５％であった。また、第２触媒塔５の最大温度は、第３アンモニア分解触媒層５１の出口温度であり３６０度であった。第２触媒塔５によってガスに含まれるアンモニアの９９％が分解された。
以上より、アンモニア処理システム１では、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度を３８０度以下とすることができ、副生成物の発生を効率よく抑制しつつ、ガスに含まれる高濃度のアンモニアを分解できることが示された。
以上より、アンモニア処理システム１では、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度を３８０度以下とすることができ、副生成物の発生を効率よく抑制しつつ、ガスに含まれる高濃度のアンモニアを分解できることが示された。
===アンモニア処理方法について===
本実施形態にかかるアンモニアの処理方法について説明する。このアンモニア処理方法では、まず、ガスに含まれるアンモニアの一部のみを第１触媒塔３において分解する第１分解工程を行う。次に、アンモニアの一部が分解されたガスを冷却器４によって冷却する冷却工程を行う。その後に、冷却されたガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を第２触媒塔５において分解する第２分解工程を行う。
このアンモニアの処理方法では、第１分解工程において、ガスに含まれるアンモニアの一部のみを分解するため、ガスに含まれるアンモニアの全部を分解する場合に比べて、第１触媒塔３の最大温度の上昇を抑制できる。また、第１分解工程におけるアンモニアの分解反応によって温度が上昇したガスを冷却工程において冷却してから、第２触媒塔５に供給できる。第２触媒塔５に供給されるガスは、第１分解工程においてアンモニアの濃度が低減している。よって、第２分解工程では、第２触媒塔５の温度が上昇することを抑制できる。
このアンモニアの処理方法では、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度が上昇することを抑制できるため、副生成物の発生を抑制しつつ、高濃度のアンモニアを分解処理できる。
本実施形態にかかるアンモニアの処理方法について説明する。このアンモニア処理方法では、まず、ガスに含まれるアンモニアの一部のみを第１触媒塔３において分解する第１分解工程を行う。次に、アンモニアの一部が分解されたガスを冷却器４によって冷却する冷却工程を行う。その後に、冷却されたガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を第２触媒塔５において分解する第２分解工程を行う。
このアンモニアの処理方法では、第１分解工程において、ガスに含まれるアンモニアの一部のみを分解するため、ガスに含まれるアンモニアの全部を分解する場合に比べて、第１触媒塔３の最大温度の上昇を抑制できる。また、第１分解工程におけるアンモニアの分解反応によって温度が上昇したガスを冷却工程において冷却してから、第２触媒塔５に供給できる。第２触媒塔５に供給されるガスは、第１分解工程においてアンモニアの濃度が低減している。よって、第２分解工程では、第２触媒塔５の温度が上昇することを抑制できる。
このアンモニアの処理方法では、第１触媒塔３及び第２触媒塔５の最大温度が上昇することを抑制できるため、副生成物の発生を抑制しつつ、高濃度のアンモニアを分解処理できる。
===その他の実施形態について===
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更や改良等が可能であり、また本発明はその等価物も含むものである。
前述したアンモニア処理システム１では、第１触媒塔３及び第２触媒塔５においてガスに含まれるアンモニアを分解する。しかし、本発明に係るアンモニア処理システムは、特にこれに限定されるものではなく、例えば、図１０に示すアンモニア処理システム１０のように、ガスに含まれるアンモニアを３以上の分解塔において分解してもよい。尚、図１０は、アンモニア処理システム１０の構成例を示す模式図である。
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更や改良等が可能であり、また本発明はその等価物も含むものである。
前述したアンモニア処理システム１では、第１触媒塔３及び第２触媒塔５においてガスに含まれるアンモニアを分解する。しかし、本発明に係るアンモニア処理システムは、特にこれに限定されるものではなく、例えば、図１０に示すアンモニア処理システム１０のように、ガスに含まれるアンモニアを３以上の分解塔において分解してもよい。尚、図１０は、アンモニア処理システム１０の構成例を示す模式図である。
このアンモニア処理システム１０は、前述したアンモニア処理システム１における第２触媒塔５にかえて、第２触媒塔５ａを備える。そして、この第２触媒塔５ａと冷却器４との間にさらに第３触媒塔１５と、中間冷却器１６とを備える。
第３触媒塔１５は、例えば、第２アンモニア分解触媒層５０を、基材の一方の端面側から他方の端面側に向かってガスが流れるように備える。第１触媒塔３においてアンモニアの一部が分解された後、冷却器４で冷却されたガスが、第３触媒塔１５に供給され、第３触媒塔１５は、このガスに含まれるアンモニアのさらに一部を分解する。
第３触媒塔１５に供給されるガスの流路は、第３流路反転装置１８０によって適宜変更される。第３流路反転装置１８０は、切替弁１８１，１８２，１８３及び１８４を備える。切替弁１８１，１８２，１８３及び１８４を調整することによって、冷却器４から供給されたガスを、切替弁１８１、切替弁１８２、第３触媒塔１５、切替弁１８３、そして、切替弁１８４の順に通るように調整したり、切替弁１８１、切替弁１８３、第３触媒塔３１５、切替弁１８２、そして、切替弁１８４の順に通るように調整したりできる。即ち、第３触媒塔１５に供給されるガスの流れを、切替弁１８２から切替弁１８３の方向（本明細書においては、この方向を上流から下流とする）にしたり、逆に、切替弁１８３から切替弁１８２の方向（下流から上流）にしたりできる。
第３触媒塔１５に供給されるガスの流路は、第３流路反転装置１８０によって適宜変更される。第３流路反転装置１８０は、切替弁１８１，１８２，１８３及び１８４を備える。切替弁１８１，１８２，１８３及び１８４を調整することによって、冷却器４から供給されたガスを、切替弁１８１、切替弁１８２、第３触媒塔１５、切替弁１８３、そして、切替弁１８４の順に通るように調整したり、切替弁１８１、切替弁１８３、第３触媒塔３１５、切替弁１８２、そして、切替弁１８４の順に通るように調整したりできる。即ち、第３触媒塔１５に供給されるガスの流れを、切替弁１８２から切替弁１８３の方向（本明細書においては、この方向を上流から下流とする）にしたり、逆に、切替弁１８３から切替弁１８２の方向（下流から上流）にしたりできる。
中間冷却器１６は、熱交換器６０と、この熱交換器６０に空気を送風するブロワ６１とを備える。
熱交換器６０は、第３触媒塔１５から排出されたガスと、ブロワ６１を介して供給される空気とを熱交換させる。これによって、熱交換器６０は、第３触媒塔１５から排出されたガスを冷却する。
熱交換器６０は、第３触媒塔１５から排出されたガスと、ブロワ６１を介して供給される空気とを熱交換させる。これによって、熱交換器６０は、第３触媒塔１５から排出されたガスを冷却する。
第２触媒塔５ａは、例えば、第３アンモニア分解触媒層５１及び第４アンモニア分解触媒層５２を順に、それぞれの基材の一方の端面側から他方の端面側に向かってガスが流れるように直列に備える。中間冷却器１６で冷却されたガスが第２触媒塔５ａに供給され、第２触媒塔５ａは、このガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を分解する。
このアンモニア処理システム１０では、冷却器４及び中間冷却器１６によりガスを冷却しつつ、第１触媒塔３、第２触媒塔５及び第３触媒塔１５においてガスに含まれるアンモニアを３段階に分けて分解する。これによって、各触媒塔の最大温度の上昇をより精度よく抑制できるので、高濃度のアンモニアを分解する場合であっても、副生成物の発生をより確実に抑制できる。
なお、本発明のアンモニア処理システムでは、少なくとも２つの触媒塔を備え、この触媒塔同士の間に中間冷却器（冷却器）を備え、触媒塔の少なくとも１つが流路反転装置を備えていればよい。
この触媒塔及び冷却器の数は、ガスに含まれるアンモニア濃度や、アンモニア処理システムを持ち運ぶ際の可搬性等に応じて定めることができる。例えば、前述したアンモニア処理システム１のように、トラック９等に車載する場合には、持ち運びやすいように触媒塔及び冷却器の数が少ない方が好ましい。一方、より高濃度のアンモニアを分解する場合等には、３以上の触媒塔によってより確実に副生成物の発生を抑制しつつ、アンモニアを分解することが好ましい。
この触媒塔及び冷却器の数は、ガスに含まれるアンモニア濃度や、アンモニア処理システムを持ち運ぶ際の可搬性等に応じて定めることができる。例えば、前述したアンモニア処理システム１のように、トラック９等に車載する場合には、持ち運びやすいように触媒塔及び冷却器の数が少ない方が好ましい。一方、より高濃度のアンモニアを分解する場合等には、３以上の触媒塔によってより確実に副生成物の発生を抑制しつつ、アンモニアを分解することが好ましい。
１、１０…アンモニア処理システム，２…加熱装置，３…第１触媒塔，４…冷却器，５、５ａ…第２触媒塔，６…流量調整装置，７…アンモニアタンク，８、４１、６１…ブロワ，９…トラック，１５…第３触媒塔，１６…中間冷却器，２０、４０、６０…熱交換器，２１…ヒータ，３０…第１アンモニア分解触媒層，３１…基材，３２…多孔質物質，３３…触媒成分，３４…ベース部，３５…突出片，３６…貫通孔，５０…第２アンモニア分解触媒層，５１…第３アンモニア分解触媒層，５２…第４アンモニア分解触媒層，１６０…第１流路反転装置，１６１、１６２、１６３、１６４、１７１、１７２、１７３、１７４、１８１、１８２、１８３、１８４…切替弁，１７０…第２流路反転装置，１８０…第３流路反転装置
Claims (3)
- アンモニアを含有する第１のガスを、２４０度以上２６０度以下で、第１アンモニア分解触媒に対して第１の方向に流すことによって、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を３８０度以下で分解する第１分解工程と、
第１分解工程後の第１のガスを２４０度以上３００度以下に冷却する第１冷却工程と、
第１冷却工程後の第１のガスを、第２アンモニア分解触媒に対して第２の方向に流すことによって、第１冷却工程後の第１のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を３８０度以下で分解する第２分解工程と
第１分解工程後の第１アンモニア分解触媒に対して、第１分解工程における第１の方向とは逆の方向に、アンモニアを含有する第２のガスを流すことによって、第２のガスに含まれるアンモニアの一部を３８０度以下で分解する第３分解工程と、
第３分解工程後の第２のガスを２４０度以上３００度以下に冷却する第２冷却工程と、
第２冷却工程後の第２のガスを、第２アンモニア分解触媒または第３アンモニア分解触媒に対して第３の方向に流すことによって、第２冷却工程後の第２のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を３８０度以下で分解する第４分解工程と
を含むアンモニア処理方法であって、
第１アンモニア分解触媒及び／又は第２アンモニア分解触媒は、Ｐｔ−ＣｕＯ又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌである触媒成分を含み、該触媒成分を坦持する多孔質物質がコーティングされた基材からなり、前記基材は、シート状のベース部と、前記ベース部の一方の表面から立ち上がる複数の突出片と、前記ベース部を貫通する複数の貫通孔とを有し、前記ベース部の隙間に前記突出部が介在するように重なり合うことを特徴とするアンモニア処理方法。 - アンモニアを含有する第１のガスを、２４０度以上２６０度以下で、第１アンモニア分解触媒に対して第１の方向に流すことによって、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を３８０度以下で分解する第１分解工程と、
第１分解工程後の第１のガスを２４０度以上３００度以下に冷却する第１冷却工程と、
第１冷却工程後の第１のガスを、第２アンモニア分解触媒に対して第２の方向に流すことによって、第１冷却工程後の第１のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を３８０度以下で分解する第２分解工程と
アンモニアを含有する第２のガスを、第１アンモニア分解触媒または第３アンモニア分解触媒に対して第３の方向に流すことによって、第２のガスに含まれるアンモニアの一部を３８０度以下で分解する第３分解工程と、
第３分解工程後の第２のガスを２４０度以上３００度以下に冷却する第２冷却工程と、
第２分解工程後の第２アンモニア分解触媒に対して、第２分解工程における第２の方向とは逆の方向に、第２冷却工程後の第２のガスを流すことによって、第２冷却工程後の第２のガスに含まれるアンモニアの一部又は全部を３８０度以下で分解する第４分解工程と
を含むアンモニア処理方法であって、
第１アンモニア分解触媒、第２アンモニア分解触媒及び／又は第３アンモニア分解触媒は、Ｐｔ−ＣｕＯ又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌである触媒成分を含み、該触媒成分を坦持する多孔質物質がコーティングされた基材からなり、前記基材は、シート状のベース部と、前記ベース部の一方の表面から立ち上がる複数の突出片と、前記ベース部を貫通する複数の貫通孔とを有し、前記ベース部の隙間に前記突出部が介在するように重なり合うことを特徴とするアンモニア処理方法。 - アンモニアを含有する第１のガスを、２４０度以上２６０度以下で、第１アンモニア分解触媒に対して第１の方向に流すことによって、第１のガスに含まれるアンモニアの一部を３８０度以下で分解する第１分解工程と、
第１分解工程後の第１のガスを２４０度以上３００度以下に冷却する第１冷却工程と、
第１冷却工程後の第１のガスを、第２アンモニア分解触媒に対して第２の方向に流すことによって、第１冷却工程後の第１のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を３８０度以下で分解する第２分解工程と
第１分解工程後の第１アンモニア分解触媒に対して、第１分解工程における第１の方向とは逆の方向に、アンモニアを含有する第２のガスを流すことによって、第２のガスに含まれるアンモニアの一部を３８０度以下で分解する第３分解工程と、
第３分解工程後の第２のガスを２４０度以上３００度以下に冷却する第２冷却工程と、
第２分解工程後の第２アンモニア分解触媒に対して、第２分解工程における第２の方向とは逆の方向に、第２冷却工程後の第２のガスを流すことによって、第２冷却工程後の第２のガスに含まれる残りのアンモニアの一部又は全部を３８０度以下で分解する第４分解工程と
を含むアンモニア処理方法であって、
第１アンモニア分解触媒及び／又は第２アンモニア分解触媒は、Ｐｔ−ＣｕＯ又はＰｔ−ＣｕＯ−Ｃｌである触媒成分を含み、該触媒成分を坦持する多孔質物質がコーティングされた基材からなり、前記基材は、シート状のベース部と、前記ベース部の一方の表面から立ち上がる複数の突出片と、前記ベース部を貫通する複数の貫通孔とを有し、前記ベース部の隙間に前記突出部が介在するように重なり合うことを特徴とするアンモニア処理方法。
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