JP5885811B1 - 尿素加水分解装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】尿素の加水分解時に副生成物の固着を抑制でき、尿素水の過剰供給時においても加水分解触媒層の表面温度の急激な低下を防止しでき、アンモニア噴霧ノズルからの吐出ガス量を一定に制御できる方法の提供。【解決手段】尿素水Ｕを加熱雰囲気で加水分解触媒１と接触させてアンモニアＡを生成させ、炉内１０又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中のＮＯｘを低減させる尿素加水分解装置で、加水分解触媒層１を持つ反応器２と、尿素水供給ライン３と、尿素水供給ポンプ５と、尿素水噴霧ノズル６と、加熱空気ａ′を供給する加熱空気供給ライン７と、送風機８と、加熱空気用ヒータ９と、アンモニア供給ライン１１と、アンモニア噴霧ノズル１２と、空気バイパスライン１３とを備え、尿素の加水分解時に加水分解触媒層１の表面温度が２００℃以上となる様に送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力を制御する尿素加水分解装置の操作方法。【選択図】図１
Description
本発明は、主に廃棄物焼却炉やボイラ設備等に付設されるものであり、尿素水を加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減させる尿素加水分解装置及びその制御方法に関するものである。
従来、廃棄物焼却炉等から発生する燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減する方法として、炉内又は煙道内にアンモニア水又は尿素水を吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を分解する無触媒脱硝方法や、触媒表面上において燃焼排ガス中の窒素酸化物をアンモニアの存在下で窒素ガスに分解する触媒脱硝方法が知られている（例えば、特許文献１〜５参照）。
これらの脱硝方法には、一例として、尿素水を加水分解してアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減させる尿素加水分解装置が使用されている。
前記尿素加水分解装置としては、例えば、特許第４５９９９８９号公報（特許文献６参照）に開示された構造のものが知られている。
即ち、前記尿素加水分解装置は、図３に示す如く、内部に加水分解触媒３０を装填した尿素加水分解反応器３１と、尿素水タンク３２からポンプ３３によって圧送された尿素水を加水分解触媒３０に噴霧する尿素ノズル３４と、コンプレッサ３５からバルブ３６を経て圧送された空気を尿素加水分解反応器３１内に供給する空気供給口３７と、尿素加水分解反応器３１を一定温度に保つ電気ヒータ３８と、尿素加水分解反応器３１から排ガスライン３９内へ延びるアンモニア導管４０と、排ガスライン３９内にアンモニアを吹き込むアンモニアノズル４１と、ポンプ３３及びバルブ３６を制御するコントロールユニット４２とを備えている。
而して、上記構成の尿素加水分解装置においては、ポンプ３３によって圧送された尿素水を尿素ノズル３４から尿素加水分解反応器３１内の加水分解触媒３０へ向って噴霧すると共に、噴霧された尿素水をコンプレッサ３５からバルブ３６を経て供給された加圧空気によってミスト状にし、この尿素ミストを加水分解触媒３０に接触させ、電気ヒータ３８による加熱雰囲気下で尿素を加水分解してアンモニアを生成させる。生成したアンモニアは、アンモニア導管４０を経てその先端のアンモニアノズル４１から排ガスライン３９内に装填されている脱硝触媒４３に噴霧され、脱硝反応に使用される。
ところで、尿素の加水分解時には、尿素水を２００℃以下の温度で触媒と接触させると、シアヌル酸やビウレット等の副生成物が析出し易くなり、これが触媒に固着して触媒性能を劣化させることがある。そのため、シアヌル酸等の副生成物が析出しないように触媒の温度を一定温度以上に保持した状態で尿素水と接触させなければならない。
しかし、前記尿素加水分解装置においては、尿素水を１５０℃〜１９０℃の温度範囲で加水分解触媒３０と接触させているため、シアヌル酸等の副生成物が析出し易くなり、これが加水分解触媒３０に固着して触媒性能を劣化させ、連続運転を行えなくなると云う問題があった。
また、尿素水が過剰供給されたときにも、加水分解触媒３０の温度が急激に低下し、シアヌル酸等の副生成物が析出し易くなり、上記問題が発生することになる。
更に、空気供給口３７から尿素加水分解反応器３１内に供給される空気量が変動すると、尿素加水分解反応器３１内で発生するアンモニアの量も変化し、アンモニアノズル４１から噴霧されるアンモニアガス量が変動すると云う問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、尿素の加水分解時にシアヌル酸等の副生成物が析出し難く、加水分解触媒への副生成物の固着を抑制できると共に、尿素水の過剰供給時においても加水分解触媒層の表面温度の急激な低下を防止して副生成物の析出を抑制でき、しかも、供給される空気量に関係なくアンモニア噴霧ノズルからの吐出ガス量（アンモニアガス量）を一定に制御できるようにした尿素加水分解装置及びその制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の第１の発明は、尿素水を加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減させる尿素加水分解装置において、前記尿素加水分解装置は、内部に加水分解触媒層を形成した反応器と、反応器内へ尿素水を供給する尿素水供給ラインと、尿素水供給ラインに介設した尿素水供給ポンプと、尿素水供給ラインの下流側端部に接続されて反応器内の加水分解触媒層の表面へ向って尿素水を噴霧する尿素水噴霧ノズルと、反応器内へ加熱空気を供給する加熱空気供給ラインと、加熱空気供給ラインの上流側端部に接続した空気供給用の送風機と、加熱空気供給ラインに介設した加熱空気用ヒータと、反応器内で生成されたアンモニアを炉内又は煙道へ導くアンモニア供給ラインと、アンモニア供給ラインの下流側端部に接続されてアンモニアを炉内又は煙道内へ吹き込むアンモニア噴霧ノズルと、加熱空気用ヒータ上流側の加熱空気供給ラインから加熱前の空気の一部を分岐してアンモニア噴霧ノズル上流側のアンモニア供給ラインに導く空気バイパスラインと、空気バイパスラインに介設され、分岐する空気の量を制御すると共に、加水分解触媒層の表面温度に基づいて制御される制御バルブとを備え、尿素の加水分解時に加水分解触媒層の表面温度が２００℃以上となるように送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御する構成としたことに特徴がある。
本発明の第２の発明は、前記第１の発明において、尿素加水分解装置が、加水分解触媒層の表面温度を検出する第１温度検出器を備え、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように第１温度検出器からの検出信号に基づいて送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御する構成としたことに特徴がある。
本発明の第３の発明は、前記第１の発明において、尿素水供給ポンプが、可変速制御機構を備えており、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて可変制御されていると共に、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように尿素水供給ポンプからの出力信号により送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御する構成としたことに特徴がある。
本発明の第４の発明は、前記第１の発明、第２の発明又は第３の発明に記載の尿素加水分解装置の制御方法であって、尿素の加水分解時に加水分解触媒層の表面温度が２００℃以上となるように送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御し、また、アンモニア噴霧ノズルからのアンモニアガス吐出量が一定となるように空気バイパスラインにより加熱前の空気の一部を分岐し、アンモニア噴霧ノズル上流側のアンモニア供給ラインに導くようにしたことに特徴がある。
本発明の第５の発明は、前記第４の発明において、加水分解触媒層の表面温度を第１温度検出器により検出し、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように第１温度検出器からの検出信号に基づいて送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御するようにしたことに特徴がある。
本発明の第６の発明は、前記第４の発明において、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて尿素水供給ポンプを可変速制御し、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように尿素水供給ポンプからの出力信号により送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御するようにしたことに特徴がある。
本発明によれば、触媒再生時に加水分解触媒層の表面温度が２００℃以上となるように送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御するようにしているため、シアヌル酸等の副生成物が析出し難くなり、加水分解触媒への副生成物の固着を抑制することができる。
また、本発明によれば、加水分解触媒層の表面温度を第１温度検出器により検出し、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように第１温度検出器からの検出信号に基づいて送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御しているため、シアヌル酸等の副生成物がより析出し難くなって加水分解触媒への副生成物の固着をより抑制することができると共に、加水分解触媒層の表面温度を尿素の加水分解に適した温度に維持することができる。
更に、本発明によれば、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて尿素水供給ポンプを可変速制御し、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように尿素水供給ポンプからの出力信号により送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御するようにしているため、尿素水の過剰供給時においても加水分解触媒層の表面温度の急激な低下を防止して副生成物の析出を抑制できると共に、加水分解触媒層の表面温度を尿素の加水分解に適した温度に維持することができる。
更に、本発明によれば、アンモニア噴霧ノズルからのアンモニアガス吐出量が一定となるように空気バイパスラインにより加熱前の空気の一部を分岐し、アンモニア噴霧ノズル上流側のアンモニア供給ラインに導くようにしているため、供給される空気量に関係なくアンモニア噴霧ノズルからの吐出ガス量（アンモニアガス量）を一定に制御することができる。また、空気バイパスラインにより分岐する過剰な空気を加熱空気用ヒータで加熱する必要がなく、エネルギーロスを減らすことができる。
更に、本発明によれば、空気バイパスラインに分岐する空気の量を制御する制御バルブを介設し、当該制御バルブを加水分解触媒層の表面温度に基づいて制御するようにしているため、アンモニア噴霧ノズルからの吐出ガス量（アンモニアガス量）をより一定に制御することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る尿素加水分解装置を示し、当該尿素加水分解装置は、例えば、廃棄物焼却炉やボイラ設備等に付設されており、尿素水を加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減させるものである。
図１は本発明の実施形態に係る尿素加水分解装置を示し、当該尿素加水分解装置は、例えば、廃棄物焼却炉やボイラ設備等に付設されており、尿素水を加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減させるものである。
即ち、前記尿素加水分解装置は、図１に示す如く、内部に加水分解触媒層１を形成した反応器２と、反応器２へ尿素水Ｕを供給する尿素水供給ライン３と、尿素水Ｕを貯留する尿素水貯槽４と、尿素水供給ライン３に介設した尿素水供給ポンプ５と、反応器２内の加水分解触媒層１の表面へ向って尿素水Ｕを噴霧する尿素水噴霧ノズル６と、反応器２内へ加熱空気ａ′を供給する加熱空気供給ライン７と、加熱空気供給ライン７の上流側端部に接続した空気供給用の送風機８と、加熱空気供給ライン７に介設した加熱空気用ヒータ９と、反応器２内で生成されたアンモニアＡを炉内１０（又は煙道）へ導くアンモニア供給ライン１１と、アンモニアＡを炉内１０（又は煙道内）へ吹き込むアンモニア噴霧ノズル１２と、加熱空気供給ライン７から空気ａの一部を分岐する空気バイパスライン１３と、尿素水供給ライン３から尿素水Ｕの一部を分岐する尿素水バイパスライン１４と、尿素水Ｕを炉内１０（又は煙道内）へ噴霧する第２尿素水噴霧ノズル１５とを備えている。
前記反応器２は、図１及び図２に示す如く、裁頭円錐状の天井壁２ａ及び底壁２ｂを備えた円筒状の金属製ケーシング２ｃと、金属製ケーシング２ｃ内に装填されて噴霧された尿素水Ｕを加水分解する加水分解触媒層１とを備えている。前記加水分解触媒層１は、粒状のアルミナを積層して成る。
尚、上記の実施形態においては、尿素分解触媒として粒状のアルミナを使用したが、他の実施形態においては、尿素分解触媒としてシリカ、チタニア、ゼオライト、マグネシア、カルシア等を使用しても良い。これらの尿素分解触媒は、１種だけ使用しても良く、或いは、２種以上使用しても良い。
また、上記の実施形態においては、金属製ケーシング２ｃを円筒状に形成し、金属製ケーシング２ｃの天井壁２ａ及び底壁２ｂを裁頭円錐状に形成したが、他の実施形態においては、図示していないが金属製ケーシング２ｃを平坦な天井壁２ａ及び底壁２ｂを備えた円柱状に形成しても良く、また、図示していないが金属製ケーシング２ｃを四角筒状に形成し、金属製ケーシング２ｃの天井壁２ａ及び底壁２ｂを裁頭四角錐状に形成しても良い。
前記尿素水供給ライン３は、尿素水Ｕを反応器２へ供給するものであり、尿素水供給ライン３の上流側端部には、尿素水Ｕを貯留する尿素水貯槽４が接続されていると共に、尿素水供給ライン３の途中には、尿素水供給ポンプ５及び開閉バルブ１６が介設されている。
尚、尿素水供給ポンプ５は、可変速制御機構５ａを備えており、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて可変速制御されている。即ち、尿素水供給ポンプ５は、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度をＮＯｘ濃度検出器（図示省略）により検出し、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度が高い場合には、尿素水Ｕを多く送り出し、排ガス中のＮＯｘ濃度が低い場合には、尿素水Ｕを少なく送り出すように制御されている。
前記尿素水噴霧ノズル６は、尿素水供給ライン３の下流側端部に接続されて反応器２の天井壁２ａ中心部（反応器２の軸線位置）に挿通支持されており、反応器２内の加水分解触媒層１の表面へ向って尿素水Ｕを噴霧するものである。
この尿素水噴霧ノズル６には、液体（尿素水Ｕ）を気体（圧縮空気ａ″）と混合させることによって微細な霧にして噴射する二流体ノズルが使用されており、当該尿素水噴霧ノズル６には、尿素水供給ライン３により尿素水Ｕが供給されていると共に、制御バルブ１７を備えた圧縮空気供給ライン１８によりコンプレッサ（図示省略）から圧縮空気ａ″が供給されている。
前記加熱空気供給ライン７は、反応器２内へ加熱空気ａ′（４００℃〜４５０℃の加熱空気ａ′）を供給して反応器２、加水分解触媒層１及び噴霧された尿素水Ｕを加熱するものであり、加熱空気供給ライン７の上流側端部には、大容量の空気ａを供給し得る送風機８が接続されていると共に、加熱空気供給ライン７の途中には、加熱空気供給ライン７内を流れている空気ａを加熱する加熱空気用ヒータ９が介設されている。
また、加熱空気供給ライン７の下流側端部には、反応器２内で加熱空気ａ′の整流効果が得られるように反応器２内へ加熱空気ａ′を供給し得ると共に、加熱空気ａ′の一部を尿素水噴霧ノズル６に吹き付けて尿素水噴霧ノズル６を加熱し得る加熱空気供給部が設けられており、当該加熱空気供給部は、反応器２の軸線位置に配設されている。
前記加熱空気供給部は、図１及び図２に示す如く、尿素水噴霧ノズル６の先端部側が鉛直姿勢で挿通されて加熱空気ａ′を上向きで且つ尿素水噴霧ノズル６に沿って流す上向きの上部開口７ａと、尿素水噴霧ノズル６の先端部側が鉛直姿勢で挿通されて加熱空気ａ′を下向きで且つ尿素水噴霧ノズル６に沿って流す下向きの下部開口７ｂとを備えている。
前記アンモニア供給ライン１１は、反応器２内で尿素の加水分解により生成されたアンモニアＡを炉内１０（又は煙道）へ導くものであり、アンモニア供給ライン１１の下流側端部には、アンモニアＡを炉内１０（又は煙道内）へ吹き込むアンモニア噴霧ノズル１２が接続されている。
前記空気バイパスライン１３は、加熱空気用ヒータ９の上流側の加熱空気供給ライン７から空気ａの一部を分岐してアンモニア噴霧ノズル１２上流側のアンモニア供給ライン１１へ供給するものであり、空気バイパスライン１３には、分岐する空気量を制御する制御バルブ１９が介設されている。この空気バイパスライン１３は、アンモニア噴霧ノズル１２からの吐出ガス量（アンモニアガス量）が一定となるように制御するものである。
前記尿素水バイパスライン１４は、尿素水供給ライン３から尿素水Ｕの一部を分岐して炉内１０（又は煙道）へ導くものであり、尿素水バイパスライン１４の途中には、開閉バルブ２０が開設されていると共に、尿素水バイパスライン１４の下流側端部には、尿素水Ｕを炉内１０（又は煙道内）へ噴霧する第２尿素水噴霧ノズル１５が接続されている。
この尿素水バイパスライン１４及び第２尿素水噴霧ノズル１５は、反応器２内の加水分解触媒の再生時において使用するものであり、加水分解触媒の再生時に発生したアンモニアＡが脱硝反応の必要量に満たない場合に尿素水Ｕを炉内１０（又は煙道内）へ供給するものである。
また、第２尿素水噴霧ノズル１５は、炉内１０（又は煙道内）での尿素水Ｕの拡散を目的として、アンモニア噴霧ノズル１２の吐出圧を利用し、アンモニア噴霧ノズル１２からのアンモニアガス拡散部（ノズル先端付近）に尿素水Ｕを噴霧するように、アンモニア噴霧ノズル１２の近傍位置に配置されている。
そして、上述した尿素加水分解装置においては、尿素の加水分解時に反応器２内の加水分解触媒層１の表面温度が２００℃以上（好ましくは２２０℃以上）になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方が制御されている。これは加水分解触媒層１の表面温度が２００℃より下がると、シアヌル酸やビウレット等の副生成物が析出し、これが加水分解触媒に固着して触媒性能を劣化させるからである。
この実施形態では、加水分解触媒層１の表面温度が２００℃〜２５０℃になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方が制御されている。
尚、送風機８及び加熱空気用ヒータ９は、加水分解触媒層１の表面温度を第１温度検出器２１により検出し、第１温度検出器２１からの検出信号に基づいて加水分解触媒層１の表面温度が上記の温度（２００℃〜２５０℃）になるように制御されている。
また、上述した尿素加水分解装置においては、尿素水供給ポンプ５からの出力信号により送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方を制御することによって、加水分解触媒層１の表面温度を上記の設定値（２００℃〜２５０℃）に保つようになっている。これは尿素水Ｕの過剰供給に伴う加水分解触媒層１の表面温度の急激な低下を防止するためである。
更に、上述した尿素加水分解装置においては、加水分解触媒層１の表面温度が急激に低下した場合、迅速に加水分解触媒層１の表面温度を上昇させる必要がある。
その方策として、反応器２への加熱空気ａ′の量を増加させる方法が考えられるが、その際、加熱空気ａ′量の増加によりアンモニア噴霧ノズル１２からの吐出ガス量（アンモニアガス量）が変化し、炉内１０（又は煙道内）でのアンモニアＡの拡散状況が変化する恐れがある。
その方策として、反応器２への加熱空気ａ′の量を増加させる方法が考えられるが、その際、加熱空気ａ′量の増加によりアンモニア噴霧ノズル１２からの吐出ガス量（アンモニアガス量）が変化し、炉内１０（又は煙道内）でのアンモニアＡの拡散状況が変化する恐れがある。
そこで、上述した尿素加水分解装置においては、アンモニア噴霧ノズル１２からの吐出ガス量（アンモニアガス量）が一定となるように、空気バイパスライン１３により加熱空気用ヒータ９の上流側の加熱空気供給ライン７から空気ａの一部を分岐し、アンモニア噴霧ノズル１２上流側のアンモニア供給ライン１１へ供給することによって、アンモニア噴霧ノズル１２からの吐出ガス量（アンモニアガス量）を一定に制御するようになっている。
この実施形態においては、アンモニア噴霧ノズル１２から噴霧されるアンモニア濃度が３％以下になるように反応器２への加熱空気ａ′の量が設定されている。また、過剰な空気ａは、制御バルブ１９を制御することにより空気バイパスライン１３からアンモニア噴霧ノズル１２上流側のアンモニア供給ライン１１へ供給されている。
前記方法によれば、空気バイパスライン１３によりバイパスする過剰な空気ａを加熱空気用ヒータ９で加熱することがなく、アンモニア噴霧ノズル１２からの吐出ガス量（アンモニアガス量）を一定に保持できる効果がある。また、過剰な空気ａを加熱空気用ヒータ９で加熱しないため、エネルギーロスを減らすことができる。
更に、上述した尿素加水分解装置においては、シアヌル酸やビウレット等の副生成物が加水分解触媒に固着すると、触媒性能を劣化させるため、触媒を再生することが行われている。触媒再生は、加水分解触媒の表面に固着した副生成物を加熱空気ａ′によりアンモニアＡ等へ熱分解することにより行われている。
即ち、前記尿素加水分解装置は、触媒再生時には、尿素水供給ライン３に介設した開閉バルブ１６を閉鎖して反応器２への尿素水Ｕの供給を停止すると共に、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方を制御し、加熱空気ａ′のみを反応器２内の加水分解触媒層１へ通ガスして触媒を再生する。
前記触媒再生時には、加水分解触媒層１の表面温度が２５０℃以上（好ましくは３００℃以上）になるように、加熱空気ａ′を反応器２内の加水分解触媒層１へ通ガスする。
この実施形態では、加水分解触媒層１の表面温度が２５０℃〜４５０℃になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方が制御されている。何故なら、温度を上げ過ぎると、アンモニアＡに着火し、また、温度を下げ過ぎると、シアヌル酸等の副生成物を熱分解できないからである。
そして、反応器２内の加水分解触媒層１へ加熱空気ａ′を通ガスすることにより発生したアンモニアＡ等（触媒に固着したシアヌル酸等の副生成物の熱分解により生成）は、アンモニア噴霧ノズル１２から炉内１０（又は煙道内）に噴霧され、脱硝反応に使用される。
尚、触媒再生時に発生したアンモニアＡが脱硝反応の必要量に満たない場合には、尿素水バイパスライン１４の開閉バルブ２０を開放し、アンモニア噴霧ノズル１２と併行して第２尿素水噴霧ノズル１５から尿素水Ｕを炉内１０（又は煙道内）に噴霧し、脱硝反応に必要な還元剤量（アンモニア量）を補う。
また、触媒再生のタイミングは、（１）反応器２の入口及び出口の温度、（２）加水分解触媒層１の表面温度、（３）加水分解触媒層１の圧力損失、（４）反応器２の出口側のガス中の二酸化炭素濃度の何れか一つ又は二つ以上を組み合わせて検出し、これらの検出結果に基づいて行う。
前記（１）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器２の入口温度と出口温度を第２温度検出器２２と第３温度検出器２３によりそれぞれ検出し、その温度差が設定値に達したときに触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替える。何故なら、尿素の熱分解反応において、発熱反応が進んでいないと、シアヌル酸等の副生成物が触媒上に固着し、反応器２の入口と出口とで温度差が生じて反応器２の出口側の温度が下がるからである。
前記（２）による触媒再生のタイミングにおいては、加水分解触媒層１の表面に配置した熱電対等から成る第１温度検出器２１により加水分解触媒層１の表面温度を検出し、加水分解触媒層１の表面中心部の温度がその周囲温度よりも低下した場合に触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替える。加水分解触媒層１の表面中心部の温度を検出するのは、前記中心部に副生成物が析出し易く、副生成物が析出すると、発熱反応が起こらないからである。
前記（３）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器２の入口と出口の圧力差を差圧計２４により測定し、その圧力差が設定値に達したときに触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替える。即ち、触媒に副生成物が固着した際の圧力上昇を検出する。
前記（４）による触媒再生のタイミングにおいては、アンモニア供給ライン１１内を流れるガス中のＣＯ２の濃度をＣＯ２濃度計２５により検出し、検出したＣＯ２濃度と尿素水Ｕの供給量から算出した推定ＣＯ２濃度の差が所定値を超えた場合に触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替える。
この実施形態においては、反応器２の入口温度と出口温度の温度差が１０℃〜２０℃に達したとき、加水分解触媒層１の表面中心部の温度がその周囲温度よりも５℃〜１０℃低下したとき、反応器２の入口と出口の圧力差（圧力損失）が１００ｍｍＡｑ〜２００ｍｍＡｑに達したとき、ＣＯ２濃度計２５により検出したＣＯ２濃度と尿素水Ｕの供給量から算出した推定ＣＯ２濃度の差が１０％〜２０％に達したときに、それぞれ触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替えるようになっている。
尚、各温度検出器２１〜２３、差圧計２４、ＣＯ２濃度計２５の各演算部には、上述した反応器２の入口温度と出口温度の温度差の設定値、加水分解触媒層１の表面温度の設定値、反応器２の入口と出口の圧力差の設定値、検出したＣＯ２濃度と尿素水Ｕの供給量から算出した推定ＣＯ２濃度の差の設定値がそれぞれ予め記憶されている。
而して、上述した尿素加水分解装置においては、尿素水貯槽４内の尿素水Ｕを尿素水供給ポンプ５により尿素水供給ライン３を介して二流体ノズル構造の尿素水噴霧ノズル６に供給すると共に、コンプレッサからの圧縮空気ａ″を圧縮空気供給ライン１８を介して尿素水噴霧ノズル６に供給し、尿素水噴霧ノズル６から反応器２内の加水分解触媒層１の表面へ向って尿素水Ｕを噴霧する。このとき、尿素水噴霧ノズル６に二流体ノズルを使用しているため、噴霧された尿素水Ｕが微細な粒子径となる。
また、反応器２（加水分解触媒層１を含む）加熱用の空気ａを送風機８により加熱空気用ヒータ９に供給して加熱し、この加熱空気ａ′を加熱空気供給ライン７の下流側端部に設けた加熱空気供給部から反応器２内に供給して反応器２、加水分解触媒層１及び噴霧された尿素水Ｕを加熱する。
反応器２内における尿素の加水分解時には、加水分解触媒層１の表面温度が２００℃〜２５０℃になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方が制御されている。即ち、加水分解触媒層１の表面温度を第１温度検出器２１により検出し、第１温度検出器２１からの検出信号に基づいて加水分解触媒層１の表面温度が２００℃〜２５０℃になるように送風機８及び加熱空気用ヒータ９の何れか一方又は両方が第１温度検出器２１により制御されている。
また、尿素水供給ポンプ５からの出力信号により送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方を制御することによっても、加水分解触媒層１の表面温度を２００℃〜２５０℃に保つようになっている。即ち、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度の上昇に伴う尿素水供給ポンプ５からの尿素水Ｕの過剰供給時において、加水分解触媒層１の表面温度が２００℃〜２５０℃になるように送風機８及び加熱空気用ヒータ９の何れか一方又は両方が尿素水供給ポンプ５からの出力信号により制御されている。これにより、尿素水Ｕの過剰供給に伴う加水分解触媒の表面温度の急激な低下を防止することができる。
このようにして、加水分解触媒層１の表面温度を２００℃〜２５０℃に保つことによりシアヌル酸やビウレット等の副生成物の析出、副生成物の加水分解触媒への固着を防止することができる。
更に、反応器２内における尿素の加水分解時には、加熱空気供給ライン７の下流側端部に設けた加熱空気供給部から反応器２内に供給された加熱空気ａ′が整流効果により反応器２内を整然と流れるようにしているため、加熱空気ａ′が加水分解触媒層１を均質に加熱すると共に、尿素水噴霧ノズル６から噴霧された尿素水Ｕも反応器２内の加熱空気ａ′の整流効果により反応器２内を加水分解触媒層１へ向って均等に流れて加水分解触媒層１全域と接触することになり、尿素を効率良く分解することができる。然も、加熱空気ａ′は、反応器２、加水分解触媒層１及び噴霧された尿素水Ｕを加熱するだけでなく、尿素の加水分解に発生したアンモニアＡを炉内１０又は煙道内へ吹き込むためのキャリアガスとして用いることができる。
また、加熱空気供給部から供給された加熱空気ａ′により尿素水噴霧ノズル６が加熱されるため、尿素水噴霧ノズル６の表面や噴射口等への尿素の固着や、シアヌル酸やビウレット等の副生成物の固着を抑制することができ、尿素水噴霧ノズル６の閉塞や配管詰まりを防止して連続運転を行える。
特に、加熱空気供給部は、尿素水噴霧ノズル６の先端部側が鉛直姿勢で挿通されて加熱空気ａ′を上向きで且つ尿素水噴霧ノズル６に沿って流す上向きの上部開口７ａと、尿素水噴霧ノズル６の先端部側が鉛直姿勢で挿通されて加熱空気ａ′を下向きで且つ尿素水噴霧ノズル６に沿って流す下向きの下部開口７ｂとを備えているため、上部開口７ａから上向きに流れた加熱空気ａ′は反応器２の天井壁２ａで反転し、加水分解触媒層１へ向って流れるので、より高い整流効果が得られ、また、上部開口７ａ及び下部開口７ｂから流れる加熱空気ａ′により尿素水噴霧ノズル６全体を確実且つ良好に加熱することができ、シアヌル酸やビウレット等の副生成物の固着をより抑制することができる。
そして、反応器２内の加水分解触媒層１へ噴霧された尿素は、加熱された加水分解触媒と接触して加水分解され、アンモニアＡを生成する。この生成されたアンモニアＡは、アンモニア供給ライン１１を経てアンモニア噴霧ノズル１２から炉内１０（又は煙道内）へ噴霧され、脱硝反応に使用される。
尚、尿素からアンモニアＡを生成する反応は、下記の（１）式の通りであり、いわゆる加水分解反応である。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２ ・・・（１）式
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→２ＮＨ３＋ＣＯ２ ・・・（１）式
また、反応器２内の加水分解触媒層１の上方空間で行われる反応は、下記の（２）式の吸熱反応であり、反応器２内の加水分解触媒層１で行われる反応は、下記の（３）式の発熱反応である。
（ＮＨ２）２ＣＯ→ＨＮＣＯ＋ＮＨ３ ・・・（２）式
ＨＮＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＮＨ３＋ＣＯ２ ・・・（３）式
（ＮＨ２）２ＣＯ→ＨＮＣＯ＋ＮＨ３ ・・・（２）式
ＨＮＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＮＨ３＋ＣＯ２ ・・・（３）式
ところで、上述した尿素加水分解装置においては、装置の運転中にシアヌル酸やビウレット等の副生成物が加水分解触媒に固着すると、触媒性能を劣化させるため、触媒を再生することが行われている。
前記触媒再生時には、尿素水供給ライン３に介設した開閉バルブ１６を閉鎖して反応器２への尿素水Ｕの供給を停止すると共に、送風機８及び加熱空気用ヒータ９の何れか一方又は両方を制御して加熱空気ａ′のみを反応器２内の加水分解触媒層１へ通ガスし、触媒を再生するようにしており、加水分解触媒層１の表面温度が２５０℃〜４５０℃になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方を制御している。
また、触媒再生のタイミングは、（１）反応器２の入口温度と出口温度、（２）加水分解触媒層１の表面温度、（３）加水分解触媒層１の圧力損失、（４）反応器２の出口側のガス中の二酸化炭素濃度の何れか一つ又は二つ以上を組み合わせて検出又は測定し、これらの検出結果又は測定結果に基づいて行われている。
即ち、前記（１）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器２の入口温度と出口温度を第２温度検出器２２と３温度検出器２３によりそれぞれ検出し、その温度差が設定値（１０℃〜２０℃）に達すると、尿素水供給ライン３に介設した開閉バルブ１６が閉鎖されて反応器２への尿素水Ｕの供給を停止すると共に、第２温度検出器２２及び第３温度検出器２３からの検出信号に基づいて送風機８及び加熱空気用ヒータ９の何れか一方又は両方が制御され、加熱空気ａ′のみが反応器２内の加水分解触媒層１へ通ガスされる。
このとき、加水分解触媒層１の表面温度が２５０℃〜４５０℃になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方を制御しているため、加水分解触媒に固着したシアヌル酸やビウレット等の副生成物が熱分解され、触媒が再生されると共に、加水分解触媒層１の表面温度を触媒再生に適した温度に維持することができる。然も、加水分解触媒を反応器２から取り出すことなく、再生することができ、触媒再生を簡単且つ容易に行えると共に、コストも余りかからず、コスト低減を図れる。
また、副生成物の熱分解により反応器２内にアンモニアＡ等が発生するが、このアンモニアＡは、アンモニア供給ライン１１を経てアンモニア噴霧ノズル１２から炉内１０（又は煙道内）へ噴霧されて脱硝反応に使用される。そのため、触媒再生時に廃棄物焼却炉等の運転を止める必要もない。
尚、触媒再生時に発生したアンモニアＡが脱硝反応の必要量に満たない場合には、尿素水バイパスライン１４の開閉バルブ２０が開放され、アンモニア噴霧ノズル１２と併行して第２尿素水噴霧ノズル１５から尿素水Ｕが炉内１０（又は煙道内）に噴霧され、脱硝反応に必要な還元剤量（アンモニア量）を補う。
このとき、分岐した尿素水Ｕを第２尿素水噴霧ノズル１５によりアンモニア噴霧ノズル１２からのアンモニアガス拡散部に噴霧するようにしているため、アンモニア噴霧ノズル１２からの吐出圧を利用して第２尿素水噴霧ノズル１５から噴霧された尿素水Ｕを確実に拡散させることができ、炉内１０（又は煙道内）で脱硝反応が良好に行われる。
前記（２）による触媒再生のタイミングにおいては、加水分解触媒層１の表面温度を第１温度検出器２１により検出し、加水分解触媒層１の表面中心部の温度がその周囲温度よりも５℃〜１０℃低下すると、尿素水供給ライン３に介設した開閉バルブ１６が閉鎖されて反応器２への尿素水Ｕの供給を停止すると共に、第１温度検出器２１からの検出信号に基づいて送風機８及び加熱空気用ヒータ９の何れか一方又は両方が制御されて加熱空気ａ′のみが反応器２内の加水分解触媒層１へ通ガスされる。
このとき、加水分解触媒層１の表面温度が２５０℃〜４５０℃になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方を制御しているため、上述した（１）による触媒再生と同様に、副生成物の熱分解、触媒再生、アンモニアＡの発生、アンモニアＡの炉内１０（又は煙道内）への噴霧、尿素水Ｕの噴霧が行われる。
前記（３）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器２の入口と出口の圧力差を差圧計２４により測定し、その圧力差（圧力損失）が設定値（１００ｍｍＡｑ〜２００ｍｍＡｑ）に達すると、尿素水供給ライン３に介設した開閉バルブ１６が閉鎖されて反応器２への尿素水Ｕの供給を停止すると共に、差圧計２４からの検出信号に基づいて送風機８及び加熱空気用ヒータ９の何れか一方又は両方が制御され、加熱空気ａ′のみが反応器２内の加水分解触媒層１へ通ガスされる。
このとき、加水分解触媒層１の表面温度が２５０℃〜４５０℃になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方を制御しているため、上述した（１）による触媒再生と同様に、副生成物の熱分解、触媒再生、アンモニアＡの発生、アンモニアＡの炉内１０（又は煙道内）への噴霧、尿素水Ｕの噴霧が行われる。
前記（４）による触媒再生のタイミングにおいては、ＣＯ２濃度計２５によりアンモニア供給ライン１１内を流れるガス中のＣＯ２の濃度を検出し、検出したＣＯ２濃度と尿素水Ｕの供給量から算出した推定ＣＯ２濃度の差が設定値（１０％〜２０％）を超えると、尿素水供給ライン３に介設した開閉バルブ１６が閉鎖されて反応器２への尿素水Ｕの供給を停止すると共に、ＣＯ２濃度計２５からの検出信号に基づいて送風機８及び加熱空気用ヒータ９の何れか一方又は両方が制御され、加熱空気ａ′のみが反応器２内の加水分解触媒層１へ通ガスされる。
このとき、加水分解触媒層１の表面温度が２５０℃〜４５０℃になるように、送風機８の風量及び加熱空気用ヒータ９の出力の何れか一方又は両方を制御しているため、上述した（１）による触媒再生と同様に、副生成物の熱分解、触媒再生、アンモニアＡの発生、アンモニアＡの炉内１０（又は煙道内）への噴霧、尿素水Ｕの噴霧が行われる。
尚、上記の実施形態においては、尿素加水分解装置により製造されたアンモニアＡを炉内１０に吹き込むようにしたが、他の実施形態においては、尿素加水分解装置により製造されたアンモニアＡを煙道（図示省略）内に吹き込むようにしても良い。
本発明は、上記の実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
１は加水分解触媒層、２は反応器、２ａは天井壁、２ｂは底壁、２ｃは金属製ケーシング、３は尿素水供給ライン、４は尿素水貯槽、５は尿素水供給ポンプ、５ａは可変速制御機構、６は尿素水噴霧ノズル、７は加熱空気供給ライン、７ａは上部開口、７ｂは下部開口、８は送風機、９は加熱空気用ヒータ、１０は炉内、１１はアンモニア供給ライン、１２はアンモニア噴霧ノズル、１３は空気バイパスライン、１４は尿素水バイパスライン、１５は第２尿素水噴霧ノズル、１６は尿素水供給ラインの開閉バルブ、１７は圧縮空気供給ラインの制御バルブ、１８は圧縮空気供給ライン、１９は空気バイパスラインの制御バルブ、２０は尿素水バイパスラインの開閉バルブ、２１は第１温度検出器、２２は第２温度検出器、２３は第３温度検出器、２４は差圧計、２５はＣＯ２濃度計、Ａはアンモニア、ａは空気、ａ′は加熱空気、ａ″は圧縮空気、Ｕは尿素水。
Claims (6)
- 尿素水を加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減させる尿素加水分解装置において、前記尿素加水分解装置は、内部に加水分解触媒層を形成した反応器と、反応器内へ尿素水を供給する尿素水供給ラインと、尿素水供給ラインに介設した尿素水供給ポンプと、尿素水供給ラインの下流側端部に接続されて反応器内の加水分解触媒層の表面へ向って尿素水を噴霧する尿素水噴霧ノズルと、反応器内へ加熱空気を供給する加熱空気供給ラインと、加熱空気供給ラインの上流側端部に接続した空気供給用の送風機と、加熱空気供給ラインに介設した加熱空気用ヒータと、反応器内で生成されたアンモニアを炉内又は煙道へ導くアンモニア供給ラインと、アンモニア供給ラインの下流側端部に接続されてアンモニアを炉内又は煙道内へ吹き込むアンモニア噴霧ノズルと、加熱空気用ヒータ上流側の加熱空気供給ラインから加熱前の空気の一部を分岐してアンモニア噴霧ノズル上流側のアンモニア供給ラインに導く空気バイパスラインと、空気バイパスラインに介設され、分岐する空気の量を制御すると共に、加水分解触媒層の表面温度に基づいて制御される制御バルブとを備え、尿素の加水分解時に加水分解触媒層の表面温度が２００℃以上となるように送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御する構成としたことを特徴とする尿素加水分解装置。
- 尿素加水分解装置は、加水分解触媒層の表面温度を検出する第１温度検出器を備え、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように第１温度検出器からの検出信号に基づいて送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の尿素加水分解装置。
- 尿素水供給ポンプは、可変速制御機構を備えており、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて可変制御されていると共に、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように尿素水供給ポンプからの出力信号により送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の尿素加水分解装置。
- 請求項１、請求項２又は請求項３に記載の尿素加水分解装置の制御方法であって、尿素の加水分解時に加水分解触媒層の表面温度が２００℃以上となるように送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御し、また、アンモニア噴霧ノズルからのアンモニアガス吐出量が一定となるように空気バイパスラインにより加熱前の空気の一部を分岐し、アンモニア噴霧ノズル上流側のアンモニア供給ラインに導くようにしたことを特徴とする尿素加水分解装置の制御方法。
- 加水分解触媒層の表面温度を第１温度検出器により検出し、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように第１温度検出器からの検出信号に基づいて送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の尿素加水分解装置の制御方法。
- 煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて尿素水供給ポンプを可変速制御し、加水分解触媒層の表面温度が２００℃〜２５０℃となるように尿素水供給ポンプからの出力信号により送風機の風量及び加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の尿素加水分解装置の制御方法。
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