JP7061622B2 - Ｓｃｒ触媒を有するファブリックフィルターバッグを用いて煙道ガスから有害化合物を除去するための方法およびシステム - Google Patents

Ｓｃｒ触媒を有するファブリックフィルターバッグを用いて煙道ガスから有害化合物を除去するための方法およびシステム Download PDF

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Description

本発明は、オフガスおよび煙道ガス（燃料排ガス）から排出される粒子状物質および窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するための方法およびシステムに関する。特に、本発明の方法およびシステムは、低いガス温度でＮＯｘの還元の改善をもたらす。
様々な燃焼設備、例えば、固体または液体火力発電所（ｓｏｌｉｄ ｏｒ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｒｅｄ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ）のボイラー、ガス石油火力発電機またはセメントキルン、バイオ燃料燃焼プラント、およびごみ焼却場からの煙道ガスは、多数の環境上問題のある、またはさらには毒性のある化合物を含有する。これらは、粒子状物質およびＮＯｘを含む。
粒子フィルターおよび煙道ガスの触媒浄化の使用は、粒子状物質およびＮＯｘの量を低減するので、一般に環境に有益である。ほとんどの地域において、煙道ガス中のＮＯｘの還元が法規で必要とされている。
ファブリックフィルターバッグは、多くの業界において、煙道ガスおよびプロセスガスからの粒子状物質の除去に広く用いられている。これらは、最も効率的な種類の集塵機である。
上記のように、オフガスおよび煙道ガスは、複数の汚染物質、とりわけ窒素酸化物を各国の法規に応じて除去または低下されるべき濃度で含有する場合が非常に多い。いくつかの従来の方法がこの目的のために利用できる。いかなる場合でも、ファブリックフィルターバッグの上流／下流に追加のユニットを設置し、操作する必要がある。
参照によりその全体が本明細書に含まれる、同時継続中の米国仮特許出願第２０１７／００８０３８７号（特許文献１）の譲渡人により、ＳＣＲ活性触媒で触媒されたフィルターバッグが開示されている。オフガスまたは煙道ガスがこれらのフィルターバッグを通ると、フィルターバッグにより、濃縮ＮＯｘおよび粒子状物質が還元または除去される。
フィルターバッグを構成する繊維の組成により、これらは、２５０℃未満の温度で操作されねばならない。
ＮＯｘの選択的触媒還元（ＳＣＲ）において、酸化窒素化合物は、触媒上でアンモニアなどの還元剤と反応することにより無害な窒素と水に選択的に還元される。
フィルターバッグの組成により必要とされる低いガス温度は、ＳＣＲによるＮＯｘの除去において問題に直面する。
公知のＳＣＲ触媒の問題は、２５０℃未満のガス温度で効率が相対的に低いことである。
米国仮特許出願第２０１７／００８０３８７号
本発明は、煙道ガスダクトの外側でＮＯ２を生成し、調製されたＮＯ２をいわゆる「Ｆａｓｔ」ＳＣＲ反応（ｆａｓｔ ＳＣＲ ｒｅａｃｔｉｏｎ）を促進する量で煙道ガスに注入することに基づく。第１のステップでの貴金属含有触媒上でのＮＨ３のＮＯへの酸化、その後、第２のステップでのＮＯのＮＯ２への酸化により、ＮＯ２をＮＨ３から生成できる。
「Ｆａｓｔ」ＳＣＲ反応：２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏにより、煙道ガス中等モル量のＮＯとＮＯ２で、ＳＣＲ反応は著しく促進され得、低温活性は著しく上昇し得ることが公知である。
したがって、第１の態様において、本発明は、燃焼設備の煙道ガスから窒素酸化物を除去する方法であって、
煙道ガスに添加されたアンモニアそれ自体またはその前駆体の形態のいずれかの存在下で、煙道ガスを窒素酸化物の選択的還元用触媒で触媒された１つもしくは複数のファブリックフィルターバッグに通すステップ；
１つもしくは複数のファブリックフィルターバッグの上流で、二酸化窒素を含有する排ガスを煙道ガスに注入するステップ；
酸化触媒の存在下で、アンモニアまたはその前駆体を酸素含有雰囲気下で触媒酸化して、一酸化窒素および酸素を含有する排ガスにするステップ、
排ガスを周囲温度まで冷却し、冷却された排ガス中の一酸化窒素を酸化して、二酸化窒素を含有する排ガスにするステップ
により、二酸化窒素を含有する排ガスを得るステップ
を含む、方法を提供する。
公知の方法およびシステムの問題は、本明細書で上述したように２５０℃未満の煙道ガス温度でＳＣＲ触媒の効率が相対的に低いことである。この問題は、「Ｆａｓｔ」ＳＣＲ反応を促進するために低温でＮＯ２を煙道ガスに注入することを伴う本発明により解決される。この反応は、低温でのＳＣＲの促進に関与する。
煙道ガス温度が２５０℃超のとき、ＳＣＲ触媒は十分な効率を有し、ガス温度が２５０℃に到達すると、ＮＯ２の煙道ガスへの注入は中断され得る。
煙道ガスダクトの外側でのアンモニアのＮＯへの酸化は、通常、酸素含有雰囲気の存在下で、２５０～８００℃の反応温度で、微量成分として典型的には白金または白金と他の貴金属との合金などの貴金属触媒を有する反応器中で行われる。
必要とされる反応温度にするために、酸化反応器は、例えば、通電加熱または誘導加熱により加熱され得る。
一実施形態において、酸素含有雰囲気は高温再循環ガス（ｈｏｔ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｅｄ ｇａｓ）を含み、これはひいてはさらに、酸化反応器の加熱負荷の一部を担う。
平衡反応
Figure 0007061622000001
 を進めてＮＯ２を生成するために、ＮＯ含有排ガスを周囲温度まで冷却することにより、貴金属含有触媒との接触によるＮＨ３の酸化により第１のステップにおいてＮＨ３から生成されたＮＯをその後酸化して、第１のステップからのＮＯ含有排ガス中のＮＯ２にする。
本明細書で使用する用語「周囲温度」は、本発明の方法およびシステムを使用する燃焼設備の周辺で優勢な任意の温度を意味するものとする。典型的には周囲温度は－２０℃～４０℃である。
ＮＯ含有排ガスの冷却および酸化は、ガスの滞留時間が約１分以上であるように定寸されたエージング反応器（ａｇｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒ）中で行われ得る。
一実施形態において、酸化反応は、ＮＯのＮＯ２への酸化を促進する触媒の存在下で行われる。これらの触媒は当技術分野で公知であり、ＴｉＯ２上のＰｔ、ＳｉＯ２上のＰｔ、ならびにアルミナ上の活性炭またはＰｔおよび／もしくはＰｄを含む。
上述のように、所望されるＦａｓｔ ＳＣＲ反応には等量のＮＯとＮＯ２が必要とされる。したがって、２５０℃未満の温度で煙道ガスに注入されるＮＯ２の量は、ＳＣＲ触媒ユニットの入口で、煙道ガス中の窒素酸化物含有量の４５～５５体積％がＮＯ２になるように制御される。
別の態様において、本発明は、本発明による方法における使用のためのシステムを提供する。
システムは、煙道ガスダクト内に、窒素酸化物の選択的還元用触媒で触媒された１つもしくは複数のファブリックフィルターバッグを有するフィルターバッグハウス；
１つもしくは複数のファブリックフィルターバッグまたはフィルターバッグハウスの上流に、アンモニアまたは尿素溶液の煙道ガスダクトへの注入のための注入手段；
１つもしくは複数のファブリックフィルターバッグまたはフィルターバッグハウスの上流に、二酸化窒素含有排ガスの注入のための注入手段；ならびに
煙道ガスダクトの外側に、
アンモニア酸化触媒ユニット、および
その出口端で二酸化窒素含有排ガスの注入のための注入手段に接続された、アンモニア酸化触媒から回収された一酸化窒素含有排ガスを冷却および酸化して二酸化窒素含有排ガスにするための手段
を含む。
上述のように、ＮＯのＮＯ２への酸化反応には、少なくとも１分間のＮＯ含有ガスの滞留時間が必要とされる。典型的には１～２分である。
これは、ガス冷式または水冷式のいずれかの熱交換器において、または成形する場合、所望の滞留時間でガスが管を通るような長さを有する渦巻き管のような冷却および酸化手段において実現され得る。
別の実施形態において、一酸化窒素含有排ガスを冷却および酸化する手段は、ＮＯのＮＯ２への酸化を促進する酸化触媒を備えている。

Claims (9)

  1. 燃焼設備の煙道ガスから窒素酸化物を除去する方法であって、
    煙道ガスに添加されたアンモニアそれ自体またはその前駆体の形態のいずれかの存在下で、煙道ガスを窒素酸化物の選択的還元用触媒を有する１つもしくは複数のファブリックフィルターバッグに通すステップ；
    １つもしくは複数のファブリックフィルターバッグの上流で、二酸化窒素を含有する排ガスを煙道ガスに注入するステップ；
    酸化触媒の存在下で、アンモニアまたはその前駆体を酸素含有雰囲気下で触媒酸化して、一酸化窒素および酸素を含有する排ガスにするステップ、
    一酸化窒素および酸素を含有する排ガスを周囲温度まで冷却し、冷却された排ガス中の一酸化窒素を酸化して、二酸化窒素を含有する排ガスにするステップ
    により、二酸化窒素を含有する排ガスを得るステップ
    を含む、方法。
  2. 酸素含有雰囲気が煙道ガスを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 酸素含有雰囲気が周囲空気である、請求項１に記載の方法。
  4. 二酸化窒素含有排ガスが、窒素酸化物の選択的還元用触媒の入口で、窒素酸化物の４５～５５体積％が二酸化窒素になるような量で煙道ガスに注入される、請求項１～３のいずれか一つに記載の方法。
  5. 冷却された排ガス中の一酸化窒素の二酸化窒素含有排ガスへの酸化が、酸化触媒の存在下で行われる、請求項１～４のいずれか一つに記載の方法。
  6. 請求項１～５のいずれか一つに記載の方法における使用のためのシステムであって、
    煙道ガスダクト内に、窒素酸化物の選択的還元用触媒を有する１つもしくは複数のファブリックフィルターバッグを有するフィルターバッグハウス；
    １つもしくは複数のファブリックフィルターバッグまたはフィルターバッグハウスの上流に、アンモニアまたは尿素溶液の煙道ガスダクトへの注入のための注入手段；
    １つもしくは複数のファブリックフィルターバッグまたはフィルターバッグハウスの上流に、二酸化窒素含有排ガスの注入のための注入手段；ならびに
    煙道ガスダクトの外側に、
    アンモニア酸化触媒ユニット、および
    その出口端で二酸化窒素含有排ガスの注入のための注入手段に接続された、アンモニア酸化触媒ユニットから回収された一酸化窒素含有排ガスを冷却および酸化して二酸化窒素含有排ガスにするための手段
    を含む、システム。
  7. 一酸化窒素含有排ガスを冷却および酸化するための手段が、熱交換器である、請求項６に記載のシステム。
  8. 一酸化窒素含有排ガスを冷却および酸化するための手段が、渦巻き管である、請求項６に記載のシステム。
  9. 一酸化窒素含有排ガスを冷却および酸化するための手段が、酸化触媒を備えている、請求項６～８のいずれか一つに記載のシステム。
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