JPH1057766A

JPH1057766A - 触媒への反応ガスの供給方法

Info

Publication number: JPH1057766A
Application number: JP8220004A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kurihara; 博栗原
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1996-08-21
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 1998-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】有害物質を含有する排ガスの無害化。脱硝効
率の向上、触媒寿命の延長。【解決手段】反応ガス１を触媒７と反応させて脱硝処
理を行う。触媒７に反応ガス１を供給するに当たり、還
元ガス２を希釈空気５により希釈し、低周波発生機構６
により１０〜５０Ｈｚ且つ１〜２０ｋＰａの周波数およ
び音圧で振動させ、ノズル４から振動を付加した還元ガ
ス２を反応ガス１に噴射し、反応ガス１と還元ガス２と
を混合する。噴射によりガス混合効率が向上し、振動に
より、触媒反応が促進され、触媒毒により被覆された触
媒が再生され、触媒寿命が延長する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、熱プロセスから
排出されるガス中に含有する有害物質を触媒反応層によ
って無害化すると共に、触媒反応層に充填された触媒の
再生（賦活）を図ることができる触媒への反応ガスの供
給方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱プロセスから排出されるガス（「脱硝
処理反応ガス」、以下、「反応ガス」という）中に含有
する窒素酸化物等の有害物質を、触媒が充填された触媒
反応層によって無害化する（以下、「脱硝処理」とい
う）プロセスにおいて、触媒反応層は移動層、固定層ま
たは流動層によって形成するのが一般的である。触媒の
種類、形状および反応条件は、その目的および使用条件
等により決定される。

【０００３】触媒の反応効率を向上するための手段とし
ては、経済性を無視すれば、空間速度（ＳＶ）が小さく
なるように触媒量を増加しおよび反応ガス流量を減少す
るなどの対策や、高活性の触媒の選択および反応温度の
上昇等があげられる。しかしながら、これらの中でも、
実際は可能な限り、高ＳＶ（空間速度）、低温反応およ
び安価触媒の選択を指向するのは当然である。また、限
られた触媒反応条件においては、触媒反応層内でのガス
流れの均一化、反応ガスへの還元剤（ＮＨ₃（アンモニ
ア）等）の混合および該還元剤の均一混合、並びに、触
媒活性面の清浄化などの対策が考えられる。

【０００４】特に、従来の設備では触媒反応層内でのガ
ス流れの均一化が重要である。その理由は、該反応層の
形状や触媒の規模にも依るが、反応ガスの不均一流れが
局部的な吹き抜け現象等を生じ、そのため、系全体の触
媒反応効率を低下させる原因となるためである。

【０００５】これらの課題を解決するために、ガス流れ
に圧力損失を持たせて整流する方法が提案されている。
特開昭５１−１２６９７６号公報には、触媒反応層の形
状を屏風型に組合せて整流する、図５、図６に示すよう
な方法が開示されている。図５は従来の触媒反応層の一
例を示す水平横断面図、図６は垂直縦断面図である。図
５、図６に示すように、触媒（触媒反応層）７を反応ガ
ス１の流れに直交させて配し、更に、偏流防止のために
屏風型（Ｗ型）に形成し、これにより、ガス流れに圧力
損失を持たせ整流を行う。触媒槽８においては、屏風型
の触媒（触媒反応層）７に反応ガス１が導入され、該反
応層内に充填された触媒７によって有害物質の無害化
（脱硝処理）が図られる。触媒（触媒反応層）７の形状
をＷ形にすることにより、また、２段に設けたりするこ
と等によりガス流れの均一化が図られる。更に、整流板
１５を使用する方法も一般的であり、大型設備の触媒反
応層のガス偏流防止対策として使用されている（以下、
「先行技術１」という）。

【０００６】先行技術１によれば、、触媒（触媒反応
層）の形状を上記のように改善することにより、供給さ
れた反応ガスの動圧の影響が分散且つ抑制され、恰も圧
力損失を高め、均圧効果を生じたと同様な作用がもたら
される。この技術は前記の特開昭５１−１２６９７６号
公報や特開昭５２−１４５８２号公報に提案されてい
る。

【０００７】触媒反応条件を考えることなく触媒の反応
効率を向上する手段として、特開平４−１１４７３３号
公報に、図７に示すような低周波を利用する技術（触媒
反応の促進方法、装置）が提案されている。これは図７
に示すように、反応ガス１を触媒反応層に充填された触
媒７に導入し、有害物質の無害化を行なうプロセスにお
いて、低周波発生機構（振動機構）６によって発生させ
た低周波を反応ガス１に付加して触媒反応を促進させる
方法である。また、この反応ガス１が触媒７に供給され
る前に、還元ガス２が反応ガス１に供給される（以下、
「先行技術２」という）。

【０００８】先行技術２は、触媒反応界面での反応ガス
滞留時間の延長、実質レイノズル数の上昇等の効果によ
り、触媒反応を促進するものであるとされている。しか
しながら、触媒反応では低周波振動媒体（還元ガス）の
反応ガス中への混入を回避する場合もある。

【０００９】更に、還元剤の混合においては、硝酸反応
におけるＮＯ_Xと還元剤（ＮＨ₃等）との混合の均一性
も重要な課題であり、触媒効率に直接影響する因子であ
る。図８〜１０は、反応ガス中へ還元ガスを混入する方
法に係る代表的な装置の一例を示す図面である。図８〜
１０に示すように、還元ガス１を単独のまままたは希釈
空気５を混合した後、ダクト３内に設置された複数の吹
き込みランス１６から供給する。このランス１６にはデ
フューザ１７を備えたラッパ形状をなすノズル１８がダ
クト３の深さ方向に配列してあり、個々のノズル１８の
位置および方向も、千鳥状としたり、噴出方向を変える
等により、混合促進を配慮した構造となっている。ダク
ト３内において反応ガス１に随伴しつつ還元ガス２は混
合され、触媒（触媒反応層）７へ送られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先行技
術においては、以下の問題を有している。反応ガス中のダストおよび析出触媒等の不純物は、
ガス流れの動圧影響を受け、触媒反応層に偏って付着
し、更に、触媒層の圧損増加はガス処理コストの上昇に
つながる。

【００１１】触媒の反応層内の偏析は、ガス流通の
バラツキの原因となり、触媒反応層を形成する際、偏析
防止策を講ずる必要がある。しかしながら、触媒使用中
の破損および崩壊等で充填密度が層内で変化することが
あり、ガスの吹き抜け等の問題が生ずる。

【００１２】先行技術３は脱硝の場合反応ガス中
へ、還元剤を添加する方法として、ＮＨ₃吹き込みノズ
ルを排ガスダクト中に置き、マルチノズルによって噴射
する技術であるが、高速ガス流れの中にノズルを置く
と、ダクト中のガス流れが著しく乱れるため、還元ガス
の混合性が阻害される。その結果、触媒反応層を通過す
る反応ガス量が反応層の各部で異なり、トータルの反応
率が低下する。更に、ＮＨ ₃／ＮＯモル比と脱硝率との
関係は非線形な特性を示す。

【００１３】また、触媒反応界面での付着を避ける
ために、ハニカム形状や、流動層触媒の形式がとられる
が、反応層の大型化、触媒活性表面積の減少、触媒成分
の剥離等の問題が残る。

【００１４】反応ガス中のＮＨ₃／ＮＯ_Xモル比
が、混合不良だと不適正な状態で触媒層に導かれ、即
ち、過剰供給の部分ではスリップＮＨ₃（反応しない無
駄なＮＨ ₃）の増加、一方、供給不足では還元反応源無
しとなり、その結果系トータルの反応効率を低下させる
ことになる。

【００１５】このように、触媒反応、活性低下の要因と
しては、ガス流れの偏り、ダスト等による触媒活性面の
被覆、および、ガス流れによる活性表面のガス境膜抵抗
（境膜内のガス拡散）等が挙げられる。また、触媒作用
に必要な還元（または酸化）剤と反応ガスとの混合性も
重要な因子となる。

【００１６】従って、この発明の目的は、熱プロセスか
ら排出されるガス中に含有する有害物質を無害化する工
程における上述の課題に対し、（１）触媒反応率の低下
に対し、反応層形状の複雑化をせず、充填量増加や反応
温度上昇等といった触媒反応条件の緩和をすることなく
その反応率の維持および向上を図り、（２）経時的な触
媒反応面の状態変化（触媒毒の付着、溶解および変質
等）に対し、安定な触媒活性を維持し、（３）触媒活性
界面におけるガス境膜内のガス拡散の促進を図り反応率
を向上し、（４）反応ガス中でのＮＨ₃／ＮＯモル比の
混合率を適正化し、ＮＨ₃スリップを抑制する、等を図
ることができる、触媒への反応ガスの供給方法を提供す
ることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
触媒に反応ガスを供給し、前記反応ガスと前記触媒とを
反応させて前記反応ガスの脱硝処理を行う触媒への反応
ガスの供給方法において、前記反応ガスを振動させるた
めの振動機構を設け、触媒に前記反応ガスを供給すると
共に、前記反応ガスを１０〜５０Ｈｚ且つ１〜２０ｋＰ
ａの周波数および音圧で振動させて、触媒毒により被覆
された前記触媒を再生することに特徴を有するものであ
る。

【００１８】請求項２記載の発明は、触媒に反応ガスを
供給し、前記反応ガスと前記触媒とを反応させて前記反
応ガスの脱硝処理を行う触媒への反応ガスの供給方法に
おいて、還元ガスを前記反応ガスに噴射するための噴射
ノズルおよび前記還元ガスを振動させるための振動機構
を設け、１０〜５０Ｈｚ且つ１〜２０ｋＰａの周波数お
よび音圧で振動させた前記還元ガスを前記ノズルから前
記反応ガスに噴射し、前記還元ガスが混合された前記反
応ガスによって触媒毒により被覆された前記触媒を再生
することに特徴を有するものである。

【００１９】請求項３記載の発明は、前記ノズルの噴射
角度を、前記反応ガスの流れ方向と直交する角度から前
記反応ガスの流れの下流側に３０°の角度までの範囲内
に設定し、且つ、前記ノズルから噴射される前記還元ガ
スのモーメンタムフラックスを前記反応ガスのモーメン
タムフラックスの０．８〜２．０倍の範囲に設定するこ
とに特徴を有するものである。

【００２０】還元ガス（ＮＯ_X還元剤であるＮＨ₃ガ
ス）を供給する噴射ノズルの噴射角度を、反応ガスの流
れと直交する角度から前記反応ガスの流れの下流側に３
０°までの範囲内の角度、好ましくは１５°の角度に設
定することにより、反応ガスの流れを乱すことなく両ガ
スを均一混合させることができる。

【００２１】反応ガス中のＮＯ_X等の濃度変化に対し、
還元ガスの投入量も変化するので、１０〜５０Ｈｚ且つ
１〜２０ｋＰａの周波数および音圧（以下、「低周波」
という）の発生、噴射の運動エネルギーを必要レベルに
維持すべく希釈空気量によって調整する。

【００２２】反応ガス中に噴射された還元ガスは、それ
自体が低周波駆動媒体であり、低周波振動しつつ反応ガ
ス中に投入され、乱流拡散を生じ混合を促進させる。ま
た、反応ガス中のＮＯ_Xとの混合が促進され、どの部分
でも適正なモル比が形成される。

【００２３】反応ガス中に付加された低周波によって触
媒が再生（賦活）される。即ち、その振動エネルギーで
触媒界面に付着したダスト、触媒毒等を剥離させ、活性
面を清浄化する。その結果、触媒活性表面への触媒被毒
物質の滞留、溶解影響が減少し、触媒能力が維持でき、
触媒寿命が延長する。

【００２４】触媒反応界面近傍に形成されるガス境膜を
低周波のエネルギーで振動させて境膜成長を抑制し、更
に、還元ガスの拡散速度を上昇することによって化学反
応が促進される。また、触媒界面の熱伝達が促進され、
触媒反応率が向上する。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、この発明の実施の形態を図
面を参照しながら説明する。図１は、この発明の反応ガ
スの供給方法の一実施態様に係る装置を示す垂直縦断面
図、図２はノズルの取付状況を説明する側面図、図３は
正面図である。

【００２６】図面に示すように、反応ガス１は、触媒槽
８内に装入された触媒７に排ガスダクト３を介して供給
され、触媒槽８の反対側から排出されるようになってい
る。ダクト３の外側には、還元ガス２および希釈空気５
の供給機構、および、低周波発生機構（振動機構）６が
設けられている。ダクト３の途中には、複数（本実施態
様では２基）のノズル４が、図２、図３に示すようにダ
クト３内に装入（突出）しないように取り付けられてい
る。ノズル４としては、噴射ノズル機構と低周波共鳴管
とを兼用する共鳴管兼用ノズルを用い、ノズル個々は低
周波発生機構を有しない構造となっている。還元ガス２
の導管１９は、図１に示すように低周波発生機構６の下
流で分岐されて個々のノズル４に送られるようになって
いる。導管１９は図１中の※印の部位で連通している。

【００２７】還元ガス（ＮＯ_X還元剤のＮＨ₃ガス）２
は低周波発生機構６の手前で希釈空気５により希釈さ
れ、更に、低周波発生機構６によって所定の周波数およ
び音圧が付加され、そして、このように周波数および音
圧が付加された還元ガス２は、ノズル４から反応ガス１
に噴射され両ガスは混合される。

【００２８】図２、図３に示すように、還元ガス２は、
ダクト３の外周からその半径方向の中心に向かって２基
以上のノズル４から反応ガス１中に供給される。ノズル
４の噴射角度は、反応ガス１の流れ方向（ダクト３の長
手方向と同方向）と直交する角度（図２中に０°で表
示）から反応ガス１の流れの下流側に３０°の角度（図
２中にθで表示）の範囲内に設定する。この角度に設定
することにより、還元ガス２が効率よく反応ガス１に混
合する。このように、ダクト３内の高速な反応ガス１の
流れへの反応ガス２の混合は、前記のようにノズル４を
ダクト３内に装入しない構造とし、且つ、ダクト３の中
心に向かって噴射する方法が、最も均一混合性に優れて
いる。ノズル４からの還元ガス２の噴射角を旋回流等と
すると、却って流れが乱れ、混合が阻害される。

【００２９】ノズル４から噴射される還元ガス２のモー
メンタムフラックスは、反応ガス１のモーメンタムフラ
ックスの０．８〜２．０倍の範囲とすべきである。モー
メンタムフラックスは、（流体の密度）＊（流速の２
乗）で表す流体の運動エネルギー指数である。還元ガス
２のモーメンタムフラックスが、反応ガス１のそれの
０．８〜２．０倍を外れると、即ち、還元ガス２のモー
メンタムフラックスが反応ガス１のそれの０．８倍未満
では、還元ガスの吹き込みエネルギーが不足する為、還
元ガスは処理ガスの内部まで拡散混合しない。一方、
２．０倍超では、還元ガスの噴流が処理ガス流線を突き
破り、流れを乱す為、却って還元ガスの混合が阻害され
る。

【００３０】希釈空気５による還元ガス２の希釈割合
は、還元ガス２の１０〜２０倍が適当である。還元ガス
２は空気によって希釈され、図１に示す低周波発生機構
６により振動を付加されて振動付加還元ガス（低周波駆
動媒体）として機能する。付加される振動の周波数およ
び音圧は、１０〜５０Ｈｚ且つ１〜２０ｋＰａの範囲内
とすることが望ましい。還元ガス２は、その振動を反応
ガス１に伝播しつつ混合促進され、触媒（触媒反応層）
７に搬送される。低周波の効果的な領域は、上記の範囲
が望ましく、より好ましい周波数レベルは２０〜３０Ｈ
ｚである。

【００３１】周波数が２０Ｈｚ未満では、触媒反応層内
での振動作用回数が減少する。周波数が３０Ｈｚ超で
は、触媒反応層内での減衰となる。音圧が１ｋＰａ未満
では、触媒浄化作用が不足する。

【００３２】音圧が２０ｋＰａ超では、低周波形成エネ
ルギーの増大となる。低周波の設定範囲は、触媒浄化効
果および低周波形成の為の経済性を考慮して、範囲を決
定する。低周波の波及効果（触媒反応層への）、経済性
等から決定される。付加される振動が、１０〜５０Ｈｚ
且つ１〜２０ｋＰａの振動数および音圧を外れると、上
述の作用に所望の効果が得られない。

【００３３】ノズル４の先端部は、ストレートまたはな
だらかなホーン型とする。ストレートまたはホーン型
は、流体の噴出抵抗が少なく、音波減衰が少ない構造で
あり、このような形状とすることにより、還元ガス２を
ストレート噴流でダクト３内の反応ガス１に噴射可能で
ある。

【００３４】図４は、図１〜図３に示す装置を製鉄所の
焼結排ガス脱硝プロセスに組み込み、この発明の反応ガ
スの供給方法を実施した実施例を示す系統図である。反
応ガス１は熱プロセスである焼結設備９から発生し、集
塵機１０、脱硫設備１１を通過し、以下の脱硝処理設備
に送られる。

【００３５】脱硝処理設備において、反応ガス１は熱交
換器１２において高温の脱硝処理済みガス１３と熱交換
し、昇温され更に脱硝反応温度になるよう排ガス加熱炉
１４で加熱された燃焼ガスと混合される。

【００３６】反応温度に達した反応ガス１が排ガスダク
ト３を通過中に、ノズル４から噴射された還元ガス２が
反応ガス１に噴射される。還元ガス２は、ＮＨ₃ガスと
空気とが混合された媒体であり、１０〜５０Ｈｚ且つ１
〜２０ｋＰａの振動数および音圧の低周波が付加されて
いる。そして、この低周波が付加された還元ガス２と混
合された反応ガス１は、触媒反応層内に充填された触媒
７に導かれる。触媒（触媒反応層）７まで伝播した低周
波は、触媒７の表面において振動エネルギーによって脱
硝反応促進および触媒再生、即ち、触媒毒の剥離および
除去、ならびに、ガスと触媒との間の伝熱促進をもたら
す。

【００３７】

【実施例】次に、この発明を実施例によって説明する。
図４に示す製鉄所の焼結排ガス脱硝プロセスにおいて、
本発明方法によって燃焼排ガスを供給し脱硝処理を実施
した。付加振動は、１０〜５０Ｈｚ且つ１〜２０ｋＰａ
の周波数および音圧、ノズルの噴射角度は、反応ガスの
流れ方向と直交する角度から前記反応ガスの流れの下流
側に３０°の角度の範囲内、および、ノズルから噴射さ
れる還元ガスのモーメンタムフラックスを反応ガスのそ
れの０．８〜２．０倍の範囲に設定した。

【００３８】実施（操業）条件は下記の通りであった。反応ガス流量：１２００ｋＮｍ³／ｈ、還元ガス（ＮＨ₃）流量：２００Ｎｍ³／ｈ、脱硝反応温度：３５０〜３７０℃、ＳＶ（空間速度）：３５００（ｈ^-1）ここで、ＳＶ＝（処理ガス流量）／（触媒容積）、ＮＯ_X低減目標値：２００ｐｐｍ、ＮＨ₃／ＮＯモル比：１．２また、図５、図６に示した従来の装置によって実施例と
同条件で脱硝処理を実施し、実施例と比較した。

【００３９】実施例の結果を、下記（１）〜（４）に示
す。（１）反応ガスの触媒反応層入り口でのＮＨ₃濃度分布
が設定濃度とほぼ一致し、そのバラツキは設定濃度に対
して±１０％以内と僅かであった。（２）脱硝効率が比較例に比べ５〜７％向上した。（３）触媒反応層出口スリップＮＨ₃濃度が比較例に比
べ１０〜１４ｐｐｍ低下し、混合率が適正化した。（４）触媒再生作用により、触媒（触媒反応層）の圧損
増加が２０％以下に抑制された。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、有害物質を含有する排ガスの無害化において、触媒
反応による脱硝効率が向上し、従来考慮されなかった触
媒の再生効率が向上し、触媒寿命が延長し、触媒再生コ
ストが削減し、触媒活性の維持および向上を図ることが
でき、かくして、工業上有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の反応ガスの供給方法の一実施態様に
係る装置を示す垂直縦断面図である。

【図２】ノズルの取付状況を説明する側面図である。

【図３】ノズルの取付状況を説明する正面図である。

【図４】この発明の反応ガスの供給方法を製鉄所の焼結
排ガス脱硝プロセスにおいて実施した実施例を示す系統
図である。

【図５】従来の触媒反応層の一例を示す水平横断面図で
ある。

【図６】従来の触媒反応層の一例を示す垂直縦断面図で
ある。

【図７】従来の低周波の触媒反応への利用技術を示す系
統図である。

【図８】反応ガス中へ還元ガスを混入する方法に係る代
表的な装置の一例を示す側面断面図である。

【図９】反応ガス中へ還元ガスを混入する方法に係る代
表的な装置の一例を示す正面断面図である。

【図１０】反応ガス中へ還元ガスを混入する方法に係る
代表的な装置のノズルおよびデフェーザを示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１反応ガス２還元ガス３排ガスダクト４ノズル５希釈空気６低周波発生機構７触媒８触媒槽９焼結設備１０集塵機１１脱硫設備１２熱交換器１３脱硝処理済みガス１４加熱炉１５整流板１６ランス１７デフューザ１８ノズル１９導管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】触媒に反応ガスを供給し、前記反応ガス
と前記触媒とを反応させて前記反応ガスの脱硝処理を行
う触媒への反応ガスの供給方法において、前記反応ガス
を振動させるための振動機構を設け、触媒に前記反応ガ
スを供給すると共に、前記反応ガスを１０〜５０Ｈｚ且
つ１〜２０ｋＰａの周波数および音圧で振動させて、触
媒毒により被覆された前記触媒を再生することを特徴と
する触媒への反応ガスの供給方法。
【請求項２】触媒に反応ガスを供給し、前記反応ガス
と前記触媒とを反応させて前記反応ガスの脱硝処理を行
う触媒への反応ガスの供給方法において、還元ガスを前
記反応ガスに噴射するための噴射ノズルおよび前記還元
ガスを振動させるための振動機構を設け、１０〜５０Ｈ
ｚ且つ１〜２０ｋＰａの周波数および音圧で振動させた
前記還元ガスを前記ノズルから前記反応ガスに噴射し、
前記還元ガスが混合された前記反応ガスによって触媒毒
により被覆された前記触媒を再生することを特徴とする
触媒への反応ガスの供給方法。
【請求項３】前記ノズルの噴射角度を、前記反応ガス
の流れ方向と直交する角度から前記反応ガスの流れの下
流側に３０°の角度までの範囲内に設定し、且つ、前記
ノズルから噴射される前記還元ガスのモーメンタムフラ
ックスを前記反応ガスのモーメンタムフラックスの０．
８〜２．０倍の範囲に設定することを特徴とする請求項
２記載の触媒への反応ガスの供給方法。