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触媒への反応ガスの供給方法 - 日本鋼管株式会社
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発明の名称 触媒への反応ガスの供給方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−57766
公開日 平成10年(1998)3月3日
出願番号 特願平8−220004
出願日 平成8年(1996)8月21日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】潮谷 奈津夫
発明者 栗原 博
要約 目的


構成
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、10〜50Hz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。
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NOX 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、NH3 /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 /NOX 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NH3 )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1〜20kPa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(NOX 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30°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NOX 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NOX 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(NOX 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20〜30Hz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)、NOX 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。




 

 


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