JP4995402B2 - ガス流中の窒素酸化物の選択的接触還元の装置系及び方法 - Google Patents

Description

本発明は炉での燃料の燃焼で生ずる煙道ガス中の窒素酸化物を接触的に還元するための装置系と方法に関する。

種々の工業プロセスでの燃料の燃焼ではしばしば望ましくない窒素の酸化物（ＮＯｘ）を生じ、それは通常一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ_２）の形態にある。高い燃焼温度はより多くのＮＯｘを生ずる傾向にある。ＮＯｘは環境にとって危険なので、燃料の燃焼を含む工業プロセスで生ずるガス、特に電力プラント、熱分解炉、焼却炉、内燃機関、冶金プラント、肥料プラント及び化学プラントから生ずるガス中のＮＯｘの放出を減少させる努力がなされている。

煙道ガスのＮＯｘ含量を選択的に減らす方法は公知である。一般に、これらの方法には、所望により触媒の存在下に、ＮＯｘを還元剤と反応させる方法が含まれる。アンモニアや尿素等の還元剤を用いるＮＯｘの選択的非接触還元（ＳＮＣＲ）では、たとえば約１６００〜２１００°Ｆ（８７１〜１１４９℃）といった比較的高温を必要とする。
また、ＮＯｘのアンモニアでの還元は、選択的接触還元（ＳＣＲ）として知られるプロセスで、たとえば約５００〜９５０°Ｆ（２６０〜５１０℃）といったより低い温度で接触的に行うことができる。

従来知られたＳＣＲ法と装置を用いる煙道ガスの処理での１つの問題はＮＯｘの十分な除去を達成するに要する設備の重量と容積が地上レベルに配する必要があるということである。多くの工業プラントでは公的規制が厳しくなるにつれてその規制に適合するためにＮＯｘ除去（脱ＮＯｘ）設備を改造することが求められる。しかしｄｅＮＯｘ系の物理的なかさ高さが原因して、煙道ガスを処理のために一旦地上レベルに迂回させ次いで大気への排気用に煙突にもどされねばならない。このようなシステムの高コストを避けるために、煙突に直接取りつけることが可能な比較的軽量の脱ＮＯｘユニットを提供することが望まれる。

本発明の目的は煙突に直接取りつけることが可能なＮＯｘユニットを提供することにある。

本発明によれば、炉ガス排出口と炉の燃焼域の間に配置される炉ガス流中の窒素酸化物の選択的接触還元用装置系であって、（ａ）前記燃焼域の下流に配置され、前記燃焼域に存在する炉ガス流を４００°Ｆ（２０４℃）を下回らない温度まで低減する上流側熱回収部、（ｂ）ガス流を前記炉ガス排出口に向けて移動させるために、前記上流側熱回収部の下流に位置するファン、（ｃ）前記ファンの下流に位置し、炉ガス流中の窒素酸化物を選択的に触媒還元するための反応器、（ｄ）前記反応器と前記炉ガス排出口の間に位置し、処理済ガス流の温度を低減する下流側熱回収部、からなり、前記反応器は、前記装置系内に取り付けられて、前記炉ガス流に還元剤を導入するインゼクタと、炉ガス流と接触すると、窒素酸化物濃度の低下した処理済ガス流をもたらす選択的接触還元用触媒を備え、前記上流側熱回収部と前記下流側熱回収部は、パイプで連結されて流体の移動が可能にされている、ことを特徴とする炉ガス流中の窒素酸化物の選択的接触還元用装置系が提供される。

以下、本発明を図面を参照して説明する。尚すべての量は「約」なる用語で変更しうるものである。また％は特に断りのない限り重量基準で示す。
「窒素酸化物」なる用語はＮＯ、ＮＯ_２、Ｎ_２Ｏ_４、Ｎ_２Ｏ及びそれらの適宜の混合物等の窒素の適宜の酸化物をいい、しばしば「ＮＯｘ」と表示する。

本発明のＮＯｘの選択的接触還元の装置系と方法では、好ましくは還元剤としてアンモニアを用いる。ＮＯｘは触媒の存在下にアンモニアと反応して次式（化学量論的バランスで示してはいない）に示すように窒素と水を生ずる：
ＮＯｘ＋ＮＨ_３→Ｎ_２＋Ｈ_２Ｏ

本発明の脱ＮＯｘの方法と装置系はＮＯｘ含有ガスを処理してそのＮＯｘレベルを低下させることを要する適宜の用途に用いうる。高レベルのＮＯｘを生ずる代表的な燃焼設備の例としては電力プラント、流体接触分解（ＦＣＣ）レゼネレータ、ガラス炉、熱分解炉等がある。本発明の脱ＮＯｘ法はエタン、プロパン、ナフサ等の飽和炭化水素供給原料からオレフィン（たとえばエチレン、プロピレン、ブチレン等）を生成する熱分解ユニットに特に好ましく用いられる。しかし、これに限らず望ましくないレベルのＮＯｘを含有するガスを発生する適宜の燃焼設備や方法に用いうるものである。

図１（Ａ及びＢ）において、気相脱ＮＯｘ反応器系１０が供給原料のクラッキング用に約２２００°Ｆ（１２０４℃）で操作される放射燃焼室をもつ２つの炉１１と１２を用いる熱分解系を対象に示されている。各炉はそれぞれの煙突を通って排出される煙道ガスを生ずる。典型的には、各煙突中の煙道ガスの流速は約１００，０００〜３００，０００ｌｂｓ／時である。この煙道ガスは典型的には次の成分を含有する：
窒素 ： ６０−８０ｖｏｌ％
酸素 ： １−４ ｖｏｌ％
水蒸気： １０−２５ｖｏｌ％
二酸化炭素： ２−２０ｖｏｌ％
窒素酸化物： ５０−３００ｐｐｍ

炉を出る煙道ガスの温度は典型的には約１８００°Ｆ（９８２℃）である。各煙突は対流部１３をもち、これは熱を煙道ガスから炉供給原料に移す熱交換器をもっている。煙道ガスは典型的には約２５０〜３５０°Ｆ（１２１〜１７７℃）の温度で通常の煙突系の対流部を出る。しかし、本発明の熱回収プロセスは、後記するように、約４００°Ｆ（２０４℃）を下回らない温度、好ましくは約４００〜５００°Ｆ（２０４〜２６０℃）の煙道ガス温度をもたらす。別々の煙道ガスを次いで一体化してファン１４によって脱ＮＯｘ系１０に移動させる。ファン１４は煙道ガスを脱ＮＯｘ系１０を通って移動させるために煙道ガスの圧力を増加させる。

図２において、ＮＯｘのＳＣＲ変換用の系１００は図１（Ａ及びＢ）に示す熱分解系等の炉系での使用を意図したものである。しかし、本発明の方法によれば、対流部１３が上流側熱回収部１３を示し、これが放射区分からの排出ガスを約４００°Ｆ（２０４℃）を下回らない温度、好ましくは約４００〜５００°Ｆ（２０４〜２６０℃）まで冷却するような構造とされる。この範囲は対流部中の冷却コイルを適切に配置したり、当業者に認められているように熱移動を調節する適宜の他の方法で達成しうる。約４００〜５００°Ｆ（２０４〜２６０℃）の煙道ガスは１以上のファン１４で反応器１０中に移動される。反応器にはアンモニア、尿素、アルキルアミン等の還元剤を煙道ガスに導入するためのインゼクション装置１８と煙道ガス中に存在するＮＯｘの選択的還元用の触媒を含有する触媒床１９をもつ。触媒床はたとえば放射流又は平行流構造をとりうると共に、粒状触媒、モノリス触媒又は少なくとも８５％のボイド空隙をもつメッシュ状支持体上に支持した微細加工した触媒（ＭＥＣ）を含有しうる。

ＭＥＣ触媒のメッシュ状支持体の例には繊維又はワイヤ、金属フェルト、金属ゲージ、金属繊維フィルター等が含まれ、また１層又は多層構造が含まれる。触媒は浸漬、スプレー等の種々のコーティング技術によってＮＯｘの所望の変換を達成するに必要な量がメッシュ上に被覆される。本発明に用いるに適するＭＥＣ触媒は２０００年７月３１日出願の同一出願人の米国特許出願に記載されている。本発明に用いるに適する反応器系は本願と同一の優先日をもつ米国特許出願第０９／７９３，４７１号（ＷＯ０２／０６８，０９６）、第０９／７９３，４８８号（ＷＯ０２／０６８，０９７）及び第０９／７９３，４４７号（ＷＯ０２／０６８，０９８）に記載されている。

反応器１０から出る処理済ガスの温度は入口ガスの温度とほぼ同じであり、通常約４００〜５００°Ｆ（２０４〜２６０℃）の範囲にある。ＳＣＲ変換反応の温度が高いほど触媒量は少なくてよい。それ故、ＮＯｘの所望の変換率を達成するために反応器系の寸法と重量のかなりの低下を低温よりも約４００〜５００°Ｆ（２０４〜２６０℃）の温度で反応器を操作することで達成できる。事実、反応器の寸法の減少は反応器が排出煙突内に位置し、対流部１３及びファン１４の上に位置することを可能にする。煙道ガス中のＮＯｘ含量の少なくとも約８５％、好ましくは少なくとも約９０％、より好ましくは少なくとも約９５％を還元することが好ましい。

本発明の装置系及び方法によれば、好ましくは接触反応器系１８の下流に下流側熱回収部１５が処理済ガスの温度を、好ましくは約２５０〜３５０°Ｆ（１２１〜１７７℃）に低下させるのに用いられる。
反応器１０を出た処理済ガスから回収した熱は図１（Ａ及びＢ）に示した熱分解系に用いることが好ましく、特に図２に示すように供給原料の予熱に用いることが好ましい。熱分解供給原料Ｆを予熱のために下流側熱回収部１５に導入する。熱回収部１５は１以上の熱交換チューブ１５ａをもつ。供給原料Ｆはチューブ１５ａを流れて反応器１０を出た処理済ガスからの熱を回収する。その後、供給原料Ｆはチューブ１５ａを流れて反応器１０を出たパイプ１５ｂを経て、さらなる予熱用に、上流側熱回収部、即ち対流部に運ばれる。供給原料は対流部１３’を出てラインＣを経て熱分解炉に運ばれる。温度を所望の温度に下げるための熱回収部１５の構造は当業者の技術常識内のものでよい。処理済ガスは系１００の出口１６を典型的には約２５０〜３５０°Ｆ（１２１〜１７７℃）の範囲の温度で出る。

本発明の装置系は煙突反応器をもつ既設の炉系の改装に有利である。煙突中に挿入されている反応器の下流の既存の対流系の小部分を動かすことによって、反応器の寸法を小さくしてこのような系の実用性を高めることができる。

以下に本発明の脱ＮＯｘ系と方法を実施例で例証する。

図２に示す本発明の装置系を、初期ＮＯｘ濃度１００ｐｐｍをもつ流速３６０，０００ｌｂｓ／時の煙道ガスを、対流部１３’を出るガスが約４２０°Ｆ（２１６℃）をもつように、対流部１３’を通過させた。この煙道ガスをファン１４で煙突内にある脱ＮＯｘ反応器１０に吹き込んだ。アンモニアを煙道ガスに導入し、たとえば少なくとも８５％のボイド空隙をもつメッシュ状支持体上に支持したＶ_２Ｏ_５／ＴｉＯ_２触媒等のＳＣＲ触媒を含有する触媒床を上記アンモニア含有ガスが通過したときＮＯｘの選択的接触還元を行うようにした。４２０°Ｆ（２１６℃）の操作温度で約１２ｍ^３の触媒を要した。反応器を出た処理済煙道ガスは反応器に入ったときとほぼ同じ温度をもち、ＮＯｘ含量は１０ｐｐｍであった。次いで処理済ガスは熱回収部１５に入り直ちにガス流の温度が熱交換により２５０〜３５０°Ｆ（１２１〜１７７℃）に低下し、その後出口１６を経て煙突から排出された。煙突からの排出時の処理ガスは処理前の煙道ガス中のＮＯｘ濃度に対しＮＯｘ含量が約９０％以上減少していた。

上記実施例とは異なり、対流部で煙道ガスの温度を約４００°Ｆ（２０４℃）、たとえば３５０°Ｆ（１７７℃）に下げる典型的な従来の装置系では、反応器は相対的に大きな触媒床容積、即ち約５４ｍ^３を必要とした。
上記の実施例に示した本発明によって達成される反応器の寸法低下は一般的に用いられている煙突系への煙突反応器の改装を他の高価なモディフィケーションの実用性の高い代替手段とすることを可能とする。
上記に本発明の好ましい態様を示したがこれらは例示であり本発明を制限するものではない。

煙突部に反応器を組み込んだ公知のタイプの炉系を示す概略説明図で、Ａは正面図、Ｂは側面図。 ＮＯｘのＳＣＲ変換用煙突系を示す概略説明図。

Claims (19)

1. 炉ガス排出口と炉の燃焼域の間に配置される炉ガス流中の窒素酸化物の選択的接触還元用装置系であって、
   （ａ）前記燃焼域の下流に配置され、前記燃焼域に存在する炉ガス流を４００°Ｆ（２０４℃）を下回らない温度まで低減する上流側熱回収部、
   （ｂ）ガス流を前記炉ガス排出口に向けて移動させるために、前記上流側熱回収部の下流に位置するファン、
   （ｃ）前記ファンの下流に位置し、炉ガス流中の窒素酸化物を選択的に触媒還元するための反応器、
   （ｄ）前記反応器と前記炉ガス排出口の間に位置し、処理済ガス流の温度を低減する下流側熱回収部、からなり、
   前記反応器は、前記装置系内に取り付けられて、前記炉ガス流に還元剤を導入するインゼクタと、炉ガス流と接触すると、窒素酸化物濃度の低下した処理済ガス流をもたらす選択的接触還元用触媒を備え、
   前記上流側熱回収部と前記下流側熱回収部は、パイプで連結されて流体の移動が可能にされている、
   ことを特徴とする炉ガス流中の窒素酸化物の選択的接触還元用装置系。
2. 触媒が粒子状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
3. 触媒がモノリスである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
4. 触媒がメッシュ状構造体に支持されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
5. メッシュ状構造体が繊維、ワイヤ、金属フェルト又は金属繊維フィルタからなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
6. 窒素酸化物の濃度を初期濃度の少なくとも８５％減少させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
7. 窒素酸化物の濃度を初期濃度の少なくとも９０％減少させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
8. 反応器が放射流反応器である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
9. 反応器が平行流反応器である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
10. さらに、（ｅ）窒素酸化物を含有する煙道ガス流を生じる炉を有する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
11. 炉が炉中に導入された飽和炭化水素供給原料からオレフィンを生成するための炭化水素分解路である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の装置系。
12. ファンが上流側熱回収部と下流側熱回収部の間にある、
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置系。
13. （ａ）請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の窒素酸化物の選択的接触還元用装置系を用意するステップ、
    （ｂ）上流側熱回収部において、炉煙道ガス流を４００°Ｆ（２０４℃）を下回らない温度まで冷却するステップ、
    （ｃ）ファンによって、前記炉煙道ガス流を反応器まで移動させるステップ、
    （ｄ）インゼクタによって、還元剤を前記炉煙道ガス流に導入するステップ、
    （ｅ）少なくとも１種の選択的接触還元用触媒の存在下において、４００°Ｆ（２０４℃）を下回らない温度で、前記還元剤と前記炉煙道ガス流中の窒素酸化物とを反応させて、窒素酸化物濃度の低下した処理済ガス流をもたらすステップ、
    （ｆ）下流側熱回収部において、前記処理済ガス流が有する熱を熱回収媒体に移動させて、前記処理済ガス流を冷却するステップ、及び、
    （ｇ）パイプを介して、前記下流側熱回収部の熱回収媒体を前記上流側熱回収部に送るステップを有する、
    ことを特徴とする炉煙道ガス中の窒素酸化物の選択的接触還元方法。
14. 窒素酸化物の濃度を初期濃度の少なくとも８５％減少させる、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 窒素酸化物の濃度を初期濃度の少なくとも９０％減少させる、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 炉内に導入した炭化水素供給原料を熱分解して、該炭化水素供給原料から少なくとも１のオレフィンを生成するステップをさらに含むとともに、処理済ガス流を冷却するステップ（ｆ）が処理済ガス流の温度を３５０°Ｆ（１７７℃）以上に冷却し、且つ該供給原料の炉への導入前に、処理済ガスからの熱を該供給原料に移す、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 炉煙道ガス流を冷却するステップ（ｂ）が炉に供給原料を導入する前に炉煙道ガスからの熱を供給原料に移すことを含む、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 還元剤がアンモニアである、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
19. 第１燃焼域及び第２燃焼域を備える炉の前記第１燃焼域及び前記第２燃焼域と炉ガス排出口との間に配置されて、炉ガス流中の窒素酸化物を還元する選択的接触還元用装置系であって、
    （ａ）前記第１燃焼域の下流に配置されて、前記第１燃焼域から出る炉ガス流を４００°Ｆ（２０４℃）を下回らない温度まで低減する第１上流側熱回収部、
    （ｂ）前記第２燃焼域の下流に配置されて、前記第２燃焼域から出る炉ガス流を４００°Ｆ（２０４℃）を下回らない温度まで低減する第２上流側熱回収部、
    （ｃ）前記第１上流側熱回収部及び前記第２上流側熱回収部の下流に配置されて、炉ガス流を前記炉ガス排出口に向けて移動させる少なくとも１基のファン、
    （ｄ）前記少なくとも１基のファンの下流に配置されて、炉ガス流中の窒素酸化物を選択的に接触還元する反応器、
    （ｅ）前記反応器の下流に位置し、前記第１上流側熱回収部と前記第２上流側熱回収部の間において、流体の移動を許容するために、配管止め具で前記第１上流側熱回収部及び／又は前記第２上流側熱回収部に接続される下流側熱回収部、からなり、
    前記反応器は、前記装置内に取り付けられ、前記炉ガス流に還元剤を導入するインゼクタと、炉ガス流と接触すると窒素酸化物濃度の低下した処理済ガス流をもたらす選択的接触還元用触媒を備える、
    ことを特徴とする炉ガス流中の窒素酸化物の選択的接触還元用装置系。

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