JP5911350B2 - Exhaust gas purification method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、尿素を還元剤として燃焼排ガス中に供給して、脱硝触媒の存在下に排ガス中の窒素酸化物を接触還元する排ガス浄化方法および装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification method and apparatus for supplying urea into a combustion exhaust gas as a reducing agent and catalytically reducing nitrogen oxides in the exhaust gas in the presence of a denitration catalyst.
燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)は、人間の健康および環境を損なう恐れがあることから、極力低減することが求められている。燃焼排ガス中の窒素酸化物の除去方法として、排ガスにアンモニアを添加し、酸化チタン担体にバナジウムを担持した触媒に通じて、窒素酸化物とアンモニアとを反応させて窒素として無害化する方法が知られている(特許文献1)。この方法は、アンモニアを還元剤とする選択接触還元法(アンモニア脱硝法)として、火力発電所や都市ゴミ焼却場などで幅広く用いられている。 Nitrogen oxides (NOx) contained in the combustion exhaust gas are required to be reduced as much as possible because they may damage human health and the environment. As a method for removing nitrogen oxides from combustion exhaust gas, a method is known in which ammonia is added to the exhaust gas and passed through a catalyst in which vanadium is supported on a titanium oxide carrier, and nitrogen oxide and ammonia are reacted to detoxify nitrogen. (Patent Document 1). This method is widely used as a selective catalytic reduction method (ammonia denitration method) using ammonia as a reducing agent in thermal power plants and municipal waste incineration plants.
アンモニアは臭気が強く、有害性もあることから、大量に漏洩した場合には災害につながる恐れがある。そこで、小規模の施設にも適用できる、より安全な還元剤が求められ、水溶液の状態では安定であり、高温の排ガス中では速やかに分解してアンモニアを生成する尿素を還元剤とする尿素脱硝法が開発された(非特許文献1)。これにより、コージェネレーションなどの分散型発電装置でもアンモニアを還元剤とする選択接触還元法が普及しつつある。 Ammonia has a strong odor and is harmful, so if it leaks in large quantities, it may lead to a disaster. Therefore, a safer reducing agent that can be applied to small-scale facilities is required, urea denitration using urea as a reducing agent, which is stable in an aqueous solution and rapidly decomposes in high-temperature exhaust gas to produce ammonia. A method was developed (Non-Patent Document 1). As a result, a selective catalytic reduction method using ammonia as a reducing agent is becoming widespread even in distributed power generation devices such as cogeneration.
尿素は、式1の加水分解反応により、尿素1分子から2分子のアンモニアと1分子の二酸化炭素を生成する。しかし実用的に許される時間内で尿素が完全に分解するには、気相では400℃以上の温度が必要である(非特許文献1、2)。触媒上ではこれよりも低い温度で分解することも知られているが、低温ではその速度は非常に遅くなって実用的な脱硝性能が得られないことから、200℃以下では尿素水の噴霧を停止して、脱硝を行わないようにしているのが現実である(特許文献2)。
Urea generates two molecules of ammonia and one molecule of carbon dioxide from one molecule of urea by the hydrolysis reaction of
(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2(式1) (NH 2 ) 2 CO + H 2 O → 2NH 3 + CO 2 (Formula 1)
一般に内燃機関の排ガスでは、排ガス温度が200℃以下となることは少ないのに対し、工業炉などでは、運転条件によっては排ガス温度が低くなる場合がある。近年は、産業分野の省エネルギーと炭酸ガス排出削減の観点から工業炉の排熱回収は極限まで進んでおり、排ガス温度が200℃以下となる場合もある。このような低温の排ガスに尿素脱硝法を適用するための方策は確立されていないのが実情である。 In general, exhaust gas from an internal combustion engine rarely has an exhaust gas temperature of 200 ° C. or lower, whereas in an industrial furnace or the like, the exhaust gas temperature may be low depending on operating conditions. In recent years, exhaust heat recovery in industrial furnaces has progressed to the limit from the viewpoint of energy saving in the industrial field and reduction of carbon dioxide emission, and the exhaust gas temperature may be 200 ° C. or lower. The actual situation is that a method for applying the urea denitration method to such low-temperature exhaust gas has not been established.
還元剤としてアンモニアを用いる場合において、起動時に適正な脱硝効果を得るために、脱硝装置に流入する排ガスの温度を測定する温度センサと、前記温度センサによる測定温度が、前記脱硝装置が所定の脱硝性能を発揮するのに必要な温度である性能温度以上になると前記脱硝装置を起動する処理手段とを備えた脱硝装置の制御装置は知られている(特許文献2)。しかし、この文献は、200℃以下の温度領域で尿素を還元剤として脱硝を行う際の上述の問題点に対する対策を、何ら教示するものとはなっていない。 In the case of using ammonia as a reducing agent, in order to obtain an appropriate denitration effect at the time of start-up, a temperature sensor that measures the temperature of exhaust gas flowing into the denitration device, and a temperature measured by the temperature sensor are determined by A control device for a denitration apparatus that includes a processing means for starting the denitration apparatus when the temperature is equal to or higher than a performance temperature that is necessary for exhibiting performance is known (Patent Document 2). However, this document does not teach any countermeasure against the above-mentioned problems when performing denitration using urea as a reducing agent in a temperature range of 200 ° C. or lower.
アンモニアが脱硝触媒上に吸着することを踏まえて、排ガス量や温度の変動に応じて、触媒上の吸着アンモニアまで考慮して還元剤の供給量を制御する方法についても、いくつか提案されている(特許文献3〜6)。しかし、これらも触媒上の吸着アンモニア量が、低温ほど大きくなるという知見に基づくのみで、200℃以下の温度領域で尿素を還元剤として脱硝を行う際の上述の問題点や対策については、何ら教示していない。
Based on the fact that ammonia is adsorbed on the denitration catalyst, several methods have also been proposed for controlling the amount of reducing agent supplied in consideration of the amount of adsorbed ammonia on the catalyst according to fluctuations in the exhaust gas amount and temperature. (
上記のように、従来は、実質的に200℃以下の低温において尿素を還元剤として窒素酸化物の接触還元を行う方法は確立していない。
発明者は、実験的および理論的検討を進めたところ、200℃以下の低温でも、触媒上に吸着した尿素は徐々に分解するため、尿素水を用いて窒素酸化物を接触的に還元できることを見出した。ただし、その分解速度がきわめて遅く、かつ分解速度の温度依存性が大きいために、温度が変動する条件では、リークアンモニアが増大したり、脱硝率が著しく低下したりする問題がある。
As described above, conventionally, a method for performing catalytic reduction of nitrogen oxides using urea as a reducing agent at a low temperature of substantially 200 ° C. or lower has not been established.
The inventor has advanced experimental and theoretical investigations. As a result, urea adsorbed on the catalyst is gradually decomposed even at a low temperature of 200 ° C. or lower, so that nitrogen oxides can be catalytically reduced using urea water. I found it. However, since the decomposition rate is extremely slow and the temperature dependency of the decomposition rate is large, there is a problem that leaked ammonia increases or the denitration rate decreases significantly under conditions where the temperature fluctuates.
すなわち、従来の排ガス浄化方法は、尿素の反応性が高い高温域の排ガスに適用した場合に有効に働くと考えられるが、尿素の反応性が低い低温域の排ガスに尿素を添加しても、直ちには有効な脱硝効率が得られず、しかも、排ガスの温度が上昇すると、アンモニアが未反応のまま放出されることがあるという問題点があった。 That is, the conventional exhaust gas purification method is considered to work effectively when applied to high temperature exhaust gas with high urea reactivity, but even if urea is added to low temperature exhaust gas with low urea reactivity, Immediately, effective denitration efficiency could not be obtained, and when the temperature of the exhaust gas rose, there was a problem that ammonia might be released unreacted.
そこで、本発明は、たとえば200℃以下の低温においても、尿素を還元剤として窒素酸化物の接触還元を行う際に、排ガス温度や排ガス流量などの運転条件が変動する場合でも、十分な脱硝率を得るとともに、未反応のまま放出されるアンモニア(リークアンモニア)を極力低減することのできる排ガスの浄化方法および装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a sufficient denitration rate even when operating conditions such as exhaust gas temperature and exhaust gas flow fluctuate when performing catalytic reduction of nitrogen oxides using urea as a reducing agent even at a low temperature of 200 ° C. or lower. It is another object of the present invention to provide an exhaust gas purification method and apparatus that can reduce ammonia (leak ammonia) that has been unreacted as much as possible.
本発明者らが上述の問題点について解析を進めたところ、次のような状況があきらかになった。 When the inventors proceeded with the analysis on the above-mentioned problems, the following situation became clear.
排ガス温度(あるいは触媒の表面温度)が一定であれば、触媒上に一定の尿素が堆積していき、その分解による減少量と供給量が均衡する尿素堆積量に達した時点で脱硝率は一定となる。
ここで、排ガスの温度が低い場合、尿素の分解速度が減少するため、還元剤となるアンモニアの生成量が不足して、脱硝率が低下する。
この状態が維持されると、時間の経過とともに、低下後の温度において分解による減少量と供給量が均衡する量まで尿素堆積量が増加する。
If the exhaust gas temperature (or the surface temperature of the catalyst) is constant, a certain amount of urea will be deposited on the catalyst, and the denitration rate will be constant when the amount of urea deposited reaches a balance between the reduction amount and the supply amount due to its decomposition. It becomes.
Here, when the temperature of the exhaust gas is low, the decomposition rate of urea decreases, so that the amount of ammonia that becomes a reducing agent is insufficient, and the denitration rate decreases.
If this state is maintained, the urea deposition amount increases to the amount where the decrease amount due to decomposition and the supply amount are balanced at the temperature after the decrease as time elapses.
このことから、排ガス温度が低下しても、触媒上における尿素の堆積により、やがて脱硝率は回復するものの、尿素の堆積を待つ期間は、脱硝率が低下して、尿素を添加しても直ちには充分な脱硝が行えないことになる。 Therefore, even if the exhaust gas temperature decreases, the NOx removal rate will eventually recover due to the urea deposition on the catalyst. Therefore, sufficient denitration cannot be performed.
一方、触媒上における尿素の堆積量が増加した状態から排ガス温度が上昇した場合には、尿素分解速度が急激に増しはじめ、触媒に堆積した尿素が急激に分解を開始して、窒素酸化物との反応に必要な量以上のアンモニアが生成することになる。 On the other hand, when the exhaust gas temperature rises from a state in which the amount of urea deposited on the catalyst has increased, the urea decomposition rate begins to increase rapidly, and the urea deposited on the catalyst begins to decompose rapidly, More ammonia than necessary for this reaction is produced.
すなわち、このようにして生成したアンモニアは、脱硝反応に寄与しないため排ガス温度の上昇がリークアンモニアの発生につながっていたのである。 That is, since the ammonia produced in this way does not contribute to the denitration reaction, the rise in the exhaust gas temperature has led to the generation of leaked ammonia.
具体的な実例で説明すると、市販のアンモニア脱硝触媒(TiO2担体に活性成分として酸化バナジウムおよび酸化タングステンが担持されている)を用いた場合の、尿素の分解速度は図1の通りであつた。250℃では、2分以内に尿素は分解するが、200℃では11分、170℃では45分程度を要することになる。すなわち、170℃および200℃においては、それぞれ45分間および11分間の尿素供給量に相当する尿素が堆積して、脱硝率が平衡に達することになる。したがって、排ガス温度が170℃から200℃に数分間で上昇した場合には、大量のアンモニアがリークする。一方、排ガス温度が200℃から170℃に数分間で下降した場合には、数10分間は脱硝率が低下した状態が継続することになる。 Explaining with specific examples, the decomposition rate of urea in the case of using a commercially available ammonia denitration catalyst (supporting vanadium oxide and tungsten oxide as active components on a TiO 2 carrier) is as shown in FIG. . At 250 ° C, urea decomposes within 2 minutes, but at 200 ° C it takes 11 minutes and at 170 ° C it takes about 45 minutes. That is, at 170 ° C. and 200 ° C., urea corresponding to the urea supply amount for 45 minutes and 11 minutes is deposited, and the denitration rate reaches equilibrium. Therefore, when the exhaust gas temperature rises from 170 ° C. to 200 ° C. within a few minutes, a large amount of ammonia leaks. On the other hand, when the exhaust gas temperature falls from 200 ° C. to 170 ° C. in a few minutes, the state in which the denitration rate is reduced continues for several tens of minutes.
〔構成1〕
以上の知見に基づいて完成された前記目的を達成するための本発明の排ガス浄化方法の特徴構成は、
尿素を還元剤として燃焼排ガス中に供給して、脱硝触媒の存在下に排ガス中の窒素酸化物を接触還元する排ガス浄化方法であって、
排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させるように尿素供給量を制御する点にある。
[Configuration 1]
The characteristic configuration of the exhaust gas purification method of the present invention for achieving the object completed based on the above knowledge is as follows:
An exhaust gas purification method for supplying urea into a combustion exhaust gas as a reducing agent and catalytically reducing nitrogen oxides in the exhaust gas in the presence of a denitration catalyst,
When the exhaust gas temperature is in the range of 150 to 250 ° C., the urea supply amount is decreased as the time differential value of the exhaust gas temperature is larger with respect to the urea supply amount when the exhaust gas temperature is constant. The smaller the differential value is, the more the urea supply amount is controlled to increase.
〔作用効果1〕
この発明によれば、排ガス温度が150〜250℃の低温領域であるから尿素が堆積されやすい状況にある。この状況から排ガス温度の時間微分値が大きくなると、排ガス温度が上昇傾向になっていることになるから、触媒上に堆積していた尿素が急激に分解し始めアンモニアの生成量が増加し始める。このタイミングで尿素供給量を減少させれば、触媒上に堆積した尿素から発生するアンモニアの増加分と添加される尿素から発生するアンモニアの減少分を相殺することができ、排ガス温度上昇に伴う尿素分解速度の増加によるリークアンモニアの増加を抑制できる。
[Operation effect 1]
According to this invention, since the exhaust gas temperature is in the low temperature range of 150 to 250 ° C., urea is likely to be deposited. When the time differential value of the exhaust gas temperature increases from this situation, the exhaust gas temperature tends to rise, so that urea deposited on the catalyst begins to decompose rapidly and the amount of ammonia produced starts to increase. If the urea supply amount is reduced at this timing, it is possible to offset the increase in ammonia generated from the urea deposited on the catalyst and the decrease in ammonia generated from the added urea. An increase in leaked ammonia due to an increase in the decomposition rate can be suppressed.
また、逆に、排ガス温度の時間微分値が小さくなると、排ガス温度が下降傾向になっていることになるから、尿素の分解速度が低下して、触媒上に尿素が堆積し始め、アンモニアの生成量が減少することになる。このタイミングにおける尿素供給量を増加すれば、添加される尿素からのアンモニア生成量の増加によって、分解速度の低下に伴うアンモニア生成量の減少を補うことができ、脱硝率の低下を抑制することができるようになる。 Conversely, if the time derivative of the exhaust gas temperature decreases, the exhaust gas temperature tends to decrease, so the decomposition rate of urea decreases, urea begins to deposit on the catalyst, and ammonia is produced. The amount will decrease. If the amount of urea supplied at this timing is increased, the increase in the amount of ammonia produced from the added urea can compensate for the decrease in the amount of ammonia produced due to the decrease in the decomposition rate, thereby suppressing the decrease in the denitration rate. become able to.
なお、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させることとする場合、排ガス温度の時間微分値に対して尿素供給量を一次関係式にしたがって直線的に増加、減少させてもよいし、二次以上の曲線的に変化させるようにしてもよい。また、段階的に変動させてもよい。また、温度領域や、時間微分値の正負、絶対値等に応じて関係式を異ならせてもよい。 When the exhaust gas temperature has a larger time differential value, the urea supply amount is decreased. When the exhaust gas temperature has a smaller time differential value, the urea supply amount is increased. The supply amount may be linearly increased or decreased according to a linear relational expression, or may be changed in a quadratic or higher curve. Further, it may be varied step by step. Further, the relational expression may be varied according to the temperature region, the positive / negative of the time differential value, the absolute value, or the like.
〔構成2〕
また、本発明の排ガス浄化装置の特徴構成は、
尿素を還元剤として燃焼排ガス中に供給して、脱硝触媒の存在下に排ガス中の窒素酸化物を接触還元する排ガス浄化装置であって、
排ガス温度の検知手段および排ガス中に尿素水を添加する尿素水供給装置を備え、
排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度の時間微分値を計算し、この値に応じて、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きい場合には、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さい場合には、尿素供給量を増加させるように尿素供給量を求める演算手段を備え、
前記尿素水供給装置が、前記演算手段により求められた尿素供給量の尿素水を排ガス中に添加するように構成されている点にある。
[Configuration 2]
The characteristic configuration of the exhaust gas purifying apparatus of the present invention is as follows:
An exhaust gas purification device that supplies urea as a reducing agent into combustion exhaust gas, and catalytically reduces nitrogen oxides in the exhaust gas in the presence of a denitration catalyst,
It is equipped with a means for detecting the exhaust gas temperature and a urea water supply device for adding urea water to the exhaust gas,
When the exhaust gas temperature is in the range of 150 to 250 ° C., the time derivative of the exhaust gas temperature is calculated, and the time derivative of the exhaust gas temperature based on the urea supply amount when the exhaust gas temperature is constant according to this value When the value is large, the urea supply amount is decreased, and when the time differential value of the exhaust gas temperature is small, a calculation means for obtaining the urea supply amount so as to increase the urea supply amount is provided ,
The urea water supply device is configured to add urea water of the urea supply amount obtained by the calculation means to the exhaust gas .
〔作用効果2〕
上記排ガス浄化装置は、排ガス温度の検知手段および排ガス中に尿素水を添加する尿素水供給装置を備えるから排ガス温度に基づき尿素水の供給量を設定することができる。
[Operation effect 2]
Since the exhaust gas purification device includes the exhaust gas temperature detection means and the urea water supply device that adds urea water to the exhaust gas, the supply amount of urea water can be set based on the exhaust gas temperature.
この際、排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度の時間微分値を計算し、この値に応じて、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きい場合には、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さい場合には、尿素供給量を増加させるように前記尿素水の供給量を設定することにより、上記排ガス浄化方法を実行することができ、前記供給量を演算手段によって求めて制御することで、燃焼排ガスの温度の変化に追従して上記排ガス浄化方法を行うことができる。 At this time, when the exhaust gas temperature is in the range of 150 to 250 ° C., a time differential value of the exhaust gas temperature is calculated, and according to this value, the exhaust gas temperature is based on the urea supply amount when the exhaust gas temperature is constant. When the time differential value is large, the urea supply amount is decreased, and when the exhaust gas temperature time differential value is small, the urea water supply amount is set so as to increase the urea supply amount. The exhaust gas purification method can be executed, and the exhaust gas purification method can be performed following the change in the temperature of the combustion exhaust gas by determining and controlling the supply amount by the calculation means.
〔構成3〕
なお、前記脱硝触媒が、酸化チタン担体にバナジウムおよびタングステンを担持してなる脱硝触媒であってもよい。
[Configuration 3]
The denitration catalyst may be a denitration catalyst in which vanadium and tungsten are supported on a titanium oxide support.
〔作用効果3〕
上記脱硝触媒は、尿素を還元剤として排ガス中の窒素酸化物を接触還元する能力が高く、上記排ガス浄化方法によって高い脱硝効率を発揮させやすい。
[Operation effect 3]
The denitration catalyst has a high ability to catalytically reduce nitrogen oxides in exhaust gas using urea as a reducing agent, and easily exhibits high denitration efficiency by the exhaust gas purification method.
したがって、低温領域の排ガスであっても、尿素を還元剤として窒素酸化物の接触還元を行う際に、排ガス温度や排ガス流量などの運転条件が変動する場合に、十分な脱硝率を得るとともに、リークアンモニアを低減することができるようになった。 Therefore, even if it is exhaust gas in a low temperature region, when performing catalytic reduction of nitrogen oxides using urea as a reducing agent, when operating conditions such as exhaust gas temperature and exhaust gas flow fluctuate, a sufficient denitration rate is obtained, Leak ammonia can be reduced.
以下に、本発明の排ガス浄化方法および装置を説明する。なお、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。 The exhaust gas purification method and apparatus of the present invention will be described below. In addition, although suitable examples are described below, these examples are described in order to more specifically illustrate the present invention, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited to the following description.
〔排ガス浄化装置〕
排ガス浄化装置は、図2に示すように、燃焼装置1からの排ガスを排出するための排ガス路2に設けられ、前記排ガス路2に流通する排ガスに尿素水を供給する尿素水供給装置3と、前記尿素水に含まれる尿素の分解反応によって生じたアンモニアを前記排ガス中に含まれる窒素酸化物と反応させ無害化するための脱硝触媒4を備えるとともに、前記脱硝触媒4に供給される排ガスの温度を検知する検知手段としての温度センサ5と、前記温度センサ5からの出力に基づき排ガス温度の時間微分値を計算し、この値に応じて、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させる尿素供給量を求める演算手段61を備えるとともに、求められた尿素供給量に基づいて尿素水の供給量を制御する制御装置6を備える。
[Exhaust gas purification equipment]
As shown in FIG. 2, the exhaust gas purification device is provided in an
〔燃焼装置〕
本発明が対象とする燃焼排ガスは、燃料の種類や燃焼装置1の種類を問わないが、天然ガスや液化石油ガスなどの気体燃料を燃料とする燃焼装置1の排ガスであることが好ましい。これは、250℃以下の低温域における脱硝反応を行う際に、排ガス中のSOx濃度が高いと酸性硫安(NH4HSO4)の析出による触媒の閉塞が発生する可能性があるためであり、この点で気体燃料は燃料中のS分が少なく懸念が少ないためである。
燃焼排ガス中のSOx濃度は、3ppm以下である必要があり、好ましくは1ppm以下である。
燃焼排ガス中の酸素濃度は、あまりに低いと脱硝反応の進行が遅くなることから、体積基準で1%以上であることが好ましく、通常は2〜15%の範囲である。
[Combustion device]
The combustion exhaust gas targeted by the present invention is not limited to the type of fuel or the type of the
The SOx concentration in the combustion exhaust gas needs to be 3 ppm or less, preferably 1 ppm or less.
If the oxygen concentration in the combustion exhaust gas is too low, the progress of the denitration reaction becomes slow, so that it is preferably 1% or more on a volume basis, and is usually in the range of 2 to 15%.
〔脱硝触媒〕
本発明で用いる脱硝触媒4は、好適には、酸化チタン担体にバナジウムおよびタングステンを活性金属として担持してなる脱硝触媒を用いる。なお、担体や活性金属、さらに付加的に添加される添加成分については、種々公知のものを適用することができる。触媒の形状は、ペレットやハニカムなどその形状を問わないが、圧力損失を低減する上では、ハニカム形状が好ましい。このような脱硝触媒4としては、市販のアンモニア脱硝用の触媒を用いることができる。
[Denitration catalyst]
The denitration catalyst 4 used in the present invention is preferably a denitration catalyst formed by supporting vanadium and tungsten as active metals on a titanium oxide support. In addition, various well-known things are applicable about a support | carrier, an active metal, and the additional component added additionally. The shape of the catalyst may be any shape such as a pellet or a honeycomb, but a honeycomb shape is preferable in order to reduce pressure loss. As such a denitration catalyst 4, a commercially available catalyst for ammonia denitration can be used.
〔尿素水供給装置〕
尿素水供給装置3は、尿素水を貯留する尿素水タンク31を備えるとともに、前記排ガス路2に尿素水を噴霧する噴霧部32を備え、前記尿素水タンク31から前記噴霧部32に尿素水を供給する供給路33に供給弁34を設けるとともに、前記供給弁34を制御装置6からの制御信号に基づき開度調整制御可能に構成してある。
[Urea water supply device]
The urea
還元剤として用いる尿素は、尿素水の形で脱硝触媒4よりも上流側の排ガスの流路に供給される。尿素水中の尿素濃度は、高すぎると固化して流路を閉塞する恐れがあり、低すぎると必要量が多くなって経済性が低下するので、質量基準で10〜40%程度とするのが好ましい。
基準となる尿素の供給量(排ガス温度の変動がない場合の供給量)A(モル/秒)は、排ガス流量および排ガス中の窒素酸化物濃度から求められる単位時間あたりの窒素酸化物流量B(モル/秒)に対して、30〜45%の値とする。この値を大きくするほど、脱硝率は向上するが、アンモニアのリーク量が増大する懸念がある。
Urea used as the reducing agent is supplied to the exhaust gas flow path upstream of the denitration catalyst 4 in the form of urea water. If the urea concentration in the urea water is too high, it may solidify and block the flow path. If it is too low, the required amount will increase and the economic efficiency will decrease, so it should be about 10-40% on a mass basis. preferable.
The reference urea supply amount (supply amount when there is no fluctuation in exhaust gas temperature) A (mole / second) is a nitrogen oxide flow rate B per unit time determined from the exhaust gas flow rate and the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas ( Mol / second) to a value of 30 to 45%. As this value is increased, the denitration rate is improved, but there is a concern that the amount of ammonia leakage increases.
〔検知手段〕
排ガス温度の測定は、排ガス流路に挿入した熱電対などの温度センサ5に行うことができる。温度センサ5は、できるだけ脱硝触媒4に近接して設けるのが好ましく、脱硝触媒4の中に挿入してもよいが、脱硝触媒4の層の直前または直後に設けてもよい。
[Detection means]
The exhaust gas temperature can be measured by a
〔制御装置〕
前記制御装置6は、温度センサ5の出力を受け取りその経時変化から排ガス温度の時間微分値を算出するとともに、あらかじめ記憶している排ガス温度の時間微分値と尿素水供給量との関係式から尿素水供給量を求める演算手段61を備え、求められた尿素水供給量に基づき前記供給弁34の開度を調整する制御を行う構成となっている。
〔Control device〕
The control device 6 receives the output of the
以下に前記尿素水供給量の変更制御による脱硝率の変動抑制効果について説明する。 Hereinafter, the effect of suppressing variation in the denitration rate by the change control of the urea water supply amount will be described.
〔尿素水供給量の制御〕
なお、以下の例では、脱硝触媒4の量は、脱硝反応を完結させるに足る十分な量が存在するものとして、尿素分解により生じたアンモニアの量に応じて定量的に窒素酸化物が低減されるとともに、窒素酸化物の量より多い過剰のアンモニアはリークアンモニアとして放出されるものとし、尿素の分解速度は図1に従うものとする。
[Control of urea water supply]
In the following example, it is assumed that the amount of the denitration catalyst 4 is sufficient to complete the denitration reaction, and nitrogen oxides are quantitatively reduced according to the amount of ammonia generated by urea decomposition. In addition, it is assumed that excess ammonia larger than the amount of nitrogen oxides is released as leaked ammonia, and the decomposition rate of urea follows FIG.
排ガス中に含まれる窒素酸化物流量Bに対する尿素供給量Aの割合を35%とすると、定常状態における脱硝率は70%となる。ここで、排ガス流量および排ガス中の窒素酸化物濃度は一定でも、排ガス温度が図3に示すように変動した場合、脱硝率は図4に示すように大きく変動する。これは、排ガス温度が下降する過程では、触媒上に蓄積した尿素の分解速度が遅くなることから、アンモニアの生成量が減少すること、および、排ガス温度が上昇する過程では、触媒上に蓄積した尿素の分解速度が速まることから、アンモニアの生成量が増大することによる。 When the ratio of the urea supply amount A to the nitrogen oxide flow rate B contained in the exhaust gas is 35%, the denitration rate in the steady state is 70%. Here, even if the exhaust gas flow rate and the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas are constant, if the exhaust gas temperature varies as shown in FIG. 3, the denitration rate varies greatly as shown in FIG. This is because the decomposition rate of urea accumulated on the catalyst is slowed in the process where the exhaust gas temperature is lowered, so that the production amount of ammonia is reduced, and in the process where the exhaust gas temperature is raised, it is accumulated on the catalyst. This is because the production rate of ammonia increases because the decomposition rate of urea increases.
これに対して、排ガス温度の変動に応じて、尿素供給量を図5に示す通り変化させる場合について考える。図5の実線は温度変化の時間微分値に対する尿素供給量を示し、通常は、全範囲にわたって、一定の尿素供給量(0.35:排ガス温度が一定である場合(温度変化の時間微分値が0の場合)に脱硝率として70%を達成する値)を維持するところ、尿素供給量を、温度変化の時間微分値が小さいほど多く、大きいほど少なくなるように供給する制御を行う場合を想定する。即ち、排ガス温度が毎分2℃の速度で低下する場合は、排ガス中の窒素酸化物流量に対する尿素供給量の割合(モル比)を52%とし、排ガス温度が毎分2℃の速度で上昇する場合は、排ガス中の窒素酸化物流量に対する尿素供給量の割合(モル比)を18%などとする。 On the other hand, the case where the urea supply amount is changed as shown in FIG. 5 according to the fluctuation of the exhaust gas temperature will be considered. The solid line in FIG. 5 shows the urea supply amount with respect to the time differential value of the temperature change. Usually, the urea supply amount is constant over the entire range (0.35: When the exhaust gas temperature is constant (the time differential value of the temperature change is In the case of 0), a value that achieves 70% as the denitration rate) is maintained, and it is assumed that the urea supply amount is controlled so as to increase as the time differential value of the temperature change decreases and decrease as the time differential value increases. To do. That is, when the exhaust gas temperature decreases at a rate of 2 ° C. per minute, the ratio (molar ratio) of urea supply to the nitrogen oxide flow rate in the exhaust gas is set to 52%, and the exhaust gas temperature increases at a rate of 2 ° C. per minute. In this case, the ratio (molar ratio) of the urea supply amount to the nitrogen oxide flow rate in the exhaust gas is set to 18%.
なお、尿素供給量の変化率は、小さく変化させるほど(図5における傾きが小さいほど)、排ガス温度低下時の脱硝率の低下抑制効果が不十分になりやすく、かつ、排ガス温度の上昇時にリークアンモニアの抑制効果が不十分になりやすい。逆に、大きく変化させるほど(図5における傾きが大きいほど)、排ガス温度低下時の脱硝率の低下を抑制することになるが、大きくし過ぎると、触媒上における尿素吸着量が急増するとともに、排ガス温度の復帰時に、アンモニア発生量が急増するのでリークアンモニアの問題が生起しやすくなる。そのため、尿素供給量の変化率は、尿素供給量の変化率が負の場合に脱硝率の低下抑制に充分な変化量を確保するとともに、尿素供給量の変化率が正の場合に、リークアンモニアの発生しにくい変化量を設定することが望ましい。 It should be noted that the change rate of the urea supply amount is changed small (the inclination in FIG. 5 is small), the effect of suppressing the reduction of the denitration rate when the exhaust gas temperature is lowered tends to be insufficient, and the leakage is increased when the exhaust gas temperature is increased. The suppression effect of ammonia tends to be insufficient. Conversely, the greater the change (the greater the slope in FIG. 5), the lower the denitration rate when the exhaust gas temperature decreases, but if it is too large, the urea adsorption amount on the catalyst will increase rapidly, When the exhaust gas temperature is restored, the amount of ammonia generated increases rapidly, so that the problem of leaked ammonia is likely to occur. Therefore, the change rate of the urea supply amount is ensured to be a sufficient change amount for suppressing the decrease in the denitration rate when the change rate of the urea supply amount is negative, and the leakage ammonia is changed when the change rate of the urea supply amount is positive. It is desirable to set a change amount that is difficult to generate.
なお、図5は一例を示したまでで、排ガス温度に応じて、その傾き(排ガス温度の時間微分値に対する尿素供給量の変動幅)を変えてもよく、その場合は、排ガス温度が高くなるほど傾きを小さくするのが適当である。 Note that FIG. 5 shows an example, and the slope (the fluctuation range of the urea supply amount with respect to the time differential value of the exhaust gas temperature) may be changed according to the exhaust gas temperature. In that case, the higher the exhaust gas temperature is, It is appropriate to reduce the inclination.
図5に示す温度変化の時間微分値に対する尿素供給量の変化を行った場合、脱硝率の変化は図6の通りとなる。この結果より、無制御の場合(図4)、脱硝率が40%よりも低下する場合があるのに対して、脱硝率が低下してもほとんど40%を下回らず、排ガス温度低下時においても充分な脱硝率を維持できていることがわかる。また、排ガス温度の復帰時にもリークアンモニア(グラフの40分時点における脱硝率100%超分がリークアンモニアに相当する)がほとんど発生していない。これらから、本発明の制御方法によると、排ガス性状を良好に維持できていることがわかった。 When the urea supply amount is changed with respect to the time differential value of the temperature change shown in FIG. 5, the change of the denitration rate is as shown in FIG. From this result, in the case of no control (FIG. 4), the denitration rate may be lower than 40%, but even if the denitration rate is lowered, it hardly falls below 40%, even when the exhaust gas temperature is lowered. It can be seen that a sufficient denitration rate can be maintained. In addition, leak ammonia (denitration rate exceeding 100% at 40 minutes in the graph corresponds to leak ammonia) is hardly generated even when the exhaust gas temperature is restored. From these, it was found that the exhaust gas properties can be maintained satisfactorily according to the control method of the present invention.
排ガス温度がさらに複雑な変化をする場合でも、本発明の方法は有効である。排ガス温度が図7に示す通りに変化した場合に、尿素供給量を一定で制御した場合と、本発明の方法にしたがって図5の通り変化させた場合の脱硝率の変化を図8に示す。尿素供給量を一定に維持した場合(図中破線)、排ガス温度の上昇時には、リークアンモニア濃度が大きくなり、最大で排ガス中の窒素酸化物濃度の50%にも達する。また排ガス温度の下降時には、脱硝率が低下して、最も低いところでは27%となった。これに対し、本発明の方法にしたがって尿素供給量を制御した場合(図中実線)、リークアンモニア濃度は、最大で排ガス中の窒素酸化物濃度の3%にとどまり、脱硝率も38%を下回ることはなかった。このことから、本発明の制御方法によると、排ガス温度が不安定な場合であっても十分に対応可能であることがわかった。 Even when the exhaust gas temperature changes more complicatedly, the method of the present invention is effective. FIG. 8 shows the change in the denitration rate when the exhaust gas temperature is changed as shown in FIG. 7 and when the urea supply amount is controlled to be constant and when the exhaust gas temperature is changed as shown in FIG. 5 according to the method of the present invention. When the urea supply amount is kept constant (broken line in the figure), when the exhaust gas temperature rises, the leak ammonia concentration increases and reaches a maximum of 50% of the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas. Further, when the exhaust gas temperature was lowered, the denitration rate was reduced to 27% at the lowest point. On the other hand, when the urea supply amount is controlled according to the method of the present invention (solid line in the figure), the leaked ammonia concentration is at most 3% of the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas, and the denitration rate is also below 38%. It never happened. From this, it was found that according to the control method of the present invention, even when the exhaust gas temperature is unstable, it can be sufficiently dealt with.
以下に具体的な実験例により本発明の効果を示す。 The effects of the present invention will be shown by specific experimental examples below.
比較例
都市ガス燃料の燃焼炉の排ガス(流量:135Nm3/h、NOx濃度120ppm、酸素濃度8%)に20%尿素水を1.6g/分の流量で添加し、チタニア担体にバナジウムおよびタングステンを担持した脱硝触媒(堺化学工業製SCN.207)45リットルに通じた。
Comparative Example 20% urea water was added at a flow rate of 1.6 g / min to the exhaust gas (flow rate: 135 Nm 3 / h,
触媒入口で測定した排ガス温度は、当初200℃であった(0〜8分)が、約20分かけて170℃まで低下(8〜28分)し、その後約20分間170℃付近を維持(28〜48分)した後、約20分かけて200℃まで復帰(48〜68分)した。このときの排ガス温度と触媒出口のNOx濃度の推移を図9に示す。当初は10ppm強であったNOx濃度は徐々に上昇し、排ガス温度が170℃の間は、多少の変動は見られたものの約40ppm(脱硝率67%程度)で推移した。排ガス温度が上昇に転じるとNOx濃度は急速に低下した。 The exhaust gas temperature measured at the catalyst inlet was initially 200 ° C. (0 to 8 minutes), but decreased to 170 ° C. (8 to 28 minutes) over about 20 minutes, and then maintained at around 170 ° C. for about 20 minutes ( 28 to 48 minutes), and then returned to 200 ° C. over about 20 minutes (48 to 68 minutes). The transition of the exhaust gas temperature and the NOx concentration at the catalyst outlet at this time is shown in FIG. Initially, the NOx concentration, which was a little over 10 ppm, gradually increased, and while the exhaust gas temperature was 170 ° C., it slightly changed, but remained at about 40 ppm (denitration rate of about 67%). When the exhaust gas temperature started to rise, the NOx concentration rapidly decreased.
実施例
20%尿素水の流量を温度降下中は2.4g/分、温度上昇中は0.8g/分とした他は比較例と同様に1.6g/分の尿素水を添加して触媒出口側のNOx濃度を測定した。具体的には、排ガス温度が安定して200℃であった初期には、1.6g/分の尿素水を添加、ついで、排ガス温度が徐々に170℃まで低下する8分〜28分には2.4g/分、排ガス温度が170℃で安定している28分から48分までの間は、1.6g/分、その後、排ガス温度が上昇して200℃に復帰するまでの48分から68分までの間は、0.8g/分で尿素水を添加する制御を行った。結果を図10に示す。比較例の場合とは異なり、NOx濃度はピークでも30ppm(脱硝率75%程度)にとどまり、脱硝効率が高く維持されていることがわかった。また、この際リークアンモニアは検出されず、本発明の方法にしたがって尿素供給量を制御することで、脱硝率を安定に維持できる効果が得られることがあきらかである。
Example A catalyst was prepared by adding 1.6 g / min of urea water as in the comparative example except that the flow rate of 20% urea water was 2.4 g / min during the temperature drop and 0.8 g / min during the temperature rise. The NOx concentration on the outlet side was measured. Specifically, at the initial stage when the exhaust gas temperature was stable at 200 ° C., urea water of 1.6 g / min was added, and then the exhaust gas temperature gradually decreased to 170 ° C. for 8 minutes to 28 minutes. 2.4 g / min, the exhaust gas temperature is stabilized at 170 ° C., from 28 minutes to 48 minutes, 1.6 g / min, and then the exhaust gas temperature rises to return to 200 ° C. 48 minutes to 68 minutes In the meantime, the control of adding urea water at 0.8 g / min was performed. The results are shown in FIG. Unlike the comparative example, the NOx concentration remained at 30 ppm (denitration rate of about 75%) even at the peak, indicating that the denitration efficiency was maintained high. Further, at this time, leaked ammonia is not detected, and it is obvious that the effect of stably maintaining the denitration rate can be obtained by controlling the urea supply amount according to the method of the present invention.
本発明の排ガス浄化方法は、たとえば、ガスエンジン、ボイラ等の排ガス中に含まれる窒素酸化物を低減するための排ガス浄化装置として利用することができる。 The exhaust gas purification method of the present invention can be used, for example, as an exhaust gas purification device for reducing nitrogen oxides contained in exhaust gases such as gas engines and boilers.
1 :燃焼装置
2 :排ガス路
3 :尿素水供給装置
31 :尿素水タンク
32 :噴霧部
33 :供給路
34 :供給弁
4 :脱硝触媒
5 :温度センサ
6 :制御装置
61 :演算手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Combustion apparatus 2: Exhaust gas path 3: Urea water supply apparatus 31: Urea water tank 32: Spray part 33: Supply path 34: Supply valve 4: Denitration catalyst 5: Temperature sensor 6: Control apparatus 61: Calculation means
Claims (3)
排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させるように尿素供給量を制御する排ガス浄化方法。 An exhaust gas purification method for supplying urea into a combustion exhaust gas as a reducing agent and catalytically reducing nitrogen oxides in the exhaust gas in the presence of a denitration catalyst,
When the exhaust gas temperature is in the range of 150 to 250 ° C., the urea supply amount is decreased as the time differential value of the exhaust gas temperature is larger with respect to the urea supply amount when the exhaust gas temperature is constant. An exhaust gas purification method for controlling the urea supply amount so as to increase the urea supply amount as the differential value is smaller.
排ガス温度の検知手段および排ガス中に尿素水を添加する尿素水供給装置を備え、
排ガス温度が150〜250℃の範囲にある場合において、排ガス温度の時間微分値を計算し、この値に応じて、排ガス温度が一定である場合の尿素供給量を基準として、排ガス温度の時間微分値が大きいほど、尿素供給量を減少させ、排ガス温度の時間微分値が小さいほど、尿素供給量を増加させるように尿素供給量を求める演算手段を備え、
前記尿素水供給装置が、前記演算手段により求められた尿素供給量の尿素水を排ガス中に添加するように構成されている排ガス浄化装置。 An exhaust gas purification device that supplies urea as a reducing agent into combustion exhaust gas, and catalytically reduces nitrogen oxides in the exhaust gas in the presence of a denitration catalyst,
It is equipped with a means for detecting the exhaust gas temperature and a urea water supply device for adding urea water to the exhaust gas,
When the exhaust gas temperature is in the range of 150 to 250 ° C., the time derivative of the exhaust gas temperature is calculated, and the time derivative of the exhaust gas temperature based on the urea supply amount when the exhaust gas temperature is constant according to this value the higher the value, to reduce the urea supply amount, the more the time differential value of the exhaust gas temperature is low, an arithmetic means for obtaining the urea supply amount so as to increase the urea supply amount,
An exhaust gas purification device configured such that the urea water supply device adds urea water of the urea supply amount obtained by the calculating means to the exhaust gas.
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