(57)【要約】  本発明は、アンモニアスリップおよび二酸化硫黄酸化を最小限にしつつ排ガスからの窒素酸化物（ＮＯｘ）除去の高効率を達成する組成物、システム、および方法を与える。一実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、第１触媒層を与えることと、第１触媒層の上流で排ガスに、排ガス中の窒素酸化物の化学量論等量を上回るアンモニア含有化合物を加えることと、第１触媒層を通して排ガスを流すことと、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニアを選択的に触媒分解することと、選択的に触媒分解されてはいないアンモニアとの反応により窒素酸化物を触媒還元することとを含む。
2009545437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスから窒素酸化物を除去する方法であって、
第１触媒層を与えることと、
前記第１触媒層の上流で前記排ガスに、前記排ガス中の前記窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニア含有化合物を加えることと、
前記第１触媒層を通して前記排ガスを流すことと、
前記排ガス中の前記窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニアを選択的に触媒分解することと、
選択的に触媒分解されてはいないアンモニアとの反応により前記窒素酸化物を触媒還元することと
を含む方法。
【請求項２】
前記窒素酸化物の少なくとも９５％が、前記第１触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記窒素酸化物の少なくとも９７％が、前記第１触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
約５ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアが前記第１触媒層を出る、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
約３ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアが前記第１触媒層を出る、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
約２ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアが前記第１触媒層を出る、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記排ガスは所定量の三酸化硫黄をさらに含み、前記第１触媒層を通して前記排ガスを流すことの結果、前記所定量の三酸化硫黄を実質的に増加させることがない、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１触媒層は、
無機酸化物成分５０−９９．９重量％と、
ルテニウムを含む触媒活性金属機能群と
を有する均一組成物から形成される少なくとも１つのモノリシック構造触媒体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記均一組成物は、ルテニウムを含む前記触媒活性金属機能群を０．０１重量％から０．２重量％まで有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記均一組成物は、ルテニウムを含む前記触媒活性金属機能群を約１重量％から約５重量％まで有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記モノリシック構造触媒体は、付加的触媒材料によりコーティングされる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を与えることと、
前記少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を通して前記排ガスを流すことと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記モノリシック構造触媒体は、付加的触媒材料によりコーティングされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記窒素酸化物の少なくとも９５％が、前記少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記窒素酸化物の少なくとも９７％が、前記少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
約２ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアが前記少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を出る、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
排ガスから窒素酸化物を除去する方法であって、
第１触媒層を与えることと、
前記第１触媒層の１つ以上の点において等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を生成する量のアンモニア含有化合物を前記排ガスに加えることと、
前記第１触媒層を通して前記排ガスを流すことと、
前記第１触媒層の前記１つ以上の点において等量を上回るアンモニアを選択的に触媒分解することと、
選択的に触媒分解されてはいないアンモニアとの反応により窒素酸化物を触媒還元することと
を含む方法。
【請求項１８】
前記窒素酸化物の少なくとも９５％が、前記第１触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記窒素酸化物の少なくとも９７％が、前記第１触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記窒素酸化物の少なくとも９９％が、前記第１触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
約５ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアが前記第１触媒層を出る、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
約３ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアが前記第１触媒層を出る、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
約２ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアが前記第１触媒層を出る、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記排ガスは所定量の三酸化硫黄をさらに含み、前記第１触媒層を通して前記排ガスを流すことの結果、前記所定量の三酸化硫黄を実質的に増加させることがない、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１触媒層は、
無機酸化物成分５０−９９．９重量％と、
ルテニウムを含む触媒活性金属機能群と
を有する均一組成物から形成される少なくとも１つのモノリシック構造触媒体を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記均一組成物は、ルテニウムを含む前記触媒活性金属機能群を０．０１重量％から０．２重量％まで有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記均一組成物は、ルテニウムを含む前記触媒活性金属機能群を約１重量％から約５重量％まで有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記モノリシック構造触媒体は、付加的触媒材料によりコーティングされる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を与えることと、
前記少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を通して前記排ガスを流すことと
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
前記窒素酸化物の少なくとも９７％が、前記少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記窒素酸化物の少なくとも９９％が、前記少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を出る前記排ガスから除去される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
約２ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアが前記少なくとも１つの付加的窒素酸化物還元触媒層を出る、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
無機酸化物成分５０−９９．９重量％と、
ルテニウムを含む触媒活性金属機能群と
を含む均一組成物を有するモノリシック構造触媒体を備える組成物。
【請求項３４】
前記均一組成物は、ルテニウムを含む前記触媒活性金属機能群を少なくとも０．０１重量％含む、請求項３３に記載の組成物。
【請求項３５】
前記モノリシック構造触媒体は、付加的触媒材料によりコーティングされる、請求項３３に記載の組成物。
【請求項３６】
前記モノリシック構造触媒体は、付加的触媒材料により含浸される、請求項３３に記載の組成物。
【請求項３７】
排ガスから窒素酸化物を除去するシステムであって、
アンモニア分解触媒層と、
前記アンモニア分解触媒層の下流の窒素酸化物還元触媒層と
を含むシステム。
【請求項３８】
前記システムは、二酸化硫黄の酸化を実質的に全く与えない、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記アンモニア分解触媒層の上流に付加的な窒素酸化物還元触媒をさらに含む、請求項３７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
先行関連米国出願データ
本願はここに、２００６年８月１日出願の米国仮特許出願第６０／８３４，６１４号に対する米国特許法第１１９条（ｅ）の優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本発明は排ガス処理のための組成物および方法に関し、詳しくは、排ガスからの窒素酸化物の除去に関する。
【背景技術】
【０００３】
窒素酸化物の害ならびにその酸性雨および対流圏オゾン形成における役割により、かかる化学種の放出を制限する厳格な基準が課される結果となっている。かかる基準を満たすべく一般的には、静止または移動の燃焼源からの排ガスに存在するこうした酸化物の少なくとも一部を除去する必要がある。
【０００４】
通常、脱窒または選択触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ（ＳＣＲ））技術が、窒素酸化物除去を目的として、燃焼由来の排煙に適用される。脱窒反応は、酸化窒素（ＮＯ）または二酸化窒素（ＮＯ２）のようなガス中の窒素酸化物種と、アンモニアまたは尿素のような窒素含有還元剤とが反応した結果、無害の二原子窒素（Ｎ２）および水が生成されることを含む。
【０００５】
典型的な適用例では、窒素酸化物の還元を果たす触媒は、排煙流の経路に取り付けられて、アンモニアが触媒の上流に注入される。ハウジング、触媒床、アンモニア注入システム制御、ならびに混合および／または流量制御装置を含むＳＣＲシステムは所定量のＮＯｘを除去するように設計されるが、触媒下流のＮＨ３スリップの特定最大レベル、ＳＯ２（二酸化硫黄）からＳＯ３（三酸化硫黄）への酸化最大レベル、および触媒全体の最大圧力損失に留まっている。ここで用いられるアンモニアスリップとは、触媒出口において排ガスストリーム中に存在するアンモニアの量をいう。
【０００６】
二酸化硫黄の酸化は、ＳＣＲ触媒により促進される反応のうち望ましくないものである。二酸化硫黄の酸化に対する最大限界は、触媒下流の三酸化硫黄の増加を最小限にするよう特定される。三酸化硫黄の増加レベルは、下流機器の汚染の原因となり得る結果、燃焼設備の排気煙突において立ち上がる可視の煙、および、粒子状物体放出の増加をもたらし得る。
【０００７】
同様に、アンモニアスリップの最大レベルは、排ガスからのアンモニア放出を制限するべく特定され、アンモニアと三酸化硫黄のような他の排煙成分との反応から生じる重硫酸アンモニウムのようなアンモニウム塩の形成を防止する。アンモニウム塩は、下流機器を汚染し得る。
【０００８】
ＳＣＲ工程において、ＮＯｘとＮＨ３との反応は一般に、アンモニア１モルに対しＮＯｘ１モルの化学量論で生じる：
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ      （１）
２ＮＯ＋２ＮＯ２＋４ＮＨ３→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ  （２）
【０００９】
この反応は、典型的なＳＣＲ温度に熱力学的に限定されるわけではないので、触媒入口におけるＮＨ３対ＮＯｘ（すなわちＮＨ３／ＮＯｘ）のモル比が１．０であり、かつ、十分な量の触媒が存在すれば、ＮＯｘの還元およびアンモニアの消費は双方とも１００％に近づき、本質的には触媒出口においてＮＯｘもアンモニアスリップも存在しない。モル比が１．０未満であり、かつ、十分な量の触媒が存在すれば、ＮＯｘ還元効率はそのモル比に近づき、アンモニアスリップはゼロに近づく。モル比が１．０よりも大きく、かつ、十分な量の触媒が存在すれば、ＮＯｘ還元効率は１００％に近づき、すべての余剰なアンモニアスリップが触媒を通過する。
【００１０】
しかしながら、実際の適用例において、触媒床全体にわたり一貫したモル比ＮＨ３／ＮＯｘを達成することは難しい。触媒床全体にはＮＨ３／ＮＯｘの不均一分布が存在するのが典型的である。これは、排ガス中のＮＯｘの不均一分布、触媒床上流の離散点でのアンモニア添加、かかる添加点下流のＮＨ３とＮＯｘとの不完全な混合を含むいくつかの要因に起因する。
【００１１】
現在のところ、触媒床全体のＮＨ３／ＮＯｘの不均一分布を減らすための技術がいくつか存在する。例えば、離散点へのアンモニアの流れをバイアスして、特定セクションにおけるＮＯｘの濃度および流れにより決まるＮＯｘのモル流量に一致するようにできる。触媒床に先立っての混合を得るべく、アンモニア注入点の下流に十分な混合長さのスタティックミキサーが付加的に用いられる。こうした手段が配置されて、いくつかの場合には、ＮＯｘ還元効率は９３％となり、３ｐｐｍｖｄのアンモニアスリップが達成される。
【００１２】
それでもなお、より高いＮＯｘ還元（すなわち＞９５％）を達成することは、触媒床全体のＮＨ３／ＮＯｘモル比の不均一分布によって制限される。高いＮＯｘ還元効率を得るべく、等量（１．０）を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比で行うこともできる。しかしながら、等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比は、望ましくないアンモニアスリップをもたらす。さらに、かかるスリップを付加的な触媒構造により制限しようとすることは、二酸化硫黄の望ましくない酸化をもたらす。
【００１３】
このような問題を考慮すると、アンモニアスリップを最小限にしつつ高効率を達成するべく操作可能な、排ガスから窒素酸化物を除去する組成物および方法を得ることが望まれる。さらに、アンモニアスリップおよび二酸化硫黄酸化を最小限にしつつ高効率を達成するべく操作可能な、排ガスから窒素酸化物を除去する組成物および方法を得ることが望まれる。
【発明の概要】
【００１４】
本発明は、アンモニアスリップおよび二酸化硫黄酸化を最小限にしつつ排ガスからのＮＯｘ除去の高効率を達成する組成物、システム、および方法を与える。
【００１５】
一実施例において、本発明は、均一組成物を有するモノリシック構造触媒体を含む組成物を与える。均一組成物は、無機酸化物成分５０−９９．９重量％と、ルテニウムを含む触媒活性金属機能群とを含む。いくつかの実施例において、均一化学組成物は、ルテニウムを含む少なくとも０．０１重量％の触媒活性金属基を含む。いくつかの実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約０．０１重量％から約５重量％までの触媒活性金属機能群を含む。他実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約１重量％から約５重量％までの触媒活性金属機能群を含む。さらなる実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約０．０１重量％から０．２重量％まで、または０．６重量％から０．９重量％までの触媒活性金属機能群を含む。一実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約５重量％よりも大きくまたは約０．０１重量％未満の触媒活性金属機能群を含む。
【００１６】
いくつかの実施例において、本発明に係る構造触媒体の触媒活性金属機能群は、ルテニウムに加えてさらに、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、促進（ｐｒｏｍｏｔｅｄ）チタン種、白金族金属、金、銀、インジウム、セリウム、他の遷移および貴金属、および／またはこれらの混合物を含む金属を有するが、それに限られない。いくつかの実施例において、これらの付加的な金属は、構造触媒体を形成するべく使用される均一組成物の一部である。他実施例において、付加的な金属を含む触媒材料は、構造触媒体に、触媒体表面に適用される１つ以上のコーティングの一部として組み込むことができる。他実施例において、付加的な金属を含む触媒材料は、構造触媒体に、含浸により組み込むことができる。
【００１７】
いくつかの実施例において、モノリシック構造触媒体は、不活性担体を含む。不活性担体の上には、ルテニウムを含む触媒活性金属機能群が配置される。いくつかの実施例において、不活性担体には、ルテニウムを含む触媒活性金属機能群をコーティングまたは含浸することができる。さらに、ここで述べる付加的な金属を含む触媒材料は、触媒ルテニウム組成物全体に、付加的なコーティングまたは含浸により配置することができる。
【００１８】
他の側面において、本発明は、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムを与える。一実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、アンモニア分解触媒層と、アンモニア分解触媒層の下流の窒素酸化物還元触媒層とを含む。ここで用いられるアンモニア分解とは、窒素、水、および／または窒素酸化物を生成するアンモニアと酸素との反応をいう。本発明に係るシステムのいくつかの実施例において、アンモニア分解触媒層は、窒素酸化物を除去するべく排ガスが接触する第１触媒層である。さらに、いくつかの実施例において、付加的な窒素酸化物還元触媒層は、アンモニア分解層の上流に与えられる。
【００１９】
排ガスから窒素酸化物を除去するための本発明に係るシステムのいくつかの実施例において、アンモニア分解層および／または窒素酸化物還元触媒層の上流には、アンモニア含有化合物の少なくとも１つの添加点が与えられる。
【００２０】
ここで用いられるアンモニア含有化合物は、アンモニア（ＮＨ３）、または、触媒と接触する前にまたは触媒と接触する際にアンモニアを分解または反応形成することができる任意の他の窒素含有化合物を含む。これは、尿素［ＣＯ（ＮＨ２）２］、シアヌル酸［２，４，６−トリヒドロキシ−ｌ，３，５−トリアジン］、またはイソシアン酸［ＨＮＣＯ］を含むがこれらに限定されない。いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物は、アンモニアと他のアンモニア含有化合物との組み合わせを含み、水性混合物を含む任意の形態で加えられる。いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物は、上流の選択無触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｎｏｎ−ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ（ＳＮＣＲ））技術または選択自動触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ａｕｔｏ−ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ（ＳＡＣＲ））技術からの余剰アンモニアを含み、オプションとして１つ以上の付加的なアンモニア含有化合物と混合することができる。
【００２１】
他実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、アンモニア分解と窒素酸化物還元との双方を達成するべく操作可能な触媒層を含む。これにより、付加的な上流または下流触媒層をオプションまたは不要とすることができる。かかる実施例において、触媒層は、本発明に係る少なくとも１つのモノリシック構造触媒体を含む。
【００２２】
他の側面において、本発明は、排ガスから窒素酸化物を除去する方法を与える。いくつかの実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、アンモニア分解触媒層を与えることと、アンモニア分解触媒層の下流に窒素酸化物還元触媒層を与えることと、触媒層の上流で、排ガス中の窒素酸化物の化学量論等量未満ではない量のアンモニア含有化合物を加えることと、排ガスにアンモニア分解触媒層を通過させることと、排ガスに窒素酸化物還元触媒層を通過させることとを含む。本発明に係る方法のいくつかの実施例において、アンモニア分解触媒層は、窒素酸化物を除去するべく排ガスが接触する第１触媒層である。
【００２３】
他実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、第１触媒層を与えることと、排ガス中のアンモニアを触媒分解することと、排ガスに第１触媒層を通過させることによって、排ガス中の窒素酸化物を触媒還元することとを含む。ここで、第１触媒層の上流で、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量未満ではない量のアンモニア含有化合物が加えられる。いくつかの実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約５ｐｐｍｖｄ未満である。他実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約３ｐｐｍｖｄ未満である。さらなる実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約２ｐｐｍｖｄ未満である。いくつかの実施例において、方法はさらに、第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を与えることと、少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を通して排ガスを流すこととを含む。
【００２４】
他実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、第１触媒層を与えることと、第１触媒層の上流で排ガスに、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニア含有化合物を加えることと、第１触媒層を通して排ガスを流すことと、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニアを選択的に触媒分解することと、選択的に触媒分解されてはいないアンモニアとの反応により窒素酸化物を触媒還元することとを含む。いくつかの実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約５ｐｐｍｖｄ未満である。他実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約３ｐｐｍｖｄ未満である。一実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約２ｐｐｍｖｄ未満である。いくつかの実施例において、方法はさらに、第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を与えることと、少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を通して排ガスを流すこととを含む。
【００２５】
さらなる実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、第１触媒層を与えることと、第１触媒層の１つ以上の点において等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を生成する量のアンモニア含有化合物を排ガスに加えることと、第１触媒層を通して排ガスを流すことと、第１触媒層の１つ以上の点における等量を上回るアンモニアを選択的に触媒分解することと、選択的に触媒分解されてはいないアンモニアとの反応により窒素酸化物を触媒還元することとを含む。いくつかの実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約５ｐｐｍｖｄ未満である。他実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約３ｐｐｍｖｄ未満である。一実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約２ｐｐｍｖｄ未満である。いくつかの実施例において、方法はさらに、第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を与えることと、少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を通して排ガスを流すこととを含む。
【００２６】
ここで、いくつかの実施例において、第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層が設けられ、少なくとも１つの付加的な触媒層を出る排ガス中のアンモニアの量は、約５ｐｐｍｖｄ未満、約３ｐｐｍｖｄ未満、または約２ｐｐｍｖｄ未満である。
【００２７】
本発明の実施例に係る、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムおよび方法は、少なくとも９５％の窒素酸化物除去効率を実証することができる。いくつかの実施例において、本発明に係るシステムおよび方法は、少なくとも９７％の窒素酸化物除去効率を示すことができる。一実施例において、本発明に係るシステムおよび方法は、少なくとも９９％の窒素酸化物除去効率を示すことができる。
【００２８】
いくつかの実施例では、ここに述べるとおり、等量（１．０）未満ではない値を有するＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層入口で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が、本発明に係るシステムおよび方法で加えられる。
【００２９】
いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物が１つ以上の触媒層の上流で加えられ、等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比が触媒入口で生成される。いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物が触媒層の上流で加えられ、１．０から約２．０まで、または１．０から約１．５までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比が触媒入口で生成される。一実施例において、約０．９５から約１．５まで、または約１．５から約２．０までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒入口で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。他実施例において、約１．０から約１．４までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。さらなる実施例において、約１．０から約１．２までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒入口で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。
【００３０】
さらに、いくつかの実施例において、等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層内の１つ以上の点で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が、本発明に係るシステムおよび方法において排ガスに加えられる。いくつかの実施例において、１．０から約２．０まで、または１．０から約１．５までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層内の１つ以上の点で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。他実施例において、１．０から約１．３までの範囲、または約１．５から約２．０までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層の１つ以上の点で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。
【００３１】
いくつかの実施例において、触媒層内の１つ以上の点で等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比は、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量以下の量のアンモニア含有化合物を排ガスに加えることによって達成することができる。他実施例において、触媒層内の１つ以上の点で等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比は、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を越える量のアンモニア含有化合物を排ガスに加えることによって達成することができる。
【００３２】
本発明のいくつかの実施例において、ここに記載されるシステムおよび方法により処理される排ガスはさらに、三酸化硫黄含有量を含む。いくつかの実施例において、本発明に係る排ガスから窒素酸化物を除去するシステムおよび方法の結果、二酸化硫黄の酸化による排ガスの三酸化硫黄含有量の増加は全くなくなるか、または実質的に全くなくなる。
【００３３】
したがって、本発明の目的は、最小限のアンモニアスリップを維持しつつ排ガス中の窒素酸化物の除去効率を高める組成物、システム、および方法を与えることにある。
【００３４】
本発明の他の目的は、排ガスからの窒素酸化物除去の高効率を維持しつつ排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニアを選択的に分解するべく操作可能な組成物、システム、および方法を与えることである。
【００３５】
本発明のさらなる目的は、二酸化硫黄の酸化を増加させることなく排ガス中の窒素酸化物を除去する効率を高める組成物、システム、および方法を与えることである。
【００３６】
本発明に係るこれらのおよびその他の実施例が以下の詳細な説明においてさらに詳細に説明される。本発明に係るこれらのおよび他の目的、特徴、および利点は、開示の実施例および請求項の、以下の詳細な説明を検討した後に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る実施例のモノリシック構造触媒体を示す。
【図２】本発明に係る実施例の、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムを示す。
【図３】本発明に係る実施例の、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムを示す。
【図４】排ガス中の窒素酸化物除去、選択的触媒アンモニア分解、および二酸化硫黄酸化を、本発明に係る実施例の触媒層における滞留時間の関数として示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
詳細な説明
本発明は、アンモニアスリップおよび二酸化硫黄酸化を最小限にしつつ排ガスからの窒素酸化物除去の高効率を達成する組成物、システム、および方法を与える。
【００３９】
一実施例において、本発明は、均一組成物を有するモノリシック構造触媒体を含む組成物を与える。均一組成物は、無機酸化物成分５０−９９．９重量％と、ルテニウムを含む触媒活性金属機能群とを含む。いくつかの実施例において、均一化学組成物は、ルテニウムを含む少なくとも０．０１重量％の触媒活性金属基を含む。いくつかの実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約０．０１重量％から約５重量％までの触媒活性金属機能群を含む。他実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約１重量％から約５重量％までの触媒活性金属機能群を含む。さらなる実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約０．０１重量％から０．２重量％まで、または０．６重量％から０．９重量％までの触媒活性金属機能群を含む。一実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約５重量％よりも大きくまたは約０．０１重量％未満の触媒活性金属機能群を含む。
【００４０】
本発明の実施例に係るモノリシック構造触媒体は、１つの外周壁と、その外周壁内に配置された複数の内区画壁とからなる。内区画壁はセルの開口サイズを画定し、触媒体を通って長手方向に延びる複数の流路を描く。外周壁および内区画壁は、５０−９９．９重量％の無機酸化物成分と、ルテニウムを含む少なくとも０．０１重量％の触媒活性金属機能群とを含む均一組成物から形成される。いくつかの実施例において、均一組成物は、ルテニウムを含む約０．０１重量％から約５重量％までの触媒活性金属機能群を含む。さらに、一実施例において、均一化学組成物は、７０−９５重量％の無機酸化物を含む。本発明に係るモノリシック構造触媒体での使用に適した無機酸化物は、チタニア（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、および／またはこれらの混合物を含むがそれに限られない。
【００４１】
いくつかの実施例において、触媒活性金属機能群は、ルテニウムに加えてさらに、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、促進（ｐｒｏｍｏｔｅｄ）チタン種、白金族金属、金、銀、インジウム、セリウム、他の遷移および貴金属、および／またはこれらの混合物を含む金属を有するが、それに限られない。いくつかの実施例において、これらの付加的な金属は、外周壁および内区画壁を形成するべく使用される均一組成物の一部である。他実施例において、付加的な金属を含む触媒材料は、外周壁および／または内区画壁の少なくとも１つの表面上にコーティングまたは堆積することができる。内区画壁上または内区画壁中の付加的な金属を含む触媒材料の堆積は、水溶液含浸、ディップコーティング、ウォッシュコーティング、化学蒸着、液滴スプレイその他の、酸性溶液処理または熱後処理のような必要な任意の表面前処理または後処理を含む適切な技術により達成される。
【００４２】
付加的な金属を含む場合、いくつかの実施例において、触媒活性金属機能群は１−３０重量％の構造触媒体を含む。他実施例において付加的な金属を含む場合、触媒活性金属機能群は、５−１５重量％または１０重量％から２０％までの構造触媒体を含む。
【００４３】
一実施例において、本発明に係るモノリシック構造触媒体は、少なくとも５．５ｍｍのセル開口サイズを有する。他実施例において、構造触媒体は、少なくとも６．０ｍｍのセル開口サイズを有する。いくつかの実施例によれば、構造触媒体は、少なくとも１４５ｍｍの水力直径、および少なくとも１．５ｋｇ／ｃｍ２の横圧縮強さを付加的に有する。さらなる実施例において、水力直径は、１４５ｍｍから１６０ｍｍまでの範囲でよい。なおもさらなる実施例において、水力直径は、１５２ｍｍから１５４ｍｍまでの範囲でよい。
【００４４】
他実施例において、モノリシック構造触媒体は、８０％を越える開口前面面積を有する。さらなる実施例において、構造触媒体は、少なくとも２．０５セル／ｃｍ２のセル密度を有する。いくつかの実施例において、本発明に係るモノリシック構造触媒体は、直径範囲６００から５０００オングストロームの孔のマクロポロシティが０．０５ｃｃ／ｇよりも大きい。さらに、いくつかの実施例において、セル開口サイズは少なくとも６．３ｍｍでよい。いくつかの実施例において、モノリシック構造触媒体は、８２％以上の開口前面面積を有する。
【００４５】
本発明に係るモノリシック構造触媒体は、５０−９９．９重量％までの無機酸化物成分または無機酸化物成分をもたらす前駆体と、ルテニウムを含む少なくとも０．０１重量％の触媒活性金属機能群またはルテニウムを含む触媒活性金属機能群をもたらす前駆体とを混合させることにより生成される。いくつかの実施例において、ルテニウムを含む触媒活性金属機能群は直接、無機酸化物成分に加えてよい。
【００４６】
他実施例において、ルテニウムを含む触媒活性金属機能群は、構造触媒体の無機組成物との混合に先立ち、酸化チタンおよび／または酸化シリコンの担持粒子のような担持粒子に関連させてもよい。いくつかの実施例において、担持粒子は、ルテニウムを含む触媒活性金属機能群でコーティングされる。他実施例において、担持粒子には、ルテニウムを含む触媒活性金属機能群が含浸される。ひとたび関連させられると、担持粒子とルテニウムを含む触媒活性金属機能群とは、構造触媒体の無機酸化物成分と混合される。混合の結果、担持粒子とその関連触媒材料とは、無機酸化物成分に埋め込まれ、かつ均一に分散される。
【００４７】
ここに述べるように、いくつかの実施例において、触媒活性金属機能群は、ルテニウムに加えてさらに、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、促進チタン種、白金族金属、金、銀、インジウム、セリウム、他の遷移および貴金属、および／またはこれらの混合物を含む金属を有する。無機酸化物成分は、チタニア（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、および／またはこれらの混合物を含むがそれに限られない。
【００４８】
いくつかの実施例において、これらの付加的な金属は、構造触媒体を形成するべく使用される均一組成物の一部である。かかる実施例において、付加的な金属は、無機酸化物成分に直接加えてよく、上記ルテニウムに対して説明された方法と一致する方法で担持粒子に関連させられてもよい。さらなる実施例において、付加的な金属には、触媒体表面に適用されるコーティングの一部として構造触媒体に組み込まれるか、または触媒体全体に含浸されてもよい。
【００４９】
得られる触媒混合物は、混練してクレイ状物質にした後に、押出成形機から押し出して、外区画壁、内区画壁、および長手方向流路を含むハニカム状モノリシック触媒構造に形成することができる。
【００５０】
いくつかの実施例において、モノリシック構造触媒体が押し出される場合、押出工程を補助するべく、および／または意図した適用のための所望の構造および孔の特性を作るべく、押出配合は、任意数のしゃく解剤、結合剤、押出補助剤、潤滑剤、可塑剤、強化剤等を含んでよい。押出配合に含まれてもよい材料の例には、ガラス繊維またはストランド、シリコンカーバイド繊維、無機酸（例えばリン酸、硝酸等）、有機酸（例えば酢酸、クエン酸、ギ酸等）、有機酸塩（例えばギ酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、クエン酸アンモニウム等）、セルロース化合物、デンプン、ポリエチレンオキシド、ステアリンアルコール（ｓｔｅａｒｉｃ  ａｌｃｏｈｏｌｓ）、アルコール、黒鉛、ステアリン酸、アミン、油、脂肪、およびポリマーが含まれるがこれらに限られない。押出生成物はその後、乾燥または熱処理されてよい。さらに、いくつかの実施例において、押出生成物にはその後、ここに説明されるように、白金族金属その他の貴金属のような金属を含む付加的触媒材料が堆積されてよい。
【００５１】
押出システムは、押出機、フィルタまたはスクリーン、および押出ダイを含んでよい。フィルタまたはスクリーンは、有利な製品特性を与えるフィルタ、結合材、および強化補助剤を除去することなく混合物のダイの通過を容易にするべく、例えばダイの詰まりを低減するべく、使用される。押出生成物はその後、乾燥または熱処理されてよい。
【００５２】
本発明の実施例を押し出す場合、有利な製品特性を与える粒子充填特性に悪影響を与え得る付加的なエネルギーを最小限にしつつ、組成要素の緊密な混合を達成するのに十分なエネルギーを使用することが一般には望ましい。
【００５３】
付加的なエネルギーは、形状安定性を向上させる混合機器において、および押出システムにおいて、押出機、フィルタまたはスクリーン、およびダイを通して押出混合物を移動させるべく利用される。上述のように、この付加的なエネルギーを最小限にするべく、潤滑剤および押出補助剤を、触媒体のための開始組成物において利用してよい。業界で周知の、付加的なエネルギーを低減する他の方法には、混合機および押出機の効率を最大限にすること、ならびにスクリーンおよびダイの壁摩擦を最小限にすることが含まれる。
【００５４】
図１は、本発明の一実施例に係るモノリシック構造触媒体を示す。図１のモノリシック構造触媒は、触媒的に活性な１つの外周壁１０、および触媒的に活性な複数の内区画壁１１を示す。内区画壁１１は、排ガスを受けるべくモノリシック構造触媒体を通って長手方向に延びる複数の流路またはセル１２を画定する。
【００５５】
本発明に係るモノリシック構造触媒体は操作可能に、排ガス中のアンモニアの触媒分解および／または窒素酸化物の触媒還元を行う。いくつかの実施例において、本発明に係るモノリシック構造触媒体は、排ガス中のアンモニアを選択的に分解する。
【００５６】
ここに説明されるように、ＮＯｘ還元効率を高める１つの方法は、等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を与えることである。しかしながら、従来のＳＣＲ触媒の入口において等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を与えることは、触媒出口に許容できないアンモニアスリップをもたらす。もっとも、本発明に係る構造触媒によって等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を与えることは、いくつかの実施例において、触媒出口に許容できないスリップをもたらすことにはならない。本発明に係る構造触媒体は、選択的なアンモニアの触媒分解および窒素酸化物の双方を行うべく操作可能であり、排ガス中の窒素酸化物の触媒還元を行いつつ等量を上回るアンモニアを触媒分解する。その結果、等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を使用することにより、触媒層の出口においてアンモニアスリップが著しく増加することなく、または全く増加することなく、窒素酸化物除去効率が高まる。
【００５７】
加えて、排ガス中のＮＨ３／ＮＯｘモル比が等量未満の場合、本発明に係るモノリシック構造触媒体は、アンモニア触媒分解を実質的に減らし、行わない場合もある。これにより、窒素酸化物の触媒還元においてアンモニアを消費することができる。かかる振る舞いにより、本発明に係るモノリシック構造触媒体は、排ガス中のアンモニアをＮＨ３／ＮＯｘモル比に応じて選択的に分解することができる。
【００５８】
他の側面において、本発明は、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムを与える。一実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、アンモニア分解触媒層と、アンモニア分解層下流の窒素酸化物還元触媒層とを含む。本発明に係るシステムのアンモニア分解層は、上述の本発明に係る少なくとも１つのモノリシック構造触媒体を含む。いくつかの実施例において、アンモニア分解層は、複数のモノリシック構造触媒体を含む。
【００５９】
本発明に係る、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムのいくつかの実施例においてはまた、アンモニア分解および窒素酸化物触媒層の上流に、アンモニア含有化合物の少なくとも１つの添加点が与えられる。本発明に係る１つ以上の触媒層上流におけるアンモニア含有化合物の添加は、窒素酸化物の触媒還元のためのアンモニア（ＮＨ３）還元剤源を与える。いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物はアンモニア（ＮＨ３）である。他実施例において、アンモニア含有化合物は、触媒と接触する前にまたは触媒と接触する際にアンモニアを分解または反応形成することができる任意の他の窒素含有化合物を含む。これは、尿素［ＣＯ（ＮＨ２）２］、シアヌル酸［２，４，６−トリヒドロキシ−ｌ，３，５−トリアジン］、またはイソシアン酸［ＨＮＣＯ］を含むがこれらに限定されない。いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物は、アンモニアと他のアンモニア含有化合物との組み合わせを含み、水性混合物を含む任意の形態で加えられる。いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物は、上流の選択無触媒還元（ＳＮＣＲ）技術または選択自動触媒還元（ＳＡＣＲ）技術からの余剰アンモニアを含み、オプションとして付加的なアンモニア含有化合物を伴う。
【００６０】
本発明のいくつかの実施例において、アンモニア含有化合物は、例えば燃焼前の燃料への添加、燃料燃焼工程への注入、または燃焼工程の下流での注入のように、上流の１つ以上の点で加えられる。燃焼工程下流でのアンモニア含有化合物の添加は、燃焼工程下流の熱回収セクション内であってよい。また、熱回収セクションの下流で注入されてもよい。アンモニア含有化合物は単数ストリームとして、または、例えばアンモニア注入グリッドもしくは注入ランスのような任意の工程位置における複数ストリームとして加えられてよい。任意工程位置におけるアンモニア含有化合物の任意のストリームの添加速度は、触媒位置におけるアンモニア濃度、窒素酸化物濃度、またはアンモニア対窒素酸化物のモル比の不均一性レベルを低下させるべく設定される。
【００６１】
いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物が１つ以上の触媒層の上流で加えられて、反応等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比が触媒入口で生成される。いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物が触媒層の上流で加えられ、１．０から約２．０まで、または１．０から約１．５までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比が触媒入口で生成される。一実施例において、約０．９５から約１．５まで、または約１．５から約２．０までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒入口で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が、加えられる。他実施例において、約１．０から約１．４までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。さらなる実施例において、約１．０から約１．２までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒入口で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。
【００６２】
さらに、いくつかの実施例において、触媒層内の１つ以上の点で等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が、本発明に係るシステムおよび方法において排ガスに加えられる。いくつかの実施例において、１．０から約２．０まで、または１．０から約１．５までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層内の１つ以上の点で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。他実施例において、１．０から約１．３までの範囲、または約１．５から約２．０までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層の１つ以上の点で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。
【００６３】
いくかの実施例によれば、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムはさらに、アンモニア分解触媒層の上流に付加的な窒素酸化物還元触媒を含む。
【００６４】
図２は、本発明の一実施例に係る、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムを示す。図２に示すシステム（２００）は、排ガス流の最も遠い上流にアンモニア分解触媒層（２０２）を、アンモニア分解触媒層（２０２）の下流に窒素酸化物還元触媒層（２０４）を含む。アンモニア含有化合物の添加点（２０６）は、アンモニア分解触媒層（２０２）および窒素酸化物還元触媒層（２０４）の上流に設けられる。
【００６５】
いくつかの実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、触媒によるアンモニア分解と触媒による窒素酸化物還元との双方を達成するべく操作可能な触媒層を含む。これにより、付加的な下流および／または上流触媒層をオプションとすることができる。図３は、排ガスから窒素酸化物を除去する、かかるシステムを示す。図３に示すシステム（３００）は、触媒によるアンモニア分解および触媒による窒素酸化物還元の双方を行うべく操作可能な触媒層（３０２）を含む。アンモニア含有化合物の添加点（３０４）は、触媒層（３０２）の上流に配置される。
【００６６】
本発明の実施例に係る、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、９５％を越える窒素酸化物除去効率を示すことができる。いくつかの実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、９７％を越える窒素酸化物除去効率を実証することができる。一実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、９９％を越える窒素酸化物除去効率を実証することができる。
【００６７】
ここで述べられる窒素酸化物除去効率とともに、いくつかの実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、５ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアスリップを有する。他実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、３ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアスリップを示す。さらなる実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、２ｐｐｍｖｄ未満のアンモニアスリップを実証する。いくつかの実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムが与える二酸化硫黄の酸化は最小限からゼロである。いくつかの実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムは、水銀酸化機能を含んでよい。
【００６８】
他の側面において、本発明は、排ガスから窒素酸化物を除去する方法を与える。一実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、アンモニア分解触媒層を与えることと、アンモニア分解触媒層の下流に窒素酸化物還元触媒層を与えることと、アンモニア分解触媒層および窒素酸化物還元触媒層の上流で、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量未満ではない量のアンモニア含有化合物を加えることと、排ガスにアンモニア分解触媒層および窒素酸化物還元触媒層を通過させることとを含む。いくつかの実施例において、アンモニア分解触媒層の上流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を配置してもよい。
【００６９】
本発明に係る方法の実施例において、アンモニア分解触媒層は、上述の少なくとも１つのモノリシック構造触媒体を含む。いくつかの実施例において、アンモニア分解触媒層は、本発明に係る複数のモノリシック構造触媒体を含む。
【００７０】
他実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、第１触媒層を与えることと、排ガスに第１触媒層を通過させることによって排ガス中のアンモニアを触媒分解および排ガス中の窒素酸化物を触媒還元することとを含む。ここで、第１触媒層の上流で、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量未満ではない量のアンモニア含有化合物が加えられる。本実施例によれば、第１触媒層は、本発明に係る少なくとも１つのモノリシック構造触媒体を含む。いくつかの実施例において、第１触媒層は、本発明に係る複数のモノリシック構造触媒体を含む。いくつかの実施例において、方法はさらに、第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を与えることと、少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を通して排ガスを流すこととを含む。
【００７１】
他実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、第１触媒層を与えることと、第１触媒層の上流で排ガスに、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニア含有化合物を加えることと、第１触媒層を通して排ガスを流すことと、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニアを選択的に触媒分解することと、選択的に触媒分解されてはいないアンモニアとの反応により窒素酸化物を触媒還元することとを含む。いくつかの実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約５ｐｐｍｖｄ未満である。他実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約３ｐｐｍｖｄ未満である。さらなる実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約２ｐｐｍｖｄ未満である。また、いくつかの実施例において、方法はさらに、第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を与えることと、少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を通して排ガスを流すこととを含む。
【００７２】
さらなる実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は、第１触媒層を与えることと、第１触媒層の１つ以上の点において等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を生成する量のアンモニア含有化合物を排ガスに加えることと、第１触媒層を通して排ガスを流すことと、第１触媒層の１つ以上の点において等量を上回るアンモニアを選択的に触媒分解することと、選択的に触媒分解されてはいないアンモニアとの反応により窒素酸化物を触媒還元することとを含む。いくつかの実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約５ｐｐｍｖｄ未満である。他実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約３ｐｐｍｖｄ未満である。一実施例において、第１触媒層を出るアンモニアの量は、約２ｐｐｍｖｄ未満である。さらなる実施例において、方法はさらに、第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を与えることと、少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層を通して排ガスを流すこととを含む。
【００７３】
ここで、いくつかの実施例において、第１触媒層の下流に少なくとも１つの付加的な窒素酸化物還元触媒層が設けられ、少なくとも１つの付加的な触媒層を出る排ガス中のアンモニアの量は、約５ｐｐｍｖｄ未満、約３ｐｐｍｖｄ未満、または約２ｐｐｍｖｄ未満である。
【００７４】
ここに述べるように、本発明に係る方法のいくつかの実施例によれば、アンモニア含有化合物は、例えば燃焼前の燃料への添加、燃料燃焼工程への注入、または燃焼工程の下流での注入のように、触媒層上流の１つ以上の点において加えられる。燃焼工程下流でのアンモニア含有化合物の添加は、燃焼工程下流の熱回収セクション内であってよい。また、熱回収セクションの下流で注入されてもよい。アンモニア含有化合物は単数ストリームとして、または、例えばアンモニア注入グリッドもしくは注入ランスのような任意の工程位置における複数ストリームとして加えられてよい。
【００７５】
任意工程位置におけるアンモニア含有化合物の任意のストリームの添加速度は、触媒位置におけるアンモニア濃度、窒素酸化物濃度、またはアンモニア対窒素酸化物のモル比の不均一性レベルを低下させるべく設定される。また、所望のＮＨ３／ＮＯｘモル比を達成するべく排ガスに加えられるアンモニアの量は、排ガス流路の１つまたは複数の点において排ガス中の窒素酸化物濃度をモニタリングすることにより決定できる。例えば一実施例において、触媒層の上流で排ガスの窒素酸化物含有量が測定される。測定の結果に基づいて所望のＮＨ３／ＮＯｘモル比を達成するべくアンモニアが加えられる。他実施例において、触媒層の下流で排ガスの窒素酸化物含有量が測定される。測定の結果に基づいて所望のＮＨ３／ＮＯｘモル比を達成するべくアンモニアが加えられる。
【００７６】
いくつかの実施例において、等量（１．０）未満ではない値を有する触媒層入口のＮＨ３／ＮＯｘモル比を生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が、本発明に係るシステムおよび方法で加えられる。
【００７７】
いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物が１つ以上の触媒層の上流で加えられて、触媒入口で反応等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比が生成される。いくつかの実施例において、アンモニア含有化合物が触媒層の上流で加えられ、１．０から約２．０まで、または１．０から約１．５までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比が触媒入口で生成される。一実施例において、約０．９５から約１．５まで、または約１．５から約２．０までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒入口で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。他実施例において、約１．０から約１．４までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。さらなる実施例において、約１．０から約１．２までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒入口で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。
【００７８】
さらに、いくつかの実施例において、等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層内の１つ以上の点で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が、本発明に係るシステムおよび方法において排ガスに加えられる。いくつかの実施例において、１．０から約２．０まで、または１．０から約１．５までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層内の１つ以上の点で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。他実施例において、１．０から約１．３までの範囲、または約１．５から約２．０までの範囲のＮＨ３／ＮＯｘモル比を触媒層の１つ以上の点で生成するのに十分な量のアンモニア含有化合物が加えられる。
【００７９】
いくつかの実施例において、触媒層内の１つ以上の点で等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比は、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量以下の量のアンモニア含有化合物を排ガスに加えることによって達成することができる。他実施例において、触媒層内の１つ以上の点で等量を上回るＮＨ３／ＮＯｘモル比は、排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を越える量のアンモニア含有化合物を排ガスに加えることによって達成することができる。
【００８０】
本発明に係る方法によれば、排ガス中の窒素酸化物の化学量論等量を上回るアンモニアの選択的な触媒分解により、触媒層出口のアンモニアスリップが低減される。さらに、本発明に係る方法のいくつかの実施例において、化学量論等量を上回るアンモニアの選択的な触媒分解により、余剰アンモニアを使用して、触媒層出口のアンモニアスリップを付随的に増加させずに窒素酸化物還元効率を高めることができる。
【００８１】
本発明に係るシステムおよび方法の触媒層は、上述の少なくとも１つのモノリシック構造触媒体を含む。いくつかの実施例において、本発明に係るシステムおよび方法の触媒層は、アンモニアの分解および／または窒素酸化物の選択触媒還元を達成するべく操作可能な複数のモノリシック構造触媒体を含む。
【００８２】
本発明の実施例によれば、排ガスから窒素酸化物を除去するシステムおよび方法は、少なくとも９５％の窒素酸化物除去効率を実証することができる。いくつかの実施例において、本発明に係るシステムおよび方法は、少なくとも９７％の窒素酸化物除去効率を示すことができる。一実施例において、本発明に係るシステムおよび方法は、少なくとも９９％の窒素酸化物除去効率を示すことができる。
【００８３】
本発明のいくつかの実施例において、ここに記載されるシステムおよび方法により処理される排ガスはさらに、三酸化硫黄含有量を含む。いくつかの実施例において、本発明に係る排ガスから窒素酸化物を除去するシステムおよび方法の結果、二酸化硫黄の酸化による排ガスの三酸化硫黄含有量の増加は全くなくなるか、または実質的に全くなくなる。さらに、いくつかの実施例において、排ガスから窒素酸化物を除去する方法は水銀酸化機能を含んでよい。
【００８４】
下記の例は本発明をさらに説明するべく用いられるが、他方、その限定を構成するものではない。むしろ、ここの説明を読んだ後、本発明の要旨を逸脱せず当業者に示唆される様々な実施例、修正例、およびその均等例に頼ってもよいことがはっきりとわかるはずである。
【実施例１】
【００８５】
例１
本発明に係るモノリシック構造触媒体
本発明に係るハニカム状モノリシック構造触媒体が、成分の混合、ハニカム形状への押出、乾燥、および焼成を含む上述の方法により、実験室規模の製造設備において作られた。触媒体は、チタニア（ＴｉＯ２）８５％、三酸化タングステン（ＷＯ３）を含む触媒活性金属組成物９％、ルテニウム０．３％、ならびに、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＳＯ４、およびマイナー種を含む他の要素を含む無機酸化物含有量の触媒組成物を示した。内区画壁および外周壁により包囲される流路は名目上、セルサイズ６．３ｍｍの断面プロファイルの正方形であった。モノリシック触媒体のピッチは７．１ｍｍであった。
【００８６】
モノリシック構造触媒には引き続き、ガス中の窒素酸化物の選択触媒還元の試験が行われた。窒素酸化物の選択還元についての構造触媒の性能試験が、認められている工業規格に従って行われた。触媒性能が、無水ベースの酸素約３．５％、水蒸気１０％、一酸化窒素３５０ｐｐｍｖｄ、アンモニア３００−４７５ｐｐｍｖｄ、およびバランスＮ２からなる模擬ガスストリーム中の、温度３８０℃のマイクロリアクターにおいて測定された。
【００８７】
アンモニア、窒素酸化物、および三酸化硫黄の濃度が、入口および出口を含む構造触媒に沿った点において測定された。触媒性能が、触媒層の長さ方向のガス滞留時間の関数として測定された。かかる滞留時間は、触媒入口におけるゼロから触媒出口における約０．０６ｈｒｓ−ｍ２／Ｎｍ３までの範囲の面積速度（ａｒｅａ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）の逆数として表現される。ここで、ｍ２は、ガス流と接触する触媒の露出表面の幾何学的表面積であり、Ｎｍ３は、単位時間当たりのガス流のノルマル立方メートルである。
【００８８】
図４は、試験結果を示す。図４に示すように、モノリシック構造触媒体は、選択触媒アンモニア分解および触媒窒素酸化物還元を実証した。０から約０．０３ｈｒｓ−ｍ２／Ｎｍ３までのアンモニア濃度勾配は、同じ滞留時間に対するＮＯｘ濃度勾配よりも大きい。これは、窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニアが選択的に触媒分解されたことを示す。モノリシック構造触媒体の入口におけるＮＨ３／ＮＯｘモル比は、約１．２であった。選択的な触媒分解の結果アンモニア濃度がＮＯｘ濃度に近づくほど、アンモニア濃度勾配は平坦化してＮＯｘ濃度勾配に一致する。アンモニア濃度勾配が平坦化してＮＯｘ濃度勾配に一致することは、アンモニアの選択触媒分解の減少を示す。ここでは、上述の式（１）および（２）に示した１：１の比で、窒素酸化物の触媒還元にアンモニアが消費されている。
【００８９】
排ガス中の窒素酸化物の化学量論反応等量を上回るアンモニアが、排ガス中の窒素酸化物と１：１の反応で結合して選択的に触媒分解するので、モノリシック構造触媒体の出口において許容できないアンモニアレベルを付随的に放出することなく、余剰アンモニアを窒素酸化物の触媒還元に供給することができる。
【００９０】
さらに、モノリシック構造触媒体は、排ガスから窒素酸化物を触媒除去する場合に、二酸化硫黄の酸化が実質的に全くないことを実証した。図４に示すように、三酸化硫黄濃度は一定のままであった。これは、モノリシック構造触媒体による排ガス中の二酸化硫黄の酸化が、最小限からゼロであることを示す。
【００９１】
おわかりのように、上述の説明および詳細な実施例は、本発明およびその原理の単なる説明であり、本発明の要旨および範囲を逸脱することなく当業者による本発明への様々な修正および付加が行われてよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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