(57)【要約】【課題】アンモニア分解性能を満足し、長期間安定運転が可能な処理装置を提供する。【解決手段】アンモニア取扱設備１に連結されたアンモニア抜出管１１と、この抜出管１１に希釈空気を導入する空気配管１６と、抜き出されたアンモニアガスと空気との混合ガス中のアンモニア濃度を調整する手段と、得られた混合ガスを加熱する加熱器４と、加熱混合ガス中のアンモニアを分解させる触媒層２と、触媒層２出口に連結され、処理済ガスと加熱器入り口ガスとを熱交換する熱交換器３とを有するアンモニア処理装置において、混合ガス中のアンモニア濃度の調整手段として、触媒層内温度に基づいて、アンモニア取扱設備からのアンモニア抜き出し量を調整する手段を設けたこと。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア取扱設備に連結されたアンモニアガス抜出管と、該抜出管に希釈用の空気を導入する空気配管と、抜き出されたアンモニアガスと希釈空気との混合ガス中のアンモニア濃度を調整する手段と、前記混合ガスを加熱する加熱器と、加熱された混合ガス中の前記アンモニアを分解、除去するアンモニア分解触媒層と、該触媒層の出口管に連結され、前記触媒層出口から流出する処理済ガスと前記加熱器に流入する前記混合ガスとを熱交換する熱交換器とを有するアンモニア処理装置において、前記混合ガス中のアンモニア濃度を調整する手段として、前記アンモニア分解触媒層の層内温度に基づいて前記アンモニア取扱設備からのアンモニアガスの抜出し量を調整する手段を設けたことを特徴とするアンモニア処理装置。
【請求項２】
前記アンモニア分解触媒層の出口管に、前記触媒層出口から流出する処理済ガスを、前記熱交換器をバイパスして系外に排出させるバイパス配管および該バイパス配管を流れる前記処理済ガス量の調整手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のアンモニア処理装置。
【請求項３】
アンモニア取扱設備に残留するアンモニアガスを抜出し、空気を混合して希釈し、アンモニア分解触媒層に導入して前記アンモニアを分解、処理し、処理済ガスを熱交換器に導入し、該処理済ガスが有する熱量で前記加熱器に流入するアンモニアと希釈空気との混合ガスを加熱した後、大気に放出するアンモニア処理方法において、前記アンモニア分解触媒層の層内温度が所定温度となるように、前記アンモニア取扱設備からのアンモニアガスの抜き出し量を調整することを特徴とするアンモニア処理方法。
【請求項４】
前記アンモニアガス抜き出し量と、希釈空気量との合計が常に一定となるように前記希釈空気量を調整することを特徴とする請求項３に記載のアンモニア処理方法。
【請求項５】
前記アンモニア分解触媒層の層内温度に基づいて前記熱交換器をバイパスして系外に排出させる前記触媒層出口から流出する処理済ガス量を調整することを特徴とする請求項３または４に記載のアンモニア処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア処理装置およびこれを用いたアンモニア処理方法に係り、特に、発電所、工場等のアンモニア取扱設備において、定期点検時にアンモニアタンク内の残留アンモニアガスを乾式触媒により分解、処理する装置および方法であって、残留アンモニア濃度が変化してもアンモニアの分解性能を満足し、かつ、長期安定運転が可能なアンモニア処理装置および処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保全に対する関心が高まっていることや、平成１６年に東京湾、伊勢湾、瀬戸内海等の閉鎖性海域の富栄養化対策として規制が強化されることもあり、アンモニアについても排水として排出できる量の規制が厳しくなると考えられる。従来、発電所、工場等のアンモニア貯蔵設備では、定検時等において残留するアンモニアを洗浄により除去していたが、洗浄水中に含まれるアンモニアも規制強化の対象となるため、洗浄しないで残留アンモニアを処理する乾式処理装置のニーズが高まっている。乾式アンモニア処理装置としては、例えばアンモニアを乾式触媒で酸化し、無害な窒素と水に分解させるものがある。
【０００３】
図３に、従来の乾式アンモニア処理装置の装置系統を示す。図３において、このアンモニア処理装置は、アンモニア取扱設備としてのアンモニアタンク１に連結されたアンモニアガス抜出管１１と、該抜出管１１に設けられたアンモニアガスの抜き出し量調整手段としての、アンモニアガス流量計３１、アンモニア分析計６、アンモニアガス流量調整器４１およびアンモニアガス調整弁２１と、前記抜出管１１に希釈用の空気を導入する空気配管１６と、前記抜出管１１で抜き出されたアンモニアと前記希釈空気との混合ガスを加熱する加熱器４と、加熱された混合ガス中の前記アンモニアを分解、除去するアンモニア分解触媒層２と、該アンモニア分解触媒層２の出口管１４に設けられ、アンモニア分解触媒層２出口処理済ガスと前記加熱器４に流入する前記混合ガスとを熱交換する熱交換器３とを有する。
【０００４】
なお、５は、空気配管１６に連結された空気ブロワ、２２、３５および４２は、それぞれ希釈空気流量調整手段としての空気調整弁、空気流量計および空気流量調整器、１２および１３は、それぞれ加熱器入口管および出口管、３２および３３は、それぞれ加熱器入口温度計および出口温度計、３４は、アンモニア分解触媒層出口温度計である。
【０００５】
このような装置において、アンモニアタンク１に残留するアンモニアは、例えば次のように抜き出して処理される。すなわち、アンモニアタンク１に、例えば窒素ガス10が供給され、これによりアンモニアタンク１内の残留アンモニアはアンモニアガス抜出管11を通って抜出され、空気ブロワ５により押し出され、空気調整弁22、空気流量計35および空気流量調整器42により所定流量に調整された空気と合流して希釈されるとともに、アンモニア分析計６、アンモニアガス調整弁２１、アンモニアガス流量計31およびアンモニアガス流量調整器41によりそのアンモニア濃度が、例えば３％に調整される。アンモニア濃度が調整された混合ガス（以下、アンモニア含有ガスともいう）は、後流の熱交換器３に流入し、後述するアンモニア分解触媒層２出口から流出する処理済ガスと熱交換して、例えば１５０℃に近い温度まで加熱されたのち、加熱器入口配管12を通り、例えば電気ヒータからなる加熱器４に供給され、アンモニアの分解反応に必要な所定温度、例えば１50℃に加熱される。加熱されたアンモニア含有ガスは、加熱器出口配管13を経てアンモニア分解触媒層２に流入し、ここで混合ガス中のアンモニアが、触媒により下記反応式に従って窒素と水に分解される。
【０００６】
４ＮＨ３＋３Ｏ２  →  ２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
アンモニア分解反応は、発熱反応であり、触媒層２内の温度は、例えば４００℃程度に上昇する。アンモニアが分解した処理済ガスは、上述したアンモニア分解触媒層出口配管14を通り、前記熱交換器３に流入し、ここで、被処理ガスとしてのアンモニア含有ガスを加熱し、自身は、低温の処理済ガスとして排気配管15を通って大気中に放出される。
【特許文献１】特開平１０−３１４５４８号公報
【特許文献２】特開平０９−２７６６５５号公報
【特許文献３】実開平０６−０５７４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術において、加熱器４におけるアンモニア含有ガスの昇温温度は、触媒入口温度が所定温度以上にならないように加熱器出口温度計33により監視されているが、アンモニア濃度とその分解反応における発熱量は比例関係にあるために、アンモニア含有ガス中のアンモニア濃度が高くなるに従ってアンモニア分解触媒層２内の温度が上昇し、例えばアンモニア濃度が３％を超えると触媒層内温度が５００℃を超え、これによって触媒が劣化し、アンモニア分解性能も低下する。従って、アンモニア分解触媒層入り口のアンモニア含有ガスにおけるアンモニア濃度は通常運転範囲、例えば３％以下に維持されなければならない。
【０００８】
しかしながら、上記従来技術において、アンモニア濃度を通常運転範囲内に維持しようとすると、アンモニアガス量と希釈空気流量の割合を決めて、さらにアンモニア濃度計６によりアンモニア濃度が３％を超えないように調整する必要があり、装置点数が多く、操作が複雑になり、保守も煩雑になるうえ、設備費、運転費が増加するという問題がある。また、例えばアンモニア濃度を３％とした処理時間の経過に従い、アンモニアタンク１内のアンモニア濃度が低下した場合、アンモニア分解触媒層２入口のアンモニア濃度も低下するため、性能を維持するためにはアンモニア分解触媒層２の入口温度を上昇させる必要があるが、上記従来技術では、このような変動する温度条件に対応できないという問題があった。
【０００９】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、アンモニア分解性能を満足し、かつ、アンモニア取扱設備における残留アンモニア濃度が低下した場合でも、安定処理を継続することができるアンモニア処理装置およびアンモニア処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、アンモニア処理装置に、アンモニア分解触媒層の層内温度に基づいて該アンモニア分解触媒層に流入する被処理ガス中のアンモニア濃度を調整する手段を設け、かつ熱交換器に流入する処理済ガス量を調整して該熱交換器で加熱されるアンモニアと希釈空気との混合ガス温度が後流での処理に適した所定温度、例えば１５０℃に近い温度となるように調整する手段として、前記処理済ガスの一部を熱交換器をバイパスして系外へ排出させるバイパス配管および該バイパス配管を流通する前記処理済ガスバイパス量の調整手段を設けることにより達成される。
【００１１】
すなわち、本願で特許請求する発明は、以下のとおりである。
（１）アンモニア取扱設備に連結されたアンモニアガス抜出管と、該抜出管に希釈用の空気を導入する空気配管と、抜き出されたアンモニアガスと希釈空気との混合ガス中のアンモニア濃度を調整する手段と、前記混合ガスを加熱する加熱器と、加熱された混合ガス中の前記アンモニアを分解、除去するアンモニア分解触媒層と、該触媒層の出口管に連結され、触媒層出口から流出する処理済ガスと前記加熱器に流入する前記混合ガスとを熱交換する熱交換器とを有するアンモニア処理装置において、前記混合ガス中のアンモニア濃度を調整する手段として、前記アンモニア分解触媒層の層内温度に基づいて前記アンモニア取扱設備からのアンモニアガスの抜出し量を調整する手段を設けたことを特徴とするアンモニア処理装置。
【００１２】
（２）前記アンモニア分解触媒層の出口管に、前記触媒層出口から流出する処理済ガスを、前記熱交換器をバイパスして系外に排出させるバイパス配管および該バイパス配管を流れる前記処理済ガス量の調整手段を設けたことを特徴とする（１）に記載のアンモニア処理装置。
（３）アンモニア取扱設備に残留するアンモニアガスを抜出し、空気を混合して希釈し、アンモニア分解触媒層に導入して前記アンモニアを分解、処理し、処理済ガスを熱交換器に導入し、該処理済ガスが有する熱量で前記加熱器に流入するアンモニアと希釈空気との混合ガスを加熱した後、大気に放出するアンモニア処理方法において、前記アンモニア分解触媒層の層内温度が所定温度となるように、前記アンモニア取扱設備からのアンモニアガスの抜出し量を調整することを特徴とするアンモニア処理方法。
【００１３】
（４）前記アンモニアガス抜出し量と、希釈空気量との合計が常に一定となるように前記希釈空気量を調整することを特徴とする（３）に記載のアンモニア処理方法。
（５）前記アンモニア分解触媒層の層内温度に基づいて前記熱交換器をバイパスして系外に排出させる触媒層出口から流出する処理済ガス量を調整することを特徴とする（３）または（４）に記載のアンモニア処理方法。
【発明の効果】
【００１４】
本願の請求項１に記載の発明によれば、装置点数が減少し、操作が比較的簡単で、しかもアンモニア取扱設備内の残留アンモニア量が低下しても安定にアンモニアを分解、処理することができる。
本願の請求項２に記載の発明によれば、上記発明の効果に加え、アンモニア分解触媒の劣化を有効に防止することができる。
【００１５】
本願の請求項３に記載の発明によれば、操作が容易で、しかもアンモニア取扱設備内の残留アンモニア量が低下しても安定にアンモニアを分解、処理することができる。
本願の請求項４に記載の発明によれば、上記発明の効果に加え、被処理ガス中のアンモニア濃度の調整が容易となる。
【００１６】
本願の請求項５に記載の発明によれば、上記発明の効果に加え、被処理アンモニア含有ガス温度をより正確に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の一実施例を示すアンモニア処理装置の系統を示す図である。図１において、このアンモニア処理装置が図３と異なるところは、アンモニア分解触媒層の層内温度に基づいて被処理ガス中のアンモニア濃度を調整する手段を設け、かつ処理済ガスの一部を、熱交換器をバイパスして系外に排出させるバイパス管および該バイパス管を流通するガス量の調整手段を設けて熱交換器出口被処理ガスの温度を調整するようにした点である。
【００１８】
すなわち、図１の装置は、図３の装置のアンモニアガス抜出管１１に、アンモニアガス調整弁２１−２（以下、親側アンモニアガス調整弁という）およびアンモニアガス流量計３１−２（以下、親側アンモニアガス流量計という）をバイパスするバイパス管を設け、該バイパス管に、アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１およびアンモニアガス流量計（子弁側）３１−１を設け、またアンモニア分解触媒層２に層内温度を計測する層内温度計３６を設け、アンモニア流量調整器４１の制御パラメータとして、アンモニアガス抜出管１１に設けられた親弁側アンモニアガス流量計３１−２およびアンモニアガス調整弁（親弁）２１−２からの信号に加え、前記アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１およびアンモニアガス流量計（子弁側）３１−１の信号と、アンモニア分解触媒層２の層内温度計３６の信号とに基づいてアンモニア流量調整器４１を制御するようにし、かつアンモニア分解触媒層出口配管１４に熱交換器３をバイパスして排気配管１５に連結するバイパス管１７を設け、該バイパス配管１７に熱交換器バイパス弁２４を設けるとともに、前記排気配管１５に熱交換器出口調整弁２３を設け、触媒層内温度計３６からの信号に基づいて前記熱交換器バイパス弁２４および熱交換器出口調整弁２３の開度を制御するバイパス調整器４３を設けたものである。
【００１９】
このような構成により、アンモニアタンク１の残留アンモニアは、以下のように処理される。すなわち、（イ）通常運用モード(アンモニアタンク残圧処理時)において、処理開始の初期は、アンモニアガス流量計（子弁側）３１−１は、２０m３N/h、空気流量計３５は、６５０m３N/hに調整される。このとき、アンモニアガス調整弁（親弁）２１−２は全閉となっている。なお、アンモニアの爆発限界を考慮して、アンモニアガス流量計（子弁側）３１−１は７０m３N/hを上限とするように制御される。
【００２０】
アンモニアと空気の混合ガスは、熱交換機３を経て加熱器４に流入し、ここで例えば、１５０℃まで加熱された後、アンモニア分解触媒層２に流入し、アンモニアが分解処理される。このとき、触媒層内温度計３６が４２０℃になるように熱交換器バイパス弁２４とガス熱交換器出口調整弁２３が制御され、熱交換器バイパス弁２４を全開にしても触媒層内温度計３６が４２０℃を上回る場合は触媒劣化防止のため、アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１を閉じる方向に制御してアンモニアガス量が調整される。このとき、処理ガス量一定（６７０m３N/h）より、
空気流量＝処理ガス量（６７０m３N/h）−（アンモニアガス流量計（子弁側）３１−１の流量）
となるように空気調整弁２２が制御される。
【００２１】
次に、アンモニアタンクの残圧が下がるとアンモニア抜き出し量が減るので触媒層内温度が、例えば４２０℃となるように、アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１は徐々に全開まで開かれる。アンモニアガス調整弁（子弁）を全開としても触媒層内温度計３６の検出値が下がる場合は、触媒層内の温度、すなわち触媒層に流入する被処理アンモニア含有ガス温度を高めるために熱交換器バイパス弁２４が徐々に閉じられ、最終的に全閉とされる。アンモニアタンク１の残圧がゼロになるとアンモニアの抜き出しが止まるので、空気のみが流通することになる。
【００２２】
アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１が全開、熱交換器出口調整弁２３全開、熱交換器バイパス弁２４全閉の状態で通常運転モードが完了し、アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１を全閉して通常運転モードが終了する。
【００２３】
次に、窒素ガスのパージモード（窒素ガスパージによるアンモニア処理）では、手動で窒素ガス１０のパージを開始し、初期は、高濃度のアンモニアが抜き出されるので、アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１が全閉から徐々に開にしてアンモニアガス流量計（子弁側）３１−１が、２０m３N/h、空気調整弁２２が、６５０m３N/hとなるように調整する。但し、アンモニアの爆発限界を考慮して、アンモニアガス流量計（子弁側）３１−１は７０m３N/hを上限とする。
【００２４】
アンモニアと空気の混合ガスは、上記と同様に、熱交換機３を経て加熱器４に流入し、ここで例えば１５０℃まで加熱された後、アンモニア分解触媒層２に流入し、アンモニアが分解処理される。このとき触媒層内温度計３６が４２０℃になるように熱交換器バイパス弁２４を全閉から開にし、全開になっても触媒層内温度計３６が４２０℃を上回る時は、アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１が閉じる方向に制御してアンモニア濃度が調整される。このとき、処理ガス量一定（６７０m３N/h）より、
空気流量＝被処理ガス量（６７０m３N/h）−（アンモニアガス流量計（子弁側）３１−１の流量）
となるように調整される。
【００２５】
次に、アンモニアタンク内濃度が低下すると、触媒層内温度も下がるので、アンモニアガス調整弁（子弁）２１−１がリミット開度まで開かれる。リミット開度後は、今まで閉じられていたアンモニアガス調整弁（親弁）２１−２が全閉から徐々に開かれ、アンモニア抜き出し量を確保するように調整される。このとき、被処理ガス量一定（６７０m３N/h）により、
空気流量＝被処理ガス量（６７０m３N/h）−（（アンモニアガス流量計（子弁側）３１−１の流量）＋（アンモニアガス流量計（親弁側）３１−２の流量））になるように調整される。アンモニアガス調整弁（親弁）は、アンモニアガス流量計（子弁側）３１−１とアンモニアガス流量計（親弁側）３１−２の合計量として３００m３N/hとなるまで開とされる。
【００２６】
次に、触媒層内温度が下がると熱交換器バイパス弁２４が徐々に閉じられ、最終的に全閉とされる。熱交換器バイパス弁２４が全閉、触媒層内温度計３６が３５０℃以下の状態で窒素ガスパージモードが完了し、アンモニアの処理が終了する。
【００２７】
本実施例によれば、アンモニア処理装置に、アンモニア分解触媒層の層内温度に基づいて該アンモニア分解触媒層に流入する被処理ガス中のアンモニア濃度を調整する手段と、処理済ガスの一部を、熱交換器をバイパスさせて系外へ排出させるバイパス配管およびその流量調整手段を設けたことにより、常に安定なアンモニア分解性能が得られ、アンモニア取扱設備におけるアンモニアの残留圧力が低下しても安定処理を継続することができる。
【００２８】
なお、本実施例において、熱交換器３は、低温のアンモニア含有ガスと高温の処理済ガスとの熱交換を行い、被処理アンモニア含有ガスを昇温することにより、加熱器４の電力消費量の低減を図っている。
【００２９】
図２は、本発明方法の契機となった、被処理アンモニア含有ガス中のアンモニア濃度とアンモニア分解触媒層の層内温度との関係を示したものである。アンモニア分解反応は、発熱反応であり、触媒層内温度は被処理ガス中のアンモニア濃度と比例関係にあるが、触媒層内温度が500℃を超えると次第に触媒が焼結、劣化し、アンモニア分解活性が低下することが知られている。
【００３０】
図２において、アンモニア濃度が３％を上回ると触媒層内温度が５００℃以上となることから、触媒性能を低下させないためには、被処理ガス中のアンモニア濃度を３％以下に維持する必要がある。従って、触媒の劣化を防止しつつ、効率よくアンモニアを分解、処理するためには、アンモニア濃度は触媒層内温度に基づいて管理することが好ましく、本発明においては、触媒層内温度を測定し、その測定値が触媒を劣化させる温度とならないように被処理ガス中のアンモニア濃度が調整される。
【００３１】
ところで、アンモニアタンク内の残留アンモニア量が少なくなってくると、触媒層入口のアンモニア濃度も低くなる。従って、例えば、アンモニア３％の通常運転時は、触媒反応に必要な触媒入口温度（１５０℃）に対して触媒層出口温度（３００℃）の温度差が大きいため必要伝熱面積は小さくて済むが、アンモニア濃度が低い（１％以下）時は、アンモニア分解反応が進行しにくいため、触媒入口温度を上げる必要があり、触媒入口／出口の温度差が小さくなって必要伝熱面積は大きくなる。従って、本発明において熱交換器は、必要伝熱面積を大きくし、アンモニア低濃度時の温度条件に基づいて設計されることが好ましい。この場合、アンモニア３％の通常運転時には伝熱面積が過大となるため、被処理アンモニア含有ガス側の出口温度が必要以上に昇温することになるが、本発明においては、触媒層出口配管に熱交換器をバイパスするバイパス配管を設け、処理済ガス側の一部を、熱交換器をバイパスして排出させることにより、異なる温度条件にも対応できるようになっている。なお、通常は、アンモニア濃度を一定にして触媒層内温度が所定温度に維持される。
【００３２】
本発明において、被処理ガス量は一定であることが好ましく、この場合、アンモニアガス量と希釈空気量との関係は下記の通りとなる。
希釈空気量＝（処理ガス量）−（アンモニアガス抜き出し量）
すなわち、本発明において希釈空気量は、被処理ガス量（一定）と抜き出されたアンモニアガス量の差分として求められる。
【００３３】
本発明において、アンモニア取扱設備からのアンモニア抜き出し量を調整する手段とは、例えば、アンモニアガス抜き出し管に設けられた、アンモニアガス調整弁、アンモニアガス流量計およびアンモニアガス流量調整器を有するものであり、アンモニア分解触媒層の層内温度に基づいてこれらが制御される。また、熱交換器をバイパスするバイパス配管を流れる処理済ガス量の調整手段は、例えば排気配管に設けられた熱交換器出口調整弁、バイパス配管に設けられた熱交換器バイパス弁、および熱交換器出口ガス温度に基づいてこれらの開度を制御するバイパス調整器が挙げられる。
本発明におけるアンモニア分解触媒は、乾式触媒である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
排水中のアンモニア規制は将来強化される見通しであり、乾式アンモニア処理装置の需要はますます高まると考えられるが、本発明装置および処理方法は、高いアンモニア処理性能を発揮し、一層のコスト低減および安定運転を実現できるものとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例であるアンモニア処理装置の構成を示す図。
【図２】アンモニア濃度とアンモニア分解触媒層内温度との関係を示す図。
【図３】従来技術を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１ ：アンモニアタンク、２：アンモニア分解触媒層、３：熱交換器、４：加熱器、５：空気ブロア、６：アンモニア分析計、１０：窒素ガス、１１：アンモニア抜出管、１２：加熱器入口管、１３：加熱器出口管、１４：アンモニア分解触媒出口管、１５：排気配管、１６：空気配管、１７：熱交換器バイパス管、２１：アンモニアガス調整弁、２１−１：アンモニアガス調整弁（子弁）、２１−２：アンモニアガス調整弁（親弁）、２２：空気調整弁、２３：熱交換出口調整弁、２４：熱交換バイパス弁、３１：アンモニアガス流量計、３１−１：アンモニアガス流量計（子弁側）、３１−２：アンモニアガス流量計（親弁側）、３２：加熱器入口温度計、３３：加熱器出口温度計、３４：アンモニア分解触媒層出口温度計、３５：空気流量計、３６：触媒層内温度計、４１：アンモニアガス流量調整器、４２：空気流量調整器、４３：バイパス調整器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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