(57)【要約】      （修正有）【課題】窒素酸化物（ＮＯｘ）除害システムが提供される。【解決手段】システムは、水素元素含有燃料から発電する発電デバイス（１０２）と、発電デバイス（１０２）からくるＮＯｘを含む排気流と流体連通する排気導管（１０８）と、アンモニアを生成するために、水素元素含有燃料の一部を窒素で改質するためのプラズマ反応器（１０４）と、排気流およびアンモニアを受け、窒素を形成するためにＮＯｘをアンモニアと反応させることによって排気流中のＮＯｘを低減するためのアンモニア選択的触媒還元（ＮＨ3−ＳＣＲ）触媒を含むＮＯｘ除害反応器（１０６）とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素元素含有燃料から発電する発電デバイス（１０２）と、
前記発電デバイスからくるＮＯｘを含む排気流と流体連通する排気導管（１０８）と、
アンモニアを生成するために、前記水素元素含有燃料の一部を窒素で改質するためのプラズマ反応器（１０４）と、
前記排気流および前記アンモニアを受け、窒素を形成するために前記ＮＯｘを前記アンモニアと反応させることによって前記排気流中のＮＯｘを低減するためのアンモニア選択的触媒還元（ＮＨ3−ＳＣＲ）触媒を含むＮＯｘ除害反応器（１０６）と
を備える、窒素酸化物（ＮＯｘ）除害システム。
【請求項２】
前記水素元素含有燃料が、合成ガスを含む、請求項１記載のＮＯｘ除害システム。
【請求項３】
前記水素元素含有燃料が、メタンを含む、請求項１記載のＮＯｘ除害システム。
【請求項４】
水素元素含有燃料を前記発電デバイスに供給するための燃料供給導管（１１４）と、
前記水素元素含有燃料の一部を前記プラズマ反応器に分流するための、前記燃料供給導管（１１４）から分岐した燃料分岐導管（１１２）と
をさらに備える、請求項１記載のＮＯｘ除害システム。
【請求項５】
前記排気の一部を窒素源として前記プラズマ反応器に送達するための、前記排気導管（１０８）から分岐した排気分岐導管（１２０）をさらに備える、請求項１記載のＮＯｘ除害システム。
【請求項６】
空気の一部を窒素源として前記プラズマ反応器（１０４）に送達するための、空気を前記発電デバイス（１０２）に供給するための空気供給導管（１１８）から分岐した空気分岐導管（１１６）をさらに備える、請求項１記載のＮＯｘ除害システム。
【請求項７】
水素元素含有燃料から発電する発電デバイス（１０２）からＮＯｘを含む排気流を受けるステップと、
プラズマ反応器（１０４）内で前記水素元素含有燃料の一部を窒素で改質することによって、アンモニアをその場で生成するステップと、
アンモニア選択的触媒還元（ＮＨ3−ＳＣＲ）触媒を介して窒素を形成するために、前記ＮＯｘを前記その場で生成されたアンモニアと反応させるステップと
を含む、窒素酸化物（ＮＯｘ）除害方法。
【請求項８】
前記水素元素含有燃料が、合成ガスを含む、請求項７記載のＮＯｘ除害方法。
【請求項９】
前記水素元素含有燃料が、メタンを含む、請求項７記載のＮＯｘ除害方法。
【請求項１０】
前記発電デバイス（１０２）に供給される前記水素元素含有燃料の体積で約１％未満が、アンモニアを生成するために前記プラズマ反応器（１０４）に分流される、請求項７記載のＮＯｘ除害方法。
【請求項１１】
前記排気の一部を窒素源として前記プラズマ反応器（１０４）に分流するステップをさらに含む、請求項７記載のＮＯｘ除害方法。
【請求項１２】
前記発電デバイス（１０２）に供給される空気の一部を窒素源として前記プラズマ反応器（１０４）に分流するステップをさらに含む、請求項７記載のＮＯｘ除害方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気中の窒素酸化物を低減するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガスは、石炭、ディーゼル、ガソリン、または天然ガスのような燃料の燃焼の結果として排出される。ほとんどの場合、排気ガスは、不完全燃焼による一酸化炭素（ＣＯ）、および過度の燃焼温度による窒素酸化物（ＮＯｘ）のような、ごく一部の有害物質を含む可能性がある。そのような場合、排気ガスが大気中に放出される前に、排気ガスから有害物質を低減することが必要である。例えば、より厳しい排出基準が世界中で発効されているので、ディーゼルエンジンからのＮＯｘ排出量を制御することは、高度なディーゼルエンジン技術の実用化のために決定的に重要である。
【０００３】
希薄燃焼エンジンからのＮＯｘ排出量を制限するために広く使用される対策の１つは、選択的触媒還元（ＳＣＲ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を介する窒素への還元でＮＯｘを低減することである。様々なＳＣＲ技術の中で、アンモニアによるＮＯｘのＳＣＲ（ＮＨ3−ＳＣＲ）は、炭化水素／尿素ＳＣＲおよびリーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ：ｌｅａｎ  ＮＯｘ  ｔｒａｐ）技術のような代替的な技術と比較したとき、広い温度範囲にわたる高いＮＯｘ低減効率、窒素（Ｎ2）への高い選択性、および良好な触媒安定性のような、いくつかの固有の利点を提供する。
【０００４】
現在、アンモニアは、現場を離れた場所で購入され、排気流がＮＯｘを低減するために処理される場所に輸送される。貯蔵タンクのような、アンモニアを輸送し、貯蔵するためのデバイスが必要とされる。そのような追加のデバイスの使用は、全体の運転費用を増大させる。
【０００５】
したがって、より容易に入手可能な材料で排気中のＮＯｘを低減することができる実用的なシステムの必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、本開示は、窒素酸化物（ＮＯｘ）除害システムに関する。システムは、水素元素含有燃料から発電する発電デバイスと、発電デバイスからくるＮＯｘを含む排気流と流体連通する排気導管と、アンモニアを生成するために、水素元素含有燃料の一部を窒素で改質するためのプラズマ反応器と、排気流およびアンモニアを受け、窒素を形成するためにＮＯｘをアンモニアと反応させることによって排気流中のＮＯｘを低減するためのアンモニア選択的触媒還元（ＮＨ3−ＳＣＲ）触媒を含むＮＯｘ除害反応器とを含む。
【０００７】
別の態様では、本開示は、ＮＯｘ除害方法に関する。この方法では、ＮＯｘを含む排気流が、水素元素含有燃料から発電する発電デバイスから受けられ、アンモニアが、プラズマ反応器内で水素元素含有燃料の一部を窒素で改質することによってその場で生成され、排気流中のＮＯｘが、アンモニア選択的触媒還元（ＮＨ3−ＳＣＲ）触媒を介して窒素を形成するために、その場で生成されたアンモニアと反応する。
【０００８】
本開示の上記および他の態様、特徴、および利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明に照らしてより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一実施形態による例示的な窒素酸化物（ＮＯｘ）除害システムを示す図である。
【図２】テスト実験のために使用される、遮蔽スライディング放電に基づく非熱表面プラズマ改質器を用いたＮＨ3−ＳＣＲ構成の概略フロー図である。
【図３】テスト実験に関するＣＨ4：ＮＯｘ比に対するＮＯｘ変換率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の１つまたは複数の実施形態をここで説明する。別段に定義しない限り、本明細書で使用する技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。「ａ」および「ａｎ」という用語は、量の限定を意味せず、参照項目の少なくとも１つの存在を意味する。明細書および特許請求の範囲全体を通じて、本明細書で使用する近似の言い回し（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｎｇ  ｌａｎｇｕａｇｅ）は、関連する基本的な機能に変化をもたらすことなく変えることができる任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「約」のような用語によって修飾される値は、指定された正確な値に限定されるものではない。加えて、「約第１の値〜第２の値」という表現を使用するとき、約は、両方の値を修飾することを意図している。いくつかの例では、近似の言い回しは、値を測定するための機器の精度に対応することができる。
【００１１】
本開示の実施形態は、全体的には、例えば、化石燃料を使用する発電装置からの排気流からＮＯｘを低減するための窒素酸化物（ＮＯｘ）除害システムおよび方法に関し、具体的には、水素または炭化水素を含有することができる水素元素含有燃料から発電するエンジン、ガスタービン、およびガスボイラのような発電デバイスに関する。水素元素含有燃料の例は、限定はしないが、メタンおよび合成ガス（Ｈ2およびＣＯの混合物）を含む。ＮＯｘ除害システムは、排気流と流体連通する排気導管と、その場でアンモニアを生成するために、水素元素含有燃料の一部を窒素で改質するためのプラズマ反応器と、排気流およびその場で生成されたアンモニアを受け、ＮＯｘを低減するように、排気流中のＮＯｘをアンモニアと反応させるためのＮＯｘ除害反応器とを含むプラズマ支援後処理システムである。ＮＯｘ除害反応器には、ＮＯｘおよびアンモニアの窒素への全体的な変換率を増加させることができるアンモニア選択的触媒還元（ＮＨ3−ＳＣＲ）触媒が設けられる。アンモニアが現場を離れた場所で購入されるまたは生成される、別の場所で（ｅｘ  ｓｉｔｕ）という用語とは反対に、本明細書で使用される「その場で」という用語は、ＮＯｘを窒素に還元するために使用されるアンモニアが、排気流が排出もしくは放出される場所、および／またはＮＯｘが還元される場所で生成されることを意味し、具体的には、排気流が排出もしくは放出される、および／または、ＮＯｘが還元される場所で利用可能なリソースを用いたアンモニア生成を指す。
【００１２】
図１を参照すると、エンジン１０２のような発電デバイスが配置される場所に、プラズマ反応器１０４およびＮＯｘ除害反応器１０６が設けられる。プラズマ反応器１０４は、その場でアンモニアを生成するために、メタンおよび合成ガスのような水素元素含有燃料を窒素で改質することができる。ＮＯｘ除害反応器１０６には、ＮＯｘをアンモニアで窒素に還元することができるＮＨ3−ＳＣＲ触媒が装填される。排気導管１０８は、ＮＯｘを含む排気流を、発電デバイス１０２からＮＯｘ除害反応器１０６に送達するために使用される。さらに、プラズマ反応器１０４で生成されたアンモニアは、導管１１０を介してＮＯｘ除害反応器１０６に送達される。排気流に含まれるＮＯｘは、ＮＨ3−ＳＣＲ触媒の存在下でアンモニアと反応し、それによって、毒性がない窒素に変換される。
【００１３】
プラズマ反応器１０４で改質される水素元素含有燃料は、発電デバイス１０２に供給される燃料からのものであってもよい。いくつかの実施形態では、発電デバイス１０２に供給される燃料は、メタンを含むことができ、例えば、体積で９０％よりも多く、または好ましくは９５％よりも多くのメタンを含むことができる。具体的には、発電デバイス１０２に供給される燃料は、本明細書で使用するとき、体積で９９％よりも多くのメタンを含む燃料を指す、メタンそのものである。いくつかの実施形態では、発電デバイス１０２に供給される燃料は、合成ガスを含むことができ、例えば、体積で９０％よりも多く、または好ましくは９５％よりも多くの合成ガスを含むことができる。具体的には、発電デバイス１０２に供給される燃料は、本明細書で使用するとき、体積で９９％よりも多くの合成ガスを含む燃料を指す、合成ガスそのものである。図示の実施形態では、燃料を発電デバイス１０２に供給するための燃料供給導管１１４から分岐した燃料分岐導管１１２は、燃料供給導管１１４からプラズマ反応器１０４に燃料の一部を分流するために使用される。これらの実施形態では、少量の燃料およびＮ2の混合物のみを改質することで、ＮＯｘ還元のために必要とされる十分なアンモニアを生成することができる。このように、ＮＯｘおよびいくらかの未燃燃料を含む排気全体を改質することによってアンモニアを生成するのと比べて、十分なアンモニアを生成するために、より少ないエネルギーが必要とされる。具体的には、燃料の少ないスリップストリームのみが、プラズマ反応器１０４で改質される。例えば、いくつかの実施形態では、発電デバイス１０２に供給される燃料の体積で約１％未満、または好ましくは０．５％未満が、改質のためにプラズマ反応器１０４に分流される。
【００１４】
プラズマ反応器１０４内の水素元素含有燃料を改質するために使用される窒素は、排気、空気、または、窒素を含む任意の他の供給源からくるものでもよい。いくつかの実施形態では、排気または空気は、改質のために直接使用される。いくつかの実施形態では、排気または空気から分離された窒素が、改質のために使用される。特定の一実施形態では、燃料を改質するために使用される窒素は、発電のために発電デバイス１０２に供給される空気からのものである。発電デバイス１０２に空気を供給するための空気供給導管１１８から分岐した空気分岐導管１１６は、空気供給導管１１８からの空気の一部を窒素源としてプラズマ反応器１０４に分流するために使用される。別の特定の実施形態では、燃料を改質するために使用される窒素は、発電デバイス１０２からの排気流からくる。排気導管１０８から分岐した排気分岐導管１２０は、排気の一部を窒素源としてプラズマ反応器に送達するために使用される。
【００１５】
プラズマ反応器に供給される水素元素含有燃料および窒素（または窒素源）を計量するためのメータ、ならびに計量を制御するためのコントローラがあってもよい。いくつかの実施形態では、水素元素含有燃料は、メタンであり、（Ｎ2中の）メタン（ＣＨ4）濃度は、約０．１〜５０体積％の範囲内とすることができる。ＣＨ4：Ｎ2比を監視するための監視ユニットがあってもよい。さらに、計量されたおよび／または監視されたデータに基づいてＣＨ4：Ｎ2比を調整することによって、プラズマ反応器に供給されるＣＨ4：Ｎ2比を最適化するための１つまたは複数のコントローラがあってもよい。
プラズマ反応器
熱または非熱プラズマ反応器のどちらでも、改質を行うために使用することができる。特定の一実施形態では、パルスコロナ放電タイプのプラズマ反応器（スライディング放電プラズマ反応器とも呼ばれる）が使用される。プラズマ反応器では、ＣＨ4および合成ガスのような水素元素含有燃料は、プラズマの下でＮＨ3を形成するようにＮ2と反応する。プラズマを使用するアンモニアの合成は、環境にやさしい条件下でのマイクロギャップ放電に基づく。ＮＨ3とＨ2の両方が、反応中に生成される可能性がある。いくつかの実施形態では、ＮＨ3およびＨ2の収量は、反応条件、プラズマタイプ、および／またはプラズマ設定を調整することによって調整することができる。
プラズマ電源
多くの種類の電源を、プラズマ反応器のための電力を供給するために使用することができる。
【００１６】
特定の一実施形態では、約３０ｋＶの最高電圧、約１Ｈｚから２５０Ｈｚまでの周波数、および約８０ナノ秒のパルス幅が可能な直流（ＤＣ）電源が使用される。このタイプの電源は、メタンおよび合成ガスのような水素元素含有燃料を改質するための高電圧およびそれによる良好な性能を提供することが期待される。
【００１７】
別の特定の実施形態では、約１０ｋＶの最高電圧、２７００Ｈｚまでの周波数、および２００ナノ秒より長いパルス幅が可能なＤＣ電源が使用される。ＮＯｘ変換率は、パルス幅の増大、周波数の減少、および電圧の低下に伴って低下することが予想される。
【００１８】
別の特定の実施形態では、約３０ｋＶの最高電圧（ピーク間）が可能な交流（ＡＣ）電源が使用される。ＤＣ電源によって生成される方形波とは異なり、ＡＣ電源は、正弦波を生成する。ＮＯｘ変換率は、正弦波の周波数の増加および電圧の上昇に伴って上昇することが予想される。
ＮＨ3−ＳＣＲ触媒
限定はしないが、金属交換ゼオライト触媒および酸化バナジウム系触媒を含む、広い範囲の異なる触媒を、ＮＨ3−ＳＣＲ触媒として使用することができる。詳細な一実施形態では、Ｆｅ／Ｃｕ交換ゼオライトを含む市販の触媒が使用される。
例
テスト実験では、図２に示す実験構成２００を使用した。市販のＣｕ交換ゼオライトＮＨ3−ＳＣＲ触媒を、石英管反応器２０１に装填し、約２５０〜４００℃に維持した。ＣＨ4およびＮ2の混合物（約０．２〜１体積％のＣＨ4濃度）を、プラズマ反応器（遮蔽スライディング放電改質器）２０３に流した。ＣＨ4およびＮ2は、石英管反応器２０１内の触媒を通過し、他の反応物質と接触する前に、プラズマ反応器２０３内で反応する。
【００１９】
正極性の高電圧パルスをプラズマ反応器に送達するために、小型パルス電力変調器（ＣＰＰＭ：ｃｏｍｐａｃｔ  ｐｕｌｓｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）２０５（ＭＰＣ３０００Ｓ−ＯＰ１、Ｓｕｅｍａｔｓｕ）を使用した。触媒反応器の温度を約２５０℃から約４００℃までの範囲内の定義済みの値に設定しながら、プラズマ反応器を約２５０℃の温度に維持した。この実験では、プラズマ反応器を、約２７ｋＶのピーク電圧、２５０Ｈｚの周波数、８０ナノ秒のパルス幅（半値全幅、ＦＷＨＭ）で動作させた。触媒を通過するガス流は、約３００体積百万分率（ｐｐｍｖ：ｐａｒｔｓ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ  ｂｙ  ｖｏｌｕｍｅ）のＮＯ、体積で９％のＯ2、体積で７％のＨ2Ｏ、プラズマ反応器からの生成物、および残部のＮ2を含む。空間速度を、約３００００時間-1に維持した。触媒から出るガス流を、Ｍｕｌｔｉｇａｓ（登録商標）ＦＴＩＲ分析器（２０３０ＨＳ、ＭＫＳ）および化学発光ＮＯｘ分析器（６００ＨＣＬＤ、ＣＡＩ）を含む分析器２０７によって監視した。システム内のＮＨ３の投与量が所望のレベルに達した後５０分間記録されたデータから、ＮＯｘ変換効率を計算した。各活性テストの後、触媒を、約１時間、約５５０℃で、体積で９％のＯ2中で再生した。
【００２０】
プラズマ反応器を通過する流量は、１分あたり約０．８標準リットル（ＳＬＰＭ：ｓｔａｎｄａｒｄ  ｌｉｔｅｒｓ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ）であった。システム内の全流量は、約３．４ＳＬＰＭであった。触媒前のＮＯｘ濃度は、約３００百万分率（ｐｐｍ：ｐａｒｔｓ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ）であった。ＣＨ4：ＮＯｘ比は、２から６に変化した。ＣＨ4：ＮＯｘ＝２のとき、プラズマ反応器内のＣＨ4濃度は、体積で２×３００×（３．４／０．８）＝２５５０ｐｐｍ＝０．２５５％であった。ＣＨ4：ＮＯｘ＝６のとき、プラズマ反応器内のＣＨ4濃度は、体積で６×３００×（３．４／０．８）＝７６５０ｐｐｍ＝０．７６５％であった。Ｎ2へのＮＯｘ変換率は、ＣＨ4：ＮＯｘ比の増加に伴って低下する可能性がある。図３を参照すると、ＣＨ4：ＮＯｘ＝２のとき、ＮＯｘ変換率は、約９３％であり、ＣＨ4：ＮＯｘ＝４または６のとき、ＮＯｘ変換率は、約８９％である。
【００２１】
本発明は、その要旨または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化することができる。前述の実施形態は、したがって、本明細書に記載の本発明を限定するものではなく、すべての点で例示としてみなされるべきである。本発明の実施形態の範囲は、したがって、前述の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の等価性の意味および範囲に入るすべての変更は、したがって、その中に含まれることを意図している。
【符号の説明】
【００２２】
１０２  エンジン、発電デバイス
１０４  プラズマ反応器
１０６  ＮＯｘ除害反応器
１０８  排気導管
１１０  導管
１１２  燃料分岐導管
１１４  燃料供給導管
１１６  空気分岐導管
１１８  空気供給導管
１２０  排気分岐導管
２００  実験装置
２０１  石英管反応器
２０３  プラズマ反応器（遮蔽スライディング放電改質器）
２０５  小型パルス電力変調器
２０７  分析器
【図１】
2015206358.tif 000003
【図２】
2015206358.tif 000004
【図３】
2015206358.tif 000005
【外国語明細書】
2015206358000001.pdf