(57)【要約】【課題】比較的低温雰囲気で尿素を加水分解して脱硝反応に必要なＮＨ3 を生成させて効率よく排ガス中のＮＯｘを分解することができる排ガス脱硝方法を提供すること。【解決手段】内燃機関または外燃機関からの排ガスに含まれるＮＯｘを尿素を用いて還元、分解する排ガス脱硝方法であって、尿素水２を加熱、加圧し、固体状加水分解触媒９と接触させ、尿素の一部または全部を加水分解して炭酸アンモニウムを生成させ、この炭酸アンモニウムを含む水溶液を内燃機関の排気管１４または外燃機関の排ガス煙道に吹き込んでＮＨ3 接触還元脱硝触媒１６の存在下に排ガスと接触させ、排ガスに含まれるＮＯｘを還元、分解する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関または外燃機関からの排ガスに含まれる窒素酸化物を尿素を用いて還元、分解する排ガス脱硝方法であって、前記尿素の水溶液を加熱、加圧し、固体状加水分解触媒と接触させ、前記尿素の一部または全部を加水分解して炭酸アンモニウムを生成させ、該炭酸アンモニウムを含む水溶液を前記内燃機関の排気管または外燃機関の排ガス煙道に吹き込んでＮＨ3 接触還元脱硝触媒の存在下に排ガスと接触させ、該排ガスに含まれる窒素酸化物を還元、分解することを特徴とする排ガス脱硝方法。
【請求項２】
前記炭酸アンモニウムを含む水溶液を加熱してアンモニアガス、炭酸ガスおよび水蒸気を含む混合ガスとした後、前記内燃機関の排気管または外燃機関の排ガス煙道に吹き込むことを特徴とする請求項１に記載の排ガス脱硝方法。
【請求項３】
内燃機関または外燃機関から排出される排ガス中の窒素酸化物を尿素を用いて還元、分解する排ガス脱硝装置であって、前記内燃機関の排気管または外燃機関の排ガス煙道に設けられたＮＨ3 接触還元脱硝触媒層と、還元剤としての尿素水溶液を加熱、加圧雰囲気で固体状の加水分解触媒と接触させ、前記尿素の一部または全部を加水分解して炭酸アンモニウムを生成させる手段と、得られた炭酸アンモニウムを含む水溶液を直接または気化させた後、前記排気管または排ガス煙道のＮＨ3 接触還元脱硝触媒層の前流側に吹き込む手段とを有することを特徴とする排ガス脱硝装置。
【請求項４】
前記加熱、加圧条件は、前記尿素の水溶液を液相状態とする条件であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の方法または装置。
【請求項５】
前記加熱条件を１５０〜４００℃、加圧条件を０．５〜１０ＭＰａとすることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の方法または装置。
【請求項６】
前記加熱条件を２００〜４００℃、加圧条件を０．５〜１０ＭＰａとすることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の方法または装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス脱硝方法および脱硝装置に係り、特に、自動車等の内燃機関または発電所等の外燃機関から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元剤として安全かつ取り扱いが容易な尿素の加水分解水を利用して分解、除去する排ガス脱硝方法および脱硝装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
外燃機関である発電所や工場などから排出される排煙中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する方法として、アンモニア（ＮＨ3 ）を還元剤とした選択的接触還元による排煙脱硝法が幅広く採用されている。また、最近では内燃機関である分散型電源用ディーゼルエンジンを利用したコジェネレーションシステムまたは自動車が都市部を中心として増加しており、これらの排ガスに対してもＮＯｘの排出規制が適用され、かつ地域によっては規制が強化されるために、大型プラントと同様に排ガス脱硝装置の設置が急務となっている。このような小規模施設や自動車用の脱硝装置は人口密集地で使用されるので、発電所や工場で使用されるような液化アンモニアの使用は危険である。このため、毒性が少なく、取り扱いが容易で、かつ安価な尿素を還元剤とする方法が注目されている。
【０００３】
尿素を還元剤として使用する場合、直接、排ガス煙道に尿素または尿素水を添加して脱硝反応を行わせる方法もあるが、400℃以下の低温で脱硝する場合には、アンモニアへの分解効率の悪さに起因する脱硝反応効率の低下および煙道内部に還元剤に由来する副生成物が付着する等の問題がある。従って、一般には、アルミナ等の還元剤分解触媒（加水分解触媒）を充填した還元剤分解装置を用い、尿素を分解してアンモニアを生成させたのち、脱硝に用いる方法が採用されている。この場合、問題となるのは、アンモニアを生成する尿素の分解率であり、高い分解率を得るための方法として、例えば、特開平5-15739号公報および特開平11-171535号公報が挙げられる。前者の方法は、還元剤分解触媒の温度を250℃〜500℃の高温とすることで尿素の分解率を向上させようとする方法である。また、後者の方法は、還元剤分解触媒としてアルカリ金属の水酸化物、炭酸塩などを用いることで、200℃という低温雰囲気で尿素を分解してアンモニアを生成しようとするものである。
【特許文献１】特開平０５−０１５７３９号公報
【特許文献２】特開平１１−１７１５３５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平5-15739号公報記載の方法によって高いアンモニア生成率を得るためには高温にする必要があり、ランニングコストの上昇を招くだけでなく、難分解性物質が生成し易くなって脱硝触媒や配管上に析出するおそれがある。一方、特開平11-171535記載の方法では、還元剤分解触媒としてアルカリ金属の水酸化物や炭酸塩などが用いられるが、これらの触媒は水溶性であるために、昇温または降温中に尿素水やアンモニア水中に溶出し、これによって触媒性能が短時間で劣化するか、または触媒そのものが崩壊もしくは目詰りするという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、比較的低温でエネルギー消費量が少なく、かつ還元剤分解触媒の溶出を回避して効率的よく尿素を加水分解して脱硝反応に必要なアンモニアを生成させることができる、排ガス脱硝方法および脱硝装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願で特許請求する発明は以下のとおりである。
（１）内燃機関または外燃機関からの排ガスに含まれる窒素酸化物を尿素を用いて還元、分解する排ガス脱硝方法であって、前記尿素の水溶液を加熱、加圧し、固体状加水分解触媒と接触させ、前記尿素の一部または全部を加水分解して炭酸アンモニウムを生成させ、該炭酸アンモニウムを含む水溶液を前記内燃機関の排気管または外燃機関の排ガス煙道に吹き込んでＮＨ3 接触還元脱硝触媒の存在下に排ガスと接触させ、該排ガスに含まれる窒素酸化物を還元、分解することを特徴とする排ガス脱硝方法。
（２）前記炭酸アンモニウムを含む水溶液を加熱してアンモニアガス、炭酸ガスおよび水蒸気を含む混合ガスとした後、前記内燃機関の排気管または外燃機関の排ガス煙道に吹き込むことを特徴とする上記（１）に記載の排ガス脱硝方法。
【０００７】
（３）内燃機関または外燃機関から排出される排ガス中の窒素酸化物を尿素を用いて還元、分解する排ガス脱硝装置であって、前記内燃機関の排気管または外燃機関の排ガス煙道に設けられたＮＨ3 接触還元脱硝触媒層と、還元剤としての尿素水溶液を加熱、加圧雰囲気で固体状の加水分解触媒と接触させ、前記尿素の一部または全部を加水分解して炭酸アンモニウムを生成させる手段と、得られた炭酸アンモニウムを含む水溶液を直接または気化させた後、前記排気管または排ガス煙道のＮＨ3 接触還元脱硝触媒層の前流側に吹き込む手段とを有することを特徴とする排ガス脱硝装置。
【０００８】
（４）前記加圧、加圧条件は、前記尿素の水溶液を液相状態とする条件であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載の方法または装置。
（５）前記加熱条件を１５０〜４００℃、加圧条件を０．５〜１０ＭＰａとすることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載の方法または装置。
（６）前記加熱条件を２００〜４００℃、加圧条件を０．５〜１０ＭＰａとすることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の方法または装置。
【０００９】
以下、本発明の原理を詳細に説明する。
本発明者は、より低温で尿素水をアンモニアに加水分解する方法として、加圧条件で行うことを考え、種々基礎試験を行った結果、還元剤分解触媒（アルミナ）を用い、圧力0.5MPa以上、温度150℃以上の条件にすることにより尿素を効率よく分解できること、特に圧力0.5MPa以上、温度200℃以上の条件にすることで90%以上の尿素分解率が得られることが分かった。
【００１０】
尿素からアンモニアを生成する反応は、下記（１）式の通りであり、いわゆる加水分解反応である。
(NH2)2CO  ＋  H2O →  2NH3 ＋  CO2   ・・・・  (1)
この反応において、アンモニアの生成率を高めるためには高温にすればよいが、低温で行うためにはアルミナ等の金属酸化物等を含む加水分解触媒が使用される。加水分解の反応機構としては、触媒表面で尿素が水と反応してＮＨ3 とＣＯ2 に加水分解されるものであるが、反応を促進する方法として、尿素と水を触媒表面において液体状態で接触させることが好ましいと考え、表１に示した試験条件で尿素の加水分解試験を行った。
【００１１】
【表１】
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試験装置としては、図５の装置を用いた。
【００１２】
図５において、この装置は、尿素水２を貯蔵するタンク１と、該タンク１に高圧ポンプ３および逆止弁４を介して連結された反応器５と、該反応器５内に設けられた加水分解触媒層９およびその加熱手段としての電気ヒータ６と、前記反応器５の後流に順次連結された冷却器１０および回収容器１３とから主として構成されている。７は、熱電対、８は、圧力計、１２は、背圧弁である。タンク１内の尿素水２は高圧ポンプ３によって押し出され、逆止弁４を経て反応器５に導入されたのち、該反応器５内の、前記電気ヒータ６で所定温度に加熱された加水分解触媒層９に流入し、ここで尿素の一部または全部が加水分解されてＮＨ3 が発生する。発生したＮＨ3 を含む液は冷却器１０および背圧弁１２を経て回収容器１３に回収される。
【００１３】
回収した水溶液の組成は、下記式（２）に示すように炭酸アンモニウム水である。
(NH2)2CO  ＋  3H2O →  (NH4)2CO3・H2O・・・・  (2)
得られた炭酸アンモニウム水について、イオンクロマトグラフを用いてＮＨ3 濃度（ＮＨ3 生成率）を測定した。結果を試験条件と共に表２に示した。
【００１４】
【表２】
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表２から、200℃、常圧の条件ではＮＨ3 生成率は59%（比較例５）であるが、0.5MPaに加圧すれば66%に増加し（実験例１１）、さらに3MPaに加圧すれば90%以上のＮＨ3 生成率を得ることができる（実験例６）。このことから、常圧で加水分解するよりも0.5MPa以上の加圧状態で加水分解することによってＮＨ3 生成率が高くなることが分かる。
【００１５】
ＮＨ3 生成率は温度、圧力が高いほど高くなる傾向にあるが、超臨界条件である400℃、25MPaでは触媒無しのときのＮＨ3 生成率が22％（比較例１）、触媒存在下でも55%（比較例２）とあまり高くなっていない。これは、ＮＨ3 以外の成分、例えば炭酸水素アンモニウム(NH4HCO3)が生成したためであると考えられる。このことから、尿素の加水分解を超臨界条件で行うことは有効でないことが分かる。
【００１６】
一方、加熱温度は、１５０〜４００℃、好ましくは実験例１〜１１に相当する２００〜４００℃であることが分かる。従って、高ＮＨ3 生成率を得るには、触媒存在下で亜臨界条件である温度150℃〜400℃、好ましくは200℃〜400℃、圧力0.5MPa〜10MPa雰囲気が好適であることが分かる。
【００１７】
図６は、表２の結果に基づき、亜臨界領域におけるＮＨ3 生成率に及ぼす温度と圧力の影響をまとめたものである。図６において、斜線が重なる領域であればＮＨ3 生成率を90%以上にすることができる。図６から、低温でも高いＮＨ3 生成率が得られることが分かる。例えば圧力を0.5MPaにするときは温度を230℃程度にすれば良い。
【００１８】
本発明において、加水分解触媒として安価で耐久性があり溶解しないアルミナを使用することができる。アルミナ以外の加水分解触媒としては、例えばシリカ、カルシア、マグネシア、チタニア等の金属酸化物の１種または２種以上を複合したものを用いることができる。
本発明における尿素分解によるＮＨ3 生成技術を、排ガス処理以外のＮＨ3 を必要とするプロセスにおけるＮＨ3 発生技術として適用することもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
実施例１
図１は、本発明の一実施例である排ガス脱硝装置を移動型内燃機関に適用したものである。図１において、この脱硝装置は、内燃機関であるデーゼルエンジン１５の排気管１４に設けられたＮＨ3 接触還元脱硝触媒層１６と、還元剤としての尿素水２を２００〜４００℃、０．５〜１０ＭＰａ雰囲気（亜臨界条件）で固体状の加水分解触媒と液相で接触させ、前記尿素の一部または全部を加水分解して炭酸アンモニウムを生成させる手段としてのタンク１、高圧ポンプ３、反応器５、該反応器５内に設けられた加水分解触媒層９、電気ヒータ６および背圧弁１２と、得られた炭酸アンモニウムの水溶液を前記排気管１４のＮＨ3 接触還元脱硝触媒層１６の前流側に吹き込む手段としての反応器出口管２０とを有するものである。１７は、排気である。
【００２０】
このような構成において、タンク１に貯留された尿素水２は高圧ポンプ３によって抜き出されて反応器５に圧入され、電気ヒータ６および背圧弁１２により、例えば温度２００℃、圧力３MPaに調整された加水分解触媒層９に流入し、尿素が加水分解されて炭酸アンモニウムを生成する。炭酸アンモニウムを含む水溶液は反応器出口管２０および背圧弁１２を経て排気管１４に液相状態で噴霧され、排ガスと混合した後、脱硝触媒層１６に流入し、前記排ガス中のＮＯｘが炭酸アンモニウムが分解したＮＨ3 によって還元、分解される。
【００２１】
本実施例によれば、加水分解触媒層９を加圧することで尿素と水を液相状態で触媒表面で接触させることができるので、低温でも速やかに加水分解反応が進行し、高いＮＨ3 生成率が得られる。従って、副生成物の発生を防止することもできる。また、尿素の加水分解で生成したＮＨ3 は液相状態、すなわち炭酸アンモニウム水として得られるので、取扱いが容易になる。
【００２２】
本実施例によれば、取り扱いにくいＮＨ3 をそのまま使用しないで尿素を利用できるので、市街地近接地域などにおいても環境汚染の心配がない。
本実施例によれば、高SVでも加水分解反応が十分進行するので、従来法に比べて反応器容積が少なくコンパクト化することができ、自動車などの限られたスペースに装置ユニットとして組み込むことが可能となる。
【００２３】
なお、加圧しない従来方法では、高ＮＨ3 生成率を得るのには350℃以上の高温が必要で、かつ気相状態として取扱わなければならなかったが、本実施例では従来技術よりもはるかに低い200℃でも高いＮＨ3 生成率が得られるので効率よく脱硝処理することができる。
本実施例において、反応器５への尿素水の供給量はディーゼルエンジンの排気量によって異なるが、通常20〜50cc/minであり、加水分解触媒量は400〜1000cc程度で十分である。
【００２４】
実施例２
図２は、本発明の他の実施例である排ガス脱硝装置を移動型内燃機関に適用したものである。図２の装置が図１の装置と異なる点は、反応器出口配管２０にヒータ１９を設け、加水分解によって生じた炭酸アンモニウムの水溶液（尿素加水分解水）をヒータ１９により加熱し、ＮＨ3 ガス、炭酸ガスおよび水蒸気の混合物としてディーゼルエンジン１５につながった排気管１４内に噴霧するようにしたものである。
本実施例によれば、尿素水加水分解水を気化させた後、排気管１４内に噴霧するようにしたことにより、ＮＯｘの還元、分解反応がより促進し、排ガス中のＮＯｘを効率よく、分解、除去することができる。
【００２５】
実施例３
図３は、本発明の別の実施例である排ガス脱硝装置を移動型内燃機関に適用したものである。図３において、この装置は、図１、２と同様に、尿素水を亜臨界分解し、尿素水分解生成物をディーゼルエンジンの排気管に導入して排ガス中のＮＯｘを還元、分解するものである。図１および図２と異なる点は、反応器５の加熱手段および尿素加水分解水の加熱手段として、それぞれＤＥ排ガスとの熱交換器１８を設け、ＤＥ排ガスの廃熱を利用するようにしたものである。
本実施例においても、実施例１および実施例２と同様に排ガス中のＮＯｘを効率よく還元、分解できるうえ、実施例１、２に比べてよりコストの低減が可能となる。
【００２６】
実施例４
図４は、工場等で使用される定置用内燃機関の排ガス処理装置に本発明の排ガス脱硝装置を適用したものである。基本的には実施例１〜３に示した移動型内燃機関に適用した場合と同じであるが、排ガス量が多くなるため多量の尿素水分解生成物が必要となるので、尿素水の供給量を実施例１、２等に比べて多くする必要がある。
【００２７】
本実施例において、反応器５の加熱源として電気ヒーター６の代わりにＤＥ排ガスの熱を利用しても良い。
本実施例を、ボイラなどの外燃機関、例えばアンモニアを還元剤とした選択的接触還元による排煙脱硝法を使用する装置に適用することもできる。
【００２８】
【発明の効果】
本願の請求項１に記載の発明によれば、取り扱いの容易な尿素水から効率よくＮＨ3 を生成させることができるうえ、生成したＮＨ3 を液相状態で取扱うことができるので、排ガスを効率よく脱硝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、脱硝効率がより高くなる。
【００２９】
本願の請求項３に記載の発明によれば、内燃機関および外燃機関からの排ガスに含まれるＮＯｘを、取り扱いが容易な尿素を利用して効率よく、かつ安全に還元、分解することができる。
本願の請求項４に記載の発明によれば、取り扱いの容易な尿素を用いて内燃機関および外燃機関から排出される排ガスに含まれるＮＯｘを効率よく、かつ安全に還元、分解することができる。
【００３０】
本願の請求項５に記載の発明によれば、尿素水から比較的低温、低圧で効率よくＮＨ3 を生成させて効率よく排ガスを脱硝処理することができる。
本願の請求項６に記載の発明によれば、上記発明の効果に加え、ＮＨ3 の生成率が向上し、これに伴って脱硝性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排ガス脱硝装置を移動型内燃機関に適用した一実施例の説明図。
【図２】本発明の他の実施例を示す説明図。
【図３】本発明の別の実施例を示す説明図。
【図４】本発明の排ガス脱硝装置を定置型内燃機関に適用した別の実施例の説明図。
【図５】尿素水の加水分解試験に用いた装置のフローを示す図。
【図６】アンモニア生成率に及ぼす温度と圧力の影響を示した図。
【符号の説明】
１…タンク、２…尿素水、３…高圧ポンプ、４…逆止弁、５…反応器、６…電気ヒータ、７…熱電対、８…圧力計、９…加水分解触媒層、１０…冷却器（コンデンサ）、１２…背圧弁、１３…回収容器、１４…排気管（ダクト）、１５…ＤＥ（ディーゼルエンジン）、１６…ＮＨ3 接触還元脱硝触媒、１７…排気、１８…ＤＥ排ガス、１９…ヒータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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