(57)【要約】【課題】煙突に直接組み込むことのできる軽量脱ＮＯｘユニットを提供する。【解決手段】ＮＯｘの選択変換用触媒をもつ少なくとも１の触媒床を内部空間にもつ胴部をもつ気相反応器である。触媒床の上流のインゼクタがアンモニア等の還元剤を入口ガス流に導入する、触媒床は粒子、モノリス、微細加工触媒等からなる。入口ガス流の温度を高めるためにバーナーを用いる。処理済ガスからの熱を入口ガスに移すために熱交換器を用い、所望により熱交換器を通るガス流の向きをかえるためにデフレクタを用いる。【選択図】図２（Ａ）
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）内側表面、外側表面、近位端、遠位端、長さ方向を定める軸、近位端にあり初期濃度の窒素酸化物をもつ入口ガス流を受け入れるためのガス流入口、及び入口ガス流よりも減少した窒素酸化物濃度をもつ処理済ガスを排出するためのガス流出口をもつ反応器胴部、（ｂ）還元剤を入口ガス流に導入するためのインゼクタ、（ｃ）入口ガス流を反応温度に加熱するために反応器胴部内に位置するバーナ、（ｄ）バーナーの下流の反応器胴内にあり、入口ガス流中の窒素酸化物の選択的接触還元によって減少した窒素酸化物濃度をもつ処理済ガスを生ずるための少なくとも１の窒素酸化物変換触媒を含む触媒床、及び（ｅ）バーナーの上流に位置し、処理済ガスと還元剤を含む入口ガス流との間の熱交換を行う手段からなることを特徴とするガス流中の窒素酸化物の化学変換用気相反応器。
【請求項２】
インゼクタがガス流入口の上流に位置するインゼクタグリッドである請求項１の反応器。
【請求項３】
さらに反応器胴部内に入口ガス流の圧力を増加させるためのファンをもつ請求項１の反応器。
【請求項４】
熱交換を行う手段が、触媒床の近くに位置し、複数の管が間隔をあけて長さ方向に束になって存在し、該束が軸通路をもち且つ反応器胴部の内側表面から離れた外側周縁部をもちそれらで環状通路を定めている熱交換器である請求項１の反応器。
【請求項５】
さらに熱交換器の軸通路内に位置し、ガス流を管の束を横断して熱交換器を放射状に流すためのデフレクタをもつ請求項１の反応器。
【請求項６】
デフレクタが近位にとがった端部をもつ円錐形をしている請求項５の反応器。
【請求項７】
デフレクタが遠位にとがった端部をもつ円錐形をしている請求項５の反応器。
【請求項８】
出口が反応器胴部の近位端にある請求項１の反応器。
【請求項９】
出口が反応器胴部の遠位端にある請求項１の反応器。
【請求項１０】
バーナーが熱交換器の下流にある請求項４の反応器。
【請求項１１】
触媒床が円筒形状をもつ請求項１の反応器。
【請求項１２】
触媒床が環形状をもつ請求項１の反応器。
【請求項１３】
熱交換器が管の束を横方向に横断するバッフルをもつ請求項４の反応器。
【請求項１４】
触媒床がバーナーより下流でバーナーから遠位にある請求項１の反応器。
【請求項１５】
さらに触媒床に隣接するプレナム室をもつ請求項１の反応器。
【請求項１６】
さらに熱交換器の軸通路内に位置するガスデフレクタをもち、該ガスデフレクタが円錐形をしており且つ近位にとがった端部をもち、触媒床が円筒形状をしており、反応器がさらに触媒床に隣接し且つ触媒床の近位にあるプレナム室をもつ請求項４の反応器。
【請求項１７】
さらに熱交換器の軸通路内に位置するガスデフレクタをもち、該ガスデフレクタが円錐形をしており且つ近位にとがった端部をもち、触媒床が環形状をしておりそして処理済ガスを運ぶための軸孔を定める内側表面をもつ請求項４の反応器。
【請求項１８】
さらに管の束と環状通路を横方向に横断するバッフル板をもち、該バッフル板が遠位熱交換部分と近位熱交換部分を定めており、さらに触媒床が円筒形状をもつ請求項４の反応器。
【請求項１９】
さらに管の束と環状通路を横方向に横断するバッフル板をもち、該バッフル板が遠位熱交換部分と近位熱交換部分を定めており、さらに触媒床が環形状をもつ請求項４の反応器。
【請求項２０】
さらに熱交換器の軸通路内に位置するガスデフレクタをもち、該ガスデフレクタが円錐形をしており且つ遠位にとがった端部をもち、触媒床が円筒形状をしており、反応器がさらに触媒床に隣接し且つ触媒床の遠位にあるプレナム室をもつ請求項４の反応器。
【請求項２１】
さらに熱交換器の軸通路内に位置するガスデフレクタをもち、該ガスデフレクタが円錐形をしており且つ遠位にとがった端部をもち、触媒床が環形状をしており且つ処理済ガスを運ぶための軸孔を定める内側表面をもっており、ガス流出口が胴部の近位端にある請求項４の反応器。
【請求項２２】
さらに熱交換器の軸通路内に位置するガスデフレクタをもち、該ガスデフレクタが円錐形をしており且つ遠位にとがった端部をもち、触媒床が環形状をしており且つ処理済ガスを運ぶための軸孔を定める内側表面をもっており、ガス流出口が胴部の遠位端にある請求項４の反応器。
【請求項２３】
さらに管の束と熱交換器の軸通路を横方向に横断するバッフル板をもち、該バッフル板が遠位熱交換部分と近位熱交換部分を定めており、さらに触媒床が円筒形状をもつ請求項４の反応器。
【請求項２４】
さらに管の束と熱交換器の軸通路を横方向に横断するバッフル板をもち、該バッフル板が遠位熱交換部分と近位熱交換部分を定めており、さらに触媒床が環形状をもつ請求項４の反応器。
【請求項２５】
触媒床が粒状物を含む請求項１の反応器。
【請求項２６】
触媒床がモノリスである請求項１の反応器。
【請求項２７】
触媒が約８５％以上の多孔度をもつメッシュ状支持体に支持されている請求項１の反応器。
【請求項２８】
さらに、（ｆ）窒素酸化物を含有する煙道ガスを生ずる炉及び（ｇ）炉から煙道ガスを反応器胴部のガス流入口に運ぶ導管をもつ請求項１の反応器。
【請求項２９】
（ａ）窒素酸化物を含むガス流に還元剤を導入し、（ｂ）第１加熱工程において、還元剤を伴った該ガス流を熱交換器を通過させ、（ｃ）第２加熱工程において、還元剤を伴ったガス流の温度を還元剤による窒素酸化物の接触還元を行いうる反応温度にまで上昇させ、（ｄ）還元剤を伴ったガス流を還元剤の存在下に窒素酸化物を選択的接触還元用の少なくとも１の窒素酸化物変換触媒を含む触媒床を通過させ、そして（ｅ）処理済ガスを熱交換器を通過させて処理済ガスからの熱を還元剤を伴ったガス流に移すことを特徴とするガス中の窒素酸化物の選択的接触還元方法。
【請求項３０】
熱交換器が複数の管をもち、第１の加熱工程がガス流を管を横断して熱交換器を放射状に外方向に通過させることからなり、ガス流の触媒床通過工程がガス流を触媒床を軸方向に通過させることからなり、そして処理済ガスを熱交換器を通過させる工程が処理済ガスを管を通過させることからなる請求項２９の方法。
【請求項３１】
熱交換器が複数の管をもち、第１の加熱工程がガス流を管を横断して熱交換器を放射状に外方向に通過させることからなり、ガス流の触媒床通過工程がガス流を触媒床を放射方向に内方向に通過させることからなり、そして処理済ガスを熱交換器を通過させる工程が処理済ガスを管を通過させることからなる請求項２９の方法。
【請求項３２】
熱交換器が複数の管をもち、第１の加熱工程がガス流を管を横断して熱交換器を放射状に内方向に次いで放射状に外方向に通過させることからなり、ガス流の触媒床通過工程がガス流を触媒床を軸方向に通過させることからなり、そして処理済ガスを熱交換器を通過させる工程が処理済ガスを管を通過させることからなる請求項２９の方法。
【請求項３３】
熱交換器が複数の管をもち、第１の加熱工程がガス流を管を横断して熱交換器を放射状に内方向に次いで放射状に外方向に通過させることからなり、ガス流の触媒床通過工程がガス流を触媒床を放射状に内方向に通過させることからなり、そして処理済ガスを熱交換器を通過させる工程が処理済ガスを管を通過させることからなる請求項２９の方法。
【請求項３４】
熱交換器が複数の管をもち、第１の加熱工程がガス流を管を通過させることからなり、ガス流の触媒床通過工程がガス流を触媒床を軸方向に通過させることからなり、そして処理済ガスを熱交換器を通過させる工程が処理済ガスを管を横断して熱交換器を放射状に外方向に通過させることからなる請求項２９の方法。
【請求項３５】
熱交換器が複数の管をもち、第１の加熱工程がガス流を管を通過させることからなり、ガス流の触媒床通過工程がガス流を触媒床を放射状に内方向に通過させることからなり、そして処理済ガスを熱交換器を通過させる工程が処理済ガスを管を横断して熱交換器を放射状に外方向に通過させることからなる請求項２９の方法。
【請求項３６】
熱交換器が複数の管をもち、第１の加熱工程がガス流を管を通過させることからなり、ガス流の触媒床通過工程がガス流を触媒床を軸方向に通過させることからなり、そして処理済ガスを熱交換器を通過させる工程が処理済ガスを管を横断して熱交換器を放射状に外方向に次いで放射状に内方向に通過させることからなる請求項２９の方法。
【請求項３７】
熱交換器が複数の管をもち、第１の加熱工程がガス流を管を通過させることからなり、ガス流の触媒床通過工程がガス流を触媒床を放射状に内方向に通過させることからなり、そして処理済ガスを熱交換器を通過させる工程が処理済ガスを管を横断して熱交換器を放射状に外方向に次いで放射状に内方向に通過させることからなる請求項２９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス、特に燃料の燃焼で生じた煙道ガス中の窒素酸化物含量を接触的に減少させる化学反応器と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の工業プロセスでの燃料の燃焼ではしばしば望ましくない窒素の酸化物（ＮＯｘ）を生じ、それは通常一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ２）の形態にある。高い燃焼温度はより多くのＮＯｘを生じる傾向にある。ＮＯｘは環境にとって危険なので、燃料の燃焼を含む工業プロセスで生じるガス、特に電力プラント、熱分解炉、焼却炉、内燃機関、冶金プラント、肥料プラント及び化学プラントから生ずるガス中のＮＯｘの放出を減少させる努力がなされている。
【０００３】
（ａ）内側表面、外側表面、近位端、遠位端、長さ方向を定める軸、近位端にあり初期濃度の窒素酸化物をもつ入口ガス流を受け入れるためのガス流入口、及び入口ガス流よりも減少した窒素酸化物濃度をもつ処理済ガスを排出するためのガス流出口をもつ反応器胴部、（ｂ）還元剤を入口ガス流に導入するためのインゼクタ、（ｃ）入口ガス流を反応温度に加熱するために反応器胴部内に位置するバーナ、（ｄ）バーナーの下流の反応器胴内にあり、入口ガス流中の窒素酸化物の選択的接触還元によって減少した窒素酸化物濃度をもつ処理済ガスを生ずるための少なくとも１の窒素酸化物変換触媒を含む触媒床、及び（ｅ）バーナーの上流に位置し、処理済ガスと還元剤を含む入口ガス流との間の熱交換を行う手段からなることを特徴とするガス流中の窒素酸化物の化学変換用気相反応器が提供される。
【０００４】
本発明の反応器はガス、特に炉中の化石燃料の燃焼で生ずるガス中のＮＯｘの選択的接触還元用の比較的軽量の設備を提供するものであり、また一般的なデザインの煙突を備えた炉中に容易に組込むことができ、それ故既存の設備の改造に適したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下に本発明の反応器の種々の態様とそこに用いる好ましい触媒配置を図面を参照して説明する。尚すべての量は「約」なる用語で変更しうるものである。また％は特に断りのない限り重量基準で示す。
【０００６】
「窒素酸化物」なる用語はＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ４、Ｎ２Ｏ及びそれらの適宜の混合物等の窒素の適宜の酸化物をいい、しばしば「ＮＯｘ」と表示する。
【０００７】
本発明のＮＯｘの選択的接触還元の反応器と方法では、好ましくは還元剤としてアンモニアを用いる。ＮＯｘは触媒の存在下にアンモニアと反応して次式（化学量論的バランスで示してはいない）に示すように窒素と水を生ずる：
ＮＯｘ＋ＮＨ３→Ｎ２＋Ｈ２Ｏ
【０００８】
本発明の脱ＮＯｘの方法と装置はＮＯｘ含有ガスを処理してそのＮＯｘレベルを低下させることを要する適宜の用途に用いうる。高レベルのＮＯｘを生ずる代表的な燃焼設備の例としては電力プラント、流体接触分解（ＦＣＣ）レゼネレータ、ガラス炉、熱分解炉等がある。本発明の脱ＮＯｘ法はエタン、プロパン、ナフサ等の飽和炭化水素供給原料からオレフィン（たとえばエチレン、プロピレン、ブチレン等）を生成する熱分解ユニットに特に好ましく用いられる。しかし、これに限らず望ましくないレベルのＮＯｘを含有するガスを発生する適宜の燃焼設備や方法に用いうるものである。
【０００９】
図１（Ａ及びＢ）において、気相脱ＮＯｘ反応器１０が供給原料のクラッキング用に約２２００°Ｆ（１２０４℃）で操作される放射燃焼室をもつ炉１１と１２を用いる熱分解系を対象に示されている。各炉はそれぞれの煙突を通って排出される煙道ガスを生ずる。典型的には、各煙突中の煙道ガスの流速は約１００，０００〜３００，０００ｌｂｓ／時である。この煙道ガスは典型的には次の成分を含有する：
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放射室を出る煙道ガスの温度は典型的には約１８００°Ｆ（９８２℃）である。各煙突は所望により、対流部１３をもち、これは熱回収用に煙道ガスが通る熱交換器をもっている。煙道ガスは典型的には約３００〜５００°Ｆ（１４９〜２６０℃）の温度で対流部を出るが、この範囲外の煙道ガス温度を与えるように熱回収プロセスを調節することができる。次いで別々の煙突の煙道ガスを合しファン１４で脱ＮＯｘ系１０に移す。ファン１４は脱ＮＯｘ系１０中をガスが移動するよう煙道ガスの圧力を増加させる。
【００１０】
図２において、気相反応器２０は内側表面２１ａと外側表面２１ｂをもつ反応器胴部（シェル）２１をもつ。胴部２１はその近位端２１ｆに初期濃度のＮＯｘを含有する入口ガスを受け入れるガス流入口２１ｃと、減少した濃度のＮＯｘを含有する処理済ガスを排出するガス流出口２１ｄをもつ。ガス流出口２１ｄは所望により近位端２１ｆ又は遠位端２１ｇに位置しうる。
【００１１】
インゼクタ２２は還元剤を導入するためのものであり適宜公知のタイプのインゼクタを用いうる。典型的なインゼクタの例としては触媒床の上流の入口ガス流中に配したグリッド状部分がある。このグリッド状部分は均等に分布させた注入ノズルをもつ多孔分散管の集合体を含む。通常還元剤は入口ガスの流れ方向とは反対方向に注入される。好ましい還元剤はアンモニアだが、尿素、アルキルアミンその他の適当な還元剤も用いうる。インゼクタ２２は入口２１ｃ内又は入口２１ｃの上流に位置しうる。
【００１２】
触媒床は窒素酸化物の選択還元用の少なくとも１の触媒を含有する。選択的接触還元反応の好ましい温度は典型的には約３８０〜５５０°Ｆ（１９３〜２８８℃）、より好ましくは約４００〜４５０°Ｆ（２０４〜２３２℃）である。一般に、温度が低いほど多量の触媒が所定レベルのＮＯｘ変換の達成に必要となる。煙道ガス温度が望ましくないほど低い場合には、煙道ガス温度を上げるためにバーナーその他の熱源を用いうる。また炉系の対流部１３はＮＯｘの選択的接触還元に適する温度をもつ煙道ガスを与えるように構成しうる。
【００１３】
還元剤の存在下に用いる窒素酸化物の選択的還元用触媒は公知である。これら触媒の典型的で非限定的な例としては、バナジウム、アルミニウム、チタン、タングステン及びモリブデンの酸化物がある。ゼオライトも用いうる。ゼオライトの例としてはプロトンで、又は銅、コバルト、銀、亜鉛又は白金カチオン又はそれらの組み合わせで変成したＺＳＭ−５がある。勿論、本発明で用いうる触媒は特定のＳＣＲ触媒又は触媒組成物には限定されない。
【００１４】
図４（Ａ及びＢ）において、触媒床は円筒形２３ａ又は環状形２３ｂでありうる。円筒形触媒床２３ａを用いる場合には、触媒床を通るガス流は、たとえば上部壁２３ａ’から下部壁２３ａ’’に流れる、軸流である。環状触媒床２３ｂを用いる場合には、触媒床を通るガス流は、たとえば外側壁２３ｂ’から内側壁２３ｂ’’に流れる、放射流である。触媒床２３ａ及び２３ｂを円形外周をもつ形で図示したが、他の形ももちろん用いうる。たとえば、触媒床２３ａ及び２３ｂは方形板でもよく、また八角形、六角形等の多角形でもよい。
【００１５】
図２（Ａ）において、反応器用の触媒床２０ａは軸流触媒床２３ａである。反応器２０は軸開口２５ａをもつ放射流熱交換器２５をもち、軸開口２５ａ中には先端が上流方向に向いているデフレクタ２４が配されている。デフレクタ２４はシート状金属等のガス不透過性材料でつくられており、入口ガスを熱交換器の管２５ｂを放射状に横切らせる。
【００１６】
図３（Ａ及びＢ）において、熱交換器の管２５ｂは好ましくは管の表面から外方向にのびるひれ（フィン）をもち管２５ｂの孔２５ｄを通って流れる流体と管２５ｂを横切って流れる流体間の熱移動を促す。本発明で用いるに適する熱交換器の管は種々の市販品を用いることができ、例としてドイツのＤａｕｎ社のＴＰＳ−テクニチューブ  ローレンベルケ  Ｇｍｂｈがある。
【００１７】
反応器２０ａはさらに１以上のバーナー２６をもち、これは熱交換器２５の下流及び触媒床２３ａの上流にあって触媒床を通過する前の入口ガス流の温度を高める。プレナム室２７が触媒床２３ａに隣接して存在しガス圧の不均衡を防ぐ。図示するように、入口ガスは入口２１ｃを通って反応器に入りインゼクタグリッド２２を通り次第還元剤と混合する。還元剤を伴った入口ガスは熱交換器の軸開口２５ａに入り、デフレクタ２４によって熱交換器の管を放射状に横切るようにされる。図中の番号のない矢印はガスの流れの方向を示す。還元剤を伴った入口ガス流は管の孔を通って流れる処理済ガスから回収した熱であたためられる。還元剤を伴った処理済ガスは熱交換器の周辺から出て、熱交換器の外周及び反応器胴部の内側表面２１ａの間の環状間隙２１ｅを通って流れる。
【００１８】
還元剤を伴った入口ガスは遠くを流れそこで１以上のバーナーで適当な温度に加熱される。次いで還元剤を伴った入口ガスは触媒床２３ａのまわりに向かいその遠位側面に入りそこで軸流として触媒床２３ａの近くを通る。触媒床２３ａの近い側面から出た処理済ガスは次いでプレナム室２７に入り反応器の断面を横断するガス圧を均一化し、さらに熱交換器の管２５ｂの近くを通りそこで熱を入口ガス流に移す。処理済ガスは出口２１ｄ近くを通って反応器を出る。
【００１９】
図２（Ｂ）には、触媒床が環状床２３ｂである以外は上記態様２０ａと同様の別の反応器の態様２０ｂを示す。反応器は放射流反応器であり、補助加熱用の１以上のバーナーを通過後に、還元剤を伴った入口ガスは周囲壁２３ｂ’を通って触媒床に入り、内側壁２３ｂ’’を通って処理済ガスとして触媒床を出る。次いで処理済ガスはプレナム２７に入り、その後管２５ｂの孔２５ｄを通って熱を熱交換器２５を放射状に外側に向かって通り管の外側を横方向に横断する入口ガスに移す。所望により、反応器２０ｂは、触媒床２５ｂに入る還元剤を伴った入口ガスの圧力分布をより均一にするために胴部に特別な形状部分２１ｈを設けることができる。
【００２０】
図２（Ｃ）には、熱交換器２５の周辺の外側に位置する１以上のガス流入口２１ｃをもつ反応器の別の態様２０ｃを示す。インゼクタ（図示せず）はガス流入口の上流にある。反応器２０ｃは熱交換器２５ｂを横方向に横断するバッフル板２８をもち、それによって熱交換器を近位熱交換器部２５’と遠位熱交換器部２５’’に分ける。バッフル板は胴部の内側表面２１ａに至っているが熱交換器の軸開口２５ａ内までは至っていない。その結果、入口を入ると還元剤を伴った入口ガス流は熱交換器の近位部２５’を放射状に内方向に移動して軸開口２５ａに入り、その後熱交換器の遠位部２５’’を放射状に外方向に移動して熱交換器の内部と胴部の内側表面２１ａの間の間隙２１ｅに入り、次いで補助加熱用の１以上のバーナー２６を通る。還元剤を伴った入口ガスは遠位表面２３ａ’を通って円筒形触媒床に入りそして処理ガスとして近位表面２３ａ’’を出てプレナム２７に至る。処理済ガスはプレナム２７から熱交換器の管２５ｂの孔２５ｄに入り直ちに熱を管を横断して通る入口ガスに移す。処理済ガスは近位出口２１ｄで反応器を出る。
【００２１】
図２（Ｄ）には、触媒床が環状床２３ｂである以外は上記態様２０ｃと同様の別の反応器の態様２０ｄを示す。反応器は放射流反応器であり、補助加熱用の１以上のバーナーを通過後に、還元剤を伴った入口ガスは周囲壁２３ｂ’を通って触媒床に入り、内側壁２３ｂ’’を通って処理済ガスとして触媒床を出る。次いで処理済ガスはプレナム２７に入り、その後管２５ｂの孔２５ｄを通って熱を熱交換器２５を放射状に外側に向かって通り管の外側を横方向に横断する入口ガスに移す。所望により、反応器２０ｂは、触媒床２５ｂに入る還元剤を伴った入口ガスの圧力分布をより均一にするために胴部に特別な形状部分２１ｈを設けることができる。
【００２２】
図２（Ｅ）には、反応器が還元剤を伴った入口ガスが熱交換器２５の管２５ａの孔２５ｄに入るためのガス流入口２１ｃをもつ別の態様２０ｅを示す。還元剤を伴った入口ガスは、その後円筒状壁５２１と胴部の内側壁２１ａによって少なくとも１部が定まる室２７ａに入り、１以上のバーナー２６で加熱される。円筒状壁５２１は触媒床２３ａ中に至っており触媒床を環状区分５２３ａ’と軸区分５２３ａ’’の２区分に分ける。還元剤を伴った入口ガスは触媒床の環状区分５２３ａ’の近位端に入り、次いで環状区分の遠位表面を通って出て、触媒床２３ａから遠く且つ隣接するプレナム２７に入る。次いでガス流は触媒床の軸区分５２３ａ’’の遠位端に入り、そして近くを動きながら触媒床の区分５２３ａ’’の近位端から処理済ガスとして出て、熱交換器２５の軸開口２５ａに入る。円錐形のデフレクタ２４は軸開口２５ａ内に遠位にとがった端部をもって位置している。デフレクタ２４は処理済ガスの方向を熱交換器を放射状に外方向に通るようにし、熱交換器で熱を熱交換器の管を通って流れる入口ガス流に移す。次いで処理済ガスは熱交換器の外周囲と胴部の内側表面２１ａとの間の環状空隙２１ｅに入り、次いで出口２１ｄを通って近くから反応器を出る。
【００２３】
図２（Ｆ）は、触媒床が環状床２３ｂである以外は同じ上記の態様２０ｅに類似する反応器の態様２０ｆを示す。反応器２０ｅは、補助加熱用のバーナー２６を通過後に、還元剤を伴った入口ガスは周囲壁２３ｂ’を通って触媒床２３ｂに入りそして処理済ガスとして内側壁２３ｂ’’を通って触媒床２３ｂを出る。次いで処理済ガスは熱交換器の軸開口２５ａに入り、熱交換器の管２５ｂを放射状に外方向に横断するように偏向して入口ガスを予熱し、近位出口２１ｄを通って反応器を出る。所望により、反応器２１ｆは胴部に形状づけた部分２１ｈをもち、触媒床２３ｂに入る還元剤を伴う入口ガスの圧力分布をより均一にすることもできる。
【００２４】
図２（Ｇ）は、熱交換器を出て熱交換器の外側周囲と胴部の内側表面２１ａの間の空隙２１ｅに入る処理済ガスが反応器の遠位出口２１ｄに流れる。
【００２５】
図２（Ｈ）は、還元剤を伴う入口ガス流が熱交換器の管の孔（２５ｄ）に入る通路用の１以上のガス流入口２１ｃをもつ反応器の別の態様２０ｈを示す。インゼクタ２２（図示せず）がガス流入口の上流に位置している。還元剤を伴う入口ガス流は熱交換器２５を長さ方向に流れて処理済ガスで予熱される。熱交換器を出ると入口ガスは直ちに、円筒状壁５２１と胴部の内側表面２１ａによって少なくとも部分的に定められる室２７ａに入り、１以上のバーナー２６で加熱される。円筒状壁５２１は触媒床２３ａ中に及び、触媒床を２つの区分：環状区分５２３ａ’と軸区分５２３ａ’’に分ける。
【００２６】
還元剤を伴う入口ガスは触媒床の環状区分５２３ａ’の近位端に入り、次いで環状区分の遠位端を通って出て、触媒床２３ａから遠く且つ隣接するプレナム２７に入る。その後ガス流は触媒床の軸区分５２３ａ’’の遠位端に入り、そして近くを動きながら触媒床の区分５２３ａ’’の近位端から処理済ガスとして出て、熱交換器の軸開口２５ａに入る。バッフル板２８が熱交換器の軸開口２５ａと管を横方向に横断して配されており、それによって熱交換器を近位熱交換部分２５’と遠位熱交換部分２５’’に分けている。バッフル板２８は熱交換器の外周囲と胴部の内側表面２１ａの間の空隙２１ｅ中には及んでいない。その結果、区分５２３ａ’’の近位端を出て熱交換器の軸開口２５ａに入ると、処理済ガスはバッフル板で偏向されて熱交換器の遠位部分２５’’を放射状に外方向に通って空隙２１ｅに入り、次いで熱交換器の近位部分２５’を放射状に内方向に通る。次いで処理済ガスは近位軸出口２１ｄを通って反応器を出る。
【００２７】
図２（Ｉ）は触媒床が環状床２３ｂであることを除き上記態様２０ｈと類似する反応器の別の態様２０ｉを示す。反応器は放射流反応器であり、補助加熱用のバーナー２６を通過後、還元剤を伴う入口ガスは周囲壁２３ｂ’を通って触媒床２３ｂに入りそして内側壁２３ｂ’’を通って処理済ガスとして触媒床２３ｂを出る。次いで処理済ガスは熱交換器の軸開口２５ａに入り、バッフル板２８によって熱交換器の管２５ｂを放射状に外方向に横断するように偏向されて入口ガスを予熱して軸近位出口２１ｄを通って反応器を出る。所望により、反応器は２０ｉは胴部に形状づけした部分２１ｈをもち、触媒床２３ｂに入る還元剤を伴う入口ガスの圧力分布をより均一にすることもできる。
【００２８】
触媒は粒状、モノリス状又は微細加工触媒（ＭＥＣ）の形でありうる。
【００２９】
図４（Ｃ）において、触媒床２３ａはスクリーン外周２３ｄ内に配された粒状触媒２３ｃを含有する。スクリーン２３ｄはバージニア州ワイザビルのＵＳＦ／Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｓｃｒｅｅｎｓから市販されている。好ましいスクリーンとしてはたとえば溶接したワイヤスクリーン、ループ状のワイヤスクリーン及び織りワイヤスクリーンがある。ＳＣＲ触媒は粒状でもよく、またチタニア、ゼオライト、炭素、ジルコニア、セラミック、シリカ−アルミナ等の粒状触媒担体上に支持されていてもよい。
【００３０】
環状触媒床２３ｂはまた粒状触媒を含むことができ、スクリーンからつくった周囲壁２３ｂ’及び２３ｂ’’を含むことができる。
【００３１】
図５（Ａ〜Ｄ）において、触媒は複数の積重ねたレンガ状ユニット５１を含みうるモノリス５０の形状でありうる。モノリス触媒５０は複数の平行な流路をもつ。図５（Ｃ）に示すように、モノリス５２は六角形の流路５３をもつハニカム構造をもつ。しかし、この流路は四角形、三角形、Ｔ−形等の適宜の他の形もとりうる。図５（Ｄ）に環状流路５５をもつモノリス５４を示す。モノリスは公知の焼結その他の適宜の方法で製造しうる。典型的なＳＣＲ触媒はモノリス支持体に含浸して処理のためにガス流が流れる。流路の内側表面を被覆してつくられる。
【００３２】
さらに別の態様において、触媒床は微細加工した触媒（ＭＥＣ）を含みうる。これは約８５％以上の多孔度をもつメッシュ状構造体上にＳＣＲ触媒を担持したものである。
ＭＥＣ触媒は本出願人が２０００年７月３１日に出願した米国特許出願（代理人番号４１５００−５３０）に記載されており、その内容をここに引用する。
メッシュ状材料は、ワイヤもしくは繊維メッシュ、金属フェルトもしくはガーゼ、金属繊維フィルタ等の繊維又はワイヤからできている。メッシュ状構造体は単一層からなっていてもよく、またワイヤの２層以上を含んでいてもよく、たとえば、ニットワイヤ構造体、織成ワイヤ構造体等があり、特にワイヤ又は繊維の複数の層からなっていて３次元網状構造体となっているものが好ましい。好ましい態様において、支持構造体は層中でランダムに配向した複数層の繊維からなるものである。１種以上の金属を金属メッシュの製造に用いうる。また繊維と金属を複合して用いることもできる。
【００３３】
メッシュ状構造体が複数の繊維層からなっていて材料の３次元網目構造をつくっている好ましい態様において、これら支持体の厚さは少なくとも５ミクロンで、通常は１０ｍｍをこえない。好ましい態様によれば、網目構造体の厚さは少なくとも５０ミクロン、より好ましくは少なくとも１００ミクロンで、通常は２ｍｍをこえない。
一般に、繊維の複数の層を形成する繊維の厚さ又は直径は約５０ミクロン以下、好ましくは約１５０ミクロン以下、さらに好ましくは約３０ミクロン以下である。好ましい態様において、繊維の厚さ又は直径は約８〜約２５ミクロンである。
【００３４】
３次元メッシュ状構造体は公知方法たとえば［特許文献１］、［特許文献２］、［特許文献３］又は［特許文献４］に記載の方法で製造しうる。これらのメッシュ状構造体はまた上記公知例記載の方法以外の方法でも製造しうる。
【特許文献１】
米国特許第５，３０４，３３０号
【特許文献２】
米国特許第５，０８０，９６２号
【特許文献３】
米国特許第５，１０２，７４５号
【特許文献４】
米国特許第５，０９６，６６３号
【００３５】
本発明で用いるメッシュ状構造体は、（メッシュ上に支持した触媒なしで）８５％以上、好ましくは８７％以上、より好ましくは９０％以上の多孔度又はボイド容積を有する。ここでボイド容積はオープン状態の構造体の容積を構造体（開孔とメッシュ材料）の合計容積で割って１００をかけて求められる。
一の態様において、粒状支持体を使用せずに、触媒をメッシュ状構造体上に支持する。
【００３６】
別の態様において、窒素酸化物変換用触媒をメッシュ状構造体上に支持した粒状支持体上に支持する。ここで「粒状」又は「粒子」には、球状粒子、長尺粒子、短繊維等が包含される。一般に、触媒を支持する粒子の平均粒子サイズは２００ミクロンをこえず、典型的には５０ミクロン以下で、大部分の平均粒子サイズが２０ミクロンをこえないものが好ましい。一般的には、これら粒子の平均粒子サイズは少なくとも０．００２ミクロン、より好ましくは少なくとも０．５ミクロンである。粒状支持体に支持した触媒をメッシュ状構造体上に被覆する場合、触媒支持体の平均粒子サイズは一般的には１０ミクロンをこえず、メッシュ構造対中に保持する場合は一般的には１５０ミクロンをこえない。
【００３７】
本発明の一の態様において、触媒の支持体として機能するメッシュ状構造体は形状をととのえたパッキンの形態をしている。このパッキンは以下の実施例に示すように反応器中の触媒上を流れるガス相の乱れをもたらすように配される。メッシュ状触媒支持構造体は後記するように増大した乱流を付与するために適当な波形をもちうる。またメッシュ状構造体は乱流付与のためにタブや渦巻発生機を含みうる。乱流発生機の存在は放射（及び長さ）方向の混合性を高めまたメッシュを横切る局部圧力差を与えることでメッシュ上に被覆されているか又はメッシュ中に保持されている触媒への接触を促進し、そして流れのための駆動力を生ずる。パッキン構造としてはロールや１以上のシート等のモジュール形状のものもあり、これはモジュール中の流路がチューブの長さ方向に沿うように反応器のチューブ中に配される。ロールは平坦でも波形でもよいシートからつくることができ、このシートは混合促進用にて水や穴をもちうる。シートはまた波形細片にして、細片どうしをチューブのサイズに正確に適合する平坦シートで分けて接着剤、ワイヤ、円筒状平坦シート又はそれらの組合せで互いに保持してもよい。
【００３８】
触媒を支持するメッシュ状支持体は構造化したシート以外の形状でも用いうる。たとえばリング、粒子、リボン等の形で充填ベルトとして反応器中で用いうる。
メッシュ状構造体に支持した触媒はメッシュ状構造体を形成しているワイヤや繊維上に皮膜として存在していてもよくまたメッシュ状構造体の隙間に存在して保持されていてもよい。
触媒は浸漬やスプレー等の種々の手段でメッシュ状構造体上に被覆できる。触媒粒子はメッシュ状構造体を液体中に分散させた粒子を含む液体コーティング組成物（好ましくはコーティング浴の形）を、コーティング組成物がメッシュ状構造体内に入りその内部及び外部の両方に多孔性皮膜を形成する条件下に、接触させることによってメッシュ状構造体に付与できる。
【００３９】
触媒は窒素酸化物を変換するに有効な量がメッシュ状構造体上に支持される。一般的にいって、触媒は、メッシュと触媒の合計重量当り、少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％存在し、一般的には６０％をこえずまたより一般的には４０％をこえない。支持触媒を加える前のメッシュ状構造体の多孔度又はボイド容積が８７％以上の一態様において、触媒の重量は約５〜約４０％であり、また多孔度又はボイド容積が９０％以上の場合は支持触媒の重量は約５〜約８０％である。
【００４０】
構造パッキンの種々の態様を以下に述べる。
図６において、パッキン２は複数の多孔度メッシュ材料（ＭＥＣ材料）からなり、波形が垂直な流れ方向ｆに対し角度αで斜線で示されている。図６（Ａ）は波形６の代表的な断面を示す。隣接の波形シート８は９０°で互い違いになっている。
図７では、一般的なモノリスハニカム構造９Ｂが本発明のＭＥＣメッシュ材料９Ａと組合されて、ＮＯｘのＳＣＲ変換用の組合せ触媒床構造をもたらしている。この組合せ構造体は改良された変換率をもたらす。変換率の増加は下流のハニカムモノリスの改良された効率をもたらす構造の組合せによるものと思われる。
【００４１】
図８において、ＭＥＣ材料はシート材料のエレメント８２６から成形することができ、所望によりそこを通るガスの乱流を増加するために渦巻発生機を含みうる。図８において、所望により用いる渦巻発生機８４６及び８４８は３角形であり、エレメント８２６シート材料の平面から折りまげられる。渦巻発生機８４６及び８４８は交互の方向を向き、図８に示すようにシート材料の平面から突出している。波形は幅ｗをもつ。さらなる乱流を付与するために、渦巻発生機は圧力差によりＭＥＣ材料の孔を通る流対流をさらに促進する。エレメント８２６の側壁は約９０°の角度βで傾いている。根部と山部が直線方向に広がっている。
【００４２】
次に本発明の反応器の操作と脱ＮＯｘ法の実施例を示す。
【実施例】
【００４３】
図２（Ｃ）に示す気相反応器を次の煙道ガス条件下に２つの炉の煙道ガス流中のＮＯｘの選択的接触還元に用いた：
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ＮＯｘの所望の還元を達成するために十分量のアンモニアを上記煙道ガスに加えた。用いた触媒はＶ２Ｏ５／ＴｉＯ２触媒を被覆したＭＥＣである。３６０°Ｆ（１８２℃）の煙道ガス温度で１０ｐｐｍに対する所望のＮＯｘ還元９０％は約５４ｍ３のＭＥＣ触媒を必要とする。しかし、本発明の反応器と方法を用いることによって、触媒床での選択的接触還元反応は４２０°Ｆ（２１６℃）で起こり、必要な触媒容積はわずかに１２ｍ３であり、これは３６０°Ｆ（１８２℃）の操作温度で必要とされる触媒の重量及び容積の２５％以下である。
【００４４】
より具体的には、図２（Ｃ）の反応器で用いた熱交換器は高さ１インチ（２．５４ｃｍ）の放射状スチールフィンをもつ直径２インチ（５．０８ｃｍ）の管をもつものである。管の高さは６ｍで管の束の外径は４ｍである。熱交換器を横断するガスの２つの流れを与えるためにバッフル板を用いた。アンモニアを含む入口煙導ガスが３６０°Ｆ（１８２℃）で熱交換器に入り、４００°Ｆ（２０４℃）で熱交換器を出た。次いでこのアンモニアを含む煙道ガスを１以上のバーナーで所望の４２０°Ｆ（２１６℃）に加熱した。触媒床りながらガス温度は４２０°Ｆに維持した。次いで処理済ガスを熱交換に通して入口煙道ガスに熱を移し、４２０°Ｆから３８０°Ｆに温度が低下した。
【００４５】
このシステムの効率の損失は出口温度３８０°Ｆと当初の入口温度３６０°Ｆの差である。しかし、触媒床の重量と容積が７５％減少することで、既設の炉システム中に改修で容易に組み込むことのできるＮＯｘの選択的接触還元用の比較的軽量のユニットを提供できることになる。
上記は単に説明のためのものであり本発明を限定するものではない。当業者は請求項に示す本発明の範囲内で適宜の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の放射流反応器を煙突部にもつ公知の炉系を示し、Ａは概略図でＢはＡの側面図。
【図２】本発明の反応器を示し、Ａ〜Ｉは異なる態様の概略図。
【図３】本発明の反応器に用いる有用な熱交換器の管を示し、Ａは斜視図でＢは立面図。
【図４】触媒床を示し、ＡとＢは円筒状平行流触媒床の概略図でＢは環状放射流触媒床の概略図。
【図５】モノリス触媒床を示し、Ａはレンガ状ユニット、ＢはＡの一ユニット、ＣとＤは別の態様を示す概略図。
【図６】本発明の原理を説明するに有用なパッキン構造体の概略図を示し、Ａは波形パッキンの概略図。
【図７】微細加工触媒とモノリス触媒の組合せを示す概略図。
【図８】パッキンエレメントの一部を示す概略図。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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