(57)【要約】好ましいプロセス構成は、ＳＣＲで尿素（３０）をアンモニアに変換するために、必要ならば補充可能な煙道ガスのエンタルピーを利用する、。尿素（３０）は１４０℃を超える温度で分解し、煙道ガスに注入（３２）されて、１次過熱器またはエコノマイザーなどの熱交換器（２２）の後で分割される。側流は理想的に、尿素をさらに加熱せずに気化させる；しかし、熱が必要な場合、流出物（２３）全体または尿素のどちらかを加熱するのに必要な熱は、はるかに少ない。通常、煙道ガスの３％未満であるこの側流は、尿素（３０）を完全に分解するのに必要な温度および滞留時間を与える。サイクロン分離器を使用して、微粒子を除去し、試薬および煙道ガスを完全に混合することができる。次にこの流れをブロワー（３６）を用いて、ＳＣＲの前の注入グリッド（３７）に向ける。煙道ガスとの混合は、従来のアンモニア−ＳＣＲプロセスのＡＩＧを通じて注入されたものと比較して、１桁多い量の側流によって促進される。【選択図】図１
2004514828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼気体流中の窒素酸化物濃度を低減するプロセスであって：
気体側流を少なくとも１４０℃の温度で供給することと；
尿素水溶液を、該尿素水溶液の気化に有効な条件下で該側流に導入することと；
複合気体流を作成するために、尿素の気化より発生した気体を含む該気体側流を、側流よりも大きな体積のＮＯｘ含有気体の主要流内に導入することと；
複合気体流中のＮＯｘ濃度を低減させるのに有効な条件下で、複合気体流をＮＯｘ還元触媒に通過させることを含むプロセス。
【請求項２】
側流が、該側流および該主要流を生成するために、燃焼気体流から分離された燃焼ガスを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
側流が外気を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
側流が、該ＮＯｘ還元触媒の通過後に該複合気体流から引き出された気体を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
気体の該側流が、尿素水溶液の導入前に少なくとも２００℃の温度に加熱される、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６】
該尿素溶液が、０．１から２．０のＮＳＲを与えるのに有効な該ＮＯｘ還元触媒の通過後に、該複合流中のＮＯｘ濃度に比例した速度で導入される、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項７】
尿素水溶液が５から７０％の濃度を持つ、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項８】
尿素の気化を促進するために、スチームを用いて側流が加熱される、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項９】
該複ガス流を生成するために、尿素の気化から生じる気体を含む該気体側流をＮＯｘ含有気体の該主要流に導入する前に、側流が混合器具を通過する、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１０】
気体が微粒子低減手段によって気体が側流を通過した後に、尿素が側流に導入される、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１１】
尿素が固体試薬である、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１２】
０．１から２．０のＮＳＲを与えるのに有効な該ＮＯｘ還元触媒を通過させる前に、５から７０％の濃度を持つ尿素水溶液をＮＯｘ濃度に比例する速度で該複合流に導入する前に、気体の該側流が少なくとも２００℃の温度に加熱され、該複ガス流を生成するために、尿素の気化から生じる気体を含む該気体側流をＮＯｘ含有気体の該主要流に導入する前に、側流が混合器具を通過する、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１３】
該気体側流が、標準条件下で複合気体流の体積の１０％未満を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１４】
燃焼気体流中の窒素酸化物濃度を低減するプロセスであって：
少なくとも２００℃の気体側流を提供するステップであって、該側流および主要流を生成するために、該側流は燃焼気体流から分離された燃焼気体を含み、該気体側流は標準条件下で複合気体流の体積の１０％未満を含むことと；
尿素水溶液を、該尿素水溶液の気化に有効な条件下で該側流に導入するステップであって；０．１から２．０のＮＳＲを与えるために有効な該ＮＯｘ還元触媒を通過する前に、５から７０％の濃度を持つ該尿素が、ＮＯｘ濃度に比例する速度で該複合流に導入されることと；
複合気体流を作成するために、尿素の気化より発生した気体を含む該気体側流を、側流よりも大きな体積のＮＯｘ含有気体の主要流内に導入することと；
複合気体流中のＮＯｘ濃度を低減させるのに有効な条件下で、複合気体流をＮＯｘ還元触媒に通過させることを含むプロセス。
【請求項１５】
燃焼気体流中の窒素酸化物濃度を低減するプロセスであって：
少なくとも２００℃の気体側流を提供するステップであって、該側流および主要流を生成するために、該側流は燃焼気体流から分離された燃焼気体を含み、該気体側流は標準条件下で複合気体流の体積の１０％未満を含むことと；
尿素水溶液を、該尿素水溶液の気化に有効な条件下で該側流に導入するステップであって；０．１から２．０のＮＳＲを与えるために有効な該ＮＯｘ還元触媒を通過する前に、５から７０％の濃度を持つ該尿素が、ＮＯｘ濃度に比例する速度で該複合流に導入されることと；
複合気体流を作成するために、尿素の気化より発生した気体を含む該気体側流を、側流よりも大きな体積のＮＯｘ含有気体の主要流内に導入することと；
複合気体流中のＮＯｘ濃度を低減させるのに有効な条件下で、複合気体流をＮＯｘ還元触媒に通過させることを含み、
該側流に含まれる該燃焼気体が、ＮＯｘ還元触媒の通過後に、該複合気体流から分離されるプロセス。
【請求項１６】
燃焼気体流中の窒素酸化物濃度を低減するプロセスであって：
少なくとも２００℃の気体側流を提供するステップであって、該側流および主要流を生成するために、該側流は燃焼気体流から分離された燃焼気体を含み、該気体側流は標準条件下で複合気体流の体積の１０％未満を含むことと；
尿素水溶液を、該尿素水溶液の気化に有効な条件下で該側流に導入するステップであって；０．１から２．０のＮＳＲを与えるために有効な該ＮＯｘ還元触媒を通過する前に、１５から７０％の濃度を持つ該尿素が、ＮＯｘ濃度に比例する速度で該複合流に導入されることと；
複合気体流を作成するために、尿素の気化より発生した気体を含む該気体側流を、側流よりも大きな体積のＮＯｘ含有気体の主要流内に導入するステップと；
複合気体流中のＮＯｘ濃度を低減させるのに有効な条件下で、複合気体流をＮＯｘ還元触媒に通過させることを含むプロセス。
【請求項１７】
燃焼気体流中の窒素酸化物濃度を低減する装置であって：
１４０℃の温度の気体側流を輸送する導管手段と；
ＮＯｘ還元剤の水溶液を、該ＮＯｘ還元剤の気化に有効な条件下で該側流に導入する手段と；
複合気体流を作成するために、尿素の気化より発生した気体を含む該気体側流を、側流よりも大きな体積のＮＯｘ含有気体の主要流内に導入する手段と；
複合気体流中のＮＯｘ濃度を低減させるのに有効な条件下で、複合気体流をＮＯｘ還元触媒に通過させる手段；を含む装置。
【請求項１８】
該側流および該主要流を生成するために、燃焼気体流から側流を分離する手段が設けられている、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
外気を側流として導入する手段が設けられている、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
側流を生成するために、該ＮＯｘ還元触媒の通過後に該複合気体流から気体を引き出す手段が設けられている、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
気体の該側流を、尿素水溶液の導入前に少なくとも２００℃の温度に加熱する手段が設けられている、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
該尿素溶液を、０．１から２．０のＮＳＲを与えるのに有効な該ＮＯｘ還元触媒の通過後に、該複合流中のＮＯｘ濃度に比例した速度で導入する手段が設けられている、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
５から７０％の濃度の尿素溶液を導入する手段が設けられている、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
ＮＯｘ還元剤の気化を促進するために、スチームを用いて側流を加熱する手段が設けられている、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
混合手段が気体の該側流内に設けられている、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
微粒子除去手段をさらに含み、側流が該微粒子除去手段下流の流出物から引き込まれる、請求項１７から２０のいずれか一項記載の装置。
【請求項２７】
尿素が固体試薬である、請求項１７から２０のいずれか一項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、主流から分離できる気体側流によって、または熱風の側流によって、アンモニアを含む活性成分に尿素を分解することが可能となる、ＮＯｘの新しい選択触媒還元に関する。
【０００２】
多くの管轄体において、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を低減するための努力が行われている。その技術として、１次的措置として知られる、燃焼条件および燃料を変更する技術、２次的措置として知られる、燃焼後の排気処理を行う技術が挙げられる。効率的な１次的措置を取った場合、さらに削減を行うために２次的措置もなお行える。ＮＯｘを最高に削減するためには、１次的措置と２次的措置がどちらも必要であることは明らかである。
【０００３】
既知の２次的措置には、選択触媒還元（ＳＣＲ）および選択非触媒還元（ＳＮＣＲ）がある。どちらもアンモニアと尿素の両方によって実施されている。たとえば、Ｌｙｏｎが、アンモニアの注入による燃焼流出物中の一酸化窒素（ＮＯ）のＳＮＣＲを開示している米国特許第３，９００，５５４号は、一酸化窒素を１６００°Ｆから２０００°Ｆの範囲の温度で混合するための、流出物内へのアンモニア前駆体またはその水溶液を規定している。Ｌｙｏｎは、水素または各種炭化水素などの還元剤の使用によって、１３００°Ｆという低い流出温度のアンモニアを有効利用できることを示唆している。しかし、これらの温度は、効率的な処理には高すぎることが多く、アンモニアを安全に処理することは困難であり、ＳＮＣＲはＳＣＲほど効率的ではない。同様のプロセスは、米国特許第４，２０８，３８６号においてＡｒａｎｄ、ＭｕｚｉｏおよびＳｏｔｔｅｒが、米国特許第４，３２５，９２４号においてＴｅｉｘｅｉｒａが教示している。再び温度が高く、低い温度の使用は不可能である。
【０００４】
ＳＣＲは一般に１００°から９００°Ｆの範囲内のより低い温度にて、アンモニアによって作用可能である。この点については、米国特許第３，０３２，３８７号および３，５９９，４２７号を参照。ＳＣＲ（選択触媒還元）は、ＮＯｘを還元するいくつかの状況で長年利用可能であった。しかし現在まで、ＳＣＲはアンモニアの使用に依存しており、このことは保管、取扱いおよび輸送に関する安全問題を伴っている。尿素はより安全であるが、固体または水溶液形から、ＮＯｘ還元のために触媒床にて反応性のある活性気体種に変換することが困難なため、多くのＳＣＲ用途で実際的ではない。また、試薬の経済性は通常、尿素よりも無水アンモニアのほうが優れている。”Ａ　Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　Ｏｆ　ＮＯｘ　ｆｒｏｍ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｏｆ　Ｕｒｅａ”（博士論文、１９９５年９月）において、Ｈｕｌｔｅｒｍａｎｓは、ディーゼルエンジンの場合の多数の技術的課題について述べており、その技術に関する広範な背景を示している。
【０００５】
尿素を用いたＮＯｘの還元で触媒を使用することは有効であるが、触媒を阻害するおそれのある微粒子および未分解尿素には感受性である。この点において、ＳＣＲ処理温度範囲の低温側の温度は、尿素を完全に気化させるほど十分高温にならないことを記憶しておく必要がある。加えてＳＣＲは、触媒との接触前に活性ガス種を非常に均一に混合する必要があり、尿素またはその分解生成物を、処理が必要な大量の流出物と均一に混合することは困難である。尿素ＳＣＲを、たとえばディーゼルエンジンなどの静止および移動発生源に使用する試みは限られており、Ｈｕｇらへの米国特許第５，４３１，８９３号を含むいくつかの最近の特許で述べられている。Ｈｕｇらは触媒を阻害から保護するために、すべての流出物を尿素によって処理可能である巨大装置を提案している。尿素は物理形にかかわらず、熱排気中で分解するのに時間がかかり、気化が最も起こりやすい温度ではノズルを目詰まりさせることがある。この開示は、注入装置内での加水分解を防止するために、尿素溶液を１００℃以下の温度に維持する必要性を生じる問題を強調している。Ｈｕｇらは、尿素の供給時に中程度の尿素圧を使用することを提案し、目詰まりした場合に高圧の空気を供給ラインに導入する別の手段を用意する必要があることに気づいている。Ｈｕｇらが採用したノズルは分散を助けるために、補助空気を使用している。また、単に水を蒸発させるために多くの熱を必要とする希釈溶液を採用している。国際公開公報第９７／０１３８７号および欧州特許明細書第４８７，８８６Ａ１号も参照。
【０００６】
欧州特許明細書第６１５，７７７Ａ１号において、排気ガスを含むチャネルに固体尿素を供給する装置が記載されており、該排気ガスは触媒の存在下で加水分解されると言われている。正しく運用するために、開示は加水分解触媒、細かい固体を分散させるための圧縮空気、尿素を細かい固体に粉砕するための手段および尿素小球が互いに付着するのを防止するためのコーティングが必要であることを示している。この開示は、カタライザおよびノズルチップの内側が触媒によってコーティングされているだけの場合、腐食および沈着が生じることに注目している。プロセスから水を除去する目標が達成されるにもかかわらず、該明細書は、ガス気流に固体尿素−おそらくＳＣＲ触媒に沈着した尿素を導入する。
【０００７】
Ｓｐｏｋｏｙｎｙに対する米国特許第６，１４６，６０５号では、ＳＣＲ段階前に尿素を加水分解する独立ステップを含む、段階式プロセス内の複合ＳＣＲ／ＳＮＣＲプロセスを記載している。同様のプロセスは、Ｌａｇａｎａらへの米国特許第５，９８５，２２４号および６，０９３，３８０号のも開示されており、尿素の加水分解に続いて、気相の液体加水分解物相からの分離を含む方法および装置について述べられている。またＣｏｐｐｅｒらは、米国特許第６，０７７，４９１号においてアンモニアを生成する尿素加水分解プロセスを開示した。これらすべてのプロセスにおいて、加水分解の最中および後に、アンモニアを含む大量の高温ならびに高圧の気体ならびに液体相を扱うことが要求される。この余分の処理は、追加装置の購入および保守、プロセス失敗時のアンモニア放出を処理するための緊急時計画および装置を必要とし、さらに安全に、簡単に、そして効率的に運用されるシステムを備えることが望ましい。
【０００８】
本技術は、ＳＣＲプロセスにおいて尿素を簡単に、信頼して、経済的に、そして安全に使用できるプロセスおよび装置の開発を待っている。
（発明の要約）
本発明は、尿素を試薬として用いるＳＣＲによるＮＯｘ還元のための、活性気体反応物質を均一に混合するための実際的な方法および、ＮＯｘを効率的に還元するために気体を適切な温度にする新しいプロセス装置を提供する。
【０００９】
本発明の新たな設計によって、尿素の気化とＮＯｘ含有燃焼ガスとの完全な混合が可能となり、尿素をアンモニアなどのＳＣＲ試薬に変換するために必要な場合に補充できる、煙道ガスのエンタルピーを有利に利用することができる。尿素は１４０℃を超える温度で分解し、側流に注入されて、気化し、他のガスと混合される。１つの高度に効率的な装置において、側流は、１次過熱器またはエコノマイザーの後に分裂する煙道ガス流である。側流は理想的に、尿素をさらに加熱する必要なく分解する；しかし熱が必要な場合、流出物全体を加熱するのに必要な熱はずっと少ない。通常、煙道ガスの３％未満であるこの側流は、温度に応じて、尿素を完全に気化し、側流を含む試薬を主流内に完全に混合するために必要なエンタルピーと運動量を供給する。
【００１０】
サイクロン分離器、スタティックミキサーまたはブロワーなどの混合器具は、主流に再注入する前に、試薬と煙道ガスをより完全に混合することができる。サイクロン分離器は、存在するおそれのある微粒子も除去できる利点を持つ。気化した尿素を含む側流は次に、高温ブロワーを用いて、ＳＣＲ触媒の前の注入グリッドに向けることができる。ボルテックスミキサーまたは他の種類のスタティックミキサーは、注入グリッドの下流に設置して、側流および主流を完全に混合することができる。煙道ガスとの混合は、従来のアンモニア−ＳＣＲプロセスのアンモニア注入グリッド（ＡＩＧ）を通じて注入されたものと比較して、１桁多い量の側流によって促進される。
【００１１】
この新たなプロセスおよびそれを実施するための装置は、試薬担持空気も、尿素を加熱し、加水分化するためでけの追加の熱供給源のどちらも必要とせず、尿素試薬の扱いやすい特性を利用しており、側流ガス塊は高レベルのＮＯｘ還元に必要である完全な混合を供給する。
【００１２】
本発明の１つの実施形態により、側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素は、尿素が完全に分解するか、そうでなければ活性ガス種に気化するのに十分な温度で、側流に燃焼器に注入される。
【００１３】
本発明の別の実施形態により、側流は最終処理後に燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素は、尿素を完全に活性ガス種に気化するのに十分な温度で、燃焼器に注入される。
【００１４】
本発明のさらなる実施形態により、側流は燃焼器外部の供給源から持ち込まれ、尿素は、尿素を完全に活性ガス種に気化するのに十分な温度で燃焼器に注入される。
【００１５】
本発明の別の実施形態により、側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素を完全に活性ガス種に気化するために十分な温度に分裂流を上昇させるためにヒーターが設けられ、尿素は側流に注入されて、分解するか、そうでなければ気化する。
【００１６】
本発明の別の実施形態により、側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素は燃焼器内に注入され、２つの流れは次に合流されて、完全に混合され、粒子を除去するためにサイクロンを通過させられる。
【００１７】
本発明の別の実施形態において、側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、加熱および尿素注入前にサイクロンを通過させられる。
【００１８】
本発明のまた別の実施形態において、側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、流れは加熱されて、尿素は流れがサイクロンを通過する前に側流に注入される。
【００１９】
本発明の別の実施形態は、空気流、煙道ガス対空気熱交換器によって予熱された空気、または、さらに加熱され、尿素と合わされた予熱燃焼空気を利用し、次に生成した流れは、燃焼器からの排出物流と合わされ、望ましい場合、ミキサー、そして注入グリッドを通過して、ＳＣＲリアクターを通過する。
【００２０】
これらの実施形態のいずれにおいても、流れは、アンモニアの生成を最大限するために用いられ、気化のため、触媒の温度を維持するために、熱の補助供給源として用いることができる。また、これらの実施形態のいずれにおいても、従来のアンモニアＳＣＲプロセスの正しく設計されたアンモニア注入グリッド（ＡＩＧ）を通じて、活性ＳＣＲ試薬を含む側流を主煙道ガス流に再導入することができる。さらに、望ましい温度で空気または煙道ガスを供給するのに適したブロワーは、側流を主煙道ガス流内に再導入するために十分な圧力を供給するために、尿素注入の前後どちらでも、用途に適したほうに配置可能である。
【発明の実施の形態】
本発明の多くの好ましい態様を以下で述べる。同等の構成も検討される。
【００２１】
本発明は、尿素をアンモニアに変換するために、必要ならば補充可能である煙道ガスのエンタルピーを有利に利用できる尿素ベースのＳＣＲプロセスを提供する。複数の実施形態を好ましい形で述べる。しかし、実施形態の各種の機能は、特に機能を詳しく述べる実施形態以外の実施形態と組合せて利用することができる。図面の共通の要素および機能には、図面を通じて共通の参照番号が付いている。
【００２２】
この新たなプロセスは、尿素試薬の容易な取扱い機能を利用し、高レベルのＮＯｘ還元に必要な完全な混合をもたらすために側流ガス塊を使用して、完全な気化および良好な混合を与える。特に有利な実施形態において、気化に必要な熱は、燃焼ガスのエンタルピーから得られる。
【００２３】
プロセスは尿素によって有効であるが、加熱時に、アンモニアを含む反応ガスを生成できるＮＯｘ還元試薬を使用できる。以下より明らかになるように、これらのある試薬が気化すると、反応ガスもＨＮＣＯを含むようになり、これが水と反応して、アンモニアと一酸化炭素に変換する。ノズルや他の装置が目詰まりする危険が伴うＮＯｘ還元試薬の予備加水分解をせずに、これが容易に行えることは、本発明の利点である。「気化」という語によって、我々は実質的にすべての尿素が気体に変換され、ＳＣＲ触媒に接触して、それを阻害する溶解または遊離した固体もしくは液体が大量に残らないものとする。
【００２４】
「尿素」という語は、加熱された場合に、大量の純粋な化学的尿素を燃焼ガス中に導入される形で含んでいるかどうかにかかわらず、アンモニアおよびＨＮＣＯを生成するという意味で尿素と同等である試薬を含むものとする；しかし、尿素と同等の試薬は通常、測定可能な量の尿素をその市販形で含むため、尿素を含んでいる。気化可能なＮＯｘ還元試薬には、アンメリド；アンメリン；炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム；カルバミン酸アンモニウム；シアン酸アンモニウム；硫酸およびリン酸を含む、無機酸のアンモニウム塩；ギ酸および酢酸を含む、有機酸のアンモニウム塩；ビウレット；トリウレット；シアヌル酸；イソシアン酸；尿素ホルムアルデヒド；メラミン；トリシアノ尿素およびこれらの任意の数の混合物からなる群より選択される要素を含むものがある。また、ＨＮＣＯを生成しないが、炭化水素を含み期待の混合物に分解する、他のＮＯｘ還元試薬が利用できる。これらの群には、グアニジン、炭酸グアニジン、炭酸メチルアミン、炭酸エチルアミン、炭酸ジメチルアミン、ヘキサメチルアミン、炭酸ヘキサメチルアミンを含む、各種のアミンならびにその塩；化学プロセスによる尿素を含む副生成廃棄物が含まれる。より高いアルキル基を持つアミンは、放出された炭化水素成分がＮＯｘ還元試薬反応を阻害しない程度まで利用できる。
【００２５】
それゆえ「尿素」という語は、すべての市販および同等の形の尿素を含むものとする。通常、尿素の市販形は実質的に尿素よりなり、９５重量％以上の尿素を含んでいる。このような比較的純粋な形の尿素は好ましく、本発明のプロセスにおいて複数の利点を持つ。
【００２６】
アンモニアを全く利用する必要はないが、本明細書で述べる装置は、アンモニアを含むＳＣＲ試薬の導入を改良するため、貯蔵に関する問題が完全に解決されなくても、その使用はさらに実用的になることは、本発明のさらなる利点である。
【００２７】
尿素溶液は、因子数に依存して約０．１から約２の、しかしさらに典型的には０．５から１．１の範囲内のＮＳＲを与える効力を持つ該ＮＯｘ還元触媒を通過する前に、ＮＯｘ濃度に比例した速度で該結合流に導入される。「ＮＳＲ」という語は、処理される燃焼ガス中のＮＯｘ中の窒素の当量に対する、尿素または他のＮＯｘ還元剤中の窒素の相対的当量である。
【００２８】
「燃焼器」という語は、広い意味で、たとえば機械または電気エネルギーへの直接または間接変換で、熱を与えるために炭素燃料を燃焼させるすべての燃焼器を含むものとする。これらの炭素燃料は、通常燃料として使用される炭化水素はもちろんのこと、自治体の固体廃棄物、産業プロセス廃棄物などの可燃性廃棄物も含む。バーナーおよび炉は、オットー、ディーゼルおよびタービン型の内燃機関と同様に、燃焼器という用語の定義に含まれ、本発明から恩恵を受けられる。しかし、アンモニアを還元剤として利用する燃焼器での信頼性の高いＮＯｘ還元を正しく実施することの問題および利点は非常に明確であるため、本説明を通じて例示目的のために大規模燃焼器を使用する。しかし、あらゆる種類の静止および可動式燃焼器も検討される。しかし本発明は、燃焼器煙道ガスに制限されない。むしろ、ＮＯｘ還元のためにＳＣＲリアクターに通過させることから恩恵を受ける熱煙道ガスは、本発明から恩恵を得る。
【００２９】
図１は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素を完全に分解するために、そうでなければ尿素を活性ガス種に気化するために十分な温度で尿素が注入される。大規模燃焼器２０は燃料を燃焼し、少なくとも部分的に除去する必要のある窒素酸化物（ＮＯｘ）を結果として生成する。燃焼気体は、熱交換器アレイ２２内の水を加熱するのに使用された後、燃焼気体は通路２３および下流の装置によって大気中に排出される。尿素試薬を側流に添加し、側流を主燃焼ガス流と合わせた後の混合器具２４は、説明されるように随意である。「側流」という語は本明細書で使用されるように、気化尿素およびＮＯｘ還元触媒、２６、２６’および２６”によって処理される燃焼気体の全体積に比べて、比較的小さい体積の流れを指す。側流は、燃焼気体の主要流２９を残して、通路２３内の燃焼気体全流の側流部分２８を分割することによって得られる。各種の実施形態における分離は、処理の前または後に行われる。加えて、燃焼器の外部供給源から気流を引き込むことによって、側流を生成できる。
【００３０】
触媒２６、２６’および２６”は、加水分解、ガス化、熱分解などの各種形でアンモニアまたは尿素を利用したＮＯｘの還元技術において既知であるように、リアクターおよびアークＳＣＲ触媒を形成するアレイ内で用いられている。適切なＳＣＲ触媒には、アンモニアの存在下で流出窒素酸化物濃度を低減できるものがある。これらにはたとえば、活性炭素、木炭またはコークス、ゼオライト、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化チタン、酸化鉄、酸化銅、酸化マンガン、酸化クロム、プラチナ、パラジウム、ロジウムおよびイリジウムなどのプラチナ族金属など貴金属、またはこれらの混合物が含まれる。当業界で常識であり、当業者に知られている他のＳＣＲ触媒物質も利用できる。これらのＳＣＲ触媒物質は、他の当業界で周知の支持体も使用できるが、通常、金属、セラミック、ゼオライトまたは均質モノリスなどの支持体上に取付けられる。
【００３１】
有用なＳＣＲ触媒には、以下で述べる従来技術のプロセスで代表的なものが含まれる。ＮＯｘを還元する選択触媒還元プロセスは周知であり、各種の触媒剤を利用する。たとえば欧州特許出願第ＷＯ２１０，３９２号で、ＥｉｃｈｈｏｌｔｚおよびＷｅｉｌｅｒは、活性木炭または活性コークスを用い、触媒としてアンモニアを添加した、窒素酸化物の触媒除去について述べている。Ｋａｔｏらは米国特許第４，１３８，４６９号において、Ｈｅｎｋｅは米国特許第４，３９３，０３１号において、望ましい触媒還元を行うために、アンモニアを添加して、プラチナ族金属および／またはチタン、銅、モリブデン、バナジウム、タングステンなどの他の金属またはその酸化物を用いた、ＮＯｘの触媒還元を開示している。作用範囲が２２０°から２８０℃のＶ２Ｏ５／ＷＯ３／ＴｉＯ２触媒について明記した欧州特許第４８７，８８６号も参照。プラチナに基づく他の触媒は、約１８０℃という、さらに低い作用温度を持つことも可能である。
【００３２】
Ｋｎｉｇｈｔへのカナダ特許第１，１００，２９２号により、耐熱酸化物に蒸着させたプラチナ族金属、金および／または銀触媒の使用に関する、別の触媒還元プロセスが開示されている。Ｍｏｒｉらは米国特許第４，１０７，２７２号において、アンモニアガスを添加して、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、銅およびニッケルのオキシ硫酸、硫酸および亜硫酸化合物を用いた、ＮＯｘの触媒還元について述べている。
【００３３】
多相触媒系において、Ｇｉｎｇｅｒは米国特許第４，２６８，４８８号で、流出物を含む窒素酸化物をアンモニアの存在下で、硫酸銅などの銅化合物を含む第１の触媒、および担持上のバナジウムおよび鉄またはタングステンおよび鉄などの金属の組合せを含む第２の触媒に暴露させることを開示している。
【００３４】
気化尿素または他の試薬を含む燃焼ガスの温度が少なくとも約１００℃であり、通常は約１８０°から約６５０℃であり、好ましくは少なくとも約２５０℃である間に、反応気体を含む流出物がＳＣＲ触媒を通過することが最も好ましい。この方法では、試薬溶液の気化により流出物中に存在する活性種は、窒素酸化物の触媒還元を最も効率的に促進し、水の凝結が制御される。流出物は通常、たとえば炭素燃料を完全に酸化するのに必要な酸素の最大約１５％という、過剰の酸素を含む。上のＳＣＲ触媒（その開示は、参照により詳細に組入れられている）を使った本発明の使用により、大量のアンモニアまたはアンモニア水の輸送、貯蔵および取扱いの必要性が低減または消滅する。
【００３５】
図１において、ダクト２３内の燃焼ガスの主流全体は分割され、側流２８および側流より体積の大きい主要流２９が与えられる。１４０℃を超える温度で分解する尿素は、適切な弁３４およびコントローラ（図示せず）を備えたノズル３２経由でストレージから、１次過熱器またはエコノマイザー（熱交換器２２として一般に示す）の後に分割された煙道ガス流２８に注入される。尿素または尿素関連ＮＯｘ還元試薬の気化という目標を達成するために、通常、気化には約３００℃を越える温度が使用される。
【００３６】
尿素溶液は、沈殿または他の問題を生ぜずに貯蔵および取扱いに適した濃度に維持することが望ましい。ある程度の実用性によって、約５から７０％の濃度が利用できるが、約１５から約５０％の濃度がさらに一般的である。尿素溶液中の水の量は単独で、または側流中のガスの温度を適切に制御するために添加された流れによって、変更できることは、本発明の利点である。
【００３７】
この群内の試薬を気化することによって生成される気体の温度は、凝結を防止するレベルに維持される。通常、温度は少なくとも約１５０℃、好ましくは少なくとも２００℃の温度に維持する必要がある。記載した試薬の群によって生成される気体の気化および輸送の好ましい温度範囲は、約３００°から約６５０℃である。側流２８は理想的なことに、尿素をさらに加熱する必要なく、活性種に分解する。燃焼ガス全体（煙道ガス）の体積の通常１０％未満、普通は３％未満、たとえば０．１から２％であるこの側流（たとえば煙道ガスの０．１から２５％）は、尿素を完全に分解するために必要なエンタルピーおよび主要流２９をさらなる熱交換に利用しながら、側流２８を主要流２９に混合するのに十分な運動量を供給する。
【００３８】
側流２８を運ぶ管は、尿素分解に必要な時間および気体速度を供給する。尿素を完全に分解し、アンモニアを精製させるためにＨＮＣＯと水蒸気との反応を促進するためには、注入後、通常、１から１０秒間の滞留時間が設けられる。１秒当たり１から２０フィートの側流気体速度は、管の寸法を最適にし、目詰まりを流し、尿素液滴の側流内への分散、蒸発および分解を向上させ、液滴の管壁への衝突を最小限にするために、管全体で維持される。最適な気体速度を達成し、外部環境への熱損失を最小限にするには、内部チャネルおよび多重壁が好ましい。最適な管設計は、とりわけ、コンピュータによる流体力学モデルなどの定評ある設計ツールを使用することによって行える。
【００３９】
尿素注入ノズル３２は、明確な液滴を導入する。エアアシスト型噴霧器または機械式噴霧器のどちらも利用できる。液滴のサイズは、迅速に尿素液滴を蒸発および分解するために、５００ミクロン以下、しかし通常は１００ミクロン以下、好ましくは５０ミクロン以下であることが望ましい。また管のサイズを考慮すると、たとえば超音波ノズルから生成される小型で遅い液滴は、大型で速い液滴よりもさらい望ましい。望ましい場合、流れは必要または要望に応じて導入できる（この点に関しては、図７から９を参照）。この側流２８は次に、たとえば２６、２６’および２６”の触媒を含むＳＣＲリアクターの前の注入グリッド（または、従来のアンモニア注入グリッドなどの、他の適切な導入器具または装置）に向けることができる。本実施形態において、高温ブロワー３６は、たとえば約１ｐｓｉｇ以下の適切な注入圧をアンモニア注入グリッド３７に与えるために使用され、さらに混合を行う。あるいは、高温ブロワー３６は、図示した位置の代わりに尿素ノズル３２の上流に配置することができる。
【００４０】
ノズルが密に配置されている従来のアンモニア注入グリッド３７は、燃焼器側流ガス全体のわずか０．１％を側流として必要とする。スタティックミキサー２４は望ましい場合に使用できる。あるいは、注入グリッド３７はより少数でまばらに配置されたノズルまたは開口部を含むことが可能であり、分布を均一にするためにスタティックミキサーを下流に配置する。この別の設計は、注入グリッド（ＡＩＧ）に関連する費用および保守を低減できる。煙道ガスとの混合は、たとえば煙道ガスの１から２％という、従来のアンモニアＳＣＲプロセスのアンモニア注入グリッドを通じて注入されるのと比較して、１桁多い量の側流によって促進される。それゆえ本実施形態は、用途の要求事項に応じて、注入グリッドの種類に柔軟性を与える。
【００４１】
比較的大量の側流気体が、気体をＳＣＲ触媒に導入する前に尿素溶液と混合されるため、明白な混合手順が不要であることは、本発明の本実施形態または他の実施形態の利点である。特に気体体積に高度の変動がある場合、気体を１つ以上の段階で混合する手段を提供することは、多くの場合で有利になるであろう。適切な混合手段としては、スタティックミキサー、サイクロン、ブロワーおよび設計または効果によって気体を混合する他のプロセス装置がある。
【００４２】
すべての熱交換の前に燃焼気体よりなる側流を利用することにより、尿素水溶液との直接熱交換による気化に、気体のエンタルピーが利用されることは、本発明の本実施形態の別の利点である。驚くべきことに、計算は、低負荷条件下で、ＮＯｘ還元に対する需要も低い場合に必要とされる補助熱のみを使った、この方法による直接熱交換は、尿素を気化するために冷流中で補助熱を使用した場合よりもはるかに効率的であることを示すであろう。また有利なことに、補助熱を側流に加えることは、一貫した尿素分解とＳＣＲ触媒のために、側流の温度を制御し、どちらの温度も有効温度範囲内に維持するための効率的な方法となりうる。
【００４３】
図２は、図１に類似した実施形態を示すが、必要に応じて尿素の分解を確実にするために、側流２８の温度を上昇させることができるように、ヒーター３８を備えている。これは、ボイラーの出力が低い場合に特に有用である。熱が必要な場合に、必要とされる量は、流出物全体または尿素のみのいずれかを加熱するのに必要な熱よりもはるかに少ないことが、本装置の利点である。尿素ノズル３２の下流に配置された高温ブロワー３６は、図示した位置の代わりに、ヒーター３８の上流に配置することもできる。バーナーとして示すヒーター３８は、スチームコイルヒーター、熱交換器または熱を側流２８に伝達する他の手段と置換することができる。
【００４４】
図３は、本発明の別の実施形態の概略図であり、ここで側流２８は燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素がそれに注入される前に必要に応じて加熱される。２つの流れ（２３および２８）は合わせられて、サイクロン４０を通過し、粒子の分離と完全な混合を行う。尿素ノズル３２の下流に位置する高温ブロワー３６は、ヒーター３８の上流に配置できる。ヒーター３８は、スチームコイルヒーター、熱交換器または熱を側流２８に伝達する他の手段と置換することができる。
【００４５】
図４は、本発明の別の実施形態の概略図であり、ここで側流２８は燃焼器２０からの主流出物流２３から分離され、必要に応じた加熱および注入器３２によるそれへの尿素注入前に、サイクロン４０（あるいは他の粒子分離器具または装置）を通過する。尿素ノズル３２の下流に位置する高温ブロワー３６は、ヒーター３８あるいはサイクロン４０の上流に配置できる。ヒーター３８は、スチームコイルヒーター、熱交換器または熱を側流２８に伝達する他の手段と置換することができる。
【００４６】
図５は、図４に類似した本発明の実施形態の概略図であり、ここで側流２８は燃焼器２２からの主流出物流２３から分離され、サイクロン４０（あるいは他の粒子分離器具または装置）の直前に、その内部でそれに尿素が注入される。発生した処理済流は、ブロワー３６経由で、ＳＣＲリアクター前の注入グリッド３７（あるいは他の適切な導入器具または装置）を通過する。また随意のスタティックミキサー３９も示す。サイクロン４０の下流に位置する高温ブロワー３６は、ヒーター３８の上流に配置できる。ヒーター３８は、スチームコイルヒーター、熱交換器または熱を側流２８に伝達する他の手段と置換することができる。
【００４７】
図６は、本発明の別の実施形態の概略図であり、ここで空気流がダクト１２８に押し込まれて加熱され、注入器３２経由で尿素がそれに注入される。発生した流れは次に、燃焼器からの主流出物流と合わされてミキサーおよび注入グリッドを通過し、ＳＣＲリアクターを通過する。本実施形態は熱交換機４５およびバーナー３８を示し、どちらか、あるいは両方が必要に応じて用いられる。側流２８に熱を移動する手段は熱交換機４５あるいはバーナー３８と取り替えることができる。
【００４８】
本実施形態は、燃焼器２０の構造によって、燃焼気体の側流が容易に構成されない状況で有用であるため、追加の熱を必要とする。この追加の熱は、一般にユーティリティボイラーで利用できる予熱燃焼空気によって低減できる。
【００４９】
図７は、図６と同様の本発明の別の実施形態の概略図であり、ここで流れは、熱源としての手段５０によって導入される。
【００５０】
図８は、図７と同様の本発明の別の実施形態の概略図であり、スチーム供給源５０は、尿素の導入の後に配置される。
【００５１】
図９は、図６と同様の本発明の別の実施形態の概略図であり、ここで側流２２８は、ＳＣＲ触媒リアクターでの処理後に燃焼気体から生成される。本実施形態は、特に燃焼空気の予熱に使用する前に導入した場合、気体はかなりの発熱量を持っているという利点がある。
【００５２】
図１０は、図９と同様の本発明の別の実施形態の概略図であり、ここで側流３２８は、ＳＣＲ触媒リアクターおよび静電沈降分離装置、バッグフィルタなどの下流微粒子収集器具６０またはサイクロン分離器での処理後に燃焼ガスから生成される。気体は前の概略図よりも発熱量が少ないが、本スキームは、固体または液体燃料燃焼器に適用した場合、実質的に微粒子がないという利点を与える。微粒子が少ないと、保守の要求が最小限となる。
【００５３】
図１１では、図６による尿素注入の変形が示されている。水性窒素注入の代わりに、細かく砕かれ、粉砕または微粉化された固体尿素が、ライン３１およびライン２３４からのノズル２３２経由で空気圧担持空気を用いて注入される。固体尿素は、水なしで熱要求を低下させる利点を持つ。
【００５４】
上の説明は、当業者が本発明を実施できるようにするためのものである。当業者が説明を読むにつれて明らかとなる考えられる変更または変形すべてを詳しく述べるものではない。しかし、そのような変更および変形すべてが、上の説明で見られる、そうでなければ以下の請求項で規定される本発明の範囲に含まれるものとする。請求項は、文脈が特に逆のことを示していない限り、本発明の目的を満足するのに有効である、あらゆる装置または配列において指示された要素およびステップを対象とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素を活性ガス種に完全に分解するのに十分な温度で尿素が注入される。尿素注入の前または後に配置可能なブロワーは、側流を主流に導入するために十分な圧力を供給する。注入グリッドまたは従来のアンモニア注入グリッドを利用して、試薬をＳＣＲリアクターの前の主流内に完全に分布させる。
【図２】
図２は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素を活性ガス種に完全に分解するために、分裂流の温度を十分に上昇させる目的で、煙道ガスを加熱するバーナーまたは他の手段が設けられており、尿素は側流に注入されて、そこで分解するか、そうでない場合には気化される。
【図３】
図３は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、尿素はそれに注入され、場合によっては加熱され、２つの流れは次に合わせられて、完全な混合および粒子の分離を行うためにサイクロンを通過させられる。
【図４】
図４は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、加熱およびそれへの尿素注入前にサイクロンを通過させられて、側流はブロワーによって注入グリッドを通過して進む。
【図５】
図５は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで側流は燃焼器からの主流出物流から分離され、側流はサイクロンを通過する前に加熱され、尿素を注入される。
【図６】
図６は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで空気流が加熱され、それに尿素が注入されて、生じた流れは次に望ましい場合はミキサー、および注入グリッドを通過し、燃焼器からの主流出物流と合わされてＳＣＲリアクターを通過する。
【図７】
図７は、図６と同様の本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで流れは熱源として用いられる。
【図８】
図８は、図７と同様の本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで流れは、尿素の導入の後に導入される。
【図９】
図９は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで側流は、ＳＣＲリアクターでの処理後に燃焼ガスから生成され、生じた流れは加熱され、尿素を注入される。
【図１０】
図１０は、本発明の１つの実施形態の概略図であり、ここで側流は、ＳＣＲリアクターおよびＥＳＰ、バッグフィルタなどの微粒子収集器具またはサイクロン分離器での処理後に燃焼ガスから生成され、生成した流れは加熱され、尿素を注入される。
【図１１】
図１１は、図６による尿素注入の変形であり、ここで窒素水溶液注入の代わりに、細かく砕かれ、粉砕または微粉化された固体尿素が、空気圧担持空気を用いて注入される。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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