特特集集

優秀環境装置／日本産業機械工業会会長賞

尿素分解装置を用いた無触媒脱硝システム
株式会社タクマ
環境技術１部１課

杉田 大智
１．はじめに廃棄物焼却炉で発生する窒素酸化物（NOx）の低減方法

従来から採用されている無触媒脱硝システムであるとして、無触媒脱硝システムは一般的に知られている技術

尿素水噴霧方式のフローを図１に、アンモニア噴霧方式ののひとつであり、脱硝剤（尿素やアンモニア）を炉内に吹きフローを図２に示す。

込み、NOxを低減する技術である。

キャリー水

NOx 除去尿素水貯槽

尿素水供給ポンプ

廃棄物焼却炉図１ 従来の無触媒脱硝システム（尿素水噴霧方式）のフロー換気設備※

アンモニア設備室※
散水装置※

塩酸
アンモニア水貯槽

アンモニア排水中和設備※

キャリー水

NOx 除去アンモニア水供給ポンプ

アンモニア排水槽※※：アンモニア漏洩対策設備

廃棄物焼却炉図２ 従来の無触媒脱硝システム（アンモニア噴霧方式）のフロー

産業機械 2022.1027脱硝剤に尿素を用いる「尿素水噴霧方式」は、安全で対策設備も併せて設置する必要があり、設備費が増加する。

安価な尿素水を使用し、構成機器が少なくシンプルなシス

このように、アンモニア噴霧方式は、アンモニアによるテムで、従来から一般的に使用されてきた。本方式は、高い脱硝性能を得ることができるというメリットがある

尿素水供給ポンプにより尿素水を供給し、炉内に直接噴霧

反面、アンモニア漏洩対策設備が必要で設備費用が高価ですることでNOxを除去するが、アンモニアを直接噴霧したあること、及び薬品単価が尿素に比べると高価であると場合に比べると低い脱硝効率となる。

いうデメリットがあった。

Special feature

一方で、脱硝剤にアンモニアを用いる「アンモニア噴霧以上のように従来システムは使用する脱硝剤（尿素、方式」は、尿素水噴霧方式よりも脱硝性能が高いため、アンモニア）に応じてメリット、デメリットがあったが、近年の厳しいNOx排出規制を満足するよう採用される

これらデメリットを克服し、尿素やアンモニアそれぞれのケースが増加している。本方式は、アンモニア水供給ポンプ

メリットを活かした、尿素からアンモニアガスを生成するによりアンモニア水を供給し、炉内に直接噴霧することで尿素分解装置を開発した。本装置によって、安全性が高くNOxを除去する。しかし、アンモニアは尿素に比べ高価であり、低コストであるという尿素のメリットと、脱硝性能が高いかつ劇物に指定され、取扱いに注意を要する物質であるというアンモニアのメリットをあわせもった画期的なため、アンモニアの貯留・供給設備を設置する際は漏洩システムを実現した。

２．‌尿素分解装置を用いた無触媒脱硝システムの概要（a）及び（b）式の尿素分解反応が完全に進行すれば、尿素１molからアンモニア２molが生成する。炉内に尿素分解装置は、触媒を用いて尿素からアンモニア直接尿素を噴霧した場合、（b）式の反応速度が遅く炉内ガスを生成するものであり、本装置を用いた無触媒脱硝で尿素分解反応が十分進行しないため、アンモニアをシステムは、このアンモニアガスを脱硝剤として炉内へ直接炉内に吹き込むよりも脱硝効率が低くなる。尿素分解

噴霧することにより、廃棄物焼却炉から発生するNOxを装置は、装置内の気層で（a）式の反応を進行させた後、除去するシステムである。

尿素分解触媒を用いて所定の温度のもとで（b）式の反応を尿素の加水分解反応は下記の２式で表される。
（NH2）
2CO

＝

HNCO＋

尿素

イソシアン酸尿素水貯槽（40% 尿素水）

キャリア空気供給ブロワ促進するため、尿素はアンモニアに完全に分解する。

HNCO＋

H2O

＝

イソシアン酸尿素水
供給ポンプ

キャリア空気加熱ヒータ

水NH3・・・
（a）

アンモニア

CO2

二酸化炭素＋

NH3

アンモニア

尿素器内尿素水噴霧ノズル

アンモニアガス

尿素分解反応器

INDUSTRIAL MACHINERY 2022.10

NOx 除去廃棄物焼却炉

図３ 尿素分解装置を用いた無触媒脱硝システムのフロー

28・・・
（b）

特集：優秀環境装置／日本産業機械工業会会長賞

キャリア空気は、ヒータで加熱された後、尿素分解触媒（粒状）を充填した反応器に供給される。尿素水は、尿素水供給ポンプにより反応器内に供給され、尿素分解触媒によりアンモニアへ分解される。生成したアンモニアは、脱硝剤としてキャリア空気とともに炉内へ吹き込まれる。
なお、キャリア空気を加熱する理由は、反応器に供給された尿素水を気化し、触媒温度を約250℃とすることで、尿素からアンモニアへの高い分解率を発揮するためである。
触 媒 温 度 が 約200 ℃以 下に 低 下 するとシアヌル 酸（C3H3N3O3）が触媒表面に析出し、尿素の分解反応を阻害する。そのため、本装置は尿素分解触媒にシアヌル酸が析出してきた際に、触媒温度を上昇させ、シアヌル酸を分解することで触媒の再生を行う「再生工程」を備えている。
性能劣化の兆候が見られた際に炉内にアンモニアを供給しながら触媒を再生することによって性能を維持し、尿素分解装置の長期安定運転を可能とした。

Special feature

図４に従来システムと尿素分解装置を用いた本システム
写真１ 尿素分解反応器 外観（約２m×２m）の特徴をまとめる。従来システムである尿素水噴霧方式
は、尿素を用いるため、薬品単価、設備費用が安価であり、図３に尿素分解装置を用いた無触媒脱硝システムの安全性も高いが、脱硝性能はアンモニアより低かった。

フローを、写真１に排ガス量40,000m N/hクラスを

もう一つの従来システムであるアンモニア噴霧方式は、処理する尿素分解反応器（約２m×２mに設置可能、以下アンモニアを用いるため、薬品単価が高価であり、アン反応器と記す）の外観を示す。

モニア漏洩対策設備が必要となるため設備費用も高価で、3かつアンモニアの取り扱いに注意が必要となるが、脱硝性能
本装置は、キャリア空気供給ブロワと、キャリア空気は尿素よりも高い。これらの従来システムに対し、本シス加熱ヒータ、尿素水貯槽、尿素水供給ポンプ、反応器内

テムは、尿素分解装置により、尿素を用いるため薬品単価、尿素水噴霧ノズル、及び尿素分解触媒を充填した反応器

設備費用は安価であり、安全性も高く、かつアンモニアから構成される。

ガスを炉内に噴霧できるため高い脱硝性能が得られる。

【従来システム】【新システム】

アンモニア噴霧方式

薬品単価

○ 安価

△ 高価

設備費用

○ 安価

△ 高価

安全性

○ 安全

△ 取扱注意○ 安全脱硝性能

△ 低い

○ 高い

○ 高い

▲

尿素水噴霧方式

尿素分解ガス噴霧方式

○ 安価
○ 安価

図４ 従来の無触媒脱硝システムと尿素分解装置を用いた無触媒脱硝システムの特徴‌‌

産業機械 2022.10

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３．性能
耐久性・安全性、運転・操作性、維持管理等の性能について、従来方式と新方式との比較表を表１に示す。
表１ 性能比較表

項目【従来方式】【新方式】

アンモニア噴霧による無触媒脱硝システム

尿素分解装置を用いた
無触媒脱硝システム

Special feature

耐久性

同等（装置上、耐久性は高い）

同等（装置上、耐久性は高い）

安全性

アンモニアは劇物に指定され、取扱いに注意を要する。
また、アンモニア漏洩対策設備の設置が必要。

安全な尿素を使用するため、取扱いは容易。
また、アンモニア漏洩対策設備の設置が不要。

運転・操作性同等（NOx濃度に応じて、アンモニア供給ポンプの周波数を自動制御）

同等（NOx濃度に応じて、尿素水供給ポンプの周波数を自動制御）

維持管理性

無触媒脱硝システムの維持管理だけでなく、アンモニア漏洩対策設備のメンテナンスが必要

無触媒脱硝システムの維持管理のみ必要（アンモニアの使用に対し、消防署や労働基準監督署へ届出が必要）

不要

届

出

４．経済性
尿素分解装置を用いた無触媒脱硝システム（新方式）について、経済性を試算した結果を表２及び図５に示す。

（従来方式のランニングコスト合計を100％とした）

本試算における施設規模は100t/日/炉×２炉のストーカ

薬剤費用は、新方式はアンモニア水よりも安い尿素水を式焼却炉を想定し、NOx除去率は33％程度（発生NOx使用するため、従来方式と比較して薬剤費用が24％

濃度60ppmに対して煙突NOx濃度40ppm）とした。

程度削減できる。

試算対象は、近年の厳しいNOx排出規制にも対応できる

メンテナンス費用は、従来方式はアンモニア漏洩アンモニア水噴霧方式（従来方式）と新方式を比較した。

対策設備のメンテナンスが必要となるが、新方式ではまた比較を容易にするため、イニシャルコストは従来方式

尿素分解装置のブロワやヒータのメンテナンスがを100％として、またランニングコストは、従来方式の必要となるため、従来方式と同程度となる。

ランニングコストの合計を100％とした。
⑴

30⑵ ラ ンニングコスト

次に売電収入メリットに関しては、従来方式では炉内へイニシャルコスト（従来方式を100％とした）アンモニア水を噴霧するため、キャリー水が必要となるが、新方式は尿素分解装置の設備費用が増加するが、新方式ではこのキャリー水が不要となりボイラ蒸発量がアンモニア漏洩対策設備費用が不要になるため、従来増加するため、発電量が増加する。一方で、新方式は方式と比較して設備費用は32％安価となる。

尿素分解装置のブロワやヒータにより消費電力は増加

INDUSTRIAL MACHINERY 2022.10

特集：優秀環境装置／日本産業機械工業会会長賞

表２ 経済性試算

従来方式

新方式

差分
（従来方式－新方式）

100％

68％

▲32％

薬剤費用

76％

58％

▲18％

メンテナンス費用

24％

24％

0％

売電収入メリット

－（0％）

－94％

▲94％

合計

100％

－12％

項目
イニシャルコスト
設備費用
ランニングコスト
支出

収入計 100%
薬剤費用
76%

40200‑20‑40‑60

売電収入メリット

58%
24%

24%
メンテナンス費用
売電収入メリット‑94%

Special feature

ランニングコスト（％）

8060

計 ‑12%

売電収入

100‑80‑100

従来方式

メンテナンス費用

従来方式

新方式
薬剤費用

新方式

売電収入メリット

図５ ランニングコスト試算

５．おわりにするが、発電量が増加する効果が大きく、結果として尿素分解装置は、一般廃棄物焼却施設を中心として売電収入は大幅に増加する。この売電収入メリットを４件の受注実績（内１件が納入済み、３件は設計中）をランニングコストとして評価すると、薬剤費用やメンテ有している。尿素分解装置は無触媒脱硝法だけでなく、ナンス費用を上回り、ランニングコストがマイナス

触媒脱硝法にも適応可能であり、厳しいNOx排出規制に（収益側）に転ずることとなり、大幅な売電収入メリットが対応しつつ高効率発電に寄与できる点を訴求することに得られることが分かる。

より、今後新規の一般廃棄物焼却施設において採用拡大

このように尿素分解装置を用いた無触媒脱硝シスが期待される。

テムは、従来のアンモニア水噴霧方式よりイニシャル

近年、ごみ焼却に伴う環境負荷を低減しつつLCCをコストを大幅に削減し、ランニングコストを上回る大幅なミニマム化する技術の社会的ニーズが高まっている。

売電収入メリットが得られるため、経済性においても当社は今後もこのような社会的にニーズに応える様々な非常に優れたシステムであるといえる。

技術開発に取り組む所存である。

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