特集

環境装置①尿素分解装置

株式会社タクマ技術センター 装置技術部

倉田主幹

１．はじめに都市ごみ等の廃棄物を燃焼する過程で発生する窒素酸化物（NOx）の排出抑制方法のひとつとして、炉内に昌明(NH2)2CO ＝ HNCO ＋ NH3
尿素

イソシアン酸水･･･ ①

アンモニア

HNCO ＋ H2O ＝ NH3 ＋ CO2
イソシアン酸排ガス処理技術課

アンモニア･･･ ②

二酸化炭素

直接還元剤を噴霧する無触媒脱硝法が挙げられる。無触①及び②式の分解反応が完全に進行すれば、尿素媒脱硝法に用いる還元剤としては、安全でかつ安価とい１mol からアンモニア２mol が生成し、このアンモニう理由から尿素が用いられてきたが、近年は厳しい排出アが NOx の分解反応に寄与する。しかし、炉内に直基準を満足するため、反応性に優れたアンモニアを使用

接尿素を噴霧した場合、②式の反応速度が遅く 1） 、するケースが増えている。一方、アンモニアは尿素に比炉内で尿素分解反応が十分進行しない。そのため、炉べ高価であり、かつ取り扱いに注意を要する物質である内に直接アンモニアを吹き込むよりも脱硝効率が低くため、還元剤としてアンモニアを用いる場合は、安全性なると考えられている。に十分配慮した設備設計が求められ、その分設備費が増加する。
そこで当社は、尿素分解触媒を用いて、尿素から反応性に優れたアンモニアガス（以下、尿素分解ガス）に分解する尿素分解装置を開発した。本稿では、装置概要、
実機スケールの試験装置を用いた基本性能確認試験及び、実施設のストーカ式焼却炉内に試験装置から発生したアンモニアガスを噴霧した際の脱硝性能試験の結果に

H
M VVVF
輸送ブロワ
圧縮空気

⑴

尿素分解反応尿素の分解反応は次の２式で表される。

20

INDUSTRIAL MACHINERY 2017.5

尿素水噴霧ノズル

加熱空気
反応器

気層：①の反応尿素水噴霧ポンプ VVVF
（既設）

ついて紹介する。

２．尿素分解反応及び装置の概要

ヒータ

触媒層：②の反応
尿素分解触媒層

尿素分解ガス
尿素分解ガス吹き込みノズル
（炉内へ）

尿素水貯槽
（既設）
（40％尿素水）

図１ 尿素分解装置フロー特集：環境装置①

反応器（100〜200ton/d炉規模対応）
外形寸法：φ700mm×1,900mmH

尿素水噴霧ノズル⑵

装置の概要
装置のフローを図１に示す。輸送ブロワから供給されたキャリア空気はヒータで加熱された後、尿素分解触媒を充填した反応器内に供給される。本装置では、尿素分解触媒を用いて②の反応を促進することで、反応器内で尿素をアンモニアにほぼ 100％分解することができる。また、発生したアンモニアは、輸送ブロワによりキャリア空気とともに直接炉内へ吹き込まれる。

３．基本性能確認試験
尿素水供給装置⑴

尿素分解装置外観御尿素分解装置の外観を図２に示す。装置は焼却能力

ヒータ

輸送ブロワ

尿素分解装置（補機含む）
設置スペース：約２m×約２m

が 100 ～ 200t/ 日規模の都市ごみ焼却炉に対応できる容量で設計した。輸送ブロワ、ヒータ等の補機を含

図２ 尿素分解装置外観

めた装置全体の設置スペースは２m ×２m 程度と小さく、現状無触媒脱硝法を採用している既設炉への適120用も可能である。
⑵

アンモニア転換率（％）

100

試験内容及び結果①

触媒表面温度とアンモニア転換率
尿素分解装置運転時の触媒層の表面温度とアンモ80

ニア転換率の関係を調査した結果を図３に示す。図中のアンモニア転換率は、供給した尿素が全てアン60モニアに転換した場合のアンモニアガス濃度の理論値と、発生したアンモニアガス濃度（インドフェノ40ール青吸光光度法による）の実測値から算出した。
20

LV：約 0.3m/s

触媒表面温度が 210℃～ 260℃の条件でほぼ 100

SV：約 3,000h-1％のアンモニア転換率が得られた。また、180℃

０150

200250触媒表面温度（最低値）（℃）
図３ 触媒表面温度とアンモニア転換率300まで温度を下げた場合でも 95％程度のアンモニア転換率が得られた。
また、触媒表面温度の低下に伴い、触媒表面にシアヌル酸（C3H3N3O3）と推察される白色固形物が析出した。
②

触媒再生試験
試験的に触媒表面温度を低下させ、上記の白色固形物を析出させて強制的に触媒の活性を低下させた
後、反応器内部（触媒）を昇温して触媒の再生処理を行った。再生処理前後の尿素分解触媒の外観を写真１に示す。再生処理前に触媒層表面に析出した白色固形物が、30 分程度の触媒再生運転でほぼ分解

写真１ 触媒再生前後の触媒外観除去されていることが確認された。

産業機械 2017.521

表１ 施設概要

４．実施設における無触媒脱硝試験⑴

試験実施施設概要
実証試験を実施した施設の概要と概略フローを表１
及 び 図 ４ に 示 す。ストーカ式焼却炉から発生 し た

施設規模

270t/日×３炉

炉形式

ストーカ式

脱硝用還元剤40％尿素水溶液

NOx濃度規制値

115ppm（12％O2換算値）収され、続いて減温塔で減温された後にバグフィルタ節炭器

NOx を含む燃焼排ガスは、ボイラ及び節炭器で熱回ボイラで有害ガスが除去されてから煙突より大気に放出され焼却炉る。本施設では炉内に直接尿素水を噴霧する無触媒脱急冷反応塔（減温塔）

バグフィルタ硝法が採用されている。
⑵

誘引通風機

キャリー水NOx計

フィードバック制御制御装置

煙突

No.１尿素水噴霧ポンプ

試験内容及び結果

VVVF

尿素水貯槽

試験は約４ヶ月間の長期にわたって実施した。まVVVF

No.２尿素水噴霧ポンプ

尿素分解装置ず、 既 設 尿 素 水噴霧と尿素分解ガス吹き込み で のNOx 除去性能を比較した。その後、煙突入口 NOx

図４ 試験実施施設フロー濃度を指標として尿素分解装置の長期安定制御性を確
120①

既設尿素水噴霧時と尿素分解ガス吹込時の NOx除去性能の比較
NOx 除去性能を評価するため、まず排ガス中のO2 濃度や還元剤の噴霧点（燃焼室内）温度等から発生 NOx 濃度を予測できる演算式（回帰式）を作成した。尿素水噴霧を停止した時間帯における発生NOx 濃度の実測値と、演算式から求めた演算値のNOx濃度（ppm-12%O 2換算値）認した。

比較を図５に示す。実測値の変動に対し、演算値も100806040

NOx濃度
（実測値）
NOx濃度
（演算値）

20０19：00

ほぼ同じ値で推移していることから、本演算値を発生 NOx 濃度として NOx 除去性能を評価した。

60より発生したアンモニア）の当量比と NOx 除去率

NOx 除去性能が得られた。必要 NOx 除去率 30％、既設尿素水噴霧 850〜900℃
既設尿素水噴霧 900〜950℃

NOx除去率（％）と 比 較 す る と、 い ず れ の 温 度 域 に お い て も 高 い

403020

同じ噴霧点温度（850 ～ 900℃）の条件で比較す
ると、既設尿素水噴霧時に対し尿素分解ガス吹込時

50％以上削減
1040％程度削減の方が尿素水使用量を 50％以上削減できた。同様に 既 設 尿 素 水 噴霧の反応効率が高い噴霧点 温 度（900 ～ 950℃）の条件と比較しても 40％程度

22INDUSTRIAL MACHINERY 2017.5

19：40

尿素分解ガス吹き込み 800〜850℃

50ランク）のデータも併示する。なお、図中の温度はNOx 除去率が得られた。また、既設尿素水噴霧時

19：30

尿素分解ガス吹き込み 850〜900℃との関係を図６に示す。また、既設尿素水噴霧時（ブ込時は、噴霧点温度が 850 ～ 900℃の範囲で高い

19：20時刻

図５ 発生NOx濃度値比較

尿素分解装置運転時の尿素分解ガス（尿素分解に還元剤の噴霧点温度を示している。尿素分解ガス吹

19：10００0.20.40.6
当量比
図６ NOx除去性能比較

0.8１

1401,200
噴霧点温度

噴霧点温度（℃）

発生NOx濃度 演算値
1,000120800

1006008060400
煙突入口NOx濃度 １時間移動平均値
200

尿素水供給量再生工程

煙突入口NOx濃度 瞬時値
再生工程

20０

2016/２/15 0：00

40

2016/２/19 0：00

2016/２/23 0：00

2016/２/27 0：00

尿素水注入量（kg/h）、
排ガスNOx濃度（ppm-12％O2）

特集：環境装置①０
2016/３/２ 0：00

図７ 尿素分解装置長期運転時のトレンドデータ（SV＝80ppm）削減できることが分かる。
②

安定して脱硝できている。

連続運転試験
尿素分解ガス吹込時の発生 NOx 濃度（演算値）、煙突入口 NOx 濃度、噴霧点温度及び尿素水供給量のトレンドデータを図７に示す。実施設の煙突入口

５．おわりに①

NOx 濃度の規制値は 115ppm 以下であるが、本尿素からアンモニアへ 100％転換できる尿素分

試験では煙突入口 NOx 濃度が 80ppm となるよう解装置を開発した。
②

実施設での吹込試験において、必要 NOx 除去尿素水供給量を制御した。尿素分解ガスの噴霧点温率 30％及び同じ燃焼室ガス温度（850 ～ 900℃）

度が 850 ～ 950℃程度の条件下で長期間連続運転の条件で比較すると、従来の尿素水噴霧に比べ尿した結果、煙突入口 NOx 濃度の１時間移動平均値

素水使用量を 50％以上削減できることを確認しはほぼ 80ppm 前後で推移しており、安定した制御た。また、同様に既設尿素水噴霧の反応効率が高運転ができることを確認した。

い燃焼室ガス温度（900 ～ 950℃）の条件と比

また、発生 NOx 濃度の変動により急激に反応器への尿素水供給量が増加すると、触媒表面温度が一較しても 40％程度削減できた。
③

時的に低下し、それにより白色固形物（シアヌル酸）

長期間安定して煙突入口 NOx 濃度を制御できが触媒表面に析出して徐々に触媒の活性が低下すた。
④

尿素水の分解と触媒の再生を同時に行うシステる。そのため、活性低下を検知した場合には、反応ムを開発し、触媒再生中も安定して脱硝できるこ器への尿素水の供給（アンモニアへの分解）を継続とを確認した。

しながら、同時に触媒再生（触媒表面がシアヌル酸

本システムは維持管理費を低減できる技術であり、の分解温度以上となるようにキャリア空気をヒータ

今後、新設炉だけでなく既設炉への適用も含め、拡販により加熱）も行う自動制御を本装置に組み込んでに取り組んでいく予定である。

いる。図７の連続運転中にも自動再生が行われているが、煙突入口 NOx 濃度のトレンドから分かるよ
うに、尿素水の分解と触媒の再生を同時に行っても＜参考文献＞
1） Sung Dae Yim et al, Decomposition of Urea into NH3 for
the SCR Process , Ind. Eng. Chem. Res., Vol.43 No.16,
2004, pp.4856-4863

産業機械 2017.5

23