JP6532433B2

JP6532433B2 - 尿素加水分解装置の運転方法

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Publication number: JP6532433B2
Application number: JP2016151704A
Authority: JP
Inventors: 倉田　昌明; 昌明倉田; 弘樹藤平; 典生前田; 大祐鮎川
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2036-08-02
Also published as: JP2018020271A

Description

本発明は、主に廃棄物焼却炉やボイラ設備等の燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するのに用いられ、尿素水を加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去するようにした尿素加水分解装置の運転方法に関するものである。

従来、廃棄物焼却炉等から発生する燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去する方法として、炉内又は煙道に還元剤を噴霧して燃焼排ガス中の窒素酸化物を分解する無触媒脱硝方法や、触媒脱硝塔の上流側に還元剤を噴霧して燃焼排ガス中の窒素酸化物を分解する触媒脱硝方法が知られている（例えば、特許文献１〜５参照）。

前記還元剤としては、アンモニアや尿素が用いられている。アンモニアは、尿素よりも窒素酸化物の除去率が高いが、高価な薬剤であり、且つ取り扱いに注意を要する薬剤である。そのため、廃棄物焼却炉等にアンモニア供給設備を設置する場合には、散水設備等の安全対策が必要となる。

そこで、本件出願人は、還元剤に安全で且つ安価な尿素を使用し、この尿素から尿素分解触媒を用いて脱硝効率の高いアンモニアガスを生成する尿素加水分解装置を開発した（例えば、特許文献６〜８参照）。

即ち、前記尿素加水分解装置は、図２に示す如く、内部に加水分解触媒層３０を形成した反応器３１と、反応器３１へ尿素水Ｕを供給する尿素水供給ライン３２と、尿素水Ｕを貯留する尿素水貯槽３３と、尿素水供給ライン３２に介設した尿素水供給ポンプ３４と、反応器３１内の加水分解触媒層３０の表面へ向って尿素水Ｕを噴霧する尿素水噴霧ノズル３５と、反応器３１内へ加熱空気ａ′を供給する加熱空気供給ライン３６と、加熱空気供給ライン３６の上流側端部に接続した空気供給用の送風機３７と、加熱空気供給ライン３６に介設した加熱空気用ヒータ３８と、反応器３１内で生成されたアンモニアＡを炉内３９へ導くアンモニア供給ライン４０と、アンモニアＡを炉内３９（又は煙道内）へ吹き込むアンモニア噴霧ノズル４１と、加熱空気供給ライン３６から空気ａの一部を分岐する空気バイパスライン４２と、尿素水供給ライン３２から尿素水Ｕの一部を分岐する尿素水バイパスライン４３と、尿素水Ｕを炉内３９へ噴霧する第２尿素水噴霧ノズル４４とを備えている。

尚、図２において、３４ａは尿素水供給ポンプ３４の可変速制御機構、３６ａは加熱空気ａ′を上向きに流す上部開口、３６ｂは加熱空気ａ′を下向きに流す下部開口、４５は尿素水供給ライン３２に介設した開閉バルブ、４６は尿素水噴霧ノズル３５に圧縮空気ａ″を供給する圧縮空気供給ライン、４７は圧縮空気供給ライン４６に介設した制御バルブ、４８は空気バイパスライン４２に介設した制御バルブ、４９は尿素水バイパスライン４３に介設した開閉バルブ、５０は加水分解触媒層３０の表面温度を検出する第１温度検出器、５１は反応器３１の入口温度を検出する第２温度検出器、５２は反応器３１の出口温度を検出する第３温度検出器、５３は反応器３１の入口と出口の圧力差を測定する差圧計、５４はアンモニア供給ライン４０内を流れるガス中のＣＯ_２の濃度を検出するＣＯ_２濃度計である。

而して、上述した尿素加水分解装置においては、尿素水噴霧ノズル３５から反応器３１内の加水分解触媒層３０の表面へ向って尿素水Ｕを噴霧すると共に、上部開口３６ａ及び下部開口３６ｂから反応器３１内に加熱空気ａ′を供給して反応器３１及び加水分解触媒層３０を加熱すると、加水分解触媒層３０へ噴霧された尿素が加熱された加水分解触媒と接触して加水分解されてアンモニアＡを生成し、この生成されたアンモニアＡをアンモニア噴霧ノズル４１から炉内３９へ噴霧して脱硝反応に使用できるようになっている。

ところで、前記尿素加水分解装置においては、装置の運転中にシアヌル酸やビウレット等の副生成物が加水分解触媒に付着して触媒性能を劣化させることがあり、この場合には、加水分解触媒を再生することが行われている。

即ち、尿素加水分解装置の触媒再生時には、尿素水供給ライン３２を遮断して尿素水Ｕの供給を停止すると共に、加熱空気供給ライン３６により反応器３１内に加熱空気ａ′のみを供給して加水分解触媒層３０へ通ガスし、加水分解触媒に付着した副生成物を前記加熱空気ａ′により熱分解して触媒を再生し、触媒の再生中に発生したアンモニアＡを炉内に脱硝反応用として吹き込むようにしている。

また、触媒の再生中に発生したアンモニアＡが脱硝反応の必要量に達しない場合には、尿素水供給ライン３２から尿素水バイパスライン４３に切り替え、尿素水バイパスライン４３によりに尿素水Ｕを炉内３９へ導き、アンモニア噴霧ノズル４１と併行して第２尿素水噴霧ノズル４４から尿素水Ｕを炉内３９に噴霧し、脱硝反応に必要なアンモニアＡ量を補うようにしている。

しかしながら、従来の尿素加水分解装置においては、触媒の再生中に発生したアンモニアＡが脱硝反応の必要量に満たない場合、第２尿素水噴霧ノズル４４から尿素水Ｕを直接炉内３９に噴霧するようにしているため、一時的に脱硝性能が低下すると共に、尿素水Ｕの使用量が増加するうえ、煙突から排出される未反応アンモニアＡ濃度の上昇につながると言う問題があった。

また、加水分解触媒の再生時には、加水分解触媒の表面に付着したシアヌル酸やビウレット等の副生成物が分解する際に加水分解触媒の細孔が押し広げられ、加水分解触媒層３０表面の触媒に割れが発生し、加水分解触媒層３０での圧力損失が増加すると言う問題があった。

特開昭５３−６２７７２号公報特開平６−２６９６３４号公報特開２００９−１０３３８１号公報特開２０１０−４８４５６号公報特開２０１０−９９６０３号公報特開２０１６−９８１３０号公報特開２０１６−９８１４４号公報特開２０１６−１０１５３７号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、より安定して高いＮＯｘ除去性能が得られると共に、安定した連続運転が可能となり、しかも、触媒再生時における加水分解触媒の割れを防止できるようにした尿素加水分解装置の運転方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る尿素加水分解装置の運転方法は、内部に加水分解触媒層を形成した反応器と、反応器内へ尿素水を供給する尿素水供給ラインと、反応器内の加水分解触媒層の表面へ向って尿素水を噴霧する尿素水噴霧ノズルと、反応器内へ加熱空気を供給する加熱空気供給ラインと、反応器内で生成されたアンモニアを炉内又は煙道へ導くアンモニア供給ラインと、アンモニアを炉内又は煙道内へ吹き込むアンモニア噴霧ノズルとを備え、反応器内に供給した尿素水を加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去するようにした尿素加水分解装置において、尿素の加水分解時には、反応器内に尿素水と加熱空気を供給して反応器内の温度を２００℃〜２５０℃に温度制御し、反応器内に供給した尿素水をアンモニアに加水分解し、また、触媒再生時には、反応器内に尿素水と加熱空気を供給して反応器内の温度を２５０℃〜４００℃に温度制御し、反応器内に供給した尿素水をアンモニアに加水分解しつつ、加水分解触媒に付着した副生成物を熱分解して触媒を再生するようにしたことに特徴がある。

前記反応器内の加水分解触媒層上に充填物を積層して充填物層を形成し、尿素の加水分解時及び触媒再生時に前記充填物層に尿素水を噴霧するようにすることが好ましい。

加水分解触媒層の表面温度又は充填物層の表面温度、反応器の入口温度と出口温度の温度差、反応器の入口と出口の圧力差、アンモニア供給ラインを流れるガス中の二酸化炭素濃度の何れか一つ又は複数を検出又は測定し、その検出結果又は測定結果に基づいて加熱空気供給ラインの上流側端部に接続した送風機の風量及び加熱空気供給ラインに介設した加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御し、反応器内の温度を２５０℃〜４００℃に温度制御することが好ましい。

前記充填物は、粒状のセラミック、砂利又は金属のうちの何れか一種又は複数種から成ることが好ましい。

本発明によれば、尿素の加水分解時には、反応器内の温度を２００℃〜２５０℃に温度制御して反応器内に供給した尿素水をアンモニアに加水分解し、また、触媒再生時には、反応器内の温度を２５０℃〜４００℃に温度制御して反応器内に供給した尿素水をアンモニアに加水分解しつつ、加水分解触媒に付着した副生成物を熱分解して触媒を再生するようにしているため、尿素の加水分解時は勿論のこと、触媒再生時にもアンモニアを生成して炉内や煙道内へ吹き込むことができ、触媒再生時に尿素水を炉内や煙道内に直接吹込むようにした従来の尿素加水分解装置のように脱硝性能の低下や尿素水の使用量増加を招くと言うことがない。
その結果、本発明によれば、より安定して高いＮＯｘ除去性能が得られると共に、安定した連続運転が可能となる。

また、本発明によれば、反応器内の加水分解触媒層上に充填物を積層して充填物層を形成し、尿素の加水分解時及び触媒再生時に前記充填物層に尿素水を噴霧しているため、尿素水の供給量が急激に増加した場合でも、充填物層の熱容量が十分にあるので、加水分解触媒層の温度が低下するのを緩和することができ、運転温度を下げることができて加熱空気用ヒータの電力使用量を削減することができる。

更に、本発明によれば、反応器内の加水分解触媒層上に形成した充填物層に尿素水を噴霧しているため、触媒再生時に加水分解触媒が充填物層に保護されているので、触媒再生時における加水分解触媒の割れを防止することができると共に、加水分解触媒層での圧力損失の増加を防止することができる。

更に、本発明によれば、触媒再生時にも反応器内に尿素水を供給してアンモニアを生成しているため、従来の尿素加水分解装置にように尿素水バイパスラインや第２尿素水噴霧ノズル等を必要とすると言うことがなく、部品点数の削減及びコストの低減等を図ることができる。

本発明の実施形態に係る尿素加水分解装置の概略系統図である。従来の尿素加水分解装置の概略系統図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る尿素加水分解装置を示し、当該尿素加水分解装置は、例えば、廃棄物焼却炉やボイラ設備等に付設されており、尿素水Ｕを加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアＡを生成せしめ、生成したアンモニアＡを炉内１１（又は煙道内）の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するものである。

即ち、前記尿素加水分解装置は、図１に示す如く、内部に加水分解触媒層１及び充填物層２を形成した反応器３と、反応器３内へ尿素水Ｕを供給する尿素水供給ライン４と、尿素水Ｕを貯留する尿素水貯槽５と、尿素水供給ライン４に介設した尿素水供給ポンプ６と、反応器３内の充填物層２の表面へ向って尿素水Ｕを噴霧する尿素水噴霧ノズル７と、反応器３内へ加熱空気ａ′を供給する加熱空気供給ライン８と、加熱空気供給ライン８の上流側端部に接続した空気供給用の送風機９と、加熱空気供給ライン８に介設した加熱空気用ヒータ１０と、反応器３内で生成されたアンモニアＡを炉内１１（又は煙道内）へ導くアンモニア供給ライン１２と、アンモニアＡを炉内１１（又は煙道内）へ吹き込むアンモニア噴霧ノズル１３と、加熱空気供給ライン８から空気ａの一部を分岐する空気バイパスライン１４とを備えている。

前記反応器３は、図１に示す如く、裁頭円錐状の天井壁３ａ及び底壁３ｂを備えた円筒状の金属製ケーシング３ｃと、金属製ケーシング３ｃ内に装填されて噴霧された尿素水Ｕを加水分解する加水分解触媒層１と、加水分解触媒層１の上に形成されて尿素水Ｕが噴霧される充填物層２とを備えている。前記加水分解触媒層１は、例えば、粒状のアルミナを積層して成り、また、前記充填物層２は、例えば、粒状のセラミックを積層して成り、充填物層２の厚さは触媒再生時に加水分解触媒の割れを防止できる程度に設定されている。

尚、上記の実施形態においては、加水分解触媒として粒状のアルミナを使用したが、他の実施形態においては、加水分解触媒としてシリカ、チタニア、ゼオライト、マグネシア、カルシア等を使用しても良い。これらの加水分解触媒は、一種だけ使用しても良く、或いは、二種以上使用しても良い。

また、上記の実施形態においては、充填物として粒状のセラミックを使用したが、他の実施形態においては、充填物として粒状の砂利や金属等を使用しても良く、シアヌル酸やビウレット等の副生成物が分解する際に加水分解触媒を保護することができれば、如何なる材質のものであっても良い。これらの充填物は、一種だけ使用しても良く、或いは、二種以上使用しても良い。

更に、上記の実施形態においては、金属製ケーシング３ｃを円筒状に形成し、金属製ケーシング３ｃの天井壁３ａ及び底壁３ｂを裁頭円錐状に形成したが、他の実施形態においては、図示していないが金属製ケーシングを平坦な天井壁及び底壁を備えた円柱状に形成しても良く、また、図示していないが金属製ケーシングを四角筒状に形成し、金属製ケーシングの天井壁及び底壁を裁頭四角錐状に形成しても良い。

前記尿素水供給ライン４は、尿素水Ｕを反応器３内へ供給するものであり、尿素水供給ライン４の上流側端部には、尿素水Ｕを貯留する尿素水貯槽５が接続されていると共に、尿素水供給ライン４の途中には、尿素水供給ポンプ６及び開閉バルブ１５が介設されている。

尚、尿素水供給ポンプ６は、可変速制御機構６ａを備えており、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて可変速制御されている。即ち、尿素水供給ポンプ６は、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度をＮＯｘ濃度検出器（図示省略）により検出し、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度が高い場合には、尿素水Ｕを多く送り出し、排ガス中のＮＯｘ濃度が低い場合には、尿素水Ｕを少なく送り出すように制御されている。

前記尿素水噴霧ノズル７は、尿素水供給ライン４の下流側端部に接続されて反応器３の天井壁中心部（反応器３の軸線位置）に挿通支持されており、反応器３内の充填物層２の表面へ向って尿素水Ｕを噴霧するものである。

この尿素水噴霧ノズル７には、液体（尿素水Ｕ）を気体（圧縮空気ａ″）と混合させることによって微細な霧にして噴射する二流体ノズルが使用されており、当該尿素水噴霧ノズル７には、尿素水供給ライン４により尿素水Ｕが供給されていると共に、制御バルブ１６を備えた圧縮空気供給ライン１７によりコンプレッサ（図示省略）から圧縮空気ａ″が供給されている。

前記加熱空気供給ライン８は、反応器３内へ加熱空気ａ′（尿素の加水分解時は２００℃〜２５０℃の加熱空気ａ′、触媒再生時は２５０℃〜４００℃の加熱空気ａ′）を供給して反応器３、加水分解触媒層１、充填物層２及び噴霧された尿素水Ｕを加熱するものであり、加熱空気供給ライン８の上流側端部には、大容量の空気ａを供給し得る送風機９が接続されていると共に、加熱空気供給ライン８の途中には、加熱空気供給ライン８内を流れている空気ａを加熱する加熱空気用ヒータ１０が介設されている。

また、加熱空気供給ライン８の下流側端部には、反応器３内で加熱空気ａ′の整流効果が得られるように反応器３内へ加熱空気ａ′を供給し得ると共に、加熱空気ａ′の一部を尿素水噴霧ノズル７に吹き付けて尿素水噴霧ノズル７を加熱し得る加熱空気供給部が設けられており、当該加熱空気供給部は、反応器３の軸線位置に配設されている。

前記加熱空気供給部は、図１に示す如く、尿素水噴霧ノズル７の先端部側が鉛直姿勢で挿通されて加熱空気ａ′を上向きで且つ尿素水噴霧ノズル７に沿って流す上向きの上部開口８ａと、尿素水噴霧ノズル７の先端部側が鉛直姿勢で挿通されて加熱空気ａ′を下向きで且つ尿素水噴霧ノズル７に沿って流す下向きの下部開口８ｂとを備えている。

前記アンモニア供給ライン１２は、反応器３内で尿素の加水分解により生成されたアンモニアＡを炉内１１（又は煙道）へ導くものであり、アンモニア供給ライン１２の下流側端部には、アンモニアＡを炉内１１（又は煙道内）へ吹き込むアンモニア噴霧ノズル１３が接続されている。

前記空気バイパスライン１４は、加熱空気用ヒータ１０の上流側の加熱空気供給ライン８から空気ａの一部を分岐してアンモニア噴霧ノズル１３上流側のアンモニア供給ライン１２へ供給するものであり、空気バイパスライン１４には、分岐する空気ａ量を制御する制御バルブ１８が介設されている。この空気バイパスライン１４は、アンモニア噴霧ノズル１３からの吐出ガス量（アンモニアガス量）が一定となるように制御するものである。

そして、上述した尿素加水分解装置においては、尿素の加水分解時に反応器３内の温度が２００℃以上（好ましくは２２０℃以上）になるように、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方が制御されている。これは反応器３内の温度が２００℃より下がると、シアヌル酸やビウレット等の副生成物が析出し、これが加水分解触媒に付着して触媒性能を劣化させるからである。

この実施形態では、反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）が２００℃〜２５０℃になるように、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方が制御されている。

尚、送風機９及び加熱空気用ヒータ１０は、充填物層２の表面温度を第１温度検出器１９により検出し、第１温度検出器１９からの検出信号に基づいて充填物層２の表面温度が上記の温度（２００℃〜２５０℃）になるように制御されている。

また、上述した尿素加水分解装置においては、尿素水供給ポンプ６からの出力信号により送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方を制御することによって、充填物層２の表面温度を上記の設定値（２００℃〜２５０℃）に保つようになっている。これは尿素水Ｕの過剰供給に伴う加水分解触媒層１の急激な低下を防止するためである。

更に、上述した尿素加水分解装置においては、反応器３内の温度が急激に低下した場合、迅速に反応器３内の温度を上昇させる必要がある。
その方策として、反応器３への加熱空気ａ′の量を増加させる方法が考えられるが、その際、加熱空気ａ′量の増加によりアンモニア噴霧ノズル１３からの吐出ガス量（アンモニアＡガス量）が変化し、炉内１１（又は煙道内）でのアンモニアＡの拡散状況が変化する恐れがある。

そこで、上述した尿素加水分解装置においては、アンモニア噴霧ノズル１３からの吐出ガス量（アンモニアガス量）が一定となるように、空気バイパスライン１４により加熱空気用ヒータ１０の上流側の加熱空気供給ライン８から空気ａの一部を分岐し、アンモニア噴霧ノズル１３上流側のアンモニア供給ライン１２へ供給することによって、アンモニア噴霧ノズル１３からの吐出ガス量（アンモニアガス量）を一定に制御するようになっている。

この実施形態においては、アンモニア噴霧ノズル１３から噴霧されるアンモニアＡ濃度が３％以下になるように反応器３内への加熱空気ａ′の量が設定されている。また、過剰な空気ａは、制御バルブ１８を制御することにより空気バイパスライン１４からアンモニア噴霧ノズル１３上流側のアンモニア供給ライン１２へ供給されている。

前記方法によれば、空気バイパスライン１４によりバイパスする過剰な空気ａを加熱空気用ヒータ１０で加熱することがなく、アンモニア噴霧ノズル１３からの吐出ガス量（アンモニアＡガス量）を一定に保持できる効果がある。また、過剰な空気ａを加熱空気用ヒータ１０で加熱しないため、エネルギーロスを減らすことができる。

更に、上述した尿素加水分解装置においては、シアヌル酸やビウレット等の副生成物が加水分解触媒に付着すると、触媒性能を劣化させるため、触媒を再生することが行われている。この触媒再生は、加水分解触媒に付着した副生成物を加熱してアンモニアＡ等へ熱分解することにより行われている。

即ち、前記尿素加水分解装置は、触媒再生時には、尿素水供給ライン４及び加熱空気供給ライン８により反応器３内に尿素水Ｕと加熱空気ａ′の両方を供給すると共に、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方を制御することにより反応器３内を所定の温度に温度制御して反応器３内に供給した尿素水ＵをアンモニアＡに加水分解しつつ、加水分解触媒及び充填物に付着した副生成物を熱分解して触媒を再生するようにしている。

前記触媒再生時には、反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）が２５０℃以上（好ましくは３００℃以上）になるように、加熱空気ａ′を反応器３内の充填物層２及び加水分解触媒層１へ通ガスする。

この実施形態では、反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）が２５０℃〜４００℃になるように、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方が制御されている。何故なら、温度を上げ過ぎると、アンモニアＡに着火し、また、温度を下げ過ぎると、シアヌル酸等の副生成物を熱分解できないからである。

そして、反応器３内で生成したアンモニアＡは、アンモニア噴霧ノズル１３から炉内１１（又は煙道内）に噴霧され、脱硝反応に使用される。

尚、触媒再生のタイミングは、（１）反応器３の入口及び出口の温度、（２）反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）、（３）充填物層２及び加水分解触媒層１の圧力損失、（４）反応器３の出口側のガス中の二酸化炭素濃度の何れか一つ又は二つ以上を組み合わせて検出し、これらの検出結果に基づいて行う。

前記（１）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器３の入口温度と出口温度を第２温度検出器２０と第３温度検出器２１によりそれぞれ検出し、その温度差が設定値に達したときに触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替える。何故なら、尿素の熱分解反応において、発熱反応が進んでいないと、シアヌル酸等の副生成物が触媒上に付着し、反応器３の入口側と出口側とで温度差が生じて反応器３の出口側の温度が下がるからである。

前記（２）による触媒再生のタイミングにおいては、充填物層２の表面に配置した熱電対等から成る第１温度検出器１９により充填物層２の表面温度を検出し、充填物層２の表面中心部の温度がその周囲温度よりも低下した場合に触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替える。充填物層２の表面中心部の温度を検出するのは、前記中心部に副生成物が析出し易く、副生成物が析出すると、発熱反応が起こらないからである。

前記（３）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器３の入口と出口の圧力差を差圧計２２により測定し、その圧力差が設定値に達したときに触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替える。即ち、触媒に副生成物が付着した際の圧力上昇を検出する。

前記（４）による触媒再生のタイミングにおいては、アンモニア供給ライン１２内を流れるガス中のＣＯ_２の濃度をＣＯ_２濃度計２３により検出し、検出したＣＯ_２濃度と尿素水Ｕの供給量から算出した推定ＣＯ_２濃度の差が所定値を超えた場合に触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替える。

この実施形態においては、反応器３の入口温度と出口温度の温度差が１０℃〜２０℃に達したとき、充填物層２の表面中心部の温度がその周囲温度よりも５℃〜１０℃低下したとき、反応器３の入口と出口の圧力差（圧力損失）が１００ｍｍＡｑ〜２００ｍｍＡｑに達したとき、ＣＯ_２濃度計２３により検出したＣＯ_２濃度と尿素水Ｕの供給量から算出した推定ＣＯ_２濃度の差が１０％〜２０％に達したときに、それぞれ触媒が劣化したと判断し、再生工程に切り替えるようになっている。

尚、各温度検出器１９，２０，２１、差圧計２２、ＣＯ_２濃度計２３の各演算部には、上述した反応器３の入口温度と出口温度の温度差の設定値、充填物層２の表面温度の設定値、反応器３の入口と出口の圧力差の設定値、検出したＣＯ_２濃度と尿素水Ｕの供給量から算出した推定ＣＯ_２濃度の差の設定値がそれぞれ予め記憶されている。

而して、上述した尿素加水分解装置においては、尿素水貯槽５内の尿素水Ｕを尿素水供給ポンプ６により尿素水供給ライン４を介して二流体ノズル構造の尿素水噴霧ノズル７に供給すると共に、コンプレッサからの圧縮空気ａ″を圧縮空気供給ライン１７を介して尿素水噴霧ノズル７に供給し、尿素水噴霧ノズル７から反応器３内の充填物層２の表面へ向って尿素水Ｕを噴霧する。このとき、尿素水噴霧ノズル７に二流体ノズルを使用しているため、噴霧された尿素水Ｕが微細な粒子径となる。

また、反応器３内加熱用の空気ａを送風機９により加熱空気用ヒータ１０に供給して加熱し、この加熱空気ａ′を加熱空気供給ライン８の下流側端部に設けた加熱空気供給部から反応器３内に供給して反応器３、充填物層２、加水分解触媒層１及び噴霧された尿素水Ｕを加熱する。

反応器３内における尿素の加水分解時には、反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）が２００℃〜２５０℃になるように、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方が制御されている。即ち、充填物層２の表面温度を第１温度検出器１９により検出し、第１温度検出器１９からの検出信号に基づいて充填物層２の表面温度が２００℃〜２５０℃になるように送風機９及び加熱空気用ヒータ１０の何れか一方又は両方が第１温度検出器１９により制御されている。

また、尿素水供給ポンプ６からの出力信号により送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方を制御することによっても、充填物層２の表面温度を２００℃〜２５０℃に保つようになっている。即ち、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度の上昇に伴う尿素水供給ポンプ６からの尿素水Ｕの過剰供給時において、充填物層２の表面温度が２００℃〜２５０℃になるように送風機９及び加熱空気用ヒータ１０の何れか一方又は両方が尿素水供給ポンプ６からの出力信号により制御されている。これにより、尿素水Ｕの過剰供給に伴う加水分解触媒の急激な温度低下を防止することができる。

このようにして、反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）を２００℃〜２５０℃に保つことによりシアヌル酸やビウレット等の副生成物の析出、副生成物の加水分解触媒や充填物への付着を防止することができる。

更に、反応器３内における尿素の加水分解時には、加熱空気供給ライン８の下流側端部に設けた加熱空気供給部（上部開口８ａ及び下部開口８ｂ）から反応器３内に供給された加熱空気ａ′が整流効果により反応器３内を整然と流れるようにしているため、加熱空気ａ′が加水分解触媒層１を均質に加熱すると共に、尿素水噴霧ノズル７から噴霧された尿素水Ｕも反応器３内の加熱空気ａ′の整流効果により反応器３内を加水分解触媒層１へ向って均等に流れて加水分解触媒層１全域と接触することになり、尿素を効率良く分解することができる。然も、加熱空気ａ′は、反応器３、加水分解触媒層１、充填物層２及び噴霧された尿素水Ｕを加熱するだけでなく、尿素の加水分解に発生したアンモニアＡを炉内１１（又は煙道内）へ吹き込むためのキャリアガスとして用いることができる。

また、加熱空気供給部から供給された加熱空気ａ′により尿素水噴霧ノズル７が加熱されるため、尿素水噴霧ノズル７の表面や噴射口等への尿素の付着や、シアヌル酸やビウレット等の副生成物の付着を抑制することができ、尿素水噴霧ノズル７の閉塞や配管詰まりを防止して連続運転を行える。

特に、加熱空気供給部は、尿素水噴霧ノズル７の先端部側が鉛直姿勢で挿通されて加熱空気ａ′を上向きで且つ尿素水噴霧ノズル７に沿って流す上向きの上部開口８ａと、尿素水噴霧ノズル７の先端部側が鉛直姿勢で挿通されて加熱空気ａ′を下向きで且つ尿素水噴霧ノズル７に沿って流す下向きの下部開口８ｂとを備えているため、上部開口８ａから上向きに流れた加熱空気ａ′は反応器３の天井壁で反転し、加水分解触媒層１へ向って流れるので、より高い整流効果が得られ、また、上部開口８ａ及び下部開口８ｂから流れる加熱空気ａ′により尿素水噴霧ノズル７全体を確実且つ良好に加熱することができ、シアヌル酸やビウレット等の副生成物の付着をより抑制することができる。

そして、反応器３内の充填物層２へ噴霧された尿素は、加熱された加水分解触媒と接触して加水分解され、アンモニアＡを生成する。この生成されたアンモニアＡは、アンモニア供給ライン１２を経てアンモニア噴霧ノズル１３から炉内１１（又は煙道内）へ噴霧され、脱硝反応に使用される。

尚、尿素からアンモニアＡを生成する反応は、下記の（１）式の通りであり、いわゆる加水分解反応である。
（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２・・・（１）式

また、反応器３内の充填物層２の上方空間で行われる反応は、下記の（２）式の吸熱反応であり、反応器３内の加水分解触媒層１で行われる反応は、下記の（３）式の発熱反応である。
（ＮＨ_２）_２ＣＯ→ＨＮＣＯ＋ＮＨ_３・・・（２）式
ＨＮＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_３＋ＣＯ_２・・・（３）式

ところで、上述した尿素加水分解装置においては、装置の運転中にシアヌル酸やビウレット等の副生成物が加水分解触媒に付着すると、触媒性能を劣化させるため、触媒を再生することが行われている。

触媒再生時には、尿素水供給ライン４及び加熱空気供給ライン８により反応器３内に尿素水Ｕと加熱空気ａ′の両方を供給すると共に、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方を制御して反応器３内を所定の温度に温度制御し、反応器３内に噴霧された尿素水ＵをアンモニアＡに加水分解しつつ、充填物及び加水分解触媒に付着した副生成物を熱分解して触媒を再生するようにしており、反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）が２５０℃〜４００℃になるように、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方を制御している。

また、触媒再生のタイミングは、（１）反応器３の入口温度と出口温度、（２）反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）、（３）加水分解触媒層１の圧力損失、（４）反応器３の出口側のガス中の二酸化炭素濃度の何れか一つ又は二つ以上を組み合わせて検出又は測定し、これらの検出結果又は測定結果に基づいて行われている。

即ち、前記（１）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器３の入口温度と出口温度を第２温度検出器２０と第３温度検出器２１によりそれぞれ検出し、その温度差が設定値（１０℃〜２０℃）に達すると、尿素水供給ライン４から反応器３内へ尿素水Ｕを供給しつつ、第２温度検出器２０及び第３温度検出器２１からの検出信号に基づいて送風機９及び加熱空気用ヒータ１０の何れか一方又は両方が制御され、尿素の加水分解時よりも高い温度の加熱空気ａ′が反応器３内へ供給される。

このとき、反応器３内の温度が２５０℃〜４００℃になるように、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方を制御しているため、尿素の加水分解により必要量のアンモニアＡが生成されると共に、充填物及び加水分解触媒に付着したシアヌル酸やビウレット等の副生成物が熱分解され、触媒が再生される。その結果、触媒再生時には、加水分解触媒を反応器３から取り出すことなく、再生することができ、触媒再生を簡単且つ容易に行えると共に、コストも余りかからず、コスト低減を図れる。

また、尿素の加水分解により生成されたアンモニアＡと副生成物の熱分解により発生したアンモニアＡは、アンモニア供給ライン１２を経てアンモニア噴霧ノズル１３から炉内１１（又は煙道内）へ噴霧されて脱硝反応に使用される。そのため、触媒再生時においても炉内１１（又は煙道内）へ脱硝反応に必要なアンモニアＡ量を吹き込むことができ、廃棄物焼却炉等の運転を止める必要もない。

更に、反応器３内の加水分解触媒層１上に充填物を積層して充填物層２を形成し、この充填物層２に尿素水Ｕを噴霧しているため、尿素水Ｕの供給量が急激に増加して場合でも、充填物層２の熱容量が十分にあるので、加水分解触媒層１の温度が低下するのを緩和することができ、運転温度を下げることができて加熱空気用ヒータ１０の電力使用量を削減することができる。

加えて、触媒再生時には、加水分解触媒が充填物層２により保護されているので、触媒再生時における加水分解触媒の割れを防止することができると共に、加水分解触媒層１での圧力損失の増加を防止することができる。

前記（２）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器３内の温度（充填物層２の表面温度）を第１温度検出器１９により検出し、充填物層２の表面中心部の温度がその周囲温度よりも５℃〜１０℃低下すると、尿素水供給ライン４から反応器３へ尿素水Ｕを供給しつつ、第１温度検出器１９からの検出信号に基づいて送風機９及び加熱空気用ヒータ１０の何れか一方又は両方が制御され、尿素の加水分解時よりも高い温度の加熱空気ａ′が反応器３内へ供給される。

このとき、充填物層２の表面温度が２５０℃〜４００℃になるように、送風機９８の風量及び加熱空気用ヒータ１０９の出力の何れか一方又は両方を制御しているため、上述した（１）による触媒再生と同様に、アンモニアＡの生成、副生成物の熱分解、触媒再生、加水分解触媒の割れ防止、アンモニアＡの炉内１１（又は煙道内）への噴霧等が行われる。

前記（３）による触媒再生のタイミングにおいては、反応器３の入口と出口の圧力差を差圧計２２により測定し、その圧力差（圧力損失）が設定値（１００ｍｍＡｑ〜２００ｍｍＡｑ）に達すると、尿素水供給ライン４から反応器３へ尿素水Ｕを供給しつつ、差圧計２２からの検出信号に基づいて送風機９及び加熱空気用ヒータ１０の何れか一方又は両方が制御され、尿素の加水分解時よりも高い温度の加熱空気ａ′が反応器３内へ供給される。

このとき、充填物層２の表面温度が２５０℃〜４００℃になるように、送風機９の風量及び加熱空気用ヒータ１０の出力の何れか一方又は両方を制御しているため、上述した（１）による触媒再生と同様に、アンモニアＡの生成、副生成物の熱分解、触媒再生、加水分解触媒の割れ防止、アンモニアＡの炉内１１（又は煙道内）への噴霧等が行われる。

前記（４）による触媒再生のタイミングにおいては、ＣＯ_２濃度計２３によりアンモニア供給ライン１２内を流れるガス中のＣＯ_２の濃度を検出し、検出したＣＯ_２濃度と尿素水Ｕの供給量から算出した推定ＣＯ_２濃度の差が設定値（１０％〜２０％）を超えると、尿素水供給ライン４から反応器３へ尿素水Ｕを供給しつつ、ＣＯ_２濃度計２３からの検出信号に基づいて送風機９及び加熱空気用ヒータ１０の何れか一方又は両方が制御され、尿素の加水分解時よりも高い温度の加熱空気ａ′が反応器３内へ供給される。

尚、上記の実施形態においては、尿素加水分解装置により製造されたアンモニアＡを炉内１１に吹き込むようにしたが、他の実施形態においては、尿素加水分解装置により製造されたアンモニアＡを煙道（図示省略）内に吹き込むようにしても良い。

また、上記の実施形態においては、反応器３内の加水分解触媒層１上に充填物層２を形成し、尿素の加水分解時及び触媒再生時に尿素水Ｕを充填物層２に噴霧するようにしたが、他の実施形態においては、図示していないが充填物層２を省略し、尿素の加水分解時及び触媒再生時に尿素水Ｕを加水分解触媒層１に直接噴霧するようにしても良い。

本発明は、上記の実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１は加水分解触媒層、２は充填物層、３は反応器、３ａは天井壁、３ｂは底壁、３ｃは金属製ケーシング、４は尿素水供給ライン、５は尿素水貯槽、６は尿素水供給ポンプ、７は尿素水噴霧ノズル、６ａは可変速制御機構、８は加熱空気供給ライン、８ａは上部開口、８ｂは下部開口、９は送風機、１０は加熱空気用ヒータ、１１は炉内、１２はアンモニア供給ライン、１３はアンモニア噴霧ノズル、１４は空気バイパスライン、１５は開閉バルブ、１６は制御バルブ、１７は圧縮空気供給ライン、１８は制御バルブ、１９は第１温度検出器、２０は第２温度検出器、２１は第３温度検出器、２２は差圧計、２３はＣＯ_２濃度計、Ａはアンモニア、ａは空気、ａ′は加熱空気、ａ″は圧縮空気、Ｕは尿素水。

Claims

内部に加水分解触媒層を形成した反応器と、反応器内へ尿素水を供給する尿素水供給ラインと、反応器内の加水分解触媒層の表面へ向って尿素水を噴霧する尿素水噴霧ノズルと、反応器内へ加熱空気を供給する加熱空気供給ラインと、反応器内で生成されたアンモニアを炉内又は煙道へ導くアンモニア供給ラインと、アンモニアを炉内又は煙道内へ吹き込むアンモニア噴霧ノズルとを備え、反応器内に供給した尿素水を加熱雰囲気で加水分解触媒と接触させ、尿素の加水分解によりアンモニアを生成せしめ、生成したアンモニアを炉内又は煙道内の燃焼排ガス中に吹き込んで燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去するようにした尿素加水分解装置において、尿素の加水分解時には、反応器内に尿素水と加熱空気を供給して反応器内の温度を２００℃〜２５０℃に温度制御し、反応器内に供給した尿素水をアンモニアに加水分解し、また、触媒再生時には、反応器内に尿素水と加熱空気を供給して反応器内の温度を２５０℃〜４００℃に温度制御し、反応器内に供給した尿素水をアンモニアに加水分解しつつ、加水分解触媒に付着した副生成物を熱分解して触媒を再生するようにしたことを特徴とする尿素加水分解装置の運転方法。
前記反応器内の加水分解触媒層上に充填物を積層して充填物層を形成し、尿素の加水分解時及び触媒再生時に前記充填物層に尿素水を噴霧するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の尿素加水分解装置の運転方法。
加水分解触媒層の表面温度又は充填物層の表面温度、反応器の入口温度と出口温度の温度差、反応器の入口と出口の圧力差、アンモニア供給ラインを流れるガス中の二酸化炭素濃度の何れか一つ又は複数を検出又は測定し、その検出結果又は測定結果に基づいて加熱空気供給ラインの上流側端部に接続した送風機の風量及び加熱空気供給ラインに介設した加熱空気用ヒータの出力の何れか一方又は両方を制御し、反応器内の温度を２５０℃〜４００℃に温度制御するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の尿素加水分解装置の運転方法。
前記充填物は、粒状のセラミック、砂利又は金属のうちの何れか一種又は複数種から成ることを特徴とする請求項２に記載の尿素加水分解装置の運転方法。