JP7741540B2 - Ammonia engine exhaust gas treatment system and ammonia engine exhaust gas treatment method - Google Patents
Ammonia engine exhaust gas treatment system and ammonia engine exhaust gas treatment methodInfo
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Description
本開示は、アンモニアエンジンからの排ガスを処理するための排ガス処理システム及びこれを用いた排ガス処理方法に関する。 This disclosure relates to an exhaust gas treatment system for treating exhaust gas from an ammonia engine and an exhaust gas treatment method using the same.
重油や軽油等の燃料油を主燃料とする船舶用ディーゼルエンジンとして、カーボンフリーであるアンモニアを混焼させ、温室効果ガスである二酸化炭素削減を図るアンモニアエンジンが知られている(例えば、特許文献1)。 Ammonia engines are known as marine diesel engines that use fuel oils such as heavy oil and light oil as their main fuel, and which co-combust carbon-free ammonia to reduce carbon dioxide, a greenhouse gas (see, for example, Patent Document 1).
アンモニア(NH3)を燃焼するとNOx及びN2Oが副生される。NOxは公害を引き起こすガスであり、またN2Oは比較的無害であるが温暖化係数がCO2の310倍であるため、これら窒素酸化物への対処が求められる。また、アンモニアエンジン排ガスには燃焼反応にて消費されなかったアンモニアが含まれる場合があり、このアンモニアへの対処も併せて求められる。アンモニアエンジンの普及には、排ガスに含まれるNOx及びN2Oと、アンモニアとを好適に処理することのできる新たな排ガス処理システムが必要である。 When ammonia (NH 3 ) is burned, NOx and N 2 O are by-produced. NOx is a pollution-causing gas, and N 2 O, while relatively harmless, has a global warming potential 310 times that of CO 2 , so measures to deal with these nitrogen oxides are required. In addition, ammonia engine exhaust gas may contain ammonia that was not consumed in the combustion reaction, and measures to deal with this ammonia are also required. For ammonia engines to become more widespread, a new exhaust gas treatment system that can effectively treat the NOx, N 2 O, and ammonia contained in the exhaust gas is needed.
本開示は、新たなアンモニアエンジンの排ガス処理システムを提供することを目的とする。また、本開示は、新たなアンモニアエンジンの排ガス処理方法を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide a new exhaust gas treatment system for an ammonia engine. It also aims to provide a new exhaust gas treatment method for an ammonia engine.
本開示の一側面はアンモニアエンジンの排ガス処理システムに関する。このアンモニアエンジンの排ガス処理システムは、第一の触媒としてPt及びゼオライトを含む触媒層を備える酸化触媒と、第二の触媒としてCu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える脱硝触媒と、を備える。アンモニアエンジンの排ガスは、このアンモニアエンジンの排ガス処理システムの第一の触媒及び第二の触媒を順に透過することで処理される。 One aspect of the present disclosure relates to an exhaust gas treatment system for an ammonia engine. This exhaust gas treatment system for an ammonia engine includes an oxidation catalyst having a catalyst layer containing Pt and zeolite as a first catalyst, and a denitrification catalyst having a catalyst layer containing zeolite ion-exchanged with Cu, Co, or Fe ions as a second catalyst. Exhaust gas from the ammonia engine is treated by passing it sequentially through the first and second catalysts of this exhaust gas treatment system for the ammonia engine.
上記排ガス処理システムによれば、前段側の酸化触媒にてアンモニアを燃焼させ、後段側の脱硝触媒にてNOx及びN2Oの還元を行うことで、アンモニアエンジンからの排ガスを好適に処理することができる。このシステムは、前段側の酸化触媒にてアンモニアの燃焼により生じる高温を利用して、後段側の脱硝触媒にて窒素酸化物を適切に処理するものである。 According to the above exhaust gas treatment system, exhaust gas from an ammonia engine can be suitably treated by burning ammonia in an upstream oxidation catalyst and reducing NOx and N 2 O in a downstream denitration catalyst. This system utilizes the high temperature generated by the combustion of ammonia in the upstream oxidation catalyst to suitably treat nitrogen oxides in the downstream denitration catalyst.
本開示の一側面はアンモニアエンジンの排ガス処理方法に関する。このアンモニアエンジンの排ガス処理方法は、アンモニアエンジンの排ガスを、上記のシステムの第一の触媒に接触させる第一の接触工程と、第一の接触工程により生じる生成ガスを、第二の触媒に接触させる第二の接触工程と、を備える。 One aspect of the present disclosure relates to a method for treating exhaust gas from an ammonia engine. This method for treating exhaust gas from an ammonia engine includes a first contacting step in which exhaust gas from the ammonia engine is brought into contact with a first catalyst of the above-described system, and a second contacting step in which product gas generated by the first contacting step is brought into contact with a second catalyst.
本開示によれば、新たなアンモニアエンジンの排ガス処理システムを提供することができる。また、本開示によれば、新たなアンモニアエンジンの排ガス処理方法を提供することができる。 This disclosure provides a new exhaust gas treatment system for an ammonia engine. This disclosure also provides a new exhaust gas treatment method for an ammonia engine.
<用語の定義>
本明細書で用いる用語の意味は、特に断らない限り以下のとおりである。
・アンモニア分解率:触媒に接触する前と接触した後の排ガス中のアンモニア濃度の比率(%)を表す。
・NOX生成率:触媒に接触する前の排ガス中のアンモニア濃度に対する、接触後の排ガス中に生成したNOX濃度の比率(%)を表す。
・N2O生成率:触媒に接触する前の排ガス中のアンモニア濃度に対する、接触後の排ガス中に生成したN2Oの比率(%)を表す。
・窒素酸化物:NOXとN2Oの両方を指し、NOX等と表現することがある。
・N2選択率:アンモニア分解率から、触媒に接触後の排ガス中NOX等の生成率を差し引いた数値を表す。すなわち触媒に接触する前のアンモニアのうち、N2に転化した割合である。
<Definition of terms>
The terms used in this specification have the following meanings unless otherwise specified.
Ammonia decomposition rate: This represents the ratio (%) of the ammonia concentration in the exhaust gas before and after contact with the catalyst.
NOx production rate: This represents the ratio (%) of the concentration of NOx produced in the exhaust gas after contact with the catalyst to the ammonia concentration in the exhaust gas before contact with the catalyst.
N 2 O production rate: This represents the ratio (%) of N 2 O produced in the exhaust gas after contact with the catalyst to the ammonia concentration in the exhaust gas before contact with the catalyst.
Nitrogen oxides: Refers to both NOx and N2O , and may be expressed as NOx , etc.
N2 selectivity: This is the value obtained by subtracting the production rate of NOx and other substances in the exhaust gas after contact with the catalyst from the ammonia decomposition rate. In other words, it is the proportion of ammonia converted to N2 before contact with the catalyst.
以下、本開示の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present disclosure are described in detail below. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.
<アンモニアエンジンの排ガス処理システム>
図1は、一実施形態に係るアンモニアエンジンの排ガス処理システムの概要を示す図である。同図に示されるように、排ガス処理システム10は、第一の触媒として酸化触媒1と、第二の触媒として脱硝触媒2と、を備える。排ガスGiは、酸化触媒1及び脱硝触媒2により順に処理されて処理ガスGpとなる。排ガス処理システムは、酸化触媒及び脱硝触媒を備える排ガス処理用複合触媒ということができる。
<Ammonia engine exhaust gas treatment system>
Fig. 1 is a diagram showing an outline of an exhaust gas treatment system for an ammonia engine according to one embodiment. As shown in the figure, the exhaust gas treatment system 10 includes an oxidation catalyst 1 as a first catalyst and a denitration catalyst 2 as a second catalyst. Exhaust gas Gi is treated by the oxidation catalyst 1 and the denitration catalyst 2 in this order to become treated gas Gp. The exhaust gas treatment system can be said to be a composite catalyst for exhaust gas treatment that includes an oxidation catalyst and a denitration catalyst.
排ガス処理システムは、ガス風量の変動、ガス濃度の変動、触媒の性能低下等が生じた場合でも適切な処理能力を担保する観点から、第三の触媒として、Pt及びゼオライトを含む触媒層を備える他の酸化触媒を更に備えてよい。また、第四の触媒として、Cu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える他の脱硝触媒を更に備えてよい。さらに、第五の触媒として、Pt及びゼオライトを含む触媒層を備える他の酸化触媒を更に備えてよい。このように、排ガス処理システムは、酸化触媒及び脱硝触媒を交互に備えることができる。各酸化触媒同士、或いは脱硝触媒同士は、同一であっていてもよく異なっていてもよい。 To ensure appropriate treatment capacity even when fluctuations in gas flow rate, gas concentration, or catalyst performance degradation occur, the exhaust gas treatment system may further include another oxidation catalyst having a catalyst layer containing Pt and zeolite as a third catalyst. Furthermore, the exhaust gas treatment system may further include another denitration catalyst having a catalyst layer containing zeolite ion-exchanged with Cu, Co, or Fe ions as a fourth catalyst. Furthermore, the exhaust gas treatment system may further include another oxidation catalyst having a catalyst layer containing Pt and zeolite as a fifth catalyst. In this way, the exhaust gas treatment system can alternately include oxidation catalysts and denitration catalysts. The oxidation catalysts or denitration catalysts may be the same or different.
[酸化触媒]
酸化触媒は、Pt及びゼオライトを含む触媒層を備える。酸化触媒は、具体的には支持体と、支持体の表面上に設けられた酸化触媒層を備える。酸化触媒はアンモニア分解触媒ということができる。
[Oxidation catalyst]
The oxidation catalyst includes a catalyst layer containing Pt and zeolite. Specifically, the oxidation catalyst includes a support and an oxidation catalyst layer provided on the surface of the support. The oxidation catalyst can be referred to as an ammonia decomposition catalyst.
(支持体)
支持体Sは、ガス流通時に発生する差圧が小さく、ガスとの接触面積が大きい形状を有することが好ましい。支持体Sの具体例として、ハニカム、シート、メッシュ、繊維、パイプ、フィルター、球体などが挙げられる。支持体の材質は、例えば、コージライト、アルミナ等公知の触媒担体、炭素繊維、金属繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、チタン、アルミニウム、ステンレス等の金属である。
(Support)
The support S preferably has a shape that generates a small differential pressure during gas flow and has a large contact area with the gas. Specific examples of the support S include a honeycomb, a sheet, a mesh, a fiber, a pipe, a filter, and a sphere. The support material may be, for example, a known catalyst carrier such as cordierite or alumina, a carbon fiber, a metal fiber, a glass fiber, a ceramic fiber, or a metal such as titanium, aluminum, or stainless steel.
(酸化触媒層)
酸化触媒層は、下層(第一の層)と、下層の表面上に設けられた上層(第二の層)とを備えることができる。下層は、Ptと、無機酸化物と、場合によりリンと、第一のプロトン型ゼオライト又はCu、CoもしくはFeイオンとイオン交換された第一のイオン交換型ゼオライトとを含む。下層は支持体Sの表面上に設けられている。下層の厚さは、好ましくは10~200μmであり、より好ましくは30~100μmである。下層において下記式(1)で表される酸化反応が主に進行するとともに、下記式(2)で表される脱硝反応も進行する。
xNH3+O2→yNO+zN2O+2H2O・・・(1)
2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
(Oxidation catalyst layer)
The oxidation catalyst layer can include a lower layer (first layer) and an upper layer (second layer) provided on the surface of the lower layer. The lower layer contains Pt, an inorganic oxide, and optionally phosphorus, and a first proton-type zeolite or a first ion-exchanged zeolite ion-exchanged with Cu, Co, or Fe ions. The lower layer is provided on the surface of the support S. The thickness of the lower layer is preferably 10 to 200 μm, more preferably 30 to 100 μm. In the lower layer, an oxidation reaction represented by the following formula (1) mainly proceeds, and a denitration reaction represented by the following formula (2) also proceeds.
xNH 3 +O 2 →yNO+zN 2 O+2H 2 O...(1)
2NO+ 2NH3 +1/ 2O2 → 2N2 + 3H2O ...(2)
下層はPtを含有している。Ptは分解活性及びN2選択率の向上効果を有する。Ptを含有することにより、NOx及びN2Oの生成を抑制できる。下層は、Pt以外の貴金属(Pd、Ir、Rh及びこれらの複合物等)を更に含有していてもよい。 The lower layer contains Pt. Pt has the effect of improving cracking activity and N2 selectivity. By containing Pt, the generation of NOx and N2O can be suppressed. The lower layer may further contain a noble metal other than Pt (Pd, Ir, Rh, a composite thereof, etc.).
Ptの含有量は、下層に含まれるPt、無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの合計量を基準として、好ましくは0.3~10質量%であり、より好ましくは0.5~8質量%である。Ptの担持量は、触媒容積に対して、好ましくは0.03~1g/Lであり、より好ましくは0.1~0.9g/Lであり、更に好ましくは0.15~0.8g/Lである。Ptの量が上記範囲内であると、アンモニア分解率、NOX生成率及びN2O生成率に関してより良好な結果が得られる。 The Pt content is preferably 0.3 to 10 mass%, more preferably 0.5 to 8 mass%, based on the total amount of Pt, inorganic oxide, optional phosphorus, and zeolite contained in the lower layer. The amount of Pt supported is preferably 0.03 to 1 g/L, more preferably 0.1 to 0.9 g/L, and even more preferably 0.15 to 0.8 g/L, relative to the catalyst volume. When the Pt amount is within the above ranges, better results can be obtained in terms of ammonia decomposition rate, NOx production rate, and N2O production rate.
下層は無機酸化物を含有することができる。 The underlayer may contain an inorganic oxide.
第一の無機酸化物としては、Ptの作用を向上させ、かつPtの担体としても機能するチタニア(TiO2)、ジルコニア(ZrO2)、シリカ(SiO2)、アルミナ、並びに、セリア・ジルコニアの複合酸化物及び固溶体(CeO2・ZrO2で表され、CeO2:ZrO2モル比は1:3~3:1である)等が挙げられる。これらのうち、一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。第一の無機酸化物は、Ptの作用、すなわち分解活性の向上、とりわけ長期間使用中における分解活性の持続性向上に寄与する。上記無機酸化物の中でも、特にTiO2、ZrO2及びセリア・ジルコニア(複合酸化物又は固溶体)は長期間使用における分解活性の持続効果が優れている。 Examples of the first inorganic oxide include titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), alumina, and ceria-zirconia composite oxides and solid solutions (represented by CeO 2 ·ZrO 2 , with a CeO 2 :ZrO 2 molar ratio of 1: 3 to 3:1), which improve the activity of Pt and also function as a carrier for Pt. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination. The first inorganic oxide contributes to improving the activity of Pt, i.e., its cracking activity, particularly the sustainability of the cracking activity during long-term use. Among the above inorganic oxides, TiO 2 , ZrO 2 , and ceria-zirconia (composite oxide or solid solution) are particularly effective in sustaining cracking activity during long-term use.
第一の無機酸化物の含有量は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの合計量を基準として、好ましくは5~50質量%であり、より好ましくは10~35質量%である。第一の無機酸化物の担持量は、触媒容積に対して、好ましくは1~50g/Lであり、より好ましくは5~20g/Lである。第一の無機酸化物の量が上記範囲内であると、アンモニア分解率、NOX生成率及びN2O生成率に関してより良好な結果が得られる。 The content of the first inorganic oxide is preferably 5 to 50 mass%, more preferably 10 to 35 mass%, based on the total amount of Pt, the first inorganic oxide, optionally phosphorus, and zeolite contained in the lower layer. The amount of the first inorganic oxide supported is preferably 1 to 50 g/L, more preferably 5 to 20 g/L, relative to the catalyst volume. When the amount of the first inorganic oxide is within the above ranges, better results can be obtained in terms of ammonia decomposition rate, NOx production rate, and N2O production rate.
第一の無機酸化物は、Ptを担持させた状態で、触媒中に含有させることができる。例えば、TiO2粒子に0.1~10質量%(TiO2の質量基準)のPtを予め担持した粒子(これをPt/TiO2と表現する。)を用意しておいて、該粒子を他の成分と混合することにより、Ptと第一の無機酸化物とを含有した触媒組成物を調製することができる。 The first inorganic oxide can be contained in the catalyst in a state where Pt is supported on it. For example, a catalyst composition containing Pt and the first inorganic oxide can be prepared by preparing particles in which 0.1 to 10 mass % (based on the mass of TiO2 ) of Pt is supported on TiO2 particles (referred to as Pt/ TiO2 ) and mixing the particles with other components.
第一の無機酸化物は、触媒組成物中におけるPtの機能をより有効に発揮させる観点から、粒子状であることが好ましい。第一の無機酸化物の平均粒径は、例えば、0.1~100μmである。ここで粒径とは、二次粒子の大きさであり、SEMで観察したときの長径の長さである。平均粒径とは、少なくとも10個の粒子についてSEMを用いて長径を測定したときの平均値である。 The first inorganic oxide is preferably particulate in order to more effectively utilize the function of Pt in the catalyst composition. The average particle size of the first inorganic oxide is, for example, 0.1 to 100 μm. Here, particle size refers to the size of secondary particles, and is the length of the major axis when observed with an SEM. The average particle size is the average value when the major axis of at least 10 particles is measured using an SEM.
第一の無機酸化物として、TiO2粒子を用いる場合、TiO2粒子のBET比表面積は、好ましくは50m2/g以上であり、より好ましくは200m2/g以上である。第一の無機酸化物として、ZrO2粒子を用いる場合、比表面積が10m2/g以上の多孔質のZrO2粒子を用いることが好ましい。なお、ZrO2は、単斜晶系、正方晶系及び立方晶系のいずれであってもよい。また、複合系のZrO2(例えば、ZrO2・nCeO2、ZrO2・nSiO2、ZrO2・nTiO2、nは概して0.25~0.75)を用いてもよい。第一の無機酸化物として、SiO2を用いる場合、ゼオライト構造を有する高シリカゼオライト(例えば、モルデナイト)を用いることが好ましい。 When TiO2 particles are used as the first inorganic oxide, the BET specific surface area of the TiO2 particles is preferably 50 m2 /g or more, more preferably 200 m2 /g or more. When ZrO2 particles are used as the first inorganic oxide, it is preferable to use porous ZrO2 particles with a specific surface area of 10 m2 /g or more. ZrO2 may be monoclinic, tetragonal , or cubic. Composite ZrO2 (e.g. , ZrO2.nCeO2 , ZrO2.nSiO2 , ZrO2.nTiO2 , where n is generally 0.25 to 0.75) may also be used. When SiO2 is used as the first inorganic oxide, it is preferable to use a high-silica zeolite having a zeolite structure (e.g., mordenite).
第二の無機酸化物としては、分解活性とN2選択率を高く維持する機能を有する銅酸化物が挙げられる。銅酸化物は、銅を含む酸化物を指し、銅含有複合酸化物を含む。銅酸化物としては、一般式CuOx(0.45≦x≦1.1)の組成式で表される銅酸化物が挙げられる。典型的にはCuO及びCu2Oであり、ホプカライト等の銅含有複合酸化物で存在する銅酸化物を含む。 The second inorganic oxide may be copper oxide, which has the function of maintaining high decomposition activity and N2 selectivity. Copper oxide refers to an oxide containing copper, including copper-containing complex oxides. Copper oxides include copper oxides represented by the general formula CuOx (0.45≦x≦1.1). These are typically CuO and Cu2O , and include copper oxides present in copper-containing complex oxides such as hopcalite.
銅酸化物の含有量は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの重量の合計を100質量部とすると、1~30質量部が好ましく、5~10質量部より好ましい。銅酸化物の割合が1質量部未満では、NOX等の生成が増加し、結果としてN2選択率が低下する場合があり、一方、銅酸化物の割合が30質量部を超えると、相対的にゼオライトの割合が少なくなり、分解率が低下する場合がある。また、銅酸化物の担持量は、触媒容積に対して0.5~20g/Lが好ましく、5~10g/Lがより好ましい。上記の範囲内であると、NOXの生成率、N2選択率及びアンモニア分解率に関して、より良好な結果を得ることができる。 The copper oxide content is preferably 1 to 30 parts by mass, more preferably 5 to 10 parts by mass, based on 100 parts by mass of the total weight of the Pt, first inorganic oxide, optional phosphorus, and zeolite contained in the lower layer. If the copper oxide content is less than 1 part by mass, the generation of NOx and other substances may increase, resulting in a decrease in N2 selectivity. On the other hand, if the copper oxide content exceeds 30 parts by mass, the proportion of zeolite may decrease relatively, resulting in a decrease in decomposition rate. Furthermore, the amount of copper oxide supported is preferably 0.5 to 20 g/L, more preferably 5 to 10 g/L, relative to the catalyst volume. Within the above ranges, better results can be obtained with respect to NOx generation rate, N2 selectivity, and ammonia decomposition rate.
銅酸化物は、ゼオライト及び第一の無機酸化物と共に、触媒中で均一に混合される。他成分の粒子との共存下で触媒作用を発揮するため、他の成分との均一分散の面から、その平均粒径は0.1μm~100μmが好ましい。 The copper oxide is uniformly mixed in the catalyst with the zeolite and the first inorganic oxide. Because the catalytic action is exerted in the presence of particles of other components, the average particle size is preferably 0.1 μm to 100 μm to ensure uniform dispersion with the other components.
第三の無機酸化物としては、無機バインダーとしての機能を有する、コロイダルシリカ、シリカゾル、アルミナゾル、ケイ酸ゾル、チタニアゾル、ベーマイト、白土、カオリン、セピオライト等が挙げられる。 Examples of the third inorganic oxide include colloidal silica, silica sol, alumina sol, silicic acid sol, titania sol, boehmite, clay, kaolin, and sepiolite, which function as inorganic binders.
下層にリンを含有させる場合、使用できるリン含有化合物としては、リン酸(H3PO4)、メタリン酸、リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)、第二リン酸アンモニウム((NH4)2HPO4)等の水溶性のリン酸、これらのNa塩、K塩、アンモニウム塩等の無機塩又は有機酸エステルが例示される。 When phosphorus is contained in the lower layer, examples of usable phosphorus-containing compounds include water-soluble phosphoric acids such as phosphoric acid (H 3 PO 4 ), metaphosphoric acid, ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ), and diammonium phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ), as well as inorganic salts thereof such as Na salts, K salts, and ammonium salts, or organic acid esters thereof.
リンの含有量は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、リン及びゼオライトの重量の合計に対して0.1~10質量%が好ましく、1~5質量%がより好ましい。また、リンの担持量は、触媒容積に対して0.1~10g/Lが好ましく、0.5~5g/Lがより好ましい。 The phosphorus content is preferably 0.1 to 10 mass% and more preferably 1 to 5 mass% based on the total weight of the Pt, first inorganic oxide, phosphorus, and zeolite contained in the lower layer. The amount of phosphorus supported is preferably 0.1 to 10 g/L and more preferably 0.5 to 5 g/L based on the catalyst volume.
リンの含有量及び担持量が上述の範囲より低すぎると、耐久性の向上効果が不十分となる場合があり、リンの含有量及び担持量が上述の範囲より高すぎると、初期活性が低下する場合がある。 If the phosphorus content and loading amount are lower than the above ranges, the durability improvement effect may be insufficient, and if the phosphorus content and loading amount are higher than the above ranges, the initial activity may decrease.
ゼオライトは天然品であっても合成品であってもよい。プロトン型ゼオライトとしては、モルデナイト、エリオナイト、フェリエライト、チャバサイト、X型ゼオライト、β型ゼオライト、MFI型ゼオライト、Y型ゼオライト、SAPO等が挙げられる。プロトン型ゼオライトは、脱硝反応が固体酸点で進行する観点から、β型ゼオライトであってもよい。これらのゼオライトはプロトン型(H型)の他、Cu、Co又はFeとイオン交換したイオン交換型ゼオライトであってもよい。プロトン型ゼオライトは、耐水熱性の観点からCHA型構造を有するゼオライトであってもよい。CHA型構造は、三次元の細孔構造を有する。CHA型構造のゼオライトとして、プロトン型(H型)の他、Cu、Co又はFeとイオン交換したイオン交換型ゼオライトを用いることができる。イオン交換量はゼオライト質量の1.0~6.0質量%が好ましく、1.5~5.0質量%がより好ましい。これらのゼオライトの一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。 Zeolites may be natural or synthetic. Examples of proton-type zeolites include mordenite, erionite, ferrierite, chabazite, X-type zeolite, β-type zeolite, MFI-type zeolite, Y-type zeolite, and SAPO. Proton-type zeolites may be β-type zeolites, since the denitrification reaction proceeds at solid acid sites. These zeolites may be proton-type (H-type) or ion-exchanged zeolites ion-exchanged with Cu, Co, or Fe. Proton-type zeolites may have a CHA-type structure from the perspective of hydrothermal resistance. The CHA-type structure has a three-dimensional pore structure. Zeolites with a CHA-type structure may be proton-type (H-type) or ion-exchanged zeolites ion-exchanged with Cu, Co, or Fe. The ion-exchange amount is preferably 1.0 to 6.0% by mass, more preferably 1.5 to 5.0% by mass, of the zeolite mass. These zeolites may be used alone or in combination of two or more.
ゼオライトは粒子状であることが好ましい。ゼオライトの平均粒径は、例えば、0.1~5.0μmである。ここで粒径とは、ゼオライト結晶の大きさであり、SEMで観察したときの長径の長さである。平均粒径とは、少なくとも10個の粒子についてSEMを用いて長径を測定したときの平均値である。 The zeolite is preferably in particulate form. The average particle size of the zeolite is, for example, 0.1 to 5.0 μm. Here, particle size refers to the size of the zeolite crystals, and is the length of the longest diameter when observed with an SEM. The average particle size is the average value when the longest diameter of at least 10 particles is measured using an SEM.
NOXの抑制性能及び耐久性の観点から、ゼオライトとしてCuイオン交換型ゼオライトが好ましい。また、CHA型構造を有するゼオライトとして、Cuイオン交換CHA型ゼオライトを使用することが好ましく、Cuイオン交換SSZゼオライト(SSZ-13)又はCuイオン交換SAPO-34ゼオライトを使用することがより好ましい。Cuイオン交換SSZゼオライトのシリカアルミナ比(SAR、Si/Al)は、好ましくは10~50であり、より好ましくは10~20である。SARが10未満であると、NOxの還元能力が高まるが水熱条件での耐性が低下する傾向にあり、他方、50を超えると、水熱条件での耐性は高まるがNOxの還元能力が低下する傾向にある。Cuイオン交換SAPOゼオライトのシリカに対するリン酸アルミニウムの量(Al+P)/Siは、好ましくは1~30であり、より好ましくは5~30である。(Al+P)/Si比が1未満であると、水熱条件で耐久性が低下する傾向にあり、他方、30を超えると、NOxの還元性能が低下する傾向にある。 From the viewpoint of NOx suppression performance and durability, Cu ion-exchanged zeolite is preferred as the zeolite. Furthermore, as the zeolite having a CHA structure, it is preferable to use Cu ion-exchanged CHA-type zeolite, and it is more preferable to use Cu ion-exchanged SSZ zeolite (SSZ-13) or Cu ion-exchanged SAPO-34 zeolite. The silica-alumina ratio (SAR, Si/Al) of the Cu ion-exchanged SSZ zeolite is preferably 10 to 50, more preferably 10 to 20. If the SAR is less than 10, the NOx reduction ability is enhanced but resistance under hydrothermal conditions tends to decrease. On the other hand, if it exceeds 50, resistance under hydrothermal conditions is enhanced but the NOx reduction ability tends to decrease. The amount of aluminum phosphate relative to silica in the Cu ion-exchanged SAPO zeolite (Al+P)/Si is preferably 1 to 30, more preferably 5 to 30. If the (Al+P)/Si ratio is less than 1, the durability under hydrothermal conditions tends to decrease, while if it exceeds 30, the NOx reduction performance tends to decrease.
Cuイオン交換型ゼオライトのアンモニアによるNOX還元性能(脱硝性能)は、Cuの分散性が高い方が良好となり、また、ゼオライトが保持している固体酸量が多いほど良好となる傾向がある。一般にゼオライトの酸量はSARが低い方が高くなるが、SARが低いゼオライトは親水性が高まり、高温、高水分の条件下では脱アルミが進行しやすく、経時的に酸量が低下し、脱硝性能が低下する傾向にある。同様にSAPO系ゼオライトも(Al+P)/Siが低い方が酸量高くなり同様の傾向にあると推測できる。本実施形態におけるCuイオン交換SSZゼオライト(SSZ-13)又はCuイオン交換SAPOゼオライト(SAPO-34)は構造的に高い水熱安定性を有しているので、βゼオライト(SAR:35)よりも酸量が多い組成で触媒化できているため、NOXの抑制性能と耐久性を両立ができると推察される。 The NOx reduction performance (denitrification performance) of Cu ion-exchanged zeolite with ammonia tends to be better when the Cu dispersibility is higher, and also tends to be better when the zeolite has a higher solid acid content. Generally, the acid content of a zeolite increases as the SAR decreases, but zeolites with low SAR tend to be more hydrophilic and more susceptible to dealumination under high temperature and high moisture conditions, resulting in a decrease in acid content over time and a decrease in denitrification performance. Similarly, it can be inferred that SAPO-based zeolites also show a similar tendency, with a higher acid content when the (Al+P)/Si ratio is low. The Cu ion-exchanged SSZ zeolite (SSZ-13) or Cu ion-exchanged SAPO zeolite (SAPO-34) in this embodiment has high structural hydrothermal stability and can be catalyzed with a composition with a higher acid content than β zeolite (SAR: 35). Therefore, it is inferred that both NOx suppression performance and durability can be achieved.
下層に含まれるゼオライトの含有量は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの合計を基準として、好ましくは40~95質量%であり、より好ましくは50~90質量%である。下層におけるゼオライト担持量は、触媒容積に対して、好ましくは5~95g/Lであり、より好ましくは10~90g/Lである。下層におけるゼオライトの量が上記範囲内であると、アンモニア分解率、NOX生成率及びN2O生成率に関してより良好な結果が得られる。 The content of zeolite in the lower layer is preferably 40 to 95 mass%, more preferably 50 to 90 mass%, based on the total of Pt, the first inorganic oxide, optionally phosphorus, and zeolite contained in the lower layer. The amount of zeolite supported in the lower layer is preferably 5 to 95 g/L, more preferably 10 to 90 g/L, relative to the catalyst volume. When the amount of zeolite in the lower layer is within the above ranges, better results can be obtained in terms of ammonia decomposition rate, NOx production rate, and N2O production rate.
下層が、CHA型構造のゼオライトに起因して優れた耐水熱性を有している場合、下層はリンを含んでいなくてもよい。下層がリンを含むとしても、その含有量(下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、リン及びゼオライトの合計を基準)は、0.05質量%未満でよく、0.01質量%未満であってもよい。 When the lower layer has excellent hydrothermal resistance due to the CHA-type structure zeolite, the lower layer does not need to contain phosphorus. Even if the lower layer contains phosphorus, the content (based on the total of Pt, the first inorganic oxide, phosphorus, and zeolite contained in the lower layer) may be less than 0.05% by mass, or even less than 0.01% by mass.
上層は、第二のプロトン型ゼオライト又はCu、CoもしくはFeイオンとイオン交換された第二のイオン交換型ゼオライトとを含む。上層は下層の表面上に設けられている。上層の厚さは、好ましくは10~200μmであり、より好ましくは30~100μmである。上層において下記式(2)で表される脱硝反応が主に進行する。
脱硝反応:2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
The upper layer contains a second proton-type zeolite or a second ion-exchanged zeolite that has been ion-exchanged with Cu, Co, or Fe ions. The upper layer is provided on the surface of the lower layer. The thickness of the upper layer is preferably 10 to 200 μm, more preferably 30 to 100 μm. In the upper layer, a denitrification reaction represented by the following formula (2) mainly proceeds.
Denitrification reaction: 2NO + 2NH 3 + 1/2O 2 → 2N 2 + 3H 2 O... (2)
上層に含まれるゼオライトとしては、下層において例示したゼオライトが挙げられる。上層に含まれるゼオライトは、下層に含まれるゼオライトと同一であっても異なっていてもよい。 The zeolite contained in the upper layer can be any of the zeolites exemplified for the lower layer. The zeolite contained in the upper layer can be the same as or different from the zeolite contained in the lower layer.
上層におけるゼオライト担持量は、触媒容積に対して、好ましくは20~150g/Lであり、より好ましくは30~130g/Lである。上層におけるゼオライト量が上記範囲内であると、アンモニア分解率、NOX生成率及びN2O生成率に関してより良好な結果が得られる。 The amount of zeolite supported in the upper layer is preferably 20 to 150 g/L, more preferably 30 to 130 g/L, relative to the catalyst volume. When the amount of zeolite in the upper layer is within the above range, better results can be obtained in terms of ammonia decomposition rate, NOX production rate, and N 2 O production rate.
上層に含まれるゼオライトの量(プロトン型ゼオライト及びイオン交換型ゼオライトの合計量)は、下層に含まれるPt、第一の無機酸化物、場合によりリン、及びゼオライトの合計を100質量部とすると、好ましくは20~400質量部であり、より好ましくは50~150質量部である。この量が20質量部以上であることで、上層における脱硝反応によってNOXの生成率をより低くできる傾向にあり、他方、400質量部以下であることで、アンモニアが下層に効率的に接触して分解される傾向にある。 The amount of zeolite contained in the upper layer (total amount of proton-type zeolite and ion-exchange type zeolite) is preferably 20 to 400 parts by mass, and more preferably 50 to 150 parts by mass, relative to 100 parts by mass of the total of Pt, the first inorganic oxide, optionally phosphorus, and zeolite contained in the lower layer. When this amount is 20 parts by mass or more, the NOx production rate tends to be reduced by the denitrification reaction in the upper layer, while when it is 400 parts by mass or less, ammonia tends to efficiently come into contact with the lower layer and be decomposed.
上層は、必要に応じて無機バインダーを含有することができる。無機バインダーとしては、コロイダルシリカ、シリカゾル、アルミナゾル、ケイ酸ゾル、チタニアゾル、ベーマイト、白土、カオリン、セピオライト等が挙げられる。 The upper layer may contain an inorganic binder, if necessary. Examples of inorganic binders include colloidal silica, silica sol, alumina sol, silicic acid sol, titania sol, boehmite, clay, kaolin, and sepiolite.
以下に、酸化触媒の製造方法の一例を示す。ただし、酸化触媒の製造方法は以下の方法に限定されるものではない。 An example of a method for producing an oxidation catalyst is shown below. However, the method for producing an oxidation catalyst is not limited to the following method.
まず、容器の中にPt含有水溶液を入れ、これに第一の無機酸化物を加える。第一の無機酸化物中にPt含有水溶液を十分含浸させた後、攪拌しながら加熱して水分を蒸発させ、乾燥させる。その後、更に乾燥機中で加熱し、得られた粉末を空気中で焼成して、Pt(金属分として)が所定量担持された第一の無機酸化物粒子を得る。 First, a Pt-containing aqueous solution is placed in a container, and the first inorganic oxide is added to it. After the first inorganic oxide is thoroughly impregnated with the Pt-containing aqueous solution, it is heated while stirring to evaporate the water and dry. It is then further heated in a dryer, and the resulting powder is calcined in air to obtain first inorganic oxide particles carrying a predetermined amount of Pt (as metal).
この粉末と脱イオン水とを混ぜ合わせた後、ここに、所定量の無機バインダー及び上記ゼオライトを混ぜ合わせて、下層用スラリーを調製する。このスラリーを支持体Sに塗布し、余剰をエアブローにて吹き飛ばす。その後、加熱して乾燥し、更に空気流通下の高温炉にて焼成することによって、支持体Sの表面上に下層が形成される。 This powder is mixed with deionized water, and then a predetermined amount of inorganic binder and the above-mentioned zeolite are mixed in to prepare a slurry for the lower layer. This slurry is applied to the support S, and the excess is blown off with an air blower. The slurry is then heated and dried, and then fired in a high-temperature furnace under air circulation, forming a lower layer on the surface of the support S.
脱イオン水と所定量の無機バインダー及び上記ゼオライトを混ぜ合わせて、上層用スラリーを調製する。このスラリーを下層の表面上に塗布し、余剰をエアブローにて吹き飛ばす。その後、上記と同様に乾燥、焼成を実施する。これにより、下層及び上層の二層からなる酸化触媒が得られる。 Deionized water is mixed with a specified amount of inorganic binder and the above-mentioned zeolite to prepare a slurry for the upper layer. This slurry is applied to the surface of the lower layer, and the excess is blown off with an air blower. It is then dried and fired as described above. This results in an oxidation catalyst consisting of two layers: a lower layer and an upper layer.
下層にリンを含有させるには、まず、リン含有化合物の溶液と脱イオン水を混ぜ合わせ、リン溶液を調製する。そして、この溶液を予め調製したPt、第一の無機酸化物及び第一のプロトン型ゼオライト又は第一のイオン交換型ゼオライトを含有する層に塗布し、余剰液をエアブローにて吹き飛ばす。その後、乾燥、焼成を実施する。 To incorporate phosphorus into the lower layer, first, a solution of a phosphorus-containing compound is mixed with deionized water to prepare a phosphorus solution. This solution is then applied to a previously prepared layer containing Pt, a first inorganic oxide, and a first proton-type zeolite or a first ion-exchanged zeolite, and excess liquid is blown off with an air blower. The resulting layer is then dried and fired.
下層に銅酸化物を含有させるには、出発原料として、銅酸化物の固体粒子を使用するのが好ましい。別の手段としては、銅を含有する化合物である硫酸銅や酢酸銅等の銅塩を含む水溶液を他の触媒成分と混合し、下層中に含浸させておいて、空気雰囲気下で300~600℃で焼成することにより、銅塩を銅酸化物に転換する方法が挙げられる。 To incorporate copper oxide into the lower layer, it is preferable to use solid particles of copper oxide as the starting material. Another method is to mix an aqueous solution containing copper salts, such as copper sulfate or copper acetate, with other catalyst components, impregnate the lower layer, and then calcinate at 300-600°C in an air atmosphere to convert the copper salts into copper oxide.
上記態様では、酸化触媒が下層と上層とを備えているが、例えば、下層と同様の構成のサブ触媒と、上層と同様の構成のサブ触媒とをそれぞれ準備し、これらのサブ触媒を組み合わせて酸化触媒として用いてもよい。 In the above embodiment, the oxidation catalyst has a lower layer and an upper layer, but, for example, a sub-catalyst with the same configuration as the lower layer and a sub-catalyst with the same configuration as the upper layer may be prepared, and these sub-catalysts may be combined and used as the oxidation catalyst.
酸化触媒としては市販のものを用いてもよく、例えばIKOMAC-30、IKOMAC-Z3、NHN-824E(日揮ユニバーサル株式会社製)等を用いることができる。 Commercially available oxidation catalysts may be used, such as IKOMAC-30, IKOMAC-Z3, and NHN-824E (manufactured by Nikki-Universal Co., Ltd.).
[脱硝触媒]
脱硝触媒は、Cu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える。脱硝触媒は、具体的には支持体と、支持体の表面上に設けられた脱硝触媒層を備える。
[Denitration catalyst]
The denitration catalyst comprises a catalyst layer containing zeolite ion-exchanged with Cu, Co, or Fe ions. Specifically, the denitration catalyst comprises a support and a denitration catalyst layer provided on the surface of the support.
(支持体)
支持体としては、酸化触媒において例示した支持体が挙げられる。
(Support)
Examples of the support include the supports exemplified for the oxidation catalyst.
(脱硝触媒層)
脱硝触媒層において下記式(2)~(4)で表される脱硝反応が主に進行する。
2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O・・・(2)
3N2O+2NH3→4N2+3H2O・・・(3)
2N2O→2N2+O2・・・(4)
(Denitrification catalyst layer)
In the denitration catalyst layer, denitration reactions represented by the following formulas (2) to (4) mainly proceed.
2NO+ 2NH3 +1/ 2O2 → 2N2 + 3H2O ...(2)
3N 2 O + 2NH 3 → 4N 2 + 3H 2 O...(3)
2N 2 O→2N 2 +O 2 ...(4)
ゼオライトとしては、触媒の耐熱性及び活性の点から、シリカアルミナ比が3以上である高シリカゼオライトが挙げられ、具体的には、モルデナイト、チャバサイト、ホージャサイト、β型ゼオライト、MFI型ゼオライト、Y型ゼオライト等が好ましい。これらのゼオライトの一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。N2Oの還元性能向上の観点から、ゼオライトとしてはβ型ゼオライトを用いることができる。同様の観点から、ゼオライトとしては、Feとイオン交換したイオン交換型ゼオライトを用いることができる。Feのイオン交換量はゼオライト質量の1.0~3.0質量%が好ましく、1.5~2.5質量%がより好ましい。 From the viewpoint of the heat resistance and activity of the catalyst, the zeolite may be a high-silica zeolite having a silica-alumina ratio of 3 or more, and specifically, mordenite, chabazite, faujasite, β-type zeolite, MFI-type zeolite, Y-type zeolite, etc. are preferred. One of these zeolites may be used alone, or two or more may be used in combination. From the viewpoint of improving the N 2 O reduction performance, β-type zeolite may be used as the zeolite. From the same viewpoint, ion-exchanged zeolite ion-exchanged with Fe may be used as the zeolite. The amount of ion-exchanged Fe is preferably 1.0 to 3.0 mass% of the mass of the zeolite, and more preferably 1.5 to 2.5 mass%.
ゼオライトは粒子状であることが好ましい。ゼオライトの平均粒径は、例えば、0.1~10μmである。 The zeolite is preferably in particulate form. The average particle size of the zeolite is, for example, 0.1 to 10 μm.
脱硝触媒層におけるゼオライト担持量は、触媒容積に対して、好ましくは10~500g/Lであり、より好ましくは50~250g/Lである。脱硝触媒層におけるゼオライトの量が上記範囲内であると、アンモニアによるNOxの選択還元に関してより良好な結果が得られる。 The amount of zeolite supported in the denitration catalyst layer is preferably 10 to 500 g/L, and more preferably 50 to 250 g/L, relative to the catalyst volume. When the amount of zeolite in the denitration catalyst layer is within this range, better results can be obtained with regard to the selective reduction of NOx by ammonia.
脱硝触媒層は、必要に応じて無機バインダーを含有することができる。無機バインダーとしては、コロイダルシリカ、シリカゾル、アルミナゾル、ケイ酸ゾル、チタニアゾル、ベーマイト、白土、カオリン、セピオライト等が挙げられる。 The denitration catalyst layer may contain an inorganic binder as needed. Examples of inorganic binders include colloidal silica, silica sol, alumina sol, silicic acid sol, titania sol, boehmite, clay, kaolin, and sepiolite.
以下に、脱硝触媒の製造方法の一例を示す。ただし、脱硝触媒の製造方法は以下の方法に限定されるものではない。 An example of a method for producing a denitration catalyst is shown below. However, the method for producing a denitration catalyst is not limited to the method below.
まず、ゼオライトを、所望の金属イオンの塩を含む水溶液中に浸漬し、ゼオライト中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属イオンを、Cu、Co又はFeイオンに置換する。水溶液としては、例えばFeイオンであれば、塩化第二鉄(FeCl3)水溶液、硝酸第3鉄(Fe(NO3)3)水溶液等を用いることができ、Coイオンであれば、塩化コバルト(CoCl2)、硝酸コバルト(Co(NO3)2)等を用いることができ、Cuイオンであれば、硝酸銅(Cu(NO3)2、塩化銅(CuCl2)等を用いることができる。その後、水溶液から取り出したゼオライトを400~900℃程度で焼成することで、脱硝触媒粉末が得られる。 First, zeolite is immersed in an aqueous solution containing a salt of the desired metal ion, and the alkali metal or alkaline earth metal ions in the zeolite are substituted with Cu, Co, or Fe ions. For example, for Fe ions, an aqueous solution of ferric chloride (FeCl 3 ) or an aqueous solution of ferric nitrate (Fe(NO 3 ) 3 ) can be used; for Co ions, an aqueous solution of cobalt chloride (CoCl 2 ) or cobalt nitrate (Co(NO 3 ) 2 ) can be used; and for Cu ions, an aqueous solution of copper nitrate (Cu(NO 3 ) 2 ) or copper chloride (CuCl 2 ) can be used. The zeolite is then removed from the aqueous solution and calcined at about 400 to 900°C to obtain a denitration catalyst powder.
当該脱硝触媒粉末と脱イオン水とを混ぜ合わせた後、ここに、所定量の無機バインダーを混ぜ合わせて、脱硝触媒用スラリーを調製する。このスラリーを支持体に塗布し、余剰をエアブローにて吹き飛ばす。その後、加熱して乾燥し、更に空気流通下の高温炉にて焼成することによって、支持体の表面上に脱硝触媒層が形成される。 The denitration catalyst powder is mixed with deionized water, and then a predetermined amount of inorganic binder is added to prepare a denitration catalyst slurry. This slurry is applied to a support, and the excess is blown off with an air blower. The support is then heated and dried, and then fired in a high-temperature furnace under air circulation, forming a denitration catalyst layer on the surface of the support.
脱硝触媒としては、Feβゼオライトを含有する市販の脱硝触媒を用いてもよく、例えばNCDF-200(日揮ユニバーサル株式会社製)等を用いることができる。 A commercially available denitration catalyst containing Feβ zeolite may be used as the denitration catalyst, such as NCDF-200 (manufactured by Nikki-Universal Co., Ltd.).
<アンモニアエンジンの排ガス処理方法>
アンモニアエンジンの排ガス処理方法は、アンモニアエンジンの排ガスを、上記のシステムの第一の触媒(酸化触媒)に接触させる第一の接触工程と、第一の接触工程により生じる生成ガスを、第二の触媒(脱硝触媒)に接触させる第二の接触工程と、を備える。アンモニアエンジンは、ディーゼルエンジン、船舶用エンジン、ガスタービン等として用いられる。
<Ammonia engine exhaust gas treatment method>
The method for treating exhaust gas from an ammonia engine includes a first contacting step in which exhaust gas from the ammonia engine is brought into contact with a first catalyst (oxidation catalyst) of the above-mentioned system, and a second contacting step in which product gas generated in the first contacting step is brought into contact with a second catalyst (denitrification catalyst). Ammonia engines are used as diesel engines, marine engines, gas turbines, etc.
アンモニアエンジンの排ガスは、例えば以下の特徴を有するガスであるがこれに限定されない。
・ガス温度:約250~500℃。
・NH3濃度:0.1~3容量%。
・NO濃度:50~1500容量ppm。
・N2O濃度:100~1000容量ppm。
・H2O濃度:約5~20容量%。
The exhaust gas of an ammonia engine is a gas having the following characteristics, for example but not limited to:
・Gas temperature: Approximately 250 to 500°C.
・NH3 concentration: 0.1 to 3% by volume.
・NO concentration: 50 to 1500 ppm by volume.
-N 2 O concentration: 100 to 1000 ppm by volume.
- H 2 O concentration: approximately 5 to 20% by volume.
排ガスは、上記排ガス処理システムの酸化触媒と接触し、その後脱硝触媒と接触する。前段である酸化触媒はアンモニアの酸化分解により発熱し、排ガスの温度に対して50~300℃の温度上昇が見込まれる触媒であることが好ましい。また、効率的にNOx及びN2Oを抑制する観点から、酸化触媒はそれらのガスの発生の少ない触媒であることが好ましい。酸化触媒の温度は、脱硝触媒に充分高温のガスを送り、かつ触媒の劣化を抑制する観点から、260~500℃であることが好ましく、280~400℃であることがより好ましい。後段である脱硝触媒の温度は、NOx及びN2Oの還元機能を充分に発現させる観点から、350~700℃であることが好ましく、400~650℃であることがより好ましく、450~650℃であることがさらに好ましい。酸化触媒のSV(空間速度)は、アンモニアの分解による排ガス温度の上昇が得られかつ脱硝触媒で必要な還元剤としてのアンモニア濃度を残し易い観点から、3,000~200,000h-1であることが好ましく、5,000~150,000hr-1であることがより好ましく、30,000~110,000h-1であることがさらに好ましい。脱硝触媒のSVは、NOx及びN2Oの還元機能を充分に発現させる観点から、1,000~50,000h-1であることが好ましく、5,000~25,000h-1であることがより好ましく、5,000~20,000hr-1であることがさらに好ましい。 The exhaust gas comes into contact with the oxidation catalyst of the exhaust gas treatment system, and then comes into contact with the denitration catalyst. The oxidation catalyst in the first stage is preferably a catalyst that generates heat through the oxidative decomposition of ammonia and is expected to experience a temperature rise of 50 to 300°C relative to the temperature of the exhaust gas. Furthermore, from the viewpoint of efficiently suppressing NOx and N 2 O, the oxidation catalyst is preferably a catalyst that generates little of these gases. The temperature of the oxidation catalyst is preferably 260 to 500°C, more preferably 280 to 400°C, from the viewpoint of sending sufficiently high-temperature gas to the denitration catalyst and suppressing catalyst deterioration. The temperature of the denitration catalyst in the second stage is preferably 350 to 700°C, more preferably 400 to 650°C, and even more preferably 450 to 650°C, from the viewpoint of fully exhibiting the reduction function of NOx and N 2 O. The SV (space velocity) of the oxidation catalyst is preferably 3,000 to 200,000 h −1 , more preferably 5,000 to 150,000 h −1 , and even more preferably 30,000 to 110,000 h −1 , from the viewpoint of obtaining an increase in exhaust gas temperature due to the decomposition of ammonia and easily retaining the ammonia concentration required as a reducing agent in the denitration catalyst. The SV of the denitration catalyst is preferably 1,000 to 50,000 h −1 , more preferably 5,000 to 25,000 h −1 , and even more preferably 5,000 to 20,000 h −1 , from the viewpoint of fully exhibiting the reduction function of NOx and N 2 O.
排ガス処理方法は、第一の接触工程の前に、排ガス中にアンモニアガスを添加する工程を更に備えていてよい。排ガス中のアンモニア濃度はエンジンの燃焼条件により変動し得るため、前段である酸化触媒に充分な量のアンモニアが供されない場合がある。そうすると、酸化触媒の温度が充分に上がらず、脱硝触媒に充分高温のガスを送れない。排ガス処理に先立ちアンモニアガスを添加することで、このような事態が生じることを抑制することができる。 The exhaust gas treatment method may further include a step of adding ammonia gas to the exhaust gas before the first contact step. Because the ammonia concentration in the exhaust gas can vary depending on the engine's combustion conditions, a sufficient amount of ammonia may not be supplied to the upstream oxidation catalyst. This prevents the temperature of the oxidation catalyst from rising sufficiently, preventing sufficiently hot gas from being sent to the denitration catalyst. Adding ammonia gas prior to exhaust gas treatment can prevent this from occurring.
排ガス処理方法は、第一の接触工程の後に、第一の接触工程により生じる生成ガス中にアンモニアガスを添加する工程を更に備えていてよい。アンモニアは脱硝触媒において還元剤として機能するため、必要に応じアンモニアガスを添加することで、脱硝触媒における還元反応を好適に維持することができる。 The exhaust gas treatment method may further include a step of adding ammonia gas to the product gas produced by the first contact step after the first contact step. Ammonia functions as a reducing agent in the denitration catalyst, so adding ammonia gas as needed can optimally maintain the reduction reaction in the denitration catalyst.
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
<酸化触媒A-1の準備>
酸化触媒A-1として、市販のアンモニア分解触媒(IKOMAC-30、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該アンモニア分解触媒は、下層(厚さ100~200μm)及び上層(厚さ80~150μm)の2層構造の触媒成分をコージライト基材に担持したハニカム型触媒である。下層はPtを担持したTiO2、Cuイオン交換したβ型ゼオライト(Cuβ)、SiO2(バインダー)及びPを含み、上層はCuイオン交換したβ型ゼオライト(Cuβ)とSiO2(バインダー)を含む。触媒成分の各層の体積当たりの担持量は、下層:Pt 0.5g/L、TiO2 10g/L、Cuβ 70g/L、P 1g/L、SiO2 25g/L、であり、上層:Cuβ 64g/L、SiO2 16g/Lである。
Cuイオン交換したβ型ゼオライトとしては、プロトンタイプのβ型ゼオライト(東ソー株式会社製HSZ-941HOA、SiO2/Al2O3比 40、平均粒径 4.0μm)にイオン交換法にてCuを担持させたものを用いている。Cuイオン交換したβ型ゼオライトのN2-BET法による比表面積は560m2/gであり、Cuの含有量(イオン交換量)は4.5質量%である。
TiO2粉末としては、平均粒径1μm未満、比表面積200m2/g以上の、石原産業株式会社製のST-90Dを用いている。
SiO2としては、コロイダルシリカ(日産化学株式会社製のスノーテックス-CM)を用いている。
<Preparation of oxidation catalyst A-1>
As the oxidation catalyst A-1, a commercially available ammonia decomposition catalyst (IKOMAC-30, manufactured by Nikki-Universal Co., Ltd.) was used.
The ammonia decomposition catalyst is a honeycomb catalyst in which catalytic components are supported on a cordierite substrate in a two-layer structure consisting of a lower layer (thickness 100 to 200 μm) and an upper layer (thickness 80 to 150 μm). The lower layer contains Pt-supported TiO 2 , Cu ion-exchanged β-zeolite (Cuβ), SiO 2 (binder), and P, while the upper layer contains Cu ion-exchanged β-zeolite (Cuβ) and SiO 2 (binder). The amounts of catalytic components supported per volume in each layer are as follows: lower layer: Pt 0.5 g/L, TiO 2 10 g/L, Cuβ 70 g/L, P 1 g/L, SiO 2 25 g/L; upper layer: Cuβ 64 g/L, SiO 2 16 g/L.
The Cu ion-exchanged β-zeolite used was a proton-type β-zeolite (HSZ-941HOA manufactured by Tosoh Corporation, SiO2 / Al2O3 ratio 40 , average particle size 4.0 μm) with Cu supported thereon by an ion exchange method. The Cu ion-exchanged β-zeolite had a specific surface area of 560 m2 /g as measured by the N2 -BET method, and a Cu content (ion exchange amount) of 4.5 mass%.
As the TiO 2 powder, ST-90D manufactured by Ishihara Sangyo Kaisha Ltd., with an average particle size of less than 1 μm and a specific surface area of 200 m 2 /g or more, is used.
As SiO2 , colloidal silica (Snowtex-CM manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) is used.
<酸化触媒A-2の準備>
酸化触媒A-2として、市販のアンモニア分解触媒(IKOMAC-30Z3、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該アンモニア分解触媒は、下層(厚さ50~100μm)及び上層(厚さ80~150μm)の2層構造の触媒成分をコージライト基材に担持したハニカム型触媒である。下層はPtを担持したTiO2、Cuイオン交換したチャバサイト型ゼオライト(CuCHA)、SiO2(バインダー)を含み、上層はCuイオン交換したチャバサイト型ゼオライト(CuCHA)とSiO2(バインダー)を含む。触媒成分の各層の体積当たりの担持量は、下層:Pt 0.25g/L、TiO2 5g/L、CuCHA 35g/L、SiO2 13g/Lであり、上層:CuCHA 64g/L、SiO2 16g/Lである。
Cuイオン交換したチャバサイト型ゼオライトとしては、SiO2/Al2O3比 14、平均粒径3.0μm、N2-BET法による比表面積480m2/gであり、Cuの含有量(イオン交換量)は4.0質量%である、ゼオリスト社製CP-7208を用いている。
TiO2粉末及びSiO2はA-1と同様である。
<Preparation of oxidation catalyst A-2>
As the oxidation catalyst A-2, a commercially available ammonia decomposition catalyst (IKOMAC-30Z3, manufactured by Nikki-Universal Co., Ltd.) was used.
The ammonia decomposition catalyst is a honeycomb catalyst in which catalytic components of a two-layer structure consisting of a lower layer (50-100 μm thick) and an upper layer (80-150 μm thick) are supported on a cordierite substrate. The lower layer contains Pt-supported TiO 2 , Cu ion-exchanged chabazite-type zeolite (CuCHA), and SiO 2 (binder), while the upper layer contains Cu ion-exchanged chabazite-type zeolite (CuCHA) and SiO 2 (binder). The amounts of catalytic components supported per volume in each layer are as follows: lower layer: Pt 0.25 g/L, TiO 2 5 g/L, CuCHA 35 g/L, SiO 2 13 g/L; upper layer: CuCHA 64 g/L, SiO 2 16 g/L.
The Cu ion-exchanged chabazite-type zeolite used was CP-7208 manufactured by Zeolyst Co., Ltd., which has a SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of 14, an average particle size of 3.0 μm, a specific surface area of 480 m 2 /g measured by the N 2 -BET method, and a Cu content (ion exchange amount) of 4.0 mass%.
The TiO2 powder and SiO2 are the same as those in A-1.
<脱硝触媒B-1の準備>
脱硝触媒B-1として、市販の脱硝触媒(NCDF-200、日揮ユニバーサル株式会社製)を用いた。
当該脱硝触媒は、セラミックコルゲート基材にFeイオン交換したβ型ゼオライト(Feβ)を担持したハニカム型触媒である。脱硝触媒層は、Feβとアルミナ(バインダー)を含む。触媒成分の体積当たりの担持量は、Feβ 170g/L、アルミナ 30g/Lである。
Feイオン交換したβ型ゼオライトとしては、プロトンタイプのβ型ゼオライト(東ソー株式会社製HSZ-931HOA、SiO2/Al2O3比 28、平均粒径 4.0μm)にイオン交換法にてFeを担持させたものを用いている。Feイオン交換したβ型ゼオライトのN2-BET法による比表面積は510m2/gであり、Feの含有量(イオン交換量)は2.1質量%である。
アルミナとしては、アルミナゾル(日産化学株式会社製のAS-520A)を用いている。
<Preparation of Denitration Catalyst B-1>
As the denitration catalyst B-1, a commercially available denitration catalyst (NCDF-200, manufactured by Nikki-Universal Co., Ltd.) was used.
The denitration catalyst is a honeycomb catalyst in which Fe ion-exchanged β-zeolite (Feβ) is supported on a corrugated ceramic substrate. The denitration catalyst layer contains Feβ and alumina (binder). The supported amounts per volume of the catalyst components are 170 g/L of Feβ and 30 g/L of alumina.
The Fe ion-exchanged β-zeolite used was a proton-type β-zeolite (HSZ-931HOA manufactured by Tosoh Corporation, SiO2 / Al2O3 ratio 28 , average particle size 4.0 μm) with Fe supported by an ion exchange method. The Fe ion-exchanged β-zeolite had a specific surface area of 510 m2 /g as measured by the N2 -BET method, and an Fe content (ion exchange amount) of 2.1 mass%.
As the alumina, alumina sol (AS-520A manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) is used.
<脱硝触媒C-1の準備>
脱硝触媒C-1として、市販のV2O5、WO3、TiO2を含有する、45セル/インチのハニカム状触媒(NRU-5、日揮触媒化成株式会社製)を準備した。
<Preparation of Denitration Catalyst C-1>
As the denitration catalyst C-1, a commercially available honeycomb catalyst (NRU-5, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals Co., Ltd.) containing V 2 O 5 , WO 3 and TiO 2 and having 45 cells/inch was prepared.
<排ガス処理システムの作製>
上記のようにして作製した各ハニカム型触媒から、円柱状(直径21mm)のハニカム型触媒を所定長さ切り出した。切り出したハニカム型触媒を、流通式反応装置に、ガスの流入側から第一触媒として酸化触媒を、第二触媒として脱硝触媒を順に充填することで、排ガス処理システムを作製した。
<Production of exhaust gas treatment system>
Cylindrical honeycomb catalysts (21 mm in diameter) were cut out to a predetermined length from each of the honeycomb catalysts prepared as described above. The cut-out honeycomb catalysts were packed into a flow reactor, in this order from the gas inlet side, with an oxidation catalyst as the first catalyst and a denitrification catalyst as the second catalyst, to prepare an exhaust gas treatment system.
<活性評価試験>
アンモニアエンジンからの排ガスを想定したガスを排ガス処理システムに流通させた。マスフローコントローラーによりNH3ガス、NOxガス及びN2Oガスの流量を制御し、ローラーポンプにて水分量を制御した。水分濃度は10容量%とした。電気炉にて触媒を加熱することで触媒入口の温度(入口温度)を所定の温度として、各ガスの分解活性を評価した。表1に評価条件を示す。図2は、各例における活性評価試験の結果を示すグラフである。入口ガスNH3濃度とは酸化触媒との接触前の濃度であり、出口ガス濃度とは脱硝触媒との接触後の濃度である。
<Activity evaluation test>
A gas simulating exhaust gas from an ammonia engine was passed through an exhaust gas treatment system. The flow rates of NH3 gas, NOx gas, and N2O gas were controlled using a mass flow controller, and the moisture content was controlled using a roller pump. The moisture concentration was set to 10% by volume. The catalyst was heated in an electric furnace to set the catalyst inlet temperature (inlet temperature) to a predetermined temperature, and the decomposition activity of each gas was evaluated. Table 1 shows the evaluation conditions. Figure 2 is a graph showing the results of the activity evaluation test for each example. The inlet gas NH3 concentration is the concentration before contact with the oxidation catalyst, and the outlet gas concentration is the concentration after contact with the denitrification catalyst.
(ガスの分析方法)
・アンモニア:ガスクロマトグラフィー(TCD検出器)又はガス検知管
・NOx:ケミルミネッセンス(化学発光式)分析装置
・N2O:ガスクロマトグラフィー(TCD検出器)
(Gas analysis method)
Ammonia: Gas chromatography (TCD detector) or gas detector tube NOx: Chemiluminescence analyzer N 2 O: Gas chromatography (TCD detector)
(計算)
・NH3分解率(%):100-{(出口NH3濃度)/(入口NH3濃度)×100}
・NO分解率(%):100-{(出口NOx濃度)/(入口NOx濃度)×100}
・N2O分解率(%):100-{(出口N2O濃度)/(入口N2O濃度)×100}
・NO生成率(%):(出口NOx濃度)/(入口NH3濃度)×100
・N2O生成率(%):{(出口N2O濃度)/(入口NH3濃度)}×100
(calculation)
・NH3 decomposition rate (%): 100-{(outlet NH3 concentration)/(inlet NH3 concentration) x 100}
・NO decomposition rate (%): 100-{(outlet NOx concentration)/(inlet NOx concentration) x 100}
・N 2 O decomposition rate (%): 100 - {(Outlet N 2 O concentration) / (Inlet N 2 O concentration) x 100}
・NO generation rate (%): (outlet NOx concentration) / (inlet NH3 concentration) x 100
・N 2 O production rate (%): {(Outlet N 2 O concentration) / (Inlet NH 3 concentration)} x 100
表1に示されたとおり、酸化触媒A-1又はA-2、及び脱硝触媒B-1を組み合わせた排ガス処理システムによれば、アンモニアエンジンからの排ガスを好適に処理できると考えられる。 As shown in Table 1, an exhaust gas treatment system combining oxidation catalyst A-1 or A-2 and denitrification catalyst B-1 is believed to be able to effectively treat exhaust gas from ammonia engines.
1…酸化触媒、2…脱硝触媒、10…排ガス処理システム。
1...oxidation catalyst, 2...denitrification catalyst, 10...exhaust gas treatment system
Claims (11)
第二の触媒としてCu、Co又はFeイオンとイオン交換されたゼオライトを含む触媒層を備える脱硝触媒と、を備え、
アンモニアエンジンの排ガスが、前記第一の触媒及び前記第二の触媒を順に透過することで処理される、アンモニアエンジンの排ガス処理システム。 an oxidation catalyst having a catalyst layer containing Pt and zeolite as a first catalyst;
a denitration catalyst having a catalyst layer containing zeolite ion-exchanged with Cu, Co, or Fe ions as a second catalyst ;
An exhaust gas treatment system for an ammonia engine, in which exhaust gas from an ammonia engine is treated by passing the exhaust gas through the first catalyst and the second catalyst in sequence .
前記第一の層の表面上に設けられており、第二のプロトン型ゼオライト又はCu、CoもしくはFeイオンとイオン交換された第二のイオン交換型ゼオライトを含む第二の層と、
を備える、請求項1に記載のシステム。 a catalytic layer of the oxidation catalyst comprising a first layer containing Pt, an inorganic oxide, and a first proton-type zeolite or a first ion-exchanged zeolite ion-exchanged with Cu, Co, or Fe ions;
a second layer provided on the surface of the first layer and containing a second proton-type zeolite or a second ion-exchanged zeolite ion-exchanged with Cu, Co, or Fe ions;
The system of claim 1 , comprising:
The method according to any one of claims 6 to 10, wherein the SV (space velocity) of the oxidation catalyst is 3,000 to 200,000 h -1 and the SV of the denitrification catalyst is 1,000 to 50,000 h -1 .
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