JP4649206B2 - 亜塩素酸ナトリウムを用いる廃ガスストリーム中のnoxを減少させる方法 - Google Patents

亜塩素酸ナトリウムを用いる廃ガスストリーム中のnoxを減少させる方法 Download PDF

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Description

本発明は廃ガスストリーム中のNO濃度を減少させる方法に関する。より詳しくは、本発明は、廃ガスストリーム中に存在する被酸化性NO種の少なくとも一部をより高度の窒素酸化物(higher nitrogen oxide)に酸化させるような条件下でNO含有廃ガスストリームを有効量の亜塩素酸ナトリウムに接触させることに関する。
ますます厳しくなる政府規制排出基準は、燃焼および生産の流出物または廃ガスストリームからの排出物中の窒素酸化物(「NO」)の濃度を減少させる改善された技術を探索するように製油業者を導いてきた。例えば、センジョ(Senjo)らによる特許文献1で教示された技術は、リサイクルストリームに注入される亜塩素酸ナトリウムなどの化合物から放出される酸化剤の使用によって廃ガスストリームから水銀およびNOなどの低可溶性汚染物質を除去する方法を教示している。この特許は本明細書に引用して援用する。ビカード(Vicard)らによる特許文献2にも二酸化塩素またはオゾンで窒素酸化物を酸化し、その後、酸化された気体を水溶液中で亜塩素酸ナトリウムに接触させることにより廃ガスストリームから窒素酸化物を除去する方法が開示されている。この特許も本明細書に引用して援用する。更に、アンモニアの注入によって燃焼流出物ストリーム中のNO濃度を減少させることが技術上知られている。リオン(Lyon)による特許文献3を参照すること。この特許も本明細書に引用して援用する。リオン(Lyon)特許後、NO濃度を減少させるために燃焼ストリーム中にアンモニアを注入することに関する特許および刊行物が急増した。こうした特許には、特許文献4および特許文献5が挙げられる。両方の特許は本明細書に引用して援用する。
米国特許第3,957,949号明細書 米国特許第6,294,139号明細書 米国特許第3,900,554号明細書 米国特許第4,507,269号明細書 米国特許第4,115,515号明細書
それでも、流動接触分解(「FCC」)装置の再生器オフガスなどの燃焼装置ストリームおよび生産ストリームから放出される流出物は製油所からのNO排出源のままである。多くの流動接触分解プロセス装置は、磨耗触媒微粉を除去するために湿式ガススクラバーを組み込んでおり、これらの湿式ガススクラバーの付随的利点によりNO排出物が減少させられる。スクラビングがNO排出物を減少させるために有効である一方で、NO排出物を減少させるためにはそれほど有効ではない。FCC装置の廃ガスストリーム上に含まれたNOの大部分(典型的には90%)がNOであるので、全NO排出物の一層の減少を得るためにFCC装置の廃ガス(または「オフガス」)からのNO排出物を減少させる方法が必要とされている。
NO排出物を減少させる一つのアプローチは、より低度の酸化物(lower oxide)NO種をより高度の窒素酸化物に酸化させることを含む。しかし、従来の方法は、長い反応時間を必要とする化学物質を含むか、または処理装置内で問題を提起する。こうした問題には、例えば、構造材料の腐食、装置からの廃水処理の問題およびこれも典型的に存在するSO種の除去に関わる問題が挙げられる。水溶性であるとともに典型的にはそれぞれ硝酸塩および亜硝酸塩としてプロセスシステムから除去できる、例えばNOおよびNなどのより高度の酸化物にNO種を酸化させるために湿式ガススクラバー液に亜塩素酸ナトリウム(NaClO)を添加することが技術上知られている。
しかし、亜塩素酸ナトリウムのスクラバー液への添加は欠点を有する。例えば、亜塩素酸ナトリウムは高価な化学物質であり、より高度の硫黄酸化物(例えば、SO〜SO)へのSO種の酸化などの副反応によって消費されうる。従って、亜塩素酸ナトリウムがより低度の酸化物NO種をより高度の窒素酸化物に選択的に酸化しないので、従来の方法は、被酸化性NO種の所望の減少を達成するためにスクラバー液中で比較的高い亜塩素酸ナトリウム濃度の使用を必要とする。これらの高い亜塩素酸ナトリウムレベルは、特にスクラバーの構造材料の腐食を引き起こす高い塩化物レベルにつながる。
従って、廃ガスストリームからNO種のレベルを減少させるのに経済的且つ効果的な方法が技術上やはり必要とされている。
本発明によれば、NOとSOの両方を含有する流動接触分解プロセス装置からの廃ガスストリーム中のNO濃度を減少させる方法であって、
a)前記廃ガスストリーム中に初期に存在するNOの少なくとも一部を除去する工程;
b)前記廃ガスストリームからSOの少なくとも一部を除去して、SO減少廃ガスストリームを生じる工程;
c)被酸化性NOの少なくとも一部を、それよりも酸化状態のより高いNO に酸化させる条件で、前記SO減少廃ガスストリームを、有効量の亜塩素酸ナトリウムに接触させる工程;および
d)前記酸化状態のより高いNO の少なくとも一部を除去する工程
を含むことを特徴とするNO濃度を減少させる方法が提供される。
好ましい実施形態において、湿式ガススクラバー分離器ドラムと一体の噴霧ノズルは、亜塩素酸ナトリウムを廃ガスストリームに接触させるために用いられる。
もう一つの好ましい実施形態において、NO種の得られたより高度の窒素酸化物は、アルカリ溶液吸収、還元溶液吸収、スクラビング、アンモニア注入、接触転化および水による吸収からなる群から選択された方法によって廃ガスストリームから除去される。
なおもう一つの好ましい実施形態において、廃ガスストリーム中に初期に存在するNO種の少なくとも一部は上の工程a)の前に除去される。
本明細書で用いられるNO、NO種および窒素酸化物という用語は、燃焼廃ガス中に存在しうる種々の窒素酸化物を意味する。従って、これらの用語は、酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO)、過酸化窒素(N)、五酸化窒素(N)およびそれらの混合物に限定されないが、それらを含む種々の窒素酸化物のすべてを意味する。「より低度の窒素酸化物」という用語も、より高度の酸化物に酸化可能である窒素酸化物を意味する。酸化窒素(NO)は、本発明により処理された典型的なFCC装置の廃ガスストリーム中の窒素酸化物の90重量%に至るまでがNOであるので酸化されるべき最も好ましい窒素酸化物である。従って、一実施形態において、方法はNOの減少と制御に特に関連する。
煙道ガス、湿性ガス、燃焼流出物ストリーム、燃焼廃ガス流出物ストリーム、廃ガス、オフガスおよび廃ガスストリームという用語は本明細書において互換可能に用いられる。湿式ガススクラバー、スクラビング装置およびスクラバーという用語も本明細書において時には互換可能に用いられる。
本発明は、例えば流動接触分解プロセス装置によって生じた廃ガスなどの燃焼装置によって生成した廃ガスストリームからNO種を除去するための費用効果に優れた方法を提供する。本方法は、廃ガスストリーム中に含まれたより低度の窒素酸化物、特にNOの少なくとも一部をより高度の酸化物(例えば、NO以上)に酸化させるために有効な条件下で有効量の亜塩素酸ナトリウムを廃ガスストリームに添加することを含む。本明細書で用いられる有効量の亜塩素酸ナトリウムは、廃ガスストリーム中に存在する被酸化性NO種の少なくとも一部を酸化させる量である。少なくとも「一部」によって、本発明者らは、廃ガスストリーム中に存在するより低度の酸化物NO種の少なくとも20体積%、例えば20体積%〜80体積%、好ましくは40体積%〜90体積%、より好ましくは50体積%〜99体積%、最も好ましくは実質的にすべてがより高度の窒素酸化物に酸化されることを意味する。
従って、より低度のNO種をより高度の窒素酸化物に酸化させるために亜塩素酸ナトリウムを用いることにより、例えばNOおよびNなどのより高度の窒素酸化物がより低度の窒素酸化物より容易に除去されるので、煙道ガスストリームからのNO排出物のレベルを減少させることが可能である。
論じたように、亜塩素酸ナトリウムのスクラバー液への添加は特許文献2に記載されている。亜塩素酸ナトリウムのスクラバー液への添加は、亜塩素酸ナトリウムがSO種もより高度の硫黄酸化物に酸化させるので不利である。この非優先的酸化反応は、廃ガスストリーム中に存在するNO種の満足な量を減少させるために廃ガスストリームに比較的高いレベルの亜塩素酸ナトリウムを注入することにつながりうる。論じたように、これらの高レベルの亜塩素酸ナトリウムは、スクラバーハードウェアの腐食を引き起こす好ましくない作用を有し、よって廃水処理に付随する問題を引き起こし、試薬のコストを増加させる。更に、二酸化塩素を用いて、亜塩素酸ナトリウム吸収と組み合わせてNO種をより高度の窒素酸化物に酸化させて、より高度の窒素酸化物を除去するのは、より高度のコストの追加的欠点を有する。
本発明は、廃ガスストリームをSO除去工程から下流で亜塩素酸ナトリウムに直接接触させることにより、これらの問題の少なくとも一部を解決する。用いられるSO除去法は本発明に対して必須ではなく、有効ないかなる方法であってもよい。一実施形態において、SO除去法は、好ましくは、亜塩素酸ナトリウムが廃ガスストリームと混合される前に廃ガスストリーム中のSO種のレベルを100ppm未満、好ましくは50ppm未満、より好ましくは10ppm未満に減少させる。亜塩素酸ナトリウムが廃ガスストリームと混合される前に廃ガスストリーム中に存在するSO種の実質的にすべてを除去することが最も好ましい。本明細書において用いるために適するSO除去法の非限定的な例には、水スクラビング、アルカリスクラビング、マグネシアスクラビングおよびアンモニウムスクラビングなどの湿式脱硫法、ならびに酸化マンガンまたは活性炭を用いるなどの乾式脱硫法が挙げられる。好ましくは、SO種は、湿式脱硫法、最も好ましくは湿式ガススクラバーの使用によって除去される。
湿式ガススクラバーは、例えば、磨耗触媒微粉およびSO種を除去する。従って、廃ガスストリームをスクラバー後に亜塩素酸ナトリウムに接触させることにより、亜塩素酸ナトリウムと混合する点でより低いレベルのSO種が廃ガスストリーム中に存在する。従って、NO種の所望の減少を達成するために、より少ない量の亜塩素酸ナトリウムを用いることが可能である。更に、亜塩素酸ナトリウムのこのより低い使用率は、ハードウェアの腐食および廃水処理などの上述した問題も軽減する。
亜塩素酸ナトリウムが被酸化性NO種をより高度の窒素酸化物に酸化させるメカニズムが複雑である一方で、亜塩素酸ナトリウムがNO種と直接、即ち、二酸化塩素から酸性条件下、好ましくは本明細書においてpH6未満で反応することが可能であることが考えられる。いかなる理論にもモデルにも拘束されることを望まない一方で、こうした酸性条件下で亜塩素酸ナトリウム化合物がナトリウムイオンおよび二酸化塩素に不均化することが考えられる。こうして形成された気体状二酸化塩素は、より低度のNO種をより高度の酸化物に酸化させる。拘束されることを望まないが、二酸化塩素がNO種をより高度の酸化物に酸化させる一般酸化反応は、下記式(1)によって表すことができることが考えられる。
(1)5NO+3ClO+4HO→5HNO+3HCl
酸性環境、好ましくは、pH6未満の酸性環境中で亜塩素酸ナトリウムを用いる時、より低度のNO種をより高度の酸化物に酸化させるために必要とされる二酸化塩素の量は、確実に十分な量の亜塩素酸ナトリウムが存在をするように考慮されなければならない。従って、亜塩素酸ナトリウムが不均化する時、より低度のNOをより高度の酸化物に酸化させるのに十分な濃度の二酸化塩素が存在するべきである。一実施形態において、用いられる二酸化塩素の量は、5モルのNOを基準にして3〜8モルのClOの範囲である。あるいは、量は5モルのNOを基準にして4〜7モルのClOの範囲である。好ましくは、化学量論量より若干多い亜塩素酸ナトリウム、例えば、5モルのNOを基準にして3〜4モルのClOである。
論じたように、亜塩素酸ナトリウムは、NO種を直接酸化させることも可能である。この酸化は、若干酸性の環境、例えば、pH6〜7、pH7の中性環境またはpH7より高い塩基性環境で起きうる。しかし、pHが10に増加する時、NO種の吸収は減少する。拘束されることを望まない一方で、亜塩素酸ナトリウムがNO種と直接反応するメカニズムを下記式(2)によって表すことが可能であることが考えられる。
(2)4NO+3NaClO+2HO→4HNO+3NaCl
亜塩素酸ナトリウムがNO種を直接酸化させる時、より低度の窒素酸化物の少なくとも一部をより高度の酸化物に酸化させるために必要とされる、用いられる亜塩素酸ナトリウムの量は、より低度の酸化物NO種に対する亜塩素酸ナトリウムの化学量論量の典型的には3〜10倍、好ましくは化学量論量の2〜8倍、最も好ましくは化学量論量より若干多い亜塩素酸ナトリウム、例えば、化学量論量の1.1〜2.5倍の範囲である。
被酸化性NO種の少なくとも一部がより高度の窒素酸化物に酸化された後、これらのより高度の窒素酸化物の少なくとも一部を除去することが可能である。これらのより高度の窒素酸化物の除去は有効ないかなるプロセスによっても実行してよい。こうしたプロセスには、特許文献3に記載されたように、苛性ソーダ水溶液などのアルカリ溶液またはチオ硫酸ナトリウム水溶液などの還元溶液の使用、亜塩素酸ナトリウム吸収、接触転化、およびアンモニアおよび水素注入が挙げられるが、それらに限定されない。最も好ましくは、酸化されたNO化合物は、水によるスクラビングによって除去される。例えば、NOおよびNなどのより高度の酸化物がより低度の窒素酸化物より水溶性であるからである。現在請求された本発明の実施技術において、より高度の窒素酸化物の20体積%〜100体積%は酸化後に除去され、好ましくはより高度の窒素酸化物の40体積%〜80体積%は酸化後に除去され、より好ましくはNO種のより高度の酸化物の60体積%〜90体積%は酸化後に除去される。
論じたように、廃ガスストリームのSO種の少なくとも一部を好ましくは湿式ガススクラビングによって除去することが好ましい。従って、一実施形態において、亜塩素酸ナトリウムは、湿式ガススクラバーに典型的に付属する既存の分離器ドラム内で廃ガスストリームと混合される。従来の分離器ドラムは、分離器ドラム内に配置された噴霧ノズルなどのハードウェアを含んでもよい。一実施形態において、汚染された廃ガスストリームは分離器ドラムに導入され、亜塩素酸ナトリウムは、ストリームが亜塩素酸ナトリウムに接触するように噴霧ノズルを通して噴霧される。亜塩素酸ナトリウムは、亜塩素酸ナトリウムをより良く分散させるキャリア流体として機能する水、好ましくは脱イオン水と最初に混合することが可能である。噴霧ノズルを通して追加量の脱イオン水を噴霧してもよい。追加量の脱イオン水とは、より高度の窒素酸化物の少なくとも一部を吸収するのに十分な脱イオン水の量を意味する。
もう一つの実施形態において、廃ガスストリーム中に存在するNO種の所定の部分を酸化させるために必要なより大量の亜塩素酸ナトリウムは、SO除去工程後に廃ガスストリームと混合される。この追加量の亜塩素酸ナトリウムは、SO除去工程後に廃ガスストリーム中に残るあらゆるSO種の少なくとも一部をより高度の硫黄酸化物に酸化させる。その後、SO種のこれらのより高度の酸化物は、有効ないかなる方法によっても除去することが可能である。
もう一つの実施形態において、廃ガスストリームは初期NO除去工程に通して、廃ガスストリーム中に初期に存在するNOの少なくとも一部を除去して、廃ガスストリーム中の残りの被酸化性NO種を酸化させるために必要とされる亜塩素酸ナトリウムの量を減少させる。この最初のNO除去工程において、廃ガスストリーム中に初期に存在するNOの少なくとも10体積%、好ましくは10体積%〜30体積%、より好ましくは20体積%〜60体積%、最も好ましくは30体積%〜90体積%は、廃ガスストリームが亜塩素酸ナトリウムと混合される前に除去される。廃ガスストリームが亜塩素酸ナトリウムと混合される前に初期量のNO種を除去する方式は重要ではなく、有効ないかなる方法であってもよい。
上の説明は本発明の実施のために好ましい一手段に関している。当業者は、同等に有効である他の手段を本発明の精神を実行するために考案できることを認めるであろう。
上の説明は本発明の実施のために好ましい一手段に関している。当業者は、同等に有効である他の手段を本発明の精神を実行するために考案できることを認めるであろう。
実施例1
廃ガスストリームへの亜塩素酸ナトリウムの添加をベンチスケール環境において試験した。廃ガスストリーム中に存在するSO種およびNO種の濃度、模擬スクラバー液を実験が始まる前に測定した。このデータを以下の表1に示している。熱電対装置を用いてストリームの初期温度を測定し、初期温度は68°Fであると観察された。廃ガスストリームの初期酸素濃度も測定し、3.0体積%Oであると決定された。
5cmのベンチスケールベンチュリースクラバーを通して廃ガスを流し、亜塩素酸ナトリウムをスクラバーから下流で廃ガスストリームに添加した。SO種およびNO種の出口濃度に加えて系のpHおよび亜塩素酸ナトリウム濃度も監視した。実験は、廃ガスストリーム中に初期に存在するSO種の95%を上回る量およびNO種の90%を上回る量を除去した。この実験の結果に加えてすべてのパラメータを以下の表1で報告している。
Figure 0004649206
実施例2
フルスケール稼働流動接触分解プロセス装置でも実施形態を試験した。この実験は、流動接触分解プロセス装置の湿式ガススクラバーに付属した既存の分離器ドラムに修正を全く加えずに行った。
この実験において、亜塩素酸ナトリウムを廃ガスストリームと混合するために、稼働流動接触プロセス装置の湿式ガススクラバー分離器ドラムの噴霧ノズルを用いた。亜塩素酸ナトリウムを脱イオン水と最初に混合し、噴霧ノズルを用いて既存分離器ドラム中に噴霧した。得られたより高度の窒素酸化物の一部を水吸収によって除去するために、追加量の脱イオン水もこの実験において用いた。
この実験は、流動接触分解プロセス装置で3日にわたり本発明の一実施形態を実施した。その3日の間にNO酸化、総合的NO除去、亜塩素酸ナトリウム流量および脱イオン水流量を監視し記録した。NO酸化およびNO除去は、[(入口濃度−出口濃度)/入口濃度]*100として本明細書で用いるために定義される百分率として報告している。このデータは以下の表2において下で報告している。
Figure 0004649206
この実験において用いられた分離器ドラムの噴霧ノズルに関連した最大水流量は465gpmであった。従って、収集したデータに基づいて、より高い流量能力を有する噴霧ノズルを用いることにより、または流量能力を増やすような方式で本明細書において用いられた噴霧ノズルを修正することにより、NO除去率が増加するであろうと考えられる。
気/液接触面積を増やすことによっても、NO除去率も増えることが考えられる。充填材をこの実験で用い、充填材を分離器ドラムの5フィートに限定した。例えば、充填材料の体積を増やすことにより、または増加した気/液接触面積を提供する充填材を用いることにより、気/液接触面積を増やすことは有利であろう。

Claims (11)

  1. NOとSOの両方を含有する流動接触分解プロセス装置からの廃ガスストリーム中のNO濃度を減少させる方法であって、
    a)前記廃ガスストリーム中に初期に存在するNOの少なくとも一部を除去する工程;
    b)前記廃ガスストリームからSOの少なくとも一部を除去して、SO減少廃ガスストリームを生じる工程;
    c)被酸化性NOの少なくとも一部を、それよりも酸化状態のより高いNO に酸化させる条件で、前記SO減少廃ガスストリームを、有効量の亜塩素酸ナトリウムに接触させる工程;および
    d)前記酸化状態のより高いNO の少なくとも一部を除去する工程
    を含むことを特徴とするNO濃度を減少させる方法。
  2. 前記工程b)を、水スクラビング、アルカリスクラビング、マグネシアスクラビング、アンモニウムスクラビングの湿式脱硫法によって行うことを特徴とする請求項1に記載のNO濃度を減少させる方法。
  3. 工程b)を、酸化マンガンおよび活性炭よりなる群から選択される薬剤を用いる乾式脱硫法によって行うことを特徴とする請求項1に記載のNO濃度を減少させる方法。
  4. 前記SOを、湿式ガススクラビングによって除去することを特徴とする請求項2に記載のNO濃度を減少させる方法。
  5. 前記亜塩素酸ナトリウムを、燃焼装置の湿式ガススクラバーより下流側の点で前記廃ガスストリームに接触させることを特徴とする請求項4に記載のNO濃度を減少させる方法。
  6. 前記亜塩素酸ナトリウムを、湿式ガススクラビング装置に付属した分離ドラム内で前記廃ガスストリームに接触させることを特徴とする請求項4に記載のNO濃度を減少させる方法。
  7. 前記亜塩素酸ナトリウムを、湿式ガススクラビング装置の分離ドラム内で、少なくとも1個の噴霧ノズルを通して前記廃ガスストリームに接触させることを特徴とする請求項4に記載のNO濃度を減少させる方法。
  8. 前記廃ガスストリームに接触させる前に、前記亜塩素酸ナトリウムを水と混合することを特徴とする請求項1に記載のNO濃度を減少させる方法。
  9. 前記酸化状態のより高いNO の少なくとも一部を、アルカリ溶液吸収、還元溶液吸収、スクラビング、アンモニア注入、水による吸収および接触転化よりなる群から選択される方法によって除去することを特徴とする請求項1に記載のNO濃度を減少させる方法。
  10. 前記酸化状態のより高いNO の少なくとも一部を、アンモニアを水素と混合して注入するアンモニア注入によって除去することを特徴とする請求項9に記載のNO濃度を減少させる方法。
  11. 前記酸化状態のより高いNO の少なくとも一部を吸収するのに十分な量の脱イオン水を、前記亜塩素酸ナトリウムと合わせて注入することを特徴とする請求項8に記載のNO濃度を減少させる方法。
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