成果報告書詳細
管理番号20120000000476
タイトル平成22年度~平成23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業/先導研究/革新的電子線源を用いた省エネルギーNOx無害化技術の研究開発
公開日2012/6/8
報告書年度2010 - 2011
委託先名JFEエンジニアリング株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約本開発の目的は、大型船舶低速ディーゼル機関用の新たな脱硝技術の開発である。IMO(国際海事機関)は、NOx削減値を2016年より現状規制の約80%以下にすることを定めた。NOx発生量と燃料消費量はトレードオフの関係にあり、燃焼制御によるディーゼル機関のNOx削減は、燃料消費量及びCO2排出量増大を招く。一方、排ガス脱硝技術として実用化されているアンモニアSCRは、低速ディーゼル機関における高SOx濃度と低排ガス温度条件下では、急激な触媒劣化のため適用が困難である。これらの課題をクリアするため下記の2つの項目の開発を行い、カーボンナノチューブ(以下CNT)電子源を用いた新たな省エネルギー脱硝技術を確立する。
(1)CNT電子源による大面積アレイ型電子線照射プロセスの開発:NOxを75%以上の高い脱硝率で高効率に処理するために、電子線を排ガス中全体に一様かつ連続して照射するΦ150mm大面積アレイ型CNT電子線照射装置を開発した。電圧ばらつき±10%以内のCNTカソードの量産化技術の開発により、259個のカソードを組込んだ大面積アレイ型電子銃の試作に成功した。電子線を真空中から取出すための大面積透過窓を開発し、電子線照射装置に組込み加速電圧100kVでの大気中への電子線照射に成功した。カロリーメータ法による出力測定を実施し、各照射セル間ばらつきが目標の±10%以内であることを確認した。
(2)亜硫酸塩による還元反応を付加した高効率脱硝反応プロセスの開発:全16種類の亜硫酸塩系還元剤について還元特性、経済性、安全性などの基本特性の調査を行い、実用性に優れる還元剤として亜硫酸ナトリウムを選定した。スプレー式やスクラバー式など各種小型反応器によるNO2還元特性の基礎実験を行い、気泡塔式において高い空間速度と脱硝率が得られることが分かった。この結果に基づき旋回気泡塔式の新たなラジカル還元反応器を開発した。ラジカル脱硝反応機構の解明においては、電子線照射によるNO2酸化と亜硫酸ナトリウムによる還元が同時進行が主反応プロセスであることを明らかにし、小型複合ラボ実験において目標脱硝率95%をクリアした。また、共存ガスであるH2O、CO2が脱硝反応に及ぼす影響を調べた。
開発したアレイ型電子線照射装置とラジカル還元反応器を組み込んだ実証試験設備による、性能評価試験を実施した。模擬排ガスによる性能試験結果は、目標のNOx処理効率220g/kWhをクリアした。

英文要約Title: Projects of Research and Development of Innovative Energy Saving Technology. Research and Development of the technology for energy saving nitrogen oxides (NOx) removal using an innovative electron beam source (FY2010-FY2011)
FY2011 Final Report: Objective of the project is to develop a new NOx removal technology applicable to low-speed diesel engine for large vessels. The International Maritime Organization (IMO) has decided that after 2016 ships sailing in the designated sea area have to reduce NOx emission by about 80% from the current limit level. The trade-off relationship between NOx emission and fuel consumption results in increasing the fuel consumption and carbon dioxide emission with reducing the NOx emission by controlling the diesel engine combustion. On the other hand, the ammonia selective catalytic reduction (SCR) system practiced for the NOx removal from the exhaust gas is difficult to apply to the current diesel engine under high concentration of sulfur oxides (SOx) and the low exhaust gas temperature due to rapid deterioration of the catalyst activity. To solve these problems, the following two R&D items are conducted aiming at the establishment of the innovative energy-saving NOx removal technology using carbon-nanotube (CNT) electron emitters.
(1) Development of large area electron beam irradiation process using the CNT array emitters:
To achieve NOx removal efficiency of higher than 75%, a large electron beam irradiation apparatus with a size of φ150mm was developed for continuous and uniform irradiation in the exhaust gas. CNT emitters mass-production process within ±10% of emission voltage deviation was developed. As a result, a large electron beam source with 259 CNT array emitters was fabricated. A large window for electron beam transmission was developed. The electron beam irradiation apparatus with this window worked successfully at accelerating voltage of 100keV. The irradiation power of electron beam was measured by calorimeter. It was confirmed that the power deviation between each cell of the CNT array emitters was less than 10%.
(2)Development of high efficiency NOx removal process incorporating reducing reaction using sulfites:
Basic properties, e.g. reducing performance, cost performance, safety, etc, of sixteen sulfite-based reductants were investigated , and Sodium sulfite was selected as the most suitable reductant for this process. NO2 reduction properties of several reactor types were evaluated, and a bubbling type reactor showed the highest reduction performance at high Space Velocity (SV). Based on this result, a new type of reactor combining swirl flow and bubbling was developed.
In small-scale laboratory experiments, NOx reducing ratio of 95% were achieved, and it was clarified that two reaction mechanisms, 1) NO oxidation by electron beam irradiation and 2) NO2 reduction by a reductant, were occurring simultaneously at the same location. Influence of H2O and CO2 gas in exhaust gas to NOx reduction efficiency was investigated.
The electron beam irradiation apparatus and the newly developed reactor were assembled for the performance tests which revealed that NOx removal efficiency of this process reached 220g/kWh, the goal of this project, in simulated exhaust gas.
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