工場や自動車などからは日々排ガスが排出されており、排ガスの中には地球環境に影響を及ぼす有害な物質が含まれています。世界中で環境保全を目的として排ガスの排出量を制限する取り組みが行われており、日本でも同様に行われています。排ガスから有害な物質を取り除く技術として脱硝というものがあり、脱硝を行う装置も多くの企業から販売されています。本稿ではこの脱硝について、日本の脱硝に対する取り組みとともにご紹介します。
まずは脱硝についてご紹介します。
工場や発電所の煙突からは窒素酸化物（NOx）が含まれる排ガスが日々排出されています。窒素酸化物は太陽からの強い紫外線を受けることで、人体や環境に有害なPM2.5粒子や光化学スモッグを生成します。また紫外線だけでなく、大気との化学反応により硝酸へと変化し降水に溶け込んで酸性雨となることで、周辺環境の動植物に悪影響を及ぼすほか、建造物や文化財に被害を与えます。
そこで必要になるのが脱硝です。脱硝とは有毒な窒素酸化物を還元し、無毒な窒素と水に分解させることで、乾式と湿式に大別されます。日本では広く乾式法が採用され、その中でも還元剤にアンモニアを利用した選択接触還元法が最も多く採用されています。
工場や発電所、ゴミ焼却施設、舶用ディーゼルエンジンなどさまざまな製品で窒素化合物は排出されています。そのため、環境のことを考えれば脱硝するシステムを設けておくことは欠かすことができません。そこで必要になるのが脱硝装置です。脱硝装置とは窒素化合物を還元剤と反応させることで無毒化する装置で、さまざまなメーカーからそれぞれ特徴や仕様が異なる製品が販売されています。
メーカーにより構成が異なりますが、基本的には脱硝触媒と脱硝反応器、還元剤の貯蔵供給設備や注入装置などで構成されます。
前述の通り、大きく分けると乾式と湿式の2種類の脱硝ですが、それぞれにさまざまな技術が開発されています。その中で代表的なものを一部ご紹介します。
排ガス中へアンモニアを注入し、脱硝反応器の中に据え付けられた多数の触媒で窒素酸化物を選択的に反応させます。脱硝率が高く、排水処理不要などメリットが多く、日本で開発された後、海外を含め広く普及しました。触媒は二酸化チタンを主成分とし、バナジウムやタングステンを活性成分として添加しています。
湿式で、吸収液を用いて窒素酸化物を吸収除去します。さまざまな手法がありますが、総じてプロセスが複雑になる傾向があり、高効率低コスト化は難しいとされています。アルカリ水溶液で吸収するアルカリ吸収法と、濃硫酸で吸収する酸吸収法、排ガスにある一酸化窒素を酸化した後に水やアルカリ水溶液で吸収する酸化吸収法があります。
850℃から1000℃と高温の焼却炉内や煙道に還元剤のアンモニアを吹き込む手法で、触媒を使わずに窒素酸化物を選択的に反応させます。850℃以下では反応が進まず、1000℃以上ではアンモニアが酸化されてしまい窒素酸化物の生成が優勢となることから脱硝率が低下します。触媒が不要であることから設備コストをおさえることが可能です。適用される温度範囲が狭く、反応に適した温度での滞留時間確保が困難です。残存酸素と還元剤との反応が増えやすいため、触媒を用いて脱硝するよりも多くの還元剤が必要です。脱硝率は低く、廃棄物焼却炉や事業用小型ボイラなど高い脱硝率を必要としない場合に採用されることが多いです。
最後に日本では脱硝に対しどのように取り組んでいるのか、ご紹介します。
日本では昭和40年代に光化学スモッグが公害問題として大きく取り上げられ、昭和48年には二酸化窒素に対する環境基準や排出基準が定められました。その後も定期的に排出基準の強化が行われ、窒素化合物による大気汚染は改善されてきています。しかしそれでも十分ではないため、引き続き規制する取り組みを進めているのが現状です。
脱硝装置は各メーカーからさまざまな仕様のものが製造されています。その用途もボイラー、産業炉、ゴミ焼却炉、そして各種発電機とさまざまです。
例えば三菱重工業では触媒にアンモニアを用いた脱硝装置を製造しています。95%以上の高い脱硝率を実現しており、水銀やSO3など多様な汚染物質の抑制が可能とされています。
住友重機械工業で製造されている脱硝装置はアンモニアや尿素を排ガスに注入させており、触媒は現場の状況や顧客の要望に合わせ選ぶことが可能です。用途により無触媒脱硝法と選択接触還元法を選択でき、この2種類を組みあわせることによるコスト削減も実現しています。
三菱重工業株式会社 パワー事業 | 排煙脱硝装置 (mhi.com)
排煙脱硝装置 | 住友重機械工業株式会社 (shi.co.jp)
このような日本における環境問題の背景から、脱硝技術についても研究開発が進められています。環境問題への配慮が強くなった現在、火力発電やガソリン自動車の立場は厳しいものとなりました。風力発電や太陽発電のようなクリーンエネルギーによる発電、電気自動車や水素自動車の開発など、環境への影響が小さい製品が選ばれるようになっています。そこで、脱硝技術には脱硝率向上による地球環境保全への取り組みや、コストダウンのための検討が行われています。
地球環境への配慮からクリーンエネルギーへの移行が必要とされていますが、すぐにできるものではありません。そのため、今後も排ガスは出し続ける必要があり、排ガスを出すのであれば脱硝技術は欠かせません。今後も使い続けるのであれば、地球環境への影響を極力小さくするため、脱硝技術の研究開発は引き続き必要と言えるでしょう。
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参考：