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選択的触媒還元（SCR）とは、窒素酸化物（ NOxとも呼ばれる）を変換することを意味する。xを触媒の助けを借りて二原子窒素(N2）、および水（H2 O)。還元剤、通常は無水アンモニア(NH )3 )水性アンモニア(NH₃)4 OH)、または尿素(CO(NH )2 )2 ) 溶液は、煙道または排ガスの流れに添加され触媒上で反応する。反応が完了に近づくにつれて、窒素（N2）、二酸化炭素（CO2）2 ) 尿素使用の場合、生成される。
NOの選択的触媒還元アンモニアを還元剤として用いる方法は、 1957年にエンゲルハルト社によって米国で特許が取得された。1960年代初頭には、日本と米国でSCR技術の開発が続けられ、より安価で耐久性のある触媒剤の研究に重点が置かれた。最初の大型SCRは、1978年にIHI株式会社によって設置された。 [ 1 ]
市販の選択的触媒還元システムは、一般的に大型の発電用ボイラー、工業用ボイラー、都市ごみボイラーに搭載されており、 NOx排出量を削減することが実証されている。x排出量を 70～95% 削減します。 [ 1 ]用途には、船舶、ディーゼル機関車、ガスタービン、自動車などに搭載されているディーゼルエンジン。
SCRシステムは現在、大型トラック、乗用車、小型商用車のTier 4 FinalおよびEURO 6ディーゼル排出基準を満たすための推奨方法となっています。その結果、NOx、粒子状物質、炭化水素の排出量は、排出ガス規制前のエンジンと比較して最大95%削減されています。[ 2 ]
いいえx還元反応は、ガスが触媒室。 [ 3 ] [ 4 ]触媒室に入る前に、アンモニアまたは他の還元剤（尿素など）が注入され、ガスと混合されます。SCR にアンモニアを使用する反応の意図された式は次のとおりです。 [ 4 ]
いくつかの二次反応も起こる。
尿素との反応は以下のとおりです。
アンモニアの場合と同様に、硫黄が存在する場合にもいくつかの二次反応が起こる。
理想的な反応は、630～720 K（357～447 °C）の最適温度範囲を持ちますが、滞留時間を長くすれば500 K（227 °C）まで下げて運転することも可能です。最低有効温度は、燃料、ガス成分、触媒によって異なります。その他の還元剤としては、シアヌル酸や硫酸アンモニウムなどが考えられます。[ 5 ]
SCR触媒は、チタン酸化物などの様々な多孔質セラミック材料を支持体として使用して作られ、活性触媒成分は通常、酸化物（バナジウム、モリブデン、タングステン）、ゼオライト、またはセリウムのいずれかである。[ 3 ] [ 4 ]
バナジウムやタングステンなどの卑金属触媒は、高い耐熱性には欠けるものの、安価であり、産業用および電力用ボイラー用途で一般的に使用される温度範囲で非常に良好に機能します。耐熱性は、強制再生機能を備えたディーゼル微粒子フィルターを使用する自動車用SCR用途において特に重要です。また、これらの触媒はSO₂を酸化する高い触媒能も有しています。2からSOへ3、酸性の性質のため非常に有害となる可能性がある。 [ 6 ]
ゼオライト触媒は、卑金属触媒よりもかなり高い温度で動作できる可能性があり、900 K (627 °C) の温度での長時間の運転や、最大 1120 K (847 °C) の過渡的な条件下でも耐えることができます。また、ゼオライトはSO の発生可能性が低いという利点もあります。2酸化を抑制し、関連する腐食リスクを低減する。 [ 6 ]
鉄および銅交換ゼオライト尿素SCRは、NOの割合が2は全NOx . [ 7 ]現在使用されている最も一般的な触媒形状は、ハニカム触媒とプレート触媒の 2 つです。ハニカム形状は通常、押出成形されたセラミックキャリア全体に均一に圧力損失が汚染の影響を受けにくいですが、はるかに大きく、高価です。ハニカム構成はプレート型よりも小さいですが、圧力損失が大きく、目詰まりがはるかに容易です。3 つ目のタイプは波形が、発電所用途の市場ではわずか 10% を占めるにすぎません。 [ 1 ]
SCR（選択的触媒還元）用途では、無水アンモニア、水酸化アンモニウム、溶解尿素など、いくつかの窒素含有還元剤が使用される。これら3種類の還元剤はすべて、大量に広く入手可能である。
無水アンモニアは、鋼製タンクで約 10 bar の液体として貯蔵できます。吸入危険物として分類されていますが、十分に整備されたコードと基準に従えば安全に貯蔵および取り扱うことができます。その利点は、SCR 内で動作するためにさらに変換する必要がないことであり、通常、大規模な産業用 SCR オペレーターに好まれています。水性アンモニアは、使用するために最初に気化する必要がありますが、無水アンモニアよりも貯蔵および輸送がはるかに安全です。尿素は最も安全に貯蔵できますが、熱分解によってアンモニアに変換する必要があります。[ 8 ]プロセスの最後に、精製された排ガスはボイラーまたは凝縮器またはその他の機器に送られるか、大気中に放出されます。[ 9 ] [ 1 ]
ほとんどの触媒は、高硫黄燃料使用時に硫黄化合物から硫酸アンモニウムと硫酸水素アンモニウムが生成されること、および触媒によるSOの望ましくない酸化により、使用寿命が限られています。2からSO3とH2 SO4．排ガスボイラーを使用する用途では、硫酸アンモニウムや重硫酸アンモニウムがボイラー管に蓄積し、蒸気発生を阻害したり、排気背圧を上昇させたりすることがあります。船舶用途では、堆積物を除去するためにボイラーを継続的に洗浄する必要があるため、真水の必要量が増加する可能性があります。
市販されている触媒のほとんどは、比表面積を最大化するために最適化された多孔質構造と形状を備えています（SCR触媒の感触は、粘土製の植木鉢を例にとると分かりやすいでしょう）。この多孔質構造によって、触媒はNOx還元に必要な高い表面積を得ることができます。しかし、すす、硫酸アンモニウム、硫酸水素アンモニウム、シリカ化合物、その他の微粒子が容易に細孔を詰まらせる可能性があります。超音波ホーンやすす吹き出し器を使用すれば、装置稼働中にこれらの汚染物質のほとんどを除去できます。また、水洗いしたり、排気温度を上げたりすることでも装置を洗浄できます。
SCRの性能にとってより懸念されるのは、触媒自体を化学的に劣化させ、NOxに対する触媒の有効性を失わせる毒物である。x還元、そして重症の場合、アンモニアまたは尿素が酸化され、NOが増加するx排出物。これらの毒物はアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、リン、硫黄、ヒ素、アンチモン、クロム、重金属（銅、カドミウム、水銀、タリウム、鉛）、および多くの重金属化合物（酸化物やハロゲン化物など）です。
触媒管理戦略には、触媒の交換、触媒の再生（詰まりや毒物の除去）、再生（材料の補充）などが含まれる。[ 10 ] [ 11 ]
ほとんどのSCRは、適切に機能させるために調整が必要です。調整には、ガス流中のアンモニアの適切な分布と触媒を通過するガス速度の均一性を確保することが含まれます。調整を行わないと、SCRは触媒表面積を効果的に利用できず、NOx還元効率が低下し、アンモニアの漏出が過剰になる可能性があります。調整のもう1つの側面は、すべてのプロセス条件に対して適切なアンモニア流量を決定することです。アンモニア流量は一般的に、ガス流から取得したNOx測定値、またはエンジンメーカーが提供する既存の性能曲線（ガスタービンや往復動エンジンの場合）に基づいて制御されます。通常、SCRシステムを適切に設計および調整するには、将来のすべての運転条件を事前に把握しておく必要があります。
アンモニアスリップとは、SCRを未反応のまま通過するアンモニアを指す業界用語です。これは、アンモニアが過剰に注入された場合、アンモニアが反応するには温度が低すぎる場合、または触媒が被毒された場合に発生します。SCRとアルカリスクラバーの両方を使用する用途では、高硫黄燃料の使用もアンモニアスリップを大幅に増加させる傾向があります。これは、NaOHやCa(OH) ₂などの化合物が硫酸アンモニウムや硫酸水素アンモニウムを還元してアンモニアに戻すためです。
SCRの最大の制約要因は温度です。エンジンの始動時には排気温度が低すぎる期間があり、特に寒冷地では、エンジン始動時に望ましいNOx低減効果を得るためには触媒を予熱する必要があります。
発電所では、 NOを除去するために同じ基本技術が用いられている。発電で使用されるボイラーの排ガスからアンモニアを除去します。一般的に、SCRユニットは炉のエコノマイザーと空気加熱器の間に配置され、アンモニアはアンモニア注入グリッドを通して触媒室に注入されます。他のSCRアプリケーションと同様に、運転温度は非常に重要です。発電所で使用されるSCR技術では、アンモニアスリップ（未反応アンモニア）も問題となります。
石炭火力ボイラーにおける重大な運転上の問題は、燃料燃焼によって発生する飛灰が触媒に付着することです。そのため、煤吹き装置や超音波ホーンの使用、そして飛灰による目詰まりを防ぐためのダクトや触媒材料の慎重な設計が必要となります。SCR触媒の一般的な運転寿命は、排ガスの組成にもよりますが、石炭火力発電所では約16,000～40,000時間（1.8～4.5年）、よりクリーンなガス火力発電所では最大80,000時間（9年）です。
触媒の寿命を延ばすために、SCRシステムの前にスクラバーを設置することで、毒物、硫黄化合物、飛灰などをすべて除去できますが、ほとんどの発電所や船舶用エンジンでは、SCRシステムの有効性を最大限に高めるために、スクラバーはシステムの後に設置されています。
SCRは日産ディーゼル株式会社によってトラックに適用され、最初の実用製品「日産ディーゼルクオン」は2004年に日本で発売された。[ 12 ]
2007年、米国環境保護庁（EPA）は、有害な排気ガス排出量を大幅に削減するための要件を制定しました。この基準を達成するために、カミンズ社をはじめとするディーゼルエンジンメーカーは、ディーゼル微粒子フィルター（DPF）の使用を含む後処理システムを開発しました。DPFは低硫黄ディーゼル燃料では機能しないため、2007年のEPA排出基準に適合するディーゼルエンジンは、DPFの損傷を防ぐために超低硫黄ディーゼル燃料（ULSD）を必要とします。短い移行期間の後、ULSD燃料は米国とカナダのガソリンスタンドで一般的になりました。2007年のEPA規制は、NOxレベルをさらに削減する、より厳格な2010年のEPA規制への準備期間をメーカーに与えるための暫定的な解決策となることを意図していました。[ 13 ]
2010年1月1日以降に製造されたディーゼルエンジンは、米国市場向けに引き下げられたNOx排出基準を満たすことが義務付けられている。
この日付以降もエンジンの製造を続けるNavistar InternationalとCaterpillarを除くすべての大型エンジン（クラス7-8トラック）メーカーはSCRを採用しています。これには、Detroit Diesel（DD13、DD15、DD16モデル）、Cummins（ISX、ISL9、ISB6.7）、Paccar、Volvo / Mackが含まれます。これらのエンジンは、プロセスを有効にするためにディーゼル排気液（DEF、尿素溶液）を定期的に追加する必要があります。DEFはほとんどのトラックストップでボトルやジャグで入手できますが、最近ではディーゼル燃料ポンプの近くにバルクDEFディスペンサーが設置されています。CaterpillarとNavistarは当初、環境保護庁（EPA）の基準に準拠するために強化排気ガス再循環（EEGR）を採用していましたが、2012年7月にNavistarは、生産中止となるMaxxForce 15を除き、エンジンにSCR技術を採用すると発表しました。キャタピラーは最終的に、これらの要件が実施される前にオンハイウェイエンジン市場から撤退した。[ 16 ]
BMW、[ 17 ] [ 18 ]ダイムラーAG（BlueTECとして）、フォルクスワーゲンは、一部の乗用ディーゼル車にSCR技術を採用している。
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