CN103210189B - 废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

不需要用于加热废气的再加热燃烧器以及成为损失流路压力的原因的大截面积的蒸发管。废气净化装置（1），在具备涡轮增压器（2）的发动机（4）的排气歧管（3）内，连续配置有：排气室（5），将从发动机（4）的排气口（4a）排出的废气集合；催化剂反应部（8），配设多个在内部配置有脱硝催化剂的催化剂管（7），使所述废气在催化剂管（7）的内部与所述脱硝催化剂接触来分解废气中的NOx。设置有喷嘴（6），以能够在到达催化剂反应部（8）之前的废气中喷雾尿素水等。使包含气化的还原剂的废气以高温状态直接与脱硝催化剂接触，因此不需要再加热燃烧器。还原剂前体等在排气室内与高温废气混合而在短时间内被气化或水解，因此也不需要蒸发管。

Description

废气净化装置
技术领域
本发明涉及在排气歧管内设置使废气中的氮氧化物（以下称为“NOx”）在脱硝催化剂下与还原剂反应而净化的机构的废气净化装置。
背景技术
以往，出现了例如在柴油机的排气管中设置有SCR（Selective CatalyticReduction：选择性催化还原）等脱硝催化剂，并且在该脱硝催化剂的上游侧设置将包含高浓度尿素和低浓度氨的还原剂组合物的水溶液向废气中喷雾的喷嘴，并使包含气化了的还原剂的废气与脱硝催化剂接触以将废气中的NOx分解为氮和水从而使其无害化的技术（例如专利文献1的图1）。
在将上述技术应用于具备涡轮增压器的柴油机的情况下，有将脱硝催化剂设置在涡轮增压器的下游侧的情况和设置在上游侧的情况。
图4表示将SCR催化剂101设置在例如四缸的船用柴油机102的涡轮增压器103下游侧时的例子。104表示将从排气口102a、102b、102c、102d排出的废气集合并导向排气管105a的排气歧管。在涡轮增压器103的涡轮103a下游侧的排气管105b中，设置有将氨等还原剂水溶液或尿素等还原剂前体水溶液向废气中以喷雾方式供给的喷嘴106。
另外，图5表示将SCR催化剂201设置在例如四缸的船用柴油机202的涡轮增压器203上游侧时的例子（例如专利文献2的图1也同样）。在将从排气口202a、202b、202c、202d排出的废气集合的排气歧管204与涡轮增压器203的涡轮203a之间的排气管205中设置有：将氨等还原剂水溶液或尿素等还原剂前体水溶液向废气中以喷雾方式供给的喷嘴206；以及用于将从该喷嘴206喷雾的还原剂或还原剂前体的水溶液气化或水解来产生氨气等还原剂的蒸发管207。
但是，如图4所示的在涡轮增压器103的下游设置SCR催化剂101的构成有如下问题，在涡轮103a的下游侧，废气的温度下降，因此催化剂的性能降低。具体地，例如在船用柴油机的情况下，SCR催化剂101的活性温度为350℃左右，相对于此，涡轮103a的下游侧的废气温度有时会下降到250℃程度。温度差如此大的情况下，需要在涡轮103a的下游侧设置再加热燃烧器来加热废气，因此还存在为了使燃烧器燃烧，运行成本变高的问题。
另外，在如图5所示的在涡轮增压器203的上游侧设置SCR催化剂201的构成的情况下，为了以尽量短的路径使从喷嘴206喷雾的尿素水等气化或水解，而设置有流路截面积大的蒸发管207。但是，将该蒸发管207那样的截面积大的路径设置在排气系统中，会导致压力的损失，因此成为降低发动机的性能的主要原因。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-260331号公报
专利文献2：日本特开昭61-70115号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明要解决的问题是，以往的在涡轮增压器的下游侧设置脱硝催化剂的废气净化装置，因导入至脱硝催化剂的废气的温度不足，因此在催化剂性能上不利。另外，在设置再加热燃烧器的情况下，会提高成本。进一步，以往的在涡轮增压器的上游侧设置脱硝催化剂的废气净化装置，需要截面积大的蒸发管，因此成为降低发动机性能的主要原因。
解决问题的方法
本发明的废气净化装置的最主要的特征在于，
在具备涡轮增压器的发动机的排气歧管内，连续配置有：排气室，将从发动机的排气口排出的废气集合；以及催化剂反应部，配设多个在内部配置有脱硝催化剂的催化剂管，使所述废气在所述催化剂管的内部与所述脱硝催化剂接触来分解废气中的NOx，
并且设置有喷嘴，该喷嘴能够向到达所述催化剂反应部之前的废气中喷雾包含还原剂、还原剂前体的双方或任一方的水溶液。
发明效果
在上述构成的本发明中，向刚从发动机的排气口排出的高温废气中喷雾包含还原剂、还原剂前体的双方或任一方的水溶液，使包含气化的还原剂的废气以高温的状态与脱硝催化剂接触，因此不会发生由于废气的温度不足的原因而使脱硝催化剂的性能降低的现象。另外，废气温度也不会低于催化剂的活性温度，因此不需要再加热燃烧器。
并且，在上述构成的本发明中，在排气歧管的内部装入脱硝催化剂，使从喷嘴喷雾的还原剂前体等的水溶液，在排气系统中具有最大截面积的排气歧管内与刚从发动机的排气口排出的高温废气混合，因此能够在短时间内可靠地得以气化或水解。因而，不需要作为降低发动机性能的主要原因的蒸发管。
附图说明
图1是表示本发明的废气净化装置的整体构成的概略图。
图2是用于说明本发明的废气净化装置的催化剂反应部的构成之一例的图，是从催化剂管的入口侧观察的催化剂反应部的立体图。
图3是用于说明本发明的其它实施例的构成的图。
图4是以往的在涡轮增压器的下游侧设置脱硝催化剂的废气净化装置的说明图。
图5是以往的在涡轮增压器的上游侧设置脱硝催化剂的废气净化装置的说明图。
附图标记
1   废气净化装置
2   涡轮增压器
2a  涡轮
3   排气歧管
4   发动机
4a  排气口
5   排气室
6   喷嘴
7   催化剂管
7c  出口
8   催化剂反应部
9   排气通路
11  进气歧管
12  旁通通路
13  空气导入通路
14  扩散室
具体实施方式
本发明目的为，在设置于发动机排气系统的废气净化装置中，消除向脱硝催化剂导入的废气的温度不足，并且不需要导致流路压力的损失的蒸发管。本发明通过如下构成实现上述目的。
在具备涡轮增压器的发动机的排气歧管内连续配置有：排气室，将从发动机的排气口排出的废气集合；以及催化剂反应部，配设多个在内部配置有脱硝催化剂的催化剂管，使所述废气在所述催化剂管的内部与所述脱硝催化剂接触来分解废气中的NOx，并且，设置有喷嘴，能够向到达所述催化剂反应部之前的废气中喷雾包含还原剂、还原剂前体的双方或任一方的水溶液。
上述本发明的废气净化装置，尤其在应用于船用柴油机的情况下，更优选具有以下的构成。
在船用的情况下，NOx的排出限制量根据船舶通过的海域而不同，因此不需要常时使用脱硝催化剂，在有些海域也可以不使用。
因此，上述本发明的废气净化装置更优选具有如下的构成：
除了设有将从所述催化剂管排出的废气导向涡轮增压器的涡轮的上游侧的排气通路外，还设置有绕过所述催化剂管而连接所述排气室与所述涡轮的上游侧之间的旁通通路，并具备分别开闭所述排气通路和所述旁通通路的阀门。
在这样构成的情况下，例如通过打开排气通路的阀门并将旁通通路的阀门关闭，而能够进行使用了脱硝催化剂的运行（以下称为“SCR运行”）。反之，在将排气通路的阀门关闭并将旁通通路的阀门打开的情况下，成为不使用脱硝催化剂的运行（以下称为“旁通运行”），从而能够根据通过的海域而切换SCR运行和旁通运行。
另外，在船用柴油机中，使用与汽油相比含有更多硫磺量的轻油或重油等燃料，因此由于燃料中的硫磺量而容易在废气中产生SOx。以往的在将脱硝催化剂设置在涡轮增压器的下游侧的废气净化装置的情况下，因废气温度低，因此从喷嘴供给的尿素与SOx反应而容易生成例如硫酸铵（（NH4）2SO4）、硫酸氢铵（NH4HSO4）等中间生成物，当该中间生成物吸附在脱硝催化剂上时，成为催化剂性能降低的原因。
关于这一点，在本发明中，排气歧管内的废气为高温，因此基本上降低了中间生成物吸附在脱硝催化剂上而引起性能降低的可能性。但是，在如上述那样采用切换SCR运行和旁通运行的构成的情况下，在旁通运行中高温的废气不通过催化剂管内部，而包含SOx的废气以较低温滞留，因此容易引起中间生成物的吸附。
所以，上述本发明的废气净化装置更优选具有如下构成：设置连接进气歧管与所述催化剂管的出口侧之间的空气导入通路，并且具备开闭所述空气导入通路的阀门。
在这样构成的情况下，在旁通运行时能够通过将空气导入通路的阀门打开，从进气歧管将空气导入催化剂管的出口侧，使包含滞留于催化剂管内的SOx的较低温的废气向催化剂管的入口侧逆流从而与新空气置换。因而，即使在采用切换SCR运行和旁通运行的构成的情况下，也能够可靠地防止中间生成物的附着，因而是优选的。
实施例
以下，使用图1～图3来详细说明用于实施本发明的各种方式。在图1中，1为应用于具备涡轮增压器2的例如四缸船用柴油机的本发明的废气净化装置。在该废气净化装置1的排气歧管3的内部，设有排气室5和与其连续的催化剂反应部8，排气室5用于将从分别连接于设置在发动机4的各气缸盖上的排气口4a的排气联络管4b排出的废气集合，该催化剂反应部8中并列状地配设有多根在管状部件内部配置有脱硝催化剂的催化剂管7。而且，为了使废气中包含的NOx在脱硝催化剂条件下与还原剂反应而予以净化，在所述排气室5内设置有向排气室5内的废气中喷雾尿素水的喷嘴6。此外，2b表示对从进气通路10a进气的空气进行压缩的涡轮增压器2的压缩机，11表示将从进气通路10送入的压缩空气经由进气联络管4d分配到发动机4的进气口4c的进气歧管。
上述喷嘴6、催化剂管7及催化剂反应部8例如具有以下的构成。
例如喷嘴6设置在排气联络管4b的开口部附近的上游侧的位置，以便能够立即对刚从排气联络管4b向排气室5内排出的高温废气喷雾尿素水。另外，为了能够对排气室5内的废气均匀地喷雾尿素水，按照排气联络管4b的每个开口部而设置多个喷嘴6。在图1的实施例的情况下，喷嘴6设置在共计四处。
需要向喷嘴6供给用于产生还原剂的水溶液，但预先将氨水储存在船内会伴随着危险。因而，在本实施例中，在与喷嘴6连接的罐6a中而例如以水溶液的状态预先储存尿素作为还原剂前体，在运行时从喷嘴6将尿素水向排气室5内喷雾，并利用废气的热将尿素水解而产生氨。
在催化剂管7的筒体内部设置有例如多孔性的蜂窝芯子，在其蜂窝壁上附着或覆盖有SCR催化剂。或者，也可以在催化剂管7的筒体内部安装将SCR催化剂自身成形为多孔性的蜂窝芯子形状的催化剂。SCR催化剂，例如能够使用氧化铝、氧化锆、氧化钒/二氧化钛等金属氧化物系催化剂、沸石系催化剂等所期望的催化剂，也可以将这些催化剂组合。
催化剂反应部8还可以做成，例如在筐体的内部横置多个上述的催化剂管7而成的成套单元。在图1的实施例中，催化剂反应部8设置在与排气歧管3内的排气联络管4b的开口部对置的位置上。
包含气化的还原剂的废气从催化剂管7的入口7b导入，在通过催化剂管7的内部时与SCR催化剂接触而进行还原反应，从而将NOx分解为水和氮。而且，除去了NOx的废气从催化剂管7的出口7c排出，并被导入涡轮增压器2的涡轮2a的上游侧的排气通路9中。
在本发明中，能够将排气歧管3内的高温废气导入催化剂管7的内部，但刚起动发动机后，SCR催化剂的温度低，因此仅依靠废气通过内部，使SCR催化剂上升到适合催化剂反应的温度要花费一定的时间。因此，刚起动发动机后，有时SCR催化剂不充分起作用。
所以，在本实施例的废气净化装置1中，使催化剂反应部8的一部分与排气室5连通，以使从排气口4a向排气室5排出的废气环绕催化剂管7的外周面。具体地，如图2所示，在催化剂反应部8中，催化剂管7的入口7b和出口7c的部分由壁8a及8b密封，以防止刚排出到排气室5内的气体流入，但催化剂管7的中央部7a开放，并且与排气室5连通。
这样一来，从排气口4a排出的高温废气以环绕催化剂管7的外周的方式流动从而从外侧预热催化剂管7，因此设置在催化剂管7的内部的例如由SCR催化剂等构成的脱硝催化剂的升温时间缩短。因而，在上述那样构成的情况下，能够缩短发动机起动后到SCR催化剂开始起作用所需的时间。此外，在图2中，符号A的箭头表示以环绕催化剂管7外周的方式流动的废气的流路，符号B的箭头表示从入口7b导入并通过催化剂管7的内部而向出口7c排出的废气的流路。
接着，对喷嘴6、催化剂管7、催化剂反应部8以外的构成进行说明。
12是绕过催化剂管7并连接排气室5与涡轮2a的上游侧之间的旁通通路。而且，在排气通路9中设置有第一阀门9a，在旁通通路12中设置有第二阀门12a。
因而，例如在将第一阀门9a打开并将第二阀门12a关闭的情况下，向排气室5内排出的废气通过催化剂管7的内部，SCR运行成为可能。另一方面，在将第一阀门9a关闭并将第二阀门12a打开的情况下，向排气室5内排出的废气不通过催化剂管7而向涡轮2a的上游侧排出，因此旁通运行成为可能。通过这样的构成，能够根据通过的海域来切换SCR运行和旁通运行。
另外，13是连接进气歧管11与催化剂管7的出口7c侧之间的空气导入通路。在空气导入通路13中设置有开闭该通路的第三阀门13a。
因而，在旁通运行时将空气导入通路13的第三阀门13a打开的情况下，空气从进气歧管11向催化剂管7的出口7c侧导入，因此滞留在催化剂管7内的包含SOx的废气被推出到催化剂管7的入口7b侧从而与新空气置换。从而，即使在采用了切换SCR运行和旁通运行的构成的情况下，也能够更可靠地防止中间生成物向脱硝催化剂的吸附。
另外，在本实施例中，喷嘴6设置在排气室5中，并且为了使气化的还原剂向废气中扩散而将扩散室14设置在排气室5与催化剂反应部8之间。此外，在图1中省略了图示，但在扩散室14中，也可以为了充分混合氨气和废气而设置静态混合器等。
本发明并非限于上述的例子，当然也可以在各权利要求所记载的技术构思的范围内适宜地变更实施的方式。
例如在图1的实施例中，公开了将喷嘴6分别设置在排气联络管4b的各开口部附近的上游侧位置上的情况下的例子，但设置喷嘴6的数量、位置并非限定于此。例如，如图3所示，喷嘴6也可以仅在排气室5与催化剂反应部8之间的扩散室14中设置一处。不过，为了使气化的还原剂和废气充分混合，喷嘴6设置在图1所示的位置是有利的。

Claims (4)

1.一种废气净化装置，其特征在于，
在具备涡轮增压器的发动机的排气歧管内，连续配置有：排气室，将从发动机的排气口排出的废气集合；以及催化剂反应部，配设多个在内部配置有脱硝催化剂的催化剂管，使所述废气在所述催化剂管的内部与所述脱硝催化剂接触来分解废气中的NOx，
并且在所述排气室内设置有喷嘴，该喷嘴能够向到达所述催化剂反应部之前的废气中喷雾包含还原剂、还原剂前体的双方或任一方的水溶液，
在所述排气室与所述催化剂反应部之间设置有扩散室，该扩散室用于使气化的还原剂向废气中扩散。
2.如权利要求1所述的废气净化装置，其特征在于，
除了设置有将从所述催化剂管排出的废气导向涡轮增压器的涡轮的上游侧的排气通路外，还设置有绕过所述催化剂管而连接所述排气室与所述涡轮的上游侧之间的旁通通路，并具备分别开闭所述排气通路和所述旁通通路的阀门。
3.如权利要求2所述的废气净化装置，其特征在于，
设置有空气导入通路，该空气导入通路连接进气歧管与所述催化剂管的出口侧之间，使空气从所述催化剂管的出口侧向入口侧逆流，从而使滞留于所述催化剂管内的废气与新空气置换，
并且具备开闭所述空气导入通路的阀门。
4.如权利要求1～3中任一项所述的废气净化装置，其特征在于，
使所述催化剂反应部的一部分与所述排气室连通，以使从所述排气口向所述排气室排出的废气环绕多个所述催化剂管的外周面。
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