CN104136727A - 废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

直径尺寸大于排气通道的蒸发管成为妨碍装置小型化的主要原因。为解决该结束问题，本发明提供一种废气净化装置，在脱硝反应器(17)的上游侧，且在排气通道(15)的内部，设置在长度方向两端开放的蒸发管(18)。设置喷嘴(19)，该喷嘴(19)能够对通过蒸发管(18)内的废气进行含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液的喷雾。使蒸发管(18)的出口部(18a)的直径小于入口部(18b)的直径，同时在排气通道(15)上形成文丘里(15a)，使其包含蒸发管(18)的出口部(18a)的开放端存在的位置。本发明能够充分确保尿素水的水解反应进行的时间，同时流速减小区间的直径尺寸变小。

Description

废气净化装置
技术领域
本发明涉及一种废气净化装置，其在例如SCR催化剂等脱硝催化剂下，使从内燃机排出的废气中的氮氧化物(以下称为“NOx”)与还原剂反应，将其还原去除。
背景技术
以往，利用例如以下废气净化装置，该废气净化装置在柴油发动机的排气通道上设置插装有SCR催化剂的脱硝反应器，同时在该脱硝反应器的上游侧，设置能够将尿素水等还原剂前驱体进行喷雾的喷嘴(例如，专利文献1)。
在如上所述的装置中，如果排气通道内的温度足够高，则从喷嘴喷雾至废气中的尿素水在到达SCR催化剂前的期间进行如下述式(1)所示的水解，生成氨气(NH3)。
(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2——(1)
接着，由水解产生的氨气供给SCR催化剂，由此，在SCR催化剂上氨与废气中的NOx之间进行下式(2)及(3)这样的脱硝反应，使NOx分解成氮和水而无害化。
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O——(2)
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O——(3)
这样，在使用了SCR催化剂的废气净化装置中，必须确保喷雾的尿素水在排气通道内流动中，上述式(1)的水解反应充分进行的时间。
因此，以往有下述情况，例如，在如图9所示的具备排气歧管101的四汽缸船用柴油发动机102上，在设置于涡轮增压器103的涡轮103a上游侧的排气通道104上的尿素水喷雾用喷嘴105与SCR催化剂106之间，设置管路截面积大于排气通道104的蒸发管107，降低设置了该蒸发管107的区间的废气流速，确保从喷嘴105喷雾的尿素水的水解反应进行的时间。
此外，以往，如图10所示，不限于发动机的排气系统，在对流动于配管内的气体添加其他气体或液体，产生化学反应或状态变化的装置中，在为了确保反应时间或变化时间、气体之间的混合时间等，必须设置减缓气体流速的区间的情况下，也采用增大该区间的配管直径的方法。在图10的例子中，将减小气体流速的区间(图10中虚线A至B的区间)的配管203的直径设为前后配管201、202的直径(D)的2倍(2D)。
这样，在对直径长度设置2倍的差的情况下，例如，如果设在配管201内流动的气体的速度为V0，则在流速减小区间203内流动的气体的速度V能够减小至V0/4。
但是，在使用了如上所述的流速减小装置的情况下，由于流速减小区间203的直径尺寸变大，因此具有装置不能小型化的问题。例如，在如图9所示的船用柴油发动机102的排气系统中，由于排气歧管101占据大的体积，并且，还必须设置直径尺寸大的蒸发管107，因此该蒸发管107成为妨碍装置整体小型化的主要原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实用新型公告平成6-45617号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题如下，以往，为了充分确保尿素水水解的时间，作为使从尿素水喷雾喷嘴到脱硝反应器的区间的废气流速减小的手段，使用直径尺寸大于排气通道的蒸发管，因此该蒸发管成为妨碍装置小型化的主要原因。
(二)技术方案
本发明的废气净化装置最主要的特征在于，
具备排气歧管和脱硝反应器，所述排气歧管将从与发动机的排气口连接的排气连接管排出的废气聚集，并引导至排气通道，所述脱硝反应器设置在所述排气通道上；
在所述脱硝反应器的上游侧，且在所述排气通道内部，设置在长度方向两端开放的蒸发管，同时设置喷嘴，所述喷嘴能够对通过所述蒸发管内的废气进行含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液的喷雾。
(三)有益效果
由于本发明的废气净化装置构成为，在脱硝反应器的上游侧的排气通道内部设置蒸发管，并从喷嘴对通过该蒸发管内侧的废气进行例如尿素水等的喷雾，因此通过蒸发管内的废气流速降低，能够充分确保尿素水等的水解反应进行的时间。因此，根据本发明，与以往相比，能够减小流速减小区间的直径尺寸。
附图说明
图1是说明本发明的流速减小装置的结构图。
图2是表示本发明的废气净化装置的第一实施例的结构图。
图3是表示在脱硝反应器上游侧的排气通道内部设置的蒸发管、尿素水喷雾用喷嘴、在蒸发管出口部的开放端附近设置的排气通道的文丘里的放大图。
图4是表示本发明的废气净化装置的第二实施例的结构图。
图5是表示在脱硝反应器上游侧的排气通道内部设置的蒸发管、尿素水喷雾用喷嘴、在蒸发管出口部附近设置的尿素水解催化剂的放大图。
图6是表示本发明的废气净化装置的第三实施例的结构图。
图7是表示本发明的废气净化装置的第四实施例的结构图。
图8是表示本发明的废气净化装置的第二实施例的变形例的图。
图9是表示现有的船用柴油发动机的结构图。
图10是说明现有的流速减小装置的结构图。
具体实施方式
本发明的目的在于，在发动机的废气净化装置中，不增大管径的尺寸，设置用来确保尿素水等的水解时间的低流速区间，
通过做成如下结构来实现上述目的，具备排气歧管和脱硝反应器，所述排气歧管将从与发动机的排气口连接的排气连接管排出的废气聚集，并引导至排气通道，所述脱硝反应器设置在所述排气通道上；
在所述脱硝反应器的上游侧，且在所述排气通道内部，设置在长度方向两端开放的蒸发管，同时设置喷嘴，所述喷嘴能够对通过所述蒸发管内的废气进行含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液的喷雾。
在所述本发明的废气净化装置中，
在使所述蒸发管的出口部的直径小于入口部的直径，同时在所述排气通道上形成文丘里，使其包含所述蒸发管的出口部的开放端存在的位置的情况下，
通过收缩蒸发管的出口部的直径，能够减缓在蒸发管内流动的废气流速，同时，通过形成在排气通道上的文丘里的作用，由于蒸发管的出口部附近的压力低于入口部附近的压力，因此废气在蒸发管内不会滞留，能够得到从入口部向出口部的稳定的废气气流。
下面使用图1～图8对用来实施本发明的各种方式进行详细说明。图1是说明本发明的流速减小装置的结构图。
在图1中，1是可适用于各种领域的装置的本发明的流速减小装置，在气体于内部流动的外管2中，仅对出于某种目的想减小流速的区间，在内部设置内管3，将流速减小区间(图1中虚线A至B的区间)做成由外管2和内管3构成的双重管结构。
内管3是在长度方向两端开放的筒状部件，如图1所示，下游侧的出口部3a呈喷嘴状，与入口部3b相比，其管径收缩。并且，在外管2上形成文丘里2a并收缩管径，使其包含该喷嘴状的出口部3a的开放端3aa存在的位置(图1中虚线B所表示的位置)。
如果做成如上所述的结构，则在外管2中流动的气体在虚线A的位置分成通过内管3内侧的气体和通过内管3外侧的气体，在虚线B的位置合流。
这里，在将虚线A的位置的气体流速设为V0的情况下，设定外管2和内管3的各直径的尺寸，使得通过内管3内侧的气体速度V与通过内管3外侧的气体速度V’的关系为V＜V0＜V’。
此外，在将外管2上的上游侧的直径设为D，将下游侧的文丘里2a的直径设为Dr，将内管3上的入口部3b的直径设为d，将喷嘴状的出口部3a的直径设为dr的情况下，通过内管3内侧的气体速度V可以通过V＝V0×{(dr×D)/(d×Dr)}2的式子求出，因此，通过适当调节外管2与内管3的收缩程度(Dr/D、dr/d)，能够将内管3内的气体流速V设定为所希望的值。
此外，在图1的实施例中，通过设置在外管2上的文丘里2a的效应，内管3的出口部3a附近的气体的压力低于入口部3b附近的气体的压力。由此，在内管3内，流体不会滞留，能够作出从内管3的入口部3b向出口部3a的稳定的气流。
根据上述结构的本发明的流速减小装置，在不加粗管径的同时，得到了稳定的流速减小区间。本发明只要是关于流体的配管装置，能够适用于不分特定领域的各种装置。本发明的效果在于在确保反应时间或变化时间、溶解时间、蒸发时间等的同时，能够使装置小型化。
实施例
接着，图2是表示本发明的废气净化装置的第一实施例的结构图。在图2中，11是将本发明应用于四汽缸船用柴油发动机的废气净化装置，具备排气歧管16和脱硝反应器17，所述排气歧管16将从分别与设置在发动机12的各汽缸盖上的排气口12a连接的排气连接管13排出的废气聚集，并引导至涡轮增压器14的涡轮14a上游侧的排气通道15，所述脱硝反应器17设置在排气通道15上。另外，14b表示对从进气通道21进气的空气进行压缩的涡轮增压器14的压缩机。此外，22表示将由压缩机14b压缩的空气通过进气连接管分配至发动机12的各汽缸进气口的进气歧管。
在脱硝反应器17的上游侧的排气通道15的内部，设置长度方向两端在排气通道15内开放的蒸发管18，同时在该蒸发管18的入口部18b附近设置喷嘴19，该喷嘴19能够对通过蒸发管18内的废气进行尿素水19a的喷雾。
也就是说，第一实施例中，排气通道15相当于图1的外管2，蒸发管18相当于图1的内管3。另外，将喷嘴19设置在蒸发管18的入口部18b附近的理由是，能够确保被喷雾的尿素水19a通过高温的蒸发管18内的时间长。
在脱硝反应器17上插装有SCR催化剂，该SCR催化剂选择性地还原去除从发动机12排出的废气中所含有的成为酸雨或光化学烟雾等环境污染原因的NOx。SCR催化剂可以使用例如氧化铝、氧化锆、氧化钒/二氧化钛等金属氧化物类催化剂或沸石类催化剂等所希望的催化剂，也可以将这些催化剂组合。此外，SCR催化剂可以载持在具有蜂窝结构的催化剂载体上，也可以装入筒体使其封装。
在利用SCR催化剂将废气中的NOx分解成氮和水而无害化的情况下，必须在其上游侧向废气中供给氨等还原剂，但预先将氨水储存在船内伴随着危险。因此，在本实施例中，在与喷嘴19连接的罐中，将作为还原剂前驱体的尿素以水溶液的状态预先储存，在运转时将尿素水19a从喷嘴19向蒸发管18内喷射，利用蒸发管18的热将尿素水解，生成氨气。
图3是表示第一实施例的蒸发管18(内管)和排气通道15(外管)的结构放大图。在第一实施例中，为了充分确保从喷嘴19喷雾的尿素水的水解反应进行的时间，在图3中，将虚线A至B的区间作成由双重管结构形成的流速减小区间。
通过排气歧管16聚集的高温废气在排气通道15内流动，在虚线A的位置分成通过蒸发管18内侧的废气和通过蒸发管18外侧的废气，在虚线B的位置合流。通过蒸发管18外侧的废气在此时不与尿素水混合，但由于在通过蒸发管18内侧的废气中含有完成水解的氨气，因此在虚线B的位置合流时与氨气迅速混合。因此，在导入脱硝反应器17时，氨气成为扩散至废气整体的状态。
另外，在第一实施例中，为了使在蒸发管18外侧流动的废气不旋转地整流成笔直的气流，使废气的气流良好，在排气管18的入口部18b的外侧附近设置有导流叶片20。
如图3所示，蒸发管18的下游侧的出口部18a呈喷嘴状，与入口部18b相比，其管径收缩。此外，在排气通道15上形成文丘里15a，也收缩排气通道15的管径，使其至少包含所述喷嘴状的出口部18a的开放端18aa存在的位置(虚线B所表示的位置)。
在第一实施例中，通过设置在排气通道15上的文丘里15a的效应，蒸发管18的喷嘴状的出口部18a附近的废气的压力低于入口部18b附近的废气的压力。由此，在蒸发管18内，废气不会滞留，能够得到从入口部18b向出口部18a的稳定的废气气流。
与图1同样地，在将虚线A的位置的气体的流速设为V0，将排气通道15中上游侧的直径设为D，将文丘里15a的直径设为Dr，将蒸发管18中上游侧的入口部18b的直径设为d，将喷嘴状的出口部18a的直径设为dr的情况下，通过蒸发管18内侧的废气速度V可以通过V＝V0×{(dr×D)/(d×Dr)}2的式子求出。
这里，在排气通道15的收缩程度(Dr/D的值)或蒸发管18的收缩程度(dr/d的值)不足，或者完全不设置这些收缩的情况下，具有通过蒸发管18内侧及外侧的废气的速度不稳定的情况。相反，如果过度收缩Dr/D或dr/d的值，则具有排气系统的压力损失过于明显，导致发动机的效率或性能下降的危险。因此，排气通道15与蒸发管18的收缩程度根据这些管的尺寸或形状、作为目标的废气流速V的值来调整。
图4是表示本发明的废气净化装置的第二实施例的结构图。该第二实施例的废气净化装置11与上述的第一实施例的不同点为，蒸发管18的入口部18b与出口部18a的直径长度相同，在蒸发管18(内管)上不设置收缩，以及在蒸发管18的内部设置尿素水解催化剂23，该尿素水解催化剂23用来促进从喷嘴19喷雾的尿素水19a(含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液)的水解。该尿素水解催化剂23可以使用例如在氧化钛(TiO2)的载体中添加了氧化钨(WO3)的结构的催化剂。
图5是表示第二实施例的蒸发管18(内管)和排气通道15(外管)的结构放大图。在第二实施例中，为了充分确保从喷嘴19喷雾的尿素水的水解反应进行的时间，在图5中，将虚线A至B的区间作成由双重管结构形成的流速减小区间，但在出口部18a上不设置收缩。另一方面，如图5所示，在蒸发管18的内部，在出口部18a附近配置有尿素水解催化剂23。这样，如果在出口部18a配置尿素水解催化剂23，通过废气通过该尿素水解催化剂23时的压力损失，在蒸发管18内流动的废气流量减少。由此，在第二实施例的结构中，也能够减缓在蒸发管18内流动的废气流速。而且，在第二实施例中，由于通过所述尿素水解催化剂23的作用，尿素的水解被促进，因此能够在流速减小区间内结束向氨的水解。
在本发明中，由于通过蒸发管18(内管)的废气流速缓慢，因此该废气中所含的尿素的速度也变慢。因此，由于直至尿素通过尿素水解催化剂23的时间变长，尿素与尿素水解催化剂23的接触频度变高，因此即使是少的催化剂量也可以得到所需的水解率。此外，由于在蒸发管18内流动的废气流量少，因此通过向这里投入所需量的尿素，废气中的尿素浓度升高。由此，由于尿素与尿素水解催化剂23的接触频度变高，因此即使是少的催化剂量也可以得到所需的水解率。
此外，在如图9所示的现有的蒸发管107中，如果尿素水的喷雾状态不佳，则尿素水的一部分附着在蒸发管107的内面上，由于该附着部分变成低温，不能对尿素施加充足的热，因此不是生成氨，而会生成氰尿酸或缩二脲、三聚氰胺、其他来源于尿素的化合物，这些沉积物附着在蒸发管107的内面上，具有该沉积物妨碍废气流动的问题。与此相对，本发明中，通过如前所述采用双重管结构，在尿素水附着在蒸发管18的内面上的情况下，不仅施加有在蒸发管18内流动的废气的热，而且施加有来自在蒸发管18外侧流动的废气的热，因此尿素水附着的部分难以变成低温，具有来源于尿素的上述沉积物难以生成的优点。
图6是表示本发明的废气净化装置的第三实施例的结构图。51是将本发明应用于四汽缸船用柴油发动机的废气净化装置，其在排气歧管56的内部，连续配置有蒸发管58和脱硝反应器57，所述排气歧管56将从分别与设置在发动机52的各汽缸盖上的排气口52a连接的排气连接管53排出的废气聚集，并引导至涡轮增压器54的涡轮54a上游侧的排气通道55，所述蒸发管58的长度方向两端在排气歧管56内开放。而且，设置有喷嘴59，该喷嘴59能够对通过蒸发管58内的废气进行含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液59a的喷雾。
蒸发管58的出口部58a的形状为喷嘴状，小于入口部58b的直径。此外，在排气歧管56上形成文丘里56a，使其包含蒸发管58的出口部58a的开放端58aa存在的位置。另外，54b表示对从进气通道61进气的空气进行压缩的涡轮增压器54的压缩机。此外，62表示将由压缩机54b压缩的空气通过进气连接管分配至发动机52的各汽缸进气口的进气歧管。
也就是说，在第三实施例中，排气歧管56相当于图1的外管2，蒸发管58相当于图1的内管3，将蒸发管58装入排气歧管56的内部这一点与第一实施例不同。
因此，在第三实施例中，由于在排气歧管56的内部装有蒸发管58及脱硝反应器57的全部，因此与现有的管径尺寸大的蒸发管与排气歧管同时设置的装置相比，装置尺寸变得非常紧凑。此外，一般地，在具备涡轮增压器的发动机中，在进行突然加速时，对于发动机输出的增大要求，具有发生进气迟缓等发生控制延迟的情况，但在第三实施例的结构中，由于能够缩短到达涡轮54a的排气路径，因此排气控制也变得容易。
图7是表示本发明的废气净化装置的第四实施例的结构图。该第四实施例的废气净化装置51与上述的第三实施例的不同点为，蒸发管58的入口部58b与出口部58a的直径长度相同，在蒸发管58(内管)上不设置收缩，以及在蒸发管58的内部设置尿素水解催化剂63，该尿素水解催化剂63用来促进从喷嘴59喷雾的尿素水59a(含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液)的水解。该尿素水解催化剂63与上述的第二实施例同样，可以使用例如在氧化钛(TiO2)的载体中添加了氧化钨(WO3)的结构的催化剂。
在第四实施例中，由于在蒸发管58的内部，在出口部58a的附近配置尿素水解催化剂63，通过该尿素水解催化剂63的作用，尿素的水解被促进，因此能够在流速减小区间内结束向氨的水解。
本发明不限于上述实施例，毋庸置疑，在各权利要求所记载的技术思想的范围内可以适当改变实施方式。
例如，在上述实施例中，公开了从喷嘴19向蒸发管18内的废气进行作为还原剂前驱体的尿素水19a的喷雾的结构，但还原剂前驱体的成分不限于此。例如，也可以使用高浓度的尿素与低浓度的氨的混合水溶液。
此外，在上述实施例中，公开了在蒸发管18的入口部18b附近设置喷嘴19的例子，但设置喷嘴19的位置不限于此，例如也可以设置在蒸发管18的中央。
此外，在第二实施例中，如图5所示，公开了在蒸发管18的内部配置尿素水解催化剂23的情况下，在蒸发管18的出口部18a不设置收缩的例子，但第二实施例的结构不限于此。例如，如图8所示的变形例那样，在蒸发管18的内部配置尿素水解催化剂23的情况下，也可以在蒸发管18的出口部18a设置收缩。
即使是在蒸发管18的出口部18a不设置收缩的图5的结构，也能够通过因配置了尿素水解催化剂23导致的压力损失，一定程度地降低废气流速，但难以将废气流速细微地调整至所希望的速度。与此相对，如图8的结构那样，在蒸发管18的出口部18a设置收缩的情况下，通过将收缩程度设计为最佳，能够容易第进行废气流速的调整。
这样，在并用了尿素水解催化剂23和出口部18a的收缩的情况下，容易将废气流速降低至所希望的速度，并且，通过催化剂的作用，能够促进尿素的水解。
此外，在第三实施例中，公开了在蒸发管58的内部仅设置喷嘴59的例子，也可以在喷嘴59的下游侧，且在蒸发管58的内部，设置用来整理蒸发管58内的废气气流的整流器。此外，还可以在蒸发管58的内部设置静态混合器，使尿素水59a水解生成的氨气与废气在蒸发管58内充分混合。
附图标记说明
11  废气净化装置
12   发动机
12a  排气口
13   排气连接管
14   涡轮增压器
14a  涡轮
15   排气通道
15a  文丘里
16   排气歧管
17   脱硝反应器
18   蒸发管
18a  出口部
18b  入口部
19   喷嘴
19a  尿素水

Claims (6)

1.一种废气净化装置，其特征在于，具备排气歧管和脱硝反应器，所述排气歧管将从与发动机的排气口连接的排气连接管排出的废气聚集，并引导至排气通道，所述脱硝反应器设置在所述排气通道上；
在所述脱硝反应器的上游侧，且在所述排气通道内部，设置在长度方向两端开放的蒸发管，同时设置喷嘴，所述喷嘴能够对通过所述蒸发管内的废气进行含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液的喷雾。
2.根据权利要求1所述的废气净化装置，其特征在于，使所述蒸发管的出口部的直径小于入口部的直径，同时在所述排气通道上形成文丘里，使其包含所述蒸发管的出口部的开放端存在的位置。
3.根据权利要求1所述的废气净化装置，其特征在于，在所述蒸发管的内部设置尿素水解催化剂，该尿素水解催化剂用来促进从所述喷嘴喷雾的含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液的水解。
4.一种废气净化装置，其特征在于，在排气歧管的内部连续配置蒸发管和脱硝反应器，所述排气歧管将从与发动机的排气口连接的排气连接管排出的废气聚集，并引导至排气通道，所述蒸发管在长度方向两端开放；同时，设置有喷嘴，该喷嘴能够对通过所述蒸发管内的废气进行含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液的喷雾。
5.根据权利要求4所述的废气净化装置，其特征在于，使所述蒸发管的出口部的直径小于入口部的直径，同时，在所述排气歧管上形成文丘里，使其包含所述蒸发管的出口部的开放端存在的位置。
6.根据权利要求4所述的废气净化装置，其特征在于，在所述蒸发管的内部设置尿素水解催化剂，该尿素水解催化剂用来促进从所述喷嘴喷雾的含有还原剂、还原剂前驱体这两种或任意一种的水溶液的水解。
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