CN107269360A - 还原剂喷射装置以及废气处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种还原剂喷射装置及具备其的废气处理装置，该还原剂喷射装置在通过向经通电发热的蜂窝结构体(蜂窝加热器)添加尿素从而促进尿素分解为NH3的废气处理装置中能够抑制尿素沉积物。还原剂喷射装置具备蜂窝结构体和将尿素水溶液以雾状喷出的尿素喷雾装置。蜂窝结构体中形成有一对电极部。还原剂喷射装置的蜂窝结构体中，将与孔格的延伸方向正交的截面上的一个孔格的截面面积设为S、一个孔格的截面的周长设为C时，以HD＝4×S/C定义的水力直径HD为0.8～2.0mm。另外，与孔格的延伸方向正交的截面上的、蜂窝结构体的开口率OFA为45～80％。

Description

还原剂喷射装置以及废气处理装置
技术领域
本发明涉及净化废气的还原剂喷射装置以及废气处理装置。
背景技术
以往，为了净化从各种引擎等排出的废气中的氮氧化物(NOX)，使用选择性催化还原型NOX催化剂(SCR催化剂)(例如，参照专利文献1)。
专利文献1中记载的废气净化装置具有安装于引擎的排气管的催化剂(SCR催化剂)、以及向引擎与催化剂之间的排气管内喷射尿素水的单元。并且将尿素水与尾气混合，利用催化剂使其与尾气中的特定成分进行反应，并且在多个部位设置用于将尿素水与尾气混合的尿素水喷射单元。
专利文献1中记载的废气净化装置利用废气的热将尿素水分解(需要200℃以上)，因此在因引擎的燃油经济性提高等而导致废气的温度降低时，存在尿素变得难以反应这样的问题。
因此，提出了一种废气处理装置，其通过向经通电发热的蜂窝结构体(蜂窝加热器)添加尿素，从而促进尿素分解为NH3(专利文献2)。通过以NH3气体的形式添加到配管中，从而即使在废气的低温区域也能够净化NOX。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-327377号公报
专利文献2：国际公开第2014/148506号
发明内容
发明所要解决的课题
然而，如果将尿素添加到经通电发热的蜂窝结构体(蜂窝加热器)，则添加了尿素的部位的温度降低，在蜂窝加热器内产生温度不均。因此，有可能在低温部生成尿素沉积物(deposit：起因于尿素的结晶)。如果产生尿素沉积物，则蜂窝加热器的路径被阻断，会阻碍尿素分解为NH3，导致功能损失。
尿素沉积物具有依赖于添加了尿素时的蜂窝加热器的温度的倾向，因此为了抑制尿素沉积物，提高通电功率是有效的。然而，如果尿素添加量增多，则由于蜂窝加热器的温度更加降低，因而需要高功率，因此蜂窝加热器内的温度分布也变大，导致蜂窝加热器的破损。
本发明的课题在于提供一种还原剂喷射装置、以及具备该还原剂喷射装置的废气处理装置，所述还原剂喷射装置在通过向经通电发热的蜂窝结构体(蜂窝加热器)添加尿素从而促进尿素分解为NH3的废气处理装置中，能够抑制尿素沉积物。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，根据本发明，提供以下的还原剂喷射装置、以及废气处理装置。
[1]一种还原剂喷射装置，其具备蜂窝结构体以及将尿素水溶液以雾状喷出的尿素喷雾装置，上述蜂窝结构体具有柱状的蜂窝结构部和配设于上述蜂窝结构部的侧面的至少一对电极部，上述蜂窝结构部具有划分形成多个孔格的隔壁，上述孔格从作为流体流入侧的端面的第一端面延伸至作为流体流出侧的端面的第二端面并成为流体的流路；上述一对电极部分别形成为在上述蜂窝结构部的孔格的延伸方向上延伸的带状，在与上述孔格的延伸方向正交的截面上，上述一对电极部中的一个上述电极部隔着上述蜂窝结构部的中心而配设于上述一对电极部中的另一个上述电极部的相反侧；将与上述孔格的延伸方向正交的截面上的一个上述孔格的截面面积设为S、一个上述孔格的上述截面的周长设为C时，以HD＝4×S/C定义的水力直径HD为0.8～2.0mm，与上述孔格的延伸方向正交的截面上的、上述蜂窝结构体的开口率OFA为45～80％，由上述尿素喷雾装置喷出的上述尿素水溶液从上述蜂窝结构部的上述第一端面被供给到上述孔格内，供给到上述孔格内的上述尿素水溶液中的尿素在经通电加热的上述蜂窝结构部内被加热而水解，生成氨，上述氨从上述第二端面被排出到上述蜂窝结构部的外侧，并且上述氨被喷射至外部。
[2]一种废气处理装置，其具备：使含有NOX的废气流动的排气管、上述[1]所述的还原剂喷射装置、以及SCR催化剂，所述还原剂喷射装置将上述氨喷射到上述排气管内，所述SCR催化剂配置于上述排气管的与喷射上述氨的位置相比的下游侧。
发明效果
根据本发明的还原剂喷射装置，由尿素喷雾装置喷出的尿素水溶液被供给到蜂窝结构体的孔格内。并且，尿素水溶液中的尿素在经通电加热的蜂窝结构体内被加热而水解，生成氨，并被喷出。本发明的还原剂喷射装置通过将蜂窝结构体的开口率OFA和水力直径HD设为预定范围内，从而蜂窝结构体的孔格不会发生由尿素沉积物(也简称为沉积物)导致的堵塞。
根据本发明的废气处理装置，由于具备上述本发明的还原剂喷射装置，因此即使废气为低温，也能够以较少的能量由尿素水溶液产生氨。
附图说明
图1为示出本发明的还原剂喷射装置的一个实施方式的截面的示意图。
图2为示意性示出构成本发明的还原剂喷射装置的一个实施方式的蜂窝结构体的端面的平面图。
图3为示意性示出本发明的废气处理装置的一个实施方式的截面的示意图。
符号说明
1：蜂窝结构体、2：尿素喷雾装置、3：尿素喷雾空间、4：外筒、5：绝缘保持部、6：连接器、7：电气配线、11：蜂窝结构部、12：电极部、13：第一端面、14：第二端面、15：隔壁、16：孔格、17：外周壁、18：电极端子突起部、21：(外筒的)入口侧端部、22：(外筒的)出口侧端部、23：喷射口、40：尿素水解催化剂、51：排气管、52：SCR催化剂、53：催化剂体、54：收纳容器、55：DPF、56：氧化催化剂、100：还原剂喷射装置、200：废气处理装置、a：从尿素喷雾装置喷出的尿素水溶液、b：氨、c：废气、d：氨与废气的混合气体、e：去除NOX后的废气
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明。本发明并非限于以下的实施方式，只要不脱离本发明的范围，就能够进行变更、修改、改良。
(1)还原剂喷射装置：
图1为示出本发明的还原剂喷射装置100的一个实施方式的截面(与蜂窝结构部11的孔格16的延伸方向平行的截面)的示意图。如图1所示，本发明的还原剂喷射装置100的一个实施方式具备蜂窝结构体1(也称为蜂窝加热器。)以及将尿素水溶液以雾状喷出的尿素喷雾装置2。蜂窝结构体1具有柱状的蜂窝结构部11和配设于蜂窝结构部11的侧面的至少一对电极部12、12。蜂窝结构部11具有“划分形成‘从作为流体流入侧的端面的第一端面13延伸至作为流体流出侧的端面的第二端面14并成为流体流路的多个孔格16’的隔壁15”。一对电极部12、12分别形成为在蜂窝结构部11的孔格16的延伸方向上延伸的带状。在与孔格16的延伸方向正交的截面上，一对电极部12、12中的一个电极部12隔着蜂窝结构部11的中心而配设于一对电极部12、12中的另一个电极部12的相反侧。需要说明的是，电极部12最少由一对构成，但为了使加热器发热效率良好，也可以为多对。
还原剂喷射装置100的蜂窝结构体1中，将与孔格16的延伸方向正交的截面上的一个孔格16的截面面积设为S、一个孔格16的截面的周长设为C时，以HD＝4×S/C定义的水力直径HD为0.8～2.0mm。另外，与孔格16的延伸方向正交的截面上的、蜂窝结构体1的开口率OFA为45～80％。开口率OFA是作为孔格的开口面积相对于蜂窝结构体1的与孔格16的延伸方向正交的截面的总截面积(包括外周壁、孔格的开口部分。不包括电极部。)的比率算出的值。水力直径HD更优选为0.9～1.9mm，进一步优选为1.0～1.7mm。另外，开口率OFA更优选为50～80％，进一步优选为60～80％。通过将水力直径和开口率设为上述范围，能够防止孔格16因尿素沉积物而堵塞。
废气温度低的情况下，蜂窝加热器(蜂窝结构体1)被通电加热。该情况下，若开口率OFA大于80％，则蜂窝加热器的发热部变小，加热器输出功率变小。这样的话，无法将尿素充分分解，容易产生尿素沉积物。另一方面，若开口率OFA小于45％，则蜂窝加热器的热容量变大，容易因功率不足而变成低温。这样的话，无法将尿素充分分解，容易产生尿素沉积物。如果提高功率，则蜂窝加热器容易破损。
另外，蜂窝加热器(蜂窝结构体1)被通电加热时，若水力直径HD大于2.0mm，则容易发生尿素的偏流，氨的产生量容易降低。也就是说，尿素分解效率容易降低。因此，水力直径为2.0mm以下的情况下，尿素的偏流变少，尿素分解效率提高。
废气温度高的情况下，蜂窝加热器(蜂窝结构体1)未被通电加热。该情况下，开口率不太影响尿素分解效率。另外，蜂窝加热器(蜂窝结构体1)未被通电加热时，若水力直径大，则尿素通过性提高，没有问题。另一方面，若水力直径小，则尿素容易残留于蜂窝加热器内，水分蒸发而容易析出尿素晶体。由上，为了抑制尿素沉积物，提高还原剂喷射装置100的功能，优选将开口率设为45～80％、水力直径设为0.8～2.0mm。
本实施方式的还原剂喷射装置100中，由尿素喷雾装置2喷出的尿素水溶液a从蜂窝结构部11的第一端面13被供给到孔格16内。然后，供给到孔格16内的尿素水溶液中的尿素在经通电加热的蜂窝结构部11内被加热而水解，生成氨(还原剂)。然后，氨b从第二端面14被排出到蜂窝结构部11的外侧。
本实施方式的还原剂喷射装置100中，用于产生氨的原料为尿素水溶液。因此，可以使用市场上流通的尿素水溶液(例如，AdBlue(32.5质量％的尿素水溶液，德国汽车工业协会(VDA)的注册商标)。因此，用于产生氨的原料即尿素水溶液的供应这方面的便利性也高。
本实施方式的还原剂喷射装置100中，蜂窝结构体1被收纳于筒状的外筒4内。蜂窝结构体1通过绝缘保持部5而被固定于外筒4内。
如图2所示，蜂窝结构体1中，蜂窝结构部11的第一端面13优选为正方形。第一端面13的形状并不限于正方形，也可以是长方形、其它多边形、圆形、椭圆形等形状。需要说明的是，第一端面13的形状优选与第二端面14的形状相同，进一步优选与蜂窝结构部11的与孔格16的延伸方向正交的截面的形状也相同。
此外，优选在蜂窝结构部11的第一端面13与尿素喷雾装置2之间形成有尿素喷雾空间3。尿素喷雾空间3是由蜂窝结构体1的第一端面13、尿素喷雾装置2和外筒4形成的空间。对于本实施方式的还原剂喷射装置100，在形成有尿素喷雾空间3的情况下，由尿素喷雾装置2喷出的尿素水溶液a通过尿素喷雾空间3而从蜂窝结构部11的第一端面13被供给到孔格16内。
外筒4是具有作为一个端部的入口侧端部21和作为另一个端部的出口侧端部22的筒状。在出口侧端部22的前端形成有用于喷射氨气的开口部即喷射口23。在外筒4的入口侧端部21内安装有尿素喷雾装置2。外筒4的材质优选为不锈钢等。
蜂窝结构体1通过绝缘保持部5被固定(保持)于外筒4内。由此，确保了蜂窝结构体1与外筒4的绝缘。绝缘保持部5的材质优选为氧化铝。此外，在蜂窝结构体1与外筒4之间，也可以具有未配置绝缘保持部5的部分(空间)。此外，蜂窝结构体1的外周整体可以被绝缘保持部5覆盖。
本实施方式的还原剂喷射装置100构成为：从蜂窝结构体1的第二端面14排出的氨在外筒4的出口侧端部22内通过并从喷射口23喷射。
以下，对于本实施方式的还原剂喷射装置100，进一步对各构成要素进行说明。
(1-1)蜂窝结构体：
本实施方式的还原剂喷射装置100中，如上所述，蜂窝结构体1具备蜂窝结构部11和一对电极部12、12。蜂窝结构体1具有划分形成“从第一端面13延伸至第二端面14并成为流体流路的多个孔格16”的隔壁15。
蜂窝结构部11在隔壁15的外侧配设有外周壁17。蜂窝结构部11中，隔壁15和外周壁17的材质优选为陶瓷。特别是隔壁15和外周壁17的材质优选为以“硅-碳化硅复合材料”、“碳化硅”等为主成分的材质。其中，进一步优选为以“硅-碳化硅复合材料”为主成分的材质。通过使用这样的材质，从而容易通过变更碳化硅与硅的比率而将蜂窝结构部11的电阻率调整为任意的值。这里，硅-碳化硅复合材料含有作为骨料的碳化硅颗粒、以及作为使碳化硅颗粒结合的结合材料的金属硅。并且，硅-碳化硅复合材料中优选多个碳化硅颗粒通过金属硅进行了结合。此外，上述“碳化硅”是碳化硅颗粒彼此烧结而形成的。此外，本说明书中，“主成分”是指含有90质量％以上的成分。
蜂窝结构部11的电阻率优选为0.01～500Ωcm，更优选为0.1～200Ωcm。由此，通过对一对电极部12、12施加电压，能够有效地使蜂窝结构体1(蜂窝结构部11)发热。特别地，为了使用电压12～200V的电源使蜂窝结构体1(蜂窝结构部11)发热至160～600℃，优选上述电阻率。需要说明的是，蜂窝结构部11的电阻率是在25℃时的值。此外，蜂窝结构部11的电阻率是利用四端子法测定的值。
蜂窝结构部11的每单位体积的表面积优选为5cm2/cm3以上，进一步优选为8～45cm2/cm3，特别优选为20～40cm2/cm3。如果小于5cm2/cm3，则与尿素水的接触面积变小，因此尿素水溶液的处理速度即氨的产生量(产生速度)有时会降低。蜂窝结构部11的表面积是蜂窝结构部11的隔壁15的表面面积。
蜂窝结构体1(蜂窝结构部11)中，隔壁15的厚度优选为0.06～1.5mm，进一步优选为0.10～0.80mm。如果比1.5mm厚，则有时压力损失变大，尿素水溶液的处理速度即氨的产生量(产生速度)降低。如果比0.06mm薄，则有可能因通电所引起的热冲击而被破坏。在孔格16的形状(与孔格的延伸方向正交的形状)为圆形的情况下，隔壁15的厚度是指“孔格彼此间的距离为最短的部分(隔壁15为最薄的部分)”的隔壁15的厚度。孔格密度优选为7～140孔格/cm2，进一步优选为15～120孔格/cm2。如果小于7孔格/cm2，则与尿素水的接触面积变小，因此尿素水溶液的处理速度即氨的产生量(产生速度)有时会降低。如果大于140孔格/cm2，则压力损失变大，尿素水溶液的处理速度即氨的产生量(产生速度)有时会降低。
关于蜂窝结构体1的大小，第一端面13(第二端面14)的面积优选为50～10000mm2，进一步优选为100～8000mm2。
关于蜂窝结构体1，与孔格16的延伸方向正交的截面上的孔格16的形状优选为圆形、椭圆形、四边形、六边形、八边形或者它们的组合。通过这样设定孔格形状，从而使废气流过蜂窝结构体1时的压力损失变小，能够有效地水解尿素。图2所示的蜂窝结构体1中，与孔格16的延伸方向正交的截面(第一端面)上的孔格16的形状为圆形。
一对电极部12、12分别形成为在蜂窝结构部11的孔格16的延伸方向上延伸的带状。进一步，电极部12优选形成为在蜂窝结构部11的周向也扩展的宽幅。此外，在与孔格16的延伸方向正交的截面上，一个电极部12隔着蜂窝结构部11的中心而配设于另一个电极部12的相反侧。由此，在向一对电极部12、12之间施加电压时，能够抑制在蜂窝结构部11内流动的电流的不均。并且，由此能够抑制蜂窝结构部11内的发热不均。
蜂窝结构体1中，电极部12的主成分优选与隔壁15和外周壁17的主成分相同。
电极部12的电阻率优选为0.0001～100Ωcm，进一步优选为0.001～50Ωcm。通过将电极部12的电阻率设为上述范围，从而一对电极部12、12在高温废气流动的配管内有效地发挥电极的作用。蜂窝结构体1中，电极部12的电阻率优选低于蜂窝结构部11的电阻率。需要说明的是，电极部12的电阻率是在25℃时的值。此外，电极部12的电阻率是利用四端子法测定的值。
可以在各电极部12、12分别配设有用于连接来自外部的电气配线的电极端子突起部18。电极端子突起部18的材质可以为导电性陶瓷，也可以为金属。电极端子突起部18的材质优选与电极部12相同。此外，电极端子突起部18与外筒4的连接器6优选通过电气配线7连接。
优选在蜂窝结构体1(蜂窝结构部11)中具备尿素水解催化剂40。由此能够有效地由尿素生成氨。作为尿素水解催化剂40，可以举出铜沸石、氧化铝等。
(1-2)尿素喷雾装置：
尿素喷雾装置2优选为电磁式、超声波式、压电执行器式或雾化器式。通过使用它们，能够将尿素水溶液以雾状喷出。此外，其中，如果使用电磁式、超声波式或压电执行器式，则能够不使用空气而将尿素水溶液以雾状喷出。因此，在蜂窝结构体1中，不需要连尿素喷射所用的空气也进行加热，能够减少用于加热的能量。进一步，由于没有喷射空气，从而喷射体积减少，能够使“雾状的尿素水溶液”通过蜂窝结构体1的速度降低，因此能够延长水解所需的反应时间。从尿素喷雾装置2喷出的尿素水溶液的液滴大小(直径)优选为0.3mm以下。如果大于0.3mm，则有时会在从蜂窝结构体1受热时难以气化。
电磁式的尿素喷雾装置2是通过“电磁的振动”或“由使用了电磁的电场引起的活塞的前后动作”将尿素水溶液以雾状喷出的装置。
超声波式的尿素喷雾装置2是通过超声波振动将尿素水溶液以雾状喷出的装置。
压电执行器式的尿素喷雾装置2是通过压电元件的振动将尿素水溶液以雾状喷出的装置。
雾化器式的尿素喷雾装置2例如是一边用管将液体吸取上来一边在空气中将“吸取至该管的前端的开口部的液体”以雾状吹出，从而将该液体喷出的装置。此外，雾化器式的尿素喷雾装置2也可以是在喷嘴的前端形成多个小的开口部并从该开口部将液体以雾状喷出的装置。
本实施方式的还原剂喷射装置100优选将尿素水溶液从尿素喷雾装置2朝着蜂窝结构体1的第一端面13喷出。即，尿素喷雾装置2中，优选尿素水溶液的喷雾方向(液滴飞溅的方向)朝向蜂窝结构体1的第一端面13。
(2)还原剂喷射装置的制造方法：
(2-1)蜂窝结构体的制造：
在蜂窝结构体1为陶瓷制的情况下，蜂窝结构体1的制造方法优选为如下所示的制造方法。蜂窝结构体1的制造方法优选具有蜂窝成形体制作工序、蜂窝干燥体制作工序、带有未烧成电极的蜂窝体制作工序、以及蜂窝结构体制作工序。
(2-1-1)蜂窝成形体制作工序：
蜂窝成形体制作工序中，优选将成形原料挤出成形，制作蜂窝成形体。成形原料优选含有陶瓷原料和有机粘合剂。在成形原料中，优选除了陶瓷原料和有机粘合剂以外，还含有表面活性剂、烧结助剂、造孔材料、水等。成形原料可以将这些原料混合而制作。
成形原料中的陶瓷原料为“陶瓷”或“通过烧成而变成陶瓷的原料”。陶瓷原料是在任意情况下都在烧成后成为陶瓷的原料。成形原料中的陶瓷原料优选为：以金属硅和碳化硅颗粒(碳化硅粉末)为主成分的陶瓷原料、或者以碳化硅颗粒(碳化硅粉末)为主成分的陶瓷原料。由此，所得到的蜂窝结构体1变成导电性。金属硅也优选为金属硅颗粒(金属硅粉末)。此外，“以金属硅和碳化硅颗粒为主成分”是指金属硅和碳化硅颗粒的合计质量为整体(陶瓷原料)的90质量％以上。此外，作为陶瓷原料中所包含的除主成分以外的成分，可以举出SiO2、SrCO3、Al2O3、MgCO3、堇青石等。
在使用碳化硅作为陶瓷原料的主成分的情况下，通过烧成来烧结碳化硅。此外，在使用金属硅和碳化硅颗粒作为陶瓷原料的主成分的情况下，可以通过烧成，将金属硅作为结合材料而使作为骨料的碳化硅彼此结合。
在使用碳化硅颗粒(碳化硅粉末)和金属硅颗粒(金属硅粉末)作为陶瓷原料的情况下，相对于碳化硅颗粒的质量与金属硅颗粒的质量的合计，金属硅颗粒的质量优选为10～40质量％。碳化硅颗粒的平均粒径优选为10～50μm，进一步优选为15～35μm。金属硅颗粒的平均粒径优选为0.1～20μm，进一步优选为1～10μm。碳化硅颗粒和金属硅颗粒的平均粒径是用激光衍射法测定的值。
作为有机粘合剂，可以举出甲基纤维素、甘油、羟丙基甲基纤维素等。作为有机粘合剂，可以使用一种有机粘合剂，也可以使用多种有机粘合剂。关于有机粘合剂的含量，当将陶瓷原料的合计质量设为100质量份时，优选为5～10质量份。
作为表面活性剂，可以使用乙二醇、糊精等。作为表面活性剂，可以使用一种表面活性剂，也可以使用多种表面活性剂。关于表面活性剂的含量，当将陶瓷原料的合计质量设为100质量份时，优选为0.1～2.0质量份。
作为烧结助剂，可以使用SiO2、SrCO3、Al2O3、MgCO3、堇青石等。作为烧结助剂，可以使用一种烧结助剂，也可以使用多种烧结助剂。关于烧结助剂的含量，当将陶瓷原料的合计质量设为100质量份时，优选为0.1～3质量份。
作为造孔材料，只要是在烧成后形成气孔的材料就没有特别限定，例如可以举出石墨、淀粉、发泡树脂、吸水性树脂、硅胶等。作为造孔材料，可以使用一种造孔材料，也可以使用多种造孔材料。关于造孔材料的含量，当将陶瓷原料的合计质量设为100质量份时，优选为0.5～10质量份。
关于水的含量，当将陶瓷原料的合计质量设为100质量份时，优选为20～60质量份。
在将成形原料挤出成形时，首先，优选将成形原料混炼而形成坯土。
接着，优选将坯土挤出成形而形成蜂窝成形体。蜂窝成形体具有划分形成“从作为流体流入侧的端面的第一端面延伸至作为流体流出侧的端面的第二端面并成为流体流路的多个孔格”的多孔质的隔壁15。此外，蜂窝成形体以具有位于最外周的外周壁的方式形成也是优选的方式。蜂窝成形体的隔壁为未干燥、未烧成的隔壁。
(2-1-2)蜂窝干燥体制作工序：
蜂窝干燥体制作工序优选为使所得到的蜂窝成形体干燥而制作蜂窝干燥体的工序。干燥条件没有特别限定，可以使用公知的条件。例如，优选以80～120℃干燥0.5～5小时。
(2-1-3)带有未烧成电极的蜂窝体制作工序：
带有未烧成电极的蜂窝体制作工序中，首先，优选在蜂窝干燥体的侧面涂布含有陶瓷原料和水的电极形成用浆料。并且，之后，优选使电极形成用浆料干燥而形成未烧成电极，制作带有未烧成电极的蜂窝体。
带有未烧成电极的蜂窝体优选在蜂窝干燥体上形成有宽幅的长方形的未烧成电极，该电极在孔格延伸方向上以带状延伸的同时也向周向扩展。周向是指在与孔格的延伸方向正交的截面上沿着蜂窝干燥体侧面的方向。
带有未烧成电极的蜂窝体制作工序中使用的电极形成用浆料含有陶瓷原料和水，除此之外，还优选含有表面活性剂、造孔材料、水等。
作为陶瓷原料，优选使用制作蜂窝成形体时所使用的陶瓷原料。例如，在将制作蜂窝成形体时使用的陶瓷原料的主成分设为碳化硅颗粒和金属硅的情况下，作为电极形成用浆料的陶瓷原料，优选也使用碳化硅颗粒和金属硅。
在蜂窝干燥体的侧面涂布电极形成用浆料的方法没有特别限定。例如，可以使用毛刷进行涂布或者使用印刷方法进行涂布。
电极形成用浆料的粘度优选在20℃时为500Pa·s以下，进一步优选为10～200Pa·s。如果超过500Pa·s，则有时难以将电极形成用浆料涂布于蜂窝干燥体的侧面。
优选在将电极形成用浆料涂布于蜂窝干燥体后，使电极形成用浆料干燥，形成未烧成电极(带有未烧成电极的蜂窝体)。干燥温度优选为80～120℃。干燥时间优选为0.1～5小时。
接着将尿素水解催化剂40担载于蜂窝结构体1。作为尿素水解催化剂40，例如可以使用氧化铝。作为将尿素水解催化剂40担载于蜂窝结构体1的隔壁15的方法，例如使蜂窝结构体1浸渍于存积有尿素水解催化剂40的浆料的容器中。需要说明的是，通过调整尿素水解催化剂40的浆料的粘度、所含有的尿素水解催化剂40的粒径等，从而不仅能够将催化剂担载于隔壁15的表面，还能够将催化剂担载至隔壁15的细孔的内部，进而还能够调节所担载的催化剂的量。此外，也可以通过进行多次浆料的吸引，来调节所担载的催化剂的量。
(2-1-4)蜂窝结构体制作工序：
蜂窝结构体制作工序是将带有未烧成电极的蜂窝体烧成而制作蜂窝结构体1的工序。
烧成条件可以根据蜂窝成形体的制造中使用的陶瓷原料、以及电极形成用浆料中使用的陶瓷原料的种类来适当确定。
此外，在使带有未烧成电极的蜂窝成形体干燥后，优选在烧成前进行预烧成，以便去除粘合剂等。预烧成优选在大气气氛中于400～500℃进行0.5～20小时。
(2-2)还原剂喷射装置的制造：
优选在外筒4安装用于连接来自外部的电气配线的连接器，将蜂窝结构体1和尿素喷雾装置2收纳于外筒4并固定，从而制作还原剂喷射装置100。
外筒4优选将不锈钢等材料形成为筒状来制作。蜂窝结构体1优选通过绝缘保持部固定于外筒4内。此外，在蜂窝结构体1与外筒4之间具有未配设绝缘保持部的部分(空间)的情况下，优选填充绝缘部件。
(3)还原剂喷射装置的使用方法：
本实施方式的还原剂喷射装置100(参照图1)的使用方法如下。
还原剂喷射装置100可以通过供给尿素水溶液而将所供给的尿素水溶液中的尿素水解，并喷射氨。尿素水溶液是用于产生氨的原料。更具体而言，优选对蜂窝结构体1进行通电，使蜂窝结构体1升温(加热)，将尿素水溶液供给至向尿素喷雾装置2供给，从尿素喷雾装置2向尿素喷雾空间3内喷出雾状的尿素水溶液。在从尿素喷雾装置2喷出尿素水溶液时，优选向蜂窝结构体1的第一端面13喷出。而后，向尿素喷雾空间3内喷出的雾状尿素水溶液(从尿素喷雾装置2喷出的尿素水溶液a)在蜂窝结构体1中被加热而蒸发。然后，由于尿素水溶液的蒸发，使得尿素喷雾空间3内的压力上升，因此尿素和水从第一端面13进入蜂窝结构体1的孔格16内。然后，供给到孔格16内的尿素利用被加热的蜂窝结构体1的温度而水解，生成氨b。
相对于废气所含的氮氧化物量，尿素水溶液的供给量以当量比计优选为1.0～2.0。在以当量比计为1.0以下的情况下，未被净化而排出的氮氧化物量有时会增加。如果以当量比计超过2.0，则有在废气中混入有氨的状态下废气被排出的可能性变高的担忧。
尿素水溶液优选为10～40质量％的尿素水溶液。如果低于10质量％，则为了还原NOX需要喷雾大量的尿素水，蜂窝加热器中使用的电量有时会增加。如果高于40质量％，则在寒冷地区尿素有可能发生凝固。最优选的例子是使用市场上广泛流通的AdBlue(32.5质量％尿素水溶液)。
蜂窝结构体1的温度优选为160℃以上，进一步优选为160～600℃，特别优选为160～400℃。如果低于160℃，则有时难以将尿素水解。如果高于600℃，则氨被燃烧，有时无法将氨供给到排气管。此外，从能够将还原剂喷射装置100中析出的硫酸氢铵、硫酸铵等硫化合物去除的方面考虑，蜂窝结构体1的温度优选为360℃以上。
对蜂窝结构体1施加的最大电压优选为12～200V，进一步优选为12～100V，特别优选为12～48V。如果低于12V，则有时难以使蜂窝结构体1升温。如果高于200V，则使电压升高的装置变得昂贵而不优选。
(4)废气处理装置：
如图3所示，本发明的废气处理装置的一个实施方式(废气处理装置200)具备排气管51、还原剂喷射装置100、以及配置在“排气管51的与喷射氨的位置相比的下游侧”的SCR催化剂52。还原剂喷射装置100向排气管51内喷射氨。排气管51为使“含有NOX的废气c”流动的配管。
排气管51为使从各种引擎等排出的废气(含有NOX的废气c)通过的配管，在其中将废气与氨混合。排气管51的大小没有特别限定，可以根据安装本实施方式的废气处理装置200的引擎等排气系统来适当确定。此外，排气管51在气体流动方向上的长度没有特别限定，优选为能够使还原剂喷射装置100与SCR催化剂52之间的距离为适当距离的长度。
排气管51的材质没有特别限定，优选为不易产生由废气导致的腐蚀的材质。作为排气管51的材质，例如优选为不锈钢等。
还原剂喷射装置100为本发明的还原剂喷射装置。还原剂喷射装置100安装于排气管51，向排气管51内喷射氨。通过从还原剂喷射装置100向排气管51内喷射氨，从而在排气管51内生成氨与废气的混合气体d。
本实施方式的废气处理装置200具备配置在“排气管51的与喷射氨的位置相比的下游侧”的SCR催化剂52。SCR催化剂52优选以催化剂体53(SCR催化剂52担载于陶瓷蜂窝结构体而成)的状态配置在排气管51的下游侧。
作为SCR催化剂52，具体可以举出钒系催化剂、沸石系催化剂等。
在使用SCR催化剂52作为担载于蜂窝结构体的催化剂体53的情况下，优选将该催化剂体53收纳于收纳容器54内，将该收纳容器54安装于排气管51的下游侧。
担载SCR催化剂52的蜂窝结构体1没有特别限定，可以使用作为“担载SCR催化剂的陶瓷蜂窝结构体”而公知的蜂窝结构体。
在排气管51的上游侧，优选配置有用于捕集废气中的颗粒状物质的过滤器。作为用于捕集颗粒状物质的过滤器，例如可以举出蜂窝形状的陶瓷制的柴油机颗粒过滤器(DPF)55。此外，在排气管51的上游侧，优选配置有用于去除废气中的烃、一氧化碳的氧化催化剂56。氧化催化剂优选为担载于陶瓷制的蜂窝结构体的状态(氧化催化剂体)。作为氧化催化剂，可以适合使用铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属。
在SCR催化剂52的下游侧，优选配置用于去除氨的氨去除催化剂(氧化催化剂)。由此，在去除废气中的NOX中未被使用的多余的氨流到下游侧时，能够防止该氨向外部排出。作为氧化催化剂，可以适合使用铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属。
(5)废气处理方法：
本发明的废气处理方法的一个实施方式是如下方法：使用图3所示的本发明的废气处理装置的一个实施方式(废气处理装置200)，使废气c在排气管51中流动，向废气c喷射氨b，用SCR催化剂52对混合气体进行还原处理。由此得到去除NOX后的废气e。上述废气c含有NOX。上述混合气体为“混入有氨的废气”，是氨与废气的混合气体d。氨b的喷射利用还原剂喷射装置100进行。
从还原剂喷射装置100喷射的氨的喷射量相对于废气中所含的氮氧化物量以当量比计优选为1.0～2.0。在以当量比计小于1.0的情况下，未被净化而排出的氮氧化物量有时会增加。如果以当量比计超过2.0，则有在废气中混入了氨的状态下废气被排出的可能性变高的担忧。
尿素水溶液的喷雾量和蜂窝结构体1的温度(所施加的电压)优选通过电子控制装置来控制。此外，优选根据蜂窝结构体1的电阻值算出温度，以算出的温度成为所希望的温度的方式控制蜂窝结构体1的温度。
实施例
以下，通过实施例更具体地说明本发明，但本发明并不限于这些实施例。
(实施例1)
制作如图1所示的还原剂喷射装置100。具体而言如下所述。首先，制作蜂窝结构体1。
将碳化硅(SiC)粉末与金属硅(Si)粉末以70:30的质量比混合，调制陶瓷原料。然后，在陶瓷原料中添加作为粘合剂的羟丙基甲基纤维素、作为造孔材料的吸水性树脂，并且添加水，制作成形原料。然后，利用真空练泥机将成形原料混炼，制作圆柱状的坯土。当将陶瓷原料设为100质量份时，粘合剂的含量为7质量份。当将陶瓷原料设为100质量份时，造孔材料的含量为3质量份。当将陶瓷原料设为100质量份时，水的含量为42质量份。碳化硅粉末的平均粒径为20μm，金属硅粉末的平均粒径为6μm。此外，造孔材料的平均粒径为20μm。碳化硅、金属硅和造孔材料的平均粒径是利用激光衍射法测定的值。
使用挤出成形机将所得到的圆柱状的坯土成形，得到四棱柱状(与孔格的延伸方向正交的截面为正方形的柱状)的蜂窝成形体。将所得到的蜂窝成形体进行高频感应加热干燥后，使用热风干燥机以120℃干燥2小时，将两端面切断预定量。
接着，将碳化硅(SiC)粉末与金属硅(Si)粉末以60:40的质量比混合，制作电极部用陶瓷原料。然后，在电极部用陶瓷原料中添加作为粘合剂的羟丙基甲基纤维素、作为保湿剂的甘油、作为分散剂的表面活性剂，并且添加水，进行混合。将混合物混炼而制成电极部形成原料。
接着，将电极部形成原料以带状涂布于干燥后的蜂窝成形体的侧面中的平行的两个面上。将电极部形成原料以带状涂布于干燥后的蜂窝成形体的“具有四个平面的侧面(四个侧面)”中的一个侧面上，并且以带状涂布于与该“经涂布的侧面”平行的一个侧面上。将涂布于蜂窝成形体侧面的电极部形成原料的形状(外周形状)设为长方形。
接着，使涂布于蜂窝成形体的电极部形成原料干燥。干燥条件设为70℃。
接着，使用与电极形成材料相同的部件，得到电极端子突起部形成用部件。
接着，将两个电极端子突起部形成用部件分别粘贴于蜂窝成形体的两处涂布了电极部形成原料的部分。之后，对蜂窝成形体进行脱脂、烧成，进一步进行氧化处理，得到蜂窝结构体1。脱脂条件设为550℃、3小时。烧成条件设为氩气氛下、1450℃、2小时。氧化处理条件设为1300℃、1小时。
所得到的蜂窝结构体1的隔壁15的厚度(肋材厚)为0.127mm(5mil)，孔格间距为1.037mm。此外，水力直径为0.91mm。此外，蜂窝结构体1的形状是底面为正方形的柱状。蜂窝结构体1的底面的一边为30mm。此外，蜂窝结构体1在孔格的延伸方向上的长度为25mm。此外，电极部的电阻率为0.1Ωcm，蜂窝结构部11的电阻率为1.4Ωcm。
进一步，蜂窝结构体1上担载有作为尿素水解催化剂的铜沸石。
利用不锈钢制作外筒4。在外筒4的外周安装了两个电气配线用的连接器。在外筒4内插入蜂窝结构体1，用绝缘保持部件进行固定。然后，用电气配线将蜂窝结构体1的电极端子突起部与外筒4的连接器连接。此外，在外筒4的入口侧端部内安装电磁式的尿素喷雾装置2，得到还原剂喷射装置100。
(实施例2～6、比较例1～5)
对于实施例2～6、比较例1～5，与实施例1同样地操作，也制作蜂窝结构体1。尺寸示于表1。
制作如图1所示的还原剂喷射装置100，对蜂窝结构体1通电，产生氨，调查氨的产生量和有无沉积物的产生。另外，对于未通电的情况，也调查了有无沉积物的产生。沉积物是将尿素添加量设为3.0g/min并进行30分钟的实验之后调查得到的。将未产生沉积物的情况设为A、产生了沉积物的情况设为B，将实验结果示于表1。需要说明的是，氨的产生量是使用FTIR气体分析计来测定还原剂喷射装置100的喷射口23处的NH3浓度。关于沉积物的产生，目视观察蜂窝结构体1的第一端面13，判断沉积物的有无。此外，对于蜂窝结构体1的内部，通过X射线CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)观察，判断沉积物的有无。
表1
蜂窝结构体1的水力直径HD为0.8～2.0mm、开口率OFA为45～80％的实施例1～6，未产生沉积物。另一方面，开口率OFA在45～80％外的比较例1、4、5在通电时产生了沉积物。水力直径HD在0.8～2.0mm外的比较例2在不通电时产生了沉积物。水力直径HD在0.8～2.0mm外的比较例3中，尿素分解效率降低。
产业上的可利用性
本发明的还原剂喷射装置以及废气处理装置能够适合用于净化从各种引擎等排出的废气中的氮氧化物(NOX)。

Claims (2)

1.一种还原剂喷射装置，其具备蜂窝结构体以及将尿素水溶液以雾状喷出的尿素喷雾装置，所述蜂窝结构体具有柱状的蜂窝结构部和配设于所述蜂窝结构部的侧面的至少一对电极部，所述蜂窝结构部具有划分形成多个孔格的隔壁，所述孔格从作为流体流入侧的端面的第一端面延伸至作为流体流出侧的端面的第二端面并成为流体的流路，
所述一对电极部分别形成为在所述蜂窝结构部的孔格的延伸方向上延伸的带状，在与所述孔格的延伸方向正交的截面上，所述一对电极部中的一个所述电极部隔着所述蜂窝结构部的中心而配设于所述一对电极部中的另一个所述电极部的相反侧，
将与所述孔格的延伸方向正交的截面上的一个所述孔格的截面面积设为S、一个所述孔格的所述截面的周长设为C时，以HD＝4×S/C定义的水力直径HD为0.8～2.0mm，
与所述孔格的延伸方向正交的截面上的、所述蜂窝结构体的开口率OFA为45～80％，
由所述尿素喷雾装置喷出的所述尿素水溶液从所述蜂窝结构部的所述第一端面被供给到所述孔格内，被供给到所述孔格内的所述尿素水溶液中的尿素在经通电加热的所述蜂窝结构部内被加热而水解，生成氨，所述氨从所述第二端面被排出到所述蜂窝结构部的外侧，并且所述氨被喷射至外部。
2.一种废气处理装置，其具备：使含有NOX的废气流动的排气管、权利要求1所述的还原剂喷射装置以及SCR催化剂，所述还原剂喷射装置向所述排气管内喷射所述氨，所述SCR催化剂配置于所述排气管的与喷射所述氨的位置相比的下游侧。
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