JP2005127271A

JP2005127271A - 尿素水気化器

Info

Publication number: JP2005127271A
Application number: JP2003365830A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ishizaka; 浩石坂; Kazuki Kobayashi; 和樹小林; Takeshi Hirota; 健広田; Nobuaki Shimizu; 宣明清水
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】脱硝触媒に導入される排ガスに尿素水を噴霧する尿素水気化器における尿素水スプレノズル閉塞およびスケーリングと、脱硝触媒入口でのNH₃濃度分布の偏りを防止する。
【解決手段】一方の軸方向端面を閉止した円筒状の旋回室９と、前記旋回室９の閉止側端面に軸線を前記旋回室の軸線に平行させて配置され、旋回室に尿素水を噴出する尿素水スプレノズル２と、前記旋回室９の閉止端面近傍の円周面に接続され、旋回室９に接線方向から排ガスを導入する排ガス入り口ダクト８と、を含んで尿素水気化器を構成し、前記排ガス入り口ダクト８から導入された排ガスは前記旋回室９で旋回流を形成しつつ尿素水スプレノズル２から噴霧された尿素水を気化、混合し、旋回室９の開放側端部から導出されて脱硝触媒７に流入するように系統を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン排ガス脱硝装置の還元剤として用いられる尿素水の吹込み装置に係わり、特に、尿素水を排ガス中に均一分散・気化させることを狙ったコンパクトな尿素水気化器に関する。

図５に示すような、分散電源として用いられるディーゼル発電機などでは、ディーゼルエンジン１４から排出される排ガス中の窒素酸化物（NOx）を除去したのち、サイレンサー１５を介して排気している。窒素酸化物（NOx）を除去する脱硝装置において、触媒による還元作用によって窒素酸化物（NOx）を窒素（N2）に分解除去するが、その際、還元剤としては、安全で取扱い易い尿素が用いられるようになってきている。排ガス中への尿素の供給方法としては、様々な方法が開発されているが、特許文献１に示されているように、尿素を水に溶解させた尿素水としてスプレノズルからダクト内に直接吹込む方法が多く採用されている。

特許文献１に示されている尿素水供給装置の例を図６に示す。図６は尿素水吹込み部の断面図および尿素水供給系統を示したものである。図示の尿素水供給装置は、排ガスが流れるダクト１の側壁に取り付けられたノズル取付座３と、このノズル取付座３に軸線をダクトの軸線に直交させて取り付けられているスプレノズル２と、スプレノズル２に尿素水ポンプ５を介装した配管で接続された尿素水タンク４と、スプレノズル２に尿素水微粒化用の圧縮空気を送給する空気圧縮機６を含んで構成されている。ノズル取付座３は、脱硝触媒７の上流側に位置するダクト１の側面に設置されており、スプレノズル２は、噴出口をダクト１の中心側に向けて設置されている。

尿素水は尿素水タンク４から尿素水ポンプ５を介してスプレノズル２に供給され、空気圧縮機６から送られる空気によって微細化されつつ、ダクト１内に、すなわちダクト１内を流れる排ガス内に噴霧される。噴霧された尿素水は、熱分解及び加水分解反応によりアンモニア（NH₃）を生成し、還元剤となって脱硝触媒７上で排ガス中のNOxをN₂に還元することになる。

しかし、尿素水をスプレノズル２によってダクト１内に直接吹込む場合、以下の点に留意する必要がある。

ａ．まず、ノズル閉塞およびスケーリングの問題である。スプレノズル２をダクト１内に設置する場合、高温排ガスの影響によってスプレノズル２の温度が上昇し、スプレノズル２内での尿素の固化あるいは熱分解生成物の析出によってスプレノズル２が閉塞することがある。したがって、スプレノズル２は図６に示したようにダクト１の側面（つまり、排ガス流路外）に設置することが望ましいが、ダクト１の側面から尿素水をダクト中心に向かって噴霧する場合、噴霧された尿素水液滴が対向壁に衝突しやすく、常時尿素水が衝突すると壁面温度が低下し、尿素の熱分解生成物が析出しやすい条件となり、スケーリングを生じることになる。そのスケールが剥がれると脱硝触媒７を閉塞させる原因となる。

ｂ．次に、脱硝触媒７入口でのNH₃濃度分布の問題である。ノズル閉塞やスケーリングを防止するため、スプレノズル２を図６に示すようにダクト１の側壁に設置した場合、尿素水の均一分散性に乏しく、脱硝触媒７入口でのNH₃濃度分布に偏りが生じやすく、脱硝性能低下を招く原因となる。したがって、NH₃濃度の均一化を図るためには、スプレノズル２から脱硝触媒７までの距離を長くし、混合距離を確保する必要がある。また、混合距離を短くしようとしてスプレノズル２の下流側に混合器を設置すると、条件によっては混合器に未蒸発の尿素液滴が衝突し、スケーリングを生じる可能性がある。

なお、特許文献２には、循環型流動層ボイラの脱硝方法において、サイクロンで固形分を捕集した後、サイクロンの排気筒の直上のダクト内に脱硝剤を注入するようにした例が開示されている（公報第３ページ左下欄第４〜１２行）。しかし、この例では、脱硝剤は排ガスの流れ方向に直交して噴出され、前記ａに示した問題を招く惧れがあるし、脱硝触媒については触れられていない。

また、特許文献３には、脱硝装置付きボイラにおいて、煙道にアンモニアを注入した後サイクロンに導入し、均一に分散させた後、脱硝装置に導入する例が開示されている（公報第６ページ第１９行〜第７ページ第３行）。しかし、この例では、アンモニア注入装置は煙道内部に配置され、高温の煙道ガスに曝される構成となっている。

特開２００１−１７３４３１号公報特開昭６４−１８４３１号公報実開昭６４−４６６２８号公報

上記従来技術は、尿素水スプレノズル閉塞およびスケーリングの防止、ならびに脱硝触媒入口でのNH₃濃度の均一化を図る点について十分配慮されておらず、尿素水スプレノズル閉塞や脱硝触媒の閉塞、さらには脱硝触媒入口でのNH₃濃度分布の偏りなどにより、脱硝性能の低下や脱硝装置、発電設備が運転不能になる惧れがあった。

本発明の目的は、脱硝触媒に導入される排ガスに尿素水を噴霧する尿素水気化器における尿素水スプレノズル閉塞およびスケーリングと、脱硝触媒入口でのNH₃濃度分布の偏りを防止することである。

上記目的は、排ガスの流路に折れ曲がり部を設け、折れ曲がり部上流側から折れ曲がり部下流側流路に対し、折れ曲がり部で排ガスの旋回流が生じるように排ガスを導入し、この折れ曲がり部を利用して折れ曲がり部下流側流路の始点部に排ガスの流れ方向に尿素水を噴霧することで達成される。

具体的には、上記目的は、一方の軸方向端面を閉止した円筒状の旋回室と、前記旋回室の閉止側端面に軸線を前記旋回室の軸線に平行させて配置され、旋回室に尿素水を噴出する尿素水スプレノズルと、前記旋回室の閉止端面近傍の円周面に接続され、旋回室に接線方向から排ガスを導入する排ガス入り口ダクトと、を含んでなり、前記排ガス入り口ダクトから導入された排ガスは前記旋回室の開放側端部から導出されるように構成されている尿素水気化器により達成される。

前記旋回室の開放側端部には、旋回室の断面を徐々に小さくする絞り部を設けることが望ましい。さらに、前記絞り部の下流端に、絞り部の断面を徐々に大きくする拡大部を設けることが望ましい。

また、前記尿素水スプレノズルとしては、尿素水を二次元平面状の扇型に噴霧するニ流体スプレノズルを用いることが望ましい。

上記構成によれば、尿素水スプレノズルが旋回室の軸方向閉止側（上流側）壁面に設置され、排ガスは旋回室にその周面から接線方向に導入されるため、高温排ガスが尿素水スプレノズルに与える熱影響が低減される。その結果、高温排ガスの影響によって尿素水スプレノズルの温度が上昇することがなく、尿素水スプレノズル内での尿素の固化あるいは熱分解生成物の析出によって尿素水スプレノズルが閉塞することを防止することが可能である。また、基本的に尿素水スプレノズルからの尿素水の噴射方向と同じ向きに排ガスが流れるため、旋回室内壁に尿素水液滴が衝突しにくく、スケーリングを防止することが可能である。

上記構成によればまた、尿素水気化器、つまり旋回室への排ガスの入口を偏心させ、旋回室内で旋回流を形成するようにしているため、尿素水スプレノズルから噴霧された尿素水が排ガス内に均一分散しやすく混合性が良好になり、脱硝触媒入口でのNH₃濃度分布が均一化されるようになる。したがって、脱硝性能低下やNH₃リークの問題が発生することもなく、また、NH₃濃度の均一化を図るために尿素水スプレノズル〜脱硝触媒間の距離を長くする必要はなく、スケーリングの原因となりやすい混合器を設置する必要もない。

さらに、旋回室内部に旋回流を形成し、そのまま脱硝触媒に排ガスを流そうとすると旋回の影響によって触媒入口に流速分布が生じ、脱硝性能を低下させる可能性があるが、旋回室の出口側に、流路断面を縮小し再び拡大する構造を設けることにより、この絞り部で旋回流が軽減され、拡大部で流れが均一化される。したがって、旋回室の出口側に、流路断面を縮小し再び拡大する構造を設けることにより、脱硝触媒入口の旋回流を弱めるために整流板などの内部構造物を入れる必要がなくなる。

本発明によれば、尿素水スプレノズルの閉塞やスケーリングの問題を発生することなく、尿素水を排ガス内に均一分散させて脱硝触媒入口でのNH₃濃度分布の偏りを防止することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を実施例として説明する。

図１、図２に本発明の実施例１を示す。図１は、実施例１に係る、旋回構造を有する尿素水気化器の側断面図ならびに尿素水供給系の系統を示したもので、図２は図１のA−A'線矢視図を示す。

図１、図２に示す尿素水気化器は、軸線を図上横方向にし、左端を閉止して配置された旋回室９と、旋回室９の左側端面（閉止端面）に取り付けられたノズル取付座３と、ノズル取付座３に軸線を旋回室９の軸線に合わせて取り付けられた尿素水スプレノズル（以下、スプレノズルという）２と、スプレノズル２に尿素水ポンプ５を介装した配管で接続された尿素水タンク４と、スプレノズル２に尿素水微粒化用の圧縮空気を送給する空気圧縮機６と、旋回室９の右端（排ガス流れの下流端）に結合され排ガス流路断面を下流側になるにつれて縮小する絞り部１０と、絞り部１０の下流端に接続された短管部１３と、短管部１３の右端（排ガス流れの下流端）に結合され排ガス流路断面を下流側になるにつれて拡大する拡大部１１と、旋回室９の外周面に取り付けられて旋回室９に排ガスを供給する排ガス入口ダクト（以下、入口ダクトという）８と、を含んで構成されている。

前記入口ダクト８は、図２に示すように、その軸線を、旋回室９の軸線を含む平面の、旋回室９の軸線と外周面の間の位置に直交させるように配置され、旋回室９に、排ガスをその接線方向に供給するようになっている。すなわち、入口ダクト８から旋回室９に供給される排ガスは、旋回室９内で旋回流を形成する。また、入口ダクト８は、その内周面の延長線がスプレノズル２と交差しない、できるだけ旋回室９の閉止端に近い位置に設置されている。旋回室９の閉止端から遠い位置に設置する場合でも、入口ダクト８のスプレノズル２から遠い側の端部Ｃが、スプレノズル２から噴霧される尿素水パターンが旋回室内面に到達する位置よりもスプレノズル２側にある、旋回室９の閉止端近傍位置に設置することが望ましい。

なお、本実施例では、スプレノズル２として、尿素水を二次元平面状の扇型に噴霧するニ流体スプレノズルを用いた。

また、本実施例では、入口ダクト８は、その軸線を、旋回室９の軸線を含む平面の、旋回室９の軸線と外周面の間の位置に直交させるように配置されているが、前記平面に直交しかつ旋回室９の軸線に平行な平面内であれば、入口ダクト８の軸線は、図示の方向よりも時計回り方向に傾斜していても差し支えない。

実施例１に係る尿素水気化器は、片側端面を塞いだ円筒状の旋回室９に対して、閉止端面近傍の旋回室９側面の接線方向から排ガスを導入するように入口ダクト８を設置し、旋回室９中心軸上の閉止端面側に尿素水スプレノズル２を配置し、さらに旋回室９の開放側すなわちガス流れの下流側に対して、旋回室９の断面を徐々に小さくする絞り部１０を設け、その絞り部の下流側に、短管部１３を介して絞り部の断面を徐々に大きくする拡大部１１を設けた点で従来技術と異なる。

上記構成の装置において、排ガスは入口ダクト８から接線方向に導入され、旋回室９で旋回流を形成する。旋回流を形成した排ガスは、スプレノズル２から噴霧される尿素水を気化させつつ混合し、絞り部１０に流入する。絞り部１０に流入することで排ガスの旋回流が軽減され、さらに、拡大部１１で流路が拡大されて流速が流路断面内で均一化される。前記拡大部１１の下流端は、脱硝触媒７を内装した排ガスダクト１に接続されており、脱硝触媒７に流入する排ガスは、尿素が均一に分散されるとともに、流速分布も均一化される。

本実施例における尿素水気化器は、スプレノズル２を旋回室９の閉止端側の軸方向壁面に設置しているため、高温排ガスの影響によってスプレノズル２の温度が上昇することがなく、スプレノズル２内での尿素の固化あるいは熱分解生成物の析出によってスプレノズル２が閉塞することを防止することが可能である。また、基本的にスプレノズル２からの尿素水の噴射方向と同じ向きに排ガスが流れるため、旋回室９の内壁に尿素水液滴が衝突しにくく、スケーリングを防止することが可能である。

さらに、旋回室９への排ガスの入口となる入口ダクト８の軸線を旋回室９の軸線に対して偏心させ、旋回室９内で旋回流を形成するようにしているため、スプレノズル２から噴霧された尿素水が均一分散しやすく混合性が良好になり、脱硝触媒７入口でのNH₃濃度分布が均一化されるようになる。したがって、脱硝性能低下やNH₃リークの問題が発生することもなく、また、NH₃濃度の均一化を図るためにスプレノズル２から脱硝触媒７の間の距離を長くする必要はなく、スケーリングの原因となりやすい混合器を設置する必要もない。

なお、旋回室９内部に旋回流を形成し、そのまま脱硝触媒７に排ガスを流そうとすると旋回の影響によって脱硝触媒７の入口で流速分布が生じ、脱硝性能を低下させることになるが、本実施例による尿素気化器は、旋回室９の出口側をいったん絞ったのち再び拡大する構造を採っているため、この絞り部１０で旋回流が軽減され、拡大部１１で流れが均一化されることになる。したがって、脱硝触媒７入口の旋回流を弱めるために整流板などの内部構造物を入れる必要はない。

図３、図４に、本発明の実施例２を示す。図３は、実施例２に係る、旋回構造を有する尿素水気化器の側断面図ならびに尿素水供給系の系統を示したもので、図４は図３のＢ−Ｂ'線矢視図を示す。

実施例２が前記実施例１と異なる点は、スプレノズル２のノズル取付座３に、前記空気圧縮機６から圧縮空気を供給されるパージ空気配管１２を設けた点であり、他の構成は実施例１と同じなので、同一の符号を付して説明を省略する。

ノズル取付座３は、旋回室９の軸方向端面を閉止する壁面に軸線を旋回室９の軸線と一致させて取り付けられた短管３ａと、この短管３ａの、図上、左側を閉止するとともにスプレノズル２が装着される蓋板と、を含んで構成されている。パージ空気配管１２は、前記短管３ａの外周面に、その軸線を、前記短管３ａの軸線を含む平面の、前記短管３ａの軸線と外周面の間の位置に直交させるように接続され、短管３ａ内に、排ガスをその接線方向に供給するようになっている。

パージ空気配管１２は、ノズル取付座３内部に圧縮空気を供給し、ノズル取付座３内部のスプレノズル２の冷却効果を高め、また、スプレノズル２先端部への尿素水液滴の付着を防止する。

すなわち、実施例２の尿素水気化器によれば、スプレノズル２の閉塞ならびにスケーリングの問題を確実に回避することが可能となる。

本発明は、コンパクトで高性能な尿素水気化器として、定置式ディーゼルのみならず、ディーゼル自動車用などの車載式ディーゼルとしても利用可能である。

本発明の実施例１に係る尿素水気化器の側断面図ならびに尿素水供給系を示す系統図である。図１のA−A'線矢視図である。本発明の実施例２に係る尿素水気化器の側断面図ならびに尿素水供給系を示す系統図である。図３のB−B'線矢視図である。ディーゼルエンジンの排気ガスの脱硝触媒による排気ガス浄化システムの全体システムを示した概念図である。ある。従来技術の尿素水気化器の側断面図ならびに尿素水供給系を示す系統図である。

符号の説明

１排ガスダクト
２尿素水スプレノズル
３ノズル取付座
３ａ短管
４尿素水タンク
５尿素水ポンプ
６空気圧縮機
７脱硝触媒
８排ガス入口ダクト
９旋回室
１０絞り部
１１拡大部
１２パージ空気配管
１３短管部
１４ディーゼルエンジン
１５サイレンサー

Claims

一方の軸方向端面を閉止した円筒状の旋回室と、前記旋回室の閉止側端面に軸線を前記旋回室の軸線に平行させて配置され、旋回室に尿素水を噴出する尿素水スプレノズルと、前記旋回室の閉止端面近傍の円周面に接続され、旋回室に接線方向から排ガスを導入する排ガス入り口ダクトと、を含んでなり、前記排ガス入り口ダクトから導入された排ガスは前記旋回室の開放側端部から導出されるように構成されている尿素水気化器。
請求項1に記載の尿素水気化器において、前記旋回室の開放側端部に、旋回室の断面を徐々に小さくする絞り部を設けたことを特徴とする尿素水気化器。
請求項２に記載の尿素水気化器において、前記絞り部の下流端に、絞り部の断面を徐々に大きくする拡大部を設けたことを特徴とする尿素水気化器。
請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の尿素水気化器において、前記尿素水スプレノズルとして、尿素水を二次元平面状の扇型に噴霧するニ流体スプレノズルを用いたことを特徴とする尿素水気化器。