JP2006167576A - 熱機関の排ガス浄化装置およびその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の排ガス処理において、窒素酸化物の還元剤として尿素を用いる場合、煙道内や、付設機器内の固形物の生成を避けることができる、熱機関の排ガス浄化装置およびその製法を提供する。
【解決手段】熱源に燃焼器を持つ熱機関から延びた煙道と、該煙道内に設けられた尿素水を添加する尿素水注入装置８と、その下流側に設けられた排ガスと注入した尿素水を混合する混合器９と、該混合器の下流側に設けられた脱硝触媒１０とを有する熱機関の排ガス浄化装置において、前記注入された尿素水が接触する機器の部位６に、尿素の加水分解機能のある材料を塗布したことを特徴とする、窒素酸化物を還元する機能を有する熱機関の排ガス浄化装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱機関の排ガス浄化装置に係り、特にディーゼルエンジンのような燃焼器を有する熱機関から排出される排ガス中の窒素酸化物の処理する排ガス浄化装置およびその製法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関や火力発電ボイラ等から排出される窒素酸化物、粒子状物質、炭化水素等の環境汚染が社会的な問題として取り上げられている。粒子状物質や炭化水素の処理に関しては、フィルタや酸化触媒を組み合わせて処理する方法が開発されており、また、窒素酸化物の処理については、還元剤としてアンモニア、尿素、炭化水素等を煙道に注入してミキシングし、触媒によって窒素と水に還元する方法が１９７０年代から実用化されている（特許文献１）。
特開２００２−３０６９２９号公報

特に移動発生源の窒素酸化物の処理には、還元剤として安全で、安価な尿素が主流となっている。尿素の加水分解の反応式は次式で示される。
（ＮＨ₂）₂・ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＮＨ₃ + ＣＯ₂
通常この反応は、昇温速度等の影響にもよるが450℃以上でほぼ分解する。これよりも温度が低い場合は尿素が完全にアンモニアまで分解されずに尿素ガスの状態で触媒に送られる。さらに温度が下がり160℃前後になると尿素がガス化せず、煙道の低温部に析出しビュレット、アンメライン、アンメライド等の固形物として堆積して行くことが知られている。煙道にこういった析出物が発生した場合、窒素酸化物の還元に必要な還元剤が排ガス中に供給されにくくなり、最悪の事象としては流路が閉塞し熱機関が運転できなくなることもある。特に自動車のように負荷変動の激しい場合には排ガス温度も変化するため、尿素が析出しない下限温度Tcを設置し、このTc値を基準に尿素注入時期を制御する方法も採用されているが、煙道内での局所的な低温部での析出は避けられない。

本発明の課題は、内燃機関の排ガス処理において、窒素酸化物の還元剤として尿素を用いる場合、煙道内や、付設機器内の固形物の生成を避けることができる、熱機関の排ガス浄化装置およびその製法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、尿素注入部の下流側の煙道において、尿素水の噴霧や液滴が接触する部位に、尿素の加水分解機能のある材料を塗布することにより、尿素水由来の固形分の生成を抑制するようにしたものである。すなわち、本願で特許請求される発明は下記のとおりである。

（１）熱源に燃焼器を持つ熱機関から延びた煙道と、該煙道内に設けられた尿素水を添加する尿素水注入装置と、その下流側に設けられた排ガスと注入した尿素水を混合する混合器と、該混合器の下流側に設けられた脱硝触媒とを有する熱機関の排ガス浄化装置において、前記注入された尿素水が接触する機器の部位に、尿素の加水分解機能のある材料を塗布したことを特徴とする、窒素酸化物を還元する機能を有する熱機関の排ガス浄化装置。
（２）前記尿素水が接触する機器の部位が、尿素水注入装置の下流側に位置する煙道の内壁または、および混合器を構成する部品の表面であることを特徴とする（１）記載の装置。
（３）前記尿素の加水分解機能のある材料が、γアルミナ、酸化チタン、酸化タングステンおよび酸化モリブデンの中から選ばれた少なくとも１種類以上の金属酸化物の粉末と、コロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニアゾルおよびジルコニアゾルの中から選ばれた１種類以上の無機系ゾルとを混合したコート液であることを特徴とする（１）または
（２）記載の装置。

（４）熱源に燃焼器を持つ熱機関から延びる煙道内に、尿素水注入装置と、注入した尿素水と排ガスとを混合する混合器と、脱硝触媒とを順次配設した排ガス浄化装置の、前記尿素水が接触する部位を、下地処理としてその表面粗さがRmax10〜100μｍになるように表面処理した後、γアルミナ、酸化チタン、酸化タングステン、酸化バナジウムおよび酸化モリブデンの中から選ばれた少なくとも１種類以上の金属酸化物の粉末と、コロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニアゾルおよびジルコニアゾルの中から選ばれた１種類以上の無機系ゾルを混合したコート液を塗布することを特徴とする熱機関の排ガス浄化装置の製法。
（５）前記尿素水が接触する機器の部位が、尿素水注入装置の下流側に位置する煙道の内壁または、および混合器を構成する部品の表面にであることを特徴とする（４）記載の方法。

尿素注入部の下流側とは、例えば混合器を構成するバッフルプレートや旋回翼の表面と脱硝触媒に至るまでの煙道の内壁がこれに該当する。

本発明によれば、尿素の注入部から脱硝触媒までの区間において、尿素の固形分が付着堆積することを回避することができ、その結果、煙道内における尿素の析出物による閉塞を防止するとともに、注入した尿素が時間の遅れなしに排ガス中に供給されるために、非定常性の高い排ガスの処理にも有効に適用することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の実施例を示すディーゼル車用の排ガス処理装置の説明図である。この装置は、エンジン煙道の上流側から順次配設された、黒鉛等の粒子状物質や炭化水素を分解除去するための酸化触媒付きのDPF（Diesel Particulate Filter）触媒部７と、NOｘ還元剤としての尿素水注入部８と、排ガスと尿素（還元された場合はアンモニア）をミキシングするための排ガス尿素混合部９と、脱硝反応を促進させるための脱硝触媒部１０とから主として構成される。尿素水の噴霧や液滴が接触する部位、すなわち尿素水注入部の下流側の混合部９の煙道内壁、および混合器（板）５の内壁には、尿素の加水分解機能を有する塗料が塗布されている。図中、１は排ガス、２は浄化ガス、３は尿素水／空気供給管、４は尿素噴霧ノズル、５は攪拌板である。上記の脱硝触媒部１０は、脱硝触媒とリークアンモニア除去触媒との併用、またはこれら両方の機能を有する触媒を用いてもよい。

尿素の直接注入方法としては、圧力噴霧式、二流体ノズル噴霧式があげられるが、尿素の固形分が析出する可能性のある部位に対して、尿素の加水分解を促進させる塗料を塗布することにより、固形分発生温度を250℃以下に抑えることができる。
尿素の加水分解機能を有する塗料の塗布部位としては、尿素注入部の下流側から脱硝触媒の上流側、例えば上記区間の煙道の内壁と排ガスと尿素の混合器の内壁があげられる。

尿素の加水分解機能を有する材料の塗布は、γアルミナ等の遷移アルミナ、酸化チタン、酸化タングステン、酸化バナジウムおよび酸化モリブデンの中から選ばれた少なくとも１種類以上の粉末と、コロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニアゾル、ジルコニアゾルの中から選ばれた１種類以上の無機系ゾルとを混合したコート液を、前記該当部位にウオッシュコートすることにより行われるが、煙道の金属材料とこれらの金属酸化物粉末を接着させるとともに、剥離を防止するために、金属面の表面粗さをRmax10〜100μｍにすると最も剥離しにくいことが判った。この範囲より滑らかでも、粗くても効果が発現しにくい。表面処理後、上記コート液をコートすることにより、コート液の付着強度が向上し、剥離による脱落を回避することができる。

上記の尿素の加水分解機能を有する材料としては、特にチタニア粒子、遷移アルミナが優れているが、下流側に設置しようとする脱硝触媒成分（例えば酸化タングステン、酸化モリブデン等）を用いても効果を発現させることができる。上記無機系ゾルはバインダー機能を有するものであるが、固形分の形状が球状のみならず羽毛状をしたもの、また粒子が小さく縦横比の大きな固形分のものが効果が大きい。また固体化した場合に母材の金属材料と触媒粒子に近い熱膨張率４〜１０×１０^-6（1/K）のものが好ましい。

図２は、図１の実施例における攪拌板５の代わりに多孔板１１を用いた実施例を示すが、多孔板１１の表面を本発明のコート液により被覆することにより、図１の場合と同様な効果をあげることができる。

図３は、本発明のコート液としてAl系、Ti系、Ti/W系、Ti/V系、Ti/Mo系を使用した場合の、尿素水の噴霧量に対する尿素の加水分解割合を排ガス温度に対してプロットしたものであり、コーｔ液としては、アルミナ（Al系）、チタニア（Ti系）、脱硝触媒系として Ti/W系、Ti/V系が優れており、排ガス温度250℃以上で尿素が分解し、固形物を生成しないことが分る。

以上は、ディーゼル車の排ガス処理を例に挙げたものであるが、本発明は、定置型のディーゼルにも同様に適用でき、またディーゼルエンジン以外にも燃焼器を持つ熱機関であればいずれにも適用でき、例えばボイラ排ガスやガスタービン排ガスの浄化装置も本発明の範疇内である。

本発明の排ガス浄化装置の説明図。 本発明の他の排ガス浄化装置の説明図。 本発明における尿素の分解特性を説明する図。

符号の説明

１…エンジンからの排ガス、２…浄化ガス、３…尿素水／空気供給管、４…尿素噴射ノズル、５…攪拌板、６…尿素析出防止塗料塗布部位、７…ＤＰＦ触媒、８…尿素注入部、９…排ガス／尿素混合部、１０…脱硝触媒／リークアンモニア除去触媒、１１…多孔板。

Claims (5)

1. 熱源に燃焼器を持つ熱機関から延びた煙道と、該煙道内に設けられた尿素水を添加する尿素水注入装置と、その下流側に設けられた排ガスと注入した尿素水を混合する混合器と、該混合器の下流側に設けられた脱硝触媒とを有する熱機関の排ガス浄化装置において、前記注入された尿素水が接触する機器の部位に、尿素の加水分解機能のある材料を塗布したことを特徴とする、窒素酸化物を還元する機能を有する熱機関の排ガス浄化装置。
2. 前記尿素水が接触する機器の部位が、尿素水注入装置の下流側に位置する煙道の内壁または、および混合器を構成する部品の表面であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記尿素の加水分解機能のある材料が、γアルミナ、酸化チタン、酸化タングステンおよび酸化モリブデンの中から選ばれた少なくとも１種類以上の金属酸化物の粉末と、コロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニアゾルおよびジルコニアゾルの中から選ばれた１種類以上の無機系ゾルとを混合したコート液であることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
4. 熱源に燃焼器を持つ熱機関から延びる煙道内に、尿素水注入装置と、注入した尿素水と排ガスとを混合する混合器と、脱硝触媒とを順次配設した排ガス浄化装置の、前記尿素水が接触する部位を、下地処理としてその表面粗さがRmax10〜100μｍになるように表面処理した後、γアルミナ、酸化チタン、酸化タングステン、酸化バナジウムおよび酸化モリブデンの中から選ばれた少なくとも１種類以上の金属酸化物の粉末と、コロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニアゾルおよびジルコニアゾルの中から選ばれた１種類以上の無機系ゾルを混合したコート液を塗布することを特徴とする熱機関の排ガス浄化装置の製法。
5. 前記尿素水が接触する機器の部位が、尿素水注入装置の下流側に位置する煙道の内壁または、および混合器を構成する部品の表面にであることを特徴とする請求項４記載の方法。
   
   
   

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