JP2006207531A - 消音器一体型脱硝装置並びに該脱硝装置を備えた内燃機関及び該内燃機関を備えた発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ガスの流入口(2)と流出口(4)とを有する筐体(1)の内部を少なくとも三室(10,12,14)に分割するとともに隣接する室同士をそれぞれ一または二以上の挿入管(18)により連通させて膨張型の消音器を構成し、少なくとも三室以上に分割された複数の室のうちの隣接する一対の室(10,12)間に上記挿入管に代えて該挿入管と同等の流路面積を有する脱硝触媒(16)を配設する。
【選択図】 図1
Description
かかる発電システムに用いられるガスエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関からは排ガスの一部としてNOx(窒素酸化物)が排出される。当該NOxについては、公害防止の観点から、脱硝触媒により無害なN2(窒素)に還元して大気中に放散するようにしている。
また、NOxを還元させるための還元剤としてはアンモニア(NH3)や水溶液状の尿素((NH2)2CO)が一般的であり、これらアンモニアや水溶液状の尿素を排ガスとともに脱硝触媒に添加するようにしている。
4NO+4NH3+O2→4N2+3H2O …(1)
また、水溶液状の尿素を還元剤とした場合の総括反応式は例えば次式(2)で示される。
4NO+(NH2)2CO+O2→4N2+4H2O+2CO2 …(2)
なお、実際には、尿素は排ガス雰囲気中においてアンモニアに加水分解され、上記式(1)に基づいて反応が進行する。
ところで、上記内燃機関を用いた発電システムは、一般には工場、事業所、病院、ホテル、商業ビル等に向けた分散電源として使用される場合が多く、その設置スペースは極力小さいことが望ましい。特に発電システムの需要の多い都市部では、発電システムの省スペース化は極めて重要な課題である。
また、特許文献2〜4に開示の技術のように消音器と筐体内で半径方向全域に広がるハニカム状の脱硝触媒とを一体化させた場合には、脱硝触媒に至る排ガス導入部分に十分な導入長さを確保することが難しく、脱硝触媒に流入する排ガスに偏流が生じ、十分な脱硝性能を発揮できないという問題がある。脱硝性能を確保すべく偏流を抑制しようとすると、装置の小型化を図ることができず、一体化のメリットを十分に発揮できない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、消音器を単独設置した場合に達成可能な高い消音性能と脱硝触媒を単独設置した場合に達成可能な高い脱硝効率とを装置の大型化なくそれぞれを単独で設置する場合よりも省スペースで実現可能な消音器一体型脱硝装置を提供すること、並びに該脱硝装置を備えた内燃機関及び該内燃機関を備えた発電システムを提供することにある。
また、請求項2の消音器一体型脱硝装置では、前記脱硝触媒は、少なくとも酸化バナジウム、酸化タングステン及び酸化チタンを含み、還元剤存在のもとで窒素酸化物を還元する触媒であって、前記脱硝触媒に流入するガスに対し前記還元剤としてアンモニア或いは尿素水を添加する還元剤添加手段をさらに備えたことを特徴とする。
また、請求項3の消音器一体型脱硝装置では、前記脱硝触媒は、担体がハニカム状の構造を有することを特徴とする。
従って、脱硝触媒において挿入管と同等の流路面積が容易に確保される。
即ち、ガス流は中央部分で速く周縁部分で遅い傾向にあり、一方、脱硝触媒はガス流が速くなるほど脱硝性能(脱硝率)が低下する傾向にあることから、ガスが真っ直ぐに脱硝触媒に流入すると脱硝触媒に流入するガスに偏流が生じ、特に脱硝触媒の中央部分で脱硝性能が低下するのであるが、ガスの流速が脱硝触媒内で均等になるようガスを分散して脱硝触媒に流入させることで、脱硝触媒に流入するガスの偏流が防止され、脱硝性能が向上する。
従って、拡散部材によってガスを放射状に拡散させることにより、簡単な構成にして容易に脱硝触媒に流入するガスの偏流が防止される。
従って、脱硝触媒の上流端を覆うよう設けられた多孔質の若しくは穴開き構造を有する抵抗板により、簡単な構成にして容易に脱硝触媒に流入するガスの偏流が防止される。
従って、本発明に係る消音器一体型脱硝装置を内燃機関の排気通路に配設することで、内燃機関全体の小型化、省スペース化を図りつつ、排気音に対し高い消音性能が確保され、排ガス中の窒素酸化物に対し高い脱硝性能が確保される。
従って、本発明に係る消音器一体型脱硝装置を備えた内燃機関を発電システムにおける発電機の駆動源として使用することで、発電システム全体の小型化、省スペース化を図りつつ、環境への悪影響が十分に回避される。
また、請求項3の消音器一体型脱硝装置によれば、脱硝触媒をハニカム状の構造としたので、脱硝触媒において挿入管と同等の流路面積を容易に確保することができる。
また、請求項5の消音器一体型脱硝装置によれば、拡散部材によってガスを放射状に拡散させるようにしたので、簡単な構成にして容易に脱硝触媒に流入するガスの偏流を防止することができる。
また、請求項7の発明によれば、本発明に係る消音器一体型脱硝装置を内燃機関の排気通路に配設することにより、内燃機関全体の小型化、省スペース化を図りつつ、排気音に対し高い消音性能を確保でき、排ガス中の窒素酸化物に対し高い脱硝性能を確保することができる。
本発明に係る消音器一体型脱硝装置は、主として工場、事業所、病院、ホテル、商業ビル等に向けた分散電源として使用される発電システムにおいて使用され、具体的には、発電機を駆動させる内燃機関(ガスエンジン、ディーゼルエンジン等)の排ガス通路に配設されるものである。従って、以下、発電システムにおいて使用される内燃機関の排ガス通路に配設された消音器一体型脱硝装置を例に説明する。
図1を参照すると、本発明の第1実施例に係る消音器一体型脱硝装置の概略構成図が示されており、以下図1に基づき説明する。なお、図1中において矢印は排ガスの流れを示す。
図1に示すように、本発明に係る消音器一体型脱硝装置では、筐体1は薄肉円筒形状をしており、筐体1の一端面には中央に位置して排ガスの流入口2が穿設され、他端には排ガスの流出口4が穿設されている。そして、流入口2には円筒状のジョイント2aを介して内燃機関(図示ぜず)の排ガス通路である排気管30が接続されており、一方、流出口4には円筒状のジョイント4aを介してさらに排気管(図示せず)が接続されている。
隔壁6には第一室10と第二室12とに跨るようにして担体が断面格子状のハニカム状の構造をなす脱硝触媒16が配設されている。一方、隔壁8には第二室12と第三室14とを互いに連通するようにして複数(例えば、4本)の挿入管18が配設されている。
脱硝触媒16は、排ガス中のNOx(窒素酸化物)を還元(脱硝)し浄化する機能を有した触媒であり、担体表面に少なくとも酸化バナジウム(V2O5)、酸化タングステン(WO3)及び酸化チタン(TiO2)を主成分とする触媒層が形成されている。なお、NOxを還元することが可能であれば触媒成分は上記成分に限られるものではない。また、脱硝触媒16は、ここでは製造が容易である等の理由から全体が直方体をなす形状のものを採用しているが、円柱状のものであってもよい。また、触媒量については内燃機関の排気量等に応じて適宜設定されればよい。
また、脱硝反応を円滑に進行させ、或いは還元剤の分解によるNOxの副生を抑制するためには、脱硝触媒16の温度が200℃〜450℃(好ましくは、300℃〜400℃)の触媒活性温度範囲内である必要があるが、内燃機関の始動時以外は脱硝触媒16は排ガスの熱で十分に昇温しており、発電システムにおいて内燃機関を長時間連続運転する場合にあっては、脱硝触媒16の温度は良好に上記温度範囲に保持される。但し、脱硝触媒16の温度低下を防止するために加温装置を設けるようにしてもよい。
このように、本発明に係る消音器一体型脱硝装置では、挿入管に代えて脱硝触媒16を配設し、脱硝触媒16が挿入管の機能を兼ねるようにしているので、特に通常の挿入管を配設した場合と比して圧力損失の増大もなく、装置の小型化、省スペース化を図りつつ、脱硝触媒と消音器とをそれぞれ単独設置した場合と同等の脱硝性能、消音性能を確保することが可能である。
図3を参照すると、本発明の第2実施例に係る消音器一体型脱硝装置の概略構成図が示されており、以下図3に基づき説明する。なお、当該第2実施例では、脱硝触媒16や挿入管18等の構成については上記第1実施例と同じであり、ここでは上記第1実施例と異なる部分についてのみ説明する。
ディフューザ20は、流入口2側が開口した円筒状の筒体からなり、全周面に亘りガス吹き出し孔24aが複数穿設された側面24と底面22とから構成されている。なお、ガス吹き出し孔24aの孔形状は円孔に限られずスリットであってもよい。これにより、流入口2から流入する排ガスは、底面22に衝突する一方、側面24のガス吹き出し孔24aから矢印で示すように放射状に吹き出され、第一室10内に拡散される。
即ち、図4を参照すると、当該第2実施例に係る消音器一体型脱硝装置における排ガスのガス流れ解析結果が概略的に示され、上記図2と同様に脱硝触媒16を流れる排ガスの流速分布が矢線の粗密度合いによって示されているが、同図に示すように、排ガスはディフューザ20が無い上記第1実施例の場合よりも脱硝触媒16の全体をさらに一様な流速分布で効率よく流れ、これにより、より一層高い脱硝性能が確保される。
図5を参照すると、本発明の第3実施例に係る消音器一体型脱硝装置の概略構成図が示されており、以下図5に基づき説明する。なお、当該第3実施例では、脱硝触媒16、挿入管18、ディフューザ20等の構成については上記第1及び第2実施例と同じであり、ここでは上記第1及び第2実施例と異なる部分についてのみ説明する。
−測定条件−
・ガス組成:NO=600ppm、O2=12%、H2O=5.9%
・脱硝触媒温度:340℃
・NH3/NOモル比:1.0
なお、測定条件を変えることにより、第3実施例(ディフューザ+抵抗板)において最大98%の高い脱硝率を得られることも確認された。
例えば、上記実施形態では、第一室10と第二室12との間に脱硝触媒16を設けるようにしたが、第一室10と第二室12とを挿入管で連通させ、第二室12、第三室14間に脱硝触媒を設けるようにしてもよい。この場合、挿入管の第二室12への流入口を覆うようにディフューザを設けるようにすればよい。
また、上記実施形態では、ハニカム状の構造を有した脱硝触媒16を使用するようにしたが、十分な流路面積を確保できれば、ペレット状の脱硝触媒を使用することも可能である。
また、上記実施形態では、第2及び第3実施例において、流入口2を覆うようにディフューザ20を設けることで排ガスを分散させるようにしたが、これに限られず、排ガスを分散させることが可能であれば、排ガスを筐体1の側面から第一室10内(脱硝触媒上流の膨張室)に導入するような構成であってもよい(ガス分散手段)。
2 流入口
4 流出口
10 第一室
12 第二室
14 第三室
16 脱硝触媒
18 挿入管
20 ディフューザ(ガス分散手段、拡散部材)
26 抵抗板(ガス分散手段)
30 排気管
32 尿素水供給装置(還元剤添加手段)
Claims (8)
- ガスの流入口と流出口とを有する筐体の内部を少なくとも三室以上に分割するとともに隣接する室同士をそれぞれ一または二以上の挿入管により連通させ、該筐体内を通過するガスを伝う騒音を減音する膨張型の消音器と、
前記少なくとも三室以上に分割された複数の室のうちの隣接する一対の室間に前記挿入管に代えて該挿入管と同等の流路面積を有して設けられ、ガス中の窒素酸化物を還元する脱硝触媒と、
を備えたことを特徴とする消音器一体型脱硝装置。 - 前記脱硝触媒は、少なくとも酸化バナジウム、酸化タングステン及び酸化チタンを含み、還元剤存在のもとで窒素酸化物を還元する触媒であって、
前記脱硝触媒に流入するガスに対し前記還元剤としてアンモニア或いは尿素水を添加する還元剤添加手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項1記載の消音器一体型脱硝装置。 - 前記脱硝触媒は、担体がハニカム状の構造を有することを特徴とする、請求項1または2記載の消音器一体型脱硝装置。
- 前記脱硝触媒の上流側に設けられ、前記脱硝触媒内を流れるガスの流速が前記脱硝触媒内で均等になるよう前記脱硝触媒に流入するガスを分散させるガス分散手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか記載の消音器一体型脱硝装置。
- 前記ガス分散手段は、前記流入口または前記挿入管の直下流に位置して設けられ、ガスを放射状に拡散させる拡散部材であることを特徴とする、請求項4記載の消音器一体型脱硝装置。
- 前記ガス分散手段は、前記脱硝触媒の上流端を覆うよう設けられた多孔質の若しくは穴開き構造を有する抵抗板であることを特徴とする、請求項4または5記載の消音器一体型脱硝装置。
- 排ガス通路に、請求項1乃至6のいずれか記載の消音器一体型脱硝装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
- 発電機の駆動源として、請求項7記載の内燃機関を備えたことを特徴とする発電システム。
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