JP2007278194A - Exhaust gas treatment device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼装置から排出され種々の排出物質を含む気体(排気)を処理する排気処理装置に関する。 The present invention relates to an exhaust treatment device for treating a gas (exhaust gas) discharged from a combustion device and containing various exhaust substances.
燃焼装置からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、排気中のPM(パティキュレートマター:粒子状物質=主に黒煙(スス)、SOFと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分を含む)とNOx(窒素酸化物)の排出量は所謂トレードオフの関係にあり、これまで、これらの規制物質の排出を抑えるには、PM、NOx双方の排気後処理装置を搭載することが必要とされてきた。 Purifying the exhaust from the combustion device to suppress the expansion of air pollution is an important issue. For example, regarding diesel combustion engines, PM (particulate matter: particulate matter = mainly black smoke) in the exhaust (Soot), unburned fuel called SOF, components of lubricating oil, and components generated from sulfur in light oil fuel called sulfate) and NOx (nitrogen oxide) emissions are so-called trade Up to now, it has been necessary to install exhaust aftertreatment devices for both PM and NOx to suppress the emission of these regulated substances.
PMの大気中への排出量を低減するための排気後処理装置として、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルター(Diesel Particulate Filter)を排気通路に介装し、排気をディーゼルパティキュレートフィルターを通過させることで排気中のPMを捕集するものがある。しかしながら、このものはフィルタによる捕集であるため、排圧の上昇が起こり燃焼効率を下げるおそれがある。 For example, a diesel particulate filter (Diesel Particulate Filter) is installed in the exhaust passage as an exhaust aftertreatment device to reduce the amount of PM released into the atmosphere, and the exhaust gas is exhausted by passing through the diesel particulate filter. Some collect PM. However, since this is collected by a filter, there is a risk that exhaust pressure will increase and combustion efficiency will be lowered.
従って、このような排圧上昇等の悪影響を伴わずに、PM及びNOxの双方の排出量を同時に低減できる装置が求められる。 Therefore, there is a need for an apparatus that can simultaneously reduce both PM and NOx emissions without adverse effects such as such an increase in exhaust pressure.
ここで、特許文献1には、静電捕集及び静電分離技術として、金属配管中央に金属棒などを配置し、金属配管と金属棒の両電極間に高電圧を印加する手法が開示されている。このものは、電気集塵の作用によりPMを金属配管の内壁付近に集め、金属配管内壁付近と、金属配管の中心付近と、においてPMの分離を可能とするものである。そして、このようなPMの捕集・分離部の後段に、二重管構造の配管を配置することでPMを濃縮させた気体流と、PMをほとんど含まない気体流と、に分離することができる。
本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、静電分離作用を利用して、排圧の上昇等の悪影響を抑制しながら、PM等の物質及びNOxの双方を同時に低減することができる排気処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an exhaust capable of simultaneously reducing both substances such as PM and NOx while suppressing adverse effects such as an increase in exhaust pressure using an electrostatic separation action. An object is to provide a processing apparatus.
このため、本発明に係る排気処理装置は、
燃焼を行わせ、静電分離可能な物質を含む気体を排出する燃焼装置の排気処理装置であって、
前記燃焼装置から排出される静電分離可能な物質を含む気体の少なくとも一部を導入し、該気体から前記物質を静電分離する静電分離手段と、
前記静電分離手段により静電分離された物質を含む気体の少なくとも一部を、前記燃焼装置の燃焼室へ還流させる還流手段と、
を含んで構成される。
Therefore, the exhaust treatment device according to the present invention is
An exhaust treatment apparatus for a combustion apparatus for causing combustion and discharging a gas containing a substance that can be electrostatically separated,
An electrostatic separation means for introducing at least part of a gas containing an electrostatically separable substance discharged from the combustion apparatus and electrostatically separating the substance from the gas;
Recirculation means for recirculating at least part of the gas containing the substance electrostatically separated by the electrostatic separation means to the combustion chamber of the combustion device;
It is comprised including.
前記静電分離手段は、該静電分離装置に導入される静電分離可能な物質を含む気体のうち、前記静電分離された物質を含む気体と、残りの気体と、に分流する分流手段を含んで構成されることができる。 The electrostatic separation means is a diversion means for diverting the gas containing the electrostatically separated substance and the remaining gas among the gas containing the electrostatic separable substance introduced into the electrostatic separation apparatus. Can be configured.
前記残りの気体の流れの前記静電分離手段の下流側に、当該残りの気体或いは当該残りの気体に含まれる物質に対して所定の処理を施す排気後処理装置を配設することができる。 An exhaust post-treatment device that performs a predetermined treatment on the remaining gas or a substance contained in the remaining gas can be disposed downstream of the electrostatic separation means in the remaining gas flow.
なお、前記還流手段は、前記静電分離手段と、前記燃焼装置の燃焼に供される空気を導入するための通路と、を連通する連通路を含んで構成され、前記連通路に、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して改質を行う改質装置、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して熱交換を行う熱交換装置、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して燃料を添加する燃料添加装置の少なくとも一つを配設することができる。 The reflux means includes a communication passage that communicates the electrostatic separation means and a passage for introducing air to be used for combustion of the combustion device, and the communication passage includes the communication passage. A reformer that reforms a gas containing an electrostatically separated substance flowing in a passage, a heat exchange device that exchanges heat for a gas containing an electrostatically separated substance flowing in the communication path, and the communication At least one fuel addition device for adding fuel to the gas containing the electrostatically separated substance flowing through the passage may be provided.
前記改質装置、前記熱交換装置、前記燃料添加装置のすべてが配設される場合において、前記改質装置、前記熱交装置が、前記連通路を流れる静電分離された物質を含む気体の流れ方向下流側に向かって、この順番で配設されると共に、前記改質装置の前記流れの上流側において燃料を添加するように前記燃料添加装置を配設することができる。 In the case where all of the reforming device, the heat exchange device, and the fuel addition device are disposed, the reforming device and the heat exchange device are configured to supply gas containing an electrostatically separated substance that flows through the communication path. The fuel addition device may be arranged in this order toward the downstream side in the flow direction, and the fuel addition device may be arranged to add fuel on the upstream side of the flow of the reformer.
本発明によれば、静電分離作用を利用して、排圧の上昇等の悪影響を抑制しながら、PM等の物質及びNOxの双方を同時に低減することができる。 According to the present invention, both substances such as PM and NOx can be simultaneously reduced while suppressing adverse effects such as an increase in exhaust pressure by utilizing electrostatic separation.
以下、本発明に係る第一の実施の形態について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, a first embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に示される第一の実施の形態に係る内燃機関1は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、排気を伴う燃焼装置であれば、ガソリンエンジンその他の内燃機関の他、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の燃焼装置とすることができる。
The
図1に示すように、内燃機関1には、排気通路2が接続されており、該排気通路2には、静電分離装置3が介装され、その排気下流側には排気後処理装置4が介装されている。
As shown in FIG. 1, an
静電分離装置3は、図2に示すように、例えば、筒状(円筒の他、楕円、矩形など所望の長手方向横断面形状を持つ中空状のものとすることができる)の低電圧電極部3Aと、その長手方向中心軸近傍において該長手方向に延伸して配設される高電圧電極部3Bと、内筒部3Cと、を含んで構成される。ここにおいて、静電分離装置3は、本発明に係る静電分離手段に相当する。
As shown in FIG. 2, the
低電圧電極部3Aは、ステンレス等の金属等の導電体で構成されており、第一の実施の形態に係る静電分離装置3は、後述する高電圧電極部3Bと当該低電圧電極部3Aとの間に印加される高電圧により発生するコロナ放電によって、排気通路2を流れる排気6中のPM(粒子状物質)10を帯電し補捉する集塵機能を備えて構成される。
The low voltage electrode unit 3A is made of a conductor such as a metal such as stainless steel. The
高電圧電極部3Bは、低電圧電極部3Aとの間でコロナ放電を発生させる放電極(コロナ放電極)であり、例えば、ステンレスワイヤー、ピアノ線、細線、撚り線、棒状部材などで構成することができる。前記低電圧電極部3Aの長手方向に略直交する方向における該高電圧電極部3Bの断面は、例えば、丸状、楕円形、角形など所望の形状で形成することができ、また、材質としては導電性を有するものを用いることができ、例えば、SUS(ステンレス)、タングステン、ニッケル、チタン、インコネルなどの耐蝕性に優れた材質などを用いることができる。
The high
内筒部3Cは、筒状(長手方向横断面形状は、丸形、楕円形、角形の他、所望の形状とすることができる)の排気分流部材であり、低電圧電極部3Aと高電圧電極部3Bとの間のコロナ放電により低電圧電極部3Aの内壁付近に集められたPM10を多く含む高濃度排気6Aと、それより内側のPM10の濃度が低い低濃度排気6Bと、を分離可能に、図2に示すように、低電圧電極部3の内側で該低電圧電極部3Bの排気下流側において該低電圧電極部3Aと略同心的に配設される。内筒部3Cは、導電性部材である必要はなく、金属、セラミック、樹脂など、適宜の材料で形成することができる。ここにおいて、内筒部3Cは、本発明に係る分流手段に相当する。
The
なお、第一の実施の形態においては、内筒部3Cは、排気最下流部において、後述する排気後処理装置4に連通する排気通路2に連設されるが、例えば、図2に示すように、余剰の高濃度排気6Aを排気通路2へ戻すことができるような円周上の一部を切り欠いて構成される開口部3Dを設けて構成することもできる。
In the first embodiment, the
排気後処理装置4は、例えば、NOx吸蔵還元型三元触媒、DPNR触媒(多孔質セラミック構造体に、NOx吸蔵還元型三元触媒を組み合わせたもので、排気がセラミックの隙間を通る間に触媒で酸化や還元することで、PMやNOxを大幅に低減可能にした触媒)、HC−SCR用触媒(炭化水素を還元剤として用いてNOxを浄化する選択的還元型NOx触媒)、尿素SCR(UREA−SCR)用触媒(尿素を還元剤として用いてNOxを浄化する選択的還元型NOx触媒)、ディーゼルパティキュレートフィルターなど、要求に応じて適宜採用することができる。
The
なお、排気後処理装置4は、例えば、静電分離装置3の内筒部3Cの内側を通って排気下流側へ流出してくる排気の特性(排気中に含まれるNOx、CO、HC、PMなどの各成分の排出量・割合など)に応じて、上述した各種の触媒或いはフィルタのうち何れを採用するか、或いは同種・異種に拘わらず複数を組み合わせて採用するかなどを決定することができる。
Note that the
ここにおいて、第一の実施の形態では、静電分離装置3と、内燃機関1の図示しない吸気通路と、を連通する連通路5が配設されている。連通路5は、本発明に係る還流手段として機能するもので、低電圧電極部3Aと高電圧電極部3Bとの間のコロナ放電により低電圧電極部3Aの内壁付近に集められたPM10を多く含む高濃度排気6Aの少なくとも一部を、還流気体として、内燃機関1の吸気通路延いては燃焼室(図示せず)へ戻すことが可能に配設される。低電圧電極部3Aとの接続部及び内燃機関1の吸気通路との接続部は、高濃度排気6Aの少なくとも一部を、内燃機関1の吸気通路へ戻すことが可能な位置とすることができる。
Here, in the first embodiment, a
かかる構成を備えた第一の実施の形態に係る内燃機関1は、還流気体と、内燃機関1の吸気通路を介して外部から導入される吸入空気(新気)と、が混合された気体を燃焼室に導くことができるため、還流気体に含まれるPM10を燃焼室内で再燃焼させることができる。
The
すなわち、第一の実施の形態によれば、排気中に含まれるPM10を静電分離装置3により効果的に捕集し、該捕集されたPM10を連通路5を介して内燃機関1の燃焼室に戻し再燃焼させることにより、静電分離装置3より排気下流側にある排気後処理装置4延いては外気へのPM10の排出を効果的に低減することができる。
That is, according to the first embodiment, the PM 10 contained in the exhaust gas is effectively collected by the
このため、例えば、NOxの排出量を低減するために燃焼温度を下げる場合には、燃焼が悪化して燃え残りが多くなりPMの排出量が増大する(すなわち、NOxの排出量と、PMの排出量と、はトレードオフの関係にある)ため、大気汚染の拡大を防止するという観点からすれば、従来は、排気後処理装置4として、例えばPMを多量に捕集するために適応されたディーゼルパティキュレートフィルター等を備える必要等があったが、第一の実施の形態によれば、PMを効果的に捕集して再燃焼させることができるので、燃焼面からNOxの排出量を低減してもPMの排出量を低減することができる。
For this reason, for example, when the combustion temperature is lowered in order to reduce the NOx emission amount, the combustion deteriorates and the unburned residue increases and the PM emission amount increases (that is, the NOx emission amount and the PM emission amount). From the standpoint of preventing the spread of air pollution, conventionally, the
すなわち、第一の実施の形態によれば、PM及びNOxの排出量を同時に低減することができる。従って、例えば、従来に対して、排気後処理装置への負担を軽減することができ(小容量化或いは再生サイクルを長期化できるなど)、更には状況によっては排気後処理装置を省略することも可能となる。なお、排気後処理装置を備えれば、静電分離装置3及び連通路5によりPM及びNOxの排出量の双方が同時に低減された排気に対して、より一層効果的かつ確実にNOx、PM等の外気への排出量を低減することができる。
That is, according to the first embodiment, PM and NOx emissions can be simultaneously reduced. Therefore, for example, it is possible to reduce the burden on the exhaust aftertreatment device compared to the conventional one (such as reducing the capacity or extending the regeneration cycle), and further omitting the exhaust aftertreatment device depending on the situation. It becomes possible. If an exhaust aftertreatment device is provided, NOx, PM, etc. can be more effectively and reliably applied to exhaust in which both PM and NOx emissions are simultaneously reduced by the
ところで、第一の実施の形態は、高濃度排気6Aを燃焼室に戻す構成であるため、PMを再燃焼させてPMの排出量を低減できるだけでなく、同時にEGRとしても機能することになるから、EGRの効果として燃費をある程度維持しながら燃焼温度を下げることができ、以って燃費を所定に維持しつつNOxの排出量を効果的に低減することができる。
By the way, the first embodiment is configured to return the high-
なお、連通路5を流れる還流気体に対して冷却を施すように構成し、所謂クールEGR(Cool Exhaust Gas Recirculation)システムとして機能させ、より一層燃焼温度を下げNOxの排出量をより一層効果的に低減することもできる。また、内燃機関1の運転状態に応じて所望の還流気体流量が得られるように還流気体流量を制御する流量制御弁を連通路5に介装することもできる。
The recirculation gas flowing through the
このように、第一の実施の形態では、静電分離装置3及び連通路5を備えたことで、PM及びNOxの双方の排出量を同時に低減することが可能となる。これに伴い、排気後処理装置4への負担を軽減でき、以って排気後処理装置4の小容量化、或いは省略することも可能となり、延いては構成の簡略化が図れ、重量の軽減、製造コストの低減などにも寄与することができる。
Thus, in 1st Embodiment, it becomes possible to reduce both PM and NOx discharge | emission amount simultaneously by providing the
次に、本発明に係る第二の実施の形態について、添付の図面を参照しつ、以下に詳細に説明する。なお、上述した第一の実施の形態において説明した要素と同様の要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略するものとする。 Next, a second embodiment according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element similar to the element demonstrated in 1st embodiment mentioned above, and the detailed description shall be abbreviate | omitted.
図4に示すように、第二の実施の形態では、第一の実施の形態と同様に、内燃機関1、排気通路2、静電分離装置3、排気後処理装置4、連通路5が備えられる一方、連通路5に、当該連通路5を流れる還流気体の流れの下流側に向けて、改質装置7、熱交換装置8が、この順番で介装されている。
As shown in FIG. 4, in the second embodiment, as in the first embodiment, an
更に、改質装置7の還流気体流れ上流側には、連通路5を通って改質装置7へ流入する還流気体の温度を上昇させるための燃料を添加供給する燃料添加装置9の燃料添加手段8Aが接続されている。
Further, on the upstream side of the recirculation gas flow of the reformer 7, the fuel addition means of the fuel addition device 9 that supplies and supplies fuel for increasing the temperature of the recirculation gas flowing into the reformer 7 through the
このような構成を備えた第二の実施の形態においては、第一の実施の形態と同様、内燃機関1からの排気は、排気通路2の途中に介装される静電分離装置3において、PM10を多く含む高濃度排気6Aと、PM10の濃度が低い低濃度排気6Bと、に分離され、その高濃度排気6Aの少なくとも一部が、連通路5を介して改質装置7(例えば、特開2005−098226号公報等参照)へ導かれる。
In the second embodiment having such a configuration, the exhaust from the
改質装置7は、燃料添加装置9の燃料添加手段8Aを介して燃料を供給添加されPM10を含む還流気体に作用して、着火性の高い気体、或いは燃焼性の高い気体(ラジカルなどを含む)を効率的に生成する。具体的には、第二の実施の形態に係る改質装置7は、PM10が濃縮された高濃度排気6Aに対して作用するため、例えば、以下のような反応が期待できる。
HC→CO、H2、R−CHO、R−OH
The reforming device 7 is supplied with fuel via the fuel addition means 8A of the fuel addition device 9 and acts on the reflux gas containing PM10, so that it has a highly ignitable gas or a highly combustible gas (including radicals). ) Efficiently. Specifically, since the reformer 7 according to the second embodiment acts on the
HC → CO, H 2 , R—CHO, R—OH
そして、改質装置7において着火性の高い気体或いは燃焼性の高い気体に改質された還流気体は、熱交換装置8により所定温度に制御され、連通路5を介して内燃機関1の吸気通路延いては燃焼室へ導かれて再燃焼されることになる。着火性或いは燃焼性の高い気体は、所謂着火遅れ期間を短くするため、初期燃焼割合が低減され、燃焼温度の上昇が抑制されることになるため、NOxの排出量の増大を抑制しつつ熱効率延いては燃費を高いレベルに維持することができる。
The recirculated gas reformed to a highly ignitable gas or a highly combustible gas in the reforming device 7 is controlled to a predetermined temperature by the
このように、第二の実施の形態では、PM10を多く含む高濃度排気6Aを連通路5を介して内燃機関1の吸気通路延いては燃焼室に導いてPM10を再燃焼させることができるため、PM10の外気への排出を効果的に抑制することができることに加え、改質装置7を備えたことにより高濃度排気6Aの一部を着火性の高い気体或いは燃焼性の高い気体に改質しつつ再燃焼させるため、NOxの排出量を効果的に抑制しつつ熱効率延いては燃費を高いレベルに維持することができる。
As described above, in the second embodiment, the high-
改質装置7内での反応については、燃料添加装置9からの燃料添加の量を制御すること、或いは燃料添加の成分を調整することなどによって、酸化種の生成、還元種の生成を制御することができる。また、所望の改質が得られるように、PM10を含む還流気体に作用して改質を行うものであれば改質装置7としては採用可能であり、例えば、プラズマ装置、触媒装置、バーナー(燃焼装置)などを採用することができる。 Regarding the reaction in the reformer 7, the generation of oxidizing species and the generation of reducing species are controlled by controlling the amount of fuel added from the fuel adding device 9 or adjusting the components of the fuel addition. be able to. In addition, any reforming device 7 that can perform reforming by acting on a reflux gas containing PM 10 so as to obtain a desired reforming can be used. For example, a plasma device, a catalyst device, a burner ( Combustion device) can be employed.
なお、第一の実施の形態と同様、第二の実施の形態においても、静電分離装置3及び連通路5、改質装置7を備えたことで、PM及びNOxの双方の排出量を同時に低減できるため、排気後処理装置4への負担を軽減でき、以って排気後処理装置4の小容量化、或いは排気後処理装置4を省略することが可能となり、延いては構成の簡略化が図れ、重量の軽減、製造コストの低減が図れるものである。
As in the first embodiment, the second embodiment also includes the
第二の実施の形態では、改質装置7、熱交換装置8、燃料添加装置9を備えたものを一例として説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、これら装置のうち何れか一つ、或いは何れかを適宜組み合わせて用いる場合も含むものである。
In the second embodiment, the reformer 7, the
すなわち、改質装置7のみを備えることで所望の改質が得られる場合には、改質装置7のみを備えることもできる。また、熱交換装置8のみを備え、還流気体の温度を所望の温度に調整することだけで、所望の燃焼特性、排気特性が得られる場合には、熱交換装置8のみを備えることができる。更に、燃料添加装置9のみを備え、燃料添加のみで還流気体を所望に燃焼させて、所望の燃焼特性、排気特性が得られる場合には、燃料添加装置9のみを備えることもできる。そして、所望の燃焼特性、排気特性が得られるように、これらのうちの何れかを或いはすべてを組み合わせて用いることも可能である。
In other words, when a desired reforming can be obtained by providing only the reforming device 7, it is possible to provide only the reforming device 7. In addition, when only the
1 内燃機関
2 排気通路
3 静電分離装置
3A 低電圧電極部
3B 高電圧電極部
3C 内筒部
4 排気処理装置
5 連通路
6 排気
6A 高濃度排気
6B 低濃度排気
7 改質装置
8 熱交換装置
9 燃料添加装置
10 PM(パティキュレートマター)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃焼装置から排出される静電分離可能な物質を含む気体の少なくとも一部を導入し、該気体に含まれる前記物質を静電分離する静電分離手段と、
前記静電分離手段により静電分離された物質を含む気体の少なくとも一部を、前記燃焼装置の燃焼室へ還流させる還流手段と、
を含んで構成されることを特徴とする排気処理装置。 An exhaust treatment apparatus for a combustion apparatus for causing combustion and discharging a gas containing a substance that can be electrostatically separated,
An electrostatic separation means for introducing at least a part of a gas containing an electrostatically separable substance discharged from the combustion apparatus and electrostatically separating the substance contained in the gas;
Recirculation means for recirculating at least part of the gas containing the substance electrostatically separated by the electrostatic separation means to the combustion chamber of the combustion device;
An exhaust treatment apparatus comprising:
前記連通路に、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して改質を行う改質装置、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して熱交換を行う熱交換装置、当該連通路を流れる静電分離された物質を含む気体に対して燃料を添加する燃料添加装置の少なくとも一つが配設されることを特徴とする請求項1から3の何れか1つに記載の排気処理装置。 The recirculation means includes a communication passage that communicates the electrostatic separation means and a passage for introducing air to be used for combustion of the combustion device;
A reforming device for reforming the gas containing the electrostatically separated substance flowing through the communication path in the communication path, and heat exchange for the gas containing the electrostatically separated substance flowing through the communication path. 4. The apparatus according to claim 1, wherein at least one of a heat exchange device to perform and a fuel addition device for adding fuel to a gas containing an electrostatically separated substance flowing through the communication path is disposed. The exhaust treatment apparatus according to one.
When all of the reforming device, the heat exchange device, and the fuel addition device are disposed, the reforming device and the heat exchange device are configured to supply a gas containing electrostatically separated substances flowing through the communication path. The fuel addition device is arranged in this order toward the downstream side in the flow direction, and the fuel addition device is arranged to add fuel on the upstream side of the flow of the reformer. 5. An exhaust treatment apparatus according to 4.
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