JP2007321680A

JP2007321680A - プラズマアシスト型尿素改質装置

Info

Publication number: JP2007321680A
Application number: JP2006153847A
Authority: JP
Inventors: Akira Mizuno; 彰水野; Mitsuru Hosoya; 満細谷; Yoshihiro Iizuka; 喜啓飯塚
Original assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】低温排ガス中であっても効率よくアンモニアを生成しＮＯ_Ｘを窒素分子に還元する。
【解決手段】尿素改質装置は、一対の電極と、尿素が混合されて一対の電極間に設けられた誘電体と、一対の電極に接続され一対の電極間にパルス放電又は交流放電を発生させて尿素をアンモニアに転化可能に構成された電源手段と、誘電体にキャリアガスを供給して尿素から転化したアンモニアを抽出可能に構成されたキャリアガス供給手段とを備える。誘電体が小塊状であり尿素が粉末状又は小粒状であることが好ましい。排ガス浄化装置は、この尿素改質装置と、エンジンの排気経路に設けられ尿素改質装置によって生成したアンモニアを還元剤として窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元する還元触媒とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンモニアＳＣＲ法に用いられるものであって、可動または定置のディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンなどの排ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを還元して窒素にするための還元剤であるアンモニアを生成しうる尿素改質装置及びそれを用いた排ガス浄化装置に関するものである。

排気ガスの規制強化動向を鑑み、燃焼排ガスに含まれるＮＯ_Ｘ（例えばＮＯやＮＯ_２）を窒素分子に還元する技術が研究されている。公知の貴金属触媒によるＮＯ_Ｘ処理方法は、排ガス中に高濃度の酸素が含まれるディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンに適用することが不可能であり、該方法に代わるＮＯ_Ｘ処理技術としてアンモニアと触媒をもってＮＯ_Ｘを窒素に還元するアンモニアＳＣＲ法が広く定置エンジンの脱硝法に採用されている。しかし上述のアンモニアＳＣＲ法は毒性のあるアンモニアを使用する必要があるために、可動エンジンにおいては尿素の状態で貯蔵し該尿素を熱分解してアンモニアを生成して、そのアンモニアでＮＯ_Ｘを還元する排ガス浄化方法（例えば、非特許文献１参照。）が取られている。このアンモニアＳＣＲシステムによる排ガス浄化において、尿素を熱分解してアンモニア生成するためには、排ガス温度が５２０〜５７０Ｋ程度である必要がある。

窒素酸化物防止技術、稲葉英也、（化学工業社、昭和４８年１２月発行）

エンジン起動時には排ガス温度が低く４００Ｋあるいはそれ以下になる。また、技術発展に伴うエンジンの熱効率の改善によって、排ガス温度が前記と同じように４００Ｋあるいはそれ以下になることが考えられる。そのような排ガス温度が比較的低い場合、上述した従来の尿素ＳＣＲ法では、熱量の不足により尿素を分解してアンモニアを生成する反応が充分な速度で行われず、ＳＣＲ法に必要な還元剤（アンモニア）が供給されない。そのため低い排ガス温度（コールドエミッション）に対応した、尿素を改質してアンモニアを生成する方法が望まれている。

本発明の目的は、低温排ガス中であっても効率よくアンモニアを生成し得る尿素改質装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、低温排ガス中であっても効率よくＮＯ_Ｘを窒素分子に還元し得る排ガス浄化装置を提供することにある。

低い排ガス温度にて尿素を分解してアンモニアを生成するために、本発明では放電プラズマを用いる。その構成としては、一対の電極と、尿素が混合されて一対の電極間に設けられた誘電体と、一対の電極に接続され一対の電極間にパルス放電又は交流放電を発生させて尿素をアンモニアに転化可能に構成された電源手段と、誘電体にキャリアガスを供給して尿素から転化したアンモニアを抽出可能に構成されたキャリアガス供給手段とを備える。

ここで、一対の電極としては、放電電極とその外周に同軸円筒状に誘電体を介して設けられた接地電極であることが好ましく、これを用いたものとしては放電空間内に充填した小塊状の誘電体と粉末状又は小粒状の尿素からなる充填層型放電反応器が考えられる（図１）。その充填型放電反応器に水蒸気を含む空気（あるいは排ガス）を供給しつつパルスあるいは交流高電圧を放電電極に印加することで放電プラズマを発生させて、放電プラズマ域にある尿素のアンモニアへの分解を行う。このとき、小塊状の誘電体と粉末状又は小粒状の尿素を多数充填して形成した充填層を、誘電体を介して電極で挟み、パルスまたは交流高電圧を印加することで放電プラズマに暴露している。この放電プラズマ領域内で電子やイオンの励起により、尿素の加水分解反応が促進し、アンモニアが生成される。充填層型の反応器を用いると、充填層部分のみが放電プラズマに暴露するため、放電によるエネルギーが効率よく尿素に与えられる。

そして、上述した尿素改質装置と、エンジンの排気経路に設けられ尿素改質装置によって生成したアンモニアを還元剤として窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元する還元触媒とを備えることにより排ガス浄化装置が得られる。

従来の熱励起による尿素の分解では、４８３Ｋ以下において亜硝酸アンモニウムが生成する。そのため、アンモニアの生成速度が遅くなってしまう。本発明では、放電プラズマによって尿素が分解されてアンモニアが生成する反応を誘起している。そのため、比較的排ガス温度が低い状態、例えば４００Ｋ以下においても、放電プラズマに暴露した時の方が、プラズマに暴露しない時に比べ高濃度のアンモニアを生成することができる。つまり、放電プラズマによって尿素からアンモニアへの生成反応をアシストすることで、従来の尿素ＳＣＲ法では困難であった低温排ガス中のＮＯ_Ｘを効率よく還元処理することができるようになった。

本発明はディーゼルエンジンまたはリーンバーンエンジンの排気マニホールド内にて、エンジン後部からＳＣＲ用触媒前部の間に尿素改質装置を設置し、尿素の改質によって生成したアンモニアをＳＣＲ触媒に供給することでＮＯｘの除去を行う排ガス浄化装置である。尿素改質装置の構成は、図１に示すように、一対の電極１、３と、尿素８が混合されて一対の電極１、３の間に設けられた誘電体７と、一対の電極１、３に接続され一対の電極１、３の間にパルス放電又は交流放電を発生させて尿素をアンモニアに転化可能に構成された電源手段９と、誘電体７にキャリアガスを供給して尿素から転化したアンモニアを抽出可能に構成されたキャリアガス供給手段５とを備える。この尿素改質装置では低排ガス温度で尿素をアンモニアに改質するため、小塊状の誘電体７と粉末状又は小粒状の尿素８を多数充填して形成された充填層型反応器を用いる。即ち、一対の電極１、３は、放電電極１とその外周に同軸円筒状に誘電体７を介して設けられた接地電極３を備える。そして、放電空間内にアルミナやゼオライト、ガラスビーズなどの小塊状の誘電体７と粉末状又は小粒状の尿素８からなる充填層が形成される。なお、小塊状の誘電体のサイズは望ましくは２〜２５ｍｍの範囲であるが、これに限定されるものではない。また、粉末状又は小粒状の尿素のサイズは望ましくは５μｍ〜５ｍｍの範囲であるが、これに限定されるものではない。

この尿素改質装置では、その充填型放電反応器に水蒸気を含むキャリアガス（例えば空気又は排ガス）をガス導入管５を介して供給しつつパルスあるいは交流高電圧を放電電極に印加することで放電プラズマを発生させて、放電プラズマ域にある尿素８のアンモニアへの分解を行う。このとき、小塊状の誘電体７と粉末状又は小粒状の尿素８を多数充填して形成した充填層を電極１、３で挟み、パルスまたは交流高電圧を印加することで放電プラズマに暴露している。この放電プラズマ領域内で電子やイオンの励起により、尿素の加水分解反応が促進し、アンモニアが生成される。そして、充填層型の反応器を用いているので、充填層部分のみが放電プラズマに暴露するため、放電によるエネルギーが効率よく尿素に与えられ、アンモニアを有効に生成することができる。

放電プラズマは図１に示す充填層放電型プラズマ反応器によって発生させた。このプラズマ反応器は、長さ５０ｍｍ内径１９ｍｍの硬質ガラス管（符号２）内部の中心に長さ２５ｍｍ外形１１ｍｍのステンレスロッド（符号３）を同軸円筒状に配置し、硬質ガラス管外周をステンレスシート（符号１）で覆う形状とした。この硬質ガラス管とステンレスロッドの間に直径２．５〜４ｍｍの小塊状誘電体（符号７）と小粒状の尿素（符号８）を充填し、セラミックス（符号４）で両端を挟み込み固定することで充填層とした。内部のステンレスロッドは高電圧電極であり、そこに正極性パルス高電圧を印加し、外部のステンレスシートを接地電極とした。１５ｋＶｐ−ｐ、５ｋＨｚ、立ち上がり０．２５μｓ程度のパルス電圧を印加して放電プラズマを発生させ、そこに水蒸気１．５％を含む窒素ガス１００ｍＬ／ｍｉｎを供給した。このとき、雰囲気ガス温度３９３Ｋにおいて、放電プラズマの暴露を伴わない場合と比較して最大５０倍の濃度（約１１％）のアンモニアが得られた。

放電プラズマの発生条件を変化した際の、生成したアンモニアの濃度を図２〜５に示す。図２は放電プラズマの有無によるアンモニア濃度の変化を示しており、濃色部分における時間帯においてプラズマを発生させた、この図２から明らかなように、放電プラズマに暴露しない場合と比較して、放電プラズマに暴露した時の方がアンモニアの濃度が高いことが判る。図３、４は各々高電圧電源の電圧値と周波数値を変化させた場合の比較である。放電エネルギーの増加（電圧値の増加、周波数の増加）に伴いアンモニア濃度が増加した。図５は反応器周囲の雰囲気温度を変化させた時のアンモニア濃度の比較である。温度の上昇に伴い、電圧を印加しない状態でもアンモニア濃度は上昇したが、プラズマ暴露による効果の方がはるかに高い濃度のアンモニアが生成した。

充填層放電プラズマ反応器の構成を示した図。尿素に対するプラズマ暴露の有無による生成アンモニア濃度を示した図。印加電圧変化に伴う生成アンモニア濃度を示した図。繰り返し周波数変化に伴う生成アンモニア濃度を示した図。雰囲気温度変化に伴う生成アンモニア濃度を示した図。

符号の説明

１…ステンレスシート（接地電極）
２…硬質ガラス管
３…ステンレスロッド（高電圧電極）
４…高電圧電極、小粒状の尿素および小塊状誘電体の支持のためのセラミックス
５…フッ素系樹脂管
６…シリコン栓
７…小塊状γ−Ａｌ_２Ｏ_３
８…粉末状または小粒状尿素
９…パルス電源

Claims

一対の電極と、尿素が混合されて前記一対の電極間に設けられた誘電体と、前記一対の電極に接続され前記一対の電極間にパルス放電又は交流放電を発生させて前記尿素をアンモニアに転化可能に構成された電源手段と、前記誘電体にキャリアガスを供給して前記尿素から転化したアンモニアを抽出可能に構成されたキャリアガス供給手段とを備えた尿素改質装置。
誘電体が小塊状であり尿素が粉末状又は小粒状である請求項１記載の尿素改質装置。
請求項１又は２記載の尿素改質装置と、エンジンの排気経路に設けられ前記尿素改質装置によって生成したアンモニアを還元剤として窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元する還元触媒とを備えた排ガス浄化装置。