JP2009078951A - Urea modifying apparatus and exhaust gas cleaning system equipped with the same - Google Patents
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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NOX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。 The present invention is used in the ammonia SCR method, and generates ammonia as a reducing agent for reducing NO X contained in exhaust gas such as a movable or stationary diesel engine or lean burn engine to nitrogen. The present invention relates to a urea reformer that can be used and an exhaust gas purification device using the same.
排気ガスの規制強化動向を鑑み,燃焼排ガスに含まれるNOX(例えばNOやNO2)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NOX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NOX処理技術としてアンモニアと触媒をもってNOX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NOX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。
しかし、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。 However, when the engine is started, the exhaust gas temperature is low and is 400K or less. In addition, due to improvements in engine thermal efficiency that accompany technological development, the exhaust gas temperature may be 400K or less as described above. When such exhaust gas temperature is relatively low, the above-mentioned conventional urea SCR method does not carry out the reaction of decomposing urea and generating ammonia at a sufficient rate due to lack of heat, and the reducing agent (reducing agent required for the SCR method ( Ammonia) is not supplied. Therefore, there is a demand for a method of reforming urea to generate ammonia corresponding to a low exhaust gas temperature (cold emission).
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連続的に生成し得る尿素改質装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a urea reformer capable of efficiently and continuously producing ammonia even in low temperature exhaust gas.
本発明の別の目的は、低温排ガス中であっても効率よくNOX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。 Another object of the present invention is to provide an exhaust gas purifying apparatus capable of efficiently reducing NO x to nitrogen molecules even in low temperature exhaust gas.
請求項1に係る発明は、一対の電極と、一対の電極間に設けられたペレット状の誘電体と、尿素を含むエマルジョンを誘電体に供給可能に構成されたエマルジョン供給手段と、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誘電体に達する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た尿素改質装置である。 The invention according to claim 1 includes a pair of electrodes, a pellet-shaped dielectric provided between the pair of electrodes, an emulsion supply means configured to supply an emulsion containing urea to the dielectric, and a pair of electrodes A power source means configured to generate a pulse discharge or an alternating current discharge between a pair of electrodes to convert urea reaching the dielectric into ammonia, and to supply ammonia into the dielectric converted from urea by supplying a carrier gas to the dielectric. A urea reformer comprising a carrier gas supply means configured to be extractable.
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ペレット状の誘電体と粉末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)。この充填型放電反応器に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,尿素を連続的に反応器に供給するため、油中に尿素粉末、あるいは高濃度尿素水溶液を液滴として分散させたエマルションを用いる。またもう一つの方法として、尿素水溶液を反応器内に噴霧して連続供給を行う。これにより液体用のポンプを用いることで反応装置内に連続供給できる。 Here, the pair of electrodes is preferably a discharge electrode and a ground electrode provided on the outer periphery of the discharge electrode in the form of a coaxial cylinder through a dielectric. A packed-bed type discharge reactor made of a dielectric material and powdered urea can be considered (FIG. 1). A pulse or alternating high voltage is applied to the discharge electrode in the filling type discharge reactor to generate discharge plasma, and the urea in the discharge plasma region is decomposed into ammonia. At this time, in order to continuously supply urea to the reactor, an emulsion in which urea powder or high-concentration urea aqueous solution is dispersed as droplets in oil is used. As another method, the urea aqueous solution is sprayed into the reactor to perform continuous supply. Thereby, it can supply continuously in a reactor by using the pump for liquids.
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(NOX)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。 The exhaust gas purification apparatus includes the urea reforming apparatus described above and a reduction catalyst that reduces nitrogen oxide (NO x ) using ammonia generated in the exhaust path of the engine and generated by the urea reforming apparatus as a reducing agent. can get.
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を生成することで,従来の尿素SCR法では困難であった低温排ガス中のNOXを効率よく還元処理することができるようになった。 Conventional decomposition of urea by thermal excitation produces ammonium nitrite at 483K or lower. As a result, the production rate of ammonia is slow. In the present invention, a reaction in which urea is decomposed by discharge plasma to generate ammonia is induced. For this reason, even when the exhaust gas temperature is relatively low, for example, 400K or less, a higher concentration of ammonia can be generated when exposed to discharge plasma than when exposed to plasma. In other words, by generating ammonia from urea by discharge plasma, it has become possible to efficiently reduce NO x in low-temperature exhaust gas, which was difficult with the conventional urea SCR method.
尿素粉末を放電装置に連続供給するためには、放電装置に流入するガスの上流側で、ガス中に粉末を吹き込むことなどの方法が必要であるが、尿素は潮解性があり、粉末が固化するなどでノズルが閉塞する問題があった。本発明では,油中に尿素粉末あるいは高濃度尿素水溶液の液滴を分散させた流動性のあるエマルションを用いるため、ノズルのつまりがなく、連続供給が可能となる。また尿素水溶液を放電装置内に噴霧することでも連続供給ができる。 In order to continuously supply urea powder to the discharge device, a method such as blowing the powder into the gas upstream of the gas flowing into the discharge device is required. However, urea is deliquescent and the powder solidifies. There was a problem that the nozzle was blocked by doing so. In the present invention, since a fluid emulsion in which droplets of urea powder or high-concentration urea aqueous solution are dispersed in oil is used, there is no nozzle clogging and continuous supply is possible. Also, continuous supply can be performed by spraying an aqueous urea solution into the discharge device.
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
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、一対の電極1,3の間に設けられたペレット状の誘電体7と、尿素を含むエマルジョンを誘電体に供給可能に構成されたエマルジョン供給手段と、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誘電体に達する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,ペレット状の誘電体7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、放電空間内にペレット状の誘電体7からなる充填層が形成される。
In the exhaust manifold of a diesel engine or lean burn engine, the present invention installs a urea reformer between the rear of the engine and the front of the SCR catalyst, and supplies ammonia generated by the reforming of urea to the SCR catalyst. This is an exhaust gas purification device that removes NOx. As shown in FIG. 1, the structure of the urea reforming apparatus includes a pair of
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,ペレット状の誘電体7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。
In this urea reformer, a carrier gas (for example, air or exhaust gas) containing water vapor is supplied to the filling type discharge reactor through the
エマルジョン供給手段は、ポンプとノズルからなり、そして、このエマルジョン供給手段は、プラズマ装置内に、油中に尿素粉末あるいは高濃度尿素水溶液の液滴を分散させた流動性のあるエマルションを噴霧などで供給するように構成される。あるいは尿素水溶液を噴霧により供給する。このように、油中に尿素粉末あるいは高濃度尿素水溶液の液滴を分散させた流動性のあるエマルションを用いるため、ノズルのつまりがなく、連続供給が可能となる。また尿素水溶液を放電装置内に噴霧することでも連続供給ができる。これによりアンモニアを連続的に生成し、排ガス浄化装置において低温排ガス中であっても効率よくNOXを窒素分子に還元させることができる。 The emulsion supply means comprises a pump and a nozzle, and this emulsion supply means sprays a fluid emulsion in which droplets of urea powder or high-concentration urea aqueous solution are dispersed in oil in a plasma apparatus. Configured to supply. Alternatively, an aqueous urea solution is supplied by spraying. Thus, since a fluid emulsion in which droplets of urea powder or high-concentration urea aqueous solution are dispersed in oil is used, there is no nozzle clogging and continuous supply is possible. Also, continuous supply can be performed by spraying an aqueous urea solution into the discharge device. As a result, ammonia can be continuously produced, and NO x can be efficiently reduced to nitrogen molecules even in low temperature exhaust gas in the exhaust gas purification device.
図1に示す充填層放電型プラズマ装置、あるいは図1の装置において充填物を取り除いた形状の誘電体バリア放電型のプラズマ反応装置を用いることで大気圧放電プラズマを発生させた。図1の充填層放電型プラズマ反応装置は、長さ50mm内径19mmのホウケイ酸ガラス管(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,ホウケイ酸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。このホウケイ酸ガラス管とステンレスロッドの間に直径2.5〜4mmの誘電体ペレット(符号7)と粉末状の尿素(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た。 Atmospheric pressure discharge plasma was generated by using the packed bed discharge type plasma apparatus shown in FIG. 1 or the dielectric barrier discharge type plasma reactor in which the filling material was removed in the apparatus of FIG. The packed bed discharge plasma reactor shown in Fig. 1 has a stainless steel rod (reference numeral 3) of 25 mm in length and 11 mm in outer diameter in the center of a borosilicate glass tube (reference numeral 2) having a length of 50 mm and an inner diameter of 19 mm. The outer periphery of the borosilicate glass tube was covered with a stainless steel sheet (reference numeral 1). Filled by filling the borosilicate glass tube and stainless steel rod with dielectric pellets (symbol 7) and powdered urea (symbol 8) with a diameter of 2.5 to 4 mm and sandwiching both ends with ceramics (symbol 4). Layered. The internal stainless steel rod is a high-voltage electrode, a positive pulsed high voltage was applied to it, and the external stainless steel sheet was used as the ground electrode. A discharge plasma was generated by applying a pulse voltage of 15 kVp-p, 5 kHz, and a rise of about 0.25 μs.
一方、1gの尿素を1gのイオン交換水に溶かした後、界面活性剤としてトリトンXを10μL加え、これをドデカン3mLに加え、攪拌して、エマルションを作成した。このエマルションを充填層型プラズマ反応装置に毎分100μLで供給した。あわせて、プラズマ反応装置には窒素ガスを毎分2Lの流量で供給した。反応装置の温度は60度Cとし、アンモニアを発生させた。 On the other hand, after dissolving 1 g of urea in 1 g of ion exchange water, 10 μL of Triton X was added as a surfactant, and this was added to 3 mL of dodecane and stirred to prepare an emulsion. This emulsion was supplied to the packed bed type plasma reactor at 100 μL per minute. In addition, nitrogen gas was supplied to the plasma reactor at a flow rate of 2 L / min. The temperature of the reactor was 60 ° C., and ammonia was generated.
また、正極性パルス高電圧を(10kVp-p,5kHz),(15kVp-p,0.7kHz)及び(12.5kVp-p,3.3kHz)に変更したことを除いて他の条件を変更せずに再びアンモニアを発生させた。これらの条件により発生したアンモニアの濃度と時間との関係を図2に示す。 Also, change other conditions except that the positive pulse high voltage was changed to (10kVp-p, 5kHz), (15kVp-p, 0.7kHz) and (12.5kVp-p, 3.3kHz). Without generating ammonia again. The relationship between the concentration of ammonia generated under these conditions and time is shown in FIG.
また、充填物の材質を変えて、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たことを除き、先の条件と同一の条件及び手続きにおいてアンモニアを発生させた。このときのアンモニアの濃度と時間との関係を図3に示す。 Also, ammonia is generated under the same conditions and procedures as the previous conditions, except that the material of the packing was changed and a discharge plasma was generated by applying a pulse voltage of 15 kVp-p, 5 kHz, rising 0.25 μs. I let you. FIG. 3 shows the relationship between the ammonia concentration and time at this time.
更に、毎分5Lの流量で反応装置に供給する窒素ガス中に、濃度30%の尿素水をミスト径1〜10mmで噴霧することで、尿素を充填層型プラズマ反応装置に供給した。温度は120度Cとした。パルス電圧波高値10kV,
周波数5kHzとした。尿素水ミストがガス中で蒸発し、プラズマ部で尿素が分解されアンモニアが発生できることが確認できた。このときのアンモニアの濃度と時間との関係を図4に示す。
Further, urea was supplied to the packed bed type plasma reactor by spraying urea water having a concentration of 30% with a mist diameter of 1 to 10 mm into nitrogen gas supplied to the reactor at a flow rate of 5 L / min. The temperature was 120 ° C. Pulse voltage peak value 10kV,
The frequency was 5 kHz. It was confirmed that the urea water mist evaporated in the gas and urea was decomposed in the plasma part to generate ammonia. The relationship between the ammonia concentration and time at this time is shown in FIG.
この発明によりエンジン起動時のような低温排ガス条件でも,NOXを還元するためのアンモニアを尿素から生成することが可能である。これにより従来の技術では不可能であった低温での排ガス処理が期待される。また,電気エネルギーによる尿素の改質はオンデマンドのアンモニア供給の可能性を示唆している。 According to the present invention, ammonia for reducing NOX can be generated from urea even under low temperature exhaust gas conditions such as when the engine is started. As a result, exhaust gas treatment at a low temperature, which is impossible with conventional technology, is expected. In addition, the reforming of urea by electric energy suggests the possibility of on-demand ammonia supply.
1 ステンレスシート(接地電極)
2 ホウケイ酸ガラス管
3 ステンレスロッド(高電圧電極)
4 高電圧電極およびペレット支持のためのセラミックス
5 ポリテトラフロロエチレン管
6 シリコン栓
7 γ-Al2O3ペレット
8 粉末状尿素
9 パルス電源
1 Stainless steel sheet (ground electrode)
2
4 Ceramics for supporting high voltage electrodes and
Claims (4)
前記一対の電極間に設けられたペレット状の誘電体と、
尿素を含むエマルジョンを前記誘電体に供給可能に構成されたエマルジョン供給手段と、
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誘電体に達する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。 A pair of electrodes;
A pellet-shaped dielectric provided between the pair of electrodes;
An emulsion supply means configured to supply an emulsion containing urea to the dielectric;
Power supply means connected to the pair of electrodes and configured to convert the urea reaching the dielectric by generating pulse discharge or alternating current discharge between the pair of electrodes into ammonia;
A urea reformer comprising: a carrier gas supply means configured to supply a carrier gas to the dielectric and extract ammonia converted from the urea.
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(NOX)を還元する還元触媒と
を備えた排ガス浄化装置。 A urea reformer according to any one of claims 1 to 3,
An exhaust gas purification apparatus comprising: a reduction catalyst provided in an exhaust path of an engine for reducing nitrogen oxide (NO x ) using ammonia generated by the urea reformer as a reducing agent.
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