JP2013007335A - 脱硝装置 - Google Patents

Abstract

【課題】別途の加熱装置を利用せずとも、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒にアンモニアを供給する。
【解決手段】脱硝装置２００は、エンジンの排気路に設けられたタービンの回転を利用してエンジンに空気を導入する過給機のタービンを通過した排気ガス中の窒素酸化物を還元する脱硝触媒２１４と、タービンの上流において排気路から分岐され、タービンの上流の排気ガスをタービンの下流における排気路にバイパスする第１バイパス管２１０と、排気路における第１バイパス管への分岐点から排気路への合流点の間で、第１バイパス管に還元剤を導入する還元剤導入部（第１還元剤導入部２１２）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置に関する。

船舶や、車両等のエンジンにおいて、化石燃料を燃焼させると、燃焼排ガス（排気ガス）が生じるが、この排気ガスには、窒素酸化物（以下、単にＮＯｘと称する）が含まれている。ＮＯｘは、大気汚染物質であるため、用途によって、国際的な機関、国、地方自治体により排出濃度や排出量の規制が行われている。したがって、エンジンから排出される排気ガスに含まれるＮＯｘ濃度が所定の規制値以上である場合には、ＮＯｘを除去するための脱硝装置に排気ガスを通過させる必要がある。

脱硝装置としては、ＮＯｘの還元を促進する脱硝触媒と、ＮＯｘを還元するための還元剤とを含んで構成される選択式触媒還元（Selective Catalytic Reduction）脱硝装置が普及している。脱硝装置を利用して、ＮＯｘを分解する場合、排気ガスと還元剤とを混合しておき、その混合気体を脱硝触媒に流通させることにより、還元剤が排気ガス中のＮＯｘを還元（分解）する。この還元剤としてアンモニア（ＮＨ_３）が考えられるが、アンモニアは、毒性が強いためアンモニアの前駆物質として尿素水が広く利用されている。したがって、脱硝触媒にアンモニアを供給するために、尿素水の導入口は、脱硝触媒の上流側に設置される。しかし、排気ガス中で尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させるためには、尿素水を所定温度（例えば、２７０℃程度）以上の排気ガス雰囲気中に、所定時間（例えば、１秒程度）滞留させておく必要がある。

脱硝装置において尿素水を十分に気化、分解してアンモニアを生成させる技術として、エンジンの排気ガスを導く排気煙道を流れる排気ガスの一部をＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）の下流で分流し、分流された分流排気ガスの流路に噴射弁から噴射された尿素水を気化、分解するために、分流排気ガスの流路にヒータを配置する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

一方、脱硝触媒は、所定温度（例えば、２７０℃程度）以下であるとＮＯｘの還元効率が低下してしまうという問題がある。また、排気ガスに含まれる硫黄とアンモニアとで生成される硫酸アンモニウム（以下、単に硫安と称する）が脱硝触媒を被毒してしまうおそれもあるため、脱硝触媒を硫安の分解温度以上にしておく必要がある。脱硝触媒には、排気ガスを流通させるため、排気ガスの温度が、ＮＯｘを十分に還元できる温度（以下、単に活性温度と称する）、および、硫安の分解温度（以下、単に、硫安分解温度と称する）に到達していれば、脱硝触媒を加温する必要はない。

しかし、エンジンの排気路に過給機のタービンを備える構成を採る場合、排気ガスの熱がタービンで消費されるため、タービンの下流の排気ガスの温度が、脱硝触媒の活性温度、および、硫安分解温度に到達しないことがある。そこで、脱硝触媒を活性温度および硫安分解温度に維持しておくための技術として、過給機のタービンの上流の排気ガスを分流し、分流した分流排気ガスを脱硝触媒に導入することで、脱硝触媒の温度を高温にし、硫安の生成を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。

特許第４４３０５２４号 特許第２９１５６８７号

しかし、特許文献１の技術を利用すると、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させるために、ヒータ等の別途の加熱装置が必要となり、無駄な電力を消費することとなっていた。また、特許文献２の技術では、脱硝触媒を加温することはできるが、還元剤について言及されていない。例えば、排気ガスの温度が高いタービンの上流に尿素水を導入したとしても、その排気ガスの温度が尿素の分解温度に達しない場合、尿素がタービンに析出してしまったり、尿素の分解温度に達していたとしてもタービンの上流で発生したアンモニアと、排気ガスに含まれる硫黄とが結合して、タービンに硫安が析出してしまうおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑み、別途の加熱装置を利用せずとも、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒にアンモニアを供給することが可能な脱硝装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の脱硝装置は、エンジンの排気路に設けられたタービンの回転を利用してエンジンに空気を導入する過給機のタービンを通過した排気ガス中の窒素酸化物を還元する脱硝触媒と、タービンの上流において排気路から分岐され、タービンの上流の排気ガスをタービンの下流における排気路にバイパスする第１バイパス管と、排気路における第１バイパス管への分岐点から排気路への合流点の間で、第１バイパス管に還元剤を導入する還元剤導入部とを備えることを特徴とする。

排気路における第１バイパス管への分岐点から排気路への合流点の間で、第１バイパス管に導入する排気ガスの流量を調整する第１バルブをさらに備え、還元剤導入部は、第１バルブの下流側に還元剤を導入してもよい。

脱硝触媒の入口の温度を検出する温度検出部と、温度検出部が検出した温度に基づいて、第１バルブの開度を調整するバルブ調整部とをさらに備えてもよい。

脱硝触媒の上流において排気路から分岐され、脱硝触媒の上流の排気ガスを脱硝触媒の下流における排気路にバイパスする第２バイパス管と、排気ガスの送出先を、脱硝触媒を通過する排気路と第２バイパス管とで切り換える流路切換部とをさらに備え、流路切換部が、排気ガスの送出先を、脱硝触媒を通過する排気路から第２バイパス管に切り換えると、バルブ調整部は、第１バルブを閉にしてもよい。

タービンの上流における排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘ検出部と、ＮＯｘ検出部が検出した窒素酸化物の濃度に基づいて、還元剤導入部が導入する還元剤の量を調整する還元剤調整部とをさらに備えてもよい。

排気路におけるタービンと脱硝触媒との間に設けられ、タービンを通過した排気ガス中の粒子状物質を捕集するダスト除去器をさらに備え、第１バイパス管は、タービンの上流において排気路から分岐され、タービンの上流の排気ガスを、タービンの下流かつダスト除去器の上流における排気路にバイパスしてもよい。

排気路におけるタービンと脱硝触媒との間に設けられ、タービンを通過した排気ガス中の粒子状物質を捕集するダスト除去器をさらに備え、第１バイパス管は、タービンの上流において排気路から分岐され、タービンの上流の排気ガスを、ダスト除去器の下流かつ脱硝触媒の上流における排気路にバイパスしてもよい。

本発明は、別途の加熱装置を利用せずとも、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒にアンモニアを供給することが可能となる。

第１の実施形態にかかる脱硝システムを説明するための説明図である。 ２ストロークエンジンにおけるエンジン負荷と排気ガスの温度との関係を説明するための説明図である。 第１の実施形態にかかる脱硝装置を用いた脱硝方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。 第２の実施形態にかかる脱硝システムを説明するための説明図である。 第２の実施形態にかかる脱硝システムの変形例を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

コンテナ船やタンカー等の大型船舶では、熱効率がよく、低質燃料油（重油）が使用できるためコスト面で有利である、ユニフロー型の２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）が広く使用されている。このようなエンジンにおいて、化石燃料、例えば、ガソリン、軽油、重油、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）、および液化石油ガス（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）等の燃料を燃焼させると、その結果生じる排気ガスには、ＮＯｘが含まれる。

そこで、近年、国際海事機関（ＩＭＯ：International Maritime Organization）が、船舶から排出される排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を削減する規制を制定しており、一般海域においてＮＯｘの排出量を所定値までに制限し（２次規制）、大気汚染物質放出規制海域（ＥＣＡ：Emission Control Area、以下、ＥＣＡと称する）においては、ＮＯｘの排出量を、２次規制より低い値を上限として制限している（３次規制）。

このように国際海事機関が制定した規制を遵守すべく、船舶には、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元するための脱硝装置を備えておく必要がある。以下、エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘを還元する脱硝システム１００について説明する。なお、以下の実施形態において、脱硝システム１００に用いるエンジンとしてユニフロー型の２ストロークエンジンを例に挙げて説明するが、他の形式の２ストロークエンジン等に脱硝システム１００を採用することもできる。

（第１の実施形態：脱硝システム１００）
図１は、本実施形態にかかる脱硝システム１００を説明するための説明図である。図１に示すように、脱硝システム１００は、エンジン１１０と、過給機１２０と、脱硝装置２００とを含んで構成される。図１中、物質（排気ガス、還元剤）の流れを実線で示し、信号の流れを破線で示す。

エンジン１１０は、シリンダ１１０ａと、ピストン１１０ｂと、排気弁１１０ｃと、排気集合管１１２とを含んで構成される。エンジン１１０は、掃気、圧縮、燃焼、排気といった行程を通じて、クロスヘッド（図示せず）に連結されたピストン１１０ｂがシリンダ１１０ａ内を摺動自在に、図１中白抜き矢印に示す方向に往復移動する。このようなクロスヘッド型のピストン１１０ｂでは、シリンダ１１０ａ内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン１１０ｂに作用する側圧をクロスヘッドが受けるため、２ストロークエンジンの高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ１１０ａとクロスヘッドが収まるクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。排気集合管１１２は、エンジン１１０に設けられた複数の排気弁１１０ｃそれぞれを通じてシリンダ１１０ａと連通する複数の排気路を集約する。

過給機１２０は、タービン１２２と、タービン１２２と同軸の圧縮機１２４とを含んで構成される。タービン１２２は、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１によって回転し、圧縮機１２４は、タービン１２２の回転を利用し、外部から導入される活性ガス（酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気））を圧縮してエンジン１１０への掃気圧を高める。こうすることで、エンジン１１０の出力を向上させることができる。

脱硝装置２００は、排気ガスＸ１にアンモニアを作用させることで、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを窒素に還元する。

このように、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１は、脱硝装置２００に導入され、ＮＯｘが還元されて、排気ガスＸ２として外部に排出される。

上述したように、大型船舶では、ユニフロー型の２ストロークエンジンが広く採用されているが、２ストロークエンジンは、４ストロークエンジンと比較して、高効率であり燃料に対する空気の割合が高いので排気ガスの温度が低い場合が多い。したがって、エンジン１１０としてユニフロー型の２ストロークエンジンを採用する場合、タービン１２２の下流の排気ガスの温度が、脱硝装置２００に導入される還元剤（尿素水）の気化、分解温度に満たず、脱硝装置２００においてＮＯｘを十分に還元できないおそれがあった。

そこで、本実施形態では、別途の加熱装置を利用せずとも、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒にアンモニアを供給することができ、また、タービン１２２への硫安の析出を防止することが可能な脱硝装置２００を提供することを目的とする。以下、脱硝装置２００の具体的な構成について説明する。

（脱硝装置２００）
本実施形態にかかる脱硝装置２００では、排気ガスＸ１に還元剤を導入し、還元剤の導入位置の下流にある、脱硝触媒で、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを還元して窒素を生成する選択式触媒還元方式を採用している。

図１に示すように、脱硝装置２００は、第１バイパス管２１０と、第１還元剤導入部２１２と、脱硝触媒２１４と、ＮＯｘ検出部２１６と、還元剤調整部２１８と、第１バルブ２２０と、第２還元剤導入部２２２と、温度検出部２２４と、バルブ調整部２２６と、第２バイパス管２２８と、流路切換部２３０とを含んで構成される。

第１バイパス管２１０は、過給機１２０のタービン１２２の上流において排気路２０２ａから分岐され、タービン１２２の上流の排気ガスＸ１をタービン１２２の下流における排気路２０２ｂにバイパスする。

第１還元剤導入部２１２は、二流体ノズルや一流体ノズルを含んで構成され、排気路２０２ａから第１バイパス管２１０への分岐点Ｐから排気路２０２ｂへの合流点Ｑの間で、第１バイパス管２１０に還元剤（尿素水）を導入（噴霧）する。本実施形態において第１還元剤導入部２１２は、第１バイパス管２１０における、後述する第１バルブ２２０の下流側に尿素水を導入する。

なお、第１還元剤導入部２１２による尿素水の導入位置および第１バルブ２２０の位置は、第１バイパス管２１０において、可能な限り上流であることが好ましい。例えば、タービン１２２の上流の排気ガスＸ１の温度が２７０℃であって、２７０℃で尿素水を気化、分解するためには１秒を要し、排気ガスＸ１の流速が、１０ｍ／秒であるとすると、尿素水を気化、分解するためには、１０ｍの流路が必要となる。したがって、第１還元剤導入部２１２による尿素水の導入位置および第１バルブ２２０の位置を、第１バイパス管２１０における可能な限り上流にすることにより、尿素水を気化、分解するための時間（配管の長さ）を稼ぐことができ、脱硝装置２００までの配管の長さを無駄に長くする必要がなくなる。

脱硝触媒２１４は、バナジウム、タングステン、モリブデン等の金属またはその酸化物と酸化チタン等で構成され、過給機１２０のタービン１２２を通過した排気ガスＸ１中のＮＯｘを還元する。

図２は、２ストロークエンジンにおけるエンジン負荷と排気ガスＸ１の温度との関係を説明するための説明図である。図２中、タービン１２２の入口の排気ガスＸ１の温度を実線で、タービン１２２の出口の排気ガスＸ１の温度を破線で示す。

ＮＯｘの排出量が厳しく制限されるＥＣＡ内を航行する場合、エンジン１１０から排出される排気ガスＸ１は脱硝触媒２１４を通過させる必要がある。図２に示すように、エンジン負荷が高いと、タービン１２２の仕事量が増加し、すなわち、タービン１２２において排気ガスＸ１の熱が消費されてしまうため、タービン１２２の出口の排気ガスＸ１の温度が低下する。例えば、エンジン負荷が２５％から７５％と上昇するにつれて、タービン１２２の仕事量が増加するため、タービン１２２出口の排気ガスＸ１の温度は徐々に低下して２５０℃程度となり、７５％を超えても、２５０℃程度に留まる。したがって、エンジン負荷が６７％を超えると、尿素水の気化、分解に必要な温度である２７０℃を下回ってしまう。

ここで、タービン１２２の出口と脱硝触媒２１４とは、距離が近いため、タービン１２２の出口（下流）の排気ガスＸ１の温度を、脱硝触媒２１４の入口の温度とみなすことができる。したがって、タービン１２２の下流の排気ガスＸ１の温度が低下し、すなわち、脱硝触媒２１４の温度が低下し、活性温度、および、硫安分解温度（例えば、２７０℃程度）に達していないと、脱硝触媒２１４がＮＯｘを十分に還元できない。

本実施形態では、第１バイパス管２１０を設け、タービン１２２の上流の温度の高い排気ガスＸ１を脱硝触媒２１４の直前にバイパスさせることにより、脱硝触媒２１４の温度を上昇させることができる。したがって、第１バイパス管２１０の配管径や、第１バイパス管２１０でバイパスさせる排気ガスＸ１の流量を適切に調整することで、脱硝触媒２１４の温度を、活性温度、および、硫安分解温度に到達させることができ、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを確実に還元することが可能となる。

また、第１還元剤導入部２１２が、高温の排気ガスＸ１が通過する第１バイパス管２１０に還元剤としての尿素水を導入することで、別途の加熱装置を利用せずとも、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒２１４に確実にアンモニアを供給することができる。

ＮＯｘ検出部２１６は、タービン１２２の上流における排気ガスＸ１のＮＯｘの濃度を検出する。ここで、ＮＯｘ濃度は、エンジン負荷（エンジン出力）や、エンジンへの燃料投入量と相関があるので、ＮＯｘ検出部２１６は、実際のＮＯｘ濃度を測定せずとも、エンジン負荷や、エンジン１１０への燃料投入量からＮＯｘ濃度を推定してもよい。また、ＮＯｘ検出部２１６を分析計で構成しておき、タービン１２２の上流における排気ガスＸ１のＮＯｘの濃度を直接測定してもよい。

還元剤調整部２１８は、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度、エンジン１１０から排気される排気ガスＸ１の流量、後述するバルブ調整部２２６による第１バルブ２２０の開度（流量）、および、後述する流路切換部２３０による排気ガスＸ１の送出先の切り換えに基づいて、第１還元剤導入部２１２が導入する尿素水の量および第２還元剤導入部２２２が導入する尿素水の量を調整する。

ＮＯｘ検出部２１６および還元剤調整部２１８を備える構成により、排気ガスＸ１中のＮＯｘが少ないときに無駄に尿素水を導入してしまい、脱硝触媒２１４においてアンモニアが酸化されずに、外部に排出してしまう事態を回避することができ、ＮＯｘが多いときにそのＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水を導入することが可能となる。

例えば、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度が１０００ｐｐｍであって、エンジン１１０から排気される排気ガスＸ１の流量が１０００Ｎｍ^３／時間であり、脱硝触媒２１４におけるＮＯｘの還元率が８０％であるとすると、還元剤調整部２１８は、３０ｗｔ％の尿素水を５２．４ｋｇ／時間で導入することになる。

第１バルブ２２０は、バタフライ弁やゲート弁等の流量調整弁を含んで構成され、排気路２０２ａにおける第１バイパス管２１０への分岐点Ｐから排気路２０２ｂへの合流点Ｑの間に配置される。第１バルブ２２０の開度は、バルブ調整部２２６によって調整され、バルブ調整部２２６は、第１バイパス管２１０に導入する排気ガスＸ１の流量を調整する。

例えば、タービン１２２の上流の排気ガスＸ１の温度が３５０℃であり、第１バイパス管２１０における尿素水の滞留時間が０．１秒であるとすると、第１バイパス管２１０の温度を３００℃以上にする必要があるため、バルブ調整部２２６は、第１バルブ２２０の開度を調整して、第１バイパス管２１０に導入する排気ガスＸ１の流量を０．２Ｎｍ^３／時間以上にする。

なお、タービン１２２の上流の排気ガスＸ１の圧力は、タービン１２２の下流の排気ガスＸ１の圧力よりも高いため、送風機等の別途の装置を用いずとも、第１バルブ２２０の開度を調整するだけで、第１バイパス管２１０における排気ガスＸ１の流量を調整することができる。

第２還元剤導入部２２２は、二流体ノズルや一流体ノズルを含んで構成され、第１バイパス管２１０の排気路２０２ｂにおける合流点Ｑの下流に尿素水を導入（噴霧）する。本実施形態において、第２還元剤導入部２２２は、バルブ調整部２２６による制御に応じて、第１バルブ２２０が閉となっている期間、すなわち、排気ガスＸ１全量がタービン１２２を通過している期間のみ合流点Ｑの下流に尿素水を導入する。

温度検出部２２４は、脱硝触媒２１４の入口の温度を検出する。図２を参照して理解できるように、タービン１２２の出口の排気ガスＸ１の温度とエンジン負荷には相関性があるため、温度検出部２２４は、実際の脱硝触媒２１４の入口の温度を測定せずとも、エンジン負荷、例えば、エンジン負荷が６７％以上であると、脱硝触媒２１４の入口の温度が２７０℃を下回る等、エンジン負荷から温度を推定してもよい。

表１は、エンジン負荷とクランクの回転数との関係を示す表である。表１に示すように、エンジン負荷とクランクの回転数との間には相関関係があるため、温度検出部２２４は、実際の脱硝触媒２１４の入口の温度を測定せずとも、クランクの回転数からエンジン負荷を推定し、推定したエンジン負荷から温度を推定してもよい。すなわち、クランクの回転数から脱硝触媒２１４の入口の温度を一意に求めることができる。

バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度に基づいて、第１バルブ２２０の開度を調整する。

ＮＯｘの排出量が厳しく制限されるＥＣＡ内を航行する場合、排気ガスＸ１は脱硝触媒２１４を通過させる必要がある。ここで、エンジン負荷が高く、タービン１２２の下流の排気ガスＸ１の温度が低下し、脱硝触媒２１４の入口の温度が、活性温度、および、硫安分解温度に達していない場合には、第１バイパス管２１０を介して、タービン１２２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせて、脱硝触媒２１４を加温する必要がある。

そこで、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度が、脱硝触媒２１４の活性温度未満、かつ、硫安分解温度未満であると判定したときに、第１バルブ２２０の開度を調整して、バイパスさせる高温の排気ガスＸ１の流量を調整する。これにより、脱硝触媒２１４の温度を、活性温度、および、硫安分解温度に到達させることができ、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを確実に還元することが可能となる。

一方、エンジン負荷が低く、タービン１２２の下流の排気ガスＸ１の温度が低下せず、脱硝触媒２１４の入口の温度が、活性温度、および、硫安分解温度に達していれば、タービン１２２の上流の排気ガスＸ１をバイパスさせる必要はない。

そこで、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度が、第１バイパス管２１０を介して高温の排気ガスＸ１をバイパスさせずとも、脱硝触媒２１４の活性温度以上となるとみなせる温度（例えば、２７０℃よりも１００℃高い３７０℃）であると判定したときに、第１バルブ２２０を閉にして、タービン１２２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせない。

これにより、エンジン負荷が低い場合に、排気ガスＸ１を不要にバイパスさせることで、タービン１２２を通過する排気ガスＸ１の流量が低下し、圧縮機１２４の出力が低下してしまい、エンジン１１０が高温になってしまう事態を回避することが可能となる。

また、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度が、アンモニアを分解してしまうような高温である場合、第１バルブ２２０を閉にして、タービン１２２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせない。

これにより、タービン１２２の上流の排気ガスＸ１があまりにも高温であり、この排気ガスＸ１をバイパスさせることで、脱硝触媒２１４の温度が上昇しすぎて、アンモニアが分解されてしまい、ＮＯｘの還元効率が低下してしまう事態を回避することができる。

なお、バルブ調整部２２６が第１バルブ２２０を閉にしている間、還元剤調整部２１８は、第１還元剤導入部２１２に尿素水の導入を停止させ、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度に基づいて、第２還元剤導入部２２２が導入する尿素水の量を調整する。

また、バルブ調整部２２６は、後述する流路切換部２３０による、脱硝触媒２１４と後述する第２バイパス管２２８との排気ガスＸ１の送出先の切り換え処理に応じて、第１バルブ２２０の開度を調整する。流路切換部２３０による送出先の切り換え処理に応じたバルブ調整部２２６の制御については、後に詳述する。

第２バイパス管２２８は、脱硝触媒２１４の上流において排気路２０２ｂから分岐され、脱硝触媒２１４の上流の排気ガスＸ１を脱硝触媒２１４の下流における排気路２０２ｄにバイパスさせる。したがって、この場合、排気ガスＸ２は排気ガスＸ１そのものとなる。

流路切換部２３０は、脱硝システム１００を搭載した船舶がＥＣＡ以外の一般海域内を航行している間、排気ガスＸ１の送出先を、脱硝触媒２１４を通過する排気路２０２ｃから第２バイパス管２２８に切り換える。そして、バルブ調整部２２６は第１バルブ２２０を閉にする。

ＮＯｘの排出量が厳しく制限されていない一般海域内を航行する場合、排気ガスＸ１を脱硝触媒２１４に通過させる必要がない。そこで、一般海域内を航行する間、流路切換部２３０が排気ガスＸ１の送出先を第２バイパス管２２８に切り換えて、排気ガスＸ１を脱硝触媒２１４に通過させないことで、脱硝触媒２１４の劣化を防止することが可能となる。また、一般海域内を航行する間、第１バイパス管２１０によるタービン１２２の上流の排気ガスＸ１のバイパスも不要となるので、バルブ調整部２２６は、第１バルブ２２０を閉にし、還元剤調整部２１８は、第１還元剤導入部２１２および第２還元剤導入部２２２に尿素水の導入を停止させる。

以上説明したように、本実施形態にかかる脱硝装置２００によれば、別途の加熱装置を利用せずとも、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒２１４にアンモニアを供給することが可能となる。また、流通する排気ガスＸ１の温度が高い第１バイパス管２１０に尿素水を導入することにより、尿素水を気化、分解する時間を短縮することができ、すなわち、尿素水を気化、分解するために必要な配管長を短くすることが可能となる。したがって、脱硝装置２００をコンパクトに構成することができ、脱硝装置２００の搭載性を向上させることが可能となる。

（脱硝方法）
図３は、本実施形態にかかる脱硝装置２００を用いた脱硝方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。図３に示すように、流路切換部２３０は、脱硝システム１００が搭載されている船舶が現在航行している海域が、ＥＣＡであるか否かを判定し（Ｓ３００）、ＥＣＡである場合（Ｓ３００におけるＹＥＳ）、排気ガスＸ１の現在の送出先が脱硝触媒２１４を通過する排気路２０２ｃであるか否かを判定し（Ｓ３０２）、現在の送出先が脱硝触媒２１４を通過する排気路２０２ｃでない場合（Ｓ３０２におけるＮＯ）、排気ガスＸ１の送出先を、脱硝触媒２１４を通過する排気路２０２ｃに切り換える（Ｓ３０４）。

そして、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４による脱硝触媒２１４の入口の温度の検出結果が、アンモニア（ＮＨ_３）の分解温度未満であるか否かを判定し（Ｓ３０６）、分解温度未満であれば（Ｓ３０６におけるＹＥＳ）、さらにその温度が、第１バイパス管２１０で高温の排気ガスＸ１をバイパスさせずとも、脱硝触媒２１４の活性温度および硫安分解温度以上であるとみなせる温度（例えば、３７０℃）以上であるか否かを判定する（Ｓ３０８）。なお、流路判定ステップＳ３０２において、排気ガスＸ１の現在の送出先が脱硝触媒２１４を通過させる排気路２０２ｃである場合（Ｓ３０２におけるＹＥＳ）は、その後、温度判定ステップＳ３０６の処理を遂行する。

脱硝触媒２１４の入口の温度が、３７０℃未満である場合（Ｓ３０８におけるＮＯ）、バルブ調整部２２６は、第１バルブ２２０の開度を調整し（Ｓ３１０）、還元剤調整部２１８は、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度に基づいて、第１還元剤導入部２１２が導入する尿素水の量を調整し（Ｓ３１２）、第２還元剤導入部２２２が尿素水を導入していれば（Ｓ３１４におけるＹＥＳ）、第２還元剤導入部２２２による尿素水の導入を停止する（Ｓ３１６）。

脱硝触媒２１４の入口の温度が、アンモニアの分解温度以上である（Ｓ３０６におけるＮＯ）、または、３７０℃未満である（Ｓ３０８におけるＹＥＳ）場合、第１バルブ２２０が閉であるか否かを判定し（Ｓ３１８）、第１バルブ２２０が閉でなければ（Ｓ３１８におけるＮＯ）、バルブ調整部２２６は、第１バルブ２２０を閉にし（Ｓ３２０）、還元剤調整部２１８は、第１還元剤導入部２１２が尿素水を導入しているか否かを判定し（Ｓ３２４）、第１還元剤導入部２１２が尿素水を導入していれば（Ｓ３２４におけるＹＥＳ）、第１還元剤導入部２１２による尿素水の導入を停止し（Ｓ３２２）、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度に基づいて、第２還元剤導入部２２２が導入する尿素水の量を調整する（Ｓ３２６）。

一方、流路切換部２３０が、脱硝システム１００が搭載されている船舶が現在航行している海域が、ＥＣＡでないと判定すると（Ｓ３００におけるＮＯ）、流路切換部２３０は、排気ガスＸ１の現在の送出先が第２バイパス管２２８であるか否かを判定し（Ｓ３３０）、現在の送出先が第２バイパス管２２８でないと（Ｓ３３０におけるＮＯ）、送出先を第２バイパス管２２８に切り換える（Ｓ３３２）。そして、バルブ調整部２２６は、第１バルブ２２０を閉とし（Ｓ３３４）、還元剤調整部２１８は、第１還元剤導入部２１２および第２還元剤導入部２２２による尿素水の導入を停止する（Ｓ３３６）。

以上説明したように、本実施形態にかかる脱硝方法によれば、ＥＣＡを航行している間は、排気ガスＸ１を脱硝触媒２１４に通過させる。そして、脱硝触媒２１４の温度に応じて、タービン１２２の上流の高温の排気ガスＸ１を、第１バイパス管２１０を通じてバイパスさせることで、脱硝触媒２１４の温度を確実に活性温度、および、硫安分解温度に到達させることができる。また、バイパスさせている間、尿素水を高温の排気ガスＸ１が流通する第１バイパス管２１０に導入することで、尿素水を確実に気化、分解することができるため、脱硝触媒２１４によるＮＯｘ還元の効率を向上させることが可能となる。

また、ＥＣＡを航行していない間、排気ガスＸ１は、脱硝触媒２１４を回避して、第２バイパス管２２８を通過するため、脱硝が不要な場所で脱硝を行うことによる、脱硝触媒２１４の劣化を防止することが可能となる。

（第２の実施形態：脱硝システム４００）
図４は、本実施形態にかかる脱硝システム４００を説明するための説明図である。図４に示すように、脱硝システム４００は、エンジン１１０と、過給機１２０と、脱硝装置４５０とを含んで構成される。エンジン１１０は、シリンダ１１０ａと、ピストン１１０ｂと、排気弁１１０ｃと、排気集合管１１２とを含んで構成される。過給機１２０は、タービン１２２と、タービン１２２と同軸の圧縮機１２４とを含んで構成される。脱硝システム４００は、第１バイパス管２１０と、第１還元剤導入部２１２と、脱硝触媒２１４と、ＮＯｘ検出部２１６と、還元剤調整部２１８と、第１バルブ２２０と、第２還元剤導入部２２２と、温度検出部２２４と、バルブ調整部２２６と、第２バイパス管２２８と、流路切換部２３０と、ダスト除去器４６０を含んで構成される。

なお、上述した第１の実施形態における、エンジン１１０、シリンダ１１０ａ、ピストン１１０ｂ、排気弁１１０ｃ、排気集合管１１２、過給機１２０、タービン１２２、圧縮機１２４、第１バイパス管２１０、第１還元剤導入部２１２、脱硝触媒２１４、ＮＯｘ検出部２１６、還元剤調整部２１８、第１バルブ２２０、第２還元剤導入部２２２、温度検出部２２４、バルブ調整部２２６、第２バイパス管２２８、流路切換部２３０は、実質的に機能が等しいので、同一の符号を付して重複説明を省略し、ここでは、ダスト除去器４６０について説明する。

ダスト除去器４６０は、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）とも呼ばれ、タービン１２２を通過した排気ガスＸ１中の粒子状物質を捕集する。図４に示すように、本実施形態において、ダスト除去器４６０は、タービン１２２と脱硝触媒２１４との間に配された排気路に設けられる。

また、本実施形態において、第１バイパス管２１０は、タービン１２２の上流において排気路２０２ａから分岐され、タービン１２２の上流の排気ガスＸ１を、タービン１２２の下流かつダスト除去器４６０の上流における排気路２０２ｂにバイパスする。

２ストロークエンジンの排気ガスには、凝縮性炭化水素分が含まれており、かかる凝縮性炭化水素分は、凝縮点が２５０℃以下（物質によっては、凝縮点が３００℃以下）である。したがって、ダスト除去器４６０の温度が凝縮点である２５０℃から３００℃の温度範囲以下になってしまうと、凝縮性炭化水素分が凝縮してダスト除去器４６０を閉塞してしまうおそれがある。

そこで、第１バイパス管２１０を設け、タービン１２２の上流の温度の高い排気ガスＸ１をダスト除去器４６０の直前にバイパスさせることにより、ダスト除去器４６０の温度を上昇させることができる。したがって、第１バイパス管２１０の配管径や、第１バイパス管２１０でバイパスさせる排気ガスＸ１の流量を適切に調整することで、ダスト除去器４６０の温度を、凝縮性炭化水素分の凝縮点（凝縮温度）以上に到達させることができ、ダスト除去器４６０において凝縮性炭化水素分が凝縮してダスト除去器４６０を閉塞してしまう事態を回避することが可能となる。

（変形例）
図５は、脱硝システム４００の変形例を説明するための説明図である。図５に示す変形例では、第１バイパス管２１０によるバイパス位置が、図４に示す第１バイパス管２１０によるバイパス位置と異なる。

具体的に説明すると、図５に示すように、変形例において、第１バイパス管２１０は、タービン１２２の上流において排気路２０２ａから分岐され、タービン１２２の上流の排気ガスＸ１を、ダスト除去器４６０の下流かつ脱硝触媒２１４の上流における排気路にバイパスする。

例えば、タービン１２２下流の排気ガスＸ１の温度が凝縮性炭化水素分の凝縮点を上回る場合、図４に示す脱硝装置４５０のように第１バイパス管２１０がタービン１２２の上流の温度の高い排気ガスＸ１をダスト除去器４６０にバイパスさせずとも、ダスト除去器４６０において凝縮性炭化水素分が凝縮することはない。しかし、この場合、ダスト除去器４６０において、排気ガスＸ１の温度が低下して、脱硝触媒２１４の温度が活性温度以下になってしまったり、硫安分解温度以下になってしまうおそれがある。

そこで、タービン１２２下流の排気ガスＸ１の温度が凝縮性炭化水素分の凝縮点を十分に上回る場合、第１バイパス管２１０が、タービン１２２の上流の温度の高い排気ガスＸ１をダスト除去器４６０の下流にバイパスさせることにより、ダスト除去器４６０によって脱硝触媒２１４の温度が活性温度以下になってしまったり、硫安分解温度以下になってしまったりする事態を回避することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において。第１還元剤導入部２１２は、第１バイパス管２１０における第１バルブ２２０の下流に還元剤を導入する構成について説明したが、第１バイパス管２１０に還元剤を導入すればよく、第１バルブ２２０の上流に還元剤を導入してもよい。

また、上述した実施形態において、タービン１２２を迂回する管を第１バイパス管２１０、脱硝触媒２１４を迂回する管を第２バイパス管２２８として表現したが、タービン１２２や脱硝触媒２１４があることを前提にしているものではない。例えば、第２バイパス管２２８（この場合、厳密にはバイパスしていない）があることを前提として、第２バイパス管２２８の上流の排気ガスＸ１を分岐して脱硝触媒２１４を通過させ、排気路に戻したりする場合も本発明の実施形態の範囲に含まれる。すなわち、２つの系統（流路）のいずれを主系統（メイン）または副系統（サブ）とするかは任意に設定することができる。

なお、本明細書の脱硝方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置に利用することができる。

１１０ …エンジン
１１２ …排気集合管
１２０ …過給機
１２２ …タービン
２００、４５０ …脱硝装置
２１０ …第１バイパス管
２１２ …第１還元剤導入部
２１４ …脱硝触媒
２１６ …ＮＯｘ検出部
２１８ …還元剤調整部
２２０ …第１バルブ
２２２ …第２還元剤導入部
２２４ …温度検出部
２２６ …バルブ調整部
２２８ …第２バイパス管
２３０ …流路切換部
４６０ …ダスト除去器

Claims (7)

1. エンジンの排気路に設けられたタービンの回転を利用して該エンジンに空気を導入する過給機の該タービンを通過した排気ガス中の窒素酸化物を還元する脱硝触媒と、
   前記タービンの上流において前記排気路から分岐され、該タービンの上流の排気ガスを該タービンの下流における該排気路にバイパスする第１バイパス管と、
   前記排気路における前記第１バイパス管への分岐点から該排気路への合流点の間で、該第１バイパス管に還元剤を導入する還元剤導入部と、
   を備えることを特徴とする脱硝装置。
2. 前記排気路における前記第１バイパス管への分岐点から該排気路への合流点の間で、該第１バイパス管に導入する排気ガスの流量を調整する第１バルブをさらに備え、
   前記還元剤導入部は、前記第１バルブの下流側に前記還元剤を導入することを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。
3. 前記脱硝触媒の入口の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記第１バルブの開度を調整するバルブ調整部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の脱硝装置。
4. 前記脱硝触媒の上流において前記排気路から分岐され、該脱硝触媒の上流の排気ガスを該脱硝触媒の下流における該排気路にバイパスする第２バイパス管と、
   前記排気ガスの送出先を、前記脱硝触媒を通過する排気路と前記第２バイパス管とで切り換える流路切換部と、
   をさらに備え、
   前記流路切換部が、前記排気ガスの送出先を、前記脱硝触媒を通過する排気路から前記第２バイパス管に切り換えると、前記バルブ調整部は、前記第１バルブを閉にすることを特徴とする請求項２または３に記載の脱硝装置。
5. 前記タービンの上流における排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘ検出部と、
   前記ＮＯｘ検出部が検出した窒素酸化物の濃度に基づいて、前記還元剤導入部が導入する還元剤の量を調整する還元剤調整部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の脱硝装置。
6. 前記排気路における前記タービンと前記脱硝触媒との間に設けられ、前記タービンを通過した排気ガス中の粒子状物質を捕集するダスト除去器をさらに備え、
   前記第１バイパス管は、前記タービンの上流において前記排気路から分岐され、該タービンの上流の排気ガスを、該タービンの下流かつ前記ダスト除去器の上流における排気路にバイパスすることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の脱硝装置。
7. 前記排気路における前記タービンと前記脱硝触媒との間に設けられ、前記タービンを通過した排気ガス中の粒子状物質を捕集するダスト除去器をさらに備え、
   前記第１バイパス管は、前記タービンの上流において前記排気路から分岐され、該タービンの上流の排気ガスを、前記ダスト除去器の下流かつ前記脱硝触媒の上流における排気路にバイパスすることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の脱硝装置。

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