JP2013015029A - 脱硝システム用尿素水分解解析プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】尿素の分解反応を正確に予測することを可能とする。
【解決手段】尿素に関するパラメータを設定するステップＳ１２と、排ガスに関するパラメータを設定するステップＳ１４と、尿素に関するパラメータを用いて、尿素水の液滴径変化と液滴温度変化とを算出するステップＳ１８と、水分の蒸発時における尿素水の尿素濃度を算出するステップＳ２０と、尿素水の水分が水分閾値ＭＩＮ１以下となったかを判定するステップＳ２４と、尿素の熱分解反応を求めるステップＳ２８と、尿素濃度が濃度閾値ＭＩＮ２以下となったかを判定するステップＳ３０と、算出結果を出力するステップＳ３２と、を備える処理を行う脱硝システム用尿素水分解解析プログラムとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、脱硝システム用尿素水分解解析プログラムに関する。

国際海事機関（ＩＭＯ）による窒素酸化物（ＮＯｘ）の三次規制に対する対策の一つとして、尿素水を用いた選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）の研究開発が行われている。このＳＣＲによる脱硝では、通常以下の反応が触媒中で起こっていることが知られている。

この反応には還元剤としてアンモニア（ＮＨ_３）が必要になるが、アンモニア（ＮＨ_３）の代わりにアンモニア（ＮＨ_３）の類似化合物として尿素水を使用する手法が、安全面や貯蓄、輸送面の理由から広く採用されている。

一方、三次規制は指定された海域内でのみ適用され、それ以外の海域では二次規制が適用されるが、この海域は基本的に港湾や輻輳海域等の船舶交通量の比較的大きく、陸地に近い場所に設定されると考えられる。その時、ＳＣＲはこの海域を航行する限られた時間のみで運用され、航行中の大部分はＳＣＲを作動させないことが想定できる。そうなると、ＳＣＲの運用に関する自由度は上がり、例えば劣化した触媒の再生をＮＯｘ還元の必要のない海域航行中に行うようなことも可能になるためＳＣＲの寿命や劣化再生方法について調べることが重要となってくる。しかし、これらの検討の手段として実験を行おうとすると非常に長い時間がかかることや温度や排ガス成分等のパラメータが非常に多いことから、数値解析による予測が有効な手段になると考えられる。

ＳＣＲを用いた脱硝反応に関して基礎的な実験・解析から数値解析まで，数多くの研究が行われている。例えば、窒素酸化物を含有する排ガス中に還元剤であるアンモニアを投入する際の制御について開示されている（特許文献１，２等）。特許文献１では、触媒ユニット、エンジンの作動に関するパラメータを用いて制御が行われる。特許文献２では、窒素酸化物（ＮＯｘ）浄化特性の多項式を用いてアンモニア吸着量の目標値を設定する方法が採用されている。また、脱硝システムにおける脱硝触媒の劣化を診断する診断装置が開示されている（特許文献３）。ここでは、アンモニアが漏れるまで脱硝触媒へ供給された還元剤の総量に基づいて脱硝触媒が劣化したか否かを判定している。

特表平０８−５０９７９５号公報 特開２００８−１９６３４０号公報 特開２００９−１２７４９６号公報

ところで、脱硝触媒の劣化又は再生を予測する計算において、上記の尿素の分解反応を正確に予測することが望まれる。すなわち、還元剤として尿素水を用いる場合、触媒での脱硝反応の前までに尿素水から蒸発、分解によって、アンモニア（ＮＨ_３）を生成し、想定している脱硝反応を行えるようにすることが必要である。さらに、どのような条件でアンモニア（ＮＨ_３）の供給量を満たせるかを予測することが、触媒容量や噴射ノズルの設置等を決定する上で重要になる。

本発明は、上記の課題を鑑み、尿素の分解反応によるアンモニアの生成量を予測することを可能とする脱硝システム用尿素水分解解析プログラムを提供することを目的とする。

請求項１に対応した脱硝システム用尿素水分解解析プログラムは、コンピュータによって、燃焼装置からの排ガスに尿素水を添加して脱硝触媒で窒素酸化物の分解を行う脱硝システムにおける尿素の分解反応を算出するプログラムであって、尿素に関するパラメータを設定するステップ１と、前記排ガスに関するパラメータを設定するステップ２と、前記尿素に関するパラメータを用いて、前記尿素水の液滴径変化と液滴温度変化とを算出するステップ３と、水分の蒸発時における前記尿素水の尿素濃度を算出するステップ４と、前記尿素水の水分が水分閾値以下となったかを判定するステップ５と、尿素の熱分解反応を求めるステップ６と、前記尿素濃度が濃度閾値以下となったかを判定するステップ７と、算出結果を出力するステップ８と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記尿素に関するパラメータは、前記尿素水の液滴温度、液滴径、液滴速度、尿素水滴内尿素濃度（尿素水１ｋｇあたりの尿素質量）が挙げられる。また、前記排ガスに関するパラメータは、前記排ガスの流速及び温度等（例えば、空気の流速、温度、圧力）が挙げられる。

また、前記液滴径変化と前記液滴温度変化は、後述するＳｐａｌｄｉｎｇの式（３２）に基づいて算出されることが好ましい。

また、前記尿素の熱分解反応では、尿素減少量とイソシアン酸生成量を算出することが好ましい。これは、後述する式（３７）〜（３９）で表されるＹｉｍの実験式及び反応モデルを用いて算出されることが好ましい。

また、前記ステップ８は、時間と液滴径、温度及び尿素濃度の少なくとも１つとの関係、時間と尿素濃度、イソシアン酸濃度及びアンモニア濃度の少なくとも１つとの関係であることが好ましい。

本発明の脱硝システム用尿素水分解解析プログラムでは、尿素の分解反応を正確に予測することが可能となる。これによって、脱硝触媒の劣化又は再生を予測する計算において還元剤として尿素水を用いる場合、触媒での脱硝反応の前までに尿素水からアンモニア（ＮＨ_３）がどのように生成され、想定している脱硝反応がどのように行われるかを正確に予測することが可能となる。さらに、尿素に関するパラメータや排ガスに関するパラメータが変わった場合、どのような条件でアンモニア（ＮＨ_３）の供給量を満たせるかを予測することで、触媒容量や噴射ノズルの設置等を決定することが可能となる。

本発明の実施の形態におけるコンピュータシステムの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における脱硝システム用尿素水分解解析処理のフローチャートを示す図である。 本発明の実施の形態における蒸発による液滴径の変化を示す図である。 本発明の実施の形態における蒸発による液滴内の温度の変化を示す図である。 本発明の実施の形態における尿素水濃度による液滴寿命の変化を示す図である。 本発明の実施の形態における液滴速度の時間変化を示す図である。 本発明の実施の形態における還元剤による触媒性能及び劣化性能の比較を示す図である。 本発明の実施の形態における尿素の分解割合による脱硝性能の変化を示す図である。 本発明の実施の形態における尿素熱分解割合変更時の触媒中のＮＯ，ＮＨ_３濃度の変化を示す図である。

＜脱硝システム用尿素水分解解析処理＞
本発明の実施の形態における脱硝システム用尿素水分解解析処理は、コンピュータシステム１００を用いて実行される。コンピュータシステム１００は、図１に示すように、処理部１０、記憶部１２、入力部１４及び出力部１６を含んで構成される。

処理部１０は、ＣＰＵ等で構成され、記憶部１２に予め記憶された脱硝システム用尿素水分解解析プログラムを実行することにより脱硝システム用尿素水分解解析処理の演算を行う。記憶部１２は、脱硝システム用尿素水分解解析プログラム及びそれに関する各種パラメータを格納及び保持する。記憶部１２は、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶装置を含んで構成され、処理部１０から読み出し及び書き込み可能とされる。入力部１４は、脱硝システム用尿素水分解解析処理に必要なデータ等を入力するために用いられる。入力部１４は、キーボード、ポインティングデバイス等の入力装置を含んで構成される。出力部１６は、入力部１４から入力されたデータの表示、脱硝システム用尿素水分解解析処理で得られる中間処理結果や最終処理結果の表示等を行う。出力部１６は、ディスプレイ、プリンタ等の出力装置を含んで構成される。

以下、本発明の実施の形態における脱硝システム用尿素水分解解析処理について説明する。脱硝システム用尿素水分解解析処理は、処理部１０によって記憶部１２に記憶されている脱硝システム用尿素水分解解析プログラムを実行することによって、図２に示すフローチャートに沿って行われる。

なお、脱硝システム用尿素水分解解析処理は以下の前提条件下において行われる。（前提１）尿素水液滴の周りにあるガスは、排気ガスではなく、空気である。（前提２）尿素水液滴から発生するのは水のみである。（前提３）尿素水液滴は、周囲にある空気と直接情報（物理量：質量、熱）のやり取りをせず、「フィルム」と称する中間体が尿素水と空気を仲介するものとする。

ステップＳ１０では、脱硝システム用尿素水分解解析処理で使用される定数の設定が行われる。処理部１０は、入力部１４から定数の入力を受け、記憶部１２に記憶させる。ここで入力される定数は、水及び空気のガス定数、水の臨界定数、水、空気、尿素の分子量等が挙げられる。

ステップＳ１２では、尿素（尿素水）に関するパラメータについて初期設定が行われる。処理部１０は、入力部１４からパラメータの入力を受け、記憶部１２に記憶させる。ここで、尿素に関するパラメータは、液滴温度Ｔ_ｐ、液滴直径ｄ_ｐ、液滴速度ｕ_ｐ、尿素水滴内尿素濃度Ｗ_ｔ（尿素水１ｋｇあたりの尿素質量）が挙げられる。これら尿素（尿素水）のパラメータ設定は、尿素の含有形態、供給方法、パラメータの表現方法等により各種のパラメータや組み合わせがあり得る。

また、処理部１０は、これらの設定値から尿素水液滴内の尿素モルｎ、水モル数Ｎの比ｎ／Ｎを式（１）により、尿素水密度ρ_ｄを式（２）により、尿素水液滴質量ｍを式（３）、尿素水液滴内尿素及び水質量を式（４）により算出する。ただし、ｆ１は、尿素水液滴温度及びｎ／Ｎを引数として実験結果から多項式にて尿素水密度ρ_ｄを算出する関数である。

ステップＳ１４では、排ガスに関するパラメータについて設定が行われる。処理部１０は、入力部１４から定数の入力を受け、記憶部１２に記憶させる。ここで入力される排ガスに関するパラメータは、排ガスはほぼ空気に近いものと考えて、空気の流速ｕ_ａ、温度Ｔ_∞、圧力Ｐ等が挙げられる。これら、排ガスのパラメータ設定は、排ガスそのものの流速を用いたり、過渡的な温度も考慮したりすることも可能である。また、パラメータの表現方法やパラメータの組み合わせは各種の方法があり得る。

ステップＳ１６では、現時刻ｔにおける各種の物性値が算出される。以下の処理は、時刻ｔをステップΔｔ毎に進めながら、各時刻ｔにおける物性値を算出することによって行われる。まず、処理部１０は、時刻ｔに対して、式（１）に基づいてｎ／Ｎを算出する。次に、フィルム内の水の温度、質量分率は以下の１／３ルールに従うと仮定して、フィルム内の温度Ｔｆを算出する。

フィルム内の空気の比熱Ｃ_{ｐ＿ａｉｒ}、粘性係数μ_＿ａｉｒ、熱伝導率λ_＿ａｉｒ、密度ρ_＿ａｉｒを算出する。ここで、関数ｆ２，ｆ３，ｆ４は、実験結果から得られたフィルム内の温度Ｔ_ｆを引数とする多項式の関数である。

また、フィルム内の水（気体）の比熱Ｃ_{ｐ＿Ｈ２Ｏ}、粘性係数μ_＿Ｈ２Ｏ、熱伝導率λ_＿Ｈ２Ｏ、密度ρ_＿Ｈ２Ｏを算出する。ここで、関数ｆ５，ｆ６，ｆ７は、実験結果から得られたフィルム内の温度Ｔ_ｆを引数とする多項式の関数である。

次に、水と空気の拡散係数Ｄ［ｍ^２／ｓ］を算出する。水と窒素の拡散係数Ｄ_０＝０．２２２×１０^−４ｍ^２／ｓ（Ｐ_０＝０．１ＭＰａ、Ｔ_０＝２７３．１５Ｋ）から、式（８）で温度と圧力の関数として算出する。ここで、温度Ｔはフィルム内温度Ｔｆと等しく設定する。ｍは定数であり、１．７５とした。

水蒸発潜熱Ｈ_Ｌを算出する。水の蒸発潜熱Ｈ_Ｌ［Ｊ／ｋｇ］はワトソン（Ｗａｔｓｏｎ）の式（９）により算出することができる。ここで、Ｃは１ａｔｍ，３７３．１５Ｋでの蒸発潜熱２．２５６Ｊ／ｋｇからＣ＝３．１２８×１０^６とする。Ｔ_ｃは水の臨界温度［Ｋ］である。温度Ｔは、尿素水液滴温度Ｔ_ｐと等しいとする。

尿素水蒸気圧ｐ_ｕを式（１０），（１１），（１２）から算出する。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは定数であり、それぞれ−７．７６４５１，１．４５８３８、−２．７７５８０、−１．２３３０３、Ｐ_ｃは水の臨界圧力である。上記のように、ｎは液滴内の尿素モル数、Ｎは液滴内の水モル数である。ｐ_ｗは水の蒸気圧であり、ワンガー（Ｗａｎｇｅｒ）の式で表される。

次に、尿素水密度ρ_ｄを算出する。ここで、ｆ８は、尿素水液滴温度及びｎ／Ｎの関数である。

尿素水（液体）の比熱Ｃ_ｐｕを式（１４）により算出する。Ｄ_ｕは希釈度（溶質１ｍｏｌに対する水のモル数＝Ｎ／ｎ）、Ｍ_ｕは尿素の分子量である。但し、実測値がＤ_ｕ＝５．５までしかないため、Ｄ_ｕ＜５．５ではＤ_ｕ＝５．５の時の値を用いる。尿素水の密度は、計測値から温度とｎ／Ｎの関数として求めた。

なお、水（液体）の比熱Ｃ_ｐｗは式（１５）によって算出した。ここで、ｆ９は、液滴温度Ｔ_ｐを引数とする多項式の関数である。

フィルム内の質量分率Ｙ_ｗｆは式（１６）により算出される。ここで、尿素水蒸気圧ｐ_ｕは式（１０）で算出された値を用いる。また、周囲空気中の水の質量分率Ｙ_Ｗ∞は０とする。また、液滴表面の水の質量分率Ｙ_Ｗｓは以下の式で算出される値とする。
Ｙ_Ｗｓ＝（ｐ_ｕ×水分子量）／（（Ｐ−ｐ_ｕ）×空気分子量＋ｐ_ｕ×水分子量）

トランスファ数Ｂ_Ｍは数（１７）により算出される。トランスファ数Ｂ_Ｍは、後述の尿素水からの水の蒸発過程の算出処理に用いられる。

また、気液相対速度Ｕ_ｒｅｌを式（１８）から算出する。気液相対速度Ｕ_ｒｅｌは、液滴の運動を運動方程式から求める際に用いられる。ここで、気液相対速度Ｕ_ｒｅｌは、空気の速度ｕ_ａと液滴の速度ｕ_ｐとの差で表される。

フィルム内の混合ガス（水＋空気）の粘性係数μ_ｆ、熱伝導率λ_ｆ、比熱Ｃ_ｐｆ及び密度ρ_ｆを式（１９），（２０），（２１），（２２）から算出する。フィルム内は水と空気の混合ガスになるため、粘性係数μ_ｆ、熱伝導率λ_ｆ、比熱Ｃ_ｐｆ及び密度ρ_ｆは成分を考慮した物性値を用いる。粘性係数μ_ｆは、ウィルキー（Ｗｉｌｋｅ）の式により算出される。熱伝導率は、ワシルジェワ（Ｗａｓｓｉｌｊｅｗａ）の式により算出される。

ここで、フィルムは水と空気のみによって構成されているとして、添字１が水、添字２が空気とすると式（１９）のφ_ｉｊはφ_１２，φ_２１のみとなり、以下の式で算出される。
φ₁₂=(1+(μ_{_H2O}/μ_{_air})^1/2(空気分子量/水分子量)^1/4)²/(2×2^1/2(1+空気分子量/水分子量)^1/2)
φ₂₁=(1+(μ_{_air}/μ_{_H2O})^1/2(水分子量/空気分子量)^1/4)²/(2×2^1/2(1+水分子量/空気分子量)^1/2)

また、フィルム内のモル分率の比Ｘ_２／Ｘ_１，Ｘ_１／Ｘ_２は以下の式（２４）で表される。

式（２３）及び（２４）から式（１９）は以下の式（２５）のように書き替えられる。

また、式（２０）におけるΨ_ijは、添字１が水、添字２が空気とすると式（２６）のようにリンゼイ−ブロンリィ（Ｌｉｎｄｓａｙ−Ｂｒｏｍｌｅｙ）の式で表される。Ｃ_ｉはサザーランド（Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ）定数、Ｃ_ｉｊは混合気体のサザーランド（Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ）定数、Ｘ_ｉはモル分率である。本研究の場合、考慮する成分は空気と水であるため、サザーランド（Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ）定数はそれぞれ１０２，６５９とする。
ここで、Ψ_ｉｊはΨ_１２，Ψ_２１のみとなり、以下の式で算出される。
Ψ₁₂=(1/4)(1+((μ_{_H2O}/μ_{_air})(空気分子量/水分子量)^3/4(1+C₁/T_f)/(1+C₂/T_f))^1/2)²
(1+C₁₂/T_f)/(1+C₁/T_f)
Ψ₂₁=(1/4)(1+((μ_{_air}/μ_{_H2O})(水分子量/空気分子量)^3/4(1+C₂/T_f)/(1+C₁/T_f))^1/2)²
(1+C₂₁/T_f)/(1+C₂/T_f)

式（２６）から式（２０）は以下の式（２７）のように書き替えられる。

また、比熱Ｃ_ｐｆ及び密度ρ_ｆは式（２８），（２９）として書き替えられる。

さらに、無次元数である以下の値を算出する。

これらの値を用いて、抗力係数Ｃ_Ｄを算出する。

ステップＳ１８では、現時刻ｔにおける蒸発による液滴の直径の変化と液滴の温度の変化が算出される。処理部１０は、上記において算出された値を用いてＳｐａｌｄｉｎｇの式（３２）の関係から液滴の直径の変化を算出する。

式（３２）を変形すると式（３３）として書き替えることができる。ここで、拡散係数Ｄ_ｆは式（８）、フィルム内の混合ガス密度ρ_ｆは式（２２）で表されるものとし、微小時間での温度変化は０とする。なお、液滴の直径の変化の算出は、液滴の半径に基づくものであってもよく、また、Ｓｐａｌｄｉｎｇの式（３２）に限定されるものでなく、パラメータの設定や表現方法、簡略式や厳密式等、各種の式に基づくことができる。

また、液滴の温度Ｔ_ｐの変化は式（３４）で算出される。なお、液滴の温度Ｔ_ｐの変化の算出は、この式（３４）に限定されるものでなく、パラメータの設定や表現方法、簡略式や厳密式等、各種の式に基づくことができる。

ステップＳ２０では、蒸発による液滴内の尿素濃度が算出される。処理部１０は、上記ステップＳ１８で算出された液滴の直径の変化dｄ_ｐ／dｔを式（３３）によりｄｍ／ｄｔに変更する。これらから、時刻のステップΔｔ後の液滴質量は式（３５）で算出することができる。

この質量変化は前提２より水の蒸発のみで生じているものとし、式（３６）で尿素水の濃度Ｗ_ｔを算出する。なお、尿素濃度の算出は、式（３６）に限定されるものでなく、パラメータの設定や表現方法、また、補正係数を掛ける等による各種の式に基づくことができる。

ステップＳ２２では、液滴速度が算出される。処理部１０は、式（３７）から液滴の速度ｕ_ｐを更新する。ここで、雰囲気速度ｕ_ａ、相対速度Ｕ_ｒｅｌ、抗力係数Ｃ_Ｄを適用しており、抗力係数Ｃ_Ｄはレイノルズ数Ｒｅ_ｄに応じて式（３１）により算出して用いている。

ステップＳ２４では、液滴内の水分が所定の基準値である水分閾値ＭＩＮ１以下となったか否かが判定される。水分閾値ＭＩＮ１は、液滴内の水分が減って、液滴内の尿素が分解反応を起こし始める液滴内の水分の下限値である。液滴内の水分が水分閾値ＭＩＮ１以下である場合にはステップＳ２６へ処理を移行させ、そうでない場合には時刻ｔをステップΔｔだけ進めてステップＳ１６から処理を繰り返す。なお、水分が水分閾値以下となったか否かの判定は、例えば尿素濃度をもっても等価に判定できるものであり、実態として尿素の分解反応の開始が推定できる他の方法を含めることができる。

ステップＳ２６では、排ガス配管内を流れている空気に含まれている尿素、イソシアン酸、水及びアンモニアの空間内の濃度の初期値を設定する。処理部１０は、入力部１４から尿素濃度Ｃ_ｕ、イソシアン酸Ｃ_ＨＮＣＯ、水Ｃ_Ｈ２Ｏ及びアンモニアＣ_ＮＨ３の初期値を受付け、記憶部１２に記憶させる。

ステップＳ２８では、尿素の減少量、イソシアン酸の生成量及びアンモニアの生成量が算出される。ＳＣＲの還元剤に用いられている尿素水はアンモニア（ＮＨ_３）に分解されて一酸化窒素（ＮＯ）又は二酸化窒素（ＮＯ_２）と触媒上で反応するが、尿素水からアンモニア（ＮＨ_３）の生成は総括反応では化学式（２）のように示される。

ここで、ａｑは水溶液を表している。この反応は化学式（３）〜化学式（５）で表される尿素水（液滴）から水の蒸発、尿素の熱分解及びイソシアン酸の加水分解の３つの現象に分けられることが知られている。ここで、ｌは液体、ｇは気体を表している。なお、イソシアン酸（ＨＮＣＯ）は気相では安定な物質であり、式（５）の加水分解は触媒表面で起こる反応であると考えられている。

処理部１０は、式（３８），（３９），（４０）により尿素の減少量、イソシアン酸の生成量及びアンモニアの生成量を求める。本実施の形態では、化学式（３）〜（５）で示されている尿素水の分解過程は、以下のような条件下で進行していくとする。（条件１）尿素の熱分解はＹｉｍの式に従いイソシアン酸とアンモニア（ＮＨ_３）を生成する。なお、熱分解は触媒中でも起こる。（条件２）イソシアン酸の加水分解はＹｉｍの式に従い、触媒表面上でのみ反応する。

ただし、ｋ_１，ｋ_２は反応速度定数［ｌ／ｓ］である。Ｙｉｍらは、触媒の有無によるｋ_１とｋ_２を求めているが、ここではｋ_１には触媒なしでの、ｋ_２には触媒有りでの結果を用いる。ｋ_１に関しては触媒の有無による差がほとんどなかったことから、触媒中でも触媒なしでの式（４１），（４２）を用いる。ここでＲ＝１．９８６ｋｃａｌ／ｋｍｏｌＫとする。なお、式（４１），（４２）はＣｕＺＳＭ５触媒の結果であり、今回対象としているＶ_２Ｏ_５−ＴｉＯ_２系触媒の結果ではないが、Ｖ_２Ｏ_５−ＴｉＯ_２系触媒での活性化エネルギとほとんど変わらないことから、本実施の形態では式（４１），（４２）を採用した。なお、式（４１），（４２）を用いずに、Ｖ_２Ｏ_５−ＴｉＯ_２系触媒の結果を用いることもできる。また、尿素の熱分解反応を求める方法は、Ｙｉｍの実験式や反応モデルに限定されるものでなく、パラメータの設定や表現方法を変えた式、簡略式や厳密式等、各種の式や各種の反応モデルに基づくことができる。

ステップＳ３０では、尿素濃度Ｃ_ｕが所定の基準値である濃度閾値ＭＩＮ２以下となったか否かが判定される。濃度閾値ＭＩＮ２は、尿素の分解反応の演算を終了する尿素濃度Ｃ_ｕの下限値である。尿素濃度Ｃ_ｕが濃度閾値ＭＩＮ２以下である場合にはステップＳ３２へ処理を移行させ、そうでない場合には時刻ｔをステップΔｔだけ進めてステップＳ２８の処理を繰り返す。なお、尿素濃度が濃度閾値以下となった否かの判定は、例えば水分量をもっても等価に判定できるものであり、実態として尿素の分解反応の進行度が推定できる他の方法を含めることができる。

ステップＳ３２では、上記の脱硝システム用尿素水分解解析処理によって得られた結果が出力される。処理部１０は、時刻ｔに対する液滴径ｄ_ｐ、温度Ｔ_ｐ、尿素水の濃度Ｗ_ｔ、尿素濃度Ｃ_ｕ、イソシアン酸Ｃ_ＨＮＣＯ、水Ｃ_Ｈ２Ｏ及びアンモニアＣ_ＮＨ３等の変化を出力部１４に出力させる。なお、処理結果の出力は、上記したものに限定されるものでもなく、また、処理途中の結果の出力を含めてもよく、出力の形式も各種の方法を採り得る。

＜脱硝システム用尿素水分解解析処理の評価＞
まず、単一の尿素水液滴の蒸発過程について評価した。ノズルから噴射された尿素水が液体のまま、直接触媒もしくは管壁面に衝突することはできる限り避けたい。そのために、尿素水の蒸発過程における液滴噴射速度、初期液滴径、雰囲気温度の蒸発速度に与える影響を単一液滴で検討した。

単一液滴は実際の噴霧と比べて液滴間の干渉が考慮されないため、液滴の蒸発速度は速くなることが考えられる。しかし実際の噴霧の場合には噴射ノズルの種類や噴射量によって液滴間の干渉度合いが変わってしまうため、ここでは一次的な検討として各条件の影響を抽出しやすい単一液滴にて計算を行った。

図３に雰囲気温度を２００、３００、４００℃、液滴径を５０、１００、２００μｍ、速度を１０、５０、１００ｍ／ｓと変更した時の液滴径の時間変化を示す。雰囲気速度は触媒の空塔速度（ＳＶ）が１１０００ｈ^-1で、直径４０ｃｍの円管をガスが通過する時の速度とし、尿素水濃度は４０ｗｔ％、計算期間は液滴温度が１００℃になるまでとしている。液滴噴射方向は雰囲気の流れ方向と等しくした。

図３から、雰囲気温度が低く、液滴径が大きく、噴射速度が遅い方が、液滴寿命が長くなることが確認された。尿素水の蒸発は、液滴径によって雰囲気温度の影響が異なり、小液滴径では温度による蒸発時間の変化を小さくすることができるといえる。それに対して噴射速度の影響は大きくなかった。雰囲気温度はエンジンの種類や運転負荷によって決められてしまうため、排気管内への尿素水噴射が制御できるパラメータは尿素水の噴射速度と液滴径になる。そのため液滴径を小さくすることが、液滴の管内での滞留時間を小さくし、噴射ノズルと触媒の距離を短縮するのに有効であるといえる。また、エンジンの運転条件の影響も小さくできることがわかる。

図４は、図３の条件時の尿素水液滴温度変化を示す。どの条件でも時間が経過して、液滴径が小さくなり、液滴内の尿素濃度が大きくなると液滴温度が急激に上昇した。これは、尿素水の飽和蒸気圧の影響であると考えられる。

飽和蒸気圧は、式（１０）に示されるように液滴内の尿素濃度が上昇すると低下するため、蒸発が進むと蒸発速度は減少していく。そこで尿素濃度の影響を調べるため、図５に雰囲気温度２００、３００℃での尿素濃度を変更した時の液滴寿命の変化を示す。

寿命は液滴から水が蒸発するまでの時間とし、初期液滴径は１００μｍである。尿素濃度の増加によって、液滴寿命は短くなる。これは蒸発すべき液滴内の水分量が減少しているからであると考えられる。寿命に対する濃度の効果はほぼ直線的であるが、濃度が高くなると図５に見られる一定温度で保持される時間が短くなり、液滴温度の上昇速度が上がるため、蒸発速度が低下し寿命の減少は若干緩和される。また、液滴寿命に与える雰囲気温度の影響は尿素濃度の増加によって小さくなる。

雰囲気温度が４００℃の時の尿素水蒸発中の液滴速度の時間変化を図６に示す。初期液滴径によって液滴速度が雰囲気速度と一致する時間は異なっていたが、噴射初期速度が変更されても液滴が雰囲気速度に収束するまでの時間はほとんど変わらなかった。また本条件では、蒸発速度より液滴と雰囲気との運動量交換の速度の方が速く、蒸発時間の約半分は雰囲気に流されながら蒸発していることがわかった。

次に、触媒での分解過程および性能劣化について確認した。尿素水が完全に蒸発して化学式（４）の反応が終了した状態で、全て触媒中で尿素が熱分解、イソシアン酸が加水分解する時の雰囲気温度による脱硝率の変化を調べた。図７にアンモニア（ＮＨ_３）ガスを導入した時と比較した結果を示す。空塔速度（ＳＶ）は１１０００ｈ^−１とした。

温度が低下するに従って脱硝率は減少したが、還元剤による違いはほとんど現れなかった。このことは、触媒の尿素の熱・加水分解速度が脱硝反応速度よりも速く、脱硝時に還元剤としてアンモニア（ＮＨ_３）を用意できていることを示していると考えられる。これより、尿素水を用いる時には、尿素水が触媒に導入される前に液滴を蒸発させ尿素と水を分離しておけば良いことがわかる。また、触媒性能を化学式（６）及び（７）の酸性硫安の生成によって劣化させるために、二酸化硫黄（ＳＯ_２）を８００ｐｐｍ含むガスにて８時間運転した時の性能劣化による脱硝率低下への影響も併せて示している。

温度が低いほど脱硝率は低くなり、性能劣化する割合も大きくなっていた。本条件では３００℃以下になると性能劣化を生じることがわかった。劣化時の結果から、劣化しない条件より還元剤による違いは現れているが、劣化特性に与える還元剤の影響は小さいと考えられる。

式（３８）〜（４０）に示されるように、尿素の分解過程については一次反応を仮定しており、反応は触媒内での滞留時間に依存している。そこで、空塔速度（ＳＶ）を２５０００ｈ^−１としてより反応時間の短い条件での尿素の分解による影響を調べた。二酸化硫黄（ＳＯ_２）は導入せず、脱硝性能のみを比較した結果を図８に示す。

触媒に導入される還元剤は、導入前に雰囲気中での尿素の熱分解が完全に終了している条件（Ｃ_ＮＨ３０，Ｃ_{ＨＮＣＯ０}＝３００ｐｐｍ）から熱分解が全く行われていない条件（Ｃ_ｕ０＝３００ｐｐｍ）までの熱分解の割合を変えた４条件で行った。比較のため、アンモニア（ＮＨ_３）ガス（Ｃ_ＮＨ３０＝６００ｐｐｍ）での結果を併せて示す。

アンモニア（ＮＨ_３）ガスを導入した場合とそうでない場合において脱硝率がほとんど変わらないことから、空塔速度（ＳＶ）が２５０００ｈ^−１になっても触媒には十分な尿素分解能力があることがわかった。温度が低下すると、尿素を分解する能力も低下するため脱硝率に差異が生じているが、その影響は大きくなかった。なお、脱硝率は空塔速度（ＳＶ）が大きくなったことから、図７の１１０００ｈ^−１での結果と比べて低下した。

触媒中でのアンモニア（ＮＨ_３）の生成過程を調べるため、触媒へ導入される尿素の熱分解割合を図７の条件と同様に変更した時の雰囲気ガス流れ方向の触媒中アンモニア（ＮＨ_３）、一酸化窒素（ＮＯ）濃度の変化を図９に示す。計算条件は触媒性能が劣化した二酸化硫黄（ＳＯ_２）を８００ｐｐｍ、雰囲気温度を２００℃とした。

触媒入口で尿素の熱分解が完全に終了していない場合には、熱・加水分解過程により、触媒中でアンモニア（ＮＨ_３）を生成しながら脱硝を行っているため、触媒入口側のアンモニア（ＮＨ_３）濃度は小さくなった。触媒導入前に熱分解が行えておらず、全て尿素として触媒に導入された場合でも触媒を約６割通過して以降、触媒出口までアンモニア（ＮＨ_３）濃度はアンモニア（ＮＨ_３）ガスの結果と一致した。それに対して一酸化窒素（ＮＯ）濃度はほとんど変化しない。これは各位置で必要なアンモニア（ＮＨ_３）が存在し、脱硝反応が行えていることを示していると考えられる。

以上の実施形態は、舶用ディーゼルエンジンのみならず、還元剤として尿素水を用いた他の内燃機関の脱硝触媒システムにも適用することができる。

１０ 処理部、１２ 記憶部、１４ 入力部、１６ 出力部、１００ コンピュータシステム。

Claims (7)

1. コンピュータによって、燃焼装置からの排ガスに尿素水を添加して脱硝触媒で窒素酸化物の分解を行う脱硝システムにおける尿素の分解反応を算出するプログラムであって、
   尿素に関するパラメータを設定するステップ１と、
   前記排ガスに関するパラメータを設定するステップ２と、
   前記尿素に関するパラメータを用いて、前記尿素水の液滴径変化と液滴温度変化とを算出するステップ３と、
   水分の蒸発時における前記尿素水の尿素濃度を算出するステップ４と、
   前記尿素水の水分が水分閾値以下となったかを判定するステップ５と、
   尿素の熱分解反応を求めるステップ６と、
   前記尿素濃度が濃度閾値以下となったかを判定するステップ７と、
   算出結果を出力するステップ８と、
   を備えることを特徴とする脱硝システム用尿素水分解解析プログラム。
2. 請求項１に記載の脱硝システム用尿素水分解解析プログラムであって、
   前記尿素に関するパラメータは、前記尿素水の液滴温度、液滴径、液滴速度及び尿素濃度であることを特徴とする脱硝システム用尿素水分解解析プログラム。
3. 請求項１又は２に記載の脱硝システム用尿素水分解解析プログラムであって、
   前記排ガスに関するパラメータは、前記排ガスの流速及び温度であることを特徴とする脱硝システム用尿素水分解解析プログラム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の脱硝システム用尿素水分解解析プログラムであって、
   前記液滴径変化と前記液滴温度変化は、Ｓｐａｌｄｉｎｇの式に基づいて算出されることを特徴とする脱硝システム用尿素水分解解析プログラム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の脱硝システム用尿素水分解解析プログラムであって、
   前記尿素の熱分解反応では、尿素減少量とイソシアン酸生成量を算出することを特徴とする脱硝システム用尿素水分解解析プログラム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の脱硝システム用尿素水分解解析プログラムであって、
   前記尿素の熱分解反応は、Ｙｉｍの実験式及び反応モデルを用いて算出されることを特徴とする脱硝システム用尿素水分解解析プログラム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の脱硝システム用尿素水分解解析プログラムであって、
   前記ステップ８は、時間と液滴径、温度及び尿素濃度の少なくとも１つとの関係、時間と尿素濃度、イソシアン酸濃度及びアンモニア濃度の少なくとも１つとの関係であることを特徴とする脱硝システム用尿素水分解解析プログラム。