JP2013136994A - Ｓｃｒコンバータへのアンモニア供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニア発生源として水溶液を用い、しかも水を除去した際に、水とＮＨ₃を分離できるＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムを提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排ガス管１５にＳＣＲコンバータ１６を接続し、アンモニア源水溶液をヒーター１２で加熱してアンモニアガスを生成すると共に、これを冷却管１３を通して水蒸気を凝縮分離し、水蒸気を分離したアンモニアガスを、前記ＳＣＲコンバータ１６に供給するに際し、前記冷却管１３で冷却した凝縮水をアンモニア吸着器２０に導入し、そのアンモニア吸着器２０で、凝縮水中に溶解したＮＨ₃を吸着した後、凝縮水をアンモニア吸着器２０から排出するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンからの排ガス中に含まれるＮＯｘをアンモニアで還元するためのＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムに関するものである。

従来の尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；以下ＳＣＲと略記）システムは、ＳＣＲコンバータ入口で尿素水を噴射し、尿素の加水分解で生じるＮＨ₃（アンモニア）を還元剤としてＳＣＲコンバータ内でＮＯｘを還元する機構である。

この尿素ＳＣＲシステムは以下の問題がある。
ａ）ＳＣＲコンバータ入口に尿素水として供給するため、１６０℃以下の低温では尿素水が完全に加水分解されず、特に低温でのＮＨ₃の供給効率が悪い。
ｂ）尿素加水分解時に、２００℃以上となるとシアヌル酸などの白色結晶が生じてＳＣＲコンバータに堆積し、ＳＣＲ機能低下の原因となる。
ｃ）尿素水に大量に含まれる水が直接ＳＣＲコンバータに入るため、水熱耐久性に乏しいゼオライト系ＳＣＲ触媒の劣化が進行しやすい。

特許文献１では、上記の従来技術が抱える問題点を解決したもので、これを図２により説明すると、重炭酸アンモニウム、炭酸アンモニウムあるいは尿素などのＮＨ₃発生源となり得るアンモニア源供給タンク３０からのアンモニア源水溶液を配管３１を通して供給し、ヒーター３２を用いて１６０〜１８０℃の範囲で加熱し、熱分解させてＮＨ₃を発生させる。ここで生成したＮＨ₃は大量の水蒸気を含有するため、これを冷却管３３を用いて５０℃〜８０℃に冷却して、含有水蒸気の大部分を除去して水回収タンク３４に回収し、水蒸気を除去したガスを、コンプレッサ３５によって昇圧して、ノズル３７から排ガス管３６に接続したＳＣＲコンバータ３８に供給し、ＳＣＲコンバータ３８内で、ＮＨ₃ガスによって排ガス中のＮＯｘを還元する機構である。

この図２のアンモニア供給システムは、尿素水を直接ＳＣＲコンバータに噴射する従来技術と違って、ヒーター３２にて尿素水の加水分解温度を１６０〜１８０℃にコントロールしてＮＯｘ選択還元反応に必要なアンモニアを発生させ、その上で発生する水蒸気を冷却管３３にて凝縮して除去することで、シアヌル酸などの白色結晶析出や水蒸気等によるゼオライト系ＳＣＲ触媒の劣化を防止できるものである。

特開２０１１−２２６４３４号公報 特開２００８−２６７３２１号公報 特表２００１−５１８０４７号公報

しかしながら、図２のアンモニア供給システムでは、下記の問題点が残されている。 ａ）加熱分解で発生したガスから除去・回収した水が発生するが、この水には一定濃度のＮＨ₃が溶解しているため、廃棄が困難である。
ｂ）ＮＨ₃の水への溶解度は高く（０℃；８９．９ｇ／１００ｃｍ³）、このため冷却管での冷却温度を５０〜８０℃に保持しているが、加水分解で発生したＮＨ₃の内、一定量のＮＨ₃が回収水に溶解するため、ＳＣＲコンバータへのＮＨ₃供給効率は充分でなかった。

特許文献２では、アンモニア源として、水溶液を用いずにカルバミン酸炭酸水素アンモニウム（（ＮＨ₄）₂（ＨＣＯ₃）（ＮＨ₂ＣＯ₂））等の固体還元剤を用い、これを直接熱分解し、
（ＮＨ₄）₂（ＨＣＯ₃）（ＮＨ₂ＣＯ₂）→３ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ＋２ＣＯ₂
の熱分解反応でＮＨ₃を発生させることが提案されている。

しかし、この特許文献２では、水の回収の問題はないものの、固体還元剤は７０℃で熱分解するため、炎天下など高温にさらされた場合、ＮＨ₃ガスの大気への漏洩や爆発などの危険性が溶液の場合より高く、また、補給時などの扱い易さの面においても溶液状態の方が有利である。

また、特許文献３では、発生する水の量を減らすために、固体状尿素をアンモニア源とし、ＮＨ₃発生時に固体尿素に水を混合し、これを１００〜３００℃に加熱すると共に０．１４〜３．４ＭＰａに加圧してカルバミン酸アンモニウム（ＮＨ₂ＣＯＯＮＨ₄）を生成し、さらに圧力を保持したまま、これをさらに加熱してアンモニアを発生させるものである。この特許文献３では、尿素を固体状態で保持し、アンモニア発生時に、加水分解で水加熱・加圧してカルバミン酸アンモニウムを生成し、これを加熱してＮＨ₃とＣＯ₂にするため、水分量を減らすことが可能であるが、加圧装置が必要となり、ディーゼルエンジンからの排ガスの後処理に適用することは困難である。

よってディーゼルエンジンからの排ガスの後処理に用いるアンモニア発生源としては、水溶液を用いるのがよいが、上述したように水の処理が課題として残る。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、アンモニア発生源として水溶液を用い、しかも水を除去した際に、水とＮＨ₃を分離できるＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムを提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、ディーゼルエンジンの排ガス管にＳＣＲコンバータを接続し、アンモニア源水溶液をヒータで加熱してアンモニアガスを生成すると共に、これを冷却管を通して水蒸気を凝縮分離し、水蒸気を分離したアンモニアガスを、前記ＳＣＲコンバータに供給するに際し、前記冷却管で冷却した凝縮水をアンモニア吸着器に導入し、そのアンモニア吸着器で、凝縮水中に溶解したＮＨ₃を吸着した後、凝縮水をアンモニア吸着器から排出することを特徴とするＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムである。

請求項２の発明は、アンモニア吸着器内のアンモニア吸着体のＮＨ₃吸着量が限界に達したときに、アンモニア吸着器にディーゼルエンジンの排ガスを導入し、その排ガスでＮＨ₃吸着体に吸着したＮＨ₃を脱着してアンモニア吸着体を再生し、脱着したＮＨ₃と排ガスとをＳＣＲコンバータに供給する請求項１記載のＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムである。

請求項３の発明は、アンモニア吸着体を導入排ガス或いはヒータで２００℃〜６００℃の再生温度に保ってＮＨ₃を脱着する請求項２記載のＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムである。

請求項４の発明は、アンモニア吸着器の出口側に凝縮水中のＮＨ₃濃度或いはｐＨを検出するセンサが設けられ、そのセンサによりアンモニア吸着体のＮＨ₃吸着量が限界に達したかどうかを検出してＮＨ₃吸着と再生を切り換える請求項２又は３記載のＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムである。

本発明は、アンモニア源水溶液を加水分解して生成したＮＨ₃と水蒸気を冷却管で冷却して水蒸気を凝縮水として分離し、その分離した凝縮水をアンモニア吸着器内に導入して凝縮水中のＮＨ₃を吸着除去することで、凝縮水をドレインとして系外にそのまま排出できるという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態を示す図である。 従来のＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムを示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明のＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システムを示したもので、図において、１０は、アンモニア源を水溶液として貯蔵すると共に、排ガス中のＮＯｘ濃度に応じて、アンモニア源水溶液を配管１１に供給するアンモニア源供給タンクである。アンモニア源水溶液としては、重炭酸アンモニウム水溶液、炭酸アンモニウム水溶液あるいは尿素水からなる。

配管１１には、アンモニア源水溶液を１６０℃以上１８０℃以下の範囲に加熱するヒーター１２が接続され、その下流に加水分解したＮＨ₃と水蒸気を、１００℃以下、好ましくは５０〜８０℃に冷却する冷却管１３が接続され、さらにその下流にコンプレッサ１４が接続される。配管１１の先端には、排ガス管１５に接続したＳＣＲコンバータ１６の入口側でＮＨ₃を噴射するノズル１７が設けられる。

本発明においては、冷却管１３に、その冷却管１３で冷却された凝縮水を導入するアンモニア吸着器２０を接続し、そのアンモニア吸着器２０内に収容したアンモニア吸着体２１でＮＨ₃を吸着除去するものである。

アンモニア吸着体２１としては、ゼオライトなどの吸着材をハニカムあるいはスポンジ状に形成して、これをアンモニア吸着器２０内に収容する。

アンモニア吸着器２０の出口側には、ドレインパイプ２２が接続され、そのドレインパイプ２２が排気ガスバルブ２３を介してＳＣＲコンバータ１６の上流側の排ガス管１５に接続される。ドレインパイプ２２は、途中がＵ字状に折り返されたドレイントラップ部２４が形成され、そのドレイントラップ部２４にドレインバルブ２５が接続される。

アンモニア吸着器２０の出口側のドレインパイプ２２には、凝縮水中のＮＨ₃濃度或いはｐＨを検出するセンサ２６が設けられ、そのセンサ２６の検出値により、排気ガスバルブ２３とドレインバルブ２５が開閉制御されるようになっている。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

通常は図中のドレインパイプ２２のドレインバルブ２５を開、排気ガスバルブ２３を閉状態で作動させる。

まず、アンモニア源供給タンク１０からの重炭酸アンモニウム水溶液、炭酸アンモニウム水溶液あるいは尿素水をアンモニア源水溶液として配管１１からヒーター１２に供給し、ヒーター１２によって１６０℃以上、１８０℃以下に加熱して加水熱分解させ、ＮＨ₃と水蒸気を生成させる。

アンモニア源を固体還元剤として直接熱分解してＮＨ₃を発生させる方法（特許文献２）もあるが、この場合、炎天下など高温にさらされた場合、ＮＨ₃ガスの大気への漏洩や爆発などの危険性が溶液の場合より高く、また、補給時などの扱い易さの面においても溶液状態の方が有利である。

熱分解によって発生するガスは、多量の水蒸気を含有するため、冷却管１３を用いて発生ガス中の水を凝縮させてトラップする。冷却管１３は排ガス管１５あるいはＳＣＲコンバータ１６に近い位置に取り付け、比較的高い温度（５０〜８０℃）で保持する。水の除去は、加圧下ではなく、常圧かつ比較的高温に保たれた冷却管１３を用いるため、ＮＨ₃ガスの凝縮した水への溶解を抑制することができる。

以上の要領で水を除去したＮＨ₃ガスをノズル１７からＳＣＲコンバータ１６に供給する。ＮＨ₃ガス供給の際はコンプレッサ１４を用いて昇圧し、排ガス圧よりも高圧でＮＨ₃ガスを送り出すことで効率よくＮＨ₃を供給する。

この際、冷却管１３でトラップしたＮＨ₃を含有する凝縮水（回収水）は、アンモニア吸着器２０内のアンモニア吸着体２１に流通させてＮＨ₃を除去する。ＮＨ₃が除去され無害化された凝縮水は、ドレインパイプ２２のドレイントラップ部２４に溜まり、ドレインバルブ２５を介して系外に排出される。

アンモニア吸着体２１としては気孔率の高い構造であれば、ハニカム状やスポンジ状の形状に限定する必要はなく、ゼオライトなどの固体酸系の材料のバインダーを用いて成型するか、あるいは上記の構造の担体に担持して用いることが好ましい。

次に、アンモニア吸着体２１のＮＨ₃ストレージ能力が限界に達し、センサ２６で、アンモニア吸着体２１を通過後の凝縮水（回収水）からの規定値以上のＮＨ₃が検出された（またはｐＨが７を上回った）際、ドレインバルブ２５を閉じ、排ガスバルブ２３を開けて高温の排ガス（の一部）を、ドレインパイプ２２を介してアンモニア吸着器２０内に導入させ、アンモニア吸着体２１を排ガスで昇温し、保持したＮＨ₃を脱着（放出）させる。

この際、離脱したＮＨ₃を含む排ガスは冷却管１３を通って冷却され、コンプレッサ１４にてＳＣＲコンバータ１６に供給される。

アンモニア吸着体２１に吸着したＮＨ₃の除去が完了した後、排ガスバルブ２３を閉じ、ドレインバルブ２５を開放して元の状態に戻し、再び上記の動作を繰り返す。

このように本発明のアンモニア供給システムは、発生したＮＨ₃のほぼ全量をＮＨ₃の形でＳＣＲコンバータに供給できるため、従来の尿素ＳＣＲシステムに比べてＮＨ₃を効率的に供給できると共に、トラップされた凝縮水（回収水）に含まれるＮＨ₃は除去され、無害化されるため、系外へのＮＨ₃の漏洩を防止できる。

また、ヒーター１２にて、アンモニア源水溶液を１６０℃以上１８０℃以下に加熱して加水分解するため、従来のようにアンモニア源水溶液を直接ＳＣＲコンバータに噴射するのと違って、シアヌル酸などの結晶残留物の堆積を防止できる。

さらに、ＳＣＲコンバータ１６への供給ガスに含まれる水分が少ないため。ＳＣＲ触媒の劣化を抑制することができる。

１０ アンモニア源供給タンク
１２ ヒーター
１３ 冷却管
１５ 排ガス管
１６ ＳＣＲコンバータ
２０ アンモニア吸着器
２１ アンモニア吸着体
２２ ドレインパイプ
２３ 排ガスバルブ
２５ ドレインバルブ

Claims (4)

1. ディーゼルエンジンの排ガス管にＳＣＲコンバータを接続し、アンモニア源水溶液をヒータで加熱してアンモニアガスを生成すると共に、これを冷却管を通して水蒸気を凝縮分離し、水蒸気を分離したアンモニアガスを、前記ＳＣＲコンバータに供給するに際し、前記冷却管で冷却した凝縮水をアンモニア吸着器に導入し、そのアンモニア吸着器で、凝縮水中に溶解したＮＨ₃を吸着した後、凝縮水をアンモニア吸着器から排出することを特徴とするＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システム。
2. アンモニア吸着器内のＮＨ₃吸着体のＮＨ₃吸着量が限界に達したときに、アンモニア吸着器にディーゼルエンジンの排ガスを導入し、その排ガスでＮＨ₃吸着体に吸着したＮＨ₃を脱着してアンモニア吸着体を再生し、脱着したＮＨ₃と排ガスとをＳＣＲコンバータに供給する請求項１記載のＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システム。
3. アンモニア吸着体を導入排ガス或いはヒータで２００℃〜６００℃の再生温度に保ってＮＨ₃を脱着する請求項２記載のＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システム。
4. アンモニア吸着器の出口側に凝縮水中のＮＨ₃濃度或いはｐＨを検出するセンサが設けられ、そのセンサによりＮＨ₃吸着体のアンモニア吸着量が限界に達したかどうかを検出してＮＨ₃吸着と再生を切り換える請求項２又は３記載のＳＣＲコンバータへのアンモニア供給システム。