JP2014105143A - アンモニア発生装置及びそれを用いた排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大気と水からアンモニアを生成し得るアンモニア発生装置を提供することによって、大型の尿素水タンクの搭載や尿素水の補給を不要とする。
【解決手段】水９を加熱して沸点以上の温度で完全に気体状態となった過熱水蒸気１０を生成し且つ大気６を経由させることで高温空気７とする過熱水蒸気生成手段１１と、該過熱水蒸気生成手段１１から導いた過熱水蒸気１０及び高温空気７を放電プラズマ中を通すことで反応させてアンモニア２を生成する放電プラズマ反応器１２と、放電プラズマ内でＮよりＯ又はＯＨとの反応性が高い酸素消費剤を前記放電プラズマ反応器１２に供給する酸素消費剤供給手段１３とを備えてアンモニア発生装置３を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気と水からアンモニアを生成することが可能なアンモニア発生装置及びそれを用いた排気浄化装置に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯx（窒素酸化物）を還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxと還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１参照）。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガスの熱によって尿素水が式（１）によりアンモニアと炭酸ガスに加水分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂…（１）

特開２００２−１６１７３２号公報

しかしながら、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加するシステムでは、尿素水を貯留しておくための大型の尿素水タンクを車両に搭載しなければならないが、このような大型の尿素水タンクの搭載スペースを確保するのが難しいという問題があり、しかも、尿素水タンク内の尿素水の残量を監視して適宜補給しなければならないため、尿素水補給のインフラが未整備の現状にあって運転者の負担が大きいという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、大気と水からアンモニアを生成し得るアンモニア発生装置を提供することによって、大型の尿素水タンクの搭載や尿素水の補給を不要とすることを目的としている。

本発明は、水を加熱して沸点以上の温度で完全に気体状態となった過熱水蒸気を生成し且つ大気を経由させることで高温空気とする過熱水蒸気生成手段と、該過熱水蒸気生成手段から導いた過熱水蒸気及び高温空気を放電プラズマ中を通すことで反応させてアンモニアを生成する放電プラズマ反応器と、放電プラズマ内でＮよりＯ又はＯＨとの反応性が高い酸素消費剤を前記放電プラズマ反応器に供給する酸素消費剤供給手段とを備えたことを特徴とするアンモニア発生装置、に係るものである。

而して、このようにアンモニア発生装置を構成した場合に、過熱水蒸気生成手段にて水を加熱して沸点以上の温度で完全に気体状態となった過熱水蒸気を生成する一方、大気を経由させることで昇温して高温空気とし、これら過熱水蒸気と高温空気を酸素消費剤供給手段からの酸素消費剤と一緒に放電プラズマ反応器に導入して放電プラズマ中に通すと、過熱水蒸気がＨ⁺とＯＨ^-、高温空気中の窒素はＮに解離し、その後、ＨとＮが結合してＮＨ₃（アンモニア）が生成されることになる。

この際、解離したＮ、ＯＨ、Ｏが放電プラズマ内で反応してＮＯxが生成される虞れがあり、ＮＯxの生成にＮが多く消費されてしまえば、ＮＨ₃の転換率が低下してしまうことになるが、酸素消費剤供給手段から放電プラズマ反応器に酸素消費剤を導入しているので、ＮＯxの生成前に酸素消費剤の酸化反応によりＯやＯＨが消費され、ＯやＯＨと反応しないで残ったＮがＮＨ₃の生成に使用され、ＮＨ₃への転換率が向上される。

尚、大気を前記過熱水蒸気生成手段を経由させて昇温してから放電プラズマ反応器に導入しているのは、冷えた大気を過熱水蒸気と合流させてしまうと、該過熱水蒸気が温度低下して結露が生じる虞れがあるからである。

更に、本発明においては、過熱水蒸気生成手段が、水を加熱して水蒸気を生成する蒸発ユニットと、該蒸発ユニットから導いた水蒸気を沸点以上に過熱して過熱水蒸気を生成する過熱ユニットとにより構成されていることが好ましく、このようにすれば、蒸発ユニットで蒸発させた水蒸気を過熱水蒸気で沸点以上に過熱するという二段加熱方式を採用することで簡便に過熱水蒸気を得ることが可能となる。

また、本発明においては、放電プラズマ反応器が、絶縁体から成る筒状の反応器本体と、該反応器本体の中心部に配置されたロッド状の放電電極と、前記反応器本体の外周部に配置されて前記放電電極との間で高電圧が印加されるようにした接地電極と、これら放電電極及び接地電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットとにより構成されていることが好ましい。

このようにすれば、放電電極と接地電極との間に高電圧を印加した際に、放電空間内にバリア放電（無声放電や沿面放電）による放電プラズマ（非熱平衡プラズマ）が発生することになるが、放電空間に誘電体ペレットが充填されていることで、該各誘電体ペレット同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、その強い放電プラズマにより効率良くアンモニアが生成されることになる。

更に、本発明においては、酸素消費剤供給手段が、エンジンからの排気ガスが流通する排気管から排気ガスの一部を抜き出して放電プラズマ反応器に送り込む排気ガス送り手段により構成されていることが好ましく、このようにすれば、排気ガス中に含まれるＣＯやＣ（煤）を酸素消費剤として利用することが可能となる。

また、酸素消費剤供給手段は、燃料タンクから燃料を抜き出して放電プラズマ反応器の入側に添加する燃料添加手段により構成されていても良く、このようにすれば、燃料の添加により生じるＨＣを酸素消費剤として利用することが可能となる。

更に、本発明は、エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を有する選択還元型触媒を備え、該選択還元型触媒より上流側の排気管内にアンモニアを還元剤として添加するための還元剤添加装置として前述の如きアンモニア発生装置を用いたことを特徴とする排気浄化装置、に係るものでもある。

このようにすれば、格別なインフラ設備を必要とすることなく、大気と水からアンモニアを生成することが可能となり、選択還元型触媒の還元剤として尿素水を用いる必要がなくなるので、大型の尿素水タンクの搭載や尿素水の補給が不要となり、装置レイアウトの制約が大幅に緩和されると共に、運転者の負担も大幅に軽減されることになる。

また、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、大気と水から生成したアンモニアを選択還元型触媒の還元剤として排気管内に直接導入することが可能となるので、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることが可能となる。

即ち、従来においては、選択還元型触媒にアンモニアを添加することで約１００℃以上の排気温度からＮＯx低減効果が得られるのに対し、尿素水がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約１８０〜１９０℃の排気温度が必要であったため、これより低い排気温度が想定されるエンジンスタート時や低速走行時等に尿素水を添加してもＮＯx低減性能がなかなか高まらないという問題があったが、このような問題が解決されることになる。

上記した本発明のアンモニア発生装置及びそれを用いた排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、大気と水からアンモニアを生成することができるので、例えば、選択還元型触媒の還元剤としてアンモニアを添加する還元剤添加装置として車両等に搭載するに際し、大型の尿素水タンクの搭載や尿素水の補給を不要とすることができ、これにより装置レイアウトの制約を大幅に緩和することができると共に、運転者の負担を大幅に軽減することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、蒸発ユニットで蒸発させた水蒸気を過熱水蒸気で沸点以上に過熱するという二段加熱方式を採用することで簡便に過熱水蒸気を得ることができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、放電空間に充填されている各誘電体ペレット同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなるので、その強い放電プラズマにより効率良くアンモニアを生成することができる。

（ＩＶ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、例えば、選択還元型触媒の還元剤としてアンモニアを添加する還元剤添加装置として車両等に搭載するに際し、既存の排気管から排気ガスの一部を抜き出して放電プラズマ反応器に送り込み得るようにするだけで簡単に酸素消費剤供給手段を構成することができる。

（Ｖ）本発明の請求項５に記載の発明によれば、例えば、選択還元型触媒の還元剤としてアンモニアを添加する還元剤添加装置として車両等に搭載するに際し、既存の燃料タンクから燃料を抜き出して放電プラズマ反応器の入側に添加し得るようにするだけで簡単に酸素消費剤供給手段を構成することができる。

（ＶＩ）本発明の請求項６に記載の発明によれば、既に（Ｉ）でも述べている如き大型の尿素水タンクの搭載や尿素水の補給を不要とすることができ、これにより装置レイアウトの制約を大幅に緩和することができると共に、運転者の負担を大幅に軽減することができるという効果に加え、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、大気と水から生成したアンモニアを選択還元型触媒の還元剤として排気管内に直接導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 ＮＨ₄ ⁺の生成濃度をＣＯ添加の有無で比較したグラフである。 ＮＯの生成濃度をＣＯ添加の有無で比較したグラフである。 本発明の別の形態例を示す概略図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を有する選択還元型触媒１を用いた車両用の排気浄化装置に、前記選択還元型触媒１の上流側に還元剤としてアンモニア２を添加するための還元剤添加装置として後述のアンモニア発生装置３を適用した場合を例示しており、前記選択還元型触媒１は、エンジンからの排気ガス４が流通する排気管５の途中に備えられ、前記アンモニア発生装置３で生成されたアンモニア２が前記選択還元型触媒１より上流側の排気管５内に導入されるようになっている。

ここで、前記アンモニア発生装置３は、水９を加熱して沸点以上の温度で完全に気体状態となった過熱水蒸気１０を生成し且つポンプ８（又はコンプレッサ）により送り込まれた大気６を経由させることで高温空気７とする過熱水蒸気生成手段１１と、該過熱水蒸気生成手段１１から導いた過熱水蒸気１０及び高温空気７を放電プラズマ中を通すことで反応させてアンモニア２を生成する放電プラズマ反応器１２と、放電プラズマ内でＮよりＯ又はＯＨとの反応性が高い酸素消費剤を前記放電プラズマ反応器１２に供給する酸素消費剤供給手段１３とを備えている。

前記過熱水蒸気生成手段１１は、水９を加熱して水蒸気９’を生成する蒸発ユニット１８と、該蒸発ユニット１８から導いた水蒸気９’を沸点以上に過熱して過熱水蒸気１０を生成する過熱ユニット１９とにより構成されており、蒸発ユニット１８で蒸発させた水蒸気９’を過熱水蒸気１０で沸点以上に過熱するという二段加熱方式が採用されている。

前記蒸発ユニット１８と前記過熱ユニット１９には、電熱線の通電による発熱や、エンジンブロックの排熱を熱源とするヒータ２０，２１が装備されており、前記蒸発ユニット１８の水入口２２に対し図示しない水タンクから導いた水９がヒータ２０により加熱されて蒸発し、その水蒸気９’が前記蒸発ユニット１８の上側から抜き出され、前記過熱ユニット１９内でヒータ２１に巻き付けられた伝熱管２３を通して更に沸点以上に過熱されて過熱水蒸気１０として排出されるようになっている。

ここで、特別なインフラ設備が整わないと入手が難しい尿素水の場合は、できるだけ大量に貯留しておくために大型の尿素水タンクを必要とするが、どこでも簡単に入手して補給することができる水９の場合は、一度に大量に貯留しておく必要がなく、比較的小型の水タンクを搭載するだけで済むことになる。尚、この水タンクには、車載のクーラの結露水を回収して導き入れるような補給手段を備えることも可能である。

また、前記蒸発ユニット１８及び前記過熱ユニット１９の夫々のヒータ２０，２１には、前記ポンプ８により送り込まれた大気６を流して加熱するための別の伝熱管２４も巻き付けられており、前記大気６が前記過熱水蒸気１０と殆ど変わらない温度の高温空気７まで昇温されるようになっている。

更に、前記放電プラズマ反応器１２は、絶縁体から成る筒状の反応器本体２５と、該反応器本体２５の中心部に配置されたロッド状の放電電極２６と、前記反応器本体２５の外周部に配置されて前記放電電極２６との間で高電圧が印加されるようにした接地電極２７と、これら放電電極２６及び接地電極２７の相互間に形成される放電空間２８に充填された誘電体ペレット２９（例えばアルミナペレット等）とにより構成されており、前記過熱ユニット１９の各伝熱管２３，２４から送り出される過熱水蒸気１０と高温空気７が前記反応器本体２５内の放電空間２８に導入されるようになっている。尚、図中３０は放電電極２６に接続された高電圧を印加するための電源、３１は接地電極２７に接続されたアースを示す。

また、前記酸素消費剤供給手段１３は、排気管５から排気ガス４の一部を抜き出して放電プラズマ反応器１２に送り込む排気ガス送り手段を成すポンプ１４（又はコンプレッサ）により構成されており、排気ガス４中に含まれるＣＯやＣ（煤）を酸素消費剤として利用し得るようにしてある。

而して、過熱水蒸気生成手段１１にて蒸発ユニット１８で蒸発させた水蒸気９’を過熱水蒸気１０で沸点以上に過熱するという二段加熱方式により過熱水蒸気１０を生成する一方、ポンプ８により送り込まれた大気６を前記過熱水蒸気生成手段１１の蒸発ユニット１８及び過熱ユニット１９を伝熱管２４を介し経由させることで昇温して高温空気７とし、これら過熱水蒸気１０と高温空気７をポンプ１４からの排気ガス４と一緒に放電プラズマ反応器１２に導入して放電プラズマ中に通すと、過熱水蒸気１０がＨ⁺とＯＨ^-、高温空気７中の窒素はＮに解離し、その後、ＨとＮが結合してＮＨ₃（アンモニア２）が生成されることになる。

この際、解離したＮ、ＯＨ、Ｏが放電プラズマ内で式（２）や式（３）のように反応してＮＯx（主としてＮＯ）が生成される虞れがあり、ＮＯxの生成にＮが多く消費されてしまえば、ＮＨ₃の転換率が低下してしまうことになるが、ポンプ１４により放電プラズマ反応器１２に排気ガス４を導入しているので、該排気ガス４中のＣＯやＣ（煤）が酸素消費剤として式（４），式（５）や式（６），式（７）のように酸化反応することによりＮＯxの生成前にＯやＯＨが消費され、ＯやＯＨと反応しないで残ったＮがＮＨ₃の生成に使用され、ＮＨ₃への転換率が向上される。
［化２］
Ｎ＋ＯＨ^-→ＮＯ＋Ｈ⁺…（２）
［化３］
Ｎ＋Ｏ→ＮＯ…（３）
［化４］
ＣＯ＋ＯＨ→ＣＯ₂＋Ｈ⁺…（４）
［化５］
ＣＯ＋Ｏ→ＣＯ₂…（５）
［化６］
Ｃ＋Ｏ→ＣＯ…（６）
［化７］
Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂…（７）

ここで、特にＯＨラジカルと選択的に反応させることが可能な性質をもつＣＯは、酸素消費剤としての有効性が非常に高いことが本発明者らの鋭意研究により確認されており、図２にグラフで示す通り、ＮＨ₄ ⁺の生成濃度（気体中でＮＨ₃の生成を確認することが難しいことからＮＨ₃が水に溶解して生成したＮＨ₄ ⁺の生成濃度を確認）は、ＣＯ添加ありの場合の方がＣＯ添加なしの場合の約２倍となり、また、図３にグラフで示す通り、ＮＯの生成濃度は、ＣＯ添加ありの場合の方がＣＯ添加なしの場合の約半分に抑制されることが確認されている。

尚、前述した通り、ＣＯが酸素消費剤としての有効性が高いことが既に確認されているので、煤を含む排気ガス４をポンプ１４や放電プラズマ反応器１２に導くことで系路途中の煤堆積などといった懸念がある場合には、パティキュレートフィルタを通過した後の清浄な排気ガス４を放電プラズマ反応器１２に導くようにすれば良い。

また、放電電極２６と接地電極２７との間に高電圧を印加した際には、放電空間２８内にバリア放電（無声放電や沿面放電）による放電プラズマ（非熱平衡プラズマ）が発生することになるが、放電空間２８に誘電体ペレット２９が充填されていることで、該各誘電体ペレット２９同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、その強い放電プラズマにより効率良くアンモニア２が生成されることになる。

尚、大気６を伝熱管２４を介し前記過熱水蒸気生成手段１１を経由させて昇温してから放電プラズマ反応器１２に導入しているのは、冷えた大気６を過熱水蒸気１０と合流させてしまうと、該過熱水蒸気１０が温度低下して結露が生じる虞れがあるからである。

以上に述べた通り、上記形態例によれば、大気６と水９からアンモニア２を生成することができるので、選択還元型触媒１の還元剤としてアンモニア２を添加する還元剤添加装置として車両に搭載するに際し、大型の尿素水タンクの搭載や尿素水の補給を不要とすることができ、これにより装置レイアウトの制約を大幅に緩和することができると共に、運転者の負担を大幅に軽減することができる。

また、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、大気６と水９から生成したアンモニア２を選択還元型触媒１の還元剤として排気管５内に直接導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒１の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

即ち、従来においては、選択還元型触媒１にアンモニア２を添加することで約１００℃以上の排気温度からＮＯx低減効果が得られるのに対し、尿素水がアンモニア２と炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約１８０〜１９０℃の排気温度が必要であったため、これより低い排気温度が想定されるエンジンスタート時や低速走行時等に尿素水を添加してもＮＯx低減性能がなかなか高まらないという問題があったが、このような問題が解決されることになる。

図４は本発明の別の形態例を示すもので、先の図１の形態例において、エンジンからの排気ガス４が流通する排気管５から排気ガス４の一部を抜き出して放電プラズマ反応器１２に送り込むポンプ１４（排気ガス送り手段）により酸素消費剤供給手段１３を構成することに換えて、燃料タンク１５から燃料１６を抜き出して放電プラズマ反応器１２の入側に添加する燃料添加弁１７（燃料添加手段）により酸素消費剤供給手段１３を構成するようにしたものであり、このようにすれば、燃料１６の添加により生じるＨＣが過熱水蒸気１０と式（８）のように反応してＣＯを発生し、このＣＯを前述の通り酸素消費剤として利用することが可能となるので、ＣＯが酸素消費剤として酸化反応することによりＮＯxの生成前にＯやＯＨが消費され、ＯやＯＨと反応しないで残ったＮがＮＨ₃の生成に使われ、ＮＨ₃への転換率が向上されることになる。
［化８］
ＨＣ＋→ＮＯ＋Ｈ⁺…（８）

尚、本発明のアンモニア発生装置及びそれを用いた排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 選択還元型触媒
２ アンモニア
３ アンモニア発生装置
４ 排気ガス
５ 排気管
６ 大気
７ 高温空気
８ ポンプ
９ 水
９’ 水蒸気
１０ 過熱水蒸気
１１ 過熱水蒸気生成手段
１２ 放電プラズマ反応器
１３ 酸素消費剤供給手段
１４ ポンプ（排気ガス送り手段）
１５ 燃料タンク
１６ 燃料
１７ 燃料添加弁（燃料添加手段）
１８ 蒸発ユニット
１９ 過熱ユニット
２５ 反応器本体
２６ 放電電極
２７ 接地電極
２８ 放電空間
２９ 誘電体ペレット

Claims (6)

1. 水を加熱して沸点以上の温度で完全に気体状態となった過熱水蒸気を生成し且つ大気を経由させることで高温空気とする過熱水蒸気生成手段と、該過熱水蒸気生成手段から導いた過熱水蒸気及び高温空気を放電プラズマ中を通すことで反応させてアンモニアを生成する放電プラズマ反応器と、放電プラズマ内でＮよりＯ又はＯＨとの反応性が高い酸素消費剤を前記放電プラズマ反応器に供給する酸素消費剤供給手段とを備えたことを特徴とするアンモニア発生装置。
2. 過熱水蒸気生成手段が、水を加熱して水蒸気を生成する蒸発ユニットと、該蒸発ユニットから導いた水蒸気を沸点以上に過熱して過熱水蒸気を生成する過熱ユニットとにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンモニア発生装置。
3. 放電プラズマ反応器が、絶縁体から成る筒状の反応器本体と、該反応器本体の中心部に配置されたロッド状の放電電極と、前記反応器本体の外周部に配置されて前記放電電極との間で高電圧が印加されるようにした接地電極と、これら放電電極及び接地電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットとにより構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンモニア発生装置。
4. 酸素消費剤供給手段が、エンジンからの排気ガスが流通する排気管から排気ガスの一部を抜き出して放電プラズマ反応器に送り込む排気ガス送り手段により構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のアンモニア発生装置。
5. 酸素消費剤供給手段が、燃料タンクから燃料を抜き出して放電プラズマ反応器の入側に添加する燃料添加手段により構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のアンモニア発生装置。
6. エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を有する選択還元型触媒を備え、該選択還元型触媒より上流側の排気管内にアンモニアを還元剤として添加するための還元剤添加装置として請求項１から５の何れか１項に記載のアンモニア発生装置を用いたことを特徴とする排気浄化装置。

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