JP2015178805A

JP2015178805A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2015178805A
Application number: JP2014056413A
Authority: JP
Inventors: 明志知; Akira Shichi; 好美木崎; Yoshimi Kizaki; 進長野; Susumu Nagano
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-10-08

Abstract

【課題】排気中のＮＯｘを効果的に除去する。
【解決手段】気液接触吸収装置１６では、内燃機関１０からの排気と捕集液を接触させて、排気に含まれるＮＯｘガスを捕集液に吸収する。制御部４８は、気液接触吸収装置１６に流入する排気中の水蒸気濃度を気液接触吸収装置１６内部における排気の飽和水蒸気濃度以上の濃度に調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は湿式の排気浄化装置に関する。

内燃機関からの排気には、窒素酸化物（ＮＯｘ：ＮＯ，ＮＯ_２）などの有害成分が含まれており、これを無害化する処理が必要である。その処理法として、触媒を用いて窒素酸化物を窒素ガスに還元する方式が知られている。一方、水などを用いる湿式法も知られており、湿式法では、排気と捕集液を接触させることで、排気に含まれるＮＯｘを捕集液へ吸収して浄化する。

特許文献１には、湿式のＮＯｘの浄化処理装置が記載されており、排気にオゾンを添加し硝酸生成触媒によりＮＯｘを改質することが示されている。

特許文献２には、被処理ガス中の被処理ガス成分であるＮＯｘをオゾン酸化し、このオゾン酸化後の被処理ガス中の残存ＮＯｘ成分を吸収液によって吸収除去するＮＯｘを含有する被処理ガスの脱硝方法が示されている。

特許文献３には、ボイラなどの燃焼装置からの排ガス中に含まれる硫黄酸化物を除去するために、アルカリ金属またはアルカリ土類金属等の吸収剤と気液接触させる脱硫塔を備えた湿式脱硫装置が示されている。そして、この湿式脱硫装置では、脱硫塔内あるいは脱硫塔出口ダクト内に水蒸気を吹き込む水蒸気管を設け、ダストの捕集効率を上昇している。

特開２０１３-７２３９８号公報特開２０１３‐７１７号公報特開平０７−１７８３１４号公報

ここで、湿式法では、気液接触装置において、排気と捕集液を接触させ、ＮＯｘを捕集液に捕集する。そこで、気液接触装置において、確実にＮＯｘを捕集したいという要求がある。特に、車両の排気中のＮＯｘを処理する場合においては、気液接触装置をなるべく小さくしたいという要求があり、より効果的なＮＯｘの捕集が望まれる。

本発明は、内燃機関の排気と捕集液を接触させて、排気に含まれるＮＯｘガスを捕集液に吸収する気液接触吸収装置と、前記気液接触吸収装置に流入する排気中の水蒸気濃度を前記気液接触吸収装置内部における排気の飽和水蒸気濃度以上の濃度に調節する水蒸気濃度調節手段と、を備える。

一実施形態では、前記水蒸気濃度調節手段は、前記気液接触吸収装置に流入する排気に水蒸気を添加することで気液接触吸収装置に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させる水蒸気添加装置である。

他の実施形態では、前記水蒸気濃度調節手段は、前記内燃機関における空燃比を下げることで気液接触吸収装置に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させる空燃比制御手段である。

さらに他の実施形態では、前記水蒸気濃度調節手段は、前記気液接触吸収装置内部の温度を低下させることで気液接触吸収装置に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させる温度調整制御手段である。

本発明によれば、気液接触吸収装置に流入してくる排気の水蒸気濃度を、気液接触吸収装置内での飽和水蒸気濃度よりも高く維持できるため、排気に含まれるＮＯｘを捕集液へ効率よく吸収することができる。

実施形態に係る排気浄化装置の全体構成を示す図である。水蒸気濃度の調整の手順を示すフローチャートである。空燃比と水蒸気濃度、露点限界を示す図である。捕集液温度と硝酸吸収率の関係を示す図である。他の実施形態に係る排気浄化装置の全体構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

＜全体構成＞
図１は、本実施形態に係る排気浄化装置の全体構成を示す図である。内燃機関としてのエンジン１０は、複数のシリンダを有し、シリンダ内に空気と燃料を導入し、ここで燃料が燃焼されて動力が取り出される。そして、燃焼後の排気が各シリンダから排出される。なお、エンジン１０には、空燃比調整部３０が設けられており、エンジン１０のシリンダ内で燃焼される混合気の空気と燃料の比率を調整する。燃料はシリンダ内に直接供給しても、吸気管内に供給してもよい。

エンジン１０からの排気にはＮＯｘなどの有害成分が含まれ、その排気は排気管１２を通り、水蒸気添加装置１４に供給される。この水蒸気添加装置１４は、例えば水を排気中に噴霧して水蒸気濃度を増加させる。水蒸気添加装置１４は、ガスの水蒸気濃度を調節できればどのような手段でもよく、例えばスプレノズルなどで水を噴霧してもよいし、多孔質膜型の加湿器を用いてもよい。

水蒸気濃度が調節された排気は気液接触吸収装置１６に供給される。この気液接触吸収装置１６は、例えば膜式であり、多孔質膜の一方側（捕集液室）に捕集液を供給し、他方側（排気室）を流通する排気中の水溶性ガス（ＮＯｘなど）が捕集液側に吸収されて除去される。

このように、ＮＯｘなどの有害成分が、気液接触吸収装置１６において捕集液と接触することで吸収されて排気が浄化され、浄化された排気が排気口１８より排出される。なお、排気中のＮＯｘは水と反応することで硝酸へ変換されて捕集液に吸収される。このため、気液接触吸収装置１６は、排気に含まれるＮＯｘを硝酸（ＨＮＯ_３）または硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）として捕集液に吸収させて排気から分離除去する。気液接触吸収装置１６は、ＮＯｘや硝酸または硝酸イオンを捕集液に吸収できればどのような形式のものでもよく、捕集液を排気中に噴霧することなどにより気液を直接接触させる形式のものでもよい。

硝酸または硝酸イオンを吸収する捕集液としては、例えば水が用いられる。また、炭酸カリウムや炭酸ナトリウム等のアルカリ塩類、炭酸カルシウムや炭酸マグネシウム等のアルカリ土類塩類、炭酸アンモニウムや炭酸水素アンモニウム等のアンモニウム塩等が水に溶解している水溶液でもよい。

ここで、捕集液貯蔵タンク２０が設けられ、捕集液貯蔵タンク２０内に貯蔵された捕集液が、ポンプ２２によって汲み上げられて気液接触吸収装置１６内へ供給される。気液接触吸収装置１６で硝酸または硝酸イオンを吸収した捕集液は、捕集液貯蔵タンク２０ヘ戻されて循環する。また、捕集液貯蔵タンク２０内の水量は水量レベルセンサ等で監視し、規定量を維持するようにするとよい。水量が減った場合は外部より補充したり、排気中の水分を回収して捕集液貯蔵タンク２０ヘ投入するなどして、捕集液貯蔵タンク２０の水量が規定値を維持されるようにする。なお、捕集液貯蔵タンク２０内の捕集液は、処理の経過に伴い、ＮＯｘ濃度が上昇してくる。そこで、適当な頻度で交換する。ＮＯｘ濃度の高くなった捕集液は別途処理するとよい。捕集液に吸収された硝酸または硝酸イオンは、硝酸イオン濃度計やｐＨ計により監視するとよい。

また、水蒸気添加装置１４の下流側の排気管１２には、水蒸気濃度センサ（湿度計）２４が設けられており、気液接触吸収装置１６の入口の水蒸気濃度を計測する。水蒸気濃度は、本実施形態では、水蒸気圧／大気圧（％）とするが、水蒸気質量／空気質量（％）などとすることもできる。また、この水蒸気濃度は、エンジンの空燃比より計算して求めてもよい。

捕集液貯蔵タンク２０には、捕集液温度センサ２６が設けられ、気液接触吸収装置１６に循環される捕集液の温度を検出する。さらに、捕集液貯蔵タンク２０内には、捕集液熱交換器３２が配置されており、これによって捕集液貯蔵タンク２０内の捕集液の温度を調整することができる。この例では、冷媒を循環して捕集液からの熱を冷媒に移動して冷媒を冷却する熱交換器を採用したが、捕集液温度を下げることができればどのような温度調整手段を採用してもよい。例えば、ペルチェ素子などを利用してもよい。

水蒸気濃度センサ２４、捕集液温度センサ２６の検出結果は制御装置２８に供給される。制御装置２８には、エンジン１０の運転状態の情報も供給されており、制御装置２８は、供給される各種情報（信号）に基づいて、空燃比調整部３０における空燃比や、水蒸気添加装置１４における水蒸気添加、捕集液熱交換器３２による捕集液温度などを制御する。

＜水蒸気濃度の調整＞
ここで、制御装置２８における気液接触吸収装置１６へ流入する排気中の水蒸気濃度の調整する手順について、図２に基づいて説明する。

まず、気液接触吸収装置１６における水蒸気濃度Ｗ１を計測する（Ｓ１１）。本実施形態では、捕集液温度センサ２６で計測した捕集液温度に基づき、気液接触吸収装置１６内の排気の水蒸気濃度を求める。例えば、捕集液温度は、排気温度と同一であり、排気は飽和していると仮定することで、計算で求めることができる。また、実際の運転から、温度と水蒸気濃度の関係を求め、その関係をマップとして持っておいてもよい。さらに、気液接触吸収装置１６内の排気の湿度を湿度計で計測してもよい。

次に、気液接触吸収装置１６の入口の排気中の水蒸気濃度Ｗ２を計測する（Ｓ１２）。本実施形態では、気液接触吸収装置１６の入口近くの排気管１２に設けられた水蒸気濃度センサ２４によって、気液接触吸収装置１６の入口の排気中の水蒸気濃度を計測する。

このように、気液接触吸収装置１６内の水蒸気濃度Ｗ１と、入口の水蒸気濃度Ｗ２が求められた場合には、Ｓ１１で求めた気液接触吸収装置１６内の水蒸気濃度Ｗ１がＳ１２で求めた入口の水蒸気濃度Ｗ２より大きいか（Ｗ１＞Ｗ２）であるか判定する（Ｓ１３）。Ｗ１は、気液接触吸収装置１６内における飽和水蒸気濃度と基本的に一致する。従って、この判定は、気液接触吸収装置１６に流入する排気の水蒸気濃度Ｗ２が気液接触吸収装置１６内の飽和水蒸気濃度Ｗ１より高いかを判定していることになる。なお、捕集液熱交換器３２によって、気液接触吸収装置１６内の温度（捕集液温度）を常に所定値に保てば、Ｗ１は一定値になる。従って、Ｓ１３におけるＷ１は予め設定した所定値としたり、温度によって変化する所定値とすることができる。また、Ｗ１を気液接触吸収装置１６内の飽和水蒸気濃度より所定量大きな値とすることも好適である。

このＳ１３の判定で、ＮＯであれば、気液接触吸収装置１６へ流入してくる排気内の水蒸気濃度は十分であるため、処理を終了する。

一方、Ｓ１３の判定で、ＹＥＳであれば、気液接触吸収装置１６へ流入してくる排気の水蒸気濃度は十分でない。そこで、エンジン１０の運転状態を変更して気液接触吸収装置１６の入口の排気中の水蒸気濃度Ｗ１が増量できるか（Ｗ１＞Ｗ２にできるか）を判定する（Ｓ１４）。エンジン１０における空燃比を下げて燃料リッチにすることにより、排気中の水蒸気濃度を上昇できるが、空燃比は基本的に理論空燃比に基づいて決定されるものであり、それほど大きく変更することはできない。そこで、その時のエンジン１０の運転状態に基づいて排気中の水蒸気濃度を増量できるかを判定する。

Ｓ１４の判定でＹＥＳであれば、空燃比を下げて、燃料リッチとして水蒸気濃度を上昇し（Ｓ１５）、処理を終了する。

この場合には、内燃機関における空燃比を下げることで気液接触吸収装置に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させるため、空燃比制御が水蒸気濃度調節手段である。

Ｓ１４の判定でＮＯであれば、水蒸気添加装置１４において、水蒸気が添加できるかを判定する（Ｓ１６）。例えば、排気温度が低い場合、水を必要量添加すると添加した水が十分気化できない場合もある。そこで、必要量の水を添加して気化できる排気温度かを判断する。

このＳ１６の判定でＹＥＳであれば、水蒸気添加装置１４により、Ｗ１＜Ｗ２になるように水蒸気を添加する（Ｓ１７）。

この場合は、気液接触吸収装置１６に流入する排気に水蒸気を添加することで気液接触吸収装置に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させており、水蒸気添加装置１４が水蒸気濃度調節手段である。

一方、Ｓ１６の判定で、水蒸気添加装置１４において水蒸気添加装置で水蒸気が添加できない場合、Ｗ１＜Ｗ２になるように気液接触吸収装置１６の温度を調節する（Ｓ１８）。すなわち、気液接触吸収装置１６の温度を低下させることで、飽和水蒸気濃度が小さくなりＷ１を小さくでき、これによってＷ１＜Ｗ２とできる。このように、Ｓ１８では、捕集液熱交換器３２によって、気液接触吸収装置１６の捕集液温度を調節することで、捕集液の温度より求められる飽和水蒸気濃度が気液接触装置に流入する排気の水蒸気濃度よりも低くなるように調節することができる。

この場合、気液接触吸収装置１６内部の温度を低下させることで気液接触吸収装置１６に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させており、この温度調整制御が水蒸気濃度調節手段である。

例えば、エンジン１０がＡ／Ｆ＝４４で運転される場合には、その排気の水蒸気濃度８％、露点４２℃となる。この場合であって、捕集液温度が４６℃である場合を考えると、各ステップでの数値は下記のようなものが例示できる。

Ｓ１１の気液接触吸収装置１６の捕集液温度４６℃、水蒸気濃度１０％。Ｓ１２の気液接触吸収装置１６の入口の排気の水蒸気濃度８％。Ｓ１４ではＡ／Ｆ＜２２まで下げられるかを判定する。Ｓ１５では水蒸気添加装置１４において、水蒸気を２％以上添加できるか、すなわち排気が水を２％添加して気化できる温度であるかを判断する。Ｓ１７では水蒸気を２％添加する。Ｓ１８では４６度から４２℃まで冷却する。

なお、上述の説明では、Ｓ１５の空燃比制御、Ｓ１７の水蒸気添加、Ｓ１８の気液接触吸収装置の温度調整のいずれかを行ったが、これらの２つ以上を組み合わせて、気液接触吸収装置１６の入口における水蒸気濃度が気液接触吸収装置内部の飽和水蒸気濃度以上になるように調整することも好適である。

＜水蒸気濃度の影響について＞
ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関からの排気には燃料の燃焼で生成した水が含まれている。排気温度が１００℃以上であれば排気に含まれる水は水蒸気として存在する。排気に含まれる水蒸気濃度は空燃比Ａ／Ｆによつて変化し、例えば理論空燃比Ａ／Ｆ＝１４．７で燃焼した排気には約１５％の水蒸気が含まれ、酸素過剰雰囲気のＡ／Ｆ＝４０では約６％の水蒸気が含まれることになる。

図３に、Ａ／Ｆに対する水蒸気濃度（Ｈ_２Ｏ濃度：実線）と、その水蒸気濃度における露点温度（破線）の関係を示す。このように、Ａ／Ｆが小さく（リーン）なるに従って水蒸気濃度（Ｈ_２Ｏ濃度）および露点温度が上昇する。

内燃機関は運転状態によつてＡ／Ｆを変えており、そのために排気に含まれる水蒸気濃度も変化する。水蒸気は温度が低くなれば露点温度で凝縮して液体の水になるが、その露点温度は排気に含まれる水蒸気濃度によつて変化する。すなわち、内燃機関の運転状態（Ａ／Ｆ）によつて排気の水蒸気が凝縮する露点温度は変化することになる。特に、酸素過剰の希薄燃焼（リーンバーン）では排気に含まれる水蒸気濃度が低くなるため、露点温度も相対的に低くなる。

本実施形態では、気液接触吸収装置１６において、水などの捕集液水を用い、水溶性の有害ガスであるＮＯｘを捕集液へ吸収して浄化する。本発明者らの検討において、排気に含まれるＮＯｘをＨＮＯ_３などとして吸収除去する時の排気浄化性能は排気の水蒸気濃度と捕集液温度に大きく依存することが明らかとなった。

その結果の例を図４により説明する。図４はＨＮＯ_３（１５０ｐｐｍ）であって、水蒸気濃度（Ｈ_２０）８％と、１０％を含む模擬排気を本実施形態の多孔質膜型の気液接触吸収装置１６で処理した場合の、捕集液温度に対するＨＮＯ_３吸収率を示す。

ここで、模擬排気の水蒸気（８％）（図中黒丸で示す）が凝縮する露点温度は４２℃以下である。捕集液温度が４２℃以下の場合、温度が低いほどＨＮＯ_３吸収率は高くなっている。この時の気液接触吸収装置１６における飽和水蒸気濃度は＜８％であり、気液接触吸収装置１６に流入する模擬排気の水蒸気濃度よりも低くなつていることから、模擬排気の水蒸気は捕集液と接触することで一部凝縮していると考えられる。

一方、水蒸気濃度を１０％に増やした場合（図中白四角で示す）、捕集液温度に対するＨＮＯ３吸収率は水蒸気（８％）のときよりも高温側へシフトしている。水蒸気（１９％）の露点は４６℃であるため、それより低い温度では高い吸収率を示した。

捕集液温度が４２℃の場合を見ると、水蒸気濃度を８％から１０％に増やすことでＨＮＯ_３吸収率は３０％〜９０％に増える。これにより、排気中の水蒸気濃度を上げたり、捕集液温度を下げることでＨＮＯ_３吸収率を向上できることがわかる。

従って、本実施形態のように、気液接触吸収装置１６の入口での水蒸気濃度を気液接触吸収装置１６内での飽和水蒸気濃度以上（Ｗ１＜＝Ｗ２）とすることで、ＨＮＯ_３の吸収を効果的に行うことができる。また、捕集液温度を３３度以下にすることで、吸収率が上がっていることから、Ｗ２を実際の気液接触吸収装置１６内の飽和水蒸気濃度ではなく、数度〜数１０度高い温度での飽和水蒸気濃度より大きくすることも好適である。

＜排気の改質＞
ここで、気液接触吸収装置１６では、排気に含まれるＮＯｘを硝酸（ＨＮＯ_３）または硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）として捕集液に吸収させて排気から分離除去する。そこで、排気中のＮＯｘを気液接触吸収装置１６に流入する前に硝酸への変換を促進する改質装置を備えていてもよい。

図５には、改質装置を設けた場合の構成例が示してある。この例では、エンジン１０からの排気管１２には、最初に酸化触媒部４０に接続される。従って、エンジン１０からのＮＯｘガスを含む排気は、排気管１２を通って酸化触媒部４０へ流入し、ここで酸化触媒により未燃の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が酸化されて浄化される。

酸化触媒部４０からの排気管１２は熱交換器４２に接続されており、酸化触媒部４０から流出した排気は熱交換器４２へ流入し、３５０℃以下（より好ましくは３００℃以下）のガス温度に調節される。この熱交換器４２では、排気の温度を３５０℃以下、好ましくは１００℃〜２５０℃程度に冷却することで後段のＮＯｘの除去効率を上昇することができる。

熱交換器４２からの排気管１２には改質装置４４が接続されている。この改質装置４４はオゾン添加部４６と、改質触媒部４８とからなっている。すなわち、改質触媒部４８の手前の排気管には、オゾン添加部４６のオゾン添加弁５０が設けられており、ここにオゾン発生装置５２で発生されたオゾン含有気体（オゾン含有空気またはオゾン含有酸素）が供給される。オゾンが添加された排気は、改質装置４４の改質触媒部４８内に流入する。改質触媒部４８はその内部に硝酸生成触媒が備えられており、排気に含まれるのＮＯｘと水蒸気にオゾンを反応させて硝酸を生成させる。硝酸生成触媒としては、例えばＨ−ＢＥＡゼオライトやＡｇ，Ｆｅ，Ｃｓ等イオン交換したＢＥＡゼオライト等が例示される。なお、改質はこの方法に限定されることはなく、捕集液に過酸化水素等の酸化剤を添加しておくことで、硝酸の生成反応を促進してもよい。

ＮＯｘを硝酸に改質する改質装置４４が排気管１２における気液接触吸収装置１６より上流側の位置に設けられ、排気の温度を調節するための熱交換器（温度調節装置）４２が改質装置４４より上流側に設けられ、酸化触媒部４０が熱交換器４２より上流側に設けられていてもよい。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、気液接触吸収装置１６に流入してくる排気の水蒸気濃度は、気液接触吸収装置の飽和水蒸気濃度よりも高く維持できる。気液接触吸収装置１６における水溶性ガス（ＮＯｘ）の吸収率は、捕集液表面での水蒸気の凝縮により促進されるため、排気に含まれるＮＯｘを捕集液へ効率よく吸収することができる。

これによって、内燃機関の運転条件が変化して排気の水蒸気濃度が変化しても、ＮＯｘを効率的に除去することができる。

さらに、排気中のＮＯｘを硝酸に改質しておくことで、より効率的なＮＯｘの浄化処理が行える。

１０エンジン、１２排気管、１４水蒸気添加装置、１６気液接触吸収装置、１８排気口、２０捕集液貯蔵タンク、２２ポンプ、２４水蒸気濃度センサ、２６捕集液温度センサ、２８制御装置、３０空燃比調整部、３２捕集液熱交換器、４０酸化触媒部、４２熱交換器、４４改質装置、４６オゾン添加部、４８改質触媒部、５０オゾン添加弁、５２オゾン発生装置。

Claims

内燃機関の排気と捕集液を接触させて、排気に含まれるＮＯｘガスを捕集液に吸収する気液接触吸収装置と、
前記気液接触吸収装置に流入する排気中の水蒸気濃度を前記気液接触吸収装置内部における排気の飽和水蒸気濃度以上の濃度に調節する水蒸気濃度調節手段と、
を備える、排気浄化装置。
請求項１に記載の排気浄化装置であって、
前記水蒸気濃度調節手段は、前記気液接触吸収装置に流入する排気に水蒸気を添加することで気液接触吸収装置に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させる水蒸気添加装置である、排気浄化装置。
請求項１に記載の排気浄化装置であって、
前記水蒸気濃度調節手段は、前記内燃機関における空燃比を下げることで気液接触吸収装置に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させる空燃比制御手段である、排気浄化装置。
請求項１に記載の排気浄化装置であって、
前記水蒸気濃度調節手段は、前記気液接触吸収装置内部の温度を低下させることで気液接触吸収装置に流入する排気の水蒸気濃度を上昇させる温度調整制御手段である、排気浄化装置。