JP2016528423A - 選択的触媒還元及び触媒再生システム - Google Patents
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Abstract
選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、窒素酸化物を含有した排気ガスが移動するメイン排気流路２１０と、排気ガスの窒素酸化物を低減させるための触媒を有する反応器１００と、メイン排気流路２１０から分岐され反応器１００を迂回した後メイン排気流路２１０に合流する迂回排気流路２２０と、反応器１００に流入する排気ガスにアンモニアを噴射するアンモニア噴射部２６０と、アンモニア噴射部２６０に供給するアンモニアを生成する加水分解チャンバ５１０と、アンモニア噴射部２６０と加水分解チャンバ５１０とを連結するアンモニア供給流路と、反応器１００の前方のメイン排気流路２１０から分岐された分岐流路２３０と、反応器１００の後方のメイン排気流路２１０から分岐され、分岐流路２３０に合流する再循環流路２４０と、分岐流路２３０と再循環流路２４０との合流地点と、加水分解チャンバ５１０とを連結する多機能流路２５０とを備える。
Description
本発明は、選択的触媒還元反応を用いて、排気ガスが含有した窒素酸化物を低減させると共に、還元反応に使用された触媒を再生する、選択的触媒還元及び触媒再生システムに関する。
一般に、選択的触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ、ＳＣＲ）システムは、ディーゼルエンジン、ボイラ、焼却器などから発生する排気ガスを浄化して窒素酸化物を低減させるためのシステムである。
選択的触媒還元システムは、触媒が内部に設けられた反応器に排気ガスと還元剤とを共に通過させながら、排気ガスに含有された窒素酸化物と還元剤とを反応させることで、窒素と水蒸気とに還元する処理を行う。
選択的触媒還元システムは、触媒が内部に設けられた反応器に排気ガスと還元剤とを共に通過させながら、排気ガスに含有された窒素酸化物と還元剤とを反応させることで、窒素と水蒸気とに還元する処理を行う。
選択的還元触媒システムでは、窒素酸化物を低減させるための還元剤として、ウレア（Ｕｒｅａ）を直接噴射して使用し、又は、ウレアを加水分解させて生成されたアンモニア（ＮＨ３）を噴射して使用している。
しかし、ウレアを２５０℃未満の温度を有する排気ガスに直接噴射すると、ウレアが分解して生成されるビュレット（ｂｉｕｒｅｔ）、シアヌル酸（ｃｙａｎｕｒｉｃ ａｃｉｄ）、メラミン（ｍｅｌａｍｉｎｅ）、及びアンメリン（ａｍｍｅｌｉｎｅ）などのような副産物によって、ノズルが目詰まりをしたり、排気ガスの流れが妨げられたりするという問題点がある。
また、ウレアを加水分解させてアンモニアを生成するためには、加水分解チャンバの内部温度を、電気ヒータ又はバーナなどを用いて加水分解反応温度まで昇温させる必要があるため、加水分解に多量のエネルギを消費するという問題点がある。
本発明は、排気ガスが含有した窒素酸化物を低減するための全体のエネルギ消費を極力抑制することができ、かつ、還元反応に使用された触媒を効果良く再生することができる、選択的触媒還元及び触媒再生システムを提供することを目的とする。
本発明によれば、選択的触媒還元及び触媒再生システムは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有した排気ガスが移動するメイン排気流路と、該メイン排気流路上に設けられ、排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させるための触媒を有する反応器と、前記メイン排気流路から分岐され、前記反応器を迂回した後、再度前記メイン排気流路と合流する迂回排気流路と、前記メイン排気流路上に設けられ、前記反応器に流入する排気ガスにアンモニア（ＮＨ３）を噴射するアンモニア噴射部と、ウレアを提供され、前記アンモニア噴射部に供給するアンモニアを生成する加水分解チャンバと、前記アンモニア噴射部と前記加水分解チャンバとを連結するアンモニア供給流路と、前記反応器の前方の前記メイン排気流路から分岐された分岐流路と、前記反応器の後方の前記メイン排気流路から分岐され、前記分岐流路に合流する再循環流路と、前記分岐流路及び前記再循環流路の合流地点と、前記加水分解チャンバとを連結する多機能流路を備える。
上述した選択的触媒還元及び触媒再生システムは、前記分岐流路の分岐地点と前記ウレア噴射部との間の前記メイン排気流路上に設けられた第１のメイン排気バルブと、前記再循環流路の分岐地点と前記迂回排気流路の合流地点との間の前記メイン排気流路上に設けられた第２のメイン排気バルブと、前記迂回排気流路に設けられた迂回排気バルブと、前記分岐流路に設けられた分岐バルブと、及び前記再循環流路に設けられた再循環バルブをさらに備えることができる。前記第１のメイン排気バルブ、前記第２のメイン排気バルブ、前記迂回排気バルブ、前記分岐バルブ、及び前記再循環バルブは、浄化動作状態又は再生動作状態のうちのいずれか１つの動作状態に区分して動作することが可能である。
前記浄化動作状態であるときに、前記第１のメイン排気バルブ及び前記第２のメイン排気バルブが開放され、前記迂回排気バルブ及び前記再循環バルブが遮断され、前記再生動作状態であるときに、前記第１のメイン排気バルブ及び前記第２のメイン排気バルブが遮断され、前記迂回排気バルブ及び前記再循環バルブが開放される。
上述した選択的触媒還元及び触媒再生システムは、前記加水分解チャンバにウレアを供給するウレア供給部と、該ウレア供給部と前記加水分解チャンバとを連結するチャンバ連結流路とをさらに備えることができる。
上述した選択的触媒還元及び再生システムは、前記メイン排気流路上に設けられ、前記反応器に流入する排気ガスにウレアを噴射するウレア噴射部と、前記ウレア供給部と前記ウレア噴射部とを直接連結するウレア供給流路とをさらに備えることができる。
前記アンモニア噴射部は、前記ウレア噴射部より相対的に前記反応器側に隣接して位置することができる。
前記アンモニア噴射部は、前記ウレア噴射部より相対的に前記反応器側に隣接して位置することができる。
前記チャンバ連結流路上に設けられたアンモニア供給バルブと、前記ウレア供給流路上に設けられたウレア供給バルブとをさらに備えることができる。
前記浄化動作状態であるとき、前記アンモニア供給バルブ及び前記ウレア供給バルブのうちの少なくとも１つが開放され、前記再生動作状態であるとき、前記アンモニア供給バルブ及び前記ウレア供給バルブが遮断される。
前記浄化動作状態であるとき、前記アンモニア供給バルブ及び前記ウレア供給バルブのうちの少なくとも１つが開放され、前記再生動作状態であるとき、前記アンモニア供給バルブ及び前記ウレア供給バルブが遮断される。
前記浄化動作状態において、前記メイン排気流路を介して前記反応器に流入する排気ガスの温度が第１の設定温度であるときに、前記分岐バルブ及び前記アンモニア供給バルブが開放され、前記ウレア供給バルブが遮断されることで、前記メイン排気流路にアンモニアが噴射される。
前記浄化動作状態において、前記メイン排気流路を介して前記反応器に流入する排気ガスの温度が第２の設定温度であるときに、前記分岐バルブ、前記アンモニア供給バルブ、及び前記ウレア供給バルブが開放されることで、前記メイン排気流路にアンモニア及びウレアが共に噴射される。
前記浄化動作状態において、前記メイン排気流路を介して前記反応器に流入する排気ガスの温度が第３の設定温度であるときに、前記分岐バルブ及び前記アンモニア供給バルブが遮断され、前記ウレア供給バルブが開放されることで、前記メイン排気流路にウレアが噴射される。
上述した選択的触媒還元及び触媒再生システムは、前記多機能流路上に設けられ、前記多機能流路を流れる流体を昇温させる加熱装置をさらに備えることができる。
前記加熱装置としてバーナ（ｂｕｒｎｅｒ）が使用され、上述した選択的触媒還元及び触媒再生システムは、前記加熱装置に外気を供給し得るように前記多機能流路に連結された外気供給流路をさらに備えることができる。
前記加熱装置としてバーナ（ｂｕｒｎｅｒ）が使用され、上述した選択的触媒還元及び触媒再生システムは、前記加熱装置に外気を供給し得るように前記多機能流路に連結された外気供給流路をさらに備えることができる。
上述した選択的触媒還元及び触媒再生システムは、前記外気供給流路上に設けられた外気供給バルブをさらに備え、前記加熱装置が稼動されると、前記外気供給バルブが開放される。
上述した選択的触媒還元及び触媒再生システムは、前記外気供給流路上に設けられたエアフィルタをさらに備えることができる。
また、前記多機能流路上に設けられたブロワをさらに備えることができる。
また、前記多機能流路上に設けられたブロワをさらに備えることができる。
本発明によれば、選択的触媒還元及び触媒再生システムは、排気ガスが含有した窒素酸化物を低減するための全体のエネルギ消費を極力抑制することができ、かつ、還元反応に使用された触媒を効果良く再生することができる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳述する。本発明は、種々変更して実施することができ、後述の実施形態に限定されるものではない。
なお、図面は、概略的に示されており、実サイズで示されていない点に留意されたい。図面において相対的な寸法及び比率は、図面の明確性及び便宜性を図るため、その大きさを誇張又は縮小して示されており、任意の寸法は、例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。また、２つ以上の図面に示された同一の構造物、要素又は部品には、類似の特性を示すため、同じ参照符号を付す。
本発明の実施形態は、本発明の好適な一例を具体的に示すものである。それで、様々な図解の変形が可能であると考えられる。従って、実施形態は、図示した特定の形態に制限されず、例えば、製造形態を変形して実施することができる。
以下、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る選択的触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ、ＳＣＲ）及び触媒再生システム１０１について説明する。
図１に示されるように、本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、メイン排気流路２１０、反応器１００、迂回排気流路２２０、アンモニア噴射部４６０、加水分解チャンバ５１０、アンモニア供給流路２６０、分岐流路２３０、再循環流路２４０、及び多機能流路２５０を備えている。
図１に示されるように、本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、メイン排気流路２１０、反応器１００、迂回排気流路２２０、アンモニア噴射部４６０、加水分解チャンバ５１０、アンモニア供給流路２６０、分岐流路２３０、再循環流路２４０、及び多機能流路２５０を備えている。
また、本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、第１のメイン排気バルブ３１１、第２のメイン排気バルブ３１２、迂回排気バルブ３２０、分岐バルブ３３０、及び再循環バルブ３４０をさらに備えていてもよい。
また、本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、ウレア供給部５２０、ウレア貯蔵部５３０、ウレア噴射部４７０、ウレア供給流路２７０、チャンバ連結流路２８０、アンモニア供給バルブ３６０、及びウレア供給バルブ３７０をさらに備えていてもよい。
さらに、本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、加熱装置５５０、外気供給流路２９０、外気供給バルブ３９０、エアフィルタ５８０、ミキサ８００、及びブロワ５６０をさらに備えていてもよい。
メイン排気流路２１０は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有した排気ガスが移動する通路である。例えば、ディーゼルエンジンの燃焼過程で発生した排ガスがメイン排気流路２１０を通過する。なお、ディーゼルエンジンとしては、船舶に採用される低速又は中速のディーゼルエンジンが挙げられる。
メイン排気流路２１０は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有した排気ガスが移動する通路である。例えば、ディーゼルエンジンの燃焼過程で発生した排ガスがメイン排気流路２１０を通過する。なお、ディーゼルエンジンとしては、船舶に採用される低速又は中速のディーゼルエンジンが挙げられる。
反応器１００は、メイン排気流路２１０上に設けられる。反応器１００は、排気ガスが含有した窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させる触媒を有する。触媒は、排気ガスに含有された窒素酸化物（ＮＯｘ）と還元剤との反応を促進させ、窒素と水蒸気とに還元する処理を行う。
触媒は、ゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）、バナジウム（Ｖａｎａｄｉｕｍ）及び白金（Ｐｌａｔｉｎｕｍ）などのように、当該技術分野の当業者に公知の種々の素材から製作することができる。なお、触媒は、２５０℃〜３５０℃の範囲内の活性温度を有することができる。ここで、活性温度とは、触媒が被毒されることなく、安定的に窒素酸化物を還元し得る温度を意味する。触媒の反応が活性温度範囲外で行われる場合、被毒が発生し、効率が低下する。
なお、反応器１００のハウジングは、例えば、ステンレス鋼（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）製である。迂回排気流路２２０は、メイン排気流路２１０から分岐され、反応器１００を迂回した後、再度メイン排気流路２１０に合流する。排気ガスの反応器１００への流入が遮断されるとき、迂回排気流路２２０は、反応器１００を迂回するようにし、排気ガスを外部に排出する。
アンモニア噴射部４６０は、メイン排気流路２１０上に設けられ、反応器１００に流入される排気ガスにアンモニア（ＮＨ３）を噴射する。噴射されたアンモニアは、排気ガスと混合され、排気ガスに含有された窒素酸化物を還元させる。
また、本実施形態において、アンモニア噴射部４６０は、アンモニアに加え、イソシアン酸（ＨＮＣＯ）を共に噴射することができる。イソシアン酸は、高温の環境下でアンモニアに分解される。
また、本実施形態において、アンモニア噴射部４６０は、アンモニアに加え、イソシアン酸（ＨＮＣＯ）を共に噴射することができる。イソシアン酸は、高温の環境下でアンモニアに分解される。
ウレア噴射部４７０は、メイン排気流路２１０上に設けられ、反応器１００に流入される排気ガスにウレアを噴射する。噴射されたウレアは、排気ガスと混合され、排気ガスが高温であるとき、排気ガスが有する熱エネルギによりアンモニアに分解される。このように生成されたアンモニアは、アンモニア噴射部４６０から噴射されたアンモニアと同様に、排気ガスに含有された窒素酸化物を還元させる。
本実施形態において、アンモニア噴射部４６０は、ウレア噴射部４７０より相対的に反応器１００に隣接して位置付けられている。即ち、ウレア噴射部４７０が相対的に反応器から遠く離間して設けられる。これは、ウレア噴射部４７０から噴射されたウレアが、排気ガスと混合された後、排気ガスの熱エネルギによりアンモニアに分解されるまでの時間的・空間的余裕を確保するためである。
ミキサ（ｍｉｘｅｒ）８００は、アンモニア噴射部４６０と反応器１００との間のメイン排気流路２１０上に設けられる。ミキサ８００は、排気ガスが反応器１００に流入される前に、還元剤であるアンモニアと排気ガスとを均一に混合させる。
加水分解チャンバ５１０は、ウレア（ＣＯ（ＮＨ２）２）を提供されて加水分解させることで、アンモニア噴射部４６０に供給するアンモニア（ＮＨ３）を生成する。加水分解チャンバ５１０でウレア（ＣＯ（ＮＨ２）２）の加水分解が行われると、アンモニア（ＮＨ３）と共にイソシアン酸（ＨＮＣＯ）が生成される。
アンモニア供給流路２６０は、加水分解チャンバ５１０とアンモニア噴射部４６０とを連結し、加水分解チャンバ５１０で生成されたアンモニアをアンモニア噴射部４６０に伝達する。
ウレア供給部５２０は、加水分解チャンバ５１０にウレアを供給する。また、チャンバ連結流路２８０が、ウレア供給部５２０と加水分解チャンバ５１０とを連結する。また、ウレア供給流路２７０は、ウレア供給部５２０とウレア噴射部４７０とを直接連結する。
このように、ウレア供給部５２０は、チャンバ連結流路２８０を介して加水分解チャンバ５１０にウレアを供給し、又は、ウレア供給流路２７０を介してウレア噴射部４７０にウレアを供給することができる。
分岐流路２３０は、反応器１００の前方のメイン排気流路２１０から分岐される。また、再循環流路２４０は、反応器１００の後方のメイン排気流路２１０から分岐され、分岐流路２３０に合流する。
分岐流路２３０は、反応器１００の前方のメイン排気流路２１０から分岐される。また、再循環流路２４０は、反応器１００の後方のメイン排気流路２１０から分岐され、分岐流路２３０に合流する。
多機能流路２５０は、分岐流路２３０と再循環流路２４０との合流地点と、加水分解チャンバ５１０とを連結する。
このように、本実施形態によれば、反応器１００を経ていない排気ガスが、分岐流路２３０と多機能流路２５０を経て加水分解チャンバ５１０に流入されることができる。即ち、反応器１００を経ていない排気ガスが、相対的に高温であるとき、排気ガスを、分岐流路２３０と多機能流路２５０を介して加水分解チャンバ５１０に供給し、排気ガスが有する熱エネルギを、加水分解チャンバ５１０におけるウレアの加水分解に活用することが可能である。
このように、本実施形態によれば、反応器１００を経ていない排気ガスが、分岐流路２３０と多機能流路２５０を経て加水分解チャンバ５１０に流入されることができる。即ち、反応器１００を経ていない排気ガスが、相対的に高温であるとき、排気ガスを、分岐流路２３０と多機能流路２５０を介して加水分解チャンバ５１０に供給し、排気ガスが有する熱エネルギを、加水分解チャンバ５１０におけるウレアの加水分解に活用することが可能である。
また、本実施形態によれば、反応器１００を経た排気ガスが、分岐流路２３０、多機能流路２５０、加水分解チャンバ５１０、アンモニア供給流路２６０、及びアンモニア噴射部４６０を順次経て、再度反応器１００に流入されることができる。換言すれば、反応器１００を経た排気ガスを再度反応器１００に再循環させることが可能である。
加熱装置５５０は、多機能流路２５０上に設けられ、多機能流路２５０を流れる流体を昇温させる。本実施形態において、加熱装置５５０は、バーナ（ｂｕｒｎｅｒ）であることができる。具体的には、加熱装置５５０が、燃料供給装置、加熱温度制御のために供給燃料量を制御する制御装置、および安定装置などを備えていてもよい。
また、加熱装置５５０は、プラズマ（ｐｌａｓｍａ）を用いて性能を向上させたプラズマバーナを用いてもよい。
加熱装置５５０は、多機能流路２５０上に設けられ、多機能流路２５０を流れる流体を昇温させる。本実施形態において、加熱装置５５０は、バーナ（ｂｕｒｎｅｒ）であることができる。具体的には、加熱装置５５０が、燃料供給装置、加熱温度制御のために供給燃料量を制御する制御装置、および安定装置などを備えていてもよい。
また、加熱装置５５０は、プラズマ（ｐｌａｓｍａ）を用いて性能を向上させたプラズマバーナを用いてもよい。
外気供給流路２９０は、本実施形態において、加熱装置５５０としてバーナが使用される場合において、選択的に設けることができる。外気供給流路２９０は、加熱装置５５０に外気を供給し得るように多機能流路２５０と連結される。即ち、加熱装置５５０がバーナとして使用される場合、外気供給流路２９０は、バーナの燃焼に必要な酸素を供給する。
エアフィルタ５８０は、外気供給流路２９０上に設けられる。エアフィルタ５８０は、外気供給流路２９０を介して流入される外気に含まれる異物を除去する。
ブロワ５６０は、多機能流路２５０上に設けられる。ブロワ５６０は、多機能流路２５０を通過する流体に動力を提供する。即ち、ブロワ５６０は、排気ガスが分岐流路２３０と多機能流路２５０を介して加水分解チャンバ５１０に流入されるように動力を提供し、又は、排気ガスが、再循環流路２４０と多機能流路２５０を介して循環するように動力を提供することができる。
ブロワ５６０は、多機能流路２５０上に設けられる。ブロワ５６０は、多機能流路２５０を通過する流体に動力を提供する。即ち、ブロワ５６０は、排気ガスが分岐流路２３０と多機能流路２５０を介して加水分解チャンバ５１０に流入されるように動力を提供し、又は、排気ガスが、再循環流路２４０と多機能流路２５０を介して循環するように動力を提供することができる。
第１のメイン排気バルブ３１１は、反応器１００の前方のメイン排気流路２１０に設けられ、第２のメイン排気バルブ３１２は、反応器１００の後方のメイン排気流路２１０に設けられる。
この時、第１のメイン排気バルブ３１１は、分岐流路２３０の分岐地点とウレア噴射部４７０との間のメイン排気流路２１０上に設けることができる。また、第２のメイン排気バルブ３１２は、再循環流路２４０の分岐地点と、迂回排気流路２２０とメイン排気流路２１０との再合流地点との間のメイン排気流路２１０上に設けることができる。
迂回排気バルブ３２０は迂回排気流路２２０上に設けられ、分岐バルブ３３０は分岐流路２３０上に設けられ、再循環バルブ３４０は再循環流路２４０上に設けられる。
また、アンモニア供給バルブ３６０はチャンバ連結流路２８０上に設けられ、ウレア供給バルブ３７０はウレア供給流路２７０上に設けられる。
また、外気供給バルブ３９０は、外気供給流路２９０上に設けられる。
また、アンモニア供給バルブ３６０はチャンバ連結流路２８０上に設けられ、ウレア供給バルブ３７０はウレア供給流路２７０上に設けられる。
また、外気供給バルブ３９０は、外気供給流路２９０上に設けられる。
ここで、第１のメイン排気バルブ３１１と迂回排気バルブ３２０とは、１つの三方バルブを介して一体化することができる。
また、第１のメイン排気バルブ３１１及び分岐バルブ３４０は、１つの三方バルブを介して一体化することもできる。
また、第１のメイン排気バルブ３１１及び分岐バルブ３４０は、１つの三方バルブを介して一体化することもできる。
また、第１のメイン排気バルブ３１１、迂回排気バルブ３２０、及び分岐バルブ３３０は、１つの四方バルブを介して一体化することもできる。
さらに、分岐バルブ３３０と再循環バルブ３４０とを三方バルブを介して一体化することができ、分岐バルブ３３０、再循環バルブ３４０、及び外気供給バルブ３９０を四方バルブを介して一体化することもできる。
さらに、分岐バルブ３３０と再循環バルブ３４０とを三方バルブを介して一体化することができ、分岐バルブ３３０、再循環バルブ３４０、及び外気供給バルブ３９０を四方バルブを介して一体化することもできる。
このように、各バルブは、当該技術分野の当業者に公知の技術に従って種々変更して実施することができ、また、本実施形態において、各バルブの位置及び種類は、図１に示されるものに限定されない。
本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、浄化動作状態又は再生動作状態のうちのいずれかの動作状態に区分して動作する。
本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、浄化動作状態又は再生動作状態のうちのいずれかの動作状態に区分して動作する。
即ち、第１のメイン排気バルブ３１１、第２のメイン排気バルブ３１２、迂回排気バルブ３２０、分岐バルブ３３０、再循環バルブ３４０、アンモニア供給バルブ３６０、ウレア供給バルブ３７０、及び外気供給バルブ３９０は、それぞれ、浄化動作状態と再生動作状態とに区分して開閉される。
以下、図２から図５を参照して、本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１の動作原理について具体的に説明する。
本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、浄化動作状態又は再生動作状態に区分して動作する。
本実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、浄化動作状態又は再生動作状態に区分して動作する。
浄化動作状態とは、メイン排気流路２１０を流れる排気ガスが含有した窒素酸化物を低減させる動作を行う状態である。また、浄化動作状態において、選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、メイン排気流路２１０を流れる排気ガスの温度に応じて３段階で動作することができる。
このように、選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、浄化動作状態において、さらに３段階に区分して動作するため、第１の設定温度、第２の設定温度、及び第３の設定温度を基準としている。
具体的に、浄化動作状態は、反応器１００に流入される排気ガスの温度が第１の設定温度である低温段階と、反応器１００に流入される排気ガスの温度が第２の設定温度である中温段階と、反応器１００に流入される排気ガスの温度が第３の設定温度である高温段階とに区分することができる。メイン排気流路２１０を通過する排気ガスの温度は、排気ガスを排出するディーゼルエンジンの初期稼動後において、稼働時間が増えるほど、高くなる。
例えば、第１の設定温度は、２５０℃未満であり、第２の設定温度は、２５０℃以上３００℃未満であり、第３の設定温度は、３００℃以上であることができる。
しかし、本実施形態において、第１の設定温度、第２の設定温度、及び第３の設定温度の範囲は、使用環境によって変化される。
しかし、本実施形態において、第１の設定温度、第２の設定温度、及び第３の設定温度の範囲は、使用環境によって変化される。
図２は、浄化動作状態における低温段階を示している。図２に示されるように、排気ガスに含有された窒素酸化物を低減する浄化動作状態においては、基本的に、第１のメイン排気バルブ３１１と第２のメイン排気バルブ３１２とは、開放される。また、迂回排気バルブ３２０及び再循環バルブ３４０は、遮断される。
また、浄化動作状態における低温段階においては、分岐バルブ３３０とアンモニア供給バルブ３６０は開放され、ウレア供給バルブ３７０が遮断されることで、メイン排気流路２１０にアンモニアが噴射される。
また、加水分解チャンバ５１０においてウレアを加水分解させるため、加熱装置５５０が、反応器１００を経る前のメイン排気流路２１０から分岐された分岐流路２３０から供給される排気ガスを加熱し、昇温された排気ガスが加水分解チャンバ５１０に流入され、ウレアを加水分解させるための熱エネルギを提供する。
この時、ブロワ５６０は、分岐流路２３０と多機能流路２５０を流れる排気ガスに動力を提供する。
この時、ブロワ５６０は、分岐流路２３０と多機能流路２５０を流れる排気ガスに動力を提供する。
また、加熱装置５５０としてバーナが使用される場合、燃焼に必要な酸素を加熱装置５５０に供給するため、外気供給流路２９０に設けられた外気供給バルブ３９０も開放される。
メイン排気流路２１０を介して反応器に流入される排気ガスの温度が２５０℃未満であるとき、ウレアを直接メイン排気流路２１０に噴射すると、ウレアの分解により生成されるビュレット（ｂｉｕｒｅｔ）、シアヌル酸（ｃｙａｎｕｒｉｃ ａｃｉｄ）、メラミン（ｍｅｌａｍｉｎｅ）、及びアンメリン（ａｍｍｅｌｉｎｅ）などのような副産物によって、ノズルの目詰まりをしたり、排気ガスの流れが妨げられたりすることがあり得る。
これに対し、本実施形態によれば、反応器１００に流入される排気ガスの温度が２５０℃未満であるとき、ウレアを直接メイン排気流路２１０に噴射することなく、加水分解チャンバ５１０において加熱装置５５０により昇温された高温の排気ガスを用いて効率良く加水分解させ、生成されたアンモニアをメイン排気流路２１０に噴射することが可能である。従って、還元剤としてアンモニアを用いて排気ガスが含有した窒素酸化物を低減する過程中において副産物の生成を極力抑制することが可能である。
図３は、浄化動作状態における中温段階を示している。図３に示されるように、排気ガスに含有された窒素酸化物を低減する浄化動作状態においては、基本的に、第１のメイン排気バルブ３１１及び第２のメイン排気バルブ３１２が開放される。また、迂回排気バルブ３２０及び再循環バルブ３４０が遮断される。
また、浄化動作状態における中温段階においては、分解バルブ３３０、アンモニア供給バルブ３６０、及びウレア供給バルブ３７０がいずれも開放される。即ち、メイン排気流路２１０にウレアとアンモニアとの両方が噴射される。
なお、中温段階においては、ウレア噴射部４７０によりウレアが噴射されているため、少量のアンモニアをアンモニア噴射部４６０から噴射するようになる。即ち、反応器１００に流入される排気ガスの温度が２５０℃以上３００℃未満である中温段階においては、メイン排気流量２１０を流れる排気ガスが有する熱エネルギによるウレアの加水分解をある程度期待できるため、低温段階に比べて、加水分解チャンバ５１０で生成すべきアンモニアの量を減らすことが可能である。
従って、中温段階においては、加熱装置５５０とブロワ５６０の運転に必要な電力及び燃料などを減らすことができるため、相対的に作動コストが少なくて済む。
また、加熱装置５５０としてバーナが使用される場合、燃焼に必要な酸素を加熱装置５５０に供給するため、外気供給流路２９０に設けられた外気供給バルブ３９０の一部又は全部が開放される。
また、加熱装置５５０としてバーナが使用される場合、燃焼に必要な酸素を加熱装置５５０に供給するため、外気供給流路２９０に設けられた外気供給バルブ３９０の一部又は全部が開放される。
図４は、浄化動作状態における高温段階を示している。図４に示されるように、排気ガスに含有された窒素酸化物を低減する浄化動作状態においては、基本的に、第１のメイン排気バルブ３１１及び第２のメイン排気バルブ３１２が開放される。また、迂回排気バルブ３２０及び再循環バルブ３４０が遮断される。
また、浄化動作状態における高温段階においては、分岐バルブ３３０及びアンモニア供給バルブ３６０が遮断され、ウレア供給バルブ３７０が開放される。即ち、メイン排気流路２１０にウレアが噴射される。
反応器１００に流入される排気ガスの温度が３００℃以上である高温段階においては、メイン排気流路２１０を流れる排気ガスが有する熱エネルギによるウレアの加水分解が安定的に行われる。従って、加水分解チャンバ５１０でウレアを加水分解してアンモニアを生成する必要がない。
このように、高温段階においては、加水分解チャンバ５１０でアンモニアを生成する必要がないため、加熱装置５５０及びブロワ５６０の動作を中止させることができ、外気供給流路２９０の外気供給バルブ３９０を遮断することもできる。
即ち、高温段階においては、加熱装置５５０とブロワ５６０の運転に電力又は燃料などが消費されていないため、選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１の全体的なエネルギ利用効率を向上させることができる。
再生動作状態とは、反応器１００の内部に設けられた触媒が被毒されると、これを再生させる動作を行う状態である。
再生動作状態とは、反応器１００の内部に設けられた触媒が被毒されると、これを再生させる動作を行う状態である。
１５０℃以上２５０℃未満の相対的に低温において排気ガスの窒素酸化物を低減させるための還元反応が起こると、排気ガスの硫黄酸化物（ＳＯｘ）とアンモニア（ＮＨ３）とが反応し、触媒被毒物質が生成される。触媒被毒物質は、硫酸アンモニウム（Ａｍｍｏｎｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ）（（ＮＨ４）２ＳＯ４）と、亜硫酸水素アンモニウム（Ａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｉｓｕｌｆａｔｅ）（ＮＨ４ＨＳＯ４）とのいずれか１つ以上を含むことができる。このような触媒被毒物質は、触媒に吸着され、触媒の活性を低下させる。触媒被毒物質は、相対的に高温で分解されるため、触媒を昇温させることで、被毒された触媒を再生することができる。
従って、触媒が被毒されて活性が低下すると、再生動作状態に切り替えて反応器の内部温度を昇温させることで、触媒を再生させる。
図５は、再生動作状態を示している。図５に示されるように、被毒された触媒を再生する再生動作状態においては、第１のメイン排気バルブ３１１、第２のメイン排気バルブ３１２、及び分岐バルブ３３０が遮断される。また、迂回排気バルブ３２０及び再循環バルブ３４０が開放される。
図５は、再生動作状態を示している。図５に示されるように、被毒された触媒を再生する再生動作状態においては、第１のメイン排気バルブ３１１、第２のメイン排気バルブ３１２、及び分岐バルブ３３０が遮断される。また、迂回排気バルブ３２０及び再循環バルブ３４０が開放される。
また、本実施形態において、多機能流路５５０は、排気ガスの窒素酸化物低減と触媒の再生のいずれにも使用される。このように、本発明の一実施形態に係る選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１の再生動作状態においては、反応器１００、再循環流路２４０、多機能流路２５０、及びアンモニア供給流路２６０を備える閉ループが形成される。
そして、加熱装置５５０が、閉ループを循環する流体、即ち、反応器１００を経た排気ガスを加熱して昇温させる。このように、本発明の一実施形態によれば、閉ループを循環する排気ガスを昇温させているため、加熱装置５５０は、少量の燃料消費で効率良く排気ガスの温度を高めることができる。また、昇温された排気ガスは、被毒された触媒に熱エネルギが提供され、被毒物質が除去される。
そして、加熱装置５５０が、閉ループを循環する流体、即ち、反応器１００を経た排気ガスを加熱して昇温させる。このように、本発明の一実施形態によれば、閉ループを循環する排気ガスを昇温させているため、加熱装置５５０は、少量の燃料消費で効率良く排気ガスの温度を高めることができる。また、昇温された排気ガスは、被毒された触媒に熱エネルギが提供され、被毒物質が除去される。
但し、加熱装置５５０としてバーナが使用される場合、バーナの燃焼に必要な酸素を供給するため、外気供給流路２９０に設けられた外気供給バルブ３９０の一部が開放され、加熱装置５５０に外気を供給することが可能となる。
この時、センサを用いて閉ループにおける酸素濃度をモニタリングし、これにより、外気供給バルブ９０を制御することで、閉ループにおける酸素濃度を一定に維持することができる。
この時、センサを用いて閉ループにおける酸素濃度をモニタリングし、これにより、外気供給バルブ９０を制御することで、閉ループにおける酸素濃度を一定に維持することができる。
また、本実施形態においては、閉ループにおける圧力を一定に維持するため、第２のメイン排気バルブ３１２の一部を開放し、外気供給バルブ３９０を介して流入された外気の流量分だけ排気ガスを外部に排出させることもできる。
また、触媒の再生時において、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスは、迂回排気流路２２０を介して外部に排出することができる。即ち、ディーゼルエンジンの稼動を中断することなく、反応器１００の触媒を再生することができる。
このように、本実施形態によれば、選択的触媒還元及び触媒再生システム１０１は、排気ガスが含有した窒素酸化物を低減するための全体のエネルギ消費を極力抑制することができると共に、還元反応に使用された触媒を効果良く再生することができる。
具体的に、排気ガスの窒素酸化物低減過程中に反応器１００に流入される排気ガスの温度によって使用する還元剤の状態を変化させることで、エネルギ利用効率を向上させることができる。
また、触媒の再生過程中において閉ループを形成することで、触媒の再生に消費されるエネルギを最小化することができる。以上、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明してきたが、本発明の属する技術分野の当業者であれば、本発明が、その技術的精神及び必須の特徴事項から逸脱することなく、他のやり方で実施できることが理解できるだろう。
それで、上述した実施形態は、本発明の例示に過ぎないものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲は、後述の特許請求の範囲によって示されており、特許請求の範囲の意味および範囲、並びにその等値概念から導出される全ての変更又は変形した形態は、本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
１０１ 反応器
１０１ 選択的触媒還元及び触媒再生システム
２１０ メイン排気流路
２２０ 迂回排気流路
２３０ 分岐流路
２４０ 再循環流路
２６０ アンモニア供給流路
２７０ ウレア供給流路
２８０ チャンバ連結流路
２９０ 外気供給流路
３１１ 第１のメイン排気バルブ
３１２ 第２のメイン排気バルブ
３２０ 迂回排気バルブ
３３０ 分岐バルブ
３４０ 再循環バルブ
３６０ アンモニア供給バルブ
３７０ ウレア供給バルブ
３９０ 外気供給バルブ
４６０ アンモニア噴射部
４７０ ウレア噴射部
５１０ 加水分解チャンバ
５２０ ウレア供給部
５３０ ウレア貯蔵部
５５０ 加熱装置
５６０ ブロワ
５８０ エアフィルタ
１０１ 選択的触媒還元及び触媒再生システム
２１０ メイン排気流路
２２０ 迂回排気流路
２３０ 分岐流路
２４０ 再循環流路
２６０ アンモニア供給流路
２７０ ウレア供給流路
２８０ チャンバ連結流路
２９０ 外気供給流路
３１１ 第１のメイン排気バルブ
３１２ 第２のメイン排気バルブ
３２０ 迂回排気バルブ
３３０ 分岐バルブ
３４０ 再循環バルブ
３６０ アンモニア供給バルブ
３７０ ウレア供給バルブ
３９０ 外気供給バルブ
４６０ アンモニア噴射部
４７０ ウレア噴射部
５１０ 加水分解チャンバ
５２０ ウレア供給部
５３０ ウレア貯蔵部
５５０ 加熱装置
５６０ ブロワ
５８０ エアフィルタ
Claims (16)
- 窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有した排気ガスが移動するメイン排気流路と、
該メイン排気流路上に設けられ、排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させるための触媒を有する反応器と、
前記メイン排気流路から分岐され、前記反応器を迂回した後、再度前記メイン排気流路に合流する迂回排気流路と、
前記メイン排気流路上に設けられ、前記反応器に流入する排気ガスにアンモニア（ＮＨ３）を噴射するアンモニア噴射部と、
ウレアを提供され、前記アンモニア噴射部に供給するアンモニアを生成する加水分解チャンバと、
前記アンモニア噴射部と前記加水分解チャンバとを連結するアンモニア供給流路と、
前記反応器の前方の前記メイン排気流路から分岐された分岐流路と、
前記反応器の後方の前記メイン排気流路から分岐され、前記分岐流路に合流する再循環流路と、
前記分岐流路及び前記再循環流路の合流地点と、前記加水分解チャンバとを連結する多機能流路とを備える選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記分岐流路の分岐地点と前記ウレア噴射部との間の前記メイン排気流路上に設けられた第１のメイン排気バルブと、
前記再循環流路の分岐地点と前記迂回排気流路の合流地点との間の前記メイン排気流路上に設けられた第２のメイン排気バルブと、
前記迂回排気流路に設けられた迂回排気バルブと、
前記分岐流路に設けられた分岐バルブと、
前記再循環流路に設けられた再循環バルブとをさらに備え、
前記第１のメイン排気バルブ、前記第２のメイン排気バルブ、前記迂回排気バルブ、前記分岐バルブ、及び前記再循環バルブは、浄化動作状態又は再生動作状態のうちのいずれか１つの状態に区分して動作する請求項１に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記浄化動作状態であるときに、前記第１のメイン排気バルブ及び前記第２のメイン排気バルブが開放され、前記迂回排気バルブ及び前記再循環バルブが遮断され、
前記再生動作状態であるときに、前記第１のメイン排気バルブ及び前記第２のメイン排気バルブが遮断され、前記迂回排気バルブ及び前記再循環バルブが開放される請求項２に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記加水分解チャンバにウレアを供給するウレア供給部と、
該ウレア供給部と前記加水分解チャンバとを連結するチャンバ連結流路とをさらに備える請求項２に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記メイン排気流路上に設けられ、前記反応器に流入する排気ガスにウレアを噴射するウレア噴射部と、
前記ウレア供給部と前記ウレア噴射部とを直接連結するウレア供給流路とをさらに備える請求項４に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記アンモニア噴射部は、前記ウレア噴射部より相対的に前記反応器側に隣接して位置する請求項５に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。
- 前記チャンバ連結流路上に設けられたアンモニア供給バルブと、
前記ウレア供給流路上に設けられたウレア供給バルブとをさらに備える請求項５に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記浄化動作状態であるときに、前記アンモニア供給バルブ及び前記ウレア供給バルブのうちの少なくとも１つが開放され、
前記再生動作状態であるときに、前記アンモニア供給バルブ及び前記ウレア供給バルブが遮断される請求項７に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記浄化動作状態において、前記メイン排気流路を介して前記反応器に流入する排気ガスの温度が第１の設定温度であるときに、
前記分岐バルブ及び前記アンモニア供給バルブが開放され、前記ウレア供給バルブが遮断されることで、前記メイン排気流路にアンモニアが噴射される請求項８に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記浄化動作状態において、前記メイン排気流路を介して前記反応器に流入する排気ガスの温度が第２の設定温度であるときに、
前記分岐バルブ、前記アンモニア供給バルブ、及び前記ウレア供給バルブが開放されることで、前記メイン排気流路にアンモニア及びウレアが共に噴射される請求項８に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記浄化動作状態において、前記メイン排気流路を介して前記反応器に流入する排気ガスの温度が第３の設定温度であるときに、
前記分岐バルブ及び前記アンモニア供給バルブが遮断され、前記ウレア供給バルブが開放されることで、前記メイン排気流路にウレアが噴射される請求項８に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記多機能流路上に設けられ、前記多機能流路を流れる流体を昇温させる加熱装置をさらに備える請求項１から請求項１１のいずれかに記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。
- 前記加熱装置としてバーナが使用され、
前記加熱装置に外気を供給し得るように前記多機能流路に連結された外気供給流路をさらに備える請求項１２に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記外気供給流路上に設けられた外気供給バルブをさらに備え、
前記加熱装置が稼動されると、前記外気供給バルブが開放される請求項１３に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。 - 前記外気供給流路上に設けられたエアフィルタをさらに備える請求項１３に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。
- 前記多機能流路上に設けられたブロワをさらに備える請求項１２に記載の選択的触媒還元及び触媒再生システム。
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