JP2020079594A - 内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この場合、内燃機関からの排ガスの温度が低いと、脱硝触媒が適正な機能温度に達しないために脱硝触媒による排ガスの脱硝作用が損なわれて、脱硝性能が低下する。また、排ガス中に含まれる水分および硫酸ガス(SO2,SO3)とアンモニアとが反応して、硫酸水素アンモニウム(以下、酸性硫安という)が析出して、その酸性硫安が脱硝触媒などの排ガス経路を構成する機器の表面に付着し、排ガス経路の流路抵抗が増加したり、触媒機能などの機能が低下したりする問題がある。また、脱硝触媒の温度が低い場合には、内燃機関に含まれる可溶性有機成分(以下、SOFとする)が発生する(非特許文献1及び非特許文献2参照)。そして、このSOFが同排ガス中の燃料未燃分、硫黄分などを含む煤,すなわちカーボン微粒子(以下、このようなカーボン微粒子をPM(particulate matter)と総称する)に固着する。この状態では、SOFがバインダとなり、前記PMが触媒表面に付着して触媒機能を低下させることが知られている。
第1実施形態を説明する。
図1に示すように、エンジン11の排ガスレシーバ(図示しない)及び過給器(図示じない)の下流側には、共通排ガス管路(以下、共通管路という)12が接続されている。その共通管路12には、第1排ガス管路(以下、第1管路という)13及び第2排ガス管路(以下、第2管路という)14が分岐状態で接続されている。第1管路13及び第2管路14の下流側は、合流排ガス管路(以下、合流管路という)15に接続されて合流されている。前記共通管路12,第1管路13,第2管路14及び合流管路15により排ガス経路100が構成されている。
加熱ユニット30は、バーナ装置31とミキサ37とを備えている。前記バーナ装置31は、内部に燃焼空間を形成した燃焼室32と、その燃焼室32の上流部に位置するバーナ33とを備えている。バーナ33は、燃料としてのA重油を燃焼室32内において燃焼させる。燃焼室32には燃焼空気供給管路34が接続され、外気がブロワ35によりこの燃焼空気供給管路34を介して燃焼室32に燃焼用空気として供給される。なお、燃焼室32内の燃焼温度は、その燃焼温度の高い領域において1000℃を超える温度となる。ミキサ37は、第2管路14中に介在されるとともに、燃焼室32の開口部に接続され、燃焼室32内の燃焼によって生じた燃焼ガスがこのミキサ37の一次側に供給される。
前記ミキサ37の一次側には混合空気導入管路36が接続され、前記ブロワ35によりこの混合空気導入管路36を介してミキサ37の一次側に外気(空気)が直接導入される。この混合空気導入管路36は、前記燃焼室32の外壁の外側を通るように配置されている。混合空気導入管路36とブロワ35とにより外気導入手段が構成されている。そして、前記燃焼室32からの燃焼ガスと、混合空気導入管路36からの外気とがミキサ37において混合されて、加熱ガスとしてミキサ37の二次側から第2管路14内に供給される。
前記燃焼空気供給管路34及び混合空気導入管路36には、それぞれ同管路34,36を開閉するとともに、同管路34,36の開度を調節するための開度調節バルブ38,39が設けられている。
図2に示す制御装置45は、前記温度センサ41によって検出された温度やあらかじめ設定されたプログラムなどに基づいて、前記各バルブ17〜20,38,39、ポンプ23の各アクチュエータ(図示しない)動作を制御する。なお、この図2においては、後述の他の実施形態におけるセンサ42、バルブ48,53,55,59及びファン52などの電気部品もあわせて図示されている。
エンジン11の運転時において、第1管路13の上流側バルブ17および下流側バルブ18が開放されるとともに、第2管路14の上流側バルブ19および下流側バルブ20が閉鎖された状態においては、エンジン11の排ガスが第1管路13を通って排ガスエコノマイザ16に至る。そして、その排ガスエコノマイザ16において排ガスの排熱が回収されて、外部に排出される。
エンジン11の始動時であって、排ガスの温度が低く、触媒21が前記分解有効温度に達しない場合は、還元反応が充分に行なわれず、窒素酸化物が十分に分解されないおそれがある。このような場合は、触媒21に対する予熱付与動作が実行される。
エンジン11の長期間の運転により、供給ノズル22から触媒21に対して還元剤を長時間にわたって供給すると、析出された酸性硫安などの不純物が触媒21上に少しずつ付着していくことで、触媒21の表面が不純物によって覆われることがある。特に、バーナ装置31を燃焼動作させないで、脱硝操作を行った場合には、不純物の付着により触媒21の脱硝効率が徐々に低下する。従って、このような場合は、以下のように、加熱ユニット30の動作によって触媒21上の不純物を分解させて、触媒21の機能を再生させることができる。
(1)エンジン11の停止時であっても、あるいはエンジン11からの排ガスの温度が低い状態であっても、バーナ装置31を燃焼動作させるとともに、混合空気導入管路36から外気を導入することにより、加熱ガスにより、触媒21の温度を触媒機能が発揮される分解有効温度に昇温できる。従って、排ガス中のNOxを少なくすることができて、排ガスを適切に浄化できる。
次に、本発明の第2実施形態を説明する。この第2実施形態以降の各実施形態及び変更例においては、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図3に示すように、第2管路14において触媒21と下流側バルブ20との間の部分から還流管路51が分岐されている。そして、この還流管路51は、前記混合空気導入管路36における開度調節バルブ38の下流側に接続されている。還流管路51には、図2に示すファン52と開閉バルブ53とが設けられている。
(7)触媒21の下流側のガスの一部を触媒21の上流側の第2管路14内に還流させて、触媒21の昇温用に供することができる。このため、混合空気導入管路36から導入される外気の量を少なくできて、バーナ装置31における燃焼量を少なくできる。従って、触媒21の昇温及び温度維持に要する燃費を少なくできる。
次に、本発明の第3実施形態を説明する。
第3実施形態は、図3に示す前記第2実施形態の構成に対して以下の構成を付加したものである。
(9)加熱ユニット30を燃焼動作させれば、エンジン11の停止及び運転に関わらず、バイパス管路54を介してミキサ37からの高温の加熱ガスが合流管路15に供給される。このため、排ガスエコノマイザ16の伝熱管の外周面に酸性硫安などの不純物が付着したとしても、その不純物を熱分解できる。また、バイパス管路54からの高温の加熱ガスにより、排ガス中のPMに対するSOFの固着を防止することも可能になるので、PMなどによる不純物の排ガスエコノマイザ16上における析出を防ぐことができる。従って、排ガスエコノマイザ16の流路抵抗を低減させるとともに、熱回収機能の低下を有効に防止することも可能になる。
次に、本発明の第4実施形態を説明する。
第4実施形態においては、図1に示す前記第1実施形態の構成に対して以下の構成を加えたものである。
エンジン11の運転時には、排ガスが燃焼室32内に送り込まれて、燃焼室32内においてその排ガスが燃焼作用を受ける。
(11)エンジン11からの排ガスが燃焼室32内に送り込まれ、排ガス中の未燃分を含むPM,SOFやCOが燃焼室32内の先端部,つまり高温領域を通過するため、前記PM,SOF,COなどを適切に熱分解または燃焼させることができる。従って、PMなどの不純物が触媒21や排ガスエコノマイザ16の伝熱管に付着したり、前記不純物やCOなどが大気中に放出されたりすることを有効に抑制できる。
次に、本発明の第5実施形態を説明する。
第5実施形態は、図5に示す第4実施形態の構成に対して以下の構成を付加したものである。
(13)触媒21の部分を通過した酸性硫安、PM、燃料未燃分やSOFなどの不純物の一部が燃焼室32において熱分解または燃焼されるため、排ガスエコノマイザ16に達する酸性硫安やPMなどの量を少なくできて、排ガスエコノマイザ16の効率低下を抑制できる。
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態を説明する。
図7に示すように、第6実施形態においては、図4に示す前記第3実施形態と同様に、ミキサ37からバイパス管路54が分岐され、そのバイパス管路54は合流管路15に接続されている。バイパス管路54には、開閉バルブ55が設けられている。合流管路15には温度センサ42が設けられている。
(15)温度センサ42による温度検出に基づいて、バイパス管路54の開閉バルブ55を開放することにより、排ガスエコノマイザ16の上流側に高温の加熱ガスを供給できて、第3実施形態と同様に、排ガスエコノマイザ16の伝熱管に対する不純物の付着を防止できる。
次に、本発明の第7実施形態を説明する。
第7実施形態は、図6に示す第5実施形態に構成に対して以下の構成を付加したものである。
(17)フィルタ47によってPMなどの不純物を捕捉して、その不純物を分解または燃焼させることができるため、触媒21や排ガスエコノマイザ16に付着する不純物の量を少なくすることができて、触媒21や排ガスエコノマイザ16の効率低下を抑えることができる。
次に、本発明の第8実施形態について説明する。
第8実施形態は、エンジン11が複数設けられたシステムであるとともに、図6に示す前記第5実施形態に対して以下の構成を付加したものである。
そして、加熱ユニット30のミキサ37の二次側に共用室50の一次側が接続され、その共用室50の二次側が接続管路46を介して各エンジンユニット49の第2管路14の上流側バルブ19と触媒21との間の部分に接続されている。共用室50には、還元剤供給用のポンプ23に接続された供給ノズル22が設けられ、共用室50内に還元剤が噴霧される。なお、第2管路14内には供給ノズル22は設けられていない。接続管路46には、図2及び図9に示すように、バルブ48が設けられている。
従って、第8実施形態においては、共用室50内において供給ノズル22から噴霧された還元剤が接続管路46を介して各エンジンユニット49の触媒21に供給される。また、各エンジンユニット49の触媒21の下流側の排ガスの一部が還流管路51を介して燃焼室32に供給される。
(18)複数のエンジンユニット49に対して単一の加熱ユニット30を共用したため、エンジンユニット49が複数であっても、全体の構成をコンパクト化できるとともに、全体構成の複雑化を避けることができる。
次に、本発明の第9実施形態を説明する。
第9実施形態は、図1に示す第1実施形態に対して加熱ユニット30の位置を変更したものである。
(19)排ガスエコノマイザ16の酸性硫安などの不純物をエンジン11が停止中であっても加熱ユニット30からの加熱ガスによって熱分解でき、排ガスエコノマイザ16を高効率状態に維持できる。
次に、本発明の第10実施形態を説明する。
第10実施形態においては、図10に示す第9実施形態の構成に対して以下の構成を付加したものである。
(21)高温のミキシングガスを加熱ガスとして触媒21の上流側に供給して、排ガスとミキシングできるため、エンジン始動時などにおいて、排ガスが低温であっても、触媒21に供給されるガスを昇温でき、触媒21において適切な還元作用を得ることができる。また、さらに加熱ガスをミキサ37から別のミキサ57に送って触媒21を昇温させることにより、触媒21上の酸性硫安などの不純物を分解させることができる。
次に、本発明の第11実施形態を説明する。
図12に示すように、第11実施形態においては、図10に示す第9実施形態の構成に対して、図5に示す第4実施形態の加熱ユニット30を合流管路15に接続したものである。このため、加熱ユニット30のバーナ装置31を燃焼動作させれば、エンジン11の停止中であっても、排ガスエコノマイザ16上の不純物を分解できる。
(22)排ガスに含まれるカーボン微粒子などよりなるPMなどの不純物やCOを燃焼室32内において燃焼させることができるとともに、エンジン11の運転・停止に関わらず排ガスエコノマイザ16上の不純物を分解できる。
次に、本発明の第12実施形態について説明する。
図13に示すように、第12実施形態においては、図12に示す前記第11実施形態の構成に対して、以下の構成を付加したものである。すなわち、第12実施形態においては、第11実施形態の構成に対して、図11に示す第10実施形態と同様に、第2管路14上に別のミキサ57が設けられるとともに、ミキサ37,57間に開閉バルブ59及びファン60を有する分岐管路58が接続されている。
(23)排ガス中のPMなど不純物やCOを燃焼室32において燃焼でき、また、燃焼室32からの燃焼ガスにより、触媒21を再生できるとともに、排ガスエコノマイザ16上の不純物を分解できる。
本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、以下のような態様で具体化することも可能である。
・前記各実施形態においては、上流側バルブ19が第2管路14を開閉する機能と、第2管路14の開度を調節する機能との双方の機能を有する。これに対し、上流側バルブとして、第2管路14を開閉するバルブと、第2管路14の開度を調節するバルブとのそれぞれ単機能のバルブを設けること。
前記各実施形態及び変更例から把握され、請求項に記載されていない技術的思想は以下のとおりである。
(B)前記加熱ユニット30の上流側において、前記排ガス経路100には、その排ガス経路100を開閉するための開閉バルブ19を備えた請求項1及び2、前記技術的思想(A)項のうちのいずれか一項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
以上の構成においては、排ガス経路100に適量の排ガスを流すことができて、加熱ユニット30のバーナ装置31からの燃焼ガスを少なくして、バーナ装置31における燃料消費量を少なくできる。
(F)前記排ガス経路100を前記バーナ装置31の燃焼室32に接続した請求項1及び2、前記技術的思想(A)〜(E)のうちのいずれか一項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(G)前記燃焼室32を円筒状に形成し、バーナ33を前記燃焼室32の一端部に配置するとともに、前記排ガス経路100の内燃機関11側及び触媒21側を前記燃焼室32の他端部においてその燃焼室32の軸線と交差する方向に向かって開口させた前記技術的思想(F)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(H)前記排ガス経路100における脱硝触媒21と前記排熱回収手段16の部分と、前記外気導入手段36との間に還流管路51を設けるとともに、その還流管路51内に排ガス経路100内の排ガスを前記外気導入手段36側に送るためのファン52を設け、還流管路51を前記排ガス管路14の内燃機関側に接続した前記技術的思想(E)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(I)前記ミキサ37と前記排ガス経路100との間に微粒子捕捉フィルタ47が介在された前記技術的思想(A)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(J)前記外気導入手段を構成する混合空気導入路36を前記ミキサ37の一次側に接続するとともに、その混合空気導入路36を前記ミキサ37及び微粒子捕捉フィルタ47の外側を通って前記排ガス経路100に接続した前記技術的思想(I)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(K)複数の排ガス経路100を並設するとともに、前記加熱ユニット30を複数の排ガス経路100で共有化した請求項1または2に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(L)前記加熱ユニット30が前記脱硝触媒21と前記排熱回収手段16との間の排ガス経路に設けられた前記技術的思想(E)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(M)前記排ガス経路100における前記脱硝触媒21の上流側にミキサ57を接続し、前記加熱ユニット30のミキサ37から分岐された分岐路58が脱硝触媒21の上流側のミキサ57に接続された前記技術的思想(L)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(N)前記排ガス経路100を前記バーナ装置31の燃焼室32に接続した前記技術的思想(M)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(O)前記燃焼室32を円筒状に形成し、バーナ33を前記燃焼室32の一端部に配置するとともに、前記排ガス経路100の内燃機関11側及び脱硝触媒21側を前記燃焼室32の他端部においてその燃焼室32の軸線と交差する方向に向かって開口させた前記技術的思想(N)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(P)請求項1または2に記載の内燃機関11の脱硝装置用の加熱ガス発生装置において、前記内燃機関11の運転時において前記バーナ装置31を作動させて、前記脱硝触媒21を予熱または再生させる内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置の運転方法。
Claims (16)
- 内燃機関の排ガス経路に設けられた脱硝触媒と、その脱硝触媒の上流側に設けられ、その脱硝触媒に対して還元剤を供給する還元剤供給手段と、その還元剤供給手段の上流側の前記排ガス経路に対して加熱ガスを送給するためのバーナ装置を含む加熱ユニットと、が備えられた脱硝装置において、
前記加熱ユニットには、排ガス経路内に外気を導入するための外気導入手段が備えられた内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記加熱ユニットは、
前記バーナ装置と、前記外気導入手段と、
前記バーナ装置の下流側にあって、前記バーナ装置から供給される燃焼ガスと前記内燃機関の排ガス経路から排出される内燃機関の排ガスと前記外気導入手段から供給される外気と、が混合されるミキサと、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。 - 内燃機関の排ガス経路に設けられた脱硝触媒と、その脱硝触媒の上流側に設けられ、その脱硝触媒に対して還元剤を供給する還元剤供給手段と、その還元剤供給手段の上流側の前記排ガス経路に対して加熱ガスを送給するためのバーナ装置を含む加熱ユニットと、が備えられた脱硝装置において、
前記バーナ装置の燃焼室には、内燃機関の排ガス経路が接続され、前記燃焼室内に前記排ガス経路から供給される内燃機関の排ガスが供給されること、
を特徴とする内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記燃焼室の一端部にはバーナが配置され、前記燃焼室の他端部には前記内燃機関の排ガス経路が、前記燃焼室の軸線と略直交する方向を指向するように接続されること、
を特徴とする請求項3に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記加熱ユニットには、外気を導入するための外気導入手段が備えられた請求項3または請求項4に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
- 前記加熱ユニットは、
前記バーナ装置と、前記外気導入手段と、
前記バーナ装置の下流側にあって、前記内燃機関の排ガス経路から排出される内燃機関の排ガスが前記バーナ装置の燃焼室に供給されるとともに、前記バーナによって燃焼し加熱された混合ガスと、前記外気導入手段から供給される外気と、が混合されるミキサと、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記外気導入手段から送られる外気は、前記バーナ装置の燃焼室の外壁の外側を通ること、を特徴とする請求項1、2、5および6のうちいずれか一項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
- 前記ミキサの下流であって、還元剤供給手段の上流において、前記ミキサから排出される気体を通過させるフィルタを備えたことを特徴とする請求項2又は請求項6に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
- 前記脱硝装置は、前記内燃機関の排ガス経路とは異なるバイパス排ガス経路と、
前記排ガス経路の上流側と下流側において、前記バイパス排ガス経路と遮断する第1のバルブと、
前記バイパス排ガス経路の上流と下流において、前記排ガス経路と遮断する第2のバルブと、
前記還元剤供給手段上流の内燃機関の排ガス経路に配置された温度センサとを備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記脱硝触媒の下流の排ガス経路から、前記加熱ユニットに排ガスを還流させる排ガス還流管路を備えたことを特徴とする請求項9に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
- 複数内燃機関の複数の排ガス経路を並設するとともに、前記加熱ユニットを複数の排ガス経路を接続することで共有化した請求項1〜10のいずれか一項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
- 請求項9に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置において、
前記内燃機関の運転停止時において前記バーナ装置を作動させて、前記脱硝触媒を予熱または再生させる内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置の運転方法。 - 前記内燃機関の停止時において、前記温度センサからの温度検出に基づいて、前記第1のバルブの上流側及び前記第2のバルブを閉鎖し、前記外気導入手段から外気を導入して前記バーナ装置を作動させて、前記脱硝触媒を予熱または再生させることを特徴とする請求項9に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置の運転方法。
- 前記内燃機関の始動時において、前記温度センサからの温度検出に基づいて、前記第2のバルブを開放するとともに、前記第1のバルブの上流側を中間開度とし、下流側を開放し、前記外気導入手段から外気を導入して前記バーナ装置を作動させて、前記脱硝触媒を予熱または再生させることを特徴とする請求項9に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置の運転方法。
- 前記内燃機関の継続運転において、前記温度センサからの温度検出に基づいて脱硝触媒が分解有効温度に達した場合に、前記第2のバルブを閉鎖し、前記第1のバルブを開放し、前記バーナ装置を休止することを特徴とする請求項9に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置の運転方法。
- 前記内燃機関の停止時において、前記温度センサからの温度検出に基づいて脱硝触媒が排ガスの浄化時の分解有効温度よりも高い温度となるように、前記第1のバルブの上流側及び前記第2のバルブを閉鎖し、前記外気導入手段から外気を導入して前記バーナ装置を作動させて、前記脱硝触媒を予熱または再生させることを特徴とする請求項9に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置の運転方法。
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