JP3162674U - 薬液噴霧注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼装置の形式やノズル本体の設置箇所を問わず専用の冷却液循環系統を設ける必要がなく、小型のノズル本体等についても適切に冷却することができる薬液噴霧注入装置を提供する。【解決手段】 薬液噴霧注入装置１は、燃焼排ガス中の窒素酸化物を浄化するための薬液をノズル本体３によって当該燃焼排ガス中に噴霧注入するものである。上記ノズル本体３を、それを冷却するための冷却アダプタ４の内側にはめ込み、当該冷却アダプタ４を、上記薬液にて冷却できるよう、内部に流通経路を形成して当該流通経路に上記薬液の供給手段８を接続した。【選択図】 図１

Description

本考案は、窒素酸化物を浄化する目的で高温燃焼排ガス中に薬液を噴霧注入する薬液噴霧注入装置に関するものである。

ガスタービンやエンジン等を含む各種の燃焼装置においては、排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物の浄化を、当該排ガス中に薬液を注入することにより行うことがある。たとえば、燃焼装置から触媒反応器へつながる排ガス流路内に、排ガスにより加熱されてアンモニアガスを発生する薬液を噴霧する。発生したアンモニアが、触媒反応器において窒素酸化物を還元させるのである。このような薬液としては、一般に尿素水またはアンモニア水が使われている。

燃焼排ガス中への上記薬液の噴霧は、排ガス流路の壁面に取り付けるノズル（スプレーガン）によって行うことから、ノズル本体（噴孔や弁を含む部分）の過熱に注意する必要がある。ノズル本体の温度が過剰に上昇すると、噴孔付近が変形したり不純物等の付着を生じたりして、安定的な薬液噴霧が継続されなくなるからである。

ノズル本体が過熱されないようにした手段として、特許文献１に記載の尿素水噴射弁がある。当該噴射弁は車載ディーゼルエンジンの排気浄化に使用されるもので、外側に、エンジンの冷却液を内部循環させる構成の冷却手段を備えている。エンジンの冷却液とは、燃焼室を内部に形成するシリンダブロック等を冷却するためのもので、冷却手段は、それを循環させる密閉型流路の壁面を介してノズル本体を冷却する。

特開２００９−２５０１６１号公報

特許文献１に記載の尿素水噴射弁は、ノズル本体の外周に冷却手段を備えるものであるため、ノズル本体の過熱が効果的に防止される。しかし、その冷却手段の内部に循環させる冷却液として、上記したようにエンジンの冷却液が用いられることから、常に好ましい状態でノズル本体を冷却できるとは限らない。つまり、たとえば燃焼装置が冷却液循環経路を有するエンジン等ではない場合や、ノズル本体の設置箇所の近傍に冷却液の循環経路が存在しない場合には、エンジン冷却液と同等の冷却液の循環系統を新たに付設する必要があり、設備コストの増加を招く。また、エンジンの冷却液は、シリンダブロック等の冷却液流路から発生するスケールなど不純物を多く含むため、一般的には小型であるノズル本体を流路のせまい冷却手段によって冷却するには適していない。ノズル本体の表面に直接冷却液を流すのではなく、冷却液と接する冷却手段の壁面を介してノズル本体を冷却するにもかかわらず、エンジンの冷却液は、高負荷運転時にシリンダブロック等で１００℃近くまで加熱されるため、ノズル本体を十分には冷却しがたい場合も考えられる。

本考案は、これらの課題を解決するためになされたもので、燃焼装置の形式やノズル本体の設置箇所を問わず専用の冷却液循環系統を設ける必要がなく、小型のノズル本体等についても適切に冷却することができる薬液噴霧注入装置を提供することを目的とする。

考案による薬液噴霧注入装置は、燃焼排ガス中の窒素酸化物を浄化するための薬液をノズル本体によって当該燃焼排ガス中に噴霧注入するもので、上記ノズル本体を、それを冷却するための冷却アダプタの内側にはめ込み、当該冷却アダプタを、上記薬液にて冷却できるよう、内部に流通経路を形成して当該流通経路に上記薬液の供給手段を接続したことを特徴とする。

この薬液噴霧注入装置では、燃焼排ガス中に噴霧注入するものと同じ薬液を冷却アダプタ内に流通させ、もって、その冷却アダプタの内側にはめ込んだノズル本体を冷却する。そのため、エンジンの冷却液を用いる特許文献１の装置とは異なり、以下のような利点がある。すなわち、
a) 燃焼装置が冷却液循環経路を有しない場合や、ノズル本体の設置箇所近傍に冷却液の循環経路が存在しない場合にも、専ら冷却のみに使用する液を供給することなくノズルの冷却を行うことができる。燃焼排ガス中に噴霧注入するのと同じ薬液を冷却アダプタ内に流通させるので、別の新たな液体の供給系統を新設する必要がない。
b) 噴霧注入用の薬液はエンジンのシリンダブロック等の流路を経由することがないため、不純物の混入を抑制しやすい。また、噴孔の詰まりを防止するため薬液の不純物は少なくされるのが一般である。したがって、上記冷却アダプタが小型のものであって流通経路が隘路を含む場合にも、考案によると、その液を円滑に流通させてノズル本体を安定的に冷却できる。
c) 上記薬液は、エンジンの冷却液とは違ってノズル本体付近以外の部分（エンジン）で加熱されることがない。そのため、安定した低温度の状態で冷却アダプタ内に供給し、ノズル本体を適切に冷却することができる。
こうしてノズル本体を冷却できると、高温の燃焼排ガスによって過剰に加熱されることがないので、ノズルが劣化（変形や損傷）したり、残液が蒸発後に残渣が析出してノズルが閉塞したりすること等が防止される。また、特別な高温対応仕様でない汎用のノズルを用いて、薬液の噴射状態が安定した好ましい噴霧注入を行うことが可能になる。つまり、常温雰囲気で塗装・調湿・洗浄・冷却等に使用されているスプレーガン形式等のノズルを使用でき、さらにコスト負担を抑えることができる。

考案の装置において上記薬液の上記供給手段は、タンクと送液ポンプと放熱部分（自然放熱をする管路や、強制冷却または熱交換等をする部分）とを含むものとし、当該供給手段の一組を、上記冷却アダプタの流入口および流出口に接続するとともに、上記ノズル本体の給液口に接続するようにすると好ましい。上記冷却アダプタに流通させる薬液と、上記ノズル本体から燃焼排ガス中に噴霧注入する薬液とを、上記した一組の薬液供給手段から供給するわけである。

このようにすると、まず、一組のみの薬液供給手段によってノズル本体と冷却アダプタとに薬液を供給するため、コンパクトで低コストの装置とすることができる。また、冷却アダプタで熱を吸収して上記流出口から出る薬液が、薬液供給手段の放熱部分で冷却されて上記流入口から再び冷却アダプタ内に入るので、連続運転を行っても冷却アダプタの冷却効果が低下しない。その放熱した薬液は、噴霧注入するためにノズル本体にも供給するので、ノズル本体は、外側の冷却アダプタからも、自身の内部（噴霧液）からも冷却されることになり、効率よく冷却される。

考案の装置では、上記ノズル本体がはめ込まれた冷却アダプタを、その外側に断熱材を介して取付け用ケーシングに組み込み、当該取付け用ケーシングを、燃焼排ガスの流路に設けられた台座に対して着脱可能に固定されるよう構成すると、とくに好ましい。

そのようにすると、ノズル本体を、さらに熱影響が少なくメンテナンスも容易な状態で使用することが可能になる。すなわち、冷却アダプタを上記のように断熱材を介して取付け用ケーシングに組み込むと、当該断熱材によって、燃焼排ガスの熱による冷却アダプタやノズル本体の温度上昇がさらに効果的に抑制される。また、ノズル本体や冷却アダプタ等を、上記のとおり取付け用ケーシングに一体的に組み込んだうえ、そのケーシングを排ガス流路の台座に固定することによって排ガス流路に取り付けるため、当該ケーシングごと簡単に取り外したり交換したりすることができ、もってノズル本体等のメンテナンスが容易に行える。そのような特徴から、上記の装置は、好ましい状態で長期間使用することが可能になる。

考案の装置は、上記ノズル本体を、弁座と接する弁体の先端が半球形や円錐形となる弁（以下、ニードル弁と称す）とその開閉用電磁コイルとを有するものとし、当該電磁コイルを、パルス幅変調式のコントローラに接続することとするのが、とくに好ましい。

ノズル本体としてニードル弁を有するものは、薬液噴霧を停止したときのノズル内の残液が少ないため、残液パージのための設備や手間が不要になり、設備コストや運転コストを低減できる。また、ノズル本体の開閉を、電磁コイルを介するパルス幅変調方式で制御すると、送液ポンプの圧力が一定であっても薬液の噴霧量や噴霧状態（液滴径や噴霧角度等）を適切にコントロールすることができる。そのため、上記のようにした装置では、薬液を安定的かつ正確に噴霧注入することが可能である。

ノズル本体として、噴霧用媒体を使用しない一流体型のものを使用すると、さらに好ましい。

そのようにすると、圧縮空気等の噴霧用媒体を使用しないため同媒体の不純物除去が不要となり、除去のための設備や手間を省略できるため、コスト面でさらに有利である。

考案の薬液噴霧注入装置は、冷却アダプタによってノズル本体を冷却するため、高温環境で使用されるにもかかわらず、高温対応仕様でない汎用のノズルによっても薬液の安定した好ましい噴霧注入を行える。当該冷却アダプタを薬液にて冷却することから、燃焼装置の形式やノズル本体の設置箇所を問わず、専用の冷却液循環系統を新設する必要がないうえ、小型のノズル本体等についても適切かつ十分に冷却することができる。一組のみの薬液供給手段によってノズル本体と冷却アダプタとに薬液を供給するようにできるため、コンパクトで低コストの装置とすることも可能である。

考案の一実施形態である薬液噴霧注入装置１を模式的に示す断面図である。 薬液噴霧注入装置１を燃焼装置２の排ガス流路２１に設置した状態を示す概念図である。

以下、考案の実施例にあたる薬液噴霧注入装置１を図１・図２に基づき説明する。
薬液噴霧注入装置１は、たとえば図２のように、燃焼装置２の排ガス流路２１に取り付けて使用する。排ガス流路２１は、一般的には金属製のダクトで形成されるが、ダクトの外部または内部に保温材（断熱材）を有する場合もある。外部保温の場合にはダクトケーシングで囲まれた部分が排ガス流路となり、内部保温の場合には、ダクトケーシング内のシュラウド（保温外装板）で囲まれた部分が排ガス流路となる。そのような排ガス流路２１において、高温の燃焼排ガス中に薬液噴霧注入装置１により薬液（この例では尿素水。アンモニア水でもよい）を噴霧注入する。薬液噴霧注入装置１の下流側には触媒反応器２２を設け、噴霧した尿素水が排ガスで加熱されることにより生成されるアンモニアガスと、その反応器２２における触媒とによって窒素酸化物を浄化する。そのうえで、排ガスは排気塔２３から大気中に排出する。

図１に示すとおり、薬液噴霧注入装置１は、尿素水を噴霧するノズル本体３と、ノズル本体３がはめ込まれる冷却アダプタ４、その外側に設けられた断熱材５、およびそれらを収容する取付け用ケーシング６などから構成している。

ノズル本体３としては、噴孔を有する先端のノズルチップ３ａと、ノズルチップ３ａへの薬液供給路（図示せず）を開閉するニードル弁３ｂと、ニードル弁３ｂを動作させる電磁コイル３ｃとを有する一流体型のスプレーガンを使用する。電磁コイル３ｃにはパルス幅変調方式のコントローラ７を接続していて、ニードル弁３ｂのパルス信号の噴霧時間と停止時間の割合を調節することにより、ノズルチップ３ａからの尿素水の噴霧量を、一定の液圧の下で正確に調節する。

ノズル本体３をはめ込む冷却アダプタ４は、ノズル本体３のうちノズルチップ３ａおよびニードル弁３ｂの外周面に密着する筒状部４ａと、筒状部４ａの先端側と一体に形成された、筒状部４ａの軸方向に対して直交する面を有する環状部４ｂとで形成している。この冷却アダプタ４には、薬液の流入口４１と流出口４２とを設け、上記の筒状部４ａおよび環状部４ｂの内部に、流入口４１から流出口４２に向けて流れる薬液循環路（図示せず）を形成している。

ノズル本体３と冷却アダプタ４への尿素水の供給は、図２のように、共通する１組の薬液供給手段８によって行うこととしている。薬液供給手段８は、タンク８ａと送液ポンプ８ｂとそれらをつなぐ管路９とを含むものである。管路９のうち、タンク８ａから尿素水を送り出す側の部分である管路９ａに送液ポンプ８ｂを設け、その先を、ノズル本体３の給液口に向かう管路９ｂと、冷却アダプタ４の流入口４１に向かう管路９ｃとに分岐させている。冷却アダプタ４の流出口４２とタンク８ａの間を管路９ｄで接続し、冷却アダプタ４から出た尿素水を循環させる構成にしている。冷却アダプタ４で排ガスの熱を吸収した尿素水は、管路９ｄからタンク８ａを経由し、管路９ａから再び冷却アダプタに流入する。その間、タンク８ａや管路９の各部の壁面を介して尿素水は大気に自然放熱するが、放熱効率を高めるために管路９の一部の外周にフィンを形成するのもよい。

薬液噴霧注入装置１では、タンク８ａから送液ポンプ８ｂを経てノズル本体３へ送る尿素水を排ガス流路２１内に噴霧注入する一方、同じタンク８ａから送液ポンプ８ｂにより冷却アダプタ４へ送る尿素水を、流入口４１からその内部の循環路に流したうえ流出口４２から管路９ｄを通してタンク８ａへと戻す。冷却アダプタ４内を流通した尿素水は、ノズル本体３を冷却することによって加熱されているが、管路９ｄ等を通る間に放熱され温度が下がった状態でタンク８ａに戻る。冷却アダプタ４に流通させる尿素水も、噴霧のためにノズル本体３に供給する尿素水も、上記のようにして温度上昇が抑制されたものであるため、ノズル本体３は、二つの経路で供給される尿素水によって効果的に冷却されることになる。

ノズル本体３や冷却アダプタ４は、図１に示す態様で排ガス流路２１に取り付けることとしている。すなわち、
1) まずノズル本体３を冷却アダプタ４の内側にはめ込む。ノズル本体３の外周面が冷却アダプタ４の内周面にできるだけ密着するように両者の寸法を設定するのがよい。冷却アダプタ４を二つの円弧片に分けた接合式のものにしたり、ノズル本体３と冷却アダプタ４との間に高熱伝導性の粉末（アルミ粉末等）を充填したりするのもよい。
2) 冷却アダプタ４は、燃焼排ガスからの輻射熱や熱伝導を遮る断熱材５を外側に配置して、取付け用ケーシング６の内側に組み込む。断熱材５には、冷却アダプタ４の筒状部４ａの外周においてノズル本体３の全長を囲む筒状部５ａと、冷却アダプタ４の環状部４ｂの前面（排ガス流路２１側）を覆う環状部５ｂとを含めている。取付け用ケーシングは、断熱材５の筒状部５ａを囲む筒状部６ａと、環状部５ｂの前面を覆う環状部６ｂとのほかに、筒状部６ａの他端の外側に延びるフランジ６ｃを一体に形成したものである。冷却アダプタ４と断熱材５と取付け用ケーシング６のそれぞれの環状部４ｂ・５ｂ・６ｂを、ボルトによって連結固定する。
3) 排ガス流路２１のダクトには、尿素水の噴霧注入口の周囲に筒状の台座２４を設けておき、ノズル本体３や冷却アダプタ４等を組み込んだ取付け用ケーシング６のフランジ６ｃを、当該台座２４の先端の取り付け面にボルトにて固定する。
以上のようにすると、ノズル本体３と冷却アダプタ４とは、取付け用ケーシング６に組み込んだ形で排ガス流路２１に容易に取り付けることができる。ノズル本体３や冷却アダプタ４をメンテナンスする際にも、取付け用ケーシング６とともに排ガス流路２１から取り外すことが容易である。

図２の燃焼装置２が運転されるとき、薬液噴霧注入装置１はつぎのように機能させる。
1) 燃焼装置２が起動される前に送液ポンプ８ｂを起動し、冷却アダプタ４内に尿素水を流通させる。コントローラ７によってノズル本体３の弁３ｂは閉じておくので、尿素水はこの段階では噴霧されず、送液ポンプ８ｂから冷却アダプタ４内を流通して再びタンク８ａ内に戻るように流れる。
2) 上記のように冷却アダプタ４に尿素水を循環させている状態で、燃焼装置２を起動する。排ガス流路２１内に高温の燃焼排ガスが流れ出す前からノズル本体３が連続的に冷却されているので、ノズル本体３が過熱状態になる恐れがない。
3) 燃焼装置２を起動すると、できるだけ早いうちにノズル本体３による尿素水の噴霧注入を開始する。すなわち、ノズル本体３のニードル弁３ｂの開閉をコントローラ７によりパルス幅変調方式で制御することにより、薬液供給手段８からの尿素水をノズル本体３に供給し、排ガス中に噴霧注入する。これにより、燃焼排ガス中の窒素酸化物を浄化するとともに、ノズル本体３を尿素水で直接的にも冷却してその過熱を防止する。ノズル本体３による噴霧量は、コントローラ７による上記の制御により、排ガス流量等に応じた適切なものに調節される。

１ 薬液噴霧注入装置
２ 燃焼装置
３ ノズル本体
３ａ ノズルチップ
３ｂ ニードル弁
３ｃ 電磁コイル
４ 冷却アダプタ
５ 断熱材
６ 取付け用ケーシング
７ コントローラ
８ 薬液供給手段
８ａ タンク
８ｂ 送液ポンプ
９ 管路
２１ 排ガス流路
２２ 触媒反応器
２４ 台座

Claims (5)

1. 燃焼排ガス中の窒素酸化物を浄化するための薬液をノズル本体によって当該燃焼排ガス中に噴霧注入する薬液噴霧注入装置であって、
   上記ノズル本体が、それを冷却するための冷却アダプタの内側にはめ込まれていて、当該冷却アダプタが、上記薬液にて冷却されるよう、内部に流通経路を有し当該流通経路に上記薬液の供給手段が接続されていることを特徴とする薬液噴霧注入装置。
2. 上記薬液の上記供給手段は、タンクと送液ポンプと放熱部分とを含むもので、当該供給手段の一組が、上記冷却アダプタの流入口および流出口に接続されているとともに、上記ノズル本体の給液口に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の薬液噴霧注入装置。
3. 上記ノズル本体がはめ込まれた冷却アダプタが、その外側に断熱材を介して取付け用ケーシングに組み込まれていて、当該取付け用ケーシングが、燃焼排ガスの流路に設けられた台座に対して着脱可能に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の薬液噴霧注入装置。
4. 上記ノズル本体がニードル弁とその開閉用電磁コイルとを有していて、当該電磁コイルが、パルス幅変調式のコントローラに接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薬液噴霧注入装置。
5. ノズル本体が、噴霧用媒体を使用しない一流体型のものであることを特徴とする請求項４に記載の薬液噴霧注入装置。

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