JP4435417B2 - 汚染制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
汚染された空気および他のガスは、汚染物質が酸化あるいは分解するような温度に到達する熱処理によって、浄化できる。米国特許４ ２６７ １５２及び米国特許４ ７４１ ６９０は、汚染されたガスが蓄熱式の装置を通過して供給されるプロセスを、言及している。当該蓄熱式の装置においては、ガスの冷却および熱容量（heat content）の回収の直後に、ガスは加熱される。このような方法においては、高温に達するガスの熱処理は、エネルギを多く支出することなく、経済的な方法で実行できる。
【０００２】
入力未処理ガス（raw gas）は、これらの処理において、ガスに対して熱伝達ができる固体材料のマトリックスと接触することによって、連続的に加熱されて高温に達する。固体マトリックスにおいては、温度勾配が存在し、最初にガスは、最高温度に到達するまで加熱される。最高温度を達成した後、ガスは、類似する方法で、連続的に温度が低下している固体マトリックスと接触することによって、冷却される。米国特許４ ２８７ １５２においては、加熱マトリックスおよび冷却マトリックスは、互いに分離しており、加熱および冷却目的のために択一的に使用され、マトリックスを通過するガス流の択一方向に従っている。
【０００３】
米国特許４ ７４１ ６９０においては、ガス流が供給されて通過する単一の連続マトリックスが記載されている。しかしながら、このマトリックスの温度プロファイルは、ガスが通過する場合、最初に最高温度に到達するまで連続的に加熱され、その後、連続的に冷却されるようになっている。
【０００４】
両方の場合において、オペレーションは蓄熱式であり、ガスは択一方向に供給されて装置を通過し、そして、最初に最高温度に到達するまで加熱され、その後、冷却される。使用される最高温度は、目的とする酸化あるいは分解反応が生ずるために必要とされる温度あるいは当該温度以上の温度である。
【０００５】
これらと類似するプロセスおよび装置は、塗装および印刷プロセスにおける換気空気の浄化のために、広範囲に渡って使用されている。また、内燃機関における排気ガスの浄化のために使用することも可能である。これおよび他の場合においては、窒素酸化物は、汚染問題の一部である。
【０００６】
ディーゼルエンジンの場合、排気ガスの窒素酸化物の濃度は、数千ｐｐｍに達する可能性がある。これらの窒素酸化物の良好な削減は、上記方法で熱処理する前に、排気ガスを、アンモニア・尿素あるいはその他のアミン化合物の対応する量と、最初に混合する場合、達成できる。加熱の間において、混合物は、関連する温度ウインドウ（temperature window）を通過する。当該温度ウインドウは、選択的非触媒還元（ＳＮＣＲ：Selective Non Catalytic Reduction）反応のためであり、窒素酸化物およびアミンは、無害な窒素元素に変化する。
【０００７】
したがって、例えば、ディーゼルエンジンの排気ガスは、窒素酸化物が除去され、そして、すす・アルデヒドおよびその他の有機物質が酸化する高い温度になる加熱フェーズ中において、最初に上記プロセスにおいて、浄化することができる。装置のこのようなオペレーションは、ヨーロッパ特許番号ＥＰＣ ６０９ ２８８に、記載されている。
【０００８】
経験上は、窒素酸化物の元の濃度が１０００ｐｐｍ以上の場合、良好な削減が達成でき、窒素酸化物の濃度を数百ｐｐｍまで低下させ得ることを示している。けれども、元の濃度が、例えば、希薄燃焼型の天然ガスエンジンの排気ガスのように、既にこの低い領域にある場合、削減は非常に悪い。
【０００９】
本発明は、この状況を改善し、出力処理済ガスにおける窒素酸化物の濃度を、５０ｐｐｍ以下まで著しく低下させ得る方法を構成する。当該改善は、以前のデザインの熱伝達マトリックスに、触媒活性ゾーンを組み入れることによって、達成される。
【００１０】
発明に係る一実施の形態は、図１に記述され、別の実施の形態は、図２に記述される。両方の図において、符号１は、装置を通過する空気（ガス）の方向を交互に変化（逆転）させるためのバルブ機構であり、符号２および３は、それぞれ、入力未処理ガスおよび出力清浄化ガスのための連絡管（connecting duct）である。符号４および５は、熱伝達マトリックス６を通過する空気（ガス）の分配と収集のためのウインドボックスである。図２に示されるデザインにおいては、このマトリックスは、互いに離間しかつ燃焼室７を囲んでいる２つのパーツ６，６’に分割されており、熱伝達マトリックス（パーツ６，６）は、ウインドボックス４および５へ延長している。両デザインは、加熱のための手段を有しており、図１においては電気ヒータ８の形態であり、図２においてはバーナ９の形態である。また、両デザインは、熱交換マトリックス中に触媒活性ゾーン１０，１１を組み込んでいる。図１のデザインにおいては、温度は、熱交換マトリックス６の中央で高く、トップ部およびボトム部に向かい徐々に低下する。図２のデザインにおいては、温度は、燃焼室７および熱交換マトリックス６，６’の上部において高く、また、熱交換マトリックスのボトム部に向かい徐々に低下する。蓄熱式の熱交換および装置を通過するガス流の方向の規則的な切換えによって、これらの温度パターンは、加熱手段８（図１）および加熱手段８（図２）に過度の熱要求を課すことなく、全般的に維持することが可能である。ガス流の汚染物質の酸化が、十分なエネルギを生成する場合、それらの切換えを完全に停止することも可能である。
【００１１】
オペレーションにおいて、汚染されている未処理ガスは、最初に、選択的窒素酸化物還元剤（reducing agent）として機能することが可能であるアンモニア・尿素あるいは他の化合物と混合される。その後、混合物は、熱交換マトリックスの常温の端部（cold end）に導入され、熱交換マトリックスを通過し、連続的に加熱され、装置の内部すなわち図１におけるマトリックスの高温の中央あるいは図２におけるマトリックス６，６’の最上部と燃焼室７とにおいて達成される酸化あるいは分解温度に、到達する。しかしながら、この高温に到達する前に、混合物は、熱交換マトリックス６，６’の触媒活性ゾーンを通過する。ここでは、窒素酸化物は、還元剤と混合されて反応し、除去される。触媒ゾーンは、この還元および生じる選択的触媒反応（ＳＣＲ）ために好ましい温度条件となるように、熱交換マトリックスに配置される。当該反応は、ＳＮＣＲ反応より実質的に低い温度で起こり、これは、触媒の使用に伴って、ヨーロッパ特許ＥＰＣ ６０９ ２８８に係るオペレーションと比較して、より完全な削減を可能とし、窒素酸化物の濃度のより低いレベルが、獲得できる。窒素酸化物の入口濃度が低い場合、差異は顕著となる。
【００１２】
ＳＣＲ反応の後、ガス混合物は、さらに加熱され、ヨーロッパ特許ＥＰＣ ６０９ ２８８におけるように、還元剤の残余余剰物と同様に他の汚染物質は、高温の内部において分解される。
【００１３】
このように蓄熱式の装置のオペレーションにおいて、装置を通過するガスの方向は、規則的な間隔で逆にされる。特殊な予防措置がとられる場合を除き、ガス流の方向の変化毎に、若干の未処理ガス混合物が、「短絡」つまり出口に運ばれる。そのため、ガス流の方向変更の前に、短時間、還元剤の供給を中断することの利点がある。したがって、還元剤の不必要な放出が避けられる。
【００１４】
本発明の重要な様相は、還元剤の供給が中断された後のかなりの期間、触媒の活性を維持できる点である。したがって、装置の全体的な削減効率は、還元剤の供給の上記中断によっては、不利な影響は受けない。この作用は、明確であり、触媒活性物質の単一のゾーンを有するように装置を変更できる。このゾーンはその後、装置の当該部分がガス流のための入口端部として使用される場合、還元剤の供給によって活性化する。ガス流が逆にされ、活性化ゾーンが装置の出口端部に位置する場合、還元剤の供給は遮断され、窒素酸化物の削減が、高温処理の後、このゾーンにおいて生じる。図３は、単一の触媒活性ゾーン１０を有するデザインを示している。
【００１５】
本発明は、燃焼室を取り囲む単一の熱交換マトリックスあるいは２個の異なるマトリックスを使用する蓄熱式の装置と関連して、上述された。また、共通の燃焼室を取り囲む３個以上の熱交換マトリックスを使用するデザインも、有得る。デザインによっては、同一のマトリックスの異なる部分が異なる方向のガス流を有するように、熱交換マトリックスを通過するガス流の方向が、熱交換マトリックスにおいて徐々にしか変更されない。これは、例えば、固定された入口および出口ポートに対してマトリックスを回転させることよって、あるいは、固定されたマトリックスと共に稼動する回転バルブシステムの使用によって、得られる。これらの異なるデザインの全ては、共に、蓄熱式熱酸化装置（ＲＴＯｓ）と称される。全ての異なるデザインにおいて、熱交換マトリックス材料は、規則的な間隔で逆にされるガス流に曝され、入力ガスは、酸化および分解が生じる高温に到達するまで、連続的に加熱される。本発明は、全てのこれらの場合に適用可能である。図１および図３に示されるデザインは、装置がコンパクトとなり、比較的小さく構成できる利点を有し、内燃機関と共に多様な関連を有して使用される場合における大部分のケースでは、重要な様相である。
【００１６】
触媒活性ゾーンは、少なくとも１個のマトリックスに組み込まれ、還元剤の規則的な供給によって活性化できる。上述のように、この供給は、連続的である必要はない。未処理ガスが、既に還元剤・触媒あるいは触媒の組合せを含むような若干のケースにおいては、未処理ガスに対する上記供給は、必要でない場合も有得る。

Claims (4)

1. 蓄熱式プロセスにおけるガスを、酸化あるいは分解温度まで加熱するために適合されたガス浄化装置であって、
   少なくとも前記酸化あるいは分解温度からなる温度を有する燃焼室、
   窒素酸化物を還元するための還元剤と前記ガスを混合して混合物を形成し、前記燃焼室に供給するための供給手段、および、
   第１部位および第２部位を有する熱交換マトリックスを有し、
   前記第１部位は、前記酸化あるいは分解温度より低い温度を有しかつ窒素酸化物の還元を促進する触媒活性を有する触媒活性ゾーンであり、
   前記第２部位は、前記燃焼室と前記第１部位との間に配置され、中間ゾーンを形成しており、
   前記供給手段は、前記混合物が、前記熱交換マトリックスの常温の端部（cold end）に導入され、前記燃焼室に到達する前に前記触媒活性ゾーンを通過するように構成されている
   ことを特徴とするガス浄化装置。
2. 蓄熱式プロセスにおけるガスを、酸化あるいは分解温度まで加熱するために適合されたガス浄化装置であって、
   中間ゾーンを介して互いに離間している触媒活性ゾーンを有する単一の熱交換マトリックス、
   前記熱交換マトリックスの前記中間ゾーンに配置されかつ前記中間ゾーンを介して前記触媒活性ゾーンから離間しているヒータ、および、
   窒素酸化物を削減するための還元剤と前記ガスを混合して混合物を形成し、前記ヒータに供給するための供給手段を有しており、
   前記ヒータは、少なくとも前記酸化あるいは分解温度からなる温度を有し、
   前記触媒活性ゾーンは、窒素酸化物の還元を促進する触媒活性を有し、前記酸化あるいは分解温度より低い温度を有し、
   前記供給手段は、前記混合物が、前記ヒータに到達する前に前記触媒活性ゾーンの一方を通過するように構成されている
   ことを特徴とするガス浄化装置。
3. 前記還元剤の前記供給は、前記装置を通過するガス流の方向変化の前において中断されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記還元剤の前記供給は、前記ガスが前記酸化あるいは分解温度に到達する前に、前記触媒活性ゾーンを通過する場合にのみ、維持されることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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