JP4499581B2

JP4499581B2 - 排ガス浄化装置および方法

Info

Publication number: JP4499581B2
Application number: JP2005048868A
Authority: JP
Inventors: 博之吉村; 良憲永井
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: JP2006233845A

Description

本発明は排ガス浄化装置および方法に係り、特にディーゼルエンジン（DE）発電運転時に排出される粒子状物質（PM）をディーゼルパティキュレートフィルタ（DPF）によって除去する排ガス処理装置および方法に関する。

ディーゼルエンジンは内燃機関の中で最も効率の高いものの1つであり、一定出力当りの二酸化(CO₂)排出量が低く、また重油などの低質の燃料を使用できるため、経済的にも優れている。このため近年、地球温暖化防止のためエネルギー利用効率の高く、CO₂排出量の低いディーゼルエンジン（DE）を用いた車や定置式の発電設備が見直され、多用される傾向にある。

一方、重質油や軽油を燃料とするディーゼルエンジンは、排ガス中に未燃炭化水素と煤が一体化した粒状物質が多く、公害の元凶になっていることが社会問題になっている。このため、ディーゼルエンジンメーカ及び自動車メーカなど、各方面で粒状物質（PM）の除去に関する研究、開発が進められ、例えば排ガス中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素(NO₂)にして煤を燃焼させ、長期間煤の詰まりを防止できるようにしたPM除去フィルタ（DPF）などに関する研究、発明がなされている（非特許文献１）。

また従来のDE排ガスのPM及びNOxの除去は、前置の酸化触媒やフィルタに酸化触媒を担持して、排ガス中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素(NO₂)にして煤（C）を燃焼させることにより、排ガス中のPMを除去した後、その後流で尿素またはアンモニアを注入（噴霧）して脱硝触媒上で排ガス中のNOやNO₂を窒素（N₂）に還元することにより行われていた。
産業環境管理協会、環境管理 Vol.37、p441-449

上記したDE排ガスのPM除去及びNOx除去技術は次のような問題点を有している。
図５は、ディーゼルエンジン１の単一の排ガス流路にディーゼルパティキュレートフィルタ（DPF）７と脱硝装置５を設置した排ガス処理装置系統図であるが、このような配置では、長時間運転に伴いDPF中に堆積物（灰や煤）が堆積し、差圧が経時的に上昇し易い。図中、３は尿素またはその水溶液の気化器、６は煙突である。

一方、流路切り替え機能を有する、堆積物のパージが可能なDPFと脱硝装置を組み合わた排ガス処理装置においては、定期的なパージモート゛への切り替えによりDPFの差圧上昇は抑えられるが、パージされた、高ばいじんを含む排ガスが脱硝装置を通ることになり、脱硝装置触媒へ堆積物が詰まり易くなる。これを防ぐには脱硝装置触媒の空隙率を大きくしたり、脱硝装置にスートブロアなどを設けるか、またはバイパスを設けて、DPFのパージした高ばいじん排ガスをバイパスする必要がある。しかし、空隙率を大きくすると触媒の体積が大きくなり、装置全体が大型化してしまい、また脱硝装置にスートブロアを設けたり、バイパスを設けて排ガスの流れを切り替えるようにすると、装置が複雑化、大型化し、コストが増大してしまう。
さらにDE停止時にDPFにより生成されたNO₂がDPF後流の脱硝装置触媒上への吸着などにより濃縮され、この濃縮されたNO₂がDE起動時に煙突より高濃度で排出されてしまう。

本発明の課題は、DPFと脱硝装置のDE排ガス処理装置への一体化に伴う上述の問題点を解消し、装置の大型化、複雑化及びコスト増大を生じることなく、DPFと脱硝装置のコンパクトな一体化が可能な排ガス処理装置および方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）排ガス浄化触媒が担持された多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が交互に直交するように積層された成形体であって、該直交する側面の互いに隣接する二つの面が閉止され、前記多孔質平板を介して前記多孔質波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路が形成されるフィルタ装置と、前記閉止された面を開放して該フィルタ装置に堆積した堆積物を排ガスによりパージするためのバイパス流路と、前記フィルタ装置の排ガス流路（フィルタ流路）と前記バイパス流路のいずれかを選択する切替弁を有する排ガス処理装置と、前記フィルタ装置の排ガス流出経路の後流に設けられた排ガス脱硝装置とを有することを特徴とする排ガス浄化装置。

（２）前記脱硝装置は、還元剤として尿素またはその水溶液を気化、分解する気化器を有することを特徴とする（１）記載の装置。
（３）請求項２記載の排ガス浄化装置を用いて排ガスを処理する際に、前記フィルタ装置の排ガス流路とバイパス流路のいずれかを選択する切替弁の切り替えを一定時間毎に行ない、かつこの切り替え時に前記脱硝装置の還元剤の供給量を制御することを特徴とする排ガス浄化方法。
（４）排ガス源の停止時に前記脱硝装置の還元剤供給を先に停止し、次いで一定時間後に前記切替弁をバイパス流路側に切り替えることを特徴とする（３）記載の方法。

本発明によれば、DE排ガス中のPM及びNOの除去のためのDPFと脱硝装置の一体化において、脱硝触媒のピッチを狭く（空隙率を小さく）できることから、脱硝装置のコンパクトが可能になり、一体型処理装置のコンパクト設計が可能となる。またこの装置の運転においては、DE起動時の高濃度のNO₂排出を回避することが可能となる。

図１は、本発明の一実施例を示す排ガス処理装置の説明図、図２は、本発明に用いる排ガス浄化触媒が担持された多孔質波板と多孔質平板を該波板の稜線が直交するように積層させた触媒の基本構造（交差ハニカム）を示す説明図、図３は、本発明に用いる排ガス処理装置の動作を説明する説明図である。図を参照すれば、本発明の装置は、排ガス浄化触媒が担持された多孔質波板８と多孔質平板９の対を基本単位とし（図２）、該多孔質波板８の波板稜線が交互に直交するように積層された成形体であって、該直交する側面の互いに隣接する二つの面が閉止され、図３に示すように前記多孔質平板９を介して前記多孔質波板８との間にそれぞれ排ガスの流入経路ａと流出経路ｂが形成されるフィルタ装置１０と、前記閉止された面を開放して該フィルタ装置１０に堆積した堆積物を排ガスによりパージするためのバイパス流路１１と、前記フィルタ装置１０の排ガス流出経路（フィルタ流路）１２と前記バイパス流路１１のいずれかを選択する切替弁４および７を有する排ガス処理装置と、前記フィルタ装置１０の排ガス流出経路（フィルタ流路）１２の後流に設けられた排ガス脱硝装置５とを有する。

本発明によれば、図１に示すような波板と平板を交互に直交させて積層したフィルタ構造としたことにより、図３のaとｂで示す2種類の流路が形成され、流路a及び流路bの出口にバルブ４および７を設けてこれらのバルブを切り替えることにより、PM除去（フィルタモード）と堆積物吹き出し（パージモード）が可能となる。

一方、排ガス中に含まれるNOが上記多孔質波板および平板に担持した触媒（酸化活性を有する白金などの貴金属触媒）によりNO₂に酸化され、このNO₂により下記1式のように煤がCO₂に酸化されて圧損が経時的に上昇することが防止される。
２NO₂＋C(煤) → CO₂＋２NO （1式）
また、煤を濾過されたガスが排出される流路bにおいても、流路内には前記酸化触媒が存在し、排ガス中のNOをNO₂に酸化する。

本発明においては、上記排ガス処理装置（DPF）１０の後流に尿素やNH₃を還元剤とする脱硝触媒を設けることにより、極めて速度の早い下記2式の反応が脱硝触媒上で優先的に進み、低温から高効率で排ガス中のNOｘを除去することができる。

NO＋NO₂＋2NH₃ → 2N₂＋３H₂O （２式）
上記DPFの流路a（フィルタモード）側の後流に尿素、NH₃等の還元剤注入装置と脱硝装置（これらを脱硝装置と総称する）を設置することにより、DPFのPM除去運転（フィルタモード）において排ガスを流路aを経由させることにより、PMが除去されると共に、NO及びNO₂を含んだ低ばいじんのガスは後流の脱硝装置によって２式に従って効率よく処理される。この時、脱硝装置に入るガスはPMを殆ど含まないので脱硝触媒へのばいじんの詰まりが起きないため、触媒の空隙率を小さくすることが可能になり、脱硝装置をコンパクトに設計することができる。一方、堆積物の排出運転（パージモード）においては、DPFよりパージされた堆積物は脱硝装置を経由することなく、直接排出されるので、メンテナンスも容易になる。

上記装置の運転において、切替弁４、７を用いて一定時間ごとにフィルタモードとバイパスモードに切り替え、この切り替え信号により脱硝装置へ供給する還元剤の量を各モードに応じた最適量に制御することにり、必要な還元剤を最適量脱硝装置に供給することが可能となる。また、DEを停止する時に、還元剤の注入を先に停止し、一定時間フィルタモード運転した後、バイパスモードに切り替えることにより、脱硝装置へのNO₂濃縮を回避することが可能になる。

以下具体例を用いて本発明を詳細に説明する。
[実施例１]
シリカアルミナ繊維の不織布からなる板厚0.2mmの交差コルゲートハニカム（波板ピッチ6.3mm、平板平板間隔2.5mm、ニチアス製、外寸300mm×300mm×300mm）に15%TiO₂ゾル（石原産業製）を含浸後、エアーブローにより液切り、150℃乾燥、ジニトロジアンミン白金溶液(Pt濃度：1.33g/L)を含浸、再度乾燥後600℃で焼成して、Pt担持量0.2g/Lの酸化触媒付DPF用基材を作成した。

このDPF２つでDPF装置（交差ハニカムDPF）１基を構成し、550kWDE発電設備に対して図１に示したように設置し、300℃でPM除去を実施した。また脱硝装置をDPFのフィルタ側ラインの後流に設置し、外部気化器で気化させた尿素を還元剤として脱硝装置前流に噴霧して250℃で脱硝を実施した。脱硝触媒にはTi, W, V系の4mmピッチハニカム触媒（φ300, 300mmL）を用いた。550kWDE発電設備からの総排ガス流量は構成システムやエンジン仕様により異なるが、本実施例では約3000Nm³/hであった。このシステムを用いてフィルタ側ラインの運転を50分間実施した。その後、パージ側ラインを５分間というようにフィルタ側とパージ側を繰り返して運転した。
[実施例２]
実施例１のDPF/SCR装置停止時において、先に尿素注入を停止して5分間フィルタ側ラインを運転後バルブを切り替えてパージ側ラインとした後、DEを停止した。この方法で停止したDEの起動時に煙突より排出されるNO₂の濃度を測定した。

[比較例１]
実施例１と同様に作成したDPF及び脱硝装置を図４に示すように550kWDE発電設備に設置し300℃においてPM除去、250℃において脱硝を実施した。このシステムに於いても実施例１と同様の運転を行った。
[比較例２]
比較例１のDPF/SCR装置停止時において、DPFフィルタ側モードのままDEを停止した。この方法で停止したDEの起動時に煙突より排出されるNO₂の濃度を測定した。

上記実施例及び比較例の運転結果の評価を行った。
実施例１及び比較例１において、運転開始1000時間後の脱硝装置の差圧と脱硝触媒へのばいじんの付着量を比較した。その結果を表１に示す。本結果から明らかなように、比較例１では経時的なばいじんの付着量が大きく、それに伴い差圧上昇が大きくなる。一方で実施例１の場合は脱硝触媒へのばいじんの経時的な付着は殆ど見られず、差圧上昇も殆どなかった。このため、本発明においては脱硝触媒のピッチを狭く（空隙率を小さく）することができ、脱硝装置のコンパクト化が可能であることが分る。

また、実施例２及び比較例２において、DE起動時に排出されるNO₂の濃度を比較した。その結果を表２に示す。本結果から明らかなように、本発明の運転方法により、DE停止時のNO₂濃縮によるDE起動時の高濃度のNO₂排出を回避することが可能になる。

本発明の一実施例を示す排ガス処理装置の説明図。本発明に用いる触媒の基本構造（交差ハニカム）を示す説明図。本発明に用いる排ガス処理装置の動作を説明する説明図。従来の排ガス処理装置（比較例１）の説明図。 DEの単一の排ガス流路にDPFと脱硝装置を設置した排ガス処理装置の系統図。

符号の説明

１．ディーゼル発電機、２．ハニカムDPF、３．気化器、４．切替弁、５．脱硝装置、６．煙突、７．切替弁、８．多孔質波板、９．多孔質平板、１０．交差ハニカムDPF、１１．バイパス流路、１２．フィルタ流路。

Claims

排ガス浄化触媒が担持された多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が交互に直交するように積層された成形体であって、該直交する側面の互いに隣接する二つの面が閉止され、前記多孔質平板を介して前記多孔質波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路が形成されるフィルタ装置と、前記閉止された面を開放して該フィルタ装置に堆積した堆積物を排ガスによりパージするためのバイパス流路と、前記フィルタ装置の排ガス流路（フィルタ流路）と前記バイパス流路のいずれかを選択する切替弁を有する排ガス処理装置と、前記フィルタ装置の排ガス流出経路の後流に設けられた排ガス脱硝装置とを有することを特徴とする排ガス浄化装置。
前記脱硝装置は、還元剤として尿素またはその水溶液を気化、分解する気化器を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
請求項２記載の排ガス浄化装置を用いて排ガスを処理する際に、前記フィルタ装置の排ガス流路とバイパス流路のいずれかを選択する切替弁の切り替えを一定時間毎に行ない、かつこの切り替え時に前記脱硝装置の還元剤の供給量を制御することを特徴とする排ガス浄化方法。
排ガス源の停止時に前記脱硝装置の還元剤供給を先に停止し、次いで一定時間後に前記切替弁をバイパス流路側に切り替えることを特徴とする請求項３記載の方法。