JP4767909B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関あるいはガスタービン機関等の内燃機関又は焼却炉やボイラ等の燃焼機器の排気ガスを浄化する装置に関し、特に排気通路内に設置されて主として窒素酸化物と一酸化炭素等の未燃成分を除去する排気ガス浄化装置に関する。

排気ガス浄化の対象となる物質は、窒素酸化物、一酸化炭素、未燃炭化水素及びすす等粒子状物質であるが、これらの物質を浄化する装置については、従来各種開発されている。

窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するための装置としてはアンモニアや尿素を還元剤として用いた還元触媒を排気通路中に設置し、窒素酸化物を選択的に還元する脱硝装置等が実用化されている。また、比較的小型のガス機関や自動車用ガソリン機関では、窒素酸化物、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃炭化水素（ＨＣ）の三者を同時に分解できる三元触媒が開発されており、排気ガスの効果的な浄化に寄与している。

しかし、前記三元触媒は、理論空燃比又はそれに近い範囲内で運転されている時には有効に浄化作用を発揮するが、それ以外の条件下、特に空気（酸素）過剰な排気ガス中では有効に作用しないことが判明している。これに対処するため、空気過剰状態で運転されるガス又はガソリン機関においては、前記空気（酸素）過剰条件での運転時に一時的に窒素酸化物を吸蔵材に吸蔵しておき、次に燃料過剰条件で運転することにより、前記吸蔵した窒素酸化物を放出・還元する窒素酸化物吸蔵触媒方式が実用化されている。

しかし、窒素酸化物吸蔵触媒方式は、燃料中の硫黄成分に由来する排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）によって触媒が被毒し、窒素酸化物の浄化能力が急激に減少することが判明しており、そのため低硫黄含有燃料を使用する機関においてのみ使用されているのが現状である。なお、窒素酸化物浄化塔内において吸蔵材により窒素酸化物を吸蔵し、同じ窒素酸化物浄化塔内において燃焼することにより、吸蔵材に吸着されている窒素酸化物を還元すると共に硫黄酸化物等を放出する構成の浄化装置（特許文献１）も開発されているが、吸蔵材を内蔵する浄化塔内で燃焼する構成のため、現実的に吸蔵材の耐久性が問題となる。

また、すす等の粒子状物質の除去には、電気集塵器やＤＰＦが実用化されている。該ＤＰＦは、フィルターにより粒子状物質を物理的に捕獲し、電気ヒータ等により、前記捕獲した粒子状物質を焼却除去するようになっているが、最近では、酸化作用のある触媒成分を微粒子フィルターに担持させ、粒子状物質を連続的に除去できるＤＰＦも開発されている。

前記三元触媒では、既に説明しているように、空気過剰条件で運転される内燃機関や燃焼機器では触媒機能を発揮させることができず、また、小型のガス機関や自動車用ガソリン機関で実用化されている前記窒素酸化物吸蔵触媒方式では、硫黄酸化物や粒子状物質が含まれる排気中では、その浄化能力を効果的に発揮させることは困難である。

産業用内燃機関や燃焼機器及び船舶用内燃機関では、空気過剰条件で運転されているものが殆どであり、また、硫黄成分が含まれる燃料を使用していることから、排気ガス中には硫黄酸化物や粒子状物質が多く含まれており、そのような排気ガス中でも、性能が十分に発揮できる排気ガス浄化装置が要望されている。

なお、アンモニアや尿素等を用いて窒素酸化物を選択的に還元する脱硝装置は、比較的大型の産業用内燃機関や燃焼機器に適用されているが、装置自体が大掛かりで非常に高価なものであり、また、還元剤のアンモニアや尿素の維持費も高くなる。さらに、消費されないアンモニアが大気中に放出される可能性も大きい。

本件出願人は、前記各従来例の課題に鑑み、排気ガス中の窒素酸化物、すす等の粒子状物質、一酸化炭素及び未燃炭化水素を除去でき、しかもその浄化能力を低下させることなく維持できる排気ガス浄化装置を開発し、出願している（特許文献２）。該特許文献２に開示されている排気ガス浄化装置では、吸着運転時に排気通路から排出される排気ガス並びに脱離運転時に排気通路から排出される燃焼ガスを、大気に放出したり、内燃機関等の吸気通路に供給したりしている。
特開２００３−２７９２７号公報 特開２００６−１１２３１３号公報

前記特許文献２等の排気ガス浄化装置において、窒素酸化物吸着材の吸着性能及び脱離性能は、温度によって変化する。すなわち、許容吸着量は、所定の最適温度において最大となり、温度が前記最適温度より低下しても、上昇しても、許容吸着量は減少する。また、窒素酸化物吸着材の窒素酸化物脱離性能は、温度の上昇に伴って向上し、温度の低下に伴って低下する。

具体的に説明すると、内燃機関の低負荷運転時には、排気ガスの温度が下がり、窒素酸化物吸着材の前記最適温度よりも低くなるので、窒素酸化物吸着材の許容吸着量が低下し、吸着性能が低下する。

本発明は、前記特許文献２等に開示された排気ガス浄化装置を改良したものであり、吸着運転時並びに脱離運転時に、排気ガス又は燃焼ガスを、窒素酸化物吸着材の保温媒体あるいは昇温媒体として有効に利用できるようにすることにより、窒素酸化物吸着材の吸着性能及び脱離性能を向上させることを目的としている。

前記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、内燃機関又は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄化装置であって、窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を昇温又は還元雰囲気で脱離する窒素酸化物吸着材と、該窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、排気ガスを昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段と、前記窒素酸化物吸着材より排気下流側に配置され、燃料供給部、空気供給部及び着火部を有する燃焼装置と、を備えている排気ガス浄化装置において、排気通路は、内燃機関又は燃焼機器に接続された内側排気管内に形成された上流側排気通路と、前記内側排気管の外周壁面と外側排気管の内周壁面との間で形成されると共に前記上流側排気通路の下流端部に連通する断面環状の下流側排気通路と、を有しており、前記上流側排気通路内に、前記窒素酸化物吸着材及び吸着物質脱離手段を配置し、前記下流側排気通路の上流側端部であって前記上流側排気通路の下流側端部に対向する位置に前記燃焼装置を配置してある。

上記構成において、内燃機関等の通常運転中は吸着物質脱離手段及び燃焼装置は停止しており、内燃機関等から上流側排気通路に排出される排気ガス中の窒素酸化物は、窒素酸化物吸着材に吸着される。窒素酸化物が吸着された後の排気ガスは、停止中の燃焼装置を通って下流側排気通路内に入り、窒素酸化物吸着材が位置する上流側排気通路の部位の外周壁面に至り、窒素酸化物吸着材を保温する。これにより、ＮＯｘ吸着量の低下を抑制することができる。なお、排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素等の未燃分は、窒素酸化物吸着材に含まれている酸化作用を有する触媒により酸化され、無害化される。

窒素酸化物吸着材の吸着量が所定量（たとえば飽和量）に達すると、吸着物質脱離手段及び燃焼装置を作動させ、吸着物質脱離手段で昇温及び還元雰囲気にした排気ガス或いは燃焼ガスを、窒素酸化物吸着材に流入し、該窒素酸化物吸着材内から窒素酸化物を脱離させる。脱離した窒素酸化物は、たとえば窒素酸化物吸着材の触媒成分により、吸着物質脱離手段によって生成された還元雰囲気において還元除去され、あるいは、燃焼装置の燃焼火炎内での燃料過濃燃焼領域で還元除去される。そして、燃焼装置で燃焼し、昇温した燃焼ガスは、下流側排気通路を通って、窒素酸化物吸着材が位置する上流側排気通路の部位の外周壁面に至り、窒素酸化物吸着材と熱交換し、窒素酸化物吸着材を昇温する。これにより、窒素酸化物の脱離効率が向上し、窒素酸化物の低減率及び窒素酸化物再生時のエネルギー消費率が向上する。

また、上記構成によると、窒素酸化物吸着材全体を、外周側から略均等に保温し、あるいは昇温することができ、窒素酸化物吸着材の吸着性能及び脱離性能を、より向上させることができる。また、排気ガス浄化装置の大型化を防ぐことができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物吸着材が位置する内側排気管の外周壁面には、前記下流側排気通路内に露出する熱交換フィンが設けられている。

上記構成によると、排気ガス等と窒素酸化物吸着材との間の熱伝達性が向上し、窒素酸化物吸着材の保温又は昇温効果が向上する。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の排気ガス浄化装置において、前記下流側排気通路内には、該下流側排気通路内を流れる排気ガスを旋回させる旋回流形成羽根が配置されている。

上記構成によると、環状断面の下流側排気通路で排気ガスを旋回させ、流れの分布を均一にすることで、窒素酸化物吸着材の全体をより効率よく、かつ、略均等に保温又は昇温することができる。特に、内燃機関の低負荷運転時には、排気ガス量が減少するが、上記のように排気ガスを下流側配意通路内で旋回させることにより、少量の排気ガスの熱量を、無駄なく、効率的に昇温等に利用することができる。

[発明の第１の実施の形態]
図１は、本発明による排気ガス浄化装置の第１の実施の形態であり、排気ガス浄化装置は、内燃機関１又は燃焼機器の排気通路に備えられている。内燃機関１としては、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関又はガスタービン機関などがあり、燃焼機器としては産業用ボイラ等がある。

排気通路の外殻構造は、内側排気管２と、該内側排気管２の外周壁面を、環状空間を介して取り囲む外側排気管３と、延長排気管４等と、から構成されている。内側排気管２の排気上流端部が内燃機関１の排気口部に接続され、内側排気管２の排気下流端部に外側排気管３の排気上流端部が接続され、外側排気管３の排気下流端部に延長排気管４が接続されている。

排気通路としては、前記内側排気管２内に形成された上流側排気通路５と、前記内側排気管２の外周壁面と前記外側排気管３の内周壁面との間で形成されると共に上流側排気通路５の下流端部に連通する断面環状の下流側排気通路６と、延長排気管４内に形成されると共に前記下流側排気通路６の排気下流端部に連通する延長排気通路７と、を備えている。

上流側排気通路５内には、窒素酸化物吸着材（以下「ＮＯｘ吸着材」と称する）１０が配置されると共に、該ＮＯｘ吸着材１０より排気上流側に吸着物質脱離手段１１が配置されている。下流側排気通路６の排気上流端部６ａには、上流側排気通路５の排気下流端部に対向する位置に燃焼装置１２が配置されている。

図２は図１のII-II断面拡大図であり、断面円形の内側排気管２と断面円形の外側排気管３との二重管構造を明確に示している。

（ＮＯｘ吸着材１０の構成）
図１において、ＮＯｘ吸着材１０は、特に空気過剰雰囲気においても効率良く窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」と称する）を吸着することができ、かつ、所定温度に昇温した時あるいは還元雰囲気においては前記吸着したＮＯｘを脱離する性質を有している。該実施の形態では、ＮＯｘ吸着材１０は酸化作用を有する触媒を含み、一酸化炭素（以下「ＣＯ」と称する）や炭化水素（以下「ＨＣ」と称する）等の未燃成分を酸化すると共に、窒素酸化物吸着材４自体の形状が、粒子状物質を捕獲するのに適した形状となっている。

ＮＯｘ吸着材１０には、ＮＯｘ吸着量が所定量（たとえば飽和量又は飽和量より少ない量）まで達したことを検出して、ＥＣＵ２３に検出信号を送るＮＯｘ吸着量検出センサー２９が設けられている。

（燃焼装置１２の構成）
図１において、燃焼装置１２は、燃料供給部としての燃料ノズル１６と、着火部としての点火装置１７と、空気供給部１５と、を備えている。燃料ノズル１６は燃料調量装置２０を介して燃料タンク２１に接続し、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称する）２３により、燃料の供給量及び供給時期が制御されるようになっている。空気供給部１５は空気調量装置２５を介して空気供給源２６に接続し、空気調量装置２５はＥＣＵ２３により空気の供給及び停止並びにその供給量が制御されるようになっている。

（吸着物質脱離手段１１の構成）
図１において、吸着物質脱離手段１１は、吸着物質脱離用燃料ノズル（バーナー）３１と、吸着物質脱離用点火装置３２と、空気供給部３３と、を備えている。燃料ノズル３１は燃料調量装置２０を介して燃料タンク２１に接続し、ＥＣＵ２３により、燃料の供給量及び供給時期が制御されるようになっている。空気供給部３３は空気調量装置２５を介して空気供給源２６に接続し、空気調量装置２５はＥＣＵ２３により空気の供給及び停止並びにその供給量が制御されるようになっている。

（作用）
（１）内燃機関１等の通常運転中は、吸着物質脱離手段１１及び燃焼装置１２は停止している。内燃機関１等から排出される排気ガスは、まず、上流側排気通路５内に流入し、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸着材１０に吸着される。ＮＯｘが除去された後の排気ガスは、上流側排気通路５から下流側排気通路６の排気上流端部６ａに流入し、該排気上流端部６ａで径方向の外方に拡散すると共に折り返し、内側排気管２の外周壁面に沿って下流側排気通路６内を流れる。

（２）下流側排気通路６内の排気ガスが、ＮＯｘ吸着材１０が位置する内側排気管２の外周壁面を通過することにより、排気ガスとＮＯｘ吸着材１０との間で熱交換され、ＮＯｘ吸着材１０を保温する。これにより、ＮＯｘ吸着量の低下を抑制することができる。なお、排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素等の未燃分は、たとえば、ＮＯｘ吸着材１０に含まれている酸化作用を有する触媒により酸化され、無害化される。

（３）下流側排気通路６を通過し、延長排気通路７に流入した排気ガスは、大気に放出され、あるいは廃熱利用機器に供給される。

（４）所定時間運転した後、ＮＯｘ吸着材１０によるＮＯｘ吸着量が所定量に達すると、ＮＯｘ吸着量検出センサー２９による検出信号がＥＣＵ２３に送られ、ＥＣＵ２３からの信号により、吸着物質脱離手段１１及び燃料装置１２を作動させる。すなわち脱離運転（再生運転）状態とする。

脱離運転時には、例えば吸着物質脱離手段１１において、燃料ノズル３１からの燃料と排気ガスとを混合すると共に、排気ガス中の残留酸素及び空気供給部３３からの空気により燃焼し、昇温すると共に還元雰囲気を作り、昇温された還元ガスをＮＯｘ吸着材１０へ供給する。これにより、ＮＯｘ吸着材１０からＮＯｘを脱離させる。すなわち、ＮＯｘ吸着材１０を再生する。脱離したＮＯｘは、ＮＯｘ吸着材１０中の前記触媒成分により吸着物質脱離手段１１によって生成された還元雰囲気で還元除去され、また、燃焼装置１２において燃焼することにより、還元除去される。

このように、内燃機関１等の運転中、ＮＯｘ脱離のための脱離運転が間欠的に実施される。

（第１の実施の形態の効果）
（１）本実施の形態によると、内燃機関１の通常運転時には、ＮＯｘ吸着材１０を通過した後の排気ガスの熱により、ＮＯｘ吸着材１０を保温するので、ＮＯｘ吸着量の低下を抑制することができる。

（２）脱離運転時には、燃焼装置１２で燃焼し、昇温した燃焼ガスにより、ＮＯｘ吸着材１０を昇温させるので、ＮＯｘ脱離効率が向上し、ＮＯｘ低減率及びＮＯｘ再生時のエネルギー消費率を向上させることができる。

（３）排気通路の外郭構造を、内側排気管２と外側排気管３との二重管構造とし、外側排気管３内の下流側排気通路６を流れる排気ガス又は燃焼ガスにより、ＮＯｘ吸着材１０を保温又は昇温しているので、排気装置及び排気ガス浄化装置のコンパクト性を維持できると共に、ＮＯｘ吸着材１０全体を、外周側から略均等に保温し、あるいは昇温することができる。

[発明の第２の実施の形態]
図３は本発明の第２の実施の形態を示す概略図、図４は図３のIV-IV断面拡大図であり、該第２の実施の形態は、前記第１の実施の形態と同じ構造に、熱交換フィン４０を備えている。他の構造は第１の実施の形態と同様であり、同じ部品等には同じ符号を付している。

図３において、前記複数の熱交換フィン４０は、ＮＯｘ吸着材１０が配置されている内側排気管２の部位の外周壁面に、内側排気管長さ方向（排気流方向）に延びるように設けられ、下流側排気通路６内に露出している。

図４において、各熱交換フィン４０は、内側排気管２の外周壁面に、円周方向に所定間隔をおいて配置されている。

第２の実施の形態のように、ＮＯｘ吸着材１０の保温又は昇温用に多数の熱交換フィン４０を設けていると、排気ガス又は燃焼ガスとＮＯｘ吸着材１０との間の熱伝達性が向上し、ＮＯｘ吸着材１０の保温又は昇温効果が向上する。

図５は、熱交換フィン４０の変形例であり、複数のリング状の円板を、排気流方向に間隔をおいて配設した構造となっている。

[発明の第３の実施の形態]
図６は本発明の第３の実施の形態を示す概略図であり、該第３の実施の形態は、前記第１の実施の形態と同じ構造に、排気ガス等に旋回流を発生させるための旋回流形成羽根５０を備えている。他の構造は第１の実施の形態と同様であり、同じ部品等には同じ符号を付している。

図６において、旋回流形成羽根５０は、環状断面の下流側排気通路６の排気上流端部近傍であって、ＮＯｘ吸着材１０が位置する内側排気管２の外周壁面に面する部位よりも排気上流側に配置されている。すなわち、旋回流形成羽根５０を通過することにより旋回流となった排気ガス又は燃焼ガスが、ＮＯｘ吸着材１０の外周壁面に対応する部位を通過するように配置されている。

図７は、図６の旋回流形成羽根５０の展開図であり、旋回流形成羽根５０は、外側排気管３及び内側排気管２の長さ方向に対して所定角度で周方向の同一方向に傾斜すると共に、周方向に等間隔をおいて配設されており、旋回流形成羽根５０間を通過する排気ガス等を方向変換し、旋回流を形成するようになっている。

第３の実施の形態のように、ＮＯｘ吸着材１０を保温又は昇温する下流側排気通路６内の排気ガス等を旋回させ、流れの分布を均一にすることで、ＮＯｘ吸着材１０の全体を、より効率よく、かつ、略均等に保温又は昇温することができる。特に、内燃機関１の低負荷運転時には、排気ガス量が減少するが、上記のように排気ガスを旋回させることにより、少量の排気ガスの熱量を、無駄なく、効率的に保温等に利用することができる。勿論、脱離運転時においても、下流側排気通路６内の燃焼ガスを旋回させることにより、少量の燃焼ガスでも効率的に昇温に利用することができる。

［その他の実施の形態］
（１）内燃機関自体が希薄燃焼用内燃機関であって、たとえば過給機を備えている場合には、過給機の圧縮機の空気を、図１等の各空気供給部に利用することができる。

（２）ＮＯｘ吸着材１０としては、微粒子フィルターの壁にＮＯｘ吸着材を使用したものを利用することも可能である。

（３）前記第１，第２及び第３の実施の形態では、単一の排気通路を備えた構造に適用しているが、排気通路を、たとえば２本の分岐排気通路に分岐し、分岐排気通路毎に吸着物質脱離手段、窒素酸化物吸着材及び燃焼装置を備え、内燃機関の運転中、各分岐排気通路において、交互に吸着運転と脱離運転を行う排気ガス浄化装置にも、本発明を適用することは可能である。勿論、排気通路を３本以上の分岐排気通路に分岐した構造にも適用可能である。

本発明は、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関又はガスタービン機関等の各種内燃機関又は産業用ボイラ等の燃焼機器の排気ガス浄化装置として利用されるが、特に、希薄燃焼で運転される内燃機関等のように、排気ガス中にＮＯｘが多く含有される内燃機関に適している。

本発明による排気ガス浄化装置の第１の実施の形態を示す概略図である。 図１のII-II断面拡大図である。 本発明による排気ガス浄化装置の第２の実施の形態を示す概略図である。 図３のIV-IV断面拡大図である。 熱交換フィンの変形例を備えた図３のIV-IV断面拡大図である。 本発明による排気ガス浄化装置の第３の実施の形態を示す概略図である。 図６の旋回流形成羽根の展開図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 内側排気管
３ 外側排気管
５ 上流側排気通路
６ 下流側排気通路
１０ 窒素酸化物吸着材（ＮＯｘ吸着材）
１１ 吸着物質脱離手段
１２ 燃焼装置
１５ 燃焼装置の空気供給部
１６ 燃焼装置の燃料ノズル（燃料供給部）
１７ 燃焼装置の点火装置（着火部）
２３ 電子制御ユニット
３１ 吸着物質脱離手段の燃料ノズル（燃料供給部）
３２ 吸着物質脱離手段の点火装置（着火部）
３３ 吸着物質脱離手段の空気供給部

Claims (3)

1. 内燃機関又は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄化装置であって、窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を昇温又は還元雰囲気で脱離する窒素酸化物吸着材(10)と、該窒素酸化物吸着材(10)より排気上流側に配置され、排気ガスを昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段と、前記窒素酸化物吸着材(10)より排気下流側に配置され、燃料供給部、空気供給部及び着火部を有する燃焼装置(12)と、を備えている排気ガス浄化装置において、
   排気通路は、内燃機関又は燃焼機器に接続された内側排気管(2)内に形成された上流側排気通路(5)と、前記内側排気管(2)の外周壁面と外側排気管(3)の内周壁面との間で形成されると共に前記上流側排気通路(5)の下流端部に連通する断面環状の下流側排気通路(6)と、を有しており、
   前記上流側排気通路(5)内に、前記窒素酸化物吸着材(10)及び吸着物質脱離手段を配置し、
   前記下流側排気通路(6)の上流側端部であって前記上流側排気通路(5)の下流側端部に対向する位置に前記燃焼装置(12)を配置してある、ことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 請求項１記載の排気ガス浄化装置において、
   前記窒素酸化物吸着材が位置する内側排気管の外周壁面には、前記下流側排気通路内に露出する熱交換フィンが設けられていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
3. 請求項１記載の排気ガス浄化装置において、
   前記下流側排気通路内には、該下流側排気通路内を流れる排気ガスを旋回させる旋回流形成羽根が配置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。

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