JP4817850B2

JP4817850B2 - 排ガス処理装置

Info

Publication number: JP4817850B2
Application number: JP2006005551A
Authority: JP
Inventors: 利晴稲葉; 洋一高橋
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: JP2007187078A

Description

本発明は、エンジンの排ガスの処理装置に関し、詳しくは船舶や発電などに用いられる大型ディーゼルエンジン等から排出される排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去する排ガス処理装置に関するものである。

近年では、バスやトラックなどの自動車用ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる窒素酸化物や粒子状物質の削減が問題となっているが、船舶や発電に使用される大型ディーゼルエンジン等についても同様の問題が生じている。

しかし、自動車用ディーゼルエンジンとは異なり、大型ディーゼルエンジン等はＡ重油やＣ重油といった硫黄分の含有が高い燃料を使用するため、その排ガス中には硫黄酸化物が多く含まれ、窒素酸化物や粒子状物質の除去処理において障害となっていた。

ここで、排ガスから窒素酸化物を除去する脱硝方法については、一般に選択的還元触媒法（ＳＣＲ法）と無触媒脱硝法があることが知られている。このうちＳＣＲ法については、設備及び運転コストが高く、かつ排ガス中の硫黄分により触媒が被毒して活性が低下してしまうという欠点があるため、無触媒脱硝法に比べると大型ディーゼルエンジン等に適用するには不向きであるとされている。

しかし、無触媒脱硝法を大型ディーゼルエンジン等に適用した際には、排ガスの温度が２５０〜４５０℃と低くアミンラジカルが生成しにくいため、脱硝率が低くなってしまうという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献１には、排ガスが通る排ガス管に連通する部屋内にバーナーによる加熱領域を形成し、この加熱領域に向けて炭化水素類と窒素化合物を別々に吹き込んでアミンラジカルを生成させて排ガスの脱硝を行う技術が記載されている。
特開２００５−２５４０９３号公報

しかし、上記の特許文献１に記載の技術では、常温の炭化水素類と窒素化合物をバーナーの火炎先端部に別々に吹き込むため、反応温度を高温に保つことが難しく、アミンラジカルの生成が不足するため、脱硝率を向上させることが困難であるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、大型ディーゼルエンジン等から排出される低温の排ガス中の窒素酸化物を、高い脱硝率で除去することができる排ガス処理装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る本発明は、窒素酸化物を含有する排ガス（２）が流れる排ガス管（３）内に端部が突出するように径方向から挿入され、炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）が吹き出す吹出部（８）を前記端部に有する吹込管（４）と、前記吹出部（８）付近に設置された温度計測手段（２０）と、前記吹込管（４）の前記排ガス管（３）外の部分に設置されたヒーター（５）と、前記吹込管（４）への前記炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）の流量を調整する流量制御手段（２２）と、前記温度計測手段（２０）の検出信号を入力として前記流量制御手段（２２）を操作するための信号（２６）を形成する制御手段（２３）とを備え、前記ヒーター（５）により前記吹込管（４）内で加熱された前記炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）を、前記吹出部（８）を通じて前記排ガス管（３）内へ供給することで、前記排ガス（２）中の窒素酸化物を還元的に除去しつつ、前記制御手段（２３）は、前記温度計測手段（２０）が所定の値以下の温度を検出したときは、前記流量制御手段（２２）を操作して前記炭化水素化合物（６）の流量を増加させ、かつ前記窒素化合物（７）の流量を減少させることを特徴とする排ガス処理装置である。

このように構成された発明によれば、炭化水素化合物（６）と窒素化合物（７）を高温状態で排ガス（２）と反応させることができるため、低温の排ガス（２）中の窒素酸化物を高い脱硝率で除去することができる。また、排ガス管（３）中へ供給された炭化水素化合物（６）が排ガス（２）中の酸素と接して自然発火して生じる炎の消失を防ぐことができるため、安定して脱硝反応を継続させることができる。

また、請求項２に係る本発明は、窒素酸化物を含有する排ガス（２）が流れる排ガス管（３）内に端部が突出するように径方向から挿入され、炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）が吹き出す吹出部（８）を前記端部に有する吹込管（４）と、前記吹出部（８）付近に設置された温度計測手段（２０）及び着火手段（２１）と、前記吹込管（４）の前記排ガス管（３）外の部分に設置されたヒーター（５）と、前記吹込管（４）への前記炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）の流量を調整する流量制御手段（２２）と、前記温度計測手段（２０）の検出信号を入力として前記流量制御手段（２２）及び着火手段（２１）を操作するための信号（２６、２７）を形成する制御手段（２３）とを備え、前記ヒーター（５）により前記吹込管（４）内で加熱された前記炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）を、前記吹出部（８）を通じて前記排ガス管（３）内へ供給することで、前記排ガス（２）中の窒素酸化物を還元的に除去しつつ、前記制御手段（２３）は、前記温度計測手段（２０）が所定の値以下の温度を検出したときは、前記流量制御手段（２２）を操作して前記炭化水素化合物（６）の流量を増加させ、かつ前記窒素化合物（７）の流量を減少させると共に、前記着火手段（２１）を作動させることを特徴とする排ガス処理装置である。

なお、前記吹出部（８）は、前記排ガス管（３）の上流側の前記吹込管（４）側面に形成された複数の貫通孔からなることが望ましい。

また、排ガス管（３）中へ吹き込む前記炭化水素化合物（６）は、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、ｎ−ブタン、プロパン、エタン、メタンの脂肪族炭化水素の少なくとも１種であることが望ましい。

本発明においては、排ガスの排ガス管内に端部が突出するように径方向から挿入された吹込管と、前記吹込管の前記排ガス管外の部分に設置されたヒーターとからなり、前記ヒーターにより前記吹込管内で加熱された炭化水素化合物と窒素化合物とを前記吹込管の端部に形成された吹出部を通じて前記排ガス管内へ供給することにより、前記排ガス中の窒素酸化物を還元的に除去することを特徴とする排ガス処理装置を構成した。

このような構成により、大型ディーゼルエンジン等から排出される低温の排ガス中の窒素酸化物を高い脱硝率で除去することができる。

また、上記の排ガス処理装置に、吹出部の温度に基づき炭化水素化合物と窒素化合物との流量を調整し、吹出部付近に設置された着火源を作動させることができる制御装置を設けた。

このような構成により、脱硝反応を安定して継続することができ、脱硝率を更に向上させることができる。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
本発明に係る排ガス処理装置の参考例を図１に示す。

排ガス装置は、大型ディーゼルエンジン１からの排ガス２が流れる排ガス管３内にその端部が突出するように径方向から挿入された吹込管４と、当該吹込管４の排ガス管３外の部分を外囲するように設置されたヒーター５から主に構成される。

吹込管４は、炭化水素化合物６と窒素化合物７を排ガス管３内を流れる排ガス２中に供給するためのものであり、その端部には炭化水素化合物６と窒素化合物７を吹き出すための吹出部８が設けられている。この吹出部８は、排ガス２との反応を促進する観点から、排ガス管３の上流側の側面に形成された複数の貫通孔からなることが望ましい。

なお、これらの貫通孔の大きさ及び配置については、本発明の目的を達成する限りにおいて特に制限はない。

また、吹込管４の挿入深さＸは、排ガス管３の内径に対して０〜７０％の範囲で任意に調整できることが、排ガス管３内の排ガス２を効率的に処理する上から好ましい。

ここで、挿入深さＸとは、排ガス管３の径方向中心線と、吹込管４の挿入部分の長さ方向の中心位置との距離により定義される。

炭化水素化合物６については、炭素数が５以上である化合物、例えばペンタン又はヘキサンである必要がある。また、その発火点は３００〜７００℃、より好ましくは４００〜５００℃の範囲にある方がよい。ここで発火点とは、ＤＩＮ−５１７９４に規定するものを意味する。

なお、炭化水素化合物６の濃度を調整するために、窒素９又は水蒸気１０を吹込管４に流してもよい。

窒素化合物７については、アミンラジカルを生成するものである必要があり、図中に示すアンモニアの他に、例えば、尿素、シアヌール酸、アミン類、ニトリル類等を使用することができる。

ヒーター５は、吹込管４内を流れる炭化水素化合物６と窒素化合物７を加熱して温度を上昇させるためのものであり、吹込管４の挿入部外側付近を外囲するように設置される。このヒーター５には電熱ヒーター又は熱交換器などを用いることができる。

このような排ガス処理装置は、１本の排ガス管３に対して複数台設置してもよいことはもちろんである。

次に、排ガス処理装置の参考例における作用について以下に説明する。
ヒーター５により高温状態（例えば、７００℃以上など）になった炭化水素化合物６と窒素化合物７を、吹込管４の吹出部８から排ガス２中へ供給すると、まず炭化水素化合物６が排ガス２中の酸素と接し、自然発火して炎（以下、「ラジカル化炎」という。）１１を生じるため、高温下でヒドロキシラジカルが生成する。そして、このヒドロキシラジカルが窒素化合物７に作用して、還元性ガスであるアミンラジカルを生成する。このアミンラジカルにより、排ガス３中の窒素酸化物（ＮＯｘ：一酸化窒素と二酸化窒素の混合物）が窒素１２に還元分解されることで排ガス２が脱硝処理される。

このときの炭化水素化合物６の濃度は、排ガス２に対して０．０１〜５．０体積％、好ましくは０．０５〜１．０体積％の範囲にあることが望ましい。また、窒素化合物７の濃度は、排ガス２に対して０．０１〜５．０体積％、、好ましくは０．０５〜１．０体積％の範囲とすることが好ましい。

本発明に係る排ガス処理装置の実施形態を図２に示す。図２においては、図１と同じ部分には同一の符号を付している。

上記の参考例においては、排ガス管３内の排ガス２の流量が変動した場合には、ラジカル化炎１１が消失してしまい、脱硝反応が停止してしまう可能性がある。

本実施形態は、このラジカル化炎１１の維持を目的として、参考例における吹込管４の吹出部８付近に温度計測手段である熱電対２０と着火手段である着火源２１とを配置するとともに、吹込管４に接続する流路に流量制御手段である流量制御器２２を設けて、熱電対２０からの信号によりそれらを操作又は作動させる制御装置２３を付加したものである。

なお、着火源２１は省略することも可能である。
流量制御手段２２は、炭化水素化合物６や窒素化合物７などのそれぞれの流路に設けられた複数の流量調整弁２４からなり、制御装置２３からの信号に応じて、各物質の流量を調整することができるようになっている。

また、着火源２１としては、電熱コイル、点火プラグ又は圧電素子式の着火器などを用いることができる。

この実施形態における作用を図２及び図３を基に以下に説明する。図３は、制御装置のシーケンスの一例を示したものである。なお、参考例と同じ部分についての説明は省略する。

排ガス管３内の排ガス２の流量が変動してラジカル化炎１１が消失しそうになり、吹出部８周辺の温度が所定の温度（例えば、５００℃など）より低くなった場合には、熱電対２０からの信号２５を受けた制御装置２３により流量制御器２２内の各流量調整弁２４を操作する信号２６が発せられる。これにより、炭化水素化合物６については自然発火の発生を促すために流量が増加され、窒素化合物７については消費防止のために流量が減少又は停止させられる。また、炭化水素化合物６の濃度調整のために窒素９と水蒸気１０を流していた場合には、炭化水素化合物６の濃度を高めるために、それぞれの流量は減少又は停止させられる。

このようにして、脱硝反応を安定して継続させることができる。
また、着火源２１を上記の温度低下とともに作動させることにより、ラジカル化炎１１が消失していた場合において、強制的にラジカル化炎１１を発生させることができるため、脱硝反応を確実に継続させることができる。

なお、この着火源２１については作動させるための設定温度を、例えば炭化水素化合物６の自然発火温度である３００℃未満の値などに別途設けてもよい。

本発明に係る排ガス処理装置の参考例の構成図である。本発明に係る排ガス処理装置の実施形態の構成図である。制御装置の動作を示すシーケンスの一例である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２排ガス
３排ガス管
４吹込管
５ヒーター
６炭化水素化合物
７窒素化合物
８吹出部
９窒素
１０水蒸気
１１ラジカル化炎
１２脱硝後のガス
２０熱電対
２１着火源
２２流量調整器
２３制御装置
２４流量調整弁
２５熱電対の検出信号
２６流量調整器の操作信号
２７着火源の作動信号

Claims

窒素酸化物を含有する排ガス（２）が流れる排ガス管（３）内に端部が突出するように径方向から挿入され、炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）が吹き出す吹出部（８）を前記端部に有する吹込管（４）と、
前記吹出部（８）付近に設置された温度計測手段（２０）と、
前記吹込管（４）の前記排ガス管（３）外の部分に設置されたヒーター（５）と、
前記吹込管（４）への前記炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）の流量を調整する流量制御手段（２２）と、
前記温度計測手段（２０）の検出信号を入力として前記流量制御手段（２２）を操作するための信号（２６）を形成する制御手段（２３）とを備え、
前記ヒーター（５）により前記吹込管（４）内で加熱された前記炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）を、前記吹出部（８）を通じて前記排ガス管（３）内へ供給することで、前記排ガス（２）中の窒素酸化物を還元的に除去しつつ、
前記制御手段（２３）は、前記温度計測手段（２０）が所定の値以下の温度を検出したときは、前記流量制御手段（２２）を操作して前記炭化水素化合物（６）の流量を増加させ、かつ前記窒素化合物（７）の流量を減少させることを特徴とする排ガス処理装置。
窒素酸化物を含有する排ガス（２）が流れる排ガス管（３）内に端部が突出するように径方向から挿入され、炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）が吹き出す吹出部（８）を前記端部に有する吹込管（４）と、
前記吹出部（８）付近に設置された温度計測手段（２０）及び着火手段（２１）と、
前記吹込管（４）の前記排ガス管（３）外の部分に設置されたヒーター（５）と、
前記吹込管（４）への前記炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）の流量を調整する流量制御手段（２２）と、
前記温度計測手段（２０）の検出信号を入力として前記流量制御手段（２２）及び着火手段（２１）を操作するための信号（２６、２７）を形成する制御手段（２３）とを備え、
前記ヒーター（５）により前記吹込管（４）内で加熱された前記炭化水素化合物（６）及び窒素化合物（７）を、前記吹出部（８）を通じて前記排ガス管（３）内へ供給することで、前記排ガス（２）中の窒素酸化物を還元的に除去しつつ、
前記制御手段（２３）は、前記温度計測手段（２０）が所定の値以下の温度を検出したときは、前記流量制御手段（２２）を操作して前記炭化水素化合物（６）の流量を増加させ、かつ前記窒素化合物（７）の流量を減少させると共に、前記着火手段（２１）を作動させることを特徴とする排ガス処理装置。
前記吹出部（８）は、前記排ガス管（３）の上流側の前記吹込管（４）側面に形成された複数の貫通孔からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス処理装置。
前記炭化水素化合物（６）が、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、ｎ−ブタン、プロパン、エタン、メタンの脂肪族炭化水素の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス処理装置。