JP5513712B2 - 排気処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置から排出され種々の排出物質を含む気体（排気）を処理する排気処理装置に関する。

燃焼装置からの排気を浄化して環境汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分、その他の固体物質を含む）の大気への排出を抑えるために、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）などを排気通路に介装し、排気をディーゼルパティキュレートフィルタを通過させることで排気中のＰＭを捕集する一方、ディーゼルパティキュレートフィルタを種々の方法により再生することが行われている。

また、例えば、特許文献１などにおいては、排気中に含まれるＮＯｘとＰＭの同時低減を実現するために、ディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを排気通路に介装すると共に、その下流側に、ＮＯｘ低減に有効な尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）を介装することが提案されている。なお、尿素ＳＣＲとは、酸素共存下においても選択的にＮＯｘを還元剤と反応させることができる特性を備えた選択還元型ＮＯｘ触媒であって、毒性のない尿素水を排気中に添加してアンモニアと炭酸ガスに熱分解し、この生成されたアンモニアを還元剤として用いて選択還元型ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘを還元して浄化しようとするものである。

より詳細には、特許文献１に記載されるような従来の排気処理装置においては、例えば、図８に示すように、ディーゼル燃焼機関１の排気通路２の最上流側の排気温度の比較的高い位置に再生効率等の観点より酸化触媒装置３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を介装し、その下流側に尿素水添加装置５、尿素ＳＣＲ触媒装置６を介装すると共に、尿素ＳＣＲ触媒装置６からリークしてくる余剰のアンモニア（ＮＨ_３）を酸化処理するためのアンモニア酸化触媒装置７を介装するようにしていた（酸化触媒装置３、尿素水添加装置５、尿素ＳＣＲ触媒装置６、アンモニア酸化触媒装置７の各装置における反応については、図９を参照のこと。図９中の加水分解反応は、次式で表される。加水分解の反応式：（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２）。

ここで、尿素水添加装置５を構成する尿素水噴射ノズル５Ａを尿素ＳＣＲ触媒装置６の排気上流側に配設し、前記尿素噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分から尿素ＳＣＲ触媒装置６の排気上流側端面までの距離を、尿素からアンモニアに加水分解するのに必要な時間を確保するため比較的長く取る必要がある。

また、噴射供給した尿素と排気とを良好に混合・拡散して尿素の加水分解を良好に行なわせる必要がある。

このような観点から、従来においては、図８に示したように、前記尿素水噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分から尿素ＳＣＲ触媒装置６の排気上流側端面までの距離を比較的長くとりつつ排気の流速を稼いで混合を促進するために、尿素ＳＣＲ触媒装置６の排気上流側に、酸化触媒装置３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する大径の収容ケース８や尿素ＳＣＲ触媒装置６とアンモニア酸化触媒装置７を収容する大径の収容ケース９の径より排気通路断面積を小さく絞った小径の排気通路２Ａを設け、ここに尿素水噴射ノズル５Ａを取り付けるようにしていた。

また、噴射した尿素水と排気とを良好に混合して尿素の加水分解を良好に行なわせるために、前記尿素水噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分の排気下流側の小径の排気通路２Ａにバッファプレート等からなるミキサーを配設するようにしていた。

特開２００７−２６９７号公報

しかしながら、図８に示したように、酸化触媒装置３やディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する収容ケース８の径や尿素ＳＣＲ触媒装置６を収容する収容ケース９の径より断面積をより小さく絞った小径の排気通路２Ａを設け、ここに尿素水噴射ノズル５Ａを取り付けるように構成した場合、圧力損失が大きくなるという実情がある。

このため、大径の収容ケース８、９と小径の排気通路２Ａとの径差をテーパや突き当てなどの形状を工夫することも行なわれているが、圧力損失の低減と、良好な混合・拡散作用と、の両立は難しく、十分な効果が得られていないのが実情である。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつコンパクトで安価な構成でありながら、圧力損失を低く維持しつつ排気に添加した還元剤と排気とを良好に混合させることができ、以って効果的に排気中の特定成分（例えばＮＯｘ）を還元して浄化することができる選択還元型触媒装置を備えた排気処理装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る排気処理装置は、
燃焼装置から排出される排気を処理する排気処理装置であって、
排気中の特定の成分を還元して浄化する選択還元型触媒装置と、
前記選択還元型触媒装置の排気上流側において排気に対して還元剤を添加する還元剤添加装置と、
を備えたものにおいて、
前記還元剤添加装置と前記選択還元型触媒装置との間に、排気通路の排気流れに略直交する断面全体に略均等に配設されると共に排気流れに沿った方向に延在される多数の通路を有する金属製の構造体を、排気通路を絞ることなく介装する一方、
前記金属製の構造体に、選択還元型触媒が担持されると共に、
前記金属製の構造体の多数の通路のうちの少なくとも一部の通路同士が連通され、
前記選択還元型触媒装置が、尿素選択還元型ＮＯｘ触媒装置であり、前記還元剤添加装置の排気上流側に触媒装置若しくはパティキュレートフィルタが配設されることを特徴とする。

本発明によれば、簡単かつコンパクトで安価な構成でありながら、圧力損失を低く維持しつつ排気に添加した還元剤と排気とを良好に混合させることができ、以って効果的に排気中の特定成分（例えばＮＯｘ）を還元して浄化することができる選択還元型触媒装置を備えた排気処理装置を提供することができる。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る排気処理装置は、図１に示すように、ディーゼル燃焼機関１の排気通路２の最上流側の排気温度の比較的高い位置に再生効率等の観点より酸化触媒装置３とディーゼルパティキュレートフィルタ４（或いは何れか一方でも良い）を介装し、その下流側に尿素水添加装置５、尿素ＳＣＲ触媒装置６（例えば、コージェライト等のセラミック材を担体としたもの）を介装すると共に、尿素ＳＣＲ触媒装置６からリークしてくる余剰のアンモニア（ＮＨ_３）を酸化処理するためのアンモニア酸化触媒装置７が介装されている。

前記尿素水添加装置５は、排気に対して尿素水を所定のタイミングで噴射供給する尿素水噴射ノズル５Ａと、尿素水を貯留する尿素水タンク５Ｂと、当該尿素水タンク５Ｂに貯留されている尿素水を排気に対して噴射供給する前記尿素水噴射ノズル５Ａへ所定圧力をもって圧送供給する供給ポンプ５Ｃと、を含んで構成されている。ただし、尿素の供給方法は、これに限定されるものではない。

なお、本実施の形態では、図８に示した従来の排気処理装置のように、酸化触媒装置３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する大径の収容ケース８と、尿素ＳＣＲ触媒装置６とアンモニア酸化触媒装置７を収容する大径の収容ケース９と、の間に排気通路断面積を小さく絞った小径の排気通路２Ａを設ける構成を採用せず、酸化触媒装置３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する大径の収容部１０と、尿素ＳＣＲ触媒装置６とアンモニア酸化触媒装置７を収容する大径の収容部１１と、をこれらの径をほぼ維持したまま接続する接続部１２を介して接続するようになっている。

なお、収容部１０、収容部１１、接続部１２を略一体的に形成した収容ケースを採用することも可能である。
ここで、前記収容部１０、前記収容部１１、前記接続部１２は、金属製部材により形成されることができ、例えば、スチール、ＳＵＳ、Ｔｉなどの種々の材料を採用することができる。

このように、本実施の形態では、従来のように小径の排気通路２Ａを設けず、大径の接続部１２を介して収容部１０と収容部１１とを接続するようにしたので、従来のような排気通路断面積が縮小された部位（絞り部分：小径の排気通路２Ａ）がないため、圧力損失を低く抑えることができる。

また、図１に示したように、本実施の形態のように大径の接続部１２を介して収容部１０と収容部１１とを接続する構成とすれば、前記排気通路断面積を縮小・拡大するための部分（絞り部分・拡張部分）が不要となるため、例えば尿素からアンモニアに加水分解するのに必要な時間を確保するための必要最小限の長さを確保すればよく、以って排気処理装置の排気流れ方向長さを短くでき、延いては小型化、軽量化、低コスト化等に寄与することが可能となる。

なお、本実施の形態において上記のような構成の採用を可能にしたのは、前記接続部１２に配設される尿素水噴射ノズル５Ａの下流側で尿素ＳＣＲ触媒装置６の上流側に、金属触媒２０を配設したことに基づいている。

前記金属触媒２０は、ＳＵＳ等から形成される多数の通路であるセルを有する金属製のハニカム構造の担体の表面に尿素ＳＣＲ触媒が塗布等により適用され担持されて構成されている。
当該金属触媒２０の担体は、例えば、図２に示すように、金属製の波形状に成形された波形状部材２１及び板状部材２２を螺旋状に巻回することにより形成されることができる。なお、板状部材２２は、多数の穴やスリットが開口された金属板や、多孔質な繊維部材などにより構成されることができる。また、板状部材２２は省略することもできる。

そして、波形状により形成される通路（セル）２３を排気が流れて下流側へ流出し、排気通路２の排気下流側に配設されている尿素ＳＣＲ触媒装置６へ流入するようになっている。
前記金属触媒２０は、金属製の板状部材２２を格子状に接合等したハニカム構造体を担体とする触媒とすることもできる。
また、前記金属触媒２０は、図３に示すように、金属製のパイプ状部材２４を束状に配設して通路（セル）２３を形成したハニカム構造体を担体とする触媒とすることもできる。

ここで、金属触媒２０は、担体が金属製であるため排気温度の影響を受け易く排気温度の変化によく追従するため、当該金属触媒２０を通過する排気の熱を受けて担体温度が短時間で上昇し、また、その表面積も大きいことから、尿素のアンモニアへの加水分解が促進されてガス化が促進され、以って排気と、排気に添加される還元剤と、の混合が、ミキサー等を備えた従来技術に比べて促進されることになる。
このため、尿素ＳＣＲ触媒装置６におけるＮＯｘ還元効率を効果的に高めることができることになる。

また、本実施の形態に係る金属触媒２０には、その表面に尿素ＳＣＲ触媒が担持されているので、上述したように尿素のアンモニアへの加水分解が促進されてガス化が促進されると、当該金属触媒２０上においても排気中のＮＯｘが還元されることになる。
従って、従来のようにミキサー等を用いる場合に比べて、同一の尿素ＳＣＲ触媒６を採用した場合において尿素ＳＣＲ触媒の担持面積を増やすことができるためＮＯｘの浄化効率を高めることが可能となる。

更に、本実施の形態のような金属触媒２０を備える場合には、以下のような作用効果も奏することができる。
すなわち、金属触媒２０は、担体が金属製であり排気温度の影響を受け易く排気温度の変化によく追従するため、冷間始動時等において昇温し易く、例えばコージェライト等のセラミック等に尿素ＳＣＲ触媒を担持させた尿素ＳＣＲ触媒装置６のみを備えた場合に比べて、始動後早期から排気中のＮＯｘの浄化を図ることができる。

また、暖機後においては、例えばディーゼル燃焼機関１の排気温度が低下するような運転状態に移行したような場合に、金属触媒２０は担体が金属製であり排気温度の影響を受け易く排気温度の変化によく追従するため、当該排気温度が低下すると金属触媒２０からの熱の放出量（排気による熱の持ち去り量）が増大されることになるため、下流側の尿素ＳＣＲ触媒装置６の入口温度を高く維持するように働くこととなり、以って例えばコージェライト等のセラミック等に尿素ＳＣＲ触媒を担持させた尿素ＳＣＲ触媒装置６のみを備えた場合に比べて、排気温度の低下の影響を受け難いため、排気温度の低下後において、より長時間、排気中のＮＯｘの浄化作用を維持することができることになる。

加えて、例えばディーゼル燃焼機関１の排気温度が比較的急激に上昇するような運転状態に移行したような場合に、金属触媒２０は担体が金属製であり排気温度の影響を受け易く排気温度の変化によく追従するため、当該排気温度が上昇しようとする際に金属触媒２０が排気から熱を奪って金属触媒２０の温度が比較的急速に上昇する。従って、金属触媒２０の排気下流側の尿素ＳＣＲ触媒装置６の急速な温度上昇を抑制することができるため、尿素ＳＣＲ触媒６の性能劣化、熱による損傷等を抑制することができ、以って長期に亘って排気中のＮＯｘの浄化作用を維持することができることになる。
言い換えれば、金属触媒２０を尿素ＳＣＲ触媒装置６の上流側に配設することで、尿素ＳＣＲ触媒装置６に流入する排気温度を安定化させることができ、尿素ＳＣＲ触媒装置６におけるＮＯｘ還元効率を効果的に高めることができると共に信頼性を高めることができる。

なお、本実施の形態では、尿素ＳＣＲ触媒を担持させた金属触媒２０を配設した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、尿素ＳＣＲ触媒等の触媒を担持させていない金属製のハニカム状の構造体を配設するだけでも、上述した尿素のアンモニアへの加水分解の促進延いてはガス化の促進を図ることができ、以って排気と、排気に添加される還元剤と、の混合を、ミキサー等を備えた従来技術に比べて促進させることができる。更に、上述した排気下流側に配設される尿素ＳＣＲ触媒装置６の入口温度の安定化に寄与することができる。
従って、尿素ＳＣＲ触媒を担持させていない金属製のハニカム状の構造体を配設するだけでも、尿素ＳＣＲ触媒装置６におけるＮＯｘ還元効率を効果的に高めることができることになる。

ところで、図３に示した金属触媒２０を構成するパイプ状部材２４に、例えば、図４の（ａ）に示すように切欠部２４Ａを設けたり、図４の（ｂ）に示すように連通穴２４Ｂを設けたり、図４の（ｃ）に示すように連通穴２４Ｂを設けると共に仕切板２４Ｃを設けるようにすることにより、隣接する通路２３を相互に連通させた構成とすることができる。当該構成は、図２に示した金属触媒２０を構成する波形状部材２１においても同様に適用可能である。
このような切欠部２４Ａや連通穴２４Ｂを設けた場合、図５、図６に示すように、排気の流れが、切欠部２４Ａや連通穴２４Ｂによって分岐されて、外周側若しくは内周側のパイプ状部材２４の通路２３へ流れ込み、流れ込んだ通路２３内の排気の流れと衝突することとなって、排気と、排気に添加される還元剤と、の混合を、より一層促進させることができ、以って金属触媒２０上の尿素ＳＣＲ触媒及び尿素ＳＣＲ触媒装置６におけるＮＯｘ還元効率をより一層高めることができることになる。
また、連通穴２４Ｂには、図７に示すように折曲部２４Ｄを設けるように構成することもできる。
なお、波形状部材２１を用いた場合の金属触媒２０としては、例えば、特表２００６−５０７４４５号等に記載されるようなものを適用することもできる。

ところで、本実施の形態において、ディーゼル燃焼機関１を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、排気を伴う燃焼装置であれば、ガソリンエンジンその他の内燃機関の他、外燃機関とすることもでき、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の燃焼装置とすることができる。

また、本実施の形態では、尿素ＳＣＲ触媒装置６を採用し、還元剤として尿素水を排気に添加する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、排気通路２を流れる排気に対して所定の添加物質を添加し、当該添加物質と、排気と、を混合することが要求される排気処理装置に本発明を適用可能である。

以上で説明した各実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

本発明の一の実施の形態に係る排気処理装置の全体構成例を示す図である。 同上実施の形態に係る金属触媒の構成例を示す図である。 同上実施の形態に係る金属触媒の他の構成例を示す図である。 図３に示した金属触媒において用いられるパイプ状部材の構成例を示す図である。 連通部を設けたパイプ状部材を用いた場合の排気の流れを説明する機能説明図である。 連通部及び仕切板を設けたパイプ状部材を用いた場合の排気の流れを説明する機能説明図である。 連通部及び折曲部を設けたパイプ状部材を用いた場合の排気の流れを説明する機能説明図である。 従来の排気処理装置の構成例を示す図である。 従来の排気処理装置の酸化触媒装置、尿素水添加装置、尿素ＳＣＲ触媒装置、アンモニア酸化触媒装置の各装置における反応について説明する図である。

符号の説明

１ ディーゼル燃焼機関
２ 排気通路
２Ａ 小径の排気通路
３ 酸化触媒
４ ディーゼルパティキュレートフィルタ
５ 尿素水添加装置
５Ａ 尿素水噴射ノズル
５Ｂ 尿素水タンク
５Ｃ 供給ポンプ
６ 尿素ＳＣＲ触媒
７ アンモニア酸化触媒
１０ 大径の収容部
１１ 大径の収容部
１２ 接続部
２０ 金属触媒（金属製の構造体）
２１ 波形状部材
２３ 通路（セル）
２４ パイプ状部材
２４Ａ 切欠部
２４Ｂ 連通部
２４Ｃ 仕切板
２４Ｄ 折曲部

Claims (1)

1. 燃焼装置から排出される排気を処理する排気処理装置であって、
   排気中の特定の成分を還元して浄化する選択還元型触媒装置と、
   前記選択還元型触媒装置の排気上流側において排気に対して還元剤を添加する還元剤添加装置と、
   を備えたものにおいて、
   前記還元剤添加装置と前記選択還元型触媒装置との間に、排気通路の排気流れに略直交する断面全体に略均等に配設されると共に排気流れに沿った方向に延在される多数の通路を有する金属製の構造体を、排気通路を絞ることなく介装する一方、
   前記金属製の構造体に、選択還元型触媒が担持されると共に、
   前記金属製の構造体の多数の通路のうちの少なくとも一部の通路同士が連通され、
   前記選択還元型触媒装置が、尿素選択還元型ＮＯｘ触媒装置であり、前記還元剤添加装置の排気上流側に触媒装置若しくはパティキュレートフィルタが配設されることを特徴とする排気処理装置。