JP5962165B2

JP5962165B2 - 脱硝装置および脱硝方法

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Publication number: JP5962165B2
Application number: JP2012094397A
Authority: JP
Inventors: 武芳江口; 泰宜足利
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: JP2013221466A

Description

本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置および脱硝方法に関する。

例えば、自動車のエンジンにおいて、ガソリンや、軽油、液化石油ガス（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）等の燃料を燃焼させると、その結果生じる排気ガスには、窒素酸化物（ＮＯｘ）や粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter）が含まれることとなる。このようなＮＯｘやＰＭは、有害物質であるため、「自動車から排出される窒素酸化物及び粒子状物質の特定地域における総量の削減等に関する特別措置法」等において、排出量が規制されている。

そこで、排気ガスからＮＯｘを除去する技術として、エンジンから排出された排気ガスが通過する排気ガス配管にＮＯｘの還元を促進する脱硝触媒を備えておき、脱硝触媒の上流側にＮＯｘを還元するための還元剤（例えば、アンモニアや、還元剤の前駆体としての尿素水）を導入することで、脱硝触媒においてＮＯｘを還元する技術（選択式触媒還元（Selective Catalytic Reduction））が普及している。

また、排気ガスからＰＭを除去する技術として、排気ガス配管にＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）を備えておき、ＤＰＦにおいて排気ガスに含まれるＰＭを除去する技術が普及している。また、ＤＰＦにおけるＰＭの分解効率を向上させるために、排気ガス配管におけるＤＰＦの上流側にオゾンを導入する技術も開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２０９８５４号公報

一般的に、自動車のエンジンが排出する排気ガスに含まれるＮＯｘは、大部分をＮＯ（一酸化窒素）が占め、ＮＯ_２（二酸化窒素）はほとんど含まれない。したがって、特許文献１に示すように、ＤＰＦの上流側にオゾンを導入することにより、ＮＯをＮＯ_２に酸化することができる。

このように、ＮＯをＮＯ_２に酸化することで、ＤＰＦにおけるＰＭの分解の効率は向上するものの、脱硝触媒において問題が生じるおそれがある。具体的に説明すると、エンジンの起動時等、脱硝触媒が活性温度未満である場合、オゾンの導入によって生成されたＮＯ_２が還元剤であるアンモニア（ＮＨ_３）で還元されず、硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）が生成され、脱硝触媒に析出し固着する。

そして、エンジンが定格運転等になり、脱硝触媒の温度が上昇すると、脱硝触媒に固着した硝酸アンモニウムが熱分解して一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）が生成される。一酸化二窒素は、二酸化炭素と比較して３１０倍といった高い温暖化係数を有し、またオゾン層破壊物質でもあるため、大気に流出すると地球温暖化が進行してしまったり、オゾン層の破壊が進行してしまったりする。

本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成で、一酸化二窒素の大気への流出を防止することが可能な脱硝装置および脱硝方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の脱硝装置は、エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元を促進する第１の脱硝触媒と、エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を捕捉する捕捉部と、第１の脱硝触媒および捕捉部の上流側において、エンジンから排出された排気ガスに酸化剤を導入する酸化剤導入部と、第１の脱硝触媒の温度および捕捉部の温度を測定する温度測定部と、第１の脱硝触媒の温度が第１の脱硝触媒の活性温度未満である場合、排気ガスを捕捉部に流通させ、第１の脱硝触媒の温度が第１の脱硝触媒の活性温度以上になると、排気ガスを第１の脱硝触媒に流通させる触媒切換部と、を備えたことを特徴とする。

捕捉部および第１の脱硝触媒の上流側に設けられ、エンジンから排出された排気ガス中の粒子状物質を捕集するダスト除去器と、捕捉部を加熱する加熱部と、捕捉部が加熱されることで生成されたＮ_２Ｏをダスト除去器の上流側に導入するガス導入部と、をさらに備えるとしてもよい。

加熱部は、第１の脱硝触媒であり、第１の脱硝触媒の温度が第１の脱硝触媒の活性温度以上になり、エンジンから排出された排気ガスを第１の脱硝触媒に流通させることによって昇温された第１の脱硝触媒で捕捉部を加熱するとしてもよい。

捕捉部は、排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元を促進する第２の脱硝触媒であり、触媒切換部は、第１の脱硝触媒によって加熱されることで捕捉部の温度がＮＨ_４ＮＯ_３の分解温度以上になり、かつ、予め定められた時間が経過すると、エンジンから排出された排気ガスを、第１の脱硝触媒に流通させるとともに、捕捉部にも流通させるとしてもよい。

酸化剤は、オゾンであるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の脱硝方法は、エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元を促進する第１の脱硝触媒と、エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元を促進する第２の脱硝触媒と、第１の脱硝触媒および第２の脱硝触媒の上流側に設けられ、エンジンから排出された排気ガスに酸化剤を導入する酸化剤導入部とを用いた脱硝方法であって、第１の脱硝触媒の温度が第１の脱硝触媒の活性温度未満である場合、排気ガスを第２の脱硝触媒に流通させ、第１の脱硝触媒の温度が第１の脱硝触媒の活性温度以上になると、エンジンから排出された排気ガスを前記第１の脱硝触媒に流通させることを特徴とする。

本発明は、簡易な構成で、一酸化二窒素の大気への流出を防止することが可能となる。

脱硝システムを説明するための説明図である。第１の脱硝触媒および第２の脱硝触媒の構成例を説明するための図である。第１バルブ、第２バルブ、第３バルブ、第４バルブの開閉状態、および昇圧ポンプの稼働状態を説明するための図である。脱硝方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかる脱硝システム１００を説明するための図である。図１中、物質（排気ガス、酸化剤、還元剤）の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

図１に示すように、脱硝システム１００において、エンジン１１０（例えば、自動車に搭載されるディーゼルエンジン）から排出された排気ガスＸ１は、脱硝装置２００を通過することで、ＰＭ（粒子状物質）やＮＯｘ（窒素酸化物）が除去されて排気ガスＸ２となり、外部へ放出される。なお、自動車に搭載されるディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＮＯｘの大半をＮＯ（一酸化窒素）が占めるため、ここでは、エンジン１１０から排出される排気ガスＸ１に含まれるＮＯｘが、ほとんどＮＯである場合について説明する。

（脱硝装置２００）
本実施形態にかかる脱硝装置２００では、排気ガスＸ１に還元剤を導入し、還元剤の導入位置の下流に配した脱硝触媒で、排気ガスＸ１中のＮＯｘの還元を促進して窒素を生成する選択式触媒還元方式を採用している。

図１に示すように、脱硝装置２００は、第１排気ライン２０２と、第２排気ライン２０４と、第３排気ライン２０６と、合流ライン２０８と、ダスト除去器（ＤＰＦ）２１０と、第１の脱硝触媒２２０と、第２の脱硝触媒（捕捉部）２２２と、ＮＯｘ検出部２３０と、導入量調整部２３２と、酸化剤導入部２３４と、還元剤導入部２３６と、温度測定部２５０と、第１バルブ２６０と、第２バルブ２６２と、第３バルブ２６４と、ガス導入部２７０と、触媒切換部２８０とを含んで構成される。

第１排気ライン２０２は、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１が流通する排気路であって、後述するダスト除去器２１０が内設されている。また、第１排気ライン２０２におけるダスト除去器２１０の下流側において、第１排気ライン２０２は２つの排気路（第２排気ライン２０４、第３排気ライン２０６）に分岐されている。

第２排気ライン２０４は、後述する第１の脱硝触媒２２０が内設されており、第３排気ライン２０６は、第２排気ライン２０４と並行して設けられた排気路であって、後述する第２の脱硝触媒２２２が内設されている。

合流ライン２０８は、第２排気ライン２０４および第３排気ライン２０６を合流する排気路であって、エンジン１１０から排出され、ダスト除去器２１０によってＰＭが除去され、第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２のいずれか一方または両方によってＮＯｘが除去された排気ガスＸ２を外部に排出する。

ダスト除去器２１０は、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）とも呼ばれ、排気ガスＸ１中のＰＭを捕集する。

第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２は、バナジウム、タングステン、モリブデン等の金属またはその酸化物と酸化チタン等で構成され、排気ガスＸ１に含まれるＮＯｘの還元を促進する。本実施形態において、第１の脱硝触媒２２０は、第２排気ライン２０４に設けられ、第２の脱硝触媒２２２は、第３排気ライン２０６に設けられる。

本実施形態において、第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２は、接触して設置されており、第１の脱硝触媒２２０が第２の脱硝触媒２２２より高温である場合、第１の脱硝触媒２２０によって第２の脱硝触媒２２２が加熱されることとなる。つまり、第１の脱硝触媒２２０は第２の脱硝触媒２２２に対する加熱部として機能することとなる。

図２は、本実施形態にかかる第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２の構成例を説明するための図であり、第２排気ライン２０４および第３排気ライン２０６の鉛直断面図である。例えば、図２（ａ）に示すように、第２排気ライン２０４（第２排気ライン２０４は鉛直断面が円形の配管）が外側に、第３排気ライン２０６（第３排気ライン２０６は、鉛直断面が矩形の配管）が内側に配される二重配管としておき、第２排気ライン２０４の内側にメッシュ形状の第１の脱硝触媒２２０が配され、第３排気ライン２０６の内側にメッシュ形状の第２の脱硝触媒２２２が配される構成を採用することができる。

また、他の例として、図２（ｂ）に示すように、第２排気ライン２０４が外側に、第３排気ライン２０６が内側に配される二重配管とするとともに、第３排気ライン２０６を複数（図２（ｂ）では、２４）の配管で構成して、第１の脱硝触媒２２０の内側に第２の脱硝触媒２２２が配される構成としてもよい。

図１に戻って説明すると、ＮＯｘ検出部２３０は、第１排気ライン２０２におけるダスト除去器２１０の下流側の排気ガスＸ１のＮＯｘの濃度を検出する。

導入量調整部２３２は、ＮＯｘ検出部２３０が検出したＮＯｘの濃度に基づいて、ＮＯｘを適切に還元できるように、酸化剤導入部２３４が導入する酸化剤の量、および、還元剤導入部２３６が導入する還元剤の量を調整する。

酸化剤導入部２３４は、第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２の上流側において、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１に酸化剤を導入する。酸化剤は、例えば、オゾン（Ｏ_３）、高温の酸素（Ｏ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）であり、好ましくは、オゾンである。本実施形態では、酸化剤導入部２３４が酸化剤としてオゾンを導入する場合を例に挙げて説明する。

還元剤導入部２３６は、第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２の上流側に還元剤（ここでは、還元剤の前駆体として尿素水）を導入（噴霧）する。

ＮＯｘ検出部２３０および導入量調整部２３２を備える構成により、ＮＯｘが多いときにそのＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水を導入することが可能となる。また、排気ガスＸ１中のＮＯｘが少ないときに必要以上に尿素水を導入してしまい、第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２においてＮＨ_３（アンモニア）が酸化されずに、外部に排出してしまう事態を回避することができる。

また、第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２において、ＮＯとＮＯ_２との比が１：１である場合に、ＮＯおよびＮＯ_２の還元効率が最も高い。したがって、ＮＯｘ検出部２３０および導入量調整部２３２を備える構成により、ＮＯに対するＮＯ_２の比率が小さい場合に、そのＮＯをＮＯ_２にして、ＮＯとＮＯ_２との比を１：１にするために必要な量のオゾンを導入することが可能となる。また、詳しくは後述するが、第１状態において、硝酸アンモニウムを第２の脱硝触媒２２２に蓄積させるために、ＮＯを実質的にすべてＮＯ_２にすることができる。また、排気ガスＸ１中においてＮＯに対するＮＯ_２の比率が大きい場合に必要以上にオゾンを導入してしまい、第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２においてＮＯおよびＮＯ_２の還元効率が低下してしまう事態を回避することができる。

温度測定部２５０は、第１の脱硝触媒２２０の温度および第２の脱硝触媒２２２の温度を測定する。なお、本実施形態において、第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２は、金属で構成されているため、第１の脱硝触媒２２０の直前を流通する排気ガスＸ１の温度を第１の脱硝触媒２２０の温度とみなすことができ、また、第２の脱硝触媒２２２の直前を流通する排気ガスＸ１の温度を第２の脱硝触媒２２２の温度とみなすことができる。したがって、温度測定部２５０は、第１の脱硝触媒２２０の温度を直接測定してもよいし、第１の脱硝触媒２２０の直前を流通する排気ガスＸ１の温度を測定して第１の脱硝触媒２２０の温度とみなしてもよい。同様に、温度測定部２５０は、第２の脱硝触媒２２２の温度を直接測定してもよいし、第２の脱硝触媒２２２の直前を流通する排気ガスＸ１の温度を測定して第２の脱硝触媒２２２の温度とみなしてもよい。また温度測定部２５０は、測定した第１の脱硝触媒２２０の温度および第２の脱硝触媒２２２の温度を示す情報を、後述する触媒切換部２８０へ伝達する。

第１バルブ２６０、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４は、開閉弁である。第１バルブ２６０は第２排気ライン２０４における第１の脱硝触媒２２０の上流側に、第２バルブ２６２は第３排気ライン２０６における第２の脱硝触媒２２２の上流側に、第３バルブ２６４は、第３排気ライン２０６における第２の脱硝触媒２２２の下流側に設けられる。

第１バルブ２６０、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４は、後述する触媒切換部２８０によって開閉制御される。触媒切換部２８０による第１バルブ２６０、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４の開閉制御については、後に詳述する。

ガス導入部２７０は、返送ライン２７２と、第４バルブ２７４と、昇圧ポンプ２７６とを含んで構成され、第２の脱硝触媒２２２が加熱されることで生成されたＮ_２Ｏ（一酸化二窒素）をダスト除去器２１０の上流側に導入する。具体的に説明すると、返送ライン２７２は、第３排気ライン２０６における第２の脱硝触媒２２２と第３バルブ２６４の間と、第１排気ライン２０２におけるエンジン１１０とダスト除去器２１０の間とを接続する排気路である。第４バルブ２７４は、返送ライン２７２に設けられた開閉弁である。昇圧ポンプ２７６は、返送ライン２７２における第４バルブ２７４の下流側に設けられ、昇圧ポンプ２７６の上流側のガスを昇圧して、ダスト除去器２１０の上流側に送出する。

触媒切換部２８０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して脱硝装置２００全体を管理および制御する。本実施形態において、触媒切換部２８０は、第１バルブ２６０、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４、第４バルブ２７４、昇圧ポンプ２７６を制御する。

続いて、触媒切換部２８０による、第１バルブ２６０、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４、第４バルブ２７４、昇圧ポンプ２７６の制御について説明する。

図３は、第１バルブ２６０、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４、第４バルブ２７４の開閉状態、および昇圧ポンプ２７６の稼働状態を説明するための図である。なお、図３において、開弁を○印で、閉弁を×印で、昇圧ポンプ２７６の稼働開始を○印で、停止を×印で示す。

（初期状態）
初期状態では、酸化剤導入部２３４は、オゾンの導入を停止しており、還元剤導入部２３６は還元剤の導入を停止している。

そして、エンジン１１０が起動すると、酸化剤導入部２３４は、オゾンの導入を開始し、還元剤導入部２３６は還元剤の導入を開始する。また、触媒切換部２８０は、第１バルブ２６０、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４、第４バルブ２７４、昇圧ポンプ２７６を制御して、まず、ＮＯｘを硝酸アンモニウムとしてトラップし（第１状態）、第１の脱硝触媒２２０の温度が第１の脱硝触媒２２０の活性温度以上になったら第１の脱硝触媒２２０でＮＯｘを還元するとともに、第１状態で生成された硝酸アンモニウムを熱分解してＮ_２Ｏを生成し（第２状態）、硝酸アンモニウムの分解が終了すると、Ｎ_２Ｏをダスト除去器２１０に返送し（第３状態）、Ｎ_２Ｏの返送が終了すると、排気ガスＸ１中のＮＯｘを第１の脱硝触媒２２０に加えて第２の脱硝触媒２２２で還元する（第４状態）。以下、第１、第２、第３、第４状態について詳述する。

（第１状態）
第１の脱硝触媒２２０の温度が第１の脱硝触媒２２０の活性温度（ここでは、活性温度の下限値を単に活性温度という）未満である場合、すなわち、エンジン１１０の起動時等の排気ガスＸ１の温度が低く、排気ガスＸ１の温度が、第１の脱硝触媒２２０の活性温度（例えば、１５０℃）未満である場合、図３（ａ）に示すように、触媒切換部２８０は、第１バルブ２６０を閉、第２バルブ２６２を開、第３バルブ２６４を開、第４バルブ２７４を閉、昇圧ポンプ２７６を停止した状態にする。

そうすると、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１は、第１の脱硝触媒２２０を通過せず、ダスト除去器２１０および第２の脱硝触媒２２２を通過して外部に排出されることとなる。

続いて、第１状態における、ダスト除去器２１０および第２の脱硝触媒２２２で遂行される反応について説明する。ダスト除去器２１０では、排気ガスＸ１中のＰＭ（炭素）は分解されずダスト除去器２１０内に蓄積する。つまりダスト除去器２１０において、炭素の分解反応は遂行されない。

一方、第２の脱硝触媒２２２に導入される排気ガスＸ１には、酸化剤導入部２３４によってオゾンが導入されているため、排気ガスＸ１中のＮＯは、実質的にすべてＮＯ_２に酸化されている。また、第２の脱硝触媒２２２に導入される排気ガスＸ１には、還元剤導入部２３６によって尿素水が導入されているため、排気ガスＸ１の熱によって尿素水が分解されて生成したＮＨ_３が含まれることになる。

したがって、第２の脱硝触媒２２２では、下記反応式（１）に示す反応が進行し、硝酸アンモニウムが生成される。
２ＮＯ_２＋２ＮＨ_３＋２Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_４ＮＯ_３＋Ｈ_２ …反応式（１）
なお、第１状態（排気ガスＸ１の温度が第１の脱硝触媒２２０の活性温度未満）である場合、硝酸アンモニウムは固体として第２の脱硝触媒２２２に析出することとなる。

したがって、第１の脱硝触媒２２０の温度が第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２の活性温度未満であっても、第２の脱硝触媒２２２がＮＯｘを硝酸アンモニウムとして捕捉することができ、排気ガスＸ１中からＮＯｘを除去することが可能となる。

（第２状態）
エンジン１１０の稼働によって排気ガスＸ１の温度が上昇し、排気ガスＸ１の熱で第２の脱硝触媒２２２が加熱されると、第２の脱硝触媒２２２に接触して設置された第１の脱硝触媒２２０の温度も上昇することとなる。

そして、第１の脱硝触媒２２０の温度が活性温度以上になると、すなわち、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１の温度が第１の脱硝触媒２２０の活性温度以上になると、図３（ｂ）に示すように、触媒切換部２８０は、第１バルブ２６０を閉から開に、第２バルブ２６２および第３バルブ２６４を開から閉にする。なお、触媒切換部２８０は、第４バルブ２７４を閉状態に、昇圧ポンプ２７６を停止した状態に維持する。

そうすると、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１は、第２の脱硝触媒２２２を通過せず、ダスト除去器２１０および第１の脱硝触媒２２０を通過して外部に排出されることとなる。

続いて、第２状態における、ダスト除去器２１０、第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２で遂行される反応について説明する。第１状態と同様に、ダスト除去器２１０では、排気ガスＸ１中のＰＭは分解されずダスト除去器２１０内に蓄積する。つまりダスト除去器２１０において、炭素の分解反応は遂行されない。

一方、第１の脱硝触媒２２０では、下記反応式（２）に示す反応が進行し、ＮＯｘが還元される。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ …反応式（２）

したがって、排気ガスＸ１の温度が第１の脱硝触媒２２０の活性温度以上となると、第１の脱硝触媒２２０でＮＯｘを確実に窒素に還元することができ、排気ガスＸ１中からＮＯｘを除去することが可能となる。

また、上述したように、第１の脱硝触媒２２０の活性温度以上の排気ガスＸ１が流通することによって、第１の脱硝触媒２２０が昇温される。ここで、第２の脱硝触媒２２２は、第１の脱硝触媒２２０に接触して設置されるため、第１の脱硝触媒２２０の昇温に伴って第２の脱硝触媒２２２が加熱されることとなる。

そうすると、第２の脱硝触媒２２２では、下記反応式（３）に示す反応が進行し、Ｎ_２Ｏが生成される。
ＮＨ_４ＮＯ_３→Ｎ_２Ｏ＋２Ｈ_２Ｏ …反応式（３）
なお、上述したように、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４、第４バルブ２７４が閉状態であるため、第２の脱硝触媒２２２は、閉鎖空間となり、生成されたＮ_２Ｏが外部に流出するおそれはない。

上述したように、第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２は接触して設置されているため、別途の加熱装置を設けずとも第１の脱硝触媒２２０（加熱部）によって第２の脱硝触媒２２２を加熱することができ、第２の脱硝触媒２２２に析出した硝酸アンモニウムをＮ_２Ｏに分解することが可能となる。

（第３状態）
第１の脱硝触媒２２０によって加熱されることで、第２の脱硝触媒２２２の温度が硝酸アンモニウムの分解温度（例えば、２１０℃）以上になり、かつ、硝酸アンモニウムの分解温度以上になってから予め定められた時間が経過すると、硝酸アンモニウムからＮ_２Ｏへの分解反応が終了した（硝酸アンモニウムがすべてＮ_２Ｏに分解された）とみなし、図３（ｃ）に示すように、触媒切換部２８０は、第２バルブ２６２を閉から開に、第４バルブ２７４を閉から開に、昇圧ポンプ２７６の駆動を開始する。なお、触媒切換部２８０は、第１バルブ２６０を開状態に、第３バルブ２６４を閉状態に維持する。

そうすると、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１は、ダスト除去器２１０および第１の脱硝触媒２２０を通過して外部に排出されるとともに、第２の脱硝触媒２２２に導入され、第２状態で第２の脱硝触媒２２２において生成されたＮ_２Ｏを押し出す。押し出されたＮ_２Ｏは、昇圧ポンプ２７６によって昇圧されてダスト除去器２１０の上流側に送出されることとなる。

続いて、第３状態におけるダスト除去器２１０、第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２で遂行される反応について説明する。

上述したように、ガス導入部２７０によって、ダスト除去器２１０の上流側にＮ_２Ｏが導入されることになるため、ダスト除去器２１０では、下記反応式（４）に示す反応が進行し、ＰＭ（炭素）が分解される。
Ｃ＋２Ｎ_２Ｏ→２Ｎ_２＋ＣＯ_２ …反応式（４）

このように、硝酸アンモニウムが熱分解することによって生成されたＮ_２Ｏをダスト除去器２１０の上流側に導入することで、ダスト除去器２１０において、Ｎ_２Ｏを消費することができる。したがって、Ｎ_２Ｏの外部への排出を防止することができ、Ｎ_２Ｏによる地球温暖化の進行や、オゾン層の破壊の進行を回避することが可能となる。

また、上記反応式（４）に示すように、Ｎ_２Ｏは、ダスト除去器２１０において、ＰＭを分解することができるため、ダスト除去器２１０におけるＰＭの分解効率を向上させることが可能となる。

一方、第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２では、上記反応式（２）に示す反応が進行し、ＮＯｘが還元される。

（第４状態）
そして、第１の脱硝触媒２２０および第２の脱硝触媒２２２の温度が活性温度以上であり、第３状態を開始してから予め定められた時間が経過すると、図３（ｄ）に示すように、触媒切換部２８０は、第３バルブ２６４を閉から開に、第４バルブ２７４を開から閉に、昇圧ポンプ２７６を停止する。なお、触媒切換部２８０は、第１バルブ２６０を開状態に、第２バルブ２６２を開状態に維持する。ここで、予め定められた時間は、エンジン１１０を制御するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）が把握している排気ガスＸ１の流量に基づいて、第２の脱硝触媒２２２中のガス（一酸化二窒素を含む）が置換されるために必要な時間である。

こうすることで、第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２を用いて、排気ガスＸ１中のＮＯｘを確実に除去することが可能となる。

（脱硝方法）
図４は、本実施形態にかかる脱硝方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

図４に示すように、エンジン１１０が起動すると、酸化剤導入部２３４がオゾンの導入を開始し、還元剤導入部２３６が還元剤の導入を開始するとともに、触媒切換部２８０は、第１バルブ２６０、第２バルブ２６２、第３バルブ２６４、第４バルブ２７４、昇圧ポンプ２７６（以下、単に、バルブ類と称する）を制御して第１状態への移行処理を遂行し（Ｓ３００）、状態フラグＳＦを第１状態にセットする（Ｓ３０２）。

続いて、触媒切換部２８０は、現在の状態フラグＳＦが第１状態にセットされているかを判定し（Ｓ３０４）、第１状態にセットされていれば（Ｓ３０４におけるＹＥＳ）、温度測定部２５０が測定した第１の脱硝触媒２２０の温度Ｔ１が、第１の脱硝触媒２２０の活性温度ＴＡ以上であるかを判定する（Ｓ３０６）。温度Ｔ１が活性温度ＴＡ以上である場合（Ｓ３０６におけるＹＥＳ）、触媒切換部２８０はバルブ類を制御して第２状態への移行処理を遂行し（Ｓ３０８）、状態フラグＳＦを第２状態にセットして（Ｓ３１０）、状態判定処理Ｓ３０４へ戻る。

なお、温度Ｔ１が活性温度ＴＡ未満である場合（Ｓ３０６におけるＮＯ）、上記状態移行処理Ｓ３０８、フラグセット処理Ｓ３１０を遂行せずに状態判定処理Ｓ３０４へ戻る。

一方、状態判定処理Ｓ３０４において、第１状態にセットされていなければ（Ｓ３０４におけるＮＯ）、触媒切換部２８０は、現在の状態フラグＳＦが第２状態にセットされているかを判定し（Ｓ３２０）、第２状態にセットされていれば（Ｓ３２０におけるＹＥＳ）、温度測定部２５０が測定した第２の脱硝触媒２２２の温度Ｔ２が、活性温度ＴＡより高温である硝酸アンモニウムの分解温度ＴＢ以上であり、かつ、第１カウンタフラグＣＦ１がオフであるかを判定する（Ｓ３２２）。温度Ｔ２が分解温度ＴＢ以上であり、第１カウンタフラグＣＦ１がオフである場合（Ｓ３２２におけるＹＥＳ）、触媒切換部２８０は、第１カウンタによるカウントを開始し（Ｓ３２４）、第１カウンタフラグＣＦ１をオンにして（Ｓ３２６）、後述するカウンタ判定処理Ｓ３２８へ処理を移行する。

なお、温度Ｔ２が分解温度ＴＢ未満であるか、第１カウンタフラグＣＦ１がオンである場合（Ｓ３２２におけるＮＯ）、上記カウンタ開始処理Ｓ３２４、フラグオン処理Ｓ３２６を遂行せずにカウンタ判定処理Ｓ３２８へ処理を移行する。

そして、第１カウンタがカウントした時間が、硝酸アンモニウムからＮ_２Ｏへの分解反応が終了したと推測される予め定められた時間（第１時間）を経過したかを判定し（Ｓ３２８）、経過していれば（Ｓ３２８におけるＹＥＳ）、触媒切換部２８０はバルブ類を制御して第３状態への移行処理を遂行し（Ｓ３３０）、状態フラグＳＦを第３状態にセットする（Ｓ３３２）。また、触媒切換部２８０は、第１カウンタをリセットし（Ｓ３３４）、第１カウンタフラグＣＦ１をオフにして（Ｓ３３６）、状態判定処理Ｓ３０４へ戻る。

なお、第１カウンタがカウントした時間が第１時間を経過していなければ（Ｓ３２８におけるＮＯ）、上記状態移行処理Ｓ３３０、フラグセット処理Ｓ３３２、リセット処理Ｓ３３４、フラグオフ処理Ｓ３３６を遂行せずに状態判定処理Ｓ３０４へ戻る。

一方、状態判定処理Ｓ３２０において、第２状態にセットされていなければ（Ｓ３２０におけるＮＯ）、触媒切換部２８０は、現在の状態フラグＳＦが第３状態にセットされているかを判定し（Ｓ３４０）、第３状態にセットされていれば（Ｓ３４０におけるＹＥＳ）、温度測定部２５０が測定した温度Ｔ１、温度Ｔ２が、活性温度ＴＡ以上であり、かつ、第２カウンタフラグＣＦ２がオフであるかを判定する（Ｓ３４２）。温度Ｔ１、温度Ｔ２が活性温度ＴＡ以上であり、第２カウンタフラグＣＦ２がオフである場合（Ｓ３４２におけるＹＥＳ）、触媒切換部２８０は、第２カウンタによるカウントを開始し（Ｓ３４４）、第２カウンタフラグＣＦ２をオンにして（Ｓ３４６）、後述するカウンタ判定処理Ｓ３４８へ処理を移行する。

なお、温度Ｔ１、温度Ｔ２の少なくともいずれかが活性温度ＴＡ未満であるか、第２カウンタフラグＣＦ２がオンである場合（Ｓ３４２におけるＮＯ）、上記カウンタ開始処理Ｓ３４４、フラグオン処理Ｓ３４６を遂行せずにカウンタ判定処理Ｓ３４８へ処理を移行する。

そして、第２カウンタがカウントした時間が、第２の脱硝触媒２２２中のガスが置換されるために必要な時間（第２時間）を経過したかを判定し（Ｓ３４８）、経過していれば（Ｓ３４８におけるＹＥＳ）、触媒切換部２８０はバルブ類を制御して第４状態への移行処理を遂行し（Ｓ３５０）、状態フラグＳＦを第４状態にセットする（Ｓ３５２）。また、触媒切換部２８０は、第２カウンタをリセットし（Ｓ３５４）、第２カウンタフラグＣＦ２をオフにして（Ｓ３５６）、状態判定処理Ｓ３０４へ戻る。

なお、第２カウンタがカウントした時間が第２時間を経過していなければ（Ｓ３４８におけるＮＯ）、上記状態移行処理Ｓ３５０、フラグセット処理Ｓ３５２、リセット処理Ｓ３５４、フラグオフ処理Ｓ３５６を遂行せずに状態判定処理Ｓ３０４へ戻る。

また、状態判定処理Ｓ３４０において、第３状態にセットされていなければ、すなわち、状態フラグＳＦが第４状態にセットされていれば（Ｓ３４０におけるＮＯ）、状態判定処理Ｓ３０４からの処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態にかかる脱硝装置２００およびこれを用いた脱硝方法によれば、排気ガスＸ１（第１の脱硝触媒２２０）の温度が活性温度未満である場合は、排気ガスＸ１を第２の脱硝触媒２２２に流通させて、第２の脱硝触媒２２２においてＮＯｘを硝酸アンモニウムとして捕捉する。これにより、排気ガスＸ１が活性温度未満であっても排気ガスＸ１から確実にＮＯｘを除去することが可能となる。

また、エンジン１１０が稼働し、排気ガスＸ１の温度が活性温度以上になると、排気ガスＸ１の流通先を第２の脱硝触媒２２２から第１の脱硝触媒２２０に切り換えるため、第１の脱硝触媒２２０において確実にＮＯｘを除去することができる。また、この際、第２の脱硝触媒２２２へ排気ガスＸ１が送出されなくなるため、排気ガスＸ１の熱によって、第２の脱硝触媒２２２に捕捉された硝酸アンモニウムがＮ_２Ｏに分解されて外部に放出されることがない。

さらに、第２バルブ２６２および第３バルブ２６４を閉状態として、第１の脱硝触媒２２０によって第２の脱硝触媒２２２が加熱されるため、Ｎ_２Ｏが外部へ放出されることがない。

また、第１の脱硝触媒２２０によって第２の脱硝触媒２２２が加熱されることで生成されたＮ_２Ｏをダスト除去器２１０で利用することで、ダスト除去器２１０におけるＰＭの分解効率を向上することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、捕捉部を第２の脱硝触媒２２２で構成する場合を例に挙げて説明したが、捕捉部は、硝酸アンモニウムを捕捉（トラップ）できればよく、脱硝触媒としての機能を有していなくともよい。また捕捉部を加熱して、ダスト除去器２１０に返送しなくてもよく、捕捉部を加熱せずに、硝酸アンモニウムとして蓄積させておき、蓄積の許容量を超える前に、捕捉部を取り外して洗浄したり、新たな捕捉部に交換したりしてもよい。

また、上述した実施形態では、第２の脱硝触媒２２２は第１の脱硝触媒２２０によって直接加熱される構成について説明したが、第１の脱硝触媒２２０の熱を回収して、第２の脱硝触媒２２２を加熱する熱交換器で第２の脱硝触媒２２２を加熱してもよいし、ヒータ等で加熱してもよい。

また、上述した実施形態では、脱硝装置２００が酸化剤導入部２３４を備える構成について説明したが、第１の脱硝触媒２２０および捕捉部の上流側でＮＯをＮＯ_２に酸化できれば足り、酸化剤導入部２３４に代えて、または、加えて、排気ガスＸ１の酸化を促進する酸化触媒を第１の脱硝触媒２２０および捕捉部の上流側に設けてもよい。

また、酸化剤導入部２３４は、少なくとも第１の脱硝触媒２２０、第２の脱硝触媒２２２の上流側に酸化剤を導入すればよく、ダスト除去器２１０の上流側に酸化剤を導入して、ダスト除去器２１０におけるＰＭの分解効率を向上させることもできる。

また、ダスト除去器２１０にヒータ等を設置しておき、上述した第４状態において、ＰＭを熱分解してもよい。

なお、本明細書の脱硝方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置および脱硝方法に利用することができる。

１１０ …エンジン
２００ …脱硝装置
２１０ …ダスト除去器
２２０ …第１の脱硝触媒（加熱部）
２２２ …第２の脱硝触媒（捕捉部）
２３４ …酸化剤導入部
２３６ …還元剤導入部
２５０ …温度測定部
２７０ …ガス導入部
２８０ …触媒切換部

Claims

エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元を促進する第１の脱硝触媒と、
前記エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を捕捉する捕捉部と、
前記第１の脱硝触媒および前記捕捉部の上流側において、前記エンジンから排出された排気ガスに酸化剤を導入する酸化剤導入部と、
前記第１の脱硝触媒の温度および前記捕捉部の温度を測定する温度測定部と、
前記第１の脱硝触媒の温度が前記第１の脱硝触媒の活性温度未満である場合、該排気ガスを前記捕捉部に流通させ、前記第１の脱硝触媒の温度が前記第１の脱硝触媒の活性温度以上になると、該排気ガスを前記第１の脱硝触媒に流通させる触媒切換部と、
を備えたことを特徴とする脱硝装置。
前記捕捉部および前記第１の脱硝触媒の上流側に設けられ、前記エンジンから排出された排気ガス中の粒子状物質を捕集するダスト除去器と、
前記捕捉部を加熱する加熱部と、
前記捕捉部が加熱されることで生成されたＮ_２Ｏを前記ダスト除去器の上流側に導入するガス導入部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。
前記加熱部は、前記第１の脱硝触媒であり、
前記第１の脱硝触媒の温度が前記第１の脱硝触媒の活性温度以上になり、前記エンジンから排出された排気ガスを前記第１の脱硝触媒に流通させることによって昇温された該第１の脱硝触媒で前記捕捉部を加熱することを特徴とする請求項２に記載の脱硝装置。
前記捕捉部は、前記排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元を促進する第２の脱硝触媒であり、
前記触媒切換部は、前記第１の脱硝触媒によって加熱されることで前記捕捉部の温度がＮＨ_４ＮＯ_３の分解温度以上になり、かつ、予め定められた時間が経過すると、前記エンジンから排出された排気ガスを、前記第１の脱硝触媒に流通させるとともに、該捕捉部にも流通させることを特徴とする請求項３に記載の脱硝装置。
前記酸化剤は、オゾンであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の脱硝装置。
エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元を促進する第１の脱硝触媒と、該エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物の還元を促進する第２の脱硝触媒と、該第１の脱硝触媒および該第２の脱硝触媒の上流側に設けられ、該エンジンから排出された排気ガスに酸化剤を導入する酸化剤導入部とを用いた脱硝方法であって、
前記第１の脱硝触媒の温度が前記第１の脱硝触媒の活性温度未満である場合、該排気ガスを前記第２の脱硝触媒に流通させ、
前記第１の脱硝触媒の温度が前記第１の脱硝触媒の活性温度以上になると、前記エンジンから排出された排気ガスを前記第１の脱硝触媒に流通させることを特徴とする脱硝方法。