JP6119426B2 - Urea SCR system - Google Patents
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Description
本発明は、ディーゼル排ガスの後処理としての尿素SCRシステムに係り、特に、高温域でのNOxの浄化率を向上させることができる尿素SCRシステムに関するものである。 The present invention relates to a urea SCR system as a post-treatment of diesel exhaust gas, and more particularly to a urea SCR system capable of improving the NOx purification rate in a high temperature range.
ディーゼル排ガスに含まれるNOx(窒素酸化物)を無害化する装置の1つとして、尿素SCR(Selective Catalytic Reduction;以下SCRと略記)が実用化されている。 As one device for detoxifying NOx (nitrogen oxide) contained in diesel exhaust gas, urea SCR (Selective Catalytic Reduction; hereinafter abbreviated as SCR) has been put into practical use.
図4は、SCRを用いたディーゼル排ガスの後処理システムを示したものである。ディーゼル排ガスの後処理システムは、ディーゼルエンジンの排気管10に、DOC(酸化触媒)11、DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)12、SCR13が順に接続され、そのSCR13の上流側に尿素噴射ノズル14を設けて構成される。
FIG. 4 shows an aftertreatment system for diesel exhaust gas using SCR. In a diesel exhaust gas aftertreatment system, a DOC (oxidation catalyst) 11, a DPF (diesel particulate filter) 12, and an
ディーゼルエンジンからの排ガスは、DOC11内で、排ガス中の未燃焼燃料(HC)や、一酸化炭素(CO)等が酸化された後、排ガス中のPM(パティキュレートマター)がDPF12で捕集される。次に、排ガスがSCR13に流入する際、SCR13の入口側の尿素噴射ノズル14から噴射された尿素水が、排ガスの熱で加水分解されてアンモニアとなり、そのアンモニアと排ガス中のNOxとが、SCR13内のSCR触媒で、反応して窒素と水とに還元されて無害化されてテールパイプから排気される。
The exhaust gas from the diesel engine is oxidized in the
またDPF12で捕集したPMが一定量堆積したときは、堆積したPMを除去すべくDPF12を強制再生することが行われている。DPF12の再生は、多段噴射、ポスト噴射、排気管噴射等を行い、排ガス中の燃料(HC)をDOC11で酸化燃焼させて排ガス温度を500℃以上に上げ、DPF12に堆積したPMを燃焼除去するものである。
When a certain amount of PM collected by the DPF 12 is deposited, the DPF 12 is forcibly regenerated to remove the accumulated PM. For regeneration of the DPF 12, multistage injection, post injection, exhaust pipe injection, etc. are performed, and the fuel (HC) in the exhaust gas is oxidized and burned by the
この尿素SCRシステムにおいては、排ガスの温度が、低温(150℃)から高温(600℃)まで広範囲の温度でNOx浄化率の向上が求められている。 In this urea SCR system, it is required to improve the NOx purification rate in a wide range of exhaust gas temperatures from a low temperature (150 ° C.) to a high temperature (600 ° C.).
しかし、尿素の分解(融点)温度は、132.7℃であり、排ガス温度が低温域では、尿素の加水分解反応が促進しないため、SCRの前段に尿素加水分解触媒を配設し、排ガス温度が低温(100〜150℃)でも尿素の加水分解反応を促進させて尿素からアンモニアの生成率を高めたり(特許文献1)、また特許文献2に提案されるように、SCR触媒の担体に、直接尿素水を送液して浸透させることで、加水分解を促進させる(特許文献2)ことが提案されている。
However, since the decomposition (melting point) temperature of urea is 132.7 ° C., and the exhaust gas temperature is low, urea hydrolysis reaction is not accelerated. Therefore, a urea hydrolysis catalyst is disposed in front of the SCR, and the exhaust gas temperature is Promotes the hydrolysis reaction of urea to increase the production rate of ammonia from urea even at low temperatures (100 to 150 ° C.) (Patent Document 1), and as proposed in
また、DPF再生時など排ガス温度が高温(500℃以上)のときには、SCR触媒へのアンモニアストレージ量が低下するためNOx浄化率が悪くなる。そこで、DPF再生時のアンモニアスリップを防止するために、尿素水の噴射を制御する(特許文献3)ことが提案されている。 Further, when the exhaust gas temperature is high (500 ° C. or higher), such as during DPF regeneration, the amount of ammonia stored in the SCR catalyst decreases, so the NOx purification rate becomes worse. Therefore, in order to prevent ammonia slip during DPF regeneration, it has been proposed to control urea water injection (Patent Document 3).
しかしながら、このDPF再生時の高温域では、NOx浄化が十分に行われない問題がある。 However, there is a problem that NOx purification is not sufficiently performed in a high temperature region during the regeneration of the DPF.
そこで、高温域で触媒活性のあるSCR触媒の開発がなされているが、現状では、触媒種を選定しても500℃以上でNOx浄化率を向上させるSCR触媒は得られていない。 Thus, although an SCR catalyst having catalytic activity in a high temperature range has been developed, at present, an SCR catalyst that improves the NOx purification rate at 500 ° C. or higher has not been obtained even if a catalyst type is selected.
従って従来は、SCRの断面積を大きくして、排ガスの線速度下げるなど、排ガスとSCR触媒の接触確率を向上させて対応しているが、高温域でのNOx浄化率を向上させるものではなく、装置の大型化が避けられない問題がある。 Therefore, conventionally, the SCR cross-sectional area is increased and the linear velocity of the exhaust gas is reduced to improve the contact probability between the exhaust gas and the SCR catalyst. However, this does not improve the NOx purification rate in the high temperature range. There is a problem that an increase in the size of the apparatus cannot be avoided.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高温域でのNOx浄化率を向上できる尿素SCRシステムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a urea SCR system capable of solving the above-described problems and improving the NOx purification rate in a high temperature range.
上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に、DOC、DPF、SCRを接続し、SCRの上流側に尿素噴射ノズルを設けた尿素SCRシステムにおいて、SCRの下流側にアンモニアを改質するアンモニア改質触媒を設け、排ガスが低温のときに前記SCR内でNOxを浄化し、排ガスが高温のとき、アンモニア改質触媒で未反応アンモニアを改質して水素を生成し、その水素でNOxを浄化することを特徴とする尿素SCRシステムである。 In order to achieve the above object, according to the present invention, in a urea SCR system in which a DOC, DPF, and SCR are connected to an exhaust pipe of an engine and a urea injection nozzle is provided on the upstream side of the SCR, ammonia is modified on the downstream side of the SCR. When the exhaust gas is cold, NOx is purified in the SCR. When the exhaust gas is hot, unreacted ammonia is reformed by the ammonia reforming catalyst to generate hydrogen. This is a urea SCR system characterized by purifying NOx.
前記アンモニア改質触媒は、担体に、アンモニアを窒素と水素に分解するアンモニア分解触媒と、排ガス中の酸素とCOとを反応させるCO酸化触媒とが担持され、そのCO酸化触媒で、排ガス中の酸素とCOとを反応させてCO2とし、その雰囲気でアンモニア分解触媒が、未反応アンモニアを分解して水素を生成させるのが好ましい。 In the ammonia reforming catalyst, an ammonia decomposition catalyst for decomposing ammonia into nitrogen and hydrogen and a CO oxidation catalyst for reacting oxygen and CO in the exhaust gas are supported on the carrier. It is preferable that oxygen and CO are reacted to form CO 2, and in that atmosphere, an ammonia decomposition catalyst decomposes unreacted ammonia to generate hydrogen.
前記アンモニア改質触媒は、アルミナからなる担体に、アンモニア分解触媒としてのNi又はRuイオンを含浸させた後、乾燥し、さらにその担体に、CO酸化触媒としての貴金属イオンを含浸させた後、これを乾燥し、焼成して形成されるのが好ましい。 The ammonia reforming catalyst is obtained by impregnating a support made of alumina with Ni or Ru ions as an ammonia decomposition catalyst, and then drying, and further impregnating the support with noble metal ions as a CO oxidation catalyst. Is preferably formed by drying and baking.
DPFにPMが堆積したとき、ポスト噴射又は排気管噴射を行って、排ガス温度を上昇させてDPFを再生させ、その再生中に、酸素濃度に応じたCOをDPFで生成し、CO酸化触媒で排ガス中の酸素とCOとを反応させ、アンモニア分解触媒で、未反応アンモニアを分解して水素を生成させてNOxを浄化するのが好ましい。 When PM accumulates in the DPF, post injection or exhaust pipe injection is performed to raise the exhaust gas temperature to regenerate the DPF. During the regeneration, CO corresponding to the oxygen concentration is generated in the DPF, and the CO oxidation catalyst It is preferable to purify NOx by reacting oxygen in the exhaust gas with CO, and decomposing unreacted ammonia with an ammonia decomposition catalyst to generate hydrogen.
本発明は、SCRでNOxを浄化するにおいて、DPF再生時など排ガスが高温域になっても排ガス中のNOxを除去できるという優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits an excellent effect that, when purifying NOx with SCR, NOx in the exhaust gas can be removed even when the exhaust gas reaches a high temperature range such as during DPF regeneration.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の尿素SCRシステムの装置の要部概略図を示したもので、基本構成は図4で説明したディーゼル排ガスの後処理システムと同じであり、機能が同じものは同一符号を付して説明する。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a main part of the apparatus of the urea SCR system of the present invention, the basic configuration is the same as the diesel exhaust gas aftertreatment system described in FIG. 4, and the same functions are denoted by the same reference numerals. A description will be given.
図1において、ディーゼルエンジンの排気管10には、DOC(酸化触媒)11、DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)12、SCR13が順に接続され、そのSCR13の上流側の排気管10内に尿素噴射ノズル14が設けられてディーゼル排ガスの後処理システムが構成される。
In FIG. 1, a DOC (oxidation catalyst) 11, a DPF (diesel particulate filter) 12, and an
本発明においては、SCR13の下流側にアンモニアを改質するアンモニア改質触媒15を設けたものである。またアンモニア改質触媒15の下流側には、排ガス中に残った未反応のアンモニアを酸化するためのアンモニアスリップ触媒(酸化触媒)16が設けられる。
In the present invention, an
アンモニア改質触媒15は、図2に示すように基材20にアルミナ等の担体21を保持し、その担体21に、アンモニア分解触媒22を担持させた後、そのアンモニア分解触媒22上にCO酸化触媒23を担持させたものである。
As shown in FIG. 2, the
すなわち、セラミックスでハニカム状に形成した基材20の流路18となる面に担体21としてのアルミナを保持し、そのアルミナに、Ni又はRu等の金属イオンを含浸させた後、乾燥し、さらに、そのアルミナに貴金属イオンを含浸させた後、これを乾燥し、焼成することで、基材20の各流路18の内面に、アンモニア分解触媒22とCO酸化触媒23が担持されアンモニア改質触媒15とされる。
That is, alumina serving as the
このように、本発明は、従来のSCRに、アンモニアの改質を合わせた構造とすることで、排ガスが低温域のときには、SCR13により、排ガス中のNOxを、尿素の加水分解で生成したアンモニアで除去し、DPF12の再生時など、排ガス温度が500℃以上の高温域では、SCR13でのNOx浄化率が落ちるため、アンモニア改質触媒15で、SCR13で未反応のアンモニアを水素と窒素に分解し、その水素で、NOxを除去するものである。これにより低温域から高温域まで高効率でNOxを浄化することが可能となる。
As described above, the present invention has a structure in which the reforming of ammonia is combined with the conventional SCR, so that when the exhaust gas is in a low temperature range, the
このアンモニアの改質は、排ガス温度が500℃以上から反応が活発になるので、従来の尿素SCRと反応が競合することはない。 In this ammonia reforming, the reaction becomes active from an exhaust gas temperature of 500 ° C. or higher, so that the reaction does not compete with the conventional urea SCR.
アンモニア分解触媒22によるアンモニアの改質(分解)は、
2NH3→N2+3H2
の反応である。
The reforming (decomposition) of ammonia by the
2NH 3 → N 2 + 3H 2
It is reaction of.
このH2を用いて、排ガス中のNOxを、
NOx+H2→N2+H2O
の反応で浄化する。
Using this H 2 , NOx in the exhaust gas is
NOx + H 2 → N 2 + H 2 O
Purify by the reaction.
排ガス中の酸素がリッチなると酸化雰囲気となるため、これらの反応が進みにくくなるので、EGR(排気再循環)にて排ガス中の酸素濃度を低くする。しかし、それでも酸素濃度が高いときには、CO酸化触媒23にて、
2CO+O2→2CO2
の反応で、上記の反応の前にO2を、COと反応させてCO2を生成させておく。
When oxygen in the exhaust gas becomes rich, an oxidizing atmosphere is created, and these reactions are difficult to proceed. Therefore, the oxygen concentration in the exhaust gas is lowered by EGR (exhaust gas recirculation). However, when the oxygen concentration is still high, the
2CO + O 2 → 2CO 2
In this reaction, before the above reaction, O 2 is reacted with CO to produce CO 2 .
なお、ポスト噴射や排気管噴射で、排ガス中に生じたHCは、すでに500℃以上であり、これらの反応には影響しない。 In addition, HC generated in the exhaust gas by the post injection or the exhaust pipe injection is already 500 ° C. or higher and does not affect these reactions.
図4は、本発明の尿素SCRシステムと従来の尿素SCRシステムにおけるSCR入口温度に対するNOx浄化率を比較したものである。 FIG. 4 compares the NOx purification rate with respect to the SCR inlet temperature in the urea SCR system of the present invention and the conventional urea SCR system.
従来の尿素SCRシステムでは、点線の曲線bで示したように、NOx浄化率は、温度が200℃以上で、NOx浄化率が100%近くに上昇し、450℃以上となるとその浄化率が急減に落ちる特性となる。これに対して本発明の尿素SCRシステムでは、SCRで未反応で残ったアンモニアをアンモニア改質触媒が改質して、水素と窒素に分解し、その改質で生じた水素で、NOxを浄化するため800℃の高温域でもNOx浄化率を略90%に保つことができる。 In the conventional urea SCR system, as indicated by the dotted curve b, the NOx purification rate increases to nearly 100% when the temperature is 200 ° C. or higher, and when the temperature is 450 ° C. or higher, the purification rate sharply decreases. It becomes the characteristic that falls. On the other hand, in the urea SCR system of the present invention, ammonia remaining unreacted in the SCR is reformed by the ammonia reforming catalyst, decomposed into hydrogen and nitrogen, and NOx is purified by the hydrogen generated by the reforming. Therefore, the NOx purification rate can be maintained at approximately 90% even in a high temperature range of 800 ° C.
10 排気管
11 DOC
12 DPF
13 SCR
14 尿素噴射ノズル
15 アンモニア改質触媒
10
12 DPF
13 SCR
14
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