JP6817693B2 - 内燃機関または工業用ガスタービンの燃焼排ガスから固体成分を除去するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関または工業用ガスタービンの燃焼排ガスから固体成分を除去するための装置に関し、当該装置は請求項１のおいて書き部に記載の金属粒子を有する構造体を有している。

内燃機関の燃焼排ガスから微粒子フィルタを用いて固体を除去することは、例えば自動車分野から知られている。発電所において、燃焼排ガスをクリーニングするためにフェルト状のフィルタ構造体を用いることもすでに知られており、当該フィルタ構造体は圧力空気を用いて定期的にクリーニングされ、それにより、フィルタ構造体に過剰な濾過ケークが形成されることにより、圧力損失が高められるのを防止する。このために用いられるフィルタ材料は通常、２２０℃から２５０℃までの範囲における耐熱性を有する一方で、発電所技術において用いられることが増大している内燃機関の排ガス温度は３８０℃から４００℃までの範囲にあり、発電所技術において同様に用いられる工業用ガスタービンの排ガス温度は５００℃から６００℃までの範囲にある。

従来用いられているフィルタ構造体は、内燃機関および工業用ガスタービンの上記の温度領域において使用するには不適当である。従ってすでに高温ガス濾過のための、焼結フィルタまたは金属フォームフィルタの形でのフィルタ構造体が知られているが、当該フィルタ構造体の分離効率は、フィルタによって作り出される圧力損失に対する比率において不都合であり、当該フィルタ構造体の製造にはコストが嵩む。

特許文献１に基づいてすでに、縦方向に向けられた金属繊維の形での金属粒子を有するフィルタが知られており、当該フィルタはディーゼルエンジンの排ガスから煤粒子を分離するために用いられる。

独国特許出願公開第１１２００８００３１５２号明細書

本発明は、内燃機関または工業用ガスタービンの燃焼排ガスから固体成分を除去するための装置を創出することを課題とし、当該装置は金属粒子を有するとともに廉価に製造され得、当該装置のフィルタ面は排ガスのさらなる処理を行うために表面処理され得、当該装置は同時に発電所技術において用いられるような現代のエンジンおよび工業用ガスタービンに対する温度安定性を満たしている。本発明に係る装置に表面処理を行うための方法も、創出されなければならない。

本発明は装置に関する上記の課題を解決するために、請求項１に記載の特徴を有している。当該特徴の有利な構成は、さらなる請求項に記載されている。本発明はさらに、請求項６に記載されたフェルト状またはフェルトに類似した金属構造体と、請求項７に記載された、フェルト状またはフェルトに類似した金属構造体の表面処理を行うための方法とを創出する。

本発明は内燃機関または工業用ガスタービンの燃焼排ガスから固体成分を除去するための装置を創出し、当該装置は金属粒子を有する構造体を有しており、金属粒子は結合されてフェルト状またはフェルトに類似した金属構造体となっており、平坦な支持部構造体に設けられている。

フェルト状またはフェルトに類似した金属構造体という概念で表現されるのは、本発明に係る装置の金属粒子が互いに方向性を有さない構成で設けられていることであり、それにより、装置によって必要とされる取り付け容積に対して、燃焼排ガス濾過のために提供される大きな表面が実現される。さらにこれにより、金属構造体を形成するために必要とされる金属粒子は、特殊な製造ステップを用いて互いに方向づけられた位置に設けられる必要がなく、それは製造コストを減少させ、さらに金属粒子を用いることにより、本発明に係る装置が工業用ガスタービンの排ガス温度領域に持続的に耐えることが実現される。

本発明のさらなる構成によれば、金属構造体が非対称に形成されており、金属粒子が概ね支持部構造体の被覆面に設けられていることが行われている。既知のフィルタ構造体ではフィルタ不織布は二つの被覆層の間に設けられ、当該被覆層はフィルタ不織布を保護するとともに、不織布から材料が制御されない状態で流出するのを防ぐことに役立つ。本発明に係る装置において支持部構造体は一方の面にのみ設けられており、それにより金属構造体の非対称な構成が生じる。フェルト状の金属複合構造体から金属粒子が制御されずに流出することは、個々の粒子が互いに大きな固着力を有しているがゆえに懸念すべきではないという理由による。

すなわち金属構造体は例えばマット状物体として、マットの一の被覆面に接した支持部構造体を有して形成され得、このように形成されたマット状物体は、管体形状で燃焼排ガスを通過させる導管を囲繞し得、それにより燃焼排ガスは径方向にマット状構造体に入り込み得、フェルト状の金属粒子間の中空空間において固体成分が蓄積し得る。非対称の構成により、中空空間が径方向外側に向かって小さくなり、燃焼排ガス自体は通過できるが、燃焼排ガスに含まれる固体成分は金属構造体内に保持されることが実現される。

非対称の構造を実現するために、本発明のさらなる構成では、金属構造体のパッキング密度が支持部構造体に向かって減少することが行われている。このときパッキング密度とは、金属構造体の単位容積あたりの金属粒子の数であると理解される。単位容積あたりの金属粒子の数が大きいことは、粒子間に存在する中空空間の容積が小さく、従って燃焼排ガスからの固体成分が通過するために利用される面積が小さいことを確実にし、金属粒子の数が小さいことは、中空空間が大きく、従って金属構造体への固体成分の進入深さが大きいことを確実にする。固体成分は従って支持部構造体から、フェルト状またはフェルトに類似した金属構造体に進入することはできるが、当該金属構造体を通過することはできない。

このとき本発明のさらなる構成によれば、金属構造体が金属の糸および／または繊維を有することが行われている。糸および／または繊維は異なる長さと異なる直径を有し得、それにより上記のパッキング密度は目標を定めて制御され得る。すなわち例えば、比較的大きな直径を有する糸および／または繊維は、比較的小さな直径を有する糸および／または繊維よりも、支持部構造体により近く設けられている。

本発明のさらなる構成によればまた、金属構造体が非金属の糸および／または繊維を有することが行われており、当該非金属の糸および／または繊維は、例えばセラミック成分または石英成分を有する糸および／または繊維であってよく、それにより単位容積あたりの金属構造体の質量も同様に目標を定めて制御され得る。

本発明はまた、フェルト状またはフェルトに類似した金属構造体を製造するための方法であって、金属の繊維および／または糸を熱により焼結させるステップを含む方法を創出する。熱による焼結により、繊維および／または糸は、当該繊維および／または糸が接触する点において互いの結合を生じさせ、そのようにして機械的な負荷をかけられる構造体が作り出され、当該構造体においては糸および／または繊維が当該構造体から外れる危険は低減されており、それにより金属構造体の二つの被覆面において被覆層を設ける必要性はなくなっている。

また前記の方法のさらなる構成によれば、ガルバニック析出を用いて金属構造体にコーティングを行うこと、および／または物理的蒸着を用いて金属構造体にコーティングを行うことにより、フェルト状またはフェルトに類似した金属構造体において表面処理を実施することが行われている。

これにより例えば金属構造体の触媒コーティングが実現され得、それにより金属構造体は燃焼排ガスから粒子を分離することに適しているだけでなく、例えば燃焼排ガス内の窒素酸化物の酸化あるいは還元により、燃焼排ガスを後処理することにも適している。

また本発明に係る方法のさらなる構成によれば、金属構造体を形成するために、異なる断面積を有する糸および／または繊維が用いられることが行われる。すなわち例えば、金属構造体を形成するために、断面で見て十字形または台形に形成された糸および／または繊維を用いることが可能である。異なる断面積を用いることには、それにより、金属構造体が熱による焼結工程によって固定される前にすでに、個々に異なるように形成された繊維および／または糸の良好な接着が実現され得るという有利点がある。異なる断面積ゆえに、繊維および／または糸は互いにかみ合い、それによりすでにそれ自体堅固な構造体が実現され得るためである。

また本発明に係る方法のさらなる構成によれば、伸長された形状とは異なる形状を有する繊維および／または糸が用いられることが行われる。すなわち例えば金属構造体を形成するために、コルクスクリューに似た、螺旋状または捩じられた繊維および／または糸が用いられ得る。当該形状は、個々の繊維および／または糸が互いにかみ合い、それにより堅固な構造体を形成することを確実にする。

また本発明に係る方法のさらなる構成によれば、金属構造体を形成するために、平面的な外部輪郭とは異なる外部輪郭を有する繊維および／または糸が用いられることが行われる。繊維および／または糸は例えば、外部輪郭において薄片を備えているか、あるいは多孔質の構造を有していてよい。このような構成は、平面的な繊維および／または糸から形成される金属構造体の表面に比べて、金属構造体の表面が著しく増大し、それにより分離される固体成分の堆積に利用される受容面が増大することを確実にする。

本発明は最終的に、前記において説明されたような装置と、内燃機関と結合された触媒装置を有する内燃機関であって、前記装置が内燃機関の下流であって触媒装置の上流に設けられていることを特徴とする内燃機関を創出する。

これにより本発明に係る装置は、排ガス経路において流体技術的に最初の装置として、内燃機関の燃焼排ガスが供給され得、それにより触媒装置に対して、大量の固体成分を有する燃料ガスが供給されることが防止され得る。このような構成は、当該触媒が、既知の方法で内燃機関に対して流体技術的に直接的に接続して設けられている触媒よりも小さく形成され得ることを確実にする。

以下において図面に基づいて本発明をより詳しく説明する。図面に示すのは以下の通りである。

本発明に係る実施の形態のフェルト状の金属構造体の部分を示す図である。 図１の部分「Ａ」を拡大して表示する図である。 金属構造体を形成するための異なる繊維および／または糸を表示する図である。 本発明に係るさらなる実施の形態のフェルト状の金属構造体の部分を示す図である。 本発明に係る装置と、触媒と、熱交換器と、燃焼排ガス排出口とを有する排ガス経路が接続された内燃機関の構造を概略的に表示する図である。

図面の図１は、本発明に係る実施の形態による金属構造体の部分であって、図面の図２に基づいて拡大され、より詳しく表示された部分「Ａ」を有する部分を示している。

金属構造体１は支持部構造体２を有しており、当該支持部構造体は例えば温度安定性を有する平坦な織物であってよい。当該支持部構造体は例えば、補強ワイヤ４を備える金属メッシュなどであってよい。

図面の平面において支持部構造体の左側には、非対称の繊維構造体３が設けられており、当該繊維構造体は、支持部構造体２に向かって減少するパッキング密度を有している。パッキング密度は、支持部構造体２からの距離が最大である領域において、最も大きい。すなわち、当該領域に存在する中空空間は最も小さく形成される一方、当該中空空間は支持部構造体２に向かって増大するように形成されている。

繊維構造体３はフェルトに類似するように形成された構造を有しており、当該構造は図面の図２に基づいてより詳しく理解される。当該構造は特に、繊維がランダムに設けられており、それぞれ互いに目標を定めた向きを有して展開しないことを特徴とする。

図２において拡大表示されている部分「Ａ」は、多数の金属繊維５を示しており、当該金属繊維は互いにランダムに展開する向きで設けられており、拡大して表示された結合点６において接触し、当該結合点において熱による焼結過程を用いて互いに固定され、それによりこのように形成された繊維構造体３は、続いて例えば機械的変形過程によってさらに加工され得、例えば圧縮され得る。これにより、金属構造体１のパッキング密度も制御された状態で影響される。

さらに繊維構造体３はまた、触媒コーティングを用いて処理されており、それにより図５に表示される内燃機関７の燃焼排ガスから固体成分を分離することのほかに、例えば窒素酸化物の還元または酸化による、燃焼排ガスのさらなる処理が可能である。

図３は、本発明に係る金属構造体を形成するために使用可能な、金属材料から成る繊維および／または糸の、多数の可能な形状を示している。

容易に見てとれるように、糸８は平坦な外部輪郭を有する長く伸長された形状を有し得、断面において円板形状に形成されていてよい。代替的または付加的に、螺旋に類似して形成された糸９が用いられ得、当該糸は断面で見ると平坦に形成されている。

同様に代替的または付加的に、平面で見てジグザグ形で、断面で見て十字形に形成されている糸１０も用いられ得る。図３は最終的に糸１１のさらなる実施の形態も示しており、当該糸は互いに捩じられて設けられており、断面で見て菱形に形成されており、金属構造体を形成するための糸および／または繊維の全ての他の形状に対して、同様に代替的または付加的に用いられ得る。

図面の図４は、支持部構造体２と、当該支持部構造体に設けられた、内燃機関７の燃焼排ガスから固体成分を除去するためのフィルタ構造体１２を形成するための、ジグザグ形に形成された多数の糸１０を有する繊維構造体３とを有する金属構造体１のさらなる実施の形態を示している。図４による実施の形態は糸１０のほかに、糸８も有しており、当該糸は長く伸長されるとともに平坦な外部表面を有して形成されており、支持部構造体２の補強構造体として役立っている。図４は最終的に、金属材料からなるさらなる繊維１３も示しており、当該繊維は外面に薄片１４が設けられており、そのようにして大きな表面を有しており、図面の図３に表示された金属構造体１を形成するための全ての繊維形状に対して、代替的または付加的に用いられ得、薄片１４ゆえに燃焼排ガスから固体成分を分離するため、および触媒的に作用するコーティングされた表面を形成するための大きな外部表面を有している。

図面の図５は、下流において内燃機関に直接的に接続し、同時に内燃機関７の燃焼排ガスを脱硫することに役立つ排ガスフィルタ１５を有する内燃機関７を概略的に表示している。このとき脱硫はエンジン内部の対策またはエンジン後段の対策によって実現され得、例えば再生のために必要とされる活性温度を達成するにあたり、燃焼排ガス中の炭化水素を準備するために、内燃機関の少なくとも一つの作用シリンダへの燃料噴射の開始を時間的に前に移動することによって実現され得る。このとき他の対策も可能である。

排ガスフィルタ１５の下流に、燃焼排ガスにさらなる処理を行うために触媒が設けられており、当該触媒に熱交換器１７が続き、当該熱交換器を介して燃焼排ガスに含まれる熱エネルギーが除去され得、それにより例えば燃料予熱または建物の暖房に役立つ。燃焼排ガスは最終的に燃焼排ガス排出口１８を介して排ガス経路を離れる。燃焼排ガスはすでに排ガスフィルタ１５において脱硫され得るので、後続の熱交換器１７において、既知の設備における場合よりも、実質的により大きな熱除去を蒙り得る。燃焼排ガスがすでに脱硫されており、従って露点に到達した際の硫酸腐食の危険がなくなっているためである。

燃焼排ガスからは、すでに排ガスフィルタ１５において固体成分も除去されているので、触媒１６と、熱交換器１７も、既知の設備における場合よりも、実質的により小さく形成され得る。触媒と熱交換器とが、燃焼排ガス内の固体粒子によって閉塞される危険がなくなっているためである。

金属糸の特殊な表面構造、例えば薄片、洗脱による多孔性表面の形成などによって、金属構造体の有効な表面は著しく増大され得、それにより粒子の固着が改善され得る。

金属糸は触媒によりコーティングされ得、それにより固体粒子の除去と燃焼排ガスの酸化を同時に実施することができる。例えば波形を形成するために金属糸を可塑変形することにより、金属構造体の機械的特性および分離技術的特性は改善され得る。金属構造体はまた、形成後さらに、機械的変形によって後処理され得、それにより例えばパッキング密度に影響を及ぼす。熱による焼結過程により、金属構造体の機械的強度は改善され得、金属から成る、異なる太さ、かつ異なる形の繊維および／または糸を組み合わせることにより、金属構造体の強度に影響が及ぼされ得る一方、パッキング密度も調整され得る。最終的に、金属構造体を形成するために、非金属の糸および／または繊維と、金属の糸および／または繊維を組み合わせることも可能であり、それにより例えば金属構造体によって形成されるフィルタ構造体の質量を減少させる。

このほか個々に、より詳しく説明されていない本発明の特徴については、対応する図面が明示的に参照される。

１ 金属構造体
２ 支持部構造体
３ 繊維構造構成体、繊維構造体
４ 補強ワイヤ
５ 金属繊維
６ 結合点
７ 内燃機関
８ 繊維、糸
９ 繊維、糸
１０ 繊維、糸
１１ 繊維、糸
１２ フィルタ構造体
１３ 繊維、糸
１４ 薄片
１５ 排ガスフィルタ
１６ 触媒
１７ 熱交換器
１８ 燃焼排ガス排出口

Claims (6)

1. 内燃機関（７）または工業用ガスタービンの燃焼排ガスから固体成分を除去するための装置であって、当該装置は金属粒子を有する構造体を有している装置において、前記金属粒子は結合されてフェルト状の金属構造体（１）となっており、平坦な支持部構造体（２）が前記金属構造体（１）の上流側のみに設けられており、前記金属構造体（１）が、螺旋状、ジグザク形、捩じられている、および外面に薄片が設けられた繊維および／または糸から選択された１種以上の繊維および／または糸を有することを特徴とする装置。
2. 前記金属構造体（１）は非対称に形成されており、前記金属粒子は概ね前記支持部構造体（２）の被覆面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記金属構造体（１）のパッキング密度は前記支持部構造体（２）に向かって減少することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記金属構造体（１）は金属の糸（８，９，１０，１１，１３）および／または繊維（８，９，１０，１１，１３）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記金属構造体（１）は非金属の糸および／または繊維を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の装置と、前記内燃機関（７）と結合された触媒装置（１５）とを有する内燃機関（７）であって、前記装置は前記内燃機関（７）の下流であって前記触媒装置（１５）の上流に設けられていることを特徴とする内燃機関。

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