JP7128383B1 - 選択式還元触媒システムおよび還元剤備蓄方法 - Google Patents

Abstract

アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジン等に用いられる液化アンモニアを有効利用しつつ、エンジン等における既存の尿素水供給系の設備を流用できる選択式還元触媒システムを提供する。アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムは、海水から清水を蒸留する蒸留部２と、蒸留部２で蒸留された清水と、液化アンモニアとを混合して、アンモニア水を生成する混合部３と、混合部３で生成されたアンモニア水を備蓄する備蓄部５と、を有する。

Description

本発明は、選択式還元触媒システムおよび還元剤備蓄方法に関する。

アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンでは、液化アンモニア（以下「ＬＮＨ３」とする）が用いられる。
一方、舶用ディーゼルエンジンでは、重油に代表される原料の燃焼により発生する窒素酸化物を除去するために、選択式還元触媒ユニットが用いられる。還元剤として、一般的に安全性の高いとされる尿素水が広く用いられている。

特開２０１１－１４４７６５号公報（以下、「特許文献１」）には、舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒の還元剤として尿素水を用いる方法および、当該方法によって安全性、保守性を重視した選択式還元触媒システムが開示されている。

特許文献１に開示される技術は、耐食性等の観点から選択式還元触媒の還元剤として尿素水を用いるものである。そのため、特許文献１に開示される技術は、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジン等に用いられるＬＮＨ３等を有効利用しつつ、エンジン等における既存の尿素水供給系の設備を流用するものではない。

本発明は、燃料の一部としてのＬＮＨ３等を有効利用しつつ、エンジン等における既存の尿素水供給系の設備を流用できる選択式還元触媒システムおよび還元剤備蓄方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、
アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムであって、
海水から清水を蒸留する蒸留部と、
前記蒸留部で蒸留された前記清水と、液化アンモニアとを混合して、アンモニア水を生成する混合部と、
前記混合部で生成された前記アンモニア水を備蓄する備蓄部と、
を有する、選択式還元触媒システムである。

本発明の第２の観点は、
アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムであって、
あらかじめアンモニア水を備蓄する備蓄部と、
前記備蓄部にあらかじめ備蓄された前記アンモニア水を、循環させながら、前記アンモニア水と液化アンモニアを混合する混合部と、
を有し、
前記備蓄部は、前記混合部により混合されたアンモニア水を、備蓄する、
選択式還元触媒システムである。

本発明の第３の観点は、
アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムにおける還元剤備蓄方法であって、
海水から清水を蒸留し、
蒸留された前記清水と、液化アンモニアとを混合して、アンモニア水を生成し、
生成された前記アンモニア水を備蓄する、
還元剤備蓄方法である。

本発明の第４の観点は、
アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムにおける還元剤備蓄方法であって、
前記選択式還元触媒システムで所望される濃度よりも低いアンモニア水をあらかじめ備蓄し、
あらかじめ備蓄された前記アンモニア水を循環させながら、前記アンモニア水と液化アンモニアを混合し、
混合された前記アンモニア水を再び備蓄する、
還元剤備蓄方法である。

本発明の選択式還元触媒システムおよび還元剤備蓄方法によれば、舶用ディーゼルエンジンの燃料の一部としてのＬＮＨ３等を有効利用しつつ、エンジン等における既存の尿素水供給系の設備を流用することができる。

第１実施形態の選択式還元触媒システムの全体図 第２実施形態の選択式還元触媒システムの全体図

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態の選択式還元触媒システム１の構成について説明する。
図１は、本実施形態の選択式還元触媒システム１の全体図である。図１に記載のＬＮＨ３は、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンの燃料タンクから直接、または、燃料タンクから気化したアンモニアガスを再液化したものである。なお、環境調和性の向上を図るため、ＬＮＨ３は、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジン自体から出た廃液を回収し、そこから分離して得られたものでもよい。

選択式還元触媒システム１は、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される。選択式還元触媒システム１は、蒸留部２と、混合部３と、備蓄部５とを有する。選択式還元触媒システム１は、混合部３に取り付けられる流量調整部４を有してもよい。備蓄部５は、混合部３で作成されたアンモニア水を保管する。また、備蓄部５は、必要な分量のアンモニア水を選択式還元触媒ユニット６に供給する。

蒸留部２は、船舶のまわりに位置する海水を汲み上げ、蒸留し、清水を得るためのものである。船舶の運航中または停泊中に関わらず、船舶の周りに位置する海水は、ポンプ等により取り込まれる。清水は、主に舶用ディーゼルエンジンにおける主機、発電機関、空気圧縮機の冷却水として用いられ、ボイラへの給水及び飲料水及び雑用水としても用いられる。また、清水は、還元剤として備蓄するためのアンモニア水の溶媒となる。本実施形態では、蒸留部２により得られた清水の一部と、ＬＮＨ３とが混合部３にて混合され、アンモニア水が生成される。

なお、蒸留部２を設置せずに、船内に清水を貯留してもよい。この場合、清水は、混合部３へ直接、または流量調整部４を介して混合部３へと導入される。ただし、選択式還元触媒の還元剤として多量のアンモニア水が必要となり、その溶媒としての清水も多量に必要となる。そのため、清水を貯留する場合は、バラスト水の代用にするなどの特段の運行状況のみに限られる。

混合部３は、蒸留部２で生成された清水と、ＬＮＨ３とを混合する。アンモニアと水の溶解度パラメータは、お互いに近い値となる為、清水とＬＮＨ３は非常に混ざりやすい。そのため、混合部３は、攪拌子を槽内において一定速度で一方向に回転させる撹拌装置機能を有するものであればよい。攪拌子は、例えば、棒状、板状、プロペラ状である。

また、混合部３には、熱交換器（不図示）が設置される。図１の破線は、熱交換器による反応熱の流れを表したものである。反応熱を除去することで混合部３の温度上昇を防ぎ、ＬＮＨ３の溶解量を増やすことができる。また、反応熱を除去することで、温度上昇による混合部３内の圧力上昇を防ぐ。これにより、装置設計が容易になる。また、ＬＮＨ３が清水と反応することによって発生する反応熱を、蒸留部２において清水を作成するためのエネルギーとして利用することもできる。これにより、蒸留部２へのアシストと当時に、混合部３を冷却できるため、環境調和性が高い。
なお、反応熱を利用するため、混合部３自体をチューブラーリアクターといった熱交換器型反応器としてもよい。

流量調整部４は、流量調整弁である。流量調整部４は、蒸留部２にて生成される清水や、ＬＮＨ３、アンモニア水といった液体の流量を調整する。
流量調整部４は、備蓄部５に蓄えられるアンモニア水が所定の濃度となるように、混合部３の入口に設置されることが好ましい。特に、ＬＮＨ３は気化しやすく、制御が必要である。流量調整部４により、所定の濃度のアンモニア水を生成しやすい。また、流量調整部４により、後述する撹拌部５１での動作を省略できる。

なお、アンモニア水の濃度調整のため、混合部３での圧力を一定に保ちたい場合がある。その場合には、流量調整弁ではなく、圧力調整弁を用いてもよく、使用状況に合わせて適時変更できる。

備蓄部５は、混合部３で生成されたアンモニア水を備蓄する。また、備蓄部５は、所定の流量、所定の濃度にて、アンモニア水を選択式還元触媒ユニット６に供給する。そのため、備蓄部５の流入口と流出口に濃度計等（不図示）が設置されることが好ましい。具体的には、備蓄部５の流入口に
第１濃度計が設けられる。備蓄部５の流出口に第２濃度計が設けられる。
なお、濃度計よりも計測が容易な密度計が設置されてもよい。その場合、密度計の計測値と濃度との関係を予め取得しておくことが必要となる。例えば、光計測での密度計で０.９１２という数値になっている場合、アンモニア水濃度は、常温常圧で約１５％程度となる。アンモニア水濃度は、飽和状態で最大で４０％程度であり、選択式還元触媒ユニット６に供給されるアンモニア水の濃度は高いほど好ましい。

備蓄部５は、内部に撹拌部５１を有してもよい。本実施形態では、備蓄部５に供給されるアンモニア水は、混合部３にて十分に撹拌され、均一な濃度になっている。しかし、備蓄部５の外壁の温度勾配によって、部分的にアンモニアガスが揮発している場合があり得る。混合部３と同様、備蓄部５は、下部に、攪拌子を槽内において一定速度で一方向に回転させる機構であればよい。攪拌子は、例えば、棒状、板状、プロペラ状である。撹拌部５１を簡易な構成とすることにより、装置全体のコストを削減できる。

備蓄部５の流入口と流出口での濃度差（第１濃度計と第２濃度計の濃度差）がある一定の値を超えた場合、備蓄部５は撹拌部５１を自動で作動させる。濃度差が一定の値に収まるまで、選択式還元触媒ユニット６への弁が開かれることはない。濃度差が一定の値に収まると、備蓄部５は、撹拌部５１を自動停止し、選択式還元触媒ユニット６への弁が開かれる。

混合部３や備蓄部５へ導かれる配管等において、アンモニア水濃度の均一化が図られていることが好ましい。備蓄部５の流入口と流出口での濃度差がある一定の値に既に収まっている場合には、撹拌部５１は不要となる。

選択式還元触媒ユニット６は、気体の流路を形成するように一方向に延びた複数の貫通孔を有する構造体である。貫通孔を画定する構造体の内壁に沿って、触媒が担持される。触媒表面において、バナジウムやタングステンや白金が含有元素として構成される。触媒は、酸化チタンを主成分として、押出成形にて製造されるものでもよい。流路に沿って舶用ディーゼルエンジンから出る窒素酸化物を含む排気ガスが流される。還元剤としてのアンモニア水が備蓄部５から所定の流量、所定の濃度で供給されることで、窒素酸化物が除去される。

一般的には、選択式還元触媒の還元剤として、毒性のない尿素水が使用される。これに対し、本実施形態では、舶用ディーゼルエンジンの燃料の一部としてのＬＮＨ３等を有効利用しつつ、エンジン等における既存の尿素水供給系のポンプモジュールやドージングユニットなどの設備を流用できる。そのため、別途、還元剤の供給系を設置する必要が無く、装置のコストアップを抑制できる。

＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と略同様の機能や構成については、その説明を省略する。
図２は、本実施形態の選択式還元触媒システム１の全体図である。第１実施形態と異なり、本実施形態の備蓄部５には、あらかじめアンモニア水が備蓄されている。備蓄部５にあらかじめ備蓄されているアンモニア水の濃度は、選択式還元触媒ユニット６にて所望される濃度よりも低い。備蓄部５と混合部３を循環させながら、ＬＮＨ３を混合し、所望の濃度まで上昇させる。その後、所望の濃度のアンモニア水が、選択式還元触媒ユニット６に供給される。アンモニア水を循環することにより、アンモニア水が所望の濃度に調整できる。また、アンモニア水を循環することで攪拌され、濃度の斑がない状態にできる。そのため、本実施形態では、第１実施形態の撹拌部５１を省略できる。

本実施形態の混合部３は、備蓄部５から循環されるアンモニア水と、ＬＮＨ３とを混合する。
混合部３の手前に流量調整部４が設けられることが好ましい。アンモニア水とＬＮＨ３が所定の流量で混合部３に導入されることで、所定の濃度のアンモニア水が作成しやすくなる。

本実施形態の場合、混合部３での化学反応熱を利用しなくてもよい。アンモニア水とＬＮＨ３との化学反応熱は、ＬＮＨ３と清水との化学反応熱よりも小さい。また、少量ずつ備蓄部５にアンモニア水を導入するため、混合部３における局所的な温度上昇を抑えられる。そのため、本実施形態では、熱交換器等の設置が不要となる。これにより、船内における省スペース化が図れる。蒸留部２で生成された清水は、備蓄部５にあらかじめ備蓄されたアンモニア水の溶媒となる。これにより、環境調和性が高いシステムとなる。
なお、第１実施形態と同様、混合部３に熱交換器（不図示）が設置されてもよい。図２の破線は、熱交換器による反応熱の流れを表したものである。

蒸留部２により生成された清水は、アンモニア水の溶媒となればよい。そのため、図２に記載のように、清水は、備蓄部５に直接導入されてもよい。また、混合部３に流量調整部４が設けられておらず、過剰に濃度の高いアンモニア水が備蓄部５に導入されることもあり得る。その際、このようなアンモニア水の循環系だけでは、アンモニア水の濃度が高くなることはあっても、低くすることはできない不可逆系のシステムとなる。そのため、清水を備蓄部５に直接導入することにより、アンモニア水の濃度を低くすることができる。

清水を備蓄部５に直接導入する場合、備蓄部５においても、アンモニア水とＬＮＨ３とが混合される。そのため、備蓄部５の下部に撹拌部５１が設置されることが好ましい。

一方、本実施形態において、蒸留部２で生成された清水を備蓄部５に直接導入しない場合には、備蓄部５における撹拌機能の有無は問題とならない。この場合、備蓄部５と混合部３とが循環ラインを形成する。このとき、備蓄部５の外壁の温度勾配によって部分的にアンモニアガスが揮発しても、循環ラインにおいてアンモニア水同士が接触する機会が確保されており、アンモニア水の濃度が均一になるためである。

＜その他の実施形態＞
第１実施形態又は第２実施形態において、備蓄部５は、還元剤としての尿素水を予め備蓄していてもよい。このとき、混合部３にて生成されたアンモニア水が備蓄部５に導入され、撹拌部５１により内部で撹拌されてもよい。還元剤としての効果は、尿素水とアンモニア水でほぼ同じである。この場合、既存の尿素水供給系のポンプモジュール等の設備を流用しつつ、排出される二酸化炭素を削減できる。
また、尿素と比較して、アンモニアは分子量が小さい。そのため、備蓄部５のタンクが軽くなり、尿素水を還元剤とした既存のタンクをより小さく設営しうる。その場合、選択式還元触媒システム全体における空間を効率的に利用できる。

以上、種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 選択式還元触媒システム
２ 蒸留部
３ 混合部
４ 流量調整部
５ 備蓄部
５１ 撹拌部
６ 選択式還元触媒ユニット

Claims (17)

1. アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムであって、
   海水から清水を蒸留する蒸留部と、
   前記蒸留部で蒸留された前記清水と、前記舶用ディーゼルエンジンの燃料タンクから得られる液化アンモニアとを混合して、アンモニア水を生成する混合部と、
   前記混合部で生成された前記アンモニア水を備蓄する備蓄部と、
   を有する、選択式還元触媒システム。
2. 前記混合部にて発生する熱を前記蒸留部で利用する熱交換器を更に有する、
   請求項１に記載の選択式還元触媒システム。
3. 前記混合部に配置され、前記混合部に導入される前記清水と前記液化アンモニアの流量を調整する流量調整部を更に有する、
   請求項１又は２に記載の選択式還元触媒システム。
4. アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムであって、
   あらかじめアンモニア水を備蓄する備蓄部と、
   前記備蓄部にあらかじめ備蓄された前記アンモニア水を、循環させながら、前記アンモニア水と前記舶用ディーゼルエンジンの燃料タンクから得られる液化アンモニアとを混合する混合部と、
   を有し、
   前記備蓄部は、前記混合部により混合されたアンモニア水を、備蓄する、
   選択式還元触媒システム。
5. 前記混合部に配置され、前記混合部に導入される前記アンモニア水と前記液化アンモニアの流量を調整する流量調整部を更に有する、
   請求項４に記載の選択式還元触媒システム。
6. 前記備蓄部は、内部を撹拌する撹拌部を有する、
   請求項１～５のいずれかに記載の選択式還元触媒システム。
7. 前記備蓄部は、
   流入口と、
   流出口と、
   前記流入口に設けられる第１濃度計と、
   前記流出口に設けられる第２濃度計と、を有し、
   前記備蓄部は、前記第１濃度計と前記第２濃度計の濃度差が所定の値を超えた場合、前記撹拌部を作動させる、
   請求項６に記載の選択式還元触媒システム。
8. 前記備蓄部は、前記流出口から流出される前記アンモニア水の流量を調整する弁を更に有し、
   前記備蓄部は、前記第１濃度計と前記第２濃度計の濃度差が所定の値を超えた場合、前記弁を閉じる、
   請求項７に記載の選択式還元触媒システム。
9. アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムにおける還元剤備蓄方法であって、
   海水から清水を蒸留し、
   蒸留された前記清水と、前記舶用ディーゼルエンジンの燃料タンクから得られる液化アンモニアとを混合して、アンモニア水を生成し、
   生成された前記アンモニア水を備蓄する、
   還元剤備蓄方法。
10. 更に、前記アンモニア水を生成する際に発生する熱を利用して、前記海水から前記清水を蒸留する、
    請求項９に記載の還元剤備蓄方法。
11. 更に、前記アンモニア水を生成するための、蒸留された前記清水と、前記液化アンモニアの流量を所定の混合比に調整する、
    請求項９又は１０に記載の還元剤備蓄方法。
12. 更に、備蓄されたアンモニア水を攪拌する、
    請求項９～１１のいずれかに記載の還元剤備蓄方法。
13. 前記アンモニア水を備蓄する備蓄部の流入口と流出口における前記アンモニア水の濃度差が所定の値を超えた場合に、前記備蓄部に備蓄された前記アンモニア水を攪拌する、
    請求項１２に記載の還元剤備蓄方法。
14. 前記アンモニア水の前記濃度差が所定の値を超えた場合、前記備蓄部の前記流出口からの前記アンモニア水の流出を止める、
    請求項１３に記載の還元剤備蓄方法。
15. 更に、備蓄された前記アンモニア水を前記選択式還元触媒システムにおける還元剤として用いる、
    請求項９～１４のいずれかに記載の還元剤備蓄方法。
16. アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される選択式還元触媒システムにおける還元剤備蓄方法であって、
    前記選択式還元触媒システムで所望される濃度よりも低いアンモニア水をあらかじめ備蓄し、
    あらかじめ備蓄された前記アンモニア水を循環させながら、前記アンモニア水と前記舶用ディーゼルエンジンの燃料タンクから得られる液化アンモニアとを混合し、
    混合された前記アンモニア水を再び備蓄する、
    還元剤備蓄方法。
17. 更に、前記アンモニア水を混合するための、あらかじめ備蓄された前記アンモニア水と、前記液化アンモニアの流量を所定の混合比に調整する、
    請求項１６に記載の還元剤備蓄方法。

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