JP7402364B2

JP7402364B2 - 尿素気化装置

Info

Publication number: JP7402364B2
Application number: JP2023046334A
Authority: JP
Inventors: 望服部; 利晴稲葉
Original assignee: Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2023-12-20
Anticipated expiration: 2040-09-08
Also published as: JP7252182B2; JP2023085366A; JP2022045247A

Description

本発明は、尿素気化装置に関し、詳しくは、加水分解効率を向上させることにより、脱硝率を向上させて、さらにコンパクト化させた気化装置に関する。

例えば船舶用ディーゼルエンジンの排ガス浄化触媒としては、ＮＯxを浄化することができる有望な触媒として選択還元型脱硝触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）が知られている。

また船舶用ディーゼルエンジンから排出された排ガスに還元剤を添加したガスが、脱硝触媒上を通過する際に、接触還元して無害な窒素と水に変換する方法は、尿素ＳＣＲ法として知られており、かかる尿素ＳＣＲ法は、尿素を脱硝触媒前流に吹込み、下記反応を行わせて、ＮＯｘを無害化する方法である（特許文献１）。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ₂ →４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ
大型のＳＣＲ触媒を用いた排ガス浄化装置（ＳＣＲ装置ともいう）の中でも、特に船舶用のＳＣＲ装置の場合には、船舶内もしくは船舶外への配置を容易にするため、小型化のニーズがあり、加水分解（気化）装置についても、コンパクトにする要請がある。
（加水分解反応）
（ＮＨ₂）_２ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ →２ＮＨ_３＋ＣＯ₂

一方、尿素ＳＣＲ法では、尿素を供給する工程で、気化装置の構成部品や配管内壁などに尿素が付着してしまい、加水分解の効率が下がって、アンモニアの供給が想定より少なくなり、脱硝率が低下することがあった。

特開２００３－３２８７３４号公報

そこで、本発明の課題は、加水分解効率を向上させることにより、脱硝率を向上させて、さらに気化装置のコンパクト化が可能になる尿素気化装置を提供することにある。

さらに本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
加圧空気と尿素水を供給する尿素水供給管を排ガスが流れる配管内に挿通し、
前記尿素水供給管の先端近傍に尿素水噴霧ノズルを接続し、
前記配管内を流れる排ガスと、前記尿素水噴霧ノズルから噴霧された噴霧尿素水との混合部を前記配管内に有し、
該混合部の手前であって且つ前記排ガスの進行方向に、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレートが前記配管内で着脱可能に配置され、
前記加水分解プレートの加水分解触媒材料に、前記噴霧尿素水を含んだ前記排ガスを接触させる構造を有することを特徴とする尿素気化装置。
（請求項２）
前記排ガスが前記加水分解プレートを超えて、進行方法に進むに従って、進行方向とは逆方に向かう渦流が形成され、前記排ガスに前記噴霧尿素水を含んだ渦流が、加水分解触媒材料に接触する構造を有することを特徴とする請求項１記載の尿素気化装置。
（請求項３）
加圧空気と尿素水を供給する尿素水供給管を排ガスが流れる配管内に挿通し、
前記尿素水供給管の先端近傍に尿素水噴霧ノズルを接続し、
前記配管内を流れる排ガスと、前記配管壁面に向かって噴射可能な尿素水噴霧ノズルから噴霧された噴霧尿素水との混合部を前記配管内に有し、
前記配管の内面に沿って、該内面の一部または全部に加水分解触媒材料が付与された加水分解プレートが前記配管内に着脱可能に配置され、
前記加水分解プレートの断面形状が、少なくとも凹面と凸面を有しており、
前記加水分解プレートの凸面が、前記配管の内壁面に接するように配置されると共に、反対の凹面は前記尿素水噴霧ノズルに向かって配置され、
前記混合部で前記排ガスに巻き込まれた尿素水は、前記尿素水噴霧ノズルから前記加水分解プレートの加水分解触媒材料に向かって噴霧される構造を有することを特徴とする尿素気化装置。
（請求項４）
前記加水分解プレートが、Ｖ型、Ｕ型又は御椀型の何れかからなることを特徴とする請求項３記載の尿素気化装置。
（請求項５）
前記加水分解プレートが、方形状平板の幅方向の中心を縦方向に折り曲げるか、あるいは方形状平板の幅方向を半円状に折り曲げて形成されることにより凸面と凹面を有する折り曲げ部材からなることを特徴とする請求項３又は４記載の尿素気化装置。

本発明によれば、加水分解効率を向上させることにより、脱硝率を向上させて、さらに気化装置のコンパクト化が可能になる尿素気化装置を提供することができる。

本発明に係る尿素化気化装置を構成する気化装置の一例を示す要部断面図本発明に係る尿素化気化装置の一例を示す説明図本発明に係る尿素化気化装置を構成する気化装置の他の例を示す要部断面図本発明に係る尿素化気化装置を構成する気化装置の他の例を示す要部断面図

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る尿素化気化装置を構成する気化装置の一例を示す要部断面図、図２は本発明に係る尿素化気化装置の一例を示す説明図である。
図において、１は船舶用のディーゼルエンジンであり、２は船舶用のディーゼルエンジン１から排出される排ガスを送る排ガス管である。

３は尿素水の加水分解装置であり、気化装置ともいう。加水分解装置３は、気化用配管４内に設けられる。気化用配管４の入口には排ガス導入口５が設けられ、排ガスは、導入口５から気化用配管４に導入される。

気化用配管４には、加圧空気（圧縮空気）と尿素水を供給する尿素水供給管６が挿通され、尿素水供給管６の先端近傍に尿素水噴霧ノズル７が設けられている。尿素水噴霧ノズル７は、尿素水噴霧を配管４内に供給可能に構成されている。

配管４内を流れる排ガスＧの進行方向で、尿素水噴霧ノズル７の手前には、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレート８が設けられている。

加水分解プレート８は、配管４内において着脱可能に固定されている。加水分解プレート８を長年使用して尿素由来の化合物が付着してしまっても容易に着脱・交換可能な構造であることが好ましい。着脱可能な構造は格別限定されず、加水分解プレート８の形状に合わせた嵌合部材（図示せず）を配管４の内壁に固定しておいて、その嵌合部材に加水分解プレート８を嵌合させて着脱可能な構造にすることができる。加水分解プレートが、尿素由来の化合物表面に付着した状態で着脱可能な構造を有すると、長年の使用により加水分解プレート表面に尿素由来の化合物（シアヌル酸）が付着してしまっても、容易に加水分解プレートを着脱して、交換できる効果がある。

加水分解プレート８は、配管４内を流れる排ガスの流れに対して圧力損失を生じさせない形状であることが好ましい。圧力損失を生じさせない形状は、排ガスの流れを遮断しない形状を意味し、種々の形状を採用し得る。

加水分解プレート８に付与された触媒材料は、尿素の加水分解触媒であればよいが、具体的には、尿素の加水分解を促進する触媒として機能する金属酸化物であることが好ましい。

金属酸化物としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ又はＴｉなどの酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２等）が挙げられる。中でも、入手性と安全性と触媒性能のバランスが良いという観点から、ＴｉＯ_２が好ましい。更に、金属酸化物としては、後述するＳＣＲ触媒を採用することもできる。

本実施の形態では、配管４内には、配管４内を流れる排ガスＧと、尿素水噴霧ノズル７から噴霧された噴霧尿素水との混合部９を備える。

混合部９において、排ガスと噴霧尿素水が混合されると、下記の加水分解反応が生じる。
（ＮＨ₂）_２ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ →２ＮＨ_３＋ＣＯ₂

本実施の形態において、特に図１に示すように、排ガスＧが加水分解プレート８を超えて、進行方法に進むに従って、進行方向とは逆方に向かう渦流が形成される。すなわち、図１のようにカルマン渦Ｕが形成されると、このカルマン渦によって、前述のように、排ガスＧが加水分解プレート８を超えて、進行方法に進むに従って、進行方向とは逆方に向かう渦流が形成される。

その結果、排ガスＧに噴霧尿素水を含んだ渦流が、加水分解触媒材料に接触する。加水分解プレート８の存在により、カルマン渦流が形成され、その渦流と加水分解触媒材料に接触する構造が実現する。
かかる構造によると、加水分解が促進され、尿素が無駄なく使用できるため、脱硝効率がより向上するので好ましい。

また加水分解プレート８の存在により、噴霧尿素水が排ガスＧと混合部で混合することにより、噴霧尿素水が配管壁面に直接進まなくなるために、尿素由来の配管壁面への付着物がすくなくなり、配管の閉塞リスクを減少させることができる。

更に、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレート８を用いているので、加水分解触媒装置を別途設ける必要がないので、装置全体のコンパクト化を可能にする。

加水分解プレート８に加水分解触媒材料８０を付与する手法は格別限定されない。例えば、分散液に触媒となる酸化チタンを混合して加水分解触媒材料塗布液を作成し、その塗布液を加水分解プレート８に塗布することにより、加水分解触媒材料８０を付与することができる。塗布法は、刷毛塗り、浸漬塗布、スプレー、溶射など種々の方法で塗布できる。

図２に示すように、加水分解装置（気化装置）３で、尿素が加水分解される上記の加水分解反応により、ＮＨ_３が生成し、脱硝装置１０において、ＳＣＲ触媒により、ＮＯｘとＮＨ_３を含む排ガスは、下記の還元反応により、Ｎ_２に還元されて浄化される。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ

ＳＣＲ触媒としては、格別限定されるわけではないが、ＴｉＯ₂あるいはＳｉＯ₂－ＴｉＯ₂、ＷＯ₃－ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂－ＴｉＯ₂、Ｖ_２Ｏ_５-ＴｉＯ_２などの二元系複合酸化物、あるいは、ＷＯ₃－ＳｉＯ₂－ＴｉＯ₂、ＭｏＯ_３－ＳｉＯ₂－ＴｉＯ₂などの三元系複合酸化物などの担体に、Ｖ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３、ＭｏＯ_３、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの活性成分を担持してなるハニカム構造を有し、ＮＨ_３（還元剤）の存在下で、ＮＯxを還元して窒素ガスに変換して浄化する触媒が用いられる。また、担体にはゼオライトなどのアルミノシリケートを用いることもでき、ステンレスメタルハニカムを用いることもできる。

次に、図３に基づいて、本発明の他の実施の形態を説明する。

図３の態様において、加水分解触媒材料８０が付与された加水分解プレート８は、配管４の内面に沿って、内面の一部または全部に、配管４内に着脱可能に固定することが好ましい。着脱可能に固定する手法は、前述した嵌合手法を好ましく採用できる。

加水分解プレート８の断面形状は、少なくとも凹面と凸面を有していることが好ましい。そして、加水分解プレートの凸面８１は、配管４の内壁面に接するように配置する。反対の凹面８２は尿素水噴霧ノズル７に向かって配置する。

混合部９で、排ガスＧに巻き込まれた尿素水は、尿素水噴霧ノズル７から加水分解プレート８の加水分解触媒材料８０に向かって噴霧される構造を有することが好ましい。

本実施の形態において、図３に示すように、排ガスＧが進行方法に進み、加水分解プレート８の位置に到達すると、排ガスは、加水分解プレート８の凹面８２に沿って進行する。加水分解プレート８の凹面８２の手前側の下降傾斜面では、排ガスはその凹面８２に沿って下降し、更に凹面８２の先側の上昇傾斜面では、その凹面８２に沿って上昇する。このとき排ガスは加水分解触媒材料８０に接触する。

凹面８２から外れて、更に上昇した排ガスは、下降から上昇の流れのエネルギーによって、渦を巻いて、尿素水噴霧ノズル７から噴射される噴霧尿素水を巻き込み混合する。
その結果、排ガスＧに噴霧尿素水を含んだ渦流が、加水分解触媒材料に接触する構造が実現する。
かかる構造によると、加水分解が促進され、尿素が無駄なく使用できるため、脱硝効率がより向上するので好ましい。

加水分解プレート８の形成手法としては、例えば、方形状平板の幅方向の中心を縦方向に折り曲げて形成されることにより、凸面８１と凹面８２を有する折り曲げ部材８３とする手法が挙げられ、また方形状平板の幅方向を半円状に折り曲げて形成されることにより、凸面８１と凹面８２を有する折り曲げ部材８３とする手法が挙げられる。更に、本実施形態においては、折り曲げ部材に限らず、方形状平板を２枚用意し、一方の平板と他方の平板とを溶接等により接合し、凸面８１と凹面８２を有する部材とする構造も挙げられる。

本態様において、加水分解プレート８は、Ｖ型、Ｕ型又は御椀型の何れかからなる形状であることが好ましい。また、加水分解プレート８は、浅い容器状を成していることが好ましい。

次に、図４に基づいて、本発明の他の実施の態様について説明する。

図４の態様において、加水分解プレート８は、浅い凹部（凹面）８４を有する容器形状であるか、又は板状体の周囲の一部または全部に縁取りによって凹部（凹面）８４が形成された形態のいずれでもよい。

その場合、加水分解プレートの凹面８４の反対面が、前記配管の内壁面に接するように配置されると共に、前記凹面８４は尿素水噴霧ノズル７に向かって配置される。

本実施の形態において、図４に示すように、排ガスＧが進行方法に進み、加水分解プレート８の位置に到達すると、排ガスは、加水分解プレート８の凹面８４に沿って進行する。加水分解プレート８の凹面８４の手前側の凸部８５では、排ガスは凸部８５を乗り越えて進み、更に凹面８４の先側の凸部８５に当たった排ガスは、その凸部の壁面に沿って上昇する。このとき排ガスは、凹面８４の存在により、加水分解触媒材料８０に接触する。

凸部８５から外れて、更に上昇した排ガスは、凸部８５の上昇の流れのエネルギーによって、渦を巻いて、尿素水噴霧ノズル７から噴射される噴霧尿素水を巻き込み混合する。
その結果、排ガスＧに噴霧尿素水を含んだ渦流が、加水分解触媒材料に接触する構造が実現する。
かかる構造によると、加水分解が促進され、尿素が無駄なく使用できるため、脱硝効率がより向上するので好ましい。

Ｇ排ガス
１船舶用のディーゼルエンジン
２排ガス管
３加水分解装置
４気化用配管
５排ガス導入口
６尿素水供給管
７尿素水噴霧ノズル
８加水分解プレート
８０加水分解触媒材料
８１凸面
８２凹面
８３折り曲げ部材
８４浅い凹部（凹面）
８５凸部
９混合部
１０脱硝装置
Ｕカルマン渦、渦、渦流

Claims

加圧空気と尿素水を供給する尿素水供給管を、排ガスが流れる配管内に挿通し、
前記尿素水供給管の先端近傍に、尿素水噴霧ノズルを接続し、
前記配管内を流れる排ガスと、前記尿素水噴霧ノズルから噴霧された尿素水との混合部を、前記配管内に有し、
該混合部の手前であって且つ前記排ガスの流れる方向の上流側の前記配管内に、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレートが、前記配管の断面の中心付近に着脱可能に配置され、
前記加水分解プレートの断面形状が、少なくとも凸面と凹面を有しており、
前記加水分解プレートの凸面は、前記排ガスの流れる方向の上流側に向かって配置されると共に、前記凹面は、前記排ガスの流れる方向の下流側に向かって拡開するように配置され、
前記尿素水噴霧ノズルは、前記配管の排ガスの流れ方向に沿って前記混合部に向かって噴射するように配置され、
前記加水分解プレートの凸面側は、前記排ガスが、前記凸面側の外周端から凹面側の内面に向かって進む構造を有し、
更に、前記凹面側に進んだ排ガスが進行方法に進むに従って、進行方向とは逆方に向かう渦流が形成されることにより、前記混合部で、前記渦流と、前記噴霧尿素水とが接触すると共に、前記加水分解触媒材料に、前記噴霧尿素水を含んだ前記排ガスを接触させる構造を有することを特徴とする尿素気化装置。
加圧空気と尿素水を供給する尿素水供給管を排ガスが流れる配管内に挿通し、
前記尿素水供給管の先端近傍に尿素水噴霧ノズルを接続し、
前記尿素水噴霧ノズルは、前記配管の壁面に向かって噴射するように配置され、
前記配管内を流れる排ガスと、前記配管の壁面に向かって噴霧された尿素水との混合部を、前記配管内に有し、
前記混合部には、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレートが前記配管内の壁面に沿って着脱可能に配置され、
前記加水分解プレートの断面形状が、少なくとも凹面を有しており、
前記加水分解プレートの前記凹面は前記尿素水噴霧ノズルに向かって拡開するように設けられ、
前記凹面の前記配管の壁面と反対側には前記混合部が形成され、前記混合部で前記排ガスに巻き込まれた尿素水は、前記尿素水噴霧ノズルから前記加水分解プレートの加水分解触媒材料に向かって噴霧される構造を有することを特徴とする尿素気化装置。
前記加水分解プレートの断面形状は、凹面と凸面とを有しており、前記凸面の一部が前記配管の内壁面に接するように配置されていることを特徴とする請求項２記載の尿素気化装置。
前記加水分解プレートが、Ｖ型、Ｕ型又は御椀型の何れかからなることを特徴とする請求項１又は３記載の尿素気化装置。
前記加水分解プレートが、方形状平板の幅方向の中心を縦方向に折り曲げるか、あるいは方形状平板の幅方向を半円状に折り曲げて形成されることにより凸面と凹面を有する折り曲げ部材からなることを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の尿素気化装置。