JPH03196817A - 排ガス脱硝装置における尿素水添加量制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を、選択
接触還元触媒を用い、還元剤として尿素を使用して除去
する形式の排ガス脱硝装置に関するものである。 さらに詳しくは、かような排ガス脱硝装置を用いて排ガ
スを脱硝するに際し、尿素を尿素水として排ガス中に添
加する場合の尿素水添加量を制御する方法に関するもの
である。

【従来の技術】

ディーゼルエンジンのごとき内燃機関からの排ガス中に
は環境汚染の原因となる窒素酸化物（ＮＯｘ　）が含ま
れているため、大気へ放出する前に排ガス中のＮＯｘを
分解する脱硝処理を施す必要がある。かような脱硝処理
には、排ガス中に還元剤を添加した後、選択接触還元触
媒と接触させて排ガス中のＮＯＸを還元、除去する脱硝
装置が一般に使用されている。 排カス中に添加される還元剤としてはアンモニアガスが
最も広く使用されており、極く一部でアンモニア水が使
用されている例もある。しかしながら、内燃機関による
発電を行うと共にこの内燃機関から発生する熱を建物の
暖房や冷房に有効利用する、いわゆるコージェネレーシ
ョン・システムを採用する最近の都市ビル、病院、ホテ
ル等においては、脱硝装置の還元剤として、アンモニア
ガスやアンモニア水に比べて安全性が高く取扱の容易な
尿素が使用されるケースが増えるものと予想される。 脱硝装置の還元剤として尿素が使用される場合には、排
ガス中への分散を容易にするために、通常は尿素水（尿
素の水溶液）の形で排ガス中に添加される。高温の排ガ
ス中に尿素水が添加されると、下式によりＣＯとＮ　Ｈ
ａに分解する： ＣＯ（ＮＨ２）２　＋Ｈ２０ →ＣＯ＋２ＮＨ・・・　Ｉ ３ このＮＨ３が下式で示すように排ガス中のＮＯＸ　　（
Ｎ　Ｏ、Ｎ　０２　）を触媒作用で還元し、Ｎ２とＮ２
０を生成する： ４ＮＯ＋４ＮＨ３＋０２ →４Ｎ　　　＋６ＨＯ・・　■ ２ ＮＯ＋ＮＯ２千２ＮＨ３ →２Ｎ　　　＋３ＨＯ・・・■ ２ ディーゼルエンジン等の排ガス中のＮＯＸの主成分はＮ
Ｏであるため、触媒量が十分であれば、添加されるＮＨ
３と同モル数のＮＯｘが除去されることが上式かられか
る。 排ガスに還元剤として尿素水を添加し、次いで触媒に接
触させて排ガス中のＮＯＸを還元、除去する従来の脱硝
装置を、第４図を参照して説明する。ディーゼルエンジ
ンのごとき内燃機関１を出たＮＯｘを多量に含む高温排
ガス（３００〜４５０℃）は、排ガスダクト２を通って
触媒層３ａを備えた脱硝反応器３へ導かれる。 この間、尿素定濃度連続溶解装置４で一定濃度に調整さ
れた尿素水をポンプ５を介して尿素水ライン６に流し、
脱硝反応器３の手前で排ガスダクト２中に添加する。添
加に際しては、尿素水が排ガス中に均一に分散するよう
な添加様式が採用される。 この場合の尿素水の添加量は次のようにして制御される
。尿素水添加場所の上流の排ガスダクト内に設置した排
ガス流量７で排ガス量を、同じく尿素水添加場所の上流
の排ガスダクト内に設置したＮＯｘ計８で排ガス中のＮ
Ｏｘ　ｊｔをそれぞれ測定し、予め設定された所定の脱
硝率から必要尿素添加量さらにはこれに相当する必要尿
素水添加量を演算器９で演算する。算出されたこの必要
尿素水（一定濃度）添加量と尿素水ライン６に設置した
尿素水流量計１０による尿素水量とを尿素水流量調節計
１１で比較して、尿素水流量１個節弁１２により実際に
排ガスダクト２に添加する尿素水流量を所定の値に制御
する。 Ｒ１’ガスダクト２に添加された尿素水は、前記１式に
より分解してＮＨ３ガスとなって排ガス中に分散し、排
ガスと共に脱硝反応器３に入る。 この脱硝反応器内の触媒３ａの作用により、ＮＨ３は排
ガス中のＮＯＸを前記■または下式に示す還元反応で無
害なＮ　とＮ２０に転換させる。 、なお、排ガス中のＮＯＸ　６度の測定には、−般にＮ
Ｏ！計８が使用されるが、エンジン出力等のデータから
推定してもよい。また排ガス量は、排ガス流量計７で直
接測定してもよいが、エンジンの燃料消費量等から推定
することもできる。 図示したような尿素水添加量の制御方法の他に、脱硝反
応器３から出てくる脱硝後の処理ガス中のＮＯｘ値を基
にして、必要尿素添加量さらには必要尿素水添加量を求
めて尿素水（一定濃度）の排ガスダクト２への添加量を
制御する二さもできる。しかしながらこの制御方法は、
脱硝反応器３の反応遅れがあるため、エンジン出力の変
動により排ガス量やＮＯｘ値が変化する場合には追随が
困難となる傾向がある。 排ガス中に添加する尿素水の量は、脱硝反応によって除
去すべきＮＯｘ量により決められる。 除去すべきＮＯＸ量の決め方は、法規制、立地条件その
他によって種々の考え方があるが、除去すべきＮＯｘ量
から必要尿素水添加量を算出する演算式のうち代表的な
２つの例を以下に挙げる。 ａ）脱硝後の処理ガス中のＮＯＸ濃度目標値を−定にす
る場合： １００　　　　Ｍ Ｗ−遍Ｘ丁口罰 ＸＱＸ　（（ＮＯｘ）ｉｎ　−（ＮＯｘ）ｏｕｔ）　Ｘ
ＩＯ”−Ａ式中 Ｗ；必要尿素水添加量、　Ｋｇ／１ｌｒＱ；排ガス量（
乾燥）。 Ｎ＋ｎ３／ｌｌｒ　　（０℃、１気圧）（ＮＯｘ）ｉｎ
　　；排ガス中のＮＯｘ　６度、　ｐｐｎ＋（ＮＯｘ）
ｏｕｔ　；処理ガス中のＮ　Ｏｘ　′ａ度目標値；ｐｐ
ｍ　　（一般的には放出基準を基 にして定める場合が多い） Ｖｏ　；理想気体の分子量。 Ｎｍ”　／Ｋｇ−ｍｏｌ　　（０℃、１気圧）Ｍ；尿素
の分子量、　Ｋｇ−ｎ＋ｏｌ η；尿素水中の尿素濃度１重量％ ｂ）脱硝率を一定にする場合： Ｍ Ｗ””　、　Ｘ７刀、Ｘ　Ｑ　Ｘ　（ＮＯｘ）ｉｎＸ　
ｔｏ−６−８式中 に；脱硝率９％ その他はａ）に同じ。 上記したａ）、　ｂ）においては、処理後のＮＯｘ濃度
１１標値（ＮＯｘ）ｏｕｔまたは脱硝率Ｋをそれぞれ一
定としたが、必ずしも一定とする必要はない。時間経過
、（ＮＯｘ　）　Ｉｎの値、あるいはその他の状況に応
じて予め設定した値や予め設定した演算式で求めた値に
変化させてもよい。 また、当然上記Ａ式、Ｂ式で必要尿素水添加量を求める
に際して、所定のファクター値を乗じて尿素水の分解率
や反応速度を考慮することも必要に応じて行われる。 上述した尿素水添加量制御方法の他にも、フィードフォ
ーワード制御やフィードバック制御、さらにはリークＮ
　Ｈｓ量等を考慮した各種の制御を組み合わせた制御方
法が考えられているが、いずれも上記ａ）またはｂ）の
式を基本にしている。

【発明が解決しようとする問題点】

第４図に示した従来の尿素水添加量制御方法は、添加す
る尿素水として、常に一定の尿素濃度をもつ尿素水を使
用しなければならない。 このような一定濃度の尿素水を調製するには、尿素と水
の量を正確に秤量して混合、溶解させる必要がある。一
定濃度の尿素水を大量に連続供給するためには、赤武エ
ンジニアリング■製の「イートップ」や「サンフロー」
　（商品名）で代表されるような定濃度連続溶解装置が
使用される。 かような溶解装置を使用すれば、一定濃度の尿素水を連
続的に大量に調製することができるが、次のような問題
点がある： （１）粉末状の尿素を定量フィードするための装置の機
構が複雑となる。 （２）上記（１）の理由から、装置が高価になり、メン
テナンスも複雑となる。 （３）大きな溶解槽や粉末定量供給装置を具備するため
、装置の設置スペースが大きくなる。 ちなみに、溶解槽の容量は１．２〜１．８時間供給でき
る程度の量が必要となる。 （４）尿素は吸湿性が高い。従って尿素粉末が吸湿した
場合、尿素粉末の重量または容積で尿素量をΔＰ１定す
る方法では、誤差を生じる可能性があるだけてなく、機
械的トラブル等を生じる可能性もある。一般的には、溶
解槽自体は気密性が高いため尿素粉末が吸湿する恐れは
少ないが、装置のホッパーへ入れるまでの間の保管、取
扱は十分な配慮が必要となる。 そこでこの発明は、上述したような問題点のある定濃度
連続溶解装置を用いて調製される一定濃度の尿素水を使
用せずとも、濃度の一定しない尿素水を還元剤として使
用でき、しかも尿素水の排ガス中への添加量を正確に制
御できる方法を提供することを目的としてなされたもの
である。

【問題点を解決するための手段】

すなわち、この発明による排ガス脱硝装置における尿素
水添加量制御方法は、内燃機関の排ガスに還元剤として
尿素水を添加した後、触媒に接触させて排ガス中の窒素
酸化物を還元する排ガス脱硝装置において、添加する尿
素水中の尿素濃度を連続または逐次測定し、この測定値
に基づいて必要尿素添加量に相当する尿素水添加量を算
出し、この算出値に基づいて実際の尿素水添加量を制御
することを特徴とするものである。 上記尿素濃度の測定は、連続測定でもよく、また、目標
の脱硝率や脱硝値、さらには尿素濃度の変化時期の予想
などに応じて適宜測定間隔の時間を定め断続して測定す
る逐次測定でもよい。この逐次Δｐ１定においては、実
際の尿素水の添加量を修正する制御間隔（制御サイクル
）の半分以内の時間で測定することが好ましい。この制
御サイクルは、脱硝装置の大きさや制御される機器の応
答性などの脱硝装置の特性や脱硝率などの要求されるコ
ントロール精度によって決定するが、数秒〜数分が一般
的である。 また、演算に使用する尿素濃度の値は、その制御サイク
ルの間に測定されたある時点の代表値やそのサイクルの
間にδＰ１定された複数の測定値の平均値のいずれでも
よく、δ−１定値に基づく値であればよい。

【作　用】

上述したこの発明においては、除去すべきＮＯｘ　ｆｆ
ｉ、およびそのために必要な尿素添加量については、排
ガス量、排ガス中のＮＯ！濃度、処理ガス中のＮＯＸ　
６度、脱硝率等から、従来と同じ様にして演算する。 この発明の方法が従来の方法と異なる点は、必要尿素添
加量から必要尿素水添加量を算出する仕方である。すな
わち、従来の方法では一定濃度の尿素水を使用していた
から、尿素水濃度（式ＡまたはＢにおけるη）を定数と
して必要尿素水濃度を算出していた。これに対してこの
発明の方法においては、添加すべき尿素水の濃度を連続
または逐次測定し、すなわち尿素水濃度ηを変数として
扱い、この濃度測定値を基にして必要尿素水添加量を算
出するのである。 従ってこの発明によれば、濃度の一定しない尿素水を還
元剤として使用しても、必要な尿素水添加量を適切に制
御することができる。

【実施例】

以下に図面を参照してこの発明の詳細な説明する。 第１図はこの発明の１つの実施例を説明するフローシー
トであり、第４図の従来方法と同じ要素には同じ参照番
号を付すことにより説明を省略する。従来方法と異なる
点は、この発明では、尿素水ライン６の尿素水流量調節
弁１２よび尿素水流量計１０の上流に、尿素濃度計１３
を設置し、ここで」ｊ定された尿素濃度信号を演算器９
へ出力する点、および、尿素水の調製に機構が複雑な定
濃度連続溶解装置４を使用せずに、後述のような構造が
簡単な尿素溶解装置１４を使用する点である。 尿素水中の尿素濃度を／ＩＦＩ定するための尿素濃度Ｊ
１１３としては、超音波式や光透過式など、リアルタイ
ムで液体濃度測定ができるものであれば形式を問わず使
用することができる。また、水溶液の比重を利用する濃
度測定方式も利用できる。 この発明では、尿素を水に溶解する場合に正確な濃度管
理を必要としないから、尿素溶解装置１４としては、例
え（ｆ第２図に示したような簡単な構造の溶解装置を使
用することができる。 第２図の尿素溶解装置は、攪拌機２５を備えた溶解槽２
０の上方に尿素粉末のホッパー２１と水の流入配管２２
を配置した基本構造を有している。溶解槽２０にはレベ
ル計２３が装備されており、溶解槽２０内の尿素水はポ
ンプ２４により第１図の尿素水ライン６へ送り出される
。 ホッパ−２１下部に配設されたロータリーバルブ２１ａ
のごとき弁と、水流入配管２２に設けられた流量制御弁
２２ａと、攪拌機２５と、レベル計２３とは互いに連動
し、例えば水が溶解ＷＩ２０内に流入すれば攪拌機２５
が回転し、尿素粉末もホッパー２１から排出され、溶解
槽２０内のレベルが所定レベルになったときに水の流入
が停止すれば尿素粉末の排出も停止し、さらに尿素の溶
解に必要な所定時間経過後に攪拌機２５も停止し、おお
よその流入水量に対応する尿素量がホッパー２１から排
出されるように設定されている。なお、尿素水の濃度は
、前記１式から明らかなように排ガス中に添加される際
に、尿素１モルに対して水が１モル以上存在するように
設定される。排ガス中にはかなりの水分を含んでいるの
でその水分量も考慮すると、上記尿素水の濃度は、尿素
１モルに対して水が１モルに満たない高濃度から、気化
に必要な潜熱が取られて排ガス温度が低下しても目標の
脱硝率や脱硝値を満足する低濃度まで、かなり広い範囲
に渡ってばらつきがあってもよい。 得られた尿素水の添加は、必要な尿素量を基準にしてそ
の尿素水の添加量を制御すればよい。 かような尿素溶解装置は構造が簡単であるため設備費も
比較的安価であり、溶解槽の容量も１０〜１５分間代給
できる程度で十分であるため設置スペースが少なくてす
み、装置のメンテナンスもほとんど不要となる。 第３図は、第１図に対応するこの発明の実施例の尿素水
添加量制御系統図であり、前述した演算式Ａを用いて必
要尿素水添加量Ｗを求める場合の例である。図中、第１
図と同じ要素については同じ参照番号を付し、また［　
］内はアナログ信号を表している。 排ガスダクト２に設置したＮ　Ｏｘ　ｉ１８からの排ガ
ス中ＮＯｘ濃度［（ＮＯｘ）Ｉｎ　］の信号と、予め設
定された処理ガス中ＮＯｘ濃度目標値［（ＮＯｘ）ｏｕ
Ｌｌの信号が演算器９中の減算演算器９ａに入力され、
ここでｆ（ＮＯｘ）ｉｎ　−（ＮＯｘ）ｏｕＬｌが算出
されて［ΔＮＯｘ　］信号が乗算演算器９ｂへ出力され
る。この乗算演算器９ｂには、排ガスダクト２に設置し
た排ガス流量旧７からの排ガスｆｆｉ　［Ｑ］　も入力
され、上記の［ΔＮＯＸ　］と乗算されて［除去すべき
Ｎ０ｘｆｆｉ］が算出され、除算演算器９Ｃへ出力され
る。 この除算演算器９Ｃて、上記の［除去すべきＮＯＸ量］
に基づいて必要尿素水添加量［Ｗ］が算出されるのであ
るが、特にこの発明においては、尿素水ライン６に設置
された尿素濃度ス１１３により連続７１ＰＩ定された尿
素濃度［η］で［除去すべきＮＯｘ量コを除算すること
によって、必要尿素水添加量［Ｗ］が算出されることに
なる。 この必要尿素水添加量［Ｗ］は尿素水流量調節計１１へ
出力され、ここで、尿素水ライン６に設置された尿素水
流量計１０からの実際の尿素水量と必要尿素水添加量［
Ｗ］とが比較され、偏差があれば［調節弁開度信号］が
出力されて尿素水流ｉｉ　、ｉ節介１２の開度を修正し
、必要尿素水添加ｍ　［Ｗ］に相当する尿素水が排ガス
ダクト２へ添加されるように調整される。この必要尿素
添加量の旧算から尿素水流量調節弁１２の開度修ＩＥま
での調整は、本実施例においては１０秒のサイクルで行
われている。 なお、第３図の制御系統図では演算式Ａに基づいて必要
尿素水添加ｆｆｉ　［Ｗ］を求めたが、演算式Ｂに基づ
いて求める場合には、減算演算器９ａを除き、ＮＯｘ計
８からの排ガス中ＮＯＸ濃度［（ＮＯｘ）Ｉｎ　］−の
信号を直接乗算演算器９ｂへ入力すればよい。 また、上記のアナログ信号をデジタル信号に変換すれば
、演算器９としてパソコン等のＣＰＵを使用することも
できる。 また、上記実施例では、連続して測定する光透過式の如
き尿素濃度計１０を使用した例を示したが、超音波濃度
計の如き実際のδ―ｌ定が、例えば２秒間隔に、断続し
て行われて、断続するデジタル信号や連続したアナログ
信号を出力する尿素濃度計を使用してもさしつかえない
。すなわち、上記実施例においては、溶解槽２０に水ま
たは尿素粉が流入している間は、尿素濃度を目標の脱硝
率や脱硝値に応じて連続してまたは短い間隔で断続的に
逐次Ｊｌ定する必要があるが、溶解槽２０に水または尿
素粉が流入して来ない間で尿素水ライン６のホールドア
ツプの容量が排出された後では、本質的に濃度変化が無
いか極めて少ないのであるから、長い間隔で断続的に尿
素濃度を測定するか、または測定そのものが不要であり
、尿素濃度のδ−１定は必要に応じて測定間隔の時間を
定め逐次測定すればよい。 一般的には、尿素水の添加量を修正する制御間隔（制御
サイクル）の半分以内の時間で逐次測定することが好ま
しい。この制御サイクルの時間は、脱硝装置の大きさや
制御される機器の応答性などの脱硝装置の特性や脱硝率
などの要求されるコントロール精度によって決定するが
、数秒〜数分が一般的である。なお、演算に使用する尿
素濃度の値は、その制御サイクルの間に８Ｐ１定された
ある時点の代表値やそのサイクルの間に測定された複数
の測定値の平均値のいずれでもよいが、測定値にずれが
大きい場合には平均値を採用するのが好ましい。 また、上記実施例では、尿素水流量調節弁１２の開度修
正を断続して行う例を示したが、連続的に開度を修正す
るようにしてもよく、さらに本発明はディーゼル機関の
ような内燃機関の排ガス脱硝装置だけでなく、ボイラー
等の排ガス脱硝装置にも適用できるのは言うまでもない
。

【発明の効果】

以上説明したようにこの発明の尿素水添加量制御方法に
よれば、排ガスに添加する尿素水中の尿素濃度を連続ま
たは逐次δ−１定し、この測定値を基にして必要尿素水
添加量を演算して実際の尿素水添加量を制御するように
したから、使用する尿素水の濃度を必ずしも一定にする
必要がない。 従って、尿素を水に溶解して尿素水を調製するに際して
正確な濃度管理が不要となり、その結果、一定濃度の尿
素水を調製するために従来使用されていたような機構の
複雑な尿素定濃度連続溶解装置を使用せずとも、構造の
簡単な尿素溶解装置を使用して尿素水を調製することが
できるようになる。かような構造簡単な尿素溶解装置を
使用できることによって、装置コストが安価であること
、設置スペースが小さくてすむこと、メンテナンスもほ
とんど不要になること等、種々の利点をもたらすことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の尿素水添加量制御方法の実施例を示
すフローシート、第２図はこの発明に使用できる尿素溶
解装置の例を示す説明図、第３図はこの発明の実施例を
示す制御系統図、第４図は従来の尿素水添加量制御方法
を示すフローシートである。 １・・・内燃機関、　２・・・排ガスダクト、３・・・
脱硝反応器、　６・・・尿素水ライン、７・・・排ガス
流量計、　８・・・Ｎ　ＯＸ　Ｊ、９・・・演算器、　
１０・・・尿素水流量計、１１・・・尿素水流量調節計
、 １２・・・尿素水流量調節弁、 １３・・・尿素濃度計、　１４・・・尿素溶解装置。 ｖｌ、ｌ　　図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、内燃機関の排ガスに還元剤として尿素水を添加した
   後、触媒に接触させて排ガス中の窒素酸化物を還元する
   排ガス脱硝装置において、添加する尿素水中の尿素濃度
   を連続または逐次測定し、この測定値に基づいて必要尿
   素添加量に相当する必要尿素水添加量を算出し、この算
   出値に基づいて実際の尿素水添加量を制御することを特
   徴とする排ガス脱硝装置における尿素水添加量制御方法
   。