JPH0715254B2

JPH0715254B2 - 排気ガス脱硝装置

Info

Publication number: JPH0715254B2
Application number: JP1166618A
Authority: JP
Inventors: 弘吉田; 信男高井; 弘池谷
Original assignee: 神鋼電機株式会社
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: JPH0333418A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はNOx（窒素酸化物）を比較的多量に含むディー
ゼルエンジンの排気ガスを，脱硝反応器内で高温触媒の
存在下でアンモニアガスとの接触により還元し脱硝する
装置に装着され、アンモニア水を微粒化してアンモニア
霧滴とし、この霧滴を混合器において排気ガスと混合す
る装置を有する脱硝反応器に関する。

より具体的には、ディーゼル発電装置を有する施設に設
置される脱硝装置として、ディーゼルエンジンからの排
気ガス中に存在するNOxと、アンモニア水を超音波によ
り微粒化してガスに近い状態にしたアンモニア霧滴とを
脱硝反応器に送り、脱硝反応器内でチタン系などの高温
触媒の存在下で排気ガスと混合接触させてNOxを還元
し、無害な窒素ガスと水とに変化させる脱硝装置に適用
されるアンモニア水微粒化装置を備えた排気ガス脱硝装
置の反応器に関する。

本装置では、アンモニア水タンクから供給されるアンモ
ニア水をアンモニア水収容タンク内に収容し、更に超音
波発生装置に導き超音波を放射することによりアンモニ
ア水に発生するキャビテーション効果によりアンモニア
水を微粒化する。

［従来の技術］ディーゼルエンジンの排気ガス中にはガソリンエンジン
に比較しNOx（窒素酸化物）をかなり多量に含んでい
る。

ディーゼルエンジンの排気ガス中のNOxは、燃料である
重油などが高温で燃焼する際に生成するものであるか
ら、燃焼温度を低くすればNOxの発生量をある程度低減
できるが燃焼方式の変更には限度があり、発生したNOx
を無害化する方法を併用せざるをえない。

現在トラック、バス、特殊車両、乗用車などの自動車に
搭載されているディーゼルエンジンからの排気ガス中の
NOxの量あるいは濃度には、大気汚染防止法により許容
最高限度値が規制されている。

一方、定置式ディーゼル発電装置を有する施設は、目下
のところ法による規制の対象にはなっていないが、地方
自治体の中には地域住民の要望などを受けて条例または
指導などにより法規制よりも厳しい基準値を定める所が
見受けられるようになった。

定置式ディーゼル発電装置を有する施設に設置されてい
るNOxガスの脱硝装置は、目下の所、第３図に工程図と
して示されているものが代表的である。

この装置では、タンク５内の液化アンモニアをベーパー
ライザー６により気化して得られたアンモニアガスを混
合器７に導き、一方、ディーゼルエンジン２からの排気
ガスは、排気ガス加熱・希釈装置８を経由させて前記の
混合器７に導き、前記のアンモニアガスと混合させ、こ
の混合ガスを触媒反応器９に導きチタン系のハニカム触
媒9aなどの存在下で前記のアンモニアガスと排気ガス中
のNOxとを接触させ、下記の化学反応によってNOxを還元
するとともに、これらの反応ガスを無害な窒素ガスと水
とに変化させ消音器20と排気管11を通過させ大気中に排
出する。

4NO＋４NH₃＋O₂→４N₂＋６H₂O……（１）６NO₂＋８NH₃→７N₂＋12H₂O……（２）しかしながら、上記の装置で脱硝に使用する液化アンモ
ニアは、アンモニアガスを高圧で液化した状態で供給、
貯蔵されるため高圧ガス取締法が適用されるのに加え、
液化アンモニアを直接気化させるためのベーパーライザ
ー６や、触媒に対応するため排気ガスを加熱、希釈する
などの装置８を必要とし、装置が大型化、複雑化し小規
模の定置式ディーゼル発電装置には適用が困難であっ
た。

本願発明の発明者らは、上記の液化アンモニアの代りに
常温、常圧で供給、貯蔵が可能なアンモニア水を噴霧ノ
ズルにより微粒化してアンモニア水の霧滴とし、さらに
この霧滴をガス化しアンモニアガスとして排気ガスと接
触させることにより比較的小規模の500KWクラスの低出
力定置式ディーゼル発電装置にも適用可能なNOxガスの
脱硝装置を開発し、平成元年２月６日特許出願した（特
願平１−25769）。

第２図を参照し前記の低出力発電装置用のNOxガスの脱
硝装置の概要を述べる。

例えば、25％濃度のアンモニア水がタンク12からポンプ
６により移送され、サービスタンク12′、バルブ28を経
て噴霧ノズル29に送られる。

噴霧ノズル29にはコンプレッサー25からの加圧空気が減
圧弁27を介して送られ、アンモニア水が霧化されて混合
器７に送られ、ここでディーゼル発電機４のディーゼル
エンジン２からの排気ガスと混合され触媒反応器23に送
られてハニカム形状などの触媒9aなどの存在下でアンモ
ニアガスと排気ガス中のNOxとを接触させ、NOxの還元に
よる脱硝が行なわれる。

触媒反応器を出たガスは給湯装置24で余熱を回収され主
回路管20′、消音器20および排気管11を通過して大気に
放出されるが、反応をさらに確実にするために一部の反
応後ガスは分岐回路管21を経由してバイパスされ未反応
の混合ガスと再び混合され触媒反応器23に供給される。

触媒反応器23内での脱硝反応自体は、第３図に示した反
応器９の場合と同一である。

第２図に工程図として示した機器の配置により脱硝装置
全体としての問題点は解決されるが、装置の各部分を占
める個々の機器などの構造自体に解決すべき課題や改良
点が存在していた。

後述するように、本発明はアンモニア水を霧化する場合
の微粒化の程度を制御する場合に遭遇する課題を、圧電
セラミック振動子などの圧電素子により超音波を発生さ
せてアンモニア水に放射して、アンモニア水に発生する
キャビテーション効果によりアンモニア水を霧滴化して
解決したものである。

超音波によるキャビテーション効果を応用した技術とし
ては、超音波洗浄、超音波霧化、超音波加湿などが挙げ
られるが、本発明に関連性の深いものとして超音波霧化
器、超音波加湿器について概要を述べる。

第４図は超音波霧化器の構造を示す側断面図である、符
号40は霧化器本体を示し、内壁部41は段付きにされ、軸
方向の一端42が開放されて広く、他方端43が狭く底付き
にされ円筒状にされ、多数の小孔47を有する金属製の振
動板44が開放端から内部に挿入され段部45に着坐して段
部から開放端までの空間を、段部から底48までの液体を
収容する空間から区分する。

46は液体を補給する容器で霧化器本体40より下に置か
れ、霧化器本体40との間は霧化器本体の側壁に開けた孔
42′と容器46内の液体の液面より下に達するパイプ43′
により連絡され、本体40内の液体が霧化により消費され
ると容器46内の液体が自動的に補給される。

49は圧電セラミックスなどの中空リングで前記の金属製
振動板44に接着され圧電振動子を構成する。

圧電振動子が発振回路により駆動され超音波を発生する
と、まずキャビティ（小空洞）が発生しその後は振動板
がキャビティの方向に変位するときはキャビティは潰さ
れるようになり強い内圧が発生して液体を振動板44の小
孔47から押し出すように作用し、更に液体を小孔の外方
に突出させ、内圧が液体の表面張力よりも大になれば液
体は分離し微粒化して霧滴Ｄとなると説明されている。

このような超音波霧化器によれば、個々の小孔から１粒
ずつの霧滴が超音波振動の１周期ごとに形成されるの
で、小孔を均一なサイズに加工すれば均一な粒径の霧滴
が得られ、発振回路により電気的に制御できるので微粒
化の程度と霧滴の濃度などをも正確に制御できることに
なる。

第５図は、市販されて居る超音波加湿器の概略構造図で
あり、霧化室50の内部下方には水が収容され、霧化室50
の底の下側には励振回路51に接続されたた振動子52が配
置されている。

霧化室50内での振動子52の位置に相当する部分には、内
部の水の液面よりわずか上の位置から霧化室50の上壁54
を貫通して霧化室50の外部に連通する吐出し管55が配置
されている。

霧化室50の上部には送風ダクト56が接続されファン57か
らの空気が霧化室50内に送られるので振動子52の超音波
振動により発生した霧は水面から上昇し、ファン57から
の空気の流れとともに吐出し管55内を上昇して霧化室50
の外部に排出され乾燥している室内などに加湿する。

発生する霧の粒子のサイズは超音波の周波数が高いほど
微粒になり、霧滴量は振動子52の表面と水面との距離に
より変動する。

［発明が解決しようとする課題］第２図に示した脱硝装置ではアンモニア水を霧化するた
めの噴霧ノズル29には、加圧空気が減圧弁27を介して送
られ、減圧弁27で圧力が制御されるが、アンモニア水の
霧化すなわち微粒化の程度は、加圧空気の圧力、アンモ
ニア水の温度と濃度に依存する粘度の変化、腐食や摩耗
などによる噴霧ノズルの形状や寸法の変化などにより複
雑に影響される。

アンモニア水の温度と濃度を制御することはプロセス自
動制御などにより比較的正確に行ない得るとしても、ア
ンモニア水の微粒化の程度を噴霧ノズルによって制御す
るには、噴霧ノズルに設けた絞りの調整により吹き出し
口の口径を調節したり、噴霧ノズルに加えられる加圧空
気の圧力を減圧弁により調整する手段を単独または併用
する手段によらざるをえない。

噴霧ノズルから液体が吹き出し微粒化する現象と減圧弁
による圧力調整とは、共に流体動力学の法則が適用され
る現象であり、また、両者とも機械的エネルギーの変換
を利用した制御手段であるため、最適制御条件を選定す
るには詳細な解析と確認テストを行なうか、または、試
行錯誤を経て経験的に設定するなどの必要があり、より
容易かつ正確にアンモニア水の微粒化を制御する手段の
開発が要望されていた。

［課題を解決するための手段］本願発明の発明者らは、アンモニア水の微粒化自体は物
理的または機械的エネルギーによるとしても、この微粒
化の程度を制御するには、電気的エネルギーと機械的エ
ネルギーを可逆的に変換可能な方法による方が正確であ
り制御が容易な点に着目して検討した結果、液体中に強
い超音波を放射すると液体中にキャビテーション（空洞
現象）が発生して、液体粒子の破壊、撹拌、発熱、酸化
などが起こり液体の分散、乳化などのほか霧化すなわち
微粒化も実現される現象を利用することにした。

超音波により液体中に空洞が発生したり消滅する現象が
反復される結果、超音波による音圧が高くなり空洞が消
滅するときに高圧力が発生し、その逆に音圧が低くなり
空洞が発生するときに真空が発生し、溶媒自体や溶媒中
に溶け込んだ溶質が気化したりして気泡が発生し更に空
洞の発生が促進されると考えられている。

アンモニアガスと排気ガス中のNOxとを接触させ、触媒
の存在下でNOxの還元により脱硝を行なうという化学反
応に関与するアンモニア霧滴としては、その微粒子とし
ての粒径と霧化蒸気量を正確に制御可能なことが要求さ
れる。

このような見地から、本発明のアンモニア霧滴発生装置
としては、基本的には第４図に示した超音波霧化器に近
い構造を採用することとした。

つまり、脱硝反応剤としてのアンモニア水を密閉容器内
に収容し、内部のアンモニア水は、超音波のキャビテー
ション効果により、容器の側壁に配置された小孔を強制
的に通過させられる際に小孔から突出し、次に容器内の
残部のアンモニアから分離して霧滴化されるようにし
た。このような霧化機構を利用して多量のアンモニア水
を小形の装置で霧化するため、後述の図１に示すように
従来の超音波霧化器の構造を改良した。

［作用］アンモニア水に加えられる超音波の一周期ごとに、アン
モニア水が多数の小孔から霧滴化して同時に発生する。
したがって、小孔の内径、形状、内面の粗さなどを均一
に加工すれば、一周期ごとに均一な粒径の霧滴を小孔の
数に応じ同数だけ発生させることができ、霧滴化により
得られたアンモニアガスを所定の濃度にすることができ
る。

［実施例］第１図（Ａ）は、本発明の実施例のアンモニア水超音波
霧化器の平面図で、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）の1B−
1B線に沿って切断した断面図で、第１図（Ｃ）は脱硝装
置内での配置を示す工程図である。超音波霧化器29′は
下から順に重ねられたアンモニア水の収容室61、振動本
体72、カバー85から構成されている。収容室61は隅部に
張出し部62がある箱状のケース63を有し、ケース63の上
端縁64に沿って、四角形の開口65がある板状の縁板66が
点溶接されている。張出し部62にある縁板66にはナット
67が溶接され、ナット67に調整パイプ68のねじ68′が垂
直方向に係合して、ロックナット69により、パイプ68位
置を固定する。

パイプ68の液面と反対端部にはサービスタンク12′から
バルブ28を経て導入されるアンモニア水（第１図Ｃ参
照）を導くホース70を接続する。縁板66の張出し部62と
反対側には、吸上げパイプ71が溶接で垂直に固定されて
いる。

収容室の張出し部62を除く上面に、ほぼ同じ大きさの四
角形の振動本体72があり、本体72は、機能的には従来の
技術に関して記載された第４図に示す霧化器本体40を複
数設けた集合体と解釈すればよい。しかしながら、多量
のアンモニア水を霧化する必要があるため、部材の構成
が従来の技術によるものでは不十分で改良する必要があ
る。即ち本体72は下プレート73、中間プレート75、上プ
レート78の三層から形成されている。下プレート73には
吸上げパイプ71に対応する位置に貫通孔74が設けられて
いる。中間プレート75には複数個の貫通孔状の小室76が
その中心を基盤の目の交点に相当する位置に設けられ、
また中間プレート75の小室76に対応する位置に、小室76
の直径より大きい直径を有する貫通孔79が設けられ、各
孔79の直径方向位置に埋め込まれた配線の端子80が各一
本宛突き出ており、プレート78の一方の側面には超音波
電源へ接続される端子81が備えられている。

端子81の一方は各孔79の端子80の一方へまた、端子81の
他方は端子80の他方へ埋設配線で連続されている。各孔
79には中心付近に小孔82を有する振動板83によりリング
状の圧電素子84が同心に電導性の接着剤で接着されては
め込まれ、圧電素子84の上表面に前記配線の端子80の一
本が、又金属振動板83に他方の端子80がハンダ付けで接
続される。

上記のように組み立てられている振動本体72の上に四角
形箱形のカバー85が四隅のフランジ部86をボルトで振動
本体74と共に、アンモニア水の収容室61の縁板66に取り
付けられ、カバー85の上部中央には配管用ねじ接手87が
溶接されていて混合器７への配管が接続される。

上記のような構造の超音波霧化器29′により発生したア
ンモニア水の微粒子は、第１図（Ｃ）の工程図に示すよ
うにディーゼル発電装置４のディーゼルエンジン２から
の排気と共に吸い込まれて混合器７で混合され触媒反応
器23へ流れて、そこで触媒23aの存在下で脱硝され、必
要に応じ消音器20、給湯装置24などを経て処理済排気ガ
スとして排出される。

［発明の効果］本願発明の超音波霧化器によるアンモニア水の微粒化の
程度は振動板83に設ける小孔82の大きさ、数、及びこれ
に対応する超音波発生器の発振回路により決定されるの
で、希望する振動板を選定すれば、これに応ずる超音波
は電気的に制御される。また振動板に対応して所望の微
粒子が発生し易いように液面の調整も機械的に容易に行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）と（Ｂ）は、それぞれ、本発明のの実施例
のアンモニア水超音波霧化器の平面図と側断面図で、第
１図（Ｃ）は本発明の脱硝装置内でのアンモニア水の超
音波霧化器の配置を示す工程図、第２図は本発明の先願
発明として開発されアンモニア水を使用可能にした排気
ガス脱硝装置の工程図、第３図は液化アンモニアを使用
する従来の排気ガス脱硝装置の工程図、第４図と第５図
はそれぞれ現在実用化されている超音波霧化器の概略側
面図と、超音波加湿器の概略図である。図面中の符号４…ディーゼル発電装置、７…混合器、12…タンク、1
2′…サービスタンク、20′…主回路管、23…触媒反応
器、23′…ハニカム触媒、29′…超音波霧化器、61…ア
ンモニア水の収容室、63…ケース、65…開口、68…調整
パイプ、71…吸上げパイプ、72…振動本体、73…下プレ
ート、74…貫通孔、75…中間プレート、76…小室、82…
小孔、83…振動板、84…圧電素子、85…カバー、87…ね
じ接手。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】定置式ディーゼル発電装置のディーゼルエ
ンジンの排気ガス中のNOxの脱硝装置として、排気ガス
とアンモニア水の霧滴を混合器内で混合し、この混合器
より下流側でアンモニア水の霧滴が気化したアンモニア
ガスと排気ガスとの混合ガスを、チタン系などの触媒の
存在下で反応させてNOxを還元し、前記排気ガスと前期
アンモニアガスとを無害な窒素ガスと水とに変化させる
ための少なくとも１個の触媒反応器を有する脱硝装置に
おいて、前記アンモニア水の霧滴がアンモニア水を超音波振動に
より霧化する装置によって得られることを特徴とする排
気ガス脱硝装置。
【請求項２】請求項１記載の排気ガス脱硝装置の反応器
において、前記アンモニア水を超音波振動により霧化す
る装置は、前記混合器より上流のアンモニア水供給側に
備えられ、アンモニア水を導入して収容するアンモニア
水収容室と、このアンモニア水収容室内からアンモニア
水を供給して超音波振動を発生しアンモニア水を霧化
し、このアンモニア水の霧滴を混合器に送る超音波振動
発生装置とから成っていることを特徴とする排気ガス脱
硝装置。
【請求項３】請求項２記載の排気ガス脱硝装置におい
て、前記超音波振動発生装置は、前記アンモニア水収容室に連結通路を介して設けられ内
部にアンモニア水を貯留する小室であって、その一方端
と前記連結通路を除いた他の部分は液密に包囲されてい
る小室と、前記小室の前記の一方端に嵌め込まれ複数の小孔を明け
られた振動板と、前記振動板を所定の超音波振動数で振動させる発振装置
とを有し、前記振動板の超音波振動によるキャビテーション効果に
より前記小室内のアンモニア水を前記小孔を強制的に通
過させて外方に噴出させ霧滴化することを特徴とする排
気ガス脱硝装置。