ディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置及び処理方法
【課題】 酸素分を多く含む高温の排気ガス中に含まれるNOX分を高効率に除去するディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置及び処理方法を提供するものである。
【解決手段】 本発明に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置１０は、
ディーゼル内燃機関１１の後段に接続され、排気ガスＧ１中に含まれるNOX分を脱硝するものであって、
ディーゼル内燃機関１１の後段に接続された無触媒脱硝反応器１３と、
その無触媒脱硝反応器１３の後段に接続された脱硝触媒による脱硝反応器１４と、
無触媒脱硝反応器１３及び脱硝反応器１４の各ガス導入部１３ａ，１４ａに臨んで設けられ、還元剤Ｒを噴霧する噴霧手段１６と、
を備えたものである。
【解決手段】 本発明に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置１０は、
ディーゼル内燃機関１１の後段に接続され、排気ガスＧ１中に含まれるNOX分を脱硝するものであって、
ディーゼル内燃機関１１の後段に接続された無触媒脱硝反応器１３と、
その無触媒脱硝反応器１３の後段に接続された脱硝触媒による脱硝反応器１４と、
無触媒脱硝反応器１３及び脱硝反応器１４の各ガス導入部１３ａ，１４ａに臨んで設けられ、還元剤Ｒを噴霧する噴霧手段１６と、
を備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置及び処理方法に係り、特に船舶、自動車、車両などの移動体用ディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置及び処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電所やプラントのボイラなどに用いられる固定式（定置式）のディーゼル内燃機関の場合、排気ガス中に含まれるNOX分を除去する方法として、酸化バナジウム／酸化チタン系触媒と還元剤（アンモニア）とを用いた選択接触還元法（SCR法）が広く用いられている（例えば、特許文献１〜３参照）。図６に、この方法を用いた排気ガス処理装置６０の一例を示すように、ディーゼル内燃機関６１の後段に、脱硝触媒（酸化バナジウム／酸化チタン系触媒）による脱硝反応器６２が設けられ、脱硝反応器６２のガス導入部６２ａに臨んで、還元剤（アンモニア）６４を供給する供給手段６３が設けられる。また、脱硝反応器６２の後段には、排気ガス中のCOやハイドロカーボン（HC）を酸化させると共に、粒子状物質（PM）を除塵するための酸化触媒反応器６５が設けられる。さらに、ディーゼル内燃機関６１の運転状況に応じて、供給手段６３からの還元剤６４の供給量を制御するための制御手段６６が設けられる。
【０００３】
この排気ガス処理装置６０を、船舶、自動車、車両などの移動体用ディーゼルエンジンに適用し、自動車などの移動体にアンモニアガスを積載するということが、欧米などでは採用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−０３１３２７号公報
【特許文献２】特開平０８−２１５５４４号公報
【特許文献３】特開平１０−０３３９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、トラックやバスなどのディーゼルエンジンは、加速・減速、停止、再始動など運転状況が急変するため急激な負荷変動が生じる。このため、ディーゼルエンジンの排気ガス中のNOX濃度も急激に変動することから、過剰に投入されたアンモニアガスが、アンモニアスリップにより、そのまま大気中に放出される懸念がある。アンモニアガスは、可燃性ガスであると共に臭気を有していることから、ディーゼルエンジン搭載の移動体にアンモニアガスを積載することは、あまり好ましくない。
【０００６】
また、ガソリンエンジン搭載の移動体の場合、三元触媒を用いることにより、排気ガス中から未燃分とNOX分とを取り除くことができる。しかし、ディーゼルエンジンの排気ガスは酸素ガスを多く含んでおり、特に、高出力運転時の排ガスは500〜600℃と高温である。ディーゼルエンジンの排気ガスのような過剰酸素、高温雰囲気下で三元触媒を用いると、酸化反応により触媒金属がすぐに劣化してしまうことから、三元触媒をディーゼルエンジン搭載の移動体に適用することは困難である。
【０００７】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、酸素分を多く含む高温の排気ガス中に含まれるNOX分を高効率に除去するディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置及び処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべく本発明に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置は、
ディーゼル内燃機関の後段に接続され、排気ガス中に含まれるNOX分を脱硝する排気ガス処理装置において、
上記ディーゼル内燃機関の後段に接続された無触媒脱硝反応器と、
その無触媒脱硝反応器の後段に接続された脱硝触媒による脱硝反応器と、
無触媒脱硝反応器及び脱硝反応器の各ガス導入部に臨んで設けられ、還元剤を噴霧する噴霧手段と、
を備えたものである。
【０００９】
ここで、脱硝反応器の後段に酸化触媒反応器を備えていることが好ましい。或いはディーゼル内燃機関と無触媒脱硝反応器との間に酸化触媒反応器を備えていることが好ましい。
【００１０】
また、ディーゼル内燃機関から排出されたガス、無触媒脱硝反応器を通過したガス、脱硝反応器を通過したガス、及び酸化触媒反応器を通過したガスの分析を行うガス分析手段を備えていることが好ましい。或いはディーゼル内燃機関から排出されたガス、酸化触媒反応器を通過したガス、無触媒脱硝反応器を通過したガス、及び脱硝反応器を通過したガスの分析を行うガス分析手段を備えていることが好ましい。
【００１１】
さらに、ディーゼル内燃機関と接続され、ガス分析手段及び噴霧手段の制御を行う制御手段を備えていることが好ましい。
【００１２】
また、還元剤が、炭酸アンモニウム水溶液であることが好ましい。
【００１３】
一方、本発明に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法は、
ディーゼル内燃機関から排出された排気ガス中に含まれるNOX分を脱硝する排気ガス処理方法において、
上記ディーゼル内燃機関から排出された排気ガスに無触媒下で第１還元剤を噴霧して第１脱硝処理を施し、
その第１脱硝処理後の排気ガスに第２還元剤を噴霧し、脱硝触媒と接触させて第２脱硝処理を施すものである。
【００１４】
ここで、第１還元剤の噴霧量を制御し、第１脱硝処理後の排気ガスのNOX濃度を第１基準NOX濃度以下に調整することが好ましい。また、第２還元剤の噴霧量を制御し、第２脱硝処理後の排気ガスのNOX濃度を第２基準NOX濃度以下に調整することが好ましい。
【００１５】
また、第１還元剤及び第２還元剤が、炭酸アンモニウム水溶液であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、酸素分を多く含む高温の排気ガスから、NOX分を効率よく除去することができるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
脱硝触媒の反応温度依存性を図５に示すように、線５１（図５中では◇印を結んだ線）で示す通常脱硝触媒は、反応温度が約320℃の時、脱硝率が最大（90％弱）となる。これに対して、線５２（図５中では■印を結んだ線）で示す中温用脱硝触媒は、反応温度が約400℃の時、脱硝率が最大（80％弱）となる。また、線５３（図５中では▲印を結んだ線）で示す高温用脱硝触媒は、反応温度が約450℃の時、脱硝率が最大（60％強）となる。
【００１９】
ここで、高出力運転時のディーゼル内燃機関の排気ガスは500〜600℃と高温である。この温度領域では、通常脱硝触媒では最大で約40％以下の脱硝率しか得られず、また、高温用脱硝触媒を用いても最大で約55％弱の脱硝率しか得られず、脱硝率の低下が避けられなかった。
【００２０】
そこで、本発明者らが鋭意研究した結果、脱硝処理を２段階に分け、前段では脱硝触媒を用いずに脱硝を行い、後段では脱硝触媒を用いて脱硝を行うことで、排気ガスの温度が500〜600℃と高温であっても、高い脱硝率が得られということを見出した。
【００２１】
本発明の好適一実施の形態に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図を図１に示す。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、ディーゼル内燃機関１１の後段に設けられるものであり、前段側（図１中では左側）に位置する管状の第１反応部１２ａと、後段側（図１中では右側）に位置する管状の第２反応部１２ｂとで構成される。図１に示した第１反応部１２ａ及び第２反応部１２ｂは、長手方向（図１中では左右方向）の両端部がコーン状のテーパ接続部となっており、中央部及びその近傍が拡径部となっているが、特にこれに限定するものではなく、直管状であってもよい。
【００２３】
第１反応部１２ａの内部が無触媒脱硝反応器１３とされる。無触媒脱硝反応器１３は、単なる空間であってもよいが、第１反応部１２ａの内部空間に金属ハニカム体を装填したものであってもよい。金属ハニカム体を装填することで、ディーゼル内燃機関１１からの排気ガスＧ１と後述する還元剤Ｒとがより均一に混合され、その混合ガス（排気ガスＧ１＋還元剤Ｒ）の温度分布がより均一となり、無触媒脱硝反応器１３における脱硝反応がより進行し易くなる。
【００２４】
第２反応部１２ｂの内部には、前段側に脱硝反応器１４が、後段側に酸化触媒反応器１５が設けられる。
【００２５】
脱硝反応器１４は、第２反応部１２ｂの内部空間に、脱硝触媒を担持させた担体を装填したものであり、前段側の還元剤分解部１４ｂと、後段側の脱硝触媒本体部１４ａとで構成される。この還元剤分解部１４ｂが、後述する供給ライン１６ｂから噴霧された還元剤Ｒが、直接、脱硝触媒本体部１４ａに接触することを防ぐと共に、還元剤Ｒを分解してアンモニアを生成する領域となる。還元剤分解部１４ｂは、単なる空間であってもよいが、第２反応部１２ｂの内部空間に金属ハニカム体を装填したものであってもよい。金属ハニカム体を装填することで、第１脱硝処理後の排気ガスＧ２と還元剤Ｒとがより均一に混合され、その混合ガス（排気ガスＧ２＋還元剤Ｒ）の温度分布がより均一となり、脱硝反応器１４における脱硝反応がより進行し易くなる。
【００２６】
酸化触媒反応器１５としては、第２反応部１２ｂの内部空間に酸化触媒を担持させたハニカム体を装填したもの、または酸化触媒を備えたDPF（Diesel Particulate Filter）などが挙げられる。
【００２７】
また、排気ガス処理装置１０は、無触媒脱硝反応器１３のガス導入部１３ａ及び脱硝反応器１４のガス導入部１４ｃに臨んで、還元剤Ｒを噴霧する噴霧手段１６を備えている。噴霧手段１６は、還元剤Ｒを貯留するタンク１６ｃと、そのタンク１６ｃに接続され、無触媒脱硝反応器１３及び脱硝反応器１４の各ガス導入部１３ａ，１４ｃに還元剤Ｒを噴霧する供給ライン１６ａ，１６ｂとで構成される。ここで、無触媒脱硝反応器１３のガス導入部１３ａに還元剤Ｒを噴霧する供給ライン１６ａの噴霧口は、無触媒脱硝反応器１３の長手方向（図１中では左右方向）に亘って多段に配置してもよい。各噴霧口からの還元剤Ｒの噴霧量を調整することで、排気ガスＧ１と還元剤Ｒとの混合具合及び第１脱硝処理後の排気ガスＧ２の温度を、より細かく調整することができる。
【００２８】
さらに、排気ガス処理装置１０は、ディーゼル内燃機関１１から排出されたガスＧ１、無触媒脱硝反応器１３を通過したガスＧ２、脱硝反応器１４を通過したガスＧ３、及び酸化触媒反応器１５を通過したガスＧ４の分析を行うガス分析手段１７を備えている。ガス分析手段１７は、ガスセンサを備え、各ガスＧ１〜Ｇ４のデータを採取するガス分析系１７ａ〜１７ｄと、それらのガス分析系１７ａ〜１７ｄに接続され、得られた各ガスデータを基にガス分析を行う本体部１７ｅとで構成される。
【００２９】
また、排気ガス処理装置１０は、ディーゼル内燃機関１１と電気的に接続され、ガス分析手段１７及び噴霧手段１６の制御を行う制御手段１８を備えている。制御手段１８は、ガス分析手段１７により得られたガス分析値及び／又はディーゼル内燃機関１１の運転状況に基づいて、噴霧手段１６の各供給ライン１６ａ，１６ｂからの還元剤Ｒの噴霧量を制御する。また、制御手段１８は、ガス分析値に基づいて、ディーゼル内燃機関１１の運転条件を制御する。
【００３０】
脱硝反応器１４の脱硝触媒としては、例えば、Ｖ、Ｍｏ、又はＷを主成分としたもの、或いはそれらの混合物が挙げられる。脱硝触媒としては、慣用的に用いられている通常脱硝触媒、中温用脱硝触媒、又は高温用脱硝触媒のいずれであってもよいが、好適反応温度が低い通常脱硝触媒が望ましい。ここで言う好適反応温度とは、脱硝率が最大となる時の温度を示している。
【００３１】
脱硝反応器１４の担体構成材としては、脱硝触媒用担体として慣用的に用いられているものが全て適用可能であり、耐熱性、耐酸化性、及び耐食性に優れたものであれば特に限定するものではなく、例えば、酸化チタンが挙げられる。
【００３２】
還元剤Ｒとしては、脱硝用の還元剤として慣用的に用いられているものが全て適用可能であり、特に限定するものではなく、例えば、アンモニア、尿素、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウムなどがあげられる。還元剤Ｒが、水溶液や固形物であれば、自動車などの移動体に積載しても安全である。特に、還元剤Ｒが水溶液の場合、供給量の制御が容易であり、また、霧状に供給することで、排気ガスと均一に混合させることが容易となるため、より好ましい。よって、水溶液の還元剤Ｒを用いることで、固体の還元剤Ｒを用いる場合と比較して、脱硝処理反応をより速やかに進行させることができる。また、水溶液や固形物の還元剤Ｒは、より低い温度でアンモニアガスに分解されるものほど、還元剤としての活性が高く、脱硝率が高い。還元剤Ｒの分解温度の高低による脱硝率の違いは、無触媒脱硝反応器１３において特に顕著となる。
【００３３】
具体的に、還元剤Ｒとして、尿素（CO(ＮＨ2)2）と炭酸アンモニウム（(ＮＨ4)2CO3）とを例に挙げて、これらの還元剤の分解温度、無触媒脱硝反応器での脱硝率、室温での溶解度を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１に示すように、炭酸アンモニウムの分解温度は58℃、尿素の分解温度は160℃であり、炭酸アンモニウムの方が分解温度が低い。分解温度が低い方が、還元剤Ｒとしての活性が高いため、炭酸アンモニウムの脱硝率は20〜35％程度、尿素の脱硝率は10〜30％という具合に、炭酸アンモニウムの方が脱硝率が良好となる。また、炭酸アンモニウムの溶解度は400％、尿素の溶解度は52％という具合に、炭酸アンモニウムの方が溶解度が高い。つまり、炭酸アンモニウム水溶液は、尿素水溶液と比較して濃度をより高めることができる。
【００３６】
よって、炭酸アンモニウム水溶液を用いて、尿素水溶液と同じ脱硝率を得たい場合、同じ濃度の水溶液を用いるのであれば、炭酸アンモニウム水溶液の使用量は、尿素水溶液の使用量よりも少量で済む。また、炭酸アンモニウム水溶液を用いて、尿素水溶液と同じ脱硝率を得たい場合、同量の水溶液を用いるのであれば、炭酸アンモニウム水溶液の濃度は、尿素水溶液の濃度よりも低濃度で済む。以上より、還元剤Ｒとしては、炭酸アンモニウム水溶液が特に好ましい。
【００３７】
次に、本実施の形態に係る排気ガス処理方法を、添付図面に基づいて説明する。
【００３８】
ディーゼル内燃機関１１の排気ガスは、酸素分を多く含み、かつ、約500〜600℃と高温であるため、通常脱硝触媒を用いるとNOXをあまり除去できないことから、高温用脱硝触媒が使用されていた。しかし、高温用脱硝触媒は、通常脱硝触媒と比較して脱硝率が劣るため、高効率にNOX除去を行うことができなかった。
【００３９】
本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、NOX除去を２段階以上に分け、脱硝触媒を用いたNOX除去を行う前に、無触媒下で水溶液状の還元剤ＲによるNOX除去を行うことに特長がある。
【００４０】
先ず、図３に示すように、ディーゼル内燃機関１１から排出された高温（約500〜600℃）の排気ガスＧ１は、ガス分析系１７ａ及び本体部１７ｅによりガス分析（NOX濃度、SOX濃度、PM濃度、CO濃度、HC濃度など）がなされる。排気ガスＧ１のNOX濃度CAが第１基準NOX濃度S1よりも大きい場合（CA＞S1）、つまり分岐命令BI1がyesの場合、無触媒脱硝反応器１３の前段において、CA≦S1とすべく供給ライン１６ａから水溶液状の還元剤Ｒ（第１還元剤）が一定量（V1）噴霧される（stepA）。これによって、排気ガスＧ１と還元剤Ｒとが混合、接触される。また、CA≦S1の場合、つまり分岐命令BI1がnoの場合、供給ライン１６ａから還元剤Ｒは噴霧されず、無触媒脱硝反応器１３内で脱硝処理はなされない。ここで、第１基準NOX濃度S1は、無触媒脱硝反応器１３の脱硝能力に基づいて予め決められる。また、噴霧量V1は、NOX濃度CAに応じて決定される。
【００４１】
排気ガスＧ１と還元剤Ｒとの気液接触によって、還元剤Ｒは蒸発、分解され、(1)式に示すように、アンモニアガスが発生する。この時、還元剤Ｒとして炭酸アンモニウム水溶液を用いることで、最も反応性（効率）よくアンモニアガスを発生させることができる。また、還元剤Ｒが蒸発する際の気化熱により、第１混合ガス（排気ガスＧ１＋アンモニアガス）の温度が低下する。この温度低下の度合いは、還元剤Ｒの噴霧量を制御することで、ある一定の範囲で自在に調整することができる。
(NH4)2CO3（又はCO(NH2)2）＋H2O→NH3 …(1)
【００４２】
還元剤Ｒが分解して発生したアンモニアガスは、無触媒脱硝反応器１３において排気ガスＧ１と反応し、(2)式に示すように、排気ガスＧ１中に含まれるNOXの一部が窒素ガスに還元される（還元割合は、全NOX量の約10〜30％）。つまり、無触媒脱硝反応器１３において、排気ガスＧ１に対して第１脱硝処理がなされ、排気ガスＧ２となる。NOXの還元割合は、無触媒脱硝反応器１３の容積が大きいほど高くなり、また、還元剤Ｒの噴霧量V1及び／又は還元剤Ｒの水溶液濃度を制御することで、ある一定の範囲で自在に調整することができる。
NOX＋NH3＋O2→N2 …(2)
【００４３】
第１脱硝処理後の排気ガスＧ２は、ガス分析系１７ｂ及び本体部１７ｅによりガス分析がなされる。ここで、排気ガスＧ２のNOX濃度CBが、前述の第１基準NOX濃度S1よりも大きい場合（CB＞S1）、つまり分岐命令BI2がyesの場合、還元剤Ｒの噴霧量V1を増量し（stepB1）、CB＜S1の場合、つまり分岐命令BI2がnoの場合、還元剤Ｒの噴霧量V1を減量する（stepB2）というフィードバック制御を行う。
【００４４】
次に、排気ガスＧ２のNOX濃度CBが第２基準NOX濃度S2よりも大きい場合（CB＞S2）、つまり分岐命令BI3がyesの場合、脱硝反応器１４の前段において、CB≦S2とすべく供給ライン１６ｂから水溶液状の還元剤Ｒ（第２還元剤）が一定量（V2）噴霧される（stepC）。これによって、排気ガスＧ２と還元剤Ｒとが混合、接触される。また、CB≦S2の場合、つまり分岐命令BI3がnoの場合、供給ライン１６ｂから還元剤Ｒは噴霧されず、排気ガスＧ２はそのままの状態で脱硝反応器１４内に導入される。ここで、第２基準NOX濃度S2は、脱硝反応器１４の脱硝能力に基づいて予め決められる。また、噴霧量V2は、NOX濃度CB及び／又は脱硝触媒の反応温度に応じて決定される。
【００４５】
排気ガスＧ２と還元剤Ｒとの気液接触によって、還元剤Ｒは蒸発、分解され、(1)式に示したように、アンモニアガスが発生する。このアンモニアガスの発生は、脱硝反応器１４の前段に設けた還元剤分解部１４ｂ（アンモニア生成領域）においてなされる。還元剤分解部１４ｂを設けることで、還元剤Ｒが、直接、脱硝触媒本体部１４ａに接触するのが防がれる。また、還元剤分解部１４ｂにおいて、排気ガスＧ２は、第２混合ガス（排気ガスＧ２＋アンモニアガス）となるが、還元剤Ｒが蒸発する際の気化熱により、再び温度低下される。これによって、第２混合ガスの温度は脱硝触媒の好適反応温度近傍まで十分に低下される。さらに、還元剤分解部１４ｂは、無触媒脱硝反応器とみることもできるため、還元剤分解部１４ｂにおいても、一部の排気ガスＧ２の脱硝処理がなされる。
【００４６】
次に、還元剤分解部１４ｂで生成したアンモニアガスは、排気ガスＧ２と混合された状態で、脱硝反応器１４に導入される。脱硝触媒下において、排気ガスＧ２はアンモニアガスと反応し、(2)式に示したように、排気ガスＧ２中に含まれるNOXのほとんどが窒素ガスに還元される。つまり、脱硝反応器１４において、排気ガスＧ２に対して第２脱硝処理がなされ、排気ガスＧ３となる。NOXの還元割合は、脱硝反応器１４の脱硝能力が大きいほど高くなり、また、還元剤Ｒの噴霧量V2及び／又は還元剤Ｒの水溶液濃度を制御することで、ある一定の範囲で自在に調整することができる。
【００４７】
第２脱硝処理後の排気ガスＧ３は、ガス分析系１７ｃ及び本体部１７ｅによりガス分析がなされる。ここで、排気ガスＧ３のNOX濃度CCが、前述の第２基準NOX濃度S2よりも大きい場合（CC＞S2）、つまり分岐命令BI4がyesの場合、還元剤Ｒの噴霧量V2を増量し（stepD1）、CC＜S2の場合、つまり分岐命令BI4がnoの場合、還元剤Ｒの噴霧量V2を減量する（stepD2）というフィードバック制御を行う。
【００４８】
その後、排気ガスＧ３は、酸化触媒反応器１５に導入され、(3)式、(4)式に示すように、排気ガスＧ３中に含まれるCOやHCなどが酸化される（stepE）。この時、フィルターやDPFなどを用いてPMを除塵、除去するようにしてもよい。
CO＋O2→CO2 …(3)
HC＋O2→CO2 …(4)
【００４９】
最後に、酸化、除塵された排気ガスＧ４は、大気中に排出される（stepF）。この時、ガス分析系１７ｄ及び本体部１７ｅを用いて排気ガスＧ４のガス分析を行うようにしてもよい。このガス分析値に基づいて、酸化触媒反応器１５の性能の劣化具合を知ることができる。
【００５０】
また、ガス分析系１７ａ〜１７ｄ及び本体部１７ｅを用いて得られた各ガス分析値に基づいて、ディーゼル内燃機関１１の燃焼条件のフィードバック制御を行うようにしてもよい。
【００５１】
さらに、本実施の形態に係る排気ガス処理方法に基づいて排気ガス処理装置１０を長期間に亘って運転することで、運用データが蓄積される。この運用データを予め求めておき、ディーゼル内燃機関１１の運転状況に応じて、直接、還元剤Ｒの噴霧量V1，V2の制御を行うようにしてもよい。
【００５２】
また、還元剤Ｒの水溶液濃度を一定としたまま、噴霧量V1，V2を制御する代わりに、還元剤Ｒの噴霧量V1，V2を一定としたまま、水溶液濃度を制御するようにしてもよい。
【００５３】
以上述べたように、本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、NOX除去を２段階以上に分け、脱硝触媒を用いたNOX除去を行う前に、無触媒下で水溶液状の還元剤ＲによるNOX除去を行うことで、酸素分を多く含む高温の排気ガスＧ１であっても、効率よくNOX除去を行うことができる。
【００５４】
また、移動体に搭載されたディーゼルエンジンは、加速・減速、停止、再始動など運転状況の急変によって急激な負荷変動が生じる。しかし、本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０によれば、装置各部においてガス分析を行ってNOX濃度を測定すると共に、装置各部において適切な量の還元剤Ｒを供給することで、排気ガス中に含まれるNOX分を効率よく低減、除去することができる。
【００５５】
さらに、還元剤Ｒとして水溶液を用いることで、急激な負荷変動に対して迅速に対処することができる。特に、還元剤Ｒとして炭酸アンモニウム水溶液を用いることで、従来使われている尿素水溶液と比較して、排気ガス中に含まれるNOX分をより効率よく低減、除去することができる。
【００５６】
本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、定置型又は移動型のディーゼル内燃機関に適用可能であり、特に、移動体（船舶、自動車、耕耘機やトラクターなどの農作業用機器）に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス処理装置として好適である。
【００５７】
次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００５８】
本発明の他の好適一実施の形態に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図を図２に示す。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。
【００５９】
図１に示した前実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、脱硝反応器１４の後段に酸化触媒反応器１５を有するものであった。
【００６０】
図２に示すように、本実施の形態に係る排気ガス処理装置２０は、基本的な構成は前実施の形態に係る排気ガス処理装置１０と同じである。排気ガス処理装置２０と排気ガス処理装置１０とが異なる点は、酸化触媒反応器の位置であり、排気ガス処理装置２０は、ディーゼル内燃機関１１と無触媒脱硝反応器１３との間に酸化触媒反応器２５を有する。
【００６１】
排気ガス処理装置２０は、ディーゼル内燃機関１１から排出されたガスＧ１、酸化触媒反応器２５を通過したガスＧ５、無触媒脱硝反応器１３を通過したガスＧ６、及び脱硝反応器１４を通過したガスＧ７の分析を行うガス分析手段２７を備えている。ガス分析手段２７は、ガスセンサを備え、各ガスＧ１，Ｇ５〜Ｇ７のデータを採取するガス分析系２７ｄ，１７ａ〜１７ｃと、それらのガス分析系２７ｄ，１７ａ〜１７ｃに接続され、得られた各ガスデータを基にガス分析を行う本体部１７ｅとで構成される。
【００６２】
また、排気ガス処理装置２０は、ディーゼル内燃機関１１と電気的に接続され、ガス分析手段２７及び噴霧手段１６の制御を行う制御手段２８を備えている。制御手段２８は、ガス分析手段２７により得られたガス分析値及び／又はディーゼル内燃機関１１の運転状況に基づいて、噴霧手段１６の各供給ライン１６ａ，１６ｂからの還元剤Ｒの噴霧量を制御する。また、制御手段１８は、ガス分析値に基づいて、ディーゼル内燃機関１１の運転条件を制御する。
【００６３】
次に、本実施の形態に係る排気ガス処理方法を、添付図面に基づいて説明する。
【００６４】
先ず、図４に示すように、ディーゼル内燃機関１１から排出された高温（約500〜600℃）の排気ガスＧ１は、酸化触媒反応器２５に導入され、(3)式、(4)式に示したように、排気ガスＧ１中に含まれるCOやHCなどが酸化され、また、排気ガスＧ１中に含まれるPMが除塵される（stepE）。
【００６５】
酸化、除塵された排気ガスＧ５は、ガス分析系１７ａ及び本体部１７ｅによりガス分析がなされる。その後は、前実施の形態に係る排気ガス処理方法と同様の手順で排気ガスの処理がなされる。排気ガスは、排気ガスＧ５→排気ガスＧ６→排気ガスＧ７の順に処理された後、大気中に排出される（stepF）。
【００６６】
ここで、酸化触媒反応器２５の前段及び後段において、ガス分析系２７ｄ，１７ａ及び本体部１７ｅを用いて排気ガスＧ１，Ｇ５のガス分析を行うことで、排気ガスＧ１，Ｇ５のガス分析値に基づいて、酸化触媒反応器２５の性能の劣化具合を知ることができる。
【００６７】
本実施の形態に係る排気ガス処理装置２０においても、図１に示した前実施の形態に係る排気ガス処理装置１０と同様の作用効果が得られる。
【００６８】
また、近年、ディーゼル内燃機関１１の排気ガス排出部直後には、フィルターなどの除塵手段が設けられることが多い。このため、この除塵手段に酸化触媒を組み込んで一体化し、酸化触媒反応器２５とすることで、本実施の形態に係る排気ガス処理装置２０は、排気ガス処理装置１０と比較して、装置容積の減少を図ることができる。
【００６９】
以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００７０】
次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００７１】
ディーゼル発電機に、図１に示した排気ガス処理装置１０を接続し、排気ガスのNOX除去を行った。NOX除去は、還元剤Ｒとして、炭酸アンモニウム水溶液を用いた場合と尿素水溶液を用いた場合の、２例行った。初期排気ガスのNOX濃度は200ｐｐｍ、各水溶液の濃度は10ｗｔ％とした。
【００７２】
還元剤の違いによる脱硝率の違いを表２に示す。脱硝率は、第１脱硝処理後の排気ガス（無触媒脱硝反応器を通過後の排気ガス）及び第２脱硝処理後の排気ガス（脱硝反応器を通過後の排気ガス）について測定した。
【００７３】
【表２】
【００７４】
表２に示すように、第１脱硝処理後の排気ガスの脱硝率は、還元剤として炭酸アンモニウム水溶液を用いた場合が28％、還元剤として尿素水溶液を用いた場合が19％であった。また、第２脱硝処理後の排気ガスの脱硝率は、還元剤として炭酸アンモニウム水溶液を用いた場合が84％、還元剤として尿素水溶液を用いた場合が58％であった。
【００７５】
以上より、脱硝反応器の前段において無触媒脱硝反応器による脱硝を行うことで、排気ガス中に含まれる全NOX量の約20〜30％を除去することができた。
【００７６】
また、還元剤として炭酸アンモニウム水溶液を用いることで、還元剤として尿素水溶液を用いた場合と比較して、第１，第２脱硝処理の脱硝率が共に40％以上も向上することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の好適一実施の形態に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図である。
【図２】本発明の他の好適一実施の形態に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図である。
【図３】図１の排気ガス処理装置の排気ガス処理方法のフローを示す図である。
【図４】図２の排気ガス処理装置の排気ガス処理方法のフローを示す図である。
【図５】脱硝触媒の反応温度と脱硝率との関係を示す図である。
【図６】従来のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０ 排気ガス処理装置
１１ ディーゼル内燃機関
１３ 無触媒脱硝反応器
１３ａ ガス導入部
１４ 脱硝反応器
１４ａ ガス導入部
１６ 噴霧手段
Ｇ１ 排気ガス
Ｒ 還元剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置及び処理方法に係り、特に船舶、自動車、車両などの移動体用ディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置及び処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電所やプラントのボイラなどに用いられる固定式（定置式）のディーゼル内燃機関の場合、排気ガス中に含まれるNOX分を除去する方法として、酸化バナジウム／酸化チタン系触媒と還元剤（アンモニア）とを用いた選択接触還元法（SCR法）が広く用いられている（例えば、特許文献１〜３参照）。図６に、この方法を用いた排気ガス処理装置６０の一例を示すように、ディーゼル内燃機関６１の後段に、脱硝触媒（酸化バナジウム／酸化チタン系触媒）による脱硝反応器６２が設けられ、脱硝反応器６２のガス導入部６２ａに臨んで、還元剤（アンモニア）６４を供給する供給手段６３が設けられる。また、脱硝反応器６２の後段には、排気ガス中のCOやハイドロカーボン（HC）を酸化させると共に、粒子状物質（PM）を除塵するための酸化触媒反応器６５が設けられる。さらに、ディーゼル内燃機関６１の運転状況に応じて、供給手段６３からの還元剤６４の供給量を制御するための制御手段６６が設けられる。
【０００３】
この排気ガス処理装置６０を、船舶、自動車、車両などの移動体用ディーゼルエンジンに適用し、自動車などの移動体にアンモニアガスを積載するということが、欧米などでは採用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−０３１３２７号公報
【特許文献２】特開平０８−２１５５４４号公報
【特許文献３】特開平１０−０３３９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、トラックやバスなどのディーゼルエンジンは、加速・減速、停止、再始動など運転状況が急変するため急激な負荷変動が生じる。このため、ディーゼルエンジンの排気ガス中のNOX濃度も急激に変動することから、過剰に投入されたアンモニアガスが、アンモニアスリップにより、そのまま大気中に放出される懸念がある。アンモニアガスは、可燃性ガスであると共に臭気を有していることから、ディーゼルエンジン搭載の移動体にアンモニアガスを積載することは、あまり好ましくない。
【０００６】
また、ガソリンエンジン搭載の移動体の場合、三元触媒を用いることにより、排気ガス中から未燃分とNOX分とを取り除くことができる。しかし、ディーゼルエンジンの排気ガスは酸素ガスを多く含んでおり、特に、高出力運転時の排ガスは500〜600℃と高温である。ディーゼルエンジンの排気ガスのような過剰酸素、高温雰囲気下で三元触媒を用いると、酸化反応により触媒金属がすぐに劣化してしまうことから、三元触媒をディーゼルエンジン搭載の移動体に適用することは困難である。
【０００７】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、酸素分を多く含む高温の排気ガス中に含まれるNOX分を高効率に除去するディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置及び処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべく本発明に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置は、
ディーゼル内燃機関の後段に接続され、排気ガス中に含まれるNOX分を脱硝する排気ガス処理装置において、
上記ディーゼル内燃機関の後段に接続された無触媒脱硝反応器と、
その無触媒脱硝反応器の後段に接続された脱硝触媒による脱硝反応器と、
無触媒脱硝反応器及び脱硝反応器の各ガス導入部に臨んで設けられ、還元剤を噴霧する噴霧手段と、
を備えたものである。
【０００９】
ここで、脱硝反応器の後段に酸化触媒反応器を備えていることが好ましい。或いはディーゼル内燃機関と無触媒脱硝反応器との間に酸化触媒反応器を備えていることが好ましい。
【００１０】
また、ディーゼル内燃機関から排出されたガス、無触媒脱硝反応器を通過したガス、脱硝反応器を通過したガス、及び酸化触媒反応器を通過したガスの分析を行うガス分析手段を備えていることが好ましい。或いはディーゼル内燃機関から排出されたガス、酸化触媒反応器を通過したガス、無触媒脱硝反応器を通過したガス、及び脱硝反応器を通過したガスの分析を行うガス分析手段を備えていることが好ましい。
【００１１】
さらに、ディーゼル内燃機関と接続され、ガス分析手段及び噴霧手段の制御を行う制御手段を備えていることが好ましい。
【００１２】
また、還元剤が、炭酸アンモニウム水溶液であることが好ましい。
【００１３】
一方、本発明に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法は、
ディーゼル内燃機関から排出された排気ガス中に含まれるNOX分を脱硝する排気ガス処理方法において、
上記ディーゼル内燃機関から排出された排気ガスに無触媒下で第１還元剤を噴霧して第１脱硝処理を施し、
その第１脱硝処理後の排気ガスに第２還元剤を噴霧し、脱硝触媒と接触させて第２脱硝処理を施すものである。
【００１４】
ここで、第１還元剤の噴霧量を制御し、第１脱硝処理後の排気ガスのNOX濃度を第１基準NOX濃度以下に調整することが好ましい。また、第２還元剤の噴霧量を制御し、第２脱硝処理後の排気ガスのNOX濃度を第２基準NOX濃度以下に調整することが好ましい。
【００１５】
また、第１還元剤及び第２還元剤が、炭酸アンモニウム水溶液であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、酸素分を多く含む高温の排気ガスから、NOX分を効率よく除去することができるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
脱硝触媒の反応温度依存性を図５に示すように、線５１（図５中では◇印を結んだ線）で示す通常脱硝触媒は、反応温度が約320℃の時、脱硝率が最大（90％弱）となる。これに対して、線５２（図５中では■印を結んだ線）で示す中温用脱硝触媒は、反応温度が約400℃の時、脱硝率が最大（80％弱）となる。また、線５３（図５中では▲印を結んだ線）で示す高温用脱硝触媒は、反応温度が約450℃の時、脱硝率が最大（60％強）となる。
【００１９】
ここで、高出力運転時のディーゼル内燃機関の排気ガスは500〜600℃と高温である。この温度領域では、通常脱硝触媒では最大で約40％以下の脱硝率しか得られず、また、高温用脱硝触媒を用いても最大で約55％弱の脱硝率しか得られず、脱硝率の低下が避けられなかった。
【００２０】
そこで、本発明者らが鋭意研究した結果、脱硝処理を２段階に分け、前段では脱硝触媒を用いずに脱硝を行い、後段では脱硝触媒を用いて脱硝を行うことで、排気ガスの温度が500〜600℃と高温であっても、高い脱硝率が得られということを見出した。
【００２１】
本発明の好適一実施の形態に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図を図１に示す。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、ディーゼル内燃機関１１の後段に設けられるものであり、前段側（図１中では左側）に位置する管状の第１反応部１２ａと、後段側（図１中では右側）に位置する管状の第２反応部１２ｂとで構成される。図１に示した第１反応部１２ａ及び第２反応部１２ｂは、長手方向（図１中では左右方向）の両端部がコーン状のテーパ接続部となっており、中央部及びその近傍が拡径部となっているが、特にこれに限定するものではなく、直管状であってもよい。
【００２３】
第１反応部１２ａの内部が無触媒脱硝反応器１３とされる。無触媒脱硝反応器１３は、単なる空間であってもよいが、第１反応部１２ａの内部空間に金属ハニカム体を装填したものであってもよい。金属ハニカム体を装填することで、ディーゼル内燃機関１１からの排気ガスＧ１と後述する還元剤Ｒとがより均一に混合され、その混合ガス（排気ガスＧ１＋還元剤Ｒ）の温度分布がより均一となり、無触媒脱硝反応器１３における脱硝反応がより進行し易くなる。
【００２４】
第２反応部１２ｂの内部には、前段側に脱硝反応器１４が、後段側に酸化触媒反応器１５が設けられる。
【００２５】
脱硝反応器１４は、第２反応部１２ｂの内部空間に、脱硝触媒を担持させた担体を装填したものであり、前段側の還元剤分解部１４ｂと、後段側の脱硝触媒本体部１４ａとで構成される。この還元剤分解部１４ｂが、後述する供給ライン１６ｂから噴霧された還元剤Ｒが、直接、脱硝触媒本体部１４ａに接触することを防ぐと共に、還元剤Ｒを分解してアンモニアを生成する領域となる。還元剤分解部１４ｂは、単なる空間であってもよいが、第２反応部１２ｂの内部空間に金属ハニカム体を装填したものであってもよい。金属ハニカム体を装填することで、第１脱硝処理後の排気ガスＧ２と還元剤Ｒとがより均一に混合され、その混合ガス（排気ガスＧ２＋還元剤Ｒ）の温度分布がより均一となり、脱硝反応器１４における脱硝反応がより進行し易くなる。
【００２６】
酸化触媒反応器１５としては、第２反応部１２ｂの内部空間に酸化触媒を担持させたハニカム体を装填したもの、または酸化触媒を備えたDPF（Diesel Particulate Filter）などが挙げられる。
【００２７】
また、排気ガス処理装置１０は、無触媒脱硝反応器１３のガス導入部１３ａ及び脱硝反応器１４のガス導入部１４ｃに臨んで、還元剤Ｒを噴霧する噴霧手段１６を備えている。噴霧手段１６は、還元剤Ｒを貯留するタンク１６ｃと、そのタンク１６ｃに接続され、無触媒脱硝反応器１３及び脱硝反応器１４の各ガス導入部１３ａ，１４ｃに還元剤Ｒを噴霧する供給ライン１６ａ，１６ｂとで構成される。ここで、無触媒脱硝反応器１３のガス導入部１３ａに還元剤Ｒを噴霧する供給ライン１６ａの噴霧口は、無触媒脱硝反応器１３の長手方向（図１中では左右方向）に亘って多段に配置してもよい。各噴霧口からの還元剤Ｒの噴霧量を調整することで、排気ガスＧ１と還元剤Ｒとの混合具合及び第１脱硝処理後の排気ガスＧ２の温度を、より細かく調整することができる。
【００２８】
さらに、排気ガス処理装置１０は、ディーゼル内燃機関１１から排出されたガスＧ１、無触媒脱硝反応器１３を通過したガスＧ２、脱硝反応器１４を通過したガスＧ３、及び酸化触媒反応器１５を通過したガスＧ４の分析を行うガス分析手段１７を備えている。ガス分析手段１７は、ガスセンサを備え、各ガスＧ１〜Ｇ４のデータを採取するガス分析系１７ａ〜１７ｄと、それらのガス分析系１７ａ〜１７ｄに接続され、得られた各ガスデータを基にガス分析を行う本体部１７ｅとで構成される。
【００２９】
また、排気ガス処理装置１０は、ディーゼル内燃機関１１と電気的に接続され、ガス分析手段１７及び噴霧手段１６の制御を行う制御手段１８を備えている。制御手段１８は、ガス分析手段１７により得られたガス分析値及び／又はディーゼル内燃機関１１の運転状況に基づいて、噴霧手段１６の各供給ライン１６ａ，１６ｂからの還元剤Ｒの噴霧量を制御する。また、制御手段１８は、ガス分析値に基づいて、ディーゼル内燃機関１１の運転条件を制御する。
【００３０】
脱硝反応器１４の脱硝触媒としては、例えば、Ｖ、Ｍｏ、又はＷを主成分としたもの、或いはそれらの混合物が挙げられる。脱硝触媒としては、慣用的に用いられている通常脱硝触媒、中温用脱硝触媒、又は高温用脱硝触媒のいずれであってもよいが、好適反応温度が低い通常脱硝触媒が望ましい。ここで言う好適反応温度とは、脱硝率が最大となる時の温度を示している。
【００３１】
脱硝反応器１４の担体構成材としては、脱硝触媒用担体として慣用的に用いられているものが全て適用可能であり、耐熱性、耐酸化性、及び耐食性に優れたものであれば特に限定するものではなく、例えば、酸化チタンが挙げられる。
【００３２】
還元剤Ｒとしては、脱硝用の還元剤として慣用的に用いられているものが全て適用可能であり、特に限定するものではなく、例えば、アンモニア、尿素、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウムなどがあげられる。還元剤Ｒが、水溶液や固形物であれば、自動車などの移動体に積載しても安全である。特に、還元剤Ｒが水溶液の場合、供給量の制御が容易であり、また、霧状に供給することで、排気ガスと均一に混合させることが容易となるため、より好ましい。よって、水溶液の還元剤Ｒを用いることで、固体の還元剤Ｒを用いる場合と比較して、脱硝処理反応をより速やかに進行させることができる。また、水溶液や固形物の還元剤Ｒは、より低い温度でアンモニアガスに分解されるものほど、還元剤としての活性が高く、脱硝率が高い。還元剤Ｒの分解温度の高低による脱硝率の違いは、無触媒脱硝反応器１３において特に顕著となる。
【００３３】
具体的に、還元剤Ｒとして、尿素（CO(ＮＨ2)2）と炭酸アンモニウム（(ＮＨ4)2CO3）とを例に挙げて、これらの還元剤の分解温度、無触媒脱硝反応器での脱硝率、室温での溶解度を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１に示すように、炭酸アンモニウムの分解温度は58℃、尿素の分解温度は160℃であり、炭酸アンモニウムの方が分解温度が低い。分解温度が低い方が、還元剤Ｒとしての活性が高いため、炭酸アンモニウムの脱硝率は20〜35％程度、尿素の脱硝率は10〜30％という具合に、炭酸アンモニウムの方が脱硝率が良好となる。また、炭酸アンモニウムの溶解度は400％、尿素の溶解度は52％という具合に、炭酸アンモニウムの方が溶解度が高い。つまり、炭酸アンモニウム水溶液は、尿素水溶液と比較して濃度をより高めることができる。
【００３６】
よって、炭酸アンモニウム水溶液を用いて、尿素水溶液と同じ脱硝率を得たい場合、同じ濃度の水溶液を用いるのであれば、炭酸アンモニウム水溶液の使用量は、尿素水溶液の使用量よりも少量で済む。また、炭酸アンモニウム水溶液を用いて、尿素水溶液と同じ脱硝率を得たい場合、同量の水溶液を用いるのであれば、炭酸アンモニウム水溶液の濃度は、尿素水溶液の濃度よりも低濃度で済む。以上より、還元剤Ｒとしては、炭酸アンモニウム水溶液が特に好ましい。
【００３７】
次に、本実施の形態に係る排気ガス処理方法を、添付図面に基づいて説明する。
【００３８】
ディーゼル内燃機関１１の排気ガスは、酸素分を多く含み、かつ、約500〜600℃と高温であるため、通常脱硝触媒を用いるとNOXをあまり除去できないことから、高温用脱硝触媒が使用されていた。しかし、高温用脱硝触媒は、通常脱硝触媒と比較して脱硝率が劣るため、高効率にNOX除去を行うことができなかった。
【００３９】
本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、NOX除去を２段階以上に分け、脱硝触媒を用いたNOX除去を行う前に、無触媒下で水溶液状の還元剤ＲによるNOX除去を行うことに特長がある。
【００４０】
先ず、図３に示すように、ディーゼル内燃機関１１から排出された高温（約500〜600℃）の排気ガスＧ１は、ガス分析系１７ａ及び本体部１７ｅによりガス分析（NOX濃度、SOX濃度、PM濃度、CO濃度、HC濃度など）がなされる。排気ガスＧ１のNOX濃度CAが第１基準NOX濃度S1よりも大きい場合（CA＞S1）、つまり分岐命令BI1がyesの場合、無触媒脱硝反応器１３の前段において、CA≦S1とすべく供給ライン１６ａから水溶液状の還元剤Ｒ（第１還元剤）が一定量（V1）噴霧される（stepA）。これによって、排気ガスＧ１と還元剤Ｒとが混合、接触される。また、CA≦S1の場合、つまり分岐命令BI1がnoの場合、供給ライン１６ａから還元剤Ｒは噴霧されず、無触媒脱硝反応器１３内で脱硝処理はなされない。ここで、第１基準NOX濃度S1は、無触媒脱硝反応器１３の脱硝能力に基づいて予め決められる。また、噴霧量V1は、NOX濃度CAに応じて決定される。
【００４１】
排気ガスＧ１と還元剤Ｒとの気液接触によって、還元剤Ｒは蒸発、分解され、(1)式に示すように、アンモニアガスが発生する。この時、還元剤Ｒとして炭酸アンモニウム水溶液を用いることで、最も反応性（効率）よくアンモニアガスを発生させることができる。また、還元剤Ｒが蒸発する際の気化熱により、第１混合ガス（排気ガスＧ１＋アンモニアガス）の温度が低下する。この温度低下の度合いは、還元剤Ｒの噴霧量を制御することで、ある一定の範囲で自在に調整することができる。
(NH4)2CO3（又はCO(NH2)2）＋H2O→NH3 …(1)
【００４２】
還元剤Ｒが分解して発生したアンモニアガスは、無触媒脱硝反応器１３において排気ガスＧ１と反応し、(2)式に示すように、排気ガスＧ１中に含まれるNOXの一部が窒素ガスに還元される（還元割合は、全NOX量の約10〜30％）。つまり、無触媒脱硝反応器１３において、排気ガスＧ１に対して第１脱硝処理がなされ、排気ガスＧ２となる。NOXの還元割合は、無触媒脱硝反応器１３の容積が大きいほど高くなり、また、還元剤Ｒの噴霧量V1及び／又は還元剤Ｒの水溶液濃度を制御することで、ある一定の範囲で自在に調整することができる。
NOX＋NH3＋O2→N2 …(2)
【００４３】
第１脱硝処理後の排気ガスＧ２は、ガス分析系１７ｂ及び本体部１７ｅによりガス分析がなされる。ここで、排気ガスＧ２のNOX濃度CBが、前述の第１基準NOX濃度S1よりも大きい場合（CB＞S1）、つまり分岐命令BI2がyesの場合、還元剤Ｒの噴霧量V1を増量し（stepB1）、CB＜S1の場合、つまり分岐命令BI2がnoの場合、還元剤Ｒの噴霧量V1を減量する（stepB2）というフィードバック制御を行う。
【００４４】
次に、排気ガスＧ２のNOX濃度CBが第２基準NOX濃度S2よりも大きい場合（CB＞S2）、つまり分岐命令BI3がyesの場合、脱硝反応器１４の前段において、CB≦S2とすべく供給ライン１６ｂから水溶液状の還元剤Ｒ（第２還元剤）が一定量（V2）噴霧される（stepC）。これによって、排気ガスＧ２と還元剤Ｒとが混合、接触される。また、CB≦S2の場合、つまり分岐命令BI3がnoの場合、供給ライン１６ｂから還元剤Ｒは噴霧されず、排気ガスＧ２はそのままの状態で脱硝反応器１４内に導入される。ここで、第２基準NOX濃度S2は、脱硝反応器１４の脱硝能力に基づいて予め決められる。また、噴霧量V2は、NOX濃度CB及び／又は脱硝触媒の反応温度に応じて決定される。
【００４５】
排気ガスＧ２と還元剤Ｒとの気液接触によって、還元剤Ｒは蒸発、分解され、(1)式に示したように、アンモニアガスが発生する。このアンモニアガスの発生は、脱硝反応器１４の前段に設けた還元剤分解部１４ｂ（アンモニア生成領域）においてなされる。還元剤分解部１４ｂを設けることで、還元剤Ｒが、直接、脱硝触媒本体部１４ａに接触するのが防がれる。また、還元剤分解部１４ｂにおいて、排気ガスＧ２は、第２混合ガス（排気ガスＧ２＋アンモニアガス）となるが、還元剤Ｒが蒸発する際の気化熱により、再び温度低下される。これによって、第２混合ガスの温度は脱硝触媒の好適反応温度近傍まで十分に低下される。さらに、還元剤分解部１４ｂは、無触媒脱硝反応器とみることもできるため、還元剤分解部１４ｂにおいても、一部の排気ガスＧ２の脱硝処理がなされる。
【００４６】
次に、還元剤分解部１４ｂで生成したアンモニアガスは、排気ガスＧ２と混合された状態で、脱硝反応器１４に導入される。脱硝触媒下において、排気ガスＧ２はアンモニアガスと反応し、(2)式に示したように、排気ガスＧ２中に含まれるNOXのほとんどが窒素ガスに還元される。つまり、脱硝反応器１４において、排気ガスＧ２に対して第２脱硝処理がなされ、排気ガスＧ３となる。NOXの還元割合は、脱硝反応器１４の脱硝能力が大きいほど高くなり、また、還元剤Ｒの噴霧量V2及び／又は還元剤Ｒの水溶液濃度を制御することで、ある一定の範囲で自在に調整することができる。
【００４７】
第２脱硝処理後の排気ガスＧ３は、ガス分析系１７ｃ及び本体部１７ｅによりガス分析がなされる。ここで、排気ガスＧ３のNOX濃度CCが、前述の第２基準NOX濃度S2よりも大きい場合（CC＞S2）、つまり分岐命令BI4がyesの場合、還元剤Ｒの噴霧量V2を増量し（stepD1）、CC＜S2の場合、つまり分岐命令BI4がnoの場合、還元剤Ｒの噴霧量V2を減量する（stepD2）というフィードバック制御を行う。
【００４８】
その後、排気ガスＧ３は、酸化触媒反応器１５に導入され、(3)式、(4)式に示すように、排気ガスＧ３中に含まれるCOやHCなどが酸化される（stepE）。この時、フィルターやDPFなどを用いてPMを除塵、除去するようにしてもよい。
CO＋O2→CO2 …(3)
HC＋O2→CO2 …(4)
【００４９】
最後に、酸化、除塵された排気ガスＧ４は、大気中に排出される（stepF）。この時、ガス分析系１７ｄ及び本体部１７ｅを用いて排気ガスＧ４のガス分析を行うようにしてもよい。このガス分析値に基づいて、酸化触媒反応器１５の性能の劣化具合を知ることができる。
【００５０】
また、ガス分析系１７ａ〜１７ｄ及び本体部１７ｅを用いて得られた各ガス分析値に基づいて、ディーゼル内燃機関１１の燃焼条件のフィードバック制御を行うようにしてもよい。
【００５１】
さらに、本実施の形態に係る排気ガス処理方法に基づいて排気ガス処理装置１０を長期間に亘って運転することで、運用データが蓄積される。この運用データを予め求めておき、ディーゼル内燃機関１１の運転状況に応じて、直接、還元剤Ｒの噴霧量V1，V2の制御を行うようにしてもよい。
【００５２】
また、還元剤Ｒの水溶液濃度を一定としたまま、噴霧量V1，V2を制御する代わりに、還元剤Ｒの噴霧量V1，V2を一定としたまま、水溶液濃度を制御するようにしてもよい。
【００５３】
以上述べたように、本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、NOX除去を２段階以上に分け、脱硝触媒を用いたNOX除去を行う前に、無触媒下で水溶液状の還元剤ＲによるNOX除去を行うことで、酸素分を多く含む高温の排気ガスＧ１であっても、効率よくNOX除去を行うことができる。
【００５４】
また、移動体に搭載されたディーゼルエンジンは、加速・減速、停止、再始動など運転状況の急変によって急激な負荷変動が生じる。しかし、本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０によれば、装置各部においてガス分析を行ってNOX濃度を測定すると共に、装置各部において適切な量の還元剤Ｒを供給することで、排気ガス中に含まれるNOX分を効率よく低減、除去することができる。
【００５５】
さらに、還元剤Ｒとして水溶液を用いることで、急激な負荷変動に対して迅速に対処することができる。特に、還元剤Ｒとして炭酸アンモニウム水溶液を用いることで、従来使われている尿素水溶液と比較して、排気ガス中に含まれるNOX分をより効率よく低減、除去することができる。
【００５６】
本実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、定置型又は移動型のディーゼル内燃機関に適用可能であり、特に、移動体（船舶、自動車、耕耘機やトラクターなどの農作業用機器）に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス処理装置として好適である。
【００５７】
次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００５８】
本発明の他の好適一実施の形態に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図を図２に示す。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。
【００５９】
図１に示した前実施の形態に係る排気ガス処理装置１０は、脱硝反応器１４の後段に酸化触媒反応器１５を有するものであった。
【００６０】
図２に示すように、本実施の形態に係る排気ガス処理装置２０は、基本的な構成は前実施の形態に係る排気ガス処理装置１０と同じである。排気ガス処理装置２０と排気ガス処理装置１０とが異なる点は、酸化触媒反応器の位置であり、排気ガス処理装置２０は、ディーゼル内燃機関１１と無触媒脱硝反応器１３との間に酸化触媒反応器２５を有する。
【００６１】
排気ガス処理装置２０は、ディーゼル内燃機関１１から排出されたガスＧ１、酸化触媒反応器２５を通過したガスＧ５、無触媒脱硝反応器１３を通過したガスＧ６、及び脱硝反応器１４を通過したガスＧ７の分析を行うガス分析手段２７を備えている。ガス分析手段２７は、ガスセンサを備え、各ガスＧ１，Ｇ５〜Ｇ７のデータを採取するガス分析系２７ｄ，１７ａ〜１７ｃと、それらのガス分析系２７ｄ，１７ａ〜１７ｃに接続され、得られた各ガスデータを基にガス分析を行う本体部１７ｅとで構成される。
【００６２】
また、排気ガス処理装置２０は、ディーゼル内燃機関１１と電気的に接続され、ガス分析手段２７及び噴霧手段１６の制御を行う制御手段２８を備えている。制御手段２８は、ガス分析手段２７により得られたガス分析値及び／又はディーゼル内燃機関１１の運転状況に基づいて、噴霧手段１６の各供給ライン１６ａ，１６ｂからの還元剤Ｒの噴霧量を制御する。また、制御手段１８は、ガス分析値に基づいて、ディーゼル内燃機関１１の運転条件を制御する。
【００６３】
次に、本実施の形態に係る排気ガス処理方法を、添付図面に基づいて説明する。
【００６４】
先ず、図４に示すように、ディーゼル内燃機関１１から排出された高温（約500〜600℃）の排気ガスＧ１は、酸化触媒反応器２５に導入され、(3)式、(4)式に示したように、排気ガスＧ１中に含まれるCOやHCなどが酸化され、また、排気ガスＧ１中に含まれるPMが除塵される（stepE）。
【００６５】
酸化、除塵された排気ガスＧ５は、ガス分析系１７ａ及び本体部１７ｅによりガス分析がなされる。その後は、前実施の形態に係る排気ガス処理方法と同様の手順で排気ガスの処理がなされる。排気ガスは、排気ガスＧ５→排気ガスＧ６→排気ガスＧ７の順に処理された後、大気中に排出される（stepF）。
【００６６】
ここで、酸化触媒反応器２５の前段及び後段において、ガス分析系２７ｄ，１７ａ及び本体部１７ｅを用いて排気ガスＧ１，Ｇ５のガス分析を行うことで、排気ガスＧ１，Ｇ５のガス分析値に基づいて、酸化触媒反応器２５の性能の劣化具合を知ることができる。
【００６７】
本実施の形態に係る排気ガス処理装置２０においても、図１に示した前実施の形態に係る排気ガス処理装置１０と同様の作用効果が得られる。
【００６８】
また、近年、ディーゼル内燃機関１１の排気ガス排出部直後には、フィルターなどの除塵手段が設けられることが多い。このため、この除塵手段に酸化触媒を組み込んで一体化し、酸化触媒反応器２５とすることで、本実施の形態に係る排気ガス処理装置２０は、排気ガス処理装置１０と比較して、装置容積の減少を図ることができる。
【００６９】
以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００７０】
次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００７１】
ディーゼル発電機に、図１に示した排気ガス処理装置１０を接続し、排気ガスのNOX除去を行った。NOX除去は、還元剤Ｒとして、炭酸アンモニウム水溶液を用いた場合と尿素水溶液を用いた場合の、２例行った。初期排気ガスのNOX濃度は200ｐｐｍ、各水溶液の濃度は10ｗｔ％とした。
【００７２】
還元剤の違いによる脱硝率の違いを表２に示す。脱硝率は、第１脱硝処理後の排気ガス（無触媒脱硝反応器を通過後の排気ガス）及び第２脱硝処理後の排気ガス（脱硝反応器を通過後の排気ガス）について測定した。
【００７３】
【表２】
【００７４】
表２に示すように、第１脱硝処理後の排気ガスの脱硝率は、還元剤として炭酸アンモニウム水溶液を用いた場合が28％、還元剤として尿素水溶液を用いた場合が19％であった。また、第２脱硝処理後の排気ガスの脱硝率は、還元剤として炭酸アンモニウム水溶液を用いた場合が84％、還元剤として尿素水溶液を用いた場合が58％であった。
【００７５】
以上より、脱硝反応器の前段において無触媒脱硝反応器による脱硝を行うことで、排気ガス中に含まれる全NOX量の約20〜30％を除去することができた。
【００７６】
また、還元剤として炭酸アンモニウム水溶液を用いることで、還元剤として尿素水溶液を用いた場合と比較して、第１，第２脱硝処理の脱硝率が共に40％以上も向上することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の好適一実施の形態に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図である。
【図２】本発明の他の好適一実施の形態に係るディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図である。
【図３】図１の排気ガス処理装置の排気ガス処理方法のフローを示す図である。
【図４】図２の排気ガス処理装置の排気ガス処理方法のフローを示す図である。
【図５】脱硝触媒の反応温度と脱硝率との関係を示す図である。
【図６】従来のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置の模式図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０ 排気ガス処理装置
１１ ディーゼル内燃機関
１３ 無触媒脱硝反応器
１３ａ ガス導入部
１４ 脱硝反応器
１４ａ ガス導入部
１６ 噴霧手段
Ｇ１ 排気ガス
Ｒ 還元剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル内燃機関の後段に接続され、排気ガス中に含まれるNOX分を脱硝する排気ガス処理装置において、
上記ディーゼル内燃機関の後段に接続された無触媒脱硝反応器と、
その無触媒脱硝反応器の後段に接続された脱硝触媒による脱硝反応器と、
無触媒脱硝反応器及び脱硝反応器の各ガス導入部に臨んで設けられ、還元剤を噴霧する噴霧手段と、
を備えたことを特徴とするディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項２】
上記脱硝反応器の後段に酸化触媒反応器を備えた請求項１記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項３】
上記ディーゼル内燃機関と上記無触媒脱硝反応器との間に酸化触媒反応器を備えた請求項１記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項４】
上記ディーゼル内燃機関から排出されたガス、上記無触媒脱硝反応器を通過したガス、上記脱硝反応器を通過したガス、及び上記酸化触媒反応器を通過したガスの分析を行うガス分析手段を備えた請求項１又は２記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項５】
上記ディーゼル内燃機関から排出されたガス、上記酸化触媒反応器を通過したガス、上記無触媒脱硝反応器を通過したガス、及び上記脱硝反応器を通過したガスの分析を行うガス分析手段を備えた請求項１又は３記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項６】
上記ディーゼル内燃機関と接続され、上記ガス分析手段及び上記噴霧手段の制御を行う制御手段を備えた請求項１から５いずれかに記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項７】
上記還元剤が、炭酸アンモニウム水溶液である請求項１から６いずれかに記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項８】
ディーゼル内燃機関から排出された排気ガス中に含まれるNOX分を脱硝する排気ガス処理方法において、
上記ディーゼル内燃機関から排出された排気ガスに無触媒下で第１還元剤を噴霧して第１脱硝処理を施し、
その第１脱硝処理後の排気ガスに第２還元剤を噴霧し、脱硝触媒と接触させて第２脱硝処理を施す
ことを特徴とするディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法。
【請求項９】
上記第１還元剤の噴霧量を制御し、第１脱硝処理後の排気ガスのNOX濃度を第１基準NOX濃度以下に調整する請求項８記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法。
【請求項１０】
上記第２還元剤の噴霧量を制御し、第２脱硝処理後の排気ガスのNOX濃度を第２基準NOX濃度以下に調整する請求項８又は９記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法。
【請求項１１】
上記第１還元剤及び第２還元剤が、炭酸アンモニウム水溶液である請求項８から１０いずれかに記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法。
【請求項１】
ディーゼル内燃機関の後段に接続され、排気ガス中に含まれるNOX分を脱硝する排気ガス処理装置において、
上記ディーゼル内燃機関の後段に接続された無触媒脱硝反応器と、
その無触媒脱硝反応器の後段に接続された脱硝触媒による脱硝反応器と、
無触媒脱硝反応器及び脱硝反応器の各ガス導入部に臨んで設けられ、還元剤を噴霧する噴霧手段と、
を備えたことを特徴とするディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項２】
上記脱硝反応器の後段に酸化触媒反応器を備えた請求項１記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項３】
上記ディーゼル内燃機関と上記無触媒脱硝反応器との間に酸化触媒反応器を備えた請求項１記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項４】
上記ディーゼル内燃機関から排出されたガス、上記無触媒脱硝反応器を通過したガス、上記脱硝反応器を通過したガス、及び上記酸化触媒反応器を通過したガスの分析を行うガス分析手段を備えた請求項１又は２記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項５】
上記ディーゼル内燃機関から排出されたガス、上記酸化触媒反応器を通過したガス、上記無触媒脱硝反応器を通過したガス、及び上記脱硝反応器を通過したガスの分析を行うガス分析手段を備えた請求項１又は３記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項６】
上記ディーゼル内燃機関と接続され、上記ガス分析手段及び上記噴霧手段の制御を行う制御手段を備えた請求項１から５いずれかに記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項７】
上記還元剤が、炭酸アンモニウム水溶液である請求項１から６いずれかに記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理装置。
【請求項８】
ディーゼル内燃機関から排出された排気ガス中に含まれるNOX分を脱硝する排気ガス処理方法において、
上記ディーゼル内燃機関から排出された排気ガスに無触媒下で第１還元剤を噴霧して第１脱硝処理を施し、
その第１脱硝処理後の排気ガスに第２還元剤を噴霧し、脱硝触媒と接触させて第２脱硝処理を施す
ことを特徴とするディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法。
【請求項９】
上記第１還元剤の噴霧量を制御し、第１脱硝処理後の排気ガスのNOX濃度を第１基準NOX濃度以下に調整する請求項８記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法。
【請求項１０】
上記第２還元剤の噴霧量を制御し、第２脱硝処理後の排気ガスのNOX濃度を第２基準NOX濃度以下に調整する請求項８又は９記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法。
【請求項１１】
上記第１還元剤及び第２還元剤が、炭酸アンモニウム水溶液である請求項８から１０いずれかに記載のディーゼル内燃機関の排気ガス処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２２７３５（Ｐ２００６−２２７３５Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０２１６３（Ｐ２００４−２０２１６３）
【出願日】平成１６年７月８日（２００４．７．８）
【出願人】（５０４２６４１１５）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月８日（２００４．７．８）
【出願人】（５０４２６４１１５）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]