JP5539461B2 - レシプロエンジン用排ガス脱硝設備 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえば船舶などに設置された大型のレシプロエンジンから排出される排ガス中に、尿素水やアンモニア水を吹き込む蒸発室と、排ガスと接触させて窒素酸化物を除去する触媒ユニットを有する反応室とを具備したレシプロエンジン用排ガス脱硝設備に関する。
レシプロエンジンから排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）を除去するために、接触還元（ＳＣＲ）法により、還元剤として尿素水を排ガス中に吹き込み、脱硝反応室で排ガスと脱硝触媒とを接触させるものが提案されている。なお、ここでレシプロエンジンとは、往復駆動されるピストンを備えたエンジンで、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンを含むものである。
たとえば大型のディーゼルエンジンを搭載する船舶では、排ガスを排ガス脱硝室に導入して接触還元法により脱硝処理している。しかし、この脱硝処理により、排ガスでタービンを駆動する過給機の出力が低下したり、エンジンの起動時に、低温状態の脱硝反応室を通過させると、排ガスが脱硝反応室の触媒や容器に吸熱されて排ガスが冷やされ、ターボラグが発生して過給機の応答が悪くなるため、ディーゼルエンジンから排出された排ガスを脱硝反応室に導入しないで、直接、ターボチャージャーに導入可能なバイパス管を有する構造が採用されている。
特開平１０−１５９５４２号
ところで、従来、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中の窒素酸化物を、規制の緩やかな現行の規定から大幅に削減する規定を、一部の海域で実施する動きとなっている。こうしたＮＯｘ規制海域と、ＮＯｘ非規制海域とを航行する時に、ＮＯｘ非規制海域を航行する場合には、排ガスを脱硝反応室に導入する必要がない。
上記のように、排ガスが脱硝反応室に導入されないと、脱硝反応室の温度が低下する。排ガス中には、５〜６vol％の水分と、濃度１０〜４０ppmのＳＯ3ガスが含まれており、脱硝反応室がＳＯ3露点温度となると、脱硝触媒の表面に硫酸結露が生じ、脱硝触媒を劣化させるという問題があった。
本発明は上記問題点を解決して、硫酸結露による脱硝触媒の劣化を防止するレシプロエンジン用排ガス脱硝反応設備を提供することを目的とする。
請求項１記載の発明は、レシプロエンジンから排気レシーバタンクを介して排出された排ガス中に還元剤を吹き込む蒸発部と、還元剤が吹き込まれた排ガスを触媒ユニットに接触させて、過給機のタービン側に送り出す反応部と、レシプロエンジンから排出された排ガスを、直接過給機のタービン側に供給する開閉可能なバイパス管とを具備したレシプロエンジン用排ガス脱硝設備であって、
バイパス管の開放時に、パージ用エアを反応部に吹き込む吸気管を有し、触媒ユニット近傍の排ガスを反応部から排出するパージ用エア供給装置を設け、
過給機のコンプレッサ部吐出口から、中間空気冷却器を介して冷却された燃焼用空気が供給されるとともに、レシプロエンジンに燃焼用空気を供給する掃気レシーバタンクを設け、
前記吸気管を前記掃気レシーバタンクに接続して、前記燃焼用空気の一部を前記パージ用エアとして取り出すとともに、前記排気レシーバタンク内に設けられたパージ用エア加熱器により前記パージ用エアを加熱するように構成されたものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、排気レシーバタンクおよび蒸発部ならびに反応部を、一つの脱硝反応容器内に設けたものである。
請求項１記載の発明によれば、バイパス管を開放して、排ガスを直接過給機に導入し、反応部に排ガスを導入しない時に、パージ用エア供給装置により、パージ用エアを反応部に吹き込んで、触媒ユニット近傍に滞留する排ガスを反応部から排出することにより、反応部における温度の低下と、硫酸結露の発生を防止して、脱硝触媒の劣化を防止することができる。
また、過給機により加圧され中間空気冷却器により除熱乾燥され、かつ反応部に比較して高圧の燃焼用空気が供給される掃気レシーバタンクから、燃焼用空気の一部を、パージ用エアとして吸気管に取り出し、吸気管から反応部に送り込むので、脱硝触媒周囲を乾燥させるとともに、排ガスを同伴させて効果的に排出することができ、硫酸結露による脱硝触媒の劣化を防止することができる。また反応部より高圧の燃焼用空気の一部をパージ用エアとして取り出すので、反応部に送り込む送気ファンも不要となる。
さらに、排気レシーバタンクから取り出した高圧で比較的低温のパージ用エアを、排気レシーバタンク内に設けたパージ用エア加熱器に導入して、排ガスの排熱を利用して加熱した後、反応室に吹き込むので、硫酸結露による脱硝触媒の劣化を、さらに効果的に防止することができる。
請求項２記載の発明によれば、１つの脱硝反応容器内に、排気レシーバタンク、蒸発部、反応部を設けたので、排ガス脱硝設備の小型化を図ることができる。
本発明に係る排ガス脱硝設備の実施例１を示す構成図である。 排ガス脱硝設備の実施例２を示す構成図である。 排ガス脱硝設備の実施例３を示す構成図である。 排ガス脱硝設備の実施例４を示す構成図である。 排ガス脱硝設備の実施例５を示す構成図である。 排ガス脱硝設備の実施例６を示す構成図である。
以下、本発明に係る船舶用または陸上設置用など、大型のレシプロエンジン用排ガス脱硝設備の実施例１〜６を図面に基づいて説明する。
［実施例１］
たとえば舶用ディーゼルエンジンの排ガス脱硝設備は、図１に示すように、ディーゼルエンジン１０の燃焼室から排出される排ガスを脱硝処理するものである。１１は脱硝反応容器、１２はディーゼルエンジン１０から排出される排ガスにより駆動される過給機、１３は、過給機１２から圧縮された燃焼用空気を一旦貯留して、ディーゼルエンジン１０の燃焼室に供給する掃気レシーバタンクである。
脱硝反応容器１１は、横置き円筒状の胴部２０Ｂと、この胴部２０Ｂの両端部に取り付けられた湾曲凸状の耐圧用端板２０Ｒ，２０Ｌとを具備した耐圧容器に形成されている。そして脱硝反応容器１１が、容器軸心Ｏ方向に沿う隔壁２１により、下部空間２０Ｄと上部空間２０Ｕとに区画されている。さらに下部空間２０Ｄに、蒸発室（蒸発部）２３および排気レシーバタンク２４が設置され、上部空間２０Ｕに反応室（反応部）２５が設置されている。
下部空間２０Ｄの一方の端板２０Ｌ側に設けられた蒸発室２３は、端板２０Ｌに貫設されたスプレーノズル２２から、還元剤である尿素水（又はアンモニア水）を吹き込んで排ガスと混合する。またこの蒸発室２３の他端側に、排気レシーバタンク２４が形成されており、胴部２０Ｂの底部に、複数基のディーゼルエンジン１０からそれぞれ排ガス管１４を介して排ガスを導入する複数の排ガス入口２６が形成されている。この排気レシーバタンク２４と蒸発室２３とは一体に連続して形成されており、排気レシーバタンク２４により、排ガスを合流させて流れを緩衝する。また、一方の端板２０Ｌの下部近傍の胴部２０Ｂに、蒸発室２３に臨んで開口される未処理ガス出口２７が形成されている。
胴部２０Ｂの他方の端板２０Ｒ側に、下部空間２０Ｄと上部空間２０Ｕとを連通する連通部３０が形成されている。この連通部３０は、隔壁２１と蒸発室２３側の胴部２０Ｂとの間に容器の横断面に沿って取り付けられた区画壁３１と、隔壁２１と他方の端板２０Ｒとの間に形成された中間通路３２と、この区画壁３１に設けられたガス出口開口部３３とを具備している。
なお、仮想線で示すように、ガス出口開口部３３に蒸発室出口弁（ガス遮断弁）３４を設け、区画壁３１に、蒸発室２３と反応室２５とを等圧になるように圧力調整する単数または複数の調圧口３５を設けてもよい。
上部空間２０Ｕの反応室２５には、隔壁２１と胴部２０Ｂの間に、複数の触媒ユニット２８が上下、左右方向に積み重ねて配置され、かつ容器軸心Ｏ方向に連結されてユニット集合体が形成されている。これら触媒ユニット２８は、たとえば収納枠体内に、ハニカム状断面の触媒エレメントが収容されたもので、正方形断面以外に、長方形断面や台形断面のものが採用される。そして、尿素水が吹き込まれた排ガスを、複数の触媒ユニット２８に内装された脱硝触媒に接触させてＮＯxを還元することができる。
また、この１つの脱硝反応容器１１に、排気レシーバタンク２４と一体の蒸発室２３と、反応室２５とを収容することにより、占有空間を削減することができる。
蒸発室２３に形成された未処理ガス出口２７と、過給機１２のタービン部１２Ｔの給気口１２Ｔｉとの間に、バイパス管４２が接続されている。そして、バイパス管４２の入口側に、バタフライ弁からなる排ガス切換弁４４が設けられている。また反応室２５の一端側に設けられた脱硝ガス出口２９と、バイパス管４２の出口側との間に、脱硝ガス排出管４１が接続されている。この脱硝ガス排出管４１の出口近傍に、バタフライ弁からなる脱硝ガス出口弁（ガス遮断弁）４３が設けられて、脱硝ガス排出管４１を閉鎖可能に構成している。したがって、ディーゼルエンジン１０の燃焼室から排出された未処理排ガスまたは脱硝排ガスは、脱硝反応容器１１から脱硝ガス排出管４１、またはバイパス管４２を介して給気口１２Ｔｉに導入され、タービン部１２Ｔの羽根車を回転駆動した後、排気口１２Ｔｏから排気煙突を介して排出される。
コンプレッサ部１２Ｃの吸気口１２Ｃｉに、入口にエアフィルタ４５を有するエア吸気管４６が接続され、吐出口１２Ｃｏに接続された過給機吐出管（経路）４９が掃気レシーバタンク１３に接続される。またこの過給機吐出管４９には、圧縮加熱された燃焼用空気を冷却するための中間空気冷却器（エアクーラ）４７が介在されている。
この掃気レシーバタンク１３のエア供給口１３ｏとエンジン１０との間に、掃気エア供給管４８がそれぞれ接続されて、加圧された燃焼用空気が供給される。
（パージ用エア供給装置）
本発明に係るパージ用エア供給装置５１は、排ガスを反応室２５に導入せず、バイパス管４２から直接、過給機１２に排ガスを導入する時に、反応室２５の触媒ユニット２８にパージ用エアを吹き込むことで、反応室２５の雰囲気を、ＳＯ3露点温度以上または乾燥状態に保持して、硫酸結露の発生を防止するものである。ここで、この排ガスのＳＯ3露点温度は、水分濃度：５〜６vol％、ＳＯ3濃度：１０〜４０ppm、１２０〜１４０℃である。
この実施例１におけるパージ用エア供給装置５１は、掃気レシーバタンク１３内の燃焼用空気の一部を、パージ用エアとして反応室２５に供給するものである。掃気レシーバタンク１３に形成されたエア取出ポート５５に、パージ用エア吸気管（吸気管）５２が接続され、このパージ用エア吸気管５２が、反応室２５で触媒ユニット２８の入口（上流側）と出口（下流側）にそれぞれに設置されたパージ用エアヘッダ５３に接続されている。５４はパージ用エア吸気管５２に介在された電磁式開閉弁である。
また掃気レシーバタンク１３内の燃焼用空気は、コンプレッサ部１２Ｃにより圧縮され、中間空気冷却器４７により除熱されて水分が凝縮された後、掃気レシーバタンク１３に送られており、温度が４０〜５０℃で、水分の低い乾燥した燃焼用エアの一部をパージ用エアとして使用することができる。
また、エンジン負荷１００％では、排気レシーバタンク２４（反応室２５）内の排ガス圧力が０．３ＭＰａＧ（ゲージ圧）であるのに対して、掃気レシーバタンク１３内の燃焼用空気のエア圧力が０．４ＭＰａＧ（ゲージ圧）と高い。このため、パージ用エア吸気管５２には、掃気レシーバタンク１３からパージ用エアを反応室２５内に送り込む送風ポンプが不要となる。
したがって、排ガス切換弁４４を開放してバイパス管４２を開け、脱硝ガス出口弁（ガス遮断弁）４３を閉じて脱硝ガス排出管４１を閉じることにより、排気レシーバタンク２４内の排ガスが、バイパス管４２からタービン部１２Ｔに導入され、過給機１２のターボラグや出力低下を防止する。この時、開閉弁５４を開け、掃気レシーバタンク１３内で圧縮され乾燥された燃焼用空気の一部を、パージ用エアとして、パージ用エア吸気管５２に吸入し、パージ用エアヘッダ５３から噴射ノズル５３ｎを介して触媒ユニット２８に向かって、乾燥したパージ用エアを噴射する。これにより、触媒ユニット２８近傍の排ガスが排気レシーバタンク２４側に送り出され、硫酸結露による触媒ユニット２８の脱硝触媒の劣化が未然に防止される。
上記構成において、ディーゼルエンジン１０から排出される排ガスを、バイパス管４２を介して直接過給機１２に供給するように操作されると、開閉弁５４が操作されて、掃気レシーバタンク１３内の燃焼用空気の一部が、パージ用エアとしてパージ用エア吸気管５２に導入される。そしてパージ用エア吸気管５２から噴射ノズル５３ｎを介して、反応室２５の触媒ユニット２８の入口側と出口側に噴射される。このパージ用エアにより、触媒ユニット２８内に残留された排ガスの水分濃度とＳＯ3濃度とを低下させるとともに乾燥雰囲気とし、さらに排ガスを同伴してガス出口開口部３３から排気レシーバタンク２４に排出する。これにより、排ガス中の硫酸成分が結露して脱硝触媒の表面に付着し、脱硝触媒を劣化させるのを未然に防止することができる。
［実施例２］
実施例１では、掃気レシーバタンク１３内の燃焼用空気の一部を、パージ用エアとして使用したが、実施例２では、このパージ用エアを加熱して使用するものである。なお、実施例１と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
すなわち、図２に示すように、排ガスにより４００〜５００℃まで加熱される排気レシーバタンク２４内に、パージ用エアを昇温させるための熱交換式のパージ用エア加熱器５６を設置したものである。
すなわち、掃気レシーバタンク１３内で、４０〜５０℃の乾燥した燃焼用空気の一部が、パージ用エアとしてパージ用エア吸気管５２に吸入された後、パージ用エア加熱器５６に導入され、排気レシーバタンク２４内の排ガスにより約２００℃程度に加熱昇温される。そして加熱されたパージ用エアが、噴射ノズル５３ｎから反応室２５の触媒ユニット２８の入口側と出口側にそれぞれ噴射される。
上記構成によれば、この高温で、乾燥したパージ用エアにより、反応室２５の触媒ユニット２８近傍を加熱乾燥するとともに、近傍に滞留した排ガスを同伴して排気レシーバタンク２４に排出し、反応室２５内で硫酸結露による脱硝触媒の露点腐食を効果的に防止することができる。
［実施例３］
上記実施例１および実施例２では、掃気レシーバタンク１３の燃焼用空気の一部を、パージ用エアとして取り出したが、この実施例３では、過給機１２のコンプレッサ部１２Ｃのタービンで圧縮された燃焼用空気の一部を取り出すものである。なお、実施例１と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
図３に示すように、過給機吐出管（経路）４９で中間空気冷却器４７の上流側に、エア取出ポート５５を設け、このエア取出ポート５５にパージ用エア吸気管５２を接続している。このように、過給機１２のコンプレッサ部１２Ｃで圧縮され、中間空気冷却器４７により冷却前の燃焼用空気の一部をパージ用エアとして取り出すことにより、約２００℃（取り込み空気の水分を含む）のパージ用エアを得ることができる。ここで、過給機吐出管４９のエア圧力が０．４ＭＰａＧであるのに対して、反応室２５内の排ガス圧力が０．３ＭＰａＧと低く、パージ用エア吸気管５２に送風ポンプを介在させる必要はない。なお、この過給機吐出管４９で冷却前の圧縮空気の水分量は、大気と同程度である。
したがって、この高温のパージ用エアにより、反応室２５の触媒ユニット２８近傍を加熱乾燥するとともに、近傍に滞留した排ガスを同伴して排気レシーバタンク２４に排出し、反応室２５内における硫酸結露、脱硝触媒の露点腐食を効果的に防止することができる。
［実施例４］
上記実施例１乃至３では、脱硝反応容器１１内に、排気レシーバタンク２４、蒸発室２３、反応室２５を一体に収容した排ガス脱硝設備について説明したが、実施例４乃至６では、排ガス脱硝設備における排気レシーバタンク、蒸発室、反応室がそれぞれ独立して設置されたものである。図４を参照して説明する。なお、実施例１と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
排ガスレシーバタンク６１、蒸発室６３、およびパージ用エアヘッダ５３と触媒ユニット２８を具備した反応室６５は、それぞれ独立した容器６０Ａ〜６０Ｃ内に設置され、第１排ガス管６２、第２排ガス管６４、脱硝ガス排出管４１により直列に接続されている。
排ガスレシーバタンク６１に接続されたバイパス管４２は、排ガス切換弁４４の下流側に脱硝ガス排出管４１が接続されている。また脱硝ガス排出管４１には、出口側に設置された脱硝ガス出口弁４３の上流側と下流側とを接続する調圧管６７が接続されている。そしてこの調圧管６７に、脱硝ガス出口弁４３の閉鎖時に、上流側の反応室６５と蒸発室６３の圧力と、下流側のバイパス管４２（排ガスレシーバタンク６１）内の圧力を均等圧にする調圧弁６８が介在されている。この調圧管６７により、反応室６５内でパージ用エアヘッダ５３の噴射ノズル５３ｎから供給され排ガスを同伴したパージ用エアを、バイパス管４２に逃がすことができる。
したがって、脱硝ガス出口弁４３を閉じるとともに、排ガス切換弁４４を開け、ディーゼルエンジン１０から排出される排ガスが、バイパス管４２を介して直接、過給機１２に供給されると、開閉弁５４と調圧弁６８が開放されて、掃気レシーバタンク１３内の燃焼用空気の一部が、パージ用エアとしてパージ用エア吸気管５２に導入される。そしてパージ用エア吸気管５２から噴射ノズル５３ｎを介して、反応室６５の上流側と下流側に噴射される。このパージ用エアにより、水分濃度とＳＯ3濃度とを低下させるとともに、排ガスを同伴して調圧管６７からバイパス管４２に排出される。
これにより、排ガス中の硫酸成分が結露して脱硝触媒の表面に付着し、脱硝触媒を劣化させるのを未然に防止することができる。
［実施例５］
実施例５は、図４に示した独立容器構造において、パージ用エアを加熱するパージ用エア加熱器５６を、排ガスレシーバタンク６１に設置したもので、図５を参照して説明する。なお、実施例２，４と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
実施例４と同様の構成において、掃気レシーバタンク１３内で４０〜５０℃の燃焼用空気の一部を、パージ用エアとしてパージ用エア吸気管５２に取り出し、このパージ用エアを排ガスレシーバタンク６１に設置したパージ用エア加熱器５６に導入して約２００℃程度に加熱昇温した後、噴射ノズル５３ｎから反応室６５の触媒ユニット２８の上流側と下流側に噴射するものである。
実施例５によれば、実施例２と同様の作用効果を奏することができる。
［実施例６］
実施例６は、図４に示した独立容器構造において、過給機吐出管４９に図３に示すエア取出ポート５５を形成して、燃焼用空気の一部をパージ用エアとして取り出したもので、図６を参照して説明する。なお、実施例３，４と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
すなわち、過給機吐出管（経路）４９で中間空気冷却器４７の上流側に、エア取出ポート５５が形成され、このエア取出ポート５５にパージ用エア吸気管５２が接続されている。そして、過給機１２のコンプレッサ部１２Ｃで圧縮されて、中間空気冷却器４７により冷却前の燃焼用空気の一部をパージ用エアとして取り出し、約２００℃（取り込み空気の水分を含む）のパージ用エアを得ている。そして、エア取出ポート５５は、開閉弁５４が介在されて、反応室６５の上流側と下流側に設置されたパージ用エア吸気管５２に送られ、噴射ノズル５３ｎを介して反応室６５内にパージ用エアが噴射される。
実施例６によれば、実施例３と同様の作用効果を奏することができる。
上記実施例１乃至６では、ディーゼルエンジン１０は、ガソリンエンジンやガスエンジンであってもよい。
１０ ディーゼルエンジン
１１ 脱硝反応容器
１２ 過給機
１２Ｔ タービン部
１２Ｃ コンプレッサ部
１３ 掃気レシーバタンク
２２ スプレーノズル
２３ 蒸発室
２４ 排気レシーバタンク
２５ 反応室
２８ 触媒ユニット
３３ ガス出口開口部
４１ 脱硝ガス排出管
４２ バイパス管
４３ 脱硝ガス出口弁
４４ 排ガス切換弁
４７ 中間空気冷却器
４９ 過給機吐出管
５１ パージ用エア供給装置
５２ パージ用エア吸気管
５３ パージ用エアヘッダ
５３ｎ 噴射ノズル
５４ 開閉弁
５５ エア取出ポート
５６ パージ用エア加熱器

Claims (2)

  1. レシプロエンジンから排気レシーバタンクを介して排出された排ガス中に還元剤を吹き込む蒸発部と、還元剤が吹き込まれた排ガスを触媒ユニットに接触させて、過給機のタービン側に送り出す反応部と、レシプロエンジンから排出された排ガスを、直接過給機のタービン側に供給する開閉可能なバイパス管とを具備したレシプロエンジン用排ガス脱硝設備であって、
    バイパス管の開放時に、パージ用エアを反応部に吹き込む吸気管を有し、触媒ユニット近傍の排ガスを反応部から排出するパージ用エア供給装置を設け、
    過給機のコンプレッサ部吐出口から、中間空気冷却器を介して冷却された燃焼用空気が供給されるとともに、レシプロエンジンに燃焼用空気を供給する掃気レシーバタンクを設け、
    前記吸気管を前記掃気レシーバタンクに接続して、前記燃焼用空気の一部を前記パージ用エアとして取り出すとともに、前記排気レシーバタンク内に設けられたパージ用エア加熱器により前記パージ用エアを加熱するように構成された
    ことを特徴とするレシプロエンジン用排ガス脱硝設備。
  2. 排気レシーバタンクおよび蒸発部ならびに反応部を、一つの脱硝反応容器内に設けた
    ことを特徴とする請求項１記載のレシプロエンジン用排ガス脱硝設備。
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