JP7068499B2 - 還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の排ガス処理装置は、エンジンの排気筒に取り付けられた触媒(SCR触媒)、及びエンジンと触媒との間の排気筒内に尿素水を噴射する手段を有し、噴霧された尿素水を排ガスと混合し、触媒によって排ガス中の特定成分と反応させると共に尿素水を排ガスと混合する尿素水噴射手段が複数個所に設けられている。
しかしながら、特許文献1に記載の排ガス処理装置は、尿素水中の尿素を排ガスの熱でアンモニアに分解させるため、排ガスの温度が200℃以上であることが必要とされる。そのため、排ガスの温度が低いときには、尿素の分解反応が起こり難くなり、NOxの処理に必要なアンモニアの量が不足するという問題があった。
しかしながら、通電加熱されたハニカム構造部に尿素水溶液を噴霧すると、尿素水溶液が噴霧された領域の温度が低下し、ハニカム構造部内に温度ムラが発生する。その結果、ハニカム構造部の低温領域に尿素デポジット(尿素に起因する結晶)が生成し易くなる。尿素デポジットが生成すると、ハニカム構造部内の流路が遮断されるため、尿素からアンモニアへの分解が阻害されてしまう。
また、本発明は、排ガスの温度に応じて還元剤噴射装置からアンモニア又は尿素水溶液を選択して効率良く噴射し、NOxの浄化を行うことが可能な排ガス処理装置及び排ガス処理方法を提供することを目的とする。
入口側端部にキャリアガスを導入するためのキャリアガス導入口、及び出口側端部にアンモニアを噴射するための噴射口を備え、前記ハニカム構造体を収容し、前記ハニカム構造部の前記セル内を流体が流通可能な第1流通経路と、前記セル内を介さずに前記入口側端部から前記出口側端部へ前記流体が流通可能な第2流通経路とが内部に形成されている外筒と、
前記外筒の一端に配置され、前記流体の流入側の前記第1流通経路又は前記第2流通経路に前記尿素水溶液を噴霧するための尿素噴霧器と
を備え、
前記尿素噴霧器が、排ガスの温度に応じて前記第1流通経路又は前記第2流通経路に前記尿素水溶液の噴霧方向を切替可能に構成された噴霧方向切替手段を有し、
前記噴霧方向切替手段が前記尿素水溶液の供給圧力に応じて前記尿素水溶液の噴霧方向を変えることが可能なノズルである、還元剤噴射装置である。
前記排気筒内にアンモニア又は尿素水溶液を噴射するための前記還元剤噴射装置と、
前記排気筒の、前記アンモニア又は尿素水溶液が噴射される位置よりも下流側に配置されたSCR触媒と
を備える排ガス処理装置である。
前記排ガスの温度が200℃未満の場合に、前記還元剤噴射装置で生成したアンモニアを前記排ガスに噴射し、前記アンモニアが混入した前記排ガスをSCR触媒で還元処理する排ガス処理方法である。
また、本発明によれば、排ガスの温度に応じて還元剤噴射装置からアンモニア又は尿素水溶液を選択して効率良く噴射し、NOxの浄化を行うことが可能な排ガス処理装置及び排ガス処理方法を提供することができる。
(1)還元剤噴射装置
図1は、本発明の実施形態1に係る還元剤噴射装置を示す模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に平行な模式断面図)である。また、図2は、図1におけるA-A’線の模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に垂直な模式断面図)である。
図1及び2に示すように、本実施形態の還元剤噴射装置100は、ハニカム構造体1と、ハニカム構造体1を収容する外筒2と、外筒2の一端に配置された尿素噴霧器3とを備える。
ここで、本明細書において「流体流入端面13a」とは、流体の流入口を有する端面のことを意味し、「流体流出端面13b」とは、流体の流出口を有する端面のことを意味する。また、「一対の電極部12」は、ハニカム構造部11を均一に加熱する観点から、ハニカム構造部11のセル14が延びる方向に直交する断面において、一方の電極部12に対して、他方の電極部12がハニカム構造部11の中心を挟んで反対側に配設されていることが好ましい。
電極部12は、セル14が延びる方向に沿って帯状に形成されていることが好ましい。なお、電極部12は一対であってよいが、ハニカム構造部11の発熱効率を高める観点から、複数対としてもよい。
外筒2の内部には、ハニカム構造部11のセル14内を流体が流通可能な第1流通経路と、セル14内を介さずに入口側端部から出口側端部へ流体が流通可能な第2流通経路とが形成されている。すなわち、外筒2の内部において、第1流通経路(セル14)及び第2流通経路16は、外筒2の長さ方向に対して並列に配置されている。第2流通流路16は、ハニカム構造部11のセル14以外に流体が流通可能に構成されているため、流体は第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16のいずれか一方を流通する。
外筒2に収容されるハニカム構造体1は、絶縁保持部23を介して外筒2内に固定(保持)されている。これにより、ハニカム構造体1と外筒2との間の絶縁が確保される。ハニカム構造体1と外筒2との間には、絶縁保持部23が配置されていない部分(空間)があってもよいが、ハニカム構造体1の外周全体が絶縁保持部23で覆われていてもよい。絶縁保持部23の材質は、絶縁性に優れたものであれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ガラスなどを用いることができる。
ハニカム構造体1は、ハニカム構造部11と電極部12とを有する。
ハニカム構造部11を構成する隔壁15の材質は、特に限定されないが、セラミックスであることが好ましい。特に、隔壁15の材質は、珪素-炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分としていることが好ましく、珪素-炭化珪素複合材を主成分としていることがより好ましい。このような材質を用いることにより、ハニカム構造部11の電気抵抗率を、炭化珪素と珪素との比率を変更することで任意の値に調整し易くなる。
ここで、上記の主成分となる「珪素-炭化珪素複合材」とは、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての金属珪素を含有するものを意味する。珪素-炭化珪素複合材は、複数の炭化珪素粒子が、金属珪素によって結合されていることが好ましい。また、上記の主成分となる「炭化珪素」とは、炭化珪素粒子同士が焼結して形成されたものを意味する。また、本明細書において「主成分」とは、90質量%以上含有される成分のことを意味する。
なお、ハニカム構造部11の電気抵抗率は、25℃における値である。また、ハニカム構造部11の電気抵抗率は、四端子法により測定した値である。
なお、ハニカム構造部11の表面積は、ハニカム構造部11の隔壁15の表面の面積である。
セル14の形状(セル14の延びる方向に直交する断面の形状)が、図2に示すような円形の場合、隔壁15の厚さは、「セル14同士の間の距離が最も短くなっている部分(隔壁15の厚さが小さい部分)」における隔壁15の厚さを意味する。
セル14の密度は、7~140セル/cm2が好ましく、15~120セル/cm2が更に好ましい。セル14の密度が7セル/cm2以上であると、尿素水溶液との接触面積が十分に確保され、尿素水溶液の処理速度、すなわちアンモニアの発生量(発生速度)が適切に制御される。セル14の密度が140セル/cm2以下であると、圧力損失が低減され、尿素水溶液の処理速度、すなわちアンモニアの発生量(発生速度)が適切に制御される。
なお、ハニカム構造部11の形状(外形)と、第2流通経路16の形状とは同一であっても異なっていてもよいが、外部からの衝撃、熱応力などに対する耐性の観点から、同一であることが好ましい。
また、電極部12に対する電圧の印加は、流体流入端面13aにおける温度が900℃以下となるようにハニカム構造部11を発熱させることが好ましい。ハニカム構造部11の温度の制御はハニカム構造部11に温度測定手段を直接設けることにより制御することができる。あるいは、キャリアガス温度、キャリアガス流量及び尿素水溶液噴霧量からハニカム構造部11の温度を推定して制御することも可能である。また、エンジンの運転条件をマッピングすれば、キャリアガス温度及びキャリアガス流量の測定に代えることもできる。
電極部12の電気抵抗率は、0.0001~100Ωcmであることが好ましく、0.001~50Ωcmであることがより好ましい。電極部12の電気抵抗率をこのような範囲にすることにより、一対の電極部12が、高温の排ガスが流れる排気筒内において、電極の役割を効果的に果たすことができる。電極部12の電気抵抗率は、ハニカム構造部11の電気抵抗率より低いものであることが好ましい。
なお、電極部12の電気抵抗率は、400℃における値である。また、電極部12の電気抵抗率は、四端子法により測定した値である。
外筒2の材質は、特に限定されないが、ステンレス鋼などが好ましい。
外筒2の形状は、ハニカム構造体1と嵌合させるため、セル14の延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部11の形状と同種であることが好ましい。ここで、本明細書において「同種の形状」とは、外筒2の形状が正方形であるときには、ハニカム構造部11の形状も正方形であり、外筒2の形状が長方形であるときには、ハニカム構造部11の形状も長方形であることを意味する。なお、例えば、外筒2の形状及びハニカム構造部11の形状が、同種の形状であり、その形状が長方形である場合、縦と横との長さの比までが同じである必要はない。
尿素噴霧器3は、排ガスの温度に応じて第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16に尿素水溶液の噴霧方向を切替可能に構成された噴霧方向切替手段を有する。
噴霧方向切替手段としては、特に限定されないが、例えば、尿素水溶液の供給圧力に応じて尿素水溶液の噴霧方向を変えることが可能なノズルを用いることができる。具体的には、尿素水溶液の供給圧力が低い場合に第2流通経路16に尿素水溶液を噴霧するとともに、尿素水溶液の供給圧力が高い場合に第1流通経路(セル14)に尿素水溶液を噴霧することが可能なノズルを用いることができる。なお、当該噴霧方向切替手段を用いる場合、噴霧方向切替手段により第2流通経路16に尿素水溶液を噴霧しているときに、尿素噴霧器3から噴射された一部の尿素水溶液が第1流通経路に少量流入してもよい。
(2)還元剤噴射装置100の製造方法
(2-1)ハニカム構造体1の製造
ハニカム構造体1がセラミックス製の場合、ハニカム構造体1の製造方法は、以下のような製造方法であることが好ましい。
ハニカム構造体1の製造方法は、ハニカム成形体作製工程と、ハニカム乾燥体作製工程と、未焼成電極付きハニカム体作製工程と、ハニカム構造体作製工程とを含む。
ハニカム成形体作製工程では、成形原料を押出成形してハニカム成形体を作製する。成形原料は、セラミックス原料及び有機バインダを含むことが好ましい。成形原料には、セラミックス原料及び有機バインダ以外に、界面活性剤、焼結助剤、造孔材、水などをさらに配合してもよい。成形原料は、これらの原料を混合することによって得ることができる。
ハニカム乾燥体作製工程では、得られたハニカム成形体を乾燥させてハニカム乾燥体を作製する。乾燥条件は、特に限定されず、公知の条件を用いることができる。例えば、80~120℃で、0.5~5時間乾燥させることが好ましい。
未焼成電極付きハニカム体作製工程では、まず、ハニカム乾燥体の側面に、セラミックス原料と水とを含有する電極形成用スラリーを塗布する。次に、電極形成用スラリーを乾燥させて未焼成電極を形成して、未焼成電極付きハニカム体を作製する。
セラミックス原料としては、ハニカム成形体を作製する際に用いられるセラミックス原料を用いることが好ましい。例えば、ハニカム成形体を作製する際に用いられるセラミックス原料の主成分を炭化珪素粒子及び金属珪素とした場合には、電極形成用スラリーのセラミックス原料としても炭化珪素粒子及び金属珪素を用いればよい。
ハニカム構造体作製工程では、未焼成電極付きハニカム体を焼成してハニカム構造体1を作製する。
焼成条件は、ハニカム成形体の製造に用いられたセラミックス原料、及び電極形成用スラリーに用いられたセラミックス原料の種類に応じて適宜決定すればよい。
また、未焼成電極付きハニカム成形体を乾燥させた後、焼成前に、バインダなどを除去するため、仮焼成を行うことが好ましい。仮焼成は、大気雰囲気下、400~500℃で0.5~20時間行うことが好ましい。
外筒2内にハニカム構造体1を挿入し、絶縁保持部23を介してハニカム構造体1を外筒2内に固定すると共に、外筒2の一端(入口側端部)に尿素噴霧器3を配置する。そして、外筒2のコネクター18と一対の電極部12に配設した電極端子突起部17との間を電気配線19によって接続することにより、還元剤噴射装置100を製造することができる。
(3)還元剤噴射装置100の使用方法
本実施形態の還元剤噴射装置100は、尿素水溶液を原料として用い、排ガスの温度に応じて、尿素噴霧器3から尿素水溶液を第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16に噴霧する。排ガスの温度が低い場合、尿素水溶液を第1流通経路(セル14)に選択的に噴霧することにより、尿素水溶液中の尿素を第1流通経路(セル14)内で分解してアンモニア(還元剤)を生成させ、噴射口21から外部にアンモニアを噴射する。具体的には、ハニカム構造部11を通電して昇温(加熱)し、尿素噴霧器3に尿素水溶液を供給し、尿素噴霧器3からハニカム構造部11の第1流通経路(セル14)に尿素水溶液を噴霧する。このとき、キャリアガスをキャリアガス導入口22からハニカム構造部11の流体流入端面13a側に導入することにより、尿素水溶液の流れを促進させてハニカム構造部11の第1流通経路(セル14)内に尿素水溶液を停滞し難くすることができる。尿素噴霧器3から噴霧された尿素水溶液は、キャリアガスの流れにより、流体流入端面13aからハニカム構造部11の第1流通経路(セル14)内に入る。第1流通経路(セル14)内に供給された尿素水溶液中の尿素は、加熱されたハニカム構造部11の温度により分解されてアンモニアが生成する。一方、排ガスの温度が高い場合、尿素水溶液を第2流通経路16に選択的に噴霧することにより、噴射口21からそのまま外部に噴射される。このときキャリアガスをキャリアガス導入口22からハニカム構造部11の流体流入端面13a側に導入することにより、尿素水溶液の流れを促進させてハニカム構造部11の第2流通経路16内に尿素水溶液を停滞し難くすることができる。
<実施形態2>
図3は、本発明の実施形態2に係る還元剤噴射装置を示す模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に平行な模式断面図)である。また、図4は、図3におけるB-B’線の模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に垂直な模式断面図)、図5は図3におけるC-C’線の模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に平行な模式断面図)である。
図3~5に示すように、本実施形態の還元剤噴射装置200は、四角柱状のハニカム構造部11を有するハニカム構造体1が外筒2内に収容されていると共に、外筒2内において第2流通経路(空間領域16)がハニカム構造体1に隣接する位置に形成されている。また、噴霧方向切替手段としての制御弁31が、ハニカム構造体1と尿素噴霧器3との間に設けられている。それ以外の構成は、実施形態1の還元剤噴射装置100と同様であるため説明を省略し、相違点のみ詳細に説明する。
図6及び7は、本発明の実施形態3に係る排ガス処理装置を示す模式断面図である。
図6及び7に示すように、本実施形態の排ガス処理装置300,400は、排ガスが流通する排気筒41と、排気筒41内にアンモニア又は尿素水溶液を噴射する還元剤噴射装置100と、排気筒41の、アンモニア又は尿素水溶液が噴射される位置よりも下流側に配置されたSCR触媒42とを備える。
還元剤噴射装置100は、図6に示すように排気筒41に1つ装着すればよい。また、図7に示すように排気筒41に還元剤噴射装置を2つ装着してもよい。この場合、下流側の還元剤噴射装置は、還元剤噴射装置100であっても、還元剤(尿素水)を加熱せずに噴霧する従来の還元剤噴射装置500(例えば、尿素噴霧器3)であってもよい。好ましい実施形態では、下流側の還元噴霧装置は、還元剤(尿素水)を加熱せずに噴霧する従来の還元剤噴射装置500である。これは、排ガス中のNOxの量が少ない場合(排ガスの温度が低い場合)、上流側の還元剤噴射装置100及びSCR触媒42によってNOxのほとんどが浄化され、また、排ガス中のNOxの量が多い場合(排ガスの温度が高い場合)、従来の還元剤噴射装置500から噴霧された尿素水が排ガスの温度によってアンモニアに分解されるためである。また、図示していないが、還元剤噴射装置100は、必要に応じて排気筒41に3つ以上装着してもよい。
還元剤噴射装置100に導入するキャリアガスとして排ガスを用いる場合、図6及び7に示すように、排気筒41が還元剤噴射装置100の上流で分岐され、分岐流路43がキャリアガス導入口22に接続される。一方、排ガス以外のキャリアガス(例えば、吸気ガスなど)を用いる場合には、当該キャリアガスの供給源に接続筒などを介してキャリアガス導入口22が接続される。
SCR触媒42の例としては、バナジウム系触媒やゼオライト系触媒などを挙げることができる。
SCR触媒42を、ハニカム構造体に担持された触媒体として使用する場合には、当該触媒体を容器内に収納し、当該容器を排気筒41の下流側に装着することが好ましい。
SCR触媒42を担持するハニカム構造体は、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
還元剤噴射装置100が排気筒41に1つ装着される場合、DPF44及び酸化触媒45は、図6に示すように、還元剤噴射装置100によるアンモニア又は尿素水溶液の噴射位置よりも上流側の排気筒41に配置される。また、還元剤噴射装置100が排気筒41に2つ装着される場合、DPF44及び酸化触媒45は、図7に示すように、従来の還元剤噴射装置500によるアンモニア又は尿素水溶液の噴射位置よりも上流側であり、且つ還元剤噴射装置100が装着された位置よりも下流側にあるSCR触媒42よりも下流側の排気筒41に配置されることが好ましい。
本発明の実施形態4に係る排ガス処理方法は、排ガスの温度が200℃以上の場合に、実施形態1又は2の還元剤噴射装置100,200から尿素水溶液を排ガスに噴射し、尿素水溶液が混入した排ガスをSCR触媒で還元処理し、排ガスの温度が200℃未満の場合に、実施形態1又は2の還元剤噴射装置100,200で生成したアンモニアを排ガスに噴射し、アンモニアが混入した排ガスをSCR触媒で還元処理する。この排ガス処理方法は、実施形態3の排ガス処理装置300,400を用いることによって容易に実施することができる。
また、キャリアガスを、尿素噴霧器3から噴霧された尿素水溶液と共に供給することができるため、ハニカム構造部11の第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16内のガスの流れを促進することができる。その結果、第1流通流路又は第2流通流路内に尿素が残留することを抑制できるため、尿素デポジットの生成限界を上げることができる。さらに、排ガスの温度が200℃未満の場合には、加熱分解されたアンモニアをキャリアガスによって外部に排出することができるため、応答性が向上する。
2 外筒
3 尿素噴霧器
11 ハニカム構造部
12 電極部
13a 流体流入端面
13b 流体流出端面
14 セル
15 隔壁
16 第2流通経路
17 電極端子突起部
18 コネクター
19 電気配線
21 噴射口
22 キャリアガス導入口
23 絶縁保持部
31 制御弁
41 排気筒
42 SCR触媒
43 分岐流路
44 DPF
45 酸化触媒
100、200 還元剤噴射装置
300、400 排ガス処理装置
500 従来の還元剤噴射装置
Claims (11)
- 流体流入端面から流体流出端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁を有する柱状のハニカム構造部、及び前記ハニカム構造部の側面に配設され、前記ハニカム構造部を通電加熱するための少なくとも一対の電極部を有し、通電加熱された前記ハニカム構造部内で尿素水溶液中の尿素を分解してアンモニアを生成可能に構成されたハニカム構造体と、
入口側端部にキャリアガスを導入するためのキャリアガス導入口、及び出口側端部にアンモニアを噴射するための噴射口を備え、前記ハニカム構造体を収容し、前記ハニカム構造部の前記セル内を流体が流通可能な第1流通経路と、前記セル内を介さずに前記入口側端部から前記出口側端部へ前記流体が流通可能な第2流通経路とが内部に形成されている外筒と、
前記外筒の一端に配置され、前記流体の流入側の前記第1流通経路又は前記第2流通経路に前記尿素水溶液を噴霧するための尿素噴霧器と
を備え、
前記尿素噴霧器が、排ガスの温度に応じて前記第1流通経路又は前記第2流通経路に前記尿素水溶液の噴霧方向を切替可能に構成された噴霧方向切替手段を有し、
前記噴霧方向切替手段が前記尿素水溶液の供給圧力に応じて前記尿素水溶液の噴霧方向を変えることが可能なノズルである、還元剤噴射装置。 - 前記第1流通経路に噴霧された前記尿素水溶液中の尿素は、前記第1流通経路内で通電加熱された前記ハニカム構造部により分解され、アンモニアを生成して外部に噴射され、
前記第2流通経路に噴霧された前記尿素水溶液は、そのまま外部に噴射される、請求項1に記載の還元剤噴射装置。 - 前記第2流通経路は、前記ハニカム構造部の前記セル内以外に前記流体が流通可能に構成されている、請求項1又は2に記載の還元剤噴射装置。
- 前記ハニカム構造部は、前記セルが延びる方向に垂直な断面において、中央に前記第2流通経路が位置するように構成された中空型のハニカム構造部である、請求項1~3のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
- 前記第2流通経路は、前記ハニカム構造体に隣接する位置に形成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
- 前記キャリアガスは排ガスである、請求項1~5のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
- 前記ハニカム構造部の電気抵抗率が0.01~500Ωcmである、請求項1~6のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
- 前記ハニカム構造部は、珪素-炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とする、請求項1~7のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
- 前記ハニカム構造部の単位体積当たりの表面積が5cm2/cm3以上である、請求項1~8のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
- 排ガスが流通するための排気筒と、
前記排気筒内にアンモニア又は尿素水溶液を噴射するための、請求項1~9のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置と、
前記排気筒の、前記アンモニア又は前記尿素水溶液が噴射される位置よりも下流側に配置されたSCR触媒と
を備える排ガス処理装置。 - 排ガスの温度が200℃以上の場合に、請求項1~9のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置から尿素水溶液を前記排ガスに噴射し、前記尿素水溶液が混入した排ガスをSCR触媒で還元処理し、
前記排ガスの温度が200℃未満の場合に、前記還元剤噴射装置で生成したアンモニアを前記排ガスに噴射し、前記アンモニアが混入した前記排ガスをSCR触媒で還元処理する排ガス処理方法。
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