JPH0635820B2

JPH0635820B2 - ディーゼルエンジン排ガス中の窒素酸化物除去方法

Info

Publication number: JPH0635820B2
Application number: JP2309790A
Authority: JP
Inventors: 基伸小林; 昭維宇野; 太木下; 光晴萩; 明井上
Original assignee: Nippon Shokubai Co Ltd; Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Nippon Shokubai Co Ltd; Yanmar Co Ltd
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPH03229911A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はディーゼルエンジン排ガス中の窒素酸化物除去
方法に関するものである。詳しく述べると、ディーゼル
エンジンの働きを阻害せずに、その排出される排ガスの
性状の変動に対して、窒素酸化物を除去できると同時
に、窒素酸化物除去後の排ガス中に含まれるアンモニア
を極力制御することができる窒素酸化物の除去方法に関
するものである。

（従来の技術）従来、酸化雰囲気下における窒素酸化物除去方法として
はアンモニアを還元剤として用いる選択還元脱硝法が、
排ガス中の酸素濃度の影響を受けずに窒素酸化物とアン
モニアが選択的に反応するために、酸化雰囲気下におい
ても効果的な方法とされ、火力発電プラントのボイラ及
び加熱炉等の固定発生源の排気ガス浄化に広く適用され
てきた。

一方、内燃機関からの排ガス中の窒素酸化物の低減につ
いても、アンモニア選択還元法が適用された例が種々開
示されている。例えば、エンジンの燃料調節ガバナ，給
気温度及び給気量に基づいて、排ガス中に供給されるア
ンモニア流量を制御する方法（特開昭52-48722号公報参
照）等が開示されている。

しかし、ディーゼルエンジンの場合、ボイラーに比べて
エンジン負荷の変動が著しく、それに伴って排ガス量お
よび窒素酸化物濃度が急激に変化するために、この変化
に連動させて、過不足なくアンモニアを厳密に制御する
ことは、前記の従来の技術では十分といえず、それ故排
ガス中の窒素酸化物を高い効率で除去すると同時に、排
出アンモニアを極力制御するという点において問題が残
されているといえる。

又、排ガス中の窒素酸化物の除去率は反応器における反
応効率と関係していて、両者の関係はほぼ比例してい
る。そして、この反応効率を高めるには、排ガス中に供
給されたアンモニアが同ガス中の窒素酸化物と均一に混
合されることが重要である。

そのために一般的には、バッフルプレート，ベンチュリ
ーや充填物などによる混合法が採用されており、又、過
給機との間における反応器上流側の排気管に多数のノズ
ル口を設けてアンモニアを供給する方法や、アンモニア
の供給口を噴射ノズルにして供給する方法が用いられて
いる。その混合させる方法や装置がエンジンそのものに
弊害をもたらすものであってはならない。

この点においてバッフルプレートやベンチュリー或いは
充填物を用いる混合法では、圧力損失が大きい為にディ
ーゼルエンジンにおけるエンジン出力の低下を招き、エ
ンジンの燃費が悪くなり、エンジンそのものに弊害をも
たらす。

又、過給機との間における反応器上流側の排ガス流路内
に多数のノズルを設けてアンモニアを供給する混合法で
は、排ガス中にアンモニアを均一に混合させることが難
しく、脱硝用触媒上における排ガス中の窒素酸化物の除
去効率は低下するだけで高くなることはなく、反応効率
が高いとは言い難い。

又、噴射ノズルからアンモニアを供給する混合法でも、
その噴射口が排ガス中に含まれているダストで塞がれる
形になるため、アンモニアの噴射状態は悪くなるばかり
かノズルが閉塞する場合もあって、頻繁なノズル掃除或
いはノズル交換が要求される。

さらに、比較的小型のディーゼルエンジンの場合では、
その排ガス処理システムが安価であることも重要であ
る。

（発明が解決しようとする問題点）本発明の目的はディーゼルエンジン排ガス中の窒素酸化
物をアンモニアと脱硝用触媒に至るまでに事前に十分均
一に混合させた後に触媒と接触させて、エンジンの働き
を阻害することなく、反応器における反応効率を高め、
排ガス性状の急激な変動に対しても窒素酸化物を効率良
く除去でき、且つエンジン燃焼性能の変化による窒素酸
化物量の変化にも対応できると同時に窒素酸化物除去後
に含まれるアンモニアを極力制御でき、しかも経済的に
安価に行なえるディーゼルエンジン排ガス中の窒素酸化
物除去方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は上記目的の達成のため、第一発明では、排ガス
流路途中に過給機を有するディーゼルエンジンの排ガス
中の窒素酸化物をアンモニアの存在下に反応器内で触媒
を用いて還元除去するにあたり、エンジン出力，排気ガ
ス温度そして吸入空気の湿度をそれぞれ測定し、エンジ
ン出力及び排気ガス温度の測定値並びに吸入空気の湿度
と窒素酸化物量がほぼ比例する関係に基づいてアンモニ
アを流量制御し、過給機の排ガス入口側に供給すること
を特徴とする。

そして第二発明では、排ガス流路途中に過給機を有する
ディーゼルエンジンの排ガス中の窒素酸化物をアンモニ
アの存在下に反応器内で触媒を用いて還元除去するにあ
たり、エンジン出力，排気ガス温度，エンジン給気温度
そして吸入空気の湿度をそれぞれ測定し、エンジン出力
及び排気ガス温度及びエンジン給気温度の測定値並びに
吸入空気の湿度と窒素酸化物量がほぼ比例する関係に基
づいてに基づいてアンモニアを流量制御し、過給機の排
ガス入口側に供給することを特徴とする。

本発明者等が検討したところによると、ディーゼルエン
ジンから排出される窒素酸化物の総量は第１乃至３図に
示す如く、エンジンの出力，エンジンの排気ガス温度お
よび給気温度にほぼ比例して増減するが、更に、第４図
に示す如く吸入空気の湿度にも比例してそれぞれ減少及
び増加することが知見された。

すなわち、第１図及び第２図に示す如く窒素酸化物の排
出量はエンジンの出力や排気ガス温度に比例するため
に、エンジン出力や排気ガス温度に対応してアンモニア
を供給することによりアンモニア供給量を制御すること
が可能であるが、窒素酸化物濃度は大気条件すなわちエ
ンジンの給気温度のみならず吸入空気の湿度等によって
も大きく影響を受けるために、これ等の給気温度及び吸
入空気の湿度を測定して、その測定値により、窒素酸化
物排出量をさらに補正することが重要である。

特に、エンジンの出力によりアンモニア供給量を制御す
る場合、エンジンや過給機の汚れで窒素酸化物排出量と
出力の相関関係が経時的に変化するために、第２図に示
す如くエンジン排気ガス温度を測定し、その測定値によ
り窒素酸化物排出量を補正することが必要である。

したがって、エンジンから排出される窒素酸化物の総量
はエンジンの出力，排気ガス温度，吸入空気の湿度を、
また加えてエンジン給気温度を測定して直接に求め得た
窒素酸化物総排出量に比例してアンモニア供給量を決定
する。

それにより、窒素酸化物の排出量および濃度が急激に変
化しても、その排出量および濃度に比例して、時間的な
遅れがなく最適量のアンモニアを正確に供給し、排ガス
中の窒素酸化物を効果的に除去できること、および窒素
酸化物除去後の排ガス中における残留アンモニアを極力
抑止できることを確認したものである。

又、その流量制御されたアンモニアを過給機の排ガス入
口側に供給することにより、排ガス中の窒素酸化物とア
ンモニアを反応器に至るまでに事前に十分混合して、反
応効率を高めると共に窒素酸化物の除去効率をさらにア
ップできることを確認したものである。

（作用）アンモニアの供給量が、エンジンの出力と排気ガス温度
と吸入空気の湿度とさらには給気温度の測定値に基づい
て求めた排ガス中の窒素酸化物の量および濃度に比例し
て決定されて、排ガス中における窒素酸化物の総量に対
してより正確な最適量のアンモニアが排ガス流路におけ
る過給機の排ガス入口側に応答性良く供給され、過給機
を通過する過程で十分且つ均一に混合された後に反応器
に流れる。

それにより、ディーゼルエンジンの働きが阻害されず
に、反応器における反応効率が高効率化された状態で、
エンジン負荷に対応して常時効率的に窒素酸化物の除去
が行なわれ且つ同除去後におけるアンモニアの残留が極
力抑止されていることになる。

（実施例）以下、本発明を詳細に説明する。

第５図に示しているエンジン本体（１）に備えた排ガス
浄化装置（Ａ）は本発明の第１発明を実施するのに開発
したものを例示しており、エンジン本体（１）には出力
計（２）又は被駆動機（1a）の出力比例信号器（2a）が
設けられ、またエンジン本体（１）のマニホールド
（３）と連通状の排気管（４）には排ガス温度検出器
（５）と吸入空気圧縮用の過給機（６）と反応器（７）
とが設けられている。

この過給機（６）はエンジンの出力を増加可能に、排気
ガスの圧力を利用してエンジンに供給する空気を圧縮す
る公知の機構構造のもので、排ガス流路（4a）側のター
ビン翼と給気側のブロワー翼とが軸で連結されていて、
排ガス流路（4a）側のタービン翼が排ガスの圧力で回転
することにより給気側のブロワー翼も回転してエンジン
の吸入空気を圧縮するようにしている。

又、排気管（４）における過給機（６）の排ガス入口側
流路（4a）に設置されたアンモニア注入ノズル（８）に
はアンモニア輸送管（９）が接続され、このアンモニア
輸送管（９）にはアンモニア調整弁（10）およびアンモ
ニア流量計（11）が設けられていると共にアンモニア容
器（12）が接続されている。

そして、出力計（２）又は出力比例信号器（2a）と排ガ
ス温度検出器（５）とエンジン本体（１）の吸入空気の
湿度を測定する湿度検出器（13）は演算器（14）に連絡
され、この演算器（14）は比率設定器（15）およびアン
モニア流量制御器（16）を通じてアンモニア調整弁（1
0）と連絡している。

すなわち、エンジン本体（１）の負荷量に応答して、エ
ンジン出力計（２）又は出力比例信号器（2a）と排ガス
温度検出器（５）と吸入空気の湿度検出器（13）からの
各信号を演算器（14）に入力する。演算器（14）におい
て、窒素酸化物の総排出量を算出し、この信号を比率設
定器（15）に入力し、比率設定器（15）で予め設定され
たアンモニア／窒素酸化物比により供給するアンモニア
量を決定する。

そして、該比率設定器（15）の出力はアンモニア流量信
号として、アンモニア流量制御器（16）に入力され、ア
ンモニア調整弁（10）の開閉を制御し、過給機（６）を
経て反応器（７）に流れ込む排ガスに混入されるアンモ
ニア量を制御する。

排ガスはマニホールド（３）から排気管（４）および途
中の過給機（６）を経て、触媒（17）を充填した反応器
（７）に流れる。

アンモニアはアンモニア容器（12）よりアンモニア輸送
管（９）を経て、アンモニア調整弁（10）で最適な流量
に制御されて、排ガス流路（4a）における過給機（６）
の入口側において、アンモニア注入ノズル（８）により
排ガス中に混入され、過給機（６）のタービン翼で排ガ
スと十分に混合攪拌され、必要によりガス分散板（18）
により、混合分散された後、反応器（７）に至り、触媒
（17）を通過して、排ガス中の窒素酸化物を還元除去す
る。

第６図に示しているエンジン本体（１）に備えた排ガス
浄化装置（Ａ_１）は本発明の第２発明を実施するのに開
発したものを例示しており、その構成は第５図に例示し
た排ガス浄化装置（Ａ）と基本的に同構成のものである
ため、共通する構成については説明を省略し、相違する
構成について以下に説明する。

排気管ガスタービン（６）をエンジン本体（１）と連絡
する給気管（19）には給気温度検出器（20）が設けら
れ、この給気温度検出気（20）は出力計（２）又は出力
比例信号器（2a）と排ガス温度検出器（５）と湿度検出
器（13）と同様に演算器（14）に連絡されている。

この排ガス浄化装置（Ａ_１）はエンジン本体（１）の負
荷量に応答して、エンジン出力計（２）又は出力比例信
号器（2a）と排ガス温度検出器（５）と湿度検出器（1
3）と給気温度検出器（20）からの各信号を演算器（1
4）に入力する。演算器（14）は窒素酸化物の総排出量
を演算しこの信号を比率設定器（15）に入力し、比率設
定器（15）で予め設定されたアンモニア／窒素酸化物比
により供給するアンモニア量を決定する。この比率設定
器（15）の出力はアンモニア流量信号としてアンモニア
流量制御器（16）に入力され、アンモニア調節弁（10）
の開閉を制御し、反応器（７）に流れ込む排ガスに混入
されるアンモニア量を制御する。それにより、アンモニ
アはアンモニア調整弁（10）で最適な流量に制御され
て、排ガス流路（4a）における過給機（６）の入口側に
おいて、アンモニア注入ノズル（８）により排ガス中に
混入され、過給機（６）のタービン翼で排ガスと十分に
混合攪拌され、必要によりガス分散板（18）により、混
合分散された後、反応器（７）に至り、触媒（17）を通
過して、排ガス中の窒素酸化物を還元除去する。

又、本発明において、用いられる触媒の形状としては、
ペレット状，球状，粒状，板状，パイプ状及びハニカム
状等が挙げられる。

特に、幾何学的表面積が大きいため必要触媒量が少なく
て済み、又触媒層の圧力損失が小さいという理由でハニ
カム状が好ましい。

本発明の対象となる触媒組成については、特に限定すべ
き理由はないが、チタンを主成分とする触媒やゼオライ
ト系触媒が好ましい。

特に、チタンを含む酸化物をＡ成分とし、これが60〜9
9.5重量％含まれ、バナジウム，タングステン，モリブ
デン，マンガン，銅，鉄，コバルト，セリウム、及びス
ズよりなる群から選ばれた少なくとも一種の元素の酸化
物をＢ成分とし、これが０．５〜40重量％の範囲に含ま
れてなる触媒が好ましい結果を与える。

触媒Ａ成分はチタンを含む酸化物であれば好ましい結果
を与え、例えば酸化チタン、チタンとケイ素の二元系複
合酸化物（以下、TiＯ_２−SiＯ_２とする）。チタンとジ
ルコニウムの二元系複合酸化物、チタン，ケイ素及びジ
ルコニウムからなる三元系複合酸化物等が挙げられる。
Ａ成分の比表面積は10m²／ｇ以上、特に20m²／ｇ以上が
好ましい結果を与える。

本発明に使用される還元剤としては、アンモニアガス，
アンモニア水、その他の尿素やショウ酸アンモニウムの
ように熱分解してアンモニアになるアンモニウム塩等が
用いられる。

本発明の対象となるディーゼルエンジンから排出される
排ガスの組成としては、通常、アンモニア10〜1,000pp
m、酸素２〜21容量％、炭酸ガス５〜15容量％、水分５
〜15容量％、煤塵０．０２〜１ｇ／Ｎｍ^３、及び窒素酸
化物 200〜3,000ppm程度に含有するものであるが、ディ
ーゼルエンジンやガスエンジン等の内燃機関から排出さ
れる排ガスであれば良く、特に組成範囲を限定するもの
ではない。

処理条件としては、反応温度が 150℃〜 650℃、特に 2
00℃〜 600℃が好ましい。

空間速度は2,000〜100,000hr-1 、特に5,000〜50,000hr
-1の範囲が好ましい。

アンモニアの添加量は窒素酸化物１容量部に対して０．
３〜１．２容量部が好ましいが、通常、未反応アンモニ
アを極力抑制する必要があるためにアンモニア／窒素酸
化物のモル比を１以下として使用されることが特に好ま
しい。

以下に具体例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する
が、本発明はこれら具体例のみに限定されるものではな
い。

具体例Ｉ第５図に例示した排ガス浄化装置（Ａ）を用い、発電用
のディーゼルエンジンの排気管（４）と連通状の反応器
（７）にはＶ_２Ｏ_５２重量％、ＷＯ_３７重量％を含
有するTiＯ_２系ハニカム触媒（ 150mm角相当直径３．２
mm、セル肉厚０．５mm、長さ 450mm）を６×６本２層に
充填した。

同装置（Ａ）により、アンモニア／窒素酸化物モル比が
０．８５になるように演算器（14）、及び比率設定器
（15）を作動させてアンモニアを排気管内の排ガス中に
注入し、排ガス処理量3500〜5500Ｎ／hr、排ガス温度
380〜 430℃入口窒素酸化物濃度 700〜950ppm、の範囲
に変動させてエンジンを運転した。

その時の脱硝率は83〜86％、反応器出口における排ガス
中のアンモニア濃度は０．５〜１．０ppmであった。

具体例II 第６図に例示した排ガス浄化装置（Ａ_１）を用い、具体
例Ｉと同様の方法で脱硝反応を行なった。

この時の脱硝率は84〜86％、反応器出口における排ガス
中のアンモニア濃度は０．５〜０．８ppmであった。

比較例１第５図に示した排ガス浄化装置（Ａ）において湿度検出
器(13)を設置しないこと以外は全て具体例１と同様の方
法で脱硝試験を行った。

この時の脱硝率は76〜81％、反応器出口における排ガス
中のアンモニア濃度は０．６〜４ppm であり、具体例１
に比較して、吸入空気中の湿度による補正を行わないた
めに、エンジンの負荷変動に対する応答性が悪く脱硝率
も低い値であった。

具体例Ｉ及びII記載の脱硝方法は脱硝率の変動幅が少な
く窒素酸化物を高効率で除去できると同時に、二次公害
となり得るアンモニアの放出も極めて少なく、又その反
応器における反応効率も、事前に排ガス中の窒素酸化物
とアンモニアが十分に均一に混合されていることにより
脱硝用触媒上での反応効率が高くて優れた方法である。

（発明の効果）したがって、本発明によれば次の利点がある。

排ガス性状の急激な変化およびエンジンの負荷の変動に
ともなう窒素酸化物量の急激な変化に迅速に応答して、
窒素酸化物を高いレベルで効率よく除去することがで
き、しかも窒素酸化物除去後の排ガスとともに放出され
る同ガス中のアンモニア量を最小限に抑止できて二次公
害の心配もなく実用上の利益大である。

ディーゼルエンジンに対し新たな圧力損失を生じさせ
ることがないことからディーゼルエンジンの出力を低下
せしめることがない。

アンモニア供給口の注入ノズルを任意の大きさに選択
できることにより、排ガス中のダストにより注入ノズル
が閉塞する心配も解消され掃除等のメンテナンスも不用
にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はディーゼルエンジンの出力と窒素酸化物排出量
の関係を示すグラフ。第２図は排気ガス温度と窒素酸化
物排出量の関係を示すグラフ。第３図はディーゼルエン
ジンの吸入空気の温度と窒素酸化物濃度の関係を示すグ
ラフ。第４図はディーゼルエンジンの吸入空気の絶対湿
度と窒素酸化物濃度の関係を示すグラフ。第５図および
第６図は本発明方法を行うための排ガス浄化装置を備え
たディーゼルエンジンの概略図である。図中（１）はエンジン本体（２）は出力計（2a）は出力比例信号器（４）は排気管（4a）は排ガス流路（５）は排ガス温度検出器（６）は過給機（７）は反応器（８）はアンモニア注入ノズル（９）はアンモニア輸送管（10）はアンモニア調整弁（11）はアンモニア流量計（12）はアンモニア容器（13）は湿度検出器（14）は演算器（15）は比率設定器（16）はアンモニア流量制御器（17）は触媒（19）は給気管（20）は給気温度検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木下太兵庫県姫路市網干区興浜字西沖992番地の１日本触媒化学工業株式会社触媒研究所内 (72)発明者萩光晴兵庫県姫路市網干区興浜字西沖992番地の１日本触媒化学工業株式会社触媒研究所内 (72)発明者井上明兵庫県姫路市網干区興浜字西沖992番地の１日本触媒化学工業株式会社触媒研究所内 (56)参考文献特開昭52−48722（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−134332（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−146116（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−177612（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排ガス流路途中に過給機を有するディーゼ
ルエンジンの排ガス中の窒素酸化物をアンモニアの存在
下に反応路内で触媒を用いて還元除去するにあたり、エ
ンジン出力，排気ガス温度そして吸入空気の湿度をそれ
ぞれ測定し、エンジン出力及び排気ガス温度の測定値並
びに吸入空気の湿度と窒素酸化物量がほぼ比例する関係
に基づいてアンモニアを流量制御し、過給機の排ガス入
口側に供給することを特徴とするディーゼルエンジン排
ガス中の窒素酸化物除去方法。
【請求項２】排ガス流路途中に過給機を有するディーゼ
ルエンジンの排ガス中の窒素酸化物をアンモニアの存在
下に反応器内で触媒を用いて還元除去するにあたり、エ
ンジン出力，排気ガス温度，エンジン給気温度そして吸
入空気の湿度をそれぞれ測定し、エンジン出力及び排気
ガス温度及びエンジン給気温度の測定値並びに吸入空気
の湿度と窒素酸化物量がほぼ比例する関係に基づいてア
ンモニアを流量制御し、過給機の排ガス入口側に供給す
ることを特徴とするディーゼルエンジン排ガス中の窒素
酸化物除去方法。