JP2001027112A - 脱硝装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 脱硝剤とＮＯ_X含有ガスとを還元剤の共存下
で接触反応させるようにした脱硝装置において、還元剤
として用いた尿素水を効率良くアンモニアに分解して脱
硝効率を高めた脱硝装置を得ることを目的とする。 【解決手段】 排気ガスＧが流通する配管１内にゼオラ
イトの粒子３が充填された気化器容器２を配置し、この
気化器容器２内の温度が常時６０℃以上で１４０℃以
下、もしくは７０℃以上で１２０℃以下の範囲内にある
ように気化器容器内に供給する水量を調節して該気化器
容器２内に配管外方より尿素水と水とを注入する液送配
管４と水配管５とを設け、尿素を還元剤としてのアンモ
ニアに分解して気化器容器２より配管１内に排出し、反
応器１内で脱硝触媒１４と接触させるように構成した脱
硝装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関等における
排気ガス中に含まれている窒素酸化物（ＮＯ_X）を除去
するための脱硝装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からＮＯ_X処理技術は種々の分野で
必要とされており、一般的な処理方法として排煙脱硝技
術として実用化されている。この排煙脱硝技術は乾式法
と湿式法に大別されるが、現在では乾式法の一つである
選択接触還元法が技術的に先行しており、有力な脱硝方
法として注目されている。

【０００３】上記選択接触還元法の主反応は以下の通り
である。

【０００４】 ４ＮＯ ＋ ４ＮＨ₃ ＋ Ｏ₂ → ４Ｎ₂ ＋ ６Ｈ₂Ｏ・・・・・・・・・・・・ ・（１） この反応は還元剤としてアンモニア，炭化水素，一酸化
炭素が使用され、特にアンモニアは酸素が共存しても選
択的にＮＯ_Xを除去するため、ディーゼル機関等の排気
ガス中に含まれているＮＯ_Xの除去に用いて有効であ
る。この反応は脱硝剤としてプラチナ等の貴金属とかア
ルミナ，酸化チタン（ＴｉＯ₂）を主成分とし、添加物
としてバナジウム（Ｖ），モリブデン（Ｍｏ），タング
ステン（Ｗ）等の酸化物とか複塩を含有する触媒が使用
される。

【０００５】この中でもＶ₂Ｏ₅／ＴｉＯ₂系触媒は、活
性，選択性，耐久性の面で有効とされており、前記ＮＯ
_X以外にＳＯ_Xとか、ダスト含有量の多い排気ガスに対し
ても運転実績を示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記選択接触還元法は
簡単なシステムでＮＯ_Xを処理することができて、高脱
硝率が得られ、しかもＮＯ_Xを無害な窒素ガス（Ｎ₂）と
水分（Ｈ₂Ｏ）に分解することができるので、廃液処理
が不要であるという利点を有している。還元剤としてア
ンモニアガスとかアンモニア水が使用されているが、ア
ンモニアは高価であるため、コストの面から尿素水を使
用する方法が検討されている。

【０００７】尿素水を還元剤として使用する場合には、
通常下記の（２）式に示したように、尿素水を加熱蒸発
させることによって尿素を分解し、還元剤としてアンモ
ニアを発生させる手段が用いられる。

【０００８】 （ＮＨ₂）₂ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＮＨ₃ ＋ ＣＯ₂ ・・・・・・・・・・・・（ ２） しかしながら分解条件によって尿素がアンモニアに分解
せずに他の高融点物質（シアヌル酸，メラミン，イソシ
アン酸等）に変化してしまい、分解効率が低下するとと
もに有害な物質が生じてしまうケースがあり、コスト及
び安全性の面での問題点が生じる惧れがある。

【０００９】本発明は上記に鑑みてなされたものであっ
て、尿素水を分解する際に高融点物質とか有害な物質が
生じることがなく、尿素水を効率良くアンモニアに分解
して脱硝効率を高めた脱硝装置を得ることを目的とする
ものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、排気ガスが流通する配管内にゼオライトの
粒子が充填された気化器容器を配置し、気化器容器内に
配管外方より尿素水と水とを注入する液送配管と水配管
とを設け、排気ガスから供給される熱によって尿素を還
元剤としてのアンモニアに分解して気化器容器より配管
内に排出し、アンモニアと排気ガスとを混合した後に脱
硝触媒と接触させるように構成した脱硝装置において、
上記気化器容器内の温度を測定する温度測定手段を設
け、温度測定手段からの測定信号に基づき気化器容器内
の温度が常時６０℃以上１４０℃以下になるように気化
器容器内に供給する水量を調節するようにした脱硝装置
を提供する。

【００１１】更に請求項２により、前記気化器容器内の
温度が常時７０℃〜１２０℃の範囲内にあるように制御
する例を提案する。

【００１２】脱硝触媒として、ゼオライトを主原料とし
て該ゼオライトに脱脂，焼成とハニカム成形を行って触
媒担体を作製し、この触媒担体にコバルトを担持させた
脱硝触媒を用いる。

【００１３】かかる脱硝装置によれば、尿素水を液送配
管から気化器容器に注入し、同時に水配管から適量の水
を注入することにより、気化器容器内の温度が常時６０
℃以上１４０℃以下になるように水量を調節すると、排
気ガスから供給される熱とゼオライトの分解作用によっ
て尿素が分解され、還元剤としてのアンモニア（Ｎ
Ｈ ₃）と二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成する。このアンモニ
アと二酸化炭素は、気化器容器に開口された孔部から排
気ガスの配管内に流出し、排気ガスと混合されて次段の
反応器内で脱硝触媒と接触し、選択接触還元法に基づい
て窒素酸化物が除去される。

【００１４】又、気化器容器内の温度が常時６０℃以上
１４０℃以下、もしくは７０℃以上１２０℃以下になる
ように水配管に流入する水量を調節することによって尿
素が過剰に昇温することがなく、尿素を効率良くアンモ
ニアに分解することができるとともに、尿素の固化及び
固化による液送配管の詰まりが防止されるという作用が
得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明にかかる脱硝装置の具
体的な実施形態例を説明する。本発明の基礎となる尿素
の分解特性は、本願出願人が先に提案した特願平９−５
０８０４号の図５，図６により説明したため、詳細な説
明の重複は避けるが、基本原理は以下の通りである。即
ち、視差熱天秤を使用して尿素を毎分５０℃の速度で急
激に昇温した場合の熱重量変化（ＴＧ，％）から、尿素
の約７１.５％は熱により直接気化され、約２８.５％が
高融点物質であるメラミン，シアヌル酸に変化する。

【００１６】又、反応熱（ＤＴＡ）の変化から、尿素の
融点１３５℃を越えた１３６℃から尿素が蒸発して、１
６２℃を超えた温度で高融点物質が生成する。従って尿
素水をノズルなどを用いて約３５０℃〜４５０℃の高温
下にある排気ガスの配管中に噴霧した場合には、加熱反
応によって尿素が気化したり高融点物質に変化してしま
い、尿素の無駄が生じることが懸念される。

【００１７】他方で一般にゼオライトは従来から触媒の
担体として用いられているアルミニウムとシリコンの酸
化物を主体に構成された物質であり、このゼオライトに
は５〜１０Å（オングストローム）程度の細孔が形成さ
れている。該ゼオライト粉末と尿素を混合すると、尿素
水を毎分５０℃の速度で急激に昇温した場合でも高融点
物質の生成割合が約１６％に低下し、ゼオライトが尿素
の分解を促進する作用があることが判明した。

【００１８】その理由として、尿素は極性の強い物質で
あるためゼオライトの表面に吸着し、ゼオライト表面で
アンモニアと炭酸ガスに分解するためである。この尿素
水を毎分２℃のゆっくりした速度で昇温した場合は、高
融点物質の生成割合が約６％とさらに低下し、尿素の分
解が終了するための反応時間が確保されて、高融点物質
が生成する温度になるまでに尿素が分解される。

【００１９】従って排気ガス中に尿素水を注入する際
に、上記のような高融点物質が生成されない温度条件が
確保されるならば、尿素を効率良くアンモニアに分解す
ることができるが、一般の還元剤の噴霧手段として採用
されているノズルを用いて尿素水を直接排気ガス中に噴
霧した場合には、水が先に気化してしまい、前記式
（２）で示した反応は生じない。

【００２０】そこで本実施形態例では、尿素水を効率良
くアンモニアに分解するために、この尿素水の気化器を
用いた脱硝装置を実現している。図１により本発明にか
かる脱硝装置の具体例を説明すると、図中の１１は密閉
型の反応器、１２はディーゼルエンジン等の内燃機関で
あり、１１ａは内燃機関１２から導出された配管１内を
流れる排気ガスＧの反応器１１への導入部、１１ｂは同
排出部である。

【００２１】配管１の中途部には、詳細は図２により説
明する気化器１３が配置されている。１５は水タンク、
１６は尿素水のタンクである。

【００２２】反応器１１の内部には、ハニカム状に形成
された脱硝触媒１４，１４が積層配置されている。脱硝
触媒１４，１４としてはゼオライト（ＺＳＭ−５）を主
原料として該ゼオライトに脱脂，焼成とハニカム成形を
行って触媒担体を作製し、この触媒担体にイオン交換に
よりコバルトを担持させた脱硝触媒を用いた。

【００２３】１７，１８は例えば内燃機関１２の負荷状
況、排気ガス中のＮＯ_X量等に応じた尿素水供給量の調
節、気化器１３内の温度測定信号による水供給量の調
節、尿素水１６及び水１５の供給量等の制御及び各種設
定と操作を行う制御盤とコントローラである。

【００２４】尚、図１中には、気化器１３に対する水と
尿素水の供給量制御機構を明示するため、気化器１３の
拡大図とともにその制御機構の構成を、図中の中央部分
に別途に取り出して表現してある。

【００２５】図２により前記気化器１３の具体的な構成
を説明する。１は前記内燃機関１２から導出された排気
ガスＧの配管であり、この配管１内の任意の位置には、
前記気化器１３を構成する気化器容器としてポット２が
配置されている。このポット２の上壁面には、気化した
アンモニアガスを排出させるための多数個の孔部２ａ，
２ａが開口されており、ポット２内にはゼオライトの粒
子３，３が充填されている。

【００２６】４は尿素水をポット２内に注入するための
液送配管であり、５は水配管である。この液送配管４と
水配管５は、内方に液送配管４を挿入した２重管構造と
して構成されていて、この２重管が排気ガス用の配管１
を貫通して外方からポット２内に挿通されている。６は
ポット２内の温度を測定する温度測定手段として、配管
１の外方からポット２内に挿通された熱電対である。

【００２７】上記液送配管４と水配管を２重管構造とし
た理由は、液送配管４中で尿素水が排気ガスＧにより過
剰に加熱されることによって生じる尿素の固化を予防
し、液送配管４の詰まり現象を防止するためである。

【００２８】かかる図１の脱硝装置によれば、内燃機関
１２から発生する排気ガスＧに、気化器１３から尿素水
の分解によって生成したアンモニアガスが流入し、排気
ガスと混合された後、反応器１１の導入部１１ａから反
応器１１内に送り込まれ、脱硝触媒１４，１４を通過す
る。この時、選択接触還元法の主反応（前記の１式を参
照）に基づいて、排気ガスＧ中に含まれている窒素酸化
物（ＮＯ_X）が均一な脱硝反応により除去され、排出部
１１ｂから外方に放出される。

【００２９】このような動作時において、気化器１３に
おいて尿素水を液送配管４からポット２に注入し、同時
に水配管５から適量の水を注入して、温度測定としての
熱電対６の測定信号に基づいて気化器容器内２の温度が
常時６０℃以上１４０℃以下、もしくは７０℃以上で１
２０℃以下の範囲内にあるように制御することにより、
前記（２）式に基づいて尿素が分解され、還元剤として
のアンモニア（ＮＨ₃）と二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成す
る。

【００３０】このアンモニアと二酸化炭素は、ポット２
の上壁面に開口された孔部２ａ，２ａから排気ガスＧの
配管１内に流出する。そして排気ガスＧと混合された
後、流下して図１に示す反応器１１内の脱硝触媒１４と
接触する。

【００３１】上記の説明において、尿素のアンモニアへ
の分解が６０℃から行われることが確認されており、１
５０℃を超える温度では高融点物質が生成されることが
考えられる。従って本発明の場合には、気化器容器内２
の温度が６０℃以上１５０℃以下とすることが好まし
く、更には６０℃以上で１４０℃以下の範囲内でも実用
上の問題は生じない。

【００３２】この温度制御は水配管５より供給する水量
のコントロールにより行われ、ポット２内の温度が過剰
に昇温することが防止され、高融点物質の生成を防いで
尿素を効率よくアンモニアに分解できるとともに、尿素
の固化に起因する液送配管４の詰まり現象が生じること
も防止できる。

【００３３】図３は本実施形態例に基づく還元剤注入方
式による脱硝特性変化を比較例とともに示すグラフであ
り、図中に示したそれぞれの気化器温度での尿素注入量
と反応器１１出口のＮＯ_X濃度との関係を示している。
実験は１００ｋＷのディーゼルエンジン発電機と脱硝装
置を接続する配管中に尿素水を注入して行った。図３の
横軸はディーゼルエンジンから排出される排気ガスＧ中
への尿素／反応器１１入口ＮＯ_X濃度比として示してい
る。

【００３４】図３中のライン（Ａ）は気化器容器内２の
温度を９０℃でコントロールした本発明の例であり、ラ
イン（Ｂ）は比較例として尿素水を配管中にノズルから
直接噴霧した例である。又、他の比較例として気化器容
器内２の温度を５０℃〜１７０℃まで変化させた場合の
出口のＮＯ_X濃度をそれぞれ示している。

【００３５】尿素とＮＯ_Xの理論反応は、ＮＯ_Xが１に対
して尿素が０.５であるが、本実施例で採用した気化器
を使用すると、尿素注入量と脱ＮＯ_X濃度比がほぼ直線
的な相関を示し、理論通りの反応が進行していることが
確認できた。又、ノズルから尿素水を配管中に直接噴霧
したライン（Ｂ）は十分な脱硝特性が得られていないこ
とが判明した。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば尿素水と水とをゼオライトの粒子が充填された気化
器容器に注入することにより、排気ガスから供給される
熱によって尿素が分解され、還元剤としてのアンモニア
が生成して排気ガスと混合され、反応器内の脱硝触媒に
流入し、選択接触還元法に基づいて窒素酸化物を除去す
ることができる。特に気化器容器内の温度が常時６０℃
以上１４０℃以下、もしくは７０℃以上１２０℃以下に
なるように調節することによって尿素を効率良くアンモ
ニアに分解することができるとともに、尿素の固化及び
固化による液送配管の詰まりが防止されるという効果が
得られる。

【００３７】又、尿素を効率良くアンモニアに分解し、
アンモニアをガスの状態で排気ガスに供給することによ
り、排気ガスと還元剤との混合が良好に行われので、気
化器から反応器までの配管の長さを大幅に短縮すること
ができて、脱硝装置を小型化することが可能となるとと
もに尿素及び分解したアンモニアのリークは皆無とな
り、環境面でも好ましい結果が得られる。

【００３８】特に本発明では、還元剤として従来使用さ
れている高価なアンモニアガスとかアンモニア水を使用
しなくてもよいため、コストの面からも有効である。従
って尿素水を分解する際に高融点物質とか有害な物質が
生じることがなく、尿素水を効率良く、しかも低コスト
でアンモニアに分解して排気ガスに供給することができ
る脱硝装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による脱硝装置の実際形態例を全体的に
説明するための概略図。

【図２】本発明の脱硝装置で用いた気化器の構成を示す
概略図。

【図３】本実施形態例に基づく還元剤注入方式による脱
硝特性変化を比較例とともに示すグラフ。

【符号の説明】 １…（排気ガスＧの）配管 ２…（気化器容器としての）ポット ２ａ…孔部 ３…ゼオライトの粒子 ４…（尿素水の）液送配管 ５…水配管 ６…熱電対 １１…反応器 １１ａ…導入部 １１ｂ…排出部 １２…内燃機関 １３…気化器 １４…脱硝触媒 １５…水 １６…尿素水 １７…制御盤 １８…コントローラ

フロントページの続き (72)発明者 近藤 高史 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内 (72)発明者 小掠 健 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内 (72)発明者 羽場 方紀 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内 Ｆターム(参考） 3G091 AA18 AB04 BA14 CA17 DB10 EA15 EA20 EA22 GA06 GB01W GB09X 4D048 AA06 AB02 AB03 AC04 BA11X BA37X BB02 CA01 CC38 DA01 DA02 DA03 DA20 4G069 AA03 BA07A BA07B BB02A BB02B CA03 CA08 CA10 CA13 DA06 EA18 ZA11B

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気ガスが流通する配管内にゼオライト
   の粒子が充填された気化器容器を配置し、気化器容器内
   に配管外方より尿素水と水とを注入する液送配管と水配
   管とを設け、排気ガスから供給される熱によって尿素を
   還元剤としてのアンモニアに分解して気化器容器より配
   管内に排出し、アンモニアと排気ガスとを混合した後に
   脱硝触媒と接触させるように構成した脱硝装置におい
   て、 上記気化器容器内の温度を測定する温度測定手段を設
   け、温度測定手段からの測定信号に基づき気化器容器内
   の温度が常時６０℃以上で１４０℃以下になるように気
   化器容器内に供給する水量を調節するように構成したこ
   とを特徴とする脱硝装置。
2. 【請求項２】 前記気化器容器内の温度が常時７０℃以
   上で１２０℃以下の範囲内にあるように制御したことを
   特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。
3. 【請求項３】 前記脱硝触媒として、ゼオライトを主原
   料として該ゼオライトに脱脂，焼成とハニカム成形を行
   って触媒担体を作製し、この触媒担体にコバルトを担持
   させた脱硝触媒を用いたことを特徴とする請求項１又は
   ２の何れか１項に記載の脱硝装置。