JP5974431B2

JP5974431B2 - 脱硝装置

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Publication number: JP5974431B2
Application number: JP2011164840A
Authority: JP
Inventors: 敬之山田; 中島　勇人; 勇人中島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: JP2013029053A

Description

本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物を還元する脱硝装置に関する。

船舶等の排気ガスの脱硝装置には、排気ガスに還元剤を導入し、還元剤の導入位置の下流にある脱硝触媒で、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して窒素を生成する選択式触媒還元方式（Selective Catalytic Reduction）がある。還元剤にはアンモニア（ＮＨ_３）が考えられるが、アンモニアは毒性が強いため、アンモニアの前駆物質として尿素水が広く利用されている。

このような脱硝装置において、排気ガスに還元剤を導入する尿素水供給弁は、排気ガスの熱によって高温となり、尿素や中間生成物が析出して目詰まりを起こす等の問題が生じるおそれがある。そこで、排気ガスへ尿素水を供給しつつ、尿素水供給弁を尿素水で冷却する脱硝装置がある。この場合、尿素水供給弁の冷却に使用された尿素水は尿素水タンクに還流される。また、尿素水供給弁でリークしてしまった尿素水を回収して尿素水タンクに還流させる脱硝装置もある。

しかし、排気ガスで高温となった尿素水供給弁に触れて温度の上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されるため、尿素水タンク内の尿素水の温度は徐々に上昇してしまう。尿素水の温度が上昇すると、水分が蒸発して濃度が高くなり過ぎたり、アンモニアが発生したりしてしまうおそれがある。そこで、尿素水タンクへ還流する流路に尿素水を所定水位に達するまで貯水し、尿素水タンク外部に放熱させる技術が開示されている（例えば、特許文献１）。また、尿素水を供給する尿素水供給弁と尿素水タンクの間に冷却装置を備える技術が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００９−２２１９７５号公報特開２００８−３０３７８６号公報

上述した、尿素水で尿素水供給弁を冷却させたり、尿素水供給弁からリークしたりした尿素水を尿素水タンクに還流させる構成において、先行文献１、先行文献２のいずれの技術を用いたとしても、放熱が不十分な場合、還流した尿素水によって尿素水タンク内の尿素水の温度が上昇してしまう。尿素水タンクはその規模も大きいため、一端上昇してしまった尿素水タンク内の温度を下げるには非常に大がかりな冷却装置を設けなくてはならない。

本発明は、このような課題に鑑み、尿素水を尿素水供給弁から還流させる構成においても、尿素水タンク内の尿素水が昇温してしまう事態を回避することが可能な脱硝装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の脱硝装置は、エンジンの排気ガス中の窒素酸化物の還元を促進する脱硝触媒と、還元剤を貯蔵する第１還元剤貯蔵部と、脱硝触媒の上流かつエンジンの排気路中に設けられ、還元剤を供給する還元剤供給部と、還元剤供給部に供給され、還元剤供給部を冷却した余剰分の還元剤を回収する還元剤回収部と、第１還元剤貯蔵部および還元剤供給部の間に配され、第１還元剤貯蔵部および還元剤供給部それぞれと連通し、第１還元剤貯蔵部から供給され、還元剤供給部に送出される還元剤を貯蔵し、さらに、還元剤回収部で回収された、還元剤供給部を冷却した後の余剰分の還元剤を貯蔵する、第１還元剤貯蔵部よりも容量が小さい第２還元剤貯蔵部と、第２還元剤貯蔵部の熱を放熱する熱交換部と、を備えることを特徴とする。
第１還元剤貯蔵部に貯蔵されている還元剤を第２還元剤貯蔵部に送出する第１ポンプと、第２還元剤貯蔵部に貯蔵されている還元剤を還元剤供給部に送出する第２ポンプと、第１ポンプに送出させる還元剤の流量を制御するとともに、第２ポンプに送出させる還元剤の流量を制御する流量制御部と、を備えてもよい。

本発明は、尿素水を尿素水供給弁から還流させる構成においても、尿素水タンク内の尿素水が昇温してしまう事態を回避することが可能となる。

脱硝システムを説明するための説明図である。濃度３２．５％の尿素水のポットライフと保存温度の関係を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

コンテナ船やタンカー等の大型船舶では、熱効率がよく、低質燃料油（重油）が使用できるためコスト面で有利である、ユニフロー型の２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）が広く使用されている。このようなエンジンにおいて、化石燃料、例えば、ガソリン、軽油、重油、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）、および液化石油ガス（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）等の燃料を燃焼させると、その結果生じる排気ガスには、ＮＯｘが含まれる。

近年、国際海事機関（ＩＭＯ：International Maritime Organization）が、船舶から排出される排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量規制を制定しており、一般海域において２次規制、ＥＣＡ（Emission Control Areas）においては、やがて３次規制が適用されることとなる。そのため、船舶は、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元するための脱硝装置を用いる必要がある。

以下、エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘを還元する脱硝システム１００について説明する。なお、以下の実施形態において、脱硝システム１００に用いるエンジンとしてユニフロー型の２ストロークエンジンを例に挙げて説明するが、他の形式のエンジンに脱硝システム１００を採用することもできる。

（脱硝システム１００）
図１は、脱硝システム１００を説明するための説明図である。図１に示すように、脱硝システム１００は、エンジン１１０と、過給機１２０と、脱硝装置２００とを含んで構成される。図１中、物質（排気ガス、還元剤）の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを一点鎖線の矢印で示す。

エンジン１１０は、シリンダ１１０ａと、ピストン１１０ｂと、排気弁１１０ｃと、排気集合管１１２とを含んで構成される。エンジン１１０は、掃気、圧縮、燃焼、排気といった行程を通じて、クロスヘッド（図示せず）に連結されたピストン１１０ｂがシリンダ１１０ａ内を摺動自在に、図１中白抜き矢印に示す方向に往復移動する。このようなクロスヘッド型のピストン１１０ｂでは、シリンダ１１０ａ内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン１１０ｂに作用する側圧をクロスヘッドが受けるため、２ストロークエンジンの高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ１１０ａとクロスヘッドが収まるクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。排気集合管１１２は、エンジン１１０に設けられた複数の排気弁１１０ｃそれぞれを通じてシリンダ１１０ａと連通する複数の排気路を集約する。

過給機１２０は、タービン１２２と、タービン１２２と同軸の圧縮機１２４とを含んで構成される。タービン１２２は、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１によって回転し、圧縮機１２４は、タービン１２２の回転を利用し、外部から導入される活性ガス（酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気））を圧縮してエンジン１１０への掃気圧を高める。こうすることで、エンジン１１０の出力を向上させることができる。

脱硝装置２００は、排気ガスＸ１にアンモニアを作用させることで、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを窒素に還元する。このように、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１は、脱硝装置２００に導入され、ＮＯｘが還元されて、排気ガスＸ２として外部に排出される。

従来、脱硝装置において、排気ガスに還元剤（尿素水）を導入する尿素水供給弁は、排気ガスの熱によって高温となる。そこで、脱硝装置は、排気ガスへ尿素水を供給しつつ、尿素水供給弁を尿素水で冷却する。そして、尿素水供給弁の冷却に使用され温度が上昇した尿素水は尿素水タンクに還流されていた。また、尿素水供給弁でリークしてしまった尿素水を回収し、尿素水タンクに還流させる脱硝装置もあった。いずれにしても、尿素水タンク内の尿素水の温度は還流される尿素水によって徐々に上昇してしまう。

図２は、濃度３２．５％の尿素水のポットライフと保存温度の関係を説明するための説明図である。ここで、ポットライフは、尿素水の可使時間である。図２に示すように、濃度３２．５％の尿素水は、保存温度が低いとポットライフが長く、保存温度が上がるにつれてポットライフが短くなり、６０℃を超えるとポットライフは１週間にも満たなくなる。そのため、尿素水タンク内の尿素水の温度上昇を抑制する手段が望まれる。

本実施形態では、尿素水を尿素水供給弁から還流させる構成であっても、尿素水供給弁で昇温した尿素水によって、尿素水タンク内の尿素水が昇温してしまう事態を回避することができる。

（脱硝装置２００）
本実施形態にかかる脱硝装置２００では、排気ガスＸ１に還元剤を導入し、還元剤の導入位置の下流にある、脱硝触媒２１０で、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを還元して窒素を生成する選択式触媒還元方式を採用している。

図１に示すように、脱硝装置２００は、脱硝触媒２１０と、第１還元剤貯蔵部２１２と、還元剤供給部２１４と、還元剤回収部２１６と、第２還元剤貯蔵部２１８と、第１ポンプ２２０と、第２ポンプ２２２と、液面計２２４と、流量制御部２２６と、熱交換部２２８とを含んで構成される。

脱硝触媒２１０は、バナジウム、タングステン、モリブデン等の金属またはその酸化物と酸化チタン等で構成され、過給機１２０のタービン１２２を通過した排気ガス中のＮＯｘの還元を促進する。

第１還元剤貯蔵部２１２は、従来の脱硝装置の尿素水タンクに相当し、還元剤を貯蔵する。還元剤供給部２１４は、脱硝触媒２１０の上流かつエンジンの排気路中に設けられ、還元剤を供給（噴霧）する。還元剤回収部２１６は、例えば、配管で構成され、還元剤供給部２１４に供給された余剰分の還元剤を回収し、第２還元剤貯蔵部２１８に還流させる（戻りライン）。

第２還元剤貯蔵部２１８は、サブタンクであり、第１還元剤貯蔵部２１２および還元剤供給部２１４の間に配され、第１還元剤貯蔵部２１２および還元剤供給部２１４それぞれと連通し、第１還元剤貯蔵部２１２から供給され、還元剤供給部２１４に送出される還元剤を貯蔵する。

さらに、第２還元剤貯蔵部２１８は、還元剤回収部２１６で回収された還元剤を貯蔵する。すなわち、第２還元剤貯蔵部２１８において、第１還元剤貯蔵部２１２から供給された還元剤と、還元剤回収部２１６で回収された還元剤とが混合することとなる。本実施形態において、第２還元剤貯蔵部２１８は、例えば、２０リットル程度の容量とする。

第１ポンプ２２０は、第１還元剤貯蔵部２１２に貯蔵されている還元剤が流通する配管に配され、配管内に圧力をかけて還元剤を第２還元剤貯蔵部２１８に送出する。

第２ポンプ２２２は、第２還元剤貯蔵部２１８に貯蔵されている還元剤が流通する配管に配され、配管内に圧力をかけて還元剤を還元剤供給部２１４に送出する。

液面計２２４は、例えば、第２還元剤貯蔵部２１８内部に配され、第２還元剤貯蔵部２１８内の還元剤の液量（液位）を検出し、液量を示す信号を流量制御部２２６に出力する。

流量制御部２２６は、液面計２２４から出力された信号を受け、第２還元剤貯蔵部２１８内の還元剤が所定量未満とならないように、第１ポンプ２２０に送出させる還元剤の流量を制御する。また、流量制御部２２６は、例えば、排気ガスの流量や排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度等を検出する検出部（図示せず）の検出値に応じ、第２ポンプ２２２に送出させる還元剤の流量を制御する。

熱交換部２２８は、例えば、水冷式、空冷式の冷却装置、またはペルチェ素子を利用する方式の電子チラー等で構成され、第２還元剤貯蔵部２１８の熱を、媒体を通じて外部（例えば海水や外気）に放熱する。

本実施形態の脱硝装置２００は、第１還元剤貯蔵部２１２とは別に、第２還元剤貯蔵部２１８を備える。そして、還元剤供給部２１４の冷却に用い昇温した還元剤は、第２還元剤貯蔵部２１８まで還流されるのみで、第１還元剤貯蔵部２１２には流入しない。そのため、脱硝装置２００は、第１還元剤貯蔵部２１２が還元剤供給部２１４の熱によって昇温する事態を確実に回避できる。

特に、第１還元剤貯蔵部２１２の尿素水残量が少ない場合、第２還元剤貯蔵部２１８を備えない従来の脱硝装置では尿素水の温度が急激に上昇してしまうが、脱硝装置２００においては、尿素水の温度はまったく上昇しない。

また、第２還元剤貯蔵部２１８の容量は比較的小さいため、攪拌装置を備えない構成であっても、熱交換部２２８は、第２還元剤貯蔵部２１８内の尿素水を効率的に冷却できる。

さらに、例えば、エンジンルーム等には第１還元剤貯蔵部２１２を配置するには配置制限があり、還元剤供給部２１４により近いものの、第１還元剤貯蔵部２１２では配置できない場所に、第２還元剤貯蔵部２１８が配置できる場合がある。このとき、脱硝装置２００は、還元剤回収部２１６の長さを比較的短くでき、還元剤回収部２１６における圧力損失を抑制し、第２ポンプ２２２の消費電力を抑えることが可能となる。さらに配管の工費を抑えることもできる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物を還元する脱硝装置に利用することができる。

１１０ …エンジン
２００ …脱硝装置
２１０ …脱硝触媒
２１２ …第１還元剤貯蔵部
２１４ …還元剤供給部
２１６ …還元剤回収部
２１８ …第２還元剤貯蔵部
２２８ …熱交換部

Claims

エンジンの排気ガス中の窒素酸化物の還元を促進する脱硝触媒と、
還元剤を貯蔵する第１還元剤貯蔵部と、
前記脱硝触媒の上流かつ前記エンジンの排気路中に設けられ、前記還元剤を供給する還元剤供給部と、
前記還元剤供給部に供給され、該還元剤供給部を冷却した余剰分の前記還元剤を回収する還元剤回収部と、
前記第１還元剤貯蔵部および前記還元剤供給部の間に配され、該第１還元剤貯蔵部および該還元剤供給部それぞれと連通し、該第１還元剤貯蔵部から供給され、該還元剤供給部に送出される前記還元剤を貯蔵し、さらに、前記還元剤回収部で回収された、該還元剤供給部を冷却した後の余剰分の該還元剤を貯蔵する、該第１還元剤貯蔵部よりも容量が小さい第２還元剤貯蔵部と、
前記第２還元剤貯蔵部の熱を放熱する熱交換部と、
を備えることを特徴とする脱硝装置。
前記第１還元剤貯蔵部に貯蔵されている還元剤を前記第２還元剤貯蔵部に送出する第１ポンプと、
前記第２還元剤貯蔵部に貯蔵されている還元剤を還元剤供給部に送出する第２ポンプと、
前記第１ポンプに送出させる還元剤の流量を制御するとともに、前記第２ポンプに送出させる還元剤の流量を制御する流量制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。