(57)【要約】【課題】硫黄化合物が吸着した脱硫剤を再生できる排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】排ガス浄化装置１０は、炭化水素及び硫黄化合物を含む燃料ガスを消費するガスエンジン２０と、ガスエンジン２０から排出された排ガスが導入され、排ガスから硫黄化合物を除去する脱硫剤３４が収納された脱硫器３０と、脱硫剤３４を加熱する伝熱板５２と、脱硫器３０から排出された脱硫後排ガスが導入され、炭化水素及び一酸化炭素を酸化させる触媒４２が収納された酸化処理器４０と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素及び硫黄化合物を含む燃料ガスを消費するガス消費装置と、
前記ガス消費装置から排出された排ガスが導入され、前記排ガス中の硫黄化合物を吸着する脱硫剤が収納された脱硫器と、
前記脱硫剤を加熱する加熱手段と、
前記脱硫器から排出された脱硫後排ガスが導入され、前記脱硫後排ガス中の炭化水素及び一酸化炭素を酸化させる触媒が収納された酸化処理器と、
を備えた排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記脱硫剤は、酸化亜鉛、二酸化チタン及び酸化ジルコニウムを含有する、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記酸化処理器へ前記排ガスより炭化水素濃度が高いガスを導入する導入手段を備え、
前記加熱手段は前記酸化処理器における前記炭化水素の酸化反応熱を前記脱硫剤へ伝達する伝熱部材を含む、
請求項１又は請求項２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記酸化処理器の温度が所定値以下になった場合に前記導入手段が稼動する、請求項３に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記ガス消費装置はガスエンジンであり、
前記導入手段は前記ガスエンジンへの給気量を調整できるスロットル調整手段、前記ガスエンジンの排気行程において前記ガスエンジンへ前記燃料ガスを注入する追加注入手段又は前記ガスエンジンの下流の前記排ガスの気道へ前記燃料ガスを注入する直接注入手段である請求項３又は請求項４に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排ガス中の炭化水素を酸化させる触媒及び排ガス中の硫黄化合物を吸着する脱硫剤を備えた排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、酸化触媒を用いて排ガスを浄化するにあたり、酸化触媒の触媒寿命を短くする触媒毒を、排ガス中から予め除去する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−５９０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１においては、触媒毒を除去するために触媒を用いるが、この触媒はそれ自体が触媒毒によって被毒されるため、触媒毒の吸着容量が有限となり、長期に亘って使用することが難しい。このような触媒毒及び触媒の一例としては、例えば硫黄化合物及び脱硫剤がある。
【０００５】
本発明は上記事実を考慮して、脱硫剤における硫黄化合物の吸着容量が有限にならないように、脱硫剤が吸着した硫黄種を放出することができる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の排ガス浄化装置は、炭化水素及び硫黄化合物を含む燃料ガスを消費するガス消費装置と、前記ガス消費装置から排出された排ガスが導入され、前記排ガス中の硫黄化合物を吸着する脱硫剤が収納された脱硫器と、前記脱硫剤を加熱する加熱手段と、前記脱硫器から排出された脱硫後排ガスが導入され、前記脱硫後排ガス中の炭化水素及び一酸化炭素を酸化させる触媒が収納された酸化処理器と、を備えている。
【０００７】
請求項１の排ガス浄化装置では、脱硫器に収納された脱硫剤が排ガス中の硫黄化合物を吸着する。このため、炭化水素を酸化させる触媒が硫化（被毒）しにくい。これにより、脱硫剤がない場合と比較して、炭化水素を酸化させる触媒の寿命が長い。
また、脱硫剤における硫黄化合物の累積吸着量が多くなり脱硫能力が低下した場合は、脱硫剤を加熱手段によって加熱することにより、脱硫剤に吸着した硫黄化合物が脱離する。これにより、硫黄化合物が吸着した脱硫剤が再生される。
【０００８】
請求項２の排ガス浄化装置は、前記脱硫剤は、酸化亜鉛、二酸化チタン及び酸化ジルコニウムを含有する。
【０００９】
請求項２の排ガス浄化装置では、排ガスを脱硫する脱硫剤が、酸化亜鉛、二酸化チタン及び酸化ジルコニウムを含有する。この脱硫剤を用いれば、脱硫温度以上に加熱することで硫黄化合物を脱離することができる。
【００１０】
請求項３の排ガス浄化装置は、前記酸化処理器へ前記排ガスより炭化水素濃度が高いガスを導入する導入手段を備え、前記加熱手段は前記酸化処理器における前記炭化水素の酸化反応熱を前記脱硫剤へ伝達する伝熱部材を含む。
【００１１】
請求項３の排ガス浄化装置では、脱硫剤を再生する際に、導入手段によって酸化処理器へガス消費装置から排出された排ガスより炭化水素濃度が高いガスを導入できる。これにより酸化処理器への炭化水素の供給量が平常時（排ガスのみが導入される時）よりも多くなり、炭化水素の酸化反応が促進されて酸化処理器の内部が高温になる。このとき、伝熱部材により脱硫剤へ酸化反応熱が伝達されるため、脱硫剤に吸着した硫黄化合物が脱硫剤から脱離する。すなわち、酸化反応熱を利用して脱硫剤が再生される。したがって、ヒーターなどの加熱手段を用いなくても、脱硫剤を再生できる。
【００１２】
請求項４の排ガス浄化装置は、前記酸化処理器の温度が所定値以下になった場合に前記導入手段が稼動する。
【００１３】
請求項４の排ガス浄化装置では、酸化処理器の温度が所定値以下になった場合、すなわち酸化処理器における触媒が硫化されて炭化水素の酸化反応熱が発生し難くなった場合に、酸化処理器へガス消費装置から排出された排ガスより炭化水素濃度が高いガスを導入できる。
【００１４】
一方、酸化処理器の温度が所定値よりも大きい場合、すなわち炭化水素の酸化反応熱が十分に発生している状態では導入手段を稼動させない。これにより、導入手段によって酸化処理器へ導入される炭化水素濃度が高いガスを節約できる。
【００１５】
請求項５の排ガス浄化装置では、前記ガス消費装置はガスエンジンであり、前記導入手段は前記ガスエンジンへの給気量を調整できるスロットル調整手段、前記ガスエンジンの排気行程において前記ガスエンジンへ前記燃料ガスを注入する追加注入手段又は前記ガスエンジンの下流の前記排ガスの気道へ前記燃料ガスを注入する直接注入手段である。
【００１６】
請求項５の排ガス浄化装置では、スロットル調整手段により、ガスエンジンへの給気量を制御するスロットルを調整する。これにより、ガスエンジンから排出される排ガスに含まれる炭化水素濃度を調整できる。
【００１７】
または、直噴エンジンを用いる場合、ガスエンジンの排気行程においてガスエンジンへ燃料ガスを注入する追加注入手段を用いることにより、燃料ガスはガスエンジンで燃焼されずに排ガスの気道に導入される。このためガスエンジンから排出される排ガスの炭化水素濃度が高くなる。
【００１８】
または、ガスエンジンの下流の排ガスの気道へ燃料ガスを注入する直接注入手段を用いることにより、酸化処理器へ未燃の燃料ガスを導入することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る排ガス浄化装置によれば、硫黄化合物が吸着した脱硫剤を再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るガス利用装置を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（排ガス浄化装置）
図１に示すように、本実施形態に係る排ガス浄化装置１０は、発電部１２と、排熱回収部１４と、排熱利用部１６とを備えて構成された電気と熱のコジェネレーションシステムである。
【００２２】
発電部１２は、メタン（ＣＨ４）を主成分とする都市ガスを燃焼して動力に変換するガスエンジン２０と、ガスエンジン２０によって駆動される発電機２２とを備えている。なお、ガスエンジン２０は本発明におけるガス消費装置の一例である。このガス消費装置は、ガスエンジン２０の他、例えばガスタービン等の内燃機関や、ＧＨＰ（ガスヒートポンプエアコン）、燃料電池、ボイラ、工業炉、バーナーなどとすることができる。また、これらのガス消費装置に用いるガスはメタンに限定されず、メタン以外の炭化水素、例えばエタン（Ｃ２Ｈ６）やプロパン（Ｃ３Ｈ８）等とすることができる。
【００２３】
ガスエンジン２０は、気道１０Ａから取り入れた燃料ガスを燃焼させたあと、気道１０Ｂへ例えば４００℃の排ガスを排出する。気道１０Ａと気道１０Ｂとは、燃料ガスを未燃のまま排熱回収部１４へ送るためのバイパス１０Ｃで短絡されている。バイパス１０Ｃには電磁弁Ｖが設けられており、電磁弁Ｖはバイパス１０Ｃの流路を開閉して未燃の燃料ガスを排熱回収部１４へ送る状態と送らない状態とを切り替える。なお、バイパス１０Ｃは本発明における直接注入手段の一例である。
【００２４】
排熱回収部１４は、ガスエンジン２０から排出された排ガスが導入される脱硫器３０と、脱硫器３０と隣接して配置され、脱硫器３０から排出された排ガス（脱硫後排ガス）が導入される酸化処理器４０と、酸化処理器４０から排出された排ガス（メタン酸化後排ガス）と流通経路１６Ａを流れる流体とを熱交換させる熱交換器６０と、を備えている。
【００２５】
排熱利用部１６は、空調機や給湯器等の熱利用機器であり、流通経路１６Ａを流れる流体から温熱を取り出して利用する。流通経路１６Ａに流す流体は、水、油、水蒸気、又は水と水蒸気の混合体など熱を伝える熱媒を適宜選択することができる。
【００２６】
（脱硫器）
脱硫器３０は、ガスエンジン２０から排出された排ガス中に含まれる硫黄化合物を脱硫する装置であり、硫黄化合物を水素と反応させて除去する（水素化脱硫）。脱硫器３０には、排ガス中に含まれる硫黄化合物を、図示しない水素供給手段から供給された水素と反応させて硫化水素（Ｈ２Ｓ）に転化するための脱硫触媒３２と、転化された硫化水素を吸着して除去する脱硫剤３４と、が収納されている。
【００２７】
脱硫剤３４は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）に対して所定の割合で二酸化チタン（ＴｉＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２、ジルコニア）を含む（例えば酸化亜鉛１００モル部に対して、二酸化チタン５０〜１５０モル部と酸化ジルコニウム３〜５０モル部とを含有する）触媒であり、排ガス中に含まれる硫化水素を脱硫する。そして硫化された脱硫剤３４は、脱硫温度以上に加熱されると硫黄化合物が脱離して再生される。
【００２８】
（酸化処理器）
酸化処理器４０は脱硫器３０と隣接して配置されている。酸化処理器４０及び脱硫器３０は、同一の筐体５０の内部に設けられ、筐体５０の内部を仕切る伝熱板５２によって隔てられたそれぞれの部分である。脱硫剤によって酸化化合物が脱硫された排ガス（脱硫後排ガス）は伝熱板５２に形成された図示しない貫通孔を通って、脱硫器３０から酸化処理器４０へ流入する。なお、伝熱板５２としてはステンレスが使用されているが、熱伝導率が高い材質を選択することが好適である。また、伝熱板５２は、本発明における伝熱部材の一例である。
【００２９】
酸化処理器４０は、脱硫器３０から排出された排ガスに含まれるメタンを酸化して処理する装置であり、内部に触媒４２が収納されている。触媒４２は、白金（Ｐｔ）を含み、ハニカム形状の基材上で焼成して形成され、３５０℃以上５００℃未満という温度域においてメタンを酸化する。なお触媒４２は、３５０℃以上５００℃未満という温度域において、メタン以外の炭化水素ガス及び一酸化炭素も酸化することができる。
【００３０】
また、触媒４２は、脱硫器３０が吸着しなかった硫黄化合物によって硫化される場合があるが、硫化された触媒４２は、酸素存在下で５００℃以上に加熱することで硫黄化合物を脱離させ再生することができる。
【００３１】
酸化処理器４０には熱電対ＴＣが接続されており、酸化処理器４０の内部温度を測定することができる。
【００３２】
（作用及び効果）
本実施形態に係る排ガス浄化装置１０では、脱硫器３０に収納された脱硫触媒３２及び脱硫剤３４が、排ガスから硫黄化合物を除去する。このため、メタンを酸化させる触媒４２は硫化（被毒）しにくい。これにより、脱硫剤３４がない場合と比較して、メタンを酸化させる触媒４２の寿命が長い。
【００３３】
脱硫剤３４は硫黄化合物を吸着し続けると脱硫能力が低下する。この場合、脱硫剤３４を加熱することにより、脱硫剤３４に吸着した硫黄化合物を脱離させて脱硫剤３４を再生することができる。
【００３４】
この脱硫剤３４の再生方法を具体的に説明する。脱硫剤３４の脱硫能力が低下すると、脱硫器３０から酸化処理器４０へ導入される脱硫後排ガスに含まれる硫黄化合物の量が多くなり、次第に触媒４２が硫化される。触媒４２の硫化された部分はメタンを酸化することができないため、触媒４２によるメタンの酸化反応が次第に減少し、酸化反応熱の発生が抑制される。このため、酸化処理器４０の温度が次第に低くなる。
【００３５】
そして酸化処理器４０に接続された熱電対ＴＣによる測定温度が所定値以下になった場合、排ガス浄化装置１０の制御装置２６が、燃料ガスの供給量及び電磁弁Ｖを制御して、バイパス１０Ｃから酸化処理器４０へ未燃の燃料ガスを導入する。
【００３６】
酸化処理器４０の内部に収納された触媒４２は、未燃の燃料ガス、すなわち脱硫剤によって硫黄化合物が脱硫された排ガス（脱硫後排ガス）より炭化水素濃度が高いガスが導入されることで、脱硫後排ガスのみが導入される場合よりも大きな燃焼熱が発生し、酸化触媒温度が上昇する。この酸化反応熱により、酸化処理器４０の内部は平常時の温度よりも昇温され、５００℃以上の温度となる。これにより、触媒４２に吸着していた硫黄化合物が離脱し、触媒４２が再生される。なお、平常時の温度とは、触媒４２がメタンを酸化する３５０℃以上５００℃未満の温度域に、排ガス中に含まれるメタン以外の炭化水素及び一酸化炭素の酸化熱を加えた温度（例えば４００℃）を示す。
【００３７】
さらに、酸化処理器４０は脱硫器３０と隣接して配置され、互いに伝熱板５２によって仕切られている。このため、酸化処理器４０におけるメタンの酸化反応で発生した熱は、伝熱板５２を介して脱硫器３０へ伝達される。これにより脱硫剤３４が加熱される。そして脱硫剤３４が加熱されると、脱硫剤３４から硫黄分が離脱して脱硫剤３４が再生される。
【００３８】
触媒４２及び脱硫剤３４の再生後は、制御装置２６がバイパス１０Ｃに設置された電磁弁Ｖを閉じて、酸化処理器４０への未燃の燃料ガスの供給を止める。
【００３９】
なお、本実施形態においては触媒４２によるメタンの酸化反応熱及び伝熱板５２によって脱硫剤３４を加熱したが、本発明の実施形態はこれに限らず、他の加熱手段、例えばヒーターやバーナーなどを用いて脱硫剤３４を加熱してもよい。この場合、脱硫器３０は酸化処理器４０と隣接して配置しなくてもよいため、排ガス浄化装置１０の設計自由度が高くなる。また、メタンの酸化反応熱を用いる場合と比較して加熱のためのガスや電力の供給量は制御しやすく、安定した温度を維持しやすい。さらに、メタンの酸化反応熱以外の熱源を利用すれば、酸化処理器４０へ未燃の燃料ガスを送る必要がなくなるため、バイパス１０Ｃ等を設ける必要がない。
【００４０】
なお、メタンの酸化反応熱及びメタンの酸化反応熱以外の熱源の双方を用いることもできる。例えばヒーターやバーナーなどを、メタンの酸化反応熱と併用して脱硫剤３４を加熱してもよい。この場合、メタンの酸化反応熱が十分に得られる場合はヒーターやバーナーの出力（加熱量）を小さくして、メタンの酸化反応熱が十分に得られない場合には出力を大きくする。これにより、脱硫剤３４の再生に必要なエネルギーを低減しつつ、安定した温度を維持しやすい。
【００４１】
また、本実施形態における脱硫剤３４は、酸化亜鉛に対して二酸化チタン及び酸化ジルコニウムを含有するものとしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば酸化亜鉛に対して酸化ジルコニウムのみを所定の割合（例えば例えば酸化亜鉛１００モル部に対して酸化ジルコニウム５〜２５０モル部を含有）で含ませてもよい。このような脱硫剤を用いても、５００℃以上の温度で加熱すれば再生できる。
【００４２】
また、本実施形態においては導入手段の一例としてバイパス１０Ｃを用いたが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えばバイパス１０Ｃを用いずに、ガスエンジン２０へ燃料ガスの供給が維持された状態でガスエンジン２０における燃料ガスの燃焼を停止する（ガスエンジン２０における全気筒の点火装置を停止する）機能を制御装置２６に追加してもよい。
【００４３】
このようにすれば、バイパス１０Ｃを用いずに酸化処理器４０へ未燃の燃料ガスを送ることができるので、バイパス１０Ｃを用いる場合と比較して、排ガス浄化装置１０の構成を簡略化できる。燃焼停止装置２４は、排ガス浄化装置１０の制御装置２６にプログラムとして組み込むことができるので、排ガス浄化装置１０の構成を複雑にしにくい。
【００４４】
また、バイパス１０Ｃを用いずに、ガスエンジン２０の気筒の少なくとも一部の点火装置を停止して失火させる機能を制御装置２６に追加してもよい。
【００４５】
このようにすれば、バイパス１０Ｃを用いる場合と比較して排ガス浄化装置１０の構成を簡略化できるほか、ガスエンジン２０を駆動させながら、酸化処理器へ未燃の燃料ガスを導入できる。
【００４６】
さらに、酸化処理器４０へ排ガスより炭化水素濃度が高いガスを導入する導入手段としては、ガスエンジン２０へ燃料ガスの導入量を調整できるスロットル調整手段を用いることができる。
【００４７】
スロットル調整手段は、ガスエンジン２０の燃料噴射方式としてミキサーを用いるガスエンジンの場合は、スロットルを閉じることで燃料と空気の予混合気の給気量を低減する。これにより部分負荷運転となり燃焼状態が悪化して、排ガス中の炭化水素濃度を高めることができる。
【００４８】
一方、ガスエンジン２０の燃料噴射方式としてインジェクターを用いるガスエンジンの場合は、スロットルを開くことで燃料に対する空気の給気量を増加させる。これにより希薄燃焼となることで排ガス中の炭化水素濃度を高めることができる。
【００４９】
さらに、ガスエンジン２０として直噴エンジンを用いる場合は、ガスエンジン２０の排気行程においてガスエンジン２０へ燃料ガスを注入する追加注入手段を用いてもよい。このように、本実施形態における導入手段としては様々な態様を採用することができる。
【００５０】
また、本実施形態において脱硫器３０は硫黄化合物を水素化脱硫する脱硫装置とされ、脱硫剤３４は酸化亜鉛、二酸化チタン及び酸化ジルコニウムを含むものとしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。
【００５１】
例えば脱硫器３０を、硫黄化合物を水素と反応させず、吸着脱硫するための装置として、脱硫剤３４としては、銅、鉄、活性酸化マンガンなどを用いることができる。このように、硫黄化合物を水素化脱硫しなければ、水素供給手段を設ける必要がないので、排ガス浄化装置１０の構成を簡略化できる。
【００５２】
また、本実施形態において酸化処理器４０及び脱硫器３０は、同一の筐体５０の内部に設けられ、筐体５０の内部を仕切る伝熱板５２によって隔てられたそれぞれの部分としたが、本発明の実施形態はこれに限らない。
【００５３】
例えばハニカム形状基材に脱硫剤３４と触媒４２とを塗り分け、このハニカム形状基材を筐体５０の内部に設置してもよい。このとき、ハニカム構造におけるセルの延設方向に沿って脱硫剤３４と触媒４２とを塗り分け、脱硫剤３４が排ガスの上流側に位置するようにハニカム形状基材を設置する。ハニカム形状基材の材質はステンレスなどの熱伝導率が高い材質を選択することが好適である。このようにハニカム形状基材に脱硫剤３４と触媒４２とを塗り分ければ、筐体５０の内部に伝熱板５２を設置する必要がない。また、触媒４２の酸化熱が脱硫剤３４へ伝わりやすい。
【符号の説明】
【００５４】
１０  排ガス浄化装置、    １０Ｃ  バイパス（直接注入手段、導入手段）
２０  ガスエンジン（ガス消費装置）、    ３０  脱硫器、    ３４  脱硫剤、
４０  酸化処理器、    ４２  触媒、    ５２  伝熱板（伝熱部材、加熱手段）
【図１】
2018135808.tif 000003