(57)【要約】【課題】尿素水噴射ノズルや排気管の閉塞を防止することを目的とする。【解決手段】尿素水からアンモニアを生成するリアクタ２と、リアクタ２内に尿素水を供給する尿素水噴射ノズル３２と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動される排気ターボ過給機５の下流側の排ガス通路に設けられ、リアクタ２から供給されたアンモニアを用いて排ガス脱硝を行うＳＣＲ触媒部４とを備えた舶用排ガス脱硝装置１であって、リアクタ２には、ディーゼルエンジン３から排気ターボ過給機５に供給される排ガスの一部を抽気した排ガスが導かれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
尿素水からアンモニアを生成するリアクタと、
該リアクタ内に尿素水を供給する尿素水噴射ノズルと、
舶用ディーゼルエンジンの排ガスによって駆動される排気ターボ過給機の下流側の排ガス通路に設けられ、前記リアクタから供給されたアンモニアを用いて排ガス脱硝を行う脱硝触媒部と、
を備えた舶用排ガス脱硝装置であって、
前記リアクタには、前記舶用ディーゼルエンジンから前記排気ターボ過給機に供給される排ガスの一部を抽気した排ガスが導かれることを特徴とする舶用排ガス脱硝装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ターボ過給機を備えた舶用２サイクルディーゼルエンジンをはじめ、排ガス温度の低いディーゼルエンジンにも使用可能な舶用排ガス脱硝装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するために、自動車や陸上発電設備などにおいては選択接触還元法（SCR；Selective Catalytic Reduction）を用いた脱硝装置が多用されている。このような脱硝装置の還元剤として、アンモニアガス、アンモニア水または尿素水が用いられる。しかし、アンモニアは刺激臭があり、含有量１０％以下のアンモニア水を除いて劇物として扱われるので、市中に流通する含有量２５〜３０％のアンモニア水を還元剤とする場合、漏洩検知センサや二重配管、換気装置といった特別な設備を要求されることがある。これに対して、尿素水は、アンモニアのように刺激臭がなく劇物として扱われることがないので、付加的な設備が不要となる点でアンモニアに比べて取扱が容易である。舶用ディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物が一部の海域で厳格に規制される国際的な方向性が定められる状況において、乗組員の健康と安全を最優先する立場から、自動車用ディーゼルエンジンの脱硝装置の還元剤として商品化されている含有量３２．５％尿素水を用いた脱硝装置が切望されている。
下記の特許文献１〜４には、自動車用ディーゼルエンジンの脱硝装置の還元剤として尿素水を用いた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２００２−３７１８３１号公報
【特許文献２】特開２００７−２１８１４６号公報
【特許文献３】特開２００４−４４４０５号公報
【特許文献４】特開平５−２８５３４３号公報
【０００４】
特許文献１及び２では、自動車用ディーゼルエンジンが対象とされている。自動車用ディーゼルエンジンは４サイクルとされており、一般に排気温度が最高で約４５０℃程度と高いため、尿素水からアンモニアへの改質が十分に期待できる。したがって、特許文献１及び２では、ゼオライト等の金属系脱硝触媒手前の排気管に尿素水を噴射する構成が採用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、船舶推進用の主機（舶用主機）としては、排気ターボ過給機を備えた舶用ディーゼルエンジンが多用される。
自動車用ディーゼルエンジンと異なり、このような構成の舶用主機では、例えば２サイクルディーゼルエンジンの場合、単体熱効率に優れているため、排気ターボ過給機を通過した後の排ガス温度が最高で約２５０℃程度まで低くなる傾向がある。脱硝触媒は２５０〜４２０℃、好ましくは３２０〜４００℃の温度域で高活性を示すチタン・バナジウム系を採用するが、尿素水からアンモニアへ改質するための時間・助走距離を必要とし、尿素水噴射ノズルは触媒の排気上流にできる限り離して配置する構成となる。
排ガス温度が低い場合には、尿素水からアンモニアへの改質過程で、ビウレット、シアヌル酸他多様な固体副生成物が生じる。これらの固体副生成物は尿素が分解を始める温度レベル（約１３３℃）から、シアヌル酸が分解を始める温度レベル（３２０〜３６０℃）の範囲内で生成されるものとみられる。
特許文献３によれば、脱硝触媒に対して尿素水を排気管に直接噴霧した場合の現象について、次のとおり記されている。「ノズルから滴下された尿素水は、滴下される際にパイプ内を流通する排気ガスの熱により蒸発し、パイプ内にアンモニアガスが生成される。そして、アンモニアにより窒素酸化物が還元されて脱硝装置において窒素酸化物が脱硝される。尿素水は排気ガスの流速とパイプ内の温度が適度である場合は、尿素水をパイプの内部で十分に蒸発して拡散することができる。反対に燃焼装置の燃焼が弱まったような状態では、排気ガスの流速が小さく温度が下がるので、尿素水の蒸発が適度に行われず、ノズルから尿素水が滴下する。」「ノズルから尿素水が滴下する際に、尿素水がノズルの先端部で固化し、ノズルが閉塞することがあった。また、尿素はパイプ内の温度が下がると重合反応により、シアヌル酸等の副生物を生成する。シアヌル酸が生成してパイプの内周壁に付着すると、窒素酸化物の還元剤となるアンモニアの生成量が減少し、下流側にある脱硝装置の脱硝性能が低下してしまう。すなわち、尿素水の滴下量が多く、パイプの下流（底壁部）に尿素水が溜まると、パイプの周壁は外気と接していることから、パイプの内部と温度差があって、パイプの底壁部に滴下した尿素水がパイプの内周面を冷やしてシアヌル酸を生成することになる。」
頻繁な負荷変動の中で運航する船舶では、常に理想の排ガス温度・触媒温度を維持することは困難である。尿素水を排気管に直接噴射したのでは固体副生成物の生成が避けられず、排気管を船舶停泊時ごとに開放して保守することは困難であるから、固体副生成物の排気管への堆積を回避することが課題である。また、これら固体副生成物を保守不完全により放置しておくと時間の経過とともに固体副生成物が成長し、排気管が閉塞してしまうおそれがある。
【０００６】
一方、排ガス脱硝のために必要なチタン・バナジウム系脱硝触媒は、前述のとおり排ガス温度が３２０〜４００℃の温度域で高活性を示すが、排ガス温度が３２０℃未満では、排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）とアンモニアから生成される重硫酸アンモニウム（酸性硫安）により脱硝触媒が被毒され、２５０℃レベルでは脱硝装置の性能劣化が著しい。
この問題を回避するため、舶用２サイクルディーゼル機関でも４００℃レベルの排ガス温度が期待できる過給機上流側に脱硝装置を配置することがまず考えられるが、脱硝装置の熱容量が大きいため、過給機の応答性が低下、発停時や負荷変動時に排気ターボ過給機が追従せず、掃排気系にハンチングを生じ、機関性能に著しい影響を与え、船舶の安全航行に支障を来たす可能性がある。また、チタン・バナジウム系脱硝触媒の使用温度域としては一般的に４００℃レベルの排ガス温度が上限値であり、これ以上の温度域での使用を継続すると触媒のシンタリング（焼結）により失活し、触媒寿命が低下する可能性がある。これらの理由により過給機上流側に脱硝装置を配置するシステムは実用化されていない。
特許文献４では、ディーゼルエンジン特に舶用２サイクルディーゼル機関の排気ターボ過給機下流に配置され、アンモニアを還元剤とする脱硝装置に関して、低温で短期間使用された脱硝触媒であれば、再度昇温すれば酸性硫安により脱硝触媒の活性が低下した状態からもとの活性状態に再生することができる特性を脱硝装置として実用化するために、触媒を収める脱硝装置本体を複数の流路に分割し、各流路で入口部にダンパーを設け、また各流路入口ダンパーの内側で触媒上流側に昇温・再生用の高温ガス注入ノズルを設け、この高温ガスはディーゼル機関の排気ターボ過給機の上流側の排気管より抽気して用いることを提案している。しかしながら、前述したようにアンモニアを還元剤とする舶用排ガス脱硝装置が安全性の点で求められていないことから、特許文献４の提案では不十分である。
【０００７】
舶用ディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物が一部の海域で厳格に規制される国際的な方向性が定められる状況において、その海域では使用燃料を従来の硫黄分４．５％以下の残渣油という規定から硫黄分０．１％以下の留出油という規定に代え、ＮＯｘ規制値を現行から８０％削減するという動きになっている。
排ガス温度の低いディーゼルエンジンにも使用可能な舶用排ガス脱硝装置を提供するには、排気ターボ過給機の下流に脱硝装置を配置して排ガス温度が２５０℃程度の低温でも酸性硫安による脱硝触媒の被毒を回避するという課題と、還元剤として含有量３２．５％尿素水を用いるという課題の２つの課題の解決を迫られている。前者の課題は、硫黄分０．１％以下の留出油を使用することで解決の糸口がみつかるが、後者の課題が残っている。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、脱硝用還元剤として尿素水を用いた場合に、尿素水噴射ノズルや排気管の閉塞を防止することができる、安全性、保守性を重視した舶用ディーゼルエンジンの舶用排ガス脱硝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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の舶用排ガス脱硝装置は以下の手段を採用する。
本発明の舶用排ガス脱硝装置は、尿素水からアンモニアを生成するリアクタと、該リアクタ内に尿素水を供給する尿素水噴射ノズルと、舶用ディーゼルエンジンの排ガスによって駆動される排気ターボ過給機の下流側の排ガス通路に設けられ、前記リアクタから供給されたアンモニアを用いて排ガス脱硝を行う脱硝触媒部とを備えた舶用排ガス脱硝装置であって、前記リアクタには、前記舶用ディーゼルエンジンから前記排気ターボ過給機に供給される排ガスの一部を抽気した排ガスが導かれることを特徴とする。
【００１０】
舶用ディーゼルエンジンから排気ターボ過給機に供給される排ガスの一部を抽気した排ガスがリアクタに導かれることとしたので、リアクタ内の反応温度を上昇させることができる。これにより、尿素水からアンモニアへの改質過程で生じる固体副生成物の生成を抑制することができ、尿素水噴射ノズルの閉塞を防止することができ、かつ排気管に固体副生成物を持ち込まない構造となっているので排気管の閉塞を防止することができる。
また、排気ターボ過給機に供給される排ガスを一部抽気することによって排気ターボ過給機を通過する排ガス量が低下するので、排気ターボ過給機のタービン仕事が減少してエンジンに供給される空気量が低下するため、排ガス温度を更に上昇させることができる。これにより、さらに固体副生成物の生成を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、舶用ディーゼルエンジンから排気ターボ過給機に供給される排ガスの一部を抽気した排ガスをリアクタに導きリアクタ内の反応温度を上昇させることとしたので、尿素水からアンモニアへの改質過程で生じる固体副生成物の発生成を抑制し、尿素水噴射ノズルや排気管の閉塞を防止することができる。
また、リアクタ内に固体副生成物が生成されても、開放困難な排気管内に固体副生成物が蓄積されることがないので船舶運航上安全であり、固体副生成物がリアクタ下部に蓄積された場合の処理は船舶停泊時に行える。また触媒の加熱再生の際にも固体副生成物は徐々に融解して排ガス脱硝に寄与する。排気管内に尿素水を直接噴射する方法と比べて保守性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の舶用排ガス脱硝装置の一実施形態を示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る舶用排ガス脱硝装置の一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１には、本実施形態にかかる舶用排ガス脱硝装置１が設けられたディーゼルエンジン３まわりの概略構成が示されている。
船舶内には、船舶推進用の主機とされたディーゼルエンジン３と、ディーゼルエンジン３からの排ガスを脱硝するための脱硝装置１と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動される排気ターボ過給機５と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ１１とを備えている。
【００１４】
ディーゼルエンジン３は、舶用２サイクルエンジンとされており、下方から給気して上方へ排気するように１方向に掃気されるユニフロー型が採用されている。ディーゼルエンジン３からの出力は、図示しないプロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。
ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部１３（図１では１気筒のみを示している。）の排気ポートは排ガス集合管としての排気マニホールド１５に接続されている。排気マニホールド１５は、第１排気経路Ｌ１を介して、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの入口側と接続されている。なお、図１において、符号８は排気弁、符号９はピストンである。
【００１５】
一方、各シリンダ部１３の掃気ポートは掃気トランク(図示せず)に接続されており、掃気トランクは、掃気経路Ｋ１を介して、排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続されている。また、掃気経路Ｋ１には空気冷却器（インタークーラ）１９が設置されている。
【００１６】
排気ターボ過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂとを備えている。タービン部５ａ及びコンプレッサ部５ｂは、回転軸５ｃによって同軸にて連結されている。タービン部５ａは、ディーゼルエンジン３からの排ガスによって駆動され、タービン部５ａにて得られたタービン仕事は回転軸５ｃを介してコンプレッサ部５ｂに伝達される。コンプレッサ部５ｂは、外気（空気）を吸い込み所定掃気圧まで昇圧する。
タービン部５ａにてタービン仕事を与えた後の排ガスは、第２排気経路Ｌ２へと流出する。第２排気経路Ｌ２は、分岐点２０にて、第３排気経路Ｌ３及び第４排気経路Ｌ４へと分岐される。分岐点２０における排ガス経路の切り替えは、第３排気経路Ｌ３に設けられた排ガスエコノマイザ側開閉弁２２と、第４排気経路Ｌ４に設けられた脱硝側開閉弁２４とによって行われる。これらの開閉弁２２，２４は、択一的に選択されて開閉が行われる。すなわち、排ガスのＮＯｘ規制が厳格とされている海域を航行する際のように排ガス脱硝が必要な場合は、脱硝側開閉弁２４を開き、排ガスエコノマイザ側開閉弁２２を閉じる。一方、排ガスのＮＯｘ規制が比較的緩やかな海域を航行する際のように排ガス脱硝を行わない場合は、脱硝側開閉弁２４を閉じ、排ガスエコノマイザ側開閉弁２２を開ける。
なお、これら開閉弁２２，２４は、１つの三方弁で代用することも可能である。
【００１７】
排ガスエコノマイザ１１は、排ガスエコノマイザ側開閉弁２２の下流側に接続されており、ディーゼルエンジン３から排出された排ガスと、給水管２３によって供給された水とを熱交換させて蒸気を発生させる。発生された蒸気は、船内の各所にて利用される。
第４排気経路Ｌ４の脱硝側開閉弁２４の下流側には、後述するリアクタ２によって生成されたアンモニアガスを排ガスに対して供給するアンモニア供給部６と、選択接触還元法（SCR；Selective Catalytic Reduction）に用いられるＳＣＲ触媒部（脱硝触媒部）４とがこの順番で接続されている。
【００１８】
舶用排ガス脱硝装置１は、上述したＳＣＲ触媒部４およびアンモニア供給部６と、尿素水からアンモニアガスを生成するリアクタ２とを備えている。
【００１９】
ＳＣＲ触媒部４では、排ガス中のＮＯｘが触媒により選択的に還元され、無害な窒素と水蒸気に分解される。ＳＣＲ触媒部４にて脱硝された排ガスは、下流側の合流点２９にて、排ガスエコノマイザ１１の下流側と合流され、図示しない煙突から外部へと排出される。ＳＣＲ触媒部４の下流には、合流点２９との間に遮断弁２５が設けられ、排ガスのＮＯｘ規制が比較的緩やかな海域を航行する際に遮断弁を閉じることで、高硫黄分の排ガスが脱硝触媒側に一部流れて触媒を暴露するのを防ぐ。
【００２０】
アンモニア供給部６は、混合容器２７と、この混合容器２７内に設けられ、多数の噴出孔が形成されたアンモニアガス噴出ノズル２６とを備えている。アンモニアガス噴出ノズル２６から噴出されたアンモニアガスと、混合容器２７内に導かれた排ガスが混合された後に、ＳＣＲ触媒部４へと導かれる。
【００２１】
リアクタ２は、リアクタ容器３０と、多数の噴射孔が形成された尿素水噴射ノズル３２とを備えている。尿素水噴射ノズル３２には、尿素水タンク３４に貯留された尿素水が尿素水ポンプＰ１によって供給されるようになっている。また、尿素水ポンプＰ１の下流側の尿素水供給経路Ｍ１もしくは尿素水噴射ノズル３２には、圧縮空気供給源３６から供給される圧縮空気が合流されるようになっている。
リアクタ２と排気マニホールド１５との間には、排ガスの一部を抽気する排ガスバイパス経路Ｂ１が設けられている。排ガスバイパス経路Ｂ１には、図示しない制御部によって制御され、流量調整可能とされたバイパス制御弁４０が設けられている。バイパス制御弁４０によって調整される流量は、ディーゼルエンジン３からの排ガスの５〜２０％、好ましくは１０〜１５％の範囲とされる。
【００２２】
次に、上記構成の舶用排ガス脱硝装置１の運用方法について説明する。
ディーゼルエンジン３から排出された排ガスは、排気マニホールド１５から第１排気経路Ｌ１を介して排気ターボ過給機５のタービン部５ａへと導かれる。タービン部５ａは、排ガスエネルギーを得て回転させられ、コンプレッサ５ｂを回転させる。コンプレッサ部５ｂでは、吸入した空気（外気）を圧縮して空気冷却器１９を介してディーゼルエンジン３の掃気トランクへと送る。
【００２３】
排ガスＮＯｘ規制が比較的緩やかな海域を航行する場合には、排ガス脱硝を行わない。この場合、排ガスエコノマイザ側開閉弁２２を開とし、脱硝側開閉弁２４及びバイパス制御弁４０を閉とする。
排気ターボ過給機５のタービン部５ａから排出された排ガスは、第２排気経路Ｌ２から分岐点２０を通過して第３排気経路Ｌ３を通り、排ガスエコノマイザ側開閉弁２２を介して、排ガスエコノマイザ１１へと導かれる。排ガスエコノマイザ１１では、給水管２３から供給される水が排ガスによって加熱されて蒸気が生成される。生成された蒸気は、船内の各所にて使用される。排ガスエコノマイザ１１から排出された排ガスは、図示しない煙突から外部へと排出される。
【００２４】
一方、排ガスＮＯｘ規制が厳格な海域を航行する場合には、排ガス脱硝を行う。この場合、排ガスエコノマイザ側開閉弁２２を閉とし、脱硝側開閉弁２４及びバイパス制御弁４０及び遮断弁２５を開とする。
【００２５】
バイパス制御弁４０の開度は、制御部の指令によって適宜調整される。バイパス制御弁４０によって流量が調整された後、排ガスバイパス経路Ｂ１を介して排ガスがリアクタ２へと導かれる。
リアクタ２内では、尿素水タンク３４から導かれる尿素水が圧縮空気供給源３６から供給される圧縮空気とともに尿素水噴射ノズル３２から排ガスに対して噴射される。そして、リアクタ２内の噴射された尿素水が改質され、アンモニアガスが生成される。この改質反応では、排ガスの顕熱によって加熱されているので、固体副生成物の生成が抑制されている。このように生成されたアンモニアガスは、アンモニア供給部６へと導かれ、アンモニアガス噴射ノズル２６から排ガスに向けて噴射される。
【００２６】
排気ターボ過給機５のタービン部５ａから排出された排ガスは、第２排気経路Ｌ２から分岐点２０を通過して第４排気経路Ｌ４を通り、アンモニア供給部６へと導かれる。アンモニア供給部６にてアンモニアガスと混合された排ガスは、ＳＣＲ触媒部４へと導かれ、このＳＣＲ触媒部４にて脱硝される。脱硝後の排ガスは、合流点２９を通過して図示しない煙突から外部へと排出される。
【００２７】
上述の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
２サイクルとされたディーゼルエンジン３から排気ターボ過給機５に供給される排ガスの一部を抽気した排ガスがリアクタ２に導かれることとしたので、リアクタ２内の反応温度を上昇させることができる。これにより、尿素水からアンモニアへの改質過程で生じる固体副生成物の生成を抑制することができるので、尿素水噴射ノズル３２や、リアクタ２よりも下流側に位置する排気管の閉塞を防止することができる。
また、排気ターボ過給機５に供給される排ガスを一部抽気することによって排気ターボ過給機５を通過する排ガス量が低下するので、排気ターボ過給機５のタービン仕事が減少してディーゼルエンジン３に供給される空気量が低下するため、排ガス温度を更に上昇させることができる。これにより、固体副生成物の生成をさらに抑制することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  舶用排ガス脱硝装置
２  リアクタ
３  ディーゼルエンジン（舶用２サイクルディーゼルエンジン）
４  ＳＣＲ触媒部（脱硝触媒部）
５  排気ターボ過給機
３２  尿素水噴射ノズル
３４  尿素水タンク
４０  バイパス制御弁
Ｂ１  排ガスバイパス経路
【図１】
2011144765.tif 000003