(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＣＲ反応器、吸気流システム、及び気化器モジュールを備える選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムであって、
ａ．前記ＳＣＲ反応器が、少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備え、且つ前記吸気流システム及び前記気化器モジュールと連通し、
ｂ．前記吸気流システムが、エンジンからの排気ガスのための１つ又は複数の入口を備え、前記入口が、前記ＳＣＲ反応器の周囲に配置された少なくとも１つのフローダクトを通して、排気ガスの流れを分配するように構成され、前記ＳＣＲの周囲の前記フローダクトを通る排気ガスの流れが、前記気化器モジュールに熱を供給し、アンモニアに転換される尿素又はアンモニア前駆体が、前記ＳＣＲ反応器内に導入される前に前記気化器モジュール内に導入され、前記ＳＣＲ反応器の断面全体にわたってほぼ均一なガス速度及びアンモニアの濃度プロファイルをもたらすため、アンモニア含有ガス流を導入した後、且つ複数のバッフルプレートを通過した後、それぞれの前記フローダクト内の排気ガスの流れが、前記ＳＣＲ反応器内に導入され、
ｃ．前記気化器モジュールが、洗浄された排気ガスの流れによって加熱されるように前記気化器モジュールの一部を含む予備反応器内に尿素又はアンモニア前駆体を導入する手段を備え、加熱された予備反応器内では、排気ガス流を前記ＳＣＲ反応器に導入する前に、尿素又はアンモニア前駆体が、少なくとも部分的に分解され、続いて前記排気ガス流内に供給され、前記ＳＣＲ反応器を出る清浄な排気ガスの一部を除去する手段、圧力下で前記清浄な排気ガスの一部を収集する手段、加圧された前記清浄な排気ガスを気化チューブ内に供給する手段、及び尿素又はアンモニア前駆体を前記気化チューブ内の前記清浄な排気ガス内に注入する手段を備え、前記気化チューブが、前記フローダクトのうちの少なくとも１つの中に配置され、前記気化チューブの中では、水と尿素又はアンモニア前駆体が気化され、尿素又はアンモニア前駆体がアンモニアに分解される、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２】
少なくとも１つのフローダクトとＳＣＲ反応器部との間の接続通路内で対角線上に据え付けられた固定板を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
ガスの吸気流が、２つ以上のフローダクト内へと分離される、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記フローダクトのうちの少なくとも１つが、前記ＳＣＲ反応器の第１の側面上に配置され、異なるフローダクトのうちの少なくとも１つが、前記ＳＣＲ反応器の反対側上に配置される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記バッフルプレートが、前記触媒の上流の排気ガスの均一な運動量分布をもたらすように、且つアンモニアを添加する前に前記排気ガスの移動時間を増加させるように配置且つ配向される、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記フローダクトが長方形断面を有し、前記フローダクトの長さがほぼ前記ＳＣＲ反応器の長さであり、各フローダクトの幅及び高さが、各フローダクトの長さに対して、それぞれ、約８分の１以下及び２分の１である、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのＳＣＲ触媒が、モノリスを通るガス流の正味方向において、正方形、長方形、又は円形の形状を有する前記モノリスの形態にある、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記ＳＣＲ反応器を出る前記清浄な排気ガスの一部を除去する前記手段、及び圧力下で前記清浄な排気ガスの一部を収集する前記手段が、熱気体圧縮機又はエンジンからの機械的エネルギーを利用する手段である、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
清浄なガスの質量流量及び温度、並びに熱ガス流内の前記尿素又は前記アンモニア前駆体の滞留時間が、水の完全な蒸発、並びに前記尿素又は前記アンモニア前駆体の熱分解を達成するのに十分である、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
除去された清浄なガスの質量流量が、排気の質量流量の総量の約１０％未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
排気流内へのアンモニア含有清浄ガスの分配が、フローダクトと反応器の間の各通路の真ん中に配置されたデバイスを使用して、均一な態様でもたらされ、前記デバイス／チューブが、開口を含み、それにより、前記通路のそれぞれの上の長方形の流通路にわたってほぼ同じ流れが生じる、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
エンジンからの排気内で形成された窒素酸化物の量を還元させる方法であって、前記エンジンからの排気ガスを、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＳＣＲシステムを通過させることを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海洋、機関車、（固定式）発電用途のためのディーゼル及びガスなど、内燃機関の酸素に富んだ排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元のための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼排ガス内の窒素酸化物（ＮＯｘ）の選択的触媒還元（ＳＣＲ）は、国内及び国際排気規制に準拠するために世界中において多くの産業で用いられている。化石及び再生可能燃料の燃焼プロセスで形成された窒素酸化物は、触媒表面上でアンモニアなどの還元剤で還元される。様々な触媒が、酸化パナジウム、イオン交換ゼオライトなどの様々な基材上で使用されてきた。触媒は、種々の組成で調製されてもよく、押し出されたハニカム又は被覆されたハニカム、金属基材など、種々の形態で存在してもよい。適切な触媒の選択を決定する主な要因の一つは燃焼排ガスの温度である。還元剤としてはアンモニアが好まれているが、ガス状アンモニアは危険性を有するため、アンモニアを直接使用することは問題がある。したがって、高温の燃焼排ガス内に注入されたとき、アンモニアを形成するために取扱い及び分解が容易な物質が通常使用される。例えば、尿素水溶液は、アンモニア及びイソシアン酸（ＨＮＣＯ）を形成するために１４０℃を越える温度で分解され、次いで加水分解されてアンモニア及び二酸化炭素が形成される。しかしながら、尿素水溶液からアンモニアを生成することは、比較的遅いプロセスである。高温ガス流中の尿素の滞留時間が短すぎると、反応器上への沈殿、更に望ましくない場合には、触媒上への沈殿に至る場合がある。したがって、数メートルの長さを有する比較的長い注入ダクトが、現況技術のＳＣＲ用途で使用される実際の触媒の上流に配置される。こうした長いダクトは、典型的に直管である。この直管を通して、排気が流れ、この直管内で注入器又はランスによって還元剤が高温ガス流中に注入される。
【０００３】
上述のＳＣＲシステムは、発電所などの大きな固定式システム上で一般的に使用されてきた。より小さなＳＣＲシステムは、自動車用途及び一般的に６００ｋＷ未満のエンジンで使用されてきた。こうしたより小さなＳＣＲシステムは、排気量がより低いため、種々のデザインを有し、したがって、より小さな質量流量の還元剤をシステム内に導入しなければならない。最近、海洋、オフロード、及び発電セクターでは、５００から４５００キロワット（ｋＷ）のディーゼル及びガスエンジンに対してエミッション規制が設定された。現在、こうしたサイズのエンジンで使用されているシステムは、長い直径（最大約０．６ｍ）を有する長い排気パイプ（最大で約１０ｍ）、及び排気ガスの流れの中に配置されているＳＣＲ反応器から構成されている。尿素水溶液が、ランス（ｌａｎｃｅ）によって排気ガス内に直接注入される。尿素が、次いで、全量の排気ガス流の中でアンモニアに転換される。触媒の断面全体にわたって均一なアンモニア濃度パターンを達成するためには、静的混合器によって流れが意図的に中断される。多くの場合、アンモニアは、１つ又は複数の混合器、次いでＳＣＲ触媒を通過する前に、アンモニア注入グリッド（ＡＩＧ）を通して、全量の排気流の中に直接導入される。流れの分配が不均一であることにより、低温部分でシミが生じる場合があり、それにより、部分的に分解された尿素による沈殿又は腐食に至る。沈殿物は、尿素をアンモニアに転換する反応に関与できないため、こうした尿素の損失により、更にＮＯｘ転換活性が減少する。
【０００４】
海洋、オフロード、及び発電セクターの用途において、空間は重要な要素である。空間の使用により、これらのセクターのオペレーションの経済状況が影響を受ける。例えば、スーパーヨット又はフェリーは、乗客のための空間を失う場合があり、それにより収入が失われる結果となる。大きな採鉱掘削機及びトラックは、移動又は運搬できる荷重を減少させる必要があり、結果として、同じ量の材料を移動させるために追加の掘削を行ったり、何度も行ったり来たりしなければならない。タグボートなどの特定のビークルの機械室には、現況技術のＳＣＲ機構の据え付けに必要な空間がない場合がある。
【０００５】
本明細書に記載のＳＣＲシステムは、排気後処理システムの空間上の制約が使用上の障害であった大きさを有するエンジンにおいて、ＳＣＲプロセスを使用して、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）のレベルを減少させることに尿素を使用することを可能にする。本明細書に記載のコンパクトＳＣＲシステムの利点のうちの１つは、該システムを、上述のセクターの新しいエンジンとともに使用できることに加えて、既存のエンジンが同様にエミッションを還元できるように、更にアフターマーケットシステムの据え付けを可能にすることである。
【発明の概要】
【０００６】
一態様によると、本発明は、ＳＣＲ反応器、吸気流システム、及び気化器モジュールを備える選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムを提供し、
ａ．ＳＣＲ反応器は、少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備え、且つ吸気流システム及び気化器モジュールと連通しており、
ｂ．吸気流システムは、エンジンからの排気ガスのための１つ又は複数の入口を備え、入口は、ＳＣＲ反応器の周囲に配置された少なくとも１つのフローダクトを通して、ガスの流れを分配するように構成され、ＳＣＲの周囲のフローダクトを通る排気ガスの流れは、気化器モジュールに熱を供給し、アンモニアに転換される尿素又はアンモニア前駆体は、ＳＣＲ反応器内に導入される前に気化器モジュール内に導入され、ＳＣＲ反応器の断面全体にわたってほぼ均一なガス速度及び濃度プロファイルをもたらすため、アンモニア含有ガス流を導入した後、且つ複数のバッフルプレートを通過した後、それぞれのフローダクト内のガスの流れが、ＳＣＲ反応器内に導入され、
ｃ．気化器モジュールは、加熱された予備反応器内に尿素又はアンモニア前駆体を導入する手段を備え、加熱された予備反応器内では、排気ガス流をＳＣＲ反応器に導入する前に、尿素又はアンモニア前駆体が、少なくとも部分的に分解され、続いて排気ガス流内に供給される。
【０００７】
ＳＣＲ反応器、吸気流システム、及び気化器モジュールを備えるコンパクト選択的触媒還元システムが説明される。このＳＣＲシステムでは、尿素を活性成分（アンモニアを含む）に分解するために熱処理された排気ガスの流れが用いられる。このシステムにより、還元剤が排気ガス内に供給される前に、気化器モジュール内での尿素／アンモニアの比較的長い滞留時間が可能となる。排気ガスは、続いてＳＣＲ反応器内でＳＣＲ触媒内に移る。ＳＣＲ反応器は、少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備え、吸気流システム及び気化器モジュールと連通している。吸気流システムは、エンジンからの排気ガスが入るための１つ又は複数の入口を備える。入口は、ＳＣＲ反応器の周囲のフローダクトを通して、ガスの流れを流ストリームに分配するように構成される。ＳＣＲの周囲のフローダクトを通る排気ガスの流れは、更なる熱を気化器モジュールに供給し、気化器モジュール内に導入される尿素又はアンモニア前駆体の溶液を揮発する。気化器モジュールは、更に清浄な高温の排気の流れによって加熱される。フローダクトは、幾つかの実施形態では、システム内のガスの移動時間を制御し得る一連のバッフルを含む。尿素又はアンモニア前駆体は、気化器モジュール内でＳＣＲ反応器を通過したガスの流れの中に導入される。ここで、揮発された尿素又はアンモニア前駆体は、ＳＣＲ反応器を通過した高温ガスの流れと混合され、アンモニアに転換される。気化器モジュールからのガス含有アンモニアは、フローダクト内で排気ガスと混合される。組み合わされたガスは混合され、次いでＳＣＲ反応器内に導入される。ＳＣＲ反応器では、ガスの混合物は、ＳＣＲ反応器の断面にわたってほぼ均一な速度及び濃度プロファイルを有する。該システムは、従来のＳＣＲプロセスでよく使用されるアンモニア注入グリッド（ＡＩＧ）を使用しない。ＳＣＲ触媒を通過した後、処理された排気ガスは、システムから排気される一次流と、気化器モジュールに移る二次流とに分けられる。
【０００８】
本発明の多くの好適な態様が以下で説明される。均等な構成物が企図される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、特に添付の図面と共に参照したとき、以下の記載により、容易に理解でき、利点がより明らかになるであろう。
【００１０】
【図１】吸気流が、２つのフローダクトを通してシステムの背面に移送され、背面で方向転換してＳＣＲ触媒を通過し、洗浄された排気ガスの一部が、尿素と混合され、次いで、触媒を通過する前に排気ガス流内に導入される、コンパクトＳＣＲシステムの実施形態の概略図である。
【図２】触媒を通過することに先立って、洗浄された排気ガス及び尿素の混合物が排気ガス内に導入される前に、排気ガス流が反応器の両側の２つのフローダクトを通過するコンパクトＳＣＲシステムの実施形態の三次元概略図である。
【図３】触媒を通過することに先立って、アンモニア導入前の排気ガスの移動時間が、流れ平行バッフル（ｆｌｏｗ−ｐａｒａｌｌｅｌ  ｂａｆｆｌｅ）を通して増大するフローダクトの実施形態の概略図である。
【図４】触媒の上流で比較的均質な運動量分布を可能にする、コンパクトＳＣＲシステムの背面にある１つの角度付けられたフロープレートの実施形態の概略図である。
【図５】触媒を通過することに先立って、洗浄された排気ガスの一部が尿素と混合され、次いで、排気ガス内に再導入されるコンパクトＳＣＲシステムの実施形態の側面図である。
【図６】尿素気化チューブが、図２で示されたチューブの長さの約２倍の長さを有する、気化器モジュールの実施形態の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、尿素を活性成分（アンモニアを含む）に分解するために熱処理された排気ガスの流れが用いられる、Ｎｏｘの還元のためのコンパクト選択的触媒還元システム（ＳＣＲ）に関する。ＳＣＲ反応器、吸気流システム、及び気化器モジュールを備えるコンパクトシステムが説明されている。ＳＣＲ反応器は、少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備え、吸気流システム及び気化器モジュールと連通している。吸気流システムは、ＳＣＲ反応器の少なくとも４つの面に隣接するように配置され、触媒を通して排気ガスのほぼ均一な流れをもたらし、気化器モジュールに熱を供給するように構成される。気化器モジュールは、尿素からアンモニアへの転換を可能にし、次いで、アンモニアをＳＣＲ反応器内の排気ガスと接触させるように構成される。コンパクトシステムの構成によって、還元剤を主な排気流内に注入する前に還元剤の前駆体を活性還元剤に分解することが可能となり、結果として、５００から４５００キロワット（ｋＷ）エンジンと使用される最新技術エンジンに比べて、混合に必要とされる距離がより短くなり、システムがよりコンパクトとなる。
【００１２】
本発明は、ＳＣＲ反応器、吸気流システム、及び気化器モジュールを備えるＳＣＲシステムを提供する。好適な形態で説明される実施形態が幾つかある。吸気流システムは、ＳＣＲ反応器の少なくとも４つの側面に隣接するように配置され、触媒を通して排気ガスのほぼ均一な流れをもたらし、気化器モジュールに熱を供給するように構成される。気化器モジュールは、尿素からアンモニアへの転換を可能にし、ＳＣＲ触媒の上流でアンモニアを排気ガスと接触させるように構成される。このシステムの構成により、似たような設置面積を有する５００から４５００キロワット（ｋＷ）エンジンと使用される最新技術システムに比べて、システム内における還元剤前駆体のより長い分解時間が可能となる。
【００１３】
このシステムは、ガス中のＮＯｘのレベルを還元するために排気ガス内に存在する化合物と反応し得る、反応物質、好ましくはアンモニアを提供する。一実施形態では、反応物質は、アンモニアを形成することができる化合物（尿素など）を気相内の反応物質に転換し、反応物質含有ガスをＮｏｘ含有排気ガスと組み合わせ、次いで、組み合わされたガスをＳＣＲ反応器内のＳＣＲ触媒を通過させることによって形成される。尿素をアンモニアに転換するためには、尿素の水溶液を高温ガスの流れの中に注入する。水と尿素の両方が、揮発し、蒸気として高温ガスの中に存在するようになる。このシステムは、尿素又はアンモニア前駆体の導入を制御する手段を提供する。尿素溶液の気化に使用される高温の洗浄されたガスは、アンモニアと排気ガスの混合物がＳＣＲ触媒を通過した後に形成された洗浄されたガスから得られる。気化器モジュール内への熱伝達を介した、洗浄されたガス及び生のガスからの熱は、水と尿素の両方を気化し、尿素をアンモニアに転換する。「生（ｒａｗ）の」排気ガスという表現は、処理される前の排気ガスを説明することを意図している。「清浄な」排気ガスという表現は、還元剤の存在の下でＳＣＲ触媒を通過した後の排気ガスを説明することを意図している。気化器モジュールは、ＳＣＲ反応器を出る清浄な排気ガスの一部を除去する手段、圧力下で清浄な排気ガスの一部を収集する手段、加圧された清浄な排気ガスを気化チューブ内に供給する手段、及び尿素又はアンモニア前駆体を気化チューブ内の清浄な排気ガス内に注入する手段を備え得る。清浄なガスの質量流量及び温度、並びに高温ガス流内の尿素又はアンモニア前駆体の滞留時間は、水の完全な蒸発、並びに尿素又はアンモニア前駆体の熱分解を達成するのに十分である。気化器モジュールは、尿素水溶液を注入し得る。アンモニアは、フローダクトと、反応器への通路との両方に導入され得る。
【００１４】
本明細書に記載されている装置及びプロセスは、尿素を用いた場合に効果的であるが、熱した後に反応ガスを形成し得るアンモニア形成剤（ａｍｍｏｎｉａ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｒｅａｇｅｎｔ）又はその他のＮＯｘ還元剤のいずれかを利用してもよい。生じる反応は当該技術でよく知られているものである。これらの反応の概要は、米国特許文献番号８、１０５、５６０号及び７、２６４、７８５号に記載されており、その全体が参照により組み込まれている。
【００１５】
「尿素」という用語は、尿素（ＣＯ（（ＮＨ２）２））及び尿素に等しい反応剤を含むことを意味する。なぜなら、これらは、熱したときにアンモニア及びＨＮＣＯを形成するからである。当該技術で知られているその他のＮＯｘ還元剤も使用してもよい。別の実施形態では、尿素又はＨＮＣＯを形成しないが、ＮＯｘのレベルを還元するように排気ガス内に存在する化合物と反応するＮＯｘ還元剤を使用してもよい。
【００１６】
導入される尿素溶液の量は、ＮＯｘの質量流量と溶液内の尿素の濃度の両方に左右される。導入される尿素の量は、関与する反応の化学量論に基づくＮＯｘ濃度、生の排気ガスの温度、及び使用される触媒に関連する。使用される尿素の量は、「ＮＳＲ」に関連する。ＮＳＲとは、処理されるガス内のＮＯｘ内の窒素の等価物に対する尿素又は他のＮＯｘ還元剤内の窒素の関連等価物のことを指す。ＮＳＲは、約０．１から約２の範囲内であってもよいが、好ましくは、０．６から１．２の範囲内である。
【００１７】
本明細書に記載されているコンパクトＳＣＲシステムで使用されるＳＣＲ触媒は、アンモニアの存在の下で窒素酸化物の濃度を還元させることができる、当該技術で知られているものから選択され得る。これは、例えば、ゼオライト；  パナジウム、タングステン、チタン、銅、マンガン、及びクロムの酸化物；  白金族金属のプラチナ、パラジウム、ロジウム、及びイリジウムなどの貴金属、及びそれらの混合物を含む。活性炭、木炭、又はコークスなど、当該技術で従来使用され、熟練した職人に良く知られている他のＳＣＲ触媒材料も利用してもよい。好適な触媒は、遷移金属／ゼオライト（例えば、Ｃｕ／ＺＳＭ−５又はＦｅ／Ｂｅｔａ）、Ｖ２Ｏ５／ＷＯ３／ＴｉＯ２などのバナジア系触媒、又はＦｅ／ＷＯｘ／ＺｒＯ２などの非ゼオライト遷移金属触媒（ｎｏｎ−ｚｅｏｌｉｔｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔａｌ  ｃａｔａｌｙｓｔ）を含む。
【００１８】
これらのＳＣＲ触媒は、金属、セラミック、ゼオライトなどの支持体に典型的に据え付けられるか、或いは、均質なモノリスとして押出成形される。当該技術で知られているその他の支持体も使用してもよい。触媒は、フロースルーモノリス基材、フィルター基材上に被覆されるか、押出成形されることが好ましい。最も好ましくは、触媒は、フロースルーモノリス基材上に被覆されるか、或いは、押出成形される。これらの触媒は、ハニカムフロースルー支持体の中又はその上に存在することが好ましい。小さな体積のＳＣＲシステムにおいては、例えば、平方インチあたり４５から４００セル（ｃｐｓｉ）、より好ましくは、７０から３００ｃｐｓｉ、更により好ましくは、１００から３００ｃｐｓｉの比較的高いセル密度を有するＳＣＲ触媒が好ましい。
【００１９】
本発明は、以下の記載のうちの１つ又は複数に従って、更に規定することができる。
【００２０】
１．ＳＣＲ反応器、吸気流システム、及び気化器モジュールを備える選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムであって、
ａ．ＳＣＲ反応器が、少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備え、且つ吸気流システム及び気化器モジュールと連通しており、
ｂ．吸気流システムが、エンジンからの排気ガスのための１つ又は複数の入口を備え、入口が、ＳＣＲ反応器の周囲に配置された少なくとも１つのフローダクトを通して、ガスの流れを分配するように構成され、ＳＣＲの周囲のフローダクトを通る排気ガスの流れが、気化器モジュールに熱を供給し、アンモニアに転換される尿素又はアンモニア前駆体が、ＳＣＲ反応器内に導入される前に気化器モジュール内に導入され、ＳＣＲ反応器の断面全体にわたってほぼ均一なガス速度及び濃度プロファイルをもたらすため、アンモニア含有ガス流を導入した後、且つ複数のバッフルプレートを通過した後、それぞれのフローダクト内のガスの流れが、ＳＣＲ反応器内に導入され、
ｃ．気化器モジュールが、加熱された予備反応器内に尿素又はアンモニア前駆体を導入する手段を備え、加熱された予備反応器内では、排気ガス流をＳＣＲ反応器に導入する前に、尿素又はアンモニア前駆体が、少なくとも部分的に分解され、続いて排気ガス流内に供給される、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【００２１】
２．加熱された予備反応器が、洗浄された排気ガスの流れによって加熱される、条項１に記載のシステム。
【００２２】
３．少なくとも１つのフローダクトとＳＣＲ反応器部との間の接続通路内で対角線上に据え付けられた固定板を更に備える、条項１に記載のシステム。
【００２３】
４．触媒の断面全体にわたってほぼ均一な濃度のアンモニアをもたらすように構成される、条項１に記載のシステム。
【００２４】
５．ガスの吸気流が、２つ以上のフローダクト内へと分離される、条項１に記載のシステム。
【００２５】
６． 各フローダクト内のガスの流れがほぼ等しい、条項５に記載のシステム。
【００２６】
７．燃焼器の運転条件に起因する圧力及び／又は温度の変動が、２つの吸気ダクトの間で最小化される、条項１に記載のシステム。
【００２７】
８．ＳＣＲシステムが、約２の長さ対高さ比を有する、条項１に記載のシステム。
【００２８】
９．フローダクトのうちの少なくとも１つが、ＳＣＲ反応器の第１の側面上に配置され、異なるフローダクトのうちの少なくとも１つが、ＳＣＲ反応器の反対側上に配置される、条項１に記載のシステム。
【００２９】
１０．バッフルプレートが、触媒の上流の排気ガスの均一な運動量分布をもたらすように、且つアンモニアを添加する前に排気ガスの移動時間を増加させるように配置且つ配向される、条項１に記載のシステム。
【００３０】
１１．尿素又はアンモニア前駆体の導入を制御する手段を更に備える、条項１に記載のシステム。
【００３１】
１２．尿素又はアンモニア前駆体の導入を制御する手段がＮＯｘセンサを備える、条項１１に記載のシステム。
【００３２】
１３．反応器の幅が、反応器の高さよりも大きいか、又は反応器の高さと等しい、条項１に記載のシステム。
【００３３】
１４．フローダクトが、長方形、正方形、円形、又は半円形である、条項１に記載のシステム。
【００３４】
１５．長方形のフローダクトが、長方形の断面を有し、フローダクトの長さが、ほぼＳＣＲ反応器の長さである、条項１に記載のシステム。
【００３５】
１６．各長方形フローダクトの長さに対して、各長方形フローダクトの幅と高さが、それぞれ、約８分の１以下及び２分の１である、条項１５に記載のシステム。
【００３６】
１７．水平バッフルプレートが使用された場合、各長方形フローダクトの長さに対して、各長方形フローダクトの幅と高さが、それぞれ、約６分の１以下及び６分の１である、条項１５に記載のシステム。
【００３７】
１８．少なくとも１つのＳＣＲ触媒が、モノリスを通るガス流の正味方向において、正方形、長方形、又は円形の形状を有するモノリスの形態にある、条項１に記載のシステム。
【００３８】
１９．ＳＣＲ反応器が、モノリスの形態で少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備える、条項１に記載のシステム。
【００３９】
２０．気化器モジュールが、ＳＣＲ反応器を出る清浄な排気ガスの一部を除去する手段、圧力下で清浄な排気ガスの一部を収集する手段、加圧された清浄な排気ガスを気化チューブ内に供給する手段、及び尿素又はアンモニア前駆体を気化チューブ内の清浄な排気ガス内に注入する手段を備える、条項１に記載のシステム。
【００４０】
２１．ＳＣＲ反応器を出る清浄な排気ガスの一部を除去する手段、及び圧力下で清浄な排気ガスの一部を収集する手段が、熱気体圧縮機又はエンジンからの機械的エネルギーを利用する手段である、条項２０に記載のシステム。
【００４１】
２２．清浄なガスの質量流量及び温度、並びに高温ガス流内の尿素又はアンモニア前駆体の滞留時間が、水の完全な蒸発、並びに尿素又はアンモニア前駆体の熱分解を達成するのに十分である、条項２０に記載のシステム。
【００４２】
２３．気化チューブ内のガス速度が、毎秒約１０メートルである、条項２０に記載のシステム。
【００４３】
２４．除去された清浄なガスの質量流量が、排気の質量流量の総量の約１０％未満である、条項２０に記載のシステム。
【００４４】
２５．気化チューブが、反応器の長さとほぼ同じ長さを有する、条項２０に記載のシステム。
【００４５】
２６．気化チューブが、フローダクトのうちの少なくとも１つの中に配置される、条項２０に記載のシステム。
【００４６】
２７．清浄なガスの質量流量を約半分に分割する手段、及び気化チューブ内に旋回流をつくるため、気化チューブ内に清浄なガスをオフセットさせて供給する手段を更に備える、条項２０に記載のシステム。
【００４７】
２８．尿素水溶液が注入される、条項２０に記載のシステム。
【００４８】
２９．アンモニアが、次いでフローダクト／反応器通路の両方の中に導入される、条項２０に記載のシステム。
【００４９】
３０．排気流内へのアンモニア含有清浄ガスの分配が、フローダクトと反応器の間の各通路の真ん中に配置されたデバイスを使用して、均一な態様でもたらされ、デバイス／チューブが、開口を含み、それにより、通路のそれぞれの上の長方形の流通路にわたってほぼ同じ流れが生じる、条項２０に記載のシステム。
【００５０】
３１．エンジンからの排気内で形成された窒素酸化物の量を還元させる方法であって、エンジンからの排気ガスを、条項１に記載のＳＣＲシステムを通過させることを含む、方法。
【００５１】
図１は、エンジンからの排気ガスが吸気流システム内で２つの流れに分配されるＳＣＲシステムの実施形態の概略図である。別の実施形態では、エンジンからの排気ガスは、吸気流システムの内部で単一の流れに維持され得る。他の実施形態では、エンジンからの排気ガスは、吸気流システム内で３つ以上の流れに分配される。吸気システム内の流れの数は、ＳＣＲシステムに対して利用可能な空間、並びに排気ガスの温度及び質量流量を含む幾つかの要因に左右される。一実施形態では、コンパクトＳＣＲシステムは、約５００ｋＷと約１０００ｋＷ（１ＭＷ）の間、又は１０００ｋＷ（１ＭＷ）から約２０００ｋＷ（２ＭＷ）の間、又は約２０００ｋＷ（２ＭＷ）から約４５００ｋＷ（４．５ＭＷ）の間を生成するエンジンから排気ガスを受ける。エンジンの排気ガスは、入口１を通してＳＣＲシステム内に流れ込む。入口１は、１つのシリンダバンクを有するエンジン用の単一入口フランジ、又は、複数（例えば、２つ）のシリンダバンクを有するエンジン（Ｖの各バンク上にターボチャージャーを備えるＶ型エンジン）用の２つ以上の入口であってもよい。典型的に、且つ好適な流れパターンのために、チューブ／フランジのような、システムに通じる円形の入口が使用されるが、正方形、長方形、三角形、又は楕円形のような他の形状も更に使用してもよい。入口１を通してシステムに流入した後、ガスの流れは、図１の例示的実施形態において番号１１と１２で示されているように、リアクタ部３の周囲の、１つ又は複数の、好ましくは２つのフローダクトに分配される。フローダクトは、長方形、正方形、円形、又は半円形の断面を有し得る。一実施形態では、システムは、長方形の断面を有する２つのフローダクトを備え、各フローダクトの高さは、フローダクトの長さの半分ほどである（図２参照）。燃料効率の増大は、より大きな断面領域を使用することにより実現することができる。より大きな断面領域は、一定のダクト断面で１つ又は複数のフローダクトを用いて達成することができ、結果として圧力損失（損失水頭）が低くなる。２つ以上の吸気が使用された場合、シリンダバンク間の温度や圧力などの変動が均等化される。一実施形態では、フローダクトは長方形断面を有し、フローダクトの長さは、ほぼＳＣＲ反応器の長さである。各長方形フローダクトの長さに対して、各フローダクトの幅と高さは、それぞれ、約８分の１以下及び２分の１であリ得る。
【００５２】
一実施形態では、複数のフローダクトが存在し、各ダクト内のガス流はほぼ等しい。ほぼ等しいといった場合、例えば、２つのフローダクトを有するシステムでは、質量流量の割合が、約５０：５０から約６５：３５、好ましくは約５０：５０から約６０：４０、且つより好ましくは約５０：５０から約５５：４５の範囲内であることを意味する。ＳＣＲ反応器内の触媒の断面全体にわたって、均一な濃度のアンモニア又は他の還元剤をもたらすためには、複数のフローダクトにおける質量流量の割合を調整するべきである。複数の排気流を有する実施形態では、システムは、入口３１からＳＣＲ反応器部３への、圧力や温度などの流れの間の差異を均等化する。図面では、フローダクトがＳＣＲ反応器の側面周囲に配置された実施形態が示されている。他の実施形態では、フローダクトは、反応器の上でも下でもよい。他の実施形態では、フローダクトは、１つ又は複数の側面周囲に配置されてもよく、且つＳＣＲ反応器の上又は下に配置されてもよい。
【００５３】
一実施形態では、各フローダクト１１及び１２は、バッフル２１が取り付けられ（図２を参照）、それにより、流れの中のガス流の局所速度が増大する。これにより、流れがより乱れるようになり、排気ガスと、蒸発した尿素又は他の還元剤との混合が改善される。幾つかの実施形態では、バッフルは、アンモニアの導入前の排気ガスの移動時間を増大させることができる。バッフルのサイズ及び位置は、エンジンによって生成された排気ガスの量、その温度など幾つかの要因に左右される。気化チューブは、フローダクトのうちの少なくとも１つの中に配置され得る。各フローダクト１１、１２の端部には、ガスの流れを均等化するために多孔プレート２２が位置付けされてもよい。プレートのサイズ及び位置、並びに孔の数、サイズ、及び位置は、エンジンによって生成された排気ガスの量、許容背圧力、温度などの幾つかの要因によって変動し得る。排気流内へのアンモニア含有清浄ガスの分配は、フローダクトと反応器の間の各通路の真ん中に配置されたデバイスを使用して、均一な態様でもたらされ、デバイス／チューブは、開口を含み、それにより、通路のそれぞれの上の長方形の流通路にわたってほぼ同じ流れが生じる。別の実施形態では、特にエンジンに対してより高い背圧力が許容されるとき、図３で示されているように、排気流を後方、前方、再度後方へと仕向けることにより、フローダクト内の排気流の滞留時間を更に増大させることができる。一般的に、排気流の移動時間の増大は、以下で説明されているＮＯｘセンサ、電気制御ユニット、及び気化器モジュールによって投与される還元剤の量を制御するために必要である。更に、この実施形態の高ガス速度により、乱れのレベルが高くなるため、生の排気とアンモニアの混合が改善される。水平バッフルが使用され、且つフローダクトが長方形の形状を有する場合、各長方形フローダクトの長さに対して、各フローダクトの幅と高さは、それぞれ、約６分の１以下及び６分の１であリ得る。
【００５４】
各フローダクト１１及び１２の流れの方向は、９０度転回し、２つのフローダクト１１及び１２の間の接続通路３１内で対角線上に配置された角度付けられたフロープレート２３に向けて方向付けられ、それにより、触媒の上流で均一な運動量分布が達成される。図４は、コンパクトＳＣＲシステムの背面を通る切断部を表す、この角度付けられたフロープレート２３の一実施形態の概略図を示す。図４は、図１で示されるように接続通路３１の断面を示す。接続通路３１（図１及び４を参照）では、排気ガスは、以下で説明されるように、還元剤を含む高温ガスと混合される。角度付けられたプレートの位置及び配向によって、ＳＣＲ反応器３の断面にわたってほぼ均一なガスの流れがもたらされる。ＳＣＲ反応器内の触媒にわたって排気流が均一であることにより、結果として、触媒が均一に利用され、最大限のＮＯｘ転換がもたらされる。ＳＣＲ反応器は、反応器の高さよりも大きな幅又は反応器の高さと等しい幅を有してもよい。
【００５５】
ＳＣＲ触媒ブリックは、ＳＣＲ反応器部３の中央に配置される。これらの触媒ブリックは、図１及び２では示されていない。ＳＣＲ触媒ブリックは、ガスの流れの方向に対して垂直な、幾つかの断面形状（正方形、長方形、六角形、及び円形を含む）のいずれかを有してもよく、断面領域の利用度を高めるため、正方形又は長方形が好まれる。一実施形態では、ＳＣＲ触媒ブリックは、正方形であり、約１５０×１５０ｍｍ２の断面を有する。
【００５６】
排気ガスは、次いで、接続通路３１から反応器３内のＳＣＲ触媒ブリック（図示せず）へと通過する。ここでは、排気ガス内のＮＯｘの量が減少するように、選択的触媒還元反応において、触媒表面上でＮＯｘが還元剤と反応する。ＳＣＲ反応が、ＮＯｘレベルの還元に効果的であるためには、ガス化された尿素を含む燃焼ガスの温度は、少なくとも約１００℃、典型的に約１８０℃から約６００℃、好ましくは少なくとも約２５０℃を越えなくてはならない。窒素酸化物を窒素に触媒還元する選択的還元をもたらすため、ＳＣＲ反応器内で使用される触媒の組成、形態、及び特に体積は、ＳＣＲ反応器内のガスの温度及び質量流量、並びにＮＯｘ負荷及び炭化水素、硫黄のような他の排気ガス成分に基づいて選択されてもよい。
【００５７】
ＳＣＲ触媒を通過した排気ガスは、洗浄されたと規定されるか、又は清浄な排気ガスであるとみなされる。次いで、清浄な排気ガスは、排気フランジ４（図１及び２を参照）を通してコンパクトＳＣＲシステムから離れる。清浄な排気ガスの一部は、図１で示されるように、洗浄された排気ガス流の主流から分離される。洗浄された排気ガス流の主流から分離された清浄な排気ガスの量は、排気ガスの温度、流量、及びＮＯｘ負荷を含む様々な要因に左右される。分離された清浄な排気ガスの部分は、吸気フランジ１を通して流入する生の排気ガスの総量に基づいて、約１から３０％、好ましくは５から１５％、より好ましくは約７から１０％の範囲であり得る。一実施形態では、清浄な排気ガスの一部は、排気フランジの下流に配置されたチューブ内で分離される。別の実施形態では、清浄な排気ガスの一部は、排気フランジ４の上流に配置されたチューブ内で分離される。図５は、尿素の気化器モジュールの好適な実施形態を示す。除去された洗浄された排気ガスの一部は、接続部、好ましくはパイプ５１を通して、尿素の気化器モジュール内の注入ヘッド５３に移送される。一実施形態では、パイプ５１に接続された熱気体圧縮機５２が、洗浄された排気ガスを気化器モジュール内の注入ヘッド５３に移送するために使用される。冷たい新鮮な空気を更に入れることによって、ガス密度の増大に起因する熱気体圧縮機のエネルギー需要を減少させることができる。別の実施形態では、例えば、ターボチャージャー或いは熱気体圧縮機とターボチャージャーの組み合わせによって、コンパクトＳＣＲシステムの上流又は下流の排気ガス流から供給される機械的エネルギーは、洗浄された高温ガスを圧縮し、注入ヘッド５３へと移送するために使用され得る。別の実施形態では、エンジン軸などの機械的エネルギーを利用する手段を使用してもよい。
【００５８】
注入ヘッド５３への洗浄された排気ガスの流れは、複数の副流に分けられる。図５は、２つの副流（５１１、５１２）に分けられた清浄なガスの流れを示す。それぞれの副流は、気化器モジュールの尿素気化チューブ５内の注入ヘッド５３内に供給される。好適な実施形態では、副流は、注入ヘッド５３の周囲に導入され、尿素気化チューブ５内で高温ガスの旋回を引き起すために接線方向にオフセットされる。図２及び図５で示される分配チューブ５は、コンパクトＳＣＲ反応器システムの長さにほぼ等しい長さを有する。他の実施形態では、分配チューブの長さは、ＳＣＲ反応器の大体の長さのわずかな部分（好ましくは１よりも大きい）である。図６は、尿素気化チューブが、ＳＣＲシステムの長さの約２倍の長さを有する、気化器モジュールの実施形態の上面図を示す。
【００５９】
気化チューブ５内の高温の清浄なガスの流れは、約１００ミリ秒の滞留時間を達成するため、毎秒２から２０メートル、好ましくは毎秒約１０メートルの速度を有し得る。当業者であれば、気化チューブ５内のガスの滞留時間及び温度の両方が、溶液の揮発及び尿素からアンモニアへの転換を確実に行う上で重要な要素であると認識するであろう。これらの要素に基づいて、燃焼器の運転条件及び転換要件に特有である、尿素からアンモニアへの必要な転換をもたらすため、蒸気の滞留時間が調整され得る。除去された清浄なガスの質量流量は、排気の質量流量の総量の約１０％未満であってもよい。尿素の水溶液が、注入ヘッド５３内のノズル５６の中に注ぎ込まれ、小滴として、ノズル５６から尿素気化チューブ５内へと解放される。尿素の水溶液は、沈殿又は他の問題がない、貯蔵や取扱いに適切な濃度で維持される。水溶液内の尿素の濃度は、約５から５５％、好ましくは約１５から約４５％、より好ましくは約３０から約４０％の範囲であり得る。尿素気化チューブ５の中では、水と尿素が気化され、尿素がアンモニアに分解される。気化チューブ内の水／尿素／アンモニアの滞留時間は、約５０から２００ミリ秒、好ましくは、約１００ミリ秒に設定される。アンモニア含有ガスが、アンモニア分配チューブ５４及び５５内に供給される（図２参照）。分配チューブ内の温度は、少なくとも約１５０℃、好ましくは少なくとも２００℃の温度で維持されるべきである。好適な温度範囲は、約３００℃から約４５０℃である。清浄なガスの使用により、尿素気化チューブ５並びにアンモニア分配チューブ５４及び５５の中のアンモニア又は別の還元剤を有するガスの速度を制御及び／又は調整する手段がもたらされ、尿素分解生成物と炭化水素、硫黄などのような生の排気成分との副反応が最小限に抑えられ、その結果、尿素水蒸発／分解の時間の制御、並びに最低限のアンモニアスリップで最大限のＮＯｘ還元を達成する可能性がもたらされる。
【００６０】
アンモニア分配チューブは、アンモニアー排気ガス流を形成するためにアンモニア含有ガスをフローダクト１１及び１２からの排気ガス流と組み合わせる手段を備える。一実施形態では、アンモニア含有ガスを排気ガス流と組み合わせる手段は、フローダクト１１及び１２からのガスの流れがアンモニア含有ガスと組み合わさることができる領域において、アンモニア分配チューブ５４及び５５の少なくとも一部に沿って離間される複数の出口を備える。好適な実施形態では、アンモニア分配チューブ５４及び５５は、それぞれ、
チューブ５４内の開口部がチューブ５５に向けて方向付けられ、チューブ５５内の開口部がチューブ５４に向けて方向付けられるように配向される複数の孔又は開口部を含む。開口部の数、サイズ、位置、及び配向は、排気の流量及びコンパクトＳＣＲシステムの構成によって変動し得る。開口部は、ほぼ同じ質量流量が流れの両方の側で生じるように、設計される。これは、気化チューブ５の圧力損失の関数である。熱気体圧縮機又はターボチャージャーなどによってもたらされた微妙な超過圧力を使用することによって、反応物質を含有する高温ガスの流れを制御することが可能となる。フローダクトが１つしかない一実施形態では、１つのアンモニア分配チューブで十分である。十分に分配されたアンモニアー排気ガス流は、次いでＳＣＲ反応器部３に流れ込み、ＳＣＲ触媒を通過し、洗浄された排気ガスに転換される。好適な実施形態では、コンパクトＳＣＲシステムは、従来のＳＣＲプロセスでよく使用される又は必要とされるアンモニア注入グリッド（ＡＩＧ）を使用しない。一実施形態では、新鮮な空気の送風機が、尿素注入点の前又は後ろに配置され、それにより、十分な圧力が供給され、側流が主流に導入される。
【００６１】
一実施形態では、コンパクトＳＣＲシステムは、触媒を交換するためにＳＣＲ反応器にアクセスする手段を更に備える。好適な実施形態では、この手段は、反応器の上面又は側面に配置された扉である。
【００６２】
一実施形態では、コンパクトＳＣＲシステムは、１つ又は複数のＮＯｘセンサ及び／又はアンモニア（ＮＨ３）センサを更に備える。ＮＯｘ及び／又はＮＨ３センサは、気化器モジュール、それから排気ガスの中に移送される尿素及び清浄なガスの量を制御するユニットに連結される。一実施形態では、ＮＯｘセンサは、フローダクト上の排気ガス入口に配置される。別の実施形態では、ＳＣＲ触媒の下流に配置されたＮＯｘ又はＮＨ３センサは、閉ループ制御のために使用され得る。別の実施形態では、下流のＮＯｘセンサは、熱気体圧縮機から気化チューブへと供給される清浄なガス流の中に配置される。更に別の実施形態では、該システムは、フローダクトの入口上流においてＮＯｘセンサを更に備える。更に別の実施形態では、該システムは、例えば、負荷が変更された場合、タイムリーな注入が確実に行なわれるように、清浄なガス／アンモニア混合物を導入する前の、システム内の生の排気ガスの移動時間を設ける。すなわち、電気制御ユニットは、投与される尿素の必要量を計算且つ供給するために十分な時間を有する（換言すれば、（ＮＯｘセンサの時間＋電子処理時間＋チューブ５の中の尿素滞留時間）＝（ＮＯｘセンサからアンモニア分配チューブに至るまでに排気ガスが必要とする時間）である）。
【００６３】
好適な実施形態では、コンパクトＳＣＲシステムは、５００から４５００ｋＷの電力を有するシングル又はダブルのシリンダバンク（例えば、Ｖシリンダ）のエンジンからの排気ガスを通過させるための１つ又は２つの吸気フランジを備える。好適な実施形態では、フランジは円形である。
【００６４】
好適な実施形態では、該システムは、（図１で示されるように）反応器の各側面に位置付けされた２つのフローダクト、反応器とほぼ同じ長さの気化チューブ、両方のチューブを通して似たような流れを達成するために水圧で最適化された孔を有する２つのアンモニア分配チューブ、及び（図４で示されるように）角度付けられたフロープレートを有し、排気ガス流は、プレートに沿って流れる（逆に、すなわち、上部左から下部右にかけて角度付けられたフロープレートに相対して流れる。この場合、フローダクトはリアクタ部３内へと出る。）これらの実施形態で使用される触媒は、使用される燃料の性質及び燃料の中の不純物のレベルを含む幾つかの要因によって、セル密度において大きく変動し得る。
【００６５】
一実施形態では、ＳＣＲシステムは、ＳＣＲ活性を減少させ得る炭化水素を還元するため、各フローダクト内の尿素注入口の上流に配置された酸化触媒を更に備える。酸化触媒は、更にＣＯ、芳香族化合物などを酸化する。
【００６６】
更なる態様によると、本発明は、ＳＣＲ反応器、吸気流システム、及び気化器モジュールを備えるＳＣＲシステムを通してエンジンからの排気ガスを通過させることを含む、エンジンからの排気ガス内で形成された窒素酸化物の量を還元させる方法であって、
ａ．ＳＣＲ反応器が、少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備え、且つ吸気流システム及び気化器モジュールと連通しており、
ｂ．吸気流システムが、エンジンからの排気ガスのための１つ又は複数の入口を備え、入口が、ＳＣＲ反応器の周囲に配置された少なくとも１つのフローダクトを通して、ガスの流れを分配するように構成され、ＳＣＲの周囲のフローダクトを通る排気ガスの流れが、気化器モジュールに熱を供給し、アンモニアに転換される尿素又はアンモニア前駆体が、ＳＣＲ反応器内に導入される前に気化器モジュール内に導入され、ＳＣＲ反応器の断面全体にわたってほぼ均一なガス速度及び濃度プロファイルをもたらすため、アンモニア含有ガス流を導入した後、且つ複数のバッフルを通過した後、それぞれのフローダクト内のガスの流れが、ＳＣＲ反応器内に導入され、
ｃ．気化器モジュールが、モジュールの加熱された部分の中に尿素又はアンモニア前駆体を導入する手段を備え、加熱された部分の中では、排気ガス流をＳＣＲ反応器に導入する前に、尿素又はアンモニア前駆体が、少なくとも部分的に分解され、続いて排気ガス流内に供給される、方法を提供する。
【００６７】
以上の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にすることを意図している。説明を読めば技能者に明らかになるすべての可能な修正例及び変形例を詳細に記載することを意図していない。しかしながら、上記の説明で確認され、さもなければ以下の特許請求の範囲で規定されているこのようなすべての修正例及び変形例は、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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