(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジン熱電併給装置において、維持コストを増加させることなく、排熱回収効率を増大させる。【解決手段】ディーゼルエンジン熱電併給装置のエンジンと排熱回収装置の間に、貫通孔を有するハニカム状酸化触媒を設けて、排ガス中の重質成分を酸化除去することにより、スス分や灰分の付着を大幅に抑制する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと排熱回収装置の間に、貫通孔を有するハニカム状酸化触媒を設けたディーゼルエンジン熱電併給装置。
【請求項２】
ハニカム状酸化触媒のガス流路の相当直径が１．６〜５ｍｍの範囲で、１のハニカムの層長が前記相当直径の１０〜５０倍の範囲にある請求項１の熱電併給装置。
【請求項３】
ハニカム状酸化触媒が、Ｐｔ，　ＲｈおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の貴金属をチタニア、ジルコニアの少なくとも１種を含む担体に担持した触媒を活性成分として含む請求項２に記載の熱電併給装置。
【請求項４】
エンジン排ガスを、ハニカム状酸化触媒に通じ、重質炭化水素を酸化したのち、排熱回収装置に通じ、排ガス温度が２００℃以下になるまで熱回収することを特徴とするディーゼルエンジンを用いる熱電併給方法。
【請求項５】
ハニカム状酸化触媒のガス流路の相当直径が１．６〜５ｍｍの範囲で、１のハニカムの層長が前記相当直径の１０〜５０倍の範囲にある請求項４に記載のディーゼルエンジンを用いる熱電併給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重油等の比較的重質な燃料を用いて運転されるディーゼルエンジンを用いる熱電併給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは、設備コストも低く、かつ高い発電効率が得られるために、安価な天然ガスの供給が確立していない地域を中心に発電用に広く用いられている。この種の定置式エンジンによる分散型電源では、単に発電機により電力を得るのみならず、排熱を有効に回収することにより省エネルギーを達成するのが普通であり、天然ガス焚きエンジンのように排ガス性状が良好な場合には、排ガス温度が２００℃を下回る程度まで十分な排熱回収を行うことが一般的である。
【０００３】
しかし、ディーゼルエンジン排ガスには、比較的高い濃度のＮＯｘおよびＳＯｘに加えて、ススや油分からなるＰＭ（粒子状物質）を含む。このため、ディーゼルエンジン排ガスから熱回収を行うと、排熱ボイラの熱交換器に速やかにタール状の物質が付着して、熱交換能力が低下するため、排熱ボイラの清掃に多額のコストを要する問題があった。
【０００４】
近年、ディーゼル自動車の排ガスが環境に及ぼす影響が問題とされるところとなり、これに対応してディーゼルエンジン排ガスの浄化方法は幅広く研究されている。セラミックモノリスあるいは不織布フィルター等を用いて固形分をろ過するディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）は有効な浄化手段とされているが、定置式エンジンでは、自動車用よりはるかに長期の耐久性が必要とされること等から、適用は難しい。通常のハニカム状酸化触媒を用いても粒子状物質の一部を低減できることは知られている（例えば、特許文献１（特開平２−２０７８４５号公報）、特許文献２（特開平３−３８２５５号公報）等）が、熱電併給装置に適用した場合の効果、特に熱交換器への付着物低減効果については不明である。
【０００５】
特許文献３（特開２０００−３２０４００号公報）には、排ガスを熱交換器を経由して燃焼器に導き、燃料を添加して燃焼させることにより、通常は３５０℃程度で排出される排ガスの温度を一旦１０００℃以上に上昇させて、ディーゼル排ガス中のはいじん分を燃焼除去した後、熱回収する方法が提案されているが、燃料を追加的に必要とすることから省エネルギー性が低下し、また、１０００℃以上の高温に耐える配管および熱交換器を新たに必要とすることから、大幅なコスト増加となり、現実的とはいい難い。
【０００６】
特許文献４（特開２００２−４５６５３号公報）には、ディーゼルエンジン発電機の排ガス煙道中に、触媒溶液を噴出する手段とその下流にフィルター層を設け、浮遊微粒子に触媒溶液を付着させたのち、フィルターに通じると、フィルター上で触媒成分が有効に浮遊微粒子に作用して、連続的に排ガス中の浮遊微粒子が分解できるという方法が提案されているが、これもフィルターの使用による圧力損失の問題や、触媒成分が熱交換器等に付着したり、排ガス中に混じって排出される懸念がある。
【特許文献１】
特開平２−２０７８４５号公報
【特許文献２】
特開平３−３８２５５号公報
【特許文献３】
特開２０００−３２０４００号公報
【特許文献４】
特開２００２−４５６５３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、ディーゼルエンジンを用いる熱電併給において、熱交換器の清掃等にかかる維持コストの増加を招くことなく、排熱回収効率を向上せしむる方法およびそれを可能とする装置に関する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、ディーゼルエンジン排ガスの分析や、熱交換器の付着物等の分析を元に検討を重ね、下記のような知見を見出すに至った。すなわち、ディーゼルエンジン排ガス中には、燃料や潤滑油に由来する炭素数が１６〜３４程度の脂肪族炭化水素や、炭素数が８〜１７程度のアルデヒドおよびカルボン酸など高沸点の重質成分が含まれる。これらは高沸点であるゆえに、低温では凝縮してタール状となりやすい。熱交換器の低温部分には、これらが経時的に蓄積する。
さらに、ディーゼルエンジン排ガス中にはいわゆるスス分である炭素粒子や、オイルの灰分に由来する無機固形分が排ガス１立方メートル（標準状態における体積）あたり２〜１００　ｍｇ程度存在する。これらは、通常の状態では煙道にはほとんど付着することなく、放出される。しかし、熱交換器に前記の重質成分が付着していると、その強い粘着力によって、これら固形分を容易に吸着し、ますます熱交換器の能力を阻害する。
【０００９】
ところで、固形分を除去するには、従来技術でも度々指摘されているように、フィルターなどの濾過手段によらざるを得ない。これは、無機分については燃焼除去し得ないのは当然であるが、スス分の接触燃焼は固体触媒による固体の分解となって、触媒作用が発現するのは物理的に接触しているごくわずかの領域に限られるからである。
さらに検討を継続したところ、排ガス中の重質成分は、酸化触媒によって容易に除去できること、そして、このような重質成分を除去してしまえば、もはや固形分の粘着も起こらないため、熱交換器が長期にわたって清浄に保たれるという新規の知見を見出した。
【００１０】
本発明はこのような新たな知見に基づいて完成されたものであり、下記のディーゼルエンジン熱電併給装置およびディーゼルエンジンを用いる熱電併給方法を提供することを目的とする。
（１）エンジンと排熱回収装置の間に、貫通孔を有するハニカム状酸化触媒を設けたディーゼルエンジン熱電併給装置。
（２）ハニカム状酸化触媒のガス流路の相当直径が１．６〜５ｍｍの範囲で、１のハニカムの層長が前記相当直径の１０〜５０倍の範囲にある前記項１の熱電併給装置。
（３）ハニカム状酸化触媒が、Ｐｔ，　ＲｈおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の貴金属をチタニア、ジルコニアの少なくとも１種を含む担体に担持した触媒を活性成分として含む前記項２に記載の熱電併給装置。
（４）エンジン排ガスを、ハニカム状酸化触媒に通じ、重質炭化水素を酸化したのち、排熱回収装置に通じ、排ガス温度が２００℃以下になるまで熱回収することを特徴とするディーゼルエンジンを用いる熱電併給方法。
（５）ハニカム状酸化触媒のガス流路の相当直径が１．６〜５ｍｍの範囲で、１のハニカムの層長が前記相当直径の１０〜５０倍の範囲にある前記項４に記載のディーゼルエンジンを用いる熱電併給方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のディーゼルエンジン熱電併給装置は、エンジンと排熱回収装置の間に、貫通孔を有するハニカム状酸化触媒を設けてなることを特徴とする。また、本発明のディーゼルエンジンを用いる熱電併給方法は、エンジン排ガスをハニカム状酸化触媒に通じ、重質成分を酸化したのち、排熱回収装置に通じて排ガス温度が２００℃以下になるまで熱回収することを特徴とする。
【００１２】
本発明が対象とするディーゼルエンジンは、熱電併給用途に使用できる限り、その規模や、燃料噴射制御の方法、使用燃料には制約はないが、通常軽油や重油を燃料として運転され、エンジン出口の排ガス温度が３００〜６００℃程度のものである。なお、例えば、ＪＩＳ　Ｋ　２２５４に規定される９０％留出温度が３００℃以下のような軽質燃料で運転されるディーゼルエンジンでは、本発明の方法を使用しなくても有効に熱回収できる場合がある。
本発明の排熱回収装置は、排ガスの保有する熱を熱源に媒体を加熱するものであり、液の加熱を行うもの、ガスの加熱を行うもの等、種類は問わないが、通常は排ガスの熱を用いて、水から温水または蒸気を発生する排熱ボイラである。
本発明の酸化触媒は、貫通孔を有するハニカム形状であり、コージェライトなどの耐火性無機基体に触媒成分をコートしたもの、または触媒成分自体にバインダーを加えてハニカム状に成型したものが使用できるが、機械強度の点からは前者が好ましい。
【００１３】
ハニカムの形状は、貫通孔の直径が小さすぎる場合は、固形分の蓄積による閉塞が起こりやすいが、大きすぎても重質成分の除去性能が低下するので、相当直径が１．６〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。また、開口率は、小さすぎれば、端面に固形分が付着し、これが貫通孔の閉塞につながることがあるため、５５％以上とするのがよく、また８５％以上では、機械強度が維持できない恐れがある。
【００１４】
触媒成分は、適当な酸化力を有する限り、白金族系でも銅や鉄、マンガンなどの卑金属系でもよい。ただし、重質成分に対して酸化力を有するが、二酸化硫黄の酸化をあまり進めないほうが望ましい。また、重油等の重質油中には比較的多量のＳ分や、触媒活性を阻害する無機分が含まれていることがあるので、耐被毒性は重要である。このような見地からは、Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄなどをチタニア、ジルコニアなどの担体に担持した触媒が適当である。性能とコストを勘案するとハニカム触媒１リットルあたり、貴金属の担持量は０．５〜２ｇ程度とするのがよく、担体のコート量は５０〜１５０ｇ程度とするのがよい。
【００１５】
触媒の使用量は、少なすぎると所望の効果が得られず、多すぎても圧力損失が増大する上に経済的に不利となるので、ガス時間あたり空間速度（ＧＨＳＶ）が１０，０００〜３００，０００ｈ−１程度の範囲とするのがよく、より好ましくは３０，０００〜１８０，０００ｈ−１程度の範囲とする。
【００１６】
過給器付きエンジンにおいては、触媒の設置位置は、過給器の出口に設置するのが普通であるが、エンジン出口から過給器の間としてもよい。
本発明の熱電併給装置にはさらに、排ガスの高度な浄化のために脱硝触媒を設置してもよい。この場合、脱硝触媒の設置位置は酸化触媒の上流でも下流でもよいが、酸化触媒の下流に設置するほうが、脱硝触媒への固形分の付着が抑制できるので好ましい。
本発明のディーゼルエンジンを用いる熱電併給方法では、エンジン排ガスを前記のハニカム状酸化触媒に通じ、重質成分を酸化したのち、排熱回収装置に通じて熱回収する。本発明の方法によれば、排熱回収装置の熱交換器への付着物が抑制されるので、排ガス温度が２００℃を下回るまで熱回収することができる。なお、排ガス温度が例えば８０℃を下回るまで熱回収する場合には、水分の凝縮がおこり、これに排ガス中の硫黄酸化物が溶解して、熱交換器や煙道の腐食を引き起こす恐れがあるので、排熱回収後の排ガス温度は８０℃を下回らないようにすることが望ましい。
【００１７】
ディーゼルエンジンは、始動直後に特に黒煙を多く発生するが、始動時は触媒温度が低いので重質成分の除去性能が十分に得られないことがある。この場合、別途バイパスを設けておき、始動直後のみバイパスに排ガスを通すようにしてもよい。バイパス流路には必要に応じてフィルターなどを設けてもよい。始動直後のみ使用するだけなので、この場合は寿命や圧力損失増大は比較的問題とならない。
【００１８】
本発明の酸化触媒は、ディーゼルエンジンの排ガスの通常の温度で有効に機能するが、触媒の活性および耐久性を考えると、触媒層の温度は３５０〜５００℃の範囲にあるのが好ましく、排ガス温度がこの範囲を外れるときは、適宜所要量の空気を加えるなどして排ガス温度の調整を行ってもよい。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の方法に従えば、ディーゼルエンジンを用いる熱電併給において、維持コストの増大を招くことなく、高い排熱回収効率が得られるので、低コストで省エネルギーを実現することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例を示し、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例
コージェライトハニカム（１５ｃｍ角ｘ５ｃｍ長さ、１平方インチ（＝６．４５平方センチ）あたりのセル数１００）に、１重量％のＰｔと０．５重量％のＰｄを担持したジルコニア（東ソー製、ＴＺ−０；比表面積１６　ｍ２／ｇ）を１１０　ｇコートして酸化触媒を調製した。開口率は６６％であった。
Ａ重油で運転される発電出力１７００　ｋＷのディーゼルエンジンの排気から、誘引ファンを用いて毎時１３５ｍ３（標準状態における体積）を抜き出し、前記の触媒に導いた。触媒層の温度は３６０℃であった。
【００２１】
触媒の後流にＳＵＳ管を挿入して排ガスを取り出し、四塩化炭素を入れた吸収瓶（ＪＩＳ　Ｋ　０３０３に規定されるものと同等のもの）に毎分１．５リットル（標準状態における体積）の流量で導いた。吸収瓶の外側は氷冷した。ＳＵＳ管（全長５ｍ）は保温を行って、外気と適当な熱交換が行われるようにして、出口における排ガス温度が１１０℃となるようにした。
【００２２】
６０分間ガスを通じた後、ＳＵＳ管内部を四塩化炭素で洗浄した。洗浄液は、純水と混合攪拌し分液漏斗により油層と不溶分を分取した。不溶分は、水にも四塩化炭素にも不溶であるので、スス分に相当する。油層中に含まれる重質成分は、四塩化炭素を留去し秤量により定量した。吸収瓶中の四塩化炭素についても同様に処理し、重質成分とスス分を定量した。なお、吸収瓶は２連直列とし、２瓶目も同様に分析して、排ガス中のスス分および重質分が１瓶目でほぼ全量が捕捉できていることを確認した。
【００２３】
分析結果を表１に示す。スス分の大部分が吸収瓶で捕捉されており、ＳＵＳ管の内面に付着したスス分は少ない。
【００２４】
【表１】
2004132340.tif 000002
【００２５】
比較例１
ＳＵＳ管による排ガスの取り出し位置を触媒の上流側とした他は、実施例と同様にして試験した。分析結果を表２に示す。ＳＵＳ管内に多量のスス分および重質成分が付着していた。これは熱交換器への付着に相当するものである。
【００２６】
【表２】
2004132340.tif 000003
【００２７】
比較例２
保温を調整してＳＵＳ管出口での温度を２１０℃に保った他は、比較例１と同様にして試験した。分析結果を表３に示す。付着物の量は比較例１に比べれば低減されているが、実施例には及ばなかった。
【００２８】
【表３】
2004132340.tif 000004
【００２９】
以上の結果から、排ガスから１１０℃まで熱回収した場合、熱交換器（実施例ではＳＵＳ管がこれに相当する）内面に、多量の付着物が蓄積するが、本発明の方法に従って触媒を通じて重質成分を酸化しておくと、付着物の蓄積は相当程度抑制できる。
【００３０】
なお、表１および２を比較すればわかるように、熱交換器へのスス分の付着を抑制したことによって、必ずしも熱電併給装置からの粒子状物質の排出が大きく増えるわけではない。これは、スス分の排出量は増えるものの、可溶性有機成分（ＳＯＦ）を構成する重質成分は大幅に低減されるためである。特に、熱交換器への付着物を抑制するために、従来普通に行ってきたように排熱回収を十分行わないような条件で運転する場合（比較例２）には、重質成分の相当部分は排ガス中にそのまま放出されるが、本発明の方法に従えば、それに比べれば、排出量は、はるかに低減できる。