(57)【要約】  ガス流入口システム、気化器モジュール、およびＳＣＲ反応器を含む、小型選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムについて記述する。入口流システムは、熱を気化器モジュールに与え、還元剤と排気ガスとを混合し、触媒を通る排気ガスのほぼ均一な流れが得られるように構成される。気化器モジュールは、還元剤または還元剤の前駆体の溶液から還元剤を気化させるように、かつ気化した還元剤をガス流入口システムに移送して、そこで排気ガスと混合するように構成される。ＳＣＲ反応器は、入口流システムと気化器モジュールとを含有し、ＳＣＲ触媒は、入口流システムと気化器モジュールとに流体連通している。【選択図】図１
2017512934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流入口システムと、気化器モジュールと、選択的触媒還元（ＳＣＲ）反応器とを含む、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムであって、
ａ．前記ガス流入口システムは、少なくとも１つの排気ガス入口と、熱伝達領域と、少なくとも２本の流れダクトと、少なくとも２つの初期混合ゾーンとを含み、前記熱伝達領域は、燃焼機関からの排気ガスからの熱を、気化器モジュールに伝達するよう構成され、前記少なくとも２つの初期混合ゾーンのそれぞれは、前記気化器モジュールと、前記熱伝達領域から離れる排気ガスとに流体連通しており、かつ前記気化器モジュールからの気化した還元剤と排気ガスとを前記初期混合ゾーン内で混合することによって混合排気ガスを提供するように構成され、前記少なくとも２本の流れダクトのそれぞれは、前記ＳＣＲ反応器を経た混合排気ガスの流れを提供するように、かつ熱を排気ガスから前記ＳＣＲ反応器に伝達する手段を設けるように構成され、
ｂ．前記気化器モジュールは、還元剤または還元剤の前駆体の溶液から、気化した還元剤を形成するための手段と、前記気化した還元剤を、前記ガス流入口システムの前記初期混合ゾーンに移送するための手段と、前記気化器モジュール内の前記気化した還元剤を含む気化器容積とを含み、かつ
ｃ．前記ＳＣＲ反応器は、ＳＣＲ触媒を含み、前記ガス流入口システムおよび前記気化器モジュールに流体連通している
選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２】
前記熱伝達領域が、ある構造を含んでおり、前記構造は、前記排気ガスの流れを、前記構造と、前記気化器モジュールに熱連通しておりまたは前記気化器モジュールの一部である壁との間に通すように構成されている、請求項１に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３】
前記構造が、前記構造と、第１の壁との間に前記排気ガスの流れを通すようにさらに構成され、前記第１の壁は、前記気化器モジュールに熱連通しておりまたは前記気化器モジュールの一部であり、１つまたは複数の開口を含んでおりその内部を、前記排気ガスが前記壁に沿って通った後に通過する、請求項２に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４】
前記構造と、前記気化器モジュールに熱連通しておりまたは前記気化器モジュールの一部である壁との間に、前記排気ガスの流れを通すように構成された前記構造が、前記少なくとも２本の流れダクトのそれぞれに前記構造を接続する通路の一部を形成する、請求項３に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５】
前記ガス流入口システムが、２本の流れダクトと２つの初期混合ゾーンとを含む、請求項３に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項６】
前記気化器モジュールが、還元剤または還元剤の前駆体の溶液が内部を通過する少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスがノズルである、請求項６に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項８】
前記気化器モジュールが、前記少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスによって形成された液滴パターンの形状を制御するように構成された、少なくとも１つの追加のノズルをさらに含む、請求項６または７に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項９】
排気ガスが、前記ＳＣＲ反応器を通過した後、前記気化器モジュール内のガスと熱接触している第２の壁に接触する、請求項１から８のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１０】
前記ガス流入口システムが、前記気化器モジュールに熱連通している少なくとも１つの壁を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１１】
前記気化器モジュールに熱連通している前記少なくとも１つの壁が、前記気化器モジュールに直接熱連通している、請求項１０に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１２】
前記ガス流入口システムが、前記気化器モジュールに直接熱連通している２つの壁を含む、請求項１１に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１３】
前記気化器モジュールが、前記排気ガスに熱連通している少なくとも１つの壁を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１４】
前記気化器モジュールが、前記排気ガスに直接熱連通している１つの壁を含む、請求項１３に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１５】
前記気化器モジュールが、前記排気ガスに直接熱連通している２つの壁を含む、請求項１３に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１６】
前記ガス流入口システムが、前記流れダクトのそれぞれを前記ＳＣＲ反応器に接続する通路をさらに含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１７】
前記通路が、前記少なくとも２本の流れダクトから前記混合排気ガスの流れを、前記ＳＣＲ反応器へと指し向ける手段を含み、前記手段は、前記触媒の断面全体にわたって還元剤のほぼ均一な濃度を提供するように構成される、請求項１６に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１８】
前記少なくとも２本の流れダクトから前記混合排気ガスの流れを前記ＳＣＲ反応器へと指し向ける前記手段は、少なくとも２本の流れダクトと前記ＳＣＲ反応器との間の接続通路内に斜めに取り付けられた固体板を含む、請求項１７に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項１９】
前記少なくとも２本の流れダクトが、前記ＳＣＲ反応器の周りに前記排気ガスの流れを分配するよう構成され、前記流れダクトは、前記ＳＣＲ反応器に熱連通している、請求項１から１８のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２０】
前記流れダクトのそれぞれの内部のガスの流れが、ほぼ均等である、請求項１９に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２１】
前記流れダクトの少なくとも１本が、前記ＳＣＲ反応器の第１の面に位置付けられ、前記ＳＣＲ反応器の第１の面に位置付けられた前記流れダクトとは異なる、少なくとも１本のその他の流れダクトは、前記ＳＣＲ反応器の反対側に位置付けられる、請求項１から２０のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２２】
前記流れダクトが、前記触媒の上流に排気ガスの均一な運動量分布を提供するように、位置付けられかつ向きが定められたバッフル板を含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２３】
尿素またはアンモニア前駆体の導入を制御するための手段をさらに含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２４】
尿素またはアンモニア前駆体の導入を制御するための前記手段が、ＮＯｘセンサを含む、請求項２３に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２５】
前記ＳＣＲ触媒が、モノリスまたは微粒子フィルタの形をとる、請求項１から２４のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２６】
前記ＳＣＲ反応器を経る前記混合排気ガスの流れが、前記モノリスを経る流れの正味の方向を有し、前記少なくとも１種のＳＣＲ触媒は、前記モノリスを経るガス流の正味の方向で、正方形、長方形、または円形を有するモノリスまたは微粒子フィルタの形をとる、請求項１から２５のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２７】
前記ＳＣＲシステムが、アンモニアスリップ触媒、微粒子フィルタ、および酸化触媒の少なくとも１種をさらに含む、請求項１から２６のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２８】
追加の触媒またはフィルタが、前記モノリスを経るガス流の正味の方向で、正方形、長方形、または円形を有するモノリスまたはフィルタの形をとる、請求項２７に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項２９】
熱連通している少なくとも２つの平行な壁が、前記ガスの入口流と前記気化器ガス容積との間に位置付けられる、請求項１から２８のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３０】
ａ．前記ガス流入口システムが、少なくとも１つの排気ガス入口、熱伝達領域、２本の流れダクト、および２つの初期混合ゾーンを含み、前記熱伝達領域は、燃焼機関からの排気ガスから、熱を、前記気化器モジュールに熱連通しておりまたは前記気化器モジュールの一部である少なくとも１つの壁を通して前記気化器モジュール内に伝達するように構成されており、前記排気ガスの流れを前記流れダクトに向けて通過させるガス収集器であって、内部では前記気化器モジュールで発生した前記還元剤が前記触媒に流れる前に前記排気流に進入するガス収集器を含み、前記流れダクトから前記ＳＣＲ反応器への通路であって、内部では前記少なくとも２本の流れダクトと前記ＳＣＲ反応器との間に固体板が斜めに取り付けられて、前記混合排気ガスの流れを前記少なくとも２本の流れダクトから前記ＳＣＲ反応器へと指し向ける通路をさらに含み、前記固体板は、前記触媒の断面全体にわたってほぼ均一な運動量分布および還元剤濃度を提供するように構成され、かつ
ｂ．前記気化器モジュールが、還元剤または還元剤の前駆体の溶液から気化した還元剤を形成するように構成されたノズルと、少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスによって形成された液滴パターンの形状を制御するように構成されたノズルと、２つの側壁であって、各側壁が、前記気化した還元剤を、前記ガス流入口システムの初期混合ゾーンに移送する複数の開口を含有する２つの側壁と、前記気化器モジュール内の前記気化した還元剤を含む気化器容積とを含む、
請求項１から２９のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３１】
エンジンからの排気中に形成される酸化窒素の量を低減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３０のいずれか一項に記載のＳＣＲシステム内に通すことを含む方法。
【請求項３２】
前記ガス流入口システムが、２本の流れダクトと２つの初期混合ゾーンとを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３３】
前記気化器モジュールが、少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスを含み、前記デバイス内を、還元剤または還元剤の前駆体の溶液が通過する、請求項１から４または３２のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３４】
前記少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスが、第１のノズルである、請求項３３に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３５】
前記気化器モジュールが、前記少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスによって形成される液滴パターンの形状を制御するように構成された、第２のノズルなどの少なくとも１つのノズルをさらに含む、請求項１から４または３２から３４のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３６】
排気ガスが、前記ＳＣＲ反応器を通過した後、前記気化器モジュール内のガスに熱接触している第２の壁などの壁に接触する、請求項１から４または３２から３５のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３７】
前記ガス流入口システムが、前記気化器モジュールに熱連通している少なくとも１つの壁を含む、請求項１から４または３２から３６のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３８】
前記ガス流入口システムが、前記気化器モジュールに直接熱連通している少なくとも１つの壁を含む、請求項１から４または３２から３７のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項３９】
前記ガス流入口システムが、前記気化器モジュールに直接熱連通している２つの壁を含む、請求項３８に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４０】
前記気化器モジュールが、前記排気ガスに熱連通している少なくとも１つの壁を含む、請求項１から４または３２から３９のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４１】
前記気化器モジュールが、前記排気ガスに直接熱連通している１つの壁を含む、請求項４０に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４２】
前記気化器モジュールが、前記排気ガスに直接熱連通している２つの壁を含む、請求項４０に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４３】
前記ガス流入口システムが、前記ＳＣＲ反応器に前記流れダクトのそれぞれを接続する通路をさらに含む、請求項１から４または３２から４２のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４４】
前記通路が、前記少なくとも２本の流れダクトから、前記混合排気ガスの流れを、前記ＳＣＲ反応器に指し向ける手段を含み、前記手段は、前記触媒の断面全体にわたってほぼ均一な還元剤の濃度を提供するように構成される、請求項４３に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４５】
前記少なくとも２本の流れダクトから、前記混合排気ガスの流れを、前記ＳＣＲ反応器に指し向ける前記手段が、少なくとも２本の流れダクトと前記ＳＣＲ反応器との間の接続通路内で斜めに取り付けられた固体板を含む、請求項４４に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４６】
前記少なくとも２本の流れダクトが、前記排気ガスの流れを前記ＳＣＲ反応器の周りに分配するように構成され、前記流れダクトは、前記ＳＣＲ反応器に熱連通している、請求項１から４または３２から４５のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４７】
前記流れダクトのそれぞれの内部の前記ガスの流れが、ほぼ等しい、請求項１から４または３２から４６のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４８】
前記流れダクトの少なくとも１本は、前記ＳＣＲ反応器の第１の面に位置付けられ、少なくとも１本の異なる流れダクトが、前記ＳＣＲ反応器の反対側に位置付けられる、請求項１から４または３２から４７のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項４９】
前記流れダクトが、前記触媒の上流に、排気ガスの均一な運動量分布を提供するよう位置付けられかつ向きが定められたバッフル板を含む、請求項１から４または３２から４８のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５０】
尿素またはアンモニア前駆体の導入を制御するための手段をさらに含む、請求項１から４または３２から４９のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５１】
尿素またはアンモニア前駆体の導入を制御するための前記手段が、ＮＯｘセンサを含む、請求項５０に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５２】
前記ＳＣＲ触媒が、モノリスまたは微粒子フィルタの形をとる、請求項１から４または３２から５１のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５３】
前記少なくとも１種のＳＣＲ触媒が、前記モノリスを経たガス流の正味の方向に、正方形、長方形、または円形を有するモノリスまたは微粒子フィルタの形をとる、請求項１から４または３２から５２のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５４】
前記ＳＣＲシステムが、アンモニアスリップ触媒、微粒子フィルタ、および酸化触媒の少なくとも１種をさらに含む、請求項１から４または３２から５３のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５５】
前記追加の触媒またはフィルタが、前記モノリスを経たガス流の正味の方向に、正方形、長方形、または円形を有するモノリスの形をとる、請求項５４に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５６】
前記触媒フィルタが、前記モノリスを経たガス流の正味の方向に、正方形、長方形、または円形を有するモノリスの形をとる、請求項５５に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５７】
熱連通している少なくとも２つの平行な壁が、前記ガスの入口流と前記気化器ガス容積との間に位置付けられる、請求項１から４または３２から５６のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５８】
ａ．前記ガス流入口システムが、少なくとも１つの排気ガス入口、熱伝達領域、２本の流れダクト、および２つの初期混合ゾーンを含み、前記熱伝達領域は、燃焼機関からの排気ガスから、熱を、前記気化器モジュールに熱連通しておりまたは前記気化器モジュールの一部である少なくとも１つの壁を通して前記気化器モジュール内に伝達するように構成されており、前記排気ガスの流れを前記流れダクトに向けて通過させるガス収集器であって、内部では前記気化器モジュールで発生した前記還元剤が前記触媒に流れる前に前記排気流に進入するガス収集器を含み、前記流れダクトから前記ＳＣＲ反応器への通路であって、内部では前記少なくとも２本の流れダクトと前記ＳＣＲ反応器との間に固体板が斜めに取り付けられて、前記混合排気ガスの流れを前記少なくとも２本の流れダクトから前記ＳＣＲ反応器へと指し向ける通路をさらに含み、前記固体板は、前記触媒の断面全体にわたってほぼ均一な運動量分布および還元剤濃度を提供するように構成され、かつ
ｂ．前記気化器モジュールが、還元剤または還元剤の前駆体の溶液から気化した還元剤を形成するように構成されたノズルと、少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスによって形成された液滴パターンの形状を制御するように構成されたノズルと、２つの側壁であって、各側壁が、前記気化した還元剤を、前記ガス流入口システム内の初期混合ゾーンに移送する複数の開口を含有する２つの側壁と、前記気化器モジュール内の前記気化した還元剤を含む気化器容積とを含む、
請求項１から４または３２から５７のいずれか一項に記載の選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム。
【請求項５９】
エンジンからの排気中に形成される酸化窒素の量を低減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４または３２から５８のいずれか一項に記載のＳＣＲシステム内に通すことを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘを還元するための、小型選択的触媒還元システム（ＳＣＲ）であって、高温排気ガスの流れが、尿素を分解してそのアンモニアを含む活性成分にするための熱を提供するシステムに関する。ＳＣＲ反応器、ガス流システム、および気化器モジュールを含む小型システムについて記述する。ＳＣＲ反応器は、ＳＣＲ触媒を含み、ガス流システムおよび気化器モジュールに流体連通している。ガス流システムは、ＳＣＲ反応器の少なくとも４つの面に隣接して位置付けられ、気化器モジュールを加熱するようにかつ触媒を通してほぼ均一な排気ガスの流れを提供するように構成される。気化器モジュールは、還元剤または還元剤前駆体を含む溶液を気化させるように、かつ還元剤を流れシステムに移送してそこで排気ガスと混合し次いでガスの混合物をＳＣＲ触媒中で反応させるように、構成される。小型システムの構成は、５００から４５００キロワット（ｋＷ）のエンジンを使用する現況技術のシステムに比べ、尿素から活性還元剤への分解を増大させる。
【背景技術】
【０００２】
煙道ガス中の酸化窒素（ＮＯｘ）の選択的触媒還元（ＳＣＲ）は、国内のおよび国際的な排出法に準拠するよう、多くの産業で世界的に使用される。化石および再生可能燃料の燃焼プロセスで形成された酸化窒素を、アンモニアなどの還元剤で、触媒表面で還元する。酸化バナジウム、イオン交換ゼオライトなどの、様々な触媒が、様々な基材上で使用されてきた。触媒は、種々の配合物に調製することができ、押出し成形されまたは被覆されたハニカム、金属基板など、種々の形で存在することができる。適切な触媒の選択を決定する主な要因の１つは、煙道ガスの温度である。アンモニアは還元剤として好ましいが、気状アンモニアの有害な性質により、アンモニアの直接の使用には問題がある。したがって、取扱いが容易であり、高温の煙道ガス中に注入されたときに分解してアンモニアを形成する物質が、通常は使用される。例えば、尿素水溶液は、１４０℃よりも高い温度で分解してアンモニアとイソシアン酸（ＨＮＣＯ）とを形成し、さらに分解してアンモニアと二酸化炭素とを形成する。しかし、尿素水溶液からのアンモニアの発生は、比較的ゆっくりしたプロセスである。高温ガス流中の尿素の滞留時間が短過ぎると、反応器の壁面上への沈殿をもたらしまたは触媒表面で悪化し得る。したがって、数メートルの長さの比較的長い注入ダクトが、現況技術のＳＣＲ適用例で使用される実際の触媒の上流に、位置付けられる。これらの長いダクトは、典型的には真っ直ぐな管であり、この管の内部を排気が流れ、かつこの管の内部ではインジェクタまたはランスを用いて還元剤が高温ガス流に注入される。
【０００３】
上述のＳＣＲシステムは、一般に、発電所などの大型の定置システムで使用されてきた。より小さいＳＣＲシステムは、自動車の適用例で、一般には６００ｋＷよりも低いエンジンで使用されてきた。これらの、より小さいＳＣＲシステムは、より低い排気体積に起因して異なるデザインを有し、したがって、より小さい質量流量の還元剤をシステム内に導入する必要がある。最近では、５００から４５００キロワット（ｋＷ）のディーゼルおよびガスエンジンに対する排出規制が、船舶、オフロード、および発電の分野で確立されている。現在、これらのサイズのエンジンに使用されるシステムは、直径が大きい（最大約０．６ｍ）長い排気パイプ（最長約１０ｍ）と、排気ガスの流れの中に位置付けられたＳＣＲ触媒とからなる。尿素水溶液は、ランスを用いて排気ガス中に直接注入される。尿素はその後、排気ガス流中でアンモニアに変換される。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実現するために、流れを、静的混合機によって意図的に擾乱させる。しばしば、アンモニアは、アンモニア注入グリッド（ＡＩＧ）を経て全排気流中に直接導入され、その後、１つまたは複数の混合機を通過し、次いでＳＣＲ触媒に至る。したがって不均等な流れ分布は、部分的に分解した尿素からの沈殿または腐食を導く低温セクションを備えた領域をもたらす可能性がある。これらの尿素の損失は、沈殿した材料が、尿素からアンモニアへの反応に関与することができないので、ＮＯｘ変換活性の低下ももたらす。
【０００４】
空間は、船舶、オフロード、および発電分野の適用例において極めて重要な要因であり、空間の使用は、これらの分野における操作の経済性に影響を及ぼす可能性がある。例えば、スーパーヨットまたはフェリーは客室空間を失う可能性があり、その直接的な結果として収入がなくなる。大型採鉱掘削機およびトラックは、移動しまたは運ぶことができる荷重を低減させる必要があると考えられ、その結果、同量の材料を移動させるために、追加の掘削を行いまたは追加のトリップを行うことが必要になる。タグボートなどの、ある車両では、機械室に、現況技術のＳＣＲ設備を設置するのに必要な空間がない可能性がある。
【０００５】
本明細書に記述される小型ＳＣＲシステムは、排気後処理システムの広さの制約が以前からその使用の障害になっているサイズ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酸化窒素（ＮＯｘ）のレベルを低減させる際、尿素の使用を可能にする。本明細書に記述される小型ＳＣＲシステムの利点の１つは、このシステムが、上述の分野で新しいエンジンと共に使用することができることに加え、既存のエンジンがその排出も低減することができるようにアフターマーケットシステムを設置することも可能になることである。
【発明の概要】
【０００６】
ガス流入口システム、気化器モジュール、ＳＣＲ触媒を含むＳＣＲ反応器、およびガス流排気システムを含む、小型選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムについて記述する。ガス流入口システムは、少なくとも１つの排気ガス入口、熱伝達領域、少なくとも２つの初期混合ゾーン、および少なくとも２本の流れダクトを含む。少なくとも１つの排気ガス入口は、排気ガスがエンジンから進入するための１つまたは複数の進入口を含む。熱伝達領域は、燃焼機関からの排気ガスから得た熱を気化器モジュール内に伝達するように構成される。排気ガスによって気化器モジュールへと提供された熱は、気化器モジュール内に導入された尿素またはアンモニア前駆体の溶液の揮発を助ける。熱伝達領域を離れる排気ガスは、気化器モジュールに流体連通している少なくとも２つの初期混合ゾーン内に移動し、そこで還元剤または還元剤の前駆体と混合されて、混合ガスを形成する。気化器モジュールは、還元剤または還元剤の前駆体の溶液から気化した還元剤を形成するための手段と、気化器モジュール内に気化した還元剤を含む気化器容積と、気化した還元剤および／または還元剤の前駆体をガス流入口システムの初期混合ゾーンに移送するための手段とを含む。気化器モジュールでは、還元剤前駆体が還元剤に変換される。流れダクトは、システム内でのガスの滞留時間を制御する一連のバッフルを含有することができる。流れダクトは、混合排気ガスをＳＣＲ反応器の少なくとも３つの面を巡って通すように構成される。流れダクトを通過した後、混合ガスは、このガスがさらに混合される通路に入り、次いでＳＣＲ触媒を含有するＳＣＲ反応器に流入し、そこでは混合ガスは、ＳＣＲ触媒の断面の全体にわたってほぼ均一なガス速度および濃度プロファイルを有する。還元剤／還元剤前駆体と排気ガスとの混合物は、ＳＣＲ触媒中に入る前に、比較的長い滞留時間を有する。ＳＣＲ反応器は、ガス流入口システムおよび気化器モジュールに流体連通している。システムは、伝統的なＳＣＲプロセスでしばしば使用されるので、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、好ましくは気化器モジュールに熱連通している出口領域に入り、次いでシステムから排気される。処理されたガスの一部を、排気ガスの主流から分離し、気化器モジュールに通すことができる。本発明の好ましい態様の多くを、以下に記述する。均等な構成が企図される。
【０００７】
下記の詳細な記述部から、特に添付図面と共に解釈した場合、本発明はより良く理解されることになり、その利点はより明らかにされよう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】小型ＳＣＲシステムにおけるガスおよび還元剤の、概略化された流れを示す図である。
【図２】ガス流入口システムおよび気化モジュールの一部であって、気化モジュールがＳＣＲシステム内に配置されたとき、ガス流入口システムおよび気化モジュールが共に、互いに隣接する壁を含有している状態を示す、小型ＳＣＲシステムの実施例の断面図である。
【図３】ガス流入口システムおよび気化モジュールの一部であって、ガス流入口システムと気化モジュールとの間に単一壁があり、気化モジュールとＳＣＲ反応器との間に単一壁がある状態を示す、小型ＳＣＲシステムの実施例の断面図である。
【図４】気化モジュールの一部の実施例を示す図である。
【図５】実施例のＳＣＲシステムの一部を通る排気流の軌道を示す、片側断面図である。
【図６】実施例ＳＣＲシステムの一部を通る、排気流の軌道を示す図である。
【図７ａ−ｄ】実施例ＳＣＲシステムを通る排気ガスの、流動する流れを示す、実施例の断面を示す図である。
【図８】ＳＣＲ前の未処理のＮＯｘ濃度と、異なる排気温度および異なるアンモニア：ＮＯｘ比（ＡＮＲ）でのＳＣＲ後の変換率の積分パーセントとを表示する、エンジン試験台運転の結果を示す図である。
【図９】実生活条件下、試験台運転における、エンジンから出た排気ガスからの、触媒の様々な場所でのＮＯｘの変換率パーセントを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、ガス流入口システム、気化器モジュール、およびＳＣＲ触媒を含む、ＳＣＲシステムを提供する。いくつかの実施例について、好ましい形態のいくつかと共に記述する。
【００１０】
本発明の一態様において、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムは、ガス流入口システムと、気化器モジュールと、ＳＣＲ反応器とを含み；
ａ．  ガス流入口システムは、少なくとも１つの排気ガス入口と、熱伝達領域と、少なくとも２つの初期混合ゾーンと、少なくとも２つの流れダクトとを含み、熱伝達領域は、燃焼機関からの排気ガスから、熱を、気化器モジュールに伝達するように構成され；少なくとも２つの初期混合ゾーンのそれぞれは、気化器モジュールと、熱伝達領域から離れた排気ガスとに流体連通しており、かつ気化器モジュールからの気化した還元剤と排気ガスとを混合することによって混合排気ガスを提供するように構成され；少なくとも２本の流れダクトのそれぞれは、ＳＣＲ触媒を通る混合排気ガスのほぼ均一な流れを提供するように、かつ熱を排気ガスからＳＣＲ触媒に伝達する手段を提供するように構成され；ガス流システムは、ＳＣＲ触媒の少なくとも４つの面に隣接して位置付けられ；
ｂ．  気化器モジュールは、還元剤または還元剤の前駆体の溶液から、気化した還元剤を形成するための手段と、気化器モジュール内で気化した還元剤を含む気化器容積と、気化した還元剤を、ガス流入口システムの初期混合ゾーンに移送するための手段とを含み；かつ
ｃ．  ＳＣＲ反応器は、ＳＣＲ触媒を含み、ガス流入口システムおよび気化器モジュールに流体連通している。
【００１１】
熱伝達領域は、ある構造を含んでおり、この構造は、排気ガスの流れを、この構造と、気化器モジュールに熱連通しておりまたは気化器モジュールの一部である壁との間に、通すように構成されている。
【００１２】
構造は、排気ガスの流れが、この構造と、第１の壁との間を通るようにさらに構成することができ、この第１の壁は、気化器モジュールに熱連通しておりまたは気化器モジュールの一部であり、１つまたは複数の開口を含んでおり排気ガスが壁に沿って通った後にその開口の内部を排気ガスが通過するものである。
【００１３】
構造は、排気ガスの流れが、この構造と、壁との間を通るように構成することができ、この壁は、気化器モジュールに熱連通しておりまたは気化器モジュールの一部であって、少なくとも２つの初期混合ゾーンのそれぞれに構造を接続する通路の一部を形成するようになされている。
【００１４】
ガス流入口システムは、２つの初期混合ゾーンと２本の流れダクトとを含むことができる。
【００１５】
気化器モジュールは、還元剤または還元剤の前駆体の溶液が内部を通過する少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスを含み、好ましくは、少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスはノズルである。気化器モジュールは、少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスによって形成された液滴パターンの形状を制御するように構成された、少なくとも１つの追加のノズルをさらに含むことができる。
【００１６】
排気ガスは、ＳＣＲ触媒を通過した後、気化器モジュール中のガスと熱接触している第２の壁に接触することができる。
【００１７】
ガス流入口システムは、気化器モジュールに熱連通している少なくとも１つの壁を含む。ガス流入口システムは、気化器モジュールに直接熱連通している少なくとも１つの壁を含むことができる。「直接熱連通」という用語は、熱伝達特性を有する単一壁が、ガス流入口システムを気化器モジュールから分離することを意味する。壁が気化器モジュールと熱連通している場所の例には、直接熱連通している壁、ならびに少なくとも１つの第２の壁を通して熱連通している壁が含まれ、２つ以上の壁の間で熱伝達を行う１種または複数の材料の使用を含む。ガス流入口システムは、気化器モジュールに直接熱連通している２つの壁を含むことができる。
【００１８】
気化器モジュールは、排気ガスに熱連通している少なくとも１つの壁を含むことができる。いくつかの実施例では、気化器モジュールは、排気ガスに直接熱連通している１つの壁を含む。その他の実施例では、気化器モジュールは、排気ガスに直接熱連通している２つの壁を含む。
【００１９】
ガス流入口システムは、流れダクトのそれぞれを触媒に接続する通路をさらに含むことができる。通路は、少なくとも２本の流れダクトからの混合排気ガスの流れを、ＳＣＲ反応器のＳＣＲ触媒へと指し向ける手段であって、触媒の断面全体にわたって還元剤のほぼ均一な濃度を提供するように構成された手段を含むことができる。好ましくは、ＳＣＲ反応器内の少なくとも２本の流れダクトから混合排気ガスの流れをＳＣＲ触媒へと指し向ける手段は、少なくとも２本の流れダクトとＳＣＲ触媒との間の接続通路内に斜めに取り付けられた固体板を含む。
【００２０】
少なくとも２本の流れダクトは、ＳＣＲ触媒の周りに排気ガスの流れを分配するよう構成することができ、流れダクトは、ＳＣＲ触媒に熱連通している。
【００２１】
好ましくは、流れダクトのそれぞれの内部のガスの流れは、ほぼ均等である。
【００２２】
好ましくは、流れダクトの少なくとも１本は、ＳＣＲ触媒の第１の面に位置付けられ、少なくとも１本の異なる流れダクトは、ＳＣＲ触媒の反対側に位置付けられる。
【００２３】
流れダクトは、好ましくは、触媒の上流に排気ガスの均一な運動量分布を提供するようにかつ混合排気ガスの滞留時間を延ばすように、位置付けられかつ向きが定められた、バッフル板を含む。
【００２４】
ＳＣＲシステムは、尿素またはアンモニア前駆体の導入を制御するための手段をさらに含むことができる。尿素またはアンモニア前駆体の導入を制御するための手段は、ＮＯｘセンサを含むことができる。
【００２５】
ＳＣＲ触媒は、モノリスまたは微粒子フィルタの形をとることができる。モノリスまたは微粒子フィルタは、モノリス内のガス流の正味の方向に、正方形、長方形、または円形を有することができる。ＳＣＲ触媒が微粒子フィルタの形をとる場合、触媒形態は、選択的触媒還元フィルタ（ＳＣＲＦ）として公知である。
【００２６】
ＳＣＲシステムは、微粒子フィルタ、酸化触媒、アンモニアスリップ触媒、ＳＣＲ被覆付き微粒子フィルタなど、１つまたは複数のその他の排気ガス後処理デバイスを含むこともできる。好ましくは、アンモニアスリップ触媒は、ＳＣＲ触媒の下流に配置され、その結果、特に高い排気ガス温度で、ＮＯｘのより高い変換効率が得られる。
【００２７】
熱連通している少なくとも２つの平行な壁は、ガスの入口流と気化器ガス容積との間に位置付けることができる。
【００２８】
選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムは、ガス流入口システムと、気化器モジュールと、ＳＣＲ触媒とを含むことができ；
（ａ）ガス流入口システムは、少なくとも１つの排気ガス入口、熱伝達領域、２つの初期混合ゾーン、および２本の流れダクトを含み、熱伝達領域は、燃焼機関からの排気ガスから、熱を、気化器モジュールに熱連通しておりまたは気化器モジュールの一部である少なくとも１つの壁を通して気化器モジュール内に伝達するように構成され、かつ熱伝達領域は、プリズム形状を有する構造を含み、プリズム形状を有する構造の一部は、少なくとも２つの初期混合ゾーンを含有する２本の流れダクトのそれぞれに排気ガスを指し向けるよう、構造と、ＳＣＲシステムの壁との間に排気ガスの流れを通す１つまたは複数の穴を含み、ガス流入口システムは、流れダクトのそれぞれを触媒に接続する通路をさらに含み、通路は、少なくとも１本の流れダクトとＳＣＲ触媒との間の通路内に斜めに取り付けられた固体板を含んで少なくとも２本の流れダクトからの混合排気ガスの流れをＳＣＲ触媒へと指し向け、固体板は、触媒の断面全体にわたって還元剤のほぼ均一な濃度を提供するように構成され；
（ｂ）気化器モジュールは、還元剤または還元剤の前駆体の溶液から気化した還元剤を形成するように構成されたノズルと、少なくとも１つのエアロゾル形成デバイスによって形成された液滴パターンの形状を制御するように構成されたノズルと、２つの側壁であって、各側壁が、気化した還元剤を、初期混合ゾーンを通してガス流入口システムの流れダクトの排気ガス中に移送する、１つまたは複数の開口を含有する２つの側壁と、気化器モジュール内で気化した還元剤を含む気化器容積とを含み、
（ｃ）ＳＣＲ反応器は、ＳＣＲ触媒を含み、かつガス流入口システムおよび気化器モジュールに流体連通している。
【００２９】
本発明の別の態様において、エンジンからの排気中に形成される酸化窒素の量を低減させる方法は、エンジンからの排気ガスを、本明細書に記述される様々な構成要素を有するＳＣＲシステム内に通すことを含む。
【００３０】
システムの構成は、５００から４５００キロワット（ｋＷ）のエンジンと共に使用される現況技術のシステムと比較して、より長い滞留時間を可能にし、したがって還元剤前駆体のより良好な分解効率を可能にする。さらに、本明細書に記述されるシステムは、さらに小さいフットプリントを有する。
【００３１】
以下の記述は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムの、様々な実施例の構成の詳細を提供する。
【００３２】
システムは、排気ガス中のＮＯｘのレベルを低減させるよう反応することができる反応物、好ましくはアンモニアを提供する。反応物は、尿素などのアンモニアを形成することができる化合物を、気相中の反応物に変換し、反応物を含有するガスとＮＯｘを含有する排気ガスとを合わせ、次いで合わせたガスをＳＣＲ触媒中に通すことによって、形成することができる。尿素をアンモニアに変換するために、尿素の水溶液を気化器モジュールに注入し、排気からの熱を、少なくとも１つの壁を通して気化器モジュールに伝達し、そこで水と尿素が共に揮発して高温蒸気として存在するようになる。高温清浄化ガスは、アンモニアと排気ガスとの混合物がＳＣＲ触媒を通過した後に形成された清浄化ガスから得ることができ、尿素の溶液を気化するのに使用される。
【００３３】
本明細書に記述される装置およびプロセスは、尿素の場合に効果的であるが、加熱によって反応物ガスを形成することが可能な、その他のＮＯｘ還元試薬、アンモニア形成またはその他のＮＯｘ還元試薬を利用することができる。生ずる反応は、当技術分野で周知である。これらの反応の概要は、参照によりそのそれぞれの全体が組み込まれる米国特許第８，１０５，５６０号および第７，２６４，７８５号に記載されている。
【００３４】
「尿素」という用語は、加熱されるとアンモニアおよびＨＮＣＯを形成することから、尿素、ＣＯ（（ＮＨ２）２）、および尿素と均等な試薬を含むことを意味する。当技術分野で公知のその他のＮＯｘ還元試薬を使用することもできる。尿素またはＨＮＣＯを形成せずに、排気ガス中に存在する化合物と反応してＮＯｘのレベルを低減させる、ＮＯｘ還元試薬を使用することができる。
【００３５】
気化器モジュールに導入された尿素溶液の体積は、ＮＯｘ質量流と溶液中の尿素の濃度との両方に依存する。導入された尿素の量は、関与する反応の化学量論に基づくＮＯｘ濃度、未処理の排気ガスの温度、および使用される触媒に関係する。使用される尿素の量は、処理されるガス中のＮＯｘ中の窒素の当量に対する、尿素中の窒素またはその他のＮＯｘ還元剤の相対当量を指す、「ＮＳＲ」に関係する。ＮＳＲは、約０．１から約２に及ぶことができるが、好ましくは０．６から１．２を含めた範囲内にある。
【００３６】
本明細書に記述される小型ＳＣＲシステムに使用されるＳＣＲ触媒は、アンモニアの存在下で酸化窒素の濃度を低減させることができる、当技術分野で公知のものから選択することができる。これらには、例えば、ゼオライトと、バナジウム、タングステン、チタン、鉄、銅、マンガンおよびクロムの酸化物と、貴金属、例えば白金族の金属、白金、パラジウム、ロジウム、およびイリジウムと、これらの混合物が含まれる。当技術分野で従来からの、および当業者に馴染みのある、その他のＳＣＲ触媒、例えば活性炭、木炭、またはコークスも、利用することができる。好ましい触媒には、遷移金属／ゼオライト、例えばＣｕ／ＺＳＭ−５またはＦｅ／Ｂｅｔａ；バナジウムをベースにした触媒、例えばＶ２Ｏ５／ＷＯ３／ＴｉＯ２；または非ゼオライト遷移金属触媒、例えばＦｅ／ＷＯｘ／ＺｒＯ２が含まれる。
【００３７】
これらのＳＣＲ触媒は、典型的には、金属、セラミック、ゼオライトなどの担体上に取り付けられ、または均質なモノリスとして押出し成型される。当業者で公知のその他の担体を使用することもできる。触媒は、フロースルーモノリス基材上、フィルタ基材上に、または押し出された形の内部に被覆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または押し出された形の内部に被覆される。これらの触媒は、ハニカムフロースルー担体の内部または上に存在することが好ましい。小容積のＳＣＲシステムでは、比較的高いセル密度を持つＳＣＲ触媒が好ましく、例えば平方インチ当たり４５から４００セル（ｃｐｓｉ）、より好ましくは７０から３００ｃｐｓｉ、さらにより好ましくは１００から３００ｃｐｓｉである。
【００３８】
ガスおよび還元剤の概略化された流れを、図１に示す。小型ＳＣＲシステムは、４つの主なセクション：ガス流入口システム、気化器モジュール、ＳＣＲ触媒、およびガス流出口システムを含む。ガス流入口システムは、入口領域、入口熱伝達領域、流れダクト、および予備ＳＣＲ領域を含む。ガス流出口システムは、任意選択で、１つまたは複数の出口熱伝達領域、および清浄ガス出口を含む。
【００３９】
図２は、ガス流システムおよび気化器モジュール６の一部を示す、小型ＳＣＲシステム２の片側断面図を示す。小型ＳＣＲシステムは、約５００ｋＷから約１０００ｋＷ（１ＭＷ）の間、または約１０００ｋＷ（１ＭＷ）から約２０００ｋＷ（２ＭＷ）、または約２０００ｋＷ（２ＭＷ）から約４５００ｋＷ（４．５ＭＷ）を生成するエンジンから排気ガスを受容することができる。図２は、エンジンの排気ガスが、単段エンジン用の単一進入口フランジとすることができる入口フランジ１を通して、ＳＣＲシステムに流入している実施例を示す。
【００４０】
２段エンジンまたはその他の燃焼機用の２つ以上の進入口を使用することができる。典型的には、好ましい流れパターン用に、管／フランジのようなシステムへの丸い進入口が使用されると考えられるが、正方形、長方形、三角形、または楕円形のようなその他の形状を使用してもよい。ガス流システムの入口領域に進入すると、高温排気ガスはガス収集器８に衝突し、入口熱伝達領域で熱交換機として機能する壁７１に沿って流れる。図２に示されるガス収集器８は、プリズム形状を有する。ガス収集器８は、異なる形状を有することができる。この熱伝達領域を過ぎた後、ガスは、１つまたは複数の開口を含むガス収集器８の部分８ａ内を流れ、この開口によって、ガスは、ガス収集器内を通過して、ガス収集器８とＳＣＲシステムの外壁との間にあるガス収集器８の内側領域に至ることが可能になる。ガス収集器８の内側から、排気は少なくとも２本の流れダクト内に分配され、さらに、小型ＳＣＲシステムの他の面に位置付けられた初期混合ゾーン内に入る。初期混合ゾーンでは、エンジンからの排気ガスが、気化器モジュールからの気化した還元剤と混合される。小型ＳＣＲシステムは複数の排気進入口１を含み、ガス流入口システムは、圧力および／または温度などの、流れ同士の間の差を平衡にする。
【００４１】
気化器モジュール６は、２枚の高温プレートの間に尿素の水溶液を注入するための手段を含む。２枚の高温プレートの間の容積は、気化器ガス容積６２である。尿素の水溶液は、沈殿またはその他の問題なしに、貯蔵し取り扱うのに適切な濃度で維持される。水溶液中の尿素の濃度は、約５から７０％、好ましくは約１５から約６０％、より好ましくは約３０から約４０％に及ぶことができる。尿素の水溶液を注入するための手段は、尿素溶液の噴霧形成（予備蒸発）のために空気を使用するノズルを含むことができる。このタイプのノズルは、いくつかの供給元から市販されている。５００から４５００ｋＷの間のエンジンサイズの場合、尿素と共に使用することができる市販のノズルは、比較的小さい圧縮機により供給することができる低圧の気化空気しか必要としない。
【００４２】
気化器モジュール６には、エアレスノズルを取り付けることができる。５００から４５００ｋＷの間のエンジンの排気を清浄化するために必要な、現在利用可能な尿素質量流用の１相エアレスノズルは、１回の動作サイクルで様々な質量スループットで動作するように非常に高い液体圧力を必要とする。しかしノズル製造業者は、適合可能な質量スループットを持つ低圧１相ノズルを研究開発している。エアレスシステムは、より少ない構成要素を有するので、より低い投資および運転コストを有することができ、システム故障のより低い潜在性を有する可能性がある。エアレス注入システムは、船舶、発電、採鉱などの、空間が制限され、かつ長い保証期間（例えば、２年以上）が要求され、エンジンが高い年間利用（例えば、毎年８０００時間）を有する小型ＳＣＲシステムに、特に魅力的と考えられる。その他のタイプのアトマイザを使用することもできる。
【００４３】
水の完全蒸発および尿素からアンモニアへの分解に必要な熱は、排気ガスと気化器ガス容積６２との間での、１つまたは複数の壁７１〜７４の熱交換機能を通して、排気ガスからの熱を伝達することによって供給される。
【００４４】
気化器モジュールは、少なくとも１つの壁を含有し、予熱された２次気化空気を使用することができる。予熱された２次気化空気は、ノズルから噴出された尿素溶液に影響を及ぼすのに使用されてもよい。したがって、排気ガス中の尿素およびアンモニアまたは別の還元剤の分配を制御しかつ／または調節する手段が提供され、したがって、水性尿素の蒸発／分配時間の制御が行われ、したがって、最も低い可能性のアンモニアスリップで最も高い可能性のＮＯｘ還元を実現する可能性が提供される。
【００４５】
上述のＳＣＲシステムは、以下に記述するように修正して、２組の２重壁７１、７３と７２、７４を２つの単一壁に代えることができる。ある実施例では、図３に示す２つの壁７１、７２のそれぞれは、ガス流システムの一部である。別の実施例では、図３に示す２つの壁７１、７２のそれぞれは、気化器モジュールの一部である。
【００４６】
図４は、加圧された１次気化空気の助けを借りて、商用のノズル６１内で尿素水溶液が霧状にされている、ＳＣＲシステムの一部を示す。１次気化空気は、還元剤を含有する溶液を液滴に変換するのに使用される空気である。僅か数百ミリバールから数バールの圧力が、様々な質量スループットであっても数十ミリメートルから数十マイクロメートルの直径の液滴を得るのに十分である。したがって、回転式ピストンファン、側面チャネル送風機などの小型デバイスは、現況技術の設置において現在使用されるような大型圧縮機よりも使用することができる。加圧空気は、液滴により形成される所望の噴霧プロファイルを形成する際に、２次気化空気として使用することもできる。２次気化空気の一部は、２つの個別のノズル６３を通して１次水性尿素噴霧内に吹き付けることにより、高い熱および質量伝達表面に関して平らな噴射までの噴霧プロファイルを長くすることができる。気化器ガス容積６２内の低噴霧／蒸気速度および比較的高い温度により、尿素からアンモニアおよびイソシアン酸への完全なまたはほぼ完全な熱分解が予測される。さらに、水蒸気（尿素水溶液中の水の揮発から形成された）の非常に高い局所濃度と、気化器ガス容積６２内に希薄排気ガスが存在しないことに起因して、尿素は、初期混合ゾーン内で排気ガスと混合される前にイソシアン酸に素早く加水分解すると予測される。気化器モジュール６内の数ミリバールの小さい過圧は、オリフィス６５を介した還元剤および付随する副生成物ガスの、ＳＣＲ反応器の両側にある２本の流れダクト１１および１２に至る一定の安定した流れをもたらす。
【００４７】
２次気化器空気も、壁から噴霧中への熱伝達を増大させるために、気化器ガス容積６２内に渦流が創出されるよう、少なくとも１つ、好ましくは２つ以上のノズル６４を通して長方形の気化器ダクトに供給することができる。２次気化空気は、ノズル６３および６４に指し向けられる前に加熱することができる。加熱は、任意の公知の手段によって、好ましくは電気的に、より好ましくは壁７１および７２に位置付けられた管式熱交換機を通過する排気ガスによって、行ってもよい。熱交換機の管は、壁７１および７２の表面積がごく小さい割合で遮断されるように、それと共に２次気化空気流への必要な量の熱伝達が可能になるように、配置構成される。２次気化空気流の総質量流および圧力は、所望の噴霧延長パターンおよび所望の渦流パターン、ならびに気化器モジュール６内の所望の圧力および温度によって決定される。気化器モジュール６は、噴霧の方向を定めるように向けられたバッフル板を含むこともできる。気化器モジュールの壁および／またはバッフル板は、還元剤前駆体の加水分解のため触媒活性を提供することもできる。気化器モジュール６は、低グレードの還元剤溶液を使用すべき場合、清浄化のため小型ＳＣＲシステムから容易に取り外すことができるよう、スライドインモジュールとすることができる。気化器モジュール６は、小型ＳＣＲシステムの一部とすることができ、その場合、壁７１および７２は、排気ガスを、気化器モジュール６内のガス容積６２から分離する。
【００４８】
図５は、排気ガスの流れを、例示的な構成において側面で示す。図５の右側に示されるガス流の部分は、以下に記述するように、入口領域を通る流れを示す。エンジンからの高温排気ガスは、入口フランジ１を経て小型ＳＣＲシステムに流入する。システムに進入したら、ガス流はガス収集器８に衝突し、熱交換機として働く角度の付いた壁７１を含んだ入口熱交換機セクションに沿って、入口熱伝達領域に流入する。２次気化空気を加熱するための熱交換機管は、この壁に位置付けることができる（図５には示されていない）。図５に示されるガス収集器８は、プリズム形状を有する。ガス収集器８は、異なる形状を有することができる。この入口熱伝達領域を通った後、ガスは、通過させる１つまたは複数の開口を含んだプリズム形状のガス収集器８の部分８ａ内に流れるが、この開口によって、ガスは、ガス収集器を通過してガス収集器８とＳＣＲシステムの外壁との間にあるガス収集器８の内側領域に入ることが可能になる。ガス収集器８の内側から、排気が少なくとも２本の流れダクト内に、さらに小型ＳＣＲシステムの他方の面に位置付けられた初期混合ゾーン内に、次いでＳＣＲ反応器の両側にある流れダクト１１および１２内に分配される。排気ガスは、還元剤が気化器モジュールから１つまたは多数の開口６５を経て流れダクト１１、１２に移送される排気流ベンドに位置付けられた、初期混合ゾーン内の排気ガスに還元剤が進入する前に、排気ガスの移行時間が長くなるように向きが定められた一連のバッフル板２４、２５内を流れることができる。還元剤導入前の、長い排気ガス移行時間は、ＮＯｘセンサが還元剤投与量の制御のために使用される場合、およびこのＮＯｘセンサが小型ＳＣＲシステムの一部である場合（図７ａの符号８１参照）、有益である。アンモニア含有ガスが導入される前の排気ガス移行時間は、排気ガスが小型ＳＣＲシステムの後部に移行し次いで元の正面に戻り再び後部に移行するときにガス流を調節する、排気ダクト内の一連のバッフル板によって、長くすることができる。「正面」という用語は、注入モジュールが位置付けられているシステムの面を指す。「背面」という用語は、システムの正面の反対側を指す。排気ガスが第２の折り返し部を通るとき、気化器モジュール６からのアンモニア含有ガスは、気化器モジュールの１つまたは複数の開口６４を経て排気中に進入する。流れベンド内のガス流の乱流は、ガス流領域の一部である混合ゾーン内での還元剤と排気ガスとの混合を効果的に容易にする。バッフル板は、ほぼ水平に位置決めすることができる。
【００４９】
ガス流領域は、入口領域を通過したエンジンからの排気ガスが、気化器モジュールからの気化した還元剤と混合される初期混合ゾーンと、予備ＳＣＲ領域に進入する前に排気ガスおよび還元剤の混合物が内部を流れる流れダクト１１および１２とを含む。流れダクトは、ＳＣＲ触媒の周りに位置付けられ、熱をＳＣＲ触媒に伝達する。図６および７は、流れダクトがＳＣＲ触媒の側面に位置付けられた実施例を示す。流れダクトは、ＳＣＲ触媒の上方および下方に行くことができる。流れダクトは、１つまたは複数の面、およびＳＣＲ触媒の上方／下方に位置付けることができる。静的混合機９１および／または酸化触媒９２は、図５に示すように、ＳＣＲ触媒の前に、排気流れダクト内に配置することができる。流れダクトの長さを移行した後、各流れダクト１１および１２内の流れの方向は、９０°回転し、予備ＳＣＲ領域の２本の流れダクト１１および１２の間にある、接続通路３１内に位置付けられた角度の付いた流れ板２３へと指し向けられるが、この板は、触媒の断面全体にわたって均一な運動量分布を実現するためにＳＣＲ触媒の上流に位置付けられている。流れダクト１１および１２のそれぞれにおけるガス流は、ほぼ均等である。ほぼ均等とは、例えば２本の流れダクトを有するシステムでは、質量流量が約５０：５０から約６５：３５、好ましくは約５０：５０から約６０：４０、より好ましくは約５０：５０から約５５：４５に及ぶことを意味する。複数の流れダクトにおける質量流量の比は、ＳＣＲ触媒の断面全体にわたってアンモニアまたはその他の還元剤の均一な濃度を提供するように、調節されるべきである。
【００５０】
図６は、小型ＳＣＲシステムの好ましい例示的な構成におけるガス流を示し、ＳＣＲシステムは、正面から背面へと半分に切断された状態が示されている。高温排気ガスは、ＳＣＲシステムの底部の入口フランジを経て小型ＳＣＲシステムに進入する。ガスは、入口熱伝達領域の、入口と気化器モジュールとの間の、ガス収集器（８）と壁７１との間を上向きに流れ（ａ）；次いでガスは、ガス収集器８の表面の開口８ａ内およびガス収集器８の内部容積（ｂ）内を流れ、そこでは開口（ｃ）を経てＳＣＲシステムの両側にある流れダクト１１および１２に分配される。一実施例では、その後ガスは上向きに流れ（ｄ）、ＳＣＲシステムの長さに沿って（ｅ）から（ｆ）まで一連のバッフル板を供える流れダクトを通り、そこで曲がってシステムの元の正面に戻るように流れ、還元剤の導入および初期混合ゾーン６５に向かう（図６には示しておらず、図５参照）。初期混合ゾーンでは、エンジンからの排気ガスを、気化器モジュールからの気化された還元剤と混合する。混合ガスは、システムの後部に流れ、９０度曲がって、少なくとも２本の流れダクトと予備ＳＣＲ領域との間の接続通路に入り、次いで板２３に衝突する。混合ガスを、角度の付いた流れ板２３を横断するように指し向け、したがって角度の付いた流れ板２３の位置および向きは、ＳＣＲ触媒３に向かうかなり均一なガスの流れ（ｈ）を提供するようになる。
【００５１】
図７は、システム内の排気ガスの流れを示す、ＳＣＲシステムの実施例のいくつかの３次元図面を示す。エンジンからの高温排気ガスは、入口１を経てシステムに進入し、次いでガス収集器８と壁７１（気化器モジュール６に隣接して位置付けられる）との間を上向きに移行する。高温排気ガスは、熱を壁７１に伝達し、次いで熱を気化器モジュール６内に伝達する。ガス収集器８の内部容積では、ガス流が２つの部分に分割され、システムの左側および右側に位置付けられた２本の流れダクト１１および１２に分配される。これらのダクトはいずれも図７ａに示されていない。図７ｂは、ＳＣＲシステムの切欠き図を示し、流れダクト１２の右側の壁は、流れダクト１２の内部容積が示されるように除去されている。ガス収集器８から、排気が流れダクト１２に流入し、後部に至り、元の正面に戻り、そこではアンモニアが、気化器モジュールの開口６５を経て排気に進入し、その後、混合ガスは再び後部に至り、接続通路３１を経て予備ＳＣＲ領域７に入る。図７ｃは、図７ｂから１８０度回転させたシステムを示し、流れダクト１１の一部を示す。静的混合機および／または酸化触媒は、流れダクト１１および／または１２内に存在することができる。図７ｂおよび７ｃは、酸化触媒９２が流れダクト内に位置付けられている実施例を示す。図７ｄは、流れダクト１２を通るガスの、概略化された流れを示す。排気ガスが流れダクト１１および１２内を流れるにつれ、排気ガスからの熱は流れダクトの壁を通して伝達され、この熱の一部は、触媒と、触媒を取り囲む領域とに伝達される。図７ｄにおいて、図示される流れの終わりは、接続通路３１に進入する流れと共に生ずる。接続通路３１に進入した後、排気ガスは、角度の付いた流れ板２３に接触し、予備ＳＣＲ領域を経てＳＣＲ触媒３に向かって指し向けられる。触媒３を通過した後、ガスは清浄化され、清浄化された排気ガスは、壁７２（気化器モジュール６の壁に隣接して位置付けられ、または気化器モジュール６の壁である）に沿って上向きに移行する。高温清浄化排気ガスは、熱を壁７２に伝達し、次いで熱を気化器モジュール６に伝達する。次いでガスは上向きに流れ、出口フランジ４を経た後にＳＣＲシステムから離れる。
【００５２】
ＳＣＲ触媒は、ＳＣＲシステム内に位置付けられる。本明細書で使用される「〜内」という用語は、ＳＣＲ触媒が、ガス流入口システム、気化器モジュール、およびガス流出口システムであってＳＣＲ触媒の少なくとも４つの面に位置付けられたものを有することを意味する。
【００５３】
触媒は、好ましくは煉瓦の形をとり、図６および７ａおよび７ｃに示されている。ＳＣＲ触媒の煉瓦は、正方形、長方形、六角形、および円形を含めた、ガス流の方向に直交するいくつかの断面形状のいずれかを有することができ、正方形または長方形が、断面積のより高い利用率に関しては好ましい。好ましくは正方形でありかつ約１５０×１５０ｍｍ２の断面を有する複数のＳＣＲ触媒の煉瓦を、使用することができる。触媒のいくつかの層を、ガス流中に配置することができる。ＳＣＲ触媒に加え、ＳＣＲシステムは、微粒子フィルタ、アンモニアスリップ触媒、酸化触媒、および被覆付き微粒子フィルタなど、その他の排出制御デバイスを含むことができる。
【００５４】
ＳＣＲシステムは、ＳＣＲ活性を低下させ得る炭化水素が低減されるように、各流れダクト内で尿素入力点の上流に位置付けられた酸化触媒を、さらに含むことができる。酸化触媒は、ＣＯ、芳香族なども酸化する。
【００５５】
排気ガスが触媒３を通過するとき、排気ガス中のＮＯｘは、触媒表面で還元剤と反応し、排気ガス中のＮＯｘの量は低減する。ＮＯｘレベルを低減させるに際してＳＣＲ反応を有効にするには、ガス化した尿素を含む燃焼ガスの温度を、少なくとも約１００℃、典型的には約１８０°から約６５０℃の間、好ましくは少なくとも約２５０℃よりも高くすべきである。触媒の組成は、形態、および特に体積は、ＳＣＲ触媒中のガスの温度、ならびに酸化窒素の触媒還元で還元を行うためのＮＯｘ負荷に基づいて選択することができる。アンモニアスリップ触媒、微粒子フィルタ、およびＳＣＲ、ＳＣＲ被覆付き微粒子フィルタなどのその他の排気ガス清浄化デバイスも、小型ＳＣＲシステムで使用することができる。好ましくは、小型ＳＣＲシステムは、伝統的なＳＣＲプロセスでしばしば使用されまたは必要とされるようなアンモニア注入グリッド（ＡＩＧ）を、使用しない。
【００５６】
小型ＳＣＲシステムは、触媒を交換するためＳＣＲ触媒に接触する手段をさらに含むことができる。好ましくは、その手段は、ＳＣＲシステムの上部または側面に位置付けられたドアである。
【００５７】
小型ＳＣＲシステムは、１つまたは複数のＮＯｘセンサ、ＮＨ３（アンモニア）センサ、および温度センサなどの、様々なセンサをさらに含むことができる。ＮＨ３センサは、ＳＣＲシステムを経たアンモニアスリップを測定するために、好ましくはＳＣＲシステムの出口に配置されると考えられる。ＮＯｘおよび／またはＮＨ３および／または温度センサは、気化器モジュールに移送されかつその後に排気ガスに移送される、尿素および気化空気、および適用可能な場合には清浄なガスの量を、制御するユニットに連結することができる。ＮＯｘセンサ８１は、任意選択で温度センサとして、排気ガス流入口システムに、好ましくはガス収集器８内に位置付けることができる。ＮＯｘまたはＮＨ３センサは、ＳＣＲ触媒の下流４１に位置付けることができ、閉ループ制御で使用することができる。角度の付いた、または曲がったバッフル板は、清浄ガスの中心の流れの部分流を、ＮＯｘまたはＮＨ３センサへと指し向けることにより、ＮＯｘまたはＮＨ３レベルを測定して、ＳＣＲ触媒を経るアンモニアスリップの量を決定することができる。
【００５８】
小型ＳＣＲシステムは、５００から４５００ｋＷの電力を有する単段または２段（例えば、Ｖシリンダ）エンジンからの排気ガスを通過させる、１つまたは２つの入口フランジを含むことができる。好ましくは、フランジは円形である。
【００５９】
図７に示す構成を持つＳＣＲシステムを、実生活条件下での試験台運転で評価した。試験をしたＳＣＲ触媒は、４×４平方（１５０×１５０ｍｍ２）の押出し成型されたバナジア触媒であって、それぞれ長さが３００ｍｍであるものを使用し、この場合、２×２の触媒の煉瓦が、金属シートおよびマットを用いたキャニングの際に組み合わされた。気化器モジュールは、２相ノズル（空気支援型）を使用し、空気を４バールで、約１Ｎｍ３／時の消費量で使用した。システムは、アンモニア：酸化窒素の比（ＡＮＲ）が０．８、０．９、１．０、および１．１で試験をした。
【００６０】
ＳＣＲシステムを、Ｍｅｒｃｅｄｅｓ  ＯＭ５１２エンジン（排気量１６Ｌ）４３０ｋＷに接続した。ターボ後の排気温度は４３０〜５１０℃であった。時間に対して異なるアンモニアとＮＯｘとの比で出口フランジ後に測定されたＮＯｘ変換率を、図８に示す。これらの値は、局所ＮＯｘ変換率が測定されたときからの実際の測定値である。
【００６１】
触媒全体にわたる様々な場所でのＮＯｘの変換率を、ターボ後の排気温度である４９０℃を使用して、排気の質量流１２００ｋｇ／時で決定した。ＮＯｘ原材料の濃度は１５００ｐｐｍであり、アンモニア：酸化窒素の比（ＡＮＲ）は１．１であった。ＳＣＲ後の局所ＮＯｘを測定し、したがって各触媒煉瓦層の中心でのＮＯｘ変換率を、反応器の底部から測定して７、２２、３７、および５２センチメートルの高さで決定した。高さのそれぞれで、触媒断面の左から右に５、１５、２５、３５、４５、５５、および６５センチメートルで、触媒の幅の端から端まで測定を行った。この結果、測定は、７×４（幅×高さ）グリッドで行った。これらの点のそれぞれでの変換率パーセントを図９に示す。
【００６２】
図９は、試験台運転における、エンジンの排気ガスからの、触媒上の様々な場所でのＮＯｘの変換率パーセントを示す。これらの結果は、触媒の全断面のほぼ定量的な利用を、上述の構成を使用して実現できることを示す。非常に高いＮＯｘ変換率は、定置式エンジン動作点を使用して、ならびに本発明が目標とするエンジン出力範囲内で設計され試験された小型ＳＣＲシステムを用いた過渡試験サイクル内で、実現された。
【００６３】
触媒全体にわたる均一な排気流は、触媒の等化利用をもたらし、最大ＮＯｘ変換率を提供する。排気はＳＣＲ触媒を通過し、そこでのＮＯｘのレベルは、触媒の存在下での還元剤との反応によって減少するようになり、清浄化ガスが形成される。ＳＣＲ触媒から出て行く清浄化ガスは、ガス流出口システムに進入し、ガスの一部または全てが、ガス流出口システムと、出口熱伝達領域にある気化器モジュール６との間の壁７２に接触し、清浄化ガスからの熱は、気化器モジュールに伝達される。出口熱伝達領域を通過した後、ガス流出口システム内の清浄化排気ガスは、小型ＳＣＲシステムを離れる。
【００６４】
上記説明は、当業者が本発明を実施できるようにするものである。説明を読むことによって当業者に明らかにされる、可能性ある修正例および変形例の全てを詳述するものではない。しかし、そのような修正例および変形例の全ては、上記説明からわかる、かつその他の点については下記の特許請求の範囲により定義される、本発明の範囲内に含まれるものとする。
【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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【図７ａ−ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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