(57)【要約】  システム入口、ガス流システム、複数の触媒クラスタを含む、小型選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムについて記述する。システム入口は、清浄化された排気の熱を利用して、還元剤または還元剤の前駆体の溶液を気化させるように、かつ気化した還元剤を排気ガスと混合して混合ガスを形成するように、構成される。ガス流システムは、システム入口から混合ガスを複数の触媒クラスタに提供するように、かつ排気ガスから熱を提供して還元剤／前駆体の気化を支援し、前駆体から還元剤への変換を支援するように、構成される。複数の触媒クラスタはＳＣＲおよびＡＳＣ触媒を含むが、フィルタ機能も含むことができる。【選択図】図２
2017509824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム入口と、中心管と、ガス流システムと、複数の触媒クラスタとを含む、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムであって、
ａ．前記システム入口は、入口と初期混合ゾーンとを含み、前記入口は、エンジンから排気ガスを受容するように構成されかつ前記混合ゾーンに流体連通しており、前記混合ゾーンは、還元剤または還元剤前駆体を前記混合ゾーン内の排気ガスに導入するための複数の手段を含み、前記混合ゾーンは中心管に流体連通しており、前記混合ゾーンは、前記ガス流システムに熱連通している少なくとも１つの表面を含み、
ｂ．前記中心管は、前記システム入口および前記ガス流システムに流体連通しており、
ｃ．前記ガス流システムは、（ｉ）ガス流デフレクタと、（ｉｉ）複数の通路と、（ｉｉｉ）出口コーン、および前記出口コーンに流体連通している出口を含む、出口ゾーンとを含み、前記ガス流デフレクタは、前記中心管と、
ｉ．前記出口ゾーンに流体連通している複数の通路に流体連通している複数の触媒クラスタ、または
ｉｉ．前記出口ゾーンに流体連通している複数の触媒クラスタに流体連通している複数の通路
のいずれかとに流体連通しており、
ｄ．各触媒クラスタが、ＳＣＲ触媒を含む、
選択的触媒還元システム。
【請求項２】
還元剤または還元剤前駆体を、前記混合ゾーン内の排気ガスに導入するための手段が、インジェクタまたはノズルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システム入口が、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１または２に記載のシステム。
【請求項４】
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、２、または３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのＳＣＲ触媒が、前記モノリス内のガス流の正味の方向に、正方形、長方形、または円形の形状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のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記触媒クラスタが、アンモニアスリップ触媒をさらに含む、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】
微粒子フィルタまたは酸化触媒をさらに含む、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】
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７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
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が、ＮＯｘセンサ、ＮＨ３センサ、および温度センサのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記デフレクタが、前記中心管から流入する排気ガス流を、複数の副流に分割するように構成される、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】
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１０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１２】
前記入口が、カバーと入口コーンとの間に壁をさらに含み、前記インジェクタが前記壁に位置付けられる、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１３】
入口と、混合ゾーンと、出口と、還元剤または還元剤前駆体の水溶液を導入するための複数の手段とを含む、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム入口であって、入口が、前記混合ゾーンに流体連通しており、前記混合ゾーンは、ＳＣＲ触媒に至る混合管に流体連通しており、前記混合ゾーンは、カバー、壁、および入口コーンによって形成され、前記壁は、前記カバーと前記入口コーンとの間に位置付けられ、前記還元剤または還元剤前駆体の水溶液を導入するための複数の手段は、前記壁に位置付けられる、選択的触媒還元システム入口。
【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。システム入口、中心管、ガス流システム、および複数の触媒クラスタを含む、小型システムについて記述する。システム入口は、エンジンから高温排気ガスを受容するように、かつ高温排気ガスを、還元剤または還元剤前駆体を含む溶液からの蒸気と混合するように、かつ還元剤を流れシステムに移送してＳＣＲ触媒と反応させるように、構成される。清浄なガスはＳＣＲ触媒を離れ、システムの一部を通過し、次いでシステムから出て行く。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、全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スポット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】
システム入口、中心管、ガス流システム、および複数の触媒クラスタを含む、小型選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムについて記述する。システム入口は、入口および初期混合ゾーンを含み、この入口は、エンジンから排気ガスを受容するように構成され、初期混合ゾーンと流体連通している。初期混合ゾーンは、還元剤または還元剤前駆体を初期混合ゾーン内の排気ガスに導入するための、複数の手段を含む。初期混合ゾーンは、中心管に流体連通している。初期混合ゾーンは、ガス流システムに熱連通している少なくとも１つの表面を含む。中心管は、システム内を走る対称軸を中心として位置付けられ、システム入口と、ガス流システム内のガス流デフレクタとの両方に、流体連通している。ガス流システムは、（ｉ）ガス流デフレクタと、（ｉｉ）複数の通路と、（ｉｉｉ）出口コーン、およびこの出口コーンに流体連通している出口を含む出口ゾーンとを含む。排気流システムの、２つの主な構成がある。一構成では、ガス流デフレクタから離れるガスは、触媒クラスタに進入し、次いで方向を変え、複数の通路を通過して出口ゾーンに入る。別の構成では、ガス流デフレクタから離れるガスは、外側シェルに隣接して位置付けられた複数の通路に進入し、方向を変え、複数の触媒クラスタを通過し、次いで出口ゾーンに入る。
【０００７】
本発明の好ましい態様の多くについて、以下に記述する。均等な構成が企図される。
【０００８】
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】
【０００９】
【図１】小型ＳＣＲシステムの実施例の、概略化した気体の流れを示す図である。
【図２】システムの構成要素を示す、小型ＳＣＲシステムの実施例の分解立体図である。
【図３】構成要素の場所と、ＳＣＲシステムを経るガスの流れとを示す、小型ＳＣＲシステムの実施例の断面図である。
【図４】実施例の小型ＳＣＲシステムの断面図である。
【図５】図４に示される小型ＳＣＲシステムの断面Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、およびＤ−Ｄを示す図である。
【図６】実施例のＳＣＲシステムにおける、いくつかの構成要素のアセンブリを示す図である。
【図７】別の小型ＳＣＲシステムの実施例における、概略化した気体の流れを示す図である。
【図８】入口の構成要素を示す、小型ＳＣＲシステムの実施例の入口の、分解立体図である。
【図９】入口の壁の場所を示す、実施例の小型ＳＣＲシステムの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、システム入口、中心管、ガス流システム、および複数の触媒クラスタを含む、ＳＣＲシステムを提供する。いくつかの実施例を、好ましい形にあるものについて記述する。
【００１１】
本発明の一態様において、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムは、システム入口と、中心管と、ガス流システムと、複数の触媒クラスタとを含み：
ａ．システム入口は、入口と初期混合ゾーンとを含み、この入口は、エンジンから排気ガスを受容するように構成されかつ混合ゾーンに流体連通しており、混合ゾーンは、還元剤または還元剤の前駆体を混合ゾーン内の排気ガスに導入するための複数の手段を含み、混合ゾーンは中心管に流体連通しており、混合ゾーンは、ガス流システムに熱連通している少なくとも１つの表面を含み；
ｂ．中心管は、システム入口およびガス流システムに流体連通しており；
ｃ．ガス流システムは、（ｉ）ガス流デフレクタと、（ｉｉ）複数の通路と、（ｉｉｉ）出口コーン、およびこの出口コーンに流体連通している出口を含む出口ゾーンとを含み、ガス流デフレクタは、中心管と：
ｉ．出口ゾーンに流体連通している複数の通路に流体連通している複数の触媒クラスタ；または
ｉｉ．出口ゾーンに流体連通している複数の触媒クラスタに流体連通している複数の通路
のいずれかと
に流体連通しており；
ｄ．各触媒クラスタが、ＳＣＲ触媒を含む。
【００１２】
還元剤または還元剤前駆体を、混合ゾーン内の排気ガスに導入するための手段は、インジェクタまたはノズルとすることができる。
【００１３】
システム入口は、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。
【００１４】
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、モノリス内を流れるガスの正味の方向に、正方形、長方形、または円形を有することができる。
【００１５】
触媒クラスタは、アンモニアスリップ触媒をさらに含むことができる。
【００１６】
ＳＣＲシステムは、微粒子フィルタまたは酸化触媒をさらに含むことができる。
【００１７】
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、ＮＨ３センサ、および温度センサの少なくとも１種を含む。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。尿素からアンモニアに変換するために、尿素の水溶液を、システム入口の混合ゾーンに注入する。還元剤と混合した排気ガスからの熱に加え、混合排気ガスからの追加の熱を、少なくとも１つの壁を通して混合ゾーンに移送する。したがって、アンモニアと排気ガスとの混合物がＳＣＲ触媒を通過した後の、清浄化された排気ガスのおよびＳＣＲ反応のエンタルピーは、尿素の溶液を気化するのに使用することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
「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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
ＳＣＲ触媒は、好ましくは、円形モノリスの形をとりまたはＳＣＲＦとして当技術分野で公知の微粒子フィルタ上にある。ＳＣＲ触媒は、円形、円の一部、六角形、正方形、および長方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、円形または円形の部分または正方形が、システムの空間的制約により好ましい。ＳＣＲシステムは、ＳＣＲ触媒の下流に位置付けられたアンモニアスリップ触媒を含むことができる。
【００２８】
酸化触媒は、ＳＣＲ活性を低下させる可能性がある炭化水素が低減するように、ＳＣＲシステムに進入する前の、エンジンからの排気流中に位置決めすることができ、またはカバー５の前（尿素入力の上流）の入口に配置することができる。酸化触媒は、ＣＯ、芳香族なども酸化する。
【００２９】
小型ＳＣＲシステムの一実施例における、概略化されたガスの流れを、図１に示す。エンジンからの排気ガスはシステム入口１に入り、次いでＳＣＲシステムの中心軸の周りに位置決めされた中心管１０を通過する。中心管を下行した後、混合ガスはデフレクタ２５に遭遇し、ガス流の方向は元のシステム入口１へと変化する。次いで混合ガスは、ＳＣＲ触媒２１を含みその後にアンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ）２２を含むことができる触媒クラスタ２０を通過し、清浄化されたガスが形成される。清浄化されたガスは、触媒クラスタから入口コーン６の底部へと流れ、次いで外側シェル１５、触媒クラスタ２０、および仕切り２６の間に形成された出口通路内に指し向けられ、出口コーンに戻る。次いで清浄化されたガスは出口コーン３０に衝突し、出口３１を通ってＳＣＲシステムから離れる。
【００３０】
図２は、様々な構成要素を示す、小型ＳＣＲシステムの構成の、分解立体図を示す。構成要素の構成は、図１に記載されるガス流を可能にする。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。エンジン排気ガスは、入口２、還元剤または還元剤前駆体の水溶液を導入するための複数の手段４、カバー５、および入口コーン６を含むシステム入口１を通って、ＳＣＲシステムに流入する。システム入口は、ＮＯｘセンサなどの１つまたは複数のセンサ３をさらに含むことができる。システムは、エンジンの排気に関する、１つまたは複数のＮＯｘセンサからの情報を使用することができる。排気ガスは、入口２でシステムに進入し、次いでカバー５と入口コーン６との間の初期混合ゾーン７内に移動する。システムは、好ましくは、入口上に位置付けられた少なくとも１つのＮＯｘセンサ３を含有し、またはエンジン上の１つもしくは複数のＮＯｘセンサを使用する。カバー５は、複数のインジェクタ、好ましくは、４つのインジェクタを含有し、その内部を通って、還元剤または還元剤前駆体を含有する溶液、好ましくは尿素が供給される。還元剤または還元剤前駆体を含有する溶液は、気化し、排気ガスと混合されて、カバー５と入口コーン６との間の初期混合ゾーン７内で混合ガスを形成する。次いで混合ガスは、システムの対称軸に沿って位置付けられた中心管１０内を流れる。排気ガスからの熱は、カバー５、入口コーン６、および中心管１０に伝達される。入口コーン６および中心管１０は、熱交換機として機能する。この熱は、還元剤または還元剤前駆体の溶液の気化と、還元剤前駆体から還元剤への変換とを支援する。
【００３１】
中心管１０を通過した後、混合ガスはデフレクタ２５に衝突する。図２〜６に示されるデフレクタ２５は、流れを４つの副流に逸らす。内部から排気ガスが提供されるエンジンのサイズおよび動作特性に応じて、デフレクタは、流れを、図に示される４つとは異なる数の副流に分割するよう構成されてもよい。複数の仕切り２６、好ましくは４つの仕切りが、デフレクタおよび外側シェル１５にまたはデフレクタおよび外側シェル１５に対して位置決めされ、混合ガス流を複数の副流に分割する。システム内の仕切りの数は、触媒クラスタの数に、したがってデフレクタ２５の構成に依存する。仕切りは、システムの対称軸に対してガス流の方向を逆にするように、かつガスを元のシステム入口１に向けて流すように位置付けられ構成される。次いでガスの副流のそれぞれは、ＳＣＲ触媒２１、次いで好ましくはＡＳＣ２２を含む触媒クラスタ２０を通過する。図は、４つの触媒クラスタを持つシステムを示す。触媒クラスタの数は、デフレクタ２５の構成と、流れが分割されてできた副流の数とに依存する。図は、ＳＣＲ触媒２１およびＡＳＣ２２であってガス副流の方向に円形断面を有する触媒の使用を示す。触媒は、円形、楕円形、半円形、正方形、および長方形などの、任意の形状を有していてもよい。触媒クラスタ２０を通過した後、各副流は入口コーン６に衝突し、ガス流の方向は、システムの対称軸に対して再び逆になる。次いで清浄化された排気ガスは、システム入口１から離れ、外側シェル１５、触媒クラスタ２０、および仕切り２６の間に形成された出口通路を経て、出口コーン３０へと流れる。次いで清浄化されたガスは出口コーン３０に衝突し、出口３１を通ってＳＣＲシステムを離れる。
【００３２】
カバー５は、還元剤または還元剤前駆体、例えば尿素の水溶液を、カバー５と入口コーン６との間の初期混合ゾーン７に導入するための手段を含む。入口コーン６および中心管１０は、熱交換機として機能することができ、熱を、エンジンからの高温排気ガスから、ＳＣＲシステム内の様々な構成要素およびガスに伝達させる。還元剤または還元剤前駆体の水溶液は、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。尿素の水溶液を導入するための手段は、液体圧力下でのインジェクタ、尿素溶液の噴霧形成用（蒸発前）の空気を使用するノズル、またはエアレスノズルを含むことができる。インジェクタは、還元剤または還元剤前駆体の水溶液を導入するための手段として好ましい。空気を使用する様々なタイプのノズルが、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。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。
【００３３】
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、排気の熱と、清浄化された排気ガスから入口コーン６および中心管１０の熱交換機能を経た熱の伝達とによって供給される。
【００３４】
ＳＣＲシステムは、２次気化空気を予熱するのに、外側シェル１５、入口コーン６、および出口コーン３０の１つまたは複数を使用することができる。予熱された２次気化空気は、インジェクタまたはノズルを離れた後に形成されるような尿素溶液の噴霧パターンを制御しまたは調節する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。
【００３５】
尿素水溶液は、加圧された１次気化空気の助けを借りて、商用のノズルを使用して霧状にすることができる。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り得る。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。初期混合ゾーン７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、初期混合ゾーン７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。
【００３６】
２次気化器空気も、壁から噴霧への熱伝達を増大させるために平坦な噴霧または渦流が初期混合ゾーン内に生成されるよう、少なくとも１つ、好ましくは２つ以上のノズルを経てシステム入口に供給することができる。２次気化空気は、ノズル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、より好ましくは外側シェル１５、カバー５、または出口コーン３０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。総質量流および２次気化空気流の圧力は、所望の噴霧延長パターンおよび所望の渦流パターン、ならびに初期混合ゾーン７内の所望の圧力および温度によって決定される。カバー５および入口コーン６の壁は、還元剤前駆体の加水分解に向けて触媒活性を提供することもできる。
【００３７】
図３は、構成要素の場所（図（ａ）および（ｃ））およびＳＣＲシステム内を通るガスの流れ（図（ｂ）および（ｄ））を示す、小型ＳＣＲシステムの実施例の断面図を示す。図３（ａ）および３（ｃ）は、同じ断面であるがその断面の向きが異なる角度で示されている状態を示す。これらの図は、システム入口の入口２、カバー５、インジェクタ４、および入口コーン６を示す。入口コーン６は、中心管１０に流体連通している。デフレクタ２５は、中心管１０の終わりに位置付けられ、空間が、中心管１０の終わりとデフレクタ２５との間の仕切り２６によって形成されている。デフレクタ２５は、尿素またはその他の還元剤前駆体を加水分解するのを支援することができる、１種または複数の触媒を含んだ１つまたは複数のコーティングを含むことができる。ＳＣＲ触媒２１およびＡＳＣ２２を含有する複数の触媒クラスタは、中心管１０の周りに位置付けられる。２つの支持体２７は、中心管１０と外側シェル１５との間の所定位置に触媒クラスタを保持する。入口コーン６は、触媒クラスタの終わり付近に位置付けられ、空間が、触媒クラスタ２０と入口コーン６との間にある。この空間は、触媒クラスタを離れた清浄な排気ガスが入口コーン６内に向かう通路を提供し、そこでは、初期混合ゾーン７内に熱が伝達された後に方向転換し、その後、出口コーン３０に衝突し、次いで出口３１を通って離れる。
【００３８】
図３（ｂ）および（ｄ）は、図１に示したようなガス流パターンを有する小型ＳＣＲシステムの実施例での、ガス流を示す。様々な要素の部品数は、上述の図３（ａ）および（ｃ）に示される。高温排気ガスは、入口２を経て小型ＳＣＲシステムに進入し、ＳＣＲシステムに至る。ガスは、カバー５と入口コーン６との間で初期混合ゾーン内を上向きに流れる。初期混合ゾーン内のガスの正味の流れパターンを、簡単な線によって示す。初期混合ゾーン内の流れパターンは、混合ガスが形成されるようにインジェクタ４を通してシステム内に導入された、エンジンからの高温排気ガスと気化した還元剤または還元剤前駆体との混合が複雑であることにより、図示しない。混合ガスは中心管１０内を移行し、次いでデフレクタ２５に衝突し、方向を変え、仕切り２６の間で副流に分割されて触媒クラスタに入り、そこでＳＣＲ触媒２１を通過し次いでＡＳＣ２２を通過する。触媒クラスタから出た後、清浄な排気ガスは入口コーン６に衝突し、方向を変え、触媒クラスタ２０と外側シェル１５との間の空間内を流れる。次いで清浄化されたガスは出口コーン３０に衝突し、出口３１を経て離れる。
【００３９】
排気ガスがＳＣＲ触媒２１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。システムは、好ましくは、ＳＣＲ触媒２１の下流で排気ガス流中に位置決めされた、アンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ）２２を含む。
【００４０】
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。
【００４１】
小型ＳＣＲシステムは、触媒を交換するために、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、手段は、カバー５および入口コーン６または出口コーン３０を外側シェル１５に接続する、複数のナットおよびボルトなどの機械式固定システムを含む。
【００４２】
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、尿素および適用可能な場合には気化空気、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センサおよび任意選択で温度センサは、システム入口に、好ましくは入口２内に位置付けることができる。ＮＯｘまたはＮＨ３センサは、ＳＣＲ触媒の下流に、好ましくは出口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。
【００４３】
５００から４５００ｋＷの出力を有する２段（例えば、Ｖシリンダ）エンジンからの排気ガスは、小型ＳＣＲシステムの入口に進入する前に一緒に接続することができる。
【００４４】
図４は、実施例の小型ＳＣＲシステムの、側面である。入口２は、センサ３、好ましくはＮＯｘセンサを含有し、複数のインジェクタ４（この図では、３つが示されている）を含有するカバー５に接続される。カバー５は、出口コーン３０に接続された外側シェル１５に接続される。出口コーン３０は、好ましくは少なくとも１つのセンサ３５を含有する出口３１に接続される。エンジンからの排気ガスは、入口２を経てＳＣＲシステムに進入し、清浄な排気ガスは、外側シェル１５内でＳＣＲ触媒（図示せず）を通過した後に、出口３１を経てＳＣＲシステムから出て行く。外側シェル１５を通る３つの横断（Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、およびＤ−Ｄ）の場所も示す。
【００４５】
図５は、図４の小型ＳＣＲシステムの、断面Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、およびＤ−Ｄの図を示す。断面Ｂ−ＢおよびＤ−Ｄは、同じであり、支持体２７の中間に中心管１０を含有し、４つの触媒クラスタ２０が支持体２７の４つのアームのそれぞれに含有されている。支持体は、外側シェル１５に接触しまたは接続される。断面Ｃ−Ｃは、外側シェル１５に接触しまたは接続するデフレクタ２５を含有する。
【００４６】
図６（ａ〜ｃ）は、実施例のＳＣＲシステムにおけるいくつかの構成要素のアセンブリを示す図である。これらの図のそれぞれは、入口２および外側シェル１５を示す。図６（ａ）は、支持体２７の中間に中心管１０も示し、４つの触媒クラスタ２０が支持体２７の４つのアームのそれぞれに含有されている。支持体は、外側シェル１５に接触しまたは接続される。図６（ｂ）は、仕切り２６を付加した状態を示す。仕切りは、支持体２７の露出した縁部によって向きが定められている（図６（ｂ）参照）。図６（ｃ）は、仕切り２６および外側シェル１５に対してまたは接続させて、デフレクタ２５を付加した状態を示す。
【００４７】
小型ＳＣＲシステムの別の実施例における、概略化されたガスの流れを図７に示す。エンジンからの排気ガスはシステム入口１に入り、次いでＳＣＲシステムの中心軸の周りに位置決めされた中心管１０を通過する。中心管を下行した後、混合ガスはデフレクタに遭遇し、混合ガスの流れを複数の副流に分け、ガス流の方向を、元の入口に向かうよう変更する。混合ガスの副流は、外側シェル１５、触媒クラスタ２０、および仕切り２６の間に形成された入口通路を通過し、次いで入口コーンの底部に接触する。次いでガスは、ＳＣＲ２１を含みその後にアンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ）２２を含む触媒クラスタ２０内に指し向けられ、清浄化されたガスが形成される。次いで清浄化されたガスは出口コーン３０に衝突し、出口３１を経てＳＣＲシステムから出て行く。
【００４８】
図７の実施例に示される流れで使用されるシステムの構成は、ガス流の通路を変えるようにデフレクタ２５が回転すること以外、図１〜６に示されたシステムの構成に類似している。
【００４９】
小型ＳＣＲシステムへの入口は、上述の小型ＳＣＲシステムでの使用に合わせて修正することができ、その他のタイプのＳＣＲシステムで使用することもできる。選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムの入口は、入口と、混合ゾーンと、出口と、還元剤または還元剤前駆体の水溶液を導入するための複数の手段とを含むことができ、入口は混合ゾーンに流体連通しており、混合ゾーンは出口に流体連通しており、混合ゾーンは、カバー、壁、および入口コーンによって形成され、壁は、カバーと入口コーンとの間に位置付けられ、還元剤または還元剤前駆体の水溶液を導入するための複数の手段が壁に位置付けられている。図８は、様々な構成要素を示す、小型ＳＣＲシステムに関する入口の構成の、分解立体図を示す。エンジンの排気ガスは、入口２と、還元剤または還元剤前駆体の水溶液を導入するための複数の手段４と、カバー５と、入口コーン６とを含むシステム入口１を経て、ＳＣＲシステムに流入する。システム入口は、１つまたは複数のセンサ３、例えばＮＯｘセンサを、さらに含むことができる。システムは、エンジンの排気上の１つまたは複数のＮＯｘセンサからの情報を使用することができる。排気ガスは、入口２でシステムに進入し、次いでカバー５と入口コーン６との間の初期混合ゾーン７内に移動する。初期混合ゾーン７は、カバー５と入口コーン６との間の壁８内に含有される。壁８は、図９の円筒形状を有するとして示される。壁は、入口が取着されるＳＣＲシステムの形状に応じて、その他の形状、例えば正方形、五角形、六角形などの形をとることができる。壁８は、還元剤または還元剤前駆体、好ましくは尿素がその内部を通って供給される複数のインジェクタ、好ましくは３つ以上のインジェクタを含有する。好ましくは、インジェクタは、液体還元剤溶液のみのインジェクタを意味する、エアレス型のものである。初期混合ゾーン７の幾何形状により、非常に低い排気ガス運動量が、インジェクタ４の先端に生ずる。したがって、インジェクタの噴霧パターンは、完全に発現することができ、小さい液滴直径をもたらし、したがって広い液滴表面積が得られ、したがって蒸発速度が速くなる。還元剤または還元剤前駆体を含有する溶液は、気化し、カバー５、入口コーン６、および壁８の間の初期混合ゾーン７内で排気ガスと混合されて、混合ガスを形成する。次いで混合ガスは、システムの対称軸に沿って位置付けられた中心管１０内を、ＳＣＲ触媒に向かって流れる。システムは、好ましくは、入口に位置付けられた少なくとも１つのＮＯｘセンサ３を含有し、エンジン上の１つまたは複数のＮＯｘセンサを使用する。
【００５０】
図９は、実施例の小型ＳＣＲシステムの側面図である。入口２は、センサ３、好ましくはＮＯｘセンサを含有し、複数のインジェクタ４（この図には、３つが示されている）を含有するカバー５に接続される。カバー５は、出口コーン３０に接続された外側シェル１５に接続された、壁８に接続される。出口コーン３０は、好ましくは少なくとも１つのセンサ３５を含有する出口３１に接続される。エンジンからの排気ガスは、入口２を経てＳＣＲシステムに進入し、外側シェル１５内のＳＣＲ触媒（図示せず）を通過した後に、出口３１を経てＳＣＲシステムから出て行く。外側シェル１５を通る３つの横断（Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、およびＤ−Ｄ）の場所も示されている。
【００５１】
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７】
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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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