特開 2023-182938 排気ガス処理システムおよび排気ガス処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023182938

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】排気ガス処理システムおよび排気ガス処理方法

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/10 20060101AFI20231220BHJP

   F01N 3/08 20060101ALI20231220BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20231220BHJP

【ＦＩ】

F01N3/10 Z

F01N3/08 B ZAB

B01D53/94 222

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096214

(22)【出願日】2022-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000005902

【氏名又は名称】株式会社三井Ｅ＆Ｓ

(72)【発明者】

【氏名】服部 望

(72)【発明者】

【氏名】服部 泰典

(72)【発明者】

【氏名】宮地 健

(72)【発明者】

【氏名】糸山 剛士

【テーマコード（参考）】

3G091

4D148

【Ｆターム（参考）】

3G091AA04

3G091AA18

3G091AB05

3G091AB11

3G091AB12

3G091BA04

3G091BA14

3G091FB03

3G091GA06

3G091GB01X

3G091HA01

3G091HA08

3G091HB01

4D148AA06

4D148AA07

4D148AB02

4D148AB03

4D148AC03

4D148AC04

4D148BB02

4D148CC32

4D148CC48

4D148CC61

4D148DA03

4D148DA13

(57)【要約】      （修正有）

【課題】アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンにおいて発生しうる亜酸化窒素や窒素酸化物の分解、脱硝を、別途設置スペースを拡大せず、さらにエンジン内で発生する余剰エネルギーを有効利用できる排気ガス浄化システムおよび排気ガス浄化方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の一態様によれば、排気ガス処理システムおよび排気ガス処理方法が提供される。この排気ガス処理システムは第１処理部と第２処理部とを備える。第１処理部は、エンジンの排気弁と排気レシーバーの間に設置され、特に、亜酸化窒素を分解する。第２処理部は、特に、第１処理部を経由した排気ガスに含まれる窒素酸化物を、脱硝するよう構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに設置される排気ガス処理システムであって、
第１処理部と第２処理部とを備え、
前記第１処理部は、前記エンジンの排気弁と排気レシーバーの間に設置され、特に亜酸化窒素を分解し、
前記第２処理部は、特に、前記第１処理部を経由した排気ガスに含まれる窒素酸化物を脱硝するよう構成される、もの。

【請求項2】

請求項１に記載の排気ガス処理システムであって、
前記第１処理部は、触媒がメタルハニカム担体に担持されるよう構成される、もの。

【請求項3】

請求項１～２に記載の排気ガス処理システムであって、
前記第２処理部は、前記第１処理部より下流の煙道に設置されるよう構成される、もの。

【請求項4】

アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに設置される排気ガス処理方法であって、
第１処理ステップと第２処理ステップとを備え、
前記第１処理ステップは、前記エンジンの排気弁と排気レシーバーの間にて、特に亜酸化窒素を分解し、
前記第２処理ステップは、特に、前記第１処理ステップを経由した排気ガスに含まれる窒素酸化物を脱硝するよう構成される、方法。

【請求項5】

請求項４に記載の排気ガス処理方法であって、
前記第１処理ステップは、触媒がメタルハニカム担体に担持されるよう構成される、方法。

【請求項6】

請求項４～５に記載の排気ガス処理方法であって、
前記第２処理ステップは、前記第１処理ステップ後の下流の煙道にてなされる、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、排気ガス処理システムおよび排気ガス処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

重油焚き舶用ディーゼルエンジンにおいては、いわゆるリーンバーン燃焼等によって窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」とする）が発生しうる。しかし亜酸化窒素（以下「Ｎ２Ｏ」とする）はほとんど発生しない。
一方、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンでは、Ｎ２Ｏの発生は不可避である。またＮ２Ｏは、二酸化炭素の約２６０倍の温室効果を有するところ、そのまま大気に放出するわけにはいかず、分解等の対策を行う必要がある。

【0003】

特許文献１には、ＮＯｘを脱硝するための脱硝装置およびそこを通過してくるＮ２Ｏを分解するための分解装置、の二段階排気ガス処理システムが実施例で表されており、当該分解装置は紫外線を照射するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－０８８９６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示される技術は、脱硝装置、分解装置といった２つ以上の排気ガス処理装置を設置しなくてはならず、エンジン外の設置スペースの制約が厳しい舶用ディーゼルエンジンでは採用できない方式である。またＮ２Ｏ分解のための紫外線照射に別途エネルギーを必要とするものであって、エンジン内で発生する余剰エネルギーを有効利用できるものではない。

【0006】

本発明は上記事情に鑑み、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンにおいて発生しうるＮ２ＯやＮＯｘを、別途設置スペースを拡大せず、さらにエンジン内で発生する余剰エネルギーを有効利用して分解、脱硝できる排気ガス処理システムおよび排気ガス処理方法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】

【0007】

本発明の第１の観点は、
アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに設置される排気ガス処理システムであって、
第１処理部と第２処理部とを備え、
前記第１処理部は、前記エンジンの排気弁と排気レシーバーの間に設置され、特に亜酸化窒素を分解し、
前記第２処理部は、特に、前記第１処理部を経由した排気ガスに含まれる窒素酸化物を脱硝するよう構成される、ものである。

【0008】

本発明の第２の観点は、
アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに設置される排気ガス処理方法であって、
第１処理ステップと第２処理ステップとを備え、
前記第１処理ステップは、前記エンジンの排気弁と排気レシーバーの間にて、特に亜酸化窒素を分解し、
前記第２処理ステップは、特に、前記第１処理ステップを経由した排気ガスに含まれる窒素酸化物を脱硝するよう構成される、方法である。

【0009】

本発明の排気ガス処理システムおよび排気ガス処理方法によれば、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンにおいて発生しうるＮ２Ｏ、ＮＯｘの分解、脱硝を、別途設置スペースを拡大せず、さらにエンジン内で発生する余剰エネルギーを有効利用して行いうる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明にかかる排気ガス処理システムの全体図

【図2】舶用ディーゼルエンジン全体イメージ図

【図3】第１処理部１１の取付イメージ図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

【0012】

１．排気ガス処理システム１の構成
第１節では、本実施形態の排気ガス処理システムの構成について説明する。

【0013】

１．１ 排気ガス処理システム１
図１は、本実施形態の一態様であって、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンに接続される排気ガス処理システム１の全体図である。排気ガス処理システム１は、第１処理部１１と第２処理部１２から構成される。第１処理部１１は、特にアンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンでは発生不可避なＮ２Ｏを分解し、第２処理部１２は、特に、第１処理部１１を通過してきたＮＯｘを脱硝するよう構成される。

【0014】

１．２ 第１処理部１１
第１処理部１１は、特に、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンでは発生不可避なＮ２Ｏを分解するように構成されるものである。ただ、エンジンの大きさや運転状況によっては、後段に接続される第２処理部１２を経ずに、第１処理部１１にてＮＯｘをも脱硝するものであっても構わない。
Ｎ２Ｏを分解するためには、第２処理部１２のような舶用ディーゼルエンジンに用いられる選択式還元触媒システムの定格温度の約３５０℃よりもかなり高い温度が必要とされ、その温度は少なくとも約５００℃以上である。そのため舶用ディーゼルエンジンに用いられる選択式還元触媒システムではＮ２Ｏを分解することは難しく、別途第１処理部１１が必要となる。第１処理部１１の設置場所等は後段の第２節で詳説する。

【0015】

１．３ 第２処理部１２
第２処理部１２は、図１に示すように、特に、第１処理部１１を通過してきたＮＯｘを脱硝するよう構成される。上述のとおり温度の関係上、Ｎ２Ｏを分解するのは困難ではあるが、第１処理部１１と第２処理部１２は同じ触媒が利用される場合もあり、一部、Ｎ２Ｏを分解するものであっても勿論よい。第２処理部１２は、舶用ディーゼルエンジンに用いられる選択式還元触媒システムと略同一であって、舶用ディーゼルエンジンに設置される場所で稼働するよう組み込まれることが一般的である。そのため排気レシーバー２２に繋がるガス管内にある第１処理部１１と排気レシーバー２２の後にある第２処理部１２とが、一体として排気ガス処理システム１を構成する。

【0016】

１．４ シリンダーヘッド２
一般的な内燃機関において最も複雑な主要部品のひとつである。大型船舶で用いられる２ストロークエンジンの場合、大出力により発生しうる熱と振動に耐える必要があるため、頑強に作られており、バルブを駆動させて吸排気をタイミングよくコントロールする排気弁２１を備える。
なお排気弁２１は、シリンダーヘッド２の近隣に併設されている排気レシーバー２２に接続されており、排気ガスは排気弁２１を経由して排気レシーバー２２に送られた後に舶用ディーゼルエンジンに用いられる選択式還元触媒システムと略同一の第２処理部１２にて主に、ＮＯｘの脱硝、Ｎ２Ｏの分解が一部される。そうしてＮＯｘ、Ｎ２Ｏの大気放出が防止される。

【0017】

１．５ 排気弁２１
排気弁２１はシリンダーヘッド２の内部に設置されており、燃料と空気の混合気体が舶用ディーゼルエンジンのシリンダー内のスペース(燃焼室)で着火すると、使用済みのガスがバルブを通ってシリンダーの外に送り出される。
排気弁２１自体は、ステムと呼ばれる棒（排気弁棒）の先端に円形の傘が付いたキノコ形状のポペット弁であって、上下に動く弁傘部の弁フェース（排気弁箱）と、排気ポートに装着された排気弁座の間隔によって、流れを開放したり遮断したりするものである。

【0018】

１．６ 排気レシーバー２２
シリンダーヘッド２と同様に高い負荷を受ける。個々のシリンダーから流入するガスにより排気レシーバー内は最大で約４ｂａｒの圧力で高温（約４００℃）に達する。熱的および圧力的負荷に加えて、エンジンの振動によって排気レシーバー２２への機械的負荷はさらに増加する。大型化、および高い運転温度によって、排気レシーバー２２の熱膨張が著しくなる。さらに大型のエンジンとなると、熱膨張によって生じる排気弁２１との位置関係の変化を吸収するために、排気弁２１と排気レシーバー２２は伸縮管により接続される。

【0019】

排気レシーバー２２の外部表面の温度は、排気レシーバー２２の内部の排気ガスの温度よりも実質的に低くなるように、断熱材の厚い層に覆われる。安全規則では、排気レシーバー２２の外部表面の温度は、エンジンの燃料またはエンジン部品と不注意で接触する可能性のある油類を点火させるほどの温度にならないように、２２０℃以下とするよう求められている。実用上、排気レシーバー２２の外部表面は、その表面温度が１５０℃以下に保たれるように十分に断熱される。

【0020】

２ 第１の実施形態
第２節では、本発明第１の実施形態の態様について説明する。

【0021】

図１は、本実施形態の一態様であって、排気ガス処理システム１の全体図である。排気ガス浄化システム１は、第１処理部１１と第２処理部１２から構成される。第１処理部１１は特に、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンで発生しうるＮ２Ｏを分解することを目的として設置される。一方、第２処理部１２は、特に、第１処理部１１を通過してきたＮＯｘを脱硝することを目的としている。

【0022】

Ｎ２Ｏに対する分解触媒は、通常のＮＯｘ還元触媒と比較して高温での還元反応を必要とする。多くの舶用ディーゼルエンジン出口での排ガス温度は必要とするレベルに達していない。追い炊き等により排ガス温度を上げる対処も考えられるが、排出二酸化炭素量の増加など、そもそもアンモニア燃料エンジンの使用意図に沿うものでなく、また、エンジン出口の排ガス温度を上げることは燃費悪化や燃焼室や排ガス系統の部品、特に排気弁棒などの耐熱性向上などが必要になるものである。

【0023】

Ｎ２Ｏに対する分解触媒が活性化するには、少なくとも約５００℃以上の温度が必要になるが、上述のとおり、排気レシーバー２２内の排ガス温度はエンジン負荷に応じて異なる温度であるものの、約２００℃～約４５０℃程度の範囲にある。排気レシーバー２２の後段に設けられることが一般的である第２処理部１２でも同様に、約２００℃～約４５０℃程度であるため、舶用ディーゼルエンジンに用いられる選択式還元触媒システムの一般的な設置位置ではＮ２Ｏに対して触媒が有効に機能することは難しい。

【0024】

そこで、Ｎ２Ｏを分解するために、通常排気レシーバー２２の後段に設置される第２処理部１２とは別に、排気弁２１と排気レシーバー２２をつなぐガス管内に、第１処理部１１を設置することが考えられる。当該ガス管内の排ガス温度は機関の燃焼サイクルに応じて時間変化しており、掃気と燃焼ガスが混合する排気レシーバー２２の後段よりも高温（約５００℃以上）の燃焼ガスが、管内を流れることから触媒反応が活性化される。

【0025】

なお、上述のガス管内に第１処理部１１を設置することは別の効果も有する。排気ガスの中に未燃焼のアンモニアが含まれる場合があり、当該アンモニアが還元剤として作用することにより外部から還元剤を供給する必要もなくなるからである。一方、還元剤が少ない場合は、アンモニアガス、アンモニア水、尿素水等を当該ガス管上流に供給することも考えられる。なお還元剤の供給は燃焼室内へのアンモニア燃料噴射弁からの供給であってもよい。燃料として積載しているアンモニアの有効利用も可能な構成となる。

【0026】

上述のとおり、排気弁２１と排気レシーバー２２をつなぐガス管内は、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンの大出力により発生しうる熱と振動の影響が大きい。そこで図３のように、ハニカム構造の第１処理部１１を排気レシーバー２２のフランジに取り付けることで、第１処理部１１と当該ガス管の内壁との衝突等によって触媒が剥がれ落ちるのを防ぐことができる。いわゆる片持ち構造になっているのは、約５００℃以上の高温の排気ガスによる排気レシーバー２２の熱膨張の影響を受ける伸縮管の機能を阻害しないためである。さらに、排ガス流れにおける圧力損失を低減させるため第１処理部１１自体がハニカム構造であることが好ましい。

【0027】

図３のように取付られた第１処理部１１が、排気弁２１と排気レシーバー２２をつなぐガス管内に組み込まれた、舶用ディーゼルエンジン全体イメージ図を図２に示す。第２処理部１２は図２では不図示であるが、第１処理部１１はエンジンの稼働状況によっては、Ｎ２Ｏの分解だけでなくＮＯｘの脱硝も可能であり、第２処理部１２が不要となる場合も考えられるからである。

【0028】

排気弁２１と排気レシーバー２２をつなぐガス管内に、図３のように、第１処理部１１が組み込まれた場合の、第１処理部１１での温度とＮ２Ｏの分解率との関係についての模擬実験結果を下記表１に示す。

【0029】

【表1】

試験条件
ＳＶ（空間速度：空間速度とは流量を触媒体積で割ったもの）＝４０万/時間
第１処理部１１の大きさ＝直径：２２０ミリメートル、長さ：５００ミリメートル
エンジンに第１処理部１１を７基セットしたものを模擬

【0030】

上記表１の通り、排気弁２１から出てくる排気ガスの温度が、より高温であればあるほどＮ２Ｏの分解は促進されることがわかる。実機で必要とされるＮ２Ｏの分解率は最低４０％程度と試算されており、上記ＳＶでは約６００℃以上でその数値を達成できる。
なお、上記試験結果のほか、ＳＶを変えた試験を実施しており（不表示）、最適なＳＶは１００万/時間以下で、より最適な条件は４０万/時間以下である。ＳＶは低いほどＮ２Ｏを分解しやすいが、触媒を充填する場所の制限上、５万/時間以上４０万/時間以下が最適な値の範囲となる。

【0031】

よって、ハニカム構造の第１処理部１１を排気弁２１と排気レシーバー２２をつなぐガス管内に設けることで、特段の処理を要することなく、エンジンの排熱を有効利用しつつ、さらには燃料としてのアンモニアの有効利用も可能となる。Ｎ２Ｏの分解を推し進めることで、同時にＮＯｘの一部または全部脱硝も可能となるところ、排気レシーバー２２の後段に設置される第２処理部１２の小型化や省略化も可能となり、設置スペースの有効利用もできることになる。
３ 第２の実施形態
第３節では、本発明第２の実施形態の態様について説明する。なお、第１の実施形態と略同様の機能や構成については、その説明を省略する。

【0032】

図３および上述のとおり、第１処理部１１は排気レシーバー２２の入口フランジ部分にいわゆる片持で保持されている。排気弁２１と排気レシーバー２２をつなぐガス管（伸縮管）による排気レシーバーの熱膨張を吸収する機能を阻害しないためである。しかし、当該ガス管（伸縮管）内は、そもそも排ガスの温度や流量の変化が大きく、また、エンジンの振動を受けやすい位置にあるため、第２処理部１２に通常用いられるセラミック触媒と比較して熱伝導がよく疲労破壊耐性に優れた触媒が望ましいと考えられる。

【0033】

そこで、金属酸化物系に代表されるセラミック触媒ではなく、触媒をメタルハニカム担体に担持させたメタル触媒を第１処理部１１に用いることで、より長期間Ｎ２Ｏの分解性能を維持できる排気ガス処理システム１が提供できることになる。

【0034】

４ その他の実施形態
本発明第１および第２の実施形態の態様において、第２処理部１２が、エンジンの内部であって、第１処理部１１より下流の煙道に設置されるものである。第２処理部１２は舶用ディーゼルエンジンに用いられる選択式還元触媒システムと略同一であり、エンジンの外部に設置されるのが通常だからである。

【0035】

第１処理部１１がＮ２Ｏの分解だけでなく、ＮＯｘを一部または全部脱硝することも可能な構成であるため、第２処理部１２は、第１処理部１１がない場合よりも小型化できうる。そのため第２処理部１２を、図２に示す全体図であるエンジンの内部であって、第１処理部１１より下流の煙道に設置することで、船舶全体でのスペースの有効利用も可能となるため好ましい。

【0036】

本発明第１および第２の実施形態の態様において、積載している液化アンモニアのボイルオフガスとしてのアンモニアガス、除害装置としてのアンモニアを吸収させたアンモニア水、第２処理部１２での還元剤としての尿素水等を、排気弁２１と排気レシーバー２２をつなぐガス管（伸縮管）上流に供給するものであってもよい。なお当該供給は燃焼室内へのアンモニア燃料噴射弁からであってもよい。

【0037】

排気ガスの中に未燃焼のアンモニアが含まれる場合には、第１処理部１１において還元剤が不足することはないが、還元剤が不足している状況においては、必要となるものである。還元剤を別途必要とすることなく、アンモニアを燃料の一部とする舶用ディーゼルエンジンで発生するもの、または生成できるものであって、燃料の有効利用も可能となるためさらに好ましい。

【0038】

以上、種々の実施形態を説明したが、これらは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0039】

１ 排気ガス処理システム
１１ 第１処理部
１２ 第２処理部
２ シリンダーヘッド
２１ 排気弁
２２ 排気レシーバー

【図1】

【図2】

【図3】