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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-12
(45)【発行日】2023-12-20
(54)【発明の名称】尿素気化装置
(51)【国際特許分類】
   F01N 3/08 20060101AFI20231213BHJP
   F01N 3/24 20060101ALI20231213BHJP
   B01D 53/94 20060101ALI20231213BHJP
【FI】
F01N3/08 B
F01N3/24 N
B01D53/94 400
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2023046334
(22)【出願日】2023-03-23
(62)【分割の表示】P 2020150831の分割
【原出願日】2020-09-08
(65)【公開番号】P2023085366
(43)【公開日】2023-06-20
【審査請求日】2023-03-28
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000005902
【氏名又は名称】株式会社三井E&S
(74)【代理人】
【識別番号】100101340
【弁理士】
【氏名又は名称】丸山 英一
(74)【代理人】
【識別番号】100205730
【弁理士】
【氏名又は名称】丸山 重輝
(74)【代理人】
【識別番号】100213551
【弁理士】
【氏名又は名称】丸山 智貴
(72)【発明者】
【氏名】服部 望
(72)【発明者】
【氏名】稲葉 利晴
【審査官】増岡 亘
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-150851(JP,A)
【文献】特開2009-108726(JP,A)
【文献】特表2015-508469(JP,A)
【文献】特開2005-105970(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F01N 3/08
F01N 3/24
B01D 53/94
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
加圧空気と尿素水を供給する尿素水供給管を、排ガスが流れる配管内に挿通し、
前記尿素水供給管の先端近傍に、尿素水噴霧ノズルを接続し、
前記配管内を流れる排ガスと、前記尿素水噴霧ノズルから噴霧された尿素水との混合部を、前記配管内に有し、
該混合部の手前であって且つ前記排ガスの流れる方向の上流側の前記配管内に、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレートが、前記配管の断面の中心付近に着脱可能に配置され、
前記加水分解プレートの断面形状が、少なくとも凸面と凹面を有しており、
前記加水分解プレートの凸面は、前記排ガスの流れる方向の上流側に向かって配置されると共に、前記凹面は、前記排ガスの流れる方向の下流側に向かって拡開するように配置され、
前記尿素水噴霧ノズルは、前記配管の排ガスの流れ方向に沿って前記混合部に向かって噴射するように配置され、
前記加水分解プレートの凸面側は、前記排ガスが、前記凸面側の外周端から凹面側の内面に向かって進む構造を有し、
更に、前記凹面側に進んだ排ガスが進行方法に進むに従って、進行方向とは逆方に向かう渦流が形成されることにより、前記混合部で、前記渦流と、前記噴霧尿素水とが接触すると共に、前記加水分解触媒材料に、前記噴霧尿素水を含んだ前記排ガスを接触させる構造を有することを特徴とする尿素気化装置。
【請求項2】
加圧空気と尿素水を供給する尿素水供給管を排ガスが流れる配管内に挿通し、
前記尿素水供給管の先端近傍に尿素水噴霧ノズルを接続し、
前記尿素水噴霧ノズルは、前記配管の壁面に向かって噴射するように配置され、
前記配管内を流れる排ガスと、前記配管の壁面に向かって噴霧された尿素水との混合部を、前記配管内に有し、
前記混合部には、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレートが前記配管内の壁面に沿って着脱可能に配置され、
前記加水分解プレートの断面形状が、少なくとも凹面を有しており、
前記加水分解プレートの前記凹面は前記尿素水噴霧ノズルに向かって拡開するように設けられ、
前記凹面の前記配管の壁面と反対側には前記混合部が形成され、前記混合部で前記排ガスに巻き込まれた尿素水は、前記尿素水噴霧ノズルから前記加水分解プレートの加水分解触媒材料に向かって噴霧される構造を有することを特徴とする尿素気化装置。
【請求項3】
前記加水分解プレートの断面形状は、凹面と凸面とを有しており、前記凸面の一部が前記配管の内壁面に接するように配置されていることを特徴とする請求項2記載の尿素気化装置。
【請求項4】
前記加水分解プレートが、V型、U型又は御椀型の何れかからなることを特徴とする請求項1又は3記載の尿素気化装置。
【請求項5】
前記加水分解プレートが、方形状平板の幅方向の中心を縦方向に折り曲げるか、あるいは方形状平板の幅方向を半円状に折り曲げて形成されることにより凸面と凹面を有する折り曲げ部材からなることを特徴とする請求項1~4の何れかに記載の尿素気化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、尿素気化装置に関し、詳しくは、加水分解効率を向上させることにより、脱硝率を向上させて、さらにコンパクト化させた気化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば船舶用ディーゼルエンジンの排ガス浄化触媒としては、NOxを浄化することができる有望な触媒として選択還元型脱硝触媒(以下、SCR触媒という)が知られている。
【0003】
また船舶用ディーゼルエンジンから排出された排ガスに還元剤を添加したガスが、脱硝触媒上を通過する際に、接触還元して無害な窒素と水に変換する方法は、尿素SCR法として知られており、かかる尿素SCR法は、尿素を脱硝触媒前流に吹込み、下記反応を行わせて、NOxを無害化する方法である(特許文献1)。
4NO+4NH+O2 →4N2+6H2
6NO+8NH→7N2+12H2
大型のSCR触媒を用いた排ガス浄化装置(SCR装置ともいう)の中でも、特に船舶用のSCR装置の場合には、船舶内もしくは船舶外への配置を容易にするため、小型化のニーズがあり、加水分解(気化)装置についても、コンパクトにする要請がある。
(加水分解反応)
(NH2CO+H2O →2NH+CO2
【0004】
一方、尿素SCR法では、尿素を供給する工程で、気化装置の構成部品や配管内壁などに尿素が付着してしまい、加水分解の効率が下がって、アンモニアの供給が想定より少なくなり、脱硝率が低下することがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開2003-328734号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
そこで、本発明の課題は、加水分解効率を向上させることにより、脱硝率を向上させて、さらに気化装置のコンパクト化が可能になる尿素気化装置を提供することにある。
【0007】
さらに本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【0009】
(請求項1)
加圧空気と尿素水を供給する尿素水供給管を排ガスが流れる配管内に挿通し、
前記尿素水供給管の先端近傍に尿素水噴霧ノズルを接続し、
前記配管内を流れる排ガスと、前記尿素水噴霧ノズルから噴霧された噴霧尿素水との混合部を前記配管内に有し、
該混合部の手前であって且つ前記排ガスの進行方向に、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレートが前記配管内で着脱可能に配置され、
前記加水分解プレートの加水分解触媒材料に、前記噴霧尿素水を含んだ前記排ガスを接触させる構造を有することを特徴とする尿素気化装置。
(請求項2)
前記排ガスが前記加水分解プレートを超えて、進行方法に進むに従って、進行方向とは逆方に向かう渦流が形成され、前記排ガスに前記噴霧尿素水を含んだ渦流が、加水分解触媒材料に接触する構造を有することを特徴とする請求項1記載の尿素気化装置。
(請求項3)
加圧空気と尿素水を供給する尿素水供給管を排ガスが流れる配管内に挿通し、
前記尿素水供給管の先端近傍に尿素水噴霧ノズルを接続し、
前記配管内を流れる排ガスと、前記配管壁面に向かって噴射可能な尿素水噴霧ノズルから噴霧された噴霧尿素水との混合部を前記配管内に有し、
前記配管の内面に沿って、該内面の一部または全部に加水分解触媒材料が付与された加水分解プレートが前記配管内に着脱可能に配置され、
前記加水分解プレートの断面形状が、少なくとも凹面と凸面を有しており、
前記加水分解プレートの凸面が、前記配管の内壁面に接するように配置されると共に、反対の凹面は前記尿素水噴霧ノズルに向かって配置され、
前記混合部で前記排ガスに巻き込まれた尿素水は、前記尿素水噴霧ノズルから前記加水分解プレートの加水分解触媒材料に向かって噴霧される構造を有することを特徴とする尿素気化装置。
(請求項4)
前記加水分解プレートが、V型、U型又は御椀型の何れかからなることを特徴とする請求項3記載の尿素気化装置。
(請求項5)
前記加水分解プレートが、方形状平板の幅方向の中心を縦方向に折り曲げるか、あるいは方形状平板の幅方向を半円状に折り曲げて形成されることにより凸面と凹面を有する折り曲げ部材からなることを特徴とする請求項3又は4記載の尿素気化装置。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、加水分解効率を向上させることにより、脱硝率を向上させて、さらに気化装置のコンパクト化が可能になる尿素気化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明に係る尿素化気化装置を構成する気化装置の一例を示す要部断面図
図2】本発明に係る尿素化気化装置の一例を示す説明図
図3】本発明に係る尿素化気化装置を構成する気化装置の他の例を示す要部断面図
図4】本発明に係る尿素化気化装置を構成する気化装置の他の例を示す要部断面図
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【0013】
図1は、本発明に係る尿素化気化装置を構成する気化装置の一例を示す要部断面図、図2は本発明に係る尿素化気化装置の一例を示す説明図である。
図において、1は船舶用のディーゼルエンジンであり、2は船舶用のディーゼルエンジン1から排出される排ガスを送る排ガス管である。
【0014】
3は尿素水の加水分解装置であり、気化装置ともいう。加水分解装置3は、気化用配管4内に設けられる。気化用配管4の入口には排ガス導入口5が設けられ、排ガスは、導入口5から気化用配管4に導入される。
【0015】
気化用配管4には、加圧空気(圧縮空気)と尿素水を供給する尿素水供給管6が挿通され、尿素水供給管6の先端近傍に尿素水噴霧ノズル7が設けられている。尿素水噴霧ノズル7は、尿素水噴霧を配管4内に供給可能に構成されている。
【0016】
配管4内を流れる排ガスGの進行方向で、尿素水噴霧ノズル7の手前には、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレート8が設けられている。
【0017】
加水分解プレート8は、配管4内において着脱可能に固定されている。加水分解プレート8を長年使用して尿素由来の化合物が付着してしまっても容易に着脱・交換可能な構造であることが好ましい。着脱可能な構造は格別限定されず、加水分解プレート8の形状に合わせた嵌合部材(図示せず)を配管4の内壁に固定しておいて、その嵌合部材に加水分解プレート8を嵌合させて着脱可能な構造にすることができる。加水分解プレートが、尿素由来の化合物表面に付着した状態で着脱可能な構造を有すると、長年の使用により加水分解プレート表面に尿素由来の化合物(シアヌル酸)が付着してしまっても、容易に加水分解プレートを着脱して、交換できる効果がある。
【0018】
加水分解プレート8は、配管4内を流れる排ガスの流れに対して圧力損失を生じさせない形状であることが好ましい。圧力損失を生じさせない形状は、排ガスの流れを遮断しない形状を意味し、種々の形状を採用し得る。
【0019】
加水分解プレート8に付与された触媒材料は、尿素の加水分解触媒であればよいが、具体的には、尿素の加水分解を促進する触媒として機能する金属酸化物であることが好ましい。
【0020】
金属酸化物としては、Al、Si、Zr又はTiなどの酸化物(Al、SiO、ZrO、TiO等)が挙げられる。中でも、入手性と安全性と触媒性能のバランスが良いという観点から、TiOが好ましい。更に、金属酸化物としては、後述するSCR触媒を採用することもできる。
【0021】
本実施の形態では、配管4内には、配管4内を流れる排ガスGと、尿素水噴霧ノズル7から噴霧された噴霧尿素水との混合部9を備える。
【0022】
混合部9において、排ガスと噴霧尿素水が混合されると、下記の加水分解反応が生じる。
(NH2CO+H2O →2NH+CO2
【0023】
本実施の形態において、特に図1に示すように、排ガスGが加水分解プレート8を超えて、進行方法に進むに従って、進行方向とは逆方に向かう渦流が形成される。すなわち、図1のようにカルマン渦Uが形成されると、このカルマン渦によって、前述のように、排ガスGが加水分解プレート8を超えて、進行方法に進むに従って、進行方向とは逆方に向かう渦流が形成される。
【0024】
その結果、排ガスGに噴霧尿素水を含んだ渦流が、加水分解触媒材料に接触する。加水分解プレート8の存在により、カルマン渦流が形成され、その渦流と加水分解触媒材料に接触する構造が実現する。
かかる構造によると、加水分解が促進され、尿素が無駄なく使用できるため、脱硝効率がより向上するので好ましい。
【0025】
また加水分解プレート8の存在により、噴霧尿素水が排ガスGと混合部で混合することにより、噴霧尿素水が配管壁面に直接進まなくなるために、尿素由来の配管壁面への付着物がすくなくなり、配管の閉塞リスクを減少させることができる。
【0026】
更に、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレート8を用いているので、加水分解触媒装置を別途設ける必要がないので、装置全体のコンパクト化を可能にする。
【0027】
加水分解プレート8に加水分解触媒材料80を付与する手法は格別限定されない。例えば、分散液に触媒となる酸化チタンを混合して加水分解触媒材料塗布液を作成し、その塗布液を加水分解プレート8に塗布することにより、加水分解触媒材料80を付与することができる。塗布法は、刷毛塗り、浸漬塗布、スプレー、溶射など種々の方法で塗布できる。
【0028】
図2に示すように、加水分解装置(気化装置)3で、尿素が加水分解される上記の加水分解反応により、NHが生成し、脱硝装置10において、SCR触媒により、NOxとNHを含む排ガスは、下記の還元反応により、Nに還元されて浄化される。
4NO+4NH+O2 →4N2+6H2
6NO+8NH→7N2+12H2
【0029】
SCR触媒としては、格別限定されるわけではないが、TiO2あるいはSiO2-TiO2、WO3-TiO2、SiO2-TiO2、V-TiOなどの二元系複合酸化物、あるいは、WO3-SiO2-TiO2、MoO-SiO2-TiO2などの三元系複合酸化物などの担体に、V、TiO、WO、MoO、Ag、Au、Ptなどの活性成分を担持してなるハニカム構造を有し、NH(還元剤)の存在下で、NOxを還元して窒素ガスに変換して浄化する触媒が用いられる。また、担体にはゼオライトなどのアルミノシリケートを用いることもでき、ステンレスメタルハニカムを用いることもできる。
【0030】
次に、図3に基づいて、本発明の他の実施の形態を説明する。
【0031】
図3の態様において、加水分解触媒材料80が付与された加水分解プレート8は、配管4の内面に沿って、内面の一部または全部に、配管4内に着脱可能に固定することが好ましい。着脱可能に固定する手法は、前述した嵌合手法を好ましく採用できる。
【0032】
加水分解プレート8の断面形状は、少なくとも凹面と凸面を有していることが好ましい。そして、加水分解プレートの凸面81は、配管4の内壁面に接するように配置する。反対の凹面82は尿素水噴霧ノズル7に向かって配置する。
【0033】
混合部9で、排ガスGに巻き込まれた尿素水は、尿素水噴霧ノズル7から加水分解プレート8の加水分解触媒材料80に向かって噴霧される構造を有することが好ましい。
【0034】
本実施の形態において、図3に示すように、排ガスGが進行方法に進み、加水分解プレート8の位置に到達すると、排ガスは、加水分解プレート8の凹面82に沿って進行する。加水分解プレート8の凹面82の手前側の下降傾斜面では、排ガスはその凹面82に沿って下降し、更に凹面82の先側の上昇傾斜面では、その凹面82に沿って上昇する。このとき排ガスは加水分解触媒材料80に接触する。
【0035】
凹面82から外れて、更に上昇した排ガスは、下降から上昇の流れのエネルギーによって、渦を巻いて、尿素水噴霧ノズル7から噴射される噴霧尿素水を巻き込み混合する。
その結果、排ガスGに噴霧尿素水を含んだ渦流が、加水分解触媒材料に接触する構造が実現する。
かかる構造によると、加水分解が促進され、尿素が無駄なく使用できるため、脱硝効率がより向上するので好ましい。
【0036】
また加水分解プレート8の存在により、噴霧尿素水が排ガスGと混合部で混合することにより、噴霧尿素水が配管壁面に直接進まなくなるために、尿素由来の配管壁面への付着物がすくなくなり、配管の閉塞リスクを減少させることができる。
【0037】
更に、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレート8を用いているので、加水分解触媒装置を別途設ける必要がないので、装置全体のコンパクト化を可能にする。
【0038】
加水分解プレート8の形成手法としては、例えば、方形状平板の幅方向の中心を縦方向に折り曲げて形成されることにより、凸面81と凹面82を有する折り曲げ部材83とする手法が挙げられ、また方形状平板の幅方向を半円状に折り曲げて形成されることにより、凸面81と凹面82を有する折り曲げ部材83とする手法が挙げられる。更に、本実施形態においては、折り曲げ部材に限らず、方形状平板を2枚用意し、一方の平板と他方の平板とを溶接等により接合し、凸面81と凹面82を有する部材とする構造も挙げられる。
【0039】
本態様において、加水分解プレート8は、V型、U型又は御椀型の何れかからなる形状であることが好ましい。また、加水分解プレート8は、浅い容器状を成していることが好ましい。
【0040】
次に、図4に基づいて、本発明の他の実施の態様について説明する。
【0041】
図4の態様において、加水分解プレート8は、浅い凹部(凹面)84を有する容器形状であるか、又は板状体の周囲の一部または全部に縁取りによって凹部(凹面)84が形成された形態のいずれでもよい。
【0042】
その場合、加水分解プレートの凹面84の反対面が、前記配管の内壁面に接するように配置されると共に、前記凹面84は尿素水噴霧ノズル7に向かって配置される。
【0043】
本実施の形態において、図4に示すように、排ガスGが進行方法に進み、加水分解プレート8の位置に到達すると、排ガスは、加水分解プレート8の凹面84に沿って進行する。加水分解プレート8の凹面84の手前側の凸部85では、排ガスは凸部85を乗り越えて進み、更に凹面84の先側の凸部85に当たった排ガスは、その凸部の壁面に沿って上昇する。このとき排ガスは、凹面84の存在により、加水分解触媒材料80に接触する。
【0044】
凸部85から外れて、更に上昇した排ガスは、凸部85の上昇の流れのエネルギーによって、渦を巻いて、尿素水噴霧ノズル7から噴射される噴霧尿素水を巻き込み混合する。
その結果、排ガスGに噴霧尿素水を含んだ渦流が、加水分解触媒材料に接触する構造が実現する。
かかる構造によると、加水分解が促進され、尿素が無駄なく使用できるため、脱硝効率がより向上するので好ましい。
【0045】
また加水分解プレート8の存在により、噴霧尿素水が排ガスGと混合部で混合することにより、噴霧尿素水が配管壁面に直接進まなくなるために、尿素由来の配管壁面への付着物がすくなくなり、配管の閉塞リスクを減少させることができる。
【0046】
更に、加水分解触媒材料が付与された加水分解プレート8を用いているので、加水分解触媒装置を別途設ける必要がないので、装置全体のコンパクト化を可能にする。
【符号の説明】
【0047】
G 排ガス
1 船舶用のディーゼルエンジン
2 排ガス管
3 加水分解装置
4 気化用配管
5 排ガス導入口
6 尿素水供給管
7 尿素水噴霧ノズル
8 加水分解プレート
80 加水分解触媒材料
81 凸面
82 凹面
83 折り曲げ部材
84 浅い凹部(凹面)
85 凸部
9 混合部
10 脱硝装置
U カルマン渦、渦、渦流
図1
図2
図3
図4