JP5709100B2

JP5709100B2 - 内燃機関用脱硝装置及び船舶

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Publication number: JP5709100B2
Application number: JP2010180649A
Authority: JP
Inventors: 哲吾福田; 稲葉　利晴; 利晴稲葉
Original assignee: National Maritime Research Institute
Current assignee: National Maritime Research Institute
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2030-08-11
Also published as: JP2012036881A

Description

本発明は、内燃機関やガスタービン、特に船用大型低速ディーゼル機関に用いられる内燃機関用脱硝装置及びこの内燃機関用脱硝装置を搭載する船舶に関する。

国際海事機関では、マルポール条約付属書の改正案が採択され、２０１１年からＮＯｘの規制値を現行規制値よりも１５〜22％削減することが決まっている。更に、２０１６年から指定海域においてはＮＯｘの規制値を現行規制値よりも８０％削減する方向である。
船用大型低速ディーゼル機関は、機械回転数が約７０ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍ程度であるが、ＮＯｘの現行規制値は１７ｇ／ｋＷｈであり、２０％削減を実現するには１４ｇ／ｋＷｈ、８０％削減を実現するには３ｇ／ｋＷｈ程度にしなければならない。

船用大型低速ディーゼル機関における現在までのＮＯｘ削減技術としては、機関内部でＮＯｘを削減するインエンジン技術が主流であるが、数例、アンモニア水や尿素水を還元剤とした選択接触還元（ＳＣＲ）（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）法が用いられている。
アンモニア選択接触還元法では、アンモニア（ＮＨ_３）を排気ガスに吹き込み、触媒によりアンモニア（ＮＨ_３）と窒素酸化物ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ_２）を反応させ、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と窒素（Ｎ_２）に分解する方法である。
触媒には、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を主成分として、活性成分であるバナジウム（Ｖ）やタングステン（Ｗ）などが添加されている。この種の触媒が性能を発揮する操作温度は通常３５０℃以上である。

一方で、アンモニアは有毒であり、特に船舶ではその保管や扱いが困難であるために還元剤として尿素水を用いることが考えられるが、尿素水を還元剤として用いる場合には、アンモニアへの分解性や対象空間での分散性が問題となり、十分に分解しない状態では、壁面を腐食してしまう。
また、還元剤としてアンモニア又は尿素を用い、排ガス中にＳＯ_２等の硫黄酸化物が含まれる場合には、反応温度が低いと酸性硫安（ＮＨ_４ＨＳＯ_４）が生成され、壁面や触媒表面に白い粉が付着して内燃機関の性能低下や脱硝性能が低下してしまう。

以下に、大型低速ディーゼル機関に還元剤としてアンモニア又は尿素水を用いた脱硝触媒部について説明する。外航船に適用される大型低速ディーゼル機関には、２サイクルエンジンが用いられ、２サイクルエンジンの場合には、効率が高いため排気ガス温度は低い。エンジン負荷７５％程度の通常運転時においては、過給機の上流側の排気ガス温度は３５０℃〜４００℃であり、過給機の下流側の排気ガス温度は２５０℃程度である。
図４から図７に脱硝触媒部の配置構成を示す。
なお、図４から図７は説明の便宜上示すものであり、従来実施されていた例とは必ずしも一致しない。
内燃機関１１から排出される排気ガスは、排気レシーバ１２を経由してタービン１３に送られ、その後下流側排気経路３１を通って煙突から排出される。タービン１３とコンプレッサー１４によって過給機１５が構成され、タービン１３の動力によってコンプレッサー１４が駆動され、コンプレッサー１４で圧縮された空気が内燃機関１１に供給される。

図４に示す第１の脱硝触媒部の配置構成は、排気レシーバ１２とタービン１３との間に、脱硝触媒部２０を配置し、脱硝触媒部２０の上流側排気経路３２から還元剤を供給するものである。
第１の脱硝触媒部の配置構成では、上流側排気経路３２を流れる排気ガス温度は３５０℃〜４００℃であるため、十分な脱硝性能を得ることができる。
しかし、脱硝触媒部２０の熱容量が大きいため、内燃機関１１の動的特性が悪くなる。すなわち、運転開始時や負荷変動時に脱硝触媒部２０の存在によってタービン１３を通過する排気ガスの温度が所定能力を発揮する温度に到達するまでに長時間を要してしまう。このため、脱硝触媒部２０をバイパスする脱硝バイパス経路３３と、この脱硝バイパス経路３３を開閉する脱硝バイパス弁３４を設け、内燃機関１１の運転開始からの所定時間は、脱硝バイパス弁３４を開放して脱硝バイパス経路３３に排気ガスを流すことで対処することが考えられるが、内燃機関１１の特性低下は避けられない。

図５に示す第２の脱硝触媒部の配置構成は、タービン１３を通過した後の排気ガスが流れる下流側排気経路３１に、脱硝触媒部２０を配置し、脱硝触媒部２０の上流に位置する下流側排気経路３１から還元剤を供給するものである。
第２の脱硝触媒部の配置構成では、第１の脱硝触媒部の配置構成のような内燃機関１１の動的特性に影響を与えることはなく、内燃機関１１の特性を低下させない。
しかし、下流側排気経路３１を流れる排気ガス温度は２５０℃程度であるため、尿素の加水分解によるアンモニア生成には十分な温度であるが、２５０℃程度の温度では排気ガス中に含まれるＳＯ_２等の硫黄酸化物によって酸性硫安（ＮＨ_４ＨＳＯ_４）が生成され、触媒表面に白い粉が付着して脱硝性能が低下してしまう。
また、尿素水は２５０℃程度の温度では、分解はするが分散はしにくい。従って、尿素を使わずアンモニアを還元剤として使うことも考えられるが、船舶では毒性の強いアンモニアは保管や管理面で扱いにくい。更に、下流側排気経路３１は大気圧下にある排気ガスを流す配管であるため、上流側排気経路３２と異なり配管径は極めて大きく、従って、大径内を流れる排気ガスに均質に還元剤を分散させることが難しく、還元剤の分散が不十分な場合には脱硝性能を高めることができない。

図６に示す第３の脱硝触媒部の配置構成は、タービン１３を通過した後の排気ガスが流れる下流側排気経路３１に脱硝触媒部２０を配置し、上流側排気経路３２からタービン１３をバイパスして脱硝触媒部２０の上流に位置する下流側排気経路３１につながるタービンバイパス経路３５を設けている。そして、タービンバイパス経路３５には、バイパス弁３６を設けてタービンバイパス経路３５を流れる排気ガスを制御する。そして、第３の脱硝触媒部の配置構成は、このタービンバイパス経路３５から還元剤を供給するものである。
第３の脱硝触媒部の配置構成では、第２の脱硝触媒部の配置構成と比較して尿素水の供給を、上流側排気経路３２を流れる高温（３５０℃〜４００℃）の排気ガスに対して行うため、タービンバイパス経路３５では、尿素水の分解能が高いだけでなく分散能も良い。また、酸性硫安の生成量も低く抑えることができる。
しかし、下流側排気経路３１は前述のように上流側排気経路３２と異なり配管径は極めて大きく、従って、タービンバイパス経路３５から下流側排気経路３１への合流箇所では、大径内を流れる排気ガスに均質に還元剤を分散させることが難しく、還元剤の分散が不十分な場合には脱硝性能を高めることができない。

図７に示す第４の脱硝触媒部の配置構成は、タービン１３を通過した後の排気ガスが流れる下流側排気経路３１に脱硝触媒部２０を配置し、還元剤としての尿素水を排気レシーバ１２から供給するものである。
第４の脱硝触媒部の配置構成では、第２の脱硝触媒部の配置構成と比較して尿素水の供給を、排気レシーバ１２内の高温（３５０℃〜４００℃）の排気ガスに対して行うため、尿素水の分解能が高いだけでなく分散能も良い。
しかし、尿素水は、壁面等に衝突するとビウレット、シアヌル酸等が重合され固形物が生成されるため、排気レシーバ１２、上流側排気経路３２、及びタービン１３に固形物が付着して、機器性能に悪影響を与えかねない。特にタービン13の翼に固形物が付着した場合には、翼が折損する状況も発生し得る。また、尿素水を導入する排気レシーバ１２では、複数のシリンダーからの排気ガスが吐出弁の開閉動作によって流れ込むために、排気レシーバ１２内は流れが乱れており導入された尿素水が壁に衝突しやすいので排気レシーバ１２内への固形物の付着が非常に多い。

以下に既に提案されている内燃機関の脱硝装置について説明する。
特許文献１は、過給機の上流側の３００℃〜４５０℃の温度域にある排気通路に脱硝装置を設けている。
特許文献２は、排気レシーバ内に脱硝触媒を組み込む構成である。
特許文献３は、過給機の上流側でアンモニアを導入し、過給機の下流側に脱硝装置を設けている。
特許文献４及び特許文献５は、過給機の上流側に脱硝装置を設けるとともに、この脱硝装置をバイパスするバイパス管を設けている。
特許文献６及び特許文献７は、過給機の下流側に脱硝装置を設けるとともに、過給機の上流側の高温ガスの一部を脱硝装置に導くことで脱硝装置内に発生した酸性硫安を分解させるものである。
特許文献８は、過給機の上流側と下流側に脱硝触媒を配置するものである。
特許文献９は、ディーゼルエンジンの排気ガス経路中に脱硝装置を設けたものであり、還元剤として尿素水を用いている。

実開昭６２−７２６号公報特開平６−１１７２２２号公報実公平６−８２５８号公報特開平１０−２９９４６１号公報特開平１０−１５９５４２号公報特開平６−２９４３１８号公報特開平２−２８６８１７号公報特開平６−２３５３１９号公報特開平８−２０６４５９号公報

特許文献１は、第１の脱硝触媒部の配置構成で説明したように、内燃機関の特性が低下してしまう。
特許文献２は、アンモニアを還元剤として用いており、アンモニアの強い毒性のために、船舶用として用いることは難しい。なお、特許文献２の構成で、アンモニアに代えて尿素水を用いたとすると、第４の脱硝触媒部の配置構成で説明したように、排気レシーバ内に固形物が付着するという問題が生じる。
特許文献３についても、アンモニアを還元剤として用いており、アンモニアの強い毒性のために、船舶用として用いることは難しい。なお、特許文献３の構成で、アンモニアに代えて尿素水を用いたとすると、第４の脱硝触媒部の配置構成で説明したように、特にタービン内に固形物が付着するという問題が生じる。
特許文献４及び特許文献５は、第１の脱硝触媒部の配置構成で説明したように、内燃機関の特性の低下は避けられない。
特許文献６及び特許文献７は、発生する酸性硫安の分解機能を備えているが、第２の脱硝触媒部の配置構成で説明したように、過給機の下流側配管は、上流側配管と異なり配管径が極めて大きいために、大径内を流れる排気ガスに均質に還元剤を分散させることが難しく、還元剤の分散が不十分な場合には脱硝性能を高めることができない。
特許文献８は、還元触媒として各種ゼオライト系触媒、アルミナ系触媒を用いたものであり、還元剤も炭化水素若しくはアルコールを用いたものであり、アンモニアや尿素水を用いたものではない。
なお、特許文献９は、アンモニアは毒性が強い上に取り扱いが難しいという問題点を指摘している。

そこで本発明は、尿素水を用いた場合の固形物の付着の問題を無くすとともに、内燃機関の特性を維持でき、大径内を流れる排気ガスに均質に還元剤を分散させることができる内燃機関用脱硝装置及びこの内燃機関用脱硝装置を搭載する船舶を提供することを目的とする。

請求項１記載に対応した内燃機関用脱硝装置においては、内燃機関と、内燃機関の排気経路に設けた過給機と、過給機の下流側の下流側排気経路に設けた下流側脱硝触媒部と、過給機の上流側の上流側排気経路に設けた下流側脱硝触媒部よりも小型の上流側脱硝触媒部と、上流側脱硝触媒部の更に上流側の上流側排気経路の内部に尿素水を供給する尿素水供給手段と、上流側脱硝触媒部の更に上流側の上流側排気経路の分岐点から分岐し、上流側脱硝触媒部の下流側で過給機の上流側排気経路に合流する脱硝バイパス経路と、上流側排気経路と脱硝バイパス経路を切り換えるために開閉する分岐点以降に設けた開閉手段とを備え、上流側排気経路に設けた温度センサで検出される内燃機関の排気ガス温度が設定温度を超えない内燃機関の運転開始時又は極低速運転時に、開閉手段により上流側排気経路を閉じて脱硝バイパス経路を開き尿素水供給手段の動作を止め、排気ガス温度が設定温度を超えた定常運転時に、開閉手段により上流側排気経路を開き脱硝バイパス経路を閉じて尿素水供給手段を動作させたことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、還元剤として尿素水を用いることで、例えば船舶のような場所でも安全に取り扱うことができる。また、本発明によれば、過給機の上流側の高温排気ガス中に尿素水を供給することで、尿素水を十分に分解し分散させることができる。また、本発明によれば、過給機の上流側に小型の上流側脱硝触媒部を設けることで、熱容量の増加による内燃機関の特性の低下を防止でき、また尿素水の供給による固形物の付着を防止することができる。また、本発明によれば、過給機の下流側に大型の下流側脱硝触媒部を設けることで、内燃機関の特性に影響を与えることなく、脱硝能力を高めることができる。また、本発明によれば、内燃機関の運転開始時や負荷変動時に脱硝バイパス経路に排気ガスを流すことで内燃機関の動的特性の低下を更に抑制することができる。また、本発明によれば、内燃機関の運転開始時や極低速運転時に開閉手段によって脱硝バイパス経路を開くことで内燃機関の効率低下を防止することができる。
なお、下流側脱硝触媒部及び上流側脱硝触媒部には、脱硝触媒として、窒素酸化物を還元する反応を速めることに寄与するもの、尿素をアンモニアに分解する反応を速めることに寄与するものを単独あるいは組み合わせて、また、一つの触媒で双方の機能を有したもの等を適宜使用することができる。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の内燃機関用脱硝装置において、下流側脱硝触媒部及び／又は上流側脱硝触媒部の温度を上げる昇温手段を更に備えたことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、排気ガス温度を上昇させることができ、尿素水の分解能や分散能を高め、排気ガス中に硫黄酸化物が含まれている場合に酸性硫安の発生を抑え、又は発生した酸性硫安を分解することができる。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の内燃機関用脱硝装置において、昇温手段は、過給機の上流側排気経路から排気ガスを取り出す排気ガス抽気手段及び／又は内燃機関へ過給機から給気を行う給気経路から空気を取り出す空気抽気手段であることを特徴とする。請求項３に記載の本発明によれば、上流側排気経路から排気ガスを取り出し、及び／又は給気経路から空気を取り出すことで、過給効率が低下し、排気ガス温度を上昇させることができ、尿素水の分解能や分散能を高め、酸性硫安の発生を抑え、又は発生した酸性硫安を分解することができる。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３に記載の内燃機関用脱硝装置において、下流側脱硝触媒部の触媒及び／又は上流側脱硝触媒部の触媒を再生する再生用加熱手段を更に備えたことを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、触媒を加熱することで、触媒に付着した酸性硫安を除去することができる。
請求項５記載の本発明は、請求項４に記載の内燃機関用脱硝装置において、下流側脱硝酸触媒部の触媒として低温用脱硝触媒を、また上流側脱硝触媒部の触媒として高温用脱硝触媒を用いたことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、下流側脱硝触媒部には低温の排気ガスが流れ、上流側脱硝触媒部には高温の排気ガスが流れるため、それぞれの排気ガスの温度に応じた脱硝を効率よく行うことができる。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５に記載の内燃機関用脱硝装置において、内燃機関が、大型で低速のディーゼル機関であることを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、大型で低速のディーゼル機関では機関効率が高く排気ガス温度が十分に高くないために、過給機の上流側の高温排気ガス中に尿素水を供給することで、還元剤を十分に分解し分散させることができ、過給機の上流側には小型の上流側脱硝触媒部を設けることで、熱容量の増加による内燃機関の特性の低下を防止でき、また尿素水の供給による固形物の付着を防止することができ、過給機の下流側に大型の下流側脱硝触媒部を設けることで、内燃機関の特性に影響を与えることなく、脱硝能力を高めることができる。
請求項７記載に対応した船舶においては、請求項１から請求項６のいずれかに記載の内燃機関用脱硝装置を搭載したことを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、毒性が高く取り扱いが困難なアンモニアではなく、尿素水を還元剤として用いるために、船舶でも安全に取り扱うことができる。

本発明の内燃機関用脱硝装置によれば、還元剤として尿素水を用いることで、安全に取り扱うことができ、過給機の上流側の高温排気ガス中に尿素水を供給することで、尿素水を十分に分解し分散させることができ、過給機の上流側に小型の上流側脱硝触媒部を設けることで、熱容量の増加による内燃機関の特性の低下を防止でき、また尿素水の供給による固形物の付着を防止することができ、過給機の下流側に大型の下流側脱硝触媒部を設けることで、内燃機関の特性に影響を与えることなく、脱硝能力を高めることができる。
なお、下流側脱硝触媒部及び／又は上流側脱硝触媒部の温度を上げる昇温手段を更に備えた場合には、排気ガス温度を上昇させることができ、尿素水の分解能や分散能を高め、酸性硫安の発生を抑え、又は発生した酸性硫安を分解することができる。
また、昇温手段が、過給機の上流側排気経路から排気ガスを取り出す排気ガス抽気手段及び／又は内燃機関へ過給機から給気を行う給気経路から空気を取り出す空気抽気手段である場合には、排気経路から排気ガスを取り出し、及び／又は給気経路から空気を取り出すことで、過給効率が低下し、排気ガス温度を上昇させることができ、尿素水の分解能や分散能を高め、酸性硫安の発生を抑え、又は発生した酸性硫安を分解することができる。
また、下流側脱硝触媒部の触媒及び／又は上流側脱硝触媒部の触媒を再生する再生用加熱手段を更に備えた場合には、触媒を直接あるいは間接的に加熱することで、触媒に付着した酸性硫安を除去することができる。
また、上流側脱硝触媒部の上流側排気経路から分岐し、上流側脱硝触媒部の下流側で過給機の上流側排気経路に合流する脱硝バイパス経路を更に備えた場合には、内燃機関の運転開始時や負荷変動時に脱硝バイパス経路に排気ガスを流すことで内燃機関の動的特性の低下を更に抑制することができる。
また、脱硝バイパス経路を開閉する開閉手段を更に備えた場合には、内燃機関の運転開始時や極低速運転時に開閉手段によって脱硝バイパス経路を開き、定常運転時には閉じることで内燃機関の効率低下を防止し、定常運転時には脱硝を正常に行うことができる。
また、下流側脱硝酸触媒部の触媒として低温用脱硝触媒を、また上流側脱硝触媒部の触媒として高温用脱硝触媒を用いた場合には、下流側脱硝触媒部には低温の排気ガスが流れ、上流側脱硝触媒部には高温の排気ガスが流れるため、それぞれの排気ガスの温度に応じた脱硝を効率よく行うことができる。
また、内燃機関が、大型で低速のディーゼル機関である場合には、機関内の排気ガス温度が十分に高くはないが、過給機の上流側の高温排気ガス中に尿素水を供給することで、還元剤を十分に分解し分散させることができ、過給機の上流側には小型の上流側脱硝触媒部を設けることで、熱容量の増加による内燃機関の特性の低下を防止でき、また尿素水の供給による固形物の付着を防止することができ、過給機の下流側に大型の下流側脱硝触媒部を設けることで、内燃機関の特性に影響を与えることなく、脱硝能力を高めることができる。
本発明の船舶によれば、毒性が高く取り扱いが困難なアンモニアではなく、尿素水を還元剤として用いるために、船舶上で安全に取り扱うことができる。

本発明の実施形態による内燃機関用脱硝装置の構成図同内燃機関用脱硝装置の制御ブロック図同内燃機関用脱硝装置を搭載した船舶を示す構成図第１の脱硝触媒部の配置構成図第２の脱硝触媒部の配置構成図第３の脱硝触媒部の配置構成図第４の脱硝触媒部の配置構成図

以下に、本発明の実施形態による内燃機関用脱硝装置について説明する。
図１は本実施形態による内燃機関用脱硝装置の構成図である。
本実施形態による内燃機関用脱硝装置は、内燃機関１１と、内燃機関１１の排気経路に設けた過給機１５と、過給機１５の下流側排気経路３１に設けた下流側脱硝触媒部２１と、過給機１５の上流側排気経路３２に設けた上流側脱硝触媒部２２と、上流側脱硝触媒部２２よりも上流側に位置する上流側排気経路３２の内部に尿素水を供給する尿素水供給手段１６とを備えている。
本実施形態では、内燃機関１１を外航船に適用される大型低速ディーゼル機関として説明する。この種の大型低速ディーゼル機関には２サイクルエンジンが用いられ、機械回転数が約７０ｒｐｍ〜１５０ｒｐｍ程度のものである。

下流側脱硝触媒部２１及び上流側脱硝触媒部２２は、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニアと反応させて分解するための触媒部を備えている。触媒部には、チタン・バナジウム系の金属が用いられる。例えば、バナジウム（Ｖ）、モリブテン（Ｍｏ）、又はタングステン（Ｗ）を活性成分とした酸化チタン（ＴｉＯ_２）系触媒が使用される。触媒部は排気ガス通路内に配置され、排気ガスとの接触面積を広くするために平板や触媒の細管を束ねた構造としており、例えばハニカム構造が適している。
下流側脱硝触媒部２１は、大型の触媒部として構成され、脱硝触媒の空間速度（ＳＶ）を５０００ｈ^−１とし、上流側脱硝触媒部２２は、小型の触媒部として構成され、脱硝触媒の空間速度（ＳＶ）を５００００ｈ^−１とする。このように、下流側脱硝触媒部２１と上流側脱硝触媒部２２との空間速度比を１対１０程度にして、上流側脱硝触媒部２２を下流側脱硝触媒部２１よりも１０分の１程度の大きさに小型とする。
また、下流側脱硝酸触媒部２１の触媒として低温用脱硝触媒を、また上流側脱硝触媒部２２の触媒として高温用脱硝触媒を用いる。ここで、低温用脱硝触媒の反応温度は２５０℃程度、高温用脱硝触媒の反応温度は３５０℃〜４００℃とする。例えば活性成分であるバナジウムの含有量を多くすることで低温用脱硝触媒とし、バナジウムの含有量を少なくすることで高温用脱硝触媒とすることができる。

尿素水供給手段１６は、図示しないが、尿素水（（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ）を蓄えるタンクや、上流側排気経路３２の内部に尿素水を噴出する噴射ノズル、噴出に必要な加圧のためのポンプやコンプレッサーを備えて構成されている。
過給機１５は、タービン１３とコンプレッサー１４によって構成され、排気ガスによってタービン１３を駆動し、タービン１３の動力によってコンプレッサー１４が駆動され、コンプレッサー１４で圧縮された空気が内燃機関１１に供給される。

内燃機関１１の複数の気筒から排出される排気ガスは、排気レシーバ１２を経由してタービン１３に送られ、その後下流側排気経路３１を通って煙突から排出される。
エンジン負荷７５％程度の通常運転時においては、過給機１５の上流側排気経路３２を流れる排気ガス温度は３５０℃〜４００℃であり、過給機１５の下流側排気経路３１を流れる排気ガス温度は２５０℃程度である。
尿素水供給手段１６は、３５０℃〜４００℃の温度域にある上流側排気経路３２に尿素水を供給するため、加水分解によってアンモニアが生成されるとともに上流側排気経路３２内で十分に分散する。また、通常運転時においては、３５０℃以上の温度であるため、排気ガス中にＳＯ_２等の硫黄酸化物が存在するが、酸性硫安（ＮＨ_４ＨＳＯ_４）は生成されにくい。
そして、尿素水供給手段１６の下流側には、上流側脱硝触媒部２２が設けられているため、上流側脱硝触媒部２２では、分散したアンモニアによって脱硝が促進される。また、尿素水供給手段１６の下流側に上流側脱硝触媒部２２が設けられているため、排気ガス温度が低下した場合などで、尿素水が残留し、固形物が生成され、あるいは酸性硫安が生成された場合には、上流側脱硝触媒部２２で捕集されるため、下流側のタービン１３への弊害を防ぐことができる。
上流側脱硝触媒部２２は、小型としているため、未反応のアンモニアは分散した状態で下流側排気経路３１に導かれるが、タービン13によって更に撹拌されて供給されるため、大径内を流れる排気ガスに均質にアンモニアを分散させることができ、下流側脱硝触媒部２１で脱硝が行われる。

以上のように本実施形態によれば、還元剤として尿素水を用いることで、船舶でも安全に取り扱うことができる。
また、本実施形態によれば、過給機１５の上流側の高温排気ガス中に尿素水を供給することで、尿素水を十分に分解し分散させることができる。
また、本実施形態によれば、過給機１５の上流側に小型の上流側脱硝触媒部２２を設けることで、熱容量の増加による内燃機関１１の特性の低下を防止でき、また尿素水の供給による固形物の付着を防止することができる。
また、本実施形態によれば、過給機１５の下流側に大型の下流側脱硝触媒部２１を設けることで、内燃機関１１の特性に影響を与えることなく、脱硝能力を高めることができる。

また本実施形態による内燃機関用脱硝装置は、過給機１５の上流側排気経路３２から排気ガスを取り出す排気ガス抽気手段４３と、内燃機関１１へ過給機１５から給気を行う給気経路１７から空気を取り出す空気抽気手段４４を備えている。なお、図１では、排気ガス抽気手段４３は、上流側排気経路３２の一部を構成する排気レシーバ１２から排気ガスを取り出す場合を示しているが、上流側排気経路３２の任意の箇所から取り出すことができる。排気ガス抽気手段４３及び／又は空気抽気手段４４は、昇温手段として用いる。
ここで、上流側排気経路３２からの排気ガスの取り出しによる排気ガスの温度上昇、又は給気経路１７からの空気の取り出しによる排気ガスの温度上昇は、排気ガス又は給気空気の１０％を取り出すことで約５０℃上昇することが実験によって明らかとなっている。
本実施形態によれば、上流側排気経路３２から排気ガスを取り出し、又は給気経路１７から空気を取り出すことで、過給機１５での過給効率が低下し、排気ガス温度を上昇させることができ、尿素水の分解能や分散能を高め、酸性硫安の発生を抑え、又は発生した酸性硫安を分解することができる。
なお、昇温手段には、排気ガス抽気手段４３や空気抽気手段４４ではなく、電熱式ヒータや加熱バーナーを用いてもよい。図１では、下流側脱硝触媒部２１の上流側に位置する下流側排気経路３１に加熱バーナー４５を設けている。

また本実施形態による内燃機関用脱硝装置は、下流側脱硝触媒部２１の触媒と上流側脱硝触媒部２２の触媒を再生する再生用加熱手段４１、４２を備えている。再生用加熱手段４１、４２には、例えば加熱ヒータや加熱バーナーを用いることができ、脱硝触媒を直接加熱する。
本実施形態によれば、下流側脱硝触媒部２１及び上流側脱硝触媒部２２に付着する酸性硫安や固形物の付着を再生用加熱手段４１、４２によって分解し、気化させることができる。
なお、下流側脱硝触媒部２１だけに再生用加熱手段４１を設けてもよく、逆に上流側脱硝触媒部２２だけに再生用加熱手段４２を設けてもよい。
また、これら加熱バーナー45や再生用加熱手段４１、４２は、内燃機関11の運転中に作動させ、触媒の温度を直接的あるいは間接的に高温に保ち酸性硫安や固形物の触媒への付着を抑制したり、内燃機関11の運転停止後の再生運転時に作動させ、触媒に付着した酸性硫安や固形物を昇温させることにより除去したりすることができる。その組み合わせは、自由に選択が可能である。
また、固形物の性状によっては酸性硫安を分解する温度域より高い温度が必要になる場合もあるが、このような場合は温度を高めて再生運転を行うことも可能である。

また本実施形態による内燃機関用脱硝装置は、上流側脱硝触媒部２２の上流側排気経路３２から分岐し、上流側脱硝触媒部２２の下流側で過給機１５の上流側排気経路３２に合流する脱硝バイパス経路３７と、脱硝バイパス経路３７を開閉する開閉手段３８を備えている。
本実施形態によれば、内燃機関１１の運転開始時に脱硝バイパス経路３７に排気ガスを流すことで内燃機関１１の動的特性の低下を防止することができる。
また本実施形態によれば、内燃機関１１の運転開始時や極低速運転時に開閉手段３８によって脱硝バイパス経路３７を開くことで内燃機関１１の効率低下を防止することができる。

図２は本実施形態による内燃機関用脱硝装置の制御ブロック図である。
図１と同一構成部材には同一番号を付して説明を一部省略する。
本実施形態による内燃機関用脱硝装置は、給気経路１７に温度センサＴ１を、上流側排気経路３２の上流側脱硝触媒部２２より上流側に温度センサＴ２及び排気ガスセンサＧ１を、上流側排気経路３２の上流側脱硝触媒部２２より下流側に排気ガスセンサＧ２を、下流側排気経路３１の加熱バーナー４５より上流側に温度センサＴ３を、下流側排気経路３１の加熱バーナー４５より下流側に温度センサＴ４を、下流側排気経路３１の下流側脱硝触媒部２１より下流側に排気ガスセンサＧ３を、上流側脱硝触媒部２２の内部には温度センサＴ５を、下流側脱硝触媒部２１の内部には温度センサＴ６をそれぞれ設けている。
なお、図１では省略したが、上流側脱硝触媒部２２の流入側に開閉手段３８ａを設け、開閉手段３８を開放して脱硝バイパス経路３７に排気ガスを流す場合には開閉手段３８ａを閉塞する。

制御器５１は、これらの温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、及び排気ガスセンサＧ１、Ｇ２、Ｇ３からの検出信号を入力し、尿素水供給手段１６、開閉手段３８、３８ａ、再生用加熱手段４１、４２、排気ガス抽気手段４３、空気抽気手段４４、加熱バーナー４５、内燃機関１１を制御する負荷調整器５５に対して制御信号を出力する。
操作盤５２は、設定器５３と表示器５４を有し、設定器５３によって制御器５１での動作条件を設定し、表示器５４によって設定条件や動作状態を確認することができる。
本実施形態による内燃機関用脱硝装置の起動時には、制御器５１からの動作指令が負荷調整器５５に出力されて内燃機関１１の運転が開始される。この起動時には、制御器５１からの動作指令によって開閉手段３８を開、開閉手段３８ａを閉としている。
開閉手段３８が開、開閉手段３８ａが閉の状態で、温度センサＴ２からの検出信号と予め設定器５３で設定した所定温度との比較が制御器５１で行われ、温度センサＴ２での検出温度が設定温度を超えた場合には、制御器５１からの動作指令によって開閉手段３８を閉、開閉手段３８ａを開とする。

本実施形態による内燃機関用脱硝装置の定常運転時には、制御器５１から尿素水供給手段１６に対して動作指令が出されている。この定常運転時には、温度センサＴ２、Ｔ４で排気ガスの温度を監視するとともに、排気ガスセンサＧ１、Ｇ２、Ｇ３でＮＯｘの値を監視している。
定常運転時において、温度センサＴ２、Ｔ４での検出温度が所定温度よりも低い場合には、排気ガス抽気手段４３及び空気抽気手段４４の少なくとも一方を動作されることで排気ガス温度を上昇させる。
また、定常運転時において、温度センサＴ５での検出温度が所定温度よりも低い場合には、再生用加熱手段４２で上流側脱硝触媒部２２の温度を上昇させ、温度センサＴ６での検出温度が所定温度よりも低い場合には、再生用加熱手段４１で下流側脱硝触媒部２１の温度を上昇させる。
また、定常運転時において、温度センサＴ４での検出温度が所定温度よりも低く、温度センサＴ２での検出温度が所定温度以上保たれている場合には、加熱バーナー４５で下流側脱硝触媒部２１の温度を上昇させることもできる。

また、定常運転時において、排気ガスセンサＧ１、Ｇ2、Ｇ3は、各部のＮＯｘ値を監視し、尿素水供給手段16の尿素水の噴射量や再生用加熱手段４１、４２、加熱バーナー４５、排気ガス抽気手段４３、空気抽気手段４４を適宜制御し、最終的に排気ガスセンサＧ3で検出されるＮＯｘ値を所定値以下に抑える。また、温度センサＴ2、Ｔ3、Ｔ４、Ｔ5、Ｔ6で検出される各部の温度を監視し、再生用加熱手段４１、４２、加熱バーナー４５、排気ガス抽気手段４３、空気抽気手段４４を適宜制御し、下流側脱硝触媒部２１、上流側脱硝触媒部２２に、酸性硫安や固形物が極力付着しないように温度制御を行う。
そして、排気ガスセンサＧ２と排気ガスセンサＧ１との差を制御器５１によって算出し、算出の結果上流側脱硝触媒部２２の劣化が検出された場合には、内燃機関11の運転中に、再生用加熱手段４２によって上流側脱硝触媒部２２を再生し、また、排気ガスセンサＧ３と排気ガスセンサＧ２との差を制御器５１によって算出し、算出の結果下流側脱硝触媒部２１の劣化が検出された場合には、再生用加熱手段４１によって下流側脱硝触媒部２１を再生する。また条件によっては、加熱バーナー４５によって例えば熱風を下流側排気経路３１に合流させ下流側脱硝触媒部２１を再生してもよい。
なお、この内燃機関11の運転中の再生運転は、排気ガスセンサＧ1、Ｇ2、Ｇ3の検出値に頼らずに、劣化予測時間に基づいて定期的に、再生用加熱手段４１、４２、加熱バーナー４５、排気ガス抽気手段４３、空気抽気手段４４を適宜制御し、下流側脱硝触媒部２１、上流側脱硝触媒部２２の温度を上げて、再生を行うことも可能である。
また、運転停止時においても、定期的に又は状況に応じて、再生用加熱手段４２によって上流側脱硝触媒部２２を再生し、また、再生用加熱手段４１、加熱バーナー４５によって下流側脱硝触媒部２１を再生することもできる。

図３は本実施形態による内燃機関用脱硝装置を搭載した船舶を示す構成図である。
同図に示すように、船舶６０には、本実施形態による内燃機関用脱硝装置が搭載され、プロペラは内燃機関１１によって回転し、下流側脱硝触媒部２１を通過した排気ガスは、煙突６１から大気に放出される。
また、空気抽気手段４４から取り出した空気は、例えば船舶６０の前方船体下部の噴出口４４ａから噴出させることで、船体の抵抗を減じる手段として利用したり、ブロワーを介した発電機での発電に利用することができる。
また、図示はしないが、排気ガス抽気手段４３から取り出した排気ガスは、ボイラーやタービンに利用することができる。
本実施形態によれば、毒性が高く取り扱いが困難なアンモニアではなく、尿素水を還元剤として用いるために、船舶６０でも安全に取り扱うことができる。

本発明は、船用大型低速ディーゼル機関以外にも陸上発電用の大型低速ディーゼル機関や、排気ガス温度の低い中速ディーゼル機関にも適用できる。

１１内燃機関
１２排気レシーバ
１３タービン
１４コンプレッサー
１５過給機
１６尿素水供給手段
１７給気経路
２１下流側脱硝触媒部
２２上流側脱硝触媒部
３１下流側排気経路
３２上流側排気経路
３７脱硝バイパス経路
３８開閉手段
４１再生用加熱手段
４２再生用加熱手段
４３排気ガス抽気手段
４４空気抽気手段
４５加熱バーナー
６０船舶

Claims

内燃機関と、前記内燃機関の排気経路に設けた過給機と、前記過給機の下流側の下流側排気経路に設けた下流側脱硝触媒部と、前記過給機の上流側の上流側排気経路に設けた前記下流側脱硝触媒部よりも小型の上流側脱硝触媒部と、前記上流側脱硝触媒部の更に上流側の前記上流側排気経路の内部に尿素水を供給する尿素水供給手段と、前記上流側脱硝触媒部の更に上流側の前記上流側排気経路の分岐点から分岐し、前記上流側脱硝触媒部の下流側で前記過給機の前記上流側排気経路に合流する脱硝バイパス経路と、前記上流側排気経路と前記脱硝バイパス経路を切り換えるために開閉する前記分岐点以降に設けた開閉手段とを備え、前記上流側排気経路に設けた温度センサで検出される前記内燃機関の排気ガス温度が設定温度を超えない前記内燃機関の運転開始時又は極低速運転時に、前記開閉手段により前記上流側排気経路を閉じて前記脱硝バイパス経路を開き前記尿素水供給手段の動作を止め、前記排気ガス温度が前記設定温度を超えた定常運転時に、前記開閉手段により前記上流側排気経路を開き前記脱硝バイパス経路を閉じて前記尿素水供給手段を動作させたことを特徴とする内燃機関用脱硝装置。
前記下流側脱硝触媒部及び／又は前記上流側脱硝触媒部の温度を上げる昇温手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用脱硝装置。
前記昇温手段は、前記過給機の前記上流側排気経路から排気ガスを取り出す排気ガス抽気手段及び／又は前記内燃機関へ前記過給機から給気を行う給気経路から空気を取り出す空気抽気手段であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用脱硝装置。
前記下流側脱硝触媒部の触媒及び／又は前記上流側脱硝触媒部の触媒を再生する再生用加熱手段を更に備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の内燃機関用脱硝装置。
前記下流側脱硝触媒部の前記触媒として低温用脱硝触媒を、また前記上流側脱硝触媒部の前記触媒として高温用脱硝触媒を用いたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用脱硝装置。
前記内燃機関が、大型で低速のディーゼル機関であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の内燃機関用脱硝装置。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の内燃機関用脱硝装置を搭載したことを特徴とする船舶。