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技術 排気ガス後処理システムおよび排気ガス後処理のための方法

出願人 マン・エナジー・ソリューションズ・エスイー
発明者 アンドレアス・デーリング
出願日 2015年4月7日 (6年1ヶ月経過) 出願番号 2015-078291
公開日 2015年11月12日 (5年6ヶ月経過) 公開番号 2015-200312
状態 特許登録済
技術分野 排気の後処理
主要キーワード 各粒状体 硫酸露点 炭素含有粒子 フィルタ材料内 処理アセンブリ 洗浄デバイス メンテナンス間隔 プラチナ含有
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図面 (7)

課題

解決手段

内燃機関(1)下流に配置された排気ガスから灰粒子を除去する分離器(3)であって、浄化すべきガスライン(4)から分離器(3)に供給され得、浄化されたガスがライン(5)を経て分離器(3)から排出され得、粒状体が供給部(6)から分離器(3)に供給され得、粒状体が排出部(7)を経て分離器(3)から排出され得、分離器(3)内のガスが粒状体周囲を流れ、プロセスでは煤や灰粒子が粒状体に付着し/粒状体に結合され/粒状体と反応し、煤や灰粒子/その反応生成物一緒の粒状体が排出部(7)を経て分離器(3)から排出され得る分離器(3)と、粒状体と一緒の、分離器(3)から放出された煤や灰粒子/その反応生成物を粒状体から分離し、煤や灰粒子から/その反応生成物から分離された粒状体の供給部(6)を介する分離器(3)内への戻りのための分離器(3)に割り当てられた分離デバイス(8)とを有する排気ガス後処理システム(2)。

概要

背景

燃焼からの炭素含有粒子状物質を最小化するために、いわゆる粒子フィルタが通常使用される。典型的な粒子フィルタ構成は、特許文献1から知られている。そのような粒子フィルタでは、セラミック、金属、または繊維質基材で構成されるフィルタ媒体が、排気ガスの貫通流を受ける。排気ガスに含まれる粒子は、フィルタ材料内蓄積され、したがって、フィルタ清浄ガス側に到達することが防止される。フィルタは、使用年数の増加に伴って、燃焼されたエンジンオイルまたは燃料からの灰で詰まるので、定期的な間隔清掃または交換されなければならない。交換のために、施設は、シャットダウンされなければならず、これは、特に、高い年間使用年数および可用性要件を有する発電所または船舶設備に関係するとき、望ましくない停止時間につながる。

経験から、粒子フィルタと、排気ガスの流れ方向で見て粒子フィルタの上流に配置された少なくとも1つの排気ガス後処理アセンブリと、排気ガスの流れ方向で見て粒子フィルタの下流に配置された少なくとも1つの排気ガス後処理アセンブリとを備える、内燃機関排気ガス後処理システムが知られている。粒子フィルタの流れ方向で見て上流に配置された排気ガス後処理アセンブリは、具体的には、二酸化窒素(NO2)への一酸化窒素(NO)の酸化のための酸化触媒コンバータである。粒子フィルタの流れ方向で見て下流に配置された排気ガス後処理アセンブリは、消音器であり得る。具体的には、排気ガス流の流れ方向で見たとき、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータは、粒子フィルタの上流に配置され、NOは、以下の式に従って、NO2に流れ込む排気ガスに含まれる残留酸素O2の助けにより、酸化触媒コンバータ内で酸化される。
2NO+O2⇔2NO2

二酸化窒素への一酸化窒素のこの酸化の間、高温での酸化反応平衡は、一酸化窒素の側にある。これにより、二酸化窒素の達成可能な成分は、高温では大きく制限される。

粒子フィルタでは、酸化触媒コンバータで抽出された二酸化窒素は、粒子フィルタ内に集まる炭素含有粒子、いわゆるにより、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、窒素(N2)、および一酸化窒素(NO)に変換される。そのプロセスでは、粒子フィルタ内に蓄積された炭素含有粒子状物質の、または煤の連続的な除去が、粒子フィルタの受動的再生という意味で行われ、この変換は、以下の式に従って行われる。
2NO2+C→2NO+CO2
NO2+C→NO+CO
2C+2NO2→N2+2CO2

具体的には、粒子フィルタのそのような受動的再生により、粒子フィルタ内に蓄積された炭素含有粒子状物質の、または煤の完全な変換が行われ得ないとき、粒子フィルタ内の炭素成分または煤成分は、増加し、粒子フィルタは、次いで、目詰まりに向かう傾向を有し、その結果として、最終的には、排気ガス後処理システムの上流に配置された内燃機関でのいわゆる排気ガス背圧が増大する。内燃機関での増大する排気ガス背圧は、内燃機関のパワーを低減し、燃料消費量の増加を引き起こす。

粒子フィルタ内の炭素含有粒子状物質の、または煤の増加を回避するために、したがって、粒子フィルタの目詰まりを回避するために、粒子フィルタに触媒コーティングを施すことも、経験からすでに知られている。ここでは、優先的に、プラチナ含有コーティングが用いられる。触媒コーティングを有するそのような粒子フィルタの使用は、しかしながら、不十分な程度にのみ、炭素含有粒子状物質、すなわち煤による粒子フィルタの詰まりを防止することができる。

具体的には、これが、典型的には船用ディーゼル機関で、排気ガス後処理システムが動作される内燃機関が、例えば、重油燃料のような、硫黄を多く含有する燃料で動作される場合であるとき、灰の集中的な蓄積のせいで、排気ガス後処理システムの粒子フィルタの目詰まりが同様に生じる可能性があるというさらなる問題が存在する。具体的には、重油燃料で動作される内燃機関の場合には、粒子フィルタのメンテナンス間隔は、灰によって劇的に短くされる可能性があり、そのため、排気ガス後処理システムの意味がある動作がもはや不可能となる。

概要

新規な排気ガス後処理システムの提供。内燃機関(1)下流に配置された排気ガスから煤や灰粒子を除去する分離器(3)であって、浄化すべきガスライン(4)から分離器(3)に供給され得、浄化されたガスがライン(5)を経て分離器(3)から排出され得、粒状体が供給部(6)から分離器(3)に供給され得、粒状体が排出部(7)を経て分離器(3)から排出され得、分離器(3)内のガスが粒状体周囲を流れ、プロセスでは煤や灰粒子が粒状体に付着し/粒状体に結合され/粒状体と反応し、煤や灰粒子/その反応生成物一緒の粒状体が排出部(7)を経て分離器(3)から排出され得る分離器(3)と、粒状体と一緒の、分離器(3)から放出された煤や灰粒子/その反応生成物を粒状体から分離し、煤や灰粒子から/その反応生成物から分離された粒状体の供給部(6)を介する分離器(3)内への戻りのための分離器(3)に割り当てられた分離デバイス(8)とを有する排気ガス後処理システム(2)。1

目的

これに代わるものは、遮断弁を省略し、酸化触媒コンバータ21を、硫黄を多く含む燃料での動作に続く、排気ガス温度が上昇され、したがって、硫黄が酸化触媒コンバータ21で脱着される動作に適するようにすることにある

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

内燃機関(1)のための排気ガス後処理システム(2)であって、内燃機関(1)の下流に配置された、排気ガスからまたは灰粒子を除去するための粒状体含有移動床反応器または流動床反応器の形態の粒子分離器(3)であって、前記粒子分離器(3)で浄化されるべき排気ガスが、少なくとも1つの排気ガス供給ライン(4)を介して前記粒子分離器(3)に供給され得、前記粒子分離器(3)で浄化された排気ガスが、少なくとも1つの排気ガス排出ライン(5)を介して前記粒子分離器(3)から排出され得、粒状体(13、14)が、少なくとも1つの粒状体供給部(6)を介して前記粒子分離器(3)に供給され得、粒状体(13、14)が、少なくとも1つの粒状体排出部(7)を介して前記粒子分離器(3)から排出され得、前記粒子分離器(3)内の前記排気ガスが、前記粒状体(13、14)のあたりを流れ、プロセスでは、煤および灰粒子が、前記粒状体(13、14)に付着し、かつ/または、前記粒状体(13、14)に結合され、かつ/または、前記粒状体(13、14)と反応し、前記煤および灰粒子ならびに/またはその反応生成物一緒の前記粒状体(13、14)が、前記または各粒状体排出部(7)を介して前記粒子分離器(3)から排出され得る、粒子分離器(3)と、前記粒状体(13、14)と一緒の、粒子分離器(3)から放出された煤および灰粒子ならびに/またはその反応生成物を粒状体(13、14)から分離するため、ならびに、前記煤および灰粒子から、かつ/またはその反応生成物から分離された前記粒状体の、少なくとも1つの前記粒状体供給部(6)を介する前記粒子分離器(3)内への少なくとも部分的な戻りのための、前記粒子分離器(3)に割り当てられた分離デバイス(8)とを有する、内燃機関(1)のための排気ガス後処理システム(2)。

請求項2

前記粒状体が、コージェライトグラニットコランダム炭化ケイ素酸化アルミニウム、または金属材料から構成されることを特徴とする、請求項1に記載の排気ガス後処理システム。

請求項3

前記排気ガスが、前記粒子分離器(3)を連続的に流れ、前記粒状体が、前記粒子分離器(3)に連続的または周期的に供給され得、前記粒子分離器(3)から連続的または周期的に排出され得ることを特徴とする、請求項1に記載の排気ガス後処理システム。

請求項4

前記粒子分離器(3)が、前記排気ガスが水平方向に前記粒子分離器(3)を通過するように、排気ガスおよび粒状体(13、14)のクロスフローの移動床反応器または流動床反応器として設計され、前記粒状体の移動または流れの方向が、前記排気ガスの流れ方向と交差する垂直方向に進むことを特徴とする、請求項1または3に記載の排気ガス後処理システム。

請求項5

前記または各粒状体供給部(6)と前記または各粒状体排出部(7)との間の前記粒状体(13、14)の移動または流れの方向が、上から下に垂直方向で行われるように、前記粒状体(13、14)が、上部から前記または各粒状体供給部(6)を介して前記粒子分離器(3)に供給され得、底部から前記または各粒状体排出部(7)を介して前記粒子分離器(3)から排出され得ることを特徴とする、請求項4に記載の排気ガス後処理システム。

請求項6

前記粒子分離器(3)が、多段で具体化され、前記排気ガスが、前記粒子分離器(3)の個々の段(11、12)を通って連続的に流れ、前記個々の段(11、12)では、前記粒状体(13、14)の化学組成、および/または、前記粒状体(13、14)のサイズ、および/または、前記粒状体(13、14)の移動もしくは流れの速度、および/または、前記排気ガスの流速が、互いからずれることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。

請求項7

前記粒子分離器(3)の少なくとも1つの段(11、12)の前記粒状体(13、14)が、触媒的に活性であることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。

請求項8

前記粒子分離器(3)の少なくとも1つの段(11、12)の前記粒状体(13、14)が、触媒的に不活性であることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。

請求項9

SO3へのSO2の酸化のための、前記粒子分離器(3)の上流で前記内燃機関(1)の下流に配置された酸化触媒コンバータ(19)によって特徴付けられ、SO3および/または凝結H2SO4が、前記粒子分離器(3)内の煤の直接の酸化のために役立つ、請求項1から8のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。

請求項10

前記酸化触媒コンバータ(19)が、SO3へのSO2の酸化のための活性成分として、バナジウム、および/またはカリウム、および/またはナトリウム、および/または鉄、および/またはcer、および/またはセシウム、および/またはこれらの元素酸化物を含み、前記酸化触媒コンバータがベース材料として、酸化タングステンによって安定化された酸化チタンおよび/または酸化ケイ素優先的に利用することを特徴とする、請求項9に記載の排気ガス後処理システム。

請求項11

前記酸化触媒コンバータ(19)が、活性成分として、5%よりも多く、好ましくは7%よりも多く、特に好ましくは9%よりも多くの成分でバナジウムを含むことを特徴とする、請求項9または10に記載の排気ガス後処理システム。

請求項12

前記酸化触媒コンバータ(19)の下流で、前記粒子分離器(3)の領域内で、SO3と煤との間の質量比が、少なくとも7:1、好ましくは少なくとも12:1、特に好ましくは少なくとも16:1となることを特徴とする、請求項9から11のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。

請求項13

前記粒子分離器(3)の上流で、前記内燃機関(1)の下流に、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータ(21)が配置され、前記NO2が、前記粒子分離器(3)内の煤の酸化のために役立ち、前記NO2へのNOの酸化のための前記酸化触媒コンバータ(21)が、前記SO3へのSO2の酸化のための前記酸化触媒コンバータ(19)に並列に接続され、遮断弁(23)を介して前記排気ガス流から遮断され得ることを特徴とする、請求項9から12のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。

請求項14

一方では、煤の酸化のための酸化剤が供給され得、他方では、前記分離デバイス(8)内の前記粒状体から分離された前記煤および灰粒子が供給され得る、前記分離デバイス(8)の下流に配置された反応器(15)によって特徴付けられる、請求項1から13のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。

請求項15

内燃機関を出る排気ガスの排気ガス後処理のための方法であって、排気ガスの流れが、粒状体含有移動床反応器または流動床反応器の形態の粒子分離器を介して導通され、粒状体と一緒に前記粒子分離器から排出された煤および灰粒子および/またはその反応生成物が、分離デバイス内で前記粒状体から分離され、前記煤および灰粒子および/またはその反応生成物から分離された前記粒状体が、少なくとも部分的に前記粒子分離器内に戻される、方法。

請求項16

前記方法が、請求項1から14のいずれか一項による排気ガス後処理システムの助けにより行われることを特徴とする、請求項15に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、排気ガス後処理システムに関する。本発明は、さらに、排気ガス後処理のための方法に関する。

背景技術

0002

燃焼からの炭素含有粒子状物質を最小化するために、いわゆる粒子フィルタが通常使用される。典型的な粒子フィルタ構成は、特許文献1から知られている。そのような粒子フィルタでは、セラミック、金属、または繊維質基材で構成されるフィルタ媒体が、排気ガスの貫通流を受ける。排気ガスに含まれる粒子は、フィルタ材料内蓄積され、したがって、フィルタ清浄ガス側に到達することが防止される。フィルタは、使用年数の増加に伴って、燃焼されたエンジンオイルまたは燃料からの灰で詰まるので、定期的な間隔清掃または交換されなければならない。交換のために、施設は、シャットダウンされなければならず、これは、特に、高い年間使用年数および可用性要件を有する発電所または船舶設備に関係するとき、望ましくない停止時間につながる。

0003

経験から、粒子フィルタと、排気ガスの流れ方向で見て粒子フィルタの上流に配置された少なくとも1つの排気ガス後処理アセンブリと、排気ガスの流れ方向で見て粒子フィルタの下流に配置された少なくとも1つの排気ガス後処理アセンブリとを備える、内燃機関の排気ガス後処理システムが知られている。粒子フィルタの流れ方向で見て上流に配置された排気ガス後処理アセンブリは、具体的には、二酸化窒素(NO2)への一酸化窒素(NO)の酸化のための酸化触媒コンバータである。粒子フィルタの流れ方向で見て下流に配置された排気ガス後処理アセンブリは、消音器であり得る。具体的には、排気ガス流の流れ方向で見たとき、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータは、粒子フィルタの上流に配置され、NOは、以下の式に従って、NO2に流れ込む排気ガスに含まれる残留酸素O2の助けにより、酸化触媒コンバータ内で酸化される。
2NO+O2⇔2NO2

0004

二酸化窒素への一酸化窒素のこの酸化の間、高温での酸化反応平衡は、一酸化窒素の側にある。これにより、二酸化窒素の達成可能な成分は、高温では大きく制限される。

0005

粒子フィルタでは、酸化触媒コンバータで抽出された二酸化窒素は、粒子フィルタ内に集まる炭素含有粒子、いわゆるにより、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、窒素(N2)、および一酸化窒素(NO)に変換される。そのプロセスでは、粒子フィルタ内に蓄積された炭素含有粒子状物質の、または煤の連続的な除去が、粒子フィルタの受動的再生という意味で行われ、この変換は、以下の式に従って行われる。
2NO2+C→2NO+CO2
NO2+C→NO+CO
2C+2NO2→N2+2CO2

0006

具体的には、粒子フィルタのそのような受動的再生により、粒子フィルタ内に蓄積された炭素含有粒子状物質の、または煤の完全な変換が行われ得ないとき、粒子フィルタ内の炭素成分または煤成分は、増加し、粒子フィルタは、次いで、目詰まりに向かう傾向を有し、その結果として、最終的には、排気ガス後処理システムの上流に配置された内燃機関でのいわゆる排気ガス背圧が増大する。内燃機関での増大する排気ガス背圧は、内燃機関のパワーを低減し、燃料消費量の増加を引き起こす。

0007

粒子フィルタ内の炭素含有粒子状物質の、または煤の増加を回避するために、したがって、粒子フィルタの目詰まりを回避するために、粒子フィルタに触媒コーティングを施すことも、経験からすでに知られている。ここでは、優先的に、プラチナ含有コーティングが用いられる。触媒コーティングを有するそのような粒子フィルタの使用は、しかしながら、不十分な程度にのみ、炭素含有粒子状物質、すなわち煤による粒子フィルタの詰まりを防止することができる。

0008

具体的には、これが、典型的には船用ディーゼル機関で、排気ガス後処理システムが動作される内燃機関が、例えば、重油燃料のような、硫黄を多く含有する燃料で動作される場合であるとき、灰の集中的な蓄積のせいで、排気ガス後処理システムの粒子フィルタの目詰まりが同様に生じる可能性があるというさらなる問題が存在する。具体的には、重油燃料で動作される内燃機関の場合には、粒子フィルタのメンテナンス間隔は、灰によって劇的に短くされる可能性があり、そのため、排気ガス後処理システムの意味がある動作がもはや不可能となる。

先行技術

0009

米国特許第4415344号明細書

発明が解決しようとする課題

0010

このことから始めて、本発明は、新しいタイプの排気ガス後処理システムと、排気ガス後処理のための新しいタイプの方法とを作成する目的に基づく。この目的は、請求項1による排気ガス後処理システムによって解決される。

課題を解決するための手段

0011

本発明による排気ガス後処理システムは、排気ガスから煤または灰粒子を除去するための、内燃機関の下流の粒状体含有移動床反応器または流動床反応器の形態の粒子分離器を備え、粒子分離器では、浄化されるべき排気ガスが、少なくとも1つの排気ガス供給ラインを介して粒子分離器に供給され得、粒子分離器では、浄化された排気ガスが、少なくとも1つの排気ガス排出ラインを介して粒子分離器から排出され得、粒状体が、少なくとも1つの粒状体供給部を介して粒子分離器に供給され得、粒状体が、少なくとも1つの粒状体排出部を介して粒子分離器から排出され得、粒子分離器内の排気ガスが、粒状体のあたりを流れ、プロセスでは、煤および灰粒子が、粒状体に付着し、かつ/または、粒状体に結合され、かつ/または、粒状体と反応し、煤および灰粒子ならびに/またはその反応生成物一緒の粒状体が、前記または各粒状体排出部を介して粒子分離器から排出され得る。

0012

さらに、本発明による排気ガス後処理システムは、粒状体と一緒の、粒子分離器から放出された煤および灰粒子ならびに/またはその反応生成物を粒状体から分離するため、ならびに、煤および灰粒子から、かつ/またはその反応生成物から分離された粒状体の、少なくとも1つの粒状体供給部を介する粒子分離器内への少なくとも部分的な戻りのための、粒子分離器に割り当てられた分離デバイスを備える。

0013

本発明は、粒状体含有移動床反応器または流動床反応器の形態の少なくとも1つの粒子分離器と、粒子分離器に割り当てられた分離デバイスとを備える排気ガス後処理システムを提案する。粒子分離器では、煤および灰粒子は、排気ガスから効果的に分離され得、粒状体を介して排出され得る。分離デバイスでは、粒状体は、浄化された粒状体を少なくとも部分的に粒子分離器に再び戻すために、煤および灰粒子から、かつ/または、粒状体と煤および灰粒子の反応生成物から分離され得る。したがって、効果的な排気ガス浄化、すなわち、内燃機関の排気ガスからの煤および灰粒子の除去が可能である。具体的には、例えば、船舶で用いられる、重油燃料で動作される内燃機関の場合、内燃機関の排気ガスからの煤および灰粒子の効果的な除去が実現され得る。

0014

有利なさらなる発展によれば、粒子分離器は、排気ガスが、水平方向に粒子分離器を通過し、粒状体が、前記または各粒状体供給部を介して粒子分離器に供給され得、底部から前記または各粒状体排出部を介して排出され得、垂直方向の前記または各粒状体供給部と前記または各粒状体排出部との間の粒状体の移動または流れ方向が、排気ガスの流れ方向に対して交差するように、排気ガスおよび粒状体のクロスフローの移動床反応器または流動床反応器として設計される。そのようなクロスフロー粒子分離器は、内燃機関の排気ガスからの煤および灰粒子の特に効果的な除去を可能にする。

0015

優先的に、粒子分離器は、多段で具体化され、排気ガスは、粒子分離器の個々の段を通って連続的に流れ、個々の段では、粒状体の化学組成、および/または、粒状体のサイズ、および/または、粒状体の移動もしくは流れの速度、および/または、排気ガスの流速が、互いからずれる。内燃機関の排気ガスからの煤および灰粒子の除去の有効性は、それによってさらに向上され得る。

0016

有利なさらなる発展によれば、排気ガス後処理システムは、SO3へのSO2の酸化のための、粒子分離器の上流で内燃機関の下流に配置された酸化触媒コンバータを備え、SO3および/または凝結H2SO4は、粒子分離器内の煤の直接の酸化のために役立つ。SO3へのSO2の酸化のための酸化触媒コンバータを経て、粒子分離器内の煤の酸化は、改善され得る。

0017

さらなる有利なさらなる発展によれば、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータが、粒子分離器の上流で、内燃機関の下流に配置され、NO2が、粒子分離器内の煤の酸化のために役立ち、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータが、SO3へのSO2の酸化のための酸化触媒コンバータに並列に接続され、遮断弁を介して排気ガス流から遮断され得る。硫黄を比較的多く含む燃料による内燃機関の動作中、排気ガス流は、SO3へのSO2の酸化のための酸化触媒コンバータを介して導通され得、硫黄を比較的少なく含む燃料による内燃機関の動作中、排気ガス流は、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータを介して導通され得る。この構成は、異なるタイプの燃料を有する内燃機関が動作されるとき、有利である。これは、船用機関の場合である。

0018

排気ガス過給器付き内燃機関の場合には、SO3へのSO2の酸化のための酸化触媒コンバータは、排気ガスターボ過給器タービンの上流に配置され、粒子分離器は、タービンの上流に配置される。タービンの上流に存在する比較的高い温度および圧力のため、酸化触媒コンバータでのSO3へのSO2の酸化は、促進される。

0019

さらなる有利なさらなる発展によれば、本発明による排気ガス後処理システムは、一方では、煤の酸化のための酸化剤が供給され得、他方では、分離デバイス内の粒状体から分離された煤および灰粒子が供給され得る、分離デバイスの下流に配置された反応器を備える。分離デバイスの下流で、粒状体から分離された灰は、したがって、煤から効果的に解放され得る。反応器は、さらなる実施形態では、炭素を含有する煤が分離デバイスに入る前にさえ酸化され得るように、粒子分離器と分離デバイスとの間にも配置され得る。本発明による排気ガス後処理のための方法は、請求項15に定義される。

0020

本発明の好ましいさらなる発展は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、これに限定されることなく、図面の助けによりさらに詳細に説明される。

図面の簡単な説明

0021

本発明による第1の排気ガス後処理システムのブロック図である。
図1の詳細の図である。
本発明による第2の排気ガス後処理システムのブロック図である。
本発明による第3の排気ガス後処理システムのブロック図である。
本発明による第4の排気ガス後処理システムのブロック図である。
本発明による第5の排気ガス後処理システムのブロック図である。

実施例

0022

本発明は、内燃機関のための、好ましくは、例えば、重油燃料のような、硫黄を多く含む燃料で動作される、船舶で用いられる内燃機関のための排気ガス後処理システムに関する。

0023

図1は、内燃機関1の下流に配置された排気ガス後処理システム2の第1の例示的な実施形態を示す。図1の排気ガス後処理システム2は、内燃機関1の下流に配置された粒子分離器3を備える。粒子分離器3は、内燃機関1の排気ガスから煤および灰粒子を除去するために役立つ、粒状体含有移動床反応器または流動床反応器である。

0024

粒子分離器3の上流の排気ガスの流れ方向で見て、および、粒子分離器3の下流の排気ガスの流れ方向でも見て、排気ガス後処理システムの少なくとも1つのさらなる排気ガス後処理構成要素が、それぞれ配置され得ることが、ここで指摘される。

0025

粒子分離器3は、少なくとも1つの排気ガス供給ライン4を介して、粒子分離器3で浄化されるべき排気ガスを供給され得る。粒子分離器3で浄化された排気ガスは、少なくとも1つの排気ガス排出ライン5を介して、粒子分離器3から排出され得る。粒子分離器3で必要とされる粒状体は、少なくとも1つの粒状体供給部6を介して粒子分離器3に供給され得、粒状体は、少なくとも1つの粒状体排出部7を介して粒子分離器3から排出され得る。

0026

粒子分離器3では、排気ガスは、粒状体の周囲を循環し、プロセスでは、排気ガスからの煤および灰粒子は、粒状体に付着し、かつ/または、粒状体に結合され、かつ/または、粒状体と反応し、煤および灰粒子と一緒の粒状体、および/または、その反応生成物は、前記または各粒状体排出部7を介して粒子分離器3から排出され得る。

0027

粒子分離器3は、分離デバイス8を割り当てられる。分離デバイス8は、前記または各粒状体排出部7を介して粒子分離器3から排出された粒状体を、煤および灰粒子、ならびに/またはその反応生成物と一緒に供給され得、分離デバイス8は、煤および灰粒子、ならびに/またはその反応生成物を、粒状体から分離する。煤および灰粒子、ならびに/またはその反応生成物は、矢印9に従って、粒状体からの分離に続いて分離デバイス8から排出され得、浄化された粒状体は、矢印10に従って、少なくとも1つの粒状体供給部6を介して粒子分離器3内に少なくとも部分的に戻され得る。

0028

図2は、粒子分離器3の詳細を示し、図2に概略的に示される粒子分離器3は、多段で具体化される。排気ガス供給ライン4を介して図2の粒子分離器3に供給され得る、粒子分離器3で浄化されるべき排気ガスは、最初に、第1の段11を通って流れ、続いて、その後、排気ガス排出ライン5を介して粒子分離器3から排出されるために、粒子分離器3の第2の段12を通って流れる。粒子分離器3の両方の段11および12は、各々、移動床反応器または流動床反応器として具体化され、これらの2つの段11および12の各々は、粒状体供給部6を介して、それぞれの段11、12で必要とされる粒状体13および14をそれぞれ供給され得、それぞれの粒状体13、14は、粒状体排出部7を介して、それぞれの段11、12から排出され得る。

0029

具体的には、図2に示すように、粒子分離器3が多段で具体化されるとき、粒状体13、14の化学組成、および/または、粒状体13、14のサイズ、および/または、粒状体13、14の移動もしくは流れの速度、および/または、排気ガスの流速は、優先的に、粒子分離器3の個々の段11、12で互いからずれることができる。

0030

したがって、例えば、個々の段11、12で、同一の化学組成を有するが、異なる粒度、および異なる移動または流れの速度を有する粒状体を使用することが可能である。さらに、例えば、個々の段11、12で、異なる化学組成を有する粒状体13、14、すなわち、一方では触媒的に活性な、他方では触媒的に不活性な粒状体を使用することが可能である。具体的には、個々の段11、12で、その化学組成に関して異なる粒状体13、14が使用されるときでも、粒状体のサイズ、および/または、粒状体の移動もしくは流れの速度は、個々の段11、12で互いからずれることができる。

0031

移動床反応器または流動床反応器として具体化された粒子分離器3は、優先的に、排気ガスおよび粒状体のクロスフローでの粒子分離器3である。

0032

したがって、排気ガスが水平方向に粒子分離器3を通過し、一方、それぞれの段11、12の個々の段11、12の粒状体13および14が、それぞれ、上部から供給され得、底部からそれぞれの段11、12から排出され得、それぞれの粒状体13、14の移動および流れの方向が、排気ガスの流れ方向24と交差して上から下に垂直方向に進むことは、具体的には図2から明らかである。これは、粒子分離器3内の煤および灰粒子の特に効果的な除去を可能にする。

0033

すでに上記で説明したように、触媒的に不活性な粒状体は、粒子分離器3内の粒状体13、14として利用され得る。ここで、コージェライトグラニットコランダム炭化ケイ素酸化アルミニウム、または金属材料の粒状体が、具体的には用いられ得る。粒子分離器3の段11、12内の煤および灰粒子を偏向させることによって、煤および灰粒子は、衝撃(impaction)、および/または拡散、および/または遮断(interception)を介して、粒状体上で分離される。

0034

図3は、図1の排気ガス後処理システム2のさらなる発展を示し、分離デバイス8の下流に、反応器15が配置される。反応器15は、一方では、矢印9に従って分離デバイス8から開始して煤および灰粒子を供給され得、同様に、矢印16に従って酸化剤を供給され得る。反応器15では、煤粒子は、それによって煤の灰を解放するために、酸化される。煤から開放された灰は、矢印17に従って酸化触媒コンバータ15から排出され得る。煤の酸化中に作成されたCO2は、矢印18に従って反応器15から排出される。

0035

反応器15での酸化剤として、H2SO4および/またはHNO3および/またはNO2および/またはSO3および/またはSO2は、優先的に利用され得る。具体的には、反応器15からのNO2および/またはSO3が酸化剤として利用されるとき、これらの酸化剤は、排気ガスに含まれるNOおよび/またはSO2の酸化を介して触媒24で生成され得る。H2SO4およびHNO3は、その後の凝縮を介して抽出され得る。H2SO4(硫酸)は、具体的には250℃未満の温度で、煤を効果的に酸化することができる。凝縮は、別個凝縮器25で、および/または反応器15で行うことができる。

0036

この場合の酸化剤としてSO3の助けによる酸化触媒コンバータ15での煤の酸化は、以下の反応式に従って行われる。
2SO3+C→CO2+2SO2
SO3+C→CO+SO2

0037

酸化触媒コンバータ15での煤の酸化を促進させるために、酸化触媒コンバータ15に供給される煤および灰粒子を、定義されたプロセス温度に加熱するために、加熱デバイスが、酸化触媒コンバータ15の上流に配置され得る。

0038

内燃機関1に割り当てられた排気ガス後処理システム2のさらなる例示的な実施形態が、図4によって示され、図4の例示的な実施形態は、粒子分離器3の上流で、内燃機関1の下流に、SO3へのSO2の酸化のための酸化触媒コンバータ19が設けられる点で、図1の例示的な実施形態と異なる。酸化触媒コンバータ19では、SO3へのSO2の酸化は、以下の反応式に従って行われる。
2SO2+O2⇔2SO3

0039

酸化触媒コンバータ3では、内燃機関1の排気ガスに含まれるSO2は、SO3に酸化され、このプロセスで抽出されるSO3は、粒子分離器3での直接の煤の酸化のために役立つ。この場合の酸化触媒コンバータ19で形成されるSO3の助けによる粒子分離器3での煤の酸化は、再び以下の反応式に従って行われる。
2SO3+C→CO2+2SO2
SO3+C→CO+SO2

0040

排気ガスを硫酸露点未満に冷却するならば、H2SO4(硫酸)の凝結は、以下の反応式に従って行われ、
SO3+H2O→H2SO4
ここで、H2SO4は、同様に粒子分離器3での煤の酸化のために利用され得る。ここで、硫酸は、具体的には250℃未満の排気ガス温度で煤を効果的に酸化することができる。

0041

酸化触媒コンバータ19は、バナジウム(V)、および/またはカリウム(K)、および/またはナトリウム(Na)、および/または鉄(例えば)、および/またはcer(C)、および/またはセシウム(Cs)、および/またはこれらの元素酸化物を、SO3へのSO2の酸化のための活性成分として使用し、ここで、酸化触媒コンバータ19は、酸化タングステンWO3によって安定化された酸化チタンTiO2および/または酸化ケイ素SiO2を優先的に利用する。SO3へのSO2の酸化のための活性成分として存在する、酸化触媒コンバータ19内のバナジウムの成分は、5%よりも多く、好ましくは7%よりも多く、特に好ましくは9%よりも多い。バナジウムを排気ガス中に導入すること、および/または、内燃機関を動作させるためにバナジウム含有燃料を利用することも可能である。バナジウム成分は、少なくとも20mg/kg、好ましくは50mg/kg、最も好ましくは75mg/kgである。酸化触媒コンバータ19でのSO3へのSO2の変換は、酸化触媒コンバータ19の下流で、粒子分離器3の領域内で、少なくとも7:1、好ましくは少なくとも12:1、特に好ましくは少なくとも16:1のSO3と煤との間の質量比が存在するように行われる。

0042

図5は、図4の排気ガス後処理システム2のさらなる発展を示し、図5の内燃機関は、排気ガス過給器付き内燃機関であり、排気ガスは、機械的エネルギーを抽出するために、排気ガスターボ過給器のタービン20内で膨張され、機械的エネルギーは、排気ガスターボ過給器の圧縮機内で内燃機関1に供給されるべき充填空気圧縮するために、図示されていない排気ガスターボ過給器の圧縮機を駆動するために役立つ。具体的には排気ガス後処理システム2が、図5に示すようにそれに応じてタービン20を備えるとき、酸化触媒コンバータ19は、タービン20の上流に配置され、粒子分離器3は、タービン20の下流に配置される。排気ガスターボ過給器のタービン20の上流の高い圧力および温度は、酸化触媒コンバータ19でのSO3へのSO2の酸化を助ける。

0043

図4の排気ガス後処理システム2のさらなる有利なさらなる発展が、図6によって示され、図6のバージョンは、具体的には、比較的高い硫黄含有量を有する燃料と、比較的低い硫黄含有量を有する燃料の両方で動作されるような内燃機関1で利用される。したがって、図6は、SO3へのSO2の酸化のための、内燃機関1の上流に配置された酸化触媒コンバータ19と、酸化触媒コンバータ19の下流に配置された粒子分離器3とを備える、排気ガス後処理システム2を示すが、図6の排気ガス後処理システム2は、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータ21を追加で備える。酸化触媒コンバータ21で抽出されたNO2は、同様に、粒子分離器3での煤の酸化のために役立つ。図6では、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータ21は、SO3へのSO2の酸化のための酸化触媒コンバータ19と並列に接続され、内燃機関の排気ガスは、遮断弁22、23の開度位置に依存して酸化触媒コンバータ19または酸化触媒コンバータ21のいずれかを介して導通される。

0044

具体的には、内燃機関1が、硫黄を比較的多く含む燃料で動作されるとき、内燃機関1の排気ガス流が、次いで、SO3へのSO2の酸化のための酸化触媒コンバータ19を介して導通され、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータ21が、排気ガス流から分離されるように、遮断弁22が開かれ、遮断弁23が閉じられる。対照的に、図6の内燃機関1が、硫黄を比較的少なく含む燃料で動作される場合、排気ガスが、NO2へのNOの酸化のための酸化触媒コンバータ21を介して導通され、SO3へのSO2の酸化のための酸化触媒コンバータ19が、排気ガス流から分離または遮断されるように、遮断弁23が開かれ、遮断弁22が閉じられる。図6のバージョンは、一方では、硫黄を比較的多く含む燃料で動作され、他方では、硫黄を比較的少なく含む燃料で動作される船用機関での使用に特に適している。

0045

具体的には、硫黄を多く含む燃料での内燃機関1の動作中、遮断弁23が閉じられると、NO2へのNOの酸化のために役立つ酸化触媒コンバータ21は、無硫黄を維持することになる。

0046

これに代わるものは、遮断弁を省略し、酸化触媒コンバータ21を、硫黄を多く含む燃料での動作に続く、排気ガス温度が上昇され、したがって、硫黄が酸化触媒コンバータ21で脱着される動作に適するようにすることにある。遮断弁22、23を有するバージョンは、しかしながら、硫黄を含む燃料での内燃機関1の動作に続いて、酸化触媒コンバータ21が、すぐにその後の動作の準備ができているので、好ましい。

0047

上記の例示的な実施形態では、排気ガスは、粒子分離器3を連続的に流れ、粒状体は、連続的または周期的に粒子分離器3に供給され得、連続的または周期的に粒子分離器3から排出され得る。

0048

上記の例示的な実施形態の分離デバイス8は、例えば、ドラムピーラドラムスクリーン振動スクリーンミル、または、粒状体を洗浄するための洗浄媒体として水を使用する洗浄デバイスであり得る。

0049

すでに上述したように、触媒的に活性な粒状体は、また、粒子分離器3内の粒状体13、14として利用され得る。この場合には、排気ガスの成分は、粒子分離器3内の粒状体と反応することができ、ドラムピーラは、次いで、排気ガスの成分と反応している粒状体の殻を、排気ガスの成分とまだ反応していない粒状体の核から分離するために、分離デバイス8として優先的に利用される。

0050

本発明による内燃機関を出る排気ガスの排気ガス後処理のための方法により、排気ガスは、粒子分離器3を介して導通され、粒子分離器3から排出された粒状体と一緒の煤および灰粒子ならびに/またはその反応生成物は、分離デバイス8で粒状体から分離され、煤および灰粒子ならびに/またはその反応生成物から分離された粒状体は、少なくとも部分的に粒子分離器3内に戻される。排気ガス後処理のための方法のさらなる詳細は、本発明による図1〜図6の排気ガス後処理システムの上記の説明から得られる。

0051

1内燃機関
2排気ガス後処理システム
3粒子分離器
4排気ガス供給ライン
5排気ガス排出ライン
6粒状体供給部
7 粒状体排出部
8分離デバイス
9 灰および煤粒子
10浄化された粒状体
11 段
12 段
13 粒状体
14 粒状体
15酸化触媒コンバータ
16酸化剤
17 灰
18二酸化炭素
19 酸化触媒コンバータ
20タービン
21 酸化触媒コンバータ
22遮断弁
23 遮断弁
24 排気ガス流

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