JP2006272116A - Exhaust gas purifying apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関あるいはガスタービン機関等の内燃機関又は焼却炉やボイラ等の燃焼機器の排気ガスを浄化する装置に関し、特に空気過剰状態で通常運転を行う内燃機関等の排気通路内に設置されて窒素酸化物を除去するのに適した排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine such as a diesel engine, a gas engine, a gasoline engine, or a gas turbine engine, or an apparatus for purifying exhaust gas of combustion equipment such as an incinerator or a boiler, and more particularly to an internal combustion engine that performs normal operation in an excess air state. The present invention relates to an exhaust gas purification device suitable for removing nitrogen oxides.
排気ガス浄化の対象となる物質は、窒素酸化物、一酸化炭素、未燃炭化水素及びすす等粒子状物質であるが、これらの物質を浄化する装置については、従来各種開発されている。 Substances that are subject to exhaust gas purification are particulate substances such as nitrogen oxides, carbon monoxide, unburned hydrocarbons, and soot. Various devices for purifying these substances have been developed in the past.
窒素酸化物(NOx)を低減するための装置としてはアンモニアや尿素を還元剤として用いた還元触媒を排気通路中に設置し、窒素酸化物を選択的に還元する脱硝装置等が実用化されている。また、比較的小型のガス機関や自動車用ガソリン機関では、窒素酸化物、一酸化炭素(CO)及び未燃炭化水素(HC)の三者を同時に分解できる三元触媒が開発されており、排気ガスの効果的な浄化に寄与している。 As a device for reducing nitrogen oxide (NOx), a denitration device that selectively reduces nitrogen oxide by installing a reduction catalyst using ammonia or urea as a reducing agent in the exhaust passage has been put into practical use. Yes. In addition, relatively small gas engines and gasoline engines for automobiles have developed three-way catalysts capable of simultaneously decomposing nitrogen oxides, carbon monoxide (CO), and unburned hydrocarbons (HC). Contributes to effective gas purification.
しかし、前記三元触媒は、理論空燃比又はそれに近い範囲内で運転されている時には有効に浄化作用を発揮するが、それ以外の条件下、特に空気(酸素)過剰な排気ガス中では有効に作用しないことが判明している。 However, the three-way catalyst exhibits a purification action effectively when operated within the stoichiometric air-fuel ratio or a range close thereto, but is effective under other conditions, particularly in exhaust gas with excessive air (oxygen). It has been found that it does not work.
これに対処するため、空気過剰状態で運転されるガス又はガソリン機関においては、空気(酸素)過剰条件での運転時に一時的に窒素酸化物を吸蔵材に吸蔵しておき、次に燃料過剰条件で運転することにより、前記吸蔵した窒素酸化物を放出・還元する窒素酸化物吸蔵触媒方式が実用化されている。 In order to cope with this, in a gas or gasoline engine operated in an excess air condition, nitrogen oxide is temporarily occluded in the occlusion material during operation in an excess air (oxygen) condition, and then an excess fuel condition. A nitrogen oxide storage catalyst system that releases and reduces the stored nitrogen oxides by operating at a low pressure has been put into practical use.
上記窒素酸化物吸蔵触媒方式の触媒としては、従来、貴金属と、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物とを組み合わせたものが各種開発されている(特許文献1等参照)。これらの触媒は、通常運転の空気過剰燃焼時(リーン燃焼時)に、排気ガス中のNOを貴金属触媒上で酸化してNO2とし、該NO2をアルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩基性酸化物と反応させ、硝酸塩としてNOxを吸蔵している。そして燃料過剰条件の再生運転時(リッチ運転時)に酸化物から脱離したNO2を、炭化水素又はCO等の還元物質により貴金属触媒上でN2に還元し、無害化した状態で放出している。
アンモニアや尿素等を用いて窒素酸化物を選択的に還元する脱硝装置は、比較的大型の産業用内燃機関や燃焼機器に適用されているが、装置自体が大掛かりで非常に高価なものであり、また、還元剤のアンモニアや尿素の維持費も高くなる。さらに、消費されないアンモニアが大気中に放出される可能性も大きい。 A denitration device that selectively reduces nitrogen oxides using ammonia, urea, etc. is applied to relatively large industrial internal combustion engines and combustion equipment, but the device itself is large and very expensive. In addition, maintenance costs for the reducing agents ammonia and urea are also increased. Furthermore, there is a high possibility that ammonia that is not consumed is released into the atmosphere.
前記三元触媒では、既に説明しているように、空気過剰条件で運転される内燃機関や燃焼機器では触媒機能を発揮させることがでない。 As described above, the three-way catalyst does not exhibit a catalytic function in an internal combustion engine or a combustion device that is operated under an excess air condition.
前記小型のガス機関や自動車用ガソリン機関で実用化されている前記窒素酸化物吸蔵触媒方式では、触媒の成分として必ず貴金属を含んでいるので、浄化装置が高価になり、しかも、完全に還元でき得る運転範囲(温度及びSV値等)が狭い範囲に限定されると共に、エンジン側で複雑なリーン・リッチ制御(空気及び燃料の供給量の制御)が必要となる。 In the nitrogen oxide storage catalyst system that is put into practical use in the small gas engine and the gasoline engine for automobiles, since the precious metal is always included as a component of the catalyst, the purification device becomes expensive and can be completely reduced. The operating range (temperature, SV value, etc.) to be obtained is limited to a narrow range, and complicated lean / rich control (control of the supply amount of air and fuel) is required on the engine side.
(発明の目的)
本発明の目的は、主として空気過剰条件で運転する内燃機関又は燃焼機器において、排気ガス中の窒素酸化物を効率良く除去し、無害化して排出できる排気ガス浄化装置を、安価に提供できるようにすることである。また、硫黄被毒による窒素酸化物吸着材の劣化を少なくし、硫黄成分を多く含むような燃料でも性能が十分に発揮できるようにすることも目的としている。
(Object of invention)
It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification device that can efficiently remove nitrogen oxides in exhaust gas and render it harmless and discharged at an inexpensive cost in an internal combustion engine or combustion equipment that operates mainly in an excess air condition. It is to be. Another object of the present invention is to reduce the deterioration of the nitrogen oxide adsorbent due to sulfur poisoning so that the performance can be sufficiently exhibited even with a fuel containing a large amount of sulfur components.
前記課題を解決するため、本願請求項1に記載した基本発明は、内燃機関又は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄化装置において、排気通路内に窒素酸化物吸着材を配置し、該窒素酸化物吸着材は、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)の元素群の内、少なくとも一種類の元素Aとリチウム(Li)を構成元素とする一般式LiAxOy又はLiAxPO4で示されるリチウム複合酸化物で形成している。たとえば、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、チタン酸リチウム(Li2TiO3)又はリン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)等のリチウム複合酸化物で形成する。 In order to solve the above-mentioned problem, the basic invention described in claim 1 of the present application is an exhaust gas purification device installed in an exhaust passage of an internal combustion engine or a combustion device, wherein a nitrogen oxide adsorbent is disposed in the exhaust passage, Nitrogen oxide adsorbents include manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), titanium (Ti), scandium (Sc) and yttrium (Y ), A lithium composite oxide represented by the general formula LiAxOy or LiAxPO4 having at least one element A and lithium (Li) as constituent elements. For example, it is formed of a lithium composite oxide such as lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium titanate (Li 2 TiO 3 ), or lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ).
アルカリ金属のリチウム(Li)と、マンガン(Mn)等の遷移金属との複合酸化物は、現在、リチウムイオン電池の正極材料として大量に製造され、市場に流通しているので、容易にかつ安価に入手することができる。これにより、装置コストの低減を達成でき、しかも、マンガン(Mn)等の遷移金属を含んでいることにより、格子酸素と反応し易くなり、NOを速やかに酸化してNO2とすることができ、飽和NOx吸着量を増加させることができ、NOx吸着能が向上する。 Complex oxides of alkali metal lithium (Li) and transition metals such as manganese (Mn) are currently manufactured in large quantities as positive electrode materials for lithium ion batteries and are now on the market. Can be obtained. As a result, a reduction in the device cost can be achieved, and the inclusion of a transition metal such as manganese (Mn) makes it easier to react with lattice oxygen, so that NO can be rapidly oxidized to NO 2. The amount of saturated NOx adsorption can be increased, and the NOx adsorption capacity is improved.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物吸着材に貴金属を添加する。 According to a second aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus according to the first aspect, a noble metal is added to the nitrogen oxide adsorbing material.
上記構成のように、貴金属を添加すると、貴金属を含まない場合よりも装置コストは高くなるが、窒素酸化物吸着材全体としては、安価に、大量に市場に流通しているリチウムイオン電池の正極材料を利用できることにより、コストの高騰を抑制しつつ、NOx吸収能を向上させることができる。 When the noble metal is added as in the above configuration, the cost of the apparatus is higher than when no noble metal is included, but the entire nitrogen oxide adsorbent is inexpensive and the positive electrode of a lithium ion battery that is distributed in large quantities on the market. By using the material, it is possible to improve the NOx absorption capacity while suppressing the cost increase.
請求項3記載の発明は、請求項2記載の排気ガス浄化装置において、前記貴金属は白金(Pt)であり、リチウム複合酸化物はチタン酸リチウム(Li2TiO3)である。 According to a third aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus according to the second aspect, the noble metal is platinum (Pt), and the lithium composite oxide is lithium titanate (Li 2 TiO 3 ).
上記構成のように、貴金属として白金が添加されたチタン酸リチウム(Pt−Li2TiO3)を用いることにより、耐SOx性が向上し、窒素酸化物吸着材の被毒を防止し、寿命を延ばすことができる。 By using lithium titanate to which platinum is added as a noble metal (Pt—Li 2 TiO 3 ) as in the above configuration, SOx resistance is improved, nitrogen oxide adsorbent is prevented from being poisoned, and life is increased. Can be extended.
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物吸着材は、酸化アルミニウム(Al2O3)及び又はアナターゼ型酸化チタン(TiO2)よりなる担体に担持する。
The invention according to
上記構成のように、多孔質で比表面積の大きい担体に窒素酸化物吸着材を担持させていると、NOx吸収能がさらに向上する。なお、アナターゼ型酸化チタン(TiO2)は、高温で安定するルチル型酸化チタンに対し、低温で安定し、比較表面積が大きい特性を有している。 When the nitrogen oxide adsorbent is supported on a porous carrier having a large specific surface area as in the above configuration, the NOx absorption capacity is further improved. Anatase-type titanium oxide (TiO 2 ) is stable at low temperatures and has a large comparative surface area compared to rutile-type titanium oxide that is stable at high temperatures.
請求項5記載の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物吸着材は、酸化リチウム(Li2O)としての添加量が10〜20重量%である。
The invention according to
上記構成のような重量割合で、酸化リチウム(Li2O)を添加すると、NOx吸収能はさらに向上する。 When lithium oxide (Li 2 O) is added at a weight ratio as in the above configuration, the NOx absorption capacity is further improved.
請求項6記載の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物吸着材は、400°C〜500°Cの範囲内で焼成する。 According to a sixth aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus according to any of the first to fifth aspects, the nitrogen oxide adsorbent is fired within a range of 400 ° C to 500 ° C.
上記構成のような温度範囲内で焼成することにより、比表面積を大きく確保できると共に飽和NOx吸着量を増大させることができ、NOx吸収能をさらに向上させることができる。最も好ましくは概ね450°Cで焼成する。 By firing within the temperature range as described above, a large specific surface area can be secured, the amount of saturated NOx adsorption can be increased, and the NOx absorption capacity can be further improved. Most preferably, baking is performed at approximately 450 ° C.
請求項7記載の発明は、請求項2〜6のいずれかに記載の排気ガス浄化装置において、 窒素酸化物吸着材の排気上流側に吸着物質脱離手段を配置し、窒素酸化物吸着材の排気下流側に燃焼装置を配置する。
The invention according to claim 7 is the exhaust gas purifying apparatus according to any one of
上記構成によると、内燃機関を通常運転している時、特に空気過剰条件で通常運転している時はNO及びNO2等の窒素酸化物が発生し易いが、発生したNO及びNO2等の窒素酸化物は、窒素酸化物吸着材に一時的に吸着される。そして、NOx吸着量が所定値に達した時に、窒素酸化物脱離手段及び燃焼装置を作動させ、再生運転する。この再生運転において、まず、吸着物質脱離手段により、窒素酸化物吸着材を昇温又は還元雰囲気として、窒素酸化物を脱離する。前記窒素酸化物吸着材中に貴金属を含んでいない場合には、大半はNO及びNO2等の窒素酸化物の状態で脱離し、これら脱離NOxは、下流側の燃焼装置の燃料過濃燃焼領域でN2に還元され、無害化され、排出される。 According to the above arrangement, when that normal operation of the internal combustion engine, particularly but when tends nitrogen oxide 2 such NO and NO are generated which are usually operated with excess air conditions, the NO and NO 2 and the like of occurrence Nitrogen oxide is temporarily adsorbed by the nitrogen oxide adsorbent. Then, when the NOx adsorption amount reaches a predetermined value, the nitrogen oxide desorbing means and the combustion device are operated to perform a regeneration operation. In this regeneration operation, first, nitrogen oxides are desorbed by the adsorbed substance desorbing means while the nitrogen oxide adsorbing material is heated or reduced. When no precious metal is contained in the nitrogen oxide adsorbent, most of the nitrogen oxide is desorbed in the form of nitrogen oxides such as NO and NO 2 , and these desorbed NOx is fuel rich combustion in the downstream combustion device. It is reduced to N 2 in the area, detoxified and discharged.
また、再生運転において、吸着物質脱離手段又は燃焼装置の燃料過濃燃焼領域でCO及び炭化水素が発生する場合には、これらのCO及び炭化水素は燃焼装置の燃料希薄領燃焼域で酸化されてCO2及びH2Oとなり、無害化されて排出される。なお、燃焼装置の燃料希薄燃焼領域では燃焼温度が低いため、前記吸着物質脱離手段で脱離したN2が再び酸化することは無く、窒素酸化物に戻ることはない。 In addition, in the regeneration operation, when CO and hydrocarbons are generated in the fuel rich combustion region of the adsorbent desorption means or the combustion device, these CO and hydrocarbons are oxidized in the fuel lean combustion region of the combustion device. To CO 2 and H 2 O, detoxified and discharged. Since the combustion temperature is low in the fuel lean combustion region of the combustion apparatus, N2 desorbed by the adsorbed material desorbing means will not be oxidized again and will not return to nitrogen oxides.
このように、窒素酸化物吸着材の下流側に燃焼装置を配置することにより、貴金属を含まない安価な窒素酸化物吸着材によっても、貴金属を含んだ触媒を利用する場合と同様に排気ガス中の窒素酸化物を無害化し、排出することができ、経済的である。しかも、エンジン側での複雑なリーン・リッチ制御を行うことなく、通常運転と再生運転を行うことができる。 In this way, by arranging the combustion device downstream of the nitrogen oxide adsorbent, even an inexpensive nitrogen oxide adsorbent that does not contain a noble metal can be used in the exhaust gas in the same manner as when a catalyst containing a noble metal is used. The nitrogen oxides can be detoxified and discharged, which is economical. Moreover, normal operation and regeneration operation can be performed without performing complicated lean / rich control on the engine side.
請求項8記載の発明は、請求項2又は請求項2を引用する請求項3〜7のいずれかに記載の排気ガス浄化装置において、前記燃焼装置は燃料希薄燃焼方式である。
The invention according to claim 8 is the exhaust gas purifying apparatus according to
上記構成によると、窒素酸化物吸着材に貴金属を含んでいる場合には、窒素酸化物吸着材から脱離する物質は、大半が貴金属の触媒作用によりN2の状態まで還元されており、したがって、下流側に配置される燃焼装置は、CO及び炭化水素のみを無害化する燃料希薄燃焼のみを行う燃焼装置でよく、これにより、燃費を節約することができる。 According to the above configuration, when the nitrogen oxide adsorbent contains a noble metal, most of the substance desorbed from the nitrogen oxide adsorbent is reduced to the N 2 state by the catalytic action of the noble metal, and therefore The combustion device disposed on the downstream side may be a combustion device that performs only lean fuel combustion that renders only CO and hydrocarbons harmless, thereby saving fuel consumption.
請求項9記載の発明は、請求項3〜7のいずれかに記載の排気ガス浄化装置において、前記吸着物質脱離手段の温度を前記焼成温度付近又はそれ以下に設定している。たとえば焼成温度が450°Cであれば、450°C付近又はそれ以下で燃焼するように制御する。 According to a ninth aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus according to any one of the third to seventh aspects, the temperature of the adsorbed substance desorbing means is set near or below the firing temperature. For example, when the firing temperature is 450 ° C., control is performed so as to burn near 450 ° C. or lower.
上記構成のように、窒素酸化物の脱離時の温度を焼成温度付近又はそれ以下に抑制することにより、シンタリング及びリチウム(Li)の消失を防ぎ、これにより性能劣化を抑制し、窒素酸化物吸着材の寿命を延ばすことができる。 As in the above configuration, by suppressing the temperature at the time of desorption of nitrogen oxides to near or below the firing temperature, sintering and loss of lithium (Li) are prevented, thereby suppressing performance deterioration and nitrogen oxidation. The life of the material adsorbent can be extended.
請求項10記載の発明は、請求項1記載の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物吸着材の排気上流側に硫黄酸化物吸着材を配置している。 According to a tenth aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus according to the first aspect, a sulfur oxide adsorbing material is disposed on the exhaust upstream side of the nitrogen oxide adsorbing material.
上記構成により、内燃機関の通常運転時において、排気ガス中の硫黄酸化物は、窒素酸化物吸着材に至る前に硫黄酸化物吸着材で吸着されるので、窒素酸化物吸着材が硫黄被毒を受けることはなく、硫黄被毒による窒素酸化物の吸着量低下を防ぐことができる。また、耐久性も向上する。特に、チタン(Ti)以外の遷移金属元素で構成されるリチウム複合酸化物(たとえばLiMn2O4等)は、チタン(Ti)を含む場合と比べてSOx吸収性が低いので、前記のように硫黄酸化物吸着材を配置することにより、窒素酸化物吸着材の被毒を防ぐことができる。 With the above configuration, during normal operation of the internal combustion engine, sulfur oxide in the exhaust gas is adsorbed by the sulfur oxide adsorbent before reaching the nitrogen oxide adsorbent, so the nitrogen oxide adsorbent is sulfur poisoned. It is possible to prevent a decrease in the adsorption amount of nitrogen oxides due to sulfur poisoning. In addition, durability is improved. In particular, lithium composite oxides composed of transition metal elements other than titanium (Ti) (for example, LiMn 2 O 4 ) have lower SOx absorbability than those containing titanium (Ti). By arranging the sulfur oxide adsorbent, poisoning of the nitrogen oxide adsorbent can be prevented.
請求項11記載の発明は、請求項10記載の排気ガス浄化装置において、前記硫黄酸化物吸着材は、銅酸化物とジルコニウム酸化物とを含んでいる。 An eleventh aspect of the present invention is the exhaust gas purifying apparatus according to the tenth aspect, wherein the sulfur oxide adsorbing material includes copper oxide and zirconium oxide.
上記構成によると、銅酸化物とジルコニウム酸化物は、優れた硫黄酸化物(SOx)の吸収能を有しているので、硫黄酸化物の吸着量を増加させることができる。 According to the above configuration, since the copper oxide and the zirconium oxide have an excellent ability to absorb sulfur oxide (SOx), the amount of sulfur oxide adsorbed can be increased.
請求項12記載の発明は、請求項11記載の排気ガス浄化装置において、前記硫黄酸化物吸着材は、銅とジルコニウムの金属比が1:1である。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the exhaust gas purifying apparatus according to the eleventh aspect, the sulfur oxide adsorbing material has a metal ratio of copper to zirconium of 1: 1.
上記構成により、硫黄酸化物の吸着量を増加させることができる。 With the above configuration, the amount of sulfur oxide adsorbed can be increased.
請求項13記載の発明は、請求項11又は12に記載の排気ガス浄化装置において、前記硫黄酸化物吸着材の上流側に吸着物質脱離手段を配置し、窒素酸化物吸着材の排気下流側に燃焼装置を配置する。 The invention according to claim 13 is the exhaust gas purifying apparatus according to claim 11 or 12, wherein an adsorbent detachment means is disposed upstream of the sulfur oxide adsorbent, and the exhaust gas downstream of the nitrogen oxide adsorbent. A combustion device is arranged in
銅酸化物とジルコニウム酸化物は、可逆的に硫黄酸化物の吸脱着を行えるので、窒素酸化物吸着材の上流側に窒素酸化物脱離手段を、下流側に燃焼装置を備えた排気ガス浄化装置内において、通常運転と再生運転を切り換えることにより、通常運転の空気過剰燃焼時に、窒素酸化物吸着材により窒素酸化物を吸着すると同時に、硫黄酸化物吸着材により硫黄酸化物を吸着し、その後、再生運転の燃料過剰燃焼時に、各吸着材に吸着されている窒素酸化物及び硫黄酸化物をそれぞれ脱離し、窒素酸化物は下流側の燃焼装置で無害化して、排出することができる。 Because copper oxide and zirconium oxide can reversibly absorb and desorb sulfur oxides, exhaust gas purification with nitrogen oxide desorption means upstream of the nitrogen oxide adsorbent and combustion device downstream In the equipment, by switching between normal operation and regeneration operation, nitrogen oxide is adsorbed by the nitrogen oxide adsorbent at the same time as excessive air combustion in normal operation, and at the same time, sulfur oxide is adsorbed by the sulfur oxide adsorbent, At the time of excessive fuel combustion in the regeneration operation, nitrogen oxides and sulfur oxides adsorbed on the respective adsorbents are desorbed, and the nitrogen oxides can be rendered harmless by the downstream combustion device and discharged.
要するに本発明によると、リチウムイオン電池の正極材として利用されるリチウム(Li)と、マンガン(Mn)等の遷移金属と、を含むリチウム複合酸化物を、窒素酸化物吸着材として用いることにより、安価でNOx吸収能の良い窒素酸化物吸着材を提供でき、これにより、安価で飽和NOx吸着量の多い排気ガス浄化装置を提供することができる。特に、リチウムチタン複合酸化物として、白金を添加したチタン酸リチウムを用いることにより、又は、窒素酸化物吸着材の排気上流側に硫黄酸化物吸着材を配置することにより、窒素酸化物吸着材の被毒化を防ぐこともできる。 In short, according to the present invention, by using a lithium composite oxide containing lithium (Li) used as a positive electrode material of a lithium ion battery and a transition metal such as manganese (Mn) as a nitrogen oxide adsorbent, An inexpensive nitrogen oxide adsorbing material having a good NOx absorption capacity can be provided, whereby an exhaust gas purifying apparatus having a low amount of saturated NOx adsorption can be provided. In particular, by using lithium titanate to which platinum is added as a lithium titanium composite oxide, or by arranging a sulfur oxide adsorbent on the exhaust upstream side of the nitrogen oxide adsorbent, the nitrogen oxide adsorbent It can also prevent poisoning.
[発明の第1の実施の形態]
図1は本発明による排気ガス浄化装置の実施の形態であり、内燃機関1又は燃焼機器の排気通路2は、第1と第2の2本の分岐排気通路2a、2bに分岐されており、排気上流側の分岐部に切替弁20を備え、排気下流側端部で両分岐排気通路2a,2bは合流し、下流側排気通路2cに接続している。前記切替弁20を切り替えることにより、内燃機関1からの排気ガスを、分岐排気通路2a、2bの一方に選択的に排出し、残りの分岐排気通路を再生運転できるようになっている。内燃機関1としては、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関又はガスタービン機関などがあり、燃焼機器としては産業用ボイラ等があり、それらは、主として空気過剰条件で運転が行われる。
[First Embodiment of the Invention]
FIG. 1 shows an embodiment of an exhaust gas purifying apparatus according to the present invention. An
各分岐排気通路2a、2b内には、それぞれ排気上流側から順に、吸着物質脱離手段3、微粒子吸着フィルター40、窒素酸化物吸着材(以下「NOx吸着材」と称する)4及び燃焼装置5が排気流れ方向に間隔を置いて配置されている。
In each of the
NOx吸着材4は、遷移金属、特に、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)の元素群の内、少なくとも一種類の元素Aとリチウム(Li)を構成元素とする一般式LiAxOy又はLiAxPO4で示されるリチウム複合酸化物で形成されている。前記一般式LiAxOyに適合する具体例としては、たとえばマンガン酸リチウム(LiMn2O4)やチタン酸リチウム(Li2TiO3)があり、また前記一般式LiAxPO4に適合する具体例としては、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)等がある。
The
本実施の形態では、前記リチウム複合酸化物に、さらに貴金属の白金(Pt)を添加した材料を用いており、さらに、NOx吸収能と耐SOx性を高く維持するために、リチウム複合酸化物として、チタン(Ti)を構成元素とするチタン酸リチウム(Li2TiO3)を用いている。 In the present embodiment, a material obtained by adding platinum (Pt), a noble metal, to the lithium composite oxide is used. Further, in order to maintain high NOx absorption capacity and SOx resistance, a lithium composite oxide is used. Lithium titanate (Li 2 TiO 3 ) containing titanium (Ti) as a constituent element is used.
また、前記窒素酸化物吸着材4は、酸化リチウムLi2Oとしての添加量が10〜20重量%となっており、400°C〜500°Cの範囲内で焼成してある。好ましくは概ね450°Cで焼成する。
The
また、該実施の形態では、酸化アルミニウム(Al2O3)及び又はアナターゼ型酸化チタン(TiO2)よりなる担体に、前記白金及びチタン酸リチウム(Li2TiO3)を担持している。 In this embodiment, the platinum and lithium titanate (Li 2 TiO 3 ) are supported on a carrier made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or anatase-type titanium oxide (TiO 2 ).
最も排気上流側に配置された吸着物質脱離手段3は、燃料ノズル31、点火装置32及び空気供給手段33から構成されており、燃料ノズル31は燃料調量装置10を介して燃料タンク11に接続し、電子制御ユニット(以下「ECU」と称する)12により、燃料の供給量及び供給時期が制御されるようになっている。空気供給手段33は空気調量装置16を介して空気供給源17に接続し、空気調量装置16はECU12により空気の供給量及び供給時期が制御されるようになっている。上記のように燃料供給量及び供給時期並びに空気供給量及び供給時期を制御することにより、たとえば、燃料過濃燃焼を行い、対応する分岐排気通路2a又は2b内を、昇温すると同時に還元雰囲気とすることができる。
The adsorbed substance desorbing means 3 arranged on the most upstream side of the exhaust gas is composed of a
前記吸着物質脱離手段3の燃焼温度は、前記窒素酸化物吸着材4の焼成温度(400°C〜500°C)付近又はそれ以下になるように、燃料供給量及び空気供給量を設定してある。たとえば、焼成温度が450°Cであれば、450°C付近又はそれ以下に設定してある。
The fuel supply amount and the air supply amount are set so that the combustion temperature of the adsorbed substance desorbing means 3 is close to or lower than the firing temperature (400 ° C. to 500 ° C.) of the
最も下流側に配置された燃焼装置5は、燃料ノズル6、点火装置7及び空気供給手段15からなり、燃焼装置5の作動状態において、空気供給手段15の排気上流側と下流側には燃料過濃燃焼領域X1と燃料希薄燃焼領域X2が形成できるようになっている。燃料ノズル6は燃料調量装置10を介して燃料タンク11に接続し、電子制御ユニット12により、燃料の供給量及び供給時期が制御されるようになっている。空気供給手段15は空気調量装置16を介して空気供給源17に接続し、空気調量装置16はECU12により空気供給量及び供給時期が制御されるようになっている。
The
なお、前記燃焼装置5は、NOx吸着材4に白金等の貴金属を含んでいない場合は、前記のように空気供給手段15の排気上流側と下流側に燃料過濃燃焼領域X1と燃料希薄燃焼領域X2を形成するように、燃料供給量及び空気供給量を制御するが、本実施の形態のように、NOx吸着材4に白金等の貴金属を含んでいる場合は、燃料供給量を減らすと共に空気供給量を増加して、燃料希薄燃焼領域X2のみが形成されるように制御することもできる。
When the
(実施の形態の作用)
内燃機関1を運転する場合には、切替弁20によって排気通路2の接続先を切り換えることにより、両分岐排気通路2a、2bの一方を内燃機関1の排気ガスの排出流路として利用し、他方は必要に応じて再生運転する。図1の状態は、第2の分岐排気通路2bを内燃機関1の排気ガスの排出流路として利用し、第1の分岐排気通路2aを再生運転に利用している状態である。
(Operation of the embodiment)
When the internal combustion engine 1 is operated, the switching
内燃機関1の運転時、図1において排気ガスの排出流路として利用する第2の分岐排気通路2bでは、燃焼装置5及び吸着物質脱離手段3は停止している。内燃機関1は、空気過剰条件で運転されており、そのため排気ガス中のCO等は少ないが、NOxが多く含まれている可能性が大きい。この排気ガスは、排気通路2から第2分岐排気通路2bに流入し、まず、微粒子フィルター40により粒子状物質が除去され、そしてNOx吸着材4によりNOxが吸着され、無害化した状態で下流側の排気通路2cを経て排出される。
During the operation of the internal combustion engine 1, the
一方、再生運転する第1の分岐排気通路2aでは、燃焼装置5及び吸着物質脱離手段3を作動させており、吸着物質脱離手段3においては、燃料ノズル31からの燃料を空気供給手段33からの空気で燃焼させることにより、NOx吸着材4へ高温の空気を供給し、NOx吸着材4からNOxを脱離させる。すなわち、NOx吸着材4を再生する。この場合、吸着物質脱離手段3の燃焼温度は、前記NOx吸着材4の焼成温度付近又はそれ以下なので、シンタリングが生じたり、リチウム(Li)が消失することはない。
On the other hand, in the first branch exhaust passage 2a to be regenerated, the
本実施の形態のように、NOx吸着材4に白金(Pt)を添加している場合には、再生運転時、NOxは白金の触媒作用によりN2に還元され、無害化された状態で脱離され、排出される。
When platinum (Pt) is added to the
NOx吸着材4に貴金属を添加していない場合には、前述のように前記燃焼装置5は、燃料過濃燃焼領域X1と燃料希薄燃焼領域X2を形成しており、これにより、NOx吸着材4から脱離したNOxを燃料過濃燃焼領域X1においてN2に還元する。
When no noble metal is added to the
燃焼装置5の燃料希薄燃焼領域X2では、CO及び炭化水素が酸化されてCO2及びH2O等に無害化され、排出される。なお、燃焼希薄燃焼領域X2では燃焼温度が低いため、N2が酸化されることはない。また、NOx吸着材4に貴金属を添加していない場合においては、燃料過濃燃焼領域X1でCO及び炭化水素が発生することがあるが、これらCO及び炭化水素は、下流側の燃料希薄燃焼領域X2において、酸化され、無害化される。
In the fuel lean combustion region X2 of the
通常運転を幾度か行うことにより、第2の分岐排気通路2bのNOx吸着材4のNOx吸着量が所定量(飽和量またそれより少ない規定量)に達すると、切替弁20を第1の分岐排気通路2a側に切り替え、第1の分岐排気通路2a内の燃焼装置5及び吸着物質脱離手段3を停止し、一方、第2の分岐排気通路2bの燃焼装置5及び吸着物質脱離手段3を作動状態とする。すなわち、第1の分岐排気通路2aで通常運転を行い、同時に第2の分岐排気通路2bで再生運転を行うことになる。
When the NOx adsorption amount of the
(実施の形態の効果)
(1)図1のように排気ガス浄化装置の排気通路2を2つの分岐排気通路2a、2bに分岐し、一方は、通常運転時に排気ガスの排出流路として利用し、他方をエンジンの排気通路2から遮断し、窒素酸化物脱離手段3及び燃焼装置5を作動させて再生運転を行うので、内燃機関1からの排気ガス量に関係なく、吸着物質脱離用及び燃焼装置用の空気量を設定でき、前記吸着物質脱離手段3の燃料供給量及び燃焼装置5における燃料供給量を節約できる。もちろん、エンジン側の複雑なリーン・リッチ制御を行うことなく、再生運転を行うことができる。
(Effect of embodiment)
(1) As shown in FIG. 1, the
(2)NOx吸着材4の上流側に微粒子フィルター40を配置してあることにより、通常運転時(排気ガスの排出流路としての利用時)、微粒子フィルター40で粒子状物質を除去した排気ガスをNOx吸着材4に流入させることができ、NOx吸着材4によるNOxの吸着率の低下を防ぐことができる。
(2) Since the
(3)NOx吸着材4に貴金属の白金(Pt)を添加していると、飽和NOx吸着量を大幅に増加させることができる。すなわち、図3は、リチウム複合酸化物として、貴金属を添加していないマンガン酸リチウム(LiMnO3)と、貴金属を添加していないリン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)と、貴金属の白金(Pt)を添加したチタン酸リチウム(Pt−Li2TiO3)の飽和NOx吸着量を比較したグラフであり、貴金属を添加していないマンガン酸リチウム(LiMnO3)及びリン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)でも必要十分な飽和NOx吸着量を確保できるが、白金を添加したチタン酸リチウム(Pt−Li2TiO3)の場合には、前記マンガン酸リチウム(LiMnO3)及びリン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)の二倍から三倍程度の飽和NOx吸着量を確保することができ、NOx吸着性能の点で優れていることが分かる。
(3) When the noble metal platinum (Pt) is added to the
(4)NOx吸着材4として、チタン酸リチウム(Li2TiO3)を用いていると、耐SOx性に優れたNOx吸着材4を提供することができ、これにより、NOx吸着材4の被毒化を防ぎ、寿命を延ばすことができる。図4はNOx吸着材4の耐SOx性を示すグラフであり、本発明として記載している左側二本のグラフは、白金を添加したチタン酸リチウム(Pt−Li2TiO3)で形成したNOx吸着材4であり、比較例として記載している右側二本のグラフは、白金を添加した酸化バリウム(Pt−BaO系)で形成したNOx吸着材4であり、各斜線のグラフは、NOx吸着材4を流れる排気ガス中にSOxが含まれない場合、クロス線のグラフは、NOx吸着材4を流れる排気ガス中に300ppmのSOxが含まれている場合のそれぞれの飽和NOx吸着量を示している。この図4のグラフから理解できるように、白金を添加したチタン酸リチウム(Pt−Li2TiO3)で形成したNOx吸着材4では、排気ガス中にSOxを含む場合でも、SOxを含まない場合と同程度の飽和NOx吸着量を確保している。一方、白金を添加した酸化バリウム(Pt−BaO系)では、排気ガス中にSOxを含んでいる場合には、飽和NOx吸着量が大きく減少している。
(4) When lithium titanate (Li 2 TiO 3 ) is used as the
(5)図5は、白金を添加したチタン酸リチウム(Pt−Li2TiO3)で形成したNOx吸着材4と、これを担持する担体としての酸化アルミニウム(Al2O3)及び又は酸化チタン(TiO2)との重量割合を変化させた場合の飽和NOx吸着量の変化を示すグラフであり、担体の重量割合が0〜80%までは、担体の増加に比例して飽和NOx吸着量が増えている。したがって、酸化アルミニウム(Al2O3)の重量割合を、80%又はそれ以上でほぼ95%程度の間に設定するのが好ましい。
(5) FIG. 5 shows a
(6)図6は、NOx吸着材4について、酸化リチウム(Li2O)としての添加量と飽和NOx吸着量との関係を示しグラフであり、このグラフから理解できるように、酸化リチウム(Li2O)としての添加量が10〜20重量%の場合に、飽和NOx吸着量がほぼ最大値に維持されることが理解できる。したがって、酸化リチウム(Li2O)を窒素酸化物吸着材全体の10〜20重量%で添加することにより、飽和NOx吸着量を増加させ、NOx吸収能を向上させることができる。
(6) FIG. 6 is a graph showing the relationship between the addition amount as lithium oxide (Li 2 O) and the saturated NOx adsorption amount for the
(7)図7は、NOx吸着材4を焼成する時の温度と、比表面積及び飽和NOx吸着量との関係を示すグラフであり、焼成温度が450°Cの場合と600°Cの場合を比較している。図7から理解できるように、焼成温度600°Cの場合に比べ、焼成温度450°Cの場合の方が、大きな比表面積及び大きな飽和NOx吸吸着量が得られ、NOx吸収能に優れていることが分かる。
(7) FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature at which the
(8)図8は、NOx吸着材4の焼成温度が450°Cの場合において、吸着物質脱離手段3の温度と飽和NOx吸着量との関係を示すグラフであり、焼成温度450°C付近で最高の飽和NOx吸着量を得ることができ、450°Cより高くなっても、低くなっても飽和NOx吸着量が急激に低下することが分かる。ただし、吸着物質脱離手段3の温度が焼成温度よりも高くなると、シンタリングやリチウム(Li)の消失が生じる可能性が大きくなるので、再生運転時における脱離手段3の温度は、焼成温度450°C付近が最適であることが分かる。
(8) FIG. 8 is a graph showing the relationship between the temperature of the adsorbed substance desorbing means 3 and the saturated NOx adsorption amount when the firing temperature of the
[発明の第2の実施の形態]
図2は本発明による排気ガス浄化装置の第2の実施の形態であり、図1の実施の形態と比較して、微粒子フィルター40とNOx吸着材4の間に、硫黄酸化物吸着材(以下、「SOx吸着材」と称する)42を配置している。それ以外の構成は、図1と同様であり、同じ部品には同じ符号を付してある。
[Second Embodiment of the Invention]
FIG. 2 shows a second embodiment of the exhaust gas purifying apparatus according to the present invention. Compared with the embodiment of FIG. 1, a sulfur oxide adsorbent (hereinafter referred to as “sulfur oxide adsorbent”) is disposed between the
SOx吸着材42は、本実施の形態では、銅及びジルコニウムの酸化物であり、銅とジルコニウムの金属比は1:1となっている。
In the present embodiment, the
(実施の形態の作用)
SOx吸着材42の作用を除いては、前記図1の実施の形態と基本的には同様であるので、SOx吸着材42の作用についてのみ説明する。
(Operation of the embodiment)
Except for the action of the
内燃機関1を通常運転時には、SOx吸着材42により排気ガス中のSOxが吸着される。これにより、NOx吸着材4へSOxが流れることは無く、NOx吸着材4の硫黄被毒を防ぐことができる。特に、貴金属を添加したチタン酸リチウム(Pt−Li2TiO3)以外のリチウム酸化物をNOx吸着材4として用いる場合には、耐SOx性が低いので、上記のようにNOx吸着材4の上流側にSOx吸着材42を配置していることにより、NOx吸着材4の被毒化を防ぐことができる。
During normal operation of the internal combustion engine 1, SOx in the exhaust gas is adsorbed by the
再生運転時には、SOx吸着材42にも吸着物質脱離手段3から高温の空気が供給され、SOx吸着材42に吸着されていたSOxが脱離される。すなわち、SOx吸着材42を再生する。脱離したSOxは、そのまま排出される。なお、再生運転において、上記NOx吸着材4も前述のように脱離作用を行っているので、前記SOx吸着材42から脱離したSOxがNOx吸着材4に再吸着されるおそれもない。
During the regeneration operation, high-temperature air is also supplied to the SOx adsorbent 42 from the adsorbent desorption means 3, and the SOx adsorbed on the
前記硫黄酸化物吸着材42は、前述のように銅酸化物とジルコニウム酸化物とを含み、しかも、銅とジルコニウムの金属比が1:1であると、硫黄酸化物の吸着量を増加させることができる。
The sulfur
また、銅酸化物とジルコニウム酸化物は、可逆的に硫黄酸化物の吸脱着を行えるので、窒素酸化物吸着材の上流側に窒素酸化物脱離手段を、下流側に燃焼装置を備えた排気ガス浄化装置内において、通常運転と再生運転を切り換えることにより、通常運転の空気過剰燃焼時に、窒素酸化物吸着材により窒素酸化物を吸着すると同時に、硫黄酸化物吸着材により硫黄酸化物を吸着し、その後、再生運転の燃料過剰燃焼時に、各吸着材に吸着されている窒素酸化物及び硫黄酸化物をそれぞれ脱離し、窒素酸化物は下流側の燃焼装置で無害化して、排出することができる。 In addition, since copper oxide and zirconium oxide can reversibly absorb and desorb sulfur oxides, exhaust with nitrogen oxide desorbing means upstream of the nitrogen oxide adsorbent and combustion device downstream. By switching between normal operation and regeneration operation in the gas purification device, nitrogen oxide is adsorbed by the nitrogen oxide adsorbent and at the same time sulfur oxide is adsorbed by the sulfur oxide adsorbent at the time of excessive air combustion in normal operation. Then, during the fuel overcombustion in the regeneration operation, the nitrogen oxides and sulfur oxides adsorbed on the respective adsorbents are desorbed, and the nitrogen oxides can be made harmless by the downstream combustion device and discharged. .
1 内燃機関
2 排気通路
2a,2b 分岐排気通路
2c 下流側排気通路
3 吸着物質脱離手段
4 NOx吸着材
5 燃焼装置
40 微粒子フィルター
42 SOx吸着材
X1 燃料過濃燃焼領域
X2 燃料希薄燃焼領域
1
Claims (13)
排気通路内に窒素酸化物吸着材を配置し、該窒素酸化物吸着材は、
マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)の元素群の内、少なくとも一種類の元素Aとリチウム(Li)を構成元素とする一般式LiAxOy又はLiAxPO4で示されるリチウム複合酸化物で形成したことを特徴とする排気ガス浄化装置。 In an exhaust gas purification device installed in an exhaust passage of an internal combustion engine or combustion equipment,
A nitrogen oxide adsorbent is disposed in the exhaust passage, and the nitrogen oxide adsorbent is
Among the element groups of manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), titanium (Ti), scandium (Sc) and yttrium (Y), An exhaust gas purification apparatus formed of a lithium composite oxide represented by a general formula LiAxOy or LiAxPO 4 having at least one element A and lithium (Li) as constituent elements.
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