JPH0742082B2 - アンモニア合成用燃料改質装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両に搭載しエンジン
排気中のＮＯ_X 処理を行うのに好適なアンモニア合成用
燃料改質装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガソリンエンジン排気中のＮＯ
_X 処理は、その排気を触媒床に導入することにより、通
常行われているが、車両用ディーゼルエンジンの場合に
は、排気中の酸素量が多いために触媒が使用できず、専
ら燃焼改善により排気中のＮＯ_X を低減させている。

【０００３】一方、定置用ディーゼルエンジンの分野に
おいては、排気中のＮＯ_X 処理にあたって、アンモニア
ボンベを備え、ＮＯ_x 処理触媒床にエンジンの排気と共
にアンモニアを導入させ、下記反応によりＮＯ_X を還元
処理する方式（ＳＣＲ法）が採用されている。

【０００４】 ２ＮＨ₃ ＋２ＮＯ＋（１／２）Ｏ₂ ＝２Ｎ₂ ＋３Ｈ₂Ｏ しかしながら、この方式では、アンモニアボンベを定期
的に充填、或いは交換をしなければならないという問題
を有しており、重量、メンテナンス等の点で車両用とし
ては不向きであり、実用化には到っていない。

【０００５】一方、アンモニアは、現在、主としてＨ₂
ガスとＮ₂ ガスを触媒上で直接合成する方法によって製
造されている。Ｈ₂ ガスを得る手段としては、炭素質
（コークス、石炭、重油、天然ガス等）を水蒸気を吹き
込みながら空気で燃焼、分解してＨ₂ を取り出す方法が
一般的に行われている。しかしながら、ここで得られる
粗ガスには、硫黄分、ＣＯ、Ｎ₂ 等が大量に混合してい
るため、このままではアンモニアの合成に使うことがで
きない。そこで、湿式脱硫器を用いる脱硫、水性ガ
ス変成反応によるＣＯのＣＯ₂ への変換、高圧水洗に
よるＣＯ₂ の除去、銅アンモニア法またはメタノール
合成法による残留ＣＯの除去、といった処理を行ってア
ンモニア合成の当量であるＮ₂ ：Ｈ₂ ＝１：３の混合ガ
スを得るようにしている。

【０００６】しかしながら、上記処理には大規模な装
置、設備が必要であり、これを車両に搭載することは不
可能である。そこで、本出願人は、軽油を燃料とするデ
ィーゼルエンジンに着目し、車両に搭載可能なアンモニ
ア製造装置を特開平１−２８０６１７号公報により提案
している。

【０００７】これを図４により説明する。ディーゼルエ
ンジン１の燃料である軽油を燃料タンク２から電磁弁３
を経て、適宜の与熱手段を設けた燃料改質装置に導入す
ると共に、８気圧程度に保たれているブレーキ用エアタ
ンク５から高圧空気を燃料改質装置４に導入し、８００
℃、８気圧の条件下で、下式に示す部分酸化反応を行わ
せる。

【０００８】 Ｃ_n Ｈ_2n＋（ｎ／２）Ｏ₂ ＝ｎＣＯ＋ｎＨ₂ この反応生成ガス（窒素を含む）を芳香族ポリイミドか
らなる水素分離膜６に加圧状態のまま導入する。芳香族
ポリイミドからなる水素分離膜６は、水素と窒素の一部
を通過させるが、一酸化炭素は通過させないような仕様
のものを使用する。この水素分離膜６を通過したガス
は、加圧ポンプ９により８気圧にまで加圧して、アンモ
ニア合成反応器１０に導入される。アンモニア合成反応
器１０により、合成されたアンモニアは、アンモニア吸
着分離ベッドである固体酸層１１に導入され、１００℃
に保たれた固体酸層１１において吸着され、次いで４０
０℃に加熱されることにより脱離され、脱離したアンモ
ニアはアンモニアタンク１２に貯蔵される。このアンモ
ニア分離、脱離操作は、一定時間毎に切り替わる制御手
段（図示せず）で、２層を交互に加熱、冷却させること
により、連続的にアンモニアの吸着、脱離を行うように
操作する。また未反応の窒素、水素ガスはポンプ１３に
より、アンモニア合成反応器１０に還流させる。

【０００９】上記水素分離膜６を通過しなかった一酸化
炭素、窒素等のガスは、エンジン１に導入して燃焼させ
る。このようにして貯蔵されたアンモニアは、エンジン
１の回転、負荷センサおよびＮＯ_x 濃度センサからの信
号に応じて、電子制御装置１５により制御弁１６を制御
し排気ガス中に供給される。アンモニアを混合した排気
ガスは、ＮＯ_x 処理用触媒床１７に導入され、ＮＯ_x は
還元処理される。

【００１０】上記システムは要するに、燃料改質装置４
において燃料の一部を改質し水素を含む改質ガスを発生
させ、この改質ガスを用いてディーゼル燃焼のプロセス
を改善すると共に、改質ガス中の水素からアンモニアを
合成してエンジンから排出されるＮＯx を還元処理によ
り分解し、これによりエンジンから排出されるＮＯxお
よび煤の大幅な低減を狙うものである。

【００１１】前記燃料改質装置４については、特開平３
−１７９１２１号公報に提案されている。これを図３に
より説明すると、アルミナセメントで形成されるハウジ
ング２１と、ハウジング２１内に配設される触媒床２２
と、ハウジング２１の一端に連結され断熱材２３にて覆
われる熱交換器２５と、ハウジング２１の他端に連結さ
れる燃料気化器２６とを有する。触媒床２２の触媒は、
ニッケル系円柱ペレット状のものを使用する。

【００１２】ハウジング２１の内周面で触媒床２２の回
りには、コイル状に燃料気化用コイル２７が設けられ、
該コイル２７の一端は第１の燃料供給管２９によりハウ
ジング２１の上流側に連結されている。また、ハウジン
グ２１内には燃料点火用のグロープラグ３０が設けられ
ている。また、エアタンク５の空気は熱交換器２５内を
通って空気供給管３１からハウジング２１の上流側に供
給される。この空気供給管３１には電気ヒータ３２が設
けられている。

【００１３】燃料気化器２６には電気ヒータ３３が設け
られ、気化された燃料を第２の燃料供給管３５によりハ
ウジング２１内に供給される。燃料タンク２の燃料は、
プランジャポンプ３６により電磁弁３７を経て燃料気化
器２６に供給されると共に、電磁弁３９を経て燃料気化
用コイル２７に供給される。また、触媒床２２の出口お
よび熱交換器２５の出口には、温度センサ４１、４２が
配設されている。

【００１４】上記構成からなる作用について説明する
と、始動時には、電気ヒータ３２、３３に通電し、空気
供給管の空気を３００°Ｃ程度に昇温し、燃料気化器２
６を４５０°Ｃ程度に加熱する。ついで、プランジャポ
ンプ３６を起動させ、電磁弁３９を閉じて電磁弁３７を
開く。燃料はプランジャポンプ３６により電磁弁３７を
経て燃料気化器２６に供給され、ここで気化された燃料
は第２の燃料供給管３５によりハウジング２１内に供給
されると共に、空気供給管３１より加熱された空気が供
給される。ここでグロープラグ３０が起動され触媒床２
２内で反応が開始され、反応生成ガスは熱交換器２５を
通って排出される。

【００１５】触媒床２２の昇温に伴い出口温度が６００
°Ｃ程度になると、温度センサ４１の出力信号により、
プランジャポンプ３６は燃料供給量を増大させると共
に、電磁弁３７を閉じて電磁弁３９を開く。燃料は、燃
料気化用コイル２７に切換えられここで触媒床２２の熱
により気化された燃料がハウジング２１内に供給され
る。熱交換器２５の出口温度が４００°Ｃ程度になる
と、温度センサ４２の出力信号により、電気ヒータ３２
およびグロープラグ３０への通電を停止する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３で
説明した燃料改質装置において、水素の高い収率を得る
ためには、触媒床２２の手前で燃料と空気とを充分に混
合しなければならない。そのためには、燃料を充分に蒸
発させる必要があるが、軽油のような高沸点成分の多い
燃料になると、燃料気化用コイル２７において燃料の加
熱温度を高めていくと、燃料のクラッキングによりカー
ボンが析出し、燃料供給管２９が閉塞してしまうという
問題を有している。また、高沸点成分は、蒸発速度が遅
く空気との混合が不利であることや、硫黄の含有量が多
く触媒を被毒し易いという問題を有している。

【００１７】本発明は、上記問題を解決するものであっ
て、軽油の低沸点成分のみを改質させることにより、燃
料供給管の閉塞を防止するとともに、燃料と空気との混
合速度を増大させ、触媒の被毒を防止することができる
アンモニア合成用燃料改質装置を提供することを目的と
する。

【００１８】

【課題を解決するための手段】そのために本発明のアン
モニア合成用燃料改質装置は、軽油燃料の一部を水素を
含む改質ガスに改質させる触媒床２２と、空気を改質ガ
スと熱交換させて触媒床２２に供給させる空気供給管３
１と、燃料を触媒床２２と熱交換させて触媒床に供給さ
せる燃料供給管２９と、燃料供給管２９に接続される燃
料蒸発器５３とを備え、該燃料蒸発器は、燃料蒸発室５
５と燃料供給室５４との間に設けられる燃料蒸発部材５
６とを有し、燃料蒸発部材５６に加熱空気を供給するこ
とにより、燃料の低沸点成分のみを蒸発させることを特
徴とする。なお、上記構成に付加した番号は、理解を容
易にするために図面と対比させるためのもので、これに
より本発明の構成が何ら限定されるものではない。

【００１９】

【作用】本発明においては、燃料供給室５４に供給され
た加圧燃料は、燃料蒸発部材５６に沿って落下し燃料蒸
発室５５に至ると、加熱空気により加熱され、軽油中の
低沸点成分は蒸発し、燃料加熱用コイル２７に供給さ
れ、蒸発しきれなかった高沸点成分は、燃料タンクに戻
される。燃料加熱用コイル２７に供給された低沸点成分
の混合気は、触媒床２２によりさらに加熱され、燃料供
給管２９を経て混合室２４に供給される。また、エアタ
ンク５からのエアは熱交換器２５により加熱された後、
空気供給管３１から混合室２４内に供給される。低沸点
成分の混合気は、触媒床２２内で反応が開始され、改質
ガスは熱交換器２５を通って排出される。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は、本発明のアンモニア合成用燃料改質装
置の１実施例を示す断面図である。なお、本発明の燃料
改質装置は、図４で説明した車両に搭載可能なアンモニ
ア製造装置の燃料改質装置に適用されるものである。

【００２１】本発明の燃料改質装置５１は、部分酸化反
応器５２と燃料蒸発器５３とからなる。部分酸化反応器
５２は、ハウジング２１と、ハウジング２１の１側に設
けられる混合室２４と、ハウジング２１内に配設される
触媒床２２と、ハウジング２１の他側に設けられ断熱材
２３にて覆われる熱交換器２５とを有し、ハウジング２
１の内周面で触媒床２２の回りには、コイル状に燃料加
熱用コイル２７が設けられ、該コイル２７の一端は燃料
供給管２９によ混合室２４に接続され、コイル２７の他
端は燃料蒸発器５３に接続される。また、エアタンク５
の空気は熱交換器２５内を通って空気供給管３１から混
合室２４内に供給される。

【００２２】燃料蒸発器５３は、燃料供給室５４と、燃
料蒸発室５５と、燃料蒸発室５５と燃料供給室５４との
間に設けられる燃料蒸発部材５６と、燃料蒸発室５５の
底部に設けられる燃料溜室５７と、燃料排出口５８とか
らなり、燃料蒸発室５５には加熱空気が供給され、燃料
供給室５４には加圧燃料が供給される。燃料蒸発部材５
６はセラミックウールの芯からなる。

【００２３】上記構成からなる本発明の作用について説
明する。燃料供給室５４に供給された加圧燃料は、燃料
蒸発部材５６に沿って落下し燃料蒸発室５５に至ると、
２５０℃〜３５０℃の加熱空気により加熱され、軽油中
の低沸点成分は蒸発し、燃料加熱用コイル２７に供給さ
れる。蒸発しきれなかった高沸点成分は、燃料溜室５７
に溜まり、オーバーフローした燃料は燃料排出口５８か
ら燃料タンクに戻される。

【００２４】燃料加熱用コイル２７に供給された低沸点
成分の混合気は、触媒床２２によりさらに加熱され、燃
料供給管２９を経て混合室２４に供給される。また、エ
アタンク５からのエアは熱交換器２５により加熱された
後、空気供給管３１から混合室２４内に供給される。低
沸点成分の混合気は、触媒床２２内で反応が開始され、
改質ガスは熱交換器２５を通って排出される。

【００２５】図２は本発明の他の実施例を示している。
なお、図１の実施例と同一の構成については同一番号を
付けて説明を省略する。本実施例においては、燃料蒸発
室５５と燃料供給室５４との間に支持部材５９を設け、
この支持部材５９上に燃料蒸発部材５６を垂らすように
設け、燃料蒸発部材５６上から加圧燃料を滴下させるよ
うにする。なお、燃料供給室５４で加圧燃料を滴下させ
るのではなく、図１の実施例と同様に燃料供給室５４を
加圧燃料で満たすようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、軽油の低沸点成分のみを改質させることによ
り、燃料供給管の閉塞を防止するとともに、燃料と空気
との混合速度を増大させ、触媒の被毒を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアンモニア合成用燃料改質装置の１実
施例を示す断面図である。

【図２】本発明のアンモニア合成用燃料改質装置の他の
実施例を示す断面図である。

【図３】従来の燃料改質装置の断面図である。

【図４】本発明が適用される窒素酸化物低減装置の構成
図である。

【符号の説明】

２２…触媒床、２９…燃料供給管、３１…空気供給管、
５３…燃料蒸発器 ５４…燃料供給室、５５…燃料蒸発室、５６…燃料蒸発
部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軽油燃料の一部を水素を含む改質ガスに改
   質させる触媒床と、空気を改質ガスと熱交換させて触媒
   床に供給させる空気供給管と、燃料を前記触媒床と熱交
   換させて触媒床に供給させる燃料供給管と、該燃料供給
   管に接続される燃料蒸発器とを備え、該燃料蒸発器は、
   燃料蒸発室と燃料供給室との間に設けられる燃料蒸発部
   材とを有し、燃料蒸発部材に加熱空気を供給することに
   より、燃料の低沸点成分のみを蒸発させることを特徴と
   するアンモニア合成用燃料改質装置。