JP7630958B2 - 排ガス浄化用触媒ユニット及び排ガス浄化用触媒ユニットに用いるための板状触媒エレメント - Google Patents
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Description
本発明は、排ガス浄化用触媒ユニットおよび板状触媒エレメントに関する。より詳細に、本発明は、薄い板厚でも高い剛性を有し、ＳＯ２酸化活性が低く、且つ脱硝活性が高い排ガス浄化用触媒ユニットおよび板状触媒エレメントに関する。
火力発電所、各種工場に在るボイラ等の火炉から排出されるガス中の窒素酸化物を脱硝触媒の存在下で分解させて排ガスを浄化することが行われている。排ガス中の窒素酸化物を高効率で分解するために種々の脱硝触媒構造体が提案されている。
例えば、特許文献１は、基材表面に触媒成分を担持させた触媒エレメントを、表裏を貫通する孔を多数有する網状物を介して多数積層した排ガス浄化用触媒構造体であって、前記触媒エレメントが、平板状の触媒エレメントであり、前記網状物が、長方形または正方形の平板状網状物を、その一対の辺に対して平行な方向に所定間隔で逆方向に折り曲げて平板部と段差部を交互に形成した網状物、または前記一対の辺に対して平行な方向に所定間隔で波板状に湾曲させて山部と谷部を交互に形成した網状物であることを特徴とする排ガス浄化用触媒構造体を開示している。
特許文献２は、帯状突起を有する突条部と平坦部が間隔を隔てて繰返して構成される板状触媒において、該突条部から平坦部にかけて前記帯状突起と略直角方向に新たな帯状突起を設けたことを特徴とする板状触媒をユニット枠内に前記突条部をスペーサとして多数積層させて収納したことを特徴とする板状触媒組立構造体を開示している。
特許文献３は、表面に触媒成分が担持された、帯状突起からなる突条部と平坦部を交互に平行に繰り返して有する板状触媒エレメントを、上記突条部がガス流れを遮るように配置して複数枚積層した触媒構造体であって、前記突条部が板状触媒エレメントの表裏に交互に隣接して存在し、かつそれぞれ二以上の同数の帯状突起を有し、突条部がガス流れ方向に対して０＜θ≦９０°（ただしθはガス流れ方向に対する突条部の傾斜角度）となるように配置された板状触媒エレメントをその表裏を交互に反転させて順に積層したことを特徴とする触媒構造体を開示している。
本発明の課題は、薄い板厚でも高い剛性を有し、ＳＯ２酸化活性が低く、且つ脱硝活性が高い排ガス浄化用触媒ユニットおよび板状触媒エレメントを提供することである。
上記課題を解決すべく検討した結果、以下のような態様を包含する本発明を完成するに至った。
〔１〕 ひとつの平板部とひとつの波板部とからなる板状触媒エレメントを、複数枚、 ひとつの板状触媒エレメントの波板部の山の頂点が、隣接する他のひとつの板状触媒エレメントの平板部に当接し、波板部によってガス流路が確保されるように重ね合わせてなり、 平板部および波板部は主面法線方向からの投影がそれぞれ四角形を成しており、 平板部の一辺に波板部の一辺が繋がっており、 波板部の山の数と谷の数との合計が４以上である、排ガス浄化用触媒ユニット。
〔２〕 平板部の一辺に繋がる波板部の一辺が波板部の稜線または谷筋を通る辺である、〔１〕に記載の排ガス浄化用触媒ユニット。
〔３〕 平板部の一辺に繋がる波板部の一辺が波板部の稜線と谷筋との間の真ん中を通る辺である、〔１〕に記載の排ガス浄化用触媒ユニット。
〔４〕 ひとつの平板部とひとつの波板部とからなる板状触媒エレメントであって、
平板部および波板部は主面法線方向からの投影がそれぞれ四角形を成しており、
平板部の一辺に波板部の一辺が繋がっており、且つ
波板部の山の数と谷の数との合計が４以上である、
ひとつの板状触媒エレメントの波板部の山の頂点を、隣接する他のひとつの板状触媒エレメントの平板部に当接し、波板部によってガス流路が確保されるように重ね合わせてなる、排ガス浄化用触媒ユニットに用いるための板状触媒エレメント。
平板部および波板部は主面法線方向からの投影がそれぞれ四角形を成しており、
平板部の一辺に波板部の一辺が繋がっており、且つ
波板部の山の数と谷の数との合計が４以上である、
ひとつの板状触媒エレメントの波板部の山の頂点を、隣接する他のひとつの板状触媒エレメントの平板部に当接し、波板部によってガス流路が確保されるように重ね合わせてなる、排ガス浄化用触媒ユニットに用いるための板状触媒エレメント。
本発明の排ガス浄化用触媒ユニットは、薄い板厚でも高い剛性を有し、ＳＯ２酸化活性が低く、且つ脱硝活性が高い。本発明の排ガス浄化用触媒ユニットは、同一触媒量での脱硝性能が従来品に比べて高いので、従来品と同じ脱硝性能を確保するための触媒使用量を大幅に低減することが可能である。本発明の排ガス浄化用触媒ユニットは、特に、石炭焚きのボイラから排出されるダストを比較的に多く含むガスの処理に好ましく使用できる。本発明の板状触媒エレメントは、プレス加工などによって、安価且つ容易に製造することができる。
本発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。なお、以下の実施形態によって本発明の範囲は制限されない。
本発明の排ガス浄化用触媒ユニットは、複数枚の板状触媒エレメントからなる。
ひとつの板状触媒エレメントは、ひとつの平板部とひとつの波板部とからなる。
平板部および波板部は主面法線方向からの投影がそれぞれ四角形を成している。平板部によって投影される四角形と波板部によって投影される四角形とは、ほぼ同じ形、ほぼ同じ広さであることが好ましい。平板部および波板部の板厚ｔは、好ましくは０．２～１ｍｍ、より好ましくは０．３～０．７ｍｍである。板厚が薄いほど、製造コストが低く、ＳＯ２酸化活性が低い。
ひとつの板状触媒エレメントは、ひとつの平板部とひとつの波板部とからなる。
平板部および波板部は主面法線方向からの投影がそれぞれ四角形を成している。平板部によって投影される四角形と波板部によって投影される四角形とは、ほぼ同じ形、ほぼ同じ広さであることが好ましい。平板部および波板部の板厚ｔは、好ましくは０．２～１ｍｍ、より好ましくは０．３～０．７ｍｍである。板厚が薄いほど、製造コストが低く、ＳＯ２酸化活性が低い。
波板部は波形に畝った部分である。波形としては、正弦波、矩形波、ノコギリ波、台形波、三角波、水面波などの基本波に相当する形、または基本波の合成からなる波（合成波）に相当する形が挙げられる。本発明においては正弦波、または同じ波長および同じ位相の三角波と正弦波とを合成してなる波に相当する形が好ましい。波板部の山の数と谷の数との合計は、４以上、好ましくは６以上である。各山の高さは同じであることが好ましい。そして山の高さ、すなわち振幅の２倍に相当する値（ｈ）は、好ましくは２ｍｍ～２０ｍｍである。山の頂点間の距離、すなわち波長に相当する値（ｄ）は、好ましくは３ｍｍ～４０ｍｍである。山腹の最大傾斜部の角度（β）は、好ましくは３５度～７０度、より好ましくは４０度～６５度である。山頂の角度（α）は、好ましくは４０度～１１０度、より好ましくは５０度～１００度である。角度αまたはβが上記範囲内にあると板状触媒エレメントとガスとの接触効率が高い。
板状触媒エレメントは、平板部の一辺に波板部の一辺が繋がっている。
図１または３に示す板状触媒エレメント１０１は、平板部３の一辺に繋がる波板部２の一辺が波板部２の稜線と谷筋との間の真ん中を通る辺である。
図５に示す板状触媒エレメント１０２は、平板部３の一辺に繋がる波板部２の一辺が波板部２の稜線または谷筋を通る辺である。
図１または３に示す板状触媒エレメント１０１は、平板部３の一辺に繋がる波板部２の一辺が波板部２の稜線と谷筋との間の真ん中を通る辺である。
図５に示す板状触媒エレメント１０２は、平板部３の一辺に繋がる波板部２の一辺が波板部２の稜線または谷筋を通る辺である。
図３に示すように、ひとつの板状触媒エレメントの波板部の山の頂点が、隣接する他のひとつの板状触媒エレメントの平板部に当接するように重ね合わせ、図４のように外枠体の中に収納する。波板部がスペーサの役割をして、板状触媒エレメント間にガス流路が確保される。波板部と平板部とが当接する部分が多数あるので、板状触媒エレメントの板厚が薄くなっても、排ガス浄化用触媒ユニットにおける剛性が高く維持され輸送時の振動にも耐え得る。また、外枠体１０によって板状触媒エレメントをパックするような荷重を掛けても、板状触媒エレメントが変形したり、破損したりすることがない。また、堆積した灰、煤、ダストなどを除去する際に行うスートブローによって板状触媒エレメントが破損することもない。
板形触媒エレメントは、例えば、メタルラス、無機繊維織布または不織布などの板形状の基材に、触媒成分を含浸、塗布などして担持し、次いで、プレス加工などを施すことによって得ることができる。
触媒成分は、脱硝触媒効果のあるものであれば、特に制限されない。例えば、チタンの酸化物、モリブデンおよび／またはタングステンの酸化物、ならびにバナジウムの酸化物を含有して成るもの（チタン系触媒）； ＣｕやＦｅなどの金属が担持されたゼオライトなどのアルミノケイ酸塩を主に含有して成るもの（ゼオライト系触媒； チタン系触媒とゼオライト系触媒とを混合して成るものを挙げることができる。これらのうちチタン系触媒が好ましい。
チタン系触媒の例としては、Ｔｉ－Ｖ－Ｗ触媒、Ｔｉ－Ｖ－Ｍｏ触媒、Ｔｉ－Ｖ－Ｗ－Ｍｏ触媒等を挙げることができる。
Ｔｉ元素に対するＶ元素の割合は、Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２の重量百分率として、好ましくは１０重量％以下、より好ましくは８重量％以下である。Ｔｉ元素に対するＭｏ元素および／またはＷ元素の割合は、モリブデンの酸化物とタングステンの酸化物とを併用する場合（ＭｏＯ３＋ＷＯ３）／ＴｉＯ２の重量百分率として、好ましくは２０重量％以下である。
Ｔｉ元素に対するＶ元素の割合は、Ｖ２Ｏ５／ＴｉＯ２の重量百分率として、好ましくは１０重量％以下、より好ましくは８重量％以下である。Ｔｉ元素に対するＭｏ元素および／またはＷ元素の割合は、モリブデンの酸化物とタングステンの酸化物とを併用する場合（ＭｏＯ３＋ＷＯ３）／ＴｉＯ２の重量百分率として、好ましくは２０重量％以下である。
チタン系触媒の調製において、チタンの酸化物の原料として、酸化チタン粉末または酸化チタン前駆物質を用いることができる。酸化チタン前駆物質としては、酸化チタンスラリ、酸化チタンゾル；硫酸チタン、四塩化チタン、チタン酸塩、チタンアルコキシドなどを挙げることができる。本発明においては、チタンの酸化物の原料として、アナターゼ型酸化チタンを形成するものが好ましく用いられる。
バナジウムの酸化物の原料として、五酸化バナジウム、メタバナジン酸アンモニウム、硫酸バナジル等のバナジウム化合物を用いることができる。
タングステンの酸化物の原料として、パラタングステン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、三酸化タングステン、塩化タングステン等を用いることができる。
モリブデンの酸化物の原料として、モリブデン酸アンモニウム、三酸化モリブデンなどを用いることができる。
バナジウムの酸化物の原料として、五酸化バナジウム、メタバナジン酸アンモニウム、硫酸バナジル等のバナジウム化合物を用いることができる。
タングステンの酸化物の原料として、パラタングステン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、三酸化タングステン、塩化タングステン等を用いることができる。
モリブデンの酸化物の原料として、モリブデン酸アンモニウム、三酸化モリブデンなどを用いることができる。
本発明に用いられる触媒成分には、助触媒または添加物として、Ｐの酸化物、Ｓの酸化物、Ａｌの酸化物（例えば、アルミナ）、Ｓｉの酸化物（例えば、ガラス繊維）、Ｚｒの酸化物（例えば、ジルコニア）、石膏（例えば、二水石膏など）、ゼオライトなどが含まれていてもよい。これらは、粉末、ゾル、スラリ、繊維などの形態で、触媒調製時に用いることができる。
実施例１
二酸化チタン１０ｋｇ、モリブデン酸アンモニウム（（ＮＨ４）６・Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ）１ｋｇ、メタバナジン酸アンモニウム０．３ｋｇ、および蓚酸０．５ｋｇを混合し、水を加えながらニーダで１時間混練した。次いでシリカ・アルミナ系無機繊維２ｋｇを加えてさらに３０分間混練して触媒ペーストを得た。得られた触媒ペーストを一対の圧延ローラを用いて、予めに準備しておいた幅５００ｍｍのステンレス製帯状メタルラスのラス目間及び表面に塗布して帯状触媒を得た。成形ローラを用いて、帯状触媒に波型部と平板部を形成後、切断機で規定寸法に切断し、板厚が０．３ｍｍ、角度αが６０度、高さｈが６ｍｍで、図１に示すような波板部の稜線と谷筋との間の真ん中を通る辺において平板部の一辺が繋がっている板状触媒エレメント１０１を作製した。図３に示すように複数枚の板状触媒エレメントを交互に１８０度向きを変えながら重ね合わせ、図４に示すような幅１５０ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの外枠体に装填した。これを、２４時間風乾し、その後、空気を流しながら５００℃で２時間焼成し、排ガス浄化用触媒ユニットを得た。なお、重ねた合わせたときに最も外側の位置にある板状触媒エレメントの平板部を支えるために該平板部に対向する外枠体の内面にリブ５を設けた。板厚０．３ｍｍにおいても波板部が変形せず平板部間の隙間が十分に確保できた。
二酸化チタン１０ｋｇ、モリブデン酸アンモニウム（（ＮＨ４）６・Ｍｏ７Ｏ２４・４Ｈ２Ｏ）１ｋｇ、メタバナジン酸アンモニウム０．３ｋｇ、および蓚酸０．５ｋｇを混合し、水を加えながらニーダで１時間混練した。次いでシリカ・アルミナ系無機繊維２ｋｇを加えてさらに３０分間混練して触媒ペーストを得た。得られた触媒ペーストを一対の圧延ローラを用いて、予めに準備しておいた幅５００ｍｍのステンレス製帯状メタルラスのラス目間及び表面に塗布して帯状触媒を得た。成形ローラを用いて、帯状触媒に波型部と平板部を形成後、切断機で規定寸法に切断し、板厚が０．３ｍｍ、角度αが６０度、高さｈが６ｍｍで、図１に示すような波板部の稜線と谷筋との間の真ん中を通る辺において平板部の一辺が繋がっている板状触媒エレメント１０１を作製した。図３に示すように複数枚の板状触媒エレメントを交互に１８０度向きを変えながら重ね合わせ、図４に示すような幅１５０ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの外枠体に装填した。これを、２４時間風乾し、その後、空気を流しながら５００℃で２時間焼成し、排ガス浄化用触媒ユニットを得た。なお、重ねた合わせたときに最も外側の位置にある板状触媒エレメントの平板部を支えるために該平板部に対向する外枠体の内面にリブ５を設けた。板厚０．３ｍｍにおいても波板部が変形せず平板部間の隙間が十分に確保できた。
排ガス浄化用触媒ユニットを脱硝反応装置にセットし、温度３５０℃にて、ＮＯｘ３５０ｐｐｍ、Ｏ２４％、Ｈ２Ｏ１２％およびＮＨ３３５０ｐｐｍを含む模擬燃焼排ガスを６ｍ／秒にて通過させて、脱硝率を測定した。
次いで、温度３８０℃にて、ＳＯｘ２０００ｐｐｍ、Ｏ２４％、およびＨ２Ｏ１２％を含む模擬燃焼排ガスを６ｍ／秒にて通過させて、ＳＯ２酸化率を測定した。
比較例１における脱硝率およびＳＯ２酸化率を基準としたときの実施例１における脱硝率およびＳＯ２酸化率の相対値を表１に示す。
次いで、温度３８０℃にて、ＳＯｘ２０００ｐｐｍ、Ｏ２４％、およびＨ２Ｏ１２％を含む模擬燃焼排ガスを６ｍ／秒にて通過させて、ＳＯ２酸化率を測定した。
比較例１における脱硝率およびＳＯ２酸化率を基準としたときの実施例１における脱硝率およびＳＯ２酸化率の相対値を表１に示す。
実施例２
実施例１で得られた帯状触媒の折曲・切断加工にて、板厚が０．３ｍｍ、角度αが６０度、高さｈが６ｍｍで、波板部の稜線または谷筋を通る辺において平板部の一辺が繋がっている板状触媒エレメントを作製した。図５に示すように複数枚の板状触媒エレメント１０２を一枚おきに裏返しながら重ね合わせ、幅１５０ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの外枠体に装填した。これを、２４時間風乾し、その後、空気を流しながら５００℃で２時間焼成し、排ガス浄化用触媒ユニットを得た。板厚０．３ｍｍにおいても波板部が変形せず平板部間の隙間が十分に確保できた。比較例１における脱硝率およびＳＯ２酸化率を基準としたときの実施例２における脱硝率およびＳＯ２酸化率の相対値を表１に示す。
実施例１で得られた帯状触媒の折曲・切断加工にて、板厚が０．３ｍｍ、角度αが６０度、高さｈが６ｍｍで、波板部の稜線または谷筋を通る辺において平板部の一辺が繋がっている板状触媒エレメントを作製した。図５に示すように複数枚の板状触媒エレメント１０２を一枚おきに裏返しながら重ね合わせ、幅１５０ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの外枠体に装填した。これを、２４時間風乾し、その後、空気を流しながら５００℃で２時間焼成し、排ガス浄化用触媒ユニットを得た。板厚０．３ｍｍにおいても波板部が変形せず平板部間の隙間が十分に確保できた。比較例１における脱硝率およびＳＯ２酸化率を基準としたときの実施例２における脱硝率およびＳＯ２酸化率の相対値を表１に示す。
比較例１
実施例１で得られた帯状触媒の折曲・切断加工にて、図６に示すような板厚が０．３ｍｍ、角度αが６０度、高さｈが６ｍｍで、４つの平板部と３つの凸条部とを有する板状触媒エレメントを作製した。図７に示すように複数枚の板状触媒エレメント１１１を交互に１８０度向きを変えながら重ね合わせ、幅１５０ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの外枠体に装填したところ、凸条部が変形し平板部間の隙間が十分に確保できない状態になった。これを、２４時間風乾し、その後、空気を流しながら５００℃で２時間焼成し、排ガス浄化用触媒ユニットを得た。
実施例１で得られた帯状触媒の折曲・切断加工にて、図６に示すような板厚が０．３ｍｍ、角度αが６０度、高さｈが６ｍｍで、４つの平板部と３つの凸条部とを有する板状触媒エレメントを作製した。図７に示すように複数枚の板状触媒エレメント１１１を交互に１８０度向きを変えながら重ね合わせ、幅１５０ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの外枠体に装填したところ、凸条部が変形し平板部間の隙間が十分に確保できない状態になった。これを、２４時間風乾し、その後、空気を流しながら５００℃で２時間焼成し、排ガス浄化用触媒ユニットを得た。
比較例２
板厚を１ｍｍに変えた以外は比較例１と同じ方法で図６に示すような板厚が１ｍｍ、角度αが６０度、高さｈが６ｍｍで、４つの平板部と３つの凸条部とを有する板状触媒エレメント１１１を作製した。図７に示すように複数枚の板状触媒エレメント１１１を交互に１８０度向きを変えながら重ね合わせ、幅１５０ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの外枠体に装填した。これを、２４時間風乾し、その後、空気を流しながら５００℃で２時間焼成し、排ガス浄化用触媒ユニットを得た。板厚１ｍｍにしたことで凸条部が変形しなくなった。比較例１における脱硝率およびＳＯ２酸化率を基準としたときの比較例２における脱硝率およびＳＯ２酸化率の相対値を表１に示す。
板厚を１ｍｍに変えた以外は比較例１と同じ方法で図６に示すような板厚が１ｍｍ、角度αが６０度、高さｈが６ｍｍで、４つの平板部と３つの凸条部とを有する板状触媒エレメント１１１を作製した。図７に示すように複数枚の板状触媒エレメント１１１を交互に１８０度向きを変えながら重ね合わせ、幅１５０ｍｍおよび高さ１５０ｍｍの外枠体に装填した。これを、２４時間風乾し、その後、空気を流しながら５００℃で２時間焼成し、排ガス浄化用触媒ユニットを得た。板厚１ｍｍにしたことで凸条部が変形しなくなった。比較例１における脱硝率およびＳＯ２酸化率を基準としたときの比較例２における脱硝率およびＳＯ２酸化率の相対値を表１に示す。
１０１、１０２：本発明の板状触媒エレメント
１１１：従来技術の板状触媒エレメント
２：波板部
３：平板部
４：凸条部
５：リブ
８：排ガス
１０：外枠体
１１１：従来技術の板状触媒エレメント
２：波板部
３：平板部
４：凸条部
５：リブ
８：排ガス
１０：外枠体
Claims (8)
- ひとつの平板部とひとつの波板部とからなる板状触媒エレメントを、複数枚、
ひとつの板状触媒エレメントの波板部の山の頂点が、隣接する他のひとつの板状触媒エレメントの平板部に当接し、波板部によってガス流路が確保されるように重ね合わせてなり、
平板部および波板部は主面法線方向からの投影がそれぞれ四角形を成しており、
平板部によって投影される四角形は波板部によって投影される四角形と、ほぼ同じ形、ほぼ同じ広さであり、
平板部の一辺に波板部の山の稜線に平行な波板部の一辺が繋がっており、且つ
波板部の山の数と谷の数との合計が４以上であり、
前記の板状触媒エレメントは、メタルラス、無機繊維織布または無機繊維不織布に触媒成分を担持させてものである、
排ガス浄化用触媒ユニット。 - 平板部の一辺に繋がる波板部の一辺が波板部の稜線または谷筋を通る辺である、請求項１に記載の排ガス浄化用触媒ユニット。
- 平板部の一辺に繋がる波板部の一辺が波板部の稜線と谷筋との間の真ん中を通る辺である、請求項１に記載の排ガス浄化用触媒ユニット。
- 前記平板部および前記波板部の板厚が０．２～１ｍｍである、請求項１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒ユニット。
- 前記山の頂点の角度が４０度～１１０度であるか、又は、前記山の山腹の最大傾斜部の角度が３５度～７０度である、請求項１～４のいずれか一項に記載の排ガス浄化用触媒ユニット。
- ひとつの平板部とひとつの波板部とからなる板状触媒エレメントであって、
平板部および波板部は主面法線方向からの投影がそれぞれ四角形を成しており、
平板部によって投影される四角形は波板部によって投影される四角形と、ほぼ同じ形、ほぼ同じ広さであり、
平板部の一辺に波板部の山の稜線に平行な波板部の一辺が繋がっており、且つ
波板部の山の数と谷の数との合計が４以上であり、
前記の板状触媒エレメントは、メタルラス、無機繊維織布または無機繊維不織布に触媒成分を担持させてものであり、
ひとつの板状触媒エレメントの波板部の山の頂点を、隣接する他のひとつの板状触媒エレメントの平板部に当接し、波板部によってガス流路が確保されるように重ね合わせてなる、排ガス浄化用触媒ユニットに用いるための板状触媒エレメント。 - 前記平板部および前記波板部の板厚が０．２～１ｍｍである、請求項６に記載の排ガス浄化用触媒ユニットに用いるための板状触媒エレメント。
- 前記山の頂点の角度が４０度～１１０度であるか、又は、前記山の山腹の最大傾斜部の角度が３５度～７０度である、請求項６または７に記載の排ガス浄化用触媒ユニットに用いるための板状触媒エレメント。
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