JP2005523154A - フィルターエレメント - Google Patents

Abstract

無機ファイバーと反応物の均一な複合構造を有する、気体の濾過に使用されるフィルターエレメント。反応物は、汚染物質を除去するためにそこ（フィルターエレメント）を通過する廃ガス中で、物理的又は化学的のいずれによっても汚染物質と反応し、そしてそれにより濾過された気体がより安全な状態で大気に解放されることを可能にする。

Description

本発明は、フィルターエレメント、特に、中空状に伸長する多孔性のフィルターエレメントに関するが、これに限られるものではない。

町の廃物焼却炉等の工業工程からの廃ガスは、濾過されて、ダイオキシン、フラン、一酸化窒素、ダスト、煤煙及び他の有毒及び有害物質等の汚染物質が除去され、これにより廃ガスをより安全な状態で大気に解放することを可能にする。従来、気体状の汚染物は、化学的及び／又は物理的に気体状の汚染物と反応して粒状の反応生成物を生ずる粒状の反応物物質を、廃ガス中に注入することによる「洗浄(scrubbing)」によって除去されていた。次に、反応生成物を含む廃ガスは、織物、金属又はセラミックの濾過物質等のバリアフィルターを通じて濾過され、反応生成物及び汚染物がフィルターの表面上のダストケーキとして保有された状態で存在する。この従来技術は、粉末状又はスラリー状の反応物物質を取り扱うことと注入すること、及び次にフィルターの表面からダストケーキを除去することを含むという不利な点を有している。このダストケーキは、通常、圧力下におけるフィルターを通じてのパルス状の逆方向洗浄空気によって除去されるが、これは、洗浄と濾過用に必要とされるエネルギーが増加することになる。これは、ダストケーキがガス流れに対してより不浸透性の層をもたらすので、このダストケーキが圧力降下という不利をもたらし、それにより、ケーキとフィルターを通して清浄ガスを吸引するために余分のエネルギーを必要とするからである。更に、フィルター表面は、通常、汚染物の除去用に反応物床を提供するのだが、このフィルターの表面には洗浄後は反応物物質の集積がなく、反応物層が再集積されるまで、フィルターを通じて汚染物が処理されずに、容易に通過される。

この後者の不利を緩和するために、濾過の方法がＥＰ０５７３２０９（Ｆｅｓｅｃｏ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｉｍｉｔｅｄ）（特許文献１）に記載されているように発達した。この濾過の方法は、最初に、粒状の反応物物質を含む清浄空気を、堅い多孔性のセラミックフィルターを通じて通過させることにより操作するものである。この方法では、廃ガスの濾過を開始する前に、フィルターの表面に反応物物質を集積することができる。この清浄空気は、次に廃ガスに替わり、そして気体状の汚染物質と、反応物物質との反応がフィルター表面で起こり、その結果フィルター表面上でダストケーキとしての反応生成物が集積する。濾過が継続する間、追加の反応物質が廃ガスの流れに加えられても良い。この方法は、まだ、反応物物質がフィルターの表面上にダストケーキを形成し、浄化された気体を抽出するための追加のエネルギーを必要とする不浸透性の層をもたらすという不利な点を有している。同様に、定期的にダストケーキを除去するために、まだ規則的な洗浄が必要とされるが、これは、洗浄後の濾過効率の悪化と、未処理の気体がフィルターを通じて通過する可能性が大きくなることを伴う。

ＥＰ０５７３２０９には、有機化学物質及び酸性気体等、気体状の汚染物質をそれぞれ吸収する粒状の反応物物質として、活性炭、又は粉末の石灰の使用が記載されている。しかしながら、この方法で使用された場合、活性炭はダストの形態であり、取り扱うのに特に汚れるものとなる。一般的には、化学汚染物質を吸収するのに使用された活性炭は、不活性雰囲気下、例えば、窒素中で、高温度にまで加熱することにより再生される。このため、活性炭が粒状の反応物媒体として使用された場合、追加的な汚染物質を除去するために、他の粒状の反応物をも含むのは効率的なものにならない。この理由は、他の粒状の物質は、このため活性炭と混合され、炭素から他の粒状の物質を単離するための他の分離手順が追加的に必要となるからである。

ＥＰ２２４２４８８（三菱重工業株式会社）（特許文献２）には、触媒の障壁を形成し、塩化水素及び酸化窒素等の有害な気体状の化学物質を廃ガスから抽出する、消石灰、炭酸カルシウム、及び塩化カルシウム等の数種類の化学的な層で被覆されたセラミックフィルターが記載されている。このフィルターは、製造するのに大量のエネルギーを必要とする焼成セラミックマトリックス(fired ceramic matrix)である。更に、フィルターを少なくとも３回被覆する必要があり、これにより、３つの独立した塗布と次の乾燥工程を必要とし、従ってフィルターを製造するのに費用のかかるものにしている。更に、この多層構造は、流れに抵抗をもたらし、フィルターとして効率的でないものとし、そしてその結果、空気を吸引するのに追加のエネルギーを必要とする。粒状の物質を含む廃ガスを濾過するのに追加的に使用されたならば、このフィルターはすぐに目詰まりされる(block)。この被覆は、蓄積したダストケーキを除去するためのパルス状の逆ジェット洗浄の間、層間剥離する可能性が高い。さらに、酸性の蒸気が石灰被覆を分解し、層間剥離の原因となる。

ＥＰ６４８５３５（Ｃｏｍｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）（特許文献３）には、その孔に反応物物質が埋め込まれた、高密度のハニカム(honeycomb)セラミックフィルターを使用した、化学的に気体を洗浄する方法が記載されている。セラミックの枠組みは、ハニカムセラミック物質を押し出して形成されており、高強度の多孔性物質を提供している。この方法は、セラミック粒子を融解するために、１３５０℃〜１４５０℃の高温度での焼成を必要とし、次に反応物物質を挿入するための独立した含漬工程が続く。この製造工程は、このため、時間がかかり、大量のエネルギーを必要とする。ＥＰ６４８５３５には、反応物物質が挿入される前のハニカムセラミックフィルターの孔隙率である、最大の開放気孔率が５５％と記載されている（この値は、固体ではない部分であるサブストレート(substrate)体積の割合を表している。）。この構造物の孔隙率は、それゆえ、反応物物質をその構造物の開放された部分に挿入することにより減少し、濾過特性が低減することになり、従ってこのフィルターが、化学的な、及び粒状の汚染物質の両方を同時には除去できないことを表している。このような構造物の高密度と、このための低い孔隙率は、気体を吸収するか、又は粒子を除去するかの何れか一方の機能の実施を許容するのみである。

ＥＰ０５７３２０９ ＥＰ２２４２４８８ ＥＰ６４８５３５

本発明は、上記不利な点を克服するか、又は緩和するフィルターエレメントを提供することを目的とする。

本発明の１局面に従えば、無機ファイバーと反応物の均一な複合構造物を含むフィルターエレメントが提供される。この反応物は、物質的に反応する、例えば、汚染物を吸着するか又は吸収する、又は化学的に反応して無害の気体分子又は粒状の反応生成物を生ずる物質である。フィルターの本体内に反応物が存在するということは、反応物がフィルター本体全体の部位に固定され、従って反応物と消費された反応物をフィルター表面から除去する必要がなく、反応物が表面に蓄積され、フィルターの隙間を埋めることがないので、濾過効率の連続的な保護と改良がもたらされるという有利な点を有している。同様に、反応物と、消費された反応物が表面上に蓄積されないので、特に他の汚染物を目標として、フィルターの上流において他の粒状の反応物を廃ガスに追加することが可能であり、その結果、除去し得る汚染物の数が増加する。このことは、公知の方法、例えば空気ジェットの逆のパルスにより、フィルター表面から除去される他の粒状の反応物を使うこととなる。同様に、反応物がフィルター全体に亘り一様に分配していることは、単にフィルター表面に供給された反応物と比較して、廃ガスがフィルターを通じてその通路においてより多くの反応物粒子を通過しなければならず、従って、汚染物の反応と除去の確率が増加する。この反応物物質は、追加される反応物の量を選択することにより、完成したフィルターの孔隙率の制御を可能にする充填材としても作用する。同様に、反応物の種類は、特定の濾過に最良に役立つように選択され得る。

好ましい実施の形態においては、フィルターエレメントは、射出成形された構造物の形態である。射出成形の方法によるフィルターの形成は、ファイバーと反応物の低い密度分布のために、相当に増加された孔隙率、典型的には７０〜８０％の孔隙率(porous)を有するフィルターを提供することが分かった。これを、ＥＰ６４８５３５に記載されたような焼成されたフィルターの最大値５５％と比較して良い。本発明の構成は、フィルターが、ダストケーキが蓄積される間、多孔性を維持するので、より効率的なダストフィルターを追加的に提供するという有利な点を有している。このことは、このフィルターが、気体状の汚染物と同様に粒状の汚染物も除去することができ、そして、逆のパルスジェットによる洗浄の必要とされる頻度が減少し、結果として、休止時間とエネルギー消費が減少する、という点でフィルターの２重の機能を可能にする。同様に、この低い密度のフィルターは、洗浄サイクルの間に除去することがより容易な低い密度のダストケーキを製造することが分かった。フィルターの密度が低くなるということは、軽くなるということであり、取り扱いが容易になる。孔隙率(porosity)の増加は、それを通じて清浄気体をより容易に吸引することを可能にし、更に必要とされるエネルギーを減少させる。同様に、濾過サイクルが進行するに従い、低密度、高孔隙率のフィルターは、よりゆっくりした速度で「隙間を詰め(blind)」られ、エネルギー消費を確実に低いものに維持する。

無機ファイバーは、セラミックファイバー、結晶無機ファイバー、非晶質無機ファイバー、ミネラルウール、グラスファイバー及び耐熱性を有する他のファイバーのリストから選ばれて良い。セラミックファイバーはアルミナ、アルミノ珪酸塩、カルシウム珪酸塩、又は他の珪酸塩を含むそれら（ファイバー）を含んで良い。

反応物は、活性炭及び／又は触媒で良い。

触媒は、さらに金属酸化物の粒子、より好ましくはアルミナ粒子に支持されて良い、少なくとも１種の貴金属を含んで良い。この触媒は、少なくとも１種の貴金属酸化物を含んで良い。好ましくは、貴金属及び／又はその酸化物が反応物の質量の０．１〜１％である。より好ましくは、この貴金属は、プラチナ、パラジウム、ルテニウム、アルミニウム、チタン、タングステン、及びバナジウムから成る群の少なくとも１種である。

活性炭は、粉末、及び／又はファイバーの形態で良い。粉末活性炭のフィルターエレメント本体中への供給は、それ（活性炭）を廃ガス中に注入する必要をなくし、従って、使用される活性炭の扱いに関連する問題を排除する。炭素を再活性化する必要がある時は、この再活性化は、単に窒素雰囲気中でフィルターエレメントを、例えば、少なくとも４００℃で加熱することにより達成される。セラミック構造物は、少なくとも８００℃の温度に耐え得るので、このこと（４００℃で加熱すること）は、セラミック構造物に問題をもたらすことがなく、従って炭素を再生するのにコスト上効率的な手段をもたらす。

この構造物は追加的にバインダー系を含んでも良い。これは、セラミックファイバー／反応物の質量物(mass)を構造上、維持するという有利な点を有している。このバインダー系は、コロイド状の分散物、及び少なくとも１種のカチオン改質されたスターチ(starch)又は凝集剤を含んで良い。この凝集剤は、ポリアクリルアミド、アニオン性又はカチオン性有機又は無機の錯体(complex)のリストから選ばれて良い。このコロイド状の分散物(dispersion)は、二酸化珪素、アルミナ、二酸化チタン、酸化亜鉛又は酸化ジルコニウムのリストから選ばれて良い。

好ましい実施の形態では、フィルターエレメントは一端が閉じた、中空のろうそくの形状を有しているフィルターエレメントである。この種類のフィルターエレメントは多くの現存する濾過装置において適用されているものである。反応物は、質量が７５０〜８００ｇで１メートルのフィルターエレメントの３５〜４０（質量）％を形成して良い。

本発明の第２の局面に従えば、セラミックファイバーを水中に分散させ、バインダー系を加え、攪拌し、所望の形状のフィルターエレメントを得るように射出成形し、及び、前記フィルターエレメントを放置して乾燥させる工程を含み、更にフィルターエレメント全体に反応物を分散させる工程を含むフィルターエレメントを製造する方法が提供される。この方法は、高温焼成が必要とされず、射出成形が室温で実施され、そして次に形成されたエレメントを乾燥させる温度に加熱するものであるので比較的費用がかからない。また、射出成形によるフィルターの成形は、比較的低い密度と、従って、高い孔隙率のフィルターを提供する。

好ましい実施の形態では、分散工程が反応物を水中に分散させることを含む。更に好ましい実施の形態では前記反応物の分散工程は、形成されたフィルターを反応物に浸す工程を含む。この反応物は、希釈水溶液又は懸濁液の形態であって良く、そして浸す工程がフィルターエレメントを乾燥する前、中、後のいずれにおいても実施されて良い。

この反応物は活性炭を含んで良く、このように製造されたフィルターエレメントは、取り扱い容易な形態で活性炭を含む。これは、これ（フィルターエレメント）がフィルター本体内に固定され、そして廃ガスに粒状の形態で活性炭を追加すること、そしてまた、結果として起こる、フィルター表面から消費された炭素を除去することに関連した問題を排除するからである。この反応体は追加的に触媒を含んで良い。

この方法は、形成されたフィルターエレメントを希釈されたコロイド状の分散に浸漬する、追加的な工程を含んで良い。浸漬は、フィルターエレメントが乾燥される前又は後において実施されて良い。

本発明の第３の局面に従えば、無機ファイバーと活性炭の均一な構造物から形成される、少なくとも１種のフィルターエレメント、濾過するために廃ガスを少なくとも１個のフィルターエレメントに供給する手段、及び、高温の窒素ガスを少なくとも１個フィルターエレメントに供給する手段を含む、廃ガスから汚染物質を除去するための装置が提供される。これ（装置）は、フィルター（複数の場合を含む。）中の炭素が、フィルターエレメントを取り外すことなく、正常所在で再活性化され得るという有利な点を有している。好ましい実施の形態では、この装置は、更に気体を少なくとも４００℃にまで加熱する手段を含む。

例証として、本発明の特定の実施例のみが記載される。

第１の実施の形態では、アルミノ珪酸塩セラミックファイバー１５ｋｇ及び活性炭粉末２ｋｇが水１０００ｋｇ中に分散される。次に、コロイド状のシリカ（３５％固体）３．７ｋｇが加えられ、そして適切な分散状態が確実に得られるように成分が混合される。次に、予め水２０ｋｇに溶解された後、カチオン改質されたスターチ０．８ｋｇが４％溶液として加えられる。一端が閉じた、ろうそく状の形状をしたフィルターエレメントが、スラリーを射出成形する方法により形成され、内径３５ｍｍで長さ１ｍのフィルターエレメントが供給される。この湿ったろうそくは次に１１０℃で８時間乾燥され、完成したフィルターエレメントが供給される。

第２の実施の形態では、アルミノ珪酸塩セラミックファイバー１０ｋｇ及び活性炭粉末７．５ｋｇが水１０００ｋｇに分散される。コロイド状二酸化珪素６．８１ｋｇ（３５％固体）が加えられ、そして結果として生じる溶液が混合される。カチオン改質されたスターチ０．８ｋｇが４％溶液（水２０ｋｇに溶解）として加えられ、そして結果として生じる溶液が２分間、ゆっくりした速度で混合される。次に、ポリアクリルアミドカチオン性凝集剤０．０１ｋｇが、予め溶解され、そして製造者の指示に従って調製された１％ｗ／ｗ水溶液１ｋｇとして加えられる。この結果として生ずる溶液は、次に２分間混合され、そして第１の実施の形態において述べたように、ろうそくの形状を有するフィルターエレメントが形成される。

更なる実施の形態では、この方法は、上述したように形成された各フィルターエレメントを、希釈されたコロイド状の分散物中に浸漬する追加的な工程を含む。

活性炭が汚染物質を吸収する反応物物質として記載されているにも関わらず、反応物物質は、汚染物質上で作用し、汚染物質を無害な分子量(smaller molecule)にまで分解する触媒であり得るか又はこの触媒を追加的に含むことができる。触媒は、活性炭と同様の方法でファイバースラリーに加えられ、そして、コロイド／スターチバインダー系を使用して凝集される。このように、触媒は、第一の実施の形態で述べたように射出成形によって形成され得るフィルターエレメント内で均一に分散される。

反応物がセラミックファイバーと共に水中に分散されていると述べた。しかしながら、この反応物が、フィルターエレメントが希釈水溶液又は懸濁液を経由して形成された後に追加的に又は選択的に施されて良い。希釈水溶液又は懸濁液は、エレメントを浸し、これにより反応物がエレメント本体の全体に分散されるものである。この適用は、エレメントがまだ湿っている射出成形の直後、又は乾燥段階の後であって良い。

製法が明細に記載されたが、しかし、成分（複数）及び／又は替わりの成分の他の割合が、その構造物に活性炭及び／又は触媒が均等に分配されたセラミックファイバーを製造するように提供されると理解されるべきである。活性炭粉末が記載されたが、しかし、フィルターは活性炭ファイバー、又は活性炭ファイバーと活性炭粉末の混合物を代わりとして含んで良い。活性炭及び／又は触媒の種類は、とりわけ、目標となる気体の化学物質に対し高い親和力を持つように選ばれて良い。

ここで記載されたフィルターエレメントは、既知のフィルターと比較して必要とするエネルギーを大幅に低減し、そして、７５〜８０％の孔隙率(porosity)を有する。この孔隙率は、ダストケーキがフィルターエレメントの外部表面に蓄積されたときであっても、気体流れの高流量(through put)を提供するものであり、ケーキ密度の減少による、ケーキの優れた解離と同様、逆のパルス状ジェット洗浄により、それが容易に除去されることを確実にする。

また、本フィルターエレメントは、気体流から気体状の汚染物質を効果的に除去することが可能であり、同時に粒子の優れたフィルターとして機能する充分な浸透性を維持するが、この機能は、従来から知られているフィルターによっては示されていなかった機能である。気体状の汚染物の除去が粒子の除去に影響を与えず、そして逆も同様であり(visa versa)、そして、反応物物質及びダストケーキが更なる再生又は加工用に容易に分離できるので、このことが可能である。

ダストケーキは、高い空気圧ジェットのバックパルス(back pulse)等の従来の方法で除去されても良い。反応物質が活性炭の場合、炭素はフィルターエレメントを高温度の窒素雰囲気中で加熱することにより再活性化される。更なる実施の形態では、濾過フィルターエレメントは廃ガス処理用の濾過装置、フィルターの中で炭素を再生するために、高温度の窒素をフィルターエレメントに供給する手段を含む濾過装置の中で利用される。

特定の大きさのろうそくの形状のフィルターが記載されたが、しかし、セラミックファイバーと反応物物質の複合フィルター構造物を供給する射出成形によって他の大きさのろうそくの形状のフィルターが製造され得、又、他の代わりの形状のフィルターが形成され得ると理解されるべきである。セラミックファイバーが記載されたが、しかし、フィルターエレメントが他の耐熱性の無機ファイバーまたはこれらの組み合わせから構成され得る。

Claims (26)

1. 無機ファイバーと反応物の均一な複合構造物を含むフィルターエレメント。
2. 前記フィルターエレメントが射出成形法により形成される構造物である請求項１に記載のフィルターエレメント。
3. 前記無機ファイバーが、セラミックファイバー、結晶無機ファイバー、非晶質無機ファイバー、ミネラルウッド、グラスファイバー及び耐熱性を有するファイバーから成る群から選ばれる請求項１又は請求項２に記載のフィルターエレメント。
4. 前記無機ファイバーが、アルミナ、アルミナ珪酸塩、カルシウム珪酸塩、及び珪酸塩から成る群から選ばれるセラミックファイバーを含む請求項１又は請求項２に記載のフィルターエレメント。
5. 前記反応物が活性炭、及び／又は触媒を含む請求項１〜４の何れかに記載のフィルターエレメント。
6. 前記活性炭が粉末、及び／又はファイバーの形態である請求項５に記載のフィルターエレメント。
7. 前記触媒が、少なくとも１種の貴金属、及び／又は貴金属酸化物を含む請求項５に記載のフィルターエレメント。
8. 前記触媒が、金属酸化物粒子に支持された、少なくとも１種の貴金属を含む請求項５に記載のフィルターエレメント。
9. 前記貴金属、及び／又はこれらの酸化物が前記反応物の質量の０．１〜１％である請求項７又は請求項８に記載のフィルターエレメント。
10. 前記貴金属、及び／又は貴金属酸化物が白金、パラジウム、ルテニウム、アルミニウム、チタン、タングステン及びバナジウムから成る群の少なくとも１種である請求項７、８又は９の何れかに記載のフィルターエレメント。
11. バインダー系を含む請求項１〜１０の何れかに記載のフィルターエレメント。
12. 前記バインダー系が、コロイド状の分散物、及び少なくとも１種のカチオン改質されたスターチ、又は凝集剤を含むことを特徴とする請求項１１に記載のフィルターエレメント。
13. コロイド状の分散物が、少なくとも、二酸化珪素、アルミナ、二酸化チタン、酸化亜鉛又は酸化ジルコニウムから成る群から選ばれる１種を含む請求項１２に記載のフィルターエレメント。
14. 前記凝集剤が、ポリアクリルアミド、アニオン性又はカチオン性の有機又は無機錯体から成る群から選ばれる請求項１２又は請求項１３に記載のフィルターエレメント。
15. 前記フィルターエレメントが、一端が閉じられた中空のろうそくの形状を有している請求項１〜１４の何れかに記載のフィルターエレメント。
16. 前記反応物が、質量が７５０〜８００ｇで、１メートルのフィルターエレメントの３５〜４０（質量）％である請求項１５に記載のフィルターエレメント。
17. （ａ） セラミックファイバーを水中に分散させ、
    （ｂ） バインダー系を加え、
    （ｃ） 攪拌し、
    （ｄ） 所望の形状のフィルターエレメントを提供するように射出成形し、及び、
    （ｅ） 前記フィルターエレメントを放置して乾燥させる工程を含み、更に前記フィルターエレメントの本体に反応物を分散させる工程を含むフィルターエレメントを製造する方法。
18. 前記反応物を分散させる工程が、前記反応物を前記水中に分散させることによる請求項１７に記載の方法。
19. 前記反応物を分散させる工程は、前記形成されたフィルターエレメントを反応物中に浸すことによる請求項１７又は請求項１８に記載の方法。
20. 前記浸す反応物が希釈水溶液、又は懸濁液の形態で施される請求項１９に記載の方法。
21. 前記浸す工程が、前記乾燥させる工程の前に実施される請求項１９又は請求項２０に記載の方法。
22. 前記反応物が活性炭を含む請求項１７〜２１の何れかに記載の方法。
23. 前記反応物が触媒を含む請求項１７〜２１の何れかに記載の方法。
24. 前記形成されたフィルターエレメントを希釈されたコロイド状の分散物中に侵漬する追加の工程を含む請求項１７〜２３の何れかに記載の方法。
25. 無機ファイバーと活性炭の均一な構造物から形成される、少なくとも１種のフィルターエレメント、
    前記廃ガスを、少なくとも１個のフィルターエレメントに濾過されるように供給する手段、
    及び高温の窒素ガスを、少なくとも１個のフィルターエレメントに供給する手段を含む、廃ガスから汚染物質を除去する装置。
26. 窒素を少なくとも４００℃まで加熱する手段を含む請求項２５に記載の装置。