JP2006144689A

JP2006144689A - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2006144689A
Application number: JP2004337454A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Nagai; 良憲永井; Masaaki Ishioka; 正明石岡
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】安価な材料で構成し、目詰まりや灰分の閉塞に強く、逆洗や煤の加熱燃焼などの特別の手段を必要としない排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】(1) 排ガスに含まれる粒状物質を除去するフィルタを備えた排ガス浄化装置において、前記フィルタの排ガス上流部（特に排ガスの背圧動脈の伝達によって振動する位置）に開口率が９０％以上で、かつ柔軟性のある薄板金属質またはセラミック質の網状構造物を設置した排ガス浄化装置。(2) 前記網状構造物が排ガス流れ方向に一定間隔を保持して複数枚配置されている排ガス浄化装置。(3) 前記網状構造物の開孔率が排ガス流れ方向の後流側ほど小さくなっている排ガス浄化装置。(4) 前記網状構造物の表面に、ＮＯをＮＯ₂に酸化する貴金属を含む触媒成分がコーティングされている排ガス浄化装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス浄化装置に関し、特にディーゼルエンジン（ＤＥ）の排ガス中に含まれる粒状物質（ＰＭ）を、低通風損失、かつ特別なメンテナンスをすることなしに除去することができる安価な排ガス浄化装置に関する。

ＤＥは、内燃機関のうちエネルギー効率が高く、二酸化炭素（ＣＯ₂）排出量が低いため、近年、自動車や定置式の分散型電源設備として活用されている。
しかしながら、ＤＥ排ガス中に含まれるＰＭや可溶性有機物質（ＳＯＦ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）等は、近年大きな社会問題になっている。そこで、ＤＥメーカおよび自動車メーカなど、各方面でＤＰの除去に関する研究、開発が進められ、優れた除去性能を有するフィルタや、前置の酸化触媒やフィルタに酸化触媒を担持させて排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化して煤を燃焼させ、長期間煤の詰まりを防止できるようにしたＤＰフィルタ（ＤＰＦ）に関する研究・発明がなされている（非特許文献１）。
これらの多くは、排ガスを数μｍの多孔質セラミックスの薄壁に通して濾過することを目指したものであり、板状や円筒状の金属またはセラミックス焼結フィルタ、ハニカム状のセラミックス多孔成形体の目を交互に埋めてフィルタに用いるもの、または微細な金属線織布をフィルタに用いるものなどが提案されいる。さらにそれらの目詰まりを防止または緩和するため、フィルタにＮＯをＮＯ₂に酸化する機能を持たせ、煤を酸化燃焼させる方法が提案されている (特許文献１、2 ）。

しかし、上記技術は、ＰＭの捕集効率が高いという点で優れているが、長期間の使用に対して次のような問題があった。
(1) ＰＭ除去装置のコンパクト設計を達成するため、ＰＭ除去フィルタには目開きが小さく、かつ高表面積の担体が使用されるが、運転（使用）時間が長くなるにつれてＤＥ煤の堆積により微細な細孔を閉塞し通風損失が大きく、効率の高いＤＥの特質を損なうことが多い。
(2) ＤＥの起動時には、多量の燃料油ミストが飛散する場合が多く、多孔質担体の微細な細孔を閉塞するばかりか、担体の最先端部分に付着することで煤の付着を促進させ、結果として担体のガス流路の閉塞を起こし易くなるため、長時間の使用に対しては、逆洗や煤の加熱燃焼など閉塞対策が必要になるものが多い。
(3) 長時間運転においては、運用条件によりＤＰＦ上流配管の発錆が原因でＤＰＦ配管のつまりを引き起こす。この錆片は大きいものはそのままＤＰＦの排ガス流路を塞ぎ圧力上昇を伴うばかりか、ＤＰＦ性能の低下をもたらす。

また、粒状物質を効率よく捕集する方法として、特許文献３には、排ガス通路内に設けられた目の細かいパティレートフィルタの上流側表面にこれよりも目の若干粗い織布状の触媒付きパティキュレートフィルタを配設することが提案され、さらに特許文献４には、フィルタ本体の気孔径や空隙径の通孔径が２４０μｍ前後の多孔質板や金属から作製されたＤＰＦを排ガス流れ方向に５ｍｍ前後隔置して複数枚配置することが提案されている。
しかし、上記の従来技術でも、ＤＥから発生する煤（黒煙）を効率良く除去するために、目開きが小さく、開孔率の小さな網状構造物が用いられており、またこれらを積層して用いた場合でも、一旦捕集されたミスト状物質や可溶性有機化合物、大粒子径の煤、錆片などは、図４に示すように、網状構造物の間に挟まれた状態ですりぬけ難く、順次飛来する煤状成分によってさらに閉塞し易くなるという問題があった。
産業環境管理協会、環境管理 Vol.37 、p441-449 特開平１−３１８７１５号公報特開昭６０−２３５６２０号公報特開昭５９−９９０１９号公報特開平７−１４５７１９号公報

本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、安価な材料で構成し、目詰まりや灰分の閉塞に強く、逆洗や煤の加熱燃焼などの特別の手段を必要としない排ガス浄化装置を提供することにある。

（１）排ガスに含まれる粒状物質を除去するフィルタを備えた排ガス浄化装置において、前記フィルタの排ガス上流部に、開口率が９０％以上で、かつ柔軟性のある薄板金属質またはセラミック質の網状構造物を設置したことを特徴とする排ガス浄化装置。
（２）前記網状構造物が、排ガスの上流部であって排ガスの背圧動脈が伝達される位置に設置されていることを特徴とする（１）に記載の排ガス浄化装置。
（３）前記網状構造物が排ガス流れ方向に一定間隔を保持して複数枚配置されていることを特徴とする（１）または（２）に記載の排ガス浄化装置。
（４）前記網状構造物が排ガス流れ方向に一定間隔を保持して複数枚配置され、かつ、これらの網状構造物の開孔率が排ガス流れ方向の後流側ほど小さくなっていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
（５）前記網状構造物の表面に、ＮＯをＮＯ₂に酸化する貴金属を含む触媒成分がコーティングされていることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
（６）前記網状構造物の前流に、圧縮空気を吹き込んで該網状構造物を振動させる手段を設置したことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の排ガス浄化装置。

本発明の排ガス浄化装置によれば、ＰＭ除去フィルタの上流側に開孔率の大きな特定のプレフィルタが配置れているため、特にディーゼルエンジン等の起動時の排ガス中に含まれる燃料油ミストや低負荷運転時の大粒子径の煤等による閉塞を防止し、煤塵の除去や燃焼などの新たな設備を必要としない安価で信頼性の高いＤＥ排ガス浄化システムを提供することができる。

以下に本発明を詳しく説明する。
図２は、本発明の排ガス浄化装置を用いたＤＥ排ガス浄化システムのフロー説明図である。本発明の排ガス浄化装置は、ＤＥの後流に設けられ、ＤＥ排ガス中の粒状物質を除去する目の細かい細孔を有するフィルタ（ＤＰＦ）と、該ＤＰＥの排ガス上流部に設置されるプレフィルタとを有する。ＤＥから排出された排ガスは、まず、プレフィルタに導入され、排ガス中の粒状物質が付着等による除去または衝突による微細化がなされた後、ＤＰＦに導入されて粒状物質の除去が行われ、処理ガスとして煙突を介して系外に排出される。

本発明において、ＤＰＦとしては、従来公知の微細な細孔を有するセラミック多孔体や金属織布製フィルタなどが用いられる。このフィルタとしては、例えば、多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が交互に交差するように積層された成形体の前記波板稜線と直交する側面がシールされ、前記多孔質平板を介して前記多孔質波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路が形成されたものが挙げられる。
本発明に用いられるプレフィルタは、開口率が９０％以上、好ましくは９０〜９５％で、かつ柔軟性のある薄板金属質またはセラミック質の網状構造物であることが必要であり、その設置場所は、ＤＰＦフィルタの排ガス上流部、好ましくは排ガスの背圧が伝達される位置であることが必要である。
開口率９０％以上の柔軟性のある網状構造物を、排ガス上流部に配置することにより、ＤＥ起動時や低負荷運用時に多く発生する燃料油ミスト分や大粒子径の物質を該網状構造物に付着させまたは衝突により微細化させることができるとともに、該網状構造物自体の目詰まりとともにＤＰＦの目詰まりをも効果的に防止することができる。なお、ここで開口率とは、ガス流れ方向と直交する網状構造物の断面の開口部分の面積割合をいう。

網状構造物としては、例えば、図１に示す金属ラス状の柔軟性のある薄板構造物を用いることができる。この場合、ガス流れ方向に対して略直角の方向に一定の面積を有しているため、起動時や低負荷時の排ガス温度が低い場合でも排ガス中のミスト状成分が慣性衝突して該網状構造物に付着しやすくなる。
また網状構造物をＤＰＦの排ガス上流部、特にＤＥ排ガス背圧が伝達され易い位置に設置することにより、該網状構造物をＤＥ背圧の変動に順応させて自己振動させることができ、該振動によりミスト状物質を微細化させ、さらに付着したミスト状物質や煤を払い落とす効果が得られる。

さらに網状構造物を図３に示すように一定間隔を保持して複数枚設置することにより、自己振動により払い落とされた付着成分を、後流の網状構造物に順次慣性衝突させて粒状物のさらなる微細化を図ることができる。さらに網状構造物の開口率を排ガス流れ方向の後流側ほど小さくすることにより、ミスト状物質や大粒子径煤の該網状構造物への付着を防ぎ、かつミスト状物質や煤等の微細化を促進させることができ、後流に設置されたＤＰＦによる粒状物質の除去が容易になる。

ＤＥ背圧の変動を受けやすい位置としてはＤＥの出口部が挙げられる。通常、ＤＰＦはＤＥ発電機のパッケージ構造の上部に設置される場合が多いため、このＤＥパッケージの出口部への設置が最も効果が高く、従って、ＤＥ排気ガス管出口から５ｍ以内に網状構造物を配置するのが好ましい。また網状構造物の間隔は、使用するＤＥの特性により異なるが、約５〜２０ｍｍにするのが好ましい。間隔が５ｍｍ未満では付着したミストまたは煤状物質が剥がれ難く、また２０ｍｍ以上になると装置が大型化し易い。

また、排ガスの背圧動脈が伝達されない場所に網状構造物を設置する場合には、例えば、ＤＥ加給機やコンプレッサ等からの圧縮空気を網状構造物に定期的に吹き込んで該網状構造物を定期的に振動させるようにしてもよい。
網状構造物の材質としては、使用温度および使用時間にもよるが、金属製であればＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４などが一般的に用いられる。また、高温排ガスに対して耐性が要求される場合にはセラミック繊維等を用いたセラミック質の網状構造物が用いられる。

網状構造物はそのまま用いてもよいが、その表面に、ＮＯをＮＯ₂に酸化する貴金属を含む触媒成分をコーティングして用いてもよい。このような構成とすることにより、排ガスに含まれるＮＯが、貴金属を含む触媒成分の作用によりＮＯ₂に酸化され、発生したＮＯ₂が、網状構造物に捕集または堆積された可燃分を酸化燃焼させることができる。粒状物質中に含まれる灰分は、通常１０％以下であるため、ＮＯ₂による可燃分の燃焼により捕集・堆積した粒子の比重を飛躍的に小さくすることができる。また該網状構造物を間隔を維持して複数枚設置することにより、後流に行くほど粒状物質の微粒子化が促進され、網状構造物に付着し難くなるため、さらにその後流に設置したＤＰＦでの粒状物質の除去効果が向上する。

上記貴金属を担持したＮＯの酸化触媒は、例えば、網状構造物に予めシリカ、アルミナ、チタニアなどの酸化物をコーティングした後、乾燥または焼成した状態で、貴金属類をコーティング等により担持させて形成させることができる。貴金属成分としては白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等、またはこれらを組み合わせて用いることができるが、Ｐｔ単独でも用いることもできる。触媒の担持量は５０〜２００ｇ、貴金属の担持量は０．０１〜０．２ｇ／ｍ²の範囲とすることにより好結果が得られるが、これらに限定されるものではない。このようなＮＯの酸化触媒が担持された網状構造物は、ＤＥ起動後の比較的低温条件下でも自己再生機能を持つ優れたプレフィルタとして機能し、該構造物に付着したミストや煤成分を燃焼し、除去することができる。

その結果、セラミック多孔体や金属織布製ＤＰＦなどの微細な細孔しか持たない、後流に設置されるＤＰＦの閉塞、特にＤＰＦの排ガス流れの最先端部分への付着や堆積を著しく低減できるため、ＤＰＦガス流路の閉塞による圧損の上昇が防止され、長期間のＤＰＦの運転が可能になる。

以下、本発明を実施例により詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［実施例１］
厚さ０．１８ｔのＳＵＳ４３０の帯鋼をラス切り加工して図１の形状を有する金属ラス薄板を得た。この網状構造物のガス流れ断面に対する開口率は９０％とした。これを、チタニア４０重量％、シリカゾルを２０重量％、ポリビニールアルコール１重量％、残り水からなるスラリ中に浸漬し、エアーブロー後、１５０℃で乾燥して担持量３０ｇ／ｍ²の薄板ラスを作製した。
一方、比表面積が９０ｍ²／ｇのチタニア１００ｇに水を２００ｇ加えたものに、Ｐｔ含有量８％のジニトロジアンミン白金溶液を６．２５ｇ添加後、砂浴上で加熱して蒸発乾固し、得られた塊状物を５００℃で焼成した後、ハンマーミル粉砕して触媒粉末を得た。本粉末７０ｇ、低表面積チタニア（石原産業製、ＣＲ５０）３０ｇ、シリカゾル（ＳｉＯ₂：２０重量％）１００ｇ、水２００ｇとを混合し、触媒スラリを調製した。本スラリ中に先に中間層をコーティングしたラス板を浸漬後、エアーブローして余剰スラリを除去し、１５０℃で乾燥、６００℃−２ｈｒ焼成して酸化触媒が３３ｇ／ｍ²付着したラス板を得た。
得られた触媒付ラス板を１５０ｍｍ角の正方形に切断後、これを３枚ガス流れ方向に間隔が５ｍｍになるよう角棒をスペーサとして使用して金属枠に入れ、プレフィルタとした。

［実施例２］
実施例１において、開口率９５％、９０％、８０％、７８％、７５％の５枚の網状構造物を用い、これらを排ガス流れに対して順次開口率が小さくなるように５ｍｍの間隔で金属枠に組み入れた以外は、実施例１と同様にしてプレフィルタを作製した。

［比較例１］
実施例１において、開口率９０％の網状構造物、３枚を間隔なく積層した以外は実施例１と同様にしてプレフィルタを作製した。
［比較例２］
プレフィルタを設置せずにＤＰＦのみを設置した。

＜試験例＞
実施例１、２および比較例１で得られたプレフィルタをＤＥ出口の煙道に設置し、その後流にＤＰＦ（交差型ＤＰＦ）を設置して、また比較例２ではプレフィルタを設置せずにＤＥの排ガス処理を行い、起動および低負荷（３５０℃以下）運転を繰り返し行った場合のプレフィルタおよびＤＰＦの経時的な圧力上昇を調べ、その結果を表１に示した。
表１から、実施例１、２では、プレフィルタ自体の圧損が低く抑えられ、かつシステム全体の差圧も低いため、長時間使用時のＰＭ除去装置として好適であることがわかった。

これに対して、比較例１、２では経時的な圧損上昇が大きく、特にプレフィルタを設置しない比較例２では低負荷運転時の排ガス温度が低い場合には圧力損失の上昇が大きくＤＰＦを運転することができなかった。また、比較例１では、ＤＰＦの圧力上昇差は比較的低く抑えられているが、プレフィルタの圧力上昇が高くなっており、システム全体では圧力上昇が高いために長時間の使用は困難で、定期的なプレフィルタの清掃が必要となることがわかった。
従って、本発明によれば、何ら別の手段を用いることなく、起動時の燃料油ミストの付着や、低負荷運転時の大粒子径の煤や錆片の付着による悪影響を排除することができる上、長時間安定した運用が可能になる。

本発明の排ガス浄化装置によれば、特にディーゼルエンジン等の起動時の排ガス中に含まれる燃料油ミストや低負荷運転時の大粒子径の煤等による閉塞に強く、煤塵の閉塞時の除去や燃焼などの新たな設備を必要としない安価で信頼性の高いＤＥ排ガス浄化システムを提供することができる。

本発明に用いられる網状構造物の一例を示す構造説明図。本発明の排ガス浄化装置を用いたＤＰ排ガス浄化システムのフロー説明図。網状構造物を複数枚配置したプレフィルタの説明図。従来技術における煤等の網状構造物への堆積状態を示す図。

Claims

排ガスに含まれる粒状物質を除去するフィルタを備えた排ガス浄化装置において、前記フィルタの排ガス上流部に、開口率が９０％以上で、かつ柔軟性のある薄板金属質またはセラミック質の網状構造物を設置したことを特徴とする排ガス浄化装置。
前記網状構造物が、排ガス上流部であって排ガスの背圧動脈の伝達によって振動する位置に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記網状構造物が排ガス流れ方向に一定間隔を保持して複数枚配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。
前記網状構造物が排ガス流れ方向に一定間隔を保持して複数枚配置され、かつ、これらの網状構造物の開孔率が排ガス流れ方向の後流側ほど小さくなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
前記網状構造物の表面に、ＮＯをＮＯ₂に酸化する貴金属を含む触媒成分がコーティングされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
前記網状構造物の前流に、圧縮空気を吹き込んで該網状構造物を振動させる手段を設置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の排ガス浄化装置。