JP2008023461A

JP2008023461A - 触媒構造体

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Publication number: JP2008023461A
Application number: JP2006199442A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yoshimura; 博之吉村; Yoshinori Nagai; 良憲永井
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: JP5198744B2

Abstract

【課題】触媒エレメント内を流れる被処理ガスの流速分布の均一化によって触媒の本来の性能を最大限に引き出し、ガス流れの圧力損失の上昇を抑えたまま触媒性能の高効率化を図る触媒構造体の提供。
【解決手段】ガス浄化触媒を表面に有する平板状の触媒エレメントに対して、排ガス流れ方向に対して直交方向に伸びた断面曲面形状の突条部１ａを間隔を設けて複数個形成し、得られた触媒エレメント１を間隔保持部材４により等間隔に積層してユニット枠３内に保持した触媒構造体である。触媒エレメント１の積層間隔（Ｐ）が３〜１０ｍｍであり、ピッチ（Ｐ）に対する突条部１ａの触媒エレメント平面に対する高さ（Ｈ）の比（Ｈ／Ｐ）＝０．１〜０．６ｍｍ、高さ（Ｈ）に対する突条部１ａの幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｈ）＝１〜５ｍｍ、高さ（Ｈ）に対する触媒エレメント１上に隣接する２つの突条部１ａ，１ａの間隔（Ｌ）の比（Ｌ／Ｈ）＝５〜１５ｍｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラや焼却炉等より排出される有毒成分を含んだ排ガスを触媒を用いて除去するための排ガス処理などに用いる触媒構造体に関するものである。

ボイラや焼却炉等の燃焼設備からは、燃料や空気中の窒素の燃焼による窒素酸化物（ＮＯｘ）等の大気汚染物質が排出されている。ＮＯｘは光化学スモッグの原因となる物質であるため排ガス中のＮＯｘの除去（脱硝）は重要であり、この方法としては触媒法である選択的接触還元法が幅広く用いられている。これは、アンモニア等の還元剤を吹き込んだ排ガスを触媒反応器に流通させることで化学反応を起こさせ、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元させる方法である。

また、燃焼設備から排出する排ガスや生産設備から排出するオフガス中に含まれるアンモニアや一酸化炭素、有機物等の処理にも触媒の酸化反応により上記成分を酸化分解させる触媒法が用いられている。この場合、還元剤は不要であるが、いずれにせよ触媒を用いて排ガス中の有害物質を浄化する方法として有効である。

これらの触媒法に用いられる触媒の形状は、板状、ハニカム状、粒状、円筒状、リボン状及びペレット状等様々のものが可能であるが、このうち板状触媒は他の形状よりも圧力損失が低いという利点を有する。さらに板状触媒は、金属製もしくはセラミック製の基板に触媒成分を塗布して成形する工法や、あらかじめ必要強度を保つように成形された担体の表面に触媒成分を担持する工法など、多種の工法で製造する事が出来るという利点を有する。

また、板状以外の形状の触媒の場合には触媒内部に基板や担体が含まれないため、触媒自身の強度を高くして強度を保持しなければならず、一部触媒の反応効率を犠牲にする必要があるのに対し、板状触媒は基板や担体で強度を保持することが出来るため、触媒成分は反応効率を最大限にするような組成にすることができるという利点も有する。板状触媒は必要に応じて基板を選定する事によりダストを多く含むガス（例えば石炭焚ボイラ排ガス）への適用においても摩耗に強いという特徴を持っている。

ところで、板状触媒を実機に適用する際は、複数の板状触媒（以下、触媒エレメントということがある）を積層させてユニット化し、これを複数積み重ねて触媒反応器に充填する。触媒エレメントをユニット化する際に必要なことは、板状の触媒（触媒エレメント）を充填用箱（触媒ユニット枠）内で均等に保持できる構造を持たせることである。従来、触媒エレメントを前記箱内で均等に保持するために図５の触媒エレメント６や図６の触媒エレメント７のように触媒エレメント６，７自身の平面に対して上下に複数の突条部（折り曲げ部）６ａ，７ａを設けて、該突条部６ａ，７ａに積層する板状触媒の間隔保持機能を保たせた触媒エレメント６，７の積層状の構造体が用いられてきた。

ユニット化した触媒エレメントの形状を設計する際に重要な点は、各触媒エレメントによって囲まれる被処理ガスの流路断面の流速分布にむらを生じさせないことである。同一触媒成分を用いても、ガスの流速にばらつきがある場合の脱硝率は、均一にガスが流れている場合に比べて低くなる。

図７には突条部８ａがガス流れに対して平行な方向に複数個設けられた触媒エレメント８と突条部９ａがガス流れに対して傾斜した方向に複数個設けられた触媒エレメント９を一つずつ交互に積み重ねたユニット化した触媒（これを触媒構造体ということがある）の一部分を斜視図で示す（特許文献１参照）。

図７に示す突条部８ａ，９ａを設けたタイプの触媒構造体では、各触媒エレメント８，９によって囲まれる流路断面の形状がガス流れ方向で、それぞれ相違するため、触媒構造体内部でのガス流れの流速分布に微視的なむらが生じやすく、互いに均一なガス流れとするように形状を適正化するには労力を要する。

上記課題を打破すべく、突条部のない平板状の触媒エレメントを等間隔にユニット枠に組み込む検討がされているが、平板状の触媒エレメントではたわみが生じてしまうことから実用が困難であった。このたわみは、平板状の触媒エレメントを薄板化すればするほど著しくなる。

一方、触媒性能を高効率にする構造体として、複数の板状触媒を間隔を開けて積層した触媒エレメントの突条部（折り曲げ部）をガス流れ方向に沿って配置した構造体を所定期間使用した後、突条部がガス流れに直交する向きになるように置き換えて、このガス流れに対する傾斜角度を変えて積層することで、排ガスと触媒との接触面積（滞留時間）を稼ぐ方法（特開平９−１２２４４８号公報）がある。しかしながら、この構造体は、ガス流れの圧力損失が高く、また、石炭焚ボイラプラントなどのばいじんを含んだ排ガス浄化触媒として適用した場合には、ばいじんの詰まりが起こることは明らかである。さらに、前記突条部（折り曲げ部）への灰の衝突により摩耗することが予想される。
国際公開第９６／１４９２０号パンフレット特開平９−１２２４４８号公報

上記したように、特許文献１、２に記載された触媒構造体には、ガス流れの圧力損失が比較的大きく、また、石炭焚ボイラプラントなどのばいじんを含んだ排ガス浄化触媒として適用した場合には、ばいじんの詰まりが比較的起こり易いことがある。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決して触媒エレメント内を流れる被処理ガスの流速分布の均一化によって触媒の本来の性能を最大限に引き出すこと、及び、ガス流れの圧力損失の上昇を抑えたまま触媒性能の高効率化を図ると共に薄板化に伴う平板状の触媒エレメントのたわみを抑えることを可能とする触媒構造体を提案することである。

上記課題を解決するための手段は以下の通りである。
請求項１記載の発明は、ガス浄化触媒を表面に担持し、平坦部と該平坦部を間隔を隔てて仕切る互いに平行な位置に断面曲面形状の帯状突起からなる突条部とが交互に繰り返して配置される平板状の触媒エレメントを、前記突条部がガス流れに直交する方向に配置し、かつ該突条部の高さより大きい間隔を設けて複数枚、等間隔に積層してユニット枠内に保持した触媒構造体である。

請求項２記載の発明は、複数の触媒エレメントの前記積層間隔（Ｐ）が３ｍｍ乃至１０ｍｍとなるようにした請求項１記載の触媒構造体である。

請求項３記載の発明は、触媒エレメントの前記積層間隔（Ｐ）に対する突条部の触媒エレメント平面に対する高さ（Ｈ）の比（Ｈ／Ｐ）が０．１乃至０．６ｍｍとなるようにした請求項１記載の触媒構造体である。

請求項４記載の発明は、前記突条部の高さ（Ｈ）に対する突条部の幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｈ）が１ｍｍ乃至５ｍｍとなるようにした請求項１記載の触媒構造体である。

請求項５記載の発明は、前記突条部の高さ（Ｈ）に対する一つの触媒エレメント上に隣接する２つの突条部の間隔（Ｌ）の比（Ｌ／Ｈ）が５ｍｍ乃至１５ｍｍとなるようにした請求項１記載の触媒構造体である。

従来の突条部（折り曲がり部）を持つ触媒エレメントをユニット化した場合には、ガスが流れる流路断面に微視的な流速のばらつきが生じるといった問題があったが、本発明では触媒エレメントはガス流れ方向に長手方向が沿った突条部（折り曲がり部）を持たない構造であり、触媒エレメントをユニット化した触媒構造体の各ガス流路断面も図２に示すように互いに同一形状を有する構造とすることができるため、該流路を流れるガスの流速分布には微視的なばらつきやガスの吹き抜けは生じず、触媒自身の持つ性能を十分に発揮させる事が出来る。

また、本発明は、ガス流れ方向に直交する方向に断面曲面形状の帯状突起からなる突条部があるので、触媒エレメントが剛性を持ち、平板では避けられない触媒エレメントのたわみを抑えることが可能となる。

さらに、図３に示す通り、２つの触媒エレメント１，１間に流れるガスの動きに注目すると、図３（ｂ）に断面を示す平板のみからなる触媒エレメント５，５を間隔を開けて積層した触媒構造体の場合はガス流れが層流であるために触媒表面にガス境膜２が形成されることによって境膜２での物質移動が律速となるのに対して、図３（ａ）に断面を示す本発明の触媒エレメント１，１の場合は、断面曲面形状の帯状突起からなる突条部（山部）１ａでガスの剥離が発生し、これにより境膜が破壊されることによってガスの触媒表面への移動が促進される。
以上のように本発明の突条部１ａを有する触媒エレメント１は平板のみからなる触媒エレメント５に比べて触媒性能が高くなる。

本発明の触媒エレメント１の突条部１ａが高すぎたり、隣接する２つの突条部１ａ，１ａの間隔が狭すぎたりすると触媒表面へのガスの移動が遅くなるため、前記した突条部の高さ（Ｈ）、突条部の間隔（Ｌ）、触媒エレメントの積層間隔（Ｐ）の間の寸法関係を備えた範囲とする必要がある。

また、本発明は、触媒構造体中をガスが流れるときのガス流速の不均一化をなくし、触媒性能を十分に発揮させることができるものであれば、触媒構造体を構成する各触媒エレメントに適用される触媒の組成にはこだわらない。触媒エレメント自身も金属製もしくはセラミック製の基板に塗布するものや、担体の表面に担持するものなど、いくつかの工法で製造することが出来るが、平板形状の触媒エレメントとするものであれば、特に工法による制限はなく、また上記以外の平板形状の触媒エレメントの製造方法を用いても良く、また複数の触媒エレメントの製造方法を組み合わせてもよい。

また、本発明は、触媒エレメントの形状による触媒性能向上を目的としており、その用途は脱硝触媒や酸化触媒に限定されるものでもなく、被反応物質を含むガスを触媒エレメントに流通させて触媒反応を生じさせるプロセス一般に適用可能である。

本発明の触媒構造体の触媒エレメント自体には積層する触媒エレメント同士の間隔（触媒ピッチ）を保持する突条部を持たないため、ユニット枠に触媒エレメントの間隔（触媒ピッチ）を保持させるための間隔保持部材を設ける必要がある。この間隔保持部材は、複数の触媒エレメントの前記間隔を保持できるものであればいかなるものでも良く、制限はない。しかし、例えば図４のように角棒や丸棒を間隔保持部材４として触媒エレメント１の両端部に設けるか、又はユニット枠３に間隔保持部材４を支持する切れ込みを入れたものを用いても良い。

請求項１記載の本発明により、均一なガスの流速分布を持ち、ガス流れの圧力損失も低く、さらに触媒性能を高効率化することが出来る触媒構造体を提供することができる。

また、請求項２〜５記載の発明は、請求項１記載の発明の効果に加えて、触媒構造体の各種の寸法を規定することで、ガス流れの圧力損失と触媒性能のバランスを適切にすることができる。

以下本発明の実施例を図面と共に説明する。

脱硝触媒として酸化チタン酸粉末に、三酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）、メタバナジン酸アンモニウム（ＮＨ₄ＶＯ₃）、及びシリカゾルを加え、更にアルミニウム化合物粉末と無機繊維を水分調整して混練して触媒ペーストを得た。これを金属エキスパンドメタルに塗布し、突条部１ａの高さ（Ｈ）；２ｍｍ、突条部１ａの幅（Ｗ）；６ｍｍ、隣接する２つの突条部１ａの間隔（Ｌ）；２０ｍｍの形状にローラで成形加工し、さらに５００℃で焼成処理して触媒エレメント１を得た。そして図４に示すユニット枠３の内部に間隔保持部材４により触媒ピッチ（Ｐ）；６ｍｍとして複数の触媒エレメント１を積層して触媒構造体を得た。

実施例１と同様に板状触媒エレメント１を調製し、Ｐ＝６ｍｍ、Ｈ＝２ｍｍ、Ｗ＝２ｍｍ、Ｌ＝２０ｍｍとした。

実施例１と同様に板状触媒エレメント１を調製し、Ｐ＝６ｍｍ、Ｈ＝２ｍｍ、Ｗ＝４ｍｍ、Ｌ＝２０ｍｍとした。

実施例１と同様に板状触媒エレメント１を調製し、Ｐ＝６ｍｍ、Ｈ＝２ｍｍ、Ｗ＝６ｍｍ、Ｌ＝１０ｍｍとした。

実施例１と同様に板状触媒エレメント１を調製し、Ｐ＝６ｍｍ、Ｈ＝２ｍｍＭ、Ｗ＝６ｍｍ、Ｌ＝３０ｍｍとした。

実施例１と同様に板状触媒エレメント１を調製し、Ｐ＝６ｍｍ、Ｈ＝２ｍｍ、Ｗ＝８ｍｍ、Ｌ＝２０ｍｍとした。

実施例１と同様に板状触媒エレメント１を調製し、Ｐ＝６ｍｍ、Ｈ＝３ｍｍ、Ｗ＝６ｍｍ、Ｌ＝３０ｍｍとした。

実施例１と同様に板状触媒エレメント１を調製し、Ｐ＝６ｍｍ、Ｈ＝３ｍｍ、Ｗ＝９ｍｍ、Ｌ＝３０ｍｍとした。

実施例１と同様に板状触媒エレメント１を調製し、Ｐ＝６ｍｍ、Ｈ＝１ｍｍ、Ｗ＝２ｍｍ、Ｌ＝１０ｍｍとした。

比較例１

ステンレス製エキスパンドメタルに触媒成分を塗布して得られた平板の両側の平面にガス流れと並行する方向に（ガス流れ方向に対して０°の角度で）突条部６ａの長手方向が形成されるように、折り曲げて触媒エレメント６とし、該触媒エレメント６をユニット枠３内で積層することで図５に示す触媒構造体を製作した。当該触媒構造体の触媒組成及び触媒ピッチは実施例１と同じとした。

比較例２

ステンレス製エキスパンドメタルに触媒成分を塗布して得られた平板の両側の平面にガス流れ方向に対して３０°の角度を持たせて突条部７ａの長手方向が形成されるように、折り曲げて触媒エレメント７とし、該触媒エレメント７を図６のように折り曲げ部を積層時に突条部７ａが隣接する触媒エレメント１とはずれた位置に配置されるように積層して図示しないユニット枠内で積層することで触媒構造体を製作した。触媒組成及び触媒ピッチは実施例１と同じとした。

比較例３

ステンレス製エキスパンドメタルに触媒成分を塗布して得られた平板を折り曲げ部を設けずに触媒エレメントとし、該触媒エレメントをユニット枠内に積層して触媒構造体を製作した。触媒組成及び触媒ピッチは実施例１と同じとした。

上記実施例及び比較例の構成を表１に纏めた。

また、上記実施例及び比較例のそれぞれの触媒をベンチ排ガス試験装置に充填し表２に示した条件で図４〜図６の図面手前側からガスを導入して、図面奥側にガスが抜けるようにガスを流して試験を実施した。その結果（脱硝率及び圧損比）を表３に示す。

表３に示す結果から、本発明の触媒構造体を用いると、排ガスの均一な流速分布が得られるため触媒本来が持つ性能を十分に発揮することができ、さらに波形触媒エレメントによる脱硝活性の高効率化が達成でき、同一条件で比較例１に示す従来の折り曲げ部を持つ触媒エレメントからなる触媒構造体に比べて圧力損失比の上昇を抑えつつ高い脱硝率を得ることができた。

本発明は排ガスの脱硝処理など、ガスの触媒処理装置に適用できる。

本発明の実施例の触媒エレメントの斜視図である。本発明の実施例の触媒エレメントを積層した触媒構造体の断面形状図である。本発明の実施例の触媒エレメント間のガス流れの状態を示す図（図３（ａ））と従来技術の触媒エレメント間のガス流れの状態を示す図（図３（ｂ））である。本発明の実施例の触媒エレメントをユニット枠内で積層した触媒構造体の断面図である。従来技術の触媒エレメントを積層した触媒構造体の斜視図である。従来技術の触媒エレメントを積層した触媒構造体の一部を示す斜視図である。従来技術の触媒エレメントを積層した触媒構造体の一部を示す斜視図である。

符号の説明

１，５，６，７，８，９触媒エレメント
１ａ，６ａ，７ａ，８ａ，９ａ突条部
２境膜
３ユニット枠
４間隔保持部材

Claims

ガス浄化触媒を表面に担持し、平坦部と該平坦部を間隔を隔てて仕切る互いに平行な位置に断面曲面形状の帯状突起からなる突条部とが交互に繰り返して配置される平板状の触媒エレメントを、前記突条部がガス流れに直交する方向に配置し、かつ該突条部の高さより大きい間隔を設けて複数枚、等間隔に積層してユニット枠内に保持したことを特徴とする触媒構造体。
複数の触媒エレメントの前記積層間隔（Ｐ）が３ｍｍ乃至１０ｍｍとなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の触媒構造体。
触媒エレメントの前記積層間隔（Ｐ）に対する突条部の触媒エレメント平面に対する高さ（Ｈ）の比（Ｈ／Ｐ）が０．１乃至０．６ｍｍとなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の触媒構造体。
前記突条部の高さ（Ｈ）に対する突条部の幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｈ）が１ｍｍ乃至５ｍｍとなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の触媒構造体。
前記突条部の高さ（Ｈ）に対する一つの触媒エレメント上に隣接する２つの突条部の間隔（Ｌ）の比（Ｌ／Ｈ）が５ｍｍ乃至１５ｍｍとなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の触媒構造体。