JP2014008489A - 板状触媒及び触媒構造体並びに板状触媒の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】境膜の形成を抑制して触媒の反応効率を高めること。
【解決手段】帯状突起からなる突条部３と平坦部５とを交互に間隔をあけて繰り返して形成される板状触媒１であって、複数の突条部３とそれぞれ交差して延在する帯状の開口９を有してなること。
【選択図】図１

Description

本発明は、板状触媒及び触媒構造体並びに板状触媒の製造方法に関する。

発電所、各種工場、自動車などから排出される排煙中の窒素酸化物（ＮＯｘ）は、光化学スモッグや酸性雨の原因物質であり、その効果的な除去方法としてアンモニアを還元剤として使用する選択的接触還元法などが広く採用されている。この種の脱硝触媒には、バナジウム、モリブデン又はタングステンを活性成分とした酸化チタン系の触媒などが使用される。

脱硝触媒は、通常ハニカム状や板状の基材に担持させて使用される。中でも触媒成分が塗布された板状触媒を複数の帯状の突条部と平坦部とを繰り返して形成される形状にプレス成形し、得られた板状触媒を突条部の長手方向がガスの流れ方向に沿うように積層したものをケーシングに収容して構成される触媒構造体が広く知られている（特許文献１参照。）。この種の触媒構造体は、板状触媒間に形成されるガス流路の圧力損失が小さく、煤塵などによる摩耗や流路の目詰まりを起こしにくいことから、例えば火力発電用ボイラの排ガス処理装置として広く採用されている。

また、この種の触媒構造体を積み重ねて触媒ブロックを構成し、ガスの流れ方向に沿って複数の触媒ブロックを配置するとともに、ガスの流れ方向に沿って隣り合う触媒ブロック間で、板状触媒の積層方向を互いに９０度ずらして配置した触媒構造体が開示されている（特許文献２参照。）。これによれば、触媒ブロックを通過したガスが、次の触媒ブロックの板状触媒の端面に衝突することでガスの流れが乱されるため、拡散速度が高められ、高い反応効率を得ることができる。

特開昭５９−７３０５３号公報 特開２０１０−２５３３６６号公報

しかしながら、特許文献２の触媒構造体は、ガス流路内にガスが流れたときに触媒表面にガスの静止層ともいえる境膜が形成される。このように境膜が形成されると、ガスと触媒表面との接触抵抗が増大し、触媒のもつ活性が最大源に発揮できなくなる。特に、触媒構造体（各板状触媒）のガスの流れ方向の寸法が長くなると、ガス流路内の触媒表面で層流が成長して境膜が発達するため、触媒の反応効率が低下する。

これに対し、特許文献２の触媒構造体で、境膜の成長を抑制するためには、触媒構造体の単体のガスの流れ方向の寸法を短くするとともに、ガスの流れ方向に沿って複数の触媒構造体を設ける方法が考えられる。

しかし、このような構造の場合、触媒構造体を数多く生産しなければならず、触媒構造体の製造工程には、手作業による組み立て作業などが含まれるため、生産効率の低下や製造コストの上昇が問題となる。また、複数の触媒構造体からなる触媒ブロックをガスの流れ方向に沿って複数段設置するため、触媒構造体同士を固定する作業が増えるため、組み付け作業の負担が大きくなるという問題がある。

本発明は、境膜の形成を抑制して触媒の反応効率を高めることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、帯状突起からなる突条部と平坦部とを交互に間隔をあけて繰り返して形成される板状触媒であって、複数の突条部とそれぞれ交差して延在する帯状の開口を有してなることを特徴とする。

このように構成される板状触媒を触媒構造体の構成単位として用いることにより、板状触媒に沿って流れるガスは、開口の内側に面する板状触媒の断面（以下、適宜、前縁部という。）と衝突する。これにより、ガスの流れが乱されて拡散速度が高められるから、触媒表面において境膜の成長を抑制することができ、触媒の反応効率を高めることができる。

この場合において、開口は、互いに間隔をあけて複数設けられてなるものとする。これによれば、ガスは、その流れ方向に設けられる複数の開口の前縁部と順次衝突し、その都度ガスの流れが乱されるから、境膜の成長を効果的に抑制することができる。また、板状触媒の寸法に合わせて開口の数や開口同士のピッチなどを調整することができるため、ガス流路の長さと関係なく、境膜の成長を抑制することができる。したがって、触媒構造体をガスの流れ方向で長尺化することができるため、従来のように、触媒構造体をガスの流れ方向に沿って多数設置する必要がなく、触媒構造体の生産数の低減と生産効率の向上を図ることができる。

具体的に、本発明は、このようにして構成される板状触媒を複数枚積層することにより、隣り合う板状触媒間に突条部を仕切り壁とするガス流路を形成し、かつ、隣り合う板状触媒間の開口を互いに対向させて配置してなるものとする。

このように、隣り合う板状触媒間の開口を互いに対向させて配置することにより、ガスの流れ方向の寸法が短尺の触媒構造体を、ガスの流れ方向に沿って複数設けたことに等しくなるから、触媒構造体の生産数を最小限に抑えることができ、生産効率を格段に高めることができる。

また、複数の板状触媒は、開口のガス流れ方向の前後で、互いにガス流れ方向と直交する反対方向にそれぞれ円弧状に湾曲してなるものとする。

このように、ガスの流れ方向で、開口の前後の積層を互いに反対方向に湾曲させることにより、開口の上流側の積層のガス流路を通過したガスが、下流側の積層のガス流路に入る際に、板状触媒の端面と衝突しやすくなる。これにより、ガスをより効果的に攪拌することができるから、ガスの拡散速度を高めることができ、触媒表面における境膜の発達をより確実に抑制することができる。

また、本発明の板状触媒は、触媒成分を塗布して形成される板状触媒をプレス加工して矩形の開口を形成する第１の工程と、この開口が形成された板状触媒をプレス加工して開口の長手方向と交差する複数の帯状突起からなる突条部を所定のピッチで形成する第２の工程とを含んで製造される。

これによれば、製造ラインに開口を形成するプレス機を新たに組み込むだけでよいため、製造コストの上昇を抑えながら、板状触媒の量産化が可能となる。

本発明によれば、境膜の形成を抑制して触媒の反応効率を高めることができる。

本発明に係る板状触媒の外観を示す斜視図である。 本発明に係る触媒構造体の外観を示す斜視図である。 図２の板状触媒の積層構造を説明する図である。 図２の触媒構造体の板状触媒の断面構造を示す図である。 触媒構造体のガス流路を流れるガスの流れを説明する図である。 本発明に係る触媒構造体の製造方法を説明するフロー図である。 本発明に係る触媒構造体の板状触媒の断面構造を示す図である。

以下、本発明を適用してなる板状触媒及び触媒構造体の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

本実施の形態の板状触媒１は、図１に示すように、帯状突起からなる突条部３と平坦部５とを交互に間隔をあけて繰り返して形成される金属基板７に、各突条部３とそれぞれ交差して延在する複数の帯状の開口９を備えて構成される。金属基板７は、全体として矩形に形成され、図１に示す矢印Ｘは、ガス流れ方向を示し、矢印Ｙは、ガス流れ方向と直交する方向、及び、幅方向を示す。

金属基板７は、例えば、厚さ０．１５ｍｍ乃至０．２ｍｍのＳＵＳ製鋼板に所定の処理をメタルラス加工（例えば、特開平３-０６５２４３号公報）し、或いは、Ｅガラス製の撚り糸を網状に織った布（例えば、特開平３−０６５２４３号公報）などに所定の処理を施して強化したものが使用される。また、金属基板７には、酸化チタンに、タングステンやモリブデン或いはバナジウムの酸化物を活性成分として添加した周知の触媒成分（脱硝成分）のペーストが、ローラ状の塗布機で金属基板７のラス目、或いは、網目を埋めるように両面に塗布される。なお、金属基材７は、この例に限られるものではなく、金属製の薄板材などをすることもできる。

突条部３は、ガス流れ方向（Ｘ方向）に沿って、互いに平行に延在して複数（図１では２本）設けられ、その幅方向（Ｙ方向）の両側には平坦部５が形成される。各突条部３は、断面がＺ字状に折り曲げられて金属基板７の両面側に突出して形成される。

開口９は、ガス流れ方向と直交する方向（Ｙ方向）を長手とする矩形の貫通孔であり、互いに所定のピッチで平行に複数本（図１では４本）設けられる。各開口９は、いずれも長手方向の長さが等しく形成され、２本の突条部３とそれぞれ直交して設けられている。

図２に示すように、触媒構造体１１は、複数の板状触媒１を積層させてケーシング１３で囲って形成される。また、図３に示すように、板状触媒１は、表面と裏面を互いに向かい合わせて積層され、幅方向（Ｙ方向）で突条部３の位置をずらして配置される。これにより、板状触媒１を積層させたときに、突条部３がスペーサとして機能するとともに、板状触媒１間に形成されるガス流路が、突条部３によって幅方向（Ｙ方向）で仕切られるようになっている（図４）。

一方、板状触媒１は、図３の矢印で示すように、隣り合う板状触媒１間の開口９が互いに対向して配置、つまり隣り合う板状触媒１間の開口９は、平坦部５を含む平面と直交する方向からみたときの投影領域が一致するように配置される。

このようにして構成される触媒構造体１１を通過するガスは、図５（ａ）に示すように、まず、触媒構造体１１を構成する各板状触媒１の入口側の端面１５と衝突した後、板状触媒１間のガス流路（以下、第１セクション１７という。）に導かれ、矢印の方向に流れる乱流を形成する。そして、第１セクション１７を通過したガスは、最初の開口９ａ（ガス流れ方向の上流側に位置する開口）を通過する際に、各板状触媒１の開口９ａの内側に面する前縁部１９ａと衝突する。

次に、開口９ａの後流側に形成される板状触媒１間のガス流路（以下、第２セクション２１という。）に導かれたガスは、矢印の方向に流れる乱流を形成する。そして、第２セクション２１を通過したガスは、次の開口９ｂ（ガス流れ方向の後流側に位置する開口）を通過する際に、各板状触媒１の開口９ｂの内側に面する断面の前縁部１９ｂと衝突する。

続いて、開口９ｂの後流側に形成される板状触媒１間のガス流路（以下、第３セクション２３という。）に導かれたガスは、矢印の方向に流れる乱流を形成し、第３セクション２３を通過して、触媒構造体１１から出る。

本実施の形態によれば、触媒構造体１１に導かれたガスは、触媒構造体１１を通過するまでの間に、２つの開口９ａ、９ｂを通過するが、その際に前縁部１９ａ、１９ｂと順次衝突し、その都度、ガスの流れが乱される。これにより、ガスの拡散速度が高められ、触媒表面における境膜の成長が抑制されるため、触媒の反応効率を高めることができる。

また、本実施の形態のように、板状触媒１に開口９を設け、ガス流路を複数のセクションに分けることにより、実質的にガス流路を短尺化することができる。そのため、各セクションを流れるガスは、図５（ａ）に示すように、乱流が形成され易くなり、層流の成長が抑制されるため、触媒表面の境膜の形成を抑制することができる。

また、本実施の形態のように、板状触媒１に開口９を設けたことにより、一つの触媒構造体１１が、ガスの流れ方向の寸法を短くした触媒構造体１１（各セクションに相当）をガスの流れ方向に沿って間隔をあけて複数（３つ）設けたものに相当する。そのため、従来のようにガスの流れ方向に触媒構造体を複数（３つ）配置する必要がない。さらに、１枚の板状触媒１に形成される開口９の設置数や開口９間のピッチは、自由に設定できるから、板状触媒１をガス流れ方向で長く形成しても、所定のピッチで複数の開口９を形成することにより、層流の成長を抑えて境膜の成長を抑制することができる。これにより、板状触媒や触媒構造体１１の生産数を大幅に削減することができ、生産効率を格段に高めることができる。

本実施の形態において、板状触媒１の開口９の大きさや開口９間のピッチは、自由に設定できるが、例えば、開口９間のピッチが狭すぎると、反応に必要な触媒面積が不足したり、ガスの流れの乱れが後流側のセクションの前縁部１９に到達して干渉することで触媒の活性向上効果が減少するおそれがある。反対に、ピッチが広すぎると、ガスの攪拌効果が低下して層流が成長するおそれがある。一方、開口９の大きさは、例えば、ガス流れ方向（Ｘ方向）の長手寸法が大きすぎると、反応に必要な触媒面積が不足してガスの攪拌効果が薄れてしまい、やはり触媒の反応効率が低下するおそれがある。

この点、本実施野形態では、板状触媒１の大きさにもよるが、開口９のガス流れ方向（Ｘ方向）の短手寸法は５ｍｍ乃至２０ｍｍの幅とし、開口９間のピッチは３０ｍｍ乃至１５０ｍｍ、より好ましくは５０ｍｍ乃至１００ｍｍに設定されるため、触媒の高い反応効率を得ることができる。また、開口９のガス流れ方向と直交する方向（Ｙ方向）の長手寸法は、板状触媒１の全幅（Ｙ方向）に対して、両端の触媒部分を均等に５％乃至１０％程度残しておけばよく、この程度の板状部分が両端に残っていれば、製造時のハンドリングなどで変形や破損などのおそれがない。

次に、本実施の形態の板状触媒及び触媒構造体の製造方法について説明する。図６に、本実施の形態の板状触媒を製造するための必要最小限の製造工程のフローの例を示す。

図６（ａ）に示すように、メタルラスロール２５から引き出された金属基材７は、触媒成分を含むペースト２７がローラ状の塗布機２９によって金属基材７のラス目或いは編目を埋めるように両面に塗布される。ペースト２７が塗布された金属基材７は、図示しない乾燥工程を経て表面に触媒層が形成された後、プレス加工機３１によって複数の開口９が帯状に切り抜かれる（第１の工程）。

次に、開口９が設けられた金属基材７は、プレス加工機３３によって折り曲げ加工されて突条部３が形成（第２の工程）された後、切断機３５により所定の寸法に切断されて板状触媒１を得る。得られた板状触媒１は、積層工程３７において、複数枚が積層されて、ケーシング１３に収容されることにより、触媒構造体１１が完成する。

本実施の形態の製造方法によれば、触媒構造体の従来の製造ラインにおいて、金属基材７に開口９を形成するプレス加工機３１を組み込むだけの簡単な改造で済むため、設備の大幅な変更を伴うことなく、低コストで容易に連続生産を実現することができ、量産性に優れている。また、本実施の形態の製造工程は一例であり、例えば、開口９を形成する工程の前に、切断機３５によって金属基材７を切断する工程を設けてもよいし、開口９の形成と突条部３の形成を１台のプレス機によって同時又は連続的に行うようにしてもよい。

また、本実施の形態では、板状触媒１をガス流れ方向（Ｘ方向）に沿って突条部３及び平坦部５をそれぞれ直線的に設ける例を説明したが、例えば、板状触媒１を積層させた状態で、各セクション（図１参照）をガス流れ方向の前後で、互いにガス流れ方向と直交する反対方向にそれぞれ円弧状に湾曲させて積層するようにしてもよい。すなわち、第１セクションでは、図７（ａ）に示すように、積層された複数の板状触媒１を下方に円弧状に湾曲させ、第２セクションでは、図７（ｂ）に示すように、積層された複数の板状触媒１を上方に円弧状に湾曲させ、以下、順にすべてのセクションの板状触媒を上下交互に湾曲させる。

このように、板状触媒１を湾曲させるには、例えば、ケーシング１３の内壁と板状触媒１との間に、所定の長さに形成された数種類のスペーサ３９を介在させて板状触媒１を上下方向に押し付けて湾曲させるのがよい。

図７（ｃ）に、隣り合うセクションの積層状態を重ね合わせた状態を示す。図から分かるように、各セクションに形成されるガス流路は、断面方向からみて互いに干渉する位置に配置される。そのため、図５（ｂ）に示すように、第１のセクション１７のガス流路を通過したガスは、第２のセクション２１のガス流路に入る前に、板状触媒の端面（開口９の前縁部１９を含む）と衝突する頻度が高められる。したがって、ガスの攪拌をさらに促進させることができるから、触媒表面における境膜の成長を抑制し、触媒の反応効率を一層高めることができる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、生産性を落とすことなく、ガスを効率的に攪拌することができ、触媒の反応効率を高めることができるため、高い触媒性能が得られる触媒構造体１１を実現できる。なお、本実施の形態では、脱硝触媒を用いた触媒構造体の構成について説明したが、触媒成分はこの例に限られるものではない。

次に、本発明の実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

［実施例１］
酸化チタン１０ｋｇとモリブデン酸アンモニウム((ＮＨ_４)^６・Ｍｏ_７Ｏ_２４・４Ｈ_２Ｏ）を２ｋｇ、メタバナジン酸アンモニウム１ｋｇ、及び蓚酸１ｋｇとを混合し、水を加えながらニーダで１ｈ混練してペースト状態にした。その後、シリカ・アルミナ系無機繊維２ｋｇを加えてさらに３０分混練して水分約３０％の触媒ペーストを得た。得られたペーストを一対の圧延ローラを用いて先に調製しておいた幅５００ｍｍのＳＵＳ４３０製メタルラス基板のラス目間及び表面に触媒を塗布して厚さ０．７ｍｍの板状触媒を得た。

この板状触媒を両一対の型抜き機に挟み込み油圧プレス機を用いて所定の位置に複数の矩形の開口９を形成した。このときの開口９の大きさは、長手幅４４０ｍｍ（両端の板状触媒の残部はそれぞれ３０ｍｍ）、ガス流れ方向の短手幅１０ｍｍであり、開口９間のピッチを５０ｍｍとした。その後、線条の突条部３をプレス機で成型後、長さ５００ｍｍに切断して図１に示す板状触媒１を得た。

次いで得られた触媒エレメントを金属製のケーシング１３の枠内へ表裏交互に積層した。これを５００℃で２時間通気しながら焼成し触媒構造体１１を得た。

［実施例２］
実施例１の開口９の大きさを、長手幅４４０ｍｍ（両端の板状触媒の残部はそれぞれ３０ｍｍ)、短手幅５ｍｍ、開口９間のピッチを５０ｍｍとして、その他は実施例１と同様に触媒構造体１１を得た。

［実施例３］
実施例１の開口９の大きさを、長手幅４４０ｍｍ（両端の板状触媒の残部はそれぞれ３０ｍｍ）、短手幅２０ｍｍ、開口９間のピッチは５０ｍｍとして、その他は実施例１と同様に触媒構造体１１を得た。

［実施例４］
実施例１の開口９の大きさを、長手幅４４０ｍｍ（両端の触媒基板の残部はそれぞれ３０ｍｍ）、短手幅１０ｍｍ、開口９のピッチは３０ｍｍとして、その他は実施例１と同様に触媒構造体１１を得た。

[実施例５]
実施例１の開口９の大きさを、長手幅４４０ｍｍ（両端の触媒基板の残部はそれぞれ３０ｍｍ）、短手幅１０ｍｍ、開口９のピッチは１５０ｍｍとして、その他は実施例１と同様に触媒構造体１１を得た。

[比較例１]
実施例１における開口９の形成を行わないで、触媒構造体１１を得た。

[比較例２]
実施例１の開口９の大きさを、長手幅４４０ｍｍ（両端の触媒基板の残部はそれぞれ３０ｍｍ）、短手幅３０ｍｍ、開口９のピッチは５０ｍｍとして、その他は実施例１と同様に触媒構造体１１を得た。

[試験例]
実施例及び比較例の触媒構造体について、表１に記載のガス条件で脱硝反応率を測定した。その結果を表２に示す。本結果から明らかなように、本発明の実施例で得られた脱硝反応率は、比較例に比べて何れも高かった。特に実施例６では、実施例１よりも高い反応率を示しており、ガス攪拌の促進効果がより大きいことを示している。

１ 板状触媒
３ 突条部
５ 平坦部
７ 金属基板
９ 開口
１１ 触媒構造体
１３ ケーシング
１５ 端面
１７ 第１セクション
１９ 前縁部
２１ 第２セクション
２３ 第３セクション
３１，３３ プレス加工機
３７ 積層工程

Claims (5)

1. 帯状突起からなる突条部と平坦部とを交互に間隔をあけて繰り返して形成される板状触媒であって、
   複数の前記突条部とそれぞれ交差して延在する帯状の開口を有してなる板状触媒。
2. 前記開口は、互いに間隔をあけて複数設けられることを特徴とする請求項１に記載の板状触媒。
3. 請求項１又は２に記載の板状触媒を複数枚積層することにより、隣り合う前記板状触媒間に前記突条部を仕切り壁とするガス流路を形成し、かつ、隣り合う前記板状触媒間の前記開口を互いに対向させて配置してなる触媒構造体。
4. 前記複数の板状触媒は、前記開口のガス流れ方向の前後で、互いにガス流れ方向と直交する反対方向にそれぞれ円弧状に湾曲してなる請求項３に記載の触媒構造体。
5. 触媒成分を塗布して形成される板状触媒をプレス加工して矩形の開口を形成する第１の工程と、この開口が形成された板状触媒をプレス加工して開口の長手方向と交差する複数の帯状突起からなる突条部を所定のピッチで形成する第２の工程とを含む板状触媒の製造方法。

Images