JP2014097438A

JP2014097438A - 排ガス浄化用触媒構造体

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Publication number: JP2014097438A
Application number: JP2012249094A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Kai; 啓一郎甲斐; Yasuyoshi Kato; 泰良加藤
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-29
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: US9694318B2; WO2014076938A1; CN104781005A; JP5896883B2; US20150258494A1; CN104781005B

Abstract

【課題】触媒構造体の生産性を低下させることなく、低い圧力損失で且つ高い脱硝効率を有する触媒構造体を提供する。
【解決手段】主構成部である平坦部３と、凸条および凹条からなる線状のスペーサ部２とからなる平板状触媒エレメントを、スペーサ部の長手方向に沿ってガス流路が確保されるように重ね合せてなる排ガス浄化用触媒構造体であって、前記平坦部は、平坦部を基準にしたスペーサ部の高さよりも低い高さで平坦部に立設された脚板４ｂと該脚板の上辺から平坦部に略平行に設置された天板４ａとからなるバッフル部４を少なくとも１つ有し、前記ガス流路に流れるガスを前記バッフル部で乱すことができる排ガス浄化用触媒構造体。
【選択図】図１

Description

本発明は排ガス浄化用触媒構造体に関する。より詳細に、本発明は、ボイラ排ガス中の窒素酸化物を除去するための脱硝装置に好適に用いられる、平板状触媒エレメントをガス流路が確保されるように重ね合せてなる排ガス浄化用触媒構造体に関する。

火力発電所、各種工場、自動車などから排出されるガス中の窒素酸化物（ＮＯ_x）は、光化学スモッグや酸性雨の原因物質である。窒素酸化物の除去技術として、アンモニア（ＮＨ₃）を還元剤とする選択的接触還元反応による排煙脱硝法が知られており、火力発電所などを中心に幅広く採用されている。石炭や重油を燃料とする火力発電所の排ガスは、煤塵を多量に含むため、脱硝触媒の目詰まりをもたらし、経時的な圧力損失の上昇や脱硝効率の低下を引き起こすことが懸念される。高煤塵排ガス用の脱硝触媒としてパラレルフロー型の触媒が知られている。パラレルフロー型の触媒としては、板状触媒エレメントを複数枚重ね合せたものと、触媒をハニカム状に成形したものとが挙げられる。これらのうち板状触媒エレメントを複数枚重ね合せたものは板状触媒エレメントが金属製基材などで補強されているのでハニカム状に成形したものに比べ機械的強度に優れている。

板状触媒エレメントからなるパラレルフロー型触媒における脱硝効率を高めるために排ガス流れに乱れを生じさせるような突起や貫通孔を板状触媒エレメントに設けることが試みられている。例えば、特許文献１には、表面に触媒活性を有する成分を担持した板状触媒に複数の堰状突起と該突起とほぼ相補形状をなす複数の貫通孔を形成したことを特徴とする単位板状触媒が開示されている。また特許文献２には、流路内のガスが乱れるように、帯状の突条部を交互に直角になるように複数枚積層した構造体が開示されている。さらに、特許文献３には、板状触媒エレメントを積層してなる触媒構造体を所定の間隔を開けてガス流れ方向に対して複数段設け、且つ触媒構造体中に在る板状触媒エレメントの突条部の向きが、それの後段の触媒構造体中に在る板状触媒エレメントの突条部の向きと９０度を成すように配置することを特徴とするものが開示されている。

特開平９−１０５９９号公報特開昭５５−１５２５５２号公報特開２０１０−２５３３６６号公報特開平３−０６５２４３号公報

特許文献１のような堰状突起ではガス流れを十分に乱すために堰状突起を大きくするか、堰状突起の設置数を多くする必要がある。その結果、触媒構造体の圧力損失が高くなって、脱硝効率が低下することがある。一方、特許文献２や３のように、流路確保のためのスペーサとなる凸条部を直交させて積層するのは手間がかかり、触媒構造体の生産性を低下させる。
本発明の目的は、触媒構造体の生産性を低下させることなく、低い圧力損失で且つ高い脱硝効率を有する触媒構造体を提供することである。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、以下のような態様の本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は以下の態様を包含するものである。
〔１〕主構成部である平坦部と、凸条および凹条からなる線状のスペーサ部とからなる平板状触媒エレメントを、スペーサ部の長手方向に沿ってガス流路が確保されるように重ね合せてなる排ガス浄化用触媒構造体であって、
前記平坦部は、平坦部を基準にしたスペーサ部の高さより低い高さで平坦部に立設された脚板と該脚板の上辺から平坦部に略平行に設置された天板とからなるバッフル（邪魔板）部を少なくとも１つ有し、
前記ガス流路に流れるガスを前記バッフル部で乱すことができる排ガス浄化用触媒構造体。

〔２〕一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部が、重ね合せられた隣りの板状触媒エレメントに在るバッフル部と、平坦部法線方向から見て、同じ位置に配置されている、〔１〕に記載の触媒構造体。
〔３〕一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きが、重ね合せられた隣の板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きと同じである、〔１〕または〔２〕に記載の触媒構造体。
〔４〕一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きが、重ね合せられた隣の板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きと逆である、〔１〕または〔２〕に記載の触媒構造体。
〔５〕平坦部はバッフル部の在る部分に表面から裏面に貫通する孔を有する、〔１〕〜〔４〕のいずれかひとつに記載の触媒構造体。
〔６〕平坦部を基準にした天板の高さが、平坦部を基準にしたスペーサ部の高さの２／５〜３／５である、〔１〕〜〔５〕のいずれかひとつに記載の触媒構造体。

本発明に係る触媒構造体は、低い圧力損失で且つガス流れを効率的に乱すことができ、その結果として、触媒重量当たりの脱硝効率が高い。本発明に係る触媒構造体において、一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部が、重ね合せられた隣りの板状触媒エレメントに在るバッフル部と平坦部法線方向から見て同じ位置に配置されていると、低い圧力損失で且つガス流れをより効率的に乱すことができ、触媒に接触することなく触媒構造体を素通りしてしまう排ガスの量を大幅に減らすことができる。
バッフル部の在る部分に表面から裏面に貫通する孔を有する場合には、バッフル部に衝突したガスの一部が貫通孔を通過するようになるので、圧力損失が大幅に低減できる。
本発明によると同一触媒量での脱硝性能を高くできるため，触媒の使用量を大幅に低減することが可能である。また、実機の排ガス条件に応じて、バッフル部の設置条件を自由に設定することが可能であるため、広範の排ガスに対応することが可能である。

本発明における板状触媒エレメントに設けるバッフル部の一例を示す概念図。本発明の実施例における触媒エレメントの積層構造を示す図。本発明の一実施例である触媒構造体内のガス流れを示す概念図。本発明における板状触媒エレメントに設けるバッフル部の形状例を示す図。板状触媒エレメントの形状と寸法を示す図（バッフル部は図示せず。）。板状触媒エレメントを積層して構成される触媒構造体の一例を示す図。短尺の板状触媒を積層した触媒構造体をガス流れ方向に対して複数段設けた従来の触媒構造体の配置例を示す図。

〔排ガス浄化用触媒エレメント〕
本発明の一実施形態に係る排ガス浄化用触媒構造体は、平板状触媒エレメントをガス流路が確保されるように重ね合せてなるものである。

板状触媒エレメント１としては、例えば、主構成部である平坦部３と、凸条および凹条からなる線状のスペーサ部２とからなるものが挙げられる。スペーサ部２は、板状触媒エレメントを複数枚重ねたときにエレメント間にガスが通り抜けることができる空間を確保するためのスペーサの役割をなす。凸条と凹条の断面形状は特に制限されない。例えば、特開昭５６−３３１３６号公報に記載のような形状が挙げられる。ひとつの凸条とひとつの凹条とからなる断面波形のスペーサ部２は、図６に示すように板状触媒エレメントを積層したときに二つの断面波形のスペーサ部で隣接する板状触媒エレメントの平坦部３を挟持する配置になるので重ね合わせた方向に対する剛性が高く、波形部の幅や数量を仮に減らしたとしても触媒構造体の保形性を高く維持できるので好ましい。スペーサ部２は平板基材を型曲げ加工することによって形成することができる。なお、型曲げ加工はプレスによって材料を曲げる操作である。波形凹凸条部間の間隔は、好ましくは２０〜２００ｍｍである。

実施形態に係る板状触媒エレメントは、平坦部３にバッフル部４を少なくとも一つ有する。バッフル部４は、脚板４ｂと天板４ａとからなる。
脚板４ｂは平坦部３に立設されている。脚板の板面の向きはスペーサ部の長手方向に平行でない向き、好ましくは直交する向きにすることが好ましい。脚板は板面が平坦部に対して垂直に立っていてもよい（図４（ａ）参照）し、平坦部に対して斜めに立っていてもよい（図４（ｂ）参照）。低圧力損失の観点から図４（ｂ）のように平坦部に対して斜めに立設することが好ましい。脚板は平坦部から上向きにまたは下向きに立設させることができる。脚板は上向きと下向きとを交互に立設されていてもよい。

脚板の高さｈ’は、平坦部を基準にしたスペーサ部の高さよりも低い高さ、好ましくは平坦部を基準にしたスペーサ部の高さの２／５〜３／５の高さ、より好ましくは平坦部を基準にしたスペーサ部の高さの１／２の高さである。スペーサ部の高さによって、板状触媒エレメントを重ねたときにできるガス流路の幅、すなわち平坦部間の距離ｈがほぼ決まる。そして脚板の高さによって天板と平坦部との間の距離がほぼ定まる。本発明においては重ね合せた触媒エレメントの平坦部と平坦部との間にできる流路の真中（ｈ／２の高さ）あたりに天板４ａが配置されるようにすることが好ましい。

天板４ａは、前記脚板４ｂの上辺から平坦部３に略平行に設置されている。天板は流れに相対する向きに突き出るように設置されることが好ましい。脚板からの突出し長さｄは特に制限されないが、好ましくは脚板の高さの１〜１０倍、より好ましくは脚板の高さの１．５〜５倍である。具体的に、長さｄは１〜３ｃｍである。長さｄが短すぎると特許文献１のごとくガス攪拌効果が小さい割りに圧力損失が高くなる。長さｄが長すぎると一流路内に設けることができるバッフル部の数が少なくなるため、高い性能向上効果が得られない。

脚板と天板との継ぎ目および脚板と平坦部との継ぎ目は図４（ａ）や（ｂ）のように角を成していてもよいし、図４（ｃ）のような滑らかな曲面になっていてもよい。低圧力損失の観点から図４（ｃ）のような曲面になっていることが好ましい。

天板および脚板は、スペーサ部の長手方向に直交する方向の長さ（幅）が、スペーサ部間にある平坦部３の幅Ｌに対して、好ましくは１０〜９５％、より好ましくは３０〜８０％である。図１には、平坦部３の幅Ｌにほぼいっぱいの幅でバッフル部が１つ設けられているが、バッフル部を幅方向の中央で二つに分けて間隔を開けて設けることもできる。板状触媒エレメントを重ねたときに、当該間隔を開けた部分に、隣接する板状触媒エレメントのスペーサ部が収まるようにすることができる。図１に示す板状触媒エレメントでは、天板の幅と脚板の幅は、同じであるが、天板の幅を脚板の幅よりも大きくしてもよいし、逆に天板の幅を脚板の幅よりも小さくしてもよい。

バッフル部は、スペーサ部の長手方向に３〜１０ｃｍの間隔を開けて平坦部に設置することが好ましい。
また、平坦部はバッフル部の在る部分に表面から裏面に貫通する孔を有することが好ましい。図１に示されるエレメントではバッフル部に相補的な貫通孔が設けられている。バッフル部と貫通孔とが設けられていると図３のようにガスが流れると推定される。

一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部は、重ね合せられた隣りの板状触媒エレメントに在るバッフル部と、平坦部法線方向から見て、同じ位置に配置することが好ましい。また、図２（ｂ）に示すように、一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きが、重ね合せられた隣りの板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きと同じになるように配置してもよいし、図２（ｃ）に示すように、一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きが、重ね合せられた隣りの板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きと逆になるように配置してもよい。

平板状触媒エレメント１は、基材（平坦部、スペーサ部およびバッフル部を形作るための基材）と、基材表面に担持された触媒成分を含む層（以下、触媒層ということがある。）を有するものである。基材としては、金属製ラス板、ガラス繊維などの無機繊維のより糸を織ってなるもの、Ｅガラス製の撚り糸を網状に織った布などが挙げられる。基材の厚さは特に制限されないが、好ましくは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍである。

触媒成分は窒素酸化物の除去を促進することができるものであれば特に制限されない。触媒成分としては、例えば、チタン、鉄、バナジウム、モリブデン、タングステンなどの元素を任意の組み合わせで含むものが挙げられる。触媒成分の基材への塗布においては触媒成分を含有するペースト状組成物（以下、触媒ペーストということがある。）を用いることができる。触媒成分の基材への塗布方法は、特に制限されない。例えば、触媒ペーストを平らな金属製ラス板の一面に載せ、ローラ等で挟むことによる方法、ガラス繊維製織布からなる平らな基材の一面に触媒ペーストを塗り、ガラス繊維製織布からなる別の平らな基材を塗布面に載せて、触媒ペーストを２枚の基材で挟み込むように重ね、必要に応じて重ね合わせた基材の両面に触媒ペーストを塗布し、次いでこれをロール等で強く圧し潰して触媒ペーストを基材に浸み込ませることによる方法などが挙げられる。このようにして得られる平らな板状触媒は、平らな基材の両面に触媒層が積層された構造のものとなる。基材の網目間は触媒ペーストで埋まっていることが好ましい。

板状触媒エレメントのスペーサ部およびバッフル部は、次のようにして形成する。触媒ペーストが積層されてなる平らな基材をプレス曲げ加工することによって断面波形のスペーサ部を形成することができる。またプレス切断加工によってコの字状の切り込みを入れるとともにプレス曲げ加工によって切り込み部を図４のように曲げてバッフル部を形成することができる。上記のプレス加工における温度は１２０℃〜３００℃が好適である。この温度範囲にするとプレス加工時に塗布された触媒ペースト中の水分が蒸発して触媒成分が基材上で固化する。なお、プレス加工時の温度が低すぎると蒸発が十分に成され難い傾向がある。プレス加工時の温度が高すぎると表面部分の水分の蒸発が早すぎて成形し難い傾向がある。このような方法などで得られた板状触媒エレメントは枠体５内に収容できる大きさに適宜カットすることができる。

〔触媒構造体〕
本発明の一実施形態に係る触媒構造体は、板状触媒エレメントを複数枚重ねて成るものである。重ねた平板状触媒エレメントが崩れないようにするために枠体５に収容することができる。板状触媒エレメントの重ね方は、板状触媒エレメント間にガスが通過できる空間を確保できる形態であれば特に制限されない。断面波形のスペーサ部が相互に平行になるように重ねてもよいし、相互に直角になるように重ねてもよいし、または平行と直角の中間の角度になるように重ねてもよい。本発明では図６に示すようにスペーサ部が相互に平行になるように重ねるのが好ましい。また、スペーサ部が嵌め合わないように重ねること、すなわち一つの触媒エレメントに在るスペーサ部が隣の触媒エレメントに在る平坦部に接するように重ねることが高い開口率および高い脱硝効率を得る観点から好ましい。重ねる枚数は枠体の大きさと板状触媒エレメントの大きさに応じて適宜設定することができる。通常は２０〜４０枚程度の板状触媒エレメントを重ねる。枠体は、重ねられた板状触媒エレメント間にガスを導くことができる構造のものであれば特に制限されない。例えば、枠体５は４枚の金属製平板で構成した四角筒状のものが挙げられる。

本発明に係る排ガス浄化方法は、前記本発明に係る排ガス浄化用触媒構造体に、排ガスを、スペーサ部の長手方向に沿うように構造体に流入させることを含む。本発明の触媒構造体を用いると、流路内を流れるガスがバッフル部によって低い圧力損失で且つ効率よく乱されるので、脱硝効率が非常に高くなる。

次に、実施例を示して、本発明をより詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

［実施例１］
酸化チタン１０ｋｇ、モリブデン酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₆・Ｍｏ₇Ｏ₂₄・４Ｈ₂Ｏ）２ｋｇ、メタバナジン酸アンモニウム１ｋｇ、および蓚酸１ｋｇを混合し、水を加えながらニーダで１時間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分間混練して水分約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長尺帯状のＳＵＳ４３０製メタルラス基材のラス目間及び表面に塗布して厚さ０．７ｍｍの平らな長尺帯状の板状触媒を得た。これにプレス機を用いて図５の如く波型のスペーサ部（高さｈ＝６ｍｍ）を成形して長尺帯状の板状触媒を得た。その後、長尺帯状の板状触媒を幅１５０ｍｍ−長さ６００ｍｍに切断して触媒エレメント(1)を得た。この触媒エレメント(1)に加工用金型を用いたプレス加工を施し、エレメント平坦部に図１に示すような逆Ｌ字状のバッフル部を形成させて触媒エレメント(2)を得た。バッフル部は、幅が４０ｍｍ、高さが３ｍｍ（ｈ／２）、天板長さｄが２０ｍｍであり、流路方向における設置間隔が５０ｍｍである。得られた触媒エレメント(2)を図２（ａ）の構造になるように１２枚を重ね合わせ、それらを枠体に収容して、１５０ｍｍ角、長さ６００ｍｍの触媒ユニットＡを製作した。該触媒ユニットＡを２４時間風乾し、次いで空気を流しながら５００℃で２時間焼成した。ガスは図２（ａ）に示された方向から流した。

［実施例２］
実施例１で得られた触媒エレメント(2)を図２（ｂ）のように重ね合わせ各触媒エレメントに形成されたバッフル部の向きが同じになるように設置された触媒ユニットＢを製作した。ガスは図２（ｂ）に示された方向から流した。

［実施例３及び４］
逆Ｌ字状バッフル部の天板長さｄを１０ｍｍおよび３０ｍｍにそれぞれ変更した以外は実施例２と同じ手法によって触媒ユニットＣ及びＤを製作した。

［実施例５］
実施例１で得られた触媒エレメント(2)を図２（ｃ）のように重ね合わせ触媒エレメントに形成されたバッフル部の向きが逆になるように設置された触媒ユニットＥを製作した。ガスは図２（ｃ）に示された方向から流した。

［実施例６］
バッフル部の形状を図４（ｂ）に示すような角度θ４０°で折れ曲がった形状（天板長さｄ＝２０ｍｍ）に変更した以外は実施例２と同じ手法によって触媒ユニットＦを製作した。

［比較例１］
触媒エレメント(2)を実施例１で調製した触媒エレメント(1)に変えた以外は実施例１と同じ手法によって触媒ユニットＧを製作した。

［比較例２］
実施例１で調製した６００ｍｍ長さの触媒エレメント(1)を５０ｍｍ長さに切断したものを重ね合わせ枠体に収容して１５０ｍｍ角、長さ５０ｍｍの触媒ユニットを１２個製作した。これらを２ｃｍ等間隔に図７に示すように直列配置して多段触媒構造体Ｈを製作した。

［比較例３］
実施例１におけるバッフル部の天板を無くして（ｄ＝０ｍｍ）、幅４０ｍｍ−高さ３ｍｍの堰状突起を５０ｍｍ間隔で設置した触媒エレメント(3)を製作した。触媒エレメント(2)を触媒エレメント(3)に変えた以外は実施例１と同じ手法によって触媒ユニットＩを製作した。

上記の実施例及び比較例で得られた触媒ユニットＡ〜Ｉについて、表１に記載の条件で脱硝反応を行い、脱硝反応速度と圧力損失を測定した。その結果を表２に示す。
表２に示すとおり、触媒ユニットＧ（比較例１）は、通風損失は低いが脱硝性能が著しく低い。多段触媒構造体Ｈ（比較例２）は触媒ユニットＧに比べると１．２倍程度の脱硝性能の向上が見られるが不十分である。
これに対して、触媒ユニットＡ〜Ｆ（実施例１〜６）の脱硝性能は、触媒ユニットＧ並びに多段触媒構造体Ｈに比べて大きい。具体的に、触媒ユニットＡ〜Ｆ（実施例１〜６）の脱硝性能は、触媒ユニットＧに対しては１．６〜１．７倍程度まで向上している。特に、天板を有さない堰状突起を設置した触媒ユニットＩ（比較例３）と比べると、圧力損失は同程度であるのに対して脱硝活性の向上度が高い。
この結果から、本発明に係る触媒エレメントに設けた天板と脚板とからなるバッフル部が脱硝活性の向上に大きく寄与していることが分かる。
さらに、一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部が、重ね合せられた隣りの板状触媒エレメントに在るバッフル部と、平坦部法線方向から見て、同じ位置に配置されている触媒ユニットＢおよびＥ（実施例２及び５）は、触媒ユニットＡ（実施例１）に比べて、圧力損失の低く、より効果的な構造と言える。また，バッフル部が図４（ｂ）のように脚板を斜めに立設させた触媒エレメントからなる触媒ユニット（実施例６）は、脱硝性能を高く維持したまま、圧力損失を低減できるものであり効果的である。

１：板状触媒エレメント
２：スペーサ部
３：平坦部
４：バッフル（邪魔板）部
４ａ：天板
４ｂ：脚板（leg plateまたはpedestal plate）
５：触媒構造体（触媒ユニット）

Claims

主構成部である平坦部と、凸条および凹条からなる線状のスペーサ部とからなる平板状触媒エレメントを、スペーサ部の長手方向に沿ってガス流路が確保されるように重ね合せてなる排ガス浄化用触媒構造体であって、
前記平坦部は、平坦部を基準にしたスペーサ部の高さよりも低い高さで平坦部に立設された脚板と該脚板の上辺から平坦部に略平行に設置された天板とからなるバッフル部を少なくとも１つ有し、
前記ガス流路に流れるガスを前記バッフル部で乱すことができる排ガス浄化用触媒構造体。
一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部が、重ね合せられた隣の板状触媒エレメントに在るバッフル部と、平坦部法線方向から見て、同じ位置に配置されている、請求項１に記載の触媒構造体。
一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きが、重ね合せられた隣の板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きと同じである、請求項１または２に記載の触媒構造体。
一つの板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きが、重ね合せられた隣の板状触媒エレメントに在るバッフル部の向きと逆である、請求項１または２に記載の触媒構造体。
平坦部はバッフル部の在る部分に表面から裏面に貫通する孔を有する、請求項１〜４のいずれかひとつに記載の触媒構造体。
平坦部を基準にした天板の高さが、平坦部を基準にしたスペーサ部の高さの２／５〜３／５である、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の触媒構造体。