JP2014113568A - 排ガス浄化用触媒構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】通風損失の調整自由度が高く、且つ高い脱硝性能を有する板状触媒エレメントを複数枚重ねて成る触媒構造体を提供する。
【解決手段】平坦な主面を有する基板とそれに付着された触媒成分を含む層とを有する板状触媒エレメントを複数枚重ねて成る排ガス浄化用触媒構造体であって、 該基板は基板の幅より短い少なくとも一つの凸条と基板の幅より短い少なくとも一つの凹条とからなる波形突起部が凸条または凹条の長手方向に間隔を置いて少なくとも二つ形成されており、 凸条または凹条の長手方向であって且つ間隔を置いて形成された波形突起部の間が基板主面と同じ平坦部であるかまたは基板を貫通する孔であり、且つ 凸条または凹条の長手方向に対して直角な方向の一方の端にガス流入口があり、他方の端にガス流出口がある、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排ガス浄化用触媒構造体に関する。

火力発電所や各種工場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の製法の一例として、触媒原料に水分を加えて混練してペーストを得、このペーストをエキスパンドメタルなどの基板に塗布し、加圧成形によって基板面を横断する凸条部２を平行に間隔を置いて形成し、次いで所定の大きさに切断することを含む方法が知られている（図６、特許文献１、特許文献２）。この板状触媒エレメントを凸条部が平行になるように複数枚を重ね合せ、ガスが凸条部に対して平行に流れるように配置されてなる触媒構造体が開示されている（図７）。
排気ガスと触媒との接触率を高めるために、板状触媒エレメントを凸条部が交互に直交するように複数枚を重ね合せ、ガスが凸条部に対して平行に流れる部分とガスが凸条部に対して直角に流れる部分とができるように配置されてなる触媒構造体が提案されている（図８、特許文献３）。

特開昭５４−７９１８８号公報 特開昭５９−７３０５３号公報 特開昭５５−１５２５５２号公報

図７に示す触媒構造体は、通風損失が小さく、煤塵や石炭の燃焼灰による摩耗や流路の目詰まりを起こしにくい等の特長を有し、火力発電用ボイラの排ガス処理装置に多用されている。ところが、該触媒構造体内を流れるガスは乱れがほとんど無い層流状態にあるため、触媒表面に境界層が発達し下流側へ行くに従ってその境界層が厚く成り、ガスと触媒との接触抵抗が増大する。該触媒構造体における反応速度を下流側でも高く維持するためには触媒量を増加する必要がある。

図８に示す触媒構造体は、ガスの流れに直交する凸条部によってガスの流れが乱され触媒との接触効率が高まるので、脱硝効率の向上が期待できそうである。ガス流れに直交する凸条部（図９中のＡ部）を設けることは、ガス流れ方向から見たガス流路の開口率約５０％の絞りを多段に設けたことに相当し、通風損失が大幅に増大する。排ガス脱硝装置のように多量のガスを処理する装置では、通風損失はシステムの効率に大きく影響し、実用化する上での大きなデメリットとなる。また、図８に示す触媒構造体では通風損失と性能を変化させる自由度が小さい。すなわち、同一形状の触媒エレメント１の凸条部２と隣接する触媒エレメント１の凸条部２とを交互に直交するように積層すると、触媒エレメント１同士間のピッチを変更してもガス流れ方向から見たガス流路の開口率は変化しないため、通風損失の低減が難しい上に、触媒構造体の長さは該構造体の間口幅と同一寸法に固定されてしまう。もちろん、形状の異なる触媒エレメント１を二種類用意し、これらを交互に用いて触媒長さを変化させることもできるが、製造工程が煩雑になり製造コストの増大を招くことになる。

本発明の課題は，通風損失の調整自由度が高く、且つ高い脱硝性能を有する板状触媒エレメントを複数枚重ねて成る触媒構造体を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために検討した結果、以下のような形態を包含する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〕 平坦な主面を有する基板とそれに付着された触媒成分を含む層とを有する板状触媒エレメントを複数枚重ねて成る排ガス浄化用触媒構造体であって、
該基板は基板の大きさより短い少なくとも一つの凸条と基板の大きさより短い少なくとも一つの凹条とからなる波形突起部が凸条または凹条の長手方向に間隔を置いて少なくとも二つ形成されており、
凸条または凹条の長手方向であって且つ間隔を置いて形成された波形突起部の間が基板主面と同じ平坦部であるかまたは基板を貫通する孔であり、且つ
凸条または凹条の長手方向に対して直角な方向の一方の端にガス流入口があり、他方の端にガス流出口がある、排ガス浄化用触媒構造体。

〔２〕 波形突起部が千鳥配置に形成されている〔１〕に記載の排ガス浄化用触媒構造体。
〔３〕 一の排ガス浄化用触媒エレメントの波形突起部と、他の排ガス浄化用触媒エレメントの波形突起部とが嵌め合わないように重ねて成る、〔１〕または〔２〕に記載の排ガス浄化用触媒構造体。

〔４〕 基板に触媒成分を含む組成物を塗布する工程、
塗布された基板に少なくとも一つの凸条と少なくとも一つの凹条とからなる波形凹凸条部を基板面を横断するように少なくとも一つ形成する工程、ならびに
前記波形凹凸条部を加工して凸条または凹条の長手方向に間隔を置いて平坦部または貫通孔を形成する工程を有する、〔１〕〜〔３〕のいずれかひとつに記載の排ガス浄化用触媒構造体の製造方法。
〔５〕 前記〔１〕〜〔３〕のいずれかひとつに記載の排ガス浄化用触媒構造体に、ガスを、ガス流入口から流入させ、波形突起部の長手方向に対して直角な方向に流し、ガス流出口から流出させることを含む排ガス浄化方法。

本発明の触媒構造体は低通風損失と高活性の相反する性能を両立できる。尚且つ実際の排ガス条件に応じて、そのバランスを自由に調整することが可能であるため、広範の排ガス条件に対応することが可能である。

本発明の一実施形態に係る板状触媒エレメント２枚を波形突起部が嵌め合わないようにして重ねた状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る板状触媒エレメントを示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る触媒構造体内におけるガスの流れ状態を説明するための図である。 本発明の別の一実施形態に係る板状触媒エレメント２枚を波形突起部が嵌め合わないようにして重ねた状態を示す斜視図である。 本発明の別の一実施形態に係る板状触媒エレメントを示す平面図である。 従来技術に係る板状触媒エレメントの形状を示す斜視図である。 従来技術に係る板状触媒エレメントを凸条部が平行となるように重ねて成る触媒構造体の一例を示す図である。 従来技術に係る板状触媒エレメントを凸条部が直角となるように重ねて成る触媒構造体の一例を示す図である。 従来技術に係る触媒構造体内におけるガスの流れ状態を説明するための図である。

〔排ガス浄化用触媒エレメント〕
（実施形態１）
本発明の一実施形態に係る板状触媒エレメントは平坦な主面を有する基板とそれに付着された触媒成分を含む層とを含んでなる。該エレメントに用いられる基板は、平坦な主面を有するものであれば特に制限されない。基板は金属製ラス基板から成ることが好ましい。ラス基板は金属製薄板に千鳥配置に一方向に所定長さの線状の切れ目を入れ、この線状切れ目に直角な方向に薄板を引っ張って網目を形成することによって得ることができる。基板の厚さは特に制限されないが、好ましくは０．１５ｍｍ〜０．２ｍｍ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。触媒成分の基板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。触媒ペーストをラス基板に一方の面から押し付けて付着させると触媒ペーストが網目を通って他方の面にはみ出すので、ラス基板の両面から触媒ペーストを押し付けるようにして付着させることが好ましい。このようにして得られる板状触媒エレメントは、金属製ラス基板の両面に触媒層が積層された構造のものとなる。基板の網目部分は触媒ペーストで埋まっていてもよい。

図１および図２に示す板状触媒エレメント１６は、基板に少なくとも一つの凸条と少なくとも一つの凹条とからなる波形突起部１２が形成されている。当該凸条および凹条の長さは基板の大きさよりも短く、波形突起部１２が凸条または凹条の長手方向に間隔を置いて少なくとも二つ形成される程度の長さである。波形突起部１２は、板状触媒エレメント１６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およびガスの流れに乱れを生じさせる役割をなす。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。図１に示すようなひとつの凸条とひとつの凹条とからなる波形突起部１２は、板状触媒エレメントを積層したときに二つの波形突起部１２で隣接する板状触媒エレメントの平坦部１３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、波形突起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。

板状触媒エレメント１６は、凸条または凹条の長手方向であって且つ間隔を置いて形成された波形突起部１２の間が、基板主面と同じ平坦部１８である。図１または図２に示す板状触媒エレメント１６において右から左に向かってガスを流すと、図３に示すようにガスは波形突起部１２で遮られ左右の平坦部１８に流れ込むようになるので、図８に示すような構造体に比べて高い開口率を確保でき、通風損失を下げることができる。さらに、図３に示すように波形突起部１２によってガスの流れが乱され、境界層が薄くなる。特に波形突起部１２が千鳥配置に形成されているとガスの流れの乱れが増すので好ましい。これによってガスと触媒との接触度合いが高まり脱硝効率が上がる。通風損失と脱硝効率は、要求性能に応じて、波形突起部１２の長さａと平坦部１８の長さｂとの割合を適宜設定することによって、調整することができる。

板状触媒エレメント１６を製造する方法は、特に限定されない。例えば、基板に触媒成分を含む組成物を塗布する工程、塗布された基板に少なくとも一つの凸条と少なくとも一つの凹条とからなる波形凹凸条部を、基板面を横断するように少なくとも一つ形成する工程、ならびに 前記波形凹凸条部を加工して凸条または凹条の長手方向に間隔を置いて平坦部を形成する工程を有する方法によって製造することができる。波形凹凸条部は、例えば、型曲げ加工によって形成することができる。平坦部は、例えば、波形凹凸条部を平プレスで圧し潰すことによって形成することができる。板状触媒エレメント１６は後述する枠体内に収容できる大きさに適宜カットすることができる。

（実施形態２）
図４および図５に示す板状触媒エレメント２７は、凸条または凹条の長手方向であって且つ間隔を置いて形成された波形突起部２２の間が基板を貫通する孔２９であること、および波形突起部２２とエレメントの縁との間が基板を貫通する切り込み２５であること以外は実施形態１と同じ構造のものである。
図４または図５に示す板状触媒エレメント２７において右から左に向かってガスを流すと、ガスは波形突起部２２で遮られ左右の貫通孔２９または切り込み部２５に流れ込むようになるので、図８に示すような構造体に比べて高い開口率を確保でき、通風損失を下げることができる。さらに、波形突起部２２によってガスの流れが乱され、境界層が薄くなる。特に波形突起部２２が千鳥配置に形成されているとガスの流れの乱れが増すので好ましい。これによってガスと触媒との接触度合いが高まり脱硝効率が上がる。通風損失と脱硝効率は、要求性能に応じて、波形突起部２２の長さａと貫通孔２９の長さｂとの割合を適宜設定することによって、調整することができる。

板状触媒エレメント２７を製造する方法は、特に限定されない。例えば、基板に触媒成分を含む組成物を塗布する工程、塗布された基板に少なくとも一つの凸条と少なくとも一つの凹条とからなる波形凹凸条部を、基板面を横断するように少なくとも一つ形成する工程、ならびに 前記波形凹凸条部を加工して凸条または凹条の長手方向に間隔を置いて貫通孔を形成する工程を有する方法によって製造することができる。波形凹凸条部は、例えば、型曲げ加工によって形成することができる。貫通孔は、例えば、波形凹凸条部をパンチング加工やレーザ加工などすることによって形成することができる。板状触媒エレメント２７は後述する枠体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１６または２７を複数枚重ねて成るものである。重ねたものが崩れないようにするために枠体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。凸条または凹条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１や図４に示すように凸条または凹条が相互に平行になるように重ねるのが好ましい。板状触媒エレメントは、波形突起部１２または２２が嵌め合わない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選択することができる。通常は２０〜４０枚程度の板状触媒エレメントを重ねる。枠体５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。

本発明に係る構造体は、ガスを波形突起部の長手方向に対して直角な方向から流す場合に適している。本発明に係る構造体は、凸条または凹条の長手方向に対して直角な方向の一方の端にガス流入口があり、他方の端にガス流出口がある。本発明に係る構造体の脱硝効率および通風損失は、波形突起部の長さａおよび平坦部または貫通孔の長さｂで決定されるガス流れ方向から見たガス流路の開口率の設定によって調整できる。この開口率を低くしすぎると通風損失の上昇が顕著になる。一方、開口率を高くしすぎると脱硝効率の向上度合いが小さくなる。脱硝効率と通風損失とのバランスの観点から、ガス流れ方向から見たガス流路の開口率は、好ましくは５０〜７０％である。
また、ガス流れ方向における波形突起部間の距離ｃや左右の位置関係も自由に設定することができる。ガス流れ方向における波形突起部間の距離ｃは３０〜１５０ｍｍに設定すると好結果が得られ易い。

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、これに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、これにシリカ・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。得られた触媒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の帯状ＳＵＳ４３０製メタルラス基板に前記触媒ペーストを塗布して触媒ペーストをラス目間および表面に付着させ厚さ０．７ｍｍの帯状触媒を得た。次いで、プレス機で、帯状触媒の長手方向に対して平行に、一つの凸条と一つの凹条とからなる波形凹凸条部を賦形した。次いで賦形された帯状触媒を長さ４７０ｍｍに切断して図６に示すような触媒エレメント１（幅４７０ｍｍ）を得た。その後、該触媒エレメントを両一対の平プレス機に挟み込み、触媒エレメント１の波形凹凸条部を所定間隔で押し潰して平面状に加工して、波形突起部１２と平坦部１８とを交互に有する触媒エレメント１６を製作した。然る後、触媒エレメント１６を波形突起部が嵌め合わないように交互に平面方向で１８０度回転させて４０枚積み上げ、金属製の枠体に収納した。これを５００℃で２時間通気しながら焼成し触媒構造体Ａを得た。触媒エレメント１６は、波形突起部１２の平坦部１３からの高さが７ｍｍ、波形突起部１２の長さａが４０ｍｍ、平坦部１３の長さｂが６０ｍｍに設定された。ガス流れ方向から見たガス流路の開口率は６０％であった。

［実施例２〜４］
波形突起部１２の長さａ／平坦部１３の長さｂを、５０ｍｍ／５０ｍｍ、３０ｍｍ／７０ｍｍ、および２０ｍｍ／８０ｍｍにそれぞれ変更した以外は実施例１と同じ方法にて触媒構造体Ｂ、Ｃ、およびＤを得た。ガス流れ方向から見たガス流路の開口率はそれぞれ５０％、７０％、および８０％であった。

［実施例５］
平プレス機によって平坦部１８を形成する代わりに、切抜き用金型が設置されたプレス機で貫通孔２９および切り込み２５を形成して触媒エレメント２７を製作した。然る後、触媒エレメント２７を波形突起部が嵌め合わないように交互に平面方向で１８０度回転させて４０枚積み上げ、金属製の枠体に収納した。これを５００℃で２時間通気しながら焼成し触媒構造体Ｅを得た。触媒エレメント２７は、波形突起部２２の平坦部２３からの高さが７ｍｍ，波形突起部の長さａが４０ｍｍ、貫通孔２９の長さｂが６０ｍｍに設定された。ガス流れ方向から見たガス流路の開口率は６０％であった。

［比較例１］
平プレス機によって平坦部１８を形成せずに、触媒エレメント１をそのまま波形突起部が嵌め合わないように交互に平面方向で１８０度回転させて４０枚積み上げ、金属製の枠体に収納した。これを５００℃で２時間通気しながら焼成し触媒構造体Ｆを得た。ガス流れ方向から見たガス流路の開口率を１００％とする。

［比較例２］
凸条部２の平坦部３からの高さを４ｍｍに変更し、平プレス機による平坦部１８の形成を行わず、触媒エレメント１をそのまま図８に示すように波形凹凸条部２が嵌め合わないように順次に平面方向で９０度回転させて４０枚積み上げ、金属製の枠体に収納した。これを５００℃で２時間通気しながら焼成し触媒構造体Ｇを得た。ガス流れ方向から見たガス流路の開口率は５０％であった。

実施例および比較例で得られた触媒構造体Ａ〜Ｇについて，表１に記載の条件で脱硝反応させた。そのときの反応速度を測定した。その結果を表２に示す。
触媒構造体Ｆは、開口率が高いので通風損失が低いが、脱硝性能が著しく低い（比較例１）。触媒構造体Ｇは、脱硝性能が高く、速度比で比較例１の約２倍高いが、通風損失が比較例１の約１０倍と著しく高い（比較例２）。
これに対して、本発明の実施形態に係る触媒構造体Ａ〜Ｅは、反応速度が比較例１のものよりも高く、且つ通風損失が比較例２と比べて大きく低減されている（実施例１〜５）。

１：従来技術に係る板状触媒エレメント
２：波形凹凸条部
３：平坦部
４：触媒構造体（触媒ユニット）
５：ユニットケーシング（枠体）
１２：波形突起部
１３：平坦部
１６：波形凹凸条部の一部を平プレス加工して得られる触媒エレメント
１８：平プレス加工により形成された平坦部
２２：波形突起部
２３：平坦部
２７：波形凹凸条部の一部を切り抜き加工して得られる触媒エレメント
２９：切り抜き加工により形成された貫通孔
２５：切り抜き加工により形成された切り込み

Claims (5)

1. 平坦な主面を有する基板とそれに付着された触媒成分を含む層とを有する板状触媒エレメントを複数枚重ねて成る排ガス浄化用触媒構造体であって、
   該基板は基板の大きさより短い少なくとも一つの凸条と基板の大きさより短い少なくとも一つの凹条とからなる波形突起部が凸条または凹条の長手方向に間隔を置いて少なくとも二つ形成されており、
   凸条または凹条の長手方向であって且つ間隔を置いて形成された波形突起部の間が基板主面と同じ平坦部であるかまたは基板を貫通する孔であり、且つ
   凸条または凹条の長手方向に対して直角な方向の一方の端にガス流入口があり、他方の端にガス流出口がある、排ガス浄化用触媒構造体。
2. 波形突起部が千鳥配置に形成されている請求項１に記載の排ガス浄化用触媒構造体。
3. 一の排ガス浄化用触媒エレメントの波形突起部と、他の排ガス浄化用触媒エレメントの波形突起部とが嵌め合わないように重ねて成る、請求項１または２に記載の排ガス浄化用触媒構造体。
4. 基板に触媒成分を含む組成物を塗布する工程、
   塗布された基板に少なくとも一つの凸条と少なくとも一つの凹条とからなる波形凹凸条部を基板面を横断するように少なくとも一つ形成する工程、ならびに
   前記波形凹凸条部を加工して凸条または凹条の長手方向に間隔を置いて平坦部または貫通孔を形成する工程を有する、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の排ガス浄化用触媒構造体の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれかひとつに記載の排ガス浄化用触媒構造体に、ガスを、ガス流入口から流入させ、波形突起部の長手方向に対して直角な方向に流し、ガス流出口から流出させることを含む排ガス浄化方法。

Images