JP2014113569A

JP2014113569A - 排ガス浄化用触媒構造体

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Publication number: JP2014113569A
Application number: JP2012270852A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Kai; 啓一郎甲斐; Yasuyoshi Kato; 泰良加藤; Naomi Imada; 尚美今田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】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が得る。
【解決手段】主構成部である平坦部と、該平坦部３を折り曲げて成る凸条および凹条からなる線状スペーサ部とからなる平板状触媒エレメント１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であって、前記の線状スペーサ部２は、凸条または凹条の平坦部に近い側の側面に、長手方向の所定間隔で凸条の稜線側または凹条の谷線側を残してコの字状に切り込まれ且つ凸条の稜線側または凹条の谷線側に残された部分を軸にして凸条または凹条の内側に折り込まれたタブ部４を少なくとも１つ有する、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（ＳＣＲ法）が知られている。このＳＣＲ法は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としては図７に示されるようなものが知られており、そのエレメントを図８または図９のように重ね合せて成る構造体も知られている。

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板状触媒が開示されている。特許文献２には、凸条の稜線部の一部に楕円形の凹みを設けてなる板状触媒からなる構造体が開示されている。また特許文献３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。

特開平９−１０５９９号公報特開２００９−２７３９８１号公報特開昭５５−１５２５５２号公報

特許文献１のような堰状突起によってガス流れを十分に乱すためには、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、脱硝効率を低下させることがある。図７に示すような板状触媒エレメントを図８または図９のように重ね合せて成る構造体は、図１０または図１１に示すように、断面積の広い流路部６が形成される。この流路部６は他の流路部に比べ圧力損失が低いので、排ガスが流路部６に逃げ込み、いわゆる吹き抜けを発生することがある。そのために触媒構造体の脱硝効率を全体的に低下させる傾向があった。
本発明の目的は，上記のような吹き抜けによる被処理ガスの偏流を抑制して、脱硝効率の低下を防止することができる板状触媒エレメント及びそれをガス流路が確保されるように重ね合せてな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、該平坦部を折り曲げて成る凸条および凹条からなる線状スペーサ部とからな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であって、
前記の線状スペーサ部は、凸条または凹条の平坦部に近い側の側面に、長手方向の所定間隔で凸条の稜線側または凹条の谷線側を残してコの字状に切り込まれ且つ凸条の稜線側または凹条の谷線側に残された部分を軸にして凸条または凹条の内側に折り込まれたタブ部を少なくとも１つ有する、排ガス浄化用触媒構造体。
〔２〕線状スペーサ部の長手方向が相互に平行になるように平板状触媒エレメントが重ね合せられている〔１〕に記載の構造体。
〔３〕線状スペーサ部の長手方向が相互に直交するように平板状触媒エレメントが重ね合せられている〔１〕に記載の構造体。

〔４〕主構成部である平坦部と、該平坦部を折り曲げて成る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であって、
前記の線状スペーサ部は、凸条または凹条の平坦部に近い側の側面に、長手方向の所定間隔で凸条の稜線側または凹条の谷線側を残してコの字状に切り込まれ且つ凸条の稜線側または凹条の谷線側に残された部分を軸にして凸条または凹条の内側に折り込まれたタブ部を少なくとも１つ有する、平板状触媒エレメント。

本発明の触媒構造体は、タブ部４が断面積の広い流路部６において流れの抵抗体として機能し、流路部６への吹き抜けによる被処理ガスの偏流を抑制すると共にこの領域に流れるガスを攪拌することができる。また、図５または図６に示すように、タブ部と相補的に形成される貫通孔が新たなガス流路となるので、圧力損失が低減され、さらに触媒面とガスとの接触効率が改善されるので触媒効率が全体として向上する。
また，板状触媒エレメントを交互に90度平面回転させて積層した場合（図３）、被処理ガス流れと平行に設置された触媒エレメントにおいては、スペーサ部に形成されたタブ部がガス攪拌体としての効果を発揮する一方，ガス流れと直角に設置された触媒エレメントにおいては，タブ部の形成によって相補的に形成された貫通孔がガスの新たな流路となるため(図６)、タブ部が無い場合に比べてガス流れと直交するエレメントの突条部に衝突するガスのエネルギー損失が低減され、触媒全体の圧力損失を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る板状触媒エレメントを示す斜視図。本発明の一実施形態に係る板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に平行になるように重ね合わせた状態を示す断面図。板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に直交するように重ね合わせた状態を示す斜視図。本発明の一実施形態に係る板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に直交するように重ね合わせた状態を示す断面図。本発明の一実施形態に係る触媒構造体のタブ部周辺におけるガスの流れ状態を示す平面概念図。本発明の一実施形態に係る触媒構造体のタブ部周辺におけるガスの流れ状態を示す断面概念図。従来の板状触媒エレメントを示す斜視図。板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に平行になるように重ね合わせてなる触媒構造体を示す斜視図。板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に直交するように重ね合わせてなる触媒構造体を示す斜視図およびそれの拡大図。従来の板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に平行になるように重ね合わせてなる触媒構造体におけるガス流路内のガス吹き抜け部を示す図。従来の板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に直交するように重ね合わせてなる触媒構造体におけるガス流路内のガス吹き抜け部を示す図。

図面を参照しながら本発明の実施形態を以下に説明する。
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、平坦部３を折り曲げて成る凸条および凹条からなる線状スペーサ部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の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８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。スペーサ部間の間隔は、好ましくは２０〜２００ｍｍである。図７の板状触媒エレメントはスペーサ部間の間隔が６０ｍｍに設定されている。

スペーサ部は、凸条または凹条の平坦部に近い側の側面に、タブ部４を少なくとも１つ有する。
タブ部４は、長手方向の所定間隔で凸条の稜線側または凹条の谷線側を残してコの字状に切り込まれ且つ凸条の稜線側または凹条の谷線側に残された部分を軸にして凸条または凹条の内側に折り込まれた部分である。図１において、タブ部４は、平坦部の面に対して直角を成すように折り込まれているが、それに限定されない。タブ部４は吹き込み部６を均等に二分するように折り込むと好結果が得られやすい。
また、図１においてタブ部４は形状が四角であるが、これに限定されず、三角形、台形、半円形などでも構わない。タブ部４の長手方向の長さａ、およびタブ部４の長手方向の間隔ｂは、要求される触媒効率や圧力損失などに応じて適宜に設定することができる。間隔ｂに対する長さａの比率は、特に制限されるものではないが、触媒効率や圧力損失などの観点から０．５〜１が好ましい。タブ部の設置によって表面から裏面に貫通する孔ができるので、該貫通孔によってガスの流れが乱され、新たな流路が形成されるので、圧力損失を大幅に下げずに偏流を防ぐことができる。

平板状触媒エレメント１は、基材（平坦部、スペーサ部およびタブ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担持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担持方法は、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タブ部は、次のようにして形成する。触媒層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１のように曲げてタブ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担持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、断面波形のスペーサ部が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。本発明ではスペーサ部が相互に平行になるように重ねる形態と、断面波形のスペーサ部が相互に直角になるように重ねる形態とが好ましい。

スペーサ部が相互に平行になるように重ねる形態においては、図２のように、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。
スペーサ部が相互に直角になるように重ねる形態においては、図３または図４のように、一つの触媒エレメントに在るタブ部が隣の触媒エレメントに在る平坦部に重な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、スペーサ部によって確保された流路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、タブ部による抵抗機能によって吹き込み部６への流れを抑制し、ガス流れの偏りを減らすことができる。また、タブ部に相補的に形成された貫通孔によって新たな流路が形成されるので低い圧力損失で且つ効率よくガス流れが乱されて脱硝効率が全体的に高くなる。

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、これに水を加えながらニーダで１時間混練した。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。
得られたペーストを幅５００ｍｍのＳＵＳ４３０製メタルラス基板の上に載せ、それらを一緒に一対の圧延ローラの間に通して、ペーストをラス基板の表面および網目間に付着させて厚さ０．７ｍｍの帯状の板状触媒を得た。
プレス機を用いて図７の如く波形スペーサ部（高さ４ｍｍ）を成形して試験用板状触媒を得た。試験用板状触媒を幅１５０ｍｍ×長さ６００ｍｍに切断し，試験用触媒エレメント１とした。
この試験用触媒エレメント１に加工用金型を用いてプレス加工を施し，図１に示すようにスペーサ部に、長さａが２０ｍｍ、高さが３ｍｍ、間隔ｂが４０ｍｍであるタブ部を形成させた。
これを図２に示すようにスペーサ部が相互に平行になるように１２枚を重ね合せ、金属枠体に収容し、蓋をして１５０ｍｍ角の触媒ユニットＡを製作した。該触媒ユニットＡを２４時間風乾し、その後空気を流しながら５００℃で２時間焼成した。

［実施例２］
タブ部の設置間隔ｂを４０ｍｍから２０ｍｍに変更した以外は実施例１と同じ手法で触媒ユニットＢを製作した。該触媒ユニットＢを２４時間風乾し、その後空気を流しながら５００℃で２時間焼成した。

［比較例１］
タブ部を形成させなかった以外は実施例１と同じ手法で触媒ユニットＣを製作した。該触媒ユニットＣを２４時間風乾し、その後空気を流しながら５００℃で２時間焼成した。

［実施例３］
スペーサ部が相互に平行になるように重ね合せる代わりに、図３に示すようにスペーサ部が相互に直交するように重ね合せた以外は、実施例１と同じ手法で触媒ユニットＤを製作した。該触媒ユニットＤを２４時間風乾し、その後空気を流しながら５００℃で２時間焼成した。

［比較例２］
タブ部を形成させなかった以外は実施例３と同じ手法で触媒ユニットＥを製作した。該触媒ユニットＥを２４時間風乾し、その後空気を流しながら５００℃で２時間焼成した。

触媒ユニットＡ〜Ｅについて、表１に示す測定条件にて、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。

板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に平行になるように重ね合せた構造の触媒ユニットにおいては、脱硝反応速度が、触媒ユニットＣ（比較例１）に比べて、触媒ユニットＡ（実施例１）は約１．２倍に、触媒ユニットＢ（実施例２）は約１．３倍に向上している。圧力損失の上昇は僅かである。

板状触媒エレメントをスペーサ部が相互に直交するように重ね合せた構造の触媒ユニットにおいては、触媒ユニットＥ（比較例２）に比べて、触媒ユニットＤ（実施例３）は、脱硝反応速度が約１．２倍に向上し、圧力損失が０．８５倍に低減している。タブ部に相補的に形成された貫通孔によって新たなガス流路が形成され、通風抵抗が緩和されたためと考えられる。

１：板状触媒エレメント
２：スペーサ部
３：平坦部
４：タブ部
５：触媒構造体（触媒ユニット）
６：吹き抜け部

Claims

主構成部である平坦部と、該平坦部を折り曲げて成る凸条および凹条からなる線状スペーサ部とからな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であって、
前記の線状スペーサ部は、凸条または凹条の平坦部に近い側の側面に、長手方向の所定間隔で凸条の稜線側または凹条の谷線側を残してコの字状に切り込まれ且つ凸条の稜線側または凹条の谷線側に残された部分を軸にして凸条または凹条の内側に折り込まれたタブ部を少なくとも１つ有する、排ガス浄化用触媒構造体。
線状スペーサ部の長手方向が相互に平行になるように平板状触媒エレメントが重ね合せられている請求項１に記載の構造体。
線状スペーサ部の長手方向が相互に直交するように平板状触媒エレメントが重ね合せられている請求項１に記載の構造体。
主構成部である平坦部と、該平坦部を折り曲げて成る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であって、
前記の線状スペーサ部は、凸条または凹条の平坦部に近い側の側面に、長手方向の所定間隔で凸条の稜線側または凹条の谷線側を残してコの字状に切り込まれ且つ凸条の稜線側または凹条の谷線側に残された部分を軸にして凸条または凹条の内側に折り込まれたタブ部を少なくとも１つ有する、平板状触媒エレメント。