JP3386587B2

JP3386587B2 - ハニカムエレメント

Info

Publication number: JP3386587B2
Application number: JP19467494A
Authority: JP
Inventors: 孝一川島; 聖宮下; 竜司増田
Original assignee: Nippon Muki Co Ltd
Current assignee: Nippon Muki Co Ltd
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 2003-03-17
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JPH0839706A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、無機質繊維を主体とす
る無機ペーパーを利用した脱硝触媒、脱臭触媒、酸化触
媒、熱交換器・除湿器のローター等に利用されるハニカ
ムエレメントに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、脱硝触媒エレメント、脱臭触媒エ
レメント、酸化触媒エレメント、熱交換器、除湿器等で
はそれぞれの用途に適した触媒物質を保持、補強し、被
処理ガスが通過しやすく、かつ、被処理ガスと触媒物質
が接触する有効面積が大きくなるような形状に加工して
使用されている。保持・補強の手段としては触媒物質と
無機繊維等の保持物質を混練し、押し出し成形により作
製するモノリス触媒や触媒を保持した基板を波状に成形
し積層した、ハニカム触媒がある。このうち、ハニカム
触媒の基板としては、メタルプレート、無機繊維布、無
機繊維ペーパーなどが用いられているが、触媒物質の担
持量を多くできること、反応ガスの基板内部での拡散性
が良いこと等から、無機ペーパーを基板に用いることが
主流となっている。無機ペーパーを波形に成形し、積層
し、ハニカムエレメントとしたものは、例えば、特公平
３−３６５７４号公報に記載されているように、波形成
形シートと平板とを交互に積層したもの、特公平４−１
８８９６号公報に記載されているように、同じく波形成
形シートと平板とを交互に積層しているが、波形の形状
が任意なもの、さらに特開昭６１−２４２６４２号公報
に記載されているように、波板と平板とを積層するだけ
でなく、任意な形状の波形同士を積層するものなどが知
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】元来、触媒物質を保持
させた無機ペーパーをハニカムエレメントに成形する目
的は、先にも述べたとおり、被処理ガスを通過しやすく
するために、通気抵抗を低くし、かつ被処理ガスと触媒
物質とが接触する有効表面積を大きくとるためである。
従来技術のうち、波板と平板を交互に積層したものは、
平板状部分と任意な形状に成形した波板との間に形成さ
れるトンネル状部分が被処理ガスの流路となる。また任
意な形状に成形した波板同士を積層したものは、波板と
波板との間に形成されるトンネル状部分が被処理ガスの
流路となる。かかるトンネル状部分の形成により、通気
抵抗を低くして、有効表面積を大きくとるようにしてい
る。しかしながら、通気抵抗を低くし、有効表面積を大
きくするという目的に対し十分効率的な形状をなしてい
るとは言えない。

【０００４】まず、通気抵抗に関して、開口部の横断面
の形状の影響をみるために、「相当径」と呼ばれるパラ
メータを用いて説明する。相当径（Ｄｅ）は、一般に開
口部の横断面の内面積をＳまた該横断面の内周囲長をｌ
とした場合、Ｄｅ＝４×Ｓ／ｌで表され、このＤｅは、
この横断面領域の形状を円と仮定した場合の直径に相当
する。かかるパラメータに基づいて、例えば、開口部の
横断面形状が正三角形と正六角形のときとを比較する
と、相当径が等しいとした場合、開口部の横断面積は正
六角形よりも正三角形の方が大きくなる。また相当径が
等しければ通気抵抗も等しくなるはずだが、実際には正
三角形の方が、横断面積が大きいにもかかわらず、通気
抵抗が大きくなる。これは、正三角形の場合、その形状
が円形から大きく逸脱しており、三角形の頂点付近は、
ガスが通りにくいデッドスペースとなっているためであ
る。このように通気抵抗は、開口部の横断面の形状が円
形に近いほど低くなる。したがって、従来の波板と平板
とを交互に積層したものは、波板の形状が正弦波、三角
状のこぎり波、矩形波である場合、その横断面形状が円
形よりも大きく逸脱しており、開口面積の割に通気抵抗
が高くなるという欠点がある。また、波板が四角状のこ
ぎり波のものは、比較的円形に近くなるが、六角形より
通気抵抗は高くなる。また、波板同士を積層したものに
ついては、その波板の形状を適切に選択しなければ、波
板と平板とを交互に積層したものと同じ欠点を有するこ
とになる。

【０００５】次に、目的とする触媒活性等の性能、すな
わち効率に関しては、被処理ガスが触媒物質と接触でき
る有効表面積が問題となる。有効表面積は、使用する無
機ペーパーの厚さを一定とすると、波板の形状、波の高
さ、ピッチ、積層の形態（例えば、波板と平板の積層、
波板同士の積層）などで変わる。例えば、波板と平板と
を交互に積層するとき、接着に使われる部分は、効率に
寄与しない死に面積となる。つまり、波板の上に平板を
貼る場合、接着部分の波板の上部の面積と、平板の下部
の面積は死に面積となる。以上の点を含めて、幾何的な
表面積はハニカム形状により決定される。つまり、被処
理ガスが通過するトンネル状部分の内壁の総面積が幾何
学的表面積となり、開口部の横断面の形状・寸法により
ハニカム１ｍ²当たりについての幾何学的表面積のｍ²数
が決定できる。しかしながら、実質上有効にはたらく面
積は幾何的表面積とは一致せず、通気抵抗に関する記述
で述べたように、ガスが通りにくいデッドスペースが影
響する。すなわち開口部の横断面形状が三角形などのデ
ッドスペースが大きい形状では、実質上の有効面積は幾
何的表面積より小さい値となる。したがって、効率に関
しては、形状から決定される幾何学的表面積の大小と、
デッドスペースの大小が影響する。従来の波板と平板を
交互に積層したもののうち、波板の形状が正弦波、三角
状のこぎり波、矩形波のものは、デッドスペースが大き
くハニカム形状から得られる幾何的表面積よりも実質上
の表面積が小さくなり、その分効率が低下するという欠
点がある。言い換えれば、波板と平板で形成される領域
が有効に生かされていないという問題があった。また、
波板が四角状のこぎり波のものは、比較的デッドスペー
スは小さくなるが、平板と接着する死に面積が大きくな
り、効率の面では好ましくない形状である。また、波板
同士を積層したものについては、その波板の形状を適切
に選択しなければ、波板と平板を交互に積層したものと
同じ欠点を有することになる。

【０００６】さらに、従来技術の欠点として被処理ガス
にダストが含まれる場合、ダストによる目詰まりが発生
しやすいということがあった。波板と平板を交互に積層
する場合、波板と平板により形成される角度は９０゜以
上と９０゜以下のものが同時に発生し、必ず９０゜以下
の鋭角の部分ができる。また、一般的な波板が正弦波三
角状のこぎり波等の場合は必ず６０゜以下のものが発生
する。被処理ガスにダストが含まれる場合には、特にこ
のような６０゜以下の角度の小さい部分にダストの核が
形成され、それが成長して目詰まりの原因となるという
問題があった。また、波板同士を積層したものについて
は、その波板の形状を適切に選択しなければ、波板と平
板を交互に積層したものと同じ欠点を有することにな
る。本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、デッドス
ペースが小さく、通気抵抗が低く、効率が高く、目詰ま
りの少ない長寿命のハニカムエレメントを提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のハニカムエレメ
ントは、前記目的を達成するべく、無機質繊維を主体と
する無機ペーパーからなる凹凸形状の無機ペーパー波板
同士の上底部と下底部とを接着し、積層してなるハニカ
ムエレメントにおいて、前記凹凸形状の波板同士の上底
部と下底部とを接着することにより形成される単位開口
部の一つの横断面の内面積をＳ、また相当径をＤｅとす
るとき、１．１ ≦ ４Ｓ／Ｄｅ²π ≦ １．３２（ここで相当径Ｄｅは、該開口部横断面の内面積をＳ、
該横断面の内周囲長をｌとするとき、Ｄｅ＝４×Ｓ／ｌ
とする）として、前記凹凸形状の波板同士の上底部と下底部との
接着部の長さをｘ、また該波板の斜面部の長さをｚとす
るとき（図１参照）、０＜ｘ／ｚ＜０．８とすることを特徴とする。尚、前記波板の凹凸形状は矩
形波であることが好ましい。前記無機質繊維を主体とす
る無機ペーパーは、一般には、無機質繊維を主配合と
し、これに無機粉体、有機繊維、有機バインダ等を任意
に配合した抄造原料を円網式、長網式等の通常の抄造方
法で、厚さ０．１５〜１．０ｍｍ、密度０．１〜０．８
ｇ／ｃｍ³程度に抄造することにより得たものを用い
る。触媒の効率やガスの通気性に重点を置く場合は無機
ペーパーの厚さは薄い方が好ましい。また、被処理ガス
にダストが多く含まれる場合も薄い方が好ましい。

【０００８】前記無機繊維としては、アルミナ繊維、シ
リカ繊維、シリカ・アルミナ繊維、ジルコニア繊維、ガ
ラス繊維、ロックウール等が用いられる。前記無機粉体
は、触媒担体、充填剤、焼結剤等として配合するもの
で、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニ
ア、カオリン、ゼオライト等が用いられる。粒子径は水
中分散性を考慮し、１００μｍ以下が好ましい。

【０００９】前記有機繊維は、シート強度の向上とコル
ゲート加工性の向上のために配合するもので、例えば、
ＮＢＫＰ、リンターパルプ、レーヨン繊維等のセルロー
ス系繊維、ビニロン繊維、アクリル繊維、ポリエステル
繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維等の合成
繊維等が用いられる。

【００１０】前記有機バインダは、有機繊維と同様な目
的および繊維の分散性向上のために配合するもので、例
えば、アクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアル
コール樹脂、ＣＭＣ、コーンスターチ等が用いられ、水
溶液、エマルジョン、粉末、繊維等の任意の形態で用い
ることが可能である。

【００１１】以上により得られた無機質繊維を主体とす
る無機ペーパーを、例えばコルゲート加工により所望形
状の凹凸波板状の無機ペーパー成形体とし、波板の上底
部と下底部を接着し、積層して、例えば図１に示したよ
うなハニカムエレメントとする。波板の波形は正弦波に
限らず矩形波、鋸歯状波など任意であるが、１つの単位
開口部の横断面の内面積をＳ、相当径をＤｅとすると
き、１．１ ≦ ４Ｓ／Ｄｅ²π ≦ １．３２の範囲になるように波板の凹凸形状を選定する。ここで
通気性に重点を置く場合には、４Ｓ／Ｄｅ²πの値がな
るべく１．１に近くなるように形状を選定する。正六角
形の時、４Ｓ／Ｄｅ²πは１．１になる。この値が１．
３２を超えると、通気抵抗が大きくなる。また、効率に
重点を置く場合には、ガス通過のデッドスペース、有効
表面積、接着部分の死に面積が影響してくるため、４Ｓ
／Ｄｅ²πの値は１．１に近い方が有利となるとは必ず
しも言えない。後述する実施例の場合では接着面積が小
さくなる形状の場合の効率が最も良い値となっている。
この値が１．３２を超えると、効率は悪くなる。被処理
ガス中にダストが含まれ、ダストによる目詰まり防止に
重点をおく場合は、なるべく１．１に近くなるように形
状を選定すればよい。１．３２を超えると、目詰まりし
やすく、寿命が短くなりやすい。

【００１２】また、本発明においては、前記凹凸形状の
波板同士の上底部と下底部との接着部の長さをｘ、また
該波板の斜面部の長さをｚとするとき、０＜ｘ／ｚ＜０．８の範囲になるように波板の凹凸形状を選定する。ｘ／ｚ
＝０では、波板同士で形成される角度が９０度以下のも
のが発生し、そこがデッドスペースとなり、通気抵抗が
悪くなる。また、ｘ／ｚ≧０．８では、ｘの長さつまり
波板の接着面積が大となり、幾何学的有効表面積が小さ
くなり、結果として効率が悪くなる。

【００１３】コルゲート加工時には、予め各無機ペーパ
ーに後記する担持物質と接着剤を含むスラリーを付着処
理しておくことが好ましく、この湿潤状態でのコルゲー
ト加工としては、従来のダンボール等のコルゲート加工
に用いられるギア噛み合わせ方式のいわゆる横波付加工
方式でもよく、あるいは、特開平４−３４３７９０号公
報に記載の通り成形ベルトと、押付車または押付ベルト
で挟んで縦断面波形に成形して成形ベルトに沿わせ、こ
れをそのまま乾燥してゾルをゲル化して固化するように
してもよい。

【００１４】本発明において、ハニカムエレメントは通
常、有機成分が焼失する温度条件下で焼成される。この
ため、ハニカムエレメントの焼成後の形状保持、さら
に、圧縮強度向上のため、接着剤として無機系接着剤を
使用する必要がある。ここで、使用する無機系接着剤と
して、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガ
ラス等が適しており、これらをコルゲート加工時に含浸
処理し、乾燥または加水分解等により硬化処理を行う。
この時、含浸する無機系接着剤の付着量は使用する無機
ペーパーの配合成分や強度特性等により適宜調整する。
通常、無機ペーパーの重量に対する無機系接着剤の固形
分は５０〜５００重量％の範囲にすることが好ましい。

【００１５】また、波板同士の積層接着には、有機系接
着剤は焼成時に焼失するため、やはり無機系接着剤を使
用する必要がある。例えば、アルミナゾル、シリカゾル
等の無機バインダ、水または無機バインダにシリカ、ア
ルミナ、ジルコニア、チタニア等の無機粉体を添加した
もの等が好ましい。さらに、接着剤の粘度調整および加
工時の初期接着強度の向上のため、アクリル樹脂、酢酸
ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、エポキシ樹
脂、フェノール樹脂、ＣＭＣ、コーンスターチ等の有機
バインダを添加してもよい。この時、有機バインダの固
形分は接着剤の全固形分に対して、２０重量％以下とす
ることが好ましい。これは、２０重量％を超える場合、
焼成後の接着強度の低下が著しくなるためである。

【００１６】本発明のハニカムエレメントは、担持物質
として、用途に見合った材料を選択すればよいが、例え
ば、アルミナ、チタニア、シリカ、ゼオライト等の粉体
またはスラリーが用いられる。前記担持物質の担持方法
としては、例えばこれらの担持物質を含有するスラリー
を無機質繊維を主体とする無機ペーパーに含浸またはコ
ートする方法等がある。

【００１７】

【作用】前記したような条件でハニカムエレメントを製
作すれば、開口部の横断面形状は円形から大きく逸脱し
ないので、デッドスペースが少なくまた通気抵抗の低い
ハニカムエレメントが得られる。また、デッドスペース
が少ないことで、被処理ガスとの接触面積が大きくな
り、結果としてハニカムエレメントの効率を向上するこ
とができる。さらにハニカムの形成する角度は、波形と
平板を積層するものよりも広くなるので、ダストの目詰
まりも起こりにくくなる。また、４Ｓ／Ｄｅ ² πの値が
１．１（正六角形の値）に近くなるように設定すれば、
デッドスペースが少なく、圧力損失の低い、通気性の良
いハニカムエレメントが得られる。尚、正八角形などの
多面形になればなる程、４Ｓ／Ｄｅ²πが１．０に近似
することから、デッドスペースが少なくなるが、現実に
ハニカムエレメントの製作が不可能である。特に、凹凸
形状の波板の上底部と下底部との接着部の長さｘが斜面
部の長さｚより短くｘ／ｚの値が０．８未満であれば、
上記正六角形に比して同一相当径にもかかわらず幾何学
的有効表面積が大となるため、低圧力損失化を阻害する
ことなく、しかも効率の優れるハニカムエレメントが得
られる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例を比較例と共
に説明する。（実施例１）平均粒子径０．０１μｍの酸化チタン粒子を分散させた
固形分３０％の酸化チタンスラリーに、セラミック繊維
を主体とした厚さ０．２５ｍｍの無機ペーパー（日本無
機株式会社製ＭＣＳ−０２５Ｈ）を浸漬し、次いで、
このように酸化チタンスラリーを含浸させた無機ペーパ
ーを矩形波の形状に形成された凹凸部に沿わせるように
して通し、波付け成形したのち、１５０℃で乾燥して無
機ペーパーからなる波板（無機ペーパー成形体）を得
た。この時の矩形波の形状は、上辺の内長をｘ、斜辺の
内長をｚとすると、ｘ＝０．１ｍｍ、ｚ＝３．９ｍｍで
あり、ｘとｚのなす角をθとすると、θ＝１３５゜であ
った。このようにして得られた波板を積層して、ハニカ
ムエレメントを作製した。この時、波板同士の接着は、
酸化チタンスラリーを用いて、波板の上辺部と他の波板
の下辺部とを互いに接合するようにした。このようにし
て得られたハニカムエレメントの単位開口部の一つの形
状（横断面形状）は上辺及び下辺が０．１ｍｍで４つの
斜辺が３．９ｍｍの六角形であり、その内面積Ｓは１
５．８ｍｍ²、相当径Ｄｅは３．９９ｍｍであり、４Ｓ
／Ｄｅ²πの値は約１．２６であった。また、ハニカム
エレメントの幾何学的有効表面積は８８７ｍ²／ｍ³であ
った。

【００１９】このハニカムエレメントを４００℃で３時
間焼成し、脱硝触媒担体用ハニカムエレメントとした。
この場合のエレメントの酸化チタン保持量は１３０ｇ／
ｍ²であった。次に、このエレメントに五酸化バナジウ
ムを付着させることにより脱硝触媒エレメントを得た。
この時の五酸化バナジウムの付着量は２５ｇ／ｍ²であ
った。以上のように作製したハニカムエレメントをガス
通過方向の長さが３００ｍｍとなるように加工し、通気
抵抗を測定したところ、１３．７ｍｍＨ₂Ｏであった。
この時、ＬＶ（面速）＝２ｍ／Ｓで行った。

【００２０】次に、アンモニア等量比０．８、２５０℃
の温度下で脱硝性能を測定したところ、脱硝率は７５．
６％であった。尚、脱硝率は次の方法により求めた。即
ち、脱硝触媒エレメントを反応容器に装着し、一酸化窒
素１００ｐｐｍ、二酸化イオウ１００ｐｐｍ、二酸化炭
素１０重量％、酸素１０重量％、水蒸気１０重量％、残
余窒素からなる混合ガスにアンモニア８０ｐｐｍを導入
し、反応温度２５０℃、空間速度１００００／ｈｒとし
て通し、この時触媒を通過したガスの一酸化窒素の濃度
を測定し、脱硝率＝〔（混合ガスの一酸化窒素濃度ｐｐｍ−触媒を通過したガスの一酸化窒素濃度ｐｐｍ）／混合ガスの一酸化窒素濃度ｐｐｍ〕×１００として脱硝率（％）を求めた。また、このハニカムエレ
メントの寿命を測定した。方法は３０ｍｇ／ｍ³の飛灰
を混合したエアを用いて、通気抵抗と同様の方法で行
い、通気抵抗の値が１００ｍｍＨ₂Ｏに到達するまでの
時間を測定した。その結果、１０００時間経過しても１
００ｍｍＨ₂Ｏに達しなかった。

【００２１】（実施例２−３及び比較例１−９）矩形波の形状、即ち開口部横断面の内面積Ｓ及び開口部
横断面の内周長ｌ、及び矩形波の上辺の内長ｘ及び斜辺
の内長ｚを以下の表１に示すように種々変えて、実施例
１記載の方法を繰り返した。この結果を実施例１の結果
と共に、次の表１に示す。尚、比較例９では、斜辺の内
長ｚ＝６．９ｍｍ、ｚとｚのなす角θ＝１２０°とした
三角形の波板と平板を積層してハニカムエレメントを作
製した。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１から明らかなように、ハニカムエレメ
ントの４Ｓ／Ｄｅ²πの値が１．３２より大きい場合
は、相当径を同等に設計したにもかかわらず、通気抵抗
については、本発明のハニカムエレメントの中で最も通
気抵抗の低いものと比較し、約２割以上通気抵抗が高く
なる。また、効率については、相当径を同等に設計した
にもかかわらず、本発明のハニカムエレメントの中で最
も効率の高いものと比較し、約１割以上効率が悪くな
る。ハニカムエレメントの性能で１割の差があれば大き
なレベル差となる。さらに、被処理ガスにダストが含ま
れ、目詰まりの危険がある場合は、本発明のハニカムエ
レメントは目詰まりしにくく、寿命が長いのに対し、４
Ｓ／Ｄｅ²πの値が１．３２より大きいハニカムエレメ
ントは、目詰まりしやすく寿命が短くなる場合がある。
また、４Ｓ／Ｄｅ ² πの値が１．３２以下の条件を満た
しているケースの中でも、特に、ｘ／ｚの値が０．８未
満である場合には、波板同士の接着面積が小となりハニ
カムエレメントの幾何学的有効表面積が大となるため、
効率が良くなる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のハ
ニカムエレメントによれば、開口部の形状（横断面形
状）が円形から大きく逸脱せずに形成されうるので、デ
ッドスペースが少なく、通気抵抗を低くすることができ
る。また、デッドスペースが少ないことで、被処理ガス
との接触面積が大きくなり、結果としてハニカムエレメ
ントの効率を向上することができる。さらに、ハニカム
の形成する角度が大きくなり、ダストの目詰まりも起こ
りにくく、長寿命のものが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のハニカムエレメントの一例を示す横断
面図。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＢ０１Ｊ 35/04 ３１１Ｆ２８Ｆ 21/00 Ｆ２８Ｆ 21/00 Ｂ０１Ｄ 53/36 Ｃ (56)参考文献特開昭61−242642（ＪＰ，Ａ) 実開昭55−147824（ＪＰ，Ｕ) 特公平３−36574（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B32B 3/12 B01J 32/00 B01J 35/04 B01D 53/00 - 53/36 F28F 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】無機質繊維を主体とする無機ペーパーか
らなる凹凸形状の無機ペーパー波板同士の上底部と下底
部とを接着し、積層してなるハニカムエレメントにおい
て、前記凹凸形状の波板同士の上底部と下底部とを接着
することにより形成される単位開口部の一つの横断面の
内面積をＳ、また相当径をＤｅとするとき、１．１ ≦ ４Ｓ／Ｄｅ²π ≦ １．３２（ここで、該相当径Ｄｅは、該開口部横断面の内面積を
Ｓ、該横断面の内周囲長をｌとするとき、Ｄｅ＝４×Ｓ
／ｌとする。）として、該凹凸形状の波板同士の上底部と下底部との接着部の長
さをｘ、また該波板の斜面部の長さをｚとするとき、０＜ｘ／ｚ＜０．８とすることを特徴とするであることを特徴とするハニカ
ムエレメント。
【請求項２】該凹凸形状が矩形波であることを特徴と
する請求項１記載のハニカムエレメント。