JP3677329B2

JP3677329B2 - Filter for treating carbon-based fine particles in exhaust gas and carbon-based fine particle processing apparatus using the same

Info

Publication number: JP3677329B2
Application number: JP27048395A
Authority: JP
Inventors: 正人今村; 紀一中島; 克美神道; 登志雄浅見; 龍彦加藤; 光一後夷; 幸雄相澤; 容夫関戸; 後藤　　晃; 知成小宮山
Original assignee: Sintokogio Ltd; Nippon Oil Corp
Current assignee: Sintokogio Ltd; Eneos Corp
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2015-09-25
Also published as: JPH0985028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディーゼル内燃機関や加熱炉、ボイラなどの燃焼装置から排出される排気ガス中の炭素系微粒子を処理するためのフィルタ及びこれを用いた少なくとも１つ以上の炭素系微粒子処理ユニットからなる排ガス中の炭素系微粒子処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル内燃機関は、エネルギー効率が高く、また耐久性が優れているため、自動車などの輸送機用、一般動力用、発電用などに汎用されているが、排ガス中に主としてスート，カーボンミスト等からなる炭素系微粒子が含まれているため、環境上大きな問題となっている。
この対策として、自動車などの輸送機ではエンジンの改良、燃料噴射系の改良などが行われ、これによりディーゼル内燃機関より排出される炭素系微粒子をある程度低減することができている。しかしながら、これらの方法による炭素系微粒子の低減ではまだ十分ではないため、さらに炭素系微粒子を低減する方法として、酸化(燃焼)触媒を利用したり、セラミック製フィルタで炭素系微粒子を捕集した後、炭素系微粒子を電気ヒータ，バーナなどで着火させ、炭素系微粒子自体の燃焼熱で伝播燃焼させて除去する方法などが検討されている。
一方、定置式や産業用のディーゼルエンジン、加熱炉、コージェネレーションシステム，ヒートポンプ、ボイラ等の燃焼装置では、排ガス対策としてサイクロン，バグフィルタなどの集塵装置を用いる方法がとられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化(燃焼)触媒を用いる方法やセラミック製フィルタで炭素微粒子を捕集し燃焼除去する方法では性能、耐久性および経済性に問題がある。特に、セラミック製フィルタを用いる方法は、炭素系微粒子の捕集率は高いものの、再生の際に炭素系微粒子の燃焼に伴う発熱がフィルタ内で一様でなく高低の差があることや炭素系微粒子の燃焼温度が高いことにより、フィルタが破損したり溶解する問題や、排ガス中の灰分がフィルタ内に堆積し長時間使用できない問題などがある。
また、定置式や産業用のディーゼルエンジンや加熱炉やボイラ等の燃焼装置で用いられているサイクロン，バグフィルタなどの集塵装置は、処理能力が低かったり装置が高価であったり、捕集した炭素系微粒子を廃棄処理しなければならなかったりするなどの問題がある。
【０００４】
本発明は上記問題点を解消するために研究して創案されたもので、その第１の目的は、ディーゼル内燃機関や燃焼装置から排出される排ガス中の炭素系微粒子の処理能力が高いとともにすぐれた耐久性を備え、また経済性やメンテナンス性も良好な排ガス中の炭素系微粒子処理用フィルタを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記目的に加え、再生操作が容易でかつ炭素系微粒子処理能力が高い排ガス中の炭素系微粒子処理装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決する手段】
上記第１の目的を達成するため本発明は、抵抗発熱性を有する高温耐熱性ステンレス鋼の薄板を巻回したコイル材を端面切削して製造した繊維を集積してウエブにし、それを焼結および熱処理して焼結繊維表面にアルミナ皮膜を形成した高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体からなり、しかも該高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体が触媒を担持している構成としたものである。
また第２の目的を達成するため本発明は、排ガスの導入部と排出部を有する器体と、抵抗発熱性を有する高温耐熱性ステンレス鋼の薄板を巻回したコイル材を端面切削して製造した繊維を集積してウエブにしそれを焼結および熱処理して焼結繊維表面にアルミナ皮膜を形成ししかもその上に触媒を担持し、かつ自由端に電極を取り付けた高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体からなる炭素系微粒子処理用フィルタと、要時に前記電極に通電して炭素系微粒子処理用フィルタを自己発熱させるための通電装置を備えた構成としたものである。
本発明の炭素系微粒子処理装置は、前記第２発明の構成を備えたものを１つの処理ユニットとしこれを複数配した形態を含む。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下本発明を添付図面に基いて説明する。
図１ないし図３は本発明による炭素系微粒子処理用フィルタの実施例を示している。
１は炭素系微粒子処理用フィルタであり、高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２と、これの自由端部に溶接などにより固着された電極３とを備えている。
前記高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２は、図１(a)では帯板状をなしこれを所要の間隔ごとに波状に屈曲した形状となっている。(b)では周方向の一部が分離された円筒状をなしており、(c)では周方向の一部が分離した断面星形類似の筒状をなしている。もとよりこれら形状に限定されるものではなく、平板状、閉鎖断面の筒状、カップ状、皿状など任意である。
電極３は自由端全体に設けられるかあるいは図１(b)(c)のように自由端部に沿って固着される帯状部３０を有している。なお、目詰りの再生法として通電方式によらない場合には電極３は設けられなくてもよい。
【０００７】
前記高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２は、通電により抵抗発熱する材質のもの、たとえばFe-Cr-Al-REM系のステンレス鋼を用いることが望ましい。具体的には、重量比でCr：17〜21％、Al：2.5〜6.0％、REMとしてはLa,Y,Ceの一種または２種以上が用いられ、添加量は0.02〜0.25%である。
CrとAlが下限未満では後述する耐熱のためのアルミナ皮膜厚さが不十分なものとなり、上限を超える含有量では結晶構造が不安定になる。また、REMはアルミナ皮膜の安定性に寄与し、これが下限を下回る添加量では前記機能を発揮できず、上限を超える添加量は経済性を損なうため不適当である。
なお、他の組成として、C:0.008%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下を含有していてもよい。
【０００８】
前記高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２は、図２（ａ）のように高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０をランダムに配向して接触部を融着した多孔構造からなり、焼結されている各高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０は、図２（ｂ）のように軸方向と直角の断面が略四角形状をなし、表面には均一な厚さの薄いアルミナ皮膜２１が析出されている。
このアルミナ皮膜２１は図２（ｃ）のように高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０，２０の交差接触部分２００ではこれを囲むように形成され、交差接触部分２００はメタルタッチとなっている。このように交差接触部分がメタルタッチであることにより高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２は全体として均一な抵抗発熱回路状態が構成されている。
【０００９】
さらに、前記アルミナ皮膜２１の表面には触媒層４が設けられている。この触媒層４は触媒担体と活性金属からなる。触媒担体としては、アルミナ，シリカ・アルミナ，ジルコニア・アルミナ，チタニア，モルデナイト，ZSM-5などのゼオライト類から選ばれる少なくとも１種が用いられる。その触媒担体の粒径としては0.5μｍから20μｍが好ましく、1μｍから10μｍがさらに好ましい。
この理由は、触媒担体の粒径が0.5μｍ未満では触媒担体の製造が困難となり、20μｍを超える粒径では高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２の細かい通気孔２２を閉塞する問題や触媒が剥離する問題が生じるからである。
担体に担持する活性金属としては、周期律表第1族金属、２族金属、３ｂ族金属、４ｂ族金属、５ｂ族金属、６ｂ族金属、７ｂ族金属および８族金属から選ばれる少なくとも１種が好ましく用いられる。第１族金属としてＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃｕ、２族金属としてはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｚｎ、３ｂ族金属としてはＬａ、Ｃｅ、４ｂ族金属としてはＺｒ、５ｂ族金属としてはＶ、６ｂ族金属としてはＭｏ、７ｂ族金属としてはＭｎ、８族金属としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔが好ましい。
活性金属の高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体への担持量は、高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体１ｇ当たり0.1〜15ｍｇが好ましく、1〜10ｍｇがさらには好ましい。この理由は、15ｍｇ超であると高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体の細径孔を閉塞させてしまうからである。
【００１０】
各高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０は、長さが10〜300mm、軸方向と直角の断面の１辺の長さ（幅ｔまたは厚さｗ）が5〜200μｍ、より好適には10〜100μｍが好ましい。長さが10mm未満では繊維同士の絡み合いが少なくなり、300mmを超える長さでは不均一にかたまってしまい均一な通気孔を形成しにくくなる。
また、断面の１辺が５μｍ未満では、炭素系微粒子中や排ガス中の灰分が堆積して通気孔２２の目詰まりを起こしやすく、また機械的強度や耐熱性が低くなる不都合がある。しかし、200μｍを超える太さとした場合には、排ガス中の炭素系微粒子がほどんど通過してしまい、フィルタとしての基本機能が発揮されなくなるため不可である。
高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２は、上記高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０を目付け重量で300〜5000g/m²有している。これは、目付重量が300g/m²以下であると気孔率が高すぎ、排ガス中の炭素系微粒子をほとんど処理できずに通過させてしまい、5000g/m²以上にした場合には、排ガス中の炭素系微粒子の処理能力はそれ以上変化せず、かえって高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０を大量に使用するので経済性が悪くなるからである。
【００１１】
前記諸元の高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０は、原料としての高温耐熱性ステンレス鋼がフェライト系であるため常温加工性が悪く、したがって、引抜き法による細線化が困難であるため、従来では実際上存在しなかった。また、溶融紡糸法でも高温耐熱性ステンレス鋼の繊維化が困難であり、ワイヤー切削法では繊維形状が特定できなく、歩止まりも悪い問題があり、びびり振動切削法も短繊維しか製造できない問題がある。
そこで本発明はこれを解消すべく、コイル材切削法にて高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０を得るのである。
すなわち、図３のように、板厚がたとえば５〜１５０μmの高温耐熱性ステンレス鋼の薄板（箔）１１を旋削主軸１２にタイトにコイル状に巻回し、このコイル材１１の端面１１０を旋削主軸１２と平行な送りを与えた工具１３により所定の切り込みで切削することにより製造するのである。
これにより三次元的に適度にカールした高温耐熱性ステンレス長繊維束２０”が工具すくい面に沿って後方に流出し、とぎれなく連続的に創成される。そして前記繊維束を幅方向に展張し、10mm〜300mmの長さに切断することで高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０’とされる。
図４(a)(b)は上記方法で得られた１本の高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０’を示しており、断面は四角形状をなし、一辺２０１はしわ状の粗面となっている。
上記コイル材端面切削法によれば、高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０’は、一辺（繊維幅Ｗ）が板厚に一致し、一辺（繊維厚さｔ）が工具送り量ｓによって決定される。したがって、高温耐熱性ステンレス鋼薄板１１の厚さと切込み（工具送り量）を調整することで様々な寸法の繊維を製造することができる。
上記繊維製造条件としては、工具すくい角:15〜45°とし、切削速度:30〜95m/min、送り量ｓ:5〜40μm/minなどから採用すればよい。
【００１２】
本発明による高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２は、前記高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０を原料として、一般的に、ウエブ化-焼結-成形-熱処理-触媒担持の工程で製造される。
すなわち、まず、前記高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０’を目付け重量300g/m²〜5000g/m²に集積し、所望形状たとえば板状のウェブに成形する。
次に、前記ウェブを真空または非酸化性雰囲気中で800〜1250℃の範囲で１０分〜１０時間加熱して焼結する。この焼結時に荷重をかけることも好適である。
こうして得られた焼結体から必要寸法のフィルタを切り出す。フィルタ形状が図1のようなものである場合には、この時点で曲げ加工などを施す。しかし、場合によっては、ウェブ成形時に図１に例示するようなフィルタ形状にしてもよい。
その後、空気などの酸化性雰囲気中にて600〜1100℃で１〜２０時間の条件で熱処理する。この熱処理は焼結体の抵抗発熱性を利用して通電加熱によって行うこともできる。
この熱処理により図２(b)(c)に示すようなアルミナ被膜２１が焼結繊維表面に析出される。熱処理温度が600℃以下ではアルミナ被膜２１が十分に析出せず、1100℃を超える高温では異常酸化によりアルミナが剥離、飛散してしまう問題がある。
上記温度範囲では、７００℃以下では2(Fe,Cr,Al)+4.5O₂→Fe₂O₃+Cr₂O₃+Al₂O₃の反応により、また、７００℃以上では、Fe₂O₃+2Al→Al₂O₃+2Feの反応により各々耐久性被膜が生成される。しかも、組成としてREMが添加されているため、高温でのアルミナ皮膜の安定性が向上させられ、したがって、９００℃以下の使用温度で良好な機械的特性を示す。
そして、この熱処理の後、高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２に触媒を担持させる。触媒の担持方法としては、通常の方法が用いられるが、たとえば活性金属を触媒担体に含浸させて調製したスラリーをウォッシュコートする方法や、活性金属を触媒担体に沈着させて調製したスラリーをウォッシュコートする方法、あるいは触媒担体をウォッシュコートした後に活性金属を含浸する方法などがあげられる。
【００１３】
本発明の炭素系微粒子処理用フィルタ１は、高温耐熱性ステンレス鋼のコイル材１１を端面切削することによって低コストで製造される繊維を基材としているため、均一な形状寸法と高温耐熱性がありながらこれを低コストで製造できという特徴を有している。また、高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０’を集積してウェブにして焼結するだけでなく、焼結後に熱処理して繊維表面にアルミナ被膜２１を生成させているので、高温耐久性、耐酸化性、機械強度が高い。さらにアルミナ被膜２１の外側に触媒層４を有しており、アルミナ被膜２１が触媒担体に対し親和性があるため、触媒層４の密着性を良好なものにすることができる。そしてこの触媒により炭素系微粒子の燃焼を促進することができる。
また、製造される繊維の径や集積してウェブにする際の集積する量や触媒の担持量を自由に変化させることで細孔径を調整できるため、排ガス中の炭素系微粒子の処理率を任意に変えることができるとともに、炭素系微粒子中や排ガス中の灰分を堆積しないようにすることができる。
さらに、高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０は寸法形状が揃っている上に表面積が大きく、かつ断面が四角形状であるため、排ガス中の炭素系微粒子を各辺のエッジで確実に捕捉することができる。
【００１４】
次に本発明による排ガス中の炭素系微粒子処理装置の実施態様を説明する。
本発明による炭素系微粒子処理装置は、図５ないし図７に例示するような炭素系微粒子処理ユニット(以下単に処理ユニットと称す)５の少なくとも１つから構成される。
図８は処理ユニット５を複数用いた炭素系微粒子処理装置を例示しており、(a)は排ガス流路に複数の処理ユニット５を並列に接続し、処理ユニット５の上流と下流に切換弁８を設けて排ガスを選択的に処理ユニット５に送って処理するようにしたものである。(b)は排ガス流路に複数の処理ユニット５を直列に接続し、排ガスを多段処理するようにしたものである。
図５は図１（ａ）に示す炭素系微粒子処理用フィルタ１を使用した例を示している。５０はステンレス鋼などの耐熱性材料からなる器体であり、長手方向一端にはガス導入部５００が、他端には排出部５０１を有している。器体５０には電気絶縁性と断熱性を有する内張り９が施されており、炭素系微粒子処理用フィルタ１は自由端の電極３，３が器体５０から突出するようにガス導入部５００と排出部５０１間の排ガス通路５０２に配置されている。実際上は器体は電極３，３を取り付けるため上下２分割されているが、図面では簡略化している。
Ｅは前記炭素系微粒子処理用フィルタ１を自己発熱させるための通電装置であり、電源６とコントローラ７とを備えている。電源６から給電線６０，６０が前記電極３，３に接続され、電源６にはコントローラ７が電気的に接続される。
このコントローラ７は所定の時間ごとに電源６を作動させるタイマでもよいが、この実施例ではマイクロコンピュータが用いられ、ガス導入部５００と排出部５０１の排ガス圧力検出器７０，７１の出力側を接続することにより、導入排ガスの圧力Ｐ₁と排出ガスの圧力Ｐ₂の差圧Ｐ³を検出し、その差圧Ｐ³が設定値に達したときに電源６を作動させ、あるいはさらに通電量を自動制御するようにしている。
【００１５】
図６は図１（c）に示す炭素系微粒子処理用フィルタ１を使用した例を示し、図７は図１（b）に示す炭素系微粒子処理用フィルタ１を使用した例を示している。
これらの例においては、排ガスＧを側方に流通して炭素系微粒子を捕集するため炭素系微粒子処理用フィルタ１の下端外径側が閉止される一方、上端には耐熱電気絶縁性の蓋部材１０が固着されている。
その他の構成は前記図５と同様であるから、説明は省略する。
本発明における炭素系微粒子処理用フィルタ１は形状を自由に設定できるため、処理ユニット単位体積当たりの炭素系微粒子処理用フィルタ１の表面積を任意に変化させることができる。そのため、図８のように排ガス流路に前記処理ユニット５を複数連結した排ガス処理装置においても、ディーゼル内燃機関や燃焼装置に高い背圧をかけたり、燃焼状態が悪化するのを防ぐことができる。
このように排ガス中の炭素系微粒子処理装置が複数の処理ユニット５，５から構成される場合には、各処理ユニット５，５に対する通電タイミングを処理ユニット毎にずらしてもよく、これにより一度に過大な電力を使わないようにすることができる。
なお、本発明における処理ユニット５への炭素系微粒子処理用フィルタ１の設置方法は前記した例に限られず、たとえば器体５０中に多段に設置するなど任意である。
【００１６】
次に本発明の排ガス中の炭素系微粒子処理装置の作用を説明する。
ディーゼル内燃機関や燃焼装置から排出され炭素系微粒子ｃを含む高温の排ガスＧは排ガス導入部５００から排ガス通路５０２を通り、図５ないし図７の矢印のように炭素系微粒子処理用フィルタ１を通過し、その間に炭素系微粒子ｃが捕集され、浄化された排ガスは排出部５０１から排出される。
本発明の排ガス処理用触媒フィルタ１は高温耐熱性ステンレス鋼繊維を焼結した多孔性の高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２によって構成されており、しかも高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０の母地表面が安定したアルミナ皮膜２１でコーティングされている。したがって、酸化性雰囲気においても機械的強度が高いとともにすぐれた耐熱性を発揮する。また、高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０は前記製造法の特徴から表面積が大きく、かつ断面形状が四角であるためそのエッジに炭素系微粒子ｃが引掛かりやすく、確実に炭素系微粒子ｃを捕集することができる。
【００１７】
しかも、アルミナ皮膜２１の上に活性金属を含む触媒層４を有している。このため、炭素系微粒子処理用フィルタ１が炭素系微粒子ｃを燃焼できる温度よりも排ガスＧの温度が高い場合には、排ガス中の炭素系微粒子ｃは常に炭素系微粒子処理用フィルタ１上で確実に燃焼処理される。排ガスＧの温度が炭素系微粒子処理用フィルタ１が炭素系微粒子ｃを燃焼できる温度より低い場合には、徐々に炭素系微粒子ｃが炭素系微粒子処理用フィルタ１に捕集され、高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２の通気孔２２を埋めるように堆積していく。
これが図９（ａ）の状態であり、これにより通気抵抗が増して炭素系微粒子処理用フィルタ１の前後の差圧が上昇し、ディーゼル内燃機関や燃焼装置の燃焼状態が悪くなる。したがって、炭素系微粒子処理用フィルタ１に捕集した炭素系微粒子ｃを処理し、炭素系微粒子処理用フィルタ１を再生しなければならない。
炭素系微粒子処理用フィルタ１の再生は、前述のようにフィルタに付着している炭素系微粒子を電気ヒータやバーナにより着火させて伝播燃焼させる方法や、排ガス流れと逆方向から圧縮空気を送り、炭素系微粒子を払い落とす方法などを用いることができるが、いずれも煩雑であるうえに確実性に乏しかったり、処理に時間がかかる。
【００１８】
しかし、本発明においては高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２が良好な熱伝導率を有することに加えて通電による抵抗発熱性を有している。しかも高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０は繊維交差部２００が母地同士接合しているから、高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体２は全体で均一な抵抗発熱性を有している。
そこで、上記のように差圧が高くなったときに通電装置Ｅの電源６から電極３，３を通して炭素系微粒子処理用フィルタ１に電気を流せば、図９（ｂ）のように炭素系微粒子処理用フィルタ１自体がジュール熱により全体が均一に発熱し、その熱により高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０の目に捕集されている炭素系微粒子ｃが確実に着火され、燃焼除去させられる。これにより炭素系微粒子処理用フィルタ１の前後の差圧は初期の状態に戻る。この場合、高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０には触媒が担持されていることから炭素系微粒子ｃの燃焼が促進され、通電電力量を低下することができる。
このように、炭素系微粒子処理用フィルタ１へ通電し、それ自体の発熱により再生を行うため炭素系微粒子の燃え残りは生じず、かつ高温耐熱性ステンレス鋼繊維２０は上記したように表面のアルミナ皮膜２１によりすぐれた耐熱性があるため炭素系微粒子処理用フィルタ１の破損や溶融が起こらない。
前記再生操作は、コントローラ７がタイマである場合には、あらかじめ実験などで測定した結果に基いて設定した時間間隔で自動的に電源６が作動することによって行われ、また、差圧検出系を有している場合には、排ガス圧力検出器７０，７１からの信号から差圧を求め、それがある設定した差圧Ｐｓになったときに自動的に電源６が作動することによって行われる。
【００１９】
【実施例】
次に本発明の具体例を説明する。
〔具体例１〕
１）C:0.004%、Si:0.14%、Mn:0.13%、Cr:20.02%、Al:4.9%、La:0.08%残部鉄及び不可避的不純物からなる厚さ20μｍのFe-Cr-Al-REM系ステンレス薄板を主軸にコイル状に巻き、回転させながら工具の送り量を10μｍ/minで切削して、断面が30μｍ×15μｍのFe-Cr-Al-REM系ステンレス長繊維を製作した。その長繊維を長さ150mmに切断した後、2000g/m²になるように集積してウェブを作った。このウェブを非酸化性雰囲気で1120℃、2時間で40g/m²の荷重をかけて焼成した。その後、空気雰囲気で1000℃で６時間熱処理し、形状が長方形で寸法が500×900×0.8mmの炭素系微粒子処理用フィルタ素体を得た。
粒径１μｍのアルミナ粒子に硫酸銅を含浸させた後、粉砕、乾燥し、500℃で焼成した後に水と混合し、ボールミルで粉砕して５％のスラリーを調製した。このスラリーを炭素系微粒子処理用フィルタ素体にウォッシュコートして110℃で乾燥した後、500℃で焼成する操作を炭素系微粒子処理用フィルタ素体１ｇ当たり３ｍｇの銅が担持されるまで繰り返し、実施例１の炭素系微粒子処理用フィルタを得た。
２）また、前記炭素系微粒子処理用フィルタ素体を用い、触媒として粒径１μｍのアルミナ粒子に塩化白金酸を含浸させた後、粉砕、乾燥し、500℃で焼成した後に水と混合し、ボールミルで粉砕して５％のスラリーを調製した。このスラリーを炭素系微粒子処理用フィルタ素体にウォッシュコートして110℃で乾燥した後、500℃で焼成する操作を炭素系微粒子処理用フィルタ素体１ｇ当たり３ｍｇの白金が担持されるまで繰り返し、実施例２の炭素系微粒子処理用フィルタを得た。
【００２０】
４）得られたフィルタの性能を試験するため、実施例１および実施例２のフィルタを直噴式ディーゼルエンジンの排ガス配管の途中に取り付け、それぞれのフィルタの差圧が水柱で200mmになるまで、排ガス中の炭素系微粒子を捕集させた。この結果を表１に示す。
また、それぞれのフィルタに10％酸素と90％窒素を混合したガスを20℃／minの速度で昇温させながら通過させ、フィルタの温度とフィルタの差圧からフィルタに捕集した炭素系微粒子の着火温度と燃え切り温度を測定した。その結果を表２に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
表１から本発明は捕集効率が高いことがわかる。また、表２から実施例１及び実施例２の炭素系微粒子処理用フィルタが着火温度、燃え切り温度ともに低いことがわかる。
【００２４】
〔具体例２〕
１）具体例１の方法によって厚さ0.8mm、幅25mm、長さ900mmの平面帯状の焼結体を作り、これを波付け加工した後、前記条件で熱処理し、さらに実施例１，２のように触媒を担持させて図５(a)のような形状の炭素系微粒子処理用フィルタ本体を製作し、これの両端に銅製の電極を取り付けて炭素系微粒子処理用フィルタを得た。
この炭素系微粒子処理用フィルタをステンレス製の容器に絶縁材及び断熱材を介して配置し、電極には制御回路と電源からなる通電装置を取り付けて炭素系微粒子処理装置を作り、制御回路には排ガス入口と出口の差圧を計測する差圧計を接続した。
【００２５】
２）上記のように作製した炭素系微粒子処理装置を直噴式ディーゼルエンジンの排ガス配管の途中に取り付け、排ガスを処理する試験を行った。実施例１のフィルタを設けた炭素系微粒子処理装置を用いて、排ガス温度が550℃以上の場合に行った試験の結果を図１０に示す。
図１０に示したように、炭素系微粒子処理装置の装置差圧は上昇せず、初期差圧で一定であった。このときの炭素系微粒子の処理率は７０〜８０％であった。
【００２６】
３）排ガス温度が350℃のときに、実施例１のフィルタを設けた炭素系微粒子処理装置を用いて行った試験の結果を図１１に示す。
図１１に示したように、炭素系微粒子処理用フィルタが排ガス中の炭素系微粒子を捕集するにつれて、炭素系微粒子処理装置の装置差圧は次第に上昇し、装置差圧が設定差圧に達したときに、制御回路から電極を通じて炭素系微粒子処理用フィルタへ100Ａの電流を印加したところ、炭素系微粒子処理装置の装置差圧は初期の差圧近くまで減少した。この操作を1000回繰り返し行ったが、同様の差圧の変化を示した。このとき、炭素系微粒子の処理率は70〜80％であった。また、炭素系微粒子処理用フィルタは溶融や破損などが何ら生じなかった。
なお、同じ排ガス温度のときに比較例１のフィルタを設けた炭素系微粒子処理装置で試験を行った場合には、炭素系微粒子処理装置の差圧を初期差圧に戻すのに必要な電力量が実施例１のフィルタを設けた炭素系微粒子処理装置よりも多く必要であった。
このことから本発明は炭素系微粒子を含む排ガス処理能力が高く、耐久性も良好であるこことがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明した本発明の請求項１によれば、排ガス中の炭素系微粒子処理用フィルタが高温耐熱性ステンレス鋼のコイル材を切削して低コストに製造された繊維を集積してウェブにした後に、焼結、熱処理しさらに触媒を担持させた高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体からなっており、高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体の繊維表面にアルミナ皮膜を有しているため、機械的強度が良好である上にすぐれた高温耐熱性と高い熱伝導率を備え、かつ高温耐熱性ステンレス鋼繊維は断面形状にエッジを有している。したがって、ディーゼル内燃機関や燃焼装置から排出される高温の排ガス中の炭素系微粒子を効率よく捕集することができる。しかも、繊維表面にアルミナ皮膜を有しているため触媒の密着性が良く、この触媒により炭素系微粒子の燃焼を促進することができるいうすぐれた効果が得られる。
請求項２と請求項３によれば、高温の排ガス中の炭素系微粒子を効率よく捕集することができるうえに、炭素系微粒子処理用フィルタ自体に通電して自己発熱させることで炭素系微粒子を燃焼除去することができ、したがって、短時間で簡単、確実に再生を行うことができる。しかも炭素系微粒子処理用フィルタが表面に触媒を担持しているため通電電力量を低下させることができ、処理コストを低減することが可能となるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による炭素系微粒子処理用フィルタを例示する斜視図である。
【図２】 (a)は本発明による炭素系微粒子処理用フィルタの部分的拡大図、(b)(c)は高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体の拡大断面図である。
【図３】高温耐熱性ステンレス鋼繊維の製造法を示す説明図である。
【図４】 (a)は図３の方法で得られた高温耐熱性ステンレス鋼繊維の拡大斜視図、(b)はその拡大断面図である。
【図５】 (a)は本発明による排ガス中の炭素系微粒子処理装置の実施例を示す縦断側面図、(b)はその横断面図である。
【図６】(a)は本発明による炭素系微粒子処理装置の実施例を示す縦断側面図、(b)はその横断面図である。
【図７】(a)は本発明による炭素系微粒子処理装置の実施例を示す縦断側面図、(b)はその横断面図である。
【図８】 (a)(b)は複数の炭素系微粒子処理ユニットを使用した本発明装置の実施例を示す縦断側面図である。
【図９】本発明の作用を模式的に示す説明図である。
【図１０】本発明による炭素系微粒子処理装置の実験結果を示す線図である。
【図１１】本発明による炭素系微粒子処理装置の実験結果を示す線図である。
【符号の説明】
１炭素系微粒子処理用フィルタ
２高温耐熱性ステンレス鋼繊維焼結体
３電極
４触媒層
５炭素系微粒子処理ユニット
６電源
２０高温耐熱性ステンレス鋼繊維
２１アルミナ皮膜
Ｅ通電装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a filter for treating carbon-based fine particles in exhaust gas discharged from a combustion apparatus such as a diesel internal combustion engine, a heating furnace, or a boiler, and an exhaust gas comprising at least one carbon-based fine particle processing unit using the filter. The present invention relates to a carbon-based fine particle processing apparatus.
[0002]
[Prior art]
Diesel internal combustion engines have high energy efficiency and excellent durability, so they are widely used for transportation equipment such as automobiles, general power, and power generation, but mainly from soot and carbon mist in exhaust gas. This is a serious environmental problem because it contains carbon-based fine particles.
As countermeasures, in transport vehicles such as automobiles, improvement of the engine, improvement of the fuel injection system, and the like are performed, and thereby carbon-based fine particles discharged from the diesel internal combustion engine can be reduced to some extent. However, since the reduction of carbon-based fine particles by these methods is not yet sufficient, as a method of further reducing the carbon-based fine particles, after using an oxidation (combustion) catalyst or collecting the carbon-based fine particles with a ceramic filter In addition, a method of igniting carbon-based fine particles with an electric heater, a burner or the like and propagating and burning them with the combustion heat of the carbon-based fine particles themselves has been studied.
On the other hand, in a combustion apparatus such as a stationary type or industrial diesel engine, a heating furnace, a cogeneration system, a heat pump, or a boiler, a method of using a dust collector such as a cyclone or a bag filter is taken as an exhaust gas countermeasure.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method using an oxidation (combustion) catalyst or the method of collecting and burning carbon fine particles with a ceramic filter has problems in performance, durability and economy. In particular, the method using a ceramic filter has a high collection rate of carbon-based fine particles, but the heat generated by the combustion of the carbon-based fine particles during regeneration is not uniform within the filter, and there is a difference in height. Due to the high combustion temperature of the fine particles, there are problems such as breakage and dissolution of the filter, and ash in the exhaust gas that accumulates in the filter and cannot be used for a long time.
Also, dust collectors such as cyclones and bag filters used in stationary and industrial diesel engines, combustion furnaces such as heating furnaces and boilers have low processing capacity, are expensive, and have been collected. There are problems such as having to dispose of carbon-based fine particles.
[0004]
The present invention has been researched and devised to solve the above-mentioned problems. The first object of the present invention is that it has a high treatment capacity for carbon-based fine particles in exhaust gas discharged from diesel internal combustion engines and combustion devices. Another object of the present invention is to provide a filter for treating carbon-based fine particles in exhaust gas that has excellent durability and good economic efficiency and maintainability.
In addition to the above object, another object of the present invention is to provide a carbon-based fine particle treatment apparatus in exhaust gas that can be easily regenerated and has a high carbon-based fine particle treatment capability.
[0005]
[Means for solving the problems]
In order to achieve the first object, the present invention integrates fibers produced by cutting the end face of a coil material wound with a thin plate of high-temperature heat-resistant stainless steel having resistance exothermicity to form a web, which is then sintered. And a high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body in which an alumina film is formed on the surface of the sintered fiber by heat treatment, and the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body carries a catalyst. .
Further, in order to achieve the second object, the present invention is manufactured by end-cutting a coil member having a container having an exhaust gas introduction part and a discharge part and a thin plate of high-temperature heat-resistant stainless steel having resistance heat generation. High-temperature heat-resistant stainless steel fiber baked with the collected fibers gathered into a web, sintered and heat-treated to form an alumina film on the surface of the sintered fiber, with a catalyst supported on the surface, and an electrode attached to the free end A carbon-based fine particle processing filter comprising a combination and a current-carrying device for causing the carbon-based fine particle processing filter to self-heat by energizing the electrode when necessary are provided.
The carbon-based fine particle processing apparatus of the present invention includes a configuration in which a single processing unit is provided with the configuration of the second invention, and a plurality of such processing units are arranged.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
1 to 3 show an embodiment of a carbon-based particulate processing filter according to the present invention.
Reference numeral 1 denotes a carbon-based fine particle processing filter, which includes a high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 and an electrode 3 fixed to the free end portion thereof by welding or the like.
The high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 has a strip shape in FIG. 1 (a) and is bent in a wave shape at every required interval. (b) has a cylindrical shape in which a part in the circumferential direction is separated, and (c) has a cylindrical shape similar to a cross-sectional star shape in which a part in the circumferential direction is separated. Of course, the shape is not limited to these, and any shape such as a flat plate shape, a cylindrical shape with a closed cross section, a cup shape, and a dish shape may be used.
The electrode 3 is provided on the entire free end or has a belt-like portion 30 fixed along the free end as shown in FIGS. Note that the electrode 3 may not be provided when the clogging regeneration method is not based on the energization method.
[0007]
The high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 is preferably made of a material that generates resistance when heated, such as Fe—Cr—Al—REM stainless steel. Specifically, Cr: 17 to 21% by weight, Al: 2.5 to 6.0%, and one or more of La, Y, and Ce are used as REM, and the addition amount is 0.02 to 0.25%.
If Cr and Al are less than the lower limit, the alumina film thickness for heat resistance described later is insufficient, and if the content exceeds the upper limit, the crystal structure becomes unstable. Further, REM contributes to the stability of the alumina film, and if it is less than the lower limit, the above function cannot be achieved, and if it exceeds the upper limit, the amount added is unsuitable because it impairs the economy.
Other compositions may contain C: 0.008% or less, Si: 1.0% or less, and Mn: 1.0% or less.
[0008]
The high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 has a porous structure in which the high-temperature heat-resistant stainless steel fibers 20 are randomly oriented and the contact portions are fused as shown in FIG. As shown in FIG. 2B, each high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 has a substantially square cross section perpendicular to the axial direction, and a thin alumina film 21 having a uniform thickness is deposited on the surface.
As shown in FIG. 2C, the alumina coating 21 is formed so as to surround the cross-contact portion 200 of the high-temperature heat-resistant

stainless steel fibers

20 and 20, and the cross-contact portion 200 is a metal touch. Thus, the cross contact portion is a metal touch, so that the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 has a uniform resistance heating circuit state as a whole.
[0009]
Further, a catalyst layer 4 is provided on the surface of the alumina film 21. The catalyst layer 4 is composed of a catalyst carrier and an active metal. As the catalyst carrier, at least one selected from zeolites such as alumina, silica / alumina, zirconia / alumina, titania, mordenite and ZSM-5 is used. The particle size of the catalyst carrier is preferably 0.5 μm to 20 μm, more preferably 1 μm to 10 μm.
The reason for this is that when the particle size of the catalyst carrier is less than 0.5 μm, it is difficult to produce the catalyst carrier, and when the particle size exceeds 20 μm, there is a problem of clogging the fine vents 22 of the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2. This is because a problem of peeling occurs.
The active metal supported on the carrier is at least one selected from Group 1 metal, Group 2 metal, Group 3b metal, Group 4b metal, Group 5b metal, Group 6b metal, Group 7b metal and Group 8 metal of the Periodic Table Is preferably used. Li, Na, K, Rb, Cs, Cu as Group 1 metal, Mg, Ca, Ba, Zn as Group 2 metal, La as Group 3b metal, Ce as Group 4b metal, Zr as Group 5b metal Is preferably Mo as the Group 6b metal, Mn as the Group 7b metal, and Fe, Co, Ni, Pd, or Pt as the Group 8 metal.
The amount of the active metal supported on the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body is preferably 0.1 to 15 mg, more preferably 1 to 10 mg, per 1 g of the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body. The reason for this is that if it exceeds 15 mg, the small-diameter hole of the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body is blocked.
[0010]
Each high temperature heat resistant stainless steel fiber 20 has a length of 10 to 300 mm, a length (width t or thickness w) of one side of a cross section perpendicular to the axial direction is 5 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm. preferable. If the length is less than 10 mm, the entanglement between the fibers is reduced, and if the length exceeds 300 mm, the fibers are clumped unevenly, making it difficult to form a uniform air hole.
Further, if one side of the cross section is less than 5 μm, ash in the carbon-based fine particles or exhaust gas is likely to be clogged and the air holes 22 are easily clogged, and mechanical strength and heat resistance are reduced. However, when the thickness exceeds 200 μm, the carbon-based fine particles in the exhaust gas almost pass through and the basic function as a filter is not exhibited, which is impossible.
The high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 has the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 in a weight per unit area of 300 to 5000 g / m ² . This is because if the weight per unit area is at 300 g / m ² or less porosity is too high, will be passed through without hardly treated carbon-based particles in exhaust gas, when the 5000 g / m ² or more, the exhaust gas This is because the processing capacity of the carbon-based fine particles does not change any more, and the high temperature heat resistant stainless steel fibers 20 are used in large quantities, so that the economic efficiency deteriorates.
[0011]
The high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 of the above specifications has a low normal temperature workability because the high-temperature heat-resistant stainless steel as a raw material is a ferrite, and therefore it is difficult to make a thin wire by a drawing method. Did not exist. In addition, it is difficult to fiberize high-temperature heat-resistant stainless steel even with the melt spinning method, the wire cutting method cannot identify the fiber shape, and the yield is poor, and the chatter vibration cutting method can produce only short fibers. is there.
Therefore, in order to solve this problem, the present invention obtains the high temperature heat resistant stainless steel fiber 20 by the coil material cutting method.
That is, as shown in FIG. 3, a high-temperature heat-resistant stainless steel thin plate (foil) 11 having a thickness of, for example, 5 to 150 μm is tightly wound around the turning spindle 12 in a coil shape, and the end face 110 of the coil material 11 is turned on the turning spindle. 12 is manufactured by cutting with a predetermined notch with a tool 13 given a feed parallel to 12.
As a result, the high-temperature heat-resistant stainless steel long fiber bundle 20 ″ curled appropriately in three dimensions flows out backward along the rake face of the tool and is continuously created without interruption. The fiber bundle is stretched in the width direction. By cutting into a length of 10 mm to 300 mm, the high temperature heat resistant stainless steel fiber 20 ′ is obtained.
4 (a) and 4 (b) show one high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 'obtained by the above method, and the cross section has a rectangular shape and one side 201 has a wrinkled rough surface. .
According to the coil material end face cutting method, one side (fiber width W) of the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 ′ matches the plate thickness, and one side (fiber thickness t) is determined by the tool feed amount s. Therefore, the fiber of various dimensions can be manufactured by adjusting the thickness and cutting (tool feed amount) of the high-temperature heat-resistant stainless steel thin plate 11.
As the fiber manufacturing conditions, the tool rake angle may be 15 to 45 °, the cutting speed may be 30 to 95 m / min, and the feed rate s may be 5 to 40 μm / min.
[0012]
The high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 according to the present invention is generally manufactured in the steps of web-forming-sintering-molding-heat treatment-catalyst support using the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 as a raw material.
That is, first, by integrating the high-temperature resistant stainless steel fibers 20 'in basis weight weight ^{^{300g / m 2 ~5000g / m 2}} , is formed into a desired shape for example, a plate-like web.
Next, the web is sintered in a vacuum or non-oxidizing atmosphere by heating in the range of 800 to 1250 ° C. for 10 minutes to 10 hours. It is also preferable to apply a load during the sintering.
A filter having a required size is cut out from the sintered body thus obtained. If the filter shape is as shown in FIG. 1, bending is performed at this point. However, in some cases, a filter shape as illustrated in FIG.
Thereafter, heat treatment is performed at 600 to 1100 ° C. for 1 to 20 hours in an oxidizing atmosphere such as air. This heat treatment can also be performed by energization heating using the resistance heat generation property of the sintered body.
By this heat treatment, an alumina coating 21 as shown in FIGS. 2B and 2C is deposited on the surface of the sintered fiber. When the heat treatment temperature is 600 ° C. or lower, the alumina coating 21 is not sufficiently precipitated, and when the heat treatment temperature is higher than 1100 ° C., there is a problem that the alumina is peeled off and scattered due to abnormal oxidation.
In the above temperature range, at a temperature of 700 ° C. or lower, the reaction of 2 (Fe, Cr, Al) + 4.5O ₂ → Fe ₂ O ₃ + Cr ₂ O ₃ + Al ₂ O ₃ , and at 700 ° C. or higher, Fe ₂ O Durable films are formed by the reaction of ₃ + 2Al → Al ₂ O ₃ + 2Fe. In addition, since REM is added as a composition, the stability of the alumina film at high temperatures is improved, and therefore, good mechanical properties are exhibited at a use temperature of 900 ° C. or lower.
After this heat treatment, the catalyst is supported on the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2. As a catalyst loading method, an ordinary method is used. For example, a slurry prepared by impregnating an active metal in a catalyst carrier is washed and a slurry prepared by depositing an active metal on a catalyst carrier is washed. Or a method of impregnating the active metal after the catalyst support is wash-coated.
[0013]
The carbon-based fine particle processing filter 1 of the present invention is based on a fiber manufactured at low cost by end-cutting a coil material 11 of high-temperature heat-resistant stainless steel, and therefore has a uniform shape and high-temperature heat resistance. However, it has a feature that it can be manufactured at low cost. In addition, the high-temperature heat-resistant stainless steel fibers 20 'are not only accumulated and sintered as a web, but also heat-treated after sintering to produce an alumina coating 21 on the fiber surface, so that high-temperature durability and oxidation resistance are achieved. High mechanical strength. Furthermore, since the catalyst layer 4 is provided outside the alumina coating 21, and the alumina coating 21 has an affinity for the catalyst carrier, the adhesion of the catalyst layer 4 can be improved. And the combustion of carbon type fine particles can be promoted by this catalyst.
In addition, the pore diameter can be adjusted by freely changing the diameter of the fiber to be produced, the amount to be accumulated to form a web, and the amount of catalyst supported, so that the treatment rate of carbon-based fine particles in the exhaust gas can be arbitrarily set. In addition, it is possible to prevent accumulation of ash in the carbon-based fine particles and exhaust gas.
Furthermore, since the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 has a uniform size, a large surface area, and a square cross section, the carbon-based fine particles in the exhaust gas can be reliably captured at the edge of each side. .
[0014]
Next, an embodiment of the apparatus for treating carbon-based fine particles in exhaust gas according to the present invention will be described.
The carbon-based fine particle processing apparatus according to the present invention includes at least one of carbon-based fine particle processing units (hereinafter simply referred to as processing units) 5 as illustrated in FIGS.
FIG. 8 exemplifies a carbon-based fine particle processing apparatus using a plurality of processing units 5. (A) is a diagram in which a plurality of processing units 5 are connected in parallel to an exhaust gas flow path, and a switching valve is provided upstream and downstream of the processing unit 5. 8, the exhaust gas is selectively sent to the processing unit 5 for processing. (b) is one in which a plurality of processing units 5 are connected in series to the exhaust gas flow path so that the exhaust gas is processed in multiple stages.
FIG. 5 shows an example in which the carbon-based fine particle processing filter 1 shown in FIG. 50 is a container made of a heat resistant material such as stainless steel, and has a gas introduction part 500 at one end in the longitudinal direction and a discharge part 501 at the other end. The vessel body 50 is provided with a lining 9 having electrical insulation and heat insulation properties, and the carbon-based fine particle processing filter 1 is connected to the gas introduction part 500 so that the free-

end electrodes

3, 3 protrude from the vessel body 50. It is arranged in the exhaust gas passage 502 between the discharge parts 501. Actually, the body is divided into two parts for attaching the

electrodes

3 and 3, but it is simplified in the drawing.
E is a current-carrying device for self-heating the carbon-based particulate processing filter 1 and includes a power source 6 and a controller 7. Feed lines 60 and 60 are connected to the

electrodes

3 and 3 from a power source 6, and a controller 7 is electrically connected to the power source 6.
The controller 7 may be a timer that activates the power supply 6 every predetermined time. In this embodiment, a microcomputer is used to connect the gas introduction unit 500 and the output side of the exhaust gas pressure detectors 70 and 71 of the discharge unit 501. As a result, the pressure difference P ³ between the pressure P ₁ of the introduced exhaust gas and the pressure P ₂ of the exhaust gas is detected, and when the pressure difference P ³ reaches the set value, the power source 6 is operated, or the energization amount is further reduced. I try to control it automatically.
[0015]
FIG. 6 shows an example using the carbon-based particle processing filter 1 shown in FIG. 1 (c), and FIG. 7 shows an example using the carbon-based particle processing filter 1 shown in FIG. 1 (b).
In these examples, the lower end outer diameter side of the carbon-based fine particle processing filter 1 is closed in order to flow the exhaust gas G to the side and collect the carbon-based fine particles, while the upper end is covered with a heat-resistant electrical insulating lid member. 10 is fixed.
Other configurations are the same as those in FIG.
Since the shape of the carbon-based fine particle processing filter 1 in the present invention can be freely set, the surface area of the carbon-based fine particle processing filter 1 per processing unit unit volume can be arbitrarily changed. Therefore, even in the exhaust gas treatment apparatus in which a plurality of the treatment units 5 are connected to the exhaust gas flow path as shown in FIG. 8, it is possible to prevent a high back pressure from being applied to the diesel internal combustion engine or the combustion apparatus or the combustion state from deteriorating. .
In this way, when the carbon-based fine particle processing apparatus in the exhaust gas is composed of a plurality of

processing units

5, 5, the energization timing for each

processing unit

5, 5 may be shifted for each processing unit. It is possible to avoid using excessive power.
In addition, the installation method of the carbon-based particle processing filter 1 in the processing unit 5 in the present invention is not limited to the above-described example, and may be arbitrarily set, for example, in a multi-stage in the vessel 50.
[0016]
Next, the operation of the carbon microparticle processing apparatus in the exhaust gas of the present invention will be described.
High-temperature exhaust gas G discharged from a diesel internal combustion engine or combustion device and containing carbon-based fine particles c passes through the exhaust gas passage 502 from the exhaust gas introduction unit 500 and passes through the filter 1 for processing carbon-based fine particles as indicated by arrows in FIGS. In the meantime, the carbon-based fine particles c are collected, and the purified exhaust gas is discharged from the discharge unit 501.
The exhaust gas treatment catalyst filter 1 of the present invention is composed of a porous high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 obtained by sintering high-temperature heat-resistant stainless steel fibers. The surface is coated with a stable alumina film 21. Accordingly, it exhibits high mechanical strength and excellent heat resistance even in an oxidizing atmosphere. Moreover, since the high temperature heat resistant stainless steel fiber 20 has a large surface area and has a square cross-sectional shape due to the characteristics of the manufacturing method, the carbon-based fine particles c are easily caught on the edges, and the carbon-based fine particles c are reliably collected. be able to.
[0017]
Moreover, the catalyst layer 4 containing an active metal is provided on the alumina film 21. Therefore, when the temperature of the exhaust gas G is higher than the temperature at which the carbon-based particulate processing filter 1 can burn the carbon-based particulate c, the carbon-based particulate c in the exhaust gas is always reliably on the carbon-based particulate processing filter 1. To be burned. When the temperature of the exhaust gas G is lower than the temperature at which the carbon-based fine particle processing filter 1 can burn the carbon-based fine particles c, the carbon-based fine particles c are gradually collected by the carbon-based fine particle processing filter 1, and the high temperature heat resistant stainless steel It accumulates so that the ventilation hole 22 of the steel fiber sintered compact 2 may be filled up.
This is the state shown in FIG. 9 (a), whereby the ventilation resistance is increased, the differential pressure before and after the carbon-based particulate processing filter 1 is increased, and the combustion state of the diesel internal combustion engine and the combustion device is deteriorated. Therefore, the carbon-based fine particle c collected in the carbon-based fine particle processing filter 1 must be processed to regenerate the carbon-based fine particle processing filter 1.
The regeneration of the carbon-based particulate processing filter 1 can be performed by igniting the carbon-based particulate adhering to the filter with an electric heater or burner as described above, and by propagating combustion, or by sending compressed air from the direction opposite to the exhaust gas flow, A method of removing the carbon-based fine particles can be used, but all of them are complicated, have low reliability, and take a long time for processing.
[0018]
However, in the present invention, the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 has a resistance to heat generation due to energization in addition to having a good thermal conductivity. Moreover, since the fiber intersection 200 of the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 is bonded to the base, the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body 2 has a uniform resistance heat generation as a whole.
Therefore, when electricity is supplied from the power source 6 of the energizing device E to the carbon-based particulate processing filter 1 through the

electrodes

3 and 3 when the differential pressure becomes high as described above, the carbon-based particulates as shown in FIG. 9B. The entire processing filter 1 itself generates heat uniformly due to Joule heat, and the heat causes the carbon-based fine particles c collected in the eyes of the high-temperature heat-resistant stainless steel fibers 20 to be reliably ignited and burned off. As a result, the differential pressure before and after the carbon-based particulate processing filter 1 returns to the initial state. In this case, since the catalyst is supported on the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20, the combustion of the carbon-based fine particles c is promoted, and the energization power can be reduced.
Thus, since the carbon-based fine particle processing filter 1 is energized and regenerated by its own heat generation, no carbon-based fine particles remain unburned, and the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber 20 has a surface alumina as described above. Since the film 21 has excellent heat resistance, the carbon-based fine particle processing filter 1 is not damaged or melted.
When the controller 7 is a timer, the regeneration operation is performed by automatically operating the power source 6 at a time interval set in advance based on a result measured in an experiment or the like. If so, the pressure difference is obtained from the signals from the exhaust gas pressure detectors 70 and 71, and the power source 6 is automatically activated when the pressure difference reaches a certain set pressure difference Ps.
[0019]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described.
[Specific Example 1]
1) Fe-Cr-Al-REM with a thickness of 20μm consisting of C: 0.004%, Si: 0.14%, Mn: 0.13%, Cr: 20.02%, Al: 4.9%, La: 0.08% balance iron and inevitable impurities A stainless steel thin plate was wound around the main shaft in a coil shape, and the feed rate of the tool was cut at 10 μm / min while rotating to produce a long Fe-Cr-Al-REM stainless steel fiber with a cross section of 30 μm × 15 μm. The long fibers were cut to a length of 150 mm and then accumulated to 2000 g / m ² to form a web. The web was fired in a non-oxidizing atmosphere at 1120 ° C. for 2 hours with a load of 40 g / m ² . Thereafter, heat treatment was performed at 1000 ° C. for 6 hours in an air atmosphere to obtain a filter element body for treating carbon-based fine particles having a rectangular shape and a size of 500 × 900 × 0.8 mm.
After impregnating copper sulfate with alumina particles having a particle diameter of 1 μm, pulverizing and drying, firing at 500 ° C., mixing with water, and pulverizing with a ball mill to prepare a 5% slurry. The slurry was washed on a carbon-based particle processing filter element, dried at 110 ° C., and then fired at 500 ° C. until 3 mg of copper was supported per 1 g of the carbon-based particle element. A filter for treating carbon-based fine particles of Example 1 was obtained.
2) Moreover, after impregnating chloroplatinic acid into alumina particles having a particle diameter of 1 μm as a catalyst using the filter element for treating carbon-based fine particles, the mixture is pulverized, dried, calcined at 500 ° C., and mixed with water. A 5% slurry was prepared by grinding with a ball mill. The slurry was washed on a carbon-based particle processing filter element, dried at 110 ° C., and then fired at 500 ° C. until 3 mg of platinum was supported per 1 g of the carbon-based particle element. A filter for treating carbon-based fine particles of Example 2 was obtained.
[0020]
4) In order to test the performance of the obtained filter, the filters of Example 1 and Example 2 were installed in the middle of the exhaust gas piping of a direct injection diesel engine, and the exhaust gas was exhausted until the differential pressure of each filter reached 200 mm in the water column. The carbon-based fine particles inside were collected. The results are shown in Table 1.
In addition, a gas containing 10% oxygen and 90% nitrogen is passed through each filter while raising the temperature at a rate of 20 ° C./min, and the carbon-based fine particles collected in the filter are filtered from the filter temperature and the differential pressure of the filter. Ignition temperature and burnout temperature were measured. The results are shown in Table 2.
[0021]
[Table 1]

[0022]
[Table 2]

[0023]
Table 1 shows that the present invention has a high collection efficiency. Moreover, it can be seen from Table 2 that the carbon-based particulate processing filters of Examples 1 and 2 are low in both ignition temperature and burn-out temperature.
[0024]
[Specific Example 2]
1) A flat band-shaped sintered body having a thickness of 0.8 mm, a width of 25 mm, and a length of 900 mm was prepared by the method of Example 1, and this was corrugated and then heat-treated under the above conditions. Thus, a catalyst for carbon-based fine particle processing having a shape as shown in FIG. 5A was manufactured, and a copper electrode was attached to both ends to obtain a carbon-based fine particle processing filter.
This carbon-based particle processing filter is placed in a stainless steel container via an insulating material and a heat insulating material, and a current-generating device consisting of a control circuit and a power source is attached to the electrode to create a carbon-based particle processing device. A differential pressure gauge was connected to measure the differential pressure at the exhaust gas inlet and outlet.
[0025]
2) A test for treating exhaust gas was carried out by attaching the carbon-based fine particle processing apparatus produced as described above in the middle of exhaust gas piping of a direct injection diesel engine. FIG. 10 shows the results of a test conducted when the exhaust gas temperature was 550 ° C. or higher using the carbon-based fine particle processing apparatus provided with the filter of Example 1.
As shown in FIG. 10, the apparatus differential pressure of the carbon-based fine particle processing apparatus did not increase and was constant at the initial differential pressure. The treatment rate of the carbon-based fine particles at this time was 70 to 80%.
[0026]
3) When the exhaust gas temperature is 350 ° C., the results of a test performed using the carbon-based fine particle processing apparatus provided with the filter of Example 1 are shown in FIG.
As shown in FIG. 11, as the carbon-based fine particle processing filter collects the carbon-based fine particles in the exhaust gas, the device differential pressure of the carbon-based fine particle processing device gradually increases, and the device differential pressure reaches the set differential pressure. When a current of 100 A was applied from the control circuit to the carbon-based particle processing filter through the electrode, the apparatus differential pressure of the carbon-based particle processing apparatus decreased to near the initial differential pressure. This operation was repeated 1000 times and showed a similar change in differential pressure. At this time, the treatment rate of the carbon-based fine particles was 70 to 80%. Further, the carbon-based fine particle processing filter did not melt or break.
When the test was performed with the carbon-based particle processing apparatus provided with the filter of Comparative Example 1 at the same exhaust gas temperature, the amount of electric power required to return the differential pressure of the carbon-based particle processing apparatus to the initial differential pressure However, it was required more than the carbon-based fine particle processing apparatus provided with the filter of Example 1.
From this, it can be seen that the present invention has a high ability to treat exhaust gas containing carbon-based fine particles and has good durability.
[0027]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention described above, after the filter for treating carbon-based fine particles in the exhaust gas cuts the coil material of high-temperature heat-resistant stainless steel and accumulates the low-cost manufactured fibers into a web. It consists of a high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body that has been sintered, heat-treated, and further supported with a catalyst, and has an alumina coating on the fiber surface of the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body. In addition to good strength, it has excellent high temperature heat resistance and high thermal conductivity, and the high temperature heat resistant stainless steel fiber has an edge in cross-sectional shape. Therefore, the carbon-based fine particles in the high-temperature exhaust gas discharged from the diesel internal combustion engine or the combustion apparatus can be efficiently collected. In addition, since the surface of the fiber has an alumina coating, the catalyst has good adhesion, and this catalyst has an excellent effect that combustion of carbon-based fine particles can be promoted.
According to claim 2 and claim 3, the carbon-based fine particles in the exhaust gas at high temperature can be efficiently collected, and the carbon-based fine particles are obtained by energizing the carbon-based fine particle processing filter itself to self-heat. Therefore, the regeneration can be performed easily and reliably in a short time. In addition, since the carbon-based particulate processing filter carries the catalyst on the surface, it is possible to reduce the amount of energized power and to obtain an excellent effect that the processing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a carbon-based particulate processing filter according to the present invention.
2 (a) is a partially enlarged view of a carbon-based fine particle processing filter according to the present invention, and FIGS. 2 (b) and (c) are enlarged sectional views of a high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body.
FIG. 3 is an explanatory view showing a method for producing a high-temperature heat-resistant stainless steel fiber.
4A is an enlarged perspective view of a high-temperature heat-resistant stainless steel fiber obtained by the method of FIG. 3, and FIG. 4B is an enlarged cross-sectional view thereof.
FIG. 5A is a longitudinal side view showing an embodiment of a carbon-based fine particle processing apparatus in exhaust gas according to the present invention, and FIG. 5B is a cross-sectional view thereof.
6A is a longitudinal side view showing an embodiment of a carbon-based fine particle processing apparatus according to the present invention, and FIG. 6B is a transverse sectional view thereof.
7A is a longitudinal side view showing an embodiment of a carbon-based fine particle processing apparatus according to the present invention, and FIG. 7B is a transverse sectional view thereof.
FIGS. 8A and 8B are vertical side views showing an embodiment of the apparatus of the present invention using a plurality of carbon-based fine particle processing units.
FIG. 9 is an explanatory diagram schematically showing the operation of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing experimental results of the carbon-based fine particle processing apparatus according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing experimental results of the carbon-based fine particle processing apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Filter for carbon type fine particle processing 2 High temperature heat resistant stainless steel fiber sintered body 3 Electrode 4 Catalyst layer 5 Carbon type fine particle processing unit 6 Power source 20 High temperature heat resistant stainless steel fiber 21 Alumina coating E Current supply device

Claims

Fibers produced by cutting the end face of coil material wound with a thin plate of high-temperature heat-resistant stainless steel with resistance heat generation are accumulated into a web, which is then sintered and heat-treated to form an alumina film on the surface of the sintered fiber A filter for treating carbon-based fine particles in exhaust gas, comprising: a sintered high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body, and the high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body carrying a catalyst.

A vessel having an exhaust gas introduction part and a discharge part;
Fibers produced by cutting the end face of coil material wound with a thin plate of high-temperature heat-resistant stainless steel with resistance heat generation are accumulated into a web and sintered and heat-treated to form an alumina film on the surface of the sintered fiber. Moreover, a filter for treating carbon-based fine particles comprising a high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body carrying a catalyst thereon and having an electrode attached to the free end;
An apparatus for treating carbon-based microparticles in exhaust gas, comprising an energization device for energizing the electrode when necessary to cause the carbon-based microparticle processing filter to self-heat.

A vessel having an exhaust gas introduction part and a discharge part;
Fibers produced by cutting the end face of coil material wound with a thin plate of high-temperature heat-resistant stainless steel with resistance heat generation are accumulated into a web and sintered and heat-treated to form an alumina film on the surface of the sintered fiber. Moreover, a filter for treating carbon-based fine particles comprising a high-temperature heat-resistant stainless steel fiber sintered body carrying a catalyst thereon and having an electrode attached to the free end;
An apparatus for treating carbon-based fine particles in exhaust gas, comprising a plurality of treatment units each including a current-carrying device for energizing the electrode when necessary to cause the carbon-based particulate treatment filter to self-heat.