JP6911259B1 - ハニカム触媒構造体及びｓｃｒ装置 - Google Patents

ハニカム触媒構造体及びｓｃｒ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】船舶用ディーゼルエンジンの振動によってダメージをうけることなく、高い信頼性を有するのみならず、セル数を増やしても圧力損失が増大しにくいハニカム触媒構造体の提供。【解決手段】長手方向に沿って、一方の端面から他方の端面に延設された複数のセル１３がセル壁によって区画された形状のメタルハニカムユニット１０にＳＣＲ触媒が担持された船舶用エンジンの排ガスに用いるハニカム触媒構造体であって、メタルハニカムユニット１０に担持されるＳＣＲ触媒が、ＴｉＯ２単独からなるか、あるいはＴｉＯ２を主成分として、Ｖ２Ｏ５、ＷＯ３、ＭｏＯ３、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のいずれか１種又は２種以上が混合されたものであり、セル１３のセル密度が、１００〜５００ｃｐｓｉであり、セル１３を通過する排ガスの流速と、圧力損失との関係で示される直線の傾きが、３０以上１８０以下である船舶用エンジンの排ガスに用いるハニカム触媒構造体。【選択図】図４

Description

本発明は、ハニカム触媒構造体及びＳＣＲ装置に関し、詳しくは、例えば船舶用ディーゼルエンジンの振動によってダメージをうけることなく、高い信頼性を有するのみならず、セル数を増やしても圧力損失が増大しにくいハニカム触媒構造体及びＳＣＲ装置に関する。
例えば船舶用ディーゼルエンジンの排ガス浄化触媒としては、ＮＯxを浄化することが
できる有望な触媒として選択還元型脱硝触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）が知られている。
また船舶用ディーゼルエンジンから排出された排ガスに還元剤を添加したガスが、脱硝触媒上を通過する際に、接触還元して無害な窒素と水に変換する方法は、尿素ＳＣＲ法として知られており、かかる尿素ＳＣＲ法は、尿素を脱硝触媒前流に吹込み、下記還元反応を行わせて、ＮＯｘを無害化する方法である（特許文献１）。
（還元反応）
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ
大型のＳＣＲ触媒を用いた排ガス浄化装置（ＳＣＲ装置ともいう）の中でも、特に船舶用のＳＣＲ装置の場合には、船舶内もしくは船舶外への配置を容易にするため、小型化のニーズがあり、加水分解（気化）装置についても、コンパクトにする要請がある。
船舶用のＳＣＲ装置はサイズが大きいため、エンジンとは別に設置する必要があり、機関室へのレイアウトが非常に厳しい。このため、ディーゼルエンジンにＳＣＲリアクタを取り付けられるような小型のものや、排気レシーバとＳＣＲリアクタを一体化したものが開発されている。
しかし、特許文献２に記載のようなセラミックスを押し出し成型して製作されるモノリス型のハニカム触媒は、エンジンの振動によりダメージを受けてしまう問題がある。
ハニカムの壁厚を厚くし、セル数を増やすことでモノリス型のハニカムも強度を増すことができるが、開口面積が小さくなってしまい、大きな圧力損失が生じてしまうため、結局適用できないという問題があった。
特開２００３−３２８７３４号公報 特許第５３５６０６４号公報
そこで、本発明の課題は、例えば船舶用ディーゼルエンジンの振動によってダメージをうけることなく、高い信頼性を有するのみならず、セル数を増やしても圧力損失が増大しにくいハニカム触媒構造体及びＳＣＲ装置を提供することにある。
さらに本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
上記課題は以下の各発明によって解決される。
（請求項１）
長手方向に沿って、一方の端面から他方の端面に延設された複数のセルがセル壁によって区画された形状のメタルハニカムユニットにＳＣＲ触媒が担持された船舶用エンジンの排ガスに用いるハニカム触媒構造体であって、
前記メタルハニカムユニットに担持されるＳＣＲ触媒が、ＴｉＯ２単独からなるか、あるいはＴｉＯ２を主成分として、Ｖ２Ｏ５、ＷＯ３、ＭｏＯ３、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のいずれか１種又は２種以上が混合されたものであり、
前記セルのセル密度が、１００〜５００ｃｐｓｉであり、
前記セルを通過する排ガスの流速と、圧力損失との関係で示される直線の傾きが、３０以上１８０以下であることを特徴とする船舶用エンジンの排ガスに用いるハニカム触媒構造体。
（請求項２）
長手方向に沿って、一方の端面から他方の端面に延設された複数のセルがセル壁によって区画された形状のメタルハニカムユニットにＳＣＲ触媒が担持されたハニカム触媒構造体を備えたＳＣＲ装置であり、
前記ハニカム触媒構造体は、請求項１記載のハニカム触媒構造体であり、
船舶用エンジンと一体となっていることを特徴とするＳＣＲ装置。
本発明によれば、例えば船舶用ディーゼルエンジンの振動によってダメージをうけることなく、高い信頼性を有するのみならず、セル数を増やしても圧力損失が増大しにくいハニカム触媒構造体及びＳＣＲ装置を提供することができる。
本発明に係るＳＣＲ装置を含むディーゼルエンジンの一例を示す概略フロー図 本発明に係るＳＣＲ装置を含むディーゼルエンジンの他の例を示す概略フロー図 断面三角形状の金属製波板と金属製平板とからなるメタルハニカムユニットの一例を示す分解斜視図 本発明に係るハニカム触媒構造体の要部断面図 本発明に係るハニカム触媒構造体を排ガス管に取り付けた状態を示す概略図 要求性能を満たす最大のＳＶとセル数の関係を示すグラフ 線速度ＬＶと圧力損失の関係を示すグラフ
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
本発明のＳＣＲ装置は、長手方向に沿って、一方の端面から他方の端面に延設された複数のセルがセル壁によって区画された形状のメタルハニカムユニットにＳＣＲ触媒が担持された本発明特有の構成を有するハニカム触媒構造体を備える。
従来の特許文献２に記載のセラミックタイプのモノリス型ハニカム触媒では、船舶用ディーゼルエンジンに直接接触した場合、振動によりダメージを受ける問題があったが、本発明のＳＣＲ装置は、船舶用ディーゼルエンジンに直接接触するように配置されても、本発明特有の構成を有するハニカム触媒構造体は、船舶用ディーゼルエンジンの振動によりダメージを受けることなく、継続的な脱硝を行うことができる。
本発明のＳＣＲ装置が、船舶用ディーゼルエンジンに直接接触するように配置されるタイプとしては、図１、図２に例示される。
図１は、本発明に係るＳＣＲ装置を含むディーゼルエンジンの一例を示す概略フロー図である。
図１において、１は、ディーゼルエンジン本体であり、例えば船舶用のディーゼルエンジンに用いられる。
２は、ディーゼルエンジン本体１から送られる排ガスを受け入れて貯留するレシーバタンクであり、例えばディーゼルエンジン本体１から送られる排ガス量が変動した場合に、その変動を吸収するバッファタンクの役割などを果たす。レシーバタンク２は、排ガス用の配管２を兼ねている。
図１に示すディーゼルエンジンは、ディーゼルエンジン本体１とレシーバタンク２に設けられた脱硝部５を含むＳＣＲ装置とが一体化され、コンパクト化されたディーゼルエンジンを例示している。本実施形態は、ＳＣＲ装置が、エンジン本体１に直接接触するように配置され、エンジンの振動が伝わる位置に設けられている。
レシーバタンク２内には、加圧空気（圧縮空気）と尿素水を供給する尿素水供給管３が挿通され、尿素水供給管３の先端近傍に尿素水噴霧ノズル４が設けられている。尿素水噴霧ノズル４は、尿素水噴霧をレシーバタンク２内に供給可能に構成されている。
レシーバタンク２内で、尿素水噴霧ノズル４の下流側には、図示しない尿素水の加水分解部が設けられてもよい。
加水分解部には、加水分解触媒が付与されていることが好ましい。加水分解触媒により、尿素の加水分解を促進し、後述するＳＣＲ触媒へ尿素が送られる量を低減させることができ、ＳＣＲハニカム触媒において尿素由来の固形物が生成されるのを低減することができる。
尿素水噴霧ノズル４で噴霧された尿素水、及び／又は加水分解部の加水分解により生成されたＮＨ３は、排ガスと共に脱硝部５に送られる。
脱硝部５には、メタルハニカムを担体としてＳＣＲ触媒が担持されて設けられている。脱硝部５では、ＳＣＲ触媒の作用により、尿素の加水分解により生成されたＮＨ３とＮＯｘを含む排ガスが導入されると、ＮＯｘが還元されて窒素ガス（Ｎ２）を生成して、脱硝処理が行われる。
脱硝された処理済ガスは、処理済配管６を介してターボチャージャ７に戻され再利用される。
図２は、本発明に係るＳＣＲ装置を含むディーゼルエンジンの他の一例を示す概略フロー図である。
図２において、図１と同符号の部位は、図１と同一であるためその説明を援用し省略する。
図２に示すディーゼルエンジンは、ディーゼルエンジン本体１とＳＣＲ装置８とが別々に設けられているが、接触しているコンパクト化されたディーゼルエンジンを例示している。
図２において、レシーバタンク２は、ＳＣＲ装置８の入口まで延設されている。ＳＣＲ装置８は、ディーゼルエンジン本体１と接触してエンジンの振動が伝わるように配置されている。これにより、ディーゼルエンジンの小型化に寄与することができる。ＳＣＲ装置８には、脱硝部５が設けられている。脱硝された処理済ガスは、処理済配管６を介してターボチャージャ７に戻され再利用される。
次に、本発明のＳＣＲ装置に用いられる脱硝部５のハニカム触媒構造体の一例について、図３、図４に基づいて説明する。
図３において、１０はメタルハニカムユニットであり、メタルハニカムユニット１０は、断面三角形状の金属製波板１１と、金属製平板１２によって構成される。
金属製波板１１と金属製平板１２とを、ロウ付けして張り合わせて、ハニカム基材（図示せず）を作成する。そのハニカム基材を渦巻き状に巻いて、メタルハニカムユニット１０を構成する。
メタルハニカムユニット１０の径は、排ガス用の配管２に装着可能であればよく、ハニカム基材の巻き数によって適宜調整可能である。
図４には、排ガス用の配管２に設けられるメタルハニカムユニット１０が渦巻状に捲かれた状態が示されている。
メタルハニカムユニット１０は、長手方向（図５において、左右方向）に沿って、一方の端面から他方の端面にセルが延設された構成である。
図４に示すように、メタルハニカムユニット１０は、セル壁によって区画された断面三角形状の複数のセル１３が形成されている。
断面三角形状の複数のセル１３は、長手方向（図５において、左右方向）に沿って、一端から他端まで延設され貫通しており、排ガスがそのセルを通過し、通過過程で触媒に接触できるような構造になっている。
上記の例では、セル形状は断面三角形状であるが、格別限定されず、断面半円形状、断面楕円形状、断面四角形状、断面多角形状などのいずれでもよい。
メタルハニカムユニット１０を構成する金属製波板１１と金属製平板１２の材質は、Ｆｅを主成分として、Ｃｒが１５〜２０ｗｔ％、Ａｌが２〜５ｗｔ％含む合金製（Ｃｒが１５〜２０ｗｔ％、Ａｌが２〜５ｗｔ％含み、残部がＦｅと不可避的不純物を含む合金製）であることが好ましい。これにより、金属製波板１１と金属製平板１２により構成されたメタルハニカムユニット１０は、強度、耐振動性、耐熱性に優れる。
特に、ハニカムユニット１０のロウ付け時、又は、ＳＣＲ焼成時、１０００℃程度になる。この場合、Ｃｒが１５〜２０ｗｔ％であることにより、耐熱性に優れたハニカムユニット１０を形成することができる。
また、Ａｌが含まれると、高温に熱したときに最表面が酸化アルミニウムになるため耐食性に優れる。例えば、船舶用のエンジンの排ガスには、燃料の硫黄（Ｓ）分が多く、また、塩素（Ｃｌ）が混入しやすいため、Ａｌが多いほど腐食しにくいという傾向がある。したがって、ハニカムユニットは、強度、耐振動性、耐熱性、及び耐腐食性の観点でバランスを考慮すれば、Ａｌは２〜５ｗｔ％の範囲が好ましい。
本発明において、セル密度が、５０〜５００ｃｐｓｉであり、好ましくは、８０〜５００ｃｐｓｉであり、より好ましくは１００〜５００ｃｐｓｉであり、更により好ましくは、１００〜４００ｃｐｓｉであり。セル密度が、この範囲であれば、ハニカム触媒構造体のコンパクト化が可能になり、またターボチャージャを含むエンジンの性能を損なわないような圧力損失に収めることができる効果がある。
本実施形態においては、後述する実施例で、線速度ＬＶと圧力損失の関係を求めた図７に示されている。図７には、セル密度がそれぞれ７８ｃｐｓｉ、１００ｃｐｓｉ、２００ｃｐｓｉ、３００ｃｐｓｉ、４００ｃｐｓｉ、５００ｃｐｓｉにおける線速度ＬＶと圧力損失とのグラフが示されている。このグラフにおける各セル密度における直線の傾きが、３０以上１８０以下であることが好ましい。
セルを通過する排ガスの流速（線速度ＬＶ）と、圧力損失との関係で示される直線の傾きが、３０以上１８０以下であることにより、上述した、ハニカム触媒構造体のコンパクト化が可能になるだけでなく、ターボチャージャ付エンジンの性能を考慮したセルでの圧力損失を踏まえた最適なセル密度を設定することができる。
本発明において、脱硝部５に設けられたメタルハニカムユニット１０を構成する担体には担持体であるＳＣＲ触媒が担持される。
ＳＣＲ触媒は、ＴｉＯ２を主成分とする。ＴｉＯ２の含有量は、５０ｖｏｌ％以上であることが好ましい。ＳＣＲ触媒として機能性に優れるからである。
ＳＣＲ触媒は、ＴｉＯ２以外に、Ｖ２Ｏ５、ＷＯ３、ＭｏＯ３、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のいずれか１種又は２種以上が混合されたものであることが好ましい。
ＳＣＲ触媒の担体に担持する手法は、特に限定されないが、含侵法が好ましい。
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、かかる実施例によって限定されない。
実施例１
図1に示すＳＣＲ装置を用いた。また図３、４、５に示すメタルハニカムユニット１０
を構成する担体にＳＣＲ触媒が担持されたハニカム触媒構造体を用いた。
複数のセルの各々の断面形状が二等辺三角形である。
ハニカム触媒構造体は、以下の４つを準備した。
ハニカム触媒構造体Ａ：セル密度８０ｃｐｓｉ
ハニカム触媒構造体Ｂ：セル密度１３０ｃｐｓｉ
ハニカム触媒構造体Ｃ：セル密度３００ｃｐｓｉ
ハニカム触媒構造体Ｄ：セル密度４００ｃｐｓｉ
ＳＣＲ装置に、３５０℃の排ガスを送り、ハニカム触媒構造体を、上記のＡ〜Ｄの各々に代えて脱硝実験を行った。
実験では、最大のＳＶ（ｈ−１）とセル密度の関係を求めた。その結果を図６に示す。なお、ＳＶは、ガス流量／触媒体積で求められる。
実験結果より、セル密度１００ｃｐｓｉ以上であれば、脱硝性能が向上し、ＳＣＲ装置のコンパクトが可能となることがわかる。
実施例２
セル密度が５００ｃｐｓｉとなるように、以下の４つのハニカム触媒構造体を準備し、脱硝試験を行った。
ハニカム触媒構造体Ｅ：セル密度７８ｃｐｓｉ
ハニカム触媒構造体Ｆ：セル密度１００ｃｐｓｉ
ハニカム触媒構造体Ｇ：セル密度２００ｃｐｓｉ
ハニカム触媒構造体Ｈ：セル密度４００ｃｐｓｉ
実験では、線速度ＬＶと圧力損失の関係を求め、図７に示した。
線速度ＬＶは、各セル内を流れる排ガスの流速／セル断面積で測定されるガス流速（ｍ／ｓｅｃ）である。
圧力損失は、ハニカム触媒構造体の入口のガス圧と出口のガス圧から、算出した。単位は、（Ｐａ）で求めた。
実験結果より、セル数を増やすと、圧力損失が増加することがわかった。エンジンの性能を損なわないようにするには、セル密度５００ｃｐｓｉ以下が適当であることがわかる。
１ ディーゼルエンジン本体
２ レシーバタンク（排ガス用の配管）
３ 尿素水供給管
４ 尿素水噴霧ノズル
５ 脱硝部
６ 処理済配管
７ ターボチャージャ
８ ＳＣＲ装置
１０ メタルハニカムユニット
１１ 金属製波板
１２ 金属製平板
１３ セル

Claims (2)

  1. 長手方向に沿って、一方の端面から他方の端面に延設された複数のセルがセル壁によって区画された形状のメタルハニカムユニットにＳＣＲ触媒が担持された船舶用エンジンの排ガスに用いるハニカム触媒構造体であって、
    前記メタルハニカムユニットに担持されるＳＣＲ触媒が、ＴｉＯ２単独からなるか、あるいはＴｉＯ２を主成分として、Ｖ２Ｏ５、ＷＯ３、ＭｏＯ３、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のいずれか１種又は２種以上が混合されたものであり、
    前記セルのセル密度が、１００〜５００ｃｐｓｉであり、
    前記セルを通過する排ガスの流速と、圧力損失との関係で示される直線の傾きが、３０以上１８０以下であることを特徴とする船舶用エンジンの排ガスに用いるハニカム触媒構造体。
  2. 長手方向に沿って、一方の端面から他方の端面に延設された複数のセルがセル壁によって区画された形状のメタルハニカムユニットにＳＣＲ触媒が担持されたハニカム触媒構造体を備えたＳＣＲ装置であり、
    前記ハニカム触媒構造体は、請求項１記載のハニカム触媒構造体であり、
    船舶用エンジンと一体となっていることを特徴とするＳＣＲ装置。
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