JP7154082B2

JP7154082B2 - 排ガス浄化用触媒構造体

Info

Publication number: JP7154082B2
Application number: JP2018176028A
Authority: JP
Inventors: 啓一郎甲斐; 尚美今田; 泰良加藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2022-10-17
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: JP2020044508A

Description

本発明は、排ガス浄化用板状触媒エレメントおよび排ガス浄化用触媒ユニットに関する。より詳細に、本発明は、低い圧力損失で且つ高い脱硝効率を有する排ガス浄化用板状触媒エレメント、および該エレメントをガス流路が確保されるように重ね合わせてなる排ガス浄化用触媒ユニットに関する。

火力発電所、各種工場に在るボイラ等の火炉から排出されるガス中の窒素酸化物を脱硝触媒の存在下で分解させて排ガスを浄化することが行われている。排ガス中の窒素酸化物を高効率で分解するために種々の脱硝触媒構造体が提案されている。

例えば、特許文献１は、表面に触媒活性を有する成分を担持し、平坦部と該平坦部を間隔を隔てて仕切る互いに平行であり、かつ該平坦部の互いに反対側の平面に配置される帯状突起からなる突条部とが交互に繰り返して配置される同一形状の板状触媒を互いに間隔をあけて複数枚積層し、隣接する板状触媒間にガス流路を形成した触媒構造体を一単位とし、ガス流れ方向に対して前記一単位の触媒構造体の複数段を、各段の触媒構造体の板状触媒の積層方向を交互に９０°回転させて配置したことを特徴とする触媒構造体を開示している。

特許文献２は、帯状突起からなる突条部と平坦部とを交互に間隔をあけて繰り返して形成される板状触媒であって、複数の前記突条部とそれぞれ交差して延在する帯状の開口を有してなる板状触媒、および該板状触媒を複数枚積層することにより、隣り合う前記板状触媒間に前記突条部を仕切り壁とするガス流路を形成し、かつ、隣り合う前記板状触媒間の前記開口を互いに対向させて配置してなる触媒構造体を開示している。

特許文献３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単位板状触媒を開示している。堰状突起は単位板状触媒の平坦部に設けた切り込みを折り曲げて形成されるタブまたは堰状突起片を単位板状触媒の平坦部に接続して形成されるタブであり、複数の貫通孔は前記タブ折り曲げ後の切り込み部または接続された堰状突起片とほぼ相補形状の貫通孔である。

特開２０１０－２５３３６６号公報特開２０１４－８４８９号公報特開平９－１０５９９号公報

本発明の課題は、低い圧力損失で且つ高い脱硝効率を有する排ガス浄化用板状触媒エレメント、および該エレメントをガス流路が確保されるように重ね合わせてなる排ガス浄化用触媒ユニットを提供することである。

上記課題を解決すべく検討した結果、以下のような態様を包含する本発明を完成するに至った。

〔１〕凸条からなるスペーサ部と、スペーサ部の長手方向に対して略直角な方向に隙間を開けてスペーサ部の長手方向に並べて設けてなる複数の平坦部とを有する、排ガス浄化用板状触媒エレメント。
〔２〕スペーサ部の縁に立設された脚板と、該脚板の上辺から平坦部に対して略平行に且つ平坦部を基準にしたスペーサ部の高さよりも低い高さで設置された天板とからなり、且つ脚板の板面が凸条に対して略平行になっている、バッフル部が、
前記隙間の在る部分に設けられている、〔１〕に記載の排ガス浄化用板状触媒エレメント。

〔３〕前記〔１〕または〔２〕に記載の排ガス浄化用板状触媒エレメントを、少なくとも２枚、ガス流路が確保されるように、重ね合わせてなる、排ガス浄化用触媒ユニット。

本発明の排ガス浄化用板状触媒エレメントおよび排ガス浄化用触媒ユニットは、低い圧力損失で、ダストが堆積し難く、且つガス流れを効率的に乱すことができ、その結果として、触媒重量当たりの脱硝率が高い。
本発明の排ガス浄化用板状触媒エレメントおよび排ガス浄化用触媒ユニットは、同一触媒量での脱硝性能が従来品に比べて高いので、触媒の使用量を大幅に低減することが可能である。本発明の排ガス浄化用板状触媒エレメントおよび排ガス浄化用触媒ユニットは、特に、石炭焚きのボイラから排出されるダストを比較的に多く含むガスの処理に好ましく使用できる。

本発明の排ガス浄化用板状触媒エレメントの一例を示す斜視図である。本発明の排ガス浄化用板状触媒エレメントの別の一例を示す斜視図である。図２に示した排ガス浄化用板状触媒エレメントの重ね合わせの位置関係を説明するための斜視図である。従来技術の排ガス浄化用板状触媒エレメントの一例を示す斜視図である。本発明の排ガス浄化用板状触媒エレメントの別の一例を示す斜視図である。本発明の排ガス浄化用触媒ユニットの一例を示す斜視図である。重ね合わせた排ガス浄化用板状触媒エレメント間のガス流れの状態を示す概念図である。従来技術の排ガス浄化用板状触媒エレメントの一例を示す斜視図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。なお、以下の実施形態によって本発明の範囲は制限されない。

〔排ガス浄化用板状触媒エレメント〕
本発明の排ガス浄化用板状触媒エレメントは、凸条からなるスペーサ部２と、複数の平坦部３とを有する。平坦部３は、スペーサ部の長手方向に並べて設けてなる。並べられた平坦部３の間に、隙間を開ける。該隙間はスペーサ部の長手方向に対して略直角な方向にひろがっている。その結果、複数の平坦部３がスペーサ部２によって連結され、簀の子のような形態（SLATTED DRAINBOARD SHAPE）となる。

平坦部３およびスペーサ部２、並びに必要に応じてバッフル部には、触媒が担持されている。触媒は脱硝反応に使用されるものであれば特に限定されない。例えば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖなどの元素を含む触媒成分を含有する触媒、Ｃｕなどの貴金属元素やＦｅなどの卑金属元素が担持されていてもよいゼオライトまたはアルミノケイ酸塩を含有する触媒、前記Ｔｉなどの元素を含む触媒成分を含有する触媒と前記ゼオライトまたはアルミノケイ酸塩を含有する触媒との混合触媒などを挙げることができる。触媒を担持させる基材として、金属平板、織金網、パンチングメタル、エキスパンドメタル（別名：ラスメタル、メタルラス）、ワイヤメッシュ、ガラス織布、ガラス不織布などの平面状のものを挙げることができる。基材にはステンレス鋼が好ましく用いられる。平面状基材は、型曲げ加工（プレス曲げ加工）などによって、容易に、平坦部とスペーサ部の形を作ることができる。触媒を担持させる平面状基材の厚さは、特に制限されないが、好ましくは０．１ｍｍ～０．３ｍｍである。

基材への触媒の担持は、例えば、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。）を平板状のラスメタル基材の一面に載せ、ロール等で圧し挟み、次いで乾燥、必要に応じて焼成することを含む方法、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、該触媒ペーストを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、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、次いで乾燥、必要に応じて焼成することを含む方法などによって行うことができる。このようにして、平らな基材の両面に触媒層が積層される。基材の網目間も触媒ペーストで埋まっていることが好ましい。基材に触媒を担持させたものの厚さは、特に制限されないが、好ましくは０．２～２ｍｍである。

スペーサ部は、排ガス浄化用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ができる空間、すなわち、ガス流路を確保するためのスペーサの役割をなす。スペーサ部は、触媒が担持された凸条からなる。凸条の断面形状は特に制限されない。例えば、上向き凸条からなる断面山形のスペーサ部、上向き凸条と下向き凸条とからなる断面波形のスペーサ部２などを挙げることができる。上向き凸条と下向き凸条とからなる断面波形のスペーサ部２を有する板状触媒エレメントを重ね合わせたときに、下に在る排ガス浄化用板状触媒エレメントの上向き凸条と上に在る排ガス浄化用板状触媒エレメントの下向き凸条とが間に在る排ガス浄化用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を高くすることができ、さらに枠体によって横方向を固定することによって、排ガス浄化用触媒ユニット内で排ガス浄化用板状触媒エレメントが安定に重ね合わせられた構造を維持できる。スペーサ部は平面状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。凸条間の間隔は、好ましくは２０～２００ｍｍである。一つの凸条の幅は、好ましくは１０～２０ｍｍである。図１に示すスペーサ部２において下向き凸条と上向き凸条とを合わせた幅は、好ましくは２０～４０ｍｍである。平坦部を基準にした凸条の高さは、好ましくは４～１０ｍｍである。

複数の平坦部のそれぞれの大きさは特に制限されないが、ほぼ同じ大きさに設定するのが好ましい。例えば、第一の平坦部を排ガス浄化用板状触媒エレメントのガス流れ方向の前縁から、好ましくは８０～３００ｍｍ、より好ましくは１００～２００ｍｍの後方までひろがる大きさとし、第一の隙間を開けて第二の平坦部を、好ましくは８０～３００ｍｍ、より好ましくは１００～２００ｍｍの後方までひろがる大きさとすることができる。さらに隙間を開けて第三以降の平坦部を、好ましくは８０～３００ｍｍ、より好ましくは１００～２００ｍｍの後方までひろがる大きさとすることができる。隙間は、好ましくは５～３０ｍｍ、より好ましくは１０～２０ｍｍ開ける。

一つの排ガス浄化用板状触媒エレメントに在る隙間は、板状触媒エレメントを重ね合せたときに、隣りの排ガス浄化用板状触媒エレメントに在る隙間と、平坦部法線方向から見て、同じ位置に設置してもよいし、異なる位置に設置してもよい。

本発明の一例である排ガス浄化用板状触媒エレメント１ｃは、前記隙間７の在る部分にバッフル部６が設けられている。バッフル部６は、スペーサ部の縁に立設された脚板と、該脚板の上辺から平坦部に対して略平行に且つ平坦部を基準にしたスペーサ部の高さよりも低い高さで設置された天板とからなる。
脚板の板面は凸条に対して略平行になっている。脚板は、板面が平坦部に対して垂直に立っていてもよいし、平坦部に対して斜めに立っていてもよい。脚板は平坦部から上向きにまたは下向きに立設させることができる。脚板は上向きと下向きとを交互に立設させることもできる。

脚板の高さは、平坦部を基準にしたスペーサ部の高さよりも低い高さ、好ましくは平坦部を基準にしたスペーサ部の高さの２／５～３／５の高さ、より好ましくは平坦部を基準にしたスペーサ部の高さの１／２の高さである。スペーサ部の高さによって、板状触媒エレメントを重ねたときにできるガス流路の幅、すなわち平坦部間の距離がほぼ定まる。そして脚板の高さによって天板と平坦部との間の距離がほぼ定まる。本発明においては重ね合せた板状触媒エレメントの平坦部と平坦部との間にできる流路の真中（スペーサ部の高さの１／２の高さ）あたりに天板５ａが配置されるようにすることが好ましい。

天板は、前記脚板の上辺から平坦部３に略平行に設置されている。天板は流れに対して直角な方向に突き出るように設置される。脚板からの突出し長さｗは、排ガス浄化用板状触媒エレメントを重ね合わせた際にできる、下向き凸条と上向き凸条との間の距離に対して、好ましくは１０～９５％、より好ましくは３０～８０％である。具体的に、長さｗは好ましくは１０～５０ｍｍである。

脚板と天板との継ぎ目および脚板と平坦部との継ぎ目は角を成していてもよいし、滑らかな曲面になっていてもよい。低圧力損失の観点から曲面になっていることが好ましい。脚板および天板の厚さは、好ましくは０．２～２ｍｍである。

天板および脚板の、スペーサ部の長手方向に平行な方向の長さ（幅）は、特に制限されないが、隙間の開き幅と同じ程度、具体的に、好ましくは５～３０ｍｍ、より好ましくは１０～２０ｍｍである。図５に示す板状触媒エレメント１ｃでは、天板の幅と脚板の幅は、同じであるが、天板の幅を脚板の幅よりも大きくしてもよいし、逆に天板の幅を脚板の幅よりも小さくしてもよい。

板状触媒エレメントのスペーサ部および隙間は、次のようにして形成する。例えば、触媒ペーストが積層されてなる平らな面状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。さらにプレス打ち抜き加工によって隙間７を形成する。またはプレス切込加工することによってコの字状の切り込みを入れると同時にプレス曲げ加工によって切り込み部を図５のように曲げて隙間７とバッフル部６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塗布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１０内に収容できる大きさに適宜カットすることができる。

本発明においては、スペーサ部の長手方向に対して直角な方向に隙間を開けて、スペーサ部の長手方向に並べて設けてなる複数の平坦部の前縁に、ガス流が衝突し、ガス流れに図７に示す矢印のような乱れを生じさせる。ガス流路の中央部は板状触媒エレメントの触媒表面から離れているので触媒表面の近傍に比べて脱硝反応が進行し難くＮＯｘ濃度が高い。隙間がガス流れを乱し、中央部の高濃度ＮＯｘが触媒表面に接触するように誘導する。乱されたガス流れは、細いガス流路を十数ｃｍ～数十ｃｍ流れるだけで整流される。乱されたガス流れが整流されてしまう前の位置に次の隙間をさらに配することで、ガス流れの乱れを持続させて、ＮＯｘの触媒表面への接触頻度を高めることができる。

〔触媒ユニット〕
本発明の排ガス浄化用触媒ユニットは、本発明の排ガス浄化用板状触媒エレメントを、少なくとも２枚、ガス流路が確保されるように重ね合わせて成るものである。重ね合わせた排ガス浄化用板状触媒エレメントが崩れないようにするために枠体１０に収容することができる。排ガス浄化用板状触媒エレメントの重ね方は、排ガス浄化用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、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３に示すようにスペーサ部が相互に平行になるように重ねるのが好ましい。また、スペーサ部が嵌め合わないように重ねること、すなわち一つの排ガス浄化用板状触媒エレメントに在るスペーサ部が隣りの排ガス浄化用板状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。重ねる枚数は枠体の大きさと排ガス浄化用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枚程度の排ガス浄化用板状触媒エレメントを重ねる。枠体は、重ねられた排ガス浄化用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１０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。

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
比表面積約１７０ｍ²／ｇの酸化チタン１０ｋｇ、モリブデン酸アンモニウム四水和物５２０ｇ、メタバナジン酸アンモニウム４８５ｇ、７５％リン酸６００ｇ、および２０重量％シリカゾル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にした。これに、シリカ・アルミナ系無機繊維１．６ｋｇ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。
この触媒ペーストを、一対の圧延ローラを用いて、ＳＵＳ４３０ステンレス鋼エキスパンドメタルからなる幅５００ｍｍで且つ長尺の面状基材のラス目間及び表面に圧し付けて厚さ０．７ｍｍの長尺の平板触媒を得た。この長尺の平板触媒をプレス機を用いて型曲げ加工して断面波形のスペーサ部（平坦部を基準にした凸条の高さ＝７ｍｍ）を形成させた。その後、長さ６００ｍｍに切断し、平坦部３とスペーサ部２とを有する板状触媒１を得た。
次いで、板状触媒１に型抜きプレス加工を施し、板状触媒１の前縁から２９０ｍｍ後方の平坦部に、図１に示すようなスペーサ部に対して直角な方向に開き幅２０ｍｍの隙間を一つ形成させて板状触媒エレメントａを得た。板状触媒エレメントａは、凸条からなるスペーサ部２が、堅牢な骨格を成しているので、機械的強度に優れる。
板状触媒エレメントａを、図６に示すように重ね合わせ、枠体１０で保持した。これを２４時間通風乾燥させ、ついで空気中５００℃で２時間焼成して、５００ｍｍ角、長さ６００ｍｍの触媒ユニットＡを得た。

実施例２
板状触媒１の前縁から１３５ｍｍ、２９０ｍｍおよび４４５ｍｍ後方の平坦部に、図２に示すようなスペーサ部に対して直角な方向に幅２０ｍｍの隙間を三つ形成させた以外は実施例１と同じ方法で板状触媒エレメントｂおよび触媒ユニットＢを得た。

実施例３
板状触媒１の前縁から１４３ｍｍ、２９６ｍｍおよび４４９ｍｍ後方の平坦部に、図２に示すようなスペーサ部に対して直角な方向に幅１０ｍｍの隙間を三つ形成させた以外は実施例１と同じ方法で板状触媒エレメントｃおよび触媒ユニットＣを得た。

実施例４
板状触媒１の前縁から９０ｍｍ、１９０ｍｍ、２９０ｍｍ、３９０ｍｍおよび４９０ｍｍ後方の平坦部に、スペーサ部に対して直角な方向に幅１０ｍｍの隙間を五つ形成させた以外は実施例１と同じ方法で板状触媒エレメントｄおよび触媒ユニットＤを得た。

比較例１
板状触媒エレメントａの代わりに実施例１で得られた板状触媒１を用いた以外は実施例１と同じ方法で触媒ユニットＥを得た。

比較例２
板状触媒１の前縁から１４３ｍｍ、２９６ｍｍおよび４４９ｍｍ後方の平坦部およびスペーサ部に、図８に示すようなスペーサ部に対して直角な方向に幅１０ｍｍ、長さ４００ｍｍの帯状貫通孔を三つ形成させた以外は実施例１と同じ方法で板状触媒エレメントｆおよび触媒ユニットＦを得た。板状触媒エレメントｆは、歪みが生じやすく、機械的強度が劣る。

実施例５
板状触媒１の前縁から５８ｍｍ、１３６ｍｍ、２１４ｍｍ、２９２ｍｍ、３７０ｍｍ、４４８ｍｍおよび５２６ｍｍ後方の平坦部に、スペーサ部に対して直角な方向に幅２０ｍｍの隙間を七つ形成させた以外は実施例１と同じ方法で板状触媒エレメントｇおよび触媒ユニットＧを得た。

触媒ユニットＡ～Ｇについて，表１に記載の条件で脱硝反応を行い、比較例１を規準にした脱硝活性比を測定した。その結果を表２に示す。
表２から分かるように、本発明の板状触媒エレメントａ～ｄを重ね合わせてなる触媒ユニットＡ～Ｄは、触媒ユニットＥまたはＦに比べて、いずれも高い脱硝性能を有している。板状触媒エレメントｆは単位触媒面積当たりの脱硝活性(D/A)が向上している。触媒ユニットＧは、隙間を多く形成したことによる触媒面積の減少のために、脱硝活性比Ｄが低い。
以上のように、本発明の触媒ユニットは、圧力損失が低く、排ガスにダストが含まれていてもダストの堆積が起こりにくい。石炭焚きボイラなどから排出されるダストを多く含む排ガスの浄化処理に好適であり、従来の触媒ユニットよりも環境負荷を大幅に低減できる。

１：板状触媒
１ａ～１ｃ、ｆ：板状触媒エレメント
２：スペーサ部
３：平坦部
５：貫通孔
６：バッフル部
７：隙間
８：排ガス
９：触媒ユニット
１０：枠体

Claims

複数の平坦部と、凸条からなるスペーサ部とを有し、
平坦部は、スペーサ部の長手方向に対して略直角な方向にのびる隙間を開けてスペーサ部の長手方向に並べて設けられており、
スペーサ部は、平坦部の隙間側の縁に対して略直角な方向にのびる平坦部の縁がスペーサ部の長手の縁に合わさるように、平坦部と別の平坦部との間に設けられている、
排ガス浄化用板状触媒エレメント。
スペーサ部の長手の縁に立設された脚板と、該脚板の上辺から平坦部に対して略平行に且つ平坦部を基準にしたスペーサ部の高さよりも低い高さで設置された天板とからなり、且つ脚板の板面が凸条の長手方向に対して略平行に且つ天板が前記隙間の在る部分にかぶさるように設けられている、バッフル部をさらに有する、
排ガスを凸条の長手方向に対して略平行に流すことができるように構成するための、
請求項１に記載の排ガス浄化用板状触媒エレメント。
請求項１または２に記載の排ガス浄化用板状触媒エレメントを、少なくとも２枚、ガス流路が確保されるように、重ね合わせてなる、排ガス浄化用触媒ユニット。