JP7244444B2 - 脱硝触媒構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、脱硝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、高い脱硝率を実現でき、初期ランニングコストの低減に寄与できる、脱硝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の火炉やごみ焼却炉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若しくは脱硝触媒ユニットが提案されている。
例えば、特許文献1は、表面に触媒活性を有する触媒成分を担持し、帯状突起からなる突条部と平坦部とを間隔を隔てて交互に繰り返して構成される板状の触媒エレメントを複数枚積層してなる触媒構造体において、ガス流れをガス流れ方向に連続的あるいは段階的に部分的に堰き止めるような方向に各々の触媒エレメントの突条部を配設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、表面に触媒成分が担持された、帯状突起からなる突条部と平坦部を交互に平行に繰り返して有する板状触媒エレメントを、上記突条部がガス流れを遮るように配置して複数枚積層した触媒構造体であって、前記突条部が板状触媒エレメントの表裏に交互に隣接して存在し、かつそれぞれ二以上の同数の帯状突起を有し、突条部がガス流れ方向に対して0<θ≦90°(ただしθはガス流れ方向に対する突条部の傾斜角度)となるように配置された板状触媒エレメントをその表裏を交互に反転させて順に積層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3は、実施例14として、150mm×250mmの大きさで、高さ2mmの波形の線条が長辺に対して斜め(約30°)に短辺における間隔30mmにて6本有する、触媒基材を、触媒枠に、46枚積層して、150mm×150mm×250mmの触媒担体ユニットを作成し、このユニットを触媒スラリに浸漬し、乾燥させ、焼成して、ユニット状触媒を調製したことを開示している。
WO96/014920A1 特開2000-117120号公報 特開2002-361092号公報
先行技術における触媒構造体は、図12に示すように、運転中の熱によって、板状触媒エレメントがへたばってきたときに、板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁部分が撓んで、流路の幅dが、狭められたり、不揃いになったりして、圧力損失の増大、脱硝率の低下を招くことがあった。
本発明の課題は、低い圧力損失で、高い脱硝率を実現でき、ファン動力などの初期ランニングコストの低減に寄与できる、脱硝触媒ユニットを提供することである。
上記課題を解決するために検討した結果、以下の形態を包含する本発明を完成するに至った。
〔1〕 ガス流入側に在る縁とガス流出側に在る縁と両脇にそれぞれ在る縁とを有する板状触媒エレメントを、ガス流入側に在る縁と両脇に在る縁とを揃えて、複数枚積み重ねて成る脱硝触媒ユニットであって、
個々の板状触媒エレメントは、平らな板状を成した平坦部と上面および下面にそれぞれ凸条を有する板状を成した凹凸部とを交互にそれぞれ複数有し、且つ各凸条は板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁の延在方向に対して50°以上85°以下の角度θで斜めに且つ相互に平行に配置されており、
一の板状触媒エレメントの上面にある凸条の稜線と隣接する他の一の板状触媒エレメントの下面にある凸条の稜線とが交差して接するように配置されており、
該交差する点のうちの少なくとも一つが、板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁から内側に向かって0mm超過且つ25mm未満の範囲xに在る、
脱硝触媒ユニット。
〔2〕 個々の板状触媒エレメントは、板状基材とそれに担持された触媒成分とを含有してなるものである、〔1〕に記載の脱硝触媒ユニット。
〔3〕 ガス流入側に在る縁とガス流出側に在る縁と両脇にそれぞれ在る縁とを有する板状触媒エレメントであって、
板状触媒エレメントは、平らな板状を成した平坦部と上面および下面にそれぞれ凸条を平行に有する板状を成した凹凸部とを交互にそれぞれ複数有し、且つ各凸条は板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁の延在方向に対して50°以上85°以下の角度θで斜めに且つ相互に平行に配置されており、
複数枚の板状触媒エレメントを、ガス流入側に在る縁と両脇に在る縁とを揃えて、且つ一の板状触媒エレメントの上面にある凸条の稜線と隣接する他の一の板状触媒エレメントの下面にある凸条の稜線とが交差して接するように配置されて、積み重ねたときに、該交差する点のうちの少なくとも一つが、板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁から内側に向かって0mm超過且つ25mm未満の範囲xに在る、
板状触媒エレメント。
〔4〕 板状基材とそれに担持された触媒成分とを含有してなる、〔3〕に記載の板状触媒エレメント。
本発明によると、低い圧力損失で、高い脱硝率を実現でき、初期ランニングコストの低減に寄与できる。本発明は、ガス焚きプラントの排ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を除去するために、好適である。
本発明に用いる板状触媒エレメントAを示す3面(前面、上面、右側面)図である。 本発明に用いる板状触媒エレメントBを示す3面(前面、上面、右側面)図である。 本発明の脱硝触媒ユニットの一例を示す前面図である。 本発明の脱硝触媒ユニットの一例を示す斜視図である。 板状触媒エレメントAの上面にある凸条の稜線と板状触媒エレメントBの下面にある凸条の稜線とが交差する点の配置を示す(上面透視)図である。 板状触媒エレメントAの下面にある凸条の稜線と板状触媒エレメントBの上面にある凸条の稜線とが交差する点の配置を示す(上面透視)図である。 本発明に用いる板状触媒エレメントCを示す3面(前面、上面、右側面)図である。 本発明の脱硝触媒ユニットの一例を示す前面図である。 板状触媒エレメントAの上面にある凸条の稜線と板状触媒エレメントCの下面にある凸条の稜線とが交差する点の配置を示す(上面透視)図である。 板状触媒エレメントAの下面にある凸条の稜線と板状触媒エレメントCの上面にある凸条の稜線とが交差する点の配置を示す(上面透視)図である。 本発明の脱硝触媒ユニットにおけるガス流入側に在る縁の状態の一例を示す図である。 従来技術の脱硝触媒ユニットにおけるガス流入側に在る縁の状態の一例を示す図である。
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。
本発明の脱硝触媒ユニットは、複数の板状触媒エレメントからなる。
個々の板状触媒エレメントは、板状基材とその表面に担持された触媒成分とを含有してなるものであることが好ましい。板状触媒エレメントは、例えば、メタルラス、無機繊維織布または不織布などの板状基材に、触媒成分を含浸、塗布などして担持し、次いで、プレス加工などを施すことによって得ることができる。
触媒成分は、脱硝触媒効果のあるものであれば、特に制限されない。例えば、チタンの酸化物、モリブデンおよび/またはタングステンの酸化物、ならびにバナジウムの酸化物を含有して成るもの(チタン系触媒); CuやFeなどの金属が担持されたゼオライトなどのアルミノケイ酸塩を主に含有して成るもの(ゼオライト系触媒; チタン系触媒とゼオライト系触媒とを混合して成るものを挙げることができる。これらのうちチタン系触媒が好ましい。
チタン系触媒の例としては、Ti-V-W触媒、Ti-V-Mo触媒、Ti-V-W-Mo触媒等を挙げることができる。
Ti元素に対するV元素の割合は、V/TiOの重量百分率として、好ましくは2重量%以下、より好ましくは1重量%以下である。Ti元素に対するMo元素および/またはW元素の割合は、モリブデンの酸化物とタングステンの酸化物とを併用する場合(MoO+WO)/TiOの重量百分率として、好ましくは10重量%以下、より好ましくは5重量%以下である。
チタン系触媒の調製において、チタンの酸化物の原料として、酸化チタン粉末または酸化チタン前駆物質を用いることができる。酸化チタン前駆物質としては、酸化チタンスラリ、酸化チタンゾル;硫酸チタン、四塩化チタン、チタン酸塩、チタンアルコキシドなどを挙げることができる。本発明においては、チタンの酸化物の原料として、アナターゼ型酸化チタンを形成するものが好ましく用いられる。
バナジウムの酸化物の原料として、五酸化バナジウム、メタバナジン酸アンモニウム、硫酸バナジル等のバナジウム化合物を用いることができる。
タングステンの酸化物の原料として、パラタングステン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、三酸化タングステン、塩化タングステン等を用いることができる。
モリブデンの酸化物の原料として、モリブデン酸アンモニウム、三酸化モリブデンなどを用いることができる。
本発明に用いられる触媒成分には、助触媒または添加物として、Pの酸化物、Sの酸化物、Alの酸化物(例えば、アルミナ)、Siの酸化物(例えば、ガラス繊維)、Zrの酸化物(例えば、ジルコニア)、石膏(例えば、二水石膏など)、ゼオライトなどが含まれていてもよい。これらは、粉末、ゾル、スラリ、繊維などの形態で、触媒調製時に用いることができる。
本発明の脱硝触媒ユニットは、図4に示すような、複数の板状触媒エレメントが、枠体5の中に収納されているものが好ましい。
個々の板状触媒エレメントは、ガス流入側に在る縁とガス流出側に在る縁と両脇にそれぞれ在る縁とを有する板状を成している。個々の板状触媒エレメントは、全体的な形状が、正方形または直方形であることが好ましい。そして、本発明の脱硝触媒ユニットにおいては、板状触媒エレメントが、ガス流入側に在る縁と両脇に在る縁とを揃えて、積み重ねられている。
個々の板状触媒エレメントは、平坦部1と凹凸部2とを交互にそれぞれ複数有する。平坦部1は、平らな板状を成している。凹凸部2は、上面および下面にそれぞれ凸条3,3’を平行に有する板状を成している。凸条3,3’は、曲っていてもよいが、図1等に示すように実質的に真直ぐな方が好ましい。凸条3,3’の高さh、および凸条3,3’の幅wは、適宜設定することができる。凹凸部2の幅は2wである。なお、ガス流入側またはガス流出側に在る縁における凸条断面の幅wはw/(sin(90°-θ))である。個々の凸条3’,3の真裏は、該凸条の形に対応した形の凹条4,4’を成していることが好ましい。個々の凹凸部は、上面に在る凸条と下面に在る凸条とによって断面がZ字状またはS字状になっていることが好ましい。なお、図中の凹凸部2は、細い線が凸条の稜線を示し、太い線が凹条の谷線を示す。さらに、幅wに対する高さhの比h/wが大きくなるほど脱硝率が向上する傾向があり、この比が小さくなるほど圧力損失が低下する傾向がある。また、平坦部および凹凸部における板厚tは、特に限定されないが、好ましくは0.1~0.5mmである。
各凸条は板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁の延在方向に対して、角度θで、斜めに且つ相互に平行に配置されている。角度θは、下限が、50°、好ましくは55°、より好ましくは65°、よりさらに好ましくは70°であり、上限が85°、好ましくは83°、より好ましくは80°である。角度θが小さいと脱硝率の増大効果が高い傾向がある。角度θが大きいと圧力損失の低減効果が高い傾向がある。同じ面にある平行に配置された凸条は等間隔に配置されていることが好ましい。同じ面にある平行に配置された凸条の稜線間の距離pは、適宜設定できる。なお、幅pは、p-2wまたはwsin(90°-θ)である。本発明の板状触媒エレメントは、角度θが大きくなるほど圧力損失が低くなる傾向があり、幅pが小さくなるほど脱硝率が高くなる傾向がある。
本発明の脱硝触媒ユニットにおいては、一の板状触媒エレメントの上面にある凸条3の稜線と隣接する他の一の板状触媒エレメントの下面にある凸条3’の稜線とが交差して接するように配置されている。該交差する点における二つの稜線が成す劣角θは、好ましくは10°以上80°以下、より好ましくは20°以上70°以下、さらに好ましくは20°以上65°以下である。凸条の稜線が交差して接するように配置することで、板状触媒エレメントの平坦部の上面と隣接する板状触媒エレメントの平坦部の下面との間の平均距離は、前述した凸条3,3’の高さによって、下限が規制される。
本発明の脱硝触媒ユニットは、前記交差する点6,6’のうちの少なくとも一つが、板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁から内側(ガス流出側)に向かって、0mm超過且つ25mm未満、好ましくは4mm以上且つ20mm以下、より好ましくは7mm以上16mm以下の範囲xに、在る。
交差する点6,6’が、この範囲xに位置する態様の例を以下に示す。
図2に示す板状触媒エレメントBは、図1に示す板状触媒エレメントAの前後を入れ替えて裏返しにしたものである。このように裏返すと、板状触媒エレメントAの前面(ガス流入)側に在る縁における凹凸部の断面はZ字状の波形を成し、板状触媒エレメントBの前面(ガス流入)側に在る縁における凹凸部の断面は逆Z字状の波形を成す。図3、図5および図6に示すように、板状触媒エレメントAの上面の凸条の稜線と板状触媒エレメントBの下面の凸条の稜線とが交差して接する点6(図5)と、板状触媒エレメントAの下面の凸条の稜線と板状触媒エレメントBの上面の凸条の稜線とが交差して接する点6’(図6)がガス流入側に在る縁からほぼ同じ距離の位置において左右に交互にシフトして配置される。板状触媒エレメントAと板状触媒エレメントBのように一の板状エレメントを前後反転裏返して使用する場合、少なくとも一つの交差する点を範囲xに存在させるために、WとWとの差が2x/(tanθ)であることが好ましい。
図6に示す板状触媒エレメントCは、図1に示す板状触媒エレメントAの左右を入れ替えて裏返しにしたものである。このように裏返すと、板状触媒エレメントAの前面(ガス流入)側に在る縁における凹凸部の断面および板状触媒エレメントBの前面(ガス流入)側に在る縁における凹凸部の断面は伴にZ字状の波形を成す。図8、図9および図10に示すように、板状触媒エレメントAの上面の凸条の稜線と板状触媒エレメントCの下面の凸条の稜線とが交差して接する点6と、板状触媒エレメントAの下面の凸条の稜線と板状触媒エレメントCの上面の凸条の稜線とが交差して接する点6’が両脇の縁からほぼ同じ距離の位置において前後に交互にシフトして配置される。板状触媒エレメントAと板状触媒エレメントCのように一の板状エレメントを左右反転裏返して使用する場合、少なくとも一つの交差する点を範囲xに存在させるために、凸条の稜線が凸条の幅の中点に沿って在る場合、WとWとの差が2x/(tanθ)-1.5Wであることが好ましい。
交差する点6,6’が、範囲xに位置することによって、板状触媒エレメントがへたばって撓んだときでもガス流入側に在る縁における、板状触媒エレメントの平坦部の上面と隣接する板状触媒エレメントの平坦部の下面との間の距離dが不均一となることを防止できる(図11)。それによって、本発明の脱硝触媒ユニットは、低い圧力損失で、高い脱硝率を実現できるので、ファン動力などの初期ランニングコストの低減に寄与できる。
以下に実施例を示して、本発明の脱硝触媒ユニットの効果を具体的に示す。
比較例
角度θが75°、pが30mmの、板状触媒エレメントを重ね合わせて交差する点6,6’の位置がガス流入側に在る縁から30mmになるように脱硝触媒ユニットを組み立てた。これに模擬燃焼排ガスを流して、圧力損失及び脱硝率を測定した。
実施例
角度θが75°、pが30mmの、板状触媒エレメントAを図3~6に示すように重ね合わせて交差する点6,6’の位置がガス流入側に在る縁から10mmになるように脱硝触媒ユニットを組み立てた。これに模擬燃焼排ガスを流して、圧力損失及び脱硝率を測定した。
実施例の脱硝触媒ユニットの圧力損失は、比較例の脱硝触媒ユニットの圧力損失に比べて、約30%低かった。実施例の脱硝触媒ユニットの脱硝率は、比較例の脱硝触媒ユニットの脱硝率よりも高かった。
1:平坦部
2:凹凸部
3:上面の凸条
4:上面の凹条
3’:下面の凸条
4’:下面の凹条
5:枠体
A:板状触媒エレメント
B:板状触媒エレメント
6:板状触媒エレメントAの上面の稜線と板状触媒エレメントBの下面の稜線とが交差する点
6’:板状触媒エレメントAの下面の稜線と板状触媒エレメントBの上面の稜線とが交差する点
G:流入ガス
G’:流出ガス

Claims (8)

  1. ガス流入側に在る縁とガス流出側に在る縁と両脇にそれぞれ在る縁とを有する板状触媒エレメントを、ガス流入側に在る縁と両脇に在る縁とをそれぞれ揃えて、複数枚積み重ねて成る脱硝触媒ユニットであって、
    個々の板状触媒エレメントは、平らな板状を成した平坦部と上面および下面にそれぞれ凸条を有する板状を成した凹凸部とを交互にそれぞれ複数有し、且つ各凸条は板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁の延在方向に対して50°以上85°以下の角度で斜めに且つ相互に平行に配置されており、
    一の板状触媒エレメントの上面にある凸条の稜線と隣接する他の一の板状触媒エレメントの下面にある凸条の稜線とが交差して接するように配置されており、
    該交差する点のうち板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁から一つ目の交差する点が板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁から内側に向かって4mm以上且つ25mm未満の範囲に在る、
    脱硝触媒ユニット。
  2. 個々の板状触媒エレメントは、板状基材とそれに担持された触媒成分とを含有してなるものである、請求項1に記載の脱硝触媒ユニット。
  3. ガス流入側に在る縁とガス流出側に在る縁と両脇にそれぞれ在る縁とを有する板状触媒エレメントであって、
    板状触媒エレメントは、平らな板状を成した平坦部と上面および下面にそれぞれ凸条を有する板状を成した凹凸部とを交互にそれぞれ複数有し、且つ各凸条は板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁の延在方向に対して50°以上85°以下の角度で斜めに且つ相互に平行に配置されており、
    複数枚の板状触媒エレメントを、ガス流入側に在る縁と両脇に在る縁とをそれぞれ揃えて、且つ一の板状触媒エレメントの上面にある凸条の稜線と隣接する他の一の板状触媒エレメントの下面にある凸条の稜線とが交差して接するように配置されて、積み重ねたときに、該交差する点のうちの板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁から一つ目の交差する点が板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁から内側に向かって4mm以上且つ25mm未満の範囲に在る、
    板状触媒エレメント。
  4. 板状基材とそれに担持された触媒成分とを含有してなる、請求項3に記載の板状触媒エレメント。
  5. 板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁の延在方向に対する、各凸条の傾き角度の下限は、65°である、請求項1に記載の脱硝触媒ユニット。
  6. 触媒成分が、チタンの酸化物、モリブデンおよび/またはタングステンの酸化物、ならびにバナジウムの酸化物を含有して成るものであり、V/TiOの重量百分率が2重量%以下であり、且つ(MoO+WO)/TiOの重量百分率が10重量%以下である、請求項2に記載の脱硝触媒ユニット。
  7. 板状触媒エレメントのガス流入側に在る縁の延在方向に対する、各凸条の傾き角度の下限は、65°である、請求項3に記載の板状触媒エレメント。
  8. 触媒成分が、チタンの酸化物、モリブデンおよび/またはタングステンの酸化物、ならびにバナジウムの酸化物を含有して成るものであり、V/TiOの重量百分率が2重量%以下であり、且つ(MoO+WO)/TiOの重量百分率が10重量%以下である、請求項4に記載の板状触媒エレメント。
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