JP7395044B1 - ガス浄化フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】ガス浄化触媒の浄化性能とガス浄化フィルタの耐久性向上を両立させるガス浄化フィルタを提供する。【解決手段】複数の繊維１１により形成されるフィルタ本体１０と、フィルタ本体１０に付着したガス浄化触媒１６と、を備えるガス浄化フィルタ１であって、ガス浄化触媒１６を担持させた触媒担持層２と、ガス浄化触媒１６を担持させないろ過層３と、を有し、触媒担持層２とろ過層３との境界４を、ガスの流れ方向において下流側に存在するフィルタ本体１１の表面１３から、触媒担持層２に形成される推定流路径Ｄｘ以上の所定距離を持つように構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、化学物質を含有するガスから化学物質を除去するための触媒を担持したガス浄化フィルタに関する。

廃棄物を焼却した時に発生する排ガス（ガス）には、ばいじんと共に塩化物、窒化物及びダイオキシン等の化学物質が含まれることがある。このような排ガスは、ばいじん及び化学物質を法定の基準値以下に除去されてから大気中に放出される。この除去のため、排ガスが流れる経路の途中に、化学物質除去用の触媒を担持したガス浄化フィルタが配置される。
例えば、下記特許文献１には、ガスの流れ方向の下流に向かうにつれ触媒の密度が吸着剤の密度より小さくなる領域を有し、上流側に位置する第一面よりも下流の第二面には実質的に触媒が付着していないろ布を備えたガス浄化フィルタが開示されている。
また、下記特許文献２には、触媒を担持したフェルトパッドの下流に、穿孔したフルオロポリマーフィルムが貼付されたガス浄化フィルタが開示されている。

特開２０１９－１５５２９５号公報 特開２０２２－１３０５１１号公報

ところで、ガス浄化フィルタは、フィルタ本体が触媒を担持する触媒担持層の厚みが大きいほど、ガスと触媒との接触時間が増えてガス中の化学物質の除去性能が向上する。一方で、触媒担持層では、触媒粒径の不均一性や触媒の付着状況の不均一性によってガス流路の拡縮が発生する。このような流路を通過してガスの流れが乱れると、触媒の剥離やフィルタの摩耗が起きる可能性がある。その結果、ガス浄化フィルタの耐久性が不十分となるおそれがある。
特にろ布を有底円筒状（袋状）に形成した円筒形フィルタの外側から内側にガスを通過させるショックパルス型のバグフィルタにおいて、円筒内部（フィルタ下流側外部）ではガスが乱流に遷移している可能性が高い。フィルタ厚みを全て触媒担持層として形成した場合、フィルタ内部で流路の拡縮などにより排ガスの流れが乱れたまま円筒内部の表面に達することで、円筒内部の表面付近では流れの乱れがより大きくなってしまう懸念がある。

上記特許文献１のガス浄化フィルタは、下流側の第二面に触媒を担持しない構成であるが、フィルタ内で触媒がガスの流れにどのような影響を及ぼすか開示がなくフィルタ全体に対してどの程度の厚みが触媒を担持しない層となればよいかは開示されていない。そのため、触媒を担持しない層の厚みによっては、ガス浄化フィルタのガス浄化性能の維持が不十分となる可能性がある。また、上記特許文献２のように、触媒を担持したフェルトパッドとは別部材を用意しようとすると、その分の材料や作業のコストが増えてしまう。
上記の理由により、従来の技術では、ガス浄化フィルタの耐久性とガス浄化性能との両方に改善の余地があった。

そこで、本発明では、フィルタを通過するガスに対する流体力学的知見を考慮して、ガス浄化フィルタ内でガス浄化触媒を担持する触媒担持層とガス浄化触媒を担持しないろ過層の境界を適切に定めることで、ガス浄化フィルタのガス浄化性能の維持とフィルタ耐久性の向上を両立させるガス浄化フィルタを提供することを目的とする。

本発明のガス浄化フィルタは、複数の繊維により形成されるフィルタ本体と、前記フィルタ本体に付着したガス浄化触媒と、を備えるガス浄化フィルタであって、前記ガス浄化触媒を担持させた触媒担持層と、前記ガス浄化触媒を担持させないろ過層と、を有し、前記触媒担持層と前記ろ過層との境界を、ガスの流れ方向において下流側に存在する前記フィルタ本体の表面から、前記触媒担持層に形成される推定流路径以上の所定距離を持つように構成したガス浄化フィルタである。

本発明のガス浄化フィルタによれば、フィルタ内にガス浄化触媒を担持させないろ過層を有することで、ガス浄化触媒の粒径やフィルタ本体にガス浄化触媒が不均一に付着することによって拡縮した流路に発生するガス浄化フィルタ内のガス流れの乱れ（不均一な流量分布）をろ過層で抑えることができる。そのため、ガス流れの乱れによって発生する可能性のあるフィルタ本体からのガス浄化触媒の剥離やフィルタ本体の摩耗を防止して、ガス浄化フィルタの耐久性を向上させる。
また、前記触媒担持層と前記ろ過層との境界が、ガスの流れ方向において下流側に存在する前記フィルタ本体の表面から、前記触媒担持層に形成される推定流路径以上の所定距離を離隔する構成により、触媒を実質的に担持しないろ過層を適切に定めることで、ガス浄化フィルタのガス浄化性能を維持することができる。
このように、フィルタを通過するガスに対する流体力学的知見を考慮して、ガス浄化フィルタ内でガス浄化触媒を担持する触媒担持層とガス浄化触媒を担持しないろ過層の境界を適切に定めることで、ガス浄化触媒の浄化性能とガス浄化フィルタの耐久性向上を両立させることができる。

実施形態に係るガス浄化フィルタの概略構成図である。 実施形態に係るガス浄化フィルタにおける境界部の拡大図である。 実施形態に係るガス浄化フィルタを適用したガス浄化設備の概略構成図である。 図３のガス浄化設備におけるバグフィルタの概略構成図である。

以下、図１乃至図４を参照して、実施形態としてのガス浄化フィルタについて説明する。以下に示す構成等はあくまでも例示に過ぎず、明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。実施形態及び変形例で示す各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、当該各構成は、本発明の必須の構成要件を除き、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

本実施形態のガス浄化フィルタ１は、図１及び図２に示すように、複数の繊維１１で形成されるフィルタ本体１０とフィルタ本体１０の繊維１１に担持された粒状のガス浄化触媒１６とを備える。
フィルタ本体１０は、所定の厚みを有し、厚み方向Ｄｔの両側に互いに相反する面を向く第一面１２及び第二面１３を有する。第一面１２及び第二面１３は、フィルタ本体１０において厚み方向Ｄｔの両側に位置する二つの表面であって、第一面１２は図１中白抜き矢印で示すガスの流れ方向において上流側Ｄｕに位置し、第二面１３は下流側Ｄｄに位置する。第一面１２と第二面１３との間隔は、フィルタ本体１０の厚さＬに対応する。
図２に示すようにフィルタ本体１０中で、複数の繊維１１の相互間は、処理対象となるガスが通るガス流路１４を形成する。

図１及び図２に示すように、フィルタ本体１０は、第一面１２から第二面１３に向かってガス浄化触媒１６（図２中網掛けで示す）を担持した触媒担持層２を有し、第二面１３から第一面１２に向かってガス浄化触媒を担持しないろ過層３を有する。すなわち、触媒担持層２は、フィルタ本体１０において第一面１２側（上流側Ｄｕ）に配置された領域である。ろ過層３は、フィルタ本体１０において第二面１３側（下流側Ｄｄ）に配置された領域であり、触媒担持層２以外の領域である。

図２に示すように、フィルタ本体１０中の触媒担持層２は粒状のガス浄化触媒１６を担持しており、ろ過層３はガス浄化触媒１６を担持していない。なお、「ガス浄化触媒を担持していない」とは、ガス浄化触媒１６の担持量が０であることだけでなく、ガス浄化触媒１６がガスの流れに影響を及ぼさない程度の実質的に０であるような担持量であることも含まれる。
また、図２において触媒担持層２はガス浄化触媒１６だけでなく活性炭及び添着活性炭など粒状の吸着剤１７（図２中白抜きで示す）を担持してもよい。

フィルタ本体１０を形成する繊維１１は、例えば、ガラス繊維、ポリフルオロエチレン系繊維、ポリエステル系繊維、ポリアミド系繊維、ポリフェニレンサルファイド系繊維等が挙げられる。以上の繊維のうちで、耐熱性が高い繊維は、ガラス繊維及びポリフルオロエチレン系繊維である。繊維の直径は３～１５μｍが好ましい。繊維の織り方としては、綾織り、朱子織り、平織り等のいずれであってもよい。フィルタ本体１０である布の打ち込み密度は６００～１２００ｇ／ｍ²であることが好ましい。打ち込み密度が下限値以上であれば、ガス中の粉状物を充分に捕捉でき、上限値以下であれば、目詰まりを抑制できる。
本実施形態のフィルタ本体１０は、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系繊維を主組成として形成することが好ましい。

粒状のガス浄化触媒１６の平均粒径は、例えば、１μｍ～１００μｍである。ガス浄化触媒１６は、担体と活性成分とを有する。ガス浄化触媒１６の担体としては、チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）から選ばれる少なくとも一種以上の元素を含む単一酸化物又は複合酸化物である。ガス浄化触媒１６の活性成分としては、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）又はタンタル（Ｔａ）の酸化物のうち少なくとも一種類の酸化物もしくは複合酸化物である。担体としては、少なくともチタン酸化物を用いることが好ましい。活性成分としては、少なくともバナジウム酸化物を用いることが好ましい。以上で例示した全ての活性成分は、いずれも、水銀を含む各種物質の酸化能力を有し、ダイオキシンも酸化分解できる。

本実施形態のガス浄化触媒１６の組成は、特に制限されず、ガス中の各種化学物質を除去する組成が採用されるが、特にＤＸＮ及び脱硝機能を備えることが好ましい。活性成分が五酸化バナジウムの一成分である場合には、担体１００質量部に対して、活性物質１～２０質量部であることが好ましい。活性成分が五酸化バナジウムと三酸化タングステンの二成分である場合には、担体１００質量部に対して、五酸化バナジウムが１～１０質量部、三酸化タングステンが２～２５質量部であることが好ましい。

図１及び図２に示すように、フィルタ本体１０において触媒担持層２とろ過層３とは境界４（図中二点鎖線）で区切られている。図２に示すように、触媒担持層２とろ過層３との境界４は、第二面１３から境界４までの厚み（厚み方向Ｄｔの寸法）Ｌｘの位置に定める。境界４は、第二面１３から上流側へ厚みＬｘの位置に設定される。この厚みＬｘは、図２に示すように、ろ過層３の厚みに相当する。
厚みＬｘは、以下により求められる。
まず、以下の式１から触媒担持層２の流路径Ｄｘを推定する。フィルタ本体１０におけるガス流路を直管とみなしてモデル化し、流路径Ｄｘを本ガス浄化フィルタ１における代表長さとすると、Ｄｘは以下の式１で表すことができる。

本実施形態においてろ過層３の厚みＬｘは、上記の式１により推定された触媒担持層２の推定流路径Ｄｘの５倍以上として構成される。
ここで、ろ過層３の厚みＬｘとは、図２に示すように、第二面１３から境界４までの厚み方向Ｄｔに離隔する寸法に対応するものである。すなわち、触媒担持層２とろ過層３との境界４は、フィルタ本体１０の第二面１３（下流側に存在するフィルタ本体１０の表面）から、触媒担持層２において推定される推定流路径Ｄｘ以上の所定距離を持つ（所定距離だけ離隔する）ように構成されている。

上記のように推定流路径Ｄｘに基づいて境界４を設定する、すなわち、第二面１３から推定流路径Ｄｘ以上の所定距離を離隔するように境界４を設定する構成は、ガス浄化フィルタ１を通過するガスに対する流体力学的知見を考慮したものである。
具体的に言えば、一般的な差圧式の流量計測では、流れの乱れの影響を排除するために、流量計下流側の管長さを、測定対象の管径を基準として管径の５倍以上後ろに配置する必要がある、ということが知られている。すなわち流路内の絞りが生じる部分から管径の５倍以上の長さの流路で絞りの主要因排除することで流れの乱れの影響を抑制できると言える。そのため、例えば本実施形態のガス浄化フィルタ１において、ろ過層３の厚みＬｘを、ガス流速とガス浄化フィルタの圧損から推定される触媒担持層の推定流路径Ｄｘの５倍以上として構成することで、触媒担持層２の触媒に起因する流れの乱れは、同じフィルタ本体１０のろ過層３の厚みＬｘ内で抑えられる。

また、一方で触媒担持層がガスの浄化性能を充分に発揮するために、ろ過層３の厚みＬｘは、フィルタ本体の厚さＬの１０％以下に構成されることが好ましい。すなわち、境界４は、第二面１３から推定流路径Ｄｘの５倍以上の距離を持ち、且つ、フィルタ本体の厚さＬの１０％以下に構成されることが好ましい。
フィルタ本体１０の厚みＬが数ｍｍのオーダーであるのに対して、推定流路径Ｄｘは数μｍ～十数μｍのオーダーである。ろ過層３の厚みＬｘを推定流路径Ｄｘの５倍以上に設定しても、触媒担持層２の厚みＤｃはフィルタ本体１０の厚みＬに対して８割以上かつ９割以下の寸法まで確保できる。そのため、ガスの浄化性能に十分な触媒担持層２の厚みを確保できる。
言い換えれば、本ガス浄化フィルタ１を通過する排ガスは、フィルタ本体１０の表面（上流側の第一面１２）からろ過層３の境界４までに触媒担持層２で充分浄化されたうえで、さらにろ過層３を通過することで、ガスの流れの乱れが抑えられたクリーンガスとしてガス浄化フィルタ１から放出される。

本実施形態のガス浄化フィルタ１は、例えばごみ焼却炉の排ガス浄化処理設備内に取り付けられるバグフィルタとして使用される。
図３に示すように、ごみ焼却炉の排ガス浄化設備３０は、ガス発生源３１で発生した排ガスをバグフィルタ２０で浄化処理するための設備であり、上記のガス浄化フィルタ１を用いたバグフィルタ２０と、複数の管３２，３３と、ガス冷却器３５と、ブロワー３６と、煙突３７と、を備える。
ガス発生源３１は、例えばごみ焼却炉であり、処理対象のガスを発生する。

配管３２，３３には、バグフィルタ２０よりも上流側に設けられた上流側配管３２と、バグフィルタ２０よりも下流側に設けられた下流側配管３３とが含まれている。
上流側配管３２は、ガス発生源３１とバグフィルタ２０の入口２２ｉとを接続する。下流側配管３３は、バグフィルタ２０の出口２２ｏと煙突３７とを接続する。

上流側配管３２において、ガス発生源３１とバグフィルタ２０の入口２２ｉとの間には、ガス冷却器３５が介装されている。このガス冷却器３５は、ガス発生源３１で発生したガスの温度をガス浄化フィルタ１の耐熱温度未満に下げる。

バグフィルタ２０には、上流側配管３２を介してガス発生源３１で発生したガスが供給される。
図４はバグフィルタ２０の概略構成図である。図４に示すように、バグフィルタ２０は、上記のガス浄化フィルタ１を複数備えるととともに、複数のガス浄化フィルタ１を収納するバグフィルタケース２２と、フィルタ支持部材２４と、排出機２５と、を備える。

バグフィルタ２０において、各ガス浄化フィルタ１のフィルタ本体１０（図１及び２）は、底面を有する円筒形状（袋状）に形成される。この場合、フィルタ本体１０の第一面１２が、円筒状をなすガス浄化フィルタ１の外面２１ｏを形成し、フィルタ本体１０の第二面１３が、円筒状をなすガス浄化フィルタ１の内面２１ｉを形成する。

バグフィルタケース２２は、上流側配管３２に接続してガスが内部に流入する入口２２ｉと、下流側配管３３に接続してガスが内部から流出する出口２２ｏとを有する。入口２２ｉは、バグフィルタケース２２の第一側板２２ａに形成され、出口２２ｏは、バグフィルタケース２２の第二側板２２ｂに形成されている。排出機２５は、バグフィルタケース２２の下部に接続されている。この排出機２５は、例えば、ロータリーバルブで、バグフィルタケース２２内に溜まった塵等の粉状物を外部に排出する。
フィルタ支持部材２４は、バグフィルタケース２２内に配置され、複数の円筒形状のガス浄化フィルタ１を支持する。

バグフィルタケース２２内は、複数の円筒形状のガス浄化フィルタ１とフィルタ支持部材２４とにより、入口側の空間２３ｉと出口側の空間２３ｏとに仕切られている。フィルタ支持部材２４に支持されている各ガス浄化フィルタ１の外面２１ｏは、入口側の空間２３ｉを臨み、各ガス浄化フィルタ１の内面２１ｉは、出口側の空間２３ｏを臨んでいる。よって、各ガス浄化フィルタ１を形成するフィルタ本体１０の第一面１２は、入口側の空間２３ｉを臨み、フィルタ本体１０の第二面１３は、出口側の空間２３ｏを臨んでいることになる。

本実施形態のバグフィルタ２０では、入口２２ｉから流入したガス中に含まれる塵等の粉状物を各ガス浄化フィルタ１で捕捉し、この粉状物を排出機２５から外部に排出する。さらに、本実施形態のバグフィルタ２０は、上述したガス浄化フィルタ１を備えているので、このガス浄化フィルタ１でガス中の化学物質を効率的に除去することができる。ガス浄化フィルタ１を通過したガスは、出口２２ｏから下流側配管３３を介して外部へ排気される。ガス浄化フィルタ１で除去する代表的な化学物質はダイオキシン類、及び窒素酸化物、処理の過程で投入され残留したアンモニアなどである。

ブロワー３６は、下流側配管３３中に設けられ、バグフィルタ２０内のガスを吸引して、このガスを煙突３７に送る。煙突３７は、バグフィルタ２０を通過してブロワー３６で吸引した処理済みガスを、外部へ排気する。

以上の構成により、ガス浄化フィルタ１は、ガス浄化触媒１６の粒径や、フィルタ本体１０にガス浄化触媒１６が不均一に付着することによってガス流路１４が拡縮して発生するガス浄化フィルタ１内のガス流れの乱れ（不均一な流量分布）をフィルタ本体１０内のろ過層３で抑えることで、ガス流れの乱れによって発生するフィルタ本体１０からのガス浄化触媒１６の剥離や、フィルタ本体１０の摩耗を防止してガス浄化フィルタ１の耐久性を向上させることができる。またガス浄化触媒１６を実質的に担持しないろ過層３を適切に定めることで、ガス浄化フィルタ１のガス浄化性能を維持することができる。
よって、ガス浄化フィルタ１は、フィルタを通過するガスに対する流体力学的知見を考慮して、ガス浄化フィルタ１内でガス浄化触媒１６を担持する触媒担持層２とガス浄化触媒を担持しないろ過層３の境界４を適切に定めることで、ガス浄化触媒１６の浄化性能とガス浄化フィルタ１の耐久性向上を両立させることができる。

以上の実施形態に関する付記を開示する。
[付記１]
複数の繊維により形成されるフィルタ本体と、前記フィルタ本体に付着したガス浄化触媒と、を備えるガス浄化フィルタであって、
前記ガス浄化触媒を担持させた触媒担持層と、前記ガス浄化触媒を担持させないろ過層と、を有し、
前記触媒担持層と前記ろ過層との境界を、ガスの流れ方向において下流側に存在する前記フィルタ本体の表面から、前記触媒担持層に形成される推定流路径以上の所定距離を持つように構成した
ガス浄化フィルタ。
［付記２］
前記フィルタ本体の前記触媒担持層と前記ろ過層との前記境界を、前記ガスの前記流れ方向において前記下流側に存在する前記フィルタ本体の前記表面から、以下の式（１）で示される前記触媒担持層の推定流路径Ｄｘに対して５倍以上の距離を持ち、かつ、前記フィルタ本体の厚さの１０％以下に構成する
付記１に記載のガス浄化フィルタ。

上記式１において、Ｄｘは推定流路径、μは排ガス粘性係数、ｖは排ガス流速、Ｌはフィルタ本体の厚み、ΔＰはガス浄化フィルタの圧損とする
［付記３］
前記フィルタ本体が、ポリテトラフルオロエチレン系繊維を主組成として形成された
付記１または２に記載のガス浄化フィルタ。
［付記４］
前記ガス浄化触媒が脱硝機能を有する
付記１～３の何れか１つに記載のガス浄化フィルタ。

１ ガス浄化フィルタ
２ 触媒担持層
３ ろ過層
４ 境界
１０ フィルタ本体
１１ 繊維
１２ 第一面
１３ 第二面（表面）
１４ ガス流路
１６ ガス浄化触媒
１７ 吸着剤
２０ バグフィルタ
２１ｉ 内面
２１ｏ 外面
２２ バグフィルタケース
２２ａ 第一側板
２２ｂ 第二側板
２２ｉ 入口
２２ｏ 出口
２３ｉ 空間
２３ｏ 空間
２４ フィルタ支持部材
２５ 排出機
３０ 排ガス浄化設備
３１ ガス発生源
３２ 上流側配管
３３ 下流側配管
３５ ガス冷却器
３６ ブロワー
３７ 煙突
Ｄｘ 推定流路径
Ｌ フィルタ本体の厚み
Ｌｘ ろ過層の厚み
Ｄｃ 触媒担持層の厚み
Ｄｔ 厚み方向

Claims (3)

1. 複数の繊維により形成されたろ布からなり、前記繊維の相互間が処理対象となるガスが通るガス流路をなすフィルタ本体と、前記フィルタ本体に付着したガス浄化触媒と、を備えるガス浄化フィルタであって、
   前記フィルタ本体が、ガスの流れ方向の上流側に配置されるとともに前記ガス浄化触媒を前記ガス流路内に担持させた触媒担持層と、前記フィルタ本体において前記触媒担持層と境界で区切られるとともに前記触媒担持層よりも下流側に配置されて前記ガス浄化触媒を担持させないろ過層と、を有し、
   前記触媒担持層と前記ろ過層との前記境界が、前記ガスの流れ方向において下流側に存在する前記フィルタ本体の表面から前記フィルタ本体の厚さの１０％以下に設定されるとともに、前記フィルタ本体の前記表面から、前記触媒担持層における前記ガス流路の流路径として推定された推定流路径に対して５倍以上の距離を持つように設定されており、
   前記推定流路径は、前記フィルタ本体における前記ガス流路を直管とみなしてモデル化して得られた以下の式１で示される流路径Ｄｘを推定流路径Ｄｘとしたものである
   ガス浄化フィルタ。
   

   

   
   上記の式１において、Ｄｘは推定流路径、μは排ガス粘性係数、ｖは排ガス流速、Ｌはフィルタ本体の厚み、ΔＰはガス浄化フィルタの圧損とする
2. 前記フィルタ本体が、ポリテトラフルオロエチレン系繊維を主組成として形成された
   請求項１に記載のガス浄化フィルタ。
3. 前記ガス浄化触媒が脱硝機能を有する
   請求項１に記載のガス浄化フィルタ。

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