JPH07275707A - 脱硝触媒の製造方法および脱硝方法 - Google Patents

脱硝触媒の製造方法および脱硝方法

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JPH07275707A
JPH07275707A JP6089127A JP8912794A JPH07275707A JP H07275707 A JPH07275707 A JP H07275707A JP 6089127 A JP6089127 A JP 6089127A JP 8912794 A JP8912794 A JP 8912794A JP H07275707 A JPH07275707 A JP H07275707A
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catalyst
exhaust gas
denitration
alumina
water
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JP6089127A
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Takeshi Naganami
武 長南
Takashi Matsuda
高志 松田
Taiji Sugano
泰治 菅野
Masao Wakabayashi
正男 若林
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 希薄空燃比の内燃機関の排気ガス中のNO
の高効率で高信頼性を持った脱硝方法を提供する。 【構成】 焼成後のアルミナの細孔構造が、窒素ガス吸
着法により測定された細孔半径が50オングストローム
以下の細孔の容積および細孔半径が100〜300オン
グストロームの範囲の細孔の容積が、それぞれ細孔半径
300オングストローム以下の細孔の容積の50%以上
および10%以下であるアルミナ水和物と、水溶銀塩お
よび水とを混練した後、乾燥、焼成することを特徴とす
る脱硝触媒の製法、および希薄空燃比で運転される内燃
機関における排気ガスが脱硝触媒入口において400〜
600℃の温度範囲であることを特徴とする脱硝方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気ガス中の
窒素酸化物の浄化に用いられる排気ガス浄化用の脱硝触
媒に関し、更に詳細には、希薄空燃比の内燃機関の排気
ガス中の窒素酸化物を高空間速度で、且つ高効率で浄化
することができる脱硝触媒の製造方法およびこれを用い
た脱硝方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】自動車用エンジンなどの内燃機関から排
出される各種の燃焼排気ガス中には、燃焼生成物である
水や、二酸化炭素(CO)と共に一酸化炭素(NO)
や、二酸化窒素(NO)などの窒素酸化物(NO
が相当量含まれている。NOは人体に影響し、呼吸器
疾患に対する罹患率を増加させるばかりでなく、地球環
境保全上から問題視される酸性雨の原因の1つにもなっ
ている。そのためこれら各種の排気ガスから効率よく窒
素酸化物を除去するための脱硝触媒の開発が望まれてい
る。
【0003】NO中のNOの理想的な除去方法は、下
記(1)式の反応式で示されるようなNOの直接分解を
行う方法である。該(1)式は、反応平衡論的には右辺
の生成系が圧倒的優位な反応である。
【0004】2NO→N+O (1) この反応に依存する脱硝技術として特開昭60−125
250号公報記載の方法が挙げられる。この脱硝技術
は、Cuをイオン交換法によりゼオライトに担持させた
触媒を用いるものであり、この触媒がNOの直接分解反
応を促進するとしている。しかしながら、この脱硝技術
では(1)式の反応によって生成した酸素が触媒活性点
に優先的に吸着するために、脱硝効率が次第に低下して
しまうという問題があった。また、反応系内に過剰の酸
素が存在する条件(酸素過剰雰囲気) では、完全に
(1)式の反応が阻害されてしまうという欠点もあっ
た。
【0005】他方、地球温暖化防止の観点から近年希薄
燃焼方式の内燃機関が注目を集めている。従来の自動車
用ガソリンエンジンは、空燃比λ=1付近で制御された
化学量論的な燃焼を行うものであって、その排気ガス処
理に対しては排気ガス中の一酸化炭素(CO)、炭化水
素(HC)およびNOを主として白金(Pt)、ロジ
ウム(Rh)、パラジウム(Pd)およびセリア(Ce
)を含むアルミナ触媒に接触させてこれらの有害成
分を同時に除去する三元触媒方式が採用されていた。し
かし、この三元触媒方式による方法では、希薄燃焼方式
のリーンバーンガソリンエンジンにおける排気ガスに対
する浄化には十分な効果が得られなかった。また、ディ
ーゼルエンジンは元来リーンバーンエンジンであるが、
その排気ガスにおいては浮遊粒子状物質とNOの両者
に対して厳しい規制が行われるようになってきた。
【0006】従来、酸素過剰雰囲気下でNOを還元除
去する方法としては、還元ガスとして僅かな量でも選択
的に触媒に吸着されるNHを使用して行う方法が既に
確立されており、いわゆる固定発生源であるボイラーや
ディーゼルエンジンからの排気ガスの脱硝触媒おして工
業化されている。しかしこの方法においては、未反応の
還元剤の回収処理のために特別な装置を必要とし、これ
に臭気の強いアンモニアを用いることもあって、自動車
などの移動発生源からの排気ガスの脱硝技術には適用す
ることができない。
【0007】近年、酸素過剰雰囲気の希薄燃焼ガス中に
残存する未燃炭化水素を還元剤としてNOの還元反応
を進行させることができることが報告されて以来、該反
応を促進させるための触媒について種々の提案がなされ
ている。例えば、アルミナやアルミナに遷移金属を担持
させた触媒が、炭化水素を還元剤として用いたNO
元反応に有効であるとする数多くの報告がなされてい
る。
【0008】特開平4−90826号公報には、その実
施例中においてFCC用粉状アルミナをNO還元触媒
として使用した例が報告されている。また、特開平4−
284848号公報には、0.1〜4重量%のCu、F
e、Cr、Zn、Ni、V等を含有するアルミナまたは
シリカ−アルミナをNO還元用触媒として使用した例
が記載されている。
【0009】またさらに、Ptをアルミナに担持させた
触媒を用いると、NO還元反応を200〜300℃の
低温領域で進行させることができることが特開平4−2
67946号公報、特開平5−68855号公報および
特開平5−103949号公報に記載されている。しか
しながら、これらの貴金属担持触媒を用いた場合には還
元剤である炭化水素の燃焼反応が促進されるためにNO
還元反応の選択性が乏しくなるという欠点があった。
【0010】本発明者らは、先に酸素過剰雰囲気下で炭
化水素を還元剤として銀を含有する触媒を用いるとNO
還元反応が選択的に優位に進行することを見出しこれ
について特許出願を行った(特開平4−281844
号)。その後においても、このように銀を用いた類似の
NO還元触媒によるNO除去技術について特開平4
−354536号公報や特開平5−92124号公報な
ど数多くの特許出願が見受けられる。またさらに、「ア
ブライド カタリスツ B:エンバイロメンタル、2
(1993)、第199〜205頁」には、通常の含浸
法によってγ−アルミナに銀を担持させた触媒は、C
o、Cu、V、Cr等を担持させた触媒よりも水蒸気の
共存下でのNO還元性能が優れていることが報告され
ている。しかしながら、これらの従来の銀担持アルミナ
触媒は水蒸気共存下での、炭化水素によるNO還元反
応触媒としては活性が未だ不十分であった。
【0011】一方、従来よりアルミナを担体として用い
た触媒は空間速度依存性が大きいことが知られており、
例えばSV:1000〜10000hr−1程度の空間
速度においては十分にNO還元性能を発揮するが、S
V:10000hr−1以上の高空間速度では、NO
の浄化性能は大きく低下することが報告されている
(「触媒」:33、61(1991)参照)。ことから
も分かるように、このような現象は当業界では周知の事
実であった。例えば、特開平5−92124号公報に開
示されている排ガス処理方法において排気ガスと触媒と
の接触時間を0.03g.sec/cm以上、好まし
くは0.1g.sec/cm以上と限定しているのは
このためである。
【0012】しかしながら、希薄空燃比で運転される代
表的な内燃機関である自動車等の車両用リーンバーンエ
ンジンの排ガス処理において、実用上欠くことのできな
い他の重要な要素は、触媒層ないしは触媒で被覆された
支持基質からなる構造体(以下、これらを本明細書にお
いては触媒含有層と称する)の所要スペースと重量の両
者である、即ち、エンシンの排気量と仕事量とを勘案す
るときにエンジン排気量の数倍以上の容量の触媒含有層
を搭載することは実用的でなく、触媒含有層の容量をエ
ンジンの排気量以下にすることが望ましいからである。
【0013】そしてこのことは、実用性のある触媒含有
層を構成するには、触媒含有層を通過する排気ガスの空
間速度を高くすること(これは接触時間を短かくするこ
とを意味する)、即ちガス空間速度を7000hr−1
以上、好ましくは10000hr−1以上とすること、
つまり接触時間では0.03g.sec/cm未満、
好ましくは0.02g.sec/cm未満であること
が要求されることを意味するものである。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来方法による問題点を解決することを課題とするもので
あり、希薄空燃比の内燃機関の排気ガス中のNOを十
分高いガス空間速度で効率よく除去することができるよ
うな脱硝触媒の製造方法と、該触媒を使用しての希薄空
燃比の内燃機関の排気ガス中のNOの高効率で高信頼
性を持った脱硝方法を提供することを目的とするもので
ある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、酸素過剰
雰囲気下においても炭化水素によるNO還元反応を高
効率で進行させることのできるような脱硝触媒の製造方
法および脱硝方法について鋭意研究を重ねた結果、活性
アルミナ前駆体として特定の物性を有するアルミナ水和
物を使用し、これに水溶性の銀塩および水を添加混練し
た後、乾燥、焼成を行った触媒を用いれば、上記の課題
を解決することができることを見出し本発明を完成する
に至った。
【0016】即ち、本発明は活性アルミナの前駆体物質
として、300〜800℃で焼成後のアルミナの細孔構
造が窒素ガス吸着法により測定された細孔半径が50オ
ングストローム以下の細孔の容積および細孔半径が10
0〜300オングストロームの範囲の細孔の容積が、そ
れぞれ細孔半径300オングストローム以下の細孔の容
積の50%以上および10%以下となるアルミナ水和物
と、水溶性銀塩および水とを混練した後、乾燥、焼成す
ることを特徴とする脱硝触媒の製造方法、および希薄空
燃比で運転される内燃機関における排気ガスを脱硝触媒
層を通過させることによって該排気ガスの脱硝を行うに
際して、上記の製造方法により得られた脱硝触媒により
該脱硝触媒層を構成し、且つ脱硝触媒層を通過する排気
ガスが該脱硝触媒層入口において400〜600℃の温
度範囲であることを特徴とする脱硝方法である。そして
本発明の方法によるときは、脱硝触媒層を通過する排気
ガスの空間速度が10000hr−1以上にして脱硝反
応を行わせても十分に排気ガスの脱硝浄化を行うことが
可能であるし、水蒸気の共存する酸素雰囲気下において
も効果的に排気ガス中のNOの除去を行うことができ
る。
【0017】
【作用】以下に本発明の詳細およびその作用について説
明する。
【0018】本発明の脱硝触媒の製造に用いる活性アル
ミナ前駆体は、以下のようなアルミナ水和物である。す
なわち、アルミナ水和物を焼成して得られたアルミナが
窒素ガス吸着法により測定された細孔半径が50オング
ストローム以下の細孔容積および100〜300オング
ストロームの細孔容積が、それぞれ細孔半径0〜300
オングストロームの細孔容積の30%以上および10%
以下である。このようなアルミナ水和物は、空気中ある
いは真空中で300〜800℃、好ましくは300〜7
00℃で加熱して脱水することによって結晶学的構造が
γ−型、η−型あるいはその混合型に分類される活性ア
ルミナに相転移する。これらの活性アルミナは鉱物学的
にはベーマイト、擬ベーマイト、バイアライトおよびノ
ルストランダライトとして分類される水酸化アルミニウ
ム、特に好ましくはベーマイトまたは擬ベーマイトの粉
体やゲルを、空気中あるいは真空中で加熱温度300〜
800℃、好ましくは400〜600℃で加熱脱水する
ことによって得られるものである。
【0019】また、活性アルミナ前駆体物質として、焼
成して得られるアルミナの細孔構造が細孔半径50オン
グストローム以下の細孔容積および細孔半径100〜3
00オングストロームの細孔容積が、それぞれ細孔半径
0〜300オングストロームの細孔容積の50%以下お
よび10%以上であるようなアルミナ水和物の使用は、
得られた触媒の水蒸気存在下での脱硝性能が不十分とな
るので好ましくない。
【0020】本発明の脱硝触媒は活性アルミナ前駆体物
質として上記した特定の物性を有するアルミナ水和物と
水溶性の銀塩および水とを混練した後、乾燥、焼成する
ことによって得られる。勿論上記した混練法以外の方
法、例えば吸着法、ポアフィリング法、インシピエント
ウエットネス法、蒸発乾固法、スプレー法などのような
含浸法等も適用することができるが、脱硝性能の点から
いえば混練法によるものが最も優れている。
【0021】乾燥温度は特に限定されるものでなく、通
常の80〜120℃の温度で乾燥を行い、しかる後、3
00〜800℃、好ましくは400〜600℃で焼成を
行う。焼成温度が300℃以下では十分な焼成が行われ
ず、また800℃を超えると、アルミナの相変態が起こ
るので好ましくない。
【0022】銀および/または酸化銀のアルミナ担体へ
の担持率は、本発明において使用される活性アルミナに
対して1重量%以上で6重量%未満の範囲であることが
好ましい。銀および/または酸化銀の担持率が、上記の
範囲よりも低いときは、満足する脱硝活性が得られず、
一方6重量%以上になると還元剤である炭化水素の燃焼
反応が過度に促進されて脱硝反応の活性および選択性が
却って低下してしまうので好ましくない。
【0023】また、本発明の触媒の形状は粉状、球状、
円筒状、ハニカム状、螺旋状など特に限定されることな
く任意の形状を採ることができ、大きさも使用条件に応
じて適当に定めればよい。特に、自動車用エンジン等の
排気ガス浄化を目的とする場合には、ガス空間速度が高
いので圧力損失を最小限に抑えるために排気ガスの流れ
方向に対して多数の貫通孔を有する耐火性一体構造の支
持基体におけるチャンネル表面に被覆させたものが使用
上好適である。
【0024】本発明の触媒は、排気ガス中のCO、HC
およびHといった還元性の成分をNOおよびO
いった酸化性成分で完全に酸化するに要する化学量論よ
りも過剰の三酸素を含有する排気ガス、より具体的には
希薄空燃比の内燃機関からの排気ガス中のNOの浄化
に適用される。
【0025】このような排気ガスを本発明の脱硝触媒と
接触させることによって、NOはHC等の排気ガス中
に微量に存在する還元剤成分によって、N、CO
よびHOに還元されると同時にHC等の還元剤もCO
とHOに酸化される。ディーゼルエンジンの排気ガ
スのように、排気ガスそのもののHC/NO比が低い
場合には、排気ガス中に還元剤成分としてメタン換算濃
度で数百〜数千ppm程度の燃料HCを追加して添加し
た後、本発明の触媒を接触させる方式を採用すればさら
に効果的にNOの浄化を行うことができる。
【0026】本発明の触媒を用いて、酸素過剰雰囲気下
でHCによる排気ガス中のNOの浄化を効率的に行う
ためには、設置触媒層の入口温度を400℃〜600℃
にする必要がある。これは、本発明の銀およびまたは酸
化銀担持アルミナ触媒が、脱硝性能を発揮するためには
400℃以上、好ましくは450℃以上の温度を必要と
し、これよりも低温であるときはHCが活性化されない
ためであると推定される。また、この場合触媒層の入口
温度が600℃以上の高温になる場合には、副反応であ
るHCの燃焼が優勢になるためにHCによるNOの還
元活性が低下するので浄化能力が劣化してしまう。
【0027】
【実施例】以下に本発明の実施例について詳述する。 実施例1 600℃、3時間焼成して得られるアルミナの細孔構造
が、細孔半径50オングストローム以下の細孔容積およ
び細孔半径100〜300オングストロームの細孔容積
が、それぞれ細孔半径0〜300オングストロームの細
孔容積の78.1%および2.5%であるアルミナ水和
物(アルミナ前駆体Aとする)118gと硝酸銀4.9
gの1000ミリリットル水溶液とを十分に混練した
後、110℃で乾燥し、次いで該乾燥混練物を空気中6
00℃で3時間焼成し、3%Ag含有アルミナ触媒を得
た。評価試験1 実施例1の触媒を加圧成型した後、粉砕して粒度が25
0〜500μmになるように整粒し、これを内径12m
mのステンレス製反応管に充填して常圧固定床反応装置
に装着した。この触媒層にモデル排気ガスとして、NO
1,000ppm、プロピレン1,300ppm、O
5%、HO8%残部Nからなる混合ガスを空間速度
15,000hr−1で通過させた。
【0028】反応管出口ガス組成について、NOとNO
の濃度は化学発光式NO計を用い、NOの濃度は
ポラパックQカラムを装着したガスクロマトグラフー熱
伝導度検出器を用いてそれぞれを測定した。触媒層入口
温度を300〜600℃の範囲の所定温度に設定し、各
所定温度毎に反応管出口ガス組成が安定した時点の値を
測定値とした。
【0029】モデル排気ガスが触媒層を通過することに
より、反応ガス中のNOはNOおよび/またはN
転化されるが、反応ガスが触媒層入口温度300℃以上
において本発明の触媒層を通過させた場合にはNOは
殆ど生成しないことが判明したので、本発明では脱硝率
(NO転化率)は以下の式で表わされる。
【0030】 下記する表1に上記性能評価試験1における触媒層入口
温度300℃から600℃の間での最大脱硝率(C
max%)とその時の温度(Tmax℃)とを示す。評価試験2 次に、評価試験1における空間速度のみを50,000
hr−1および70,000hr−1に変えた以外は評
価試験1と同様の手順で触媒の性能評価を行った。
【0031】表2に上記空間速度における触媒層入口間
300から600℃の間の最大脱硝率(Cmax%)と
その時の温度(Tmax℃)とを示す。以上の結果によ
り本発明の触媒1は、より高い空間速度、即ちより短い
接触時間においても優れた脱硝率を示すことが分かる。
【0032】
【表2】 ──────────────────────────── 触媒脱硝率 空間速度(hr−1) Cmax(%) Tmax(℃) ──────────────────────────── 50,000 93 450 70,000 96 450 ──────────────────────────── 実施例2〜4 実施例2、実施例3および実施例4においては、それぞ
れ活性アルミナ前駆体として、実施例2では600℃、
3時間焼成して得られるアルミナの細孔構造が細孔半径
50オングストローム以下の細孔容積および細孔半径1
00〜300オングストロームの細孔容積が、それぞれ
0〜300オングストロームの細孔容積の50.2%お
よび8.2%であるアルミナ水和物(アルミナ前駆体B
とする)を、実施例3では細孔半径50オングストロー
ムの細孔容積および細孔半径100〜300オングスト
ロームの細孔容積が、それぞれ0〜300オングストロ
ームの細孔容積の79.5%および5.1%であるアル
ミナ水和物(アルミナ前駆体Cとする)を、実施例4で
は細孔半径50オングストローム以下の細孔容積および
細孔半径100〜300オングストロームの細孔容積
が、それぞれ0〜300オングストロームの細孔容積の
86.1%および5.5%であるアルミナ水和物(アル
ミナ前駆体Dとする)を用いた以外は実施例1と同様に
して、3.6%Ag含有アルミナ触媒を得た。
【0033】これらの触媒について、実施例1における
性能評価試験1と同様の方法で脱硝率の測定を行い、そ
の結果を下記する表1に示した。 比較例1 比較例1においては、活性アルミナ前駆体として、細孔
半径50オングストロームの細孔容積および細孔半径1
00〜300オングストロームの細孔容積が、それぞれ
300オングストローム以下の細孔容積の35.5%お
よび29.5%であるアルミナ水和物(アルミナ前駆体
Fとする)を用いた以外は実施例1と同様にして、3.
0%Ag含有アルミナ触媒を得た。
【0034】この触媒について、実施例1における性能
評価試験1と同様の方法で脱硝率の測定を行い、その結
果を下記する表1に示した。 比較例2 実施例1における活性アルミナ前駆体Aを、空気中60
0℃で3時間焼成して得たγ−アルミナ100gを硝酸
銀4.9gを溶解した1000ミリリットル水溶液中に
浸漬し、攪拌しながら100〜110℃に加熱して水分
を蒸発させた。更に空気中500℃で3時間焼成し、3
%Ag含有アルミナ触媒を得た。この触媒について、実
施例1における性能評価試験1と同様の方法で脱硝率の
測定を行い、その結果を下記する表1に示した。 比較例3 実施例1における活性アルミナ前駆体Aを、硝酸銀に浸
漬しなかった以外は実施例1と同様の調製法によりγ−
アルミナ触媒を得た。この触媒を実施例1における性能
評価試験1と同様の方法で脱硝率の測定を行い、その結
果を下記する表1に示した。
【0035】
【表1】 ──────────────────────────────────── 触媒脱硝率 実施番号 触 媒 アルミナ前駆体 Cmax (%) Tmax (℃) ──────────────────────────────────── 実施例1 3%Ag/Al A 93 450 実施例2 3.6%Ag/Al B 92.7 450 実施例3 〃 C 92.8 450 実施例4 〃 D 98.1 450 比較例1 3%Ag/Al E 78.7 500 比較例2 〃 A 85 500 比較例3 γ−Al A 14 500 ──────────────────────────────────── 表1から分かるように、本発明の実施例1〜4において
得られる触媒は、比較例1〜3により得られた触媒に比
べて非常に高い脱硝性能を示していることが分かる。
【0036】
【発明の効果】以上述べたように本発明による製造方法
により得られた触媒を用いて本発明の脱硝方法により排
気ガスの脱硝を行うときは、酸素過剰雰囲気下でも高い
転化率で排気ガス中の窒素化合物の還元浄化を行うこと
ができるので、実用性が高い発明であると言える。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B01J 35/10 ZAB 301 F B01D 53/36 102 B (72)発明者 若林 正男 千葉県市川市中国分3−18−5 住友金属 鉱山株式会社中央研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 活性アルミナの前駆体物質として、30
    0〜800℃で焼成後のアルミナの細孔構造が窒素ガス
    吸着法により測定された細孔半径が50オングストロー
    ム以下の細孔の容積および細孔半径が100〜300オ
    ングストロームの範囲の細孔の容積が、それぞれ細孔半
    径300オングストローム以下の細孔の容積の50%以
    上および10%以下となるアルミナ水和物と、水溶性銀
    塩および水とを混練した後、乾燥、焼成することを特徴
    とする脱硝触媒の製造方法。
  2. 【請求項2】 希薄空燃比で運転される内燃機関におけ
    る排気ガスを脱硝触媒層を通過させることによって該排
    気ガスの脱硝を行うに際し、請求項1の製造方法により
    得られた脱硝触媒により該脱硝触媒層を構成し、且つ脱
    硝触媒層を通過する排気ガスが該脱硝触媒層入口におい
    て400〜600℃の温度範囲であることを特徴とする
    脱硝方法。
  3. 【請求項3】 脱硝触媒層を通過する排気ガスの空間速
    度が10000hr−1以上であることを特徴とする請
    求項2記載の脱硝方法。
JP6089127A 1994-04-04 1994-04-04 脱硝触媒の製造方法および脱硝方法 Pending JPH07275707A (ja)

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JP6089127A Pending JPH07275707A (ja) 1994-04-04 1994-04-04 脱硝触媒の製造方法および脱硝方法

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JP (1) JPH07275707A (ja)

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