JP4721515B2 - 触媒コンバータモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
この発明は、取付枠と、この中に配置され多数の平行通路を持つ複数のコンバータ要素とを備え、流路中に据付けられて流入側から流出側に流体が通流する触媒コンバータモジュールに関する。
【０００２】
複数のコンバータ要素を備えたこのような触媒コンバータモジュールは比較的大きな断面の流路に使用される。この例としては、燃焼設備の排ガス路において排ガスの浄化、特に選択接触還元法（ＳＣＲ）により窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素及び／又はダイオキシンを排ガスから除去するための使用がある。燃焼設備の例は、ボイラープラント、石炭、石油或いはガス燃焼の発電所、ガスタービン或いは内燃機関、特にディーゼル機関である。ゴミ焼却設備もまた前記の有害物質を放出する。
【０００３】
触媒コンバータモジュールのコンバータ要素は、ハニカム要素であり、或いは保持装置の中に重ねて積層され流れ方向に平行に並べられた複数の板からなる板状要素である。個々のコンバータ要素を比較的大きな排ガス路に固定するために、通常、取付枠を使用してコンバータ要素を触媒コンバータモジュールに構成し、これを排ガス路に据付ける。この触媒コンバータモジュールは、原則的には、その他のガス状或いは液状の流体中において、その流体中に含まれる反応物の所望の反応を進行させるための使用にも適している。
【０００４】
浄化さるべき流体は通常主として層流としてコンバータ要素の通路を流れる。これにより通路の中央を流れる流体は、拡散メカニズムによってのみ、そして乱流にはよらないで通路の触媒活性表面に到達し、そこで所望の反応に至る。これにより触媒物質の理論的に可能な触媒活性は一部しか利用されない。この問題に対しては幾つかの解決策が公知である。例えば、ドイツ特許出願公開第３９０４５５０号公報においては、流れ方向に前後にずれて配置された複数のコンバータ要素を有する触媒コンバータが開示されている。これにより層流を各コンバータ要素の端部で遮断しようとするものである。この対策はしかしながらこの問題を不満足にしか解決していない。
【０００５】
ドイツ特許出願公開第４１２２８０７号公報からは、流れ方向に対して直角方向に延びる幅の広いかつ深いスリットを設けたコンバータ要素が公知である。１つのスリットはそれぞれ複数のハニカム状の通路を分断し、従って層流を遮断している。コンバータ要素にスリットを深く切り込んで設けることは、しかしながら、この要素の機械的安定性を著しく損ない、従ってこの要素は非常に容易に破壊する。またスリットを設けることによって既に完成した触媒物質が再び除去される。このことは要素の製造コストに不都合に影響する。
【０００６】
国際公開第９４／２６４４１号明細書には触媒コンバータモジュール用の板状要素として、流れ方向に対して直角方向或いはある角度を持って配置されている構造により、個々の板の間の通路の中に乱流を起こさせるものが記載されている。この種の触媒コンバータは、しかしながら、その構造が大きな圧力損失を引き起こすという欠点を持っている。流体、例えば排ガスに含まれる煤や灰の粒子は排ガスの流速が小さいことにより通路の幾つかの位置に容易に堆積する。従ってこのような触媒コンバータは反応空間を詰まらせる傾向がある。
【０００７】
通路内の層流による問題は従来不満足にしか解決されていないが、この問題の他に、さらに、触媒活性表面を均一に利用する場合理論的に達成できる触媒コンバータモジュールの活性を得ることが困難であるという別の問題もある。即ち、流体にもたらされる反応物質を必要とする触媒反応においては（例えばこのために、選択接触還元法の際の還元剤としてアンモニアＮＨ3が使用される）、流体と反応物質とを充分に混合させることが難しい。流体中に反応物質が不均一に分散していると、反応物質が少ししか流入していない通路では、触媒反応が限られた規模でしか起きない。
【０００８】
触媒コンバータモジュールに入る前に流体と反応物質の乱流化を改善するために、流れ方向に見て、触媒コンバータモジュールの前に静止形の攪拌器を配置することは公知である。しかしながら、この攪拌器は流体及び反応物質の乱流を発生させるために攪拌器の追尾領域に小さからざる離程を必要とするという欠点がある（例えばドイツ特許出願公開第４１２３１６１号公報参照）。
【０００９】
この発明の課題は、触媒活性表面が流体中に含まれる反応物の触媒変換のために特に均一かつ有効に利用され、しかも機械的な不安定、大きな圧力損失或いは灰の堆積による目詰まりの危険の欠点を伴わない触媒コンバータモジュールを提供することにある。
【００１０】
この課題は、この発明によれば、取付枠と、この中に配置され多数の平行通路を備えた複数のコンバータ要素とを備え、流路中に据付けられて流入側から流出側に流体が通流する触媒コンバータモジュールであって、コンバータ要素が、流れ方向に互いに間隔をおいて配置された少なくとも２つの層に配置されている触媒コンバータモジュールにおいて、各層には複数のコンバータ要素（２）が配置されており、前記層の間に静止形の攪拌器としてエキスパンドメタルが配置されていることによって解決される。
【００１１】
これによって、流体、特に排ガスが各コンバータ要素の通路に入るたびに乱流が起きるので、モジュール内では多数回乱流が発生することになる。通路の背後の、層の間の自由空間においても、さらに、流体と反応物質との混合を起こさせる乱流が発生する。従って、後続の層のコンバータ要素の通路には、より充分に混合された流体が進入する。流体が後続の層の通路に入ると、またまた通路の中で乱流が発生し、これにより反応物質を通路の触媒活性表面に移送させる。
【００１２】
この発明によれば、個々の層の間の自由空間によって、連続したコンバータ要素を備えた従来の触媒コンバータモジュールに対して、大幅に触媒物質を節約することができる。これにより製造コストが低下する。モジュール全体の活性度も、従来のモジュールに対して、触媒物質が節約されているにも拘わらずなお維持もしくはさらに向上する。
【００１３】
コンバータ要素の流れ方向の長さは５ｃｍ〜５０ｃｍであるのが適当である。通常の通路直径及び流速の場合、この長さにおいて、流体は通路内で、少なくとも広い範囲において、流体が層の流出側に達する前に完全な層流を形成することはない。その結果、通路内における流体の流れは乱流となる特徴を示す。これにより通路の触媒活性表面まで反応物の移送が絶えず良好に行われ、従って表面の特に均一かつ有効な利用が達成される。
【００１４】
この発明の別の構成においては、隣接する層の間の距離はそれぞれ２ｃｍ〜１５ｃｍである。この距離は、コンバータ要素の流出側に形成される乱流によって反応に必要な反応物質の渦流化に適当である。この正確な距離は触媒コンバータモジュールの運転条件に整合される。通常の条件ではこの距離はハニカム状のコンバータ要素において通路直径の５倍〜２０倍であり、これは通常のコンバータ要素において凡そ２ｃｍ〜１５ｃｍに相当する。
【００１５】
層の間の空間には、この発明の特に有利な構成例として、静止形の攪拌器が配置される。この攪拌器は層の間で流体及び反応物質の付加的な乱流を起こさせる。この場合、この静止形の攪拌器は前置された層の流出側に直接配置して、最適乱流のための最大の追尾距離をとるようにするのがよい。
【００１６】
流体及び反応物質の乱流形成は、触媒コンバータモジュールの流入側に、即ちその最初の層の前に、別の静止形の攪拌器を配置することにより、簡単に改善することができる。触媒コンバータモジュールの前では反応物質を大幅に完全に混合することは必要でないので、この場合、静止形の攪拌器と触媒コンバータモジュールとの間に長い追尾距離を持つように攪拌器を流入側の前に離れて配置しないでもよい。このように静止形の攪拌器をコンバータ要素に対して比較的密着して配置することにより排ガス路における空間を節約することができる。この構成は特にガスタービンや蒸気タービンにおいて触媒コンバータモジュールを使用する場合に有利である。その理由は、触媒コンバータモジュールを廃熱ボイラーに設置することを計画する際に、そのコンパクトな空間関係により、反応物質の噴霧を触媒コンバータモジュールに対して僅かな距離で行うことができることである。
【００１７】
静止形の攪拌器としては、例えば、シーメンス社の印刷物Ａ９６００１−Ｕ９１−Ａ２２４−Ｘ−７６００に記載され多数の攪拌要素を備えた攪拌器が使用される。静止形の攪拌器としていわゆるエキスパンドメタルの形で構成すると特にその製造がコスト的に有利であり、触媒コンバータモジュールの中の空間を節約できる。この場合市販のエキスパンドメタルを使用することができる。このエキスパンドメタルの流れ方向に傾いている板面により反応物質が均一に乱流化する。
【００１８】
この発明の実施例を図面を参照して詳しく説明する。
【００１９】
図１はこの発明の特に有用な実施例を示す。図は触媒コンバータモジュールの取付枠１を一部破砕して示している。この取付枠１には４つの層のハニカム要素２が固定されている。但し、図１ではこの中の３つの層だけが見えている。これらのハニカム要素２には流れ方向３に流体が通流する。ハニカム要素２の長さはそれぞれ２０ｃｍである。この長さは、各層の流出側における流れが丁度まだ完全には層流にならないように選ばれている。これらの層の間の距離は８ｃｍである。これらの層の間に、それぞれの前置された層の流出側に直ぐ接近して、静止形の攪拌器としてエキスパンドメタル４が設けられ、これにより層の間の自由空間の内部で反応物質の均一な乱流を発生する。このようなエキスパンドメタル４は図２及び３に示されている。触媒コンバータモジュールの流入側の直前に、即ち通常金網が粗大な灰粒子から通路を保護している位置に、別のエキスパンドメタル５が配置されている。このエキスパンドメタル５は金網の目的を満たすと同時に、流体及び反応物質が触媒コンバータモジュールに入る前に、その部分的な乱流を発生させている。
【００２０】
この触媒コンバータモジュールはガスプラントや蒸気プラントの排ガス路に据付けられるためのものである。ハニカム要素２は触媒活性物質、即ち、二酸化チタン（ＴｉＯ2）を７０〜９５重量％、三酸化タングステン（ＷＯ3）及び／又は三酸化モリブデン（ＭｏＯ3）を５〜２０重量％及び五酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）を５重量％以下で含む物質の完全押出品として形成されている。この触媒コンバータモジュールはＳＣＲ法によるＮＯxの削減に適している。この場合、モジュールの流入側の前に、排ガス路の横断面に亘って分散した多数のノズルを備え、これらのノズルから反応物質として尿素水溶液を排ガス流に噴霧する噴霧装置が配置されている。
【００２１】
図２は、２ｍｍ厚の鋼板から製作されたエキスパンドメタル４、５の一部を平面で示している。このエキスパンドメタル４、５は、規則的に配置されたスリットを備えた鋼板を引き伸ばすことによって作られる。
【００２２】
図３にはこのエキスパンドメタル４、５を図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面が示されている。このエキスパンドメタル４、５の全ての面は流れ方向３に対して傾斜しており、これにより流体は流れるときにこのエキスパンドメタル４、５によって向きを変えられて乱流となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 取付枠を一部破砕して示した触媒コンバータモジュールの斜視図。
【図２】 エキスパンドメタルの平面図。
【図３】 図２のエキスパンドメタルのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。
【符号の説明】
１ 取付枠
２ コンバータ要素
３ 流れ方向
４ 攪拌器（エキスパンドメタル）
５ 攪拌器（エキスパンドメタル）
この発明は、取付枠と、この中に配置され多数の平行通路を持つ複数のコンバータ要素とを備え、流路中に据付けられて流入側から流出側に流体が通流する触媒コンバータモジュールに関する。
【０００２】
複数のコンバータ要素を備えたこのような触媒コンバータモジュールは比較的大きな断面の流路に使用される。この例としては、燃焼設備の排ガス路において排ガスの浄化、特に選択接触還元法（ＳＣＲ）により窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素及び／又はダイオキシンを排ガスから除去するための使用がある。燃焼設備の例は、ボイラープラント、石炭、石油或いはガス燃焼の発電所、ガスタービン或いは内燃機関、特にディーゼル機関である。ゴミ焼却設備もまた前記の有害物質を放出する。
【０００３】
触媒コンバータモジュールのコンバータ要素は、ハニカム要素であり、或いは保持装置の中に重ねて積層され流れ方向に平行に並べられた複数の板からなる板状要素である。個々のコンバータ要素を比較的大きな排ガス路に固定するために、通常、取付枠を使用してコンバータ要素を触媒コンバータモジュールに構成し、これを排ガス路に据付ける。この触媒コンバータモジュールは、原則的には、その他のガス状或いは液状の流体中において、その流体中に含まれる反応物の所望の反応を進行させるための使用にも適している。
【０００４】
浄化さるべき流体は通常主として層流としてコンバータ要素の通路を流れる。これにより通路の中央を流れる流体は、拡散メカニズムによってのみ、そして乱流にはよらないで通路の触媒活性表面に到達し、そこで所望の反応に至る。これにより触媒物質の理論的に可能な触媒活性は一部しか利用されない。この問題に対しては幾つかの解決策が公知である。例えば、ドイツ特許出願公開第３９０４５５０号公報においては、流れ方向に前後にずれて配置された複数のコンバータ要素を有する触媒コンバータが開示されている。これにより層流を各コンバータ要素の端部で遮断しようとするものである。この対策はしかしながらこの問題を不満足にしか解決していない。
【０００５】
ドイツ特許出願公開第４１２２８０７号公報からは、流れ方向に対して直角方向に延びる幅の広いかつ深いスリットを設けたコンバータ要素が公知である。１つのスリットはそれぞれ複数のハニカム状の通路を分断し、従って層流を遮断している。コンバータ要素にスリットを深く切り込んで設けることは、しかしながら、この要素の機械的安定性を著しく損ない、従ってこの要素は非常に容易に破壊する。またスリットを設けることによって既に完成した触媒物質が再び除去される。このことは要素の製造コストに不都合に影響する。
【０００６】
国際公開第９４／２６４４１号明細書には触媒コンバータモジュール用の板状要素として、流れ方向に対して直角方向或いはある角度を持って配置されている構造により、個々の板の間の通路の中に乱流を起こさせるものが記載されている。この種の触媒コンバータは、しかしながら、その構造が大きな圧力損失を引き起こすという欠点を持っている。流体、例えば排ガスに含まれる煤や灰の粒子は排ガスの流速が小さいことにより通路の幾つかの位置に容易に堆積する。従ってこのような触媒コンバータは反応空間を詰まらせる傾向がある。
【０００７】
通路内の層流による問題は従来不満足にしか解決されていないが、この問題の他に、さらに、触媒活性表面を均一に利用する場合理論的に達成できる触媒コンバータモジュールの活性を得ることが困難であるという別の問題もある。即ち、流体にもたらされる反応物質を必要とする触媒反応においては（例えばこのために、選択接触還元法の際の還元剤としてアンモニアＮＨ3が使用される）、流体と反応物質とを充分に混合させることが難しい。流体中に反応物質が不均一に分散していると、反応物質が少ししか流入していない通路では、触媒反応が限られた規模でしか起きない。
【０００８】
触媒コンバータモジュールに入る前に流体と反応物質の乱流化を改善するために、流れ方向に見て、触媒コンバータモジュールの前に静止形の攪拌器を配置することは公知である。しかしながら、この攪拌器は流体及び反応物質の乱流を発生させるために攪拌器の追尾領域に小さからざる離程を必要とするという欠点がある（例えばドイツ特許出願公開第４１２３１６１号公報参照）。
【０００９】
この発明の課題は、触媒活性表面が流体中に含まれる反応物の触媒変換のために特に均一かつ有効に利用され、しかも機械的な不安定、大きな圧力損失或いは灰の堆積による目詰まりの危険の欠点を伴わない触媒コンバータモジュールを提供することにある。
【００１０】
この課題は、この発明によれば、取付枠と、この中に配置され多数の平行通路を備えた複数のコンバータ要素とを備え、流路中に据付けられて流入側から流出側に流体が通流する触媒コンバータモジュールであって、コンバータ要素が、流れ方向に互いに間隔をおいて配置された少なくとも２つの層に配置されている触媒コンバータモジュールにおいて、各層には複数のコンバータ要素（２）が配置されており、前記層の間に静止形の攪拌器としてエキスパンドメタルが配置されていることによって解決される。
【００１１】
これによって、流体、特に排ガスが各コンバータ要素の通路に入るたびに乱流が起きるので、モジュール内では多数回乱流が発生することになる。通路の背後の、層の間の自由空間においても、さらに、流体と反応物質との混合を起こさせる乱流が発生する。従って、後続の層のコンバータ要素の通路には、より充分に混合された流体が進入する。流体が後続の層の通路に入ると、またまた通路の中で乱流が発生し、これにより反応物質を通路の触媒活性表面に移送させる。
【００１２】
この発明によれば、個々の層の間の自由空間によって、連続したコンバータ要素を備えた従来の触媒コンバータモジュールに対して、大幅に触媒物質を節約することができる。これにより製造コストが低下する。モジュール全体の活性度も、従来のモジュールに対して、触媒物質が節約されているにも拘わらずなお維持もしくはさらに向上する。
【００１３】
コンバータ要素の流れ方向の長さは５ｃｍ〜５０ｃｍであるのが適当である。通常の通路直径及び流速の場合、この長さにおいて、流体は通路内で、少なくとも広い範囲において、流体が層の流出側に達する前に完全な層流を形成することはない。その結果、通路内における流体の流れは乱流となる特徴を示す。これにより通路の触媒活性表面まで反応物の移送が絶えず良好に行われ、従って表面の特に均一かつ有効な利用が達成される。
【００１４】
この発明の別の構成においては、隣接する層の間の距離はそれぞれ２ｃｍ〜１５ｃｍである。この距離は、コンバータ要素の流出側に形成される乱流によって反応に必要な反応物質の渦流化に適当である。この正確な距離は触媒コンバータモジュールの運転条件に整合される。通常の条件ではこの距離はハニカム状のコンバータ要素において通路直径の５倍〜２０倍であり、これは通常のコンバータ要素において凡そ２ｃｍ〜１５ｃｍに相当する。
【００１５】
層の間の空間には、この発明の特に有利な構成例として、静止形の攪拌器が配置される。この攪拌器は層の間で流体及び反応物質の付加的な乱流を起こさせる。この場合、この静止形の攪拌器は前置された層の流出側に直接配置して、最適乱流のための最大の追尾距離をとるようにするのがよい。
【００１６】
流体及び反応物質の乱流形成は、触媒コンバータモジュールの流入側に、即ちその最初の層の前に、別の静止形の攪拌器を配置することにより、簡単に改善することができる。触媒コンバータモジュールの前では反応物質を大幅に完全に混合することは必要でないので、この場合、静止形の攪拌器と触媒コンバータモジュールとの間に長い追尾距離を持つように攪拌器を流入側の前に離れて配置しないでもよい。このように静止形の攪拌器をコンバータ要素に対して比較的密着して配置することにより排ガス路における空間を節約することができる。この構成は特にガスタービンや蒸気タービンにおいて触媒コンバータモジュールを使用する場合に有利である。その理由は、触媒コンバータモジュールを廃熱ボイラーに設置することを計画する際に、そのコンパクトな空間関係により、反応物質の噴霧を触媒コンバータモジュールに対して僅かな距離で行うことができることである。
【００１７】
静止形の攪拌器としては、例えば、シーメンス社の印刷物Ａ９６００１−Ｕ９１−Ａ２２４−Ｘ−７６００に記載され多数の攪拌要素を備えた攪拌器が使用される。静止形の攪拌器としていわゆるエキスパンドメタルの形で構成すると特にその製造がコスト的に有利であり、触媒コンバータモジュールの中の空間を節約できる。この場合市販のエキスパンドメタルを使用することができる。このエキスパンドメタルの流れ方向に傾いている板面により反応物質が均一に乱流化する。
【００１８】
この発明の実施例を図面を参照して詳しく説明する。
【００１９】
図１はこの発明の特に有用な実施例を示す。図は触媒コンバータモジュールの取付枠１を一部破砕して示している。この取付枠１には４つの層のハニカム要素２が固定されている。但し、図１ではこの中の３つの層だけが見えている。これらのハニカム要素２には流れ方向３に流体が通流する。ハニカム要素２の長さはそれぞれ２０ｃｍである。この長さは、各層の流出側における流れが丁度まだ完全には層流にならないように選ばれている。これらの層の間の距離は８ｃｍである。これらの層の間に、それぞれの前置された層の流出側に直ぐ接近して、静止形の攪拌器としてエキスパンドメタル４が設けられ、これにより層の間の自由空間の内部で反応物質の均一な乱流を発生する。このようなエキスパンドメタル４は図２及び３に示されている。触媒コンバータモジュールの流入側の直前に、即ち通常金網が粗大な灰粒子から通路を保護している位置に、別のエキスパンドメタル５が配置されている。このエキスパンドメタル５は金網の目的を満たすと同時に、流体及び反応物質が触媒コンバータモジュールに入る前に、その部分的な乱流を発生させている。
【００２０】
この触媒コンバータモジュールはガスプラントや蒸気プラントの排ガス路に据付けられるためのものである。ハニカム要素２は触媒活性物質、即ち、二酸化チタン（ＴｉＯ2）を７０〜９５重量％、三酸化タングステン（ＷＯ3）及び／又は三酸化モリブデン（ＭｏＯ3）を５〜２０重量％及び五酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）を５重量％以下で含む物質の完全押出品として形成されている。この触媒コンバータモジュールはＳＣＲ法によるＮＯxの削減に適している。この場合、モジュールの流入側の前に、排ガス路の横断面に亘って分散した多数のノズルを備え、これらのノズルから反応物質として尿素水溶液を排ガス流に噴霧する噴霧装置が配置されている。
【００２１】
図２は、２ｍｍ厚の鋼板から製作されたエキスパンドメタル４、５の一部を平面で示している。このエキスパンドメタル４、５は、規則的に配置されたスリットを備えた鋼板を引き伸ばすことによって作られる。
【００２２】
図３にはこのエキスパンドメタル４、５を図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面が示されている。このエキスパンドメタル４、５の全ての面は流れ方向３に対して傾斜しており、これにより流体は流れるときにこのエキスパンドメタル４、５によって向きを変えられて乱流となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 取付枠を一部破砕して示した触媒コンバータモジュールの斜視図。
【図２】 エキスパンドメタルの平面図。
【図３】 図２のエキスパンドメタルのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。
【符号の説明】
１ 取付枠
２ コンバータ要素
３ 流れ方向
４ 攪拌器（エキスパンドメタル）
５ 攪拌器（エキスパンドメタル）
Claims (4)
- 取付枠（１）と、この中に配置され多数の平行通路を備えた複数のコンバータ要素（２）とを備え、流路中に据付けられて流入側から流出側に流体が通流する触媒コンバータモジュールであって、コンバータ要素（２）が、流れ方向（３）に互いに間隔をおいて配置された少なくとも２つの層に配置されている触媒コンバータモジュールにおいて、各層には複数のコンバータ要素（２）が配置されており、前記層の間に静止形の攪拌器（４）としてエキスパンドメタルが配置されていることを特徴とする触媒コンバータモジュール。
- コンバータ要素（２）の流れ方向（３）の長さが５ｃｍ〜５０ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータモジュール。
- 隣接する層の間の距離がそれぞれ２ｃｍ〜１５ｃｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒コンバータモジュール。
- 別の静止形の攪拌器（５）が流入側に配置されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の触媒コンバータモジュール。
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