JP4774569B2

JP4774569B2 - 排ガス処理方法及びその装置

Info

Publication number: JP4774569B2
Application number: JP2000077373A
Authority: JP
Inventors: 祐治小川
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2020-03-21
Also published as: JP2001259363A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、煤塵、窒素酸化物（ＮＯｘ）等を含んだ排ガスの処理方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等のエンジンから排出される排気ガスには、大気汚染の原因となる煤煙等含まれるばかりでなく、有害物質の窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。大気汚染を防止するためにも、この煤煙を除去することは急務な課題である。
【０００３】
現在、煤煙を処理する方法として、煤煙の主成分である煤塵を処理する幾つかの集塵方法がある。集塵方法には、下記の重力集塵、遠心力集塵、洗浄集塵、濾過集塵及び電気集塵等がある（大気関係の基礎知識（環境庁大気保全局担当官編著）。
【０００４】
重力集塵とは、沈降室内に含塵ガスを導入し、粒子速度を低下させ粒子の慣性力を失わせて、粒子自身の重力で自然沈降させる方法である。粒子は沈降室によって粒子速度を小さくすればするほど小粒子まで分離することが可能になる。しかし、粒子速度を小さくするためには沈降室を大きくする必要があり、敷地面積は大きくなり設備の大型化を強いられる。
【０００５】
遠心集塵とは、重力の代わりに強力な遠心力の場をつくり、ガス中のダスト粒子を気流から分離補集する方法である。重力の数十倍、ないし数百倍の沈降速度を粒子に与えることができるため、優れた集塵性能を備えている。重力式に比べ高性能であり、また、他の集塵手段比べても比較的低コストであるが、摩耗性のダストに対しては良質の材料を用いる必要がある。
【０００６】
洗浄集塵とは、含塵液滴または液膜と衝突または接触させ、粒子を洗浄水中に補足する方法で、一般にスクラバーと呼ばれる。かかる手段は、多量の使用するため、汚水処理設備が必要である。サイクロンスクラバー、洗浄塔及び噴霧塔は親水性ダストや各種ミストに対してはかなり高性能を示すが、乾燥したダストに対しては、能力は低くなる。
【０００７】
濾過集塵とは、含塵ガスを濾材に通すことにより煤塵を濾過集塵する方法である。濾布には、各種の化学繊維や天然繊維が用いられ、高温の場合はガラス繊維等の対熱濾布を用いる。１ミクロン以下のダストに対しても高性能を発揮するなど集塵率が高く、広く利用されている。しかし、水分の多い場合、粘着性の粒子には不向きである。
【０００８】
電気集塵とは、コロナ放電を利用して含塵ガス中に電荷を与え帯電粒子に電気的に補集する方法である。高性能であるが、設備費が高い。
【０００９】
以上の集塵方法のうち、我が国においては、設置数が最も多いのが遠心集塵、総処理能力が最も大きいのは電気集塵である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、先に列挙した集塵方法は、物理的に煤煙に含まれる煤塵（すす）を集塵するため、集塵した煤塵は回収除去して別途処理必要があり、窒素酸化物も同様に別途除去しなければならない。そのため、装置は集塵部と集塵・窒素酸化物除去部の設備が強いられ大型化し、結局、設備費、管理費が高価なものとなる。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑み創作されたもので、煤煙除去と脱硝とを同時かつ効率的に行うことが可能であり、また将来的にも小型化が可能で、生産面、維持管理面からも経済的な排ガス処理方法及びその装置を新たに提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための第１発明は、被処理ガスを、Ｎｉを担持させたＹ型ゼオライト（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃＝５．６）と接触させて前記ガス中から煤塵と窒素酸化物とを前記ゼオライトに吸着除去し、さらにこの吸着させた煤塵を前記ガスの温度の下で燃焼除去させることを特徴とする排ガス処理方法である。前記ゼオライトへの金属の担持は、イオン交換法により行なう。
【００１３】
かかる手段により、単一反応系の下で、排ガス中に含まれる煤塵と窒素酸化物とを同時除去することが可能になる。しかも、吸着させた煤塵の燃焼は、前記被処理ガスの温度の下で行なうことができることから、エネルギー効率の観点から有効な手段となる。
【００１４】
また、Ｙ型ゼオライトの他に脱硝作用のあるゼオライトとして、β型（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃＝22）及びＺＳＭ−５型（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃＝40）などがある。これらのゼオライトに金属（例えば、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｍｎ、Ｇａ等）を担持させて、これに被処理ガスを接触させ、それぞれの適性温度の下で燃焼させても、煤塵と窒素酸化物とを同時処理することが可能である。
【００１５】
前記Ｎｉの他にＣｏ及びＭｎを担持させてもよい。
【００１６】
第２発明は、被処理ガスが供給される反応カラムと、この反応カラムに導入された被処理ガスと接触して前記ガス中から煤塵と窒素酸化物とを吸着除去しさらにこの吸着させた煤塵を前記ガスの温度の下で燃焼除去するＮｉ担持ゼオライト触媒とからなることを特徴とする排ガス処理装置である。
【００１８】
前記ゼオライト触媒は、煤煙との接触表面をできるだけ広くした構造、例えば、ゼオライト粉をハニカム状、ペレット状等に成形させること、または金属製若しくはセラミック製のフィルター、ビーズ状、ボール状またはハニカム状を成したボール状担体の全面にゼオライトを担持させることにより構成される。ゼオライト触媒の充填量は、単位触媒表面当りの被処理ガス（窒素酸化物含有煤煙）負荷量によって定められる。
【００１９】
また、前記ゼオライト触媒はハニカム状に形成された場合、二つ以上に等分割させると煤塵除去効率及び維持管理の面から有効となる（図６（ａ））。特に、分割されたハニカム部材の被処理ガス通気路の長さが短い程有効である（図５）。
【００２０】
これは、ハニカム部材における煤塵吸着効率が被処理ガス入口近傍において最も高いからである。また、分割された一つのハニカム部材の煤塵除去・脱硝効率が著しく低下した場合、容易に新しい部材と交換が可能であること、さらに、煤塵・窒素酸化物負荷量に合せて適量に触媒の量を調整することが可能であることによる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
発明者らは、本発明の創作に先立ち、脱硝用触媒に用いているゼオライトにおいて、煤煙の主成分である煤塵の燃焼除去用触媒としての有効性を確認し、さらにこの脱硝触媒用いた除塵、脱硝機能を備えた排ガス処理方法の検討を行なった。
【００２２】
ゼオライトは、結晶性アルミノケイ酸の一種であり、粘土鉱物であるが、合成可能なものも多々ある。また、天然には存在しない結晶構造をもつものも合成されている。Ａ型、Ｂ型、β型、ＺＳＭ−５型及び後述のＹ型などがよく知られている。その特性としては、細孔を有し、分子ふるい作用、陽イオン交換機能をもち、吸着剤、触媒として利用されている。
【００２３】
前記ゼオライトの煤塵燃焼触媒試験の概要は、以下の通りである。
【００２４】
各種金属を坦持させたゼオライト触媒をハニカム状に形成させたものに対し、28ｋＷ級ディーゼル発電機の排気ガスを通気させて、発電機の初期始動時の煤塵（すす）を吸着させ、排気ガス温度の下で、この吸着した煤塵の燃焼除去効果を観測した。
【００２５】
本試験の詳細を以下に述べる。
１．ハニカム状ゼオライト触媒の構造
図１は本試験に係る測定システム概要図であり、図２は本試験に係るハニカム状ゼオライト触媒の外観図（ａ）と前記ゼオライト触媒単体の外観図（ｂ）である。ハニカム状ゼオライト触媒は、二つ以上のハニカム状ゼオライト触媒単体から成り、図１に示されたように、反応カラム11に充填される。反応カラム11は発電機（28ｋＷ）の排気経路に備え付けられ、さらにこの11の一及び二次側には差圧計とＮＯｘ計が設置される。
【００２６】
ゼオライト触媒単体は、図２（ｂ）に示したように、65ｍｍ×65ｍｍ×130ｍｍの直方体を成し、このＢ−Ｂ断面における単位通気口一辺の長さは1.9ｍｍであり、その壁厚は0.5ｍｍとなっている（1インチ平方当り100セル、以下100cpiと略す）。また、ハニカム状ゼオライト触媒単体の重さは、約250ｇである。図２（ａ）に示されたように、ゼオライト触媒は4段から成り、その１段は前記ゼオライト触媒単体４個で構成される。
【００２７】
本試験においては、Ｎａ-Ｙ型のゼオライトをハニカム状ゼオライト触媒の主原料とし、これに金属イオンを担持させたものを用いた。尚、前記ゼオライトへの金属の担持は、イオン交換法により行なった。
【００２８】
このゼオライトの組成及び種々の金属イオンを担持させたゼオライトを表１及び２に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
２．試験要領
１）切替弁15を触媒層側にして発電機（28ｋＷ）12を始動し、そのまま無負荷で10分間運転して煤塵をハニカム状ゼオライト触媒10に吸着させる。
【００３２】
２）発電負荷を80％に上げ、そのまま定常で２時間発電機12を動作させ、煤塵を排気ガス温度で燃焼させる。
【００３３】
３）２時間後、負荷を０に戻し、切替弁15をバイパス側して発電機12を停止させる。
【００３４】
上記の手順において、発電中の反応カラム11入口と出口で排ガス温度、動圧、静圧、ＮＯｘ濃度を測定する。試験終了後、使用したゼオライト触媒10を縦割りにし、煤塵と燃焼状態について観察する。
３．測定機器
Ｌ型ピトー管
ＮＯｘ-Ｏ２分析計（島津ＤＴＧ−５０）
４．試験結果
１）ゼオライト１（Ｍｎ-Ｙ）
図３は、始動20分後のゼオライト触媒（Ｍｎ-Ｙ）単体への煤塵吸着状況を示している。図３に示されたように、ハニカム部材（一段目、二段目、三段目）において、よく煤塵が吸着されている部分は、被処理ガス入口側から約１／３〜１／２の長さの部分であった。
【００３５】
図４は、試験後のゼオライト触媒表面（図１中のＣ−Ｃ断面）に吸着された煤塵の焼失状況を示している。これは、負荷80％、排気ガス温度400℃で２時間運転後のハニカム触媒表面上（Ｃ−Ｃ断面）の煤塵焼失状況である。図４において、Ｍｎ-Ｙは左から２番目である。尚、運転中の排ガス流量は約110ｍ³／ｈであり、このときのハニカム状ゼオライト触媒（100cpi、130ｍｍ×130ｍｍ×390ｍｍ）の圧力損失は190ｍｍＨ₂Ｏ（1.862ｋＰａ）であった。また、反応カラム入口のＮＯｘ濃度は987ppm、出口の944ppmであり脱硝率4.3％の脱硝が観測された。
【００３６】
２）ゼオライト２（Ｃｕ-Ｙ）、ゼオライト３（Ｃｏ-Ｙ）及びゼオライト４（Ｎｉ-Ｙ）
ゼオライト２〜４についても、前記Ｍｎ-Ｙと同様の要領で測定した。ゼオライト２〜４において、始動20分後における煤塵の吸着状況及び運転中の圧力損失、硝化脱硝率はゼオライト１と比べ差異はなかった。
【００３７】
しかし、図４に示されたように、２時間運転後におけるハニカム触媒表面（Ｃ−Ｃ断面）上の煤塵の燃失状況は、ゼオライト２〜４における差異が顕著に表れた。特に、ゼオライト２（Ｃｕ-Ｙ）における燃焼活性が高く、その他にゼオライト４（Ｎｉ-Ｙ）が比較的良好であった。
【００３８】
以上のゼオライト１〜４による煤塵燃焼試験結果から、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｏ及びＮｉどの金属をイオン担持させた触媒には、吸着した煤塵を排気ガス温度（400℃）のもとで燃焼させる効果があることが確認できた。煤塵の燃失効率を考慮すると、Ｃｕ-Ｙが最も有効で、その次にＮｉ-Ｙが有効である。Ｍｎ-ＹとＣｏ-Ｙにおいても、始動20分後と比べると吸着された煤塵は燃失傾向にあることから（図４）、滞留時間（燃焼時間）の調整や外部からの燃焼熱の供給により前記煤塵の除去は可能となる。
【００３９】
また、図４において明らかのように、ゼオライト触媒の各段でよく煤塵が吸着されている部分は、被処理ガス供給側近傍（被処理ガス供給側から約１／３〜１／２の長さの部分）であったことから、被処理ガスの通気路の長さを短くすること、例えば図５のように、ハニカム状ゼオライト触媒の長さを短く（45〜60ｍｍ）して段数を増やすことによりさらに効率良くに煤塵を除去することができるものと考えられる。
【００４０】
以上のことから、脱硝機能を有するゼオライト（Ｙ型）を煤塵の燃焼触媒とし、これに金属を担持させたものを被処理ガスと接触すれば、被処理ガス温度の下で煤塵除去と脱硝とを同時に行うことができる。特に、Ｃｕ及びＮｉを担持させたゼオライトは有効である。
【００４１】
次に、本発明に係る排ガス処理方法の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４２】
当該排ガス処理方法は、前記Ｙ型ゼオライトを用い、これと被処理ガスとを、被処理ガス温度のもとで接触させて燃焼させることにより前記排ガス中に含まれる煤塵と窒素酸化物とを同時に行なう。
【００４３】
本発明に係る排ガス処理装置は、図６（ｂ）に示されたように、被処理ガスが供給される反応カラム11にゼオライト触媒10が充填されることで構成され、発電機の排気経路に設置される。反応カラム11へのゼオライト触媒10の充填量は、単位触媒表面当りの被処理ガス（窒素酸化物含有煤煙）負荷量によって定められる。
【００４４】
ゼオライト触媒10は、少なくとも二つ以上のゼオライト触媒単体10ａからなる。そして、ゼオライト触媒単体10ａは、前記試験と同様に、煤煙との接触表面をできるだけ広くした構造、すなわちゼオライト粉をハニカム状に成形させることにより構成される。
【００４５】
前記試験結果によると、ゼオライト触媒単体10ａの通気路の長さが短いほど煤塵の吸着効率が良いことから、前記単体10ａは立方体に近い構造を成していることが望ましい（例えば、図５のように通気面一辺の長さ65ｍｍである場合、単体の長さＬは45〜65ｍｍ）。
【００４６】
かかる構造は、いずれかの単体10ａの煤塵除去・脱硝効率が著しく低下した場合に新しい単体10ａと容易に交換が可能であること、また煤塵・窒素酸化物負荷量に合せて任意適量に触媒の量を調整することが可能であることから、維持管理の面からも有効となる。
【００４７】
尚、ゼオライト触媒単体10aは、前記ハニカム構造の他に、ペレット状に成形させること、または、金属製若しくはセラミック製のフィルター、ビーズ状、ボール状若しくはハニカム構造のボール状担体にゼオライトを担持させることにより構成してもよい。
【００４８】
触媒10に係るゼオライトは、脱硝機能を有したＹ型ゼオライトに金属（Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｏ若しくはＮｉ）を担持させたものが用いられる。前記ゼオライト触媒は、供給される被処理ガス自体の温度で煤塵を焼失させることができるので外部から熱を加える必要がない。
【００４９】
かかる構成により、被処理ガスと金属担持させたゼオライトとの接触効率が高まり、被処理ガス温度の下で、同ガス中に含まれる煤塵を効率的に燃焼除去させることができる。さらに、本発明に係るゼオライトは、脱硝機能を有していることから、単一反応系の下で、脱硝と煤塵除去とを同時に行うことができる。これにより、反応系における被処理ガス（煤煙）の処理時間は短縮化され、装置の単純小型化が可能となる。このことから、本発明に係る排ガス処理装置は、既存の煤煙処理装置の付帯設備として容易に設置可能となり、既存排ガス処理設備の機能維持や機能低下対策の一助ともなる。
【００５０】
図１に基づいて本発明に係る煤煙処理装置の作用について説明する。
【００５１】
発電機12から排出された被処理ガスは、反応カラム11内に移行し、ゼオライト触媒10と接触する。カラム11内に供給された被処理ガスは、排出口17に向かってゼオライト触媒10の通気口（ボール状またはハニカム構造ボール状のゼオライト触媒10が充填されている場合は、その空隙）を通過する。このとき、ゼオライト触媒10はフィルターの役目し、前記ガス中の煤塵及びＮＯｘを触媒10表面に吸着させる。吸着された煤塵は、供給された被処理ガスの温度の下で焼失される。煤塵除去及び脱硝処理されたガスは、排出口17から系外に排気され、必要とあらばさらに高度処理に供される。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳細に述べたように、本発明に係る排ガス処理方法及びその装置によれば、被処理ガスを、金属担持させたＹ型ゼオライトに接触させ、さらにこの被処理ガス温度の下で燃焼させれば、当該ガス中に含まれる煤塵を効率的に除去することができる。
【００５３】
また、本発明に係るＹ型ゼオライトは、脱硝機能を有していることから、単一反応系のもとで、脱硝と煤塵除去とを同時に行うことができる。特に、ＣｕまたはＮｉを担持させたＹ型ゼオライトは、煤塵の除去効率をさらに向上させることができる。
【００５４】
したがって、反応系における煤煙の処理時間は短縮化され、装置の単純化及び小型化が可能となり、これにより、装置としての取扱も容易となることから、生産面及び維持管理面からも経済的に有効な手段となる。
【００５５】
以上のことから、本発明に係る排ガス処理方法及びその装置は、既存の煤煙処理装置の付帯設備として容易に設置することも可能となり、既存排ガス処理設備の機能維持や機能低下対策の一助にもなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本試験に係る測定システム概要図。
【図２】（ａ）は本試験に係るハニカム状ゼオライト触媒の外観図、（ｂ）は前記ゼオライト触媒単体の外観図。
【図３】始動20分後のゼオライト触媒単体（図１（ｂ）、Ｃ−Ｃ断面）への煤塵吸着状況。
【図４】ゼオライト触媒表面（図１中のＣ−Ｃ断面）に吸着された煤塵の燃失状況。
【図５】本発明に係るゼオライト触媒単体の外観図。
【図６】（ａ）は本発明に係るゼオライト触媒の外観図、（ｂ）は本発明に係る排ガス処理装置。
【符号の説明】
10…ゼオライト触媒
10ａ…ゼオライト触媒単体
11…反応カラム

Claims

被処理ガスを、Ｎｉを担持させたＹ型ゼオライト（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃＝５．６）と接触させて前記ガス中から煤塵と窒素酸化物とを前記ゼオライトに吸着除去し、さらにこの吸着させた煤塵を前記ガスの温度の下で燃焼除去させることを特徴とする排ガス処理方法。
被処理ガスが供給される反応カラムと、
この反応カラムに導入された被処理ガスと接触して前記ガス中から煤塵と窒素酸化物とを吸着除去しさらにこの吸着させた煤塵を前記ガスの温度の下で燃焼除去するＮｉ担持ゼオライト触媒と
からなることを特徴とする排ガス処理装置。