(57)【要約】  【課題】  目詰まりや灰分の閉塞に強く、高効率で、環境への安全性に優れた粒子状物質含有排ガスの浄化装置および方法を提供する。【解決手段】  排ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化する触媒が担持された第１のフィルタ装置１と、後述の第２のフィルタ装置２に連通し、第１のフィルタ装置１に堆積した堆積物をパージするためのバイパス流路８と、第１のフィルタ装置１の排ガス流出経路と前記バイパス流路のいずれか、または両方を選択するバルブ手段３，１０と、前記パージされた排ガス中の堆積物を捕集し、前記ＮＯ２により該堆積物を酸化燃焼させる第２のフィルタ装置２とを有する粒子状物質含有排ガスの浄化装置。【選択図】  図１
2006226185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化窒素を酸化して二酸化窒素を生成させる排ガス浄化用触媒が担持された第１のフィルタ装置と、後述の第２のフィルタ装置に連通し、前記第１のフィルタ装置に堆積した堆積物をパージするための排ガスのバイパス流路と、前記第１のフィルタ装置の排ガス流出経路（フィルタ流路）と前記バイパス流路のいずれか、または両方を選択するバルブ手段と、前記パージされた排ガス中の堆積物を捕集し、前記第１のフィルタ装置で生成した二酸化窒素により酸化燃焼させる第２のフィルタ装置とを有することを特徴とする粒子状物質含有排ガスの浄化装置。
【請求項２】
前記第1のフィルタ装置は、前記触媒が担持された波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該波板の波板稜線が交互に直交するように積層された成形体であって、該成形体の前記波板稜線と直交する側面の一つの面、または互いに隣接する二つの面が閉止され、前記多孔質平板を介して前記波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路が形成されるものである請求項１記載の装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の装置に排ガスを供給し、前記第１のフィルタ装置および第２のフィルタ装置を経由させて排ガスを浄化する方法であって、前記第１または第２のフィルタ装置を通過する排ガスの差圧を測定し、該差圧が所定値に達した時点で前記排ガス流路をバイパス流路に切替え、前記第１のフィルタ装置を再生することを特徴とする排ガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粒子状物質含有排ガスの浄化装置および方法に係り、特にディーゼルエンジンから排出されるガス中に含まれる粒子状物質(PM)を低通風損失かつ高効率で除去でき、かつ灰や煤が堆積した場合に大掛かりな装置を用いることなく堆積物を除去できるPM含有排ガスの浄化装置、およびこれを用いた排ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン(DE)は、内燃機関の中で最も効率の高いものの１つであり、一定出力当りの二酸化炭素(CO2)の排出量が低く、また重油などの低質燃料を使用できるため、経済的にも優れている。このため、近年、地球温暖化防止のため、エネルギー利用効率が高く、CO2排出量の低いDEを用いた車や定置式の発電設備が見直され、多用される傾向にある。しかし、重質油や軽油を燃料とするDEは、未燃炭化水素と煤が一体化した粒状物質(PM又はDP)の排出量が多く、公害の元凶となっていることが社会問題になっている。このため、DEメーカ及び自動車メーカなどの各方面においてDP除去に関する研究、開発が進められ、優れた除去性能を有するフィルタや、前置の酸化触媒や、フィルタに酸化触媒を担持して排ガス中の一酸化窒素(NO)を二酸化窒素(NO2)に酸化して煤を燃焼させ、長期間煤の詰まりを防止するように工夫されたDPフィルタ(DPF)に関する研究、発明がなされている(非特許文献１）。
【非特許文献１】産業環境管理協会、環境管理Vol.37、P441-449  これらの開発の多くは、排ガスを数μｍの多孔質セラミックスの薄壁に通して濾過することを目指したものであり、その形状には、板状または円筒状の金属やセラミックス焼結フィルタ、ハニカム状のセラミックス多孔成形体の目を交互に埋めてフィルタに用いるもの、微細な金属線織布をフィルタに用いるものなどが知られている。さらに、それらの目詰まりを防止または緩和するため、これらのフィルタにNOをNO2に酸化する機能を持たせて煤を酸化燃焼させるものが知られている(特許文献１、特許文献２および非特許文献２）。
【特許文献１】特開平1-318715号公報
【特許文献２】特開昭60-235620号公報
【非特許文献２】自動車技術会学術講演会前刷り集No.22-2
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した従来技術は、PMの捕集効率が高く、優れた性能を有するものであるが、軽油や重油を燃料とする場合や、DEを用いた定置式発電設備などに使用する場合には、(i)微細な細孔でPMを濾過することを基本原理とするフィルタ材であり、通風損失が大きく、効率の高いDEの特質を損なうことが多い、(ii)不適切な操作により多量な煤が発生した場合に閉塞を起こしやすく、逆洗や煤の過熱燃焼など閉塞対策が必要になるものが多い、(iii)燃料中の灰分がフィルタ材の細孔に溜り、目詰まりを発生させるために寿命が短くなる、(iv)後流部に脱硝装置を持たない場合には、煤の燃焼に使われなかったNO2が排出され、黄色煙の発生や二次公害を引き起こす等の問題点を有している。
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決し、目詰まりや灰分の閉塞に強く、逆洗や煤の加熱燃焼など特別の手段を必要とせず、しかも安価な材料で構成した粒状物質の除去フィルタを用い、高効率で環境への安全性に優れた粒子状物質含有排ガスの浄化装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を達成するため、本願で特許請求される発明は下記のとおりである。
（１）一酸化窒素を酸化して二酸化窒素を生成させる排ガス浄化用触媒が担持された第１のフィルタ装置と、後述の第２のフィルタ装置に連通し、前記第１のフィルタ装置に堆積した堆積物をパージするための排ガスのバイパス流路と、前記第１のフィルタ装置の排ガス流出経路（フィルタ流路）と前記バイパス流路のいずれか、または両方を選択するバルブ手段と、前記パージされた排ガス中の堆積物を捕集し、前記第１のフィルタ装置で生成した二酸化窒素により酸化燃焼させる第２のフィルタ装置とを有することを特徴とする粒子状物質含有排ガスの浄化装置。
【０００５】
（２）前記第1のフィルタ装置は、前記触媒が担持された波板と多孔質平板の対を基本単位とし、該波板の波板稜線が交互に直交するように積層された成形体であって、該成形体の前記波板稜線と直交する側面の一つの面、または互いに隣接する二つの面が閉止され、前記多孔質平板を介して前記波板との間にそれぞれ排ガスの流入経路と流出経路が形成されるものである（１）記載の装置。
【０００６】
（３）（１）または（２）記載の装置に排ガスを供給し、前記第１のフィルタ装置および第２のフィルタ装置を経由させて排ガスを浄化する方法であって、前記第１または第２のフィルタ装置を通過する排ガスの差圧を測定し、該差圧が所定値に達した時点で前記排ガス流路をバイパス流路に切替え、前記第１のフィルタ装置を再生することを特徴とする排ガス浄化方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、安価なDPFにより排ガス中のPMを常時効率良く除去可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す排ガス浄化装置の説明図である。この装置は、排ガスが流入する第１のフィルタ装置１と、該第１のフィルタ装置１にバルブ３を介して連結された第２のフィルタ装置２とから主として構成され、第１のフィルタ装置１と第２のフィルタ装置２は、前記第１のフィルタ装置１の側面の二つの面から流出した排ガスを、第２のフィルタ装置２に導入するための管路８と、前記第１のフィルタ装置１の壁面に堆積した堆積物を排ガスによりパージするためのバイパス流路９と、前記フィルタ流路８またはバイパス流路９のいずれか、または両方を選択するためのバルブ３および１０とを有する。第1のフィルタ装置１には、排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化する、例えば白金等のような貴金属が担持されている。 第１のフィルタ装置１としては、図２に示すように、上記排ガス浄化用触媒が担持された波板４と多孔質平板５の対を基本単位とし、図３に示すように該波板４の波板稜線が交互に直交するように積層された成形体１Ａであって、該成形体１Ａの前記波板稜線と直交する側面の一つの面、または互いに隣接する二つの面が閉止され、前記平板５を介して前記波板４との間にそれぞれ排ガスの流入経路６と流出経路７が形成されるものが好ましく用いられる。フィルタ装置１を通過した排ガスは、バルブ３を閉、バルブ１０を開にすることにより、管路８を通り、第２のフィルタ装置２に導入されるが、図１（Ｂ）に示すように、第２のフィルタ装置２を通過させずに、そのまま排気することもできる。本発明に用いるバルブ手段は、ダンパ開閉等の他の手段でもよく、また上記バルブ３および１０は、図１（Ａ）の場合は、一つの三方弁としてもよい。
【０００９】
本発明において、第２のフィルタ装置２としては、図４に示すようにメタルラスをラス加工の加工時の方向が交互に90度になるように複数枚積層した積層フィルタを用いることができる。図４の（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれメタルラスを排ガスと平行方向および直角方向に積層させた場合のフィルタの配置状態を示す。上記フィルタには、第1のフィルタ装置に用いたと同様な排ガス浄化触媒を担持させることができる。
【００１０】
[作用]
一対の波板４と多孔質平板５を基本単位とし、これが交互に直交するように積層された成形体１Ａの、波板（好ましくは多孔質波板）を有する平板−平板間隙に波板の稜線方向からガスを流入させ、ガス流入方向と直交した稜線を有する波板が位置する平板−平板間隙からガスを流出させるとき、ガスの流れは多孔質平板を透過することで排ガス中のPMを濾過して除去することが可能となる。さらに該多孔性平板および波板にNOの酸化機能を有する触媒を担持することにより、排ガス中に含まれるNOをNO2に酸化し、生成したNO2により捕集したPMを下記式(1)により低温から効率よく酸化燃焼することが可能となる。
【００１１】
２ＮＯ２  ＋  Ｃ(煤)  →  ＣＯ２  ＋  ２ＮＯ  …  (1)
一方、運転操作ミスやエンジントラブルにより過剰な煤が堆積した場合やフィルタへのダストや灰分の蓄積によりNO酸化活性の低下や圧力損失の増加が起こった場合などには、バルブ手段により排ガスをバイパス流路９にパージしてフィルタ装置１に堆積した煤を容易に抜出すことができる。このとき、抜出された煤による黒煙発生などの二次公害やフィルタ装置１での集塵効率の低下が懸念されるが、フィルタ装置１の堆積物を抜出す流路９の後流側に第２のフィルタ装置２を設けたことにより、第１のフィルタ装置１から排出される煤などを一時的に捕集し、前記第1のフィルタ装置で生成したＮＯ２、または第２のフィルタ装置に担持した触媒の作用により生成したＮＯ２により、酸化燃焼させることが可能となり、集塵効率の低下を防止するとともに、常時、効率の良いDP除去が可能となる。
【００１２】
第２のフィルタ装置２は、第１のフィルタ装置１における可燃分の燃焼により粒子の比重が飛躍的に小さくなり、排ガス中へと再飛散されるため、従来の微細な細孔しか持たないセラミックス多孔体などでは閉塞するような条件においても、閉塞することなく運転できる。なお、第１のフィルタ装置１に担持した酸化触媒により堆積した煤が酸化燃焼されるため、フィルタ装置２への触媒担持は必要のないことが多いが、フィルタ装置２にもフィルタ装置１と同様な触媒をコーティングすることにより、煤の燃焼速度を増加でき、低負荷運転における排ガス温度が低い場合においても、圧損の上昇なく運転することが可能となる。
【００１３】
バイパス流路９によるフィルタ装置１の堆積物の抜出し運転は、第１のフィルタ装置１の差圧（圧力損失）が一定値以上になった時点で、バルブ３を開（必要によりバルブ１０を閉）にして排ガス流路をバイパス側に切替えることにより、フィルタ装置１のフィルタの再生を容易に行なうことができる。バルブ１０が閉になっている場合は、第２のフィルタ装置２の差圧が一定値以上になった時点で上記のバルブ操作を行なってもよい。上記の制御は、差圧計などの圧力検出手段とバルブ開閉手段とを連動させ、自動的に行なってもよい。また、差圧の変化が小さい場合などには、特定の時間によって開閉することも可能である。
【００１４】
この結果、PM除去性能に優れたフィルタ装置１の再生を、運転停止することなく容易に行なうことができ、再生運転時においても、フィルタ装置２によりPM除去できるため、黒煙などの二次公害を防止できる。また、フィルタ装置２は低負荷運転においても煤などが堆積しにくい、図４に示すような高気孔率なフィルタを用いると、低温でも長時間運転でき、耐久性に優れた装置となる。
【実施例】
【００１５】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
[実施例１]
シリカアルミナ繊維の不織布からなる板厚0.2ｍｍの多孔質波板と板厚0.2ｍｍの多孔質平板との積層体(交差コルゲートハニカム、波板ピッチ3.3ｍｍ、平板平板間隔1.9ｍｍ、ニチアス社製、外寸150ｍｍ×150ｍｍ×150ｍｍ)に、15重量％のTiO2ゾル(石原産業社製)を含浸させ、エアブローにより液切りし、150℃で乾燥し、その後、ジニトロジアンミン白金溶液(Pt濃度：1.33ｇ/Ｌ)を含浸させ、再度乾燥後、600℃で焼成してPt担持量0.2ｇ/Ｌの酸化触媒付DPF基材(フィルタ１)を作製した。
【００１６】
また、厚さ0.2ｔのSUS430の帯鋼を送り幅0.47ｍｍでラス切り加工し、ラス板を得た。これをチタニア(石原産業社製、CR50)を40重量％、シリカゾル(日産化学社製：SiO2含有量20重量％)を20重量％、ポリビニルアルコール1重量％と残り水から成るスラリ中に浸漬後、エアブローして余剰スラリを除去し、150℃で乾燥して不溶化処理して担持量30ｇ/ｍ2の薄い中間層を設けたラス板を作成した。
【００１７】
一方、チタニア(石原産業社製、比表面積90ｍ2/ｇ)100gに水を200ｇ加えたものに、Pt含有量8重量％のジニトロジアンミン白金溶液を6.25g添加後、砂浴上で加熱して蒸発乾固し、得られた塊状物を500℃で焼成後、ハンマーミル粉砕して触媒粉末を得た。本粉末70ｇ、チタニア(石原産業社製、CR50)30ｇ、シリカゾル(SiO2含有量20重量％)100ｇ、水200ｇとを混合し触媒スラリを調製した。本スラリ中に前記中間層をコーティングしたラス板を浸漬後、エアブローして余剰スラリを除去後、150℃で乾燥し、600℃で２時間焼成して酸化触媒が33ｇ/ｍ2付着したラス板を得た。
【００１８】
得られた触媒付きラス板を150ｍｍ角の正方形に切断し、これを交互に90度ずつ向きを変えながら200枚積層し、周囲を無機繊維シートでシールして金属枠に入れ、触媒担持量は44ｇ/Ｌ、Pt担持量は0.22ｇ/Ｌの150角-150ＬのDPF(フィルタ２)を得た。
【００１９】
Ａ重油を燃料とするディーゼルエンジン出口に上記フィルタ１、上記フィルタ２及びバルブ３を図１(Ａ)に示す系統で設置し、バルブ３を閉、バルブ１０を開とした状態で100ｍ3/hの排ガスを100％定格運転(フィルタ１温度約400℃)により流し、フィルタ１の差圧が安定したのち低負荷運転(フィルタ１温度約300℃)により降温した。次いでバルブ３を開放し、下記項目を評価した。
【００２０】
(1)100％定格運転時のフィルタ１及びフィルタ２の安定差圧
(2)バルブ３開放前後での低負荷運転における圧損上昇
(3)バルブ３開放時の黒煙発生の有無
(4)バルブ３開放前後でのPM除去率
【００２１】
[実施例２]
図５(Ｂ)に示す系統により実施例１と同様の試験を行なった。但し、バルブ３閉止時はバルブ１０を開放に、バルブ３開放時はバルブ１０を閉止して試験を行い、各項目を評価した。
【００２２】
[比較例1]
フィルタ２を設置しない以外は実施例２と同様の条件で試験を行い、各項目を評価した。
[比較例２]
実施例１におけるフィルタ１及びバルブ３を設置しない以外は実施例１と同様の条件で試験を行い、各項目を評価した。
【００２３】
実施例１、２及び比較例１、２の結果を纏めて表１に示す。比較例１ではバルブ３閉止時は非常に高いPM除去率であったが、バルブ３開放時に大きく低下した。これに対し、実施例１及び実施例２では比較的高いPM除去率を維持することができ、さらに従来のセラミックスDPFなどでは大きく圧損が上昇する低負荷運転時の差圧の経時変化も極わずかに上昇するだけであった。一方で比較例２は低圧損で、圧損上昇も僅少であることから耐久に優れたDPFであると考えられるが、高いPM除去率が要求される場合には不向きである。
【００２４】
上記の試験において、バルブ３、バルブ１０の開閉による黒煙の発生は目視されなかったが、フィルタ１に多量の煤が蓄積した状態でバルブ１０を閉じ、バルブ３を開放し、フィルタ１の堆積物を抜出す場合においても、フィルタ２により堆積物が一時的に捕集されるため、黒煙の発生は防止できる。
【００２５】
【表１】
2006226185.tif 000003
【００２６】
[実施例３]
Ａ重油を燃料とするディーゼルエンジン出口にフィルタ１、フィルタ２、バルブ３およびバルブ１０を図1(Ｂ)に示すように設置し、フィルタ１の入口温度が250℃になるよう設定した。バルブ３を閉、バルブ１０を開で運転を開始し、フィルタ１の差圧が４kPa以上でバルブ３を開、バルブ１０を閉に、フィルタ２の差圧が２kPa以下になるとバルブ３を閉とする制御により運転を行なったところ、約２時間に１度開閉が行なわれ、約40時間経過後も特に変化は見られなかった。
【００２７】
[比較例３]
実施例３における流路の切替えを行なわずに試験を行ったところ、DEの出口圧力が約４時間で8kPaまで上昇したため、エンジン保護のため試験を終了した。
実施例３及び比較例３の比較より、フィルタ１の堆積物の抜出し運転を行なうことにより、低温においても長時間運転でき、装置の長寿命化が可能であることが分った。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例を示す排ガス浄化装置の説明図。
【図２】本発明に用いるフィルタ成形体の基本単位を示す斜視図。
【図３】本発明に用いるフィルタ成形体の斜視図。
【図４】本発明に用いる第２のフィルタ装置の積層構造を示す斜視図。
【符号の説明】
【００２９】
１.第１のフィルタ装置、１Ａ.フィルタ成形体、２.第２のフィルタ装置、３.バルブ、４.波板、５.多孔質平板、６.排ガス入口流路、７.排ガス出口流路、８.管路、９.バイパス流路、１０.バルブ、１１.触媒付きメタルラス。
【図１】
2006226185.tif 000004
【図２】
2006226185.tif 000005
【図３】
2006226185.tif 000006
【図４】
2006226185.tif 000007