四国電力，四国総合研究所
研究期報１０５（2016年12月）
２７－３２ページ

脱硝触媒の耐摩耗性評価方法の検討㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部㈱四国総合研究所 化学バイオ技術部

キーワード：

脱硝触媒
排煙脱硝装置摩耗サンドブラスト
フライアッシュKey Words：

山本山地
横田難波

松平
豪晃
正徳

De-NOx catalyst
Selective Catalytic Reduction
Abrasion
Sandblasting
Fly AshStudy on evaluation method of resistance to abrasion for De-NOx catalyst

Shikoku Research Institute, Inc., Department of Chemical and Biological Technologies
Shohei Yamamoto, Tsuyoshi Yamaji, Akira Yokota and Seitoku Namba

Abstract

In coal-fired power plants, the selective catalytic reduction (SCR) has been used to reduce NOx in exhaust gas.
De-NOx catalysts in SCR are abraded by fly ash (FA) in exhaust gas. For the reason, when exchanging De-NOx
catalysts from old to new, it is desirable to select new catalysts in consideration of not only catalysts performance but
also abrasion resistance to FA. However, there is no official method to evaluate resistance to abrasion for De-NOx
catalysts.
In this study, in order to evaluate the abrasion resistance to FA of De-NOx catalysts, we have developed
equipment applying sandblast. Using that equipment, it was found that the abrasion resistance of De-NOx catalysts
to FA could be compared in a relatively high accuracy and short time. And, it was able to compare the abrasion
resistance to FA of De-NOx catalysts with different types or compression strengths by using that equipment.

－27－

脱硝触媒の耐摩耗性評価方法の検討

1. はじめに

3. サンドブラスト式摩耗試験装置の試作

石炭火力発電所では排ガス中の窒素酸化物試作したサンドブラスト式摩耗試験装置の外観を(NOx)を除去するため、排煙脱硝装置(SCR)を設置し

写真 1、その概要を図 3 に示した。サンドブラスト式摩ている

1)。装置内に装填された脱硝触媒は、長期間耗試験装置は、市販の小型サンドブラストを活用し、の使用に伴って性能低下するとともに、排ガス中に圧縮空気を用いてブラスターガンから触媒試料に研含まれるフライアッシュ(FA)の衝突により摩耗・損傷磨剤を噴射して所定条件での摩耗減量を評価する。

するため、定期的な交換が必要となる 2）。そのため、なお、ブラスターガンから触媒試料片への噴射距

脱硝触媒の交換時には、触媒性能のみならず耐摩離や噴射角度を任意に調整出来る構造とした。

耗性も考慮した触媒選定を行う必要があるが、脱硝触媒の耐摩耗性を評価する公定法がない。そこで、

60cm

自社で比較的容易に脱硝触媒の耐摩耗性を評価でブラスターガンきる試験方法を検討した。
2. 耐摩耗性評価試験方法の検討

120cm

摩耗現象には様々な種類があり、脱硝触媒では噴射口主に FA が高速で衝突して触媒表面が削られるアブレシブ摩耗が生じていると考えられる。耐摩耗性の評価方法は、JIS などで対象物に応じた試験方法が規定されているが 3）、脱硝触媒に応じた公定法はな試料台装置外観

いため、微細な研磨剤を高速で衝突させるサンドブ

写真 1 サンドブラスト式摩耗試験装置の外観

ラストを応用した摩耗試験方法を検討した(図 1,2)。

空気流量計（噴射速度の調節）

耐摩耗性評価試験

ブラスターガン

対象物により異なり、複数の方法がJISなどでも規定されている。

評価対象

試験方法

ファイン
セラミックス材料

ボール オン ディスク式
摩耗試験

・・
etc.
・・

・・
etc.
・・

陶磁器製タイル

落砂式摩耗試験

脱硝触媒

公定法なし

圧縮空気

加重

回転
試料
研磨剤
SiC
(Φ1mm )

試料研磨剤貯槽

45°

噴射距離
噴射角度

実機により近い、微細な研磨剤を高速で衝突させる方法はないか？

（破線矢印が空気

図 1 耐摩耗性に関する各種評価方法

流れ角度 0°）角度可変台

図 3 サンドブラスト式摩耗試験装置の概要

ブラスターガンサンドブラストに着目！
微細な研磨剤を高速で衝突させることが可能！

4. 脱硝触媒の耐摩耗性評価条件の検討（さび落としやガラス工芸で利用されている）
研磨剤

改良

4.1 試験方法
脱硝触媒の耐摩耗性評価条件の検討概要を図 4、サンドブラスト式摩耗試験装置の試作

摩耗試験条件の検討（噴射速度、噴射角度、etc....）

脱硝触媒の耐摩耗性の比較

図 2 サンドブラストを応用した評価方法の検討概要

試験に用いた触媒試料の外観を写真 2 に示した。
評価条件の検討は、サンドブラスト摩耗試験装置の装置条件（研磨剤、噴射時間など）を様々に変化させ、摩耗減量や外観変化への影響を調査して脱硝触媒の耐摩耗性が安定的に評価できる条件を探索した。なお、触媒試料は塩化ビニル板(50mm×50ｍｍ)に張り付けたものを使用した。

－28－

脱硝触媒の耐摩耗性評価方法の検討

耐摩耗性の評価方法

ガラスビーズ

空気流量計（噴射速度の調整）

摩耗減量より耐摩耗性を評価

FA

噴射時間

摩耗減量 ＝（研磨前重量）－（研磨後重量）

ブラスターガン

圧縮空気

摩耗減量 ↓＝ 耐摩耗性↑

摩耗減量に影響する項目① 研磨剤の種類② 噴射時間噴射距離③ 噴射角度

触媒片研磨剤貯槽

図 6 ガラスビーズおよび FA の電子顕微鏡写真

噴射角度（破線矢印が空気流れ角度0°）④ 空気流量（噴射速度）

表 1 ガラスビーズおよび FA の主要な化学成分

角度可変台⑤ 噴射距離＊摩耗試験条件を調整可能

図 4 脱硝触媒の耐摩耗性評価条件の検討概要

ガラスビーズ
60.3
1.9
5.3
25.1

SiO2 (%)
Al2O3 (%)
MgO(%)Na2O (%)

ＦＡ
65.3
25.2
1.40.8(2) 噴射時間
噴射時間を変化させた摩耗試験における噴射時間

平面と摩耗減量との関係および試験後の試料外観を図 7

写真 2 試験に用いた触媒試料の外観に示した。摩耗減量は、噴射時間に対して直線的に増加しており、噴射時間を調整すれば、脱硝触媒

4.2 試験結果の耐摩耗性評価試験に適した摩耗量に調整できる(1) 研磨剤の選定と考えられる。

脱硝触媒への摩耗は、FA 粒子の中でも高粒径粒1.2子による影響が大きいと考えられる。試験に用いたガ

1.0
摩耗減量相対値(-)

ラスビーズの粒度分布を FA と比較して図 5 に示した。
ガラスビーズの粒度分布は、FA の粒度分布範囲にあり、目的とする粒子径であることが判る。また、ガラスビーズと FA の電子顕微鏡写真を図 6、主要な化

0.80.60.4

学成分を表 1 に示した。ガラスビーズは FA と同様の0.2球状粒子であり、シリカが主成分で化学組成も比較0.0030的近いことが確認された。

6090120

噴射時間(秒）20
ガラスビーズ J-120
FA

頻度(%)

1503060120

噴射時間（秒）図 7 噴射時間と摩耗減量との関係

10(3) 噴射角度

5

噴射角度を変化させた摩耗試験における、噴射角度と摩耗減量の関係および試験後の試料外観を図01101001000

粒子径(μm）

図 5 ガラスビーズおよび FA の粒度分布8 に示した。噴射角度を小さくすると研磨材が衝突する面積は減少し、摩耗減量も低下した。実機の脱硝触媒では、FA は触媒に 0°程度で衝突するため、可－29－

脱硝触媒の耐摩耗性評価方法の検討

能な限り噴射角度は小さい方が望ましい。しかし、(5) 噴射距離30°以下では研磨剤の一部が塩化ビニル板の側面噴射距離を変化させた摩耗試験における、噴射距に衝突し、触媒試料に適正に衝突しなかったため、離と摩耗減量の関係および試験後の試料外観を図

脱硝触媒の耐摩耗性評価試験における噴射角度条10 に示した。噴射距離 4.5cm では狭く深い摩耗とな件は 30°とした。

った。一方、噴射距離 14.5cm では広く浅い摩耗となり、研磨剤が触媒試料の領域を超えて噴射された。

2.0

摩耗減量相対値(-)

噴射距離 9.5cm では比較的広い領域で摩耗し、摩1.5耗減量も噴射距離 4.5cm と同程度であることからバラツキが少ない試験値が得られると考え、脱硝触媒の1.0

耐摩耗性評価試験における噴射距離条件は 9.5cmとした。

0.51.50.0

アブレシブ
摩耗

30405060
噴射角度（°）

453070

摩耗減量相対値(-)

20

衝突
摩耗

60

噴射角度（°）

1.00.50.00

図 8 噴射角度と摩耗減量との関係

狭く深い摩耗

5101520

噴射距離（cm）
広く浅い摩耗(4) 空気流量(噴射速度)
空気流量を変化させた摩耗試験における、空気流量と摩耗減量の関係および試験後の試料外観を図4.59 に示した。空気流量 10L/min ではほとんど摩耗が9.5
噴射距離（cm）

14.5

図 10 噴射距離と摩耗減量との関係生じず、20L/min では研磨剤が触媒試料の領域を超えて噴射されたため、脱硝触媒の耐摩耗性評価試験における空気流量条件は 15L/min とした。

（6）脱硝触媒の耐摩耗性評価条件の決定
各種装置条件の検討結果から、サンドブラスト式摩8.0

摩耗減量相対値(-)

耗試験装置を用いた脱硝触媒の耐摩耗性評価試験
は、図 11 に示した装置条件で行うこととした。

6.0

空気流量：15 L/分

4.0

噴射時間：適宜調整
2.0

圧縮空気

ブラスターガン0.0101520空気流量（Ｌ/ min）

研磨剤：ガラスビーズ

噴射距離：9.5cm

触媒片

1015

噴射角度：30°20空気流量（L/分）

角度可変台

図 9 空気流量と摩耗減量の関係

図 11 サンドブラスト式摩耗試験装置の概略図－30－脱硝触媒の耐摩耗性評価方法の検討

5．FA に対する脱硝触媒の摩耗性評価

6. 触媒性状による耐摩耗性の評価(1) 試験方法

6.1 試験方法

実機の脱硝触媒は、排ガス中の FA によって摩耗(1) 触媒銘柄による耐摩耗性の相対評価するため、サンドブラスト式摩耗試験装置を前述の装脱硝触媒は銘柄により耐摩耗性が異なることが知置条件に調整し、研磨剤に FA を用いた摩耗試験をられている 4)。そこで、サンドブラスト式摩耗試験装置行った。なお、バラツキ確認のため、FA およびガラスを用いて、銘柄が異なる脱硝触媒の耐摩耗性の違ビーズを用いて同一条件で繰り返し測定を行った。

いを評価した。
(2) 圧縮強度と耐摩耗性の関係(2) 試験結果
研磨剤に FA およびガラスビーズを用いた脱硝触媒の摩耗試験結果を図 12 に示した。摩耗減量はいずれも噴射時間に対して直線的に増加することが確認された。また、いずれも触媒試料の中央部が摩耗するが、FA はより狭い領域でのみ摩耗しており、摩耗減量も少なく測定値のバラツキも増加する傾向が見られた。これは、FA 粒子は粒度分布幅が広く、脱脱硝触媒は実機での使用に伴って焼結し、圧縮強度が変化することが知られている。そこで、実機使用した同一銘柄の脱硝触媒の圧縮強度を調査し、サンドブラスト式摩耗試験装置を用いて摩耗減量を測定し、圧縮強度との関係を調査した。
6.2 試験結果(1) 触媒銘柄による耐摩耗性の相対評価

硝触媒の摩耗への影響が大きいと考えられる高粒径粒子の割合がガラスビーズより少ないためと推定される。
従って、今回開発したサンドブラスト式摩耗試験装置を用いて、ガラスビーズで摩耗試験を行えば、バラツキが少なく比較的短時間で FA に対する脱硝触媒の耐摩耗性の評価が行える見通しが得られた。

銘柄が異なる 4 種類の未使用の脱硝触媒の摩耗減量相対値を図 13 に示した。その結果、銘柄により脱硝触媒の耐摩耗性は異なることが確認され、サンドブラスト式摩耗試験装置を用いることで、銘柄の異なる脱硝触媒の耐摩耗性を相対評価できることが判った。
201.2
ガラスビーズ （平均値）
FA（平均値）

摩耗減量相対値(-)

摩耗減量相対値(-)

1.00.80.60.40.2

15105

結果のバラツキ範囲

00.00100200300400

噴射時間(秒)

FAA500BCD

図 13 銘柄が異なる触媒における摩耗試験結果

ガラスビーズ(2)圧縮強度と耐摩耗性の関係
サンドブラスト式摩耗試験装置を用いて同一銘柄の実機使用触媒の摩耗減量を測定し、圧縮強度との関係を調査した結果を図 14 に示した。脱硝触媒は実機での使用に伴って焼結するため、圧縮強度が上昇することが知られているが、圧縮強度の高い（噴射時間：240秒）

図 12 FA とガラスビーズを用いた摩耗試験結果

触媒ほど摩耗減量が小さくなることが判った。

－31－

脱硝触媒の耐摩耗性評価方法の検討

媒の製造方法”，2007-296449（2007 年 11 月 15 日

摩耗減量相対値 （-）

1.0公開）

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1.02.03.04.0圧縮強度相対値（- ）図 14 圧縮強度と摩耗減量の関係
7. まとめ
石炭火力発電所の排ガス中の NOx 除去に用いられる脱硝触媒は、排ガス中に含まれる FA の衝突により摩耗・損傷する。そのため、脱硝触媒の交換時には、触媒性能のみならず耐摩耗性も考慮し触媒選定を行う必要があるが、脱硝触媒の耐摩耗性を評価する公定法はない。
本研究では、自社で脱硝触媒の耐摩耗性を評価するために、サンドブラストを応用した摩耗試験装置を開発した。開発したサンドブラスト式摩耗試験装置を用いれば、バラツキが少なく比較的短時間で FAに対する脱硝触媒の耐摩耗性の評価が行える見通しが得られた。また、本装置により、銘柄や圧縮強度が異なる脱硝触媒の耐摩耗性を相対評価できることが判った。
今後は、脱硝触媒取り換え時の触媒銘柄の選定の参考となるようにデータの蓄積を行う予定である。
［謝辞］
本研究は、四国電力㈱火力部殿の委託により実施したものであり、関係各位に深く感謝の意を表します。
［参考文献］
1）環境機器活用辞典編集委員会 編集，”大気汚染防止の技術と機器”，65- 81 (1988)
2）増田具承, 野地勝己，”脱硝触媒およびその製造方法”，2014-213307（2014 年 11 月 17 日公開）
3) JIS R 1613
4) 永井良憲, 伊藤和典, 山田晃広，”板状脱硝触－32－