排ガス中粒子状物質除去フィルタ、該フィルタを用いた排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法
【課題】 目詰まりや灰分の閉塞にさらに強く、煤の加熱燃焼など特別の手段を必要とせず、排ガス中の粒子状物質を除去することができるフィルタ、これを用いた排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】 多孔質波板１、２と多孔質平板３の対を基本単位とし、これらを交互に積層して多面体に形成した積層体と、該積層体の前記波板の稜線方向と交差する一面に形成されたガス流入面と、これと平行な他の一面に形成されたガス流出面とを有し、前記多孔質平板を介して前記多孔質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フィルタであって、前記ガス流入面から前記ガス流出面に到るガス流路の長さがそれぞれ等しくなるように、前記波板の稜線方向に対して平面から見て４５℃の角度で交差するように前記多面体の排ガス流入面と流出面が形成されている排ガス中粒子状物質除去フィルタ。
【解決手段】 多孔質波板１、２と多孔質平板３の対を基本単位とし、これらを交互に積層して多面体に形成した積層体と、該積層体の前記波板の稜線方向と交差する一面に形成されたガス流入面と、これと平行な他の一面に形成されたガス流出面とを有し、前記多孔質平板を介して前記多孔質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フィルタであって、前記ガス流入面から前記ガス流出面に到るガス流路の長さがそれぞれ等しくなるように、前記波板の稜線方向に対して平面から見て４５℃の角度で交差するように前記多面体の排ガス流入面と流出面が形成されている排ガス中粒子状物質除去フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス中粒子状物質除去フィルタおよび該フィルタを用いた排ガス浄化装置に係り、特にディーゼルエンジン等から排出される排ガス中のばいじん、ＰＭ(Particulate Matter、粒子状物質)を除去するためのフィルタ、および上述のばいじん等とともに、排ガス中のＮＯｘ(窒素酸化物)、ＳＯｘ(硫黄酸化物)を処理するための排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、図１２に示すように、例えばペーパハニカムで構成された、多孔質波板１、２と多孔質平板３の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が少なくとも１対以上ごとに交互に交差するように積層されたフィルタ成形体を有し、該成形体の前記波板稜線と交差する側面４Ｃがシール材４でシールされ、前記多孔質平板３を介して前記多孔質波板１、２との間にそれぞれ排ガスの流入経路ａと流出経路ｂが形成される排ガス浄化装置が示されている。このフィルタ成形体には、ディーゼル排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素ＮＯ２に転換させる触媒が含有されている。ただしシール材４は、開閉可能な弁、板などで代用することもできる。
【０００３】
排ガス中のばいじんは、炭素などの有機化合物が主成分であり、通常、式（１）で示される炭素の酸化反応は５００℃以上の高温領域で進行するが、ディーゼルエンジンの排ガスは高くても５００℃程度、通常は４００℃位となるため、他に熱源がなければ、反応に必要な温度に到達しない。
【０００４】
C＋O2 → CO2 ―――(1)
そこで、上記の触媒をフィルタに担持することにより、反応温度を３５０℃程度まで抑え、追加熱源無しでばいじんを捕集・燃焼しながらフィルタの連続再生運転が可能になる。すなわち、図１２において、フィルタ成形体の流路ａに流入したガスは、図に示すように該流路ａの出口面４Ｃがシール材４でシールされているため、多孔質平板３内の気孔を通過し、該多孔質平板３とこれに隣接する他の多孔質波板１、２により形成される流路ｂ（排ガス排出経路）に移動し、その際に平板３上にばいじん５が捕集される。
【０００５】
ここで多孔質波板１、２、及び平板３には酸化触媒が担持されており、この酸化触媒による作用により、排ガス中のＮＯが式(2)のようにＮＯ２に酸化される。
NO＋1/2O2 → NO2 ―――(2)
このNO2が、フィルタ(平板３)に捕集されたばいじんと式(3)、(4)に示すような反応を行い、ばいじんを酸化燃焼させる。
【０００６】
C(ばいじん)＋2NO2 → CO2＋2NO ―――(3)
C(ばいじん)＋NO2 → CO＋NO ―――(4)
通常のエンジンオイルには１〜２wt％程度の金属添加剤に起因する灰分が含まれており、燃料中の硫黄分と反応してＣａＳＯ4を主成分とした灰が形成される。この灰は、該酸化触媒面を被覆して触媒活性を低下させることが知られている。
【０００７】
そこで特許文献１においては、前記排ガスが流入する面４Ａと交差する側面４Ｂ、４Ｄに排ガスを排出させる手段を設け、また流入面４Ａと反対側の面４Ｃへの排ガスの通過を遮る手段を設け、通常は上記排ガスの流入面４Ａと反対側の面４Ｃへの排ガスの通過を遮り、排ガスが流入する方向と交差する側面４Ｂ、４Ｄへ排ガスを通過させて排ガスをろ過し、所定時間経過後に排ガスの流入面４Ａより排ガスを流入させ、その反対側の面４Ｃへ排ガスを通過させ(波板稜線方向)ることにより、堆積した灰を除去するようにしている。このように上記操作を一定時間ごとに繰り返し、触媒活性の低下、及びばいじんによるフィルタの閉塞を防止している。
しかし、上記の従来方法では以下の問題点があった。
【０００８】
特許文献１のフィルタでは、図１２に示すように、波板と平板で形成される流路はガス流入面方向Ａと、それに直交する面Ｂ方向に互い違いに形成されるため、排ガスは、例えば図１３中のａ０)〜ｄ０)のように通過し、その流通経路は入口面Ａからその直交する出口面Ｂの接合部に近いａ０)が最も短いため、通過抵抗が少なく、ａ０)近傍に流れるガス量が最も多くなり、最も遠いｄ０)側に比べれば、ばいじん処理負荷が多くなる傾向にある。また、波板と平板で形成される流路は、入口面４Ａと、それに直交する面４Ｂ、４Ｄに互い違いに現れるため、入口面４Ａの開口率は５０％未満であり、特にばいじん濃度が多い条件ではその入口面のばいじん処理負荷が上がることが懸念される。
【特許文献１】特開２００５−１７７７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した従来技術は、ＰＭの捕集効率が高く、灰の堆積を防止し、例え不適切な操作により多量な煤が発生した場合にも、排ガスの流入面４Ａより排ガスを流入させ、その反対側の面４Ｃへ排ガスを通過させ(波板稜線方向)て、差圧の回復を図ることができ、逆洗や煤の加熱燃焼など閉塞対策が不要という、優れた性能を有するものであるが、(i) 局所的にばいじん処理負荷が高い箇所がある、(ii)入口の開口率が低く、入口面のばいじん負荷が上がる懸念がある等の問題点を有している。
【００１０】
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さらに強く、煤の加熱燃焼など特別の手段を必要とせず、排ガス中の粒子状物質を除去することができるフィルタ、これを用いた排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願で特許請求される発明は次の通りである。以下の説明に記載した方法を用いることで達成される。
（１）多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、これらを交互に積層して多面体に形成した積層体と、該積層体の前記波板の稜線方向と交差する一面に形成されたガス流入面と、これと平行な他の一面に形成されたガス流出面とを有し、前記多孔質平板を介して前記多孔質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フィルタであって、前記ガス流入面から前記ガス流出面に到るガス流路の長さがそれぞれ等しくなるように、前記波板の稜線方向に対して平面から見て４５°の角度で交差するように前記多面体の排ガス流入面と流出面が形成されていることを特徴とする排ガス中粒子状物質除去フィルタ。
（２）前記多面体が八面体であることを特徴とする（１）に記載のフィルタ。
（３）前記多面体が六面体であることを特徴とする（１）に記載のフィルタ。
（４）前記六面体は、平面から見て波板の稜線方向が該六面体の対角線の方向になるように構成されていることを特徴とする（３）に記載のフィルタ。
（５）前記積層体のガス流路に、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する機能を有する触媒成分を担持させたことを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載のフィルタ。
（６）（１）ないし（５）のいずれかに記載のフィルタのガス流入面と流出面にそれぞれ連通するガス流路と、前記フィルタのガス流入面及び流出面とそれぞれ交差する側面に連通するバイパス流路と、前記ガス流出面に連通する流路及び前記バイパス流路に設けられた該流路の開閉手段を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
（７）（６）に記載の排ガス浄化装置において、前記開閉手段に信号を送り、上記ガス流入面に交差する側面への排ガスの通過を遮り、ガス流入面の対向面へ排ガスを通過させ、パージを行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
（８）（６）に記載の排ガス浄化装置において、前記開閉手段に信号を送り、排ガス流入面の対向面への排ガスの通過を遮り、排ガス流入面に交差する一方の側面へ排ガスを通過させ、該ガス流路の片側パージを行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
（９）（６）に記載の排ガス浄化装置において、前記排ガス流入面の対向面へ排ガスを通過させて行なうパージ操作及び排ガス流入面に交差する側面へ排ガスを通過させて行なうパージ操作を一定期間ごとに行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフィルタ及び排ガス浄化装置によれば、入口開口面積が従来よりも大きくなるため、高濃度のばいじんを含む排ガスを処理することができる。 また、ガスの流路長はどの部位でも一定となるため、ガスの偏流が少なく、反応式(2)、(3)、(4)によるＮＯ2の発生、ＰＭの燃焼反応がフィルタ全体で均一に起こり、排ガス中のＰＭを効率よく燃焼、除去できる。すなわち、従来よりも低温条件でもＰＭを効率よく燃焼できるため、いわゆる差圧バランス温度(ＢＰＴ：Balance Point Temperature)が低く、例えば運転(発電)負荷下限を低くしても、ＰＭの燃え残りによる差圧上昇が回避でき、エンジンをより柔軟に運用することが可能となる。さらに本発明のフィルタのガス入口部分は主にＮＯ2生成反応に使われるが、このとき入口部の平板を挟んで隣接する流路にはそれぞれガスが流入し、挟まれた平板はその両面からガスが接触することになるため、平板内部にはＰＭ、およびその燃焼灰が堆積する割合が低くなり、ＰＭ、およびその燃焼灰の作用で触媒が劣化しにくく、長寿命となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明のフィルタの基本形状を示す説明図で、（a）は平板の平面図、(b)、(c)は、その上下にそれぞれ配置される波板の平面図、(d)は積層された波板と平板の斜視図である。図１において、フィルタは、多孔質波板１及び２と多孔質平板３の対を基本単位とし、該多孔質波板１、２の稜線が少なくとも１対ずつ交互に交差するように積層された形状を有する。この基本形状の各辺の寸法は図に示すようにＡ≧Ｂ、Ｃ≦Ｄ、Ｅ≧Ｆ、Ｇ≦Ｈであり、波板稜線と交差する面の辺Ａに対し、辺Ｂは４５°傾いている。同様に辺Ｅに対し、辺Ｆは４５°傾いている。平板３を挟んで波板１、２を貼り合わせたものが交差フィルタの基本形状となる。
【００１４】
図２は本発明フィルタ（ＤＰＦブロック）の一例を示すもので、図１に示した波板１、３を、その稜線方向が平板２を挟んで互いに交差するように多数積層させて多面体（八面体）を形成し、該八面体の前記波板の稜線と交差する一側面４Ｂ及びこれと平行な他の側面４Ｆをそれぞれガス流入面及び流出面とし、これらの側面に隣接する他の側面を閉止物４で閉止したものである。図中、Ａ、Ｂはそれぞれガスの流入及び流出方向を示す。
【００１５】
図３(ａ)、(ｂ)は、それぞれ図２のフィルタを排ガス煙道７に組み込んだ反応器の例を示す説明図である。排ガスの流入面４Ｂと煙道７（排ガス方向７Ａ）の位置関係は、図３(ａ)のように例えば４５°傾けてもいいし、図３(ｂ)のように流入面４Ｂと直角方向になるように流入させてもよく、その他様々な角度を取ることができる。流入面４Ｂから入った排ガス（７Ａ）は、交差する両方の波板の流路からフィルタ内に入り、フィルタ６内を図４に示すように通過し、フィルタ内の如何なる排ガス流路を通っても、ガスの通過距離が同じ（a = b = c = d = f ）になる。そのため交差フィルタ６内における粒子状物質の負荷の分布が均一になり、フィルタ３内において均一に粒子状物質を燃焼させることができる。
【００１６】
図５は、本発明のフィルタの他の構成の実施例を示す説明図である。多孔質波板１、２は平板３を介して交差するように積層されて六面体を形成するが、該六面体は、波板１、２の稜線方向が該六面体の平面から見た対角線方向になるように形成される。また該六面体のガス入口の開口面４Ａと、これと対向する、ガス入口面と平行なガス出口開口面４Ｂ以外の側面には閉止物４が設けられる。排ガスは、矢印Ａで示すようにガス入口開口面４Ａからフィルタ内に導入され、ガス出口開口面４Ｂから排出され、前記平板３を介してガス流入径路aとガス出口径路bが形成されるが、図６に示すように、フィルタ内のどの流路を通っても排ガス通過距離が等しくなるようにガスが通過し（図中の流路ａ'＝ｂ'＝ｃ'＝ｄ' ）、処理される。
【００１７】
上記実施例によれば、フィルタ内の各流路を流れる排ガスの通過距離が等しくなるので、各流路の圧力損失が等しくなり、フィルタ全体に均一にガスが流れ、ガスの偏流が少なく、このため触媒の劣化、燃焼灰の堆積による差圧上昇を遅らせ、フィルタの長寿命化を図ることができる。またこのフィルタは、従来品と同じ六面体構造を有するので、従来と同じ外形寸法とすることができ、さらに入口面の開口面積は従来の２倍となるため、高濃度のＰＭを処理することが可能となる。
【００１８】
本発明において、多孔質波板１、２および多孔質平板３には、シリカアルミナ系セラミックス繊維を用いた不織布や織布、金属繊維織布、コージエライトなどのセラミックスの多孔質焼結体などが用いられる。これらのうち、多孔性に優れた軽量なＤＰＦを得る点からは０．５〜０．１ｍｍ厚のセラミックス不織布（シート）の使用が特に好ましい。多孔質波板１、２の波板の形状には特に制限はないが、上記した板厚の場合には、波のピッチを２〜１０ｍｍ、高さを１〜５ｍｍの範囲とするのが好ましい。
【００１９】
例えば、波板１、２には、波の高さおよび幅がそれぞれ３．３ｍｍ及び１．９ｍｍとなるセラミックス製ペーパーを用い、１枚ごとにその向きが交差するように積層できる。ただし、この波板１、２は常に１枚ごと向きを交差させる必要はなく、入口面Ａに当たる波板２の方向に、より多く積層させるなど自由に調整が可能である。また山の高さ、幅も６．３ｍｍ、２．５ｍｍなど様々なものが用いることができ、特に波板１、２のサイズは必ずしも等しくしなくともよい。さらに交差方向は直交である必要もないが、製造コスト、製造の簡便性等から直交にする方が望ましい。
多孔質波板１と多孔質平板２からなる基本形状は、単に積層されているだけでもよいが、無機結合剤等により互いに接着されているのが好ましい。
【００２０】
本発明に用いられる多孔質波板１、２および多孔質平板３には、少なくとも前述の排ガス流入側の排ガス流路において、排ガス浄化触媒、特に排ガス中のＮＯをＮＯ2 に酸化する酸化触媒成分が担持されていることが望ましい。酸化触媒成分は、排ガス中の一酸化窒素を、ディーゼルエンジン排ガス中のＰＭを低温燃焼させる効果の高い二酸化窒素に酸化させる効果のある触媒全般を用いることができる。もちろん一酸化窒素の酸化活性がある触媒であれば、市販のどの触媒を用いてもかまわない。これらの触媒成分の内、例えば、白金（Ｐｔ）などの通常の貴金属をチタニア、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの高表面積担体に担持させた公知の触媒が好ましく用いられるが、イオウ分の多い重油を燃料とした排ガスの処理には、耐酸性に優れたチタニアの使用が特に好ましい。チタニアを使用する場合、ＴｉＯ2スラリは、その濃度を適切に変えることで、壁面の細孔分布を対象ばいじんの粒径にあったサイズに変えることが可能であり、その濃度はその条件によって変化させることが可能であるが、例えば５〜20％の間がより望ましい。なお、本発明において、酸化触媒は、成形体を構成する多孔質波板１、２および多孔質平板３の全てに担持されていてもよいが、排ガス流入経路を構成する流路ａ、具体的には排ガスの流入経路を構成する多孔質波板２の両面と該多孔質波板２と接する多孔質平板３の片面にのみ担持されていてもよい。
【００２１】
閉止物４は、多孔質波板１の波板稜線方向から流入する排ガスをその波板稜線と交差する反対側の面においてその排ガスの通過を阻止することができる機能を有するが、その素材やシール構造に特に制限はなく、例えば、シールする面の流路内に緻密な無機固化物を用いて栓をする方法、無機繊維マット状シール材を圧着する方法、金属板で蓋をする方法などの手段を採用することができる。シール材４は、例えば図１の八面体構造のフィルタの場合、図２に示すように、図１の辺Ａ、Ｈ、ＤおよびＥの側面部分に固着され、この部分では原則的にはろ過しかできないが、シール材を可動式にするなどの工夫で、これらの側面部分を開閉できるようにし、燃焼灰のパージ(吹き飛ばし)操作などを付与することができる。
【００２２】
図４（ａ）は、排ガス煙道１８内に、本発明の８面体構造のフィルタ２０を設けた概略平面図を示し、フィルタ出口に開閉自在のバルブ（弁）２０ａ、２０ｂを設け、灰パージモードの際は該フィルタ２０ａ、２０ｂを閉じ、フィルタモードの際はフィルタ出口のバルブ２０ａ、２０ｂを開き、排ガス１９を浄化するようにしたものである。１９は排ガスの流れを示す。この場合のバルブ２０ａ、２０ｂは、支持部２１ａ、２１ｂに蝶番式に（または揺動可能に）設けられ、フィルタモードを灰パージモードの操作が交互に行なわれる。
【００２３】
一方、図５の六面体構造のフィルタでは、排ガス煙道内にフィルタ６（ＤＰＦブロックと称することがある）を設け、通常は排ガス入口面４Ａから排ガスを流入させ、フィルタにより処理後、ガス出口面４Ｂから浄化ガスを排出するが（フィルタモード）、多孔質波板１の波板稜線方向と交差する他の側面（Ｂ方向とＤ方向の両側面）に設ける閉止物４の代わりに、バイパス煙道（灰パージ煙道）及びバイパス弁を設け、そのバイパス弁を開閉することによりフィルタのパージ運転（パージモード）を行なうことができる。
【００２４】
図５(ａ)は、排ガス煙道１８内に、本発明の６面体構造のフィルタ２２を設けた概略平面図を示し、該フィルタの３面をそれぞれバルブ(弁)２２ａ、２２ｂおよび２２ｃによって開閉できる構成としたものである。フィルタモードの際は、バルブ２２ａ、２２ｂが閉、バルブ２２ｃが開、灰パージモードの際は、バルブ２２ａ，２２ｂが開、２２ｃが閉となって、これらの操作が交互に行なわれる。
【００２５】
本発明のＤＰＦを用いて排ガスを浄化するには、図５において、ＤＰＦブロック６の入口開口面４Ａから流路ａに流入したガスは、該流路ａの出口部がバイパス弁でシールされているため、多孔質平板３内の気孔を通過し、該多孔質平板３とこれに隣接する他の多孔質波板１および多孔質平板３により形成されるＣ方向（排ガス排出経路）に移動する。排ガスが多孔質平板３内を通過する際にはガス中に含まれるＰＭが、濾過・除去され、該多孔質平板３の表面に堆積する（フィルタモード）。
【００２６】
運転操作ミスやエンジントラブル、さらには低負荷運転を継続することにより、フィルタの煤酸化能を超えた煤（ＰＭ）で流路が閉塞した場合、図５のＢ方向またはＤ方向の煙道のバイパス弁を開放してガスを半量ずつ流出させ、堆積した煤を抜き出し、運転を迅速に復帰させることが可能となる（灰パージモード）。
【００２７】
なお、バイパス弁のみを開放した状態、すなわち流路ａを貫通させた流れにした場合(以後、灰パージモードと記す)も、排ガスは酸化触媒が担持された該多孔質波板２、多孔質平板３からなる流路ａ内を通り、上記反応(3)(4)による燃焼反応が進行する。また、一部の排ガスは多孔質平板３を通過するため、フィルタモードよりも効率は下がるが、ＰＭを一部捕集しながら燃焼除去するため、排ガス中のＰＭを例えば５０％近く除去することができる。
【００２８】
また、図１、図５のいずれの発明ともガス入口部分は主にNO2生成反応に使われる。図１０に示すようにこのとき入口部の平板を挟んで隣接する流路にはそれぞれガスが流入しているため、挟まれた平板はその両面からガスが接触することになる。そのため、平板に関しては、排ガスが互いに逆洗する方向に流れ、ＰＭ、およびその燃焼灰が堆積する割合が低くなり、担持した触媒がＰＭ、およびその燃焼灰の作用で劣化しにくく、NO2生成能力が低下することなく、長寿命となる。
【００２９】
上述のように本発明のフィルタでは、流路ａ内の平板３は常にフレッシュな状態を維持するため、そこを通過するガス中のＮＯは、ＰＭが堆積する多孔質平板３の前流に位置する多孔質波板２と長期間に亘り効率よく接触し、ＮＯ2 を効率よく発生させ、多孔質平板３の表面に堆積したＰＭを効率よく燃焼除去することができる。このため、多孔質波板２および多孔質平板３に担持させる触媒の量および高価な貴金属の使用量を大幅に削減しても、ＰＭの酸化を十分に進行させ、堆積物の量を常に少なくすることができ、安定した運転が可能となる。また、従来よりも低温度でもＰＭの燃焼反応を安定に起こさせることができるため、エンジンの運転負荷下限(温度)を落とすことができ、より柔軟な運用が可能となる。また図７のように閉止物４を除去して燃焼灰を抜き出す手段を設けることにより、定期・不定期的に灰パージモードに切り替えて、燃焼灰を運転中でも抜き出すことができる。
【００３０】
従来法では、図１３に示すようにガス入口Ａと出口Ｂが交差する側面であり、排ガス流路はａ０<ｂ０<ｃ０<ｄ０のようにフィルタの中心部を通ろうとするほど流路が長く、通過抵抗が大きくなるため、ａ０）に近い角部のみガスが良く流れやすくなるが、本発明では、図４及び図６に示すように、ガス出口面は、ガス入口面と平行な対向面であり、ガス流路は、例えば、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ａ'、ｂ'、ｃ'、ｄ'のようになるが、いずれの流路も、平面から見たフィルタの対角線（図４の場合は、平面から見た入口面と出口面との間の対角線、すなわちＸ、Ｙを結ぶ対角線）の長さと等しい距離となっており、全体的に均一にガスが流れる傾向にある。そのため、一部の触媒面が性能低下することが少なくなり、寿命が長く保たれる。
【００３１】
さらに、図７に示すように、灰パージ時の流路長ａｌ、ｂｌ、ｃｌ、ｄｌは、図６のフィルタ時の流路ａ'、ｂ'、ｃ'、ｄ'に比べていずれも短く、流通抵抗が小さいため、灰パージ時にはガスが流路外に行きにくく、付着した灰をより効果的に除去することが可能となる。また灰パージは、図５の片側の閉止物４を取り除くか、または排ガス煙道の弁を開にすることにより、図８、図９に示すように、ガス入口面に開口する流路の片側ずつパージを実施することができる。片側ずつ実施する場合、図８、９中の平板３（フィルタ面）の丸で囲った部分に示すように、図８の流れｄ３)では下から上向き、図９の流れｂ４)では上から下向きに流れるため、平板３(フィルタ面)を逆洗する効果が高まる。なお、図１１に示すように従来法では、平板３に対するフィルタモード時のガス流れは図示する矢印１２’、１３’の方向であり、必ず図の上から下への流れになっているため、逆洗効果がない。
【００３２】
また図５に示す本発明の場合、フィルタモード時のガス流れは、図１０に示すようにガス流れは矢印１０’、１１’の方向であり、これは平板３から見ると図の上から下の方向と下から上の方向の２種類と、互いに逆方向から吹込む形となり、平板３内に付着した灰を逆洗する効果を有するため、より望ましい態様であるといえる。なお、灰パージ時間は、１秒未満の短期間ではその効果が低下するため、１秒以上、望ましくは１分以上が好ましい。
【００３３】
以上、本発明の作用・効果をまとめると、以下のとおりである。
1) フィルタのガス流路長が一定であり、処理ＰＭ負荷を一定にし、フィルタ全体でＰＭを一様に処理することができる。
2) 差圧バランス温度（ＢＰＴ）を低くすることができ、従ってエンジン運転負荷下限を従来品より低くできる(低温運転が可能)。
3) パージ時はフィルタ方向よりガス流路が短いため、流路抵抗が少なく、燃焼灰を従来よりさらに容易に除去できる。
4) 特にガス入口部では排ガスがともに平板を逆洗する方向に流れているため、平板部に担持した触媒機能が低下しにくく、フィルタの長寿命化を図ることができる。例えば従来のコージエライト製、ＳｉＣ製等のセラミック製の市販ＤＰＦでは寿命は一般的に500〜2000ｈであったが、上記運転制御を用いた本フィルタの場合は、その10倍以上のの10000〜20000ｈ程度の耐久性を持たせることが可能である。
【実施例１】
【００３４】
以下、実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
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の多孔性平板との積層体（波板ピッチ３．３ｍｍ、平板平板間隔１．９ｍｍ、ニチアス社製、外寸３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍ）に、１５％のＴｉＯ２ゾル（石原産業社製）を含浸させ、エアー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の酸化触媒付フィルタ基材を作製した。
【００３５】
上記フィルタ基材を図１、２のように積層、成形し、調製したフィルタを用い、図３に示すように排ガス煙道内に設置し、基本的にフィルタモードで実ガスを処理し、差圧、及びＮＯ２濃度の経時変化を観察した。
【実施例２】
【００３６】
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の多孔性平板との積層体（波板ピッチ３．３ｍｍ、平板平板間隔１．９ｍｍ、、ニチアス社製、外寸３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍ）を、図５に示すように、波板稜線方向が対角線方向となるように六面体（交差斜め積層体と称する）に形成し、これに１５％のＴｉＯ2 ゾル（石原産業社製）を含浸させ、エアー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の酸化触媒付フィルタを作製した。これを図７に示すように排ガス煙道に設置し、排ガス浄化装置とした。
【００３７】
上記排ガス浄化装置を用い、起動時から３０秒のみ図７に示すフィルタモードとし、それ以後は、図７に示すフィルタモードと図８に示す灰パージモードを繰り返して運転し、エンジン停止後にフィルタモードに戻すプログラムを設定して実ガスを処理し、差圧、及びＮＯ２濃度の経時変化を観察した。なお、フィルタモードでは経路ｂ（図５）を閉止した。
【実施例３】
【００３８】
ジニトロジアンミン白金の溶液（Ｐｔ含有量１．７ｇ／Ｌ）にＴｉＯ2 粉末( ミレニアム製Ｇ５、表面積３２０ｍ2 ／ｇ）３００ｇを懸濁させたスラリを８０℃で２時間保持し、ＴｉＯ2表面にＰｔ成分を吸着させた。本溶液１ｋｇにコロイダルシリカ（日産化学社製シリカゾル−ＯＳ）１ｋｇを加え、硝酸でｐＨを調整して図５の流路ａに担持する触媒スラリを得た。
【００３９】
これとは別に、水７００ｇにＴｉＯ２粉末（石原産業社製ＣＲ５０、表面積３ｍ2 ／ｇ）３００ｇを懸濁させたスラリ１ｋｇにコロイダルシリカ（日産化学社製シリカゾル−ＯＳ、ＳｉＯ２ 濃度２０％）１ｋｇを加え、硝酸でｐＨを調整して図５の流路ｂに担持する不活性酸化物スラリを得た。
【００４０】
シリカアルミナ繊維の不織布からなる板厚０．２ｍｍの交差斜め積層体を用意し、図５のＡ方向から前記流路ａ用スラリを流し込み、反対面から排出する方法で流路ａ内面にのみ触媒成分を担持させ、エアーブローによる液切り後、１５０℃で乾燥した。その後、図５のＢ方向から前記流路ｂ用スラリを流し込み反対面から排出する方法で流路ｂ内面に不活性酸化物を担持させ、エアーブローによる液切り後、１５０℃で乾燥、６００℃で焼成して酸化触媒付フィルタを作製した。これを図７に示すように排ガス煙道に設置し、排ガス浄化装置とした。上記排ガス浄化装置を用い、起動時から３０秒のみフィルタモードとし、それ以後は、図７に示すフィルタモードと図８に示す灰パージモードを繰り返して運転し、エンジン停止後にフィルタモードに戻すプログラムを設定して実ガスを処理し、差圧、及びＮＯ２濃度の経時変化を観察した。なお、フィルタモードでは経路ｂ（図５）を閉止した。
【００４１】
〔比較例１〕
図４のように調製した従来型フィルタを用い、起動時を含め、全てろ過モードで運転する様プログラムを設定して実ガスを処理し、差圧、及びＮＯ酸化率を観察した。
これらの実施例、比較例について、以下の項目を調べ、結果を表１に示した。
(１)差圧バランス温度(ＢＰＴ)
(２)１００％定格発電時の差圧
(３)ＰＭ除去率
(４)１００％定格発電時のフィルタ出口におけるＮＯ２濃度（ＮＯ酸化率）
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１の結果から、本発明の酸化触媒付フィルタ(実施例１、２)は、比較例１と比べて、フィルタ全体に均一にガスが流れる傾向にあるため、一部の触媒面が性能低下することが少なくより寿命が長く持たせられる。また本発明の実施例１では、フィルタ全体に均一にガスが流れるため、低Ｐｔ担持量でもＢＰＴが低い特徴が見られた。また、実施例２のフィルタモードと灰パージモードの併用方法では、燃焼灰を効率的に除去でき、ＮＯ酸化率(ＮＯ2濃度と相関)の経時低下を少なくでき、さらに酸化触媒付フィルタの寿命を向上できると考えられる。実施例３のフィルタでは、酸化触媒が流路ｂ（排ガスの排出経路）に担持されていないため、ＮＯ酸化率が低く抑えられており、環境面でも優れていることがわかる。
【００４４】
比較例１では、従来発明のフィルタを使用している。差圧は初期2.0kPaと低いものの3〜4kPaに上昇した。フィルタの一部に排ガスが集中するため、その部分の劣化が早く進行し、ＮＯ酸化率の低下が起こっているものと推測される。ＢＰＴも本発明の実施例に比較すると高いことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、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、かつ灰や煤を大掛かりな装置を用いることなく除去できるため、灰や煤が堆積しにくい運転制御を行い易く、さらに長寿命で、環境汚染防止に有用な安価なフィルタを提供でき、社会的、経済的効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明のフィルタを構成する基本単位の一実施例を示す説明図。
【図２】図１の基本単位を積層して構成された本発明のフィルタ（ＤＰＦブロック）の一実施例を示す斜視図。
【図３】図２に示す本発明のフィルタを煙道に組み込んだ反応器の実施例を示す平面図。
【図４】図３の（ｂ）の反応器におけるフィルタ内のガス流れを示す説明図。
【図４（ａ）】排ガス煙道内に、本発明の８面体構造のフィルタを設けた概略平面図。
【図５】本発明のフィルタ（ＤＰＦブロック）の他の実施例を示す説明図。
【図５（ａ）】排ガス煙道内に、本発明の６面体構造のフィルタを設けた概略平面図。
【図６】図５のフィルタのろ過時（フィルタモード）のガス流れを示す説明図。
【図７】図５のフィルタの灰パージ時（パージモード）のガス流れを示す説明図。
【図８】図５のフィルタの一片側パージ時のガス流れを示す説明図。
【図９】図５のフィルタの逆片側パージ時のガス流れを示す説明図。
【図１０】図５のフィルタのフィルタモード時の平板３付近のガス流れ（逆洗効果）を示す説明図。
【図１１】図１０と比較した従来技術のフィルタのガス流れを示す説明図。
【図１２】波板と平板を積層させて構成した従来のフィルタの基本単位及び該フィルタのガス流れを示す説明図。
【図１３】図１２の従来のフィルタにおけるガス流れを示す説明図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス中粒子状物質除去フィルタおよび該フィルタを用いた排ガス浄化装置に係り、特にディーゼルエンジン等から排出される排ガス中のばいじん、ＰＭ(Particulate Matter、粒子状物質)を除去するためのフィルタ、および上述のばいじん等とともに、排ガス中のＮＯｘ(窒素酸化物)、ＳＯｘ(硫黄酸化物)を処理するための排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、図１２に示すように、例えばペーパハニカムで構成された、多孔質波板１、２と多孔質平板３の対を基本単位とし、該多孔質波板の波板稜線が少なくとも１対以上ごとに交互に交差するように積層されたフィルタ成形体を有し、該成形体の前記波板稜線と交差する側面４Ｃがシール材４でシールされ、前記多孔質平板３を介して前記多孔質波板１、２との間にそれぞれ排ガスの流入経路ａと流出経路ｂが形成される排ガス浄化装置が示されている。このフィルタ成形体には、ディーゼル排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素ＮＯ２に転換させる触媒が含有されている。ただしシール材４は、開閉可能な弁、板などで代用することもできる。
【０００３】
排ガス中のばいじんは、炭素などの有機化合物が主成分であり、通常、式（１）で示される炭素の酸化反応は５００℃以上の高温領域で進行するが、ディーゼルエンジンの排ガスは高くても５００℃程度、通常は４００℃位となるため、他に熱源がなければ、反応に必要な温度に到達しない。
【０００４】
C＋O2 → CO2 ―――(1)
そこで、上記の触媒をフィルタに担持することにより、反応温度を３５０℃程度まで抑え、追加熱源無しでばいじんを捕集・燃焼しながらフィルタの連続再生運転が可能になる。すなわち、図１２において、フィルタ成形体の流路ａに流入したガスは、図に示すように該流路ａの出口面４Ｃがシール材４でシールされているため、多孔質平板３内の気孔を通過し、該多孔質平板３とこれに隣接する他の多孔質波板１、２により形成される流路ｂ（排ガス排出経路）に移動し、その際に平板３上にばいじん５が捕集される。
【０００５】
ここで多孔質波板１、２、及び平板３には酸化触媒が担持されており、この酸化触媒による作用により、排ガス中のＮＯが式(2)のようにＮＯ２に酸化される。
NO＋1/2O2 → NO2 ―――(2)
このNO2が、フィルタ(平板３)に捕集されたばいじんと式(3)、(4)に示すような反応を行い、ばいじんを酸化燃焼させる。
【０００６】
C(ばいじん)＋2NO2 → CO2＋2NO ―――(3)
C(ばいじん)＋NO2 → CO＋NO ―――(4)
通常のエンジンオイルには１〜２wt％程度の金属添加剤に起因する灰分が含まれており、燃料中の硫黄分と反応してＣａＳＯ4を主成分とした灰が形成される。この灰は、該酸化触媒面を被覆して触媒活性を低下させることが知られている。
【０００７】
そこで特許文献１においては、前記排ガスが流入する面４Ａと交差する側面４Ｂ、４Ｄに排ガスを排出させる手段を設け、また流入面４Ａと反対側の面４Ｃへの排ガスの通過を遮る手段を設け、通常は上記排ガスの流入面４Ａと反対側の面４Ｃへの排ガスの通過を遮り、排ガスが流入する方向と交差する側面４Ｂ、４Ｄへ排ガスを通過させて排ガスをろ過し、所定時間経過後に排ガスの流入面４Ａより排ガスを流入させ、その反対側の面４Ｃへ排ガスを通過させ(波板稜線方向)ることにより、堆積した灰を除去するようにしている。このように上記操作を一定時間ごとに繰り返し、触媒活性の低下、及びばいじんによるフィルタの閉塞を防止している。
しかし、上記の従来方法では以下の問題点があった。
【０００８】
特許文献１のフィルタでは、図１２に示すように、波板と平板で形成される流路はガス流入面方向Ａと、それに直交する面Ｂ方向に互い違いに形成されるため、排ガスは、例えば図１３中のａ０)〜ｄ０)のように通過し、その流通経路は入口面Ａからその直交する出口面Ｂの接合部に近いａ０)が最も短いため、通過抵抗が少なく、ａ０)近傍に流れるガス量が最も多くなり、最も遠いｄ０)側に比べれば、ばいじん処理負荷が多くなる傾向にある。また、波板と平板で形成される流路は、入口面４Ａと、それに直交する面４Ｂ、４Ｄに互い違いに現れるため、入口面４Ａの開口率は５０％未満であり、特にばいじん濃度が多い条件ではその入口面のばいじん処理負荷が上がることが懸念される。
【特許文献１】特開２００５−１７７７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した従来技術は、ＰＭの捕集効率が高く、灰の堆積を防止し、例え不適切な操作により多量な煤が発生した場合にも、排ガスの流入面４Ａより排ガスを流入させ、その反対側の面４Ｃへ排ガスを通過させ(波板稜線方向)て、差圧の回復を図ることができ、逆洗や煤の加熱燃焼など閉塞対策が不要という、優れた性能を有するものであるが、(i) 局所的にばいじん処理負荷が高い箇所がある、(ii)入口の開口率が低く、入口面のばいじん負荷が上がる懸念がある等の問題点を有している。
【００１０】
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さらに強く、煤の加熱燃焼など特別の手段を必要とせず、排ガス中の粒子状物質を除去することができるフィルタ、これを用いた排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願で特許請求される発明は次の通りである。以下の説明に記載した方法を用いることで達成される。
（１）多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、これらを交互に積層して多面体に形成した積層体と、該積層体の前記波板の稜線方向と交差する一面に形成されたガス流入面と、これと平行な他の一面に形成されたガス流出面とを有し、前記多孔質平板を介して前記多孔質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フィルタであって、前記ガス流入面から前記ガス流出面に到るガス流路の長さがそれぞれ等しくなるように、前記波板の稜線方向に対して平面から見て４５°の角度で交差するように前記多面体の排ガス流入面と流出面が形成されていることを特徴とする排ガス中粒子状物質除去フィルタ。
（２）前記多面体が八面体であることを特徴とする（１）に記載のフィルタ。
（３）前記多面体が六面体であることを特徴とする（１）に記載のフィルタ。
（４）前記六面体は、平面から見て波板の稜線方向が該六面体の対角線の方向になるように構成されていることを特徴とする（３）に記載のフィルタ。
（５）前記積層体のガス流路に、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する機能を有する触媒成分を担持させたことを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載のフィルタ。
（６）（１）ないし（５）のいずれかに記載のフィルタのガス流入面と流出面にそれぞれ連通するガス流路と、前記フィルタのガス流入面及び流出面とそれぞれ交差する側面に連通するバイパス流路と、前記ガス流出面に連通する流路及び前記バイパス流路に設けられた該流路の開閉手段を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
（７）（６）に記載の排ガス浄化装置において、前記開閉手段に信号を送り、上記ガス流入面に交差する側面への排ガスの通過を遮り、ガス流入面の対向面へ排ガスを通過させ、パージを行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
（８）（６）に記載の排ガス浄化装置において、前記開閉手段に信号を送り、排ガス流入面の対向面への排ガスの通過を遮り、排ガス流入面に交差する一方の側面へ排ガスを通過させ、該ガス流路の片側パージを行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
（９）（６）に記載の排ガス浄化装置において、前記排ガス流入面の対向面へ排ガスを通過させて行なうパージ操作及び排ガス流入面に交差する側面へ排ガスを通過させて行なうパージ操作を一定期間ごとに行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフィルタ及び排ガス浄化装置によれば、入口開口面積が従来よりも大きくなるため、高濃度のばいじんを含む排ガスを処理することができる。 また、ガスの流路長はどの部位でも一定となるため、ガスの偏流が少なく、反応式(2)、(3)、(4)によるＮＯ2の発生、ＰＭの燃焼反応がフィルタ全体で均一に起こり、排ガス中のＰＭを効率よく燃焼、除去できる。すなわち、従来よりも低温条件でもＰＭを効率よく燃焼できるため、いわゆる差圧バランス温度(ＢＰＴ：Balance Point Temperature)が低く、例えば運転(発電)負荷下限を低くしても、ＰＭの燃え残りによる差圧上昇が回避でき、エンジンをより柔軟に運用することが可能となる。さらに本発明のフィルタのガス入口部分は主にＮＯ2生成反応に使われるが、このとき入口部の平板を挟んで隣接する流路にはそれぞれガスが流入し、挟まれた平板はその両面からガスが接触することになるため、平板内部にはＰＭ、およびその燃焼灰が堆積する割合が低くなり、ＰＭ、およびその燃焼灰の作用で触媒が劣化しにくく、長寿命となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明のフィルタの基本形状を示す説明図で、（a）は平板の平面図、(b)、(c)は、その上下にそれぞれ配置される波板の平面図、(d)は積層された波板と平板の斜視図である。図１において、フィルタは、多孔質波板１及び２と多孔質平板３の対を基本単位とし、該多孔質波板１、２の稜線が少なくとも１対ずつ交互に交差するように積層された形状を有する。この基本形状の各辺の寸法は図に示すようにＡ≧Ｂ、Ｃ≦Ｄ、Ｅ≧Ｆ、Ｇ≦Ｈであり、波板稜線と交差する面の辺Ａに対し、辺Ｂは４５°傾いている。同様に辺Ｅに対し、辺Ｆは４５°傾いている。平板３を挟んで波板１、２を貼り合わせたものが交差フィルタの基本形状となる。
【００１４】
図２は本発明フィルタ（ＤＰＦブロック）の一例を示すもので、図１に示した波板１、３を、その稜線方向が平板２を挟んで互いに交差するように多数積層させて多面体（八面体）を形成し、該八面体の前記波板の稜線と交差する一側面４Ｂ及びこれと平行な他の側面４Ｆをそれぞれガス流入面及び流出面とし、これらの側面に隣接する他の側面を閉止物４で閉止したものである。図中、Ａ、Ｂはそれぞれガスの流入及び流出方向を示す。
【００１５】
図３(ａ)、(ｂ)は、それぞれ図２のフィルタを排ガス煙道７に組み込んだ反応器の例を示す説明図である。排ガスの流入面４Ｂと煙道７（排ガス方向７Ａ）の位置関係は、図３(ａ)のように例えば４５°傾けてもいいし、図３(ｂ)のように流入面４Ｂと直角方向になるように流入させてもよく、その他様々な角度を取ることができる。流入面４Ｂから入った排ガス（７Ａ）は、交差する両方の波板の流路からフィルタ内に入り、フィルタ６内を図４に示すように通過し、フィルタ内の如何なる排ガス流路を通っても、ガスの通過距離が同じ（a = b = c = d = f ）になる。そのため交差フィルタ６内における粒子状物質の負荷の分布が均一になり、フィルタ３内において均一に粒子状物質を燃焼させることができる。
【００１６】
図５は、本発明のフィルタの他の構成の実施例を示す説明図である。多孔質波板１、２は平板３を介して交差するように積層されて六面体を形成するが、該六面体は、波板１、２の稜線方向が該六面体の平面から見た対角線方向になるように形成される。また該六面体のガス入口の開口面４Ａと、これと対向する、ガス入口面と平行なガス出口開口面４Ｂ以外の側面には閉止物４が設けられる。排ガスは、矢印Ａで示すようにガス入口開口面４Ａからフィルタ内に導入され、ガス出口開口面４Ｂから排出され、前記平板３を介してガス流入径路aとガス出口径路bが形成されるが、図６に示すように、フィルタ内のどの流路を通っても排ガス通過距離が等しくなるようにガスが通過し（図中の流路ａ'＝ｂ'＝ｃ'＝ｄ' ）、処理される。
【００１７】
上記実施例によれば、フィルタ内の各流路を流れる排ガスの通過距離が等しくなるので、各流路の圧力損失が等しくなり、フィルタ全体に均一にガスが流れ、ガスの偏流が少なく、このため触媒の劣化、燃焼灰の堆積による差圧上昇を遅らせ、フィルタの長寿命化を図ることができる。またこのフィルタは、従来品と同じ六面体構造を有するので、従来と同じ外形寸法とすることができ、さらに入口面の開口面積は従来の２倍となるため、高濃度のＰＭを処理することが可能となる。
【００１８】
本発明において、多孔質波板１、２および多孔質平板３には、シリカアルミナ系セラミックス繊維を用いた不織布や織布、金属繊維織布、コージエライトなどのセラミックスの多孔質焼結体などが用いられる。これらのうち、多孔性に優れた軽量なＤＰＦを得る点からは０．５〜０．１ｍｍ厚のセラミックス不織布（シート）の使用が特に好ましい。多孔質波板１、２の波板の形状には特に制限はないが、上記した板厚の場合には、波のピッチを２〜１０ｍｍ、高さを１〜５ｍｍの範囲とするのが好ましい。
【００１９】
例えば、波板１、２には、波の高さおよび幅がそれぞれ３．３ｍｍ及び１．９ｍｍとなるセラミックス製ペーパーを用い、１枚ごとにその向きが交差するように積層できる。ただし、この波板１、２は常に１枚ごと向きを交差させる必要はなく、入口面Ａに当たる波板２の方向に、より多く積層させるなど自由に調整が可能である。また山の高さ、幅も６．３ｍｍ、２．５ｍｍなど様々なものが用いることができ、特に波板１、２のサイズは必ずしも等しくしなくともよい。さらに交差方向は直交である必要もないが、製造コスト、製造の簡便性等から直交にする方が望ましい。
多孔質波板１と多孔質平板２からなる基本形状は、単に積層されているだけでもよいが、無機結合剤等により互いに接着されているのが好ましい。
【００２０】
本発明に用いられる多孔質波板１、２および多孔質平板３には、少なくとも前述の排ガス流入側の排ガス流路において、排ガス浄化触媒、特に排ガス中のＮＯをＮＯ2 に酸化する酸化触媒成分が担持されていることが望ましい。酸化触媒成分は、排ガス中の一酸化窒素を、ディーゼルエンジン排ガス中のＰＭを低温燃焼させる効果の高い二酸化窒素に酸化させる効果のある触媒全般を用いることができる。もちろん一酸化窒素の酸化活性がある触媒であれば、市販のどの触媒を用いてもかまわない。これらの触媒成分の内、例えば、白金（Ｐｔ）などの通常の貴金属をチタニア、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの高表面積担体に担持させた公知の触媒が好ましく用いられるが、イオウ分の多い重油を燃料とした排ガスの処理には、耐酸性に優れたチタニアの使用が特に好ましい。チタニアを使用する場合、ＴｉＯ2スラリは、その濃度を適切に変えることで、壁面の細孔分布を対象ばいじんの粒径にあったサイズに変えることが可能であり、その濃度はその条件によって変化させることが可能であるが、例えば５〜20％の間がより望ましい。なお、本発明において、酸化触媒は、成形体を構成する多孔質波板１、２および多孔質平板３の全てに担持されていてもよいが、排ガス流入経路を構成する流路ａ、具体的には排ガスの流入経路を構成する多孔質波板２の両面と該多孔質波板２と接する多孔質平板３の片面にのみ担持されていてもよい。
【００２１】
閉止物４は、多孔質波板１の波板稜線方向から流入する排ガスをその波板稜線と交差する反対側の面においてその排ガスの通過を阻止することができる機能を有するが、その素材やシール構造に特に制限はなく、例えば、シールする面の流路内に緻密な無機固化物を用いて栓をする方法、無機繊維マット状シール材を圧着する方法、金属板で蓋をする方法などの手段を採用することができる。シール材４は、例えば図１の八面体構造のフィルタの場合、図２に示すように、図１の辺Ａ、Ｈ、ＤおよびＥの側面部分に固着され、この部分では原則的にはろ過しかできないが、シール材を可動式にするなどの工夫で、これらの側面部分を開閉できるようにし、燃焼灰のパージ(吹き飛ばし)操作などを付与することができる。
【００２２】
図４（ａ）は、排ガス煙道１８内に、本発明の８面体構造のフィルタ２０を設けた概略平面図を示し、フィルタ出口に開閉自在のバルブ（弁）２０ａ、２０ｂを設け、灰パージモードの際は該フィルタ２０ａ、２０ｂを閉じ、フィルタモードの際はフィルタ出口のバルブ２０ａ、２０ｂを開き、排ガス１９を浄化するようにしたものである。１９は排ガスの流れを示す。この場合のバルブ２０ａ、２０ｂは、支持部２１ａ、２１ｂに蝶番式に（または揺動可能に）設けられ、フィルタモードを灰パージモードの操作が交互に行なわれる。
【００２３】
一方、図５の六面体構造のフィルタでは、排ガス煙道内にフィルタ６（ＤＰＦブロックと称することがある）を設け、通常は排ガス入口面４Ａから排ガスを流入させ、フィルタにより処理後、ガス出口面４Ｂから浄化ガスを排出するが（フィルタモード）、多孔質波板１の波板稜線方向と交差する他の側面（Ｂ方向とＤ方向の両側面）に設ける閉止物４の代わりに、バイパス煙道（灰パージ煙道）及びバイパス弁を設け、そのバイパス弁を開閉することによりフィルタのパージ運転（パージモード）を行なうことができる。
【００２４】
図５(ａ)は、排ガス煙道１８内に、本発明の６面体構造のフィルタ２２を設けた概略平面図を示し、該フィルタの３面をそれぞれバルブ(弁)２２ａ、２２ｂおよび２２ｃによって開閉できる構成としたものである。フィルタモードの際は、バルブ２２ａ、２２ｂが閉、バルブ２２ｃが開、灰パージモードの際は、バルブ２２ａ，２２ｂが開、２２ｃが閉となって、これらの操作が交互に行なわれる。
【００２５】
本発明のＤＰＦを用いて排ガスを浄化するには、図５において、ＤＰＦブロック６の入口開口面４Ａから流路ａに流入したガスは、該流路ａの出口部がバイパス弁でシールされているため、多孔質平板３内の気孔を通過し、該多孔質平板３とこれに隣接する他の多孔質波板１および多孔質平板３により形成されるＣ方向（排ガス排出経路）に移動する。排ガスが多孔質平板３内を通過する際にはガス中に含まれるＰＭが、濾過・除去され、該多孔質平板３の表面に堆積する（フィルタモード）。
【００２６】
運転操作ミスやエンジントラブル、さらには低負荷運転を継続することにより、フィルタの煤酸化能を超えた煤（ＰＭ）で流路が閉塞した場合、図５のＢ方向またはＤ方向の煙道のバイパス弁を開放してガスを半量ずつ流出させ、堆積した煤を抜き出し、運転を迅速に復帰させることが可能となる（灰パージモード）。
【００２７】
なお、バイパス弁のみを開放した状態、すなわち流路ａを貫通させた流れにした場合(以後、灰パージモードと記す)も、排ガスは酸化触媒が担持された該多孔質波板２、多孔質平板３からなる流路ａ内を通り、上記反応(3)(4)による燃焼反応が進行する。また、一部の排ガスは多孔質平板３を通過するため、フィルタモードよりも効率は下がるが、ＰＭを一部捕集しながら燃焼除去するため、排ガス中のＰＭを例えば５０％近く除去することができる。
【００２８】
また、図１、図５のいずれの発明ともガス入口部分は主にNO2生成反応に使われる。図１０に示すようにこのとき入口部の平板を挟んで隣接する流路にはそれぞれガスが流入しているため、挟まれた平板はその両面からガスが接触することになる。そのため、平板に関しては、排ガスが互いに逆洗する方向に流れ、ＰＭ、およびその燃焼灰が堆積する割合が低くなり、担持した触媒がＰＭ、およびその燃焼灰の作用で劣化しにくく、NO2生成能力が低下することなく、長寿命となる。
【００２９】
上述のように本発明のフィルタでは、流路ａ内の平板３は常にフレッシュな状態を維持するため、そこを通過するガス中のＮＯは、ＰＭが堆積する多孔質平板３の前流に位置する多孔質波板２と長期間に亘り効率よく接触し、ＮＯ2 を効率よく発生させ、多孔質平板３の表面に堆積したＰＭを効率よく燃焼除去することができる。このため、多孔質波板２および多孔質平板３に担持させる触媒の量および高価な貴金属の使用量を大幅に削減しても、ＰＭの酸化を十分に進行させ、堆積物の量を常に少なくすることができ、安定した運転が可能となる。また、従来よりも低温度でもＰＭの燃焼反応を安定に起こさせることができるため、エンジンの運転負荷下限(温度)を落とすことができ、より柔軟な運用が可能となる。また図７のように閉止物４を除去して燃焼灰を抜き出す手段を設けることにより、定期・不定期的に灰パージモードに切り替えて、燃焼灰を運転中でも抜き出すことができる。
【００３０】
従来法では、図１３に示すようにガス入口Ａと出口Ｂが交差する側面であり、排ガス流路はａ０<ｂ０<ｃ０<ｄ０のようにフィルタの中心部を通ろうとするほど流路が長く、通過抵抗が大きくなるため、ａ０）に近い角部のみガスが良く流れやすくなるが、本発明では、図４及び図６に示すように、ガス出口面は、ガス入口面と平行な対向面であり、ガス流路は、例えば、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ａ'、ｂ'、ｃ'、ｄ'のようになるが、いずれの流路も、平面から見たフィルタの対角線（図４の場合は、平面から見た入口面と出口面との間の対角線、すなわちＸ、Ｙを結ぶ対角線）の長さと等しい距離となっており、全体的に均一にガスが流れる傾向にある。そのため、一部の触媒面が性能低下することが少なくなり、寿命が長く保たれる。
【００３１】
さらに、図７に示すように、灰パージ時の流路長ａｌ、ｂｌ、ｃｌ、ｄｌは、図６のフィルタ時の流路ａ'、ｂ'、ｃ'、ｄ'に比べていずれも短く、流通抵抗が小さいため、灰パージ時にはガスが流路外に行きにくく、付着した灰をより効果的に除去することが可能となる。また灰パージは、図５の片側の閉止物４を取り除くか、または排ガス煙道の弁を開にすることにより、図８、図９に示すように、ガス入口面に開口する流路の片側ずつパージを実施することができる。片側ずつ実施する場合、図８、９中の平板３（フィルタ面）の丸で囲った部分に示すように、図８の流れｄ３)では下から上向き、図９の流れｂ４)では上から下向きに流れるため、平板３(フィルタ面)を逆洗する効果が高まる。なお、図１１に示すように従来法では、平板３に対するフィルタモード時のガス流れは図示する矢印１２’、１３’の方向であり、必ず図の上から下への流れになっているため、逆洗効果がない。
【００３２】
また図５に示す本発明の場合、フィルタモード時のガス流れは、図１０に示すようにガス流れは矢印１０’、１１’の方向であり、これは平板３から見ると図の上から下の方向と下から上の方向の２種類と、互いに逆方向から吹込む形となり、平板３内に付着した灰を逆洗する効果を有するため、より望ましい態様であるといえる。なお、灰パージ時間は、１秒未満の短期間ではその効果が低下するため、１秒以上、望ましくは１分以上が好ましい。
【００３３】
以上、本発明の作用・効果をまとめると、以下のとおりである。
1) フィルタのガス流路長が一定であり、処理ＰＭ負荷を一定にし、フィルタ全体でＰＭを一様に処理することができる。
2) 差圧バランス温度（ＢＰＴ）を低くすることができ、従ってエンジン運転負荷下限を従来品より低くできる(低温運転が可能)。
3) パージ時はフィルタ方向よりガス流路が短いため、流路抵抗が少なく、燃焼灰を従来よりさらに容易に除去できる。
4) 特にガス入口部では排ガスがともに平板を逆洗する方向に流れているため、平板部に担持した触媒機能が低下しにくく、フィルタの長寿命化を図ることができる。例えば従来のコージエライト製、ＳｉＣ製等のセラミック製の市販ＤＰＦでは寿命は一般的に500〜2000ｈであったが、上記運転制御を用いた本フィルタの場合は、その10倍以上のの10000〜20000ｈ程度の耐久性を持たせることが可能である。
【実施例１】
【００３４】
以下、実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
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の多孔性平板との積層体（波板ピッチ３．３ｍｍ、平板平板間隔１．９ｍｍ、ニチアス社製、外寸３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍ）に、１５％のＴｉＯ２ゾル（石原産業社製）を含浸させ、エアー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の酸化触媒付フィルタ基材を作製した。
【００３５】
上記フィルタ基材を図１、２のように積層、成形し、調製したフィルタを用い、図３に示すように排ガス煙道内に設置し、基本的にフィルタモードで実ガスを処理し、差圧、及びＮＯ２濃度の経時変化を観察した。
【実施例２】
【００３６】
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の多孔性平板との積層体（波板ピッチ３．３ｍｍ、平板平板間隔１．９ｍｍ、、ニチアス社製、外寸３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍ）を、図５に示すように、波板稜線方向が対角線方向となるように六面体（交差斜め積層体と称する）に形成し、これに１５％のＴｉＯ2 ゾル（石原産業社製）を含浸させ、エアー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の酸化触媒付フィルタを作製した。これを図７に示すように排ガス煙道に設置し、排ガス浄化装置とした。
【００３７】
上記排ガス浄化装置を用い、起動時から３０秒のみ図７に示すフィルタモードとし、それ以後は、図７に示すフィルタモードと図８に示す灰パージモードを繰り返して運転し、エンジン停止後にフィルタモードに戻すプログラムを設定して実ガスを処理し、差圧、及びＮＯ２濃度の経時変化を観察した。なお、フィルタモードでは経路ｂ（図５）を閉止した。
【実施例３】
【００３８】
ジニトロジアンミン白金の溶液（Ｐｔ含有量１．７ｇ／Ｌ）にＴｉＯ2 粉末( ミレニアム製Ｇ５、表面積３２０ｍ2 ／ｇ）３００ｇを懸濁させたスラリを８０℃で２時間保持し、ＴｉＯ2表面にＰｔ成分を吸着させた。本溶液１ｋｇにコロイダルシリカ（日産化学社製シリカゾル−ＯＳ）１ｋｇを加え、硝酸でｐＨを調整して図５の流路ａに担持する触媒スラリを得た。
【００３９】
これとは別に、水７００ｇにＴｉＯ２粉末（石原産業社製ＣＲ５０、表面積３ｍ2 ／ｇ）３００ｇを懸濁させたスラリ１ｋｇにコロイダルシリカ（日産化学社製シリカゾル−ＯＳ、ＳｉＯ２ 濃度２０％）１ｋｇを加え、硝酸でｐＨを調整して図５の流路ｂに担持する不活性酸化物スラリを得た。
【００４０】
シリカアルミナ繊維の不織布からなる板厚０．２ｍｍの交差斜め積層体を用意し、図５のＡ方向から前記流路ａ用スラリを流し込み、反対面から排出する方法で流路ａ内面にのみ触媒成分を担持させ、エアーブローによる液切り後、１５０℃で乾燥した。その後、図５のＢ方向から前記流路ｂ用スラリを流し込み反対面から排出する方法で流路ｂ内面に不活性酸化物を担持させ、エアーブローによる液切り後、１５０℃で乾燥、６００℃で焼成して酸化触媒付フィルタを作製した。これを図７に示すように排ガス煙道に設置し、排ガス浄化装置とした。上記排ガス浄化装置を用い、起動時から３０秒のみフィルタモードとし、それ以後は、図７に示すフィルタモードと図８に示す灰パージモードを繰り返して運転し、エンジン停止後にフィルタモードに戻すプログラムを設定して実ガスを処理し、差圧、及びＮＯ２濃度の経時変化を観察した。なお、フィルタモードでは経路ｂ（図５）を閉止した。
【００４１】
〔比較例１〕
図４のように調製した従来型フィルタを用い、起動時を含め、全てろ過モードで運転する様プログラムを設定して実ガスを処理し、差圧、及びＮＯ酸化率を観察した。
これらの実施例、比較例について、以下の項目を調べ、結果を表１に示した。
(１)差圧バランス温度(ＢＰＴ)
(２)１００％定格発電時の差圧
(３)ＰＭ除去率
(４)１００％定格発電時のフィルタ出口におけるＮＯ２濃度（ＮＯ酸化率）
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１の結果から、本発明の酸化触媒付フィルタ(実施例１、２)は、比較例１と比べて、フィルタ全体に均一にガスが流れる傾向にあるため、一部の触媒面が性能低下することが少なくより寿命が長く持たせられる。また本発明の実施例１では、フィルタ全体に均一にガスが流れるため、低Ｐｔ担持量でもＢＰＴが低い特徴が見られた。また、実施例２のフィルタモードと灰パージモードの併用方法では、燃焼灰を効率的に除去でき、ＮＯ酸化率(ＮＯ2濃度と相関)の経時低下を少なくでき、さらに酸化触媒付フィルタの寿命を向上できると考えられる。実施例３のフィルタでは、酸化触媒が流路ｂ（排ガスの排出経路）に担持されていないため、ＮＯ酸化率が低く抑えられており、環境面でも優れていることがわかる。
【００４４】
比較例１では、従来発明のフィルタを使用している。差圧は初期2.0kPaと低いものの3〜4kPaに上昇した。フィルタの一部に排ガスが集中するため、その部分の劣化が早く進行し、ＮＯ酸化率の低下が起こっているものと推測される。ＢＰＴも本発明の実施例に比較すると高いことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、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、かつ灰や煤を大掛かりな装置を用いることなく除去できるため、灰や煤が堆積しにくい運転制御を行い易く、さらに長寿命で、環境汚染防止に有用な安価なフィルタを提供でき、社会的、経済的効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明のフィルタを構成する基本単位の一実施例を示す説明図。
【図２】図１の基本単位を積層して構成された本発明のフィルタ（ＤＰＦブロック）の一実施例を示す斜視図。
【図３】図２に示す本発明のフィルタを煙道に組み込んだ反応器の実施例を示す平面図。
【図４】図３の（ｂ）の反応器におけるフィルタ内のガス流れを示す説明図。
【図４（ａ）】排ガス煙道内に、本発明の８面体構造のフィルタを設けた概略平面図。
【図５】本発明のフィルタ（ＤＰＦブロック）の他の実施例を示す説明図。
【図５（ａ）】排ガス煙道内に、本発明の６面体構造のフィルタを設けた概略平面図。
【図６】図５のフィルタのろ過時（フィルタモード）のガス流れを示す説明図。
【図７】図５のフィルタの灰パージ時（パージモード）のガス流れを示す説明図。
【図８】図５のフィルタの一片側パージ時のガス流れを示す説明図。
【図９】図５のフィルタの逆片側パージ時のガス流れを示す説明図。
【図１０】図５のフィルタのフィルタモード時の平板３付近のガス流れ（逆洗効果）を示す説明図。
【図１１】図１０と比較した従来技術のフィルタのガス流れを示す説明図。
【図１２】波板と平板を積層させて構成した従来のフィルタの基本単位及び該フィルタのガス流れを示す説明図。
【図１３】図１２の従来のフィルタにおけるガス流れを示す説明図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、これらを交互に積層して多面体に形成した積層体と、該積層体の前記波板の稜線方向と交差する一面に形成されたガス流入面と、これと平行な他の一面に形成されたガス流出面とを有し、前記多孔質平板を介して前記多孔質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フィルタであって、前記ガス流入面から前記ガス流出面に到るガス流路の長さがそれぞれ等しくなるように、前記波板の稜線方向に対して平面から見て４５°の角度で交差するように前記多面体の排ガス流入面と流出面が形成されていることを特徴とする排ガス中粒子状物質除去フィルタ。
【請求項２】
前記多面体が八面体であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】
前記多面体が六面体であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項４】
前記六面体は、平面から見て波板の稜線方向が該六面体の対角線の方向になるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
【請求項５】
前記積層体のガス流路に、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する機能を有する触媒成分を担持させたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフィルタ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のフィルタのガス流入面と流出面にそれぞれ連通するガス流路と、前記フィルタのガス流入面及び流出面とそれぞれ交差する側面に連通するバイパス流路と、前記ガス流出面に連通する流路及び前記バイパス流路に設けられた該流路の開閉手段を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項７】
請求項６に記載の排ガス浄化装置において、前記開閉手段に信号を送り、上記ガス流入面に交差する側面への排ガスの通過を遮り、ガス流入面の対向面へ排ガスを通過させ、パージを行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項８】
請求項６に記載の排ガス浄化装置において、前記開閉手段に信号を送り、排ガス流入面の対向面への排ガスの通過を遮り、排ガス流入面に交差する一方の側面へ排ガスを通過させ、該ガス流路の片側パージを行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項９】
請求項６に記載の排ガス浄化装置において、前記排ガス流入面の対向面へ排ガスを通過させて行なうパージ操作及び排ガス流入面に交差する側面へ排ガスを通過させて行なうパージ操作を一定期間ごとに行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項１】
多孔質波板と多孔質平板の対を基本単位とし、これらを交互に積層して多面体に形成した積層体と、該積層体の前記波板の稜線方向と交差する一面に形成されたガス流入面と、これと平行な他の一面に形成されたガス流出面とを有し、前記多孔質平板を介して前記多孔質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フィルタであって、前記ガス流入面から前記ガス流出面に到るガス流路の長さがそれぞれ等しくなるように、前記波板の稜線方向に対して平面から見て４５°の角度で交差するように前記多面体の排ガス流入面と流出面が形成されていることを特徴とする排ガス中粒子状物質除去フィルタ。
【請求項２】
前記多面体が八面体であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】
前記多面体が六面体であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項４】
前記六面体は、平面から見て波板の稜線方向が該六面体の対角線の方向になるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
【請求項５】
前記積層体のガス流路に、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する機能を有する触媒成分を担持させたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフィルタ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のフィルタのガス流入面と流出面にそれぞれ連通するガス流路と、前記フィルタのガス流入面及び流出面とそれぞれ交差する側面に連通するバイパス流路と、前記ガス流出面に連通する流路及び前記バイパス流路に設けられた該流路の開閉手段を有することを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項７】
請求項６に記載の排ガス浄化装置において、前記開閉手段に信号を送り、上記ガス流入面に交差する側面への排ガスの通過を遮り、ガス流入面の対向面へ排ガスを通過させ、パージを行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項８】
請求項６に記載の排ガス浄化装置において、前記開閉手段に信号を送り、排ガス流入面の対向面への排ガスの通過を遮り、排ガス流入面に交差する一方の側面へ排ガスを通過させ、該ガス流路の片側パージを行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項９】
請求項６に記載の排ガス浄化装置において、前記排ガス流入面の対向面へ排ガスを通過させて行なうパージ操作及び排ガス流入面に交差する側面へ排ガスを通過させて行なうパージ操作を一定期間ごとに行なうことを特徴とする排ガス浄化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図４（ａ）】
【図５】
【図５（ａ）】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図４（ａ）】
【図５】
【図５（ａ）】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−４３８７８（Ｐ２００８−４３８７８Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２１８７１（Ｐ２００６−２２１８７１）
【出願日】平成１８年８月１６日（２００６．８．１６）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１６日（２００６．８．１６）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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