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JP4085298B2 - 蓄熱型排ガス処理装置 - Google Patents

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exhaust gas
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和樹 小林
成 冨永
利文 向井
博 川添
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Mitsubishi Power Ltd
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Babcock Hitachi KK
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    • Y02E20/34Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

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  • Incineration Of Waste (AREA)
  • Air Supply (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス中に含まれる可燃性有害成分や可燃性悪臭成分を、触媒燃焼または直接燃焼させて無害無臭な物質に変換させるとともに、その際に生じる熱を回収して排ガス処理に再利用する蓄熱型の排ガス処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車などの塗装工場や、金属洗浄工場、あるいは印刷工場などからは、トルエン、キシレン、スチレン等の揮発性有機化合物(volatile organic compound,: VOC)を含んだ排ガスが発生する。このようなVOC含有ガスは、せいぜい十数ppmから数%程度の濃度であるが、環境や人体への影響がかなり大きいことが明らかになってきた。
【0003】
例えば、NOxと反応して光化学スモッグを発生させたり、森林を枯れさせたり、さらには、光化学オキシダントの主成分であるオゾンを対流圏内で増加させ、地球を温暖化する。また、これらのVOC含有ガスは、発ガンの誘引となり、人体に健康障害を起こさせることが知られている。
【0004】
このため、上記各種の工場などでは、VOC含有ガスを無害化処理して大気中に排出している。VOC含有ガスの無害化処理方法としては、直接燃焼方式、触媒燃焼方式、蓄熱燃焼方式、触媒燃焼/蓄熱方式、濃縮方式、生物処理方式などがある。
【0005】
このなかで、ランニングコストやメンテナンスの容易さなどを考慮すると、有害成分の燃焼熱を回収して未処理排ガスの熱源として再利用する蓄熱型排ガス処理装置が有望である。蓄熱型排ガス処理装置は、蓄熱室の数により、二塔式、三塔式、多塔式のものなどがある。
【0006】
この蓄熱型排ガス処理方法は、未処理排ガスを蓄熱材に流通させて予熱した後、炉に導入してVOCを燃焼して無害化処理し、処理済の高温排ガスを再び蓄熱材に流通させてその熱を蓄え、蓄えたその熱を低温の未処理排ガスが流通するときに再び放出して熱交換を行なうものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の蓄熱型排ガス処理方法には次のような問題点があった。すなわち、シリコーンオイルのように粘度の高い成分を含むVOCガスを、蓄熱型排ガス処理装置で処理した場合、未処理ガスの入口側に相当する蓄熱材低温部で、シリコーンオイルの付着により開口面積が狭められるという問題が生じた。
【0008】
これにより圧力損失が増加し、排ガス処理量を一定に維持しようとすれば、送風機の負荷を増大させなければならず、そのため、エネルギー消費量が増大することになり、さらには、蓄熱材開口部が閉塞して装置が運転不能に陥るという欠点があった。
【0009】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解消し、蓄熱型排ガス処理装置において、未処理排ガスが流通する蓄熱材開口部の閉塞を防止し、長期間の安定した運転を可能にすることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は未処理排ガス中の揮発性有機化合物を燃焼処理する燃焼炉と、前記燃焼処理した高温の処理済排ガスと熱交換して蓄熱した後、前記蓄熱した熱によって低温の未処理排ガスを加熱する複数の室に分けられた蓄熱層と、前記蓄熱層の一部の室に未処理排ガスを順次吸気させ、前記蓄熱層の残りの室から処理済排ガスを順次排気する回転式の分配弁とを有して構成された蓄熱型排ガス処理装置において、前記分配弁を設定された一定の回転速度で回転し、前記蓄熱層に設定された一の室が排気に切り換わったときに前記分配弁の回転速度を下げ、当該室が吸気側に切り換わって当該室の温度が排気切換え時の温度に戻ったときに前記分配弁の回転速度を元に戻す分配弁回転速度制御を間欠に実施することを特徴とする。これにより、蓄熱層の各室内を流れる高温の処理済排ガスの流通時間を調整して、蓄熱層の低温部を加熱して蓄熱層への付着物による圧力損失の増大を防止することができる。この場合において、蓄熱材における未処理排ガスの流入側と流出側との差圧から、圧力損失部である蓄熱材低温部におけるシリコーンオイルの付着を検知し、分配弁の回転速度を制御して蓄熱材低温部の温度を450〜500℃に上げ、付着したシリコーンオイルをシリカ粉末に変えることにより容易に除去可能とした。これにより、長期間の安定した運転が可能になった。
【0011】
すなわち、蓄熱式の排ガス処理装置において、未処理排ガスと処理済排ガスの熱交換を行なう蓄熱層は、排ガスの流通方向と平行な細い流路を形成した、断面ハニカム状の蓄熱材を複数段積層して形成され、蓄熱層の差圧に基づいて蓄熱材ハニカムの圧力損失部を加熱する機能を備えることで、安定な運転を可能としたものである。また、蓄熱材ハニカムの入口側および出口側のセル径を、他の領域のそれよりも大きくすることで、安定な運転を可能とすることもできる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図1に本発明の蓄熱型排ガス処理装置の主要部を示す。本例の蓄熱型排ガス処理装置は、大きく分けて、VOCを含有する未処理排ガスを高温で処理する炉4と、未処理排ガスを加熱し処理済排ガスを除熱する蓄熱層3と、未処理排ガスを高温の蓄熱層に分配する分配弁2とから構成される。
【0013】
炉4は、熱源となるバーナ5を具備している。蓄熱層3は、複数個の蓄熱材を備えており、これらはガスの流れ方向に連結され、このガス流れを横断する方向には、互いに隔離された複数の流路▲1▼〜▲8▼を形成している。
【0014】
図1を用いて、本実施形態をさらに詳述する。分配弁2の下部は、清浄ガス6、未処理排ガス1、パージガス10なとが流通する3重管構造となっている。蓄熱層3は排ガスと熱交換を行なう8室に分かれており、それぞれの蓄熱材の前後の差圧を測定する差圧検知器7と、出口温度を測定する温度計8を備えている。なお、符号11はマニホールド、符号12は固定弁である。
【0015】
また、蓄熱層3の構造は、排ガスの流通方向と平行な細い流路を形成した断面がハニカム状の蓄熱材を複数段積層して形成され、入口側および出口側の蓄熱材ハニカムのセル径を、中間部のセル径よりも大きくしている。
【0016】
シリコーンオイルを含む数百ppmのトルエンを含有する未処理排ガス1は、図中右側より導入され、回転式の分配弁2を通過し、蓄熱層3を具備するガス分解ゾーンに導入される。
【0017】
このとき、分配弁の位置により、蓄熱層3内の3〜4室を通過する。未処理排ガス1は蓄熱材層3中で昇温され、未処理排ガス中のトルエンは、炉4に入るとすぐに着火して燃焼する。トルエンやシリコーンは共に800℃以上の高温で完全に分解する。
【0018】
シリコーンはSiを含むため、燃焼によってシリカ粒子を生成する。高温でVOCを分解した処理済排ガス9は、未処理排ガス導入時には通過しなかった蓄熱材中の3〜4室を通過し、蓄熱層で熱交換して除熱され、200℃以下の清浄ガス6として排出される。
【0019】
分配弁2が回転することにより、導入または排出されるガスは順次、蓄熱層3中の8室を移動していくようになっている。こうして蓄熱層3は、未処理排ガス1に対しては熱を与え、一方、高温の処理済排ガス9を除熱して蓄熱する。
【0020】
図2に、同じサイズの蓄熱材を6個充填した蓄熱層の蓄熱型排ガス処理装置を用い、1%シリコーンを含む700ppmのトルエン含有排ガスを数百時間処理したときの、蓄熱材の位置A〜Fと蓄熱材1個当りの差圧との関係を示す。
【0021】
図からわかるように、低温側の蓄熱材の圧力損失は、他のそれよりも数倍高かった。蓄熱材に付着した堆積物は、500℃の高温空気に曝したところ、エアブローで簡単に除去できた。
【0022】
なお、図6に示すように、示差熱天秤による分析結果から、シリコーンオイルは、500℃までに燃焼してシリカ粉末となることがわかっている。そのため、粘度の高いシリコーンオイルが高温空気により燃焼してシリカ粉末になったために容易に除去できたものである。
【0023】
図3に、分配弁2の回転速度が一定時の炉出口の温度変化を示す。温度は、8室のうち、分配弁上で対向配置される第1室と第5室のものを示す。分配弁を1rpmで回転した場合、第1室の出口温度は、1分間に、最高値→最低値→最高値を繰り返し、一方、第5室の出口温度は、1分間に、最低値→最高値→最低値を繰り返す。
【0024】
このとき、各室の差圧は時間とともに上昇するので、差圧が上昇したところで分配弁の回転速度を下げ、出口の温度を上昇させる。分配弁を1rpmから1/3rpmに回転速度を下げたときの出口温度の挙動を図4に示す。
【0025】
第1室が排気になるときに回転速度を下げると、排気側は高温ガスに曝される時間が長くなり出口温度は上昇する。一方、吸気側の第5室は低温空気の吸気時間が長くなり、出口温度はいったん下がるものの、しばらくして切替前よりも高い温度で定常化する。
【0026】
しかし、この場合、このような制御によって長時間燃焼させる必要があるが、シリコーンオイルの場合は、短時間の高温暴露により、すぐに酸化されてシリカ粒子になる。
【0027】
そこで、熱交換率を極力低下させない制御方法として、図5に示す制御を実施した。すなわち、第1室が排気になるときに回転速度を下げ、排気側の最高温度を450〜500℃とし、次に最低温度に戻った時点で回転速度を元に戻す。次いで、吸気側の第5室が排気側になるときに同様の操作を繰り返せば、出口温度は初期と同じ温度で定常化し、蓄熱材の熱効率を下げずに運転ができる。
【0028】
この操作により、概略100hの運転で、初期から50mmAq上昇した差圧を元に戻すことができた。この操作は、差圧検知により、差圧上昇時に実施してもよいが、例えば1日1回のように、定期的に実施してもよい。
【0029】
なお、上記実施形態では、高温排ガスの流通を制御して低温部の温度を上げていたが、例えば未処理排ガスの入口側および出口側の蓄熱材ハニカムのセル径を、中間部のセル径よりも大きくすることで、ヤニ成分などが付着しても閉塞されずに排ガス流路径が保持され、さらに容易に安定運転が可能となる。
【0030】
以上のように、本例では、排ガスの流通方向と平行な細い流路を形成した断面ハニカム状の蓄熱材を複数段積層して蓄熱層を形成し、蓄熱層の差圧から排ガス流路の圧力損失部を検知し、分配弁2の回転を制御して蓄熱層3内を流れる高温の処理済排ガスの流通時間を調整することにより、圧力損失部を加熱するようにした。
【0031】
この場合、シリコーンオイルが付着して圧力損失が発生する未処理排ガスの蓄熱材ハニカム入口、すなわち、処理済排ガスの出口の温度を450〜500℃に上げることにより、付着したシリコーンオイルはすぐに酸化されてシリカ粒子となり、ブロアーにより簡単に除去でき、排ガス流路の閉塞が抑制され安定運転が可能となる。
【0032】
【発明の効果】
上述のとおり、本発明によれば、蓄熱型排ガス処理装置において、蓄熱層の差圧により低温部の圧力損失を検知し、低温部を加熱する機能を備えることで安定な運転ができた。また、分配弁の回転速度制御により、蓄熱層の所定の部分を定期的に上昇させることによっても安定な運転が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の蓄熱型排ガス処理装置の一実施形態の主要部を示す図である。
【図2】本発明において、蓄熱材の各位置と蓄熱材1個当りの差圧との関係を示す図である。
【図3】分配弁の回転速度が一定時の炉出口の温度変化を示す図である。
【図4】分配弁の回転速度を下げたときの出口温度の挙動を示す図である。
【図5】本発明における熱交換率を極力低下させない制御方法の一例を示す図である。
【図6】示差熱天秤による分析結果を示す図である。
【符号の説明】
1 未処理排ガス
2 分配弁
3 蓄熱層
4 炉
5 助燃バーナ
6 清浄ガス
7 差圧検知器
8 温度計
9 処理済排ガス
10 パージガス
11 マニホールド
12 固定弁

Claims (6)

  1. 未処理排ガス中の揮発性有機化合物を燃焼処理する燃焼炉と、前記燃焼処理した高温の処理済排ガスと熱交換して蓄熱した後、前記蓄熱した熱によって低温の未処理排ガスを加熱する複数の室に分けられた蓄熱層と、前記蓄熱層の一部の室に未処理排ガスを順次吸気させ、前記蓄熱層の残りの室から処理済排ガスを順次排気する回転式の分配弁とを有して構成された蓄熱型排ガス処理装置において、
    前記分配弁を設定された一定の回転速度で回転し、前記蓄熱層に設定された一の室が排気に切り換わったときに前記分配弁の回転速度を下げ、当該室が吸気側に切り換わって当該室の温度が排気切換え時の温度に戻ったときに前記分配弁の回転速度を元に戻す分配弁回転速度制御を間欠に実施することを特徴とする蓄熱型排ガス処理装置。
  2. 前記蓄熱層の差圧から該蓄熱層の圧力損失を検知し、前記圧力損失の増大時に前記分配弁回転速度制御を実施することを特徴とする請求項1に記載の蓄熱型排ガス処理装置。
  3. 前記蓄熱層は、排ガスの流通方向と平行な細い流路を形成した断面ハニカム状の蓄熱材を複数段積層して形成されたものである請求項1または2に記載の蓄熱型排ガス処理装置。
  4. 前記蓄熱層は、蓄熱材ハニカムの入口側および出口側のセル径を、中間のセル径よりも大きくしたものである請求項1、2または3に記載の蓄熱型排ガス処理装置。
  5. 請求項1〜のうちいずれか1項に記載の蓄熱型排ガス処理装置を運転する運転方法において、前記分配弁回転速度制御による処理済排ガスの流通時間の調整は、前記蓄熱層の低温部を450〜500℃に上げることを特徴とする蓄熱型排ガス処理装置の運転方法。
  6. 前記分配弁回転速度制御による処理済排ガスの流通時間が、1分〜3分である請求項に記載の蓄熱型排ガス処理装置の運転方法。
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