JP2004049939A

JP2004049939A - シリコン含有排ガスの触媒燃焼式浄化装置

Info

Publication number: JP2004049939A
Application number: JP2002206890A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kurose; 黒瀬　聡; Yasuyoshi Kato; 加藤　泰良; Masatoshi Fujisawa; 藤澤　雅敏
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】有機シリコンを含む排ガスを触媒燃焼させる場合に、シリコンが燃焼触媒層の表面に付着するのを回避する。
【解決手段】蓄熱槽１０に連通路２２を介して連通される燃焼触媒層１２と、蓄熱槽１４に連通路２３を介して連通される燃焼触媒層１６と、２つの蓄熱槽を排ガスの供給流路３６と燃焼ガスの排出流路３７とに交互に切り替えて連通される給排流路切替弁１８と、２つの燃焼触媒層１２、１６に連通する加熱室１７と、連通路２２、２３から分岐され、各連通路と加熱室とを連結する２つのバイパス流路２０、２４と、各連通路２２、２３を対応する燃焼触媒層１２、１６とバイパス流路２０、２４のいずれか一方に連通させる２つの流路切替弁２６、２８とを備えて構成する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機シリコン化合物を含む排ガスの触媒燃焼式浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工場や化学プラントなどから排出される排ガスには、人体に悪影響を及ぼす有害物質たとえば有機化合物や炭化水素が含まれている場合がある。このような排ガス中の有害物質を除去して排ガスを浄化する装置として、吸着剤で吸着する吸着式浄化装置や、バーナなどで直接燃焼する直接燃焼式浄化装置や、燃焼触媒層などで酸化燃焼させる触媒燃焼式浄化装置などが知られている。このうち、触媒燃焼式浄化装置は、有害物質を比較的低温から酸化できるため、ランニングコストを抑制できるので、一般に広く利用されている。特に、特開平９−２５３４４８号や特開平１０−９９６４７号に提案されている蓄熱式交番触媒燃焼装置は、排ガスを燃焼触媒層で酸化させて有害物質を除去して浄化した後、浄化された排ガスの熱を蓄熱槽に一定期間蓄えておき、その蓄熱で未処理の排ガスを燃焼触媒層に導入する前に予熱して燃焼熱を有効利用することにより、さらにランニングコストを低減するようにしている。そして、連続運転可能にするため、排ガスの流れに沿って第１の蓄熱槽、第１の燃焼触媒層、第２の燃焼触媒層、第２の蓄熱層を順次配設し、排ガスの流れを交互に切り替えて運転するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒燃焼式浄化装置を用いる場合、排ガスに有機シリコン化合物が含まれていると、有機シリコン化合物が触媒表面に付着して触媒が劣化し、触媒性能を低下させて排ガスの浄化効率を低下させることがある。
【０００４】
そこで、従来の蓄熱式交番触媒燃焼装置では、二つの燃焼触媒層の間にバーナにより排ガスを加熱する加熱室を設け、燃焼触媒層に導かれる排ガスの温度を上昇させてシリコンが触媒表面に付着するのを防止するようにしている。
【０００５】
しかしながら、蓄熱槽で予熱された排ガス温度が有機シリコン化合物を触媒燃焼させる温度まで達しない場合があり、そのまま有機シリコン化合物が触媒表面に付着してしまうおそれがある。したがって、触媒量を増やしたり、交換回数を多くして耐久性を高めざるを得ないことから、ランニングコストが高くなるという問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、有機シリコン化合物を含む排ガスを触媒燃焼させる場合に、有機シリコン化合物が燃焼触媒の表面に付着するのを抑制できる触媒燃焼式浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、実験により燃焼触媒層に流入する排ガスの入口温度を変えて触媒の耐久性を比較した結果、例えば貴金属を担持したゼオライト触媒の場合、排ガスの入口温度が２６０℃以上の場合、触媒の劣化速度が小さいという知見を得た。すなわち、ゼオライトの分子篩効果により、有機シリコンは触媒の細孔内に入らないので、触媒の耐久性が高い。しかし、２６０℃未満の場合は、触媒表面への付着量が増加して、反応物質（活性成分）のガスの拡散を阻害してしまうため、徐々に触媒の活性が低下して劣化することが判明した。一方、排ガスの入口温度が高くなりすぎると、触媒の比表面積の減少によって劣化することから燃焼触媒層に流入する排ガスの入口温度を抑える必要がある。
【０００８】
このような知見に鑑み、本発明のシリコン含有排ガスの触媒燃焼浄化装置は、第１の蓄熱槽と、第１の蓄熱槽に第１の連通路を介して連通される第１の燃焼触媒層と、第２の蓄熱槽と、第２の蓄熱槽に第２の連通路を介して連通される第２の燃焼触媒層と、第１と第２の蓄熱槽を排ガスの供給流路と燃焼ガスの排出流路とに交互に切り替えて連通される給排流路切替弁と、第１と第２の燃焼触媒層に連通する加熱室と、第１の連通路から分岐され、該第１の連通路と前記加熱室とを連結する第１のバイパス流路と、第２の連通路から分岐され、該第２の連通路と前記加熱室とを連結する第２のバイパス流路と、第１の連通路を前記第１の燃焼触媒層と第１のバイパス流路のいずれか一方に連通させる第１の流路切替弁と、第２の連通路を前記第１の燃焼触媒層と第２のバイパス流路のいずれか一方に連通させる第２の流路切替弁とを備えてなることを特徴とする。
【０００９】
このように構成することにより、排ガスに有機シリコン化合物が含有している場合に、蓄熱槽で予熱された排ガスの温度が低い場合は、第１または第２の流路切替弁を第１または第２のバイパス流路側に切り替え、燃焼触媒層を迂回させて排ガスを蓄熱槽から加熱室に直接導入するようにできる。その結果、燃焼触媒表面に有機シリコン化合物が付着するのを防ぐことができる。また、加熱室に導入された排ガスはバーナにより加熱され、有機シリコン化合物を燃焼触媒層で燃焼するのに必要な温度に昇温され、２段目の燃焼触媒層で触媒表面に付着することなく燃焼される。したがって、燃焼触媒層の表面にシリコンが付着するのを回避し、長い時間に渡って触媒の分解率を維持することができる。
【００１０】
この場合において、蓄熱槽から燃焼触媒層に導入される排ガスの温度を計測する手段を設け、その温度が設定値未満の場合は、流路切替弁をバイパス流路側に切り替えて燃焼触媒層をバイパスさせ、その温度が設定値以上の場合は流路切替弁を燃焼触媒層側に切り替える制御装置を設けることが好ましい。この設定温度は、有機シリコン化合物を燃焼浄化するために必要な温度、例えば２６０℃に設定することができる。逆に、蓄熱槽から排出される排ガスの温度が設定温度以上の場合は、流路切替弁を燃焼触媒側に切り替えて排ガスを触媒燃焼により浄化させるとともに、加熱室に設けられたバーナを停止して排ガスの温度上昇を抑える。これにより、触媒の比表面積の減少による劣化を防止する。また、燃焼触媒層の入口排ガス温度は、２６０〜５００℃の範囲に制御することが好ましい。
【００１１】
また、第１または第２の燃焼触媒層にゼオライトを用いることが好ましい。たとえば、モルデナイト、フェリエライト、ＺＳＭ−５などを用いることが好ましい。これを用いれば、ゼオライトの分子ふるい効果によって、排ガス中のシリコンが燃焼触媒層の細孔内に入るのを防げるので、細孔内にシリコンが付着するのを回避できる。また、ゼオライトの細孔内に担持させる活性成分として貴金属、たとえば、白金、パラジウム、ロジウムなどを用いることが好ましい。これを用いれば、高い酸化活性を得ることができる。このとき、細孔内に担持する活性成分は、高活性であれば遷移金属でもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用した蓄熱交番式の触媒燃焼式浄化装置の一実施形態を示す系統図である。図に示すとおり、本実施形態は、第１と第２の蓄熱槽１０、１４にそれぞれ第１と第２の連通路２２、２３を介して連通された第１と第２の燃焼触媒層１２、１６と、それら第１と第２の燃焼触媒層１２、１６に連通された加熱室１７が設置されて構成されている。また、第１の燃焼触媒層１２を迂回して第１の連通路２２と加熱室１７とを連通する第１のバイパス流路２０が設けられている。そして、連通路２２に、蓄熱槽１０から排出される排ガスを燃焼触媒層１２に通流させるか、バイパス流路２０に通流させるかを切り替える流路切替弁２６が設けられている。同様に、第２の燃焼触媒層１６を迂回する第２のバイパス流路２４が設けられ、連通路２３に流路切替弁２８が設けられている。一方、第１及び第２の蓄熱槽１０、１４に連結された給排流路切替弁１８は、供給流路３６を介して供給されるシリコン含有排ガスをいずれか一方の蓄熱槽１０、１４に供給し、他方の蓄熱槽１０、１４から排出される浄化ガスを排出流路３７を介して排出するようになっている。
【００１３】
加熱室１７には、バーナ１９が設けられている。バーナ１９は、制御弁２１を介して燃料タンク２５に接続されている。
【００１４】
第１の蓄熱槽１０と第１の連通路２２との境界部に温度計測器３０が設けられている。同様に、第２の蓄熱槽１４と第２の連通路２３との境界部に温度計測器３２が設けられている。これらの温度計測器３０、３２は制御装置３４に接続され、制御装置３４は流路切替弁２６、２８と制御弁２１を制御するようになっている。
【００１５】
このように構成される蓄熱式交番触媒燃焼装置の動作について説明する。まず、シリコンを含む排ガスは、供給流路３６から例えば蓄熱槽１０に導入され、予熱される。予熱された排ガス中の有害物質は、燃焼触媒層１２を通過する際に触媒により燃焼されて浄化され、加熱室１７のバーナ１９でさらに加熱される。加熱室１７で加熱された排ガスは燃焼触媒層１６に導かれ、さらに燃焼されて浄化される。燃焼触媒層１６から排出する浄化されたガスは、蓄熱槽１４で熱回収され、排出流路３７から排出される。
【００１６】
この処理を所定時間おこなった後、給排流路切替弁１８を切り替えて、蓄熱槽１０を排出流路３７に、蓄熱槽１４を供給流路３６に連通することにより、シリコン含有ガスを蓄熱槽１４に導入して予熱する。予熱された排ガスは、燃焼触媒層１６に導かれ触媒によって燃焼されて浄化される。その後、加熱室１７のバーナ１９で加熱され、さらに燃焼触媒層１２に導かれて燃焼される。触媒燃焼層１２から排出される浄化されたガスは、蓄熱槽１０を通過することにより熱回収されて、排出流路３７から排出される。
【００１７】
このように、給排流路切替弁１８によって、シリコン含有排ガスは、蓄熱槽１０と蓄熱槽１４に順次交互に供給されて処理される（図示黒矢印及び白矢印）。
【００１８】
このような動作において、シリコン含有排ガスが初めに導入される蓄熱槽の温度が低いと、燃焼触媒層に流入され排ガスの温度が十分に昇温されず、例えば、シリコンが触媒燃焼する温度（例えば２６０℃以上）にまで上昇しない場合がある。この場合、シリコンが燃焼触媒の表面に付着して触媒が劣化し、他の有害物質の触媒燃焼を妨げることになる。そこで、本実施形態では、温度計測器３０、３２により燃焼触媒層１２、１６に導入される排ガスの温度を計測し、計測温度が設定温度（例えば２６０℃）未満の場合は、制御装置３４から流路切替弁２６または切替弁２８に切替指令を出力し、蓄熱槽１０または蓄熱槽１４から流出される排ガスを、バイパス流路２０またはバイパス流路２４に流して燃焼触媒層１２または燃焼触媒層１６を迂回させて加熱室１７に導き、加熱して次の燃焼触媒層１６または１２に流入して浄化する。この場合、制御装置３４は、制御弁２１を開いて燃料タンク２５からバーナ１９に燃料を供給し、バーナ１９を点火して、排ガスを加熱するようにする。このようにして、バーナ１９によって昇温された排ガスは、燃焼触媒層１６または燃焼触媒層１２に導入され、排ガス中の有機シリコン化合物を含む有害物質は、触媒燃焼により浄化される。
【００１９】
一方、温度計測器３０、３２により計測された燃焼触媒層１２、１６に導入される排ガスの温度が設定値以上の場合は、流路切替弁２６、２８を燃焼触媒層側に切り替えて２段の燃焼触媒層１２、１６により排ガスを処理する。このとき、制御弁２１を閉じてバーナ１９による加熱を停止するようにすることが望ましい。
【００２０】
このように、本実施形態によれば、燃焼触媒層１２、１６を通過する排ガスの温度を、有機シリコン化合物を浄化するために必要な温度、例えば２６０℃より常に高くできるので、確実にシリコンを触媒燃焼することができる。また、蓄熱槽から排出される排ガスの温度が設定温度以上の場合は、流路切替弁を燃焼触媒側に切り替えるとともに、加熱室１７に設けられたバーナ１９を停止して排ガスの温度上昇を抑えることにより、触媒の比表面積の減少による劣化を防止できる。したがって、シリコンが燃焼触媒層１２、１６の触媒表面に付着するのを回避でき、長い時間に渡って高い分解率を維持できる。
【００２１】
【実施例】
以下、燃焼触媒層に関し、実施例、比較例に基づき説明する。
【００２２】
【実施例１】
まず、モルデナイト粉末（東ソー社製ＨＳＺ−６５０、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３＝２３）５０ｇに対し、重量割合で白金Ｐｔが０．５％になるように塩化白金酸水溶液（エヌ・イー・ケムキャット社製、ｌｏｔ．Ｎｏ１００１７０）を加えて蒸発乾固した後、それを５５０℃で２時間焼成してＰｔ−モルデナイト触媒を得た。これをシリカゾルと水でスラリ化し、ペーパハニカム（ニチアス社製）にコーティングした後、２時間風乾し、１２０℃で２時間乾燥し、さらに５００℃で２時間焼成することによって、ハニカム形状のＰｔ−モルデナイト触媒を得た。
【００２３】
このＰｔ−モルデナイト触媒を反応管の中に入れ燃焼触媒層とし、それに、有機シリコンとベンゼンを含んだガスを供給した。ここで、供給ガスの温度は燃焼触媒層の入口で３００℃になるように設定した。ガスを供給してから２０時間後の燃焼触媒層の性能、つまり分解率を測定した。このとき用いた供給ガスの試験条件を次の表１に示す。
【００２４】
【表１】

【実施例２】
供給ガスの温度を燃焼触媒層の入口で３５０℃に設定したこと以外は、実施例１と同じ方法で燃焼触媒層の分解率を測定した。
【００２５】
【比較例１】
供給ガスの温度を燃焼触媒層の入口で２５０℃に設定したこと以外は、実施例１と同じ方法で燃焼触媒層の分解率を測定した。
【００２６】
【比較例２】
供給ガスの温度を燃焼触媒層の入口で５００℃に設定したこと以外は、実施例１と同じ方法で燃焼触媒層の分解率を測定した。
【００２７】
【比較例３】
モルデナイト粉末の代わりにＴｉＯ_２粉末（Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ社製、Ｇ５）を用いてＰｔ−ＴｉＯ_２触媒を得たこと以外は、実施例１と同じ方法で燃焼触媒層の分解率を測定した。
【００２８】
上記実施例１、２及び比較例１〜３で得られた分解率を次の表２に示す。
【００２９】
【表２】

表２に示すように、実施例１、２は、比較例１〜３に比べて、２０時間後の分解率の劣化する速度が小さい。このことから、燃焼触媒層の入口における供給ガスの温度が２６０℃以上で５００℃以下の範囲にある場合は、その温度範囲にない場合に比べて、劣化速度が小さいため、長い時間に渡って燃焼触媒層の触媒性能を維持できることが分かる。すなわち、供給ガスの温度が２６０℃以上であると、ゼオライトの分子ふるい効果によって、排ガス中のシリコンが燃焼触媒層の細孔内に入るのを防げるので、細孔内にシリコンが付着するのを回避できるから、燃焼触媒層の耐久性が向上する。一方、その温度が２６０℃未満であると、触媒表面などへの付着量が増加して反応物質ガスの拡散が阻害されるため、燃焼触媒層の活性が劣化する。それゆえ、燃焼触媒層の入口における供給ガスの温度を２６０℃以上、つまり有機シリコンが触媒表面に付着しない温度以上であって、かつ５００℃以下、つまり比表面積が減少しない温度以下に維持できれば、燃焼触媒層の劣化を抑制でき、燃焼触媒層の交換頻度を減少できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたとおり、本発明によれば、有機シリコンを含む排ガスを浄化する場合に、シリコンが燃焼触媒層の触媒表面に付着するのを回避でき、長い時間に渡って高い分解率を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明を適用した触媒燃焼式浄化装置の一実施形態を示す系統構成図である。
【符号の説明】
１０、１４　蓄熱槽
１２、１６　燃焼触媒層
１７　加熱室
２０、２４　バイパス流路
２２、２３　連通路
２６、２８　流路切替弁
３０、３２　温度計測器
３４　制御装置

Claims

第１の蓄熱槽と、第１の蓄熱槽に第１の連通路を介して連通される第１の燃焼触媒層と、第２の蓄熱槽と、第２の蓄熱槽に第２の連通路を介して連通される第２の燃焼触媒層と、第１と第２の蓄熱槽を排ガスの供給流路と燃焼ガスの排出流路とに交互に切り替えて連通される給排流路切替弁と、第１と第２の燃焼触媒層に連通する加熱室と、
第１の連通路から分岐され、該第１の連通路と前記加熱室とを連結する第１のバイパス流路と、第２の連通路から分岐され、該第２の連通路と前記加熱室とを連結する第２のバイパス流路と、
第１の連通路を前記第１の燃焼触媒層と第１のバイパス流路のいずれか一方に連通させる第１の流路切替弁と、第２の連通路を前記第１の燃焼触媒層と第２のバイパス流路のいずれか一方に連通させる第２の流路切替弁とを備えてなるシリコン含有排ガスの触媒燃焼式浄化装置。
第１の蓄熱槽と第１の燃焼触媒層の間に第１の温度計測手段を設け、第２の蓄熱槽と第２の燃焼触媒層の間に第２の温度計測手段を設け、
第１の温度計測値が設定値以上の場合は、第１の流路切替弁を切り替えて第１の連通路を第１の燃焼触媒層に連通させ、第１の温度計測値が設定値未満の場合は、第１の流路切替弁を切り替えて第１の連通路を第１のバイパス流路に連通させ、
第２の温度計測値が設定値以上の場合は、第２の流路切替弁を切り替えて第２の連通路を第２の燃焼触媒層に連通させ、第２の温度計測値が設定値未満の場合は、第２の流路切替弁を切り替えて第２の連通路を第２のバイパス流路に連通させる制御装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載のシリコン含有排ガスの触媒燃焼式浄化装置。