JP2004344842A - 熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで熱交換効率が高く、低コストの熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置を提供する。
【解決手段】外筒１１と、中筒１２と、少なくとも加熱部３を内蔵する内筒１３から成る３層パイプ構造を有し、外筒１１と中筒１２で形成される第１の流路に対象ガスが送り込まれ、折り返されて中筒１２と内筒１３で形成される第２の流路に送り込まれ、この第２の流路内で折り返されて内筒１３内に送り込まれる。そして、加熱部３で加熱された出力ガスの熱により内筒１３の壁部を介して第２の流路内のガスＧ４を予備加熱する。また、内筒１３には、加熱部３で加熱されたガスを触媒酸化分解するための触媒４が設けられ、この触媒４の出力ガスの熱で第２の流路内のガスＧ４を予備加熱する。
【選択図】 図１

Description

【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置に関し、例えば、排気ガス熱の再利用した効率的な熱交換を可能とする熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境保護及び排気ガス抑制の強い要望に伴い、工場からの排気ガスやレストランの厨房からの悪臭や大気汚染の原因となる揮発性有害物質を酸化分解して無臭、無害化する貴金属を用いた触媒燃焼法が広く採用されている。有機系ガスは、通常、約７００℃以上に加熱すれば酸化分解して無臭、無害化されるが、７００℃以上での高温加熱は、加熱のために多くの熱エネルギーを必要とするばかりでなく、周辺装置の熱劣化を引き起こしたりする等の種々問題を含んでいる。そこで、より低温での酸化分解を促進するため、プラチナやパラジウムなどの貴金属触媒を酸化燃焼時に使用して３００℃以下の温度でガス燃焼で直接燃焼同様の酸化分解を可能とする貴金属触媒燃焼法が、ランニングコスト面やコンパクト化面の有効性を考慮して広く実用化されている。
【０００３】
図３には、この種の貴金属触媒燃焼法を用いた揮発性有害物質の加熱酸化分解装置の構成図が示されている。
【０００４】
図３を参照すると、脱臭浄化対象ガスを取り込み、ファン１０１により所定の風圧、ガス速度でフィルタ１０２に送り込む。フィルタ１０２は、送り込まれたガスの塵埃を除去する。塵埃が除去されたガスは、加熱器１０３で貴金属触媒酸化燃焼に必要な温度まで加熱される。こうして加熱されたガスは貴金属触媒１０４を通って酸化燃焼されて無害化、無臭化されたガスが排出される。
【０００５】
上述のように、貴金属触媒燃焼法を用いた揮発性有害物質の加熱酸化分解装置では、脱臭浄化対象ガスをファン及びフィルタで塵埃を除去した後、加熱器で所定の温度まで加熱して貴金属触媒において酸化燃焼処理を経て無害化、無臭化している。
【０００６】
貴金属触媒による酸化燃焼処理では、燃焼温度が直接燃焼方式と比較して低いものの３００℃程度と依然高熱である。このような高熱への加熱は熱源として例えば電気ヒータを用いる場合を考えると、熱源コストが高くなり経済的でない。
【０００７】
そこで、貴金属触媒による酸化燃焼処理後の出力ガス熱を予熱処理に再利用するシステムが開発されている。この種のシステムでは、酸化燃焼処理後の出力ガスの高熱を利用すべく、出力ガスを配管パイプで加熱器に誘導して熱交換器により脱臭浄化対象ガスを予備過熱する。
【０００８】
図４には、かかる貴金属触媒による酸化燃焼処理後の出力ガス熱を予熱処理に再利用するシステム構成図が示されている。
【０００９】
図４において、図３と同一符号が付与されている構成部は同様な構成、作用をする構成部を示す。ファン１０１とフィルタ１０２により塵埃が除去された脱臭浄化対象ガスは、熱交換器１０５を通って予備加熱される。熱交換器１０５は、貴金属触媒１０４を通って酸化燃焼され、フィードバックされた出力ガスの熱を利用して、フィルタ１０２から送り込まれた脱臭浄化対象ガスを予備加熱する。
予備加熱された脱臭浄化対象ガスは、加熱器１０３で貴金属触媒酸化燃焼に必要な温度まで加熱されて貴金属触媒１０４を通って酸化燃焼される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の出力ガス熱の再利用システムでは、熱交換器で、貴金属触媒を通って酸化燃焼されたフィードバックされた後、高熱出力ガスの熱を再利用して、脱臭浄化対象ガスを予備加熱している。
【００１１】
しかしながら、かかるシステムでは、出力ガスを、熱交換器を前段に含む加熱器に誘導するための配管パイプが必要で、しかもその配管パイプは比較的長いパイプとせざるを得ず、そのためのコストアップ、専有部分の増大及び長いパイプを高熱出力ガスが通ることによる熱ロスの問題がある。
【００１２】
これら問題は、上述のような貴金属を用いた出力ガス熱の再利用システムに限らず、他の任意のガスの加熱が必要で、出力熱を再利用するシステムにおいても同様に生ずる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、コンパクトで熱交換効率が高く、低コストの熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明による熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置は、次のような特徴的な構成を採用している。
【００１５】
（１）両側が開放されている外筒、一端側が開放され他端側が閉鎖された中筒及び両端側が開放された内筒から成る３重パイプ構造を有し、前記内筒は前記外筒の内周壁面に固定され、且つ少なくとも加熱部を内蔵し、
入力側からの流入ガスが前記中筒の閉鎖部を通り、前記外筒と中筒の周壁間の第１の流路に流入し、前記第１の流路のガスは前記外筒の内周と前記外筒間に形成された閉鎖部で折り返され、この折り返されたガスは前記中筒と内筒周壁間の第２の流路に流入し、前記第１の流路のガスとは反対方向のガスとして流れ、前記中筒の閉鎖部で折り返され、前記内筒の内部の前記加熱部に送り込まれ、
前記加熱部から出力される出力ガスの熱により前記内筒壁部を介して前記第２の流路内のガスを予熱する熱交換構造。
【００１６】
（２）外筒と、中筒と、少なくとも加熱部を内蔵する内筒から成る３層パイプ構造を有し、前記外筒と中筒で形成される第１の流路に対象ガスが送り込まれ、折り返されて前記中筒と内筒で形成される第２の流路に送り込まれ、前記第２の流路内で折り返されて前記内筒面内に送り込まれ、
前記加熱部で加熱された出力ガスの熱により前記内筒の壁部を介して前記第２の流路内のガスを予備加熱する熱交換構造。
【００１７】
（３）前記内筒には、前記加熱部で加熱されたガスを触媒酸化分解するための触媒が設けられ、前記触媒の出力ガスの熱で前記第２の流路内のガスを予備加熱する上記（１）又は（２）の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
【００１８】
（４）前記触媒は、貴金属触媒である上記（３）の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
【００１９】
（５）前記触媒は、メタルハニカム型触媒である上記（３）又は（４）の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
【００２０】
（６）前記加熱部は、電熱ヒータである上記（１）乃至（５）のいずれかの熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
【００２１】
（７）前記第２の流路断面積は、前記第１の流路断面積よりも小さい上記（１）乃至（６）のいずれかの熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
【００２２】
（８）前記触媒の処理ガス風量に対する空間速度が６０，０００ｌ／Ｈｒ以下、好ましくは３０，０００ｌ／Ｈｒ以下である上記（３）乃至（５）のいずれかの熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
【００２３】
（９）前記酸化分解する対象ガスである揮発性有機物の沸点が２５０℃以下である上記（３）乃至（５）のいずれか熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置の好適実施形態例について添付図を参照して詳細に説明する。本発明は、工場や厨房からのダクト排気や生ゴミ処理機からの排気などに適用可能であるが、これらに限定することなく適用範囲は広い。
【００２５】
図１は本発明を脱臭浄化装置への適用例を示す実施形態の簡略化された断面図である。本装置１は、両側が開放されている外筒としての第１筒１１、一端側が開放され他端側が閉鎖された中筒としての第２筒１２及び両端側が開放された内筒としての第３筒１３から成る筒状構造（３重パイプ構造）を有する。第３筒１３は第１筒１１の内周壁面Ｓに固定されている。第３筒１３の内部には、加熱部３と貴金属触媒４が設けられている。本装置は、全体をユニットとして所望の場所、位置に設置される。ユニットとしての使用性は、運送や設置等の面で有益であり、各種サイズ、機能のユニットを工場で事前に製造しておけば、ユーザ側の要望に応じて適正なユニットを持ち込んで設置するだけで工事は完了するので、汎用性が非常に高くなる。このユニットには、配管パイプ等の設置場所に取り付けるための取付部を予め設けておけば、より工事、設置作業が容易となる。
【００２６】
図１において、本装置１の入力側１０から入力された脱臭浄化対象ガスは、例えば、従来のように、ファンとフィルタ（図示せず）によりガス圧が付与され、塵埃が除去された入力ガスである。本装置の入力側１０に面した第２筒１２の底部分１Ａは閉鎖されており、且つその表面形状は円錐状となっており、入力ガスの流れが底部分により阻害されないように、スムーズな流れを確保する形状とされている。
【００２７】
入力側１０から流入された入力ガスＧ１は、第２筒１２の底部分１Ａを通り、第１筒１１と第２筒１２周壁間のスペースに流入してガス流Ｇ２となる。第１筒１１と第２筒１２周壁間のスペースへの流入ガスＧ２は、第１筒１１の内周と第３筒１３間に形成された閉鎖部１Ｂで反射され、折り返されてガス流Ｇ３となる。このガス流Ｇ３は、第２筒１２と第３筒１３周壁間のスペースに流入して、ガス流Ｇ２とは反対方向のガス流Ｇ４として流れる。更に、このガス流Ｇ４は、第２筒１２の底部１Ａの裏表面で反射、折り返されたガス流（Ｇ５）として第３筒１３の内部に送り込まれ、ガス流Ｇ６として加熱部３に流入する。
【００２８】
加熱部３は、ガス流Ｇ６を加熱、例えば約３００℃程度まで加熱する。こうして約３００℃程度に加熱された脱臭浄化対象ガス（ガス流Ｇ７）は、貴金属触媒４で酸化燃焼されて無害化、無臭化されたガスが処理ガス（ガス流Ｇ８）として排出される。加熱部３としては、例えば、電気ヒータや燃焼バーナー等の任意の加熱手段が用い得る。
【００２９】
貴金属触媒４は、例えば、ウオッシュコートと称される１００ｍ^２／ｇを超える高表面積のセラミックス成分の表面に１００Å程度の貴金属成分を微粒子として分散させたもので、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ合金ＳＵＳ材で製造されるメタルハニカム構造体の上にウオッシュコートを施して、貴金属微粒子を分散加担させたメタルハニカム触媒である。
【００３０】
かかる構造のメタルハニカム触媒は、空間速度を高く触媒体積を小さくでき、圧力損失が低く装置のコンパクト化が可能となる。また、非常に高い表面担持型触媒で触媒貴金属が触媒表面に多量にあるため高活性な浄化率性能が得られる。
更に、ステンレス基体であるため熱伝導性が高く熱容量が低いため触媒作動温度までの立ち上がりが非常に早く、振動、加重、衝撃、サーマルショックに強く、高い耐熱性を有する。また、ステンレス薄板を使用すれば角型、丸型など自由な寸法と形状設計が容易であるという特徴を有する。
【００３１】
さて、本実施形態においては、構造上、熱利用効率が従来構造と比較して格段に改善される。すなわち、本実施形態では、図１に示すように、第２筒１２の内面と第３筒１３の外面で形成されたスペースを脱臭浄化対象ガスである流れるガス流Ｇ３とＧ４が、第２筒１２を介して、加熱部３で高温に加熱された、貴金属触媒４に流入するガス流Ｇ７と出力ガス流Ｇ８（処理ガス）の熱によって予備加熱される。この予備加熱は、出力ガス熱を用いた熱交換機能に基づいて行われる。図１において、第２筒１２の軸方向領域Ｘでは第２筒１２の壁を介して高熱のガス流Ｇ７とＧ８の高熱が、熱交換作用により加熱部３に流入するガス流Ｇ３とＧ４を予備加熱する。
【００３２】
上記熱交換作用を可能な限り高効率化するためには、領域Ｘの長さを長くするほど上記熱交換効率が上がり、コスト削減効果が得られる。また、第２筒１２の領域Ｘ部の表面積を最大化する工夫が効果的で、例えば、フィン構造を採用することができる。
【００３３】
第１筒１１、第２筒１２及び第３筒１３で形成されるスペースの流路断面積は最も内側が最も外側のそれよりも小さいことが望ましい。また、貴金属触媒の処理ガス風量に対する空間速度が６０，０００〔１／Ｈｒ〕以下、好ましくは３０，０００〔１／Ｈｒ〕とすることが望ましいことが実験的に確認された。
【００３４】
上述実施形態のように構成された触媒式酸化分解装置の具体的実施例を以下いくつか説明する。
【００３５】
《実施例１》
メタルハニカム触媒：５０μｍＳＵＳ材上にアルミナコーティングを施した３００ｃｐｓｉ開孔状態の白金（Ｐｔ）系酸化触媒（Ｐｔ担持量：２ｇ／ｌ触媒）、ｃｐｓｉ＝ｃｅｌｌ／ｉｎｃｈ^２

以上の構成を有する本発明による装置を用いて処理ガスの酸化分解実験したところ、本装置出口では、ＢｕＯＨ、ＩＰＡ、酢酸、その他の炭化水素は９８％以上が酸化分解されたことを実験的に確認した。
【００３６】
《実施例２》
本発明の実施形態の触媒式酸化分解装置を用いてエチレンオキサイドガスの浄化性能を確認した。

【００３７】
《実施例３》
本発明の実施形態の触媒式酸化分解装置の最外筒サイズを変更して、熱交換効率の変化を検討して図２に示すような結果を得た。実験のための基準ガスは、トルエン：６５０ｐｐｍ、風量１．５Ｎｍ^３／分処理することで確認した。
図２から本装置では、最も内側の処理ガス流路断面積が最も外側の流路断面積に比較して小さいほうが排気ガスの熱交換効率が高いことが分かった。
【００３８】
《実施例４》
実施例１で製造した触媒式酸化分解機器内の触媒体積を増減して、揮発性有機物の当該触媒による酸化分解効率について６５０ｐｐｍトルエンガスを用いて実験した。
その結果、ＳＶ値（処理ガス風量ｍ^３／Ｈｒ÷触媒体積ｍ^３）が６０，０００［１／Ｈｒ］を越えると、処理ガスの浄化効率が９０％以下となり、３０，０００［１／Ｈｒ］以下となると、浄化率はほぼ１００％となった。一方、多量の触媒を必要とした。
【００３９】
《実施例５》
実験を継続していく過程で、酸化分解処理を行う揮発性有機物が熱交換パイプ表面に付着して、タール状態となり電熱効果を妨げることが判った。従って、本発明の触媒式酸化分解装置においては、処理ガスの触媒出口温度以上の沸点を有する揮発性有機物の処理は好ましくない。通常触媒出口温度は２５０℃〜４００℃となるので、揮発性有機物の沸点は２５０℃以下が好ましい。
【００４０】
以上、本発明の熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置の好適実施形態例を説明したが、これは単なる例示にすぎず、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることは勿論である。
【００４１】
【発明の効果】
上述の如く、本発明の熱交換構造及びそれを利用した触媒式ガス酸化分解装置によれば、簡単な構造で且つコンパクト化が可能となるだけでなく、排ガス熱を効率的に再利用でき、コスト面でもきわめて顕著な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を脱臭浄化装置への適用例を示す実施形態の簡略化された断面図である。
【図２】本発明の具体的実施例の結果を示す図である。
【図３】従来の貴金属を用いた触媒式酸化分解装置の構成図である。
【図４】従来の他の貴金属を用いた触媒式酸化分解装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 触媒式酸化分解装置
３ 加熱部
４ 貴金属触媒
１０ 入力側
１１、１２、１３ 筒
２０ 出力側
１０１ ファン
１０２ フィルタ
１０３ 加熱器
１０４ 貴金属触媒
１０５ 熱交換器

Claims (9)

1. 両側が開放されている外筒、一端側が開放され他端側が閉鎖された中筒及び両端側が開放された内筒から成る３重パイプ構造を有し、前記内筒は前記外筒の内周壁面に固定され、且つ少なくとも加熱部を内蔵し、
   入力側からの流入ガスが前記中筒の閉鎖部を通り、前記外筒と中筒の周壁間の第１の流路に流入し、前記第１の流路のガスは前記外筒の内周と前記外筒間に形成された閉鎖部で折り返され、この折り返されたガスは前記中筒と内筒周壁間の第２の流路に流入し、前記第１の流路のガスとは反対方向のガスとして流れ、前記中筒の閉鎖部で折り返され、前記内筒の内部の前記加熱部に送り込まれ、
   前記加熱部から出力される出力ガスの熱により前記内筒壁部を介して前記第２の流路内のガスを予熱することを特徴とする熱交換構造。
2. 外筒と、中筒と、少なくとも加熱部を内蔵する内筒から成る３層パイプ構造を有し、前記外筒と中筒で形成される第１の流路に対象ガスが送り込まれ、折り返されて前記中筒と内筒で形成される第２の流路に送り込まれ、前記第２の流路内で折り返されて前記内筒面内に送り込まれ、
   前記加熱部で加熱された出力ガスの熱により前記内筒の壁部を介して前記第２の流路内のガスを予備加熱することを特徴とする熱交換構造。
3. 前記内筒には、前記加熱部で加熱されたガスを触媒酸化分解するための触媒が設けられ、前記触媒の出力ガスの熱で前記第２の流路内のガスを予備加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
4. 前記触媒は、貴金属触媒であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
5. 前記触媒は、メタルハニカム型触媒であることを特徴とする請求項３又は４に記載の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
6. 前記加熱部は、電熱ヒータであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
7. 前記第２の流路断面積は、前記第１の流路断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
8. 前記触媒の処理ガス風量に対する空間速度が６０，０００ｌ／Ｈｒ以下、好ましくは３０，０００ｌ／Ｈｒ以下であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。
9. 前記酸化分解する対象ガスである揮発性有機物の沸点が２５０℃以下であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の熱交換構造を利用した触媒式ガス酸化分解装置。

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