JP2005152701A

JP2005152701A - ガス処理装置およびガス処理方法

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Publication number: JP2005152701A
Application number: JP2003391525A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Nakamune; 浩昭中宗; Minoru Sato; 稔佐藤; Yoshio Nishimoto; 芳夫西本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: JP4184242B2

Abstract

【課題】従来の可燃性を呈する炭化水素などの一般的にＶＯＣと呼ばれるガスを処理する方法では、始動時に酸化触媒の入口付近の温度が触媒活性温度に達した段階で処理ガスを供給していたので、触媒全体が活性温度に達するまでの最初の数秒から数十秒間は処理ガスが酸化分解されずに放出されること、すなわち始動時に未処理ガスがスリップする問題があった。
【解決手段】被処理ガス１０を通流する流路２と、この流路の上流側に配設された被処理ガスを通流する第１の触媒層６Ａと、この第１の触媒層の下流側に離間して設けられ該第１の触媒層を通過したガスを通流する第２の触媒層６Ｂと、始動時に上記第１の触媒層を少なくとも触媒活性温度以上に予備加熱するための加熱手段５とを備えるように構成したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば低温機器が具備する冷凍回路に封入されている冷媒、特に、従来の冷蔵庫などに使用されてきたフロンに替わって用いられる、可燃性を呈する代替冷媒の炭化水素系ガス等の廃ガスを処理する場合などに好ましく用いることができるガス処理装置およびガス処理方法に関するものである。

冷蔵庫やショーケースなどの低温機器が具備する冷凍回路の内部に封入される冷媒として、従来不燃性ガスのフロン類が用いられていた。これらフロン類は、大気への拡散に伴うオゾン層破壊や地球温暖化への影響があるために、冷媒回路に起因する故障や不具合による保修や使用済み機器の適正処理を行う場合、封入されている冷媒を機器から回収する必要が生じる。不燃性ガスであるフロンを冷媒に用いた低温機器の場合、家電リサイクル施設ではフロン回収法に則して処理が行われてきた。すなわち冷媒回路を構成して圧縮機の近傍にある配管の一部に中空の針を挿入し、吸引することによって回収する。専用の回収機では、回収した冷媒を再度圧縮しながらボンベに移送、液化状態で保管した後、分解処理をすることによって無害化している。

これに対して、フロン類に替わる冷蔵庫などの冷媒として環境への悪影響がほとんど無い可燃性冷媒である例えばイソブタンが代替フロン冷媒として用いられるようになってきた。フロンの回収設備しか備えていない現在の家電リサイクル設備では、使用済の冷蔵庫として回収される量が多くない現状、イソブタンは燃焼の下限濃度以下に空気で希釈するなどして大気へ放出することによって対処されている。しかしながら今後代替フロン冷蔵庫、すなわちイソブタンを使用した冷蔵庫が主流になった場合、家電リサイクル設備でもその処理方法の確立が必要になる。本発明は家電リサイクル設備で回収されるイソブタンなどの冷媒の廃棄処理が重要になるとの技術課題を得てなされたものである。

可燃性を呈する炭化水素などの一般的にＶＯＣ（ＶｏｌａｔｉｌｅＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｕｎｄｓ：揮発性有機化合物）と呼ばれるガスを処理する方法は、酸化分解法、化学吸収法、物理吸収法、吸着法、生物処理法に大別される。その中で触媒を用いた酸化分解法は広く適用されている（例えば、「環境触媒ハンドブック」株式会社エヌ・ティー・エス発行、２００１年１１月２０日、６１９頁、右段２０〜３６行参照。）。

従来の触媒酸化分解法は、同文献、６２１頁、右段２２行〜６２２頁、左段１０行（図４）にも示されるように、酸化分解触媒と補助バーナから構成されている。この補助バーナは始動時に使用される。すなわち始動時は補助バーナによって酸化触媒を触媒活性温度まで予熱する。予熱後に処理ガスを供給して酸化分解処理の定常運転に移行する。この酸化分解法では、同文献、１５２頁、右段５行〜１８行に示されるように、始動時に酸化触媒全体が活性温度に達するまでの温度上昇が著しく遅いことが知られている。

「環境触媒ハンドブック」、株式会社エヌ・ティー・エス発行、２００１年１１月２０日、６１９頁、右段２０〜３６行）

上記のような従来の可燃性冷媒の処理装置ないしは処理方法は、始動時に酸化触媒全体が活性温度に達するまでの温度上昇が著しく遅いため、酸化触媒の入口付近の温度が触媒活性温度に達しても、酸化触媒の下流の温度が触媒活性温度に達していなかった。そのため処理ガスは酸化触媒の入口では酸化分解されるが、酸化触媒の下流では酸化分解されず、触媒全体が活性温度以上になって定常運転に移行するまでの最初の数秒から数百秒間は処理ガスが酸化分解されずに放出されること（始動時の未処理ガスのスリップ）が問題であった。また処理ガス量が多く酸化触媒の容積が大きい場合では、予熱時間が増大する問題があった。また予熱時間が増大するために補助燃料などのエネルギー使用量が増加して運転コストが増大する問題があった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、始動時の未処理ガスのスリップを低減し、予熱時間の短縮を図り、補助燃料などのエネルギー使用量の低減による運転コストの削減が可能なガス処理装置およびガス処理方法を提供することを目的としている。

この発明に係る可燃性冷媒などのガス処理装置は、被処理ガスを加熱された触媒に接触させて分解処理を行うガス処理装置において、被処理ガスを通流する流路と、この流路の上流側に配設された被処理ガスを通流する第１の触媒層と、この第１の触媒層の下流側に設けられ該第１の触媒層を通過したガスを通流する第２の触媒層と、始動時に上記第１の触媒層を少なくとも触媒活性温度以上に予備加熱するための加熱手段とを備えたものである。

この発明によれば、始動時に触媒を常に触媒活性温度より高くできるので、始動時の未処理ガスのスリップを低減できる。また触媒全体を予熱する必要がないので、予熱時間の短縮ができる。処理ガスのもつ発熱エネルギーを触媒の予熱に使用するので、予熱に必要な補助燃料などのエネルギー使用量を低減でき、運転コストを削減することができる。

実施の形態１．
図１および図２は、この発明を実施するための実施の形態１による可燃性冷媒などのガス処理装置および処理方法を説明するための図であり、図１はガス処理装置の要部を模式的に示す構成図、図２は始動時の第一段階と第二段階について測定された触媒層の温度分布を示す特性図である。ボンベ１には、フロン代替冷媒などとして用いられるイソブタンなどの廃ガスが予め回収、収容されている。図に示すように、そのボンベ１から送出される被処理ガス１０を通流する流路２内には、ブロア３によって送給される空気４および／または被処理ガス１０を加熱する予熱ヒータ５と、流路２の上流側に配設された酸化触媒からなる第１の触媒層６Ａと、その下流側に配設された同様の酸化触媒からなる第２の触媒層６Ｂが設けられている。この実施の形態１では、触媒層６は２段に分割した形で配設されており、前段の第１の触媒層６Ａと後段の第２の触媒層６Ｂを合わせた触媒層６の総容積は処理するガスの定格処理量に適した値となっている。

なお、上記予熱ヒータ５は、始動時に空気４を加熱することによって第１の触媒層６Ａを触媒活性温度に予備加熱する加熱手段を構成している。また、１１は処理ガス、１２は前段触媒酸化分解ガス、１３は酸化分解ガス、１４は排気を示し、７はブロア３によって送給される空気を酸化分解ガス１３の熱によって予熱するための熱交換器である。また、説明の便宜上、酸化触媒の軸方向にＸ軸を取り、第１の触媒層６Ａの入口部をｘ１、出口部をｘ２とする。また第２の触媒層６Ｂの入口部をｘ３、出口部をｘ４としている。

次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。なお、家電リサイクル設備などで回収されたイソブタンは回収用のボンベ１に予め回収されているものとする。先ず、ブロア３で酸化分解用の空気４を流路２内に送給する。始動時はブロア３から送給される空気４を予熱ヒータ５で加熱し、その熱で前段の第１の触媒層６Ａを触媒活性温度Ｔａまで予熱する。以下、図２を参照して始動時の動作について第一段階と第二段階に分けて詳細に説明する。なお、図２において予熱開始からｔ１時間後の第一段階での第１の触媒層６Ａと第２の触媒層６Ｂの温度分布を実線で、ｔ２時間後の第二段階での第１の触媒層６Ａと第２の触媒層６Ｂの温度分布を破線で示している。

（第一段階）
予熱開始ｔ１時間後には第１の触媒層６Ａは、入口部ｘ１から出口部ｘ２に至る全体的に触媒の活性温度Ｔａに達している。一方、その時点では第２の触媒層６Ｂの入口部ｘ３から出口部ｘ４は触媒の活性温度に達していない。ここで、ボンベ１から回収されたイソブタンからなる被処理ガス１０を供給する。被処理ガス１０は空気４と混合部８で混合されて処理ガス１１となる。この処理ガス１１を、第１の触媒層６Ａの容積に適した流量、即ち定常運転時の定格処理量より少なく、通常この種の触媒で使用されるＳＶ値（空間速度）から算出される処理量（さらに具体的には後述する）で供給すると、第１の触媒層６Ａは全体が触媒活性温度より高くなっているので、処理ガス１１は第１の触媒層６Ａで実質的に全て酸化分解されて前段触媒酸化分解ガス１２となる。一方その間、第２の触媒層６Ｂはこの前段触媒酸化分解ガス１２の熱により予熱される。

（第二段階）
ｔ２時間後には第２の触媒層６Ｂは、入口部ｘ３から出口部ｘ４に至る全体が触媒活性温度Ｔａに達する。ここで処理ガス１１の流量を定格処理量まで増加させて定常運転に移行させる。第２の触媒層６Ｂは全体が触媒活性温度Ｔａより高くなっているので、第１の触媒層６Ａで処理されなかった処理ガス１１は第２の触媒層６Ｂで全て酸化分解される。第１の触媒層６Ａと第２の触媒層６Ｂを近接して配置することで、定常運転に移行後は、触媒を分割しない場合と同様の酸化分解処理が行なわれる。また、定常運転に移行した後は、熱交換器７により酸化分解ガス１３の熱で空気４が予熱されるため、予熱ヒータ５による空気４の予熱は必要なくなる。熱交換後の酸化分解ガス１３は排気１４として処理される。

上記のように、この実施の形態１では始動時から定常時に移行するまで酸化触媒を常に活性温度より高くできるので、処理ガス１１のスリップを低減することができる。また、始動時に触媒全体を予熱する必要はなく、分割された前段の第１の触媒層６Ａのみを触媒活性温度Ｔａに予熱すればよいので予熱時間の短縮ができる。また、処理ガスのもつ発熱エネルギーを後段の第２の触媒層６Ｂの予熱に使用するので、予熱に必要なヒータや補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。

ここで、図１に示すガス処理装置を用いてイソブタン回収用のボンベ１に回収された液体状態で２０Ｌのイソブタンからなる被処理ガス１０を１時間で処理する可燃性冷媒のガス処理方法についてさらに具体的に説明する。なお、処理ガス１１の濃度は労働安全衛生規則による乾燥機の溶剤濃度の基準（燃焼下限濃度の３０％以下）を参考にして設定した。すなわちイソブタンの燃焼下限濃度は１．８％であるため、処理ガス１１のイソブタン濃度を４５００ｐｐｍとした。このとき定常運転時の処理ガス１１の定格処理量は９２０ｍ^３／ｈとなる。酸化分解用の触媒層６のＳＶ値（空間速度）は通常この種の触媒で使用される６００００ｈ^−１と設定した。

定格処理量とＳＶ値から触媒層６の総容積は約１５Ｌと算出され、そのサイズは直径３００ｍｍ×長さ２２０ｍｍとなる。この値からこの実施の形態１のガス処理装置では、第１の触媒層６Ａと第２の触媒層６Ｂのサイズはそれぞれ定格処理量の半分の直径３００ｍｍ×長さ１１０ｍｍの同一の大きさとし、両者を約１ｍｍの間隔に近接して設置した。両触媒層ともにパラジウム系ハニカム触媒を使用した。予熱ヒータ５は一般的な電気ヒータを用いた。熱交換器７は一般的なプレートフィン型のものを用いた。次に始動時の第一段階と第二段階について説明する。

（第一段階）
始動時はブロア３により定格処理流量の１／２の４６０ｍ^３／ｈの空気４を第１の触媒層６Ａに供給する。次に予熱ヒータ５に通電して空気４を加熱し、その熱で第１の触媒層６Ａを触媒活性温度Ｔａまで予熱する。第１の触媒層６Ａの温度は図示しない例えば熱電対で計測され、触媒活性温度である約３００℃に達すると、イソブタンでなる被処理ガス１０がボンベ１から処理ガス１１の濃度が約４５００ｐｐｍになるように図示しない調整装置により制御されて供給される。イソブタンが供給されると第１の触媒層６Ａによって酸化分解処理が開始され、６００〜７００℃の前段触媒分解ガス１１が生成する。この熱で第２の触媒層６Ｂが触媒活性温度Ｔａまで予熱される。

（第二段階）
第２の触媒層６Ｂの温度は図示しない熱電対等で同様に計測され、触媒活性温度Ｔａ以上に達すると、ブロア３からの空気４を定格処理量、すなわち９２０ｍ^３／ｈまで増加させる。このときイソブタンからなる被処理ガス１０の流量も処理ガス１１の濃度が約４５００ｐｐｍとなるように増加させて定常運転に移行する。定常運転では熱交換器７において酸化分解ガス１３の熱により空気４が予熱されるため、予熱ヒータ５による処理ガス１１の予熱は必要なくなる。

上記のように廃ガス処理を行う実施の形態１による可燃性冷媒などのガス処理方法では、定常運転に移行するまでに排気１４中に発生した処理ガス１１のスリップは約１００ｐｐｍであり、実用上無視できるレベルであった。これに対し、比較のため従来の処理装置を用いた方法により定常運転に移行するまでに排気１４中に発生した処理ガス１１のスリップを測定した。その結果１０００ｐｐｍ以上のスリップが発生した。

図３は、従来の装置でスリップが発生する理由を説明するための比較例としてのガス処理装置を模式的に示す構成図である。図３において、図１と同一符号は同一部分または相当部分を示す。触媒層６０は一段となっている。図では触媒層６０の軸方向にＸ軸を取り、触媒層６０の入口部をｘ１、出口部をｘ４１と示した。また、図４は図３に示す比較例の処理装置について測定された触媒層の温度分布を示す図である。予熱開始からｔ１１時間後の触媒層６０の温度分布を実線で、ｔ２１時間後の触媒層６０の温度分布を破線で示した。ここでｔ１１は実施の形態１の図２で示した時間ｔ１と同じ値である。

次に、上記比較例における始動時の動作について触媒層６０の温度分布と合わせて説明する。家電リサイクル設備で回収されたイソブタンはイソブタン回収用のボンベ１に回収されている。ブロア３で酸化分解用の空気を供給する。始動時はブロア３から空気４を供給し、予熱ヒータ５で空気４を加熱してその熱で触媒層６０を予熱する。予熱開始からｔ１１時間後に、触媒層６０の入口温度が触媒活性温度に達するとイソブタン回収用のボンベ１から被処理ガス１０を供給する。イソブタンからなる被処理ガス１０は空気４と混合して処理ガス１１となる。

このように、比較例で示す従来の処理装置ないしは処理方法では、触媒層６０の下流側に熱が奪われるため予熱開始からｔ１１時間後に、触媒層６０の入口部付近が触媒活性温度に達していても、中央部を含む触媒層６０の下流側が触媒活性温度に達していない（図４の実線）。そのため、処理ガス１１は触媒層６０の入口部では酸化分解されるが、その下流側では酸化分解されずにスリップして排出されてしまう。スリップは触媒層６０の下流側が触媒活性温度に達するまで発生する。すなわち図４でｔ２１時間後の触媒層６０全体が活性温度に達するまでスリップが生じることになる。

イソブタン回収用のボンベ１に回収された液体状態で２０Ｌのイソブタンでなる被処理ガス１０を１時間で処理する可燃性冷媒の処理方法について従来の処理方法に沿って詳細に説明する。処理ガス１１の濃度は労働安全衛生規則による乾燥機の溶剤濃度の基準（燃焼下限濃度の３０％以下）を参考にして設定した。すなわちイソブタンの燃焼下限濃度は１．８％であるため処理ガス１１のイソブタン濃度を４５００ｐｐｍとした。このとき定常運転時の処理ガス１１の定格処理量は９２０ｍ^３／ｈとなる。酸化分解触媒のＳＶ値（空間速度）は通常この種の触媒で使用される６００００ｈ^−１と設定した。定格処理量とＳＶ値から酸化触媒の容積は約１５Ｌと算出され、触媒層６０のサイズは直径３００ｍｍ×長さ２２０ｍｍとした。触媒層６０はパラジウム系ハニカム触媒を使用した。予熱ヒータ５は一般的な電気ヒータを用いた。熱交換器７は一般的なプレートフィン型のものを用いた。

次に始動時の動作について説明する。始動時はブロア３により定格処理流量の９２０ｍ^３／ｈの空気４を触媒層６０に供給する。次に予熱ヒータ５に通電して空気４を加熱してその熱で触媒層６０を触媒活性温度まで予熱する。触媒層６０の温度は図示しない熱電対で計測され、触媒層６０の入口部ｘ１が触媒活性温度の約３００℃に達すると、イソブタンでなる被処理ガス１０がボンベ１から処理ガス１１の濃度が約４５００ｐｐｍになるように供給される。イソブタンが供給されると触媒層６０によって酸化分解処理が開始されるが、触媒層６０の下流側出口部ｘ４１が触媒活性温度に達していないため、スリップが発生した。このスリップは１０００ｐｐｍ以上発生し、触媒層６０の下流側が触媒活性温度に達するまで１００秒以上続いた。

上記のように、従来装置ないしは従来方法に対し、この発明の実施の形態１による可燃性冷媒などのガス処理装置では、始動時に酸化触媒を常に触媒活性温度より高くすることが容易にできるので、始動時の未処理ガスのスリップを低減できる。また、始動時に触媒全体を予熱する必要はなく、前段触媒のみを予熱すればよいので予熱時間の短縮ができる。また、処理ガスのもつ発熱エネルギーを後段触媒の予熱に使用するので、予熱に必要なヒータや補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。

なお、上記説明では触媒層６が２段の場合を示したが、触媒層が３段以上の場合でも同様の効果が得られる。例えば触媒層を前段触媒層と中段触媒層と後段触媒層の容積が同等の３段とした場合では、始動時の第一段階として前段触媒層を予熱し、定格処理量の１／３の処理ガスを供給する。処理ガスの酸化分解の熱により中段触媒層を予熱する。第二段階として中段触媒層が予熱されると定格処理量の２／３の処理ガスを供給する。処理ガスの酸化分解の熱により後段触媒層を予熱する。第三段階として後段触媒層が予熱されると定格処理量の処理ガスを供給して定常運転に移行する。このように、始動時に酸化触媒層を常に触媒活性温度より高くできる。

なお、上記説明した実施の形態１では予熱ヒータ５は電気ヒータを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば補助バーナなどで構成しても同様の効果が得られることは明らかである。

実施の形態２．
図５は、この発明を実施するための実施の形態２による可燃性冷媒などのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。図に示すように、この実施の形態２では上記実施の形態１に係る図１の熱交換器７を省いた他は、実施の形態１と同様に構成されており、各図を通じて同一符号は同一部分または相当部分を示しているので説明を省略する。

通常この種のガス処理装置では、定常運転時には予熱ヒータ５のエネルギー使用量を削減するため、熱交換器が用いられることが多い。しかし処理装置の構成を単純化して設置コストの削減や信頼性を増すために、熱交換器を設置しない場合もある。この実施の形態２によるガス処理装置はこのような場合に応えるもので、始動時の動作は実施の形態１と同様に行われる。なお、廃熱回収の熱交換器を具備しないため、定常運転移行後も予熱ヒータ５による処理ガス１１の予熱が必要である。

上記のように実施の形態２になる可燃性冷媒などのガス処理装置では、実施の形態１と同様、始動時に触媒全体を予熱する必要はなく、前段の第１の触媒層６Ａのみを予熱すればよいので予熱時間の短縮ができ、常に触媒活性温度以上となるように処理ガスの通流量を制御し段階的に定常運転に移行させるので、始動時を含めて未処理ガスのスリップを低減できる。また、始動時に前段の第１の触媒層６Ａを通過した前段触媒酸化分解ガス１２のもつ発熱エネルギーを後段触媒の予熱に使用するので、予熱時に必要とするヒータや補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。

実施の形態３．
図６は、この発明を実施するための実施の形態３による可燃性冷媒などのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。図に示すように、この実施の形態３では第１の触媒層６Ａを触媒活性温度Ｔａに予備加熱するための加熱手段として、第１の触媒層６Ａの外周部に沿って外周予熱ヒータ５１を付設したものである。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

この実施の形態３では、立ち上げ時に、外周予熱ヒータ５１を用いて第１の触媒層６Ａの全体が触媒活性温度Ｔａに達するまで加熱される他は、上記実施の形態１と同様の方法で２段階で定常運転に移行される。加熱手段が第１の触媒層６Ａの外周部に沿って設けられていることにより、処理ガス１１の流路２中に予熱ヒータを設置する必要がなく、外周予熱ヒータ５１や第１の触媒層６Ａの保守、整備が容易にできる。

上記のように、この発明の実施の形態３によれば、始動時に酸化触媒を常に触媒活性温度より高くできるので、始動時の未処理ガスのスリップを低減出来できる。また、始動時に触媒全体を予熱する必要はなく、前段触媒のみを予熱すればよいので予熱時間の短縮ができる。また、処理ガスのもつ発熱エネルギーを後段触媒の予熱に使用するので、予熱に必要なヒータや補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。さらに処理装置の構成を単純化して信頼性を増すことができる。

実施の形態４．
図７は、この発明を実施するための実施の形態４によるガス処理装置の要部としての酸化分解触媒近傍を模式的に示す構成図である。図に示すように、この実施の形態４では第１の触媒層を触媒活性温度に予備加熱するための加熱手段として、第１の触媒層６Ａ１を電気加熱式触媒（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＨｅａｔｅｄＣａｔａｌｙｓｔ：以下ＥＨＣとも記す）を用いて構成したものである。その他の構成は上記実施の形態３と同様であるので、説明を省略する。

この実施の形態４では、実施の形態３と同様に動作されるが、第１の触媒層６Ａ１をＥＨＣとしたことにより、処理ガス１１の流路２中に予熱ヒータを設置する必要がなく、保守や整備が容易にできる。また加熱の放熱ロスの少ないＥＨＣを使用することで、消費電力も低減することが出来、運転コストの削減ができる。

上記のように、実施の形態４によれば、始動時に酸化触媒を常に触媒活性温度より高くできるので、始動時の未処理ガスのスリップを低減できる。また、始動時に触媒全体を予熱する必要はなく、前段触媒のみを予熱すればよいので予熱時間の短縮ができる。また、処理ガスのもつ発熱エネルギーを後段触媒の予熱に使用するので、予熱に必要な補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。さらに処理装置の構成を単純化して信頼性を増すこと、消費電力も低減することができて運転コストを削減することができる。

実施の形態５．
図８は、この発明を実施するための実施の形態５によるガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。図に示すように、この実施の形態５においては、第１の触媒層６Ａの容積は第２の触媒層６Ｂの容積よりも小さく、すなわち熱容量は第２の触媒層６Ｂよりも小さくなっている。なお、第１の触媒層６Ａと第２の触媒層６Ｂを合わせた触媒層の総容積は処理するガスの定格処理量に適した値となっている。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に上記のように構成された実施の形態５による始動時の動作について説明する。家電リサイクル設備で回収されたイソブタンはイソブタン回収用のボンベ１に予め回収されている。ブロア３で酸化分解用の空気を供給する。始動時はブロア３から空気４を供給し、予熱ヒータ５で空気４を加熱してその熱で第１の触媒層６Ａを触媒活性温度Ｔａまで予熱する。第１の触媒層６Ａが触媒活性温度に達するとボンベ１から被処理ガス１０を流路２に送給する。被処理ガス１０は混合部８で空気４と混合されて処理ガス１１となる。始動時は処理ガス１１の流量は定格処理量より少なく、第１の触媒層６Ａの容積に見合った少ない流量に設定されている。処理ガス１１は第１の触媒層６Ａで酸化分解されて前段触媒酸化分解ガス１２となる。第２の触媒層６Ｂはこの前段触媒酸化分解ガス１２の熱により予熱される。

第２の触媒層６Ｂが触媒活性温度に達すると、処理ガス１１の流量は定格処理量まで増加されて定常運転に移行する。定常運転では熱交換器７により酸化分解ガス１３の熱により空気４が予熱されるため、予熱ヒータ５による空気４の予熱は必要なくなる。熱交換後の酸化分解ガス１３は排気１４として処理される。

上記のようにこの実施の形態５に係るガス処理装置では、始動時に熱容量の小さな前段の第１の触媒層６Ａのみを触媒活性温度Ｔａに予熱すればよいので、予熱時間を短縮することができる。また処理ガスのもつ発熱エネルギーを後段の第２の触媒層６Ｂの予熱に使用するので、予熱に必要なヒータや補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。

次に、回収用のボンベ１に回収された液体状態で２０Ｌのイソブタン１０を１時間で処理する場合を例に、この実施の形態５によるガス処理方法についてさらに具体的に説明する。処理ガス１１の濃度は、上記と同様労働安全衛生規則による乾燥機の溶剤濃度の基準（燃焼下限濃度の３０％以下）を参考にして設定した。すなわちイソブタンの燃焼下限濃度は１．８％であるため、処理ガス１１のイソブタン濃度を４５００ｐｐｍとした。このとき定常運転時の処理ガス１１の定格処理量は９２０ｍ^３／ｈとなる。

酸化分解触媒のＳＶ値（空間速度）は通常この種の触媒で使用される６００００ｈ^−１と設定した。定格処理量とＳＶ値から酸化触媒の容積は約１５Ｌと算出され、酸化触媒のサイズは直径３００ｍｍ×長さ２２０ｍｍとなる。この値から、この実施の形態５では、第２の触媒層６Ｂのサイズを直径３００ｍｍ×長さ２００ｍｍとし、第１の触媒層６Ａは第２の触媒層６Ｂの約１／１０の容積、すなわち直径３００ｍｍ×２０ｍｍとした。両触媒層ともにパラジウム系ハニカム触媒を使用した。予熱ヒータ５は一般的な電気ヒータを用いた。熱交換器７は一般的なプレートフィン型のものを用いた。

次に始動時の動作について説明する。始動時はブロア３により定格処理流量の１／１０の９０ｍ^３／ｈの空気４を第１の触媒層６Ａに供給する。次に予熱ヒータ５に通電して空気４を加熱してその熱で第１の触媒層６Ａを触媒活性温度Ｔａまで予熱する。第１の触媒層６Ａの温度は図示しない熱電対で計測され、触媒活性温度の約３００℃に達するとイソブタンからなる被処理ガス１０がボンベ１から処理ガス１１の濃度が約４５００ｐｐｍになるように供給される。被処理ガス１０が供給されると、第１の触媒層６Ａによって酸化分解処理が開始され、６００〜７００℃の前段触媒分解ガス１１が生成する。この熱で第２の触媒層６Ｂが触媒活性温度Ｔａまで予熱される。第２の触媒層６Ｂの温度は図示しない熱電対で計測され、触媒活性温度以上に達すると、ブロア３からの空気４を定格処理量、すなわち９２０ｍ^３／ｈまで増加させる。このとき被処理ガス１０の流量も処理ガス１１の濃度が約４５００ｐｐｍとなるように増加させる。

処理ガス１１の流量を定格処理量まで増加させて定常運転に移行すると、熱交換器７により酸化分解ガス１３の熱により空気４が予熱されるため、予熱ヒータ５による処理ガス１１の予熱は必要なくなる。処理ガス１１の定格処理量までの増加は段階的でも連続的でも良い。

上記本実施の形態５のガス処理方法では、定常運転に達するまでの時間は約３分であった。比較のため従来の処理方法で定常運転に達するまでの時間を測定した。測定には図３に示した従来の処理装置を用いた。その結果、定常運転に達するまでの時間は１０分以上であった。

上記のように、この実施の形態５に係るガス処理装置では、始動時に熱容量の小さな第１の触媒層６Ａのみを触媒活性温度に予熱すればよいので、予熱時間の短縮ができる。また処理ガスのもつ発熱エネルギーを後段に配設した第２の触媒層６Ｂの予熱に使用するので、予熱に必要な補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。

なお、上記実施の形態の説明においては、複数に分割された触媒層６Ａ、６Ｂ相互の間隔を１ｍｍとした例について説明したが、これに限定されるものではなく、該触媒層相互の間隔は要するに固体を通じた直接的な熱伝導が遮断されればよく、上記の例よりも間隔を広くし、あるいは短くしても差し支えない。また、上記説明ではこの発明をフロン代替冷媒として用いられた可燃性のイソブタン廃ガス処理に用いる場合を例に説明したが、必ずしも冷媒として用いられるガスに限定されるものではなく、またイソブタンに限定されるものでもない。空気によって酸化分解される同様のガスの処理に広く用いることができるほか、例えば発熱を伴う互いに異なる複数のガスの反応処理などについても同様の効果を期待することができる。その点で、用いる触媒も上記実施の形態で例示した酸化分解触媒に限定されないことは勿論である。

この発明の実施の形態１によるガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。実施の形態１のガス処理装置における始動時の第一段階と第二段階について測定された触媒層の温度分布を示す特性図である。比較のため、従来の処理装置でスリップが発生する理由を説明するためのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。図３に示す比較例の処理装置について測定された触媒層の温度分布を示す図である。実施の形態２による可燃性冷媒などのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。実施の形態３による可燃性冷媒などのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。実施の形態４による可燃性冷媒などのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。実施の形態５による可燃性冷媒などのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１ボンベ（回収ボンベ）、２流路、３ブロア、４空気、５加熱手段（予熱ヒータ）、６触媒層、６Ａ第１の触媒層、６Ｂ第２の触媒層、７熱交換器、１０被処理ガス（イソブタン）、１１処理ガス、１２前段触媒酸化分解ガス、１３酸化分解ガス、１４排気、６Ａ１、第１の触媒層（ＥＨＣ）、５１加熱手段（外周予熱ヒータ）。

Claims

被処理ガスを加熱された触媒に接触させて反応処理を行うガス処理装置において、被処理ガスを通流する流路と、この流路の上流側に配設された被処理ガスを通流する第１の触媒層と、この第１の触媒層の下流側に離間して設けられ該第１の触媒層を通過したガスを通流する第２の触媒層と、始動時に上記第１の触媒層を少なくとも触媒活性温度以上に予備加熱するための加熱手段とを備えたことを特徴とするガス処理装置。
上記加熱手段は、上記第１の触媒層の上流側の流路内に設けられ通流する空気を加熱することによって該第１の触媒層を予備加熱する予熱ヒータを用いたものであることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
上記加熱手段は、上記第１の触媒層自体を直接加熱するように該第１の触媒層に付設されたヒータからなることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
上記第２の触媒層の下流側に設けられ該第２の触媒層を通過した処理ガスの熱により空気を加熱する熱交換器と、この熱交換器によって加熱された空気を上記被処理ガスと混合する混合部を備えてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載のガス処理装置。
上記第１の触媒層の熱容量を上記第２の触媒層の熱容量よりも小さくしてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載のガス処理装置。
上記触媒として酸化分解触媒を用い、上記被処理ガスとして可燃性冷媒を用いるようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載のガス処理装置。
被処理ガスを加熱された触媒に接触させて反応処理を行うガス処理方法において、必要とする触媒層を少なくとも第１の触媒層と第２の触媒層に２分割して被処理ガスの通流方向に直列に配設し、第１の触媒層を触媒活性温度に予熱した後、該第１の触媒層に見合う量の被処理ガスを通流してその処理ガスで第２の触媒層を予熱し、第２の触媒層が触媒活性温度に加熱された後、定格処理量の被処理ガスを通流することを特徴とするガス処理方法。