JP2006118498A - Ｖｏｃ燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】VOC ガスを無公害化するVOC 燃焼装置を提供する。
【解決手段】燃焼器１は同芯の内筒６及び外筒７からなる。内筒の上端には混合管４があり、周壁の下方には希釈孔８があり、下端には燃焼ガスの出口２がある。外筒の上端には壁間空間Ｓへの空気導入孔９があり、下端は希釈孔の下方で内筒に固定される。壁間空間内には、多数の仕切り板10がジグザグ状及び千鳥状に配置される。VOC を含む空気は混合管で燃料と共に内筒内に噴射されて燃焼しVOC は熱分解される。この空気は空気導入口から壁間空間内にも流入し、仕切り板に沿って蛇行しながら内筒に加熱されてVOC が分解され、内筒内に流入して燃焼ガス温度を調整する。排出ガス中に有害成分が含まれず、環境汚染のおそれがない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＶＯＣ(Volatile Organic Compounds)ガスを燃焼処理して無公害化することのできるＶＯＣ燃焼装置に係り、特にＶＯＣの燃焼処理が確実でＴＨＣ等の有害物質の排出が少ないＶＯＣ燃焼装置に関するものである。本発明のＶＯＣ燃焼装置は、具体的には燃焼ガスをタービンに駆動動力として供給するガスタービンの燃焼装置等として利用することができる。

ＶＯＣ(Volatile Organic Compounds)ガス、すなわち揮発性有機化合物のガスは、光化学スモッグ発生の要因とされており、塗装作業で揮発して大気中に放出される有機溶剤にみられるように、自動車の排気ガスに含まれる炭化水素等と共に、原因物質としてその排出が規制されるようになってきている。

従来は、印刷・塗装等の工場等において有機溶剤等に由来するＶＯＣガスを処理するため、このＶＯＣガスを含む空気を燃料と混合して燃焼器で燃焼し、ＶＯＣを加熱分解する試みがなされている。具体的には、図７に示すように、動力源・熱供給用のガスタービン装置の燃焼器５０が用いられる。

この燃焼器５０は上面が閉止され、下面が燃焼ガスの出口として開放された略円筒形の容器であり、ＶＯＣを含む空気が供給されるケース５１の内部に収納されている。燃焼器５０の上面には混合管５２が貫通して設けられており、この混合管５２にはケース５１を貫通して配置された燃料ノズル５４から燃料が供給されるとともに、ケース５１内に供給されたＶＯＣを含む空気が図中矢印で示すように取り入れ口から供給される。そして混合管５２は、この燃料と空気を混合した混合気を燃焼器５０内に供給し、混合気は燃焼器５０内で点火され、燃焼ガスとなって開放された下端から図示しないタービンに導かれる。燃焼器５０の開放された下面に近い周壁には貫通した希釈孔５３が設けられており、タービンに供給される燃焼ガスの温度を調整するために空気を取り入れて燃焼ガスに混合できるようになっているが、この希釈用の空気には前述したようにＶＯＣが含まれている。

上記の構成によれば、燃焼器５０内に取り入れられた空気中のＶＯＣは、混合された燃料の燃焼により分解される。また、燃焼器５０の下面の出口付近では、空気が温度調節用に希釈孔５３から燃焼器５０内に添加され、温度が調節された燃焼ガスがタービンの吸気側に送り込まれる。これによって空気中のＶＯＣが処理されるとともに、タービンの駆動によって発電等に供される動力が得られ、また燃焼ガスの熱を給湯その他の用途に供することができる。

しかしながら、ＶＯＣ燃焼装置としての前記ガスタービン装置において、温度調節のため燃焼器５０内の燃焼ガスに希釈孔５３から加えられる空気にもＶＯＣが含まれており、このＶＯＣは燃焼器５０の出口付近で添加されるため燃焼器５０内に滞留する時間が短いために燃焼しきらず、燃焼ガス中にはＴＨＣ等の有害成分が多く発生し、これが環境中に排出されてしまうという問題があった。

そこで本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、ＶＯＣガスを確実に燃焼処理して無公害化することのできるＶＯＣ燃焼装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載されたＶＯＣ燃焼装置は、供給された燃料とＶＯＣガスを含む空気とを混合して燃焼させる燃焼筒を備えたＶＯＣ燃焼装置において、
前記燃焼筒が、
閉止された一端部側から混合管を介して供給された燃料と空気の混合気を内部で燃焼させ、開放された他端部側から燃焼ガスを排出して前記タービンに供給する内筒と、
前記内筒の外側に間隔をおいて設けられ、前記内筒の一端部側には前記内筒との間に空気を取り入れるための間隙が設けられるとともに前記内筒の他端部側には前記内筒の周壁に固定された閉止部が設けられた外筒とを有し、
前記外筒の前記閉止部の内側にある前記内筒の周壁には前記内筒の内部に連通する貫通孔が設けられ、
前記間隙から流入した空気が前記内筒と前記外筒の間で加熱されてから前記貫通孔を介して前記内筒の内部に入るように構成されたことを特徴としている。

請求項２に記載されたＶＯＣ燃焼装置は、請求項１記載のＶＯＣ燃焼装置において、前記内筒と前記外筒の間に、前記間隙から流入した空気の流路を規制する仕切り板を設けたことを特徴としている。

請求項３に記載されたＶＯＣ燃焼装置は、請求項２記載のＶＯＣ燃焼装置において、前記内筒及び前記外筒は実質的に同芯の円筒形状であり、
少なくとも、
前記内筒及び前記外筒の軸線に対して所定方向へ鋭角で傾斜した複数の仕切り板が周方向に所定間隔で並ぶ第１の仕切り板群と、
前記内筒及び前記外筒の軸線に対して前記所定方向とは反対向きの方向へ鋭角で傾斜した複数の仕切り板が、前記内筒及び前記外筒の軸線方向について前記第１の仕切り板群に隣接するとともに前記第１の仕切り板群の各仕切り板の間の位置に対応して配置されるように周方向に所定間隔で並ぶ第２の仕切り板群と、を備えたことを特徴としている。

請求項４に記載されたＶＯＣ燃焼装置は、請求項１乃至３記載のＶＯＣ燃焼装置において、前記燃焼筒で得られた燃焼ガスをタービンの吸気側に送ることによりガスタービンの燃焼装置として利用されることを特徴としている。

請求項１に記載されたＶＯＣ燃焼装置によれば、燃料と空気の混合気が混合管を介して燃焼筒内に供給されて燃焼し、燃焼ガスが他端部側の出口から排出されてタービンに供給される。ここで、燃焼器は内筒と外筒の２重管構造になっているので、一端部側の間隙から内筒と外筒の間に流入したＶＯＣを含む空気は、加熱した内筒に接触して予熱されつつ長い滞留時間を経て貫通孔から内筒の内部に流入し、タービンに供給される燃焼ガスと混合され、その温度を調節する。このように、貫通孔から内筒内に流入した希釈用の空気は内筒の熱によってすでに予熱された状態にあるので、内筒に入ってからの燃焼による分解反応は速やかに進行し、燃焼ガス中にＴＨＣ等の有害物質が増加することはない。

請求項２に記載されたＶＯＣ燃焼装置によれば、請求項１による効果に加え、２重管構造の燃焼器の内筒と外筒の間に仕切り板を設けたので、間隙から流入した空気はストレートに閉止部まで流れることなく、その流路は規制されて曲折し、長い滞留時間を経て十分に予熱されてから貫通孔を通って内筒内に流入することができる。従って内筒に入ってからの燃焼による分解反応がさらに速やかに進行し、燃焼ガス中にＴＨＣ等の有害物質が増加するおそれはさらに低下する。

請求項３に記載されたＶＯＣ燃焼装置によれば、２重管構造の燃焼器の内筒と外筒の間に設けた仕切り板の構造が、燃焼器の軸線方向に対して傾斜して周方向に並んだ複数の仕切り板を一つの群とするものであり、かつ前記軸線方向について隣り合う群の仕切り板が互いに千鳥状に配置されている。従って、請求項２による効果に加え、間隙から流入した空気は燃焼器の軸線方向について仕切り板の複数の群に規制されてジグザグ状の流路を形成し、長い滞留時間を経て十分に予熱されてから貫通孔を通って内筒内に流入することができる。従って内筒に入ってからの燃焼による分解反応がさらに一層速やかに進行し、燃焼ガス中にＴＨＣ等の有害物質が増加するおそれはさらに一層低下する。

請求項４に記載されたＶＯＣ燃焼装置によれば、請求項１乃至３記載のＶＯＣ燃焼装置をガスタービンの燃焼装置として利用することができるので、ＶＯＣの加熱分解処理とともに、ガスタービンによって動力を得ることができ、さらに燃焼ガスから熱を取り出して利用することもできるという効果がある。

以下本発明の最良の実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係るＶＯＣ燃焼装置であるガスタービン燃焼器の断面図、図２は同ガスタービン燃焼器の一部を切り欠いて燃料が供給される上端側から見た斜視図、図３は実施形態と従来品との駆動条件による効果の差異を示す表図、図４は実施形態と従来品のＣＯ分解率を燃料条件別に示したグラフ図、図５は実施形態と従来品のＴＨＣ分解率を燃料条件別に示したグラフ図である。

図１及び図２に示す本例のＶＯＣ燃焼器１（以下、単に「燃焼器１」とも呼ぶ。）は、印刷・塗装等の工場等において有機溶剤等の使用に由来するＶＯＣガスを処理するための装置であるが、ここで得られる燃焼ガスは動力源のガスタービン装置に供給されて発電等に利用され、また給湯・冷房等の熱源ともなりうる。すなわち、本例の燃焼器１は、有害物質処理装置であるとともに、ガスタービン装置の燃焼器としても機能する。

図１に示すように、この燃焼器１は上面が閉止され、下面が燃焼ガスの出口２として開放された略円筒形の容器であり、その出口２は図示しないガスタービンのハウジングに接続連通されている。燃焼器１は円筒形のケース３に収納されており、このケース３内には図１中矢印で示すようにＶＯＣを含む空気が供給される。燃焼器１の上面には混合管４が設けられており、混合管４の吸入口４ａからケース３内のＶＯＣを含む空気が流入し、また混合管４に設けられてケース３の上面を貫通する燃料ノズル５にはケース３の外部から燃料が供給され、これによって混合管４は混合気を燃焼器１内に供給することができる。そして混合気は燃焼器１内で点火され、開放された下面の出口２から燃焼ガスとなって図示しないガスタービンに導かれる。
なお、混合管４は、燃料供給量が相対的に多い燃焼用のメイン混合管と、燃料供給量が相対的に少ない着火用のパイロット混合管の２種類を有している。

前記燃焼器１は二重壁構造であり、同芯（同軸）で周壁の間隔が一定とされた内筒６と外筒７からなる。内筒６は、混合気が供給される上方の大径部６ａと、燃焼ガスを排出する下方の小径部６ｂと、両部をつなぐテーパ部６ｃからなり、小径部６ｂには燃焼ガスの温度を調整するために空気を取り入れる希釈孔８が貫通して設けられている。内筒６は、閉止された大径部の上面側から混合管４によって混合気を供給されて内部で燃焼させ、この燃焼ガスに小径部６ｂの希釈孔８から空気を加えて温度を調整し、小径部６ｂの開放された下端の出口２から燃焼ガスを排出してガスタービンに供給する。

外筒７は、前記内筒６の外側に所定の間隔をおいて設けられる筒体であり、内筒６と同様に、上方の大径部７ａと下方の小径部７ｂがテーパ部７ｃで一体とされた構造を有する。外筒７の大径部７ａと内筒６の大径部６ａの間隙は開放された周状の空気導入口９とされており、ケース３内の空気がこの空気導入口９から両筒６，７の間の壁間空間Ｓに流入するように構成されている。また、外筒７の小径部７ｂの軸方向の長さは内筒６の小径部６ｂよりも短く、外筒７の小径部７ｂは内筒６の小径部６ｂの希釈孔８を覆い、内筒６の小径部６ｂの軸方向の略中央部において周壁の外面に周状に固定されて前記壁間空間Ｓの下端を閉止している。

また、前記壁間空間Ｓ内には、空気導入口９から流入した空気の流路を規制する複数の仕切り板１０が以下に説明するような所定のパターンで設けられている。この仕切り板１０は内筒６と外筒７の間隔に略相当する高さ（内筒６及び外筒７の半径方向についての寸法）を備えた矩形の板材である。そして、内筒６及び外筒７の軸線に対して所定方向へ鋭角で傾斜した複数の仕切り板１０が周方向に所定間隔で並び、一つの仕切り板群を構成しており、この仕切り板群が内筒６及び外筒７の軸線に対して複数群隣接して設けられている。隣接する他の仕切り板群は、前記所定方向とは反対向きの方向へ鋭角で傾斜した複数の仕切り板１０からなり、これら複数の仕切り板１０が、隣接する仕切り板群の各仕切り板１０の間の位置に対応して配置されるように周方向に所定間隔で並んでいる。すなわち、各群の仕切り板１０は前記壁間空間Ｓ内で内筒６と外筒７の軸線方向についてジグザグ状に並び、隣接する各群の仕切り板１０は互いに千鳥状に配置されている。従って、空気導入口９から壁間空間Ｓ内に流入した空気は、内筒６と外筒７の軸線方向に沿って直線的に流れるのではなく、仕切り板１０に流路を規制され、より長い屈曲した経路で壁間空間Ｓを流れ、その間に内筒６に加熱されて温度が上昇した状態で壁間空間Ｓの下端に至り、内筒６の小径部の希釈孔８から内筒６内に流入することとなる。

以上の構成によれば、ケース３内に流入したＶＯＣを含む空気は、さらに混合管４で燃料と混合されて内筒６内に噴射され、燃焼するので、この空気に含まれるＶＯＣは熱によって分解される。また、ケース３内に流入したＶＯＣを含む空気は、燃焼器１の空気導入口９から壁間空間Ｓ内にも流入し、仕切り板１０に当たって蛇行しながら内筒６に加熱され、壁間空間Ｓの下端で内筒６の小径部の希釈孔８から内筒６内に流入する。このように、本例のＶＯＣ燃焼装置においては、燃焼ガスの温度調節のため燃焼器１内の燃焼ガスに希釈孔８から加えられる空気は、壁間空間Ｓに滞留する間に十分に加熱されるので、この希釈用の空気に含まれるＶＯＣは燃焼・分解されてしまい、燃焼ガス中にはＴＨＣ等の有害成分が含まれず、環境汚染のおそれがない。

図３は本例と従来品との条件毎のＣＯ分解率とＴＨＣ分解率の差異を示す表図であり、図４は本例と従来品のＣＯ分解率を条件別に示したグラフ図、図５は本例と従来品のＴＨＣ分解率を条件別に示したグラフ図である。ここで「温度条件」とはガスタービンに供給される燃焼ガスの温度を示し、「燃料条件」とは、メイン混合管とパイロット混合管における燃料流量（ｍｌ／ｓ）の組み合わせ条件を示しており、本例では６種類を示した。「ＣＯ分解率」と「ＴＨＣ分解率」は、各成分ガスについての分解率を示すものであり、ここで分解率とは、燃焼器１における各ガスの（入口濃度−出口濃度）÷入口濃度を示すものである。また「二重壁」は本例、「ＳＴＤ」は従来品を示す。いずれの温度条件及び燃料条件においても、本例は従来品よりも高い分解率を示し、希釈用空気内のＶＯＣが有効に加熱分解されていることが実証された。

図６は、本例と従来品について、ＶＯＣを混入していない状態における全体当量比と燃焼器出口平均温度の関係を示すグラフ図である。ここで、燃焼器出口平均温度は負荷に対応すると考えられるので、この図から分かるように、同一の燃焼器出口平均温度すなわち同一負荷においては、２重壁の本例は１重壁の従来品よりも全体当量が小さく、燃料が少なくて済む。逆に言えば、同一の全体当量比であれば、２重壁の本例は１重壁の従来品よりも燃焼器出口平均温度が高く、すなわちより大きい負荷を負担できる。このように、本例によれば、従来品よりも熱効率が高く、特に熱源乃至動力源としてのガスタービン燃焼器として優れている。

なお、本例のＶＯＣ燃焼装置はガスタービン燃焼器を兼ねていたが、熱源乃至動力源としての機能は考慮せず、本発明をＶＯＣ等の不要物質を処理する専用の処理装置として利用できることはいうまでもない。

図１は本発明の実施形態（本例）に係るＶＯＣ燃焼装置であるガスタービン燃焼器の断面図である。 図２は本例のガスタービン燃焼器の一部切欠斜視図である。 図３は本例と従来品との駆動条件による効果の差異を示す表図である。 図４は本例と従来品のＣＯ分解率を燃料条件別に示したグラフ図である。 図５は本例と従来品のＴＨＣ分解率を燃料条件別に示したグラフ図である。 図６は本例と従来品について、全体当量比と燃焼器出口平均温度の関係を示すグラフ図である。 図７は従来のガスタービン燃焼器の一例における縦断面図である。

符号の説明

１ 燃焼器（ＶＯＣ燃焼器）
４ 混合管
６ 内筒
７ 外筒
８ 希釈孔
９ 空気導入口
１０ 仕切り板
Ｓ 壁間空間

Claims (4)

1. 供給された燃料とＶＯＣガスを含む空気とを混合して燃焼させる燃焼筒を備えたＶＯＣ燃焼装置において、
   前記燃焼筒が、
   閉止された一端部側から混合管を介して供給された燃料と空気の混合気を内部で燃焼させ、開放された他端部側から燃焼ガスを排出して前記タービンに供給する内筒と、
   前記内筒の外側に間隔をおいて設けられ、前記内筒の一端部側には前記内筒との間に空気を取り入れるための間隙が設けられるとともに前記内筒の他端部側には前記内筒の周壁に固定された閉止部が設けられた外筒とを有し、
   前記外筒の前記閉止部の内側にある前記内筒の周壁には前記内筒の内部に連通する貫通孔が設けられ、
   前記間隙から流入した空気が前記内筒と前記外筒の間で加熱されてから前記貫通孔を介して前記内筒の内部に入るように構成されたことを特徴とするＶＯＣ燃焼装置。
2. 前記内筒と前記外筒の間に、前記間隙から流入した空気の流路を規制する仕切り板を設けたことを特徴とする請求項１記載のＶＯＣ燃焼装置。
3. 前記内筒及び前記外筒は実質的に同芯の円筒形状であり、
   少なくとも、
   前記内筒及び前記外筒の軸線に対して所定方向へ鋭角で傾斜した複数の仕切り板が周方向に所定間隔で並ぶ第１の仕切り板群と、
   前記内筒及び前記外筒の軸線に対して前記所定方向とは反対向きの方向へ鋭角で傾斜した複数の仕切り板が、前記内筒及び前記外筒の軸線方向について前記第１の仕切り板群に隣接するとともに前記第１の仕切り板群の各仕切り板の間の位置に対応して配置されるように周方向に所定間隔で並ぶ第２の仕切り板群と、を備えたことを特徴とする請求項２記載のＶＯＣ燃焼装置。
4. 前記燃焼筒で得られた燃焼ガスをタービンの吸気側に送ることによりガスタービンの燃焼装置として利用されることを特徴とする請求項１乃至３記載のＶＯＣ燃焼装置。

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