JP2007014930A - 触媒を用いたガス処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低い燃焼温度で、高い有害ガス浄化率が得られる触媒を用いたガス処理方法および装置を提供する。
【解決手段】 被処理ガスを触媒燃焼させる触媒を用いたガス処理方法において、被処理ガスの流路に沿って触媒３２ａ，３２ｂを複数段連続して設置し、最終段の触媒３２ｂよりも前段の触媒３２ａによる燃焼熱を利用し、最終段の触媒３２ｂの入口温度が、この最終段の触媒３２ｂにより所定の浄化率が得られる温度となるように、前段側の触媒３２ａの入口温度を制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、自動車の排気ガスや工場等で排出される有害ガスを酸化触媒を用いて処理するガス処理方法および装置に関するものである。

自動車や各種工場等から排出される有害な化学物質の大気への排出防止対策として、地方自治体の条例により排出規制が定められ、有害ガスの種類およびその排出時の濃度基準値が設定されている。そのため、例えば特許文献１に開示されているような各種有害物質の処理方法が提案されている。

従来より、比較的容易な有害物質の処理方法として、例えば活性炭等の吸着剤に吸着させる方法や、エアワッシャを通過させて洗浄する方法、直接燃焼する方法、光触媒を用いて処理する方法、化学的に中和させる方法等の単独処理の方法がある。殊に有害成分が高濃度の場合には、ガスを直接燃焼する方法が用いられる。

また、中濃度のガスの場合には、吸着剤によって一旦有害ガスを吸着させ、吸着したガスを脱着した後に、脱着した濃縮ガスから有害成分を処理する方法が広く用いられる。この場合、処理方法として、濃縮ガスを直接燃焼させる場合や、酸化触媒を用いて触媒燃焼させる方法がある。

濃縮ガスを直接燃焼する場合は、８００℃〜１０００℃程度の燃焼温度まで濃縮ガスを昇温させる必要がある。そのために、極めて大きな熱量を要し、それにより二酸化炭素の発生量が多くなる。更に、高温になるほど窒素酸化物が多く発生し、環境的に好ましくない。また、処理部分には高い耐熱温度を必要とするため、装置が大きくなりコストも高くなる。

それに対して、触媒燃焼の場合は２００℃〜３００℃程度と、直接燃焼よりも低温で燃焼させることができるため、加熱のためのエネルギーを低減できる。更に、二酸化炭素や窒素酸化物の発生量が少なくなる。また、高い耐熱性を必要としないため、装置が小型化されコストが安価になる。

このように、触媒による有害ガスの処理は、有害ガスを直接燃焼する方法に比べて低い温度で行えるうえ、有害成分に対する高い分解性能を有するため、工場等で発生する揮発性有機化合物（ＶＯＣ）や自動車の排気ガス等の処理に広く利用されている。

このような触媒燃焼の効果を十分に発揮させるためには、処理するガスの量に対して触媒の体積がどれだけ必要かを示す数値（ＳＶ値）と、触媒の入口のガスの温度が重要な要素となる。従って、従来は、簡単に高い除去効果を得るために、触媒の量を増やしたり触媒へ入れるガスの温度を高くしたりしていた。

図５は、触媒による有害ガスの処理方法の従来例を示す。

工場等において排出される有害ガス等の被処理ガス（この例では濃縮ガス）が処理装置５１ａに送り込まれる。処理装置５１ａは、濃縮ガスの流路５５に沿って、加熱装置５２、触媒５３、および触媒５３の入口温度を監視して加熱装置５２を制御する温度センサ５４を備える。

処理装置５１ａに被処理ガスが送り込まれると、加熱装置５２によって、有効に触媒燃焼効果を得るための温度まで加熱される。ガスの種類によって、有効に触媒燃焼効果が得られる触媒への入口温度が異なる。この例では、ガスの種類をイソプロピルアルコール、触媒を白金のメタルハニカムとし、２５０℃で触媒５３へ入れるものとする。

被処理ガスの触媒５３の入口温度が２５０℃の状態で被処理ガスが触媒５３に入り、燃焼処理される。このとき、１５００ｐｐｍのイソプロピルアルコールは９７％除去されて、触媒５３を出る際に４５ｐｐｍになるとともに、触媒５３の出口での濃縮ガスの温度は、入口よりも９７℃上昇して３４７℃となる。触媒燃焼された後の脱ガス空気は、処理装置５１ａから排出される。尚、脱ガス空気とは、吸着剤や触媒により処理した後のガス（通常は空気）のことをいう。

図６は、触媒による有害ガスの処理方法の異なる従来例を示し、図５と同じガスおよび触媒について、図５よりも除去効率を高くするために、触媒５３への入口温度を上げたものである。

図６の処理装置５１ｂの構成は図５と同様である。触媒５３の入口温度を３００℃に制御することにより、イソプロピルアルコールを９９％除去することができる。即ち、１５００ｐｐｍの濃縮ガスを３００℃で触媒に入れると、燃焼後は１５ｐｐｍとなり、温度は９９℃上昇して３９９℃となる。従って、除去効果は図５の場合よりも高まるが、濃縮ガスを３００℃まで加熱するために、加熱装置５２による大きな加熱エネルギーを必要とする。また、触媒５３の出口温度が極めて高いので、処理装置５１ｂに高い耐熱性能が要求され、装置全体が大型化する。

図７は、従来の更に異なる例であり、触媒へ入れる被処理ガスの温度を上げずに、触媒を増やして２段構成としたものである。１段目の触媒５３ａで燃焼処理された被処理ガスは、１段目の触媒５３ａの出口からすぐに２段目の触媒５３ｂへ入り、２段目の触媒５３ｂで燃焼処理される。

図７では、１段目の触媒５３ａの入口温度を図５の例と同様に２５０℃に制御する。処理装置５１ｃ内に取り込まれた１５００ｐｐｍのイソプロピルアルコールを１段目の触媒５３ａに２５０℃で入れる。１段目の触媒５３ａによる燃焼後は、９７％のイソプロピルアルコールが除去されて４５ｐｐｍとなり、温度が９７℃上昇して３４７℃となる。そして、それが２段目の触媒５３ｂへの入口温度および濃度となる。この状態で２段目の触媒５３ｂに入り、燃焼処理されると、９９％のイソプロピルアルコールが除去されて濃度が０．４５ｐｐｍとなり、温度が３℃上昇して３５０℃となる。この場合には、触媒５１ａへの入口温度が２５０℃のままで濃縮ガスの除去効果が高まり、濃縮ガスを加熱するための熱源を増やさずに除去効果を高めることができる。ところが、触媒５３ｂの出口温度が高く、処理装置５１ｃを耐熱性の高い材質で構成しなければならないという問題点は、解決されない。
特開２００２−２８２６５４

本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、低い燃焼温度で、高い有害ガス浄化率が得られる触媒を用いたガス処理方法および装置の提供を目的とする。

請求項１の発明は、被処理ガスを触媒燃焼させる触媒を用いたガス処理方法において、被処理ガスの流路に沿って触媒を複数段連続して設置し、最終段の触媒よりも前段の触媒による燃焼熱を利用し、最終段の触媒の入口温度が、この最終段の触媒により所定の浄化率が得られる温度となるように、前段側の触媒の入口温度を制御することを特徴とする触媒を用いたガス処理方法を提供する。

請求項２の発明は、触媒燃焼させる被処理ガスの流路上に、触媒およびその上流側に加熱装置を設けるとともに、触媒の入口温度を検出する温度センサを設け、温度センサにより検出した入口温度が所定の温度となるように加熱装置を制御する触媒を用いたガス処理装置において、加熱装置の下流側の触媒を複数段直列に連続して流路上に設け、最終段の触媒の直前に温度センサを設けたことを特徴とする触媒を用いたガス処理装置を提供する。

請求項１の発明によると、１段目の触媒での燃焼熱を利用して、次の段の触媒に入るガスの入口温度を上昇させることにより、最初に触媒に入れる被処理ガスの温度を低くしても、次の触媒へ入れるガスの温度を上げて高い浄化率を確保することができる。そのため、被処理ガスを加熱するためのエネルギーを大幅に低減することができる。従って、省エネルギーが実現でき、二酸化炭素の発生量も低減される。

しかも、最終段の触媒の入口温度は、所定の浄化率が得られる温度に制御されるので、十分な浄化作用が確実に得られる。

また、２段目以降の触媒に入るガスの濃度はそれよりも前段の触媒による燃焼処理で低くなっているので、２段目以降の触媒の燃焼による温度上昇が少なくなる。従って、最終段の触媒を出るガスの温度を低く抑えられる。最終段での燃焼温度を下げることにより、窒素酸化物の発生量が少なくなり、更に部材の耐熱温度を下げることができて装置の小型化やコストダウンが図られる。

請求項２の発明によると、前述の請求項１のガス処理方法を効果的に実施できる。従って、請求項１の効果がそのまま得られる。すなわち、最終段の触媒の入口温度を温度センサで検出し、この入口温度が最終段の触媒の触媒反応を最大に発揮できる温度になるように加熱装置が制御されるため、十分な触媒燃焼作用が得られ、高い浄化率で被処理ガスから除去すべき成分を取り除くことができる。このとき、前段の触媒の反応熱が利用されるため、加熱装置による加熱エネルギーは小さくてすみ、加熱装置の容量低下、小型化が図られる。更に、被処理ガスの濃度が前段の触媒を通過することにより低下するため、触媒での温度上昇が小さくなり、最終段の触媒出口温度が低くなって、触媒全体の温度を低下させることができる。これにより、耐熱性の低い材料を用いることが可能になり、また装置の小型化や簡素化が図られる。

このような省エネルギーや低耐熱性材料の使用により、触媒を多段にしたためのコストアップは十分にカバーできる。

図１は、本発明によるガス処理システムの全体を示す概略図である。太い実線は、有害ガス等の処理すべきガス（被処理ガス）に含まれる除去すべきガス成分（除去成分）を吸着剤に吸着させる吸着工程時のガスの流路６を示し、破線は、吸着された除去成分を吸着剤から離脱する脱着工程時のガスの流路５を示す。また、黒い矢印は除去成分を含むガスの流れを示し、白抜きの矢印は、除去成分を含まない、或いは取り除かれたガスの流れを示す。

吸着部２には、被処理ガスの除去成分を吸着する活性炭やゼオライト等からなる吸着剤が備えられる。各種工場で塗装工程等により排出される例えばイソプロピルアルコールやトルエン等を含む有害な被処理ガスは、吸着部２へ送られ、有害な除去成分を例えば９５％以上吸着剤に吸着させた後、浄化された脱ガス空気として外部へ排気される。

夜間等、有害な被処理ガスの排出が停止される時に、吸着部２へ加熱空気を送り、吸着剤に吸着された有害な除去成分を脱着する。吸着部２内に充満する脱着したガスは、時間経過とともに脱着した除去成分が徐々に多くなり、濃縮される。濃縮された濃縮ガスは、熱回収装置４を介して処理装置３へ送られ、そこで、触媒燃焼による有害物質の除去が行われる。

濃縮ガスを触媒燃焼させる際には、ガスの温度により、有害物質の除去効果に大きな差が生じる。図２は、ガスを触媒燃焼させる際の触媒への入口温度による浄化率の変化を示すものである。この曲線は、ガスの種類により異なり、図２では、２５０ｐｐｍのイソプロピルアルコールと、５３７ｐｐｍのトルエンの場合の測定結果を示す。イソプロピルアルコールの場合には、２５０℃以上で触媒に入れると約９７％の浄化率が得られ、３００℃では９９％が浄化される。トルエンの場合は、１７０℃を超えると急激に浄化率が上昇し、１８０℃以上で約９５％、２００℃を超えると９８％以上の浄化率が得られる。このように、触媒によりガスを酸化分解する場合、触媒の性能を十分に確保するためには、酸化反応に十分な温度、即ち浄化率の高い適温で触媒に入れることが必要である。

また、ガスの種類およびその濃度によって、燃焼後の温度上昇の値が異なり、例えば１０００ｐｐｍのイソプロピルアルコールでは６８℃、１０００ｐｐｍのトルエンの場合は１３３℃の温度上昇が得られる。濃度が高くなると温度上昇値が高くなり、濃度が低くなると温度上昇値が低くなる。

図１に示すように、処理装置３には、加熱装置３１、複数段の触媒３２ａ，３２ｂ、および温度センサ３３が設けられる。触媒３２ａ，３２ｂは、反応熱の発生する酸化触媒であり、例えば白金のメタルハニカムで構成される。触媒３２ａ，３２ｂは、図に示すように濃縮ガス（触媒による被処理ガス）の流路５に沿って２段、またはそれ以上の複数段設けられ、濃縮ガスが最初に通過する１段目の触媒３２ａの出口が次段の触媒３２ｂの入口となるように連続設置される。温度センサ３３は、濃縮ガスが通過する最終段の触媒３２ｂの入口に設けられ、温度センサ３３の検出値により加熱装置３１を制御し、最終段の触媒３２ｂへの入口温度が制御される。濃縮ガスが最後に通過する最終段の触媒３２ｂの入口温度は、処理すべきガスの種類ごとに、例えば９５％以上が浄化される温度に設定される。

処理装置３によって有害成分を除去された脱ガス空気は、熱回収装置４を通って熱交換された後、大気中へ排気される。脱ガス空気の熱は、その後処理装置３へ送る濃縮ガスと熱交換される。これにより、濃縮ガスの温度が上昇するため、処理装置３内の加熱装置３１による加熱が不要となるか、或いは加熱量が少なくてすむ。

図３は、本発明の実施例を示し、処理装置３の内部の状態を示す。本実施例は、触媒を２段設けたものであり、この処理装置３で、１５００ｐｐｍのイソプロピルアルコールの濃縮ガスを処理する場合について説明する。触媒は、白金のメタルハニカムからなる。尚、触媒へ入る際のガスの入口温度による浄化率は、前述の図２に基づく。

処理装置３内には、加熱装置３１および２段の触媒３２ａ，３２ｂが設けられ、連続して設置された１段目の触媒３２ａと２段目の触媒３２ｂとの間に、温度センサ３３が設けられる。イソプロピルアルコールは、２５０℃で触媒燃焼を行うと、約９７％の浄化率が得られる（図２）ため、２段目の触媒３２ｂの入口温度を２５０℃になるように、温度センサ３３で監視し、加熱装置３１を制御する。

処理装置３へ送り込まれる１５００ｐｐｍのイソプロピルアルコールからなる濃縮ガス（触媒による被処理ガス）は、加熱装置３１で１９５℃まで加熱されて、１段目の触媒３２ａへ入る。１段目の触媒３２ａでの燃焼により、５５％のイソプロピルアルコールが浄化されて、濃度が６７５ｐｐｍになる。また、温度が約５５℃（計算値は５６℃）上昇し、２５０℃になる。このように、１段目の触媒３２ａの出口温度、即ち２段目の触媒３２ｂの入口温度が２５０℃になるように制御され、それに基づいて、１段目の触媒３２ａに入る濃縮ガスの温度が決定される。

２段目の触媒３２ｂに２５０℃で入った６７５ｐｐｍの濃縮ガスは、触媒３２ｂで９７％浄化されて２０ｐｐｍとなり、温度は４４℃上昇して２９４℃となる。２段の触媒３２ａ，３２ｂによる燃焼を合わせると、１５００ｐｐｍの濃縮ガスの９８．６％が除去される。しかも、最初の触媒３２ａへの濃縮ガスの入口温度が２５０℃よりも大幅に低いので、加熱に要する熱量を低減でき、コストが削減される。また、二酸化炭素の発生量が低くなり、環境的にも好ましい。更に、最終的な処理ガスの出口温度が２９４℃であり、これは、前述の従来例（図５〜図７）と比較して大幅に低いため、断熱材に要するコストを削減できて装置が小型化されるうえ、窒素成分を含む場合には、窒素酸化物の発生量も削減される。

このように、複数段の触媒を設けて、前段の反応熱を利用して次の段の入口温度とし、最終段の触媒への入口温度を、そのガスに関して十分な浄化率が得られる温度に制御することにより、処理装置３内で処理される濃縮ガスの温度を低くしても、高い浄化率で除去することができる。また、図１のように熱回収するシステムでは、脱ガス空気の温度低下により、熱回収装置４の耐熱性を低くすることが可能になる。

図４は、本発明の異なる実施例を示す。本実施例は、触媒を３段設けたものであり、濃縮ガスの種類や濃度、および触媒は、前述の図３と同様である。

処理装置３内には、加熱装置３１および３段の触媒３２ａ，３２ｂ，３２ｃが設けられ、最終段となる３段目の触媒３２ｃの直前に温度センサ３３が設けられる。この温度センサ３３により、３段目の触媒３２ｃの入口温度が２５０℃になるように制御する。

処理装置３へ送り込まれる１５００ｐｐｍのイソプロピルアルコールからなる濃縮ガスは、加熱装置３１で１７０℃まで加熱されて、１段目の触媒３２ａへ入る。１段目の触媒３２ａでの燃焼により、３２％のイソプロピルアルコールが浄化されて、濃度が１０２０ｐｐｍとなる。また、出口では温度が３３℃上昇し、２０３℃になる。この１０２０ｐｐｍ，２０３℃の濃縮ガスが、２段目の触媒３２ｂへ入り、７０％浄化されて濃度が３０６ｐｐｍ、約４７℃（計算値は４８．５℃）温度上昇して出口温度が２５０℃となる。このように、２段目の触媒３２ｂの出口温度、即ち最終段の３段目の触媒３２ｃの入口温度が２５０℃になるように制御され、それに基づいて、１段目の触媒３２ａに入る濃縮ガスの温度が決定される。

３段目の触媒３２ｃに２５０℃で入った３０６ｐｐｍの濃縮ガスは、触媒３２ｃで９７％浄化されて９ｐｐｍとなり、温度は２０℃上昇して２７０℃となる。従って、最初１５００ｐｐｍで処理装置３へ送られた濃縮ガスの９９．４％が除去されたことになる。しかも、最初の触媒３２ａへの濃縮ガスの入口温度が図３の例よりも更に低くなるので、加熱に要する熱量を大幅に低減できる。最終的な処理ガスの出口温度も更に低くなる。

触媒の段数は、前述の２段または３段に限らないが、段数が多すぎると、１段目の触媒に入る濃縮ガスの温度が低くなりすぎて、ほとんど除去効果が得られなくなる場合がある。従って、ガスの種類に応じ、適宜効果的な段数を設定する。

本発明は、反応熱を生じる酸化触媒を用いて有害ガスを除去する有害ガスの処理方法および装置に適用できる。

本発明を用いたガス処理システム全体を示す概略図。 触媒への入口温度とガスの浄化率との関係を示すグラフ。 本発明の実施例を示す説明図。 本発明の異なる実施例を示す説明図。 従来例を示す説明図。 異なる従来例を示す説明図。 更に異なる従来例を示す説明図。

符号の説明

１：処理システム、
２：吸着部、
３，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ：処理装置、
４：熱回収装置、
５：脱着時の濃縮ガスの流路、
６：吸着時のガスの流路、
３１，５２：加熱装置、
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，５３，５３ａ，５３ｂ：触媒、
３３，５４：温度センサ、
５５：濃縮ガス（被処理ガス）の流路。

Claims (2)

1. 被処理ガスを触媒燃焼させる触媒を用いたガス処理方法において、前記被処理ガスの流路に沿って前記触媒を複数段連続して設置し、最終段の触媒よりも前段の触媒による燃焼熱を利用し、前記最終段の触媒の入口温度が、この最終段の触媒により所定の浄化率が得られる温度となるように、前段側の触媒の入口温度を制御することを特徴とする触媒を用いたガス処理方法。
2. 触媒燃焼させる被処理ガスの流路上に、触媒およびその上流側に加熱装置を設けるとともに、該触媒の入口温度を検出する温度センサを設け、該温度センサにより検出した入口温度が所定の温度となるように前記加熱装置を制御する触媒を用いたガス処理装置において、
   前記加熱装置の下流側の触媒を複数段直列に連続して前記流路上に設け、最終段の触媒の直前に前記温度センサを設けたことを特徴とする触媒を用いたガス処理装置。
   

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