JP2008128518A

JP2008128518A - 脱臭装置

Info

Publication number: JP2008128518A
Application number: JP2006311475A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kataoka; 匡史片岡; Teruyuki Nakajima; 照幸中嶋; Nobuhiko Hamano; 信彦浜野
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】臭気ガスに含まれるＶＯＣなどの有害物質（臭気物質）をほぼ完全に処理することができる脱臭装置を提供する。
【解決手段】タービン軸３に連結されたタービン１と、気体を圧縮するコンプレッサ２と、圧縮気体と燃料ガスとの混合気を燃焼して燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスをタービンに供給する燃焼器６と、タービン軸に連結された発電機４と、発電機から出力された交流電力を所定の周波数の交流電力に変換する逆変換装置５と、圧縮気体とタービンから排出された排気ガスとの間で熱交換を行う再生器７と、臭気物質を分解する触媒ユニット２５とを備える。触媒ユニット２５は再生器と燃焼器との間に配置される。圧縮気体は、再生器で加熱した後であって、燃焼器に供給する前に、触媒ユニットを通過する。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水処理場、塵芥処理場、化学工場などから排出される臭気ガスを処理する燃焼式の脱臭装置に係り、特に臭気ガスに含まれる揮発性有機化合物などの臭気物質をガスタービン発電装置を用いて処理する脱臭装置に関するものである。

トルエン、キシレン、酢酸エチルなどの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）は、塗装溶剤や接着剤の溶剤としてさまざまな施設で使用されている。しかしながら、このＶＯＣは浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）や光化学オキシダントの原因の一つとされ、大気汚染を引き起こす要因となっている。そこで、２００６年４月１日からＶＯＣの排出規制が施行され、工場などの固定発生源からのＶＯＣの年間排出量が制限されている。

このＶＯＣを処理する装置として、最近では、ガスタービン発電装置を用いた脱臭装置が注目を集めている。この脱臭装置は、ＶＯＣなどの臭気物質（有毒物質）を含む臭気ガスをガスタービン発電装置に吸い込ませ、臭気ガスを燃料ガスと混合させて高温で燃焼させることで有害物質を分解する。このような脱臭装置によれば、既存のガスタービン発電装置を用いて臭気物質を処理することができるので、イニシャルコストが低いという利点がある。さらに、臭気ガスと燃料ガスとの燃焼によって発生した燃焼ガスのエネルギーを電力に変換することができるので、エネルギー効率が高いという利点もある。

特開２００４−１８４００３号公報

しかしながら、ガスタービン発電装置を利用した脱臭装置を用いた場合、臭気ガスの燃焼時間が比較的短いために、臭気ガスに含まれる有害物質を完全に分解することが難しく、わずかながらも有害物質がそのまま大気中に放出されるという問題があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、臭気ガスに含まれるＶＯＣなどの有害物質（臭気物質）をほぼ完全に処理することができる脱臭装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、タービン軸に連結されたタービンと、気体を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮気体と燃料ガスとの混合気を燃焼して燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスを前記タービンに供給する燃焼器と、前記タービン軸に連結された発電機と、前記発電機から出力された交流電力を所定の周波数の交流電力に変換する逆変換装置と、前記圧縮気体と前記タービンから排出された排気ガスとの間で熱交換を行う再生器と、臭気物質を分解する触媒ユニットとを備え、前記触媒ユニットを前記再生器と前記燃焼器との間に配置し、前記圧縮気体を、前記再生器で加熱した後であって、前記燃焼器に供給する前に、前記触媒ユニットを通過させるようにしたことを特徴とする脱臭装置である。
本発明の好ましい態様は、前記再生器から排出される排気ガスの熱を回収するための排熱回収装置をさらに備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様は、タービン軸に連結されたタービンと、気体を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮気体と燃料ガスとの混合気を燃焼して燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスを前記タービンに供給する燃焼器と、前記タービン軸に連結された発電機と、前記発電機から出力された交流電力を所定の周波数の交流電力に変換する逆変換装置と、前記圧縮気体と前記タービンから排出された排気ガスとの間で熱交換を行う再生器と、臭気物質を分解する触媒ユニットとを備え、前記再生器で熱交換を行った排気ガスが前記触媒ユニットを通過するようにしたことを特徴とする脱臭装置である。

本発明の好ましい態様は、前記触媒ユニットを前記再生器の内部に配置したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記触媒ユニットを通過した排気ガスの熱を回収するための排熱回収装置をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、触媒作用による酸化分解と燃焼による熱分解とによって、臭気ガスに含まれる揮発性有機物（ＶＯＣ）などの可燃性の臭気物質をほぼ完全に処理することができる。また、触媒反応により発生した熱は、タービンでの動力源または排熱回収装置での熱源として回収することができるので、装置全体としての熱効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る脱臭装置の全体構成を示す概略図である。
この脱臭装置は、再生器を備えたいわゆる再生サイクルガスタービン発電装置を利用して臭気ガスを処理する装置である。なお、以下に説明するガスタービン発電装置は、発電出力が３００ｋＷ以下のマイクロガスタービン発電装置も含む。また、本明細書において、臭気ガスとは、揮発性有機物（ＶＯＣ）などの臭気物質を含むガスをいう。

図１に示すように、ガスタービン発電装置は、タービン軸３に連結されたタービン１及びコンプレッサ２と、コンプレッサ２から供給された圧縮気体と燃料供給源２４から供給された燃料ガスとの混合気を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスをタービン１に供給する燃焼器６と、タービン軸３に連結された発電機４と、発電機４で発生した高周波の交流電力を所定の周波数の交流電力に変換する逆変換装置５と、タービン１から排出された排気ガスと燃焼器６に供給される圧縮気体との間で熱交換を行う再生器７とを備えている。

タービン軸３の端部近傍には、タービン１の回転速度を測定する回転速度測定器８が設けられている。また、タービン１と再生器７との間にはタービン１から排気された排気ガスの温度を測定する温度測定器９が設けられており、再生器７と燃焼器６との間には燃焼器６に導入される圧縮気体の温度を測定する温度測定器２１が設けられている。逆変換装置５には電力負荷２２が連結されており、逆変換装置５の出力電力は電力測定器１０によって測定されるようになっている。

本実施形態の脱臭装置は、上記ガスタービン発電装置に加え、臭気源１３から臭気ガスを導入する吸気ダクト１４と、送風機１８を通して大気を導入する吸気ダクト１５と、これら各吸気ダクト１４，１５に取り付けられるダンパ１６，１７と、吸気ダクト１４，１５に接続される吸気ダクト２３と、この吸気ダクト２３内に設置される熱交換器１９と、再生器７から排出される排気ガスの熱を回収する排熱回収装置２０と、上記ガスタービン発電装置を含む脱臭装置の運転を制御する制御装置１１とを備えている。

発電機４はタービン軸３に直結された永久磁石型発電機（ＰＭＧ）であり、この発電機４から出力された高周波の交流電力は、逆変換装置５によって直流電力に整流された後に所定の周波数（例えば、５０／６０Ｈｚ）の交流電力に変換され、電力負荷２２に供給される。回転速度測定器８、温度測定器９、電力測定器１０、温度測定器２１からは、それぞれタービン１の回転速度、タービン１を出た排気ガスの温度、逆変換装置５の出力電力、燃焼器６に供給される圧縮気体の温度を示す信号が制御装置１１に送信される。制御装置１１はこれらの信号に基づいてタービン１の回転速度および逆変換装置５の出力電力を制御する。

ダンパ１６，１７は、モータ駆動によって開閉する構成であり、ダンパ１６，１７を操作することによって、コンプレッサ２に導入される気体を大気と臭気ガスとの間で切り換えるようになっている。ダンパ１６，１７の開閉指令は制御装置１１から行われる。吸気ダクト２３は吸気ダクト１４，１５をダンパ１６，１７の下流側で集合した１本のダクトであり、コンプレッサ２の吸気口１２に連結されている。熱交換器１９はコンプレッサ２に導入される前の臭気ガスおよび大気の温度を所定の範囲内に調整するものである。排熱回収装置２０は、例えば、温水ボイラ、蒸気ボイラ、吸収式冷温水器、デシカント冷凍機、または空気熱交換器などである。電力負荷２２は商用電源系統または電気機器である。

再生器７と燃焼器６との間には触媒ユニット２５が配置されており、再生器７にて加熱された気体（臭気ガスおよび大気）は触媒ユニット２５を通過した後、燃焼器６に供給される。この触媒ユニット２５は、気体を通過させる形状を有した構造体と、この構造体の表面に担持された触媒物質（例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）など）とから基本的に構成されている。構造体の例としては、金属から形成されたメタルハニカム構造体、セラミックから形成されたセラミックハニカム構造体、複数のペレット集合体などが挙げられる。なお、構造体は、通過する気体の圧力損失が低く、かつ表面積が大きいものであれば、上述の例以外の構造体を用いてもよい。この触媒ユニット２５は、再生器７と燃焼器６とを連絡する通路の内部に配置されており、臭気ガスに含まれるＶＯＣなどの有害物質（臭気物質）を酸化分解する機能を有している。

以上のように構成された脱臭装置の動作を説明する。
まず、ガスタービン発電装置の起動時には、ダンパ１６を閉止し、ダンパ１７を全開にし、大気をコンプレッサ２の吸気口１２に導入してタービン１を起動する。すなわち、熱交換器１９によって所定の温度とされた大気は、コンプレッサ２に導入されて圧縮される。圧縮された大気（圧縮空気）は、再生器７を通ることで高温の排気ガスから熱を受け取って５００〜６００℃にまで昇温される。昇温された圧縮空気は、触媒ユニット２５を通過して燃焼器６に供給される。

燃焼器６には、燃料供給源２４から都市ガスや天然ガスなどの燃料ガスが供給されている。燃焼器６では圧縮空気と燃料ガスとの混合気が燃焼され、高温高圧の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスはタービン１に供給され、タービン１を高速で回転させる。タービン１が定格回転速度に到達してから、逆変換装置５が電力出力を開始する。タービン１から排出された燃焼ガスは排気ガスとして再生器７に導入されて圧縮空気を加熱し、排気ガスの温度は約３００℃にまで低下する。そして、排気ガスは排熱回収装置２０に供給されてその排熱が回収された後、大気に放出される。

制御装置１１は、回転速度測定器８によってタービン１の回転が所定の回転速度に達したことを検出し、かつ電力測定器１０によって逆変換装置５が電力出力を始めたことを検出し、かつ温度測定器９によってタービン１の排気ガス温度が所定の値に達したことを検出した場合に、ガスタービン発電装置が定格運転に達して燃焼器６での燃焼ガスの温度が十分に高温になったと判断する。このとき、制御装置１１は、ダンパ１６を全開させるとともに、ダンパ１７を閉止させ、これによって臭気ガスを熱交換器１９を通じてコンプレッサ２の吸気口１２に導入する。

臭気ガスは、大気の場合と同様に、コンプレッサ２により圧縮され、再生器７で排気ガスとの熱交換により５００〜６００℃にまで加熱される。そして、加熱された臭気ガスは触媒ユニット２５を通過し、燃焼器６に供給される。臭気ガスが触媒ユニット２５を通過する際、排気ガスにより加熱された臭気ガスを熱源として触媒反応が起こり、これによって臭気ガスに含まれるＶＯＣ（揮発性有機物）などの臭気物質がある程度分解される。このとき、触媒反応熱により臭気ガスはさらに６００〜７００℃にまで昇温される。そして、燃焼器６において、燃料ガスと臭気ガスとの混合気が約１０００℃の高温で燃焼され、残りの有害物質が分解される。このように、二段階の処理、すなわち触媒作用による酸化分解と、燃焼器６での燃焼による熱分解とによりＶＯＣなどの臭気物質をほぼ完全に除去することができる。

臭気ガスに含まれるＶＯＣは可燃性物質であり、一種の燃料と考えることができる。したがって、ＶＯＣを含む臭気ガスは、大気よりも多くの熱量を有し、結果としてより少ない燃料で高温高圧の燃焼ガスを発生させることができる。さらに、触媒反応により発生した熱は高温高圧の燃焼ガスの生成に寄与し、タービン１で動力（電力）として回収することができる。

次に、脱臭装置の運転を停止する際の動作について説明する。まず、ダンパ１７を全開にして大気を吸気ダクト１５から導入する。同時にダンパ１６を閉止して臭気ガスの導入を停止させる。その後、逆変換装置５の電力出力を停止させ、次いで燃焼器６への燃焼供給を停止してガスタービン発電装置の運転を停止する。この一連の停止動作は制御装置１１からの指令に従って行われる。このような停止動作によれば、燃焼器６への燃料供給が停止して燃焼温度が低下する前に臭気ガスの導入が停止される。したがって、臭気ガスが十分熱分解されないで大気に放出されることを防止することができる。

次に、ガスタービン発電装置が故障などの何らかの原因で緊急停止するときの動作について説明する。まず、燃焼器６への燃料の供給を遮断してガスタービン発電装置の運転を停止する。これと同時に、ダンパ１７を全開にして大気を吸気ダクト１５から導入し、同時にダンパ１６を閉止して臭気ガスの導入を停止する。このような停止動作によれば、ガスタービン発電装置を急停止させた場合であっても、臭気ガスが熱分解されないで大気に排出されることを防止することができる。ガスタービン発電装置が停止した後は、吸気ダクト１５に設けた送風機１８を所定時間運転して脱臭装置内を掃気させる。これによって、吸気ダクト２３を含む脱臭装置内（すなわち、臭気ガスの経路内）に残った臭気ガスを強制的にかつ速やかに外部に排気することができ、その後脱臭装置から臭気ガスが排出されることを防止することができる。なお、このような緊急停止時の一連の停止動作は制御装置１１からの指令に従って行われる。

図２は本発明の第２の実施形態に係る脱臭装置の全体構成を示す概略図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成および動作は、上述した第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
図２に示すように、本実施形態では、触媒ユニット２５は再生器７と排熱回収装置２０との間に配置されている。エネルギー効率を高める観点からは触媒ユニット２５を燃焼器６の上流側に配置することが好ましいが、燃焼器６に導入される臭気ガスの温度は５００〜６００℃と高温である。このため、耐熱性の高い触媒を用いる必要があり、結果として触媒ユニットのコストが上がる。そこで、本実施形態では、排ガス温度が比較的低い領域である再生器７の下流側の排気ガス流路内に触媒ユニット２５を配置する。

再生器７を出た排気ガスの温度は、再生器７での熱交換により約３００℃にまで低下する。したがって、耐熱性の低い安価な触媒ユニット２５を用いることができる。この場合も、排気ガスの余熱を熱源として触媒反応を起こさせて、排気ガス中に残留する臭気物質を分解することができる。この実施形態でも、触媒反応により排気ガスの温度が上昇するので、次の排熱回収装置２０での排熱回収量が増えることとなり、結果として熱交換率の高い脱臭装置を実現することができる。

なお、触媒ユニット２５を再生器７の内部に組み込むこともできる。すなわち、図３に示すように、再生器７の内部の排気ガス流路の出口近傍に触媒ユニット２５を配置してもよい。このような構成によれば、ガスタービン発電装置全体をコンパクトにすることができる。

上述した第１および第２の実施形態では、温度測定器９によって測定したタービン１から排気された排気ガス温度を、ガスタービン発電装置が定格運転に達したことを判断する基準の１つとして用いている。これに代えて、燃焼器６に供給される圧縮空気の温度を判断基準の１つとして用いてもよい。

すなわち、制御装置１１は、回転速度測定器８によってタービン１の回転が所定の回転速度に達したことを検出し、かつ電力測定器１０によって逆変換装置５が電力出力を始めたことを検出し、かつ温度測定器２１によって燃焼器６に導入される圧縮空気の温度が所定の値に達したことを検出した場合は、ガスタービン発電装置が定格運転に達して燃焼ガス温度が十分に高温になったと判断する。このとき、制御装置１１は、ダンパ１６を全開させるとともに、ダンパ１７を閉止させ、これによって熱交換器１９を通じてコンプレッサ２の吸気口１２に臭気ガスを導入する。

図４は本発明の第１または第２の実施形態に係る脱臭装置をＶＯＣ発生源となる工場に連結した例を示す模式図である。
工場３０内に設置されたＶＯＣ発生設備（例えば、ラミネート加工機など）３１からはＶＯＣ含有ガス（臭気ガス）が排出され、この臭気ガスは排出ライン３２を通じて送風機３３により工場３０の外部に移送される。

排出ライン３２は脱臭装置の吸気ダクト１４（図１参照）に接続されている。工場３０から排出された臭気ガスは、吸気ダクト１４およびダンパ１６を介してガスタービン発電装置３５に導入される。上述したように、ガスタービン発電装置３５が定格運転されているときにダンパ１６が開かれ、かつダンパ１７が閉じられる。一方、ガスタービン発電装置３５が定格運転されていないときはダンパ１６が閉じられるとともにダンパ１７が開かれ、大気がガスタービン発電装置３５に導入される。

臭気ガスは、熱交換器１９により例えば約４５℃に冷却される。その後、臭気ガスはコンプレッサ２で圧縮され、再生器７で加熱された後、燃焼器６にて臭気ガスと燃料ガスとの混合気が燃焼され、タービン１を回転させる。タービン１の回転に伴って発電機４で発生された電力は逆変換装置５により商用交流電力に変換されて、商用電源系統２２に送られる。

タービン１（図１参照）の駆動に供された燃焼ガスは排気ガスとしてガスタービン発電装置３５から排出され、吸収式冷温水機（排熱回収装置）２０に供給される。冷温水機２０には冷却塔３７が連結されており、ポンプ４０によって冷却水が冷却塔３７と冷温水機２０との間を循環している。冷温水機２０では、ガスタービン発電装置３５から排出された排気ガスを熱源として冷水が生成され、この冷水はポンプ４１により工場３０内の室内空調機（ファンコイルユニット）３８に供給される。冷水の一部は熱交換器１９に送られ、ここでガスタービン発電装置３５に導入される前の臭気ガスを冷却する。

なお、工場から排出される臭気ガスの流量が少ない場合は、臭気ガスと大気とを同時にガスタービン発電装置に導入するようにしてもよい。また、工場から排出される臭気ガスの流量が多い場合は、臭気ガスの流量に応じて複数のガスタービン発電装置を使用してもよい。さらに、公知の触媒燃焼装置などの処理装置と本発明の脱臭装置とを併用することもできる。この場合は、工場から排出される臭気ガスの流量を上記処理装置によって調整し、脱臭装置にはその処理能力に応じた適切な流量の臭気ガスが導入されるようにすることが好ましい。

このような脱臭装置によれば、エネルギー効率の極めて高い臭気ガス処理システムを提供することができる。また、既存のガスタービン発電装置を利用して脱臭装置を構築することができるのでイニシャルコストが低く、さらに臭気ガスや燃料ガスが持つエネルギーを電力や熱として回収することができるのでランニングコストも低くなる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る脱臭装置の全体構成を示す概略図である。本発明の第２の実施形態に係る脱臭装置の全体構成を示す概略図である。本発明の第２の実施形態に係る脱臭装置の他の構成例を示す概略図である。本発明の第１または第２の実施形態に係る脱臭装置をＶＯＣ発生源となる工場に連結した例を示す模式図である。

符号の説明

１タービン
２コンプレッサ（空気圧縮機）
３タービン軸
４発電機
５逆変換装置
６燃焼器
７再生器
８回転速度測定器
９温度測定器
１０電力測定器
１１制御装置
１２吸気口
１３臭気源
１４，１５吸気ダクト
１６，１７ダンパ
１８送風機
１９熱交換器
２０排熱回収装置
２１温度測定器
２２電力負荷
２３吸気ダクト
２４燃料供給源
２５触媒ユニット
３０工場
３１ＶＯＣ発生設備
３２排出ライン
３３送風機
３５ガスタービン発電装置
３７冷却塔
３８室内空調機
４０，４１ポンプ

Claims

タービン軸に連結されたタービンと、
気体を圧縮するコンプレッサと、
前記圧縮気体と燃料ガスとの混合気を燃焼して燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスを前記タービンに供給する燃焼器と、
前記タービン軸に連結された発電機と、
前記発電機から出力された交流電力を所定の周波数の交流電力に変換する逆変換装置と、
前記圧縮気体と前記タービンから排出された排気ガスとの間で熱交換を行う再生器と、
臭気物質を分解する触媒ユニットとを備え、
前記触媒ユニットを前記再生器と前記燃焼器との間に配置し、
前記圧縮気体を、前記再生器で加熱した後であって、前記燃焼器に供給する前に、前記触媒ユニットを通過させるようにしたことを特徴とする脱臭装置。
前記再生器から排出される排気ガスの熱を回収するための排熱回収装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の脱臭装置。
タービン軸に連結されたタービンと、
気体を圧縮するコンプレッサと、
前記圧縮気体と燃料ガスとの混合気を燃焼して燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスを前記タービンに供給する燃焼器と、
前記タービン軸に連結された発電機と、
前記発電機から出力された交流電力を所定の周波数の交流電力に変換する逆変換装置と、
前記圧縮気体と前記タービンから排出された排気ガスとの間で熱交換を行う再生器と、
臭気物質を分解する触媒ユニットとを備え、
前記再生器で熱交換を行った排気ガスが前記触媒ユニットを通過するようにしたことを特徴とする脱臭装置。
前記触媒ユニットを前記再生器の内部に配置したことを特徴とする請求項３に記載の脱臭装置。
前記触媒ユニットを通過した排気ガスの熱を回収するための排熱回収装置をさらに備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の脱臭装置。