JP2009240880A - 揮発性有機化合物処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】揮発性有機化合物の処理能率の低下を抑制することができる揮発性有機化合物処理システムを提供する。
【解決手段】処理対象ガスに含まれるＶＯＣを吸着剤１０に吸着させ、吸着剤１０に吸着されたＶＯＣを加圧環境下で水蒸気を用いて脱着して水蒸気に混入させる吸着・脱着装置１と、吸着・脱着装置１からＶＯＣが混入した水蒸気が流出する配管Ｘ４と、配管Ｘ４の流路上に設けられてＶＯＣが混入した水蒸気を燃焼させるガスタービン２とを有する揮発性有機化合物処理システムＡであって、ガスタービン２の上流側に、配管Ｘ４を流通する流体を気体と液体とに分離するミストセパレータ４が設けられているという構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス状の揮発性有機化合物を処理する揮発性有機化合物処理システムに関する。

トルエンやキシレン等の各種揮発性有機化合物を取り扱う工場では、揮発性有機化合物を含むガス（処理対象ガス）を処理するための処理システムを設けている。
このような処理システムとして、特許文献１には、処理対象ガスを吸着・脱着装置に供給して揮発性有機化合物を活性炭等の吸着剤に吸着させ、また吸着剤が吸着した揮発性有機化合物を水蒸気で吸着剤から脱着して揮発性有機化合物を水蒸気に混入させる。そして、揮発性有機化合物が混入した水蒸気をガスタービンやボイラ等の燃焼装置により燃焼させて揮発性有機化合物を分解・無害化し処理する揮発性有機化合物処理システムが開示されている。
特許第３９５６９９６号公報

ところで、上記処理システムでは、吸着剤から揮発性有機化合物を脱着させるために吸着・脱着装置内を所定の圧力まで加圧する工程を有するが、当該加圧に伴って揮発性有機化合物を含んだ水蒸気等が凝縮し、ドレンが生じることがある。このドレンが、脱着した揮発性有機化合物が混入した水蒸気と共に燃焼装置に導入されると、燃焼装置の失火や燃焼効率の低下等の要因になり得る。
したがって、上記処理システムでは、吸着・脱着装置から脱着した揮発性有機化合物が混入した水蒸気を燃焼装置に供給する際には、吸着・脱着装置内のドレンを完全に除去してから燃焼装置への供給を開始する必要があった。つまり、ドレンを完全に除去するまでの間は、上記処理システムが待機状態となるため、上記処理システムの揮発性有機化合物の処理能率が低下するという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、揮発性有機化合物の処理能率の低下を抑制することができる揮発性有機化合物処理システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、処理対象ガスに含まれる揮発性有機化合物を吸着剤に吸着させ、上記吸着剤に吸着された上記揮発性有機化合物を加圧環境下で水蒸気を用いて脱着して上記水蒸気に混入させる吸着・脱着装置と、上記吸着・脱着装置から上記揮発性有機化合物が混入した上記水蒸気が流出する流路と、上記流路上に設けられて上記揮発性有機化合物が混入した上記水蒸気を燃焼させる燃焼装置とを有する揮発性有機化合物処理システムであって、上記燃焼装置の上流側に、上記流路を流通する流体を気体と液体とに分離する気液分離装置が設けられているという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、揮発性有機化合物が混入した水蒸気やドレン等が混合した流体を、燃焼装置の上流側において連続的に気液分離することができる。

また、本発明では、上記気液分離装置は、上記流体を旋回させ遠心力を用いて気体と液体とに分離するサイクロン方式であるという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、メッシュやフィルタ等を用いて流体を気体と液体とに分離する方式と比べて圧力損失が少ないため流体の円滑な流動を確保でき、また、外部動力を必要としないためコスト安を図ることができる。

また、本発明では、上記水蒸気の一部を上記吸着・脱着装置を経由することなく上記流路に合流させる第２流路を有し、上記気液分離装置は、上記流路及び上記第２流路の合流位置より下流側に設けられているという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、気液分離装置を合流位置より下流側に設けることによって、第２流路において生じたドレンも気液分離でき、より確実にドレンが燃焼装置に導入されることを防止することができる。

また、本発明では、上記吸着・脱着装置と、上記合流位置との間において、上記流路を流通する流体を気体と液体とに分離する第２気液分離装置が設けられているという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、特にドレンが生じやすい吸着・脱着装置からのドレンを合流位置より上流側で予め気液分離することで、合流位置より下流側で気液分離する気液分離装置の負荷を低減すると共に、第２気液分離装置と気液分離装置との２段で気液分離することでより確実にドレン等が燃焼装置に導入されることを防止することができる。

本発明によれば、処理対象ガスに含まれる揮発性有機化合物を吸着剤に吸着させ、上記吸着剤に吸着された上記揮発性有機化合物を加圧環境下で水蒸気を用いて脱着して上記水蒸気に混入させる吸着・脱着装置と、上記吸着・脱着装置から上記揮発性有機化合物が混入した上記水蒸気が流出する流路と、上記流路上に設けられて上記揮発性有機化合物が混入した上記水蒸気を燃焼させる燃焼装置とを有する揮発性有機化合物処理システムであって、上記燃焼装置の上流側に、上記流路を流通する流体を気体と液体とに分離する気液分離装置が設けられているという構成を採用することによって、揮発性有機化合物が混入した水蒸気やドレン等が混合した流体を、燃焼装置の上流側において連続的に気液分離することができる。つまり、本発明では、吸着・脱着装置内のドレンを完全に除去するまで待機することなく、流路を流通する流体からドレンを分離しつつ揮発性有機化合物が混入した水蒸気を燃焼装置に連続的に供給することができる。
したがって、本発明は、揮発性有機化合物の処理能率の低下を抑制することができる効果がある。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における揮発性有機化合物処理システムＡの概要を示す模式図である。
揮発性有機化合物処理システムＡは、トルエンやキシレン等の各種揮発性有機化合物の処理を必要とする工場内に構築されるものであり、図１に示すように、吸着・脱着装置１、ガスタービン（燃焼装置）２、熱交換器３、ミストセパレータ（気液分離装置）４、及び不図示の制御装置を備えている。

吸着・脱着装置１は、円筒状の部材の開口をドーム状の部材で閉じたような形状の金属製の浄化容器１１と、浄化容器１１内部中段に設けられた吸着剤１０とを有する。吸着・脱着装置１は、処理対象ガスである揮発性有機化合物（以下、ＶＯＣと称する）含有ガスに含まれるＶＯＣを浄化容器１１内部の吸着剤１０に吸着させることによって処理対象ガスからＶＯＣを除去し、吸着剤１０に吸着したＶＯＣを加圧環境下で水蒸気を用いて脱着して水蒸気に混入させる。吸着剤１０には、例えば活性炭が使用される。また、上記加圧環境は、水蒸気を吸着・脱着装置１に供給することによって実現される。

このような吸着・脱着装置１には、吸着剤１０より上側の外部から水蒸気を入力する配管Ｘ１及びＶＯＣが除去された処理済ガスを外部へ出力する配管Ｘ２が設けられており、一方、吸着剤１０より下側の外部から処理対象ガスを入力する配管Ｘ３及びＶＯＣが混入した水蒸気を外部へ出力（流出）する配管（流路）Ｘ４が設けられる構成となっている。また、吸着・脱着装置１は、吸着剤１０を冷却する必要から、空気（冷却用空気）を下側の外部から入力する配管Ｘ５が設けられる。

ガスタービン２は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を備えている。
圧縮機２１は、外部から吸気した空気を加圧して圧縮空気とし、燃焼器２２に供給する構成となっている。燃焼器２２は、圧縮機２１から供給される圧縮空気と燃料ガスとを混合して燃焼させ、タービン２３へ排出する。また、燃焼器２２には、吸着・脱着装置１から出力されたＶＯＣが混入した水蒸気が配管Ｘ４を介して供給され、この水蒸気を燃料ガスと共に燃焼させる構成となっている。タービン２３は、燃焼器２２から供給される燃焼ガスの運動エネルギー及び圧力エネルギーによって回転駆動されて、圧縮機２１の駆動力と、ガスタービン２外部の負荷５の駆動力とを発生する構成となっている。そして、ガスタービン２から排出される燃焼ガス（排ガス）は、熱交換器３へ排出される構成となっている。

熱交換器３は、ガスタービン２から供給される燃焼ガスの保有する熱を利用して水蒸気を生成する構成となっている。熱交換器３が生成した水蒸気の一部は、配管Ｘ６を介して工場のプロセス用として使用され、残りの水蒸気は、配管Ｘ７を介して吸着・脱着装置１等に供給される。なお、配管Ｘ７は、途中２つの配管に分岐しており、一方は吸着・脱着装置１に水蒸気を入力する配管Ｘ１と、他方は、吸着・脱着装置１を経由することなく配管Ｘ４に合流位置１００で接続される配管（第２流路）Ｘ８とに分岐する構成となっている。

ミストセパレータ４は、配管Ｘ４を流通するＶＯＣが混入した水蒸気と当該水蒸気の一部が凝縮したドレンとが混合した流体を気体と液体とに連続的に気液分離するものであり、ガスタービン２の上流側であって、合流位置１００の下流側に設けられる。ミストセパレータ４は、メッシュ方式、フィルタ方式、サイクロン方式等のものを採用できるが、本実施形態では圧力損失の関係から、流体を旋回させ遠心力を用いて気体と液体とに分離するサイクロン方式のものを採用している。

サイクロン方式のミストセパレータ４は、円筒状の容器内部に流入する流体を流入方向に延びる軸周りの旋回流に移行させる複数のブレードで形成された円錐状のエレメント部材を有し、当該エレメント部材の作用により分離した液体を容器底部の排出部４ａから排出するとともに、分離した気体を下流側の配管Ｘ４に流出させる構成となっている。
なお、サイクロン方式のミストセパレータ４は、当該エレメント部材に流体を衝突させることで流体を気体と液体とに分離するものであるため、別途、外部動力を必要とせず、また流体の衝突による自己洗浄が可能であるため、例えば、フィルタ方式等を採用した場合に発生することがある構成機器の内装の剥離物や吸着剤１０の活性炭の一部剥離等による微細な固形物の目詰まり等により、メンテナンスが必要となるということは少ない。したがって、サイクロン方式の自己洗浄によるメンテナンスフリーであるという特徴が、有害なＶＯＣを連続的に処理するという当該処理システム上の目的において適する。

不図示の制御装置は、内部メモリに記憶された制御プログラム及び各種制御用データ等に基づいて、本システムの全体の動作を制御するものである。すなわち、制御装置は、各種制御用データ等に基づいて制御演算を行う制御機器及び上記各構成機器（吸着・脱着装置１、ガスタービン２、熱交換器３等）とのデータ授受を行う各種入出力インターフェース回路等から構成されており、上記各構成機器を統括的に制御する構成となっている。
このような制御装置は、例えば、配管Ｘ２に設けられた開閉弁Ｙ２、配管Ｘ３に設けられた開閉弁Ｙ３、配管Ｘ４に設けられた開閉弁Ｙ４ａ、配管Ｘ５に設けられた開閉弁Ｙ５の開放／閉塞の動作を各々制御すると共に、配管Ｘ１に設けられた調節弁Ｙ１及び調節弁Ｙ４ｂ、配管Ｘ８に設けられた調節弁Ｙ８の開放／閉塞、さらにこれらの当該開放量を調節することで流体の供給量を各々制御することができる構成となっている。

続いて、上記のように構成された揮発性有機化合物処理システムＡによってＶＯＣを処理する動作について図２及び図３を参照して説明する。
図２及び図３は、吸着・脱着装置１の各工程における様子を示す模式図であって、図２（ａ）は吸着工程、図２（ｂ）は加圧・加温工程、図３（ａ）は脱着工程、図３（ｂ）は冷却工程を示している。吸着・脱着装置１は、これらの各工程を繰り返し行うことにより、処理対象ガスからＶＯＣを除去する。
なお、図２及び図３において、各弁の白抜き表示は「開状態」にあることを示し、各弁の黒抜き表示は「閉状態」にあることを示している。

（吸着工程）
不図示の制御装置は、図２（ａ）に示すように、開閉弁Ｙ４ａ、開閉弁Ｙ５及び調節弁Ｙ１を閉状態とすると共に、開閉弁Ｙ２及び開閉弁Ｙ３を開状態とする。開閉弁Ｙ２及び開閉弁Ｙ３が開状態となることで、吸着・脱着装置１にＶＯＣを含んだ処理対象ガスが配管Ｘ３を介して下側から順次入力され、中段に設けられた吸着剤１０を通過して上側の配管Ｘ２から順次出力される。この吸着工程において、処理対象ガスは、吸着剤１０を通過する際にＶＯＣが活性炭に吸着されるために浄化され、処理済ガスとして配管Ｘ２を介して外部に排出されることとなる。
なお、このとき調節弁Ｙ８及び調節弁Ｙ４ｂは、開放量を調節した開状態となっており、配管Ｘ８を介して常時一定量の水蒸気をガスタービン２に供給している。

（加圧・加温工程）
次に、制御装置は、加圧・加温工程を行うべく、図２（ｂ）に示すように、開閉弁Ｙ２、開閉弁Ｙ３、開閉弁Ｙ４ａ及び開閉弁Ｙ５を閉状態とすると共に、調節弁Ｙ１を開状態とする。調節弁Ｙ１が開状態となることで、吸着・脱着装置１に水蒸気が配管Ｘ１を介して上側から順次入力され、浄化容器１１内が加圧・加温状態となり、吸着剤１０の雰囲気が加温されることとなる。
このとき、常温状態にあった吸着・脱着装置１に、加圧・加温用の水蒸気を供給することによって当該水蒸気の一部が凝縮して液体のドレンとなる。そして、このドレンには、吸着工程によって吸着剤に付着したＶＯＣが微量ながら溶け込んでいる。

（脱着工程）
浄化容器１１内が十分に加圧・加温されると、制御装置は、脱着工程を行うべく、図３（ａ）に示すように、開閉弁Ｙ２、開閉弁Ｙ３、開閉弁Ｙ５及び調節弁Ｙ８を閉状態とすると共に、調節弁Ｙ１及び開閉弁Ｙ４ａを開状態とする。調節弁Ｙ１及び開閉弁Ｙ４ａが開状態となることで、吸着・脱着装置１に水蒸気が配管Ｘ１を介して上側から順次入力されると共に、中段に設けられた吸着剤１０を通過してＶＯＣが混入した水蒸気が下側の配管Ｘ４を介して順次出力される。この脱着工程では、吸着剤１０の活性炭に吸着されたＶＯＣは、所定温度に加温された環境下において、吸着剤１０を通過する水蒸気によって活性炭から脱着され、水蒸気に混入した状態で配管Ｘ４を介して排出されることとなる。
このとき、加圧・加温工程において生じたドレンもＶＯＣが混入した水蒸気と共に配管Ｘ４を介して排出される。さらに、配管Ｘ４を流通するＶＯＣが混入した水蒸気は、その流通過程での熱損失等により一部が液化し、ドレンを生じさせる。
なお、制御装置は、調節弁Ｙ８を開放量を調節した開状態とし、配管Ｘ４を流通するＶＯＣが混入した水蒸気に、配管Ｘ８を介して水蒸気を加えて、一定量の水蒸気をガスタービン２に供給させる制御を行う構成であっても良い。

ＶＯＣが混入した水蒸気及びドレンが混合した流体は、配管Ｘ４内を流通し、ガスタービン２の上流側に設けられたミストセパレータ４に導入される。ミストセパレータ４は、導入された流体を円錐状のエレメント部材に衝突させることで、流体の流れを旋回流に移行させる。流体の流れが旋回流に移行することによって、気体に対して比重が大きい液体のドレンは、遠心力により容器の外側に導かれ、排出部４ａから排出される。また、脱着工程により、ドレンが排出されることで生じる霧状のミストドレンは、円錐状のエレメント部材との衝突によって、ブレード表面で凝縮されて液膜となり遠心力によって容器の外側に導かれ、排出部４ａから排出される。一方、液体が分離された流体は、ＶＯＣが混入した水蒸気のみとなりミストセパレータ４を通過してガスタービン２に連続的に供給され、ガスタービン２の燃焼器２２により燃焼されることで分解・無害化されることとなる。

（冷却工程）
次に、制御装置は、冷却工程を行うべく、図３（ｂ）に示すように、開閉弁Ｙ３、開閉弁Ｙ４ａ及び調節弁Ｙ１を閉状態とすると共に、開閉弁Ｙ２及び開閉弁Ｙ５を開状態とする。開閉弁Ｙ２及び開閉弁Ｙ５が開状態となることで、吸着・脱着装置１に空気が配管Ｘ５を介して下側から順次入力され、中段に設けられた吸着剤１０を通過して上側の配管Ｘ２から順次出力される。この冷却工程では、開閉弁Ｙ２を開状態にすることで浄化容器１１内を減圧させ常圧に戻し、空気が吸着剤１０を通過することによって活性炭の雰囲気を冷却することで常態に戻すこととなる。

そして、制御装置は、再び上記した吸着工程に移行させ、上記工程を順に繰り返し行うことで処理対象ガスからＶＯＣを除去することとなる。

したがって、上述の本実施形態によれば、処理対象ガスに含まれるＶＯＣを吸着剤１０に吸着させ、吸着剤１０に吸着されたＶＯＣを加圧環境下で水蒸気を用いて脱着して水蒸気に混入させる吸着・脱着装置１と、吸着・脱着装置１からＶＯＣが混入した水蒸気が流出する配管Ｘ４と、配管Ｘ４の流路上に設けられてＶＯＣが混入した水蒸気を燃焼させるガスタービン２とを有する揮発性有機化合物処理システムＡであって、ガスタービン２の上流側に、配管Ｘ４を流通する流体を気体と液体とに分離するミストセパレータ４が設けられているという構成を採用することによって、ＶＯＣが混入した水蒸気やドレン等が混合した流体を、ガスタービン２の上流側において連続的に気液分離することができる。つまり、本実施形態では、吸着・脱着装置１内のドレンを完全に除去するまで待機することなく、配管Ｘ４を流通する流体からドレンを分離しつつＶＯＣが混入した水蒸気をガスタービン２に連続的に供給することができる。
したがって、本実施形態では、揮発性有機化合物の処理能率の低下を抑制することができる効果がある。

また、本実施形態では、ミストセパレータ４は、流体を旋回させ遠心力を用いて気体と液体とに分離するサイクロン方式であるという構成を採用することによって、メッシュやフィルタ等を用いて流体を気体と液体とに分離する方式と比べて圧力損失が少ないため流体の円滑な流動を確保でき、また、外部動力を必要としないためコスト安を図ることができる。

また、本実施形態では、水蒸気の一部を吸着・脱着装置１を経由することなく配管Ｘ４に合流させる配管Ｘ８を有し、ミストセパレータ４は、配管Ｘ４及び配管Ｘ８の合流位置１００より下流側に設けられているという構成を採用することによって、ミストセパレータ４が配管Ｘ８において生じたドレンも気液分離でき、より確実にドレンがガスタービン２に導入されることを防止することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図４に示すように、吸着・脱着装置１と、合流位置１００との間において、配管Ｘ８を流通する流体を気体と液体とに分離する第２ミストセパレータ（第２気液分離装置）４´が設けられているという構成を採用することによって、特にドレンが生じやすい吸着・脱着装置１からのドレンを合流位置１００より上流側で予め気液分離することで、合流位置１００より下流側で気液分離するミストセパレータ４の負荷を低減すると共に、第２ミストセパレータ４´とミストセパレータ４との２段で気液分離することでより確実にドレンがガスタービン２に導入されることを防止することができる。なお、第２ミストセパレータ４´もミストセパレータ４と同じ構成のサイクロン方式であることが好ましい。

また、例えば、本実施形態では、揮発性有機化合物処理システムＡは、吸着・脱着装置１を一つ有する構成を説明したが、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、例えば、吸着・脱着装置１が複数設けられ、各吸着・脱着装置１から順次脱着工程を行わせる構成であっても良い。この構成を採用する場合、本発明では、ガスタービン２の直前の最下流側にミストセパレータ４を設ける構成であることが好ましい。

また、例えば、本実施形態では、燃焼装置は、ガスタービン２であると説明したが、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、例えば、排熱回収ボイラ等の各種ボイラ等であっても良い。

本発明の実施の形態における揮発性有機化合物処理システムの概要を示す模式図である。 本発明の実施の形態における吸着・脱着装置の吸着工程と加圧・加温工程における様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態における吸着・脱着装置の脱着工程と冷却工程における様子を示す模式図である。 本発明の別実施形態における揮発性有機化合物処理システムの概要を示す模式図である。

符号の説明

１…吸着・脱着装置、２…ガスタービン（燃焼装置）、４…ミストセパレータ（気液分離装置）、４´…第２ミストセパレータ（第２気液分離装置）、１０…吸着剤、１００…合流位置、Ａ…揮発性有機化合物処理システム、Ｘ４…配管（流路）、Ｘ８…配管（第２流路）

Claims (4)

1. 処理対象ガスに含まれる揮発性有機化合物を吸着剤に吸着させ、前記吸着剤に吸着された前記揮発性有機化合物を加圧環境下で水蒸気を用いて脱着して前記水蒸気に混入させる吸着・脱着装置と、前記吸着・脱着装置から前記揮発性有機化合物が混入した前記水蒸気が流出する流路と、前記流路上に設けられて前記揮発性有機化合物が混入した前記水蒸気を燃焼させる燃焼装置とを有する揮発性有機化合物処理システムであって、
   前記燃焼装置の上流側に、前記流路を流通する流体を気体と液体とに分離する気液分離装置が設けられていることを特徴とする揮発性有機化合物処理システム。
2. 前記気液分離装置は、前記流体を旋回させ遠心力を用いて気体と液体とに分離するサイクロン方式であることを特徴とする請求項１に記載の揮発性有機化合物処理システム。
3. 前記水蒸気の一部を前記吸着・脱着装置を経由することなく前記流路に合流させる第２流路を有し、
   前記気液分離装置は、前記流路及び前記第２流路の合流位置より下流側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理システム。
4. 前記吸着・脱着装置と、前記合流位置との間において、前記流路を流通する流体を気体と液体とに分離する第２気液分離装置が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の揮発性有機化合物処理システム。

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