JP2010240559A - 排ガス処理装置およびそれを備えた排ガス処理設備 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアガスを含む排ガスをアンモニアガス濃度に影響されずに安定して処理することができ、処理後のガスの排気に際して燃焼炎の発生を無くすことができる排ガス処理装置およびそれを備えた排ガス処理設備を提供する。
【解決手段】
排ガス処理装置３の加熱室本体２３内に、アンモニアガスを含む排ガスを内部に流通するレトルト本体２２を設置し、レトルト本体２２の内部に、多数の微小な穴２１ｂを形成した複数のニッケル含有板材２１ａからなる第１の触媒層２１を設ける。また、レトルト本体２２の下流側には、第２の触媒層を有する分解室３１を設ける。
これにより、加熱室本体２３内で加熱されたレトルト本体２２の内部で、アンモニアガスを分解、燃焼すると同時に、第１の触媒層２１の触媒作用によりアンモニアガスを分解、燃焼する。アンモニアガスが残存しているときには、第２の触媒層の触媒作用によりアンモニアガスを分解、燃焼する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排ガス処理装置およびそれを備えた排ガス処理設備に関する。

金属性のワークの耐磨耗性、疲労強度、耐焼付性などを向上させるために、ワークに対して、窒化処理を施すことがある。前記窒化処理は、例えば、窒化炉において、アンモニアガスを主体とした雰囲気中でワークを加熱するガス窒化法や、アンモニアガスと浸炭性ガスとの混合ガス雰囲気中でワークを加熱するガス軟窒化法などにより行なわれる。

ガス窒化法やガス軟窒化法では、アンモニアガスが用いられている。そのため、窒化炉から排出される排ガスには、このアンモニアガスが残存している。前記アンモニアガスは、刺激臭があるため、そのまま、前記排ガスを外部環境に排出した場合には、環境負荷が大きくなることがある。したがって、アンモニアガスを含む排ガスは、外部環境に排出する前に処理されている。
前記排ガスの処理は、燃料ガスの燃焼炎によって排ガス中のアンモニアガスを燃焼するバーナを備えた排ガス処理装置などが用いられている（例えば、特許文献１および２を参照）。

実開昭６２−９３３６１号公報、第１図 特開平３−１０５１９４号公報、第１頁右欄下から７行〜２行

しかしながら、前記バーナを備えた排ガス処理装置では、排ガス中のアンモニアガス濃度が低い場合、排ガス中のアンモニアガスが燃焼しにくくなり、排ガスの処理効率が低下するため、排ガスを安定して処理することができないことがある。
また、バーナを備えた排ガス処理装置では、排ガスの処理後のガスを排気口から外部環境に排出するに際して、燃焼炎が、排気口から噴き出すことがあるため、前記排ガス処理装置の運転時における安全性を確保する観点から、十分な監視を要する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアガスを含む排ガスを、排ガスのアンモニアガス濃度に影響されずに安定して処理することができるとともに、排ガスの処理ガスの排出に際して燃焼炎の発生を無くすことができる排ガス処理装置およびそれを備えた排ガス処理設備を提供することを目的とする。

本発明の排ガス処理装置は、アンモニアガスを含む排ガスを処理する装置であって、排ガスおよび支燃性ガスを内部に流通し、前記排ガス中のアンモニアガスを分解、燃焼させるレトルト本体と、前記レトルト本体の内部に設けられ、前記排ガス中のアンモニアガスと接触し、当該アンモニアガスの分解、燃焼を促進するニッケル含有板材からなる第１の触媒層と、前記レトルト本体が内部に設置されており、このレトルト本体を、９００〜１０００℃に加熱する加熱室本体と、前記レトルト本体から排出されたガスを内部に流通し、当該ガスにアンモニアガスが残存しているとき、このアンモニアガスと接触して当該アンモニアガスの分解、燃焼を促進する第２の触媒層を有する分解室とを備えていることを特徴としている。

本発明の排ガス処理装置では、アンモニアガスを含む排ガスは、加熱室本体の内部で９００〜１０００℃に加熱されたレトルト本体に流通して、第１の触媒層に接触し、かつこのレトルト本体から排出されたガスは、分解室に搬送され、第２の触媒層に接触する。これにより、排ガス中のアンモニアガスの一部は、レトルト本体の内部で分解、燃焼する。また、他の一部のアンモニアガスは、前記第１の触媒層を構成するニッケル含有板材による触媒作用によって、分解、燃焼して窒素ガスと水蒸気とになる。さらに、レトルト本体から排出されたガス中にアンモニアガスが残存しているときには、前記アンモニアガスは、分解室の第２の触媒層の触媒作用によって、分解、燃焼して窒素ガスと水蒸気とになる。
そのため、本発明の排ガス処理装置によれば、排ガス中のアンモニアガス濃度が高い場合（例えば、２１〜１００体積％のとき）には、レトルト本体の内部でアンモニアガスを分解、燃焼することにより、排ガスの処理を行なうことができ、一方、排ガス中のアンモニアガス濃度が低く（例えば、２１体積％未満のとき）、アンモニアガスが十分に分解、燃焼しない場合であっても、第１の触媒層および第２の触媒層の触媒作用でアンモニアガスを分解、燃焼することにより、排ガスの処理を行なうことができる。
したがって、本発明の排ガス処理装置によれば、排ガス中のアンモニア濃度の変動に影響されずに、排ガスを安定して処理することができる。
また、本発明の排ガス処理装置によれば、レトルト本体内でアンモニアガスを分解、燃焼して窒素ガスと水蒸気とを生成し、さらに、レトルト本体から排出されたガス中にアンモニアガスが残存しているときには分解室内で当該アンモニアガスを分解、燃焼して窒素ガスと水蒸気とを生成するため、アンモニアガスの燃焼炎が排気口から噴き出すことをより確実に無くすことができ、従来のバーナを備えた排ガス処理装置に比べて、より安全に排ガスの処理を行なうことができる。

本発明の排ガス処理装置では、前記レトルト本体から排出されたガスの排熱により、前記レトルト本体に導入する前の支燃性ガスを加熱する加熱手段をさらに備えていることが好ましい。
これにより、レトルト本体の内部において、排ガスおよび支燃性ガスを所定温度に加熱するのに要する熱量を低減することができ、排ガスの処理の省エネルギー化を図ることができる。

さらに、本発明の排ガス処理装置では、前記第１の触媒層は、排ガスおよび支燃性ガスを流通して当該排ガスおよび支燃性ガスに熱を伝達するとともに前記排ガスおよび支燃性ガスの流れに抵抗を与える流路を形成した内部構造を有していることが好ましい。
これにより、排ガスおよび支燃性ガスを効率よく加熱することができるとともに、アンモニアガスを含む排ガスが前記第１の触媒層内を流通する時間を長くすることができる。
したがって、前記レトルト本体において、アンモニアガスを十分に分解、燃焼することができる。

本発明の排ガス処理設備は、窒化炉から排出されたアンモニアガスを含む排ガスを処理する排ガス処理設備であって、前記窒化炉の下流側に接続されており、前記排ガスを搬送する排ガス搬送流路と、前記排ガス搬送流路により搬送された排ガス中のアンモニアガスを処理する排ガス処理装置と、前記排ガス処理装置で処理されたガスを排出する処理ガス流路とを備え、前記排ガス処理装置が本発明の排ガス処理装置であることを特徴としている。
本発明の排ガス処理設備は、本発明の排ガス処理装置を備えているため、排ガスを安定して処理することができ、処理後のガスの排出に際して燃焼炎の発生を無くすことができる。

本発明の排ガス処理装置およびそれを備えた排ガス処理設備によれば、アンモニアガスを含む排ガスを、アンモニアガス濃度に影響されずに安定して処理することができるとともに、処理後のガスの排出に際して燃焼炎の発生を無くすことができる。

本発明の一実施形態に係る排ガス処理装置を備えた排ガス処理設備の要部構成を示すブロック図である。 図１に示される排ガス処理装置へのガス導入部を示す要部拡大断面図である。 図１に示される排ガス処理装置のレトルト本体の要部構成を示す断面図である。

添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る排ガス処理設備および排ガス処理装置を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス処理装置を備えた排ガス処理設備の要部構成を示すブロック図である。なお、本実施形態では、ワークにガス窒化処理またはガス軟窒化処理を施すための窒化炉から排出されたアンモニアガスを含む排ガスを処理する排ガス処理設備を例として挙げて説明する。

図１に示すように、排ガス処理設備１は、窒化炉から排出された排ガスを搬送する排ガス搬送流路２と、排ガスを分解、燃焼させることにより処理する排ガス処理装置３と、排ガス燃焼装置３で処理されたガスを排出する処理ガス流路８とを備えている。

排ガス搬送流路２の上流側には、図示しない窒化炉が接続されており、前記排ガス処理装置３は、排ガス搬送流路２の下流側に接続されている。これにより、窒化炉において、ワークにガス窒化処理またはガス軟窒化処理が施された後のアンモニアガスを含む排ガスが、排ガス搬送流路２を通って、排ガス処理装置３に搬送される。

排ガス搬送流路２は、排ガス搬送流路２内の圧力を管理する微差圧計１１と、排ガスの流通時に開放されている電磁弁１２と、電磁弁１２の下流に接続され、排ガス搬送流路２を流れる排ガスを排ガス処理装置３に送り込むルーツブロワ１３と、排ガス搬送流路２内の圧力が予め設定された圧力以上であるときに開放された状態となる電磁弁１４とを備えている。
この排ガス搬送流路２では、微差圧計１１で、当該排ガス搬送流路２を流れる排ガスの圧力を測定することにより、圧力の変動が管理されている。排ガス搬送流路２を流れる排ガスの圧力が予め設定された圧力未満であるときには、圧力の変動に応じて、ルーツブロワ１３の出力が調整され、排ガス処理装置３に供給される排ガスの量が調整される。一方、窒化炉から排出される排ガスの量が増加し、排ガス搬送流路２を流れる排ガスの圧力が予め設定された圧力以上であるときには、電磁弁１４が開放され、ルーツブロワ１３の異常が防止される。
これにより、窒化炉から排出される排ガスの量の変動による排ガス処理設備１の損傷を防ぐことができる。

排ガス処理装置３は、アンモニアガスの分解、燃焼を促進する第１の触媒層２１と、排ガス中のアンモニアガスを分解、燃焼する円筒状のレトルト本体２２と、当該レトルト本体２２を加熱する円筒状の加熱室本体２３と、アンモニアガスの分解、燃焼を促進する第２の触媒層を有する分解室３１とを備えている。

加熱室本体２３の内部には、レトルト本体２２が設置されており、このレトルト本体２２の内部には、第１の触媒層２１が設けられている。
加熱室本体２３の内部には、レトルト本体２２の外周面と、加熱室本体２３を構成する壁部の内周面との間に空間２４が形成されている。そして、この加熱室本体２３の内側にはヒータ２５が設けられている。
また、前記空間２４の上流側には、冷却用ブロワ５１から冷却媒体としての空気を供給する冷却媒体流路６が接続されており、前記空間２４の下流側には、前記空気を排出する加熱室排気流路７が接続されている。

レトルト本体２２の内部の温度が９００℃未満であるときには、ヒータ２５により前記空間２４が加熱されることにより、間接的に、レトルト本体２２の内部が９００〜１０００℃の範囲の温度に加熱される。また、レトルト本体２２の内部の温度が１０００℃を超えているときには、前記空間２４への空気の供給により前記空間２４が冷却されることにより、間接的に、レトルト本体２２の内部が９００〜１０００℃の範囲の温度に冷却される。これにより、レトルト本体２２の内部の温度は、一定温度に維持される。

なお、排ガス中のアンモニアガス濃度が高いとき（例えば、２１〜１００体積％のとき）には、排ガス中のアンモニアガスの燃焼時に生じる燃焼熱により、レトルト本体２２の内部の温度が上昇するため、ヒータ２５による加熱が不要となる。この場合において、レトルト本体２２の内部の温度が１０００℃を超えないように、前記空間２４への空気の供給により当該空間２４を冷却し、レトルト本体２２の内部を冷却することができる。

レトルト本体２２の上流側には、ガス導入部１５を介して、排ガス搬送流路２と、支燃性ガスである空気をレトルト本体２２の内部に供給する支燃性ガス流路５とが接続されている。
ガス導入部１５は、二重管構造を形成している（図２を参照）。前記ガス導入部１５を構成する外側の流路２ａは、排ガス搬送流路２に接続されており、排ガスが流通するようにされている。また、前記ガス導入部１５を構成する内側の流路５ａは、空気供給流路５に接続されており、支燃性ガスである空気が流通するようにされている。
これにより、排ガスと空気とを、アンモニアガスを効率よく燃焼させるのに適した状態で排ガス処理装置３のレトルト本体２２内に導入することができる。

第１の触媒層２１は、レトルト本体２２の内部に設けられている。この第１の触媒層２１は、アンモニアガスの分解、燃焼を促進する複数のニッケル含有板材２１ａを、所定隙間を設けて多段に設けた層状構造のものである（図３を参照）。前記ニッケル含有板材２１ａは、レトルト本体２２の内径とほぼ同じ大きさの外径を有する円板状の鋼板であり、このニッケル含有板材２１ａには、パンチング加工により形成した多数の微小な穴２１ｂが設けられている。また、第１の触媒層２１では、隣り合う２つのニッケル含有板材２１ａ同士が、一方のニッケル含有板材２１ａの穴２１ｂと、他方のニッケル含有板材２１ａの穴２１ｂとが互い違いとなって千鳥状に配置されるように、配置されている。
このように、第１の触媒層２１を、多数の微小な穴２１ｂを有するニッケル含有板材２１ａによる層状構造とし、かつ隣り合う２つのニッケル含有板材２１ａの一方のニッケル含有板材２１ａの穴２１ｂと、他方のニッケル含有板材２１ａの穴２１ｂとを互い違いとし、千鳥状に配置したことにより、排ガスおよび支燃性ガスの流路を確保し、かつ第１の触媒層２１を通る排ガスおよび支燃性ガスの流れに流路抵抗を与えるとともに、第１の触媒層２１を構成するニッケル含有板材２１ａと排ガスとが接触する部分の面積を十分に確保している。
したがって、前記第１の触媒層２１では、ヒータ２５により加熱された第１の触媒層２１と排ガスおよび支燃性ガスとの熱交換を十分に行なうことができるため、排ガスおよび支燃性ガスを効率よく所定温度に加熱することができる。また、前記第１の触媒層２１によれば、排ガスおよび支燃性ガスに流路抵抗を与えることができるため、排ガスおよび支燃性ガスがレトルト本体２２内を通過する時間を十分に確保して、排ガス中のアンモニアガスを十分に処理することができる。
前記ニッケル含有板材としては、例えば、ステンレス鋼板材、ニッケル板材、ニッケル合金（商品名：インコネル）からなる板材、ニッケル粒またはニッケルを担持した多孔体からなるアンモニア分解触媒層が表面にコーティングされている板材などが挙げられる。

レトルト本体２２では、排ガス中のアンモニアガス自体を燃料ガスとして燃焼し、第１の触媒層２１の触媒作用によりアンモニアガスを分解、燃焼して窒素ガスおよび水蒸気を生成することができる。

レトルト本体２２の下流側には、レトルト本体２２から排出されたガスを分解室３１に搬送するレトルト排ガス流路４が接続されている。このレトルト排ガス流路４の途中には、支燃性ガス流路５を流れる空気に対して、レトルト本体２２から排出されたガスの排熱を伝達することにより前記空気を加熱する加熱手段としての熱交換器４１が設けられている。この熱交換器４１には、支燃性ガス流路５が接触している。熱交換器４１では、レトルト本体２２から排出されたガスの排熱を支燃性ガス流路５内の空気に伝導させることにより、前記空気を加熱する。加熱された空気は、加熱用ブロワ４２によって、前記ガス導入部１５を介して、レトルト本体２２に供給されるようにされている。
このように、排ガス処理装置３によれば、レトルト本体２２から排出されたガスの排熱を利用してレトルト本体２２に導入する前の空気を加熱することができるため、レトルト本体２２の内部において、排ガスおよび支燃性ガスを所定温度に加熱するのに要する熱量を低減することができ、排ガスの処理の省エネルギー化を図ることができる。

分解室３１は、アンモニアガスの分解、燃焼を促進する第２の触媒層からなる。第２の触媒層は、レトルト本体２２から排出され、レトルト排ガス流路４を通ることによりレトルト本体２２からの排出時よりも低い温度となったガスの温度（例えば、３００℃程度）で、アンモニアガスの分解、燃焼を促進する触媒から構成されている。第２の触媒層を構成する触媒としては、例えば、白金、パラジウムなどの貴金属を含む貴金属系触媒、銅、ニッケルなどの卑金属の酸化物を含む卑金属系触媒、ゼオライト、二酸化チタンなどが挙げられる。
分解室３１の第２の触媒層には、レトルト排ガス流路４を介して、レトルト本体２２から排出された排ガスが導入される。そして、レトルト本体２２から排出されたガス中にアンモニアガスが残存しているときには、分解室３１において、レトルト本体２２から排出されたガスの排熱を利用して、第２の触媒層を構成する触媒の作用により、アンモニアガスを分解、燃焼して窒素ガスおよび水蒸気を生成することができる。その後、分解室３１から排出された処理ガスは、処理ガス流路８を介して排気口９に搬送され、外部環境に排出される。
したがって、排ガス処理装置３によれば、例えば、排気口９に搬送された処理ガスにおけるアンモニアガス濃度は、排気口９の近傍部位Ａにおいて、通常、０〜２００ｐｐｍ程度とすることができ、従来のバーナを備えた排ガス処理装置に比べて、外部環境に排出される処理ガス中のアンモニアガスの量をより一層低減することができる。

排ガス処理装置３では、排ガス中のアンモニアガス濃度が高いとき（例えば、２１〜１００体積％のとき）には、レトルト本体２２において、排ガス中のアンモニアガス自体を燃料ガスとして燃焼し、第１の触媒層２１の触媒作用により当該アンモニアガスを分解、燃焼することにより、排ガスを処理する。一方、排ガス中のアンモニアガス濃度が低いとき（例えば、２１体積％未満のとき）には、レトルト本体２２において、第１の触媒層２１の触媒作用により当該アンモニアガスを分解、燃焼することにより、排ガスを処理することができる。さらに、排ガス中のアンモニアガスを十分に処理することができなかったときには、分解室３１の第２の触媒層の触媒作用により当該アンモニアガスを分解、燃焼することにより、排ガスを処理することができる。
したがって、前記排ガス処理装置３を備えた排ガス処理設備１によれば、アンモニアガスを燃焼させるための燃料ガスを使用することなく、アンモニアガスを含む排ガスを処理することができる。そのため、排ガス処理設備１によれば、安定して処理することができる。また、排ガス処理設備１では、排ガス中のアンモニアガス濃度に影響されることがないので、例えば、アンモニア濃度が０体積％を超え、１００体積％以下の排ガスを安定して処理することができる。さらに、排ガス処理設備１によれば、排ガス処理装置３のレトルト本体２２内で排ガス中のアンモニアガスを分解、燃焼して窒素ガスおよび水蒸気を生成し、アンモニアガスが残存しているときには分解室３１内でアンモニアガスを分解、燃焼して窒素ガスおよび水蒸気を生成することにより、燃焼炎を発生する燃料ガスとしてのアンモニアガスを十分に処理するため、アンモニアガスの燃焼炎が排気口９から噴き出すことをより確実に無くすことができる。

１ 排ガス処理設備
２ 排ガス搬送流路
３ 排ガス処理装置
８ 処理ガス流路
２１ 第１の触媒層
２２ レトルト本体
２３ 加熱室本体
３１ 分解室
４１ 熱交換器

Claims (4)

1. アンモニアガスを含む排ガスを処理する装置であって、
   排ガスおよび支燃性ガスを内部に流通し、前記排ガス中のアンモニアガスを分解、燃焼させるレトルト本体と、
   前記レトルト本体の内部に設けられ、前記排ガス中のアンモニアガスと接触し、当該アンモニアガスの分解、燃焼を促進するニッケル含有板材からなる第１の触媒層と、
   前記レトルト本体が内部に設置されており、このレトルト本体を９００〜１０００℃に加熱する加熱室本体と、
   前記レトルト本体から排出されたガスを内部に流通し、当該ガスにアンモニアガスが残存しているとき、このアンモニアガスと接触して当該アンモニアガスの分解、燃焼を促進する第２の触媒層を有する分解室と
   を備えていることを特徴とする排ガス処理装置。
2. 前記レトルト本体から排出されたガスの排熱により、前記レトルト本体に導入する前の支燃性ガスを加熱する加熱手段をさらに備えている請求項１に記載の排ガス処理装置。
3. 前記第１の触媒層は、排ガスおよび支燃性ガスを流通して当該排ガスおよび支燃性ガスに熱を伝達するとともに前記排ガスおよび支燃性ガスの流れに抵抗を与える流路を形成した内部構造を有している請求項１または２に記載の排ガス処理装置。
4. 窒化炉から排出されたアンモニアガスを含む排ガスを処理する排ガス処理設備であって、
   前記窒化炉の下流側に接続されており、前記排ガスを搬送する排ガス搬送流路と、
   前記排ガス搬送流路により搬送された排ガス中のアンモニアガスを処理する排ガス処理装置と、
   前記排ガス処理装置で処理されたガスを排出する処理ガス流路と
   を備え、
   前記排ガス処理装置が請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス処理装置であることを特徴とする排ガス処理設備。

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