JP2011021779A

JP2011021779A - 直接燃焼式脱臭炉

Info

Publication number: JP2011021779A
Application number: JP2009165468A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kawamura; 哲男河村; Tomoo Suzuki; 智雄鈴木; Junichi Fujita; 淳一藤田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Katsura Seiki Seisakusho KK
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Katsura Seiki Seisakusho KK
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-14
Also published as: JP5492482B2

Abstract

【課題】炉体をコンパクトにする。また、炉内温度分布を均一にし、臭気成分の酸化分解反応に必要な最低限の処理温度に維持する燃焼量一定条件で運転しても、負荷変動が起きても脱臭効率の低下が起き難くする。
【解決手段】臭気ガス２８を炉内に導入し、バーナ２の火炎３０及び燃焼ガスと混合させて火炎３０及び燃焼ガスの熱で臭気ガス２８中の臭気成分を酸化分解する脱臭炉において、バーナ２の火炎３０の周りを包み込むように臭気ガス２８を炉内に導入し、バーナ２の火炎が直接当たらない位置で尚且つできるだけバーナ２の近くに燃焼ガスと臭気ガス２８の流れを衝突させて流れに乱れを起こさせる衝突体２７を備えるようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は脱臭炉に関する。更に詳述すると、本発明は、可燃成分を含む臭気ガスを炉内に導き、バーナの助燃によって焼却し、臭気成分・可燃成分を酸化分解することによって無臭とする直接燃焼式脱臭炉に関する。

臭気性ガスを燃焼させて脱臭する装置の１つとして、直接燃焼式のものがある。この直接燃焼方式の脱臭装置では、低発熱量や低濃度の臭気ガスに対しては燃料を大量に消費するためランニングコストが高い欠点がある。そこで、従来の直接燃焼式脱臭炉は、蓄熱体を利用することにより高温化を図ることで燃料消費を抑えると共に脱臭効率を上げている。

例えば、ごみ焼却炉等の施設から発生する悪臭成分を始めとする公害物質を含有するガスの排出経路上に、開口部を有するセラミック多孔板で前後を区切ることによって形成された燃焼室と、同燃焼室内に開口し高温の火炎を放射するバーナとを備え、かつ燃焼室の上流側と下流側のセラミック多孔板が開口部を交互に異なる位置に設けた複数のものからなっている脱臭焼却炉が提案されている（特許文献１参照）。この脱臭焼却炉における上流側および下流側の複数のセラミック多孔板は、それぞれ開口部が互いに異なる位置に設けてあるので、光学的直線的に進む輻射熱を外部に洩らすことなく、熱を放射し且つ受け止める。即ち、上流側および下流側の複数のセラミック多孔板の間に熱を閉じ込めることによって、従来のごみ焼却炉に比して、極めて高い温度場（９００〜１０００℃程度）を形成することで、悪臭成分、ばい菌、煤煙、塵埃等の公害物質の微粒子を含むガスを加熱分解・焼却するようにしたものである。

また、独立した直接燃焼式脱臭炉としては、外管と内管との二重管構造の配管の途中に燃焼空間（外管と内管とを連通する底部空間）を設けてハニカムセラミックスから成る蓄熱体と該セラミック蓄熱体を直接加熱するためのガスバーナとを備え、悪臭成分を含む被処理ガスを内管の上端から導入してセラミック蓄熱体を通過させてから燃焼室に導き、さらに外管へ流入させて上昇させてから外管の上端の触媒を経て残余の臭気成分を酸化燃焼または熱分解した後に排出口から排気するものが提案されている（特許文献２参照）。この脱臭炉においては、セラミック蓄熱体の下端部が例えば１５００℃程度のガスバーナの炎によって直接炙られることで高温化して（１３００℃〜１５００℃になって）いるため、セラミック蓄熱体の通気孔を経て燃焼室に導入される被処理ガスは、外管側を流れる燃焼排ガスによって予熱される（導入口から供給される被処理ガスは１３０℃程度であり、内側通路を流通することで６００℃ 程度の温度に温められる。）ことと相俟ってセラミック蓄熱体で８００℃〜１０００℃程度に温められ、さらにガスバーナの炎によって直接炙られ加熱されることから、相当の高温下で悪臭成分の酸化燃焼または熱分解反応が促進される。さらに、処理済みガスは、外管を経て排気される際に内管側を流れる低温の被処理ガスとの間で熱交換を行なって３００℃程度に冷やされてから配管の上部のセラミック焼結体を通ることでそのガスに残った悪臭成分が触媒の作用によって酸化燃焼または熱分解された後、排出口から排気される。

特公平８−６９０６号公報特開２００６−２０７８６４号公報

直接燃焼式脱臭炉においては、炉内を臭気成分の酸化分解反応に必要な最低限の処理温度（７５０℃程度）まで加熱することが必要である。しかし、必要以上に高温にすることは無駄に熱エネルギーをかけることとなり、ランニングコストを上げることになるので好ましくない。しかしながら、必要最低限の処理温度に維持する燃焼量一定条件で運転していると、負荷変動が起きたときに脱臭効率が低下する虞がある。特に、炉内温度分布が不均一な場合には、温度が低い領域における脱臭効率の低下が著しい。

そこで、従来の直接燃焼式脱臭炉は、蓄熱体を利用し高温化を図ることで燃料消費を抑えながら炉内温度を９００〜１０００℃程度以上の極めて高い温度場を形成することで負荷変動に対応するようにしているが、結局は必要最低限の処理温度を遙かに超える温度以上にするために無駄に熱エネルギーをかけることとなり、ランニングコストの上昇を招いている。また、耐熱性に優れるセラミックを用いるといっても、９００〜１０００℃程度以上の極めて高い温度場に晒し続けたり、１５００℃の火炎で炙ることは、ヒートクラックなどを招き設備寿命を短くしてしまう問題を有する。

さらに、従来の直接燃焼式脱臭炉では、臭気成分の酸化分解反応に必要な最低限の処理時間に相当する炉内滞留時間を得るには、どうしても炉長（燃焼室長さ）の長い脱臭炉とせざるを得ず、大型化する問題を含んでいる。このことから従来の直接燃焼式脱臭炉は、一般に１０Ｎｍ^３／ｍｉｎ以上が一般的であり、小形でも５Ｎｍ^３／ｍｉｎ程度であり、コンパクトな脱臭炉を構成することができないという問題を有している。

また、特許文献２に記載の発明のように、火炎に臭気成分を直接吹き付けて混合させれば、混合が早く完了するが、火炎自体が冷却されて燃焼の安定性が損なわれると共に不完全燃焼を起こしてＣＯが発生する虞があることから、火炎に吹き付ける前に十分に被処理ガス・臭気ガスを予熱しかつセラミック蓄熱体で８００℃〜１０００℃程度の高温にしておく必要がある。また、極めて高い温度場を形成するため高温の燃焼排ガスをそのまま大気中に放出することはできず、その熱を被処理ガスの予熱に利用して廃熱回収を図ると共に排気ガスを低温に下げる必要がある。このため、被処理ガスの予熱・排気ガスの廃熱回収のための十分な配管長さ並びに被処理ガスを高温にするための十分な蓄熱量を要するセラミック蓄熱体とそれを収容する大きさの燃焼室を必要とし、コンパクトな脱臭炉例えば処理能力１〜２Ｎｍ^３／ｍｉｎ程度の直接燃焼式脱臭炉を構成することができないという問題を有している。因みに、この文献の記載の実施形態の燃焼脱臭装置は７Ｎｍ^３／ｍｉｎ程度の処理能力で被処理ガスの燃焼脱臭が行われるものとして構成されている。

本発明は、コンパクトな直接燃焼式脱臭炉を提供することを目的とする。また、本発明は、炉内温度分布を均一にし、臭気成分の酸化分解反応に必要な最低限の処理温度に維持する燃焼量一定条件で運転しても、負荷変動が起きても脱臭効率の低下が起き難い直接燃焼式脱臭炉を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明者等がセラミックボールを蓄熱体として利用することについて種々研究・実験した結果、蓄熱容量を増やしても脱臭効率にはあまり効果が上がらないことが判明した。炉内をセラミックボールで充填した場合、蓄熱効果は上がる（温度は上がる）ものの、ボールの隙間を通過する臭気ガスと燃焼ガスの流速が速くなって、滞留時間・処理時間が短くなって酸化反応処理に必要とする時間がとれず（０．３秒未満、０．１秒程度）、通常９０％程度脱臭効率がでる炉体長さでも、６０〜７０％程度の脱臭効率しか得られなかった。むしろ、セラミックボールの量を極端に減らしたときに、混合が促進されて短い時間（小さな燃焼室・コンパクトにしても）でも酸化反応に十分な処理時間をとることができて脱臭効率が向上すること、つまり、処理時間が短くても脱臭効果が従来並みあるいはそれ以上に良くなることを知見するに至った。

本発明は、かかる知見に基づくものであり、臭気ガスを炉内に導入し、バーナの火炎及び燃焼ガスと混合させて前記火炎及び燃焼ガスの熱で前記臭気ガス中の臭気成分を酸化分解する脱臭炉において、前記バーナの火炎の周りを包み込むように前記臭気ガスを前記炉内に導入し、前記バーナの火炎が直接当たらない位置で尚且つできるだけ前記バーナの近くに前記燃焼ガスと前記臭気ガスの流れを衝突させて流れに乱れを起こさせる衝突体を備えるようにしている。

ここで、衝突体はボール形状であることが好ましく、より好ましくはセラミック製であることである。また、衝突体は臭気ガスと燃焼ガスとが底面並びに側方に通過可能な衝突体受けに収容されていることが好ましい。さらに、衝突体は衝突体受けの上に１層となるように配置されていることが好ましい。

また、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１つに記載の直接燃焼式脱臭炉において、下部で連通する内側の流路と外側の流路とを有し、かつ前記外側の流路は上端で燃焼炉体の上部に設けられている臭気ガス導入口と連通し、前記内側の流路の上端は燃焼室天井との間で開口して燃焼室内に連通するように設けられている二重管構造の内筒を前記炉内に配置して前記内筒の内側に燃焼室を形成すると共に、前記内筒の外周壁面と前記炉体の内周壁面との間で燃焼排ガスが流れる排出流路を形成し、前記内筒に導入される前記臭気ガスが前記外側の流路内を下方に向けて流れる間に前記排出流路を経て処理済みガス排気口から炉外に排出される処理済みガスとの間で熱交換を行うと共に、前記内筒の内側の流路側に流入して上昇する間に炉底に向けて流れる燃焼ガスと臭気ガスとの混合ガスあるいは火炎との間で熱交換を行い、導入された前記臭気ガスを予熱してから炉頂部の前記臭気ガス導入口より前記内筒によって区画された燃焼室内に供給されるようにしている。

請求項１記載の直接燃焼式脱臭炉では、衝突体に燃焼ガスと臭気ガスとを衝突させて流れに乱れを起こすことで一気に混合が促進されて短い時間で燃焼ガスと臭気ガスとの混合が完了するので、酸化分解処理時間を０．３から０．４秒の間（０．３５秒程度）に短縮できる。そして、混合した後のスペースを酸化分解反応のための滞留空間とできるので、燃焼室内に噴射された燃焼ガスと臭気ガスとが混合するためのスペースを大幅に短くでき、脱臭炉全体の（容積）省スペース化・コンパクト化が可能となる。具体的には、本発明の直接燃焼式の脱臭炉によると、１ｍ^３〜３ｍ^３のコンパクトなサイズのものでも、実用上十分な脱臭効率である９５％以上の脱臭効率を達成できた。コンパクトな炉体寸法でありながら、９０％以上の脱臭効率を確保することができる。

また、本発明の直接燃焼式脱臭炉によると、燃焼ガスと臭気ガスとが衝突体に衝突してその流れに乱れを起こして一気に混合すると同時に、燃焼室内の周辺（内周壁面近傍）にも燃焼ガスと臭気ガスとが混合したガス（以下、単に混合ガスと呼ぶこともある）が流れるので、燃焼室の中心と周辺とでほとんど温度差がなく（図９参照）、炉内温度分布が均一であるため、どんな状況（負荷変動などの外乱が生じて）でも何処ででも脱臭処理ができ、負荷変動の影響を受けにくく脱臭効率が安定する。つまり、炉内のどこを処理ガスが通っても、もっとも安定した処理が出来る好適な処理状態を実現できる。

さらに、本発明の直接燃焼式脱臭炉によると、燃焼室の中心と周辺とでほとんど温度差がなく均一な炉内温度分布となるため、燃焼室内の周辺（内周壁面近傍）において脱臭処理が実行できるように周辺の温度を臭気を酸化分解反応するために必要な７５０℃まで加熱し維持しようとしても、中央部の温度も同程度であるため、局部的に衝突体に過度の熱を与えることがなく、耐火性を損なうこともなければ、耐火性を必要以上に上げる必要もない。しかも、臭気成分の酸化分解反応に必要最低限の処理温度まで加熱し維持するので、無駄に熱エネルギーをかけることがなく、ランニングコストも低減できる。

加えて、火炎の周りを包み込むように臭気ガスを噴出することで、火炎に比べて低温の臭気ガスのカーテンによる遮熱効果で炉体並びに内筒を保護することができる。

また、衝突体をボール形状とした請求項２記載の発明によると、衝突体と衝突体との間に確実に隙間を作ることができ、しかも燃焼ガスと臭気ガスの流れの抵抗となり難い隙間をつくり出して圧力損失を少なくする。また、ボール形状は応力が分散されて壊れ難いため、長期間の使用でも隙間を維持できる。

また、衝突体をセラミック製にした請求項３記載の発明によると、雰囲気温度と同等の温度に加熱されて蓄熱されるため、それらの間を臭気ガスが通過する間にも酸化分解処理できる。加えて、燃焼量一定での運転時に瞬間的な負荷変動が起きて僅かに炉内温度が下がることが起きたとして、セラミック製衝突体からも熱を受けることにより酸化分解処理が維持され、脱臭効率は９０％以上を維持できる。しかも、セラミックボールの場合には、容易に安価に入手できる。

また、請求項４記載の発明によると、衝突体を衝突体受けの上に乗せるだけで拘束をなくしているので、加熱・収縮時にストレスが発生せず、加熱・収縮を繰り返すことに因るクラック発生を防ぐことができる。

また、請求項５記載の発明によると、衝突体は前記衝突体受けの上に１層となるように配置されているので、衝突体受けの全面に衝突体が広がるように乗せるだけで、定量的に製作することができる。このことは、製造上の品質管理の上で、作業が極めて効率的で容易となり、衝突体の量にもばらつきがなくなる。本発明者等の実験によると、衝突体は１層と２層とではほとんど脱臭効率に有意な差異が生じなかった（２層でも効果は同じ程度）上に、２層にすると製作時の品質管理即ち一定量となっているかどうかの管理が難しくなり、３層以上にすると圧力損失が上がってブロワを大きくすることが必要となる。ブロワを大型化すれば、動力を必要とし、省エネルギー効果を低減させる。このことから、品質管理が容易で尚かつどこまで層を少なくできるかという観点で１層が好ましいものである。

さらに、請求項６記載の発明によると、燃焼排ガスの熱が臭気ガスの予熱によって回収されて再び燃焼室内へ戻されると共に燃焼排ガスを比較的低温にして大気中に排気するようにしているので、熱収支がよい上に環境へ与える影響を抑え、少ない燃料でも脱臭効果を実現でき、従来に比べてランニングコストを大幅に低減できる。しかも、炉内において熱交換して臭気ガスの予熱を行うので、外付けで別に熱交換機を設ける場合よりもコンパクトにできる。

本発明の脱臭炉の一実施例を示す中央縦断面図である。燃焼ガス並びに臭気ガスの供給系統の一例を示す配管図である。脱臭炉における衝突体の位置、量、シールの有無などがメタンの処理効果に与える影響を確認するための実験装置を示す概略図である。衝突体を備えていない脱臭炉の図である。衝突体として２０ｋｇのセラミックボールを炉底部の衝突体受けに収めた脱臭炉の図である。バーナ先端から３００ｍｍの位置に衝突体受けを設置して７ｋｇのセラミックボールから成る衝突体を収めた脱臭炉の図である。バーナ先端から３００ｍｍの位置に衝突体受けを設置して８．５ｋｇのセラミックボールから成る衝突体を収め、最も上層のセラミックボールの近傍の内筒の内周壁面に外周シールを備えた脱臭炉の図である。バーナ先端から２００ｍｍの位置に衝突体受けを設置して２ｋｇのセラミックボールから成る衝突体を収めた脱臭炉の図である。図４から図８に示す脱臭炉を用いて実施した実験１〜８における炉内温度分布を示すグラフであり、横軸に壁面からの距離（ｍｍ）、縦軸に温度（℃）を示す。実験２〜８における脱臭効率を比較する表であり、横軸に実験番号、縦軸に脱臭効率（％）を示す。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に本発明の直接燃焼式脱臭炉の一実施形態を示す。この脱臭炉１は、バーナ２を装備した炉体３と、バーナ２に燃焼用空気と燃料ガスとを供給する燃焼用空気供給系４及び燃料供給系５と、被処理ガスたる臭気ガス２８を炉内の燃焼室６に供給する被処理ガス供給系７と、処理済みガス２９を排出する排気系８とを備えている。

炉体３は、通常、鋼板製ケーシングの内側を耐火断熱材で内張りしたり、空冷層を設けることによって形成されている。本実施形態の場合、炉体３は、例えば耐火断熱材で内張された縦長の円筒形を成し、その内周壁面９から離して内筒１０が設置されて内筒１０の内側に燃焼室６が形成されている。また、内筒１０と炉体３の内周壁面９との間には排気路１１を構成する隙間が形成され、炉体３の上側寄りの設置されている排気口１２から脱臭処理済みのガスを含む処理済みガス２９を排気系８へ流出させるように設けられている。そして、この炉体３の炉頂部１１には熱源としてのバーナ２が装備されている。本実施例では燃焼室６に１セットのバーナ２を設けているが、場合によっては２セット以上のバーナを装備しても良い。尚、排気口１２には排気系８を構成する仕切弁１４を備える排気管１３が接続され、処理済みガス２９を任意設備あるいは大気中に放出し得るように設けられている。

また、内筒１０は、本実施形態の場合、中央に仕切り壁１５を設けて内側の流路１６と外側の流路１７とに分離されると共に下部で中央仕切り壁１５が切られて内外の流路１６，１７が連通された二重管構造とされている。そして、外側の流路１７は炉体３の上部に設置されている臭気ガス導入口１９と連通し、内側の流路１６の上端は炉体３の天井に向けて開口され、臭気ガス導入口１９から導入された臭気ガス２８が外側の流路１７並びに内側の流路１６を経て炉頂部の燃焼室６の周囲から燃焼室６内へ吹き出されるように設けられている。ここで、炉体３は、炉体本体３ａと炉天井部を含む蓋部３ｂとに分離されて形成され、その接合部に内筒１０の外側の流路１７のフランジ部１７ａが挟持されて臭気ガス導入口１９と排気路１１とを区画するように設けられている。また、炉蓋部３ｂは、さらにバーナ２の周囲を覆う環状の炉天井部３ｂ-1と、その周りを囲う筒部３ｂ-2とに分離されて形成され、その接合部に内筒１０の中央仕切り壁１５の上部分が挟持されると共に上端のフランジ部分が炉体の外で筒部３ｂ-2に固定されて、臭気ガス導入口１９と内筒１０内側の流路１６とを区画するように設けられている。したがって、被処理ガスたる臭気ガス２８は、燃焼室６の中央中心に配置されたバーナ２の周囲から、火炎３０の周りを包み込むように噴出され、内筒１０を冷却して内筒１０を保護する。尚、本実施形態において内筒１０の内側が燃焼室６であり、内筒１０の内面２１が炉内壁面となる。

臭気ガス導入口１９には被処理ガス供給系７の臭気ガス供給管２２が連結され、ブロワ２３による押し込み通風によって被処理ガスたる臭気ガス２８が内筒１０の外側の流路１７へ供給される。臭気ガス２８は、臭気ガス導入口１９から内筒１０の外側の流路１７に導入され、下端に向けて下降する間に排気路１１を上昇する処理済みガス２９によって加熱され、さらに内側の流路１６を上昇するときに内筒１０の内側の燃焼室６を流れる燃焼ガスと臭気ガス２８との混合ガス及び燃焼ガスなどによって加熱されてさらに昇温される。そして、十分に予熱されてからバーナ２の周囲に噴出される。

ここで、本実施形態における燃焼装置は、周波数の変更で風量を変更できるインバータ制御可能なブロワ３１が採用され、燃焼用空気と燃料ガス（例えばＬＰＧ）とが均圧制御によって燃焼用空気の供給量を変更すると同時に供給燃料量も調整されるように設けられている。燃焼用空気の圧力を燃料供給系５に配置された均圧弁３２にローディングさせて、燃焼用空気の圧力変化に応じて燃料の供給量を変化させ、好ましい空気比を維持したまま燃焼量を制御する。熱電対３３によって炉底温度を検出し、その温度に基づいてブロワ３１の風量をインバータ制御し、設定処理温度例えば７５０℃に燃焼ガス温度を維持するようにしている。このインバータ制御により、炉内温度が無駄に温度が上がるのを抑制している。尚、図中の符号３４は電磁弁、３５は圧力リミットスイッチ、３６はエア圧力計、３７はガス圧力計、３８はニードルバルブ、３９はバタフライ弁、４０はストレーナ、４１は点火トランス、４２はウルトラビジョン、４３はボールバルブ、４４はエア抜きコック、４５はガス入り口ユニオン、４６はバタフライ弁、４７はスリーブ継手、４８はピープサイト、４９は圧力リミットスイッチ、５０はエレクトロード、５１は電磁弁である。

内筒１０の内側の燃焼室６には、臭気ガス２８の流れを衝突させて乱れを起こさせる衝突体２７が設置されている。衝突体２７によって乱れを起こした後が滞留時間を作り出す空間となることから、衝突体２７はできるだけバーナ火炎の近くに設けることが、滞留時間を作り出す空間を大きくする上で好ましい。他方、衝突体２７がバーナ火炎に接近し過ぎると、焼損や割れ（ヒートクラック）などを起こしかねない。そこで、この衝突体２７は、直接火炎が当たらない位置でできるだけバーナ付近に設置されていることが好ましい。この場合、衝突体２７の下流（ガスの流れに関して）のスペースを通過する時間が酸化分解反応のための滞留時間とできるので、燃焼室６内に噴射された燃焼ガスと臭気ガス２８とが混合するためのスペースを大幅に短くでき、脱臭炉のコンパクト化が可能となる。勿論、脱臭炉のコンパクト化を或る程度犠牲にしても良いのであれば、衝突体２７の設置位置をバーナ火炎３０から更に離した位置にすることも可能である。この場合においても、依然として衝突体２７を設けない場合に比べて脱臭炉をコンパクトにでき、脱臭効率を上げられることは言うまでもない。また場合によっては、逆にコンパクト化を重視するのであれば、バーナ火炎３０に衝突体が接触する位置まで接近させた位置とすることもできる。この場合には、より脱臭炉のコンパクト化を可能とするが、火炎に炙られても割れの発生などがない材料例えば特に耐火・耐熱性に優れるセラミック製の衝突体の採用が望まれる。

この衝突体２７は、燃焼ガスと臭気ガス２８の流れの抵抗とならないような、通気性のある衝突体受け２６に収容されている。本実施形態の場合、衝突体受け２６は、例えば裏面側がリブで補強されたステンレススティール製のパンチングメタルの底板２６ａをリング２６ｂにワイヤ２６ｃで吊り下げた構造のかごとしているが、これに特に限られるものではなく、パンチングメタルの板や網で構成されるバスケットや、単にパンチングメタルの板を円筒１０の内周壁面２１に形成した段部（環状突起）に載置した通気性のある台のようなものでも良い。燃焼ガスと臭気ガス２８の流れは衝突により衝突体受け２６の底部のみならず外周方向・側方（円筒内周壁面２１側）にも回り込み、結果として外周部分の温度を上昇させる。これにより温度が低くて処理効率の低い部分が少なくなる。勿論、燃焼ガスと臭気ガス２８の流れが衝突体受け２６の外周方向に抜けなくとも、混合が促進されるのであれば衝突体受け２６の底部側への通過のみでも十分であるが、短い距離で促進させようとすると、衝突体受け２６の外周に燃焼ガスと臭気ガス２８の流れを分散させることが好ましい。つまり、衝突体受け２６は、その側方（円筒内周壁面２１側）並びに底部を燃焼ガスと臭気ガス２８との混合ガスが抵抗無く通過できる構造のもので衝突体２７を支持することが好ましい。また、衝突体２７は衝突体受け２６の上に乗せるだけで拘束をなくし、加熱・収縮を繰り返すことに因るクラック発生を防ぐことが望ましい。この場合、加熱・収縮時にストレスが発生しないので、ヒートクラックや耐久性が上がる。

衝突体２７としては、燃焼ガスと臭気ガス２８の流れを衝突させてその流れに乱れを起こさせかつその流れを通過させる隙間を形成するものであれば良く、特定の形状や材質に限定されるものではない。しかし、好ましくは１０００℃前後の排ガスと接触してもヒートクラックを生じない材料、例えばコージライトやムライト等のセラミックスの使用が好ましい。また、衝突体は、燃焼ガスと臭気ガス２８の流れの抵抗とならないようにすることが望ましい。そこで、衝突体２７としてはボール形状とすることが好ましい。特に、衝突体２７としては耐久性の高い材料、例えばセラミックスで成形された中空のボール状が好ましい。この場合、ヒートクラックも少なく、応力が分散されて壊れ難い。勿論、特にボール形状更には中空のものに限定されるものではなく、中実のセラミックボールや、綿状あるいはナゲット形状などの他の形状の衝突体を場合によっては使用することも可能である。更に、パンチングメタルのような板材を孔を違えて何層か積層するものを衝突体として用いることも可能であるし、場合によってはセラミックス以外の素材、例えば耐熱鋼等の金属で製作しても良い。しかしながら、ボール形状の衝突体２７の方が長期間の使用でも安定した隙間を維持する上でも好ましい。尚、ボール形状の衝突体２７の場合、その大きさは特定の大きさに限定されるものではないが、例えば好ましくは直径１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度とすることである。

セラミックボールから成る衝突体２７は、燃焼ガスと臭気ガス２８の流れを衝突させてその流れに乱れを起こすに十分な凹凸や隙間を形成する必要があるが、あまり詰め過ぎると圧力損失が増大する虞がある。そこで、衝突体２７は、好ましくは２層程度、より好ましくは１層となるように衝突体受け２６の上に収めることである。本実施例の場合、衝突体２７は衝突体受け２６の底の上いっぱいにほぼ隙間無く乗せて１層となる量を用いるようにしている。この場合、圧力損失を増加させずに燃焼ガスと臭気ガス２８の流れに乱流を起こさせ、燃焼ガスと臭気ガス２８との混合を一気に促進させると共に下流域での滞留時間を確保できる。しかも、衝突体受け２６の上が衝突体２７でいっぱいとなるように乗せて１層にする場合には、圧力損失を最も少なくする上に、作業者によってばらつきが無くなり、充填密度を一定にして一定量が収められるため品質管理がし易い。また、本発明者等の実験によると、衝突体２７の量は、１層と２層とでは脱臭効率にほとんど差異が生じなかった。２層でも脱臭効率や圧力損失などの効果は同じ程度であるが、２層にすると、製作時の品質管理即ち一定量となっているかどうかの管理が難しくなり、３層以上にすると圧力損失が上がってブロワを大きくすることが必要となる。ブロワを大型化すれば、動力を必要とし、省エネルギー効果を低減させる。どこまで層を少なくできるかという観点で１層が好ましい。

また、本実施形態では、熱応力を分散させるために１つ１つ独立したセラミックボールを集めて衝突体２７を構成するようにしているが、場合によっては幾つかのセラミックボールを焼結したような塊りに分割されたものでも衝突体として同じ機能を発揮する。さらに、パンチングメタルのような穴あき板の孔の周りに半円形の隆起を一体形成したものや、波板に孔を開けたようなものをセラミックや耐熱鋼を用いて形成したようなものでも実施可能である。この場合にも、同様の衝突体としての機能を発揮し得る。

以上のように構成された直接燃焼式脱臭炉によれば、コンパクトな炉体寸法でありながら、酸化分解反応完了までの炉内滞留時間を短くすることで、９０％以上の脱臭効率を確保することができる。

まず、ブロワ２３による押し込み通風により炉体３の臭気ガス導入口１９から内筒１０に供給された臭気ガス２８は、内筒１０の外側の流路１７内を下方に流れる間に、排気路１１を経て排気口１２から炉外に排出される処理済みガス（排気ガス）２９との間で熱交換を行う。さらに、内筒１０を流れる臭気ガス２８は、内筒１０の底部において内側の流路１６側に流入して上昇する間に炉底に向けて流れる燃焼ガスと臭気ガス２８との混合ガスあるいは燃焼ガスとの間で熱交換を行う。また、燃焼室６（内筒１０によって区画された内側の空間）に噴射された火炎３０からのふく射熱並びに燃焼ガスによる対流伝熱によって内筒１０の内面が加熱され、その内側の流路１６を流れる臭気ガス２８を予熱する。これにより、臭気ガス２８は十分に予熱されてから炉頂部の臭気ガス導入口２０より燃焼室６に供給される。

そして、十分に予熱された臭気ガス２８が燃焼室６の天井部のバーナ２の周りからバーナ２並びに燃焼ガスを包み込むように火炎３０に沿って燃焼室６へ噴射され、火炎３０を急冷することなく燃焼ガスと共に衝突体２７へ向けて流れる。火炎３０の周りを包み込むように臭気ガス２８を噴出することで、火炎に比べて低温の臭気ガス２８によって内筒１０の内面２１を冷却する（換言すれば臭気ガス２８を加熱する）ことで高温の火炎３０から内筒１０の過熱を防ぐ。同時に、臭気ガス２８はガスバーナ２の火炎３０によって直接炙られることでも加熱される。その結果、臭気ガス２８に含まれる悪臭成分の酸化燃焼または酸化分解反応が促進されて、臭気ガス２８の燃焼脱臭が行われる。

臭気ガス２８と燃焼ガスとは、衝突体２７に向けて流動する間にも混合を開始するが、衝突体２７に衝突して流れに乱れを起こすことにより一気に混合が促進される。つまり、燃焼ガスと臭気ガス２８とは、衝突体２７に衝突してその流れに乱れを起こしながら衝突体２７の間を通過し、あるいは衝突体２７の周りに回り込みながら、衝突体２７を保持する衝突体受け２６を通過してあるいは衝突体２６の側方から流れ出て、下流の燃焼室６に流入する。そして、衝突体２７を通過する間にあるいは通過した後に急速に混合されながら、臭気ガス２８の可燃分を燃やしながら、臭気成分を酸化分解させる。したがって、衝突体２７の下の燃焼室６の空間は反応領域として有効利用される。つまり、臭気ガス２８と燃焼ガスとが衝突体を通過した後は、両ガスの混合により酸化分解反応が進行するため、衝突体２７から内筒１０の出口即ち炉底部までに達する時間が脱臭処理のための滞留時間となる。

そして、燃焼脱臭処理された後の処理済みガス２９は、炉底部で反転上昇して排気流路１１を経て排気系統８から大気中に排気されるか、あるいはさらに必要な装置に向けて送られる。排気ガスは、排気路１１において臭気ガス２８との間で熱交換が行われて冷やされ、温度が下げられて排気されるので、環境に悪影響を与えることがない。

以上のように構成された脱臭炉によれば、燃焼ガスと臭気ガス２８とが衝突体と衝突して乱流を起こすことにより一気に混合されると共に乱流によって燃焼室での滞留時間が長くなるため、短い炉長・小容積でありながら高い脱臭効率を実現できる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施例では、処理が難しいメタンを例に挙げて説明したが、本発明にかかる直接燃焼式脱臭炉によれば、腐食性ガスを除く全ての可燃性の揮発性有機化合物（以下、ＶＯＣと称す）の脱臭処理は勿論のこと、臭気の成分、ＶＯＣの成分を問わず脱臭処理できると共に煤塵、タール、ミストも処理可能である。したがって、塗装、接着、印刷、化学、ゴム、食品等の幅広い分野での小規模脱臭処理を実現できる。

図３に示す実験装置に基づいて、図１に示す炉体構造の脱臭炉における衝突体の位置、量、シールの有無などがメタンの脱臭効果に与える影響について確認した。実験装置は、直接燃焼式脱臭炉１のブロワ２３にＶＯＣを供給するための設備を接続すると共にこのＶＯＣ供給設備の配管５２と脱臭炉１の処理済みガス２９を排出する配管８との間にサンプリング装置とを接続した。ＶＯＣ供給設備は、脱臭炉１のブロワ２３に配管５２を介して接続させるブロワ５３と、配管５２の途中を加熱して供給ＶＯＣを予熱し気化を促進するパネルヒータ５５とで構成され、塗装用のスプレーガン５４から噴射されたＶＯＣ２８をブロワ５３に吸い込ませてから脱臭炉１のブロワ２３に供給するように設けた。そして、気化を促進するために１ｋＷのパネルヒーター５５を用いて、供給管５２を加熱した。ＶＯＣガス２８は、ブロワ２３によって１．５Ｎｍ^３／ｍｉｎの量を脱臭炉１に供給し、脱臭処理を行った。また、サンプリングはテドラーバッグ５７を用いて等速吸入により行い、ＴＨＣ分析計５９に導入した。図中の符号５７は吸引ケース、５６は配管、６０は仕切弁である。なお、試験においては、ＶＯＣの中でも処理が難しく、処理能力を評価するには適していると判断されるメタンをサンプルガスとして用いた。また、参考として、衝突体の存在しない脱臭炉自体の脱臭効率を評価をするため、燃焼で比較的処理し易いキシレン（日本ペイント株式会社製、製品名：オルガセレクト530シンナー、組成：キシレン60-70％，イソブチルアルコール5-10％）を用いて脱臭実験を行ったが、９９％の脱臭結果が得られた。衝突体２７としては、２０ｍｍφのセラミックボール（製品名：SSA-999W，アルミナ純度９２％）を用いた。

実験は、以下の８つの条件について行った。尚、試験２及び試験４〜７の衝突体受け２６のバーナ２からの位置（３００ｍｍ）と試験８のケースの衝突体受け２６の位置（２００ｍｍ）とは異なるが、衝突体受け２６に乗せたセラミックボール２７自体の高さ、即ちバーナ２からの位置は同じとなるように設定されている。
（ａ）炉底に衝突体受け２６だけを置いてセラミックボール２７がない状態
（図４、試験番号１）、
（ｂ）炉底に置いた衝突体受け２６にセラミックボール２７を２０ｋｇ収めた状態
（図５、試験番号３）、
（ｃ）バーナ２の先端から３００ｍｍのところに衝突体受け２６の上端２６ｂが位置
するように内筒１０に設置して、７ｋｇのセラミックボール２７を収めた状態
（図６、試験番号２）、
（ｄ）バーナ２の先端から３００ｍｍのところに衝突体受け２６の上端２６ｂが位置
するように内筒１０に設置して、８．５ｋｇのセラミックボールを収めた状態
（図７、試験番号４〜７）、
（ｅ）衝突体受け２６に２ｋｇのセラミックボール２７を収めてセラミックボール２
７の上端がバーナ２の先端から２００ｍｍのところに位置するように内筒１０に
設置した状態（図８、試験番号８）
について行った。尚、炉内における温度測定には熱電対３３を用い、図４の（Ａ）及び（Ｂ）に示す如く、燃焼室６の頂部から炉長方向に２００ｍｍ間隔で内筒温度を上、中、下の３位置で、また炉内温度分布を求める測温位置については測温位置（炉頂（燃焼室６の頂部）から６００ｍｍの位置）における内筒の径方向の測温点1〜4の４箇所において熱電対６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄで測定した。ここで、測温点4については、内筒の中心に熱電対を取り付けることができないため、中心を通り越した反対側の位置となり、炉内中心温度は補間による推測となる。また、燃焼室６の頂部から炉底までの炉長は８２７ｍｍ、炉体の外寸高さ１０２５ｍｍ、内筒（燃焼室６）内径３００ｍｍφ、バーナ上流のオリフィス径１７０ｍｍφ、外周シール内径２８０ｍｍφとした。尚、図７の脱臭炉では、設定温度を違えた（その他の条件は固定）４種類の実験４〜７を行った。試験条件並びに結果を表１に示す。

ここで、図４に示す脱臭炉１は、内筒１０によって構成される燃焼室６の頂部でバーナ２を焚いて火炎３０を形成し、その周りから火炎３０に沿って臭気ガス２８を燃焼室６に導入することで臭気成分を酸化分解反応（燃焼）させる従来の一般的な直接燃焼式脱臭炉と同様の構造である。この脱臭炉による試験１でも、脱臭処理し易いキシレン−ＩＢＡ（オルガセレクト530シンナー）の場合には、９９％の脱臭効果が得られた。因みに、この試験１ではメタンでの脱臭効率実験を行っていない。もともとセラミックボール２７の無い状態では従来の脱臭炉の構造であり、かつ処理が難しいメタンを処理するには十分な長さの炉長（燃焼室６の長さ）に設定されていないので、滞留時間が短すぎて十分な脱臭効果が得られないことが明白であるため、メタンでの試験そのものを行わなかった。

一方、セラミックボール２７を蓄熱体として機能させるためには十分な量が必要となる。そこで、図４に示す脱臭炉１の炉底に置いた衝突体受け２６にセラミックボール２７を２０ｋｇ収めた（図５参照、試験番号３）。この試験では、大量のセラミックボール２７の存在が蓄熱体として機能すると共に内筒１０の出口・排出路１１の入り口をセラミックボール２７の層で妨げることにより高温の蓄熱体との接触効率を増大させ、処理効率のアップを期待した。しかし、得られた脱臭効率は７８％と、８０％を切ってしまった。却って、大量のセラミックボール２７の存在がその間を通過する被処理ガスの流速を速めてそれらの間を通過する時間即ち滞留時間を短かくして、酸化分解反応が完了する前に排気されることとなったと考えられる。因みに、表１には示していないが、図５の脱臭炉においてセラミックボール以外の条件は固定して、セラミックボール２７の量だけをさらに増やした場合についても実験を行った。この結果、３０ｋｇでは処理効率６７％、４０ｋｇでは処理効率６５％であった。このことから、セラミックボール２７の量を増やすと、脱臭効率は却って低下することが判明した。セラミックボール２７による蓄熱体としての効果は脱臭効率には寄与せず、却って被処理ガスの流速を速めて滞留時間を短くすることにより脱臭効率を低下させることが判明した。

そこで、さらにセラミックボールの量と位置が与える影響について試験２，４−８を行った。試験２（図６参照）は、バーナ２の先端から３００ｍｍのところ内筒１０の内面２１に衝突体受け２６の上端（リング２６ｂ部分）が位置するように設置して、７ｋｇのセラミックボール２７を収めた。また、外周シールは設けなかった。この場合の脱臭効率は９９％であった。

さらに、試験２と同様にバーナ２の先端から３００ｍｍのところに配置した衝突体受け２６に、８．５ｋｇのセラミックボール２７を収めると共に、攪拌効率向上を意図して外周シール６１を設けた（図７参照）。そして、SP（SetPointの略）温度の設定を変えることによる影響の有無を実験した。尚、試験４−７においては、火炎に近い位置にSP温度を設定し、その温度を７７０℃（試験４）、８５０℃（試験５）、９３０℃（試験６）、９７０℃（試験７）と変更させた。また、試験４−７以外の試験ではSP温度を炉底に設定して燃焼を制御した。この場合の脱臭効率は、試験４では６６％、試験５では７４％、試験６では８６％、試験７では９０％であった。炉底温度が７５０℃を大きく下回ると、脱臭効率が実用化の目途である９０％を下回ることが判明した。このことから、炉底温度が７５０℃よりも極端に低くなると、脱臭効率が悪化するということが言える。

ここで、試験２と試験８では、メタンの脱臭効率が共に１００％近くの数値を出し、単純な数値的には試験２の結果が最も脱臭効率が良いという結果が得られた。しかしながら、数％の違いは誤差範囲であると判断される。また、試験２のケースは、図９に示すように、中心（測定点3から4にかけて）に比べて周辺（外周側：測定点1）が極端な温度低下を起こす温度分布を形成することから、炉内中心の温度を脱臭処理に必要な７５０℃程度に維持すれば、周辺（外周側：測定点1）に臭気ガス２８が流れたときに脱臭効果が下がる問題を含んでいる。つまり、負荷の変動などの外乱があるときに周辺の温度が下がっている領域の影響を受けて脱臭効率が安定しない問題が生ずる可能性がある。このことは、その他の試験３−７のいずれにおいても同様である。通常、燃焼量一定で稼働されるので、臭気ガス２８が入ってくることで負荷が変動すると、燃焼量にも変動が生じ、中央部に比べて温度が２００℃以上も低い周辺での温度が変化して脱臭効果がでないことがある。これを防ぐためには、炉中心に対して周辺部において極端な温度低下を招いている試験２、試験３−７のいずれのケースでは、炉内周辺部における炉内温度を７５０℃に維持するために、炉内中心部における炉内温度を１０００℃程度あるいはそれ以上の高温とせざるを得ない。１０００℃を超える高温にまで加熱することは、耐熱耐火性に優れるセラミック製とはいえど割れや焼損を招くことから、脱臭処理に必要な７５０℃を遙かに超える過度の熱を与えて必要以上に高温に加熱することは好ましくない。

また、試験４−７においては、外周シール６１を設けることにより攪拌効率の向上を試みたが、外周をシールすると流速が上がり、必要な滞留時間が得られない為、逆に、脱臭効率はいずれも低下した。試験４−７においては、火炎に近い位置に熱電対を配置して燃焼制御を行ったため、炉底温度が７５０℃に合わせることができずに、全般に他のケースと比べて低くなった。そして、炉底温度が低い程脱臭効率は悪化している。このことから、炉底温度が７５０℃よりも極端に低くなると、脱臭効率が悪化することがわかる。同時に、炉底温度が他の実験ケースと遜色のない試験７においても、脱臭効率が９０％に低下しており、外周シール６１の存在が攪拌効率を上げずに逆に脱臭効率を低下させていることが判る。これは、被処理ガスが完全に衝突体受け２６内を通過して底部２６ａから下流に流出することで、被処理ガスの流速を速めてしまう結果になり、処理時間が足りず脱臭効率が悪くなってしまったと考えられる。このことから、外周シール６１は無い方が有効であると考えられる。また、試験１，３においては、混合促進の目的でバーナから２００ｍｍの位置に孔径１７０ｍｍφのオリフィスを付けたが、効果がなかった。

他方、試験８のケースでは、炉内の温度分布が周辺（外周側：測定点1）と中心（測定点3から4にかけて）とでほとんど変化がなく、どこの点でも被処理ガスの処理に必要な７５０℃の温度を維持しており、極端な温度低下を起こしている場所がない。つまり、炉内のどこを処理ガスが通っても、最も安定した処理が出来る最適な状態である。このことは、負荷の変動に影響され易い小形直接燃焼式脱臭炉において重要なことであり、最適な条件であると判断される。温度が高ければ脱臭効果は上がってくるが、温度を上げるまでのエネルギーを必要とし、省エネとはならない。また、セラミック体を増やして蓄熱量を増やせば、温度維持することは容易となるが、その温度まで蓄熱体を上昇させるのにエネルギを必要とする問題がある。

以上の結果から、炉長（燃焼室６の長さ）の短い脱臭炉では、蓄熱体として機能するに十分な量のセラミックボールを配置しても却って処理ガスの滞留時間が短くなって脱臭効率が悪くなることが明らかになった。その反面、僅かな量のセラミックボールをバーナ近傍に衝突体として設置する場合、処理ガスと燃焼ガスとの流れに乱れを与えて混合させるため混合が早く完了し、衝突体の下流を酸化分解反応（燃焼）領域として滞留時間を比較的長くできるため、脱臭効率が上がり有効であることが判明した。即ち、衝突体に燃焼ガスと臭気ガス２８とを衝突させて流れに乱れを起こすことで一気に混合が促進されて短い時間で燃焼ガスと臭気ガス２８との混合が完了するので、酸化分解処理完了までの時間を０．３から０．４秒の間（0.3秒から0.4秒未満）に短縮できる。しかも、混合した後のスペースを酸化分解反応のための滞留時間とできるので、燃焼室６内に噴射された燃焼ガスと臭気ガス２８とが混合するためのスペースを大幅に短くでき、脱臭炉全体の（容積）省スペース化が可能となる。

１脱臭炉
２バーナ
３炉体
６燃焼室
９炉体内周壁面
１０内筒
１１排気路
１２排気口
１６内側の流路
１７外側の流路
１９臭気ガス導入口
２０臭気ガス吹き出し口
２６衝突体受け
２７衝突体
２８臭気ガス
２９処理済みガス

Claims

臭気ガスを炉内に導入し、バーナの火炎及び燃焼ガスと混合させて前記火炎及び燃焼ガスの熱で前記臭気ガス中の臭気成分を酸化分解する脱臭炉において、前記バーナの火炎の周りを包み込むように前記臭気ガスを前記炉内に導入し、前記バーナの火炎が直接当たらない位置で尚且つできるだけ前記バーナの近くに前記燃焼ガスと前記臭気ガスの流れを衝突させて流れに乱れを起こさせる衝突体を備えることを特徴とする直接燃焼式脱臭炉。
前記衝突体はボール形状である請求項１記載の直接燃焼式脱臭炉。
前記衝突体はセラミック製である請求項１または２記載の直接燃焼式脱臭炉。
前記衝突体は前記臭気ガスと前記燃焼ガスとが底面並びに側方に通過可能な衝突体受けに収容されているものである請求項１から３のいずれか１つに記載の直接燃焼式脱臭炉。
前記衝突体は前記衝突体受けの上に１層となるように配置されているものである請求項１から４のいずれか１つに記載の直接燃焼式脱臭炉。
下部で連通する内側の流路と外側の流路とを有し、かつ前記外側の流路は上端で燃焼炉体の上部に設けられている臭気ガス導入口と連通し、前記内側の流路の上端は燃焼室天井との間で開口して燃焼室内に連通するように設けられている二重管構造の内筒を前記炉内に配置して前記内筒の内側に燃焼室を形成すると共に、前記内筒の外周壁面と前記炉体の内周壁面との間で燃焼排ガスが流れる排出流路を形成し、前記内筒に導入される前記臭気ガスが前記外側の流路内を下方に向けて流れる間に前記排出流路を経て処理済みガス排気口から炉外に排出される処理済みガスとの間で熱交換を行うと共に、前記内筒の内側の流路側に流入して上昇する間に炉底に向けて流れる燃焼ガスと臭気ガスとの混合ガスあるいは火炎との間で熱交換を行い、導入された前記臭気ガスを予熱してから炉頂部の前記臭気ガス導入口より前記内筒によって区画された燃焼室内に供給されるものである請求項１から５のいずれか１つに記載の直接燃焼式脱臭炉。