JP2013163156A

JP2013163156A - 揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置および処理方法

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Publication number: JP2013163156A
Application number: JP2012027546A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nagao; 厚志長尾; Atsushi Hirayama; 敦平山; Susumu Ayukawa; 将鮎川; Yosuke Kimura; 陽介木村
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: JP5846546B2

Abstract

【課題】プロセスのコストを下げ、かつ脱離ガス中の揮発性有機化合物ガスが爆発する危険性のない、安全な処理装置および処理方法を提供する。
【解決手段】揮発性有機化合物を吸着する吸着剤を収納し、吸着状態と脱離状態とで作動可能な吸着塔Ａ、Ｂと、脱離状態の吸着塔Ｂからの脱離ガス中の揮発性有機化合物を酸化分解して、分解済パージガスを排出する酸化分解装置５と、該脱離状態の吸着塔Ｂに供給されるパージガスの少なくとも一部を、昇温している上記分解済パージガスとの熱交換により加熱する熱交換器４と、上記脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を計測する濃度計６と、該揮発性有機化合物濃度が上記脱離ガスの所定の爆発濃度範囲の下限値より低くなるように、上記濃度計６により計測された揮発性有機化合物濃度に基づき、上記脱離状態の吸着塔内の雰囲気温度である脱離温度を制御する脱離温度制御装置７とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、揮発性有機化合物等の炭化水素を含む排ガスの処理装置および処理方法に関連し、特に塗料、接着剤、インキ、石油化学製品、ガソリン等を扱う設備から排出される排ガス中の揮発性有機化合物の除去・分解装置及び除去・分解方法に関するものである。

近年、浮遊性粒子状物質（ＳＰＭ）や光化学オキシダントに係わる大気汚染が問題になっており、その原因物質の１つである揮発性有機化合物等の炭化水素の排出抑制が求められている。一般に炭化水素の除去方法としては、燃焼法、膜分離法、吸着法、吸収法等が知られている。

これらの揮発性有機化合物除去法のうち、比較的低濃度の揮発性有機化合物を含む排ガスを処理する場合に適用可能である手法として、活性炭やゼオライト等の吸着剤による吸着法が知られている。吸着法の一例として、吸着剤を用いて排ガスから揮発性有機化合物を吸着除去し、その後吸着剤が揮発性有機化合物で飽和すると、熱や圧力を用いて吸着剤から揮発性有機化合物を脱離する操作を行い、脱離した揮発性有機化合物を含む濃縮ガスを燃焼法によって処理することが知られている。これにより、燃焼法に用いられる助燃剤の量や燃焼時間を減らすことができ、運転費用を削減できる。

吸着剤を加熱して再生する方法として、吸着体の吸着レベルを指標にして加熱再生を行う方法（特許文献１）が提案されている。しかし、特許文献１の手法では、揮発性有機化合物を濃縮するため、排ガス中の有機化合物濃度が高くなり、爆発限界範囲内に入ってしまい爆轟気を生成する可能性があり問題がある。そこで、爆轟気を回避する方法として吸着剤から揮発性有機化合物を脱離するパージガスとして窒素を流通させる方法（特許文献２）や、あるいは脱離時の酸素濃度を下げる方法（特許文献３）が提案されている。

特開平９−２０６５５７号特許第３０６８２７２号特開２００７−８３２３８号

しかしながら、特許文献２や特許文献３の手法では、窒素発生設備を設ける必要又は窒素を準備する必要や、あるいは酸素濃度を低減させる必要があり、いずれも設備費や運転費のコストが嵩むという問題が生じる。

本願発明は、これらの問題点に鑑みなされたものであり、空気と混合され吸引された揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置及び処理方法であって、プロセスのコストを下げ、かつ脱離ガス中の揮発性有機化合物ガスが爆発する危険性のない、安全な処理装置および処理方法を提供することを目的とする。

＜第一発明＞
第一発明に係る、揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置は、揮発性有機化合物を吸着する吸着剤を収納し、上記排ガスを受け入れ、該排ガス中の揮発性有機化合物を上記吸着剤により吸着除去して清浄排ガスを排出する吸着状態と、パージガスを受け入れ、上記吸着剤に吸着された揮発性有機化合物を該パージガスにより脱離して、揮発性有機化合物を含有するパージガスである脱離ガスを排出する脱離状態とで作動可能な吸着塔と、脱離状態の吸着塔から上記脱離ガスを受け入れ、脱離ガス中の揮発性有機化合物を酸化分解して、分解済パージガスを排出する酸化分解装置と、該酸化分解装置で酸化分解されて昇温した上記分解済パージガスを受け入れ、上記脱離状態の吸着塔に供給されるパージガスの少なくとも一部を、昇温している上記分解済パージガスとの熱交換により加熱する熱交換器と、上記脱離状態の吸着塔から排出される脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を計測する濃度計と、該揮発性有機化合物濃度が上記脱離ガスの所定の爆発濃度範囲の下限値より低くなるように、上記濃度計により計測された揮発性有機化合物濃度に基づき、上記脱離状態の吸着塔内の雰囲気温度である脱離温度を制御する脱離温度制御装置とを有していることを特徴としている。

このような構成の本発明によると、脱離状態の吸着塔から排出される脱離ガスの揮発性有機化合物濃度に応じて、吸着塔内の脱離温度を制御することにより、常に脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を爆発濃度範囲の下限値より低く保持しつつ安全運転をすることができる。従って、従来のように、パージガス中の酸素濃度を下げたり、パージガスとして不活性ガスを別途用意して用いたりする必要がなくなり、安価かつ安全に揮発性有機化合物を除去・分解することが可能となる。

本発明において、吸着塔は、複数設けられていて、そのうちの一部の吸着塔が、吸着状態で排ガス中の揮発性有機化合物を吸着除去して清浄排ガスを排出し、残部の吸着塔が、脱離状態で、すでに吸着した揮発性有機化合物の脱離のために上記一部の吸着塔から上記清浄排ガスの一部をパージガスとして受け入れるようになっており、熱交換器は、上記残部の吸着塔に供給されるパージガスのうち一部のパージガスを、昇温している分解済パージガスとの熱交換により加熱し、脱離温度制御装置は、上記一部のパージガスの供給量および残部のパージガスの供給量を調整することにより、脱離状態にある上記残部の吸着塔における脱離温度を制御するようになっていることとしてもよい。このように、上記残部の吸着塔での揮発性有機化合物の脱離のためのパージガスとして、上記一部の吸着塔の清浄排ガスを用いることにより、パージガスの発生設備を別途設ける必要がなくなる。また、一部の吸着塔で揮発性有機化合物の吸着除去を行うとともに、残部の吸着塔で揮発性有機化合物の脱離を行うので、効率的に排ガスを処理するとともに吸着剤を再生することができる。

本発明において、吸着塔は、脱離状態で大気をパージガスとして受け入れるようになっており、熱交換器は、上記吸着塔に供給されるパージガスのうち一部のパージガスを、昇温している分解済パージガスとの熱交換により加熱し、脱離温度制御装置は、上記一部のパージガスの供給量および残部のパージガスの供給量を調整することにより、脱離状態にある上記吸着塔における脱離温度を制御するようになっていることしてもよい。このように、揮発性有機化合物の脱離のためのパージガスとして大気を用いることにより、パージガスの発生設備を別途設ける必要がなくなる。

本発明において、ガスを加熱して高温ガスを発生させる高温ガス発生装置をさらに有しており、吸着塔は、複数設けられていて、そのうちの一部の吸着塔が、吸着状態で排ガス中の揮発性有機化合物を吸着除去して清浄排ガスを排出し、残部の吸着塔が、脱離状態で、すでに吸着した揮発性有機化合物の脱離のために上記一部の吸着塔から上記清浄排ガスの一部をパージガスとして受け入れるようになっており、上記高温ガス発生装置で発生した高温ガスは、上記パージガスに混入され、熱交換器は、上記残部の吸着塔に供給されるパージガスを、昇温している分解済パージガスとの熱交換により加熱し、脱離温度制御装置は、上記高温ガス発生装置で発生させる高温ガスの量および温度の少なくとも一方を調整することにより、脱離状態にある上記残部の吸着塔における脱離温度を制御するようになっていることとしてもよい。

このように、上記残部の吸着塔での揮発性有機化合物の脱離のためのパージガスとして、上記一部の吸着塔の清浄排ガスを用いることにより、パージガスの発生設備を別途設ける必要がなくなる。また、高温ガスをパージガスに混入することにより、上記残部の吸着塔での脱離温度をより高い温度範囲で調整することができ、揮発性有機化合物の脱離を促進して、脱離に要する時間を短縮することができる。さらに、一部の吸着塔で揮発性有機化合物の吸着除去を行うとともに、残部の吸着塔で揮発性有機化合物の脱離を行うので、効率的に排ガスを処理するとともに吸着剤を再生することができる。

本発明において、吸着塔の吸着剤を加熱するための加熱装置をさらに有しており、吸着塔は、脱離状態で大気をパージガスとして受け入れるようになっており、熱交換器は、上記吸着塔に供給されるパージガスを、昇温している分解済パージガスとの熱交換により加熱し、脱離温度制御装置は、上記加熱装置による加熱温度を調整することにより、脱離状態にある上記吸着塔における脱離温度を制御するようになっていることとしてもよい。

このように、揮発性有機化合物の脱離のためのパージガスとして大気を用いることにより、パージガスの発生設備を別途設ける必要がなくなる。また、加熱装置で吸着塔の吸着剤を加熱することにより、該吸着塔での脱離温度をより高い温度範囲で調整することができ、揮発性有機化合物の脱離を促進して、脱離に要する時間を短縮することができる。

本発明において、吸着塔の吸着剤は、所定間隔を離して配置された複数の平板状の吸着剤充填層を有する着脱可能な吸着剤カートリッジとして形成されていて、該吸着剤カートリッジは、上記吸着剤充填層の一方の側面側に供給された排ガスが他方の側面側に向かって該吸着剤充填層を通過するような排ガスの流れが形成されるとともに、上記吸着剤カートリッジに供給された排ガスが上記複数の吸着剤充填層に分配されて流れるように構成されていることが好ましい。

吸着剤を、上述の構成の吸着剤カートリッジとすることにより、排ガスと吸着剤充填層とが側流式で接触することとなり、排ガスが接触する吸着剤充填層の面積を大きくとることができる。したがって、吸着剤使用量を少なくできるとともに、吸着塔内での設置面積を小さくでき経済的である。また、吸着剤充填層が平板状に形成されていて薄いので、その分、圧力損失を小さくできる。

＜第二発明＞
第二発明に係る、揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理方法は、揮発性有機化合物を吸着する吸着剤を収納する複数の吸着塔のうち、一部の吸着塔にて、上記排ガスを受け入れ、該排ガス中の揮発性有機化合物を上記吸着剤により吸着除去して清浄排ガスを排出するとともに、残部の吸着塔にて、パージガスを受け入れ、すでに吸着した揮発性有機化合物を該パージガスにより脱離して、揮発性有機化合物を含有するパージガスである脱離ガスを排出し、上記残部の吸着塔から排出された脱離ガス中の揮発性有機化合物を酸化分解して分解済パージガスを生成し、上記残部の吸着塔に供給されるパージガスの少なくとも一部を、酸化分解されて昇温した上記分解済パージガスとの熱交換により加熱し、揮発性有機化合物の脱離時に上記残部の吸着塔から排出される脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を計測し、該揮発性有機化合物濃度が上記脱離ガスの所定の爆発濃度範囲の下限値より低くなるように、計測された揮発性有機化合物濃度に基づき、上記脱離時における上記吸着塔内の雰囲気温度である吸着塔における脱離温度を制御することを特徴としている。

本発明においても、第一発明と同様に、脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を爆発濃度範囲の下限値より低く保持しつつ安全運転をすることができ、安価かつ安全に揮発性有機化合物を除去・分解することが可能となる。また、一部の吸着塔で揮発性有機化合物の吸着除去を行うとともに、残部の吸着塔で揮発性有機化合物の脱離を行うので、効率的に排ガスを処理するとともに吸着剤を再生することができる。

本発明の排ガスの処理装置および処理方法によれば、脱離状態の吸着塔から排出される脱離ガスの揮発性有機化合物濃度に応じて、吸着塔内の脱離温度を制御することにより、常に脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を爆発濃度範囲の下限値より低く保持しつつ安全運転をすることができる。従って、従来のように、パージガス中の酸素濃度を下げたり、パージガスとして不活性ガスを別途用意して用いたりする必要がなくなり、安価かつ安全に揮発性有機化合物を除去・分解することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る排ガス処理装置の構成を示す概略図である。本発明の第二実施形態に係る排ガス処理装置の構成を示す概略図である。本発明の第三実施形態に係る排ガス処理装置の構成を示す概略図である。本発明の第四実施形態に係る排ガス処理装置の構成を示す概略図である。吸着塔に設けられる吸着剤カートリッジの構造を示す図である。吸着塔での吸着剤カートリッジの設置形態の他の例を示す図である。吸着塔での吸着剤カートリッジの設置形態のさらに他の例を示す図である。図７のI−I断面図である。実施例１における脱離ガス中のベンゼン濃度の変化を示すグラフである。実施例２における脱離ガス中のトルエン濃度の変化を示すグラフである。実施例２における、吸着回数と、吸着除去工程で活性炭が性能を発揮できなくなるまでの時間との関係を示すグラフである。

以下、添付図面にもとづき、本発明の実施形態を説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態に係る排ガス処理装置の構成を示す概略図である。排ガス処理装置は、同一の構成をなし後述のパージガス管１で互いに接続された二つの吸着塔Ａ、Ｂを有している。図１に見られるように、該吸着塔Ａ、Ｂは、その内部に活性炭等の吸着剤の充填層が設けられている。本実施形態では、後述するように、好ましい形態として、吸着剤は吸着塔内に着脱可能な吸着剤カートリッジ２として構成されている（図５参照）。

上記吸着塔Ａおよび吸着塔Ｂは、揮発性有機化合物を含有する排ガス中の該揮発性有機化合物を吸着剤により吸着除去する吸着状態と、吸着剤に吸着された揮発性有機化合物を該パージガスにより脱離する脱離状態のいずれの状態にすることも可能である。該吸着塔Ａと吸着塔Ｂとは、上記吸着状態での工程（以下、「吸着除去工程」という）と、上記脱離状態での工程（以下、「脱離工程」という）とを、交互に行うようになっている。

図１では、吸着塔Ａで吸着除去工程、吸着塔Ｂで脱離工程を行う状態にあることを簡略化して示しており、必要最低限の配管のみが図示されている。しかし、実際には、該吸着塔Ａ、Ｂには図示しない配管も接続されていて、該配管に設けられたバルブの切換えにより、吸着塔Ａで脱離工程、吸着塔Ｂで吸着除去工程をも選択的に行えるようになっている。

図１に見られるように、吸着塔Ａの上部と吸着塔Ｂの上部とは、パージガスを供給するためのパージガス管１によって接続されている。図１にて吸着除去工程を行う吸着状態の吸着塔Ａは、揮発性有機化合物を含有する排ガスを下部から受け入れ、該排ガス中の揮発性有機化合物を吸着剤により吸着除去して、清浄排ガスを上部から排出する。該清浄排ガスの一部は上記パージガス管１内を流れて、図１にて脱離工程を行う脱離状態の吸着塔Ｂへ上部からパージガスとして供給される。該吸着塔Ｂは、吸着剤に吸着された揮発性有機化合物を上記パージガスにより脱離して、揮発性有機化合物を含有するパージガスである脱離ガスを下部から排出する。

本実施形態に係る排ガス処理装置は、上記吸着塔Ａ、Ｂに加えて、吸着塔Ａからのパージガスを吸着塔Ｂへ向けて送る上記パージガス管１に設けられたブロワ３と、該パージガスの一部を後述の分解済パージガスとの熱交換により加熱する熱交換器４と、吸着塔Ｂからの脱離ガス中の揮発性有機化合物を酸化分解する酸化分解装置５と、吸着塔Ｂからの脱離ガスの揮発性有機化合物濃度を計測する濃度計６と、該濃度計６により計測された揮発性有機化合物濃度に基づいて吸着塔Ｂ内の脱離温度を制御するための脱離温度制御装置７とを有している。

上記ブロワ３は、吸着塔Ａの下流側でパージガス管１に接続されており、該吸着塔Ａからの清浄排ガスの一部をパージガスとして吸着塔Ｂ側へ向けて送る。このように、本実施形態では、吸着塔Ｂでの揮発性有機化合物の脱離のためのパージガスとして、吸着塔Ａの清浄排ガスを用いるので、パージガスの発生設備を別途設ける必要がなくなり、設備を小型化することができる。

上記パージガス管１は、上記ブロワ３より下流側で二つのパージガス分枝管１Ａ、１Ｂに分枝していて、一方のパージガス分枝管１Ａにバルブ８がそして他方のパージガス分枝管１Ｂにバルブ９が設けられており、該バルブ８、バルブ９の開度が調整されることにより、各パージガス分枝管１Ａ、１Ｂ内を流れるパージガスの流量が調整可能となっている。

上記熱交換器４は、上記バルブ８よりも下流側で上記パージガス分枝管１Ａに設けられていて、後述するように、該熱交換器４では、パージガス分枝管１Ａ内を流れるパージガスが、後述の酸化分解装置５からの昇温した分解済パージガスとの熱交換により加熱されるようになっている。上記パージガス分枝管１Ａとパージガス分枝管１Ｂとは、上記熱交換器４よりも下流側で連結されており、該パージガス分枝管１Ｂを流れる加熱されていないパージガス（以下、「非加熱パージガス」ともいう）が、パージガス分枝管１Ａを流れて上記熱交換器４で加熱されたパージガス（以下、「加熱パージガス」ともいう）と合流して混合され、混合されたパージガスが吸着塔Ｂに供給されるようになっている。上述したように、加熱パージガスの流量および非加熱パージガスの流量は、バルブ８、９の開度によってそれぞれ流量が調整されるので、これによって、吸着塔Ｂに供給されるパージガスの温度ひいては脱離状態にある吸着塔Ｂ内の雰囲気温度である脱離温度が調整可能となっている。

上記酸化分解装置５は、吸着塔Ｂよりも下流側に設けられており、該吸着塔Ｂから排出された脱離ガス中の揮発性有機化合物を酸化分解して、分解済パージガスを排出する。該酸化分解装置５は、例えば、揮発性有機化合物を酸化分解するための触媒が装填されており、雰囲気温度がバーナ（図示せず）加熱により適切な温度に保持される構成をなしている。吸着塔Ｂから酸化分解装置５に脱離ガスが供給されると、該脱離ガス中の揮発性有機化合物が酸化分解され、酸化分解に伴う発熱により、分解済パージガスは昇温されて上記酸化分解装置５から排出される。本実施形態では、酸化分解装置５にて、雰囲気温度保持のためバーナ加熱を行うこととしたが、酸化分解反応自体によって十分に発熱する場合には、該バーナは必須ではない。また、酸化分解装置は、本実施形態の構成に限られず、例えば、直接燃焼装置、蓄熱燃焼装置などで構成されていてもよい。以下、吸着塔での脱離工程と酸化分解装置での酸化分解工程を合わせて「脱離分解工程」という。

図１に見られるように、酸化分解装置５よりも下流側には、パージガス分枝管１Ａに設けられた既述の熱交換器４が位置している。該熱交換器４では、パージガス管１のパージガス分枝管１Ａ内を流れるパージガスが、酸化分解装置５で昇温された分解済パージガスとの熱交換により加熱される。上記パージガスとの熱交換に供された分解済パージガスは、熱交換器４を通過した後、適切な処理が施されて外部へ放出される。

濃度計６は、吸着塔Ｂと酸化分解装置５との間の位置で、該吸着塔Ｂから排出された脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を計測する。脱離温度制御装置７は、脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度が脱離ガスの所定の爆発濃度範囲の下限値より低くなるように、上記濃度計６により計測された揮発性有機化合物濃度に基づき、バルブ８、９のそれぞれの開度を調整することにより、パージガス分枝管１Ａ内を流れるパージガスの流量と、パージガス分枝管１Ｂ内を流れるパージガスの流量とを調整する。この結果、吸着塔Ｂに供給されるパージガスの温度ひいては吸着塔Ｂ内の脱離温度が制御される。具体的には、吸着塔Ｂに供給されるパージガスの温度が上昇して該吸着塔Ｂ内での脱離温度が上昇すると、該吸着塔Ｂ内の吸着剤に吸着された揮発性有機化合物の脱離が促進され、脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度が上昇する。

ここで、上記脱離ガスの爆発濃度範囲の下限値の設定について説明する。例えば、揮発性有機化合物がベンゼンである場合、その理論的な爆発濃度下限は１．３％であるが、安全を見越して、爆発濃度範囲の下限値の０．５倍と定めてもよい。このように爆発濃度範囲を定義した場合、前記ベンゼンの爆発濃度下限は０．６５％となる。従って、本願発明の方法においては、脱離ガス中のベンゼン濃度を０．６５％より低い濃度となるように脱離温度を制御することとなる。しかし、脱離後の脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度があまりにも低い場合は脱離にかかる時間が長くなってしまい、効率的な脱離をすることができない。そこで、短時間でベンゼンを脱離できるように、所定の時間まではベンゼン濃度を０．５５％から０．６５％の範囲になるように脱離温度を制御することが好ましい。

脱離分解工程を開始してから所定の時間が経過すると、脱離ガス中のベンゼン濃度が下がってくるが、濃度計により測定される脱離ガス中のベンゼン濃度が０．５５％を下回った時点で、脱離温度を所定温度だけ段階的に上昇させることにより、前記ベンゼン濃度が０．５５％から０．６５％の範囲に収まるようになる。これを繰り返すことにより、ベンゼンの爆発限界を回避しながら一定濃度以上のベンゼンを脱離し続けることが可能となる。最終的に所定の温度で一定にし、脱離ガス中のベンゼン濃度が０．１%を切った時点で脱離分解工程を終了する。

脱離ガスに含まれる揮発性有機化合物が混合ガスである場合には以下のように以下の数式（１）（ルシャトリエの式）を用いて爆発限界を定める。
［数１］
Ｖ＝１００／｛Ｎ_１／Ｖ_１＋Ｎ_２／Ｖ_２＋…Ｎ_Ｉ／Ｖ_Ｉ＋…｝（１）
ここで、Ｖ：混合ガスの爆発限界濃度
Ｖ_Ｉ：Ｉ成分の爆発限界濃度
Ｎ_Ｉ：Ｉ成分の濃度
例えば、揮発性有機化合物がベンゼン５０％、トルエン５０％の混合ガスである場合、その爆発下限値は、ベンゼンの爆発下限値が１．３％、トルエンの爆発限界値が１．２７％なので１．２８５％となる。そして、安全をみて０．５倍と定め、０．６４％となる。

このように、吸着塔Ｂから排出される脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度に応じて吸着剤から揮発性有機化合物を脱離させる際の脱離温度を制御することにより、常に脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を爆発濃度範囲の下限値より低く保持しつつ運転をすることができる。従って、従来のように、パージガス中の酸素濃度を下げたり、パージガスとして不活性ガスを用いたりすることなく、安価かつ安全に揮発性有機化合物を除去・分解することが可能となる。

また、吸着剤の種類、パージガス流量、吸着塔における脱離温度と、脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度との関係を予め求めておき、これらの関係に基づき適切な脱離温度とするように制御してもよい。

次に、本実施形態に係る排ガス処理装置による排ガス処理動作について説明する。

＜吸着塔Ｂでの吸着除去工程＞
本実施形態では、まず、運転開始時において、図示しないバルブの切換えにより吸着塔Ｂの下部に揮発性有機化合物含有排ガスの供給管が接続されるととともに、上部に清浄排ガスの排出管が接続されて、該吸着塔Ｂが吸着状態となる。この吸着状態では、該吸着塔Ｂに揮発性有機化合物含有排ガスが供給されて、該吸着塔Ｂで吸着除去工程が行われ、揮発性有機化合物含有排ガスの揮発性有機化合物が吸着剤によって吸着除去されるとともに、清浄排ガスが排出される。また、運転開始時において、吸着塔Ａについては放置しておく。

＜吸着塔Ａでの吸着除去工程＞
次に、吸着塔Ｂにおける吸着除去工程が終了した段階で、吸着塔Ａについては、図示しないバルブの切換えにより、図１に示すように、該吸着塔Ａの下部に揮発性有機化合物含有排ガスの供給管を接続するとともに、上部に清浄排ガスの排出管およびパージガス管１を接続して、吸着塔Ａは吸着状態となる。この吸着状態では、該吸着塔Ａに揮発性有機化合物含有排ガスが供給されて、吸着除去工程が行われ、揮発性有機化合物含有排ガスの揮発性有機化合物が吸着剤によって吸着除去されるとともに、清浄排ガスが排出される。

＜吸着塔Ｂでの脱離工程＞
一方で、吸着塔Ｂにおける吸着除去工程が終了した段階で、吸着塔Ｂについては、揮発性有機化合物含有ガスの供給が中止され、図示しないバルブの切換えにより、上記吸着塔Ａの吸着状態への切換えと同時に、図１に示すように、吸着塔Ｂの上部にパージガス管１がそして下部に脱離ガスの排出管が接続されて、該吸着塔Ｂが図１の脱離状態に切り換えられる。この脱離状態では、吸着状態の上記吸着塔Ａから排出される清浄排ガスの一部が、吸着塔Ｂにおける脱離のためのパージガスとしてブロワ３によってパージガス管１を流れて吸着塔Ｂへ供給される。

本実施形態では、パージガス管１のパージガス分枝管１Ａ、１Ｂのうちパージガス分枝管１Ａを流れるパージガスは、熱交換器４にて、昇温された分解済パージガスとの熱交換により加熱された後、吸着塔Ｂへ供給される。一方、パージガス分枝管１Ｂを流れるパージガスは、加熱されることなく、上記熱交換器４で加熱されたパージガスと混合される。

パージガス管１のパージガス分枝管１Ａを流れる加熱パージガスの流量と、パージガス管１のパージガス分枝管１Ｂを流れる非加熱パージガスの流量は、濃度計６に計測された脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度に基づいて脱離温度制御装置７がバルブ８、９の開度を調整することによって制御される。このようにして、吸着塔Ｂに流入するパージガスの温度が調整される結果、吸着塔Ｂ内の脱離温度は、脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度が脱離ガスの爆発濃度範囲の下限値より低くなるように制御される。

吸着塔Ｂに供給されたパージガスは、脱離温度制御装置７によって制御された脱離温度のもとで、該吸着塔Ｂ内の吸着剤、すなわち、すでに揮発性有機化合物を吸着した吸着剤から該揮発性有機化合物を脱離させ、揮発性有機化合物を含有する脱離ガスとして吸着塔Ｂから排出される。該脱離ガスは酸化分解装置５へ供給される。

＜酸化分解装置５での酸化分解工程＞
酸化分解装置５では、酸化分解工程が行われ、吸着塔Ｂからの脱離ガス中の揮発性有機化合物が酸化分解されて、昇温された分解済パージガスが排出される。この昇温された分解済パージガスは、熱交換器４にて、パージガス分枝管１Ａ内を流れるパージガスとの熱交換により該パージガスを加熱した後、適切な処理が施されて外部へ放出される。

そして、吸着塔Ｂおよび酸化分解装置５において脱離分解工程が終了し、一方で吸着塔Ａにおいて吸着除去工程が終了した時点で、図示しないバルブの切換えにより吸着塔Ａと吸着塔Ｂとが入れ替えられ、吸着塔Ａおよび酸化分解装置５において脱離分解工程が行われ、吸着塔Ｂで再度の吸着除去工程が行われる。以降、上記バルブの切換えによって両吸着塔Ａ、Ｂの工程が切り換えられて繰り返される。

このように、吸着塔を二塔用いることにより、吸着除去工程と脱離分解工程とを同時に行うことができるので、単位時間当たりの排ガスの処理量を大きくすることができる。また、吸着除去工程と脱離分解工程は必ずしも常に同時に行う必要はない。脱離分解工程は通常、数時間〜１日程度で完了するので、脱離分解工程が完了した吸着塔Ｂは待機状態とし、吸着塔Ａが所定の吸着除去性能を発揮できなくなった時点、すなわち吸着剤が破過した時点で吸着塔Ａを脱離分解工程、吸着塔Ｂを吸着除去工程に切り替えて運転を継続することとしてもよい。このような運転を行うことで吸着除去工程、脱離分解工程の切り替えが容易となり、システム全体を簡易にすることができる。

＜第二実施形態＞
第一実施形態は、一方の吸着塔から排出された清浄排ガスをパージガスとして他方の吸着塔へ供給することとしたが、図２に見られる本実施形態は、パージガスとして大気（空気）を供給する点で第一実施形態と構成が異なっている。以下、第一実施形態と構成が異なっている部分を中心に説明し、構成が同じ部分については同一符号を付して説明を省略する。

図２は、本実施形態に係る排ガス処理装置の構成を示す概略図であり、吸着塔Ａが吸着除去工程を行い、吸着塔Ｂが脱離工程を行っている状態を示している。本実施形態に係る排ガス処理装置では、吸着塔Ａにパージガス管１が接続されておらず、該パージガス管１に設けられたブロワ３が大気（空気）を外部から吸引して、この大気をパージガスとして吸着塔Ｂに供給するようになっている。このように、パージガスとして大気を用いることにより、パージガスの発生設備を別途設ける必要がなくなるので、設備を小型化することが可能となる。

＜第三実施形態＞
第一実施形態は、パージガスのうち一部のパージガスを熱交換器４で加熱するとともに、残部のパージガスを加熱せずに、加熱された上記一部のパージガスに混入させることとしたが、図３に見られる本実施形態では、パージガスの全部を熱交換器で加熱するとともに、別途設けられた高温ガス発生装置で発生させた高温ガスを上記パージガスに混入させる点で第一実施形態と異なっている。以下、第一実施形態と構成が異なっている部分を中心に説明し、構成が同じ部分については同一符号を付して説明を省略する。

図３は、本実施形態に係る排ガス処理装置の構成を示す概略図であり、吸着塔Ａが吸着除去工程を行い、吸着塔Ｂが脱離工程を行っている状態を示している。本実施形態に係る排ガス処理装置では、吸着塔Ａと吸着塔Ｂとを接続するパージガス管１は分枝しておらず、吸着塔Ａからのパージガスとしての清浄排ガスの全部が熱交換器４で加熱される。

また、本実施形態では、例えば、燃料を燃焼し、高温ガスとしての燃焼ガスを発生させる構成をなす高温ガス発生装置１０が設けられている。該高温ガス発生装置１０で発生した高温ガスは、熱交換器４よりも下流側でパージガス管１内を流れる、加熱された上記パージガスに混入されるようになっている。

脱離温度制御装置７は、脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度が脱離ガスの所定の爆発濃度範囲の下限値より低くなるように、濃度計６により計測された脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度に基づき、パージガス管１に設けられたバルブ８の開度を調整するとともに、上記高温ガス発生装置１０で発生させる高温ガスの量および温度をも調整するようになっている。この結果、吸着塔Ｂに供給されるパージガスの温度ひいては吸着塔Ｂ内の脱離温度が制御される。また、脱離温度制御装置７は、高温ガス発生装置１０で発生させる高温ガスの量および温度のいずれか一方のみを調整することとしてもよい。

本実施形態では、高温ガスをパージガスに混入することにより、脱離工程を行う吸着塔での脱離温度をより高い温度範囲で調整することができ、揮発性有機化合物の脱離を促進して、脱離に要する時間を短縮することができる。

＜第四実施形態＞
既述の第二実施形態では、大気であるパージガスのうち一部のパージガスを熱交換器４で加熱するとともに、残部のパージガスを加熱せずに、加熱された上記一部のパージガスに混入させることとした。これに対し、図４に見られる本実施形態では、大気であるパージガスの全部を熱交換器で加熱するとともに、別途設けられた加熱装置で、脱離工程を行う吸着塔の吸着剤雰囲気温度を昇温する点で第二実施形態と異なっている。以下、第二実施形態と構成が異なっている部分を中心に説明し、構成が同じ部分については同一符号を付して説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る排ガス処理装置の構成を示す概略図であり、吸着塔Ａが吸着除去工程を行い、吸着塔Ｂが脱離工程を行っている状態を示している。本実施形態に係る排ガス処理装置では、吸着塔Ｂに接続され該吸着塔Ｂにパージガスとしての大気を供給するためのパージガス管１は分枝しておらず、該パージガスの全部が熱交換器４で加熱される。

また、吸着塔Ｂには、例えば電気ヒータ等で構成される加熱装置１１が設置されており、該吸着塔Ｂの吸着剤雰囲気温度を昇温している。脱離温度制御装置７は、脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度が脱離ガスの所定の爆発濃度範囲の下限値より低くなるように、濃度計６により計測された脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度に基づき、加熱装置１１による加熱温度を調整して、吸着塔Ｂ内の脱離温度を制御するようになっている。なお、上記加熱装置１１は、吸着剤を直接的に加熱してもよいし、間接的に加熱するようになっていてもよい。

本実施形態によれば、脱離工程を行う吸着塔の吸着剤雰囲気温度を加熱装置１１で昇温することにより、該吸着塔での脱離温度をより高い温度範囲で調整することができ、揮発性有機化合物の脱離を促進して、脱離に要する時間を短縮することができる。

第一ないし第四実施形態に係る排ガス処理装置では、二塔の吸着塔が設けられることとしたが、これに代えて、吸着塔を三塔以上設けて、これらの吸着塔のうち一部の吸着塔で吸着除去工程、残部の吸着塔で脱離分解工程を行うこととしてもよい。

次に、第一ないし第四実施形態で排ガス処理装置に用いられる吸着塔および該吸着塔に充填される吸着剤について説明する。

＜吸着塔＞
第一ないし第四実施形態において、吸着塔には、図５に示される着脱可能な吸着剤カートリッジ２が一段設置されることにより、吸着剤の充填層が設けられている。充填層の設け方としては、吸着塔に吸着剤をそのまま充填する形態も可能であるが、揮発性有機化合物の吸着効率や充填剤の交換やメンテナンス等を考慮すると、吸着剤をカートリッジに充填し、当該カートリッジを吸着塔に設置することが好ましい。また、吸着剤カートリッジ２は、図６に示されるように吸着塔に複数段設置されてもよい。

＜吸着剤カートリッジ＞
図５は、吸着塔Ａ、Ｂに設けられる吸着剤カートリッジ２の構造を示す図である。吸着剤カートリッジ２の上流端面にはガス入口２１と上流側蓋部２２が交互に設けられている。また、吸着剤カートリッジ２の下流端面においては、前記上流端面のガス入口２１に対応する部位に下流側蓋部２３が設けられ、上記上流端面の上流側蓋部２２に対応する部位にガス出口２４が設けられている。

また、吸着剤カートリッジ２内においては、図５に示すように、複数の平板状の吸着剤層２５が所定間隔を離して略平行に配置されており、ガス入口２１を通じて吸着剤層２５の一方の側面側に供給されたガスが、吸着剤層２５を通過して他方の側面側に抜けるようなガス流れが形成されており、吸着剤カートリッジ２に送られたガスは複数の吸着剤層２５に分配され吸着除去処理される。

図５に示す吸着剤カートリッジ２は、排ガスと吸着剤層２５が側流式で接触する構造であり、ガスが接触する吸着剤層２５の面積を大きくとることができるので、吸着剤使用量を少なくでき、吸着塔Ａ、Ｂの設置面積を小さくコンパクトなものにでき経済的である。また、吸着剤層２５は、通常、数センチメートル程度と非常に薄いため圧力損失を小さくでき、ブロワが小型化され経済的である。

さらに、吸着剤層２５は互いに略平行でかつ面対称な配置となっており、かつ吸着剤が上流側蓋部２２そして下流側蓋部２３との間に隙間が生じないように圧密充填されているため、高い吸着性能を発揮するためには必須であるガス流れの均一化が可能となり、ガスのショートパス（吹き抜け）が防止され、吸着剤層２５とガスとの接触効率が高く、吸着時において高い性能が発揮される。また、吸着剤カートリッジ２は、カートリッジ構造を有しているため、吸着塔Ａ、Ｂからの吸着剤カートリッジ２の着脱が容易であり、吸着剤の交換や装置内の点検等のメンテナンスを容易に行なうことができる。

なお、吸着剤カートリッジ２の一機あたりの寸法が大きくなると、メンテナンス時の吸着塔Ａ、Ｂからの着脱作業性が悪くなることから、例えば数万〜数十万m³/hという多量のガスを処理するような場合には、複数の吸着剤カートリッジ２を吸着塔Ａ、Ｂ内に並列に並べ、かつ直列に複数段設置して用いることが好ましい。例えば、図７及び図７の矢視I−I断面図である図８に示す例では、並列に４個の吸着剤カートリッジ２を並べ、これを直列に二段設置した例を示している。このように、吸着剤カートリッジ２を用いることにより、使用条件に応じて、吸着剤カートリッジ２の配置を並列、直列に組合せ、最適な配置で使用することができる。

吸着剤としては、シリカゲルやゼオライト等の無機吸着剤や、活性炭等を用いることができ、吸着、脱着性能に優れた吸着剤が好ましい。使用する吸着剤の粒径は、小さいほど吸着速度そして脱離速度が上がり有利である。しかし、粒径が小さすぎる場合は、充填層での圧力損失が大きくなってしまう。また、前記収納ケースにおけるガス流入側面及びガス流出側面として必要な強度を確保しながら、より粒径の小さい吸着剤の保持が可能な、充分に小さい孔を有するガス透過面の作製が困難ないし実用的でなくなる。そのため、吸着剤の粒径は０．５〜２．４ｍｍ程度のものが好ましい。

（実施例１）
揮発性有機化合物含有ガスとしてベンゼンを１５０ｐｐｍ含有した空気を図１の排ガス処理装置を用いて処理を行った。吸着塔には吸着剤として活性炭が充填されており、吸着除去工程として、１０Ｎｍ^３／ｈの排ガスを吸着塔にブロワで供給した。吸着除去工程を行った後、脱離分解工程に切り替え、酸化分解装置の雰囲気温度を常時４００℃となるようにバーナで加熱を行い、パージガスを熱交換器により加熱して吸着塔に供給すると共に、吸着塔から排出される脱離ガスのベンゼン濃度を濃度計により計測し、ベンゼン濃度が爆発濃度範囲の下限値１．３％の０．５倍となる０．６５％以下を維持するように、脱離温度を制御した。脱離温度を調整することにより脱離ガスのベンゼン濃度を制御する状況を、脱離ガス中ベンゼン濃度の時間変化と脱離温度の時間変化を図９に示して表す。

本実施例では、脱離温度をできるだけ高温にするように段階的に上昇させながら運転を行った。具体的には、脱離ガス中のベンゼン濃度が０．５５％から下回ったら脱離温度を５℃上昇させるように制御した。図９は、脱離時間が８０分経過した後は脱離温度を１８０℃に保持し、８０分経過後は脱離ガス中のベンゼン濃度は減少し吸着剤からベンゼンの脱離が終了し始めていることを示している。また、脱離ガスを酸化分解装置に供給してベンゼンの分解を行った。吸着塔の脱離分解処理を行った後、再び吸着工程へと切り替え、この操作を繰り返した。

吸着除去工程の時、吸着塔出口の清浄ガス中ベンゼン濃度は常時４ｐｐｍ以下に維持されていた。また、吸着除去工程において活性炭が性能を発揮できなくなるまでの時間は約９時間であり、脱離分解工程において脱着分解、再生に要する時間は常に５時間以内であった。

（実施例２）
揮発性有機化合物含有ガスとしてトルエンを１８０ｐｐｍ含有した空気を図１の排ガス処理装置を用いて処理を行った。吸着塔には吸着剤として活性炭が充填されており、吸着除去工程として、１０Ｎｍ^３／ｈの排ガスを吸着塔にブロワで供給した。吸着除去工程を行った後、脱離分解工程に切り替え、酸化分解装置の雰囲気温度を常時４００℃となるようにバーナで加熱を行い、パージガスを熱交換器により加熱して吸着塔に供給すると共に、吸着塔から排出される脱離ガスのトルエン濃度を濃度計により計測し、トルエン濃度が爆発濃度範囲の下限値の０．５倍となる０．６３％以下を維持するように、脱離温度を制御した。脱離温度を調整することにより脱離ガスのトルエン濃度を制御する状況を、脱離ガス中トルエン濃度の時間変化と脱離温度の時間変化を図１０に示して表す。

また、本実施例においても、実施例１と同様に、短時間でトルエンを脱離できるように脱離温度をできるだけ高温にするように段階的に上昇させながら運転を行った。具体的には、脱離ガス中のトルエン濃度が０．５％から下回ったら脱離温度を５℃上昇させるように制御した。図１０は、脱離時間が２２０分経過した後は脱離温度を１８０℃に保持し、２２０分経過後は脱離ガス中のトルエン濃度は減少し吸着剤からトルエンの脱離が終了し始めていることを示している。また、脱離ガスを酸化分解装置に供給してトルエンの分解を行った。吸着塔の脱離分解処理を行った後、再び吸着工程へと切り替え、この操作を繰り返した。

吸着除去工程の時、吸着塔出口の清浄ガス中トルエン濃度は常時５ｐｐｍ以下に維持されていた。また、最初の吸着除去工程で活性炭が性能を発揮できなくなるまでの時間は約９時間であり、脱着分解、再生に要する時間は常に５時間以内であった。また、脱離分解工程を終えた吸着剤をさらに吸着塔にて吸着したときに、活性炭が性能を発揮できなくなるまでの時間は７時間から８時間であった。

本実施例における、吸着除去工程と脱離分解工程の繰り返し回数と、吸着除去工程において活性炭が性能を発揮できなくなるまでの時間との関係を図１１に示す。性能を発揮できなくなるまでの時間は全て６時間以上であった。このことにより、吸着剤からのトルエンの脱離が確実に行われ、吸着剤の再生が有効に行われていることを確認した。

Ａ、Ｂ吸着塔
４熱交換器
５酸化分解装置
６濃度計
７脱離温度制御装置
１０高温ガス発生装置
１１加熱装置

Claims

揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置であって、
揮発性有機化合物を吸着する吸着剤を収納し、上記排ガスを受け入れ、該排ガス中の揮発性有機化合物を上記吸着剤により吸着除去して清浄排ガスを排出する吸着状態と、パージガスを受け入れ、上記吸着剤に吸着された揮発性有機化合物を該パージガスにより脱離して、揮発性有機化合物を含有するパージガスである脱離ガスを排出する脱離状態とで作動可能な吸着塔と、
脱離状態の吸着塔から上記脱離ガスを受け入れ、脱離ガス中の揮発性有機化合物を酸化分解して、分解済パージガスを排出する酸化分解装置と、
該酸化分解装置で酸化分解されて昇温した上記分解済パージガスを受け入れ、上記脱離状態の吸着塔に供給されるパージガスの少なくとも一部を、昇温している上記分解済パージガスとの熱交換により加熱する熱交換器と、
上記脱離状態の吸着塔から排出される脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を計測する濃度計と、
該揮発性有機化合物濃度が上記脱離ガスの所定の爆発濃度範囲の下限値より低くなるように、上記濃度計により計測された揮発性有機化合物濃度に基づき、上記脱離状態の吸着塔内の雰囲気温度である脱離温度を制御する脱離温度制御装置とを有する揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置。
吸着塔は、複数設けられていて、そのうちの一部の吸着塔が、吸着状態で排ガス中の揮発性有機化合物を吸着除去して清浄排ガスを排出し、残部の吸着塔が、脱離状態で、すでに吸着した揮発性有機化合物の脱離のために上記一部の吸着塔から上記清浄排ガスの一部をパージガスとして受け入れるようになっており、
熱交換器は、上記残部の吸着塔に供給されるパージガスのうち一部のパージガスを、昇温している分解済パージガスとの熱交換により加熱し、
脱離温度制御装置は、上記一部のパージガスの供給量および残部のパージガスの供給量を調整することにより、脱離状態にある上記残部の吸着塔における脱離温度を制御するようになっていることとする請求項１に記載の揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置。
吸着塔は、脱離状態で大気をパージガスとして受け入れるようになっており、
熱交換器は、上記吸着塔に供給されるパージガスのうち一部のパージガスを、昇温している分解済パージガスとの熱交換により加熱し、
脱離温度制御装置は、上記一部のパージガスの供給量および残部のパージガスの供給量を調整することにより、脱離状態にある上記吸着塔における脱離温度を制御するようになっていることとする請求項１に記載の揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置。
ガスを加熱して高温ガスを発生させる高温ガス発生装置をさらに有しており、
吸着塔は、複数設けられていて、そのうちの一部の吸着塔が、吸着状態で排ガス中の揮発性有機化合物を吸着除去して清浄排ガスを排出し、残部の吸着塔が、脱離状態で、すでに吸着した揮発性有機化合物の脱離のために上記位一部の吸着塔から上記清浄排ガスの一部をパージガスとして受け入れるようになっており、
上記高温ガス発生装置で発生した高温ガスは、上記パージガスに混入され、
熱交換器は、上記残部の吸着塔に供給されるパージガスを、昇温している分解済パージガスとの熱交換により加熱し、
脱離温度制御装置は、上記高温ガス発生装置で発生させる高温ガスの量および温度の少なくとも一方を調整することにより、脱離状態にある上記残部の吸着塔における脱離温度を制御するようになっていることとする請求項１に記載の揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置。
吸着塔の吸着剤を加熱するための加熱装置をさらに有しており、
吸着塔は、脱離状態で大気をパージガスとして受け入れるようになっており、
熱交換器は、上記吸着塔に供給されるパージガスを、昇温している分解済パージガスとの熱交換により加熱し、
脱離温度制御装置は、上記加熱装置による加熱温度を調整することにより、脱離状態にある上記吸着塔における脱離温度を制御するようになっていることとする請求項１に記載の揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置。
吸着塔の吸着剤は、所定間隔を離して配置された複数の平板状の吸着剤充填層を有する着脱可能な吸着剤カートリッジとして形成されていて、
該吸着剤カートリッジは、上記吸着剤充填層の一方の側面側に供給された排ガスが他方の側面側に向かって該吸着剤充填層を通過するような排ガスの流れが形成されるとともに、上記吸着剤カートリッジに供給された排ガスが上記複数の吸着剤充填層に分配されて流れるように構成されていることとする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理装置。
揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理方法であって、
揮発性有機化合物を吸着する吸着剤を収納する複数の吸着塔のうち、一部の吸着塔にて、上記排ガスを受け入れ、該排ガス中の揮発性有機化合物を上記吸着剤により吸着除去して清浄排ガスを排出するとともに、残部の吸着塔にて、パージガスを受け入れ、すでに吸着した揮発性有機化合物を該パージガスにより脱離して、揮発性有機化合物を含有するパージガスである脱離ガスを排出し、
上記残部の吸着塔から排出された脱離ガス中の揮発性有機化合物を酸化分解して分解済パージガスを生成し、
上記残部の吸着塔に供給されるパージガスの少なくとも一部を、酸化分解されて昇温した上記分解済パージガスとの熱交換により加熱し、
揮発性有機化合物の脱離時に上記残部の吸着塔から排出される脱離ガス中の揮発性有機化合物濃度を計測し、該揮発性有機化合物濃度が上記脱離ガスの所定の爆発濃度範囲の下限値より低くなるように、計測された揮発性有機化合物濃度に基づき、上記脱離時における上記吸着塔内の雰囲気温度である吸着塔における脱離温度を制御することを特徴とする揮発性有機化合物を含有する排ガスの処理方法。