JP2013248237A - 空気精製処理装置およびこれを用いた空気の精製処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 処理対象となる原料空気の供給を担う原料供給部1と、内部に熱交換手段を有し、原料供給部1から供給された原料空気が予備加熱処理される予備加熱部2と、予備加熱部2から供給された空気が高温酸化処理される反応器3と、高温酸化処理された空気が供出される反応器3の供出部と熱交換手段を接続する還流流路4と、還流流路4を介して熱交換手段から供出された空気を冷却する1以上の冷却部5,6と、冷却部5,6において冷却された空気中の残存不純物が吸着処理される吸着処理部7と、を備え、予備加熱部2において600℃以上に予備加熱され、反応器3において無触媒条件で800℃以上に加熱されることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
(i)メタンは化学的に非常に安定であり、上記装置を用いても、1ppm以下の低濃度まで浄化することは非常に難しく、一時的に実現しても、連続式の装置において、長期的にその性能を維持することができる実動可能な装置は皆無といえる。こうした連続式の長期使用可能なメタン除去装置の要請は、大きな課題となっている。
(ii)メタンの除去には、例えば特許文献2に記載されるように、ジルコニアまたはチタニアまたはその混合物からなる担体にイリジウムおよび白金を担持した触媒あるいは、ジルコニアまたはチタニアまたはその混合物からなる担体にパラジウムおよび白金を担持した触媒が用いられる。しかし、ここではメタン1000ppmを含む空気相当のガスを対象とするものであり(段落0030〜0031)、1〜10ppmの低濃度メタンに対しては、十分機能せず、一時的に実現しても、連続式の装置においては、高価な貴金属系触媒を定期的に交換する必要があることから、特に大量の空気を消費する設備において、ランニングコストの低いメタン除去装置が大きな課題となる。
(iii)また、放電による酸化分解作用を用いた空気清浄装置においても、長期的な使用による放電用の電極部の劣化が生じるとともに、ゼオライトフィルターの劣化は、放電時に発生するプラズマ、オゾン、イオン、ラジカル等の漏出を招来する。こうした特殊な手法を用いずに、連続式の長期使用可能なメタン除去装置が望まれている。
上記のように、原料空気を急速に600℃以上に予備加熱する機能と合せて800℃以上の高温で酸化処理された空気の1次冷却する機能を有する予備加熱部と、800℃以上の高温で酸化処理する機能を有する反応器と、高温処理された空気を徐々に冷却する機能を有する多段の冷却部と、高い吸着処理機能を有する吸着処理部が、一体として、無触媒式で優れた空気精製処理装置を構成する。本発明は、こうした個々の機能を確保するために各構成要素を最適な構成としたもので、こうした構成によって、予備加熱部に要求される高い熱交換効率と耐熱性を確保するとともに、特に急速で、かつ大幅な温度変化に伴う熱歪を吸収することを可能とし、反応器に要求される空気の均等な高温加熱機構と耐熱性を確保し、吸着処理部に要求される高温酸化処理された後の低濃度成分に対する吸着能力と耐久性を確保することができる。
こうした精製プロセスによって、触媒等を用いずにメタン濃度0.1ppm以下の空気を得ることを可能とし、長期間の使用における保守の大幅軽減、ランニングコストの低減を図り、さらに、エネルギー効率の高い空気精製処理を可能とした。また、急速加熱による高温酸化処理によって、一気に被酸化物の酸化処理を行い、酸化処理後の2次副生物の発生を抑制することができるとともに、多段階の冷却処理によって、吸着処理までの処理手段の材質的あるいは構造的な負荷を軽減することができる。
本装置の実施態様として、基本的な概略全体構成を、図1に示す。本装置は、原料供給部1、予備加熱部2、反応器3、還流流路4、第1冷却部5、第2冷却部6、吸着処理部7を備える。空気精製処理開始において、原料空気が、原料供給部1から予備加熱部2に導入される。原料供給部1では、原料空気が、ろ過フィルタ(図示せず)によって粉塵や微粒子が除去された後、ポンプやブロア等の給送手段によって、予備加熱部2に給送される。予備加熱部2に導入された原料空気は、予備加熱部2内に設けられた熱交換手段20(後述)において反応器3からの高温の処理空気との熱交換によって、600℃以上に予備加熱される(予熱空気)。予熱空気は、反応器3に導入され、高温酸化処理される(処理空気)。処理空気は、還流流路4を介して予備加熱部2に還流され、熱交換手段20における原料空気との熱交換によって、約200〜300℃に1次冷却される(1次冷却空気)。1次冷却空気は、第1冷媒が供給される第1冷却部5に導入され、第1冷媒との熱交換によって、約50〜100℃に2次冷却される(2次冷却空気)。2次冷却空気は、第2冷媒が供給される第2冷却部6に導入され、第2冷媒との熱交換によって、約20〜30℃に3次冷却される(3次冷却空気)。3次冷却空気は、吸着剤が配設された吸着処理部7に導入され、残存する不純物が吸着処理され、精製空気が供出される。
予備加熱部2は、図2に例示するような構成が挙げられる。外部との取合いフランジ部に2つの空気導入口(第1導入口2a,第2導入口2d)と2つの空気供出口(第1供出口2c,第2供出口2e)を有し、内部空間2bに複数のジャバラ状の管状部21と細管部22を有する熱交換手段20が配設されている。第1導入口2aから導入された低温の原料空気は、内部空間2bにおいて管状部21外壁からの温熱を吸収して急速に温度上昇し、さらに細管部22の外壁からの温熱を吸収して、第1供出口2cから600℃以上の高温の予熱空気として供出される。一方、第2導入口2dから導入された800℃以上の高温の処理空気は、細管部22において温熱(顕熱)を放出して徐々に温度低下し、さらに管状部21において温熱を吸収して、第2供出口2eから約200〜300℃に1次冷却された1次冷却空気として供出される。
反応器3は、図3(A),(B)に例示するような構成が挙げられる。外部との取合いフランジ部に予熱空気導入口3aと処理空気供出口3bを有し、加熱体3cが反応空間部3dを介在させて、反応器3内部の上流から下流に複数段に配設されている。予熱空気導入口2aから導入された600℃以上の高温の予熱空気は、加熱体3cによってさらに800℃以上の高温に加熱され、空気中のメタン等の炭化水素や一酸化炭素を含む低濃度成分が酸化処理される。酸化処理された処理空気は、処理空気供出口3bから高温状態を維持した状態で供出される。ここで、反応器3は、800℃以上の高温酸化処理が行われることから、耐熱性が高く高温破壊に強い素材によって構成されることが要求され、例えばステンレス鋼としてSUS−310S等を用いることが好ましい。
本装置は、反応器3において、無触媒条件で800℃以上に反応温度が設定される。図4は、例えば、低濃度の炭化水素約3ppmC(炭素換算値:メタン約1.5ppmを含む)を含む空気を反応器3に導入し、そのときの酸化反応率と反応温度の関係を実証した結果を示す。約700℃下回る温度までは、殆ど低(無)反応状態が保たれるとともに、約700℃を超えると急激に酸化反応が進み、約800℃において略100%近い反応率となることが判る。本装置では、こうした反応特性を有効に活かし、予備加熱を、反応温度に近く、かつ副次的な反応が生じない約600℃以上(約700℃下回る温度)に設定することが好ましい。反応器3における負荷を軽減するとともに、処理空気が有する温熱を効果的に吸収することができる。
本装置では、1次冷却空気がさらに第1冷却部5に導入され、約50〜100℃の2次冷却空気が形成され、2次冷却空気は、次に第2冷却部6に導入され、約20〜30℃の3次冷却空気が形成される。第1冷却部5には、1次冷却空気と熱交換をする第1冷媒が導入される。第1冷媒としては、処理対象の空気が多量の場合には、熱容量の大きい例えば常温の市水や工場用水等を用いることができる。第2冷却部6には、2次冷却空気と熱交換をする第2冷媒が導入される。第2冷媒としては、チラー等熱媒体用冷却機を用いて例えば5〜20℃に冷却された市水や工場用水等あるいはブライン水を用いることができる。精製空気の需要量が大きい場合には、その前段(1次冷却水の処理)あるいは第1冷却器5と第2冷却器6の中間段階等に更なる冷却器を設け、多次の冷却処理を行うことも可能である。ここで、第2冷却部6から供出された第2冷媒を、第1冷媒として第1冷却器5に供給し、供出された第1冷媒をさらに第2冷媒の原水として利用する構成を用いることが可能である。複数の冷媒を準備することなく、循環的に冷媒を利用することによって、コンパクトな本装置を構成し、エネルギーの効率的利用ができる。
吸着処理部7には、粒状体や粉状体あるいはハニカム状体の吸着材が配設された構成が挙げられる。被処理空気との接触が均等で、かつ大きな空間速度を確保するができる。吸着材としては、微量の不純物の除去可能な吸着材であれば、特に限定されるものではないが、1ppm以下の非常に微量な成分を、さらに低濃度まで除去することができる素材の選定が好ましい。安価な活性炭を用いることができる。本装置では、さらに焼結処理された活性炭が好適である。高温酸化処理された後の低濃度成分に対する吸着能力と耐久性を確保し、高度な精製機能を長期間維持することができる。また、細砕化されることによって、強固な状態を維持した状態で、より大きな空間速度を確保するができる。ここで用いる吸着材は、比表面積が1000m2/g以上、より好ましくは1500m2/g以上であることによって、原料空気中に含まれる微量の不純物を除去することができる。また、充填密度が0.3g/cm3以上、より好ましくは0.4g/cm3以上であることによって、より均等な被処理空気との接触を確保し、大きな空間速度を得ることができる。
次に、本装置を用いた原料の処理方法(以下「本処理方法」という)を詳述する。本処理方法は、本装置において、少なくとも(1)処理対象となる原料空気を、600℃以上に急速予備加熱処理する工程と、(2)予備加熱された予熱空気を、800℃以上に急速高温酸化処理する工程と、(3)酸化処理された処理空気を、原料空気と熱交換し1次冷却処理する工程と、(4)1次冷却処理された1次冷却空気に対し、2以上の多次の冷却処理を行う工程と、(5)多次の冷却処理された空気中の残存不純物を、吸着処理する工程と、を有する。触媒等を用いずにメタン濃度0.1ppm以下の精製された空気を得ることを可能とし、長期間の使用における保守の大幅軽減、ランニングコストの低減を図り、さらに、エネルギー効率の高い空気精製処理を可能とした。
原料供給部1から予備加熱部2に導入された低温(常温)の原料空気が、後段(3)における高温の処理空気と熱交換し、600℃以上に予備加熱される。このとき、急速に反応温度に近く、かつ副次的な反応が生じない約600℃以上(約700℃下回る温度)にまで加熱することによって、さらに高温に加熱する反応器3における負荷を軽減するとともに、処理空気が有する温熱を効果的に吸収することができる。
非常に低濃度成分の酸化処理は、処理される予熱空気を迅速に反応温度にまで上げて所定時間その状態を確保することが好ましい。反応器3では、600℃以上にまで加熱された予熱空気を、迅速に反応温度まで上げ、多段の加熱体3cによる加熱によって反応温度を維持し、低濃度のメタンを含む不純物に対して高い高温酸化処理効率を確保した。
酸化処理された処理空気は、吸着機能を確保するために常温付近まで冷却する必要があるとともに、それが有する大きな温熱(顕熱)をそのまま放出するのはエネルギー損失が大きい。従って、処理空気を原料空気と熱交換することによって、この顕熱を原料空気に伝達するとともに、自らは低温化された1次冷却空気として次なる処理がなされる。
800℃以上の処理空気を常温まで一気に冷却するのは、エネルギーのロスも大きく、また上記のように、過冷却による凝縮物発生や局部冷却による腐食の発生が生じるおそれがある。多次の冷却処理を行うことによって、こうしたリスクを回避し、高度に酸化処理された処理空気の性状を維持したまま安定的に後段の処理を行うことができる。
常温近くに冷却された処理空気は、例えば無機化合物や窒素酸化物等、酸化処理では除去できない不純物を処理することが要求される。本装置では、焼結活性炭等の吸着剤によって、こうした不純物を処理することによって、非常に高い精製処理がなされた精製空気を得ることができる。
本装置を用い、原料空気を流量約10Nm3/minで供給し、精製空気中の炭化水素(THC:メタン約1.5ppmを含む),一酸化炭素(CO)および窒素酸化物(NOx)を測定した。表1に示すように、各成分が非常に低い濃度まで低減されていることが実証された。また、炭化水素については、吸着処理部前での測定においても、同様の結果を得ることができた。予備加熱部−反応器での高温酸化処理の機能を実証することができた。
2 予備加熱部
3 反応器
4 還流流路
5 第1冷却部
6 第2冷却部
7 吸着処理部
Claims (3)
- 処理対象となる原料空気の供給を担う原料供給部と、内部に熱交換手段を有し、前記原料供給部から供給された原料空気が予備加熱処理される予備加熱部と、該予備加熱部から供給された空気が高温酸化処理される反応器と、高温酸化処理された空気が供出される該反応器の供出部と前記熱交換手段を接続する還流流路と、前記還流流路から供出された空気を冷却する1以上の冷却部と、該冷却部において冷却された空気中の残存不純物が吸着処理される吸着処理部と、を備え、
前記予備加熱部において600℃以上に予備加熱され、前記反応器において無触媒条件で800℃以上に加熱されることを特徴とする空気精製処理装置。 - 前記熱交換手段が、前記予備加熱部の内部にジャバラ状の管状部を有する複数の細管を備え、該細管の内外部に流通する空気間での熱交換を行い、
前記反応器が、メッシュ状または網目状の加熱素子からなる加熱体または/および加熱素子が内壁に密着して設けられた複数の細孔を有する加熱体を有し、該加熱体が反応器上流から下流に複数段に配設され、
前記吸着処理部が、焼結処理された活性炭が配設されたことを特徴とする請求項1記載の空気精製処理装置。 - 請求項1または2に記載の空気精製処理装置を用いた空気の精製処理方法であって、少なくとも、
(1)処理対象となる原料空気を、600℃以上に急速予備加熱処理する工程と、
(2)予備加熱された空気を、800℃以上に急速高温酸化処理する工程と、
(3)酸化処理された空気を、前記原料空気と熱交換し1次冷却処理する工程と、
(4)1次冷却処理された空気に対し、2以上の多次の冷却処理を行う工程と、
(5)多次の冷却処理された空気中の残存不純物を、吸着処理する工程と、
を有することを特徴とする空気の精製処理方法。
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