JP2014083511A - シロキサン分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒上での環状シロキサンと水蒸気との加水分解反応により、環状シロキサンを除去するシロキサン分解装置を提供する。
【解決手段】シロキサン分解装置１は、吸引ブロワ１０により吸引することで、装置外部からガス取り口１４を介してシロキサンを含有したガスをシロキサン分解触媒９へ導入する。外部から供給されたガスはガス予熱器１２によりシロキサン分解触媒９の温度を加水分解反応が進行するのに必要な所定温度まで加熱される。通常触媒層温度は１５０〜３００℃の範囲に設定し、加水分解反応では水蒸気が必要であるため、これは水供給装置１１からシロキサン分解触媒９の上流位置に供給する。反応で消費できずに残存した水蒸気は冷却器１３で凝縮させて回収する。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子力発電システム等、消化ガス発電システム、埋立ガス発電システム等に係り、特に、原子力発電システム等で使用される水素検知装置の素子材料である白金(Ｐｔ)材料の劣化、及び原子力発電システムで使用される可燃性ガス制御装置での再結合触媒等の劣化を防止するために好適なシロキサン分解触媒と水供給装置を備えたシロキサン分解装置に関する。

ＣＯ２などによる地球温暖化が深刻になる状況化にあって、ＣＯ２を発生しない原子力発電プラントは、将来のエネルギー供給源として重要である。

原子力プラントには沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）と加圧型原子力プラント（ＰＷＲプラント）がある。ＢＷＲプラントは、さらに原子炉圧力容器内の炉心への冷却水の供給を原子炉圧力容器に接続された再循環系配管に設けられた再循環系ポンプを駆動して行うタイプと、冷却水の供給を、原子炉圧力容器の底部に設けられてインペラが原子炉圧力容器内に配置されたインターナルポンプを用いて行うタイプの二種類がある。インターナルポンプを有するＢＷＲプラントは、改良型原子力プラント（ＡＢＷＲプラント）と呼ばれている。

ＢＷＲプラントでは、原子炉圧力容器内の炉心に装荷された複数の燃料集合体に含まれる核燃料物質の核分裂によって発生する熱により冷却水を加熱して蒸気を発生させ、原子炉圧力容器内で発生した蒸気がタービンに直接供給される。

ＢＷＲプラントの運転中、炉心内の冷却水は、核分裂によって発生する中性子及びγ線等の放射線の照射により、放射線分解され、水素及び酸素が発生する。この水素及び酸素が原子炉圧力容器内に蓄積した場合には、水素及び酸素が気相反応により再結合すると原子炉圧力容器内で燃焼する危険性がある。このため、ＢＷＲプラントでは、水素と酸素の再結合を促進させる燃焼触媒を充填した再結合器をオフガス系の配管に設け、放射線分解により発生した水素と酸素を再結合させている。水素と酸素の再結合は、式（１）に示す反応によって行われる。

2H2 ＋ O2 → 2H2O ・・・（１）
オフガス系配管が、タービンから排出された蒸気を凝縮する復水器に接続されている。復水器の真空度を上げるために、オフガス系配管に設けられた空気抽出器により復水器内のガスが抽気される。冷却水の放射線分解で発生した水素及び酸素は、蒸気と共に原子炉圧力容器から主蒸気配管を通ってタービンに導かれ、復水器に排出される。復水器の水素及び酸素等のガスは、空気抽出器によってオフガス系配管に排出されて再結合器に導かれ、燃焼触媒により再結合されて水になる。

復水器に接続されたオフガス系配管に再結合器を設けて水素と酸素の再結合を行うことは、特許文献1、特許文献2に記載されている。

一方、近年、ＢＷＲプラントの起動時に、オフガス系の配管に設けられた再結合器から排出されるガス中の水素濃度が増大し、ＢＷＲプラントの運転を停止しなければならないという事象が発生した。オフガス系配管が接続された復水器に設置されている低圧タービンでは、パッキング部のシール剤として亜麻仁油を使用していた。ここで、気密性の低い亜麻仁油の使用によるタービン効率の低下を改善するために、シール剤を高い気密性が得られる液状パッキングに変更した。上記の再結合器から排出されたガスの水素濃度の上昇事象の発生時期は、シール剤を変更した時期とほぼ一致しており、また、再結合器から回収された触媒からＳｉＯ２が検出された。

特許文献3ではシール材から発生する環状シロキサン（以下、Ｄ類シロキサンと略す）量の測定方法と評価装置を提案しているが、このシール材からは特に高温度下で多量のＤ類シロキサンが発生し、これを含有するガスをＰｔ触媒へ通気すると、式（１）における触媒活性が低下することが判明した。

他のセンサー分野では、非特許文献１のKarl Arnbyら 、非特許文献２のMasahiko Matsumiya ら、及び非特許文献３のJean-Jacques Ehrhardt らは、室温でも液状パッキングから微量のヘキサメチレンジシロキサン（ＨＭＤＳ）が発生し、このＨＭＤＳが可燃式水素センサーの電極に付着して可燃式水素検知装置の性能を低下させることを報告している。

一方、国内での原子力発電設備での事故を受け、水素漏洩に伴うシビアアクシデントを防止する目的で、可燃性ガス制御装置(ＦＣＳ：Flammability Control System)または水素検知装置の設置が強化されているが、触媒式ＦＣＳに充填された燃焼触媒も再結合器に充填された触媒と同様にＤ類シロキサンで被毒され、性能が低下することが懸念される。また触媒燃焼方式の水素検知装置では、水素を検知する素子はＰｔ材料であり、これも同様にＤ類シロキサンで被毒されことが懸念される。更に消化ガス燃焼エンジンシステムではシロキサン由来ＳｉＯ２が付着し バーナ失火、エンジン損事故が問題となっている。

特開平１１−３５２２８７号公報 特開平３−９５４９８号公報 特開平２４−００２６１１号公報

Karl Arnby et al. Applied Catalysis B, Characterization of Pt/Fe-Al2O3 catalysts deactivated by hexamethyldisiloxane, pp.1-7(2004) Masahiko Matsumiya et al. Sensors and Actuators B, Poisoning of platinum thin film catalyst by hexamethyldisiloxane(HMDS) for thermoelectric hydrogen gas sensor, pp516-522(2003) Jean-Jacques Ehrhardt et al. Sensors and Actuators B, Poisoning of platinum surfaces by hexamethyldisiloxane(HMDS): Application to catalytic methane sensors B, pp117-124(1997)

オフガス系配管に設けられた再結合器から排出されたガスに含まれた水素の濃度上昇に関する検討が行われた結果、低圧タービンのシール剤に用いた液状パッキングから発生したＤ類シロキサンが、オフガス系の再結合器に充填された燃焼触媒の触媒毒になり、燃焼触媒の触媒作用が低下することを見出した。このため、Ｄ類シロキサンがオフガス系に流入したときにおける再結合器での触媒性能の向上が求められる。

本発明の目的は、システム内に含まれるＤ類シロキサンを分解するシロキサン分解触媒と水供給装置を備えたシロキサン分解装置を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、復水器から排出されたガスがＤ類シロキサンを含んでいる場合でも、オフガス系に設けられた再結合装置内の触媒性能を向上させることができる沸騰水型原子力プラントの運転方法及び沸騰水型原子力プラントを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、下記のシロキサン分解触媒と水供給装置を備えたシロキサン分解装置を提供する。
（１）システム内にシロキサン分解触媒を設置し、該シロキサン分解触媒への水供給装置を設置し、システム外部からガス供給する装置を備えたシロキサン分解装置。
（２）触媒燃焼方式の可燃性ガス検知装置の上流位置にシロキサン分解触媒と水供給装置を有するシロキサン分解装置を備えた可燃性ガス検知装置。
（３）可燃性ガスが水素、一酸化炭素、メタン、炭化水素類であるシロキサン分解装置を備えた可燃性ガス検知装置。
（４）原子力発電システム内に、可燃性ガス制御装置および水素検知装置のうち少なくとも一つと、シロキサン分解触媒と水供給装置を備えたシロキサン分解装置を設置した原子力発電システム。
（５）原子力発電システムの原子炉格納容器内に、原子炉格納容器内で発生した水素を空気中の酸素と反応させて水に変換する燃焼触媒を充填した可燃性ガス制御装置を設置し、可燃性ガス制御装置内部に燃焼触媒の上流にシロキサン分解装置備えた原子力発電システム用の可燃性ガス制御装置。
（６）汚泥から発生する消化ガスを燃料としたガス発電システムにおいて、消化ガス中に含有するシロキサンを加水分解する触媒と反応に必要な水蒸気を供給する装置を備えた消化ガスエンジン発電システム。
（７）汚泥から発生する消化ガスを燃料とした燃料電池発電システムにおいて、消化ガス中に含有するＤ類シロキサンを加水分解する触媒と反応に必要な水蒸気を供給する装置を備えた燃料電池発電システム。
（８）ごみ埋め立地から発生する可燃性ガスを燃料とする発電システムにおいて、可燃性ガス中に含有するシロキサンを加水分解する触媒と反応に必要な水蒸気を供給する装置を備えた発電システム。
（９）シロキサン分解触媒と水供給装置を備えたシロキサン分解装置を半導体製造設備に設置した半導体製造設備。
（１０）シロキサン分解触媒と水供給装置を備えたシロキサン分解装置において、触媒層温度、ガス線速度、触媒層でのガス滞留時間からシロキサン除去率をあらかじめ作成した予測式から算出し、除去率が目標値より低下すると予測された時に、触媒層温度または触媒に流入するガス量を変化するシロキサン除去制御方法。

上記した目的は、ナノメータオーダの直径を持つチューブ状多孔質材料内にＺｒまたはＴｉ等の成分を分散した触媒上で式（２）に示すようなＤ類シロキサンと水蒸気の反応を促進することで、シロキサンをＳｉＯ２とメタンに分解する。

生成したＳｉＯ２は細かい粒子となり大部分は触媒上に付着せずに触媒層後流に流出するため触媒性能に悪影響はない。本発明では触媒はハニカム構造を持ち、粒状触媒に比べるとＳｉＯ２粒子は触媒上に堆積し難い構造となっている。
Si5O5(CH3)10 + 5H2O → 5SiO2 + 10CH4 ・・・（２）

本発明によれば、シロキサン分解触媒と、シロキサン分解触媒への水供給装置と、Ｄ類シロキサンを含有するガスをシロキサン分解触媒へ供給するガス供給装置とを備えたシロキサン分解装置により、システム内にＤ類シロキサンを含んでいるときにおいても、触媒性能の低下を抑制することができる。

本発明の実施例１のシロキサン分解装置および水素検知装置を備えた原子力プラントの構成図。 本発明の実施例１のシロキサン分解装置の構成図。 本発明の実施例２の可燃性ガス検知装置を示す構成図。 本発明の実施例３の可燃性ガス検知装置を示す構成図。 本発明の実施例４のＢＷＲプラントの可燃性ガス制御装置を示す構成図。 本発明の実施例５の第１の消化ガス発電システムを示す構成図。 本発明の実施例６の第２の消化ガス発電システムを示す構成図。 本発明の実施例７の第３の消化ガス発電システムを示す構成図。 本発明の実施例８の埋立ガス発電システムを示す構成図。 本発明の実施例９の半導体製造プラントを示す構成図。

以下、本発明を実施例と図面によって具体的に説明する。

本発明の好適な実施例である実施例１の沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）を、図１を用いて説明する。実施例１のＢＷＲプラントは主に原子炉圧力容器４を有する原子炉建屋８、及び低圧タービン３４、発電機３５、復水器３６から構成される。高圧タービン（図示せず）及び低圧タービン３４が主蒸気配管３９によって原子炉圧力容器４に接続される。低圧タービン３４は、高圧タービンの下流に配置されて復水器３６に設置される。原子炉は、原子炉圧力容器４及び原子炉圧力容器４内に配置した炉心７を有する。核燃料物質を含む複数の燃料集合体５が炉心７に装荷されている。原子炉には複数の制御棒６が設けられ、これらの制御棒６が炉心に出し入れされることによって原子炉出力が制御される。

ＢＷＲプラントの運転中、原子炉圧力容器４内の冷却水が、図示されていない再循環ポンプ（またはインターナルポンプ）で昇圧されて炉心７に供給される。この冷却水は、燃料集合体５内の核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、一部が蒸気になる。この蒸気は、主蒸気配管を通って高圧タービン及び低圧タービン３４に順次供給され、高圧タービン及び低圧タービン３４を回転させる。これらのタービンに連結された発電機３５も回転し、電力を発生する。低圧タービン２０から排気された蒸気は復水器３４で凝縮されて水になり、復水器３６の底部に溜まる。この水は給水として給水ポンプ３８により昇圧され、給水配管３７を通って原子炉圧力容器４に供給される。

原子炉建屋８の作業フロアに設けられた触媒式水素再結合装置（ＰＡＲ：Passive Autocatalytic Recombiner）２内部には燃焼触媒が充填されており、装置下部から水素および酸素を含んだガスが流入すると、自動的（受動的）に燃焼触媒上で水素と酸素は（１）式に示す反応により水へ再結合される。再結合反応により生成した水蒸気および未反応の水素、酸素はＰＡＲ２上部から放出される。上記のような燃焼反応が燃焼触媒上でおこることにより、ＰＡＲ２のガス入口から出口への方向にガス対流が発生し、装置には特別にブロワのような強制的なガス流通機器を設置しなくても、ＰＡＲ２内部の触媒へは装置外部から水素を含有したガスが流通されることになる。このようにＰＡＲ２には特別の補機設置と運転員による装置運転操作を必要としないので、機器コストは低く、運用は容易となる。

１は同じく原子炉建屋８の作業フロアに設けられたＤ類シロキサン分解装置１である。原子炉格納容器８内の空気中に含有されたＤ類シロキサンはＤ類シロキサン分解装置１に吸引されることで分解され、Ｄ類シロキサンが水素検知装置３やＰＡＲ２内部に充填されたＰｔ触媒表面に付着してその性能が低下しないようにする。

次に、シロキサン分解装置１の具体的構造を、図２を用いて説明する。シロキサン分解装置１へは吸引ブロワ１０により吸引することで、ガスが装置外部からガス取り口１４を介してシロキサン分解触媒９へ供給される。外部から供給されたガスはガス予熱器１２でシロキサン分解触媒９の加水分解反応が進行するのに必要な所定温度まで加熱される。通常、触媒層温度は１５０〜３００℃の範囲である。

式（１）に環状シロキサンの一種である、デカメチルシクロペンタシロキサン（以下、Ｄ５と略す）の加水分解反応を示したが、この反応には水蒸気が必要であるため水供給装置１１から供給する。水供給装置１１はシロキサン分解触媒９の上流位置に設ける。水供給装置１１から供給する水の量は、シロキサン分解触媒９上で水分が露結し触媒活性点であるＰｔの表面積を減少させないよう、触媒層温度での飽和水蒸気濃度以下になるように供給する加水分解反応で消費できずに残存した水蒸気は冷却器１３で凝縮させて回収する。

本発明の実施例２において、触媒燃焼方式の可燃性ガス検知装置への適用例を図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施例２の可燃性ガス検知装置を示す構成図である。

本発明を原子力発電に適用する場合は可燃性ガス検知装置の対象となる可燃性ガスは水素であるが、他分野に適用する場合は、可燃ガスは一酸化炭素、メタン、炭化水素等を含む。

可燃性ガス検知装置１５は可燃性ガスのセンサー素子である白金線１６、水素濃度変換装置１７、可燃性ガス検知装置１５に吸引ブロワ１０によりガス取り口１４を介して流入するＤ類シロキサンを加水分解するためのシロキサン分解触媒９と水供給装置１１から構成される。

実施例２と同様に、水供給装置１１から供給する水分の量はセンサー素子である白金線１６上で水分が露結して触媒活性点であるＰｔの表面積を減少させないように、センサー素子である白金線１６が設置された雰囲気温度での飽和水蒸気濃度以下になるように、水供給装置１１から供給する水分量を設定する。（２）式の反応で使用されなかった水は、図示しない冷却器で凝縮させて回収する。実施例２は、ＢＷＲ、ＡＢＷＲ、ＰＷＲの原子力発電システムに適用可能である。

本発明の実施例３の触媒燃焼方式の可燃性ガス検知装置への適用例を図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施例３の可燃性ガス検知装置を示す構成図である。
可燃性ガス検知装置１５はセンサー素子である白金線１６、水素濃度変換装置１７、可燃性ガス検知装置１５に吸引ブロワ１０によりガス取り口１４を介して流入するＤ類シロキサンを加水分解するためのシロキサン分解触媒９から構成される。

加水分解反応に必要な水蒸気はガスがバブリング装置１８を通過する際のガス温度の飽和水蒸気濃度に相当する水分が飽和水蒸気濃度は温度が上昇する程、その値は増加するので、反応に必要な水蒸気濃度に相当するようにバブリング槽Ｂ外側に設置した加熱装置２０の出力を調整する。バブリング槽Ｂを通過したガスが冷却することでガス中水蒸気が凝縮しないように、その後流にはガス温度を飽和温度以上に維持するためのガス加熱装置１２が設置してある。また（２）式の反応で消費されずに残存した水は、図示しない冷却器で凝縮させて回収する。

実施例４は、本発明のＢＷＲプラントの可燃性ガス制御装置(ＦＣＳ: Flammability Control System)への適用例を示す。図５は実施例４のＢＷＲプラントの可燃性ガス制御装置を示す構成図である。

ＦＣＳは、システムで発生した水素、酸素が原子炉格納容器内に貯留し、反応して燃焼することを防止するため、水素、酸素濃度を制限値以下に制御処理する装置である。ＦＣＳはシロキサン分解装置１へ可燃性ガスを吸引ブロワ１０により吸引することで、装置外部からガス取り口１４を介してシロキサン分解触媒９へ供給される。加水分解反応に必要な水分は水供給装置１１から供給するが、実施例２、３と同様に、ここから供給する水分の量はシロキサン分解触媒９上で水分が露結して触媒活性点であるＰｔ上に吸着してＰｔの表面積を減少させないように、触媒層温度での飽和水蒸気濃度以下になるように、水供給装置１１から供給する水分量を設定する。

外部から供給されたガスはガス予熱器１２でシロキサン分解触媒９の温度を加水分解反応が進行するのに必要な所定温度まで加熱される。

実施例４のＢＷＲプラントでは主に原子炉建屋８内に原子炉圧力容器４が設置され、この原子炉圧力容器４内部には炉心７が設置され、ここには核燃料物質を含む複数の燃料集合体５と複数の制御棒６が装荷されている。これらの制御棒６が炉心に出し入れされることによって原子炉出力が制御される。

万一、原子炉圧力容器４が破損して原子炉建屋８内へ水素が漏れた時は、ＦＣＳの吸引ブロワ１０を起動し、原子炉建屋８内に拡散した水素を吸引して再結合触媒４０へ流通させることで、式（１）に示す反応により水素を水へ変換する。水素を含む大気中には再結合触媒４０の性能を低下させるＤ類シロキサンを含有することが想定されるので、Ｄ類シロキサンをシロキサン分解触媒９の作用により、式（２）に示すように加水分解されＳｉＯ２へ変換する。反応後の生成した水と気体は気水分離装置で分離され、水は捕集され、水素およびＤ類シロキサンが除去され精製されたガスは再び原子炉建屋８内部へ放出される。実施例４はＢＷＲ、ＡＢＷＲ、ＰＷＲの全ての原子力発電システムに適用可能である。

実施例５に、本発明の消化ガス発電システムへの適用例を図６を用いて説明する。図６は、実施例５の第１の消化ガス発電システムを示す構成図である。

下水処理設備２６から発生する汚泥は汚泥濃縮装置２７で濃縮し、消化槽２１ではメタン（ＣＨ４）と一酸化炭素（ＣＯ）を主成分とし、微量ガスとしてＤ類シロキサンの他に硫化水素（Ｈ２Ｓ）等を含む消化ガスを発生させる。一般的にはガス組成はＣＨ４ ６０％、ＣＯ２ ４０％である。

次にＨ２Ｓは有害で腐食性が高いため、これを次の脱硫装置２２で活性炭等に吸着することで、脱硫装置２２の出口ガス中のＨ２Ｓ濃度が１０ｐｐｍ以下程度になる迄除去する。Ｈ２Ｓを除去したガスはガスホルダー３０に一次貯留する。

溜めた消化ガスはガス加熱器２９で所定温度まで加熱し、このガスを水供給配管２８を有する水洗浄塔２４を通気することにより、ガス中の水蒸気濃度は水洗浄塔２４の出口ガス温度での飽和水蒸気濃度となり、水蒸気を含有したガスとしてシロキサン除去装置２３へ通気する。

シロキサン除去装置２３にはシロキサン分解触媒が充填されており、式（２）に示したＤ類シロキサンと水蒸気との反応により、触媒への被毒程度が小さなＳｉＯ２へ転換する。ＳｉＯ２の一部は、この水洗浄塔２４内部でも除去される。

システムの最後流位置にはガスエンジン２５が設置しているが、ここへＳｉＯ２粒子が流入して各箇所に付着すると何らかの悪影響を及ぼしかねないので、ガスエンジン２５の上流に微粒子除去装置３１を設置し、ここでＳｉＯ２を除去する。微粒子除去装置３１としてはサイクロン装置等が挙げられる。ガスエンジン２５では主成分であるＣＨ４を燃料として燃焼し発生する高温ガスでエンジンを駆動して発電する。

消化ガスを燃料として発電する装置が、ガスエンジン２５に替えて燃料電池を備えた発電システムを用いる場合にも実施例５は有効に用いられる。

実施例６に、本発明の第２の消化ガス発電システムへの適用例を図７を用いて説明する。図７は、実施例６の第２の消化ガス発電システムを示す構成図である。

システム構成の大部分は実施例６と同じであるが、シロキサン除去装置２３での加水分解反応に必要な水分は、水供給装置１１から補給される。消化ガスを燃料として発電する装置を、ガスエンジン２５の替わりに燃料電池を備えた発電システムとすることもできる。

本発明の実施例７の消化ガス発電システムへの適用例を図８を用いて説明する。図８は、実施例７の第３の消化ガス発電システムを示す構成図である。

システム構成の大部分は実施例６、実施例７と同じであるが、ここではシロキサン分解触媒３２が水洗浄塔２４の頂部に内蔵され、水洗浄塔２４とシロキサン分解装置が一体化されており、装置がコンパクト化されている。

消化ガスを燃料として発電する装置を、ガスエンジン２５の替わりに燃料電池を備えた発電システムとすることもできる。

実施例８に、本発明の埋立ガス発電システムへの適用例を図９を用いて説明する。図９は、実施例８の埋立ガス発電システムを示す構成図である。

埋立地からは廃棄された有機物のごみが分解してＣＨ４を多く発生し、これを燃料とした発電が実用化されている。実施例８はこの埋立ガス発電システムに本発明のシロキサン除去装置２３と水供給装置として水洗浄塔２４を設置し、Ｄ類シロキサンをガスエンジンへ流入する前に分解除去する方式を有する。

埋立ガス回収システム３３で回収したＣＨ４等の可燃性ガスは、実施例５〜７で説明した消化ガス発電システムと同様に、一旦、ガスホルダー３０に捕集した後、ガス加熱器２９で所定温度まで昇温し、水洗浄塔２４とシロキサン除去装置２３へ導き、Ｄ類シロキサンを分解除去した後にガスエンジン２５で燃焼して発電に供する。

消化ガスを燃料として発電する装置がガスエンジン２５の替わりに燃料電池を備えた発電システムの場合もある。

実施例９に、本発明の半導体製造プラントへの適用例を図１０を用いて説明する。図１０は、実施例９の半導体製造プラントを示す構成図である。

半導体製造プラント内部は複数のクリーンルーム４２から構成され、クリーンルーム内部でＤ類シロキサンが発生しているが、各クリーンルーム４２に図に示した設備を設置し、これによりクリーンルーム４２内のＤ類シロキサンを含んだガスを吸引ブロー１０によりシロキサン分解触媒９へ供給し、かつ水供給装置１１から供給した水分と反応させることで除去し、このＤ類シロキサンを含まない清浄なガスを再度、クリーンルーム４２内へ戻すことで、部屋内の半導体部品にＤ類シロキサンが吸着して悪影響を及ぼさないようにする。

Ｄ類シロキサン除去装置を設置したシステムの運用では、Ｄ類シロキサン分析装置を設置すればリアルタイムで発生するＤ類シロキサン濃度を検知可能でき、各システムでの目標とするＤ類シロキサン濃度以下に制御することが可能となる。

しかし、現時点で市販されている簡易式の連続分析計ではＤ類シロキサン濃度が数十ｐｐｍオーダの濃度を測定可能であるが、Ｄ類シロキサン濃度がｐｐｍの１／１０００オーダのｐｐｂの濃度範囲について測定可能な連続分析計はまだ市販されていない。よって分析計による分析測定以外の方法により、システムから発生するＤ類シロキサン濃度を予測する手法を確立できれば、システムを健全に運用する観点で有益である。

ＺｒＯ２、ＴｉＯ２の少なくとも一つを含む触媒での式（２）に示す加水分解反応は、流通式の基礎評価装置での結果から、下記の式（３）、（４）に示すような一次反応であることが判明した。式（３）でのＸはＤ類シロキサン除去率であるが、これは触媒層でのガス滞留時間（ｔ）、触媒層温度（Ｔ）、ガス線速度（ｖ）に大きく依存することが基礎評価結果から明らかになった。

そこで予め、使用する触媒の、式（３）、（４）に相当するＤ類シロキサン濃度の予測式を作成しておけば、システムで触媒層温度と触媒層へ流入するガス流量をリアルタイムで測定すれば、その値を予測式に代入することにより、瞬時にその時のＤ５除去率を算出することができる。万が一この値が目標値を下回る状況を示した時は、触媒層温度を現状より上昇したり、または触媒層へ流入するガス量を低下して滞留時間を小さくすることにより、Ｄ５除去率を目標値以上に増加することが可能となる。
−（1−Ｘ）＝ｋ・ｔ ・・・（３）
ｌｎ ｋ＝ a + b・v −Ｅ/Ｒ/Ｔ ・・・（４）
Ｘ：Ｄ５除去率[-]、ｋ：速度定数[1/s]、ｔ:ガス滞留時間[s]、
Ｔ：触媒層温度[K]、Ｅ：活性化エネルギー[J/mol]、ｖ:線速度[m/s]、
aおよびb:定数、気体定数：8.314[J/mol]

１…シロキサン分解装置、２…ＰＡＲ、３…水素検知装置、４…原子炉圧力容器、５…燃料集合体、６…制御棒、７…炉心、８…原子炉建屋、９…シロキサン分解触媒、１０…吸引ブロア、１１…水供給装置、１２…ガス予熱器、１３…冷却器、１４…ガス取り口、１５…可燃性ガス検知装置、１６…白金線、１７…水素濃度変換装置、１８…バブリング装置、１９…水、２０…バブリング槽加熱装置、２１…消化槽、２２…脱硫装置、２３…シロキサン除去装置、２４…水洗浄塔、２５…ガスエンジン、２６…下水処理設備、２７…汚泥濃縮装置、２８…水供給配管、２９…ガス加熱器、３０…ガスホルダー、３１…微粒子除去装置、３２…シロキサン分解触媒、３３…埋立ガス回収システム、３４…蒸気タービン、３５…発電機、３６…復水器、３７…給水配管、３８…給水ポンプ、３９…主蒸気配管、４０…再結合触媒、４１…気水分離装置、４２…クリーンルーム、Ｂ…バブリング槽、ＦＣＳ…可燃性ガス制御装置

Claims (13)

1. シロキサン分解触媒と、該シロキサン分解触媒への水供給装置と、Ｄ類シロキサンを含有するガスを前記シロキサン分解触媒へ供給するガス供給装置とを備えたことを特徴とするシロキサン分解装置。
2. 請求項１に記載されたシロキサン分解装置において、前記ガス供給装置は吸引ブロアであることを特徴とするシロキサン分解装置。
3. 請求項１に記載されたシロキサン分解装置において、前記ガスを前記シロキサン分解触媒の加水分解反応温度まで加熱するガス予熱器を有することを特徴とするシロキサン分解装置。
4. 請求項１に記載されたシロキサン分解装置において、前記シロキサン分解装置で処理後のガスを冷却して水分を回収する冷却器を設けたことを特徴とするシロキサン分解装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載されたシロキサン分解装置を、触媒燃焼方式のセンサー素子を有する可燃性ガス検知装置の、ガス流路における上流位置に設けたことを特徴とする可燃性ガス検知装置。
6. 請求項５に記載された可燃性ガス検知装置において、前記可燃性ガスが水素、一酸化炭素、メタン、炭化水素類の少なくとも１つからなることを特徴とする可燃性ガス検知装置。
7. システム内に可燃性ガス制御装置（ＦＣＳ）、又は水素検知装置、又は触媒式水素再結合装置（ＰＡＲ）のうち少なくとも一つを有する原子力発電システムにおいて、請求項１乃至４のいずれかに記載されたシロキサン分解装置を設置したことを特徴とする原子力発電システム。
8. 原子力発電システムの原子炉格納容器内に可燃性ガス制御装置（ＦＣＳ）を設置し、該可燃性ガス制御装置内部に前記原子炉格納容器内で発生した水素を空気中の酸素と反応させて水に変換する再結合触媒を有し、該再結合触媒のガス流路における上流位置に、請求項１乃至４のいずれかに記載されたシロキサン分解装置を設置したことを特徴とする原子力発電システム用の可燃性ガス制御装置。
9. 汚泥から発生する消化ガスを燃料としたガス発電システムにおいて、該ガス発電システムに、請求項１乃至４のいずれかに記載されたシロキサン分解装置を設置し、前記消化ガス中に含有するシロキサンを分解することを特徴とする消化ガスエンジン発電システム。
10. 汚泥から発生する消化ガスを燃料とした燃料電池発電システムにおいて、該燃料電池発電システムに、請求項１乃至４のいずれかに記載されたシロキサン分解装置を設置し、前記消化ガス中に含有するシロキサンを分解することを特徴とする燃料電池発電システム。
11. ごみ埋め立地から発生する可燃性ガスを燃料とする埋立ガス発電システムにおいて、該発電システムに、請求項１乃至４のいずれかに記載されたシロキサン分解装置を設置し、前記可燃性ガス中に含有するシロキサンを分解することを特徴とする埋立ガス発電システム。
12. 半導体製造製造プラントのクリーンルームに、請求項１乃至４のいずれかに記載されたシロキサン分解装置を設置し、該シロキサン分解装置に前記クリーンルーム内部のガスを通気することを特徴とする半導体製造製造プラント。
13. シロキサン分解触媒と、該シロキサン分解触媒への水供給装置と、Ｄ類シロキサンを含有するガスを前記シロキサン分解触媒へ供給するガス供給装置とを備えたシロキサン分解装置の運転方法において、触媒層温度、ガス線速度、触媒層でのガス滞留時間からシロキサン除去率をあらかじめ作成した以下の予測式から算出し、該シロキサンの除去率が目標値より低下すると予測された時に、触媒層温度または触媒に流入するガス量を変化させるシロキサン分解装置の運転方法。
    −（1−Ｘ）＝ｋ・ｔ
    ｌｎ ｋ＝ a + b・v −Ｅ/Ｒ/Ｔ
    Ｘ：Ｄ５除去率[-]、ｋ：速度定数[1/s]、ｔ:ガス滞留時間[s]、
    Ｔ：触媒層温度[K]、Ｅ：活性化エネルギー[J/mol]、ｖ:線速度[m/s]、
    aおよびb:定数、気体定数：8.314[J/mol]

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