JP2023086262A - 脱脂炉用排ガス燃焼装置および脱脂システム - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力、スペース、製造コスト、ランニングコスト等のいずれの点においても優れた脱脂炉用排ガス燃焼装置を提供する。【解決手段】燃焼装置の触媒設置エリア３１ｃに、ポーラスアルミナセラミクス上に白金を含有する触媒を用いる。触媒は金属網で形成された円筒状の収容体に、層状に敷き詰めて設置する。一例として、間隔をあけて複数段設置する。【選択図】図３

Description

本発明は、セラミック材料等の処理対象物に対し脱脂処理を施す脱脂炉に用いられる排ガス燃焼装置等に関するものである。

従来、金属やセラミックスなどの被処理物を加熱処理し、処理物内のバインダ成分（有機物）を除去する脱脂工程に大気圧ガス脱脂炉や過熱蒸気脱脂炉が使用される。

この脱脂工程では処理物を加熱することでバインダを分解除去するが、その際に発生する排ガスには、ＶＯＣ（揮発性有機化合物）が含まれているため、これが直接大気に放出されないように、脱脂炉に排ガス燃焼装置を付帯し、これを用いて排ガスを燃焼させている。

上述した排ガス燃焼装置には、排ガスを直接的に加熱して燃焼を行う直接燃焼方式や、触媒を使って排ガスを分解（燃焼）する触媒燃焼方式（特許文献１参照）などがある。

ところで、直接燃焼方式の場合、脱脂工程は数十時間を要するうえ、ＶＯＣが燃焼する８００℃程度にまで加熱しなければならないため、その間に稼働している排ガス燃焼装置の消費電力が非常に多くなってしまう。そのため、直接燃焼方式の排ガス燃焼装置では、近年のカーボンニュートラルの取組から製造装置全般に求められている消費電量抑制という要請に充分に応えることが難しい。

また、直接燃焼方式の場合、排ガスをヒータで加熱するという原理上、部品点数が多くなるうえ、燃焼を行う十分な空間が必要となり、排ガス燃焼装置ひいては脱脂炉全体が大型となる。

他方、触媒燃焼方式の場合は、触媒を４００℃程度にまで加熱すれば、自然作用自燃(触媒)作用でＶＯＣが燃焼するので、直接燃焼方式に比べて消費電力の低減化を図かることはできる。

しかしながら、排ガスの濃度が高すぎると自燃によって触媒温度が高温となり熱劣化するため、排ガスの濃度を低く（希釈）して使用する必要がある。そして、そのために大量の希釈ガスが必要になって、全体のガス流量が増加し、ランニングコストが増大する。

近年では、過熱蒸気を用いて脱脂時間を短縮できるようにした脱脂炉もあるが、脱脂工程時間が短縮された分だけ排気ガス濃度が高くなるため、排ガス燃焼装置においては、結局のところ、直接燃焼方式か、多量ガス希釈による触媒燃焼方式を採用せざるを得ず、前述した不具合が顕著となって過熱蒸気型脱脂炉の足枷となっている。

特開平８－１９４０９３号公報

本発明は、上述した課題を一挙に解決すべく図ったものであって、触媒燃焼方式の排ガス燃焼装置においては希釈を要するという本技術分野における常識を覆してなされた画期的なものである。

すなわち、本発明に係る脱脂炉用排ガス燃焼装置は、脱脂炉で発生する排ガスを、触媒を用いて燃焼させるものであり、前記触媒が白金を含有するポーラスアルミナセラミクスであることを特徴とする。

この触媒は、高温（例えば１１００℃）でも触媒の熱劣化がほとんど見られないため、脱脂工程で発生する高濃度排ガスを希釈することなく、排ガスを燃焼することが可能となる。
また、有機化合物を含む排ガスをこの触媒で分解する際、ガス濃度１００ｐｐｍで１００℃程度の分解熱が生じる。高温でなければ酸化されにくい物質の処理においても、この反応熱をポーラスアルミナセラミクス体に吸収させることにより触媒温度を高温にさせ、ガス分解することが可能となる。これにより、触媒温度を積極的に高温にする必要はなく、比較的低温（２００～４００℃）に制御したまま排ガス処理することが可能となり、消費電力低減となる。

これにより、大量の希釈ガスを必要とするという従来の触媒燃焼方式の排ガス燃焼装置の欠点を解消し、装置全体で使用するガスを低減して、ランニングコストを低減できる。
そして、直接燃焼方式に対する触媒燃焼方式の利点、すなわち、低消費電力、省スペースおよび低製造コスト等をさらに促進できる。
また、このような効果は、過熱蒸気脱脂処理と組み合わせた際に際立つものとなる。

以上の構成によれば、従来の触媒燃焼方式の排ガス燃焼装置の欠点を解消し、その利点を活かして、消費電力、スペース、製造コスト、ランニングコスト等のいずれの点においても優れた脱脂炉用排ガス燃焼装置を提供することが可能になる。

本発明の一実施形態における脱脂システム全体の模式図である。 同実施形態における排ガス燃焼装置の正面図である。 同実施形態における排ガス燃焼装置の内部構造を示す斜視図である。 同実施形態における触媒収容体を示す斜視図である。 同実施形態における排ガス燃焼装置正面から視た内部構造図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態にかかる脱脂システム１００は、図１にその模式的全体図を示すように、処理対象物が収容される脱脂炉１と、該脱脂炉１内に脱脂ガスである過熱蒸気を供給する過熱蒸気発生装置２と、該過熱蒸気による脱脂処理により処理対象物Ｗから発生した排ガスを導入して燃焼させる排ガス燃焼装置３とを備えたものである。
以下では、前記排ガス燃焼装置３を中心に説明する。

この排ガス燃焼装置３は、図２、図３に示すように、円管状をなす燃焼器３１と、この燃焼器３１内を加熱するヒータ３２と、燃焼器３１内に収容された触媒３３とを備えたものである。

各部を詳述する。
前記燃焼器３１は、円筒部３１１と、この円筒部３１１の両端を塞ぐフランジ部３１２とを備えたものである。前記円筒部３１１の一端部における側周面には、排ガスが導入される導入ポート３１ａが設けられているとともに、その他端部における側周面には、この円筒部３１１内を通って燃焼された排ガス（処理済ガス）が排出される排出ポート３１ｂが設けられている。なお、この燃焼器３１は、導入ポート３１ａが下端部、排出ポート３１ｂが上端部となるように起立して配置されている。

また、この円筒部３１１における前記導入ポート３１ａと排出ポート３１ｂとの間には、図３に示すように、軸方向に沿って２つの触媒設置エリア３１ｃが、互いに離隔して設定してある。そして、各触媒設置エリア３１ｃには、前記触媒３３を収容する触媒収容体３４が取り付けられている（なお、図３では、触媒３３および触媒収容体３４は省略されている。）。
この触媒収容体３４は、図４に示すように、一端面（上端面）が開口した円筒状をなすもので、ガスを通過させるが触媒は保持する径の孔が多数あいた素材（ここでは金属網）で形成されており、前記円筒部３１１の内面に篏合して配置されている。

前記ヒータ３２は、ここでは、可撓性のあるライン状のもので、前記各触媒設置エリア３１ｃの上端および／または下端に、隙間が空くように巻き回された渦巻き形状にして設置してある。

前記触媒３３は、触媒本体である白金を、ポーラスアルミナセラミクスに担持させた粒状（ここでは球状）のものであり、その仕様は以下のとおりである。
材質：アルミナ質
主成分：Ａｌ_２Ｏ_３９０％以上
かさ比重：１．５２ｇ／ｃｍ^３
吸水率：３５±５%
見掛気孔率：５５±５%
比表面積：８ｍ^３／ｇ
最高使用温度：１１００℃
球径：５ｍｍ
この触媒３３は、図５に示すように、厚みが２０ｍｍ～２５ｍｍの層３３Ａとなるように、前述した各触媒収容体３４に敷き詰められている。

しかしてこのように構成した排ガス燃焼装置３によれば、触媒３３の最高使用温度が極めて高い（ここでは１１００℃）ため、排ガスの自燃作用により触媒３３がヒータ３２の加熱温度（ここでは４００℃）を超えて高温になっても、熱劣化することなくその性能を維持できる。したがって、脱脂工程で排出される排ガスが、例えば１００００ｐｐｍを超えるような高ＶＯＣ濃度の排ガスであっても、これを希釈することなく燃焼することが可能となる。
このことにより、従来の触媒燃焼方式での欠点であった、大量の希釈ガスを必要とする点、およびそれによってランニングコストが増大する点を無理なく解消できる。

特に、この実施形態では、過熱蒸気による脱脂を行って脱脂時間の短縮を図っており、その結果、排気ガス濃度が高くなる傾向にあり、従来であれば直接燃焼方式による大型の燃焼器を用いるか、もしくは、大量の希釈ガスを用いる触媒燃焼方式のいずれかとならざるを得なかったが、この実施形態の排ガス燃焼装置であれば、触媒燃焼方式でありながら、希釈ガスを必要とせず、小型化や低ランニングコストといった利点を担保できるので、過熱蒸気脱脂と組み合わせることにより、その効果が特に顕著となる。

また、このように触媒燃焼方式を無理なく採用できるため、直接燃焼方式の排ガス燃焼装置と比べ、稼働時の消費電力を飛躍的に低減することができるうえ、スペースおよび製造コストにおいても大幅な低減が可能になる。

発明者が行った試算によれば、直接燃焼方式の排ガス燃焼装置３と比較して、消費電力は１０～２０％程度に、スペースは８０％程度に、製造コストは２０％程度になるといった極めて大きな効果を得られることが確認されている。

さらに、触媒層が１層の場合では、排ガス燃焼時に排ガスが流れやすい箇所にのみ集中し、そのガス経路に接する触媒３３でのみ触媒燃焼が生じて燃焼効率のさらなる向上を図れない場合があるが、この実施形態では、触媒層３３Ａと触媒層３３Ａとを隔離してその間に空間層Ｐ（図３に示す）を設けることにより、この空間層Ｐでのガス拡散作用が営まれ、触媒層３３Ａ内全域にわたってムラなく排気ガス経路が形成されるので、触媒３３全体で効率よく触媒燃焼を行うことができる。

この効果は、排ガス導入ポート３１ａが燃焼器３１の側周面に設けられていることによっても促進される。すなわち、燃焼器３１内でのガス流れと異なる方向（垂直な方向）から排ガスが導入されるので、導入の際、乱流が生じやすく、それにより初段の触媒層３３Ａにまんべんなく排ガスが流れ、この点でも効率のよい触媒燃焼が促進される。

以上に述べた排ガス燃焼装置３の特徴をまとめると以下のようになる。
（１） この脱脂炉用排ガス燃焼装置３は、脱脂炉１で発生する排ガスを、触媒３３を用いて燃焼させるものであり、前記触媒３３が白金を含有するポーラスアルミナセラミクスであることを特徴とする。
このようなものであれば、前述したように、消費電力、スペース、製造コスト、ランニングコスト等のいずれの点においても優れた脱脂炉用排ガス燃焼装置３を提供できる。
（２） 前記触媒３３は、粒状をなすものであり、排ガスが通る燃焼器３１内に該触媒３３が層状に触媒収容体３４に敷き詰められている。触媒収容体３４は金属網となる。
このようなものであれば、排ガスが触媒３３に確実に接触するため、燃焼効率を向上させることが可能になる。
（３）排ガスを通過させるが前記触媒を保持する径の複数の孔があいた素材で形成された触媒収容体を有し、前記触媒が前記触媒収容体の中に層状に敷き詰められている。
（４）前記燃焼器３１内において層状に敷き詰められた触媒層３３Ａが、間隔をあけて複数段設けられている。
このようなものでれば、触媒層３３Ａ間の空間において排ガスが拡散し、触媒層３３Ａ内全域にわたってムラなく排気ガス経路が形成されるので、触媒３３全体でさらに効率よく触媒燃焼を行うことができる。
（５） 触媒効率を向上させるためには、前記触媒３３のかさ比重が０．５ｇ／ｃｍ^３～３ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、より好適には１ｇ／ｃｍ^３～２ｇ／ｃｍ^３がよい。
（６）前記触媒３３の見掛気孔率は、３０％～６０％が好ましく、より好適には、５０％～６０％がよい。
（７）前記触媒３３の細孔径は、０．１μｍ～５μｍが好ましく、より好適には、１μｍ～３μｍがよい。
（８）前記触媒３３の径は、１ｍｍ～１０ｍｍが好ましく、より好適には、３ｍｍ～７ｍｍがよい。
（９）脱脂炉用排ガス燃焼装置は、脱脂炉で発生する排ガスを、触媒を用いて燃焼させるものであり、前記触媒は、粒状をなすものであり、排ガスが通る燃焼器内に該触媒が層状に敷き詰められており、前記燃焼器内において層状に敷き詰められた触媒層が、間隔をあけて複数段設けられている。
このようなものであれば、触媒層３３Ａ間の空間において排ガスが拡散し、触媒層３３Ａ内全域にわたってムラなく排気ガス経路が形成されるので、触媒３３全体でさらに効率よく触媒燃焼を行うことができる。
（１０）前記脱脂炉１が、過熱蒸気を用いて処理対象物Ｗを脱脂するものであれば、本実施形態の効果がより顕著となる。

なお、本発明は前記実施形態に限られない。
例えば、触媒は球状に限られず、敷き詰めた時に互いに隙間の生じるものであれば、異形状のものでもよい。触媒層は２層に限定されず、１層でも３層以上でもかまわない。脱脂ガスは過熱蒸気には限られずN2ガスが採用されてもよい。本発明の排ガス燃焼装置３を複数組連結させて使用してもよい。
排ガス燃焼装置の形状も円筒型に限られず、ブロック型等でもかまわない。
その他、本発明は、前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々変形が可能である。

１００・・・脱脂システム
３・・・排ガス燃焼装置
３１・・・燃焼器
３３・・・触媒
３３Ａ・・・触媒層

Claims (12)

1. 脱脂炉で発生する排ガスを、触媒を用いて燃焼させるものであり、前記触媒が白金を含有するポーラスアルミナセラミクスであることを特徴とする脱脂炉用排ガス燃焼装置。
2. 前記触媒は、粒状をなすものであり、排ガスが通る燃焼器内に該触媒が層状に敷き詰められている請求項１に記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置。
3. 排ガスを通過させるが前記触媒を保持する径の複数の孔があいた素材で形成された触媒収容体を有し、前記触媒が前記触媒収容体の中に層状に敷き詰められている請求項２に記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置。
4. 前記燃焼器内において層状に敷き詰められた触媒層が、間隔をあけて複数段設けられている請求項２または３に記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置。
5. 前記触媒のかさ比重が０．５ｇ／ｃｍ^３～３ｇ／ｃｍ^３である請求項１ないし４いずれか記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置。
6. 前記触媒の見掛気孔率が、３０％～６０％である請求項１ないし５いずれか記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置。
7. 前記触媒の細孔径が、０．１μｍ～５μｍである請求項１ないし６いずれか記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置。
8. 前記触媒の径が、１ｍｍ～１０ｍｍである請求項１ないし７いずれか記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置。
9. 脱脂炉で発生する排ガスを、触媒を用いて燃焼させるものであり、
   前記触媒は、粒状をなすものであり、排ガスが通る燃焼器内に該触媒が層状に敷き詰められており、
   前記燃焼器内において層状に敷き詰められた触媒層が、間隔をあけて複数段設けられている、脱脂炉用排ガス燃焼装置。
10. 排ガスを通過させるが前記触媒を保持する径の複数の孔があいた素材で形成された触媒収容体を有し、前記触媒が前記触媒収容体の中に層状に敷き詰められている請求項９に記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置。
11. 脱脂炉と、請求項１～１０のいずれかに記載の脱脂炉用排ガス燃焼装置とを備える、脱脂システム。
12. 前記脱脂炉が、過熱蒸気を用いて処理対象物を脱脂するものである請求項１１記載の脱脂システム。
    
    

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