JP3655667B2 - 排ガスに適用される回転式熱伝達および熱式浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、熱交換器としてまた補足的に熱による浄化装置として用いるのに適した排ガス用回転式熱伝達装置に関する。
【０００２】
本発明は特に、熱交換装置あるいは揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を多量に含む空気を浄化するのに適した装置に用いられ、ＶＯＣを熱あるいは触媒による燃焼により酸化させ焼却させる。
【０００３】
【発明の背景】
熱式浄化装置は一般に非常に効率がよく場所も取らないが、処理ガスを酸化温度（８５０℃から１１００℃）まで加熱する必要があるため、エネルギーの消費量が非常に多いのが最大の欠点で、この欠点は触媒の存在下でより低温（２００℃から４５０℃）で浄化作業が行えば小さくできる。
【０００４】
経済的理由から、いずれの場合も排ガスが熱式浄化装置を通過する間に蓄積された熱を、浄化器の下流に配置した熱交換器によって最大限回収することが必要である。触媒床を利用して焼却する場合、排ガスは焼却に先立ち上流に位置する別の熱交換器を通過することによって加熱される。総合的な熱効率は交換器の効率に依存する。実地では、ガスを０.７ｇ／ｍ³以上含む空気を浄化する場合は自熱式焼却器を用いる。
【０００５】
公知の熱交換工程は、熱を取り込み、蓄え、放出することができる２つのマスの間に浄化しようとするガスを循環させることからなる。最初のマスを通過することによって排ガスは汚染物質を酸化するのに必要な温度近くまで加熱される。その後燃焼炉（有炎あるいは無炎）または触媒床に供給され発熱反応によって酸化される。次いでガスはもう一方のマスを通過し、外に排出される前に熱を放出する。ガス流の方向は定期的に逆転させる。
【０００６】
定期的にガス流を逆転させる場合、通常の工程を乱すことにつながりその効率が落ちるという欠点を伴う。さらに、通常大きな断面をもつ排ガス用パイプに適した弁の挿入が必要になる。浄化効果に重点を置くとすれば、循環を逆転させている間汚染ガスと浄化されたガスが混入することは避けなければならず、したがって作業を一時（各サイクルを数分とすると数秒）中断しなければならない。作業の連続性を重視するなら、流れを逆方向にする間ガスが混じり、したがって瞬時効率が損なわれるのは致し方がない。
【０００７】
定期的にガス流の方向を逆転させる熱交換器のもう一つの顕著な欠点は、一つのサイクルでは炉の上流にある予熱室が次のサイクルでは炉の下流にくることから生じる。つまり、サイクル変更時に汚れたガスときれいなガスが混じり、また次のサイクル時にこの予熱室に温度変化が生じてしまう。
【０００８】
特に火力発電所で使われる、縦軸又は横軸の回転式ドラムを用いる方法がよく知られている。得られる効率は比較的低い（６０％から７５％程度）。熱交換を行う異なる温度のガス流が軸に平行にドラムを通過するので、それぞれのガス循環帯が隣接しており十分に分離されないためである。
【０００９】
さらにもう一つの公知の熱交換方法では、プレートあるいは管でできた流路を直交させた熱交換器を用いる。熱せられた排ガスは、浄化しようとするガスによって絶えずそのエネルギーを奪われる。この方法は、大きい熱交換面が必要であり、二つの流路を完全に分離させなければならないので、流量が平均的あるいは高い場合コストが高くつく。
【００１０】
【発明の要旨】
本発明装置のレイアウトでは、公知技術の欠点を伴わずに熱エネルギー交換を行うことができ、かつ、熱を利用して汚染排ガスを浄化することができる。
【００１１】
本装置は、ハウジング又はケージとケージ内に配置したリングからなり、リングには大きな熱交換面を有することから選ばれた固体粒子（シリカ、花崗岩あるいはそれより軽量の胞状構造の金属、または零度以下の低温用低温ノジュールなど）が充填されている。リングは内部の仕切りによって幾つかの部分に分かれているか、場合によってはリングを幾つかのバスケットの支持体として用いる。リングとケージを互いに対して縦軸を中心にして回転させるために（ケージは静止していてリングが回転するか、リングが静止していてケージが回転するかのいずれか）動力手段が用いられる。
【００１２】
装置は、排ガスをケージに供給するために少なくとも１本のパイプと、ケージから排ガスを排出するために少なくとも１本のパイプとからなる。リングにはいつでも供給パイプとケージの中央領域を連絡するために第１のセクタが少なくとも１つ設けられており、そこで排ガスとリングの充填物との間で最初の熱交換が行われる。リングにはまた、いつでもケージの中央領域と排出パイプを連絡するための第２のセクタが設けられており、そこで排ガスとリングの充填物との間で次の熱交換が行われる。
【００１３】
リングが回転することにより、排ガスによって加熱された（冷却された）物質のマスは第２の扇形部分に送られ、そこで次の排ガスを加熱するる（冷却する）。
【００１４】
本装置は熱交換器としてのみ用いることができ、この場合、装置は供給パイプとリングの中央領域に配置したパイプを含む第１の排ガス循環回路からなり、該回路は第１の排ガス供給源と連絡している。装置はまた第２のセクタの両側に設けた排出パイプを含む第２の排ガス循環回路からなり、該回路はは第２のセクタの排ガス源と連絡している。
【００１５】
第１の回路と第２の回路のうち一方が高温の排ガス供給源に接続し、他方が冷却された排ガス供給源に接続している。
【００１６】
本装置は熱交換器として及び汚染排ガスの焼却器として用いることができる。その場合、供給パイプは汚染物質を含む排ガス供給源に接続している。第１及び第２のセクタはケージの中央領域を介して直接互いに連絡している。熱反応器がこの中央領域に設けられて、第１の扇形部分を通って流入する排ガスに含まれる汚染物質を燃焼させる。
【００１７】
汚染物質の存在下で発熱反応を生じる触媒床式熱反応器を使用するのが望ましい。
【００１８】
本装置は、必要ならば反応器内の温度を上昇させるための追加の手段（バーナー、燃料噴射装置）ならびにリング内のマスを処理するためのその他の機械的、化学的手段で構成してもよい。
【００１９】
回転式ドラムを設けた本発明装置には多くの利点がある。
【００２０】
低容量で熱処理と熱交換機能を果たすことができる。小型であるため大幅な圧力低下が避けられる。
【００２１】
最も高温になる反応域がケージの中央にあり最も低温の領域が周辺にある構成においては、
【００２２】
ａ）熱損失が少ない。装置が円筒状で対称になっており中のリングが回転するため、熱交換が継続的に行われ、流れを逆転させる必要がなく、浄化したガスを一定の速度で得ることができる。方向転換を行うとしても作業を中止すること
なく行うことができるので、高い効率が得られる。
ｂ）温度上昇に伴う高度の膨張は、公知のように流速の上昇、ひいては圧力低下につながる。この点に関して、装置のレイアウトと形状によって排ガスが高温になる回路部分が著しく短縮され、したがって処理施設のエネルギー消費を抑
制することができる点に注目すべきである。
ｃ）装置が小型であるため、外部との熱交換が行われるケージ周面が比較的小さ
く、したがって熱損失が小さく、またさらに小さくすることが容易である。
ｄ）最も高温の領域が中央にあり、エネルギー回収装置の役割を果たすリングがこの領域とケージの周囲との間に設けられている。したがってハウジングの外側温度が比較的低く（実地では１００℃未満）、外側の断熱が容易である。このようにして熱が一か所に集中し、リング内の熱のマスから放散されるネルギ
ーを最適に回収することができる。
【００２３】
実用では、中央領域に触媒床式反応器を設けた形式の本発明装置の場合、ＶＯＣを４００ｍｇ／ｍ³含有する排ガスを自熱方式で処理する。
【００２４】
【好ましい実施例の説明】
本発明による装置のその他の特徴、利点は以下に非制限的な例として説明する実施例と添付の図面から明らかである。
【００２５】
図１、２及び３の実施例によれば、本装置は、たとえば円筒状の金属製ハウジングまたはケージ２の中に位置する縦軸を有するリング１で構成するドラムＤＲからなる。ケージは、それぞれ浄化しようとする排ガスを供給するためのパイプに接続する第１のアーム３と、処理後の排ガスを排出するためのパイプ６に接続する第２のアーム４からなる。リング１には均等に配分した直線あるいは曲線を描く１組のブレード７で構成した内部仕切りが設けられている。１つあるいは数個のブレードで領域が規定される第１の扇形セクタＡによってパイプ５から供給される排ガスはケージの中央領域８に送られる（図３の流れＦｅ）。第２の扇形セクタＢはケージの中央領域と排出パイプ６を連絡する（図３の流れＦｓ）。
【００２６】
リングを一定の数のバスケットの支持体として用いるようにリングを配置することもできる。
【００２７】
大きな熱交換面を持つ物質からなる活性素材のマスＭがリング内（ブレードとブレードの間あるいはバスケット内）に配備される。
【００２８】
該活性素材マスとしては、セラミックあるいは金属製ボール、チップまたは削り屑、バルクあるいはパッキング材、ハニカムや金属製又はセラミック製の織物など規則的あるいは不規則なセルを有する胞状構造物などが用いられる。本出願人が出願した仏特許ＦＲ−２,５６４,０３７号に記載されるような胞状構造物を用いるのが有利である。
【００２９】
リングの充填物はペブルにしてもよい。負の熱交換の場合は低温ノジュールを用いる。
【００３０】
ジョイント９をケージとリングの間に設けて縦方向のシールを形成し、中央領域または通過領域８の上流及び下流にある２つのスペースを互いに断熱させ、したがって流入する排ガスがほぼすべて中央領域に送られるようになっている。これらのジョイント９は、リング１とケージ２の間の残留圧力の低下と、装置を横切る第１のガス流路に生じる圧力低下が少なくとも等しくなるように配置されている。
【００３１】
その他、オイルバスで整流調節する円周方向油圧型のリップ式あるいはブラシ式シールのジョイント（図示せず）などが周囲をシールする（水平方向に）ために配置されている。
【００３２】
リング１及びケージ２の計上が円形であること、並びにブレード７が曲線であることは、装置を通過するガス流を適切に導くと同時に、頻繁に生じる激しい温度変化に対応するうえでも特に好ましい。
【００３３】
ケージ２とリング１は、動力手段（図示せず）によって互いにゆっくりした回転運動を行う。
【００３４】
ケージ２はまた、セクタＡとＢの間にある扇形セクタＣ、Ｄのそれぞれの側壁に設けた少なくとも１つの開口部からなり、吸引手段１３に接続したパイプ１０、１１がセクタＣ、Ｄ開口している（図４）。リング１とケージ２の間から漏れたガスはパイプ１０、１１（図３の回収フローＦｒ）から取り込まれ供給パイプ５に再注入される（流入フローＦｅ）。
【００３５】
中間の２つの扇形セクタＣ、Ｄのうち一方で（図３）、ケージ２に開口部を設けて、他の機能を果たす１つあるいは数個のパイプ１３（図１、２）をこれに開口させてもよい。他の機能とは、重合やプラグ形成など寄生化学反応を防止するために化学的抑制剤を注入するなどの機能である。リング充填物を浄化するための吸引や吹込みなどの機械的作用でもよい。
【００３６】
実施例のひとつではケージ２を静止させておいて（図１）、リング２を回転駆動させる。
【００３７】
他の実施例によると（図２）、リング１を静止させておいてケージ２を軸を中心にして回転させ、それによってパイプ５、６をこれとともに開店させる。選択的に開口する中間マスク１４がケージ２の中央領域８に配置されている。このマスク１４はケージ２と同時に回転し、流入ガス（図３のＦｅ）を中央領域８へ、また流出ガスを先細りになったチェンバ１５へと導く。チェンバ１５からケージ２の回転に従って回転するように配置した煙突１６が出ている。
【００３８】
大きな熱交換面をもつ充填物Ｍの性質あるいは処理しようとする排ガスの用途および／または量によって決まるリングの質量によって、図１あるいは図２の実施例を選択する。
【００３９】
第１の実施モード（図４）によると、中央領域８は排ガス流を排出あるいは供給にするための交換領域として用いられる。
【００４０】
高温の排ガスＦｃが扇形セクタＡを通って中央領域８に向けられる。排ガスの熱エネルギーは充填物Ｍに奪われる。中央領域８で排ガスはパイプ１７を通って外部に導かれる（Ｆｓ１の方向）。他のパイプ１８を通って冷却されたガスＦｆが領域Ｂに向けて流れる。扇形領域Ｂを通るこれら低温ガスは、先に領域Ａを通過した際加熱された粒子と接触し、より高温でパイプ６から排出される（Ｆｓ２の方向）。
【００４１】
逆方向の熱伝達についても作用は同じである。パイプ５から入った低温のガスはリングの扇形セクタＡ内のマスＭを冷却する。より高温のガスがパイプ１８を通過し、扇形セクタＢを通ることによって領域Ａを通って冷却された粒子と接触し、より低温になってパイプ６から排出される。
【００４２】
図５の実施例によると、本装置は熱交換と、たとえばＶＯＣなどの汚染物質を多量に含む排ガスの焼却という２つの目的のために用いられる。リング１には先に定義したような大きな熱交換面をもつ充填物Ｍが充填されている。汚染物質の燃焼はケージ２の中央領域８に位置する反応器１９で行われる。反応器１９は触媒床式であるのが好ましい。浄化しようとする排ガスは比較的低温で供給される（たとえば２００℃から４００℃）。反応は発熱反応で、熱の放散をほぼ相殺するに十分なエネルギーを放出するよう調整されている。排ガス１ｍ³あたりＶＯＣが０.４ｍｇあれば、自熱式運転を行うのに十分である。
【００４３】
場合によって、汚染物質のＶＯＣが不十分であれば、装置に天然ガスあるいはＬＰＧのタンク２１を注入管２０を用いて接続し、流入排ガスの発熱量を高くする。弁２３で制御されるバイパス回路２２によって高温ガスの一部を交換器を通さずに排出させる。ドラムＴの上流にバーナー２４を配置して、必要であれば自熱式運転温度に達するように、出発時点で流入排ガスを加熱する。
【００４４】
反応器１９を通過した後、汚染物質（ＶＯＣ）は反応によって種々の燃焼生成物に転換される。主としてＣＯ₂、Ｈ₂０、Ｎ₂、そして微量のＳＯ_X、ＮＯ_Xである。
【００４５】
反応器１９を通った高温ガスは扇形領域Ｂに充填された充填物Ｍの部分Ｍ２を通り、ここで大部分のエネルギーが奪われる。ケージ２に対してリング１が回転すると、加熱された物質が徐々に扇形領域Ａに送られ、ここで蓄積された熱量の一部を供給パイプ５から供給されるガスによって奪われる。
【００４６】
リングの中央領域に公知の手段を設けて、排ガスを８５０℃から１１００℃あたりの温度まで直接加熱することによっても望ましい酸化を行うことができる。
【００４７】
使用例
汚染空気（あるいは焼却するべき不良品）は本装置の扇形セクタＡ内の充填物Ｍ１に送られる（図６）。セクタＡは高温域でありその温度勾配は、外側（温度Ｔ"１）から内側（温度Ｔ'１）に向かって温度が上昇し平均温度がＴ１（Ｔ'１＞Ｔ１＞Ｔ"１）になるように設定されている。再加熱された空気は分配領域Ｅに流れ込む。再加熱された空気の温度が触媒反応温度より低ければ、この領域Ｅにおいて熱を補給すればよい。次いで空気は反応器１９内の触媒を通り、汚染物質ＶＯＣは燃焼生成物（ＣＯ₂、Ｈ₂０、ＳＯ₂、Ｎ₂、ＮＯ_X）に転換される。その後ガスは扇形セクタＢのマスＭ２を通過し、熱損失は別にして、Ｔ２と等しい充填物出口温度でＴ'１に非常に近くまで温度が上昇する。
【００４８】
この装置の利用は以下の場合に特に有利である。
−汚染物質ＶＯＣを回収したくないとき
−ＶＯＣ量が十分にあり、熱損失と触媒燃焼熱のバランスが取れていてＥにおける熱補充が必要でないとき。上記の装置の場合、４００ｍｇ／ｍ³程度の炭化水素が目安である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 回転リングを備えた本装置の第１の実施例の概略断面図。
【図２】 リングの周囲を回転するケージを備えた本装置の第２の実施例の概略断面図。
【図３】 回転式ドラム内の排ガスの循環を図解して示す回転ドラムの分解図。
【図４】 熱交換器として用いる回転式ドラムの一実施例の概略図。
【図５】 装置を排ガスに含まれる汚染物質の焼却器および熱交換器として用いた場合の一実施例を示す図。
【図６】 回転式ドラムとその中央領域を示す概略図。

Claims (17)

1. ハウジングまたはケージ（２）と、大きな熱交換面を備えた固体材料の充填物（Ｍ）を含み、前記ケージ内に配置されたリング（１）と、前記リングと前記ケージを、これらが垂直軸回りに互いに対して回転するように駆動する動力手段と、前記ケージ（２）内に排出物を供給する少なくとも１本のパイプ（５，１８）と、前記ケージから排出物を排出させる少なくとも１本のパイプ（６，１７）とを有し、前記リング（１）は、第１の熱伝達が前記排出物と前記リング（１）内の充填物（Ｍ１）との間で生じる、供給パイプ（５）を前記ケージ（２）の中央部分（８）に常に連通させる少なくとも１つの第１のセクタ（Ａ）と、第２の熱伝達が前記排出物と前記リング内の充填物（Ｍ２）との間で生じる、前記ケージの中央部分（８）を排出路に常に連通させる少なくとも１つの第２のセクタ（Ｂ）とを有している、ガス状の排出物に適用される回転式の伝熱装置において、
   前記リング（１）の、前記第１の伝熱セクタと前記第２の伝熱セクタとの間の少なくとも１つの中間セクタ（Ｃ１，Ｃ２）内に排出物を取り込む手段（１１，１２）を有していることを特徴とする、ガス状の排出物に適用される回転式の伝熱装置。
2. 前記供給パイプ（５）と前記リング（１）の中央領域に配置されたパイプ（１７）とを含み、第１の排出物供給源に連通している第１の排出物循環路と、排出パイプ（６）を含み、前記第２のセクタ（Ｂ）の両側に位置しており、第２の排出物供給源に連通している第２の排出物循環路（６，１８）とを有している、請求項１に記載の装置。
3. 第１または第２の２つの循環路のうち、一方が高温の排出物供給源に接続され、他方が比較的低温の排出物供給源に接続されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の供給源は汚染物質を多量に含む排出物を放出し、前記第１のセクタ（Ａ）と前記第２のセクタ（Ｂ）は前記ケージ（２）の中央部分（８）によって互いに直接連通しており、第１の角度区域（Ａ）によって運ばれる前記排出物を満たす汚染物質を燃焼させる熱反応器（１９）がこの中央部分に配置されている、請求項１または２に記載の装置。
5. 前記熱反応器（１９）は汚染物質の近辺で発熱反応を生じさせるために選択された触媒を含んでいる、請求項４に記載の装置。
6. 前記反応器（１９）は前記汚染物質を燃焼させる加熱手段を含んでいる、請求項４に記載の装置。
7. 前記反応器（１９）内の温度を上昇させる手段を含んでいる、請求項４から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記温度を上昇させる手段は燃料噴射手段（２０，２１）を含んでいる、請求項７に記載の装置。
9. 前記リングの内部を、マス（Ｍ）を浄化する機械的手段または換気手段に連通させる手段（１３）を有している、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記リングの内部を、化学物質を噴射する手段に連通させる手段（１３）を有している、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記動力手段は前記リング（１）に組み合わされており、前記ケージ（２）は固定されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記リング（１）は固定されており、前記動力手段は前記リングに対して可動な前記ケージ（２）と組み合わされており、前記供給および排出路（５，６）は前記ケージに固定されていて前記ケージとともに回転する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記マス（Ｍ）は極低温ノジュールから成る、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記リングは内部仕切り（７）によっていくつかの角度区域に分割されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記リングは、前記充填物（Ｍ）を含んでいるいくつかのかご状容器の支持体として機能するように配置されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 大きな熱交換面を備えた材料からなり、垂直軸におけるリング（１）の連続的な回転によって移動させられるマス（Ｍ）によって、２つのガス流れに熱接触を連続して生じさせるように、請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置を前記２つのガス流れの間の熱交換に用いる方法。
17. 一方では、排出物送出パイプ（５）と、大きな熱交換面を有している材料からなるマス（Ｍ）が充填されたリング（１）を含んでいるケージの中央部分（８）との間で、前記リングの第１のセクタ（Ａ）によって、前記ケージと前記リングとが互いに対して回転可能であり、他方では、前記ケージの中央部分（８）と排出物排出手段との間に、前記リングの第２のセクタ（Ｂ）を介して、前記リングの中央部分が汚染物質を燃焼させる熱反応器（１９）を有している、浄化すべき排出物の恒久的な循環路を設けることとと、
    前記反応器から流出し、流れている間に、汚染物質の燃焼に十分な温度である第１の区域と、該第１の領域を通過する間に得た熱の少なくとも一部を放出する第２の領域とを通過する排出物に接触する前記マス（Ｍ）に蓄積された熱エネルギーによって前記排出物を予熱することとを有する、
    請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置を、汚染物質を多量に含むガス状の排出物を連続的に浄化するために用いる方法。

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