JP4006025B2 - 再生酸化用の一体型ｖｏｃ貯留装置 - Google Patents

Description

発明の背景
種々の製造作業の望ましくない不純物及び副生物を調節し及び／又はこれら望ましくない不純物及び副生物を除去することは、そのような不純物及び副生物が発生する可能性のある潜在的な汚染の観点から、かなり重要になってきている。そのような汚染物を除去しあるいは少なくとも減少させるための従来の一つの手法は、汚染物を焼却によって酸化させることである。十分な量の酸素を含む汚染された空気が、十分に長い時間にわたって十分に高い温度まで加熱された場合に、焼却が生じて、望ましくない化合物を二酸化炭素及び水蒸気の如き無害なガスに転換する。
焼却を行うために必要とされる熱を発生させるために必要な燃料のコストが高いという観点から、可能な限り多くの熱を回収することが効果的である。この目的のために、米国特許第３，８７０，４７４号は、３つの蓄熱器を備えた蓄熱式酸化装置を開示しており、上記３つの蓄熱器の中の２つの蓄熱器は、常時作動しており、一方、第３の蓄熱器は、少量の清浄空気のパージを受け入れて、未処理の又は汚染された空気をその第３の蓄熱器から追い出し、汚染物質の酸化を行う燃焼室の中に排出する。第１のサイクルが完了すると、汚染された空気の流れは、その前に清浄空気を排出した蓄熱器を通って逆流する。汚染された空気は、上記燃焼室に入る前に上記蓄熱器を通過することによって予熱される。このようにして、熱回収が行われる。
同様に、米国特許第３，８９５，９１８号は、隔置された非平行の複数の熱交換ベッドが中央の高温燃焼室の周辺部に向かって配置されている、蓄熱装置を開示している。各々の熱交換ベッドには、セラミックの熱交換要素が充填されている。産業プロセスからの排気ガスが、入口ダクトに供給され、この入口ダクトは、所与のセクションに対する入口弁が開いているかあるいは閉じているかに応じて、選択された熱交換セクションに排気ガスを分配する。
効力及び効率を大きく犠牲にすることなく、３つの蓄熱セクションの中の１つの蓄熱セクションを省略するのが望ましい。しかしながら、いわゆる「２室（２セクション）」型の蓄熱式酸化装置の大きな欠点は、サイクリングすなわち循環操作の間に未処理のガスが周囲に漏洩するということである。漏洩したガスは、焼却されないので、上述の漏洩は、装置の総合効率を低下させる。
従って、本発明の目的は、浄化されていない排気ガスの漏洩を最小限にするあるいは防止する、２室型の蓄熱式酸化装置を提供することである。
本発明の別の目的は、浄化されていない排気ガスの漏洩を経済的に効率的な方法で最小限にするあるいは防止する、２室型の蓄熱式酸化装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、コンパクトな一体型の蓄熱式酸化装置を提供することである。
発明の概要
上述の従来技術の問題点は、最初に、汚染空気の如きガスを、高温の熱交換ベッドを通して、該熱交換ベッドに連通する高温の酸化室（燃焼室）に入れ、その後、相対的に低温の第２の熱交換ベッドに通す蓄熱式酸化装置を提供する、本発明によって解決された。本装置は、内側が熱絶縁されていてセラミックが充填されている複数の熱回収コラムを備えており、これら熱回収コラムの上には、内側が熱絶縁された燃焼室が設けられている。油圧又は空圧により作動される複数の流量調整弁（例えば、ポペット弁）を含む入口マニホールドを通して、プロセスガスが酸化装置に供給される。その後、上記空気は、それ以前の回収サイクルから「蓄積」された熱を保有する熱交換媒体の中に導かれる。その結果、上記プロセスガスは、酸化温度付近の温度まで加熱される。１又はそれ以上のバーナが設けられている上記燃焼室を上記流れが通過する際に、酸化作用が完了される。上記ガスは、ＶＯＣの分解を完了させるのに十分な時間にわたって、運転温度に維持される。上記酸化プロセスの間に放出された熱は、所要のバーナ出力を低減するための燃料として作用する。上記空気は、上記燃焼室から、熱交換媒体を収容する別のコラムを通って、垂直方向下方へ流れ、これにより、上記媒体の中に熱を蓄積する。この熱は、上記流量調整弁が逆転された時のその後の流入サイクルにおいて使用される。その結果生じた清浄空気は、出口弁を介して出口マニホールドに導かれ、入口よりも若干高い温度で大気に放出されるか、あるいは、酸化装置の入口へ循環される。上記燃焼室の上には、ＶＯＣ貯留室が設けられており、このＶＯＣ貯留室は、循環操作の間に漏洩する総てのＶＯＣを貯留する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の蓄熱式酸化装置の平面図であり、
図２は、図１の蓄熱式酸化装置の側面図であり、
図３は、本発明のＶＯＣ貯留室の平面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
蓄熱式の酸化技術を用いた場合には、熱交換ゾーンを定期的に再生して、エネルギ欠乏ゾーンの熱交換媒体（一般的には、セラミックの陶管から成るベッド）を補充しなければならない。この補充作業は、低温及び高温の流体が通過する上記熱交換ゾーンを定期的に交互に切り換えることによって行われる。より詳細に言えば、高温流体が熱交換マトリックスを通過する時には、上記高温流体から上記マトリックスへ熱が伝達され、これにより、上記高温流体が冷却されると共に上記マトリックスが加熱される。反対に、上記低温流体が上記加熱されたマトリックスを通過する時には、該マトリックスから上記低温流体へ熱が伝達され、これにより、上記マトリックスが冷却されると共に上記低温流体が加熱される。その結果、上記マトリックスは蓄熱手段として作用して、上記高温流体から熱を交互に受け入れ、該熱を蓄積し、その後、該熱を上記低温流体に放出する。
上記熱交換ゾーンを交互に切り換えてマトリックスを再生する作業は、蓄熱式酸化装置の切換え弁によって行われる。本発明の好ましい実施の形態においては、一つの熱交換ゾーンに一つの切換え弁が設けられており、これら切換え弁は、空圧作動型のポペット弁であるのが好ましく、これらポペット弁の切換え周期又は切換えサイクルは、体積流量の関数である。上記切換え弁は、マトリックスを再生させる手段を提供するが、その再生動作は、本質的に、未処理流体（未処理の流体）を短時間の間に大気に放出させることになり、これにより、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の分解効率を低下させ、また、高沸点ＶＯＣを含む場合には、白煙の問題を生じさせる可能性がある。ＶＯＣの分解効率を改善し、また、マトリックスの再生により生ずる白煙の問題を解消するために、上記未処理流体を酸化装置の煙突から分流して、「保持容器」すなわちＶＯＣ貯留室の中へ導くことができる。この貯留室の機能は、マトリックスの再生プロセスの間に発生する未処理流体のスラッグを十分に長い時間にわたって保持し、これにより、大半の上記未処理流体が、酸化装置の入口へゆっくりと（すなわち、非常に小さな流量で）循環されて処理されるようにすることができる。上記貯留室の中の未処理流体は、マトリックスの再生サイクルの間に割り当てられた時間枠の間に完全に抜き出されて酸化装置の入口へ循環されなければならない。その理由は、そのようなプロセスは、その後の総てのマトリックス再生サイクルに関して繰り返されなければならないからである。
最初に図１を参照すると、２室型の蓄熱式酸化装置が、その全体に参照符号１０を付された状態で示されている。押込通風を行う直結駆動ファン１２が、処理すべきガスを、適宜なダクト構造に入れ、複数の空圧作動型のポペット弁１４、１４’を介して、セラミックの陶管が充填されている蓄熱式の熱交換コラム１５、１５’の中に入れる（あるいは、熱交換コラムから出す）。１又はそれ以上のガス燃焼バーナの如き関連する加熱手段を有する燃焼室１６（図２）が、各々の蓄熱式熱交換コラム１５、１５の上に設けられていて該熱交換コラムに連通している。上記燃焼室は、また、燃焼ガスを大気に排出する排気用煙突１７に連通している。
燃焼室１６の頂部に直接一体化されているのは、貯留室１８である。燃焼室１６の屋根が、貯留室１８の床の役割も果たしており、これにより、コンパクトな一体型の構造にしている。貯留室１８の形状は、燃焼室１６の形状と同じ輪郭を取り、従って、同じ長さ及び同じ幅を有するのが好ましい。貯留室１８の高さは、別の条件に依存するので、燃焼室の高さよりも大きい。すなわち、燃焼室の高さは、流体速度の関数であり、一方、貯留室の高さは、未処理流体の体積、圧力降下、未処理流体の温度、及び、滞留時間の関数である。例えば、貯留室の高さは、約３７．８℃（１００°Ｆ）の未処理流体の温度において、約１．８ｍ（７２インチ）であり、また、約１７７℃（３５０°Ｆ）の未処理流体の温度において、約２．４ｍ（９６インチ）とすることができる。一方、未処理流体の体積は、酸化装置の熱交換マトリックスのサイズ、マトリックスの空隙体積、切換え弁の切換え時間、及び、切換え弁を熱交換ゾーンに接続するダクト構造の寸法に直接関係する。貯留室の寸法を適度なものにするために、貯留室は、未処理流体の体積の約１．５倍の体積を収容するように寸法決めされるのが好ましい。フラッシュ返送用ポペット弁３０、及び、該ポペット弁に関連して設けられるフラッシュを返送用ダクト構造３１が、貯留室１８の中の流体を酸化装置の入口へ循環させる。
貯留室１８の収容体積に加えて、貯留室の内部構造が、未処理流体を収容して該未処理流体を酸化装置の入口へ返送し、これにより、熱交換マトリックスの再生サイクルの間に割り当てられた時間内で処理を行うようにする、貯留室の機能にとって極めて重要である。上記再生サイクルの間に適正に返送されない未処理流体は総て、排気用煙突１７を通って大気に逃げることになり、これにより、貯留装置の効果を低減させると共に、酸化装置の総合効率を低下させる。
ここで図３を参照すると、貯留室１８の概略的な平面図が示されている。底部から頂部まで伸長している複数の分割プレート２０ａ−２０ｎが、貯留室１８の中に設けられていて、貯留室１８を曲がりくねったすなわち蛇行した流体のフローパターンすなわち流路に分割している。上記分割プレートによって偶数の蛇行した流路を形成し、貯留室の入口及び出口の接続部を酸化装置の同じ側に位置させ、これにより、貯留室１８の出口を該出口が接続されている排気用煙突１７と同じ側に保持し（排気用煙突は、その中に収容されている流体を抜き出すことができるように大気圧よりも圧力が低くなければならないので）、これにより、非常にコンパクトな構造とするのが好ましい。上記蛇行した流路の数は、貯留室１８の物理的な寸法によってのみ限定されるのではなく、その結果生ずる流体の圧力降下によっても限定される。流体の圧力降下は極力小さいのが望ましい。従って、上記蛇行した流路の中の通路の数及び断面積は、流体の最大圧力降下が約５１ｍｍ（２インチ）−水柱になるように、また、流体速度が約３９．０ａｃｆｍ（約３７．８℃（１００°Ｆ）から約１７７℃（３５０°Ｆ）において）であって、対応する最小滞留時間が３．０秒になるように、設計されるのが好ましい。６つの蛇行する流路を形成するのが好ましい。上記蛇行した流路は、貯留室の長さを効果的に大きくし、これにより、貯留室１８の中の流体の滞留時間を増大させることにより、執拗な流路の構造を形成する。
作動の際に、燃焼室、並びに、これに関連して設けられる２つのエネルギ回収コラムの各々の熱交換マトリックスが、例えば、燃焼室の中のガス燃焼バーナ（関連して設けられるバーナ用配管系３５が図２に示されている）によって所要温度まで加熱された後に、未処理のプロセス排気ガスが、酸化装置に導入されて処理される。上記低温の未処理のプロセス排気ガスは、最初に、熱回収コラムの一つを通過し、その間に、高温のマトリックス熱交換器との間の伝導熱伝達によって、予熱される。蓄熱式の熱回収に関連する高い熱効率をもたらすのは、上記予熱操作又はエネルギ伝達である。大部分の酸化作用が既に開始されている上記マトリックスを出ると、プロセス流体は、バーナ燃焼型の燃焼室１６に入り、この燃焼室において、未処理流体の酸化作用が完了される。次に、燃焼室１６を出ると、未処理流体は、第２の熱回収コラムを通過し、この第２の熱回収コラムにおいて、高温の流体は、低温のマトリックスに熱を戻す。
上記未処理のプロセス排気ガスは、定期的に熱回収コラムを交互に通過し、それぞれの熱交換マトリックスを再生することにより熱効率を維持しなければならない。熱交換マトリックスの再生操作の間に、（１）プロセスガスを予熱する流入マトリックスから再生を受けている流出マトリックスへ切り替わったばかりのマトリックスの空隙体積の中に滞留し、（２）再生を受けている流出マトリックスのダクトに接続するマトリックスのポペット弁の中に滞留し、（３）酸化装置の入口マニホールドのポペット弁の中に滞留し、（４）弁の切換えサイクルの間に上記ポペット弁を通過する、未処理流体の流れは、貯留室１８の中に導入されて大気への逃散を最小限にする。未処理流体の流れを貯留室１８から引き出して酸化装置へ循環させることを可能にするために、貯留室１８は、大気圧よりも低い圧力にあり、従って、排気用煙突１７に連通していなければならない。押込通風ファン１２の吸込み側は、約７６．２ｍｍ（３．０インチ）−水柱の吸込み圧をその入口に形成する。上記吸込み圧は、未処理のプロセス流体の流れをその流体源から酸化装置へ搬送するのを助けるばかりではなく、排気用煙突のドラフトに打ち勝って、未処理の流れを貯留室１８から抜き出して酸化装置のファン入口へ戻すために使用される。上記蛇行したフローパターンは、貯留室１８の長さを効果的に延長し、従って、貯留室１８における未処理流体の滞留時間を増大させる。貯留室の収容体積が大きくなればなる程、滞留時間は長くなり、また、未処理流体の循環／逃散比が良好になる。貯留室１８を完全に空にすることのできる時間が制限され、そのような時間は、マトリックスの再生を行うための弁の切り換え操作の間の継続時間によって決定され、一般的には、約２４０秒である。貯留室１８の中の循環されない未処理流体は総て、煙突の自然通風によって排気用煙突１７を通って大気に逃散する。貯留室１８の中の未処理流体は、小さな体積流量（すなわち、酸化装置に入るプロセス排気ガスの全流量の約２．０％の流量）で、酸化装置へ返送され、これにより、酸化装置の寸法及び電力消費量が悪影響を受けないようにしなければならない。

Claims (5)

1. プロセスガスの揮発性有機化合物を処理する装置であって、
   各々熱交換媒体を收容すると共にガス入口、及び、頂部を有する燃焼室に連通している出口を有する、第１及び第２の熱交換コラムと、
   前記燃焼室の中に高い温度範囲を生成する又は維持するように前記燃焼室の中に設けられている、加熱手段と、
   前記第１及び第２の熱交換コラムに連通しており、前記プロセスガスを前記第１及び第２の熱交換コラムの中の一方の熱交換コラム又は他方の熱交換コラムの中に交互に導入する、弁手段と、
   前記弁手段が作動された時に未処理のプロセスガスを受け取るようになされていると共に、前記弁手段に連通する入口、出口、並びに、底部を有している貯留室であって、該貯留室の前記底部は前記燃焼室の頂部であり、また、前記入口から前記出口へこれら入口と出口の間の蛇行した経路に従ってガスを流動せしめるための手段を含む貯留室と、
   大気に開放されていると共に前記貯留室に連通している、排気用煙突と、を備えること、を特徴とするプロセスガスの揮発性有機化合物を処理する装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記弁手段は、前記熱交換コラムの中の前記熱交換媒体の温度に基いて、前記熱交換コラムの中の一方の熱交換コラムの中に前記プロセスガスを導入するように構成されたこと、を特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置において、前記貯留室の前記入口から前記出口へ蛇行した経路に従ってガスを流動せしめるための前記手段は、前記貯留室を分割する複数の分割プレートを含んでおり、これら分割プレートは、前記貯留室の入口と出口の間の複数の蛇行した流路に前記貯留室を分割するように構成されていること、を特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置において、前記蛇行した流路が偶数個設けられていること、を特徴とする装置。
5. プロセスガスの揮発成分を処理する方法であって、
   前記ガスの初期温度よりも高い温度の熱交換媒体を收容している第１の熱交換コラムの中に前記ガスを供給することによって、前記ガスを加熱する工程と、
   前記第１の熱交換コラムに連通している燃焼室の中に前記加熱されたガスを導入する工程と、
   前記加熱されたガスの前記揮発成分の酸化作用を完了させる工程と、
   前記ガスよりも低い温度の熱交換媒体を收容している第２の熱交換コラムの中に前記ガスを導入することによって、前記ガスを冷却する工程と、
   未処理のプロセスガスの流れを前記第１及び第２の熱交換コラムの間で定期的に切り換える工程と、
   前記定期的な切り換え操作を行う間に、前記未処理のプロセスガスの一部を貯留室の中に導入するとともに、該未処理のプロセスガスの一部を前記貯留室の中を蛇行した経路に沿って流動せしめる工程と、
   前記貯留室の中に導入される前記未処理のプロセスガスの少なくとも一部を前記第１の熱交換コラム又は前記第２の熱交換コラムへ循環させる工程とを備えること、を特徴とする方法。

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