JP4786043B2

JP4786043B2 - 固定層式活性炭吸着塔

Info

Publication number: JP4786043B2
Application number: JP2001065932A
Authority: JP
Inventors: 哲哉佐久間; 圭吾黒田; 則尚長原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: JP2002263448A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定層式活性炭吸着塔に関するものである。さらに詳細には、本発明は、燃焼排ガス中に含まれるダイオキシンを除去するための固定層式活性炭吸着塔に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題、特に大気汚染問題が深刻化しており、その対策が切望されている。そこで、産業廃棄物処理場、ゴミ処理場などを運営する自治体や、これらの処理プラントを製造するゴミ焼却プラントメーカーなどのプラントメーカーは、ダイオキシンなどの大気汚染の環境問題に対処するために、排ガスの排出に以前にも増して万全の注意を払っている。そして、排ガス中の有害成分を大気に出さないように、有害成分の除去装置の除去効率の上昇について改良につとめている。
一方、日本国厚生省は、廃棄物の焼却によって生成されるダイオキシンの排出を削減するため廃棄物の処理および清掃に関する法律（廃棄物処理法）の施行令（政令）と同規則（省令）とを改正して、排ガス中のダイオキシン濃度の基準を一段と厳しくする傾向にある。
【０００３】
このような状況下において、既設の処理プラントの場合には、設置スペース、予算、工事中のゴミ処理等様々な問題から、ダイオキシン対策の改造を実施することが困難な焼却施設がほとんどである。また、新設のプラントの場合においても、敷地面積の制約でダイオキシン対策を施すための装置を設置するスペースがなく困難なことが多い。
【０００４】
実用化レベルにある活性炭を利用したダイオキシン除去方法として最も一般的なものは、粉末活性炭の吹込みである。粉末活性炭の吹込みとは、粉末活性炭をバグフィルターの前で吹いてダイオキシン類を吸着させて除去するものである。排出されるダイオキシンの量を０．１〜０．０１ｎｇ−TEQ／Ｎｍ³以下を保証しなければならない処理プラントでは、バグフィルターの後流にバックアップシステムとして活性炭吸着塔が必要になっている。
【０００５】
ここで、従来よりダイオキシン除去装置として実機化されている活性炭吸着塔は、移動層式活性炭吸着塔がほとんどである。移動層式の場合は、個々の粒状活性炭を動かすため、常に新しい表面を排ガスと接触させることができる。しかし、活性炭同士が擦れ合うために、ダイオキシンを含んだ活性炭粉が後流に飛散し、ばい塵を発生することになる。したがって、移動の速度はごく小さくせざるを得ない。このために、その捕集用のバグフィルター等が必要となり、設備が固定層式に比べ増えてしまう傾向がある。すなわち、過剰な設備を要する。
【０００６】
したがって、過剰あるいは過大な設備を要することなく、ダイオキシンの除去率を一定の水準以上に保つことが要請されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、ダイオキシンの除去率を一定の水準以上に保ちながら、処理可能な排ガス流量を大きくすることを可能とした固定層式活性炭吸着塔を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るダイオキシン除去固定層式活性炭吸着塔は、活性炭層を通過するガスを２系統以上に分けて通過させる構造を有することを特徴とする。ここで、前記活性炭層の厚みを１層あたり０．０５ｍ〜０．５ｍにすることが好ましい。前記系統ごとに、複数の活性炭層を設けることが好ましい。
また、活性炭層に用いられる活性炭は、大きな比表面積と吸着性能をもつ多孔質の炭素質物質である。活性炭の形状は本発明で要求される固定層式活性炭吸着塔の機能（吸着性能）を有する限り限定されるものではないが、例えば、比表面積は８００〜１２００ｍ²・ｇ^-1、細孔径１０〜２０オングストロームが好ましい。組成は炭素を主成分とするが、ほかに少量の水素、酸素、無機成分を含む。化学構造は、無定形で、表面に水酸基、キノン基などの官能基をもっている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面にもとづいて本発明に係る固定層式活性炭吸着塔の好適な実施の形態を説明する。
図１〜図３に、本発明に係る固定層式活性炭吸着塔の一実施の形態を示す。図１は本実施の形態の固定層式活性炭吸着塔１の断面図を示す。図２は、本実施の形態の固定層式活性炭吸着塔１の斜視図を示す。図３は、本実施の形態の固定層式活性炭吸着塔１の内部の活性炭層を示した斜視図を示す。なお、図２、図３において、図１に描かれた活性炭投入口２、ふた３、フレコンバッグ６、活性炭５、活性炭投入ホッパ７、スライドゲート９、活性炭溜１０、スクリューコンベヤ１１、活性炭排出口１２は概観を見やすくするために省略してある。
【００１０】
図２、図３に示すように、固定層式活性炭吸着塔１に、１つの入口１３と２つの出口１４a、１４ｂを設けている。ただし、図に示されていない２つの出口１４a、１４ｂは上方に延長し合流している。さらに、図１も参照して、ダイオキシンを吸着する機能を有する活性炭層を１つの入口１３と２つの出口１４a、１４ｂの間にそれぞれ２層ずつ、合計４層８a〜８ｄとしている。これらの活性炭層８a〜８ｄを、固定層式活性炭吸着塔１の中に、支持体（図に示さず）で、排ガスの流動方向に対して垂直方向になるように立設させている。左右それぞれの活性炭層８a〜８ｄの間には空間４a〜４ｅを開けている。特に、２つの活性炭層８a〜８ｂの間に、空間４ｂを設け、同様に、２つの活性炭層８ｃ、８ｄの間に、空間４ｄを設けることが整流のために好ましい。
さらに、上記入口１３は前流側、上記出口１４a、１４ｂは後流側に設け、それぞれ、前流側と後流側の所定の装置に接続している。すなわち、例えば、入口１３はバグフィルターに接続しており、出口１４a、１４ｂは煙突入口に接続している。
【００１１】
入口１３には整流板１５を設けている。また、活性炭層８a〜８ｄの上部には、活性炭投入口２を設けている。この活性炭投入口２の上部にはふた３a〜３ｄを設けている。
活性炭層８a〜８ｄの下部には、スライドゲート９a〜９ｄを設けている。該スライドゲート９a〜９ｄを隔てて活性炭層８a〜８ｄに活性炭溜１０を設けている。活性炭溜１０の中には、スクリューコンベヤ１１を設けている。
スライドゲート９a〜９ｄ、活性炭層８a〜８ｄ、活性炭溜１０、スクリューコンベヤ１１などは、図１において、断面として表現されている。これらの構成要素は、活性炭吸着塔１の長手方向（図示の紙面に対し垂直方向）に略同じ長さで延長している。なお、ふた３a〜３ｄなどの付属する構成要素も同様である。
活性炭溜１０の壁面は、活性炭排出口１２に向けて傾斜面をなしている。活性炭排出口１２は円筒形状であり、スクリューコンベヤ１１の下方に少なくとも１カ所に設けられている。本実施の形態では該活性炭排出口１２を活性炭溜１０の出口１４a、１４ｂ側端部に設けている。
つぎに、適宜、ふた３a〜３ｄを開けて活性炭投入口２a〜２ｄにフィットするように、活性炭投入ホッパ７が用意されている。また、活性炭投入ホッパ７に活性炭５を注ぐことができるようにフレコンバッグ６を固定材（図に示さず）で固定している。
【００１２】
つぎに、図１〜３の本実施の形態に係る固定層式活性炭吸着塔１の作用について説明する。ダイオキシンを含む排ガスを、固定層式活性炭吸着塔１の入口１３から導入する。前流の所定装置から導入された排ガスを、図１〜３におけるように、左右の方向の２路に分け、それぞれの方向で活性炭層８a、８ｂと、活性炭層８ｃ、８ｄを２層ずつ、空間４a〜４ｅを通過させ、それぞれの出口１４a、１４ｂに到達させる。これによって、排ガスを活性炭層８a〜８ｄ中を通過させる。そして、活性炭の吸着性能によって、排ガス中のダイオキシンを活性炭層に吸着させ除去する。つぎに、出口１４a、１４ｂを通過した排ガスは、ダイオキシンが除去されて、後流の所定装置に流れる。なお、上記のように、２層ずつの活性炭層８a〜８ｄを通過させるのは、前段でダイオキシンの除去とともにガスを整流して後段で確実に有害物質を除去するためである。また、活性炭性能が落ちていたときでも全段を取り替えなくても良く、まず前段のみを交換することが可能となるので、運用コストの面でも有利となる。
【００１３】
なお、活性炭層８a〜８ｄが劣化したときは、まず、スライドゲート９a〜９ｄを抜き、活性炭を活性炭溜１０に重力によって落とす。活性炭溜１０に溜まった活性炭はスクリューコンベヤ１１によって、活性炭排出口１２側に送られ、排出される。つぎに、スライドゲートをしめる。ふた３a〜３ｄを開け、活性炭投入ホッパ７を活性炭投入口２a〜２ｄにフィットさせる。フレコンバッグ６から活性炭５を活性炭投入ホッパ７に入れ、重力によって活性炭層８ｄに充填する。なお、このとき、活性炭が劣化しやすい前段の活性炭層８ｂ、８ｃの活性炭だけを変えてもよい。なお、フレコンバッグ６は図示しない手段によって、固定層式活性炭吸着塔１の長手方向に沿って移動する。
【００１４】
図１〜３に図示した実施の形態では、排ガスを２系統に分けている。このため、２系統に分けないものと比べると、排ガスの通過する活性炭層１３の断面積が２倍になる。よって、同流量の排ガスを実質上１/２の流速で吸着分離処理ができる。したがって、固定層式活性炭吸着塔１の大型化が不要である。これによって、排ガスの流速が早まると起こってしまう固定層式活性炭層８a〜８ｄのバブリング現象を防止できる。例えば、ガス流量が２４,０００Ｎｍ³/時であるとき、活性炭のＳＶ値３,０００で除ずると、必要な活性炭層は８ｍ³である。例えば、これを４ｍ³ずつに分けて２層の活性炭層として設置すればよい。
【００１５】
排ガスが活性炭層８a〜８ｄを通過する際に、吸着平衡にある表面と気体分子との間において吸着量は温度および気相の圧力によって決まる。温度が一定のとき、吸着量ｖは気相の圧力Ｐによって表され、両者の関係式を吸着等温式と呼ぶ。本発明におけるダイオキシンなどの活性炭層８a〜８ｄへ吸着する際の吸着等温式は、５つの式、ヘンリーの等温吸着式、ラングミュアの等温吸着式、フロイントリッヒの等温吸着式、テムキンの等温吸着式、ベット等温吸着式がモデルとして適当である。このような式による吸着モデル化にしたがって、排ガスからダイオキシンが活性炭層に吸着される。
【００１６】
図１〜３で示される固定層式活性炭吸着塔１は、１系統に２層ずつの合計４層の活性炭層を設置した。これは、整流板と入口部の風箱方式でガスの偏流を防ぐ構造としたが、それでも、一層目を通過前に偏流が発生していたとしても、二層目以降は一層目を通過することにより整流が容易となり、均一に活性炭を通過することができるからである。また、活性炭層のメンテナンスにも有効である。つまり、最初の層が目詰まりしても、その層だけ交換すればよいので、全部交換する必要がない。本発明において、２系統以上に活性炭層を分けることが重要であり、２系統以上に分けた場合、系統の中の活性炭層を何層にするかは、メンテナンスなどに対する要請にもとづく。
【００１７】
［運用条件］
本実施の形態の固定層式活性炭吸着塔１は、流入する排気ガスの流量が大きくなると、活性炭層に充填してある活性炭が流動化（バブリング）を起こしてしまう。このため、活性炭が流動化するために必要な排気ガスの最小流動化速度を求め、固定層式活性炭吸着塔１の運用条件を運用前に決定しておく必要がある。また、固定層式吸着塔１の入口１３と出口１４a、１４ｂにおける圧力の差を示すダスト負荷がある圧力損失を求めて、圧力損失の程度を把握し装置設計に役立てることが必要である。
【００１８】
［最小流動化速度の計算］
ある固定層式活性炭吸着塔１の仕様を表す、ガス温度Ｔ、活性炭の大きさ、活性密度ρ_s、活性炭の空隙率ε、活性炭相当径d_p、空気密度ρ_f、空気粘度ηは以下のとおりとなる。
【数１】

【００１９】
最小流動化速度のときのレイノルズ数Ｒe_mfは、式（１）で示される。またレイノルズ数Ｒe_mfは式（２）のようにも示される。
【数２】

【数３】

【００２０】
また、アルキメデス数Ａｒは式３のようになる。
【数４】

式（３）に各値を代入してアルキメデス数Ａｒを計算すると、式（４）のように９．００×１０⁵となる。
【数５】

【００２１】
この得られたアルキメデス数Ａｒを式（１）に代入する。代入した結果、数式５のようにレイノルズ数Ｒe_mfは１６１と求められる。
【数６】

式（２）に得られた各値を代入して、最小流動化速度を式（６）のように計算し、１．２１ｍ／ｓの値が得られる。つまり、この固定層式活性炭吸着塔１では、最小流動化速度が１．２１ｍ／ｓであるから、最小流動化速度の１．２１ｍ／ｓ以上では固定層式の活性炭層がバブリングを起こすこととなる。よって、排気ガスは１．２１ｍ／ｓ以下で制御することが必要であることが分かる。
【数７】

【００２２】
［ダスト負荷があるときの圧力損失］
つぎに、ダスト負荷があるときの固定層式活性炭吸着塔１の圧力損失ΔPを計算する。この圧力損失ΔPを求める式は式（７）（Ｅｒｇｕｎの式）のようになる。圧力損失ΔPは、充填された活性炭層８a〜８ｄの厚さＬ、活性炭層８a〜８ｄの空隙率ε、粘度η、空塔速度u、流体密度ρ、相当径ｄ_pによって求められる。式（７）は低レイノルズ域のＫｏｚｅｎｅｙ−Ｃａｒｍａｎ式と高レイノルズ域でのＢｒｕｋｅ−Ｐｌｕｍｍｅｒの式を同時に表す。
【数８】

【００２３】
なお、相当径ｄ_pは充填された活性炭が球形以外の場合は、式（８）のように計算される。
【数９】

【００２４】
つぎに、前流などでダスト負荷がされたときの固定層式活性炭吸着塔の圧力損失はどうなるかを計算する。まず、ダストがないときの初期空隙率ε₀からダストがあるときの空隙率εの変化は式（９）のようになる。
【数１０】

【００２５】
式（７）に式（８）、式（９）、式（１０）、飛灰密度α、液体密度ρ、液体粘度η、吸着塔有効面積Ｖ_adを代入することにより、表１に示すようにダスト濃度が変化したとき、圧力損失△Ｐの変化が計算される。
【数１１】

【数１２】

【表１】

【００２６】
［他の実施の形態］
本発明に係る固定層式活性炭吸着塔は、特許請求の範囲、明細書、図面で示される発明の精神の範囲であれば適宜変更してよい。例えば、図１〜３で示される固定層式活性炭吸着塔１の活性炭溜１０を設ける代わりに、スクリューコンベヤ１１と活性炭排出口１２を活性炭層８a〜８ｄの下方ごとにひとつずつ設けることをしてもよい。
【００２７】
【実施例】
図２、図３で示されるような本発明に係る実施の形態である固定層式活性炭吸着塔１をゴミ焼却装置の集塵機出口に設置し、係る固定層式活性炭吸着塔１のダイオキシンなどの除去に関するデータを得た。
表１は、排ガスからのダイオキシンの除去率、なお、除去率は、吸着塔入口１３と吸着塔出口１４a、１４ｂでの各物質の濃度を測定し、入口１３での濃度に対しての出口１４a、１４ｂに至るまでに除去された濃度を百分率で表したものである。
【表２】

【００２８】
表２から明らかなように、ダイオキシン除去率は１ヶ月目が９７．９％、２ヶ月目が９９．８％のようにダイオキシン除去に対して効果が得られた。また、１ヶ月から６ヶ月にかけて時間が経過したあとも、ダイオキシン除去が持続しており、短期的なメンテナンスなしに除去効果が得られることが了解される。また、この除去効果が得られたのは、バブリングが防止されているものと判断される。
【００２９】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明に係る固定層式活性炭吸着塔によれば、ダイオキシンの除去率を一定の水準以上に保ちながら、処理可能な排ガス流量を大きくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固定層式活性炭吸着塔の一実施の形態の断面図である。
【図２】本発明に係る固定層式活性炭吸着塔の一実施の形態の斜視図である。
【図３】本発明に係る固定層式活性炭吸着塔の一実施の形態の内部の活性炭層の斜視図である。
【符号の説明】
１固定層式活性炭吸着塔
２a〜２ｄ活性炭投入口
３a〜３ｄふた
４a〜４ｅ空間
５活性炭
６フレコンバッグ
７活性炭投入ホッパ
８a〜８ｄ活性炭層
９a〜９ｄスライドゲート
１０活性炭溜
１１スクリューコンベヤ
１２活性炭排出口
１３入口
１４a、１４ｂ出口
１５整流板

Claims

ガスを導入する入口に整流板を設け、粒状活性炭層を通過するガスを２系統以上に分けて通過させる構造とし、前記系統ごとに、複数の粒状活性炭層を空間を隔てて設けたことを特徴とする固定層式活性炭吸着塔。
前記粒状活性炭層の厚みを１層あたり０．０５ｍ〜０．５０ｍにしたことを特徴とする請求項１に記載の固定層式活性炭吸着塔。
粒状活性炭を含む固定層を排ガスの流動方向に対して垂直方向になるように空間を隔てて２層以上立設し、前記固定層の粒状活性炭がバブリングする最小流動化速度を求めておき、該速度を下回る運用条件で前記空間の一に排ガスを導入し、該排ガスが２系統以上に分かれて前記固定層を２層以上通過するようにするダイオキシン除去方法。
前記ガスが上方から導入されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固定層式活性炭吸着塔。