JP5262239B2 - 揮発性有機化合物処理システム - Google Patents

Description

処理対象ガスに含まれる揮発性有機化合物を容器に収容された吸着剤で吸着することで処理対象ガスから除去し、吸着剤に吸着された揮発性有機化合物を容器に水蒸気を供給することで揮発性有機化合物を脱着して回収する揮発性有機化合物処理システムに関するものである。

トルエンやキシレン等の各種揮発性有機化合物を取り扱う工場では、揮発性有機化合物を含むガス（処理対象ガス）を処理するための処理システムを設けている。
このような処理システムとして、特許文献１には、処理対象ガスを吸着剤が収容された容器に供給して揮発性有機化合物を吸着させ、また吸着剤が吸着した揮発性有機化合物を水蒸気で吸着剤から脱着して揮発性有機化合物を水蒸気に含有させて回収し、さらに揮発性有機化合物が含有した水蒸気をガスタービンやボイラ等の燃焼装置により燃焼させて揮発性有機化合物を分解して無害化することで処理する揮発性有機化合物処理システムが開示されている。
特許第３９５６９９６号公報

ところで、吸着剤から揮発性有機化合物を脱着させるためには、容器内部を所定の温度まで加温する必要がある。また、吸着剤から効率的にかつ連続的に揮発性有機化合物を脱着させるためには、吸着剤を所定の流速以上とされた水蒸気に晒すことが望ましい。このため、従来の揮発性有機化合物処理システムにおいては、吸着剤から揮発性有機化合物を脱着させるために、大量の水蒸気が必要とされている。例えば、効率的に吸着剤から揮発性有機化合物を脱着させるためには、脱着される揮発性有機化合物の５倍程度の水蒸気が必要とされる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、揮発性有機化合物処理システムにおいて、吸着剤から揮発性有機化合物を脱着させるために必要とする水蒸気量を減少させることによって、エネルギー効率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、揮発性有機化合物を吸着する吸着剤を収容する容器内に上記揮発性有機化合物を含む処理対象ガスを供給することで該処理対象ガスから上記揮発性有機化合物を除去し、上記処理対象ガスの供給が停止された状態で上記容器内に水蒸気を供給して加温を行うことによって上記吸着剤から上記揮発性化合物を脱着して上記水蒸気に含有させて回収する揮発性有機化合物処理システムであって、上記吸着剤から脱着された上記揮発性化合物が含有されると共に上記容器から排出された上記水蒸気である揮発性化合物含有水蒸気の一部を、上記揮発性化合物を含まずに上記容器に供給される上記水蒸気である純粋水蒸気に合流させて上記容器に戻す循環手段を備えることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によれば、吸着剤から脱着された揮発性化合物が含有されると共に吸着剤を収容する容器から排出された水蒸気である揮発性化合物含有水蒸気の一部が、揮発性化合物を含まずに上記容器に供給される水蒸気である純粋水蒸気に合流されて、上記容器に再度循環供給される。

また、本発明においては、上記循環手段は、上記純粋水蒸気を駆動ガスとし、上記揮発性化合物含有水蒸気を吸引ガスとするエゼクタを備えるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記循環手段は、上記純粋水蒸気に合流される上記揮発性化合物含有水蒸気を加温する加温手段を備えるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記純粋水蒸気に合流される上記揮発性化合物含有水蒸気が流れる流路を上記純粋水蒸気にてパージ可能なパージ手段を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、吸着剤から脱着された揮発性化合物が含有されると共に吸着剤を収容する容器から排出された水蒸気である揮発性化合物含有水蒸気の一部が、揮発性化合物を含まずに上記容器に供給される水蒸気である純粋水蒸気に合流されて、上記容器に再度循環供給される。
容器内において吸着剤から揮発性有機化合物を連続的に脱着するための流速環境を得るためには、予め決められた設定流量以上の水蒸気を容器内に供給する必要があるが、本願発明においては、この設定流量の一部を循環供給される揮発性有機化合物含有水蒸気にて賄うことが可能となる。このため、容器に供給する純粋水蒸気の流量を減少させることが可能となる。
したがって、本発明によれば、吸着剤から揮発性有機化合物を脱着させるために必要とする水蒸気量を減少させることによって、エネルギー効率を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る揮発性有機化合物処理システムの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本発明の一実施形態における揮発性有機化合物処理システムＡの概要を示す模式図である。
揮発性有機化合物処理システムＡは、トルエンやキシレン等の各種揮発性有機化合物の処理を必要とする工場内に構築されるものであり、図１に示すように、吸着装置１、ガスタービン２、第１第１熱交換器３、エゼクタ４、第２熱交換器５（加温手段）及び不図示の制御装置を備えている。

吸着装置１は、円筒状の部材の開口をドーム状の部材で閉じたような形状の金属製の浄化容器１１（容器）と、浄化容器１１内部中段に設けられた吸着剤１０とを有する。すなわち、吸着剤１０は、浄化容器１１に収容されている。なお、吸着剤１０としては、例えば活性炭を用いることができる。
この吸着装置１は、処理対象ガスである揮発性有機化合物（以下、ＶＯＣと称する）含有ガスに含まれるＶＯＣを浄化容器１１内部の吸着剤１０に吸着させることによって処理対象ガスからＶＯＣを除去する。
そして、吸着剤１０に吸着されたＶＯＣは、処理対象ガスの供給が停止された状態で浄化容器１１内部に水蒸気が供給されることによって吸着剤１０から脱着して水蒸気に含有する。つまり、吸着装置１は、処理対象ガスの供給が停止された状態で浄化容器１１内部に供給された水蒸気にＶＯＣを含有して排出する。

この吸着装置１の浄化容器１１には、吸着剤１０より上側の外部から水蒸気を供給する配管Ｘ１と、ＶＯＣが除去された処理済ガスを外部へ排出する配管Ｘ２と、吸着剤１０より下側の外部から処理対象ガスを供給する配管Ｘ３と、ＶＯＣが含有した水蒸気を外部へ排出する配管Ｘ４が接続されている。
また、吸着剤１０を冷却する必要から、空気を吸着剤１０の下側の外部から供給する配管Ｘ５が配管Ｘ３と接続されており、浄化容器１１内部に空気を供給可能な構成とされている。
配管Ｘ４を流れる水蒸気は、浄化容器１１から排出され、ＶＯＣを含有するものであり、以下の説明において、当該水蒸気をＶＯＣ含有水蒸気（揮発性有機化合物含有水蒸気）と称する。

なお、配管Ｘ１の途中部位には開閉弁Ｙ１が、配管Ｘ２の途中部位には開閉弁Ｙ２が、配管Ｘ３の途中部位には開閉弁Ｙ３が、配管Ｘ４の途中部位には開閉弁Ｙ４が、配管Ｘ５の途中部位には開閉弁Ｙ５が設置されている。

ガスタービン２は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を備えている。
圧縮機２１は、外部から吸気した空気を加圧して圧縮空気とし、燃焼器２２に供給する構成となっている。
燃焼器２２は、圧縮機２１から供給される圧縮空気と燃料ガスとを混合して燃焼させ、タービン２３へ排出する。また、燃焼器２２には、吸着装置１から排出されたＶＯＣが含有した水蒸気が配管Ｘ４を介して供給され、この水蒸気を燃料ガスと共に燃焼させる構成となっている。なお、配管Ｘ４を介して燃焼器２２へ供給される水蒸気量は、燃焼器２２の直前に設けられた調節弁Ｙ２０によって調節される。
タービン２３は、燃焼器２２から供給される燃焼ガスの運動エネルギー及び圧力エネルギーによって回転駆動されて、圧縮機２１の駆動力と、ガスタービン２外部の負荷６の駆動力とを発生する構成となっている。そして、ガスタービン２から排出される燃焼ガス（排ガス）は、第１熱交換器３及び第２熱交換器５へ排出される構成となっている。

第１熱交換器３は、ガスタービン２から供給される燃焼ガスの保有する熱を利用して水蒸気を生成する構成となっている。第１熱交換器３が生成した水蒸気の一部は、配管Ｘ６を介して工場のプロセス用として使用され、残りの水蒸気は、配管Ｘ７を介して配管Ｘ１に供給されて吸着装置１に供給される。なお、配管Ｘ７を流れて供給される水蒸気は、ＶＯＣを含有しないものであり、以下の説明において、当該水蒸気を純粋水蒸気と称する。

エゼクタ４は、配管Ｘ７と配管Ｘ１との接続部分に設けられている。また、エゼクタ４には、配管Ｘ４と接続される配管Ｘ８が接続されている。
このエゼクタ４は、配管Ｘ１から供給される純粋水蒸気を駆動ガスとし、配管Ｘ８を介して配管Ｘ４から供給されるＶＯＣ含有水蒸気を吸引ガスとするものであり、ＶＯＣ含有水蒸気を純粋水蒸気に合流、昇圧させて吸着装置１に供給するものである。
つまり、本実施形態の揮発性有機化合物処理システムＡにおいては、エゼクタ４及び配管Ｘ８によって、吸着装置１の浄化容器１１から排出されたＶＯＣ含有水蒸気の一部が、純粋水蒸気に合流されて浄化容器１１に戻される。すなわち、本実施形態の揮発性有機化合物処理システムＡにおいては、本発明の循環手段がエゼクタ４及び配管Ｘ４から構成されている。

第２熱交換器５は、配管Ｘ８と接続されており、ガスタービン２から供給される燃焼ガスの保有する熱を利用して配管Ｘ８を流れるＶＯＣ含有水蒸気を加温するものである。ここでは、例えば、第２熱交換器５によって、配管Ｘ８を流れるＶＯＣ含有水蒸気を配管Ｘ７を流れる純粋水蒸気と同じ程度の温度まで加温する。

また、本実施形態の揮発性有機化合物処理システムＡにおいては、純粋水蒸気に合流されるＶＯＣ含有水蒸気の流路である配管Ｘ８を、配管Ｘ７を流れる純粋水蒸気の一部でパージ可能とするためのパージ機構１００（パージ手段）が設置されている。このパージ機構１００は、配管Ｘ７と配管Ｘ８とを接続する配管Ｘ１０と、該配管Ｘ１０の途中部位に設置される開閉弁Ｙ１０とを備えている。なお、開閉弁Ｙ１０の代わりに調節弁を用いても良い。
このようなパージ機構１００は、開閉弁Ｙ１０を開状態とすることで、配管Ｘ７を流れる純粋水蒸気の一部を配管Ｘ８に流入させることによって配管Ｘ８を純粋水蒸気によってパージする。

不図示の制御装置は、内部メモリに記憶された制御プログラム及び各種制御用データ等に基づいて、本システムの全体の動作を制御するものである。すなわち、制御装置は、各種制御用データ等に基づいて制御演算を行う制御機器及び上記各構成機器（吸着装置１、ガスタービン２等）とのデータ授受を行う各種入出力インターフェース回路等から構成されており、上記各構成機器を統括的に制御する構成となっている。
このような制御装置は、例えば、配管Ｘ１に設けられた開閉弁Ｙ１、配管Ｘ２に設けられた開閉弁Ｙ２、配管Ｘ３に設けられた開閉弁Ｙ３、配管Ｘ４に設けられた開閉弁Ｙ４、配管Ｘ５に設けられた開閉弁Ｙ５、配管Ｘ８に設けられた開閉弁Ｙ８の開放／閉塞の動作を各々制御すると共に、配管Ｘ４に設けられた調節弁Ｙ２０の開放／閉塞、さらにこれらの当該開放量を各々制御することができる構成となっている。また、制御装置は、パージ機構１００の制御も行う。

続いて、上記のように構成された揮発性有機化合物処理システムＡによってＶＯＣを処理する動作について図２〜図４を参照して説明する。
図２〜図４は、吸着装置１の各工程における様子を示す模式図であって、図２（ａ）は吸着工程、図２（ｂ）は加圧・加温工程、図３（ａ）は脱着工程、図３（ｂ）は脱着工程から冷却工程への切替え段階、図４は冷却工程を示している。本実施形態の揮発性有機化合物処理システムＡでは、これらの各工程が繰り返し行われることにより、処理対象ガスからＶＯＣが除去される。
なお、図２〜図４において、各弁の白抜き表示は「開状態」にあることを示し、各弁の黒抜き表示は「閉状態」にあることを示している。

（吸着工程）
不図示の制御装置は、図２（ａ）に示すように、開閉弁Ｙ１、開閉弁Ｙ４、開閉弁Ｙ５を閉状態とすると共に、開閉弁Ｙ２及び開閉弁Ｙ３を開状態とする。開閉弁Ｙ２及び開閉弁Ｙ３が開状態となることで、吸着装置１にＶＯＣを含んだ処理対象ガスが配管Ｘ３を介して下側から順次供給され、中段に設けられた吸着剤１０を通過して上側の配管Ｘ２から順次排出される。
この吸着工程において、処理対象ガスは、吸着剤１０を通過する際にＶＯＣが活性炭に吸着されるために浄化され、処理済ガスとして配管Ｘ２を介して外部に排出されることとなる。

（加圧・加温工程）
次に、制御装置は、加圧・加温工程を行うべく、図２（ｂ）に示すように、開閉弁Ｙ２、開閉弁Ｙ３、開閉弁Ｙ４及び開閉弁Ｙ５を閉状態とすると共に、開閉弁Ｙ１を開状態とする。開閉弁Ｙ１が開状態となることで、吸着装置１の浄化容器１１に水蒸気が配管Ｘ１を介して上側から順次供給され、浄化容器１１内が加圧・加温状態となり、吸着剤１０が晒される雰囲気が加温されることとなる。

（脱着工程）
浄化容器１１内が十分に加圧・加温されると、制御装置は、脱着工程を行うべく、図３（ａ）に示すように、開閉弁Ｙ２、開閉弁Ｙ３及び開閉弁Ｙ５を閉状態とすると共に、開閉弁Ｙ１及び開閉弁Ｙ４を開状態とする。開閉弁Ｙ１及び開閉弁Ｙ４が開状態となることで、吸着装置１の浄化容器１１に純粋水蒸気が配管Ｘ１を介して上側から順次供給され、中段に設けられた吸着剤１０を通過する際にＶＯＣが脱着され、この脱着したＶＯＣが混入した水蒸気であるＶＯＣ含有水蒸気が下側の配管Ｘ４を介して順次排出される。

ここで、本実施形態の揮発性有機化合物処理システムＡにおいては、本脱着工程において配管Ｘ７からエゼクタ４に純粋水蒸気が供給されて配管Ｘ１に抜けることによって純粋水蒸気が駆動ガスとなり、これによってエゼクタ４が配管Ｘ８を介して配管Ｘ４を流れるＶＯＣ含有水蒸気を吸引する。
そして、エゼクタ４に吸引されたＶＯＣ含有水蒸気が純粋水蒸気に合流されて吸着装置１の浄化容器１１に供給される。
つまり、本実施形態の揮発性有機化合物処理システムＡにでは、ＶＯＣ含有水蒸気の一部が、純粋水蒸気に合流されて、浄化容器１１に再度循環供給される。
このため、浄化容器１１にて必要な水蒸気の流速を得るための流量のうち、一部をＶＯＣ含有水蒸気によって賄うことができ、浄化容器１１に供給する純粋水蒸気の量を従来の揮発性有機化合物処理システムＡに対して減少させることができる。

なお、配管Ｘ８を介してエゼクタ４に供給されるＶＯＣ含有水蒸気は、第２熱交換器５によって加温される。
このため、エゼクタ４を介して浄化容器１１に供給されるＶＯＣ含有水蒸気によって浄化容器１１の内部が冷却されることを防止することができ、脱着効率が低下することを防止することができる。

続いて、上記脱着工程から次工程である冷却工程に切り替える場合に、制御装置は、図３（ｂ）に示すように、パージ機構１００の開閉弁Ｙ１０を開状態とする。
この結果、配管Ｘ１０を介して配管Ｘ８に純粋水蒸気が流れ込み、配管Ｘ８に貯留したＶＯＣ含有水蒸気が押し出してガスタービン２に供給され、配管Ｘ８をパージすることが可能となる。

（冷却工程）
次に、制御装置は、冷却工程を行うべく、図４に示すように、開閉弁Ｙ１、開閉弁Ｙ３、開閉弁Ｙ４を閉状態とすると共に、開閉弁Ｙ２及び開閉弁Ｙ５を開状態とする。開閉弁Ｙ２及び開閉弁Ｙ５が開状態となることで、吸着装置１に空気が配管Ｘ５を介して下側から順次供給され、中段に設けられた吸着剤１０を通過して上側の配管Ｘ２から順次排出される。
この冷却工程では、開閉弁Ｙ２を開状態にすることで浄化容器１１内を減圧させ常圧に戻し、空気が吸着剤１０を通過することによって活性炭の雰囲気を冷却することで常温に戻すこととなる。

そして、制御装置は、再び上記した吸着工程に移行させ、上記工程を順に繰り返し行うことで処理対象ガスからＶＯＣを除去することとなる。

以上のような本実施形態の揮発性有機化合物処理システムＡによれば、ＶＯＣ含有水蒸気の一部が、純粋水蒸気に合流されて、浄化容器１１に再度循環供給される。
このため、浄化容器１１にて必要な水蒸気の流速を得るための流量のうち、一部をＶＯＣ含有水蒸気によって賄うことができ、浄化容器１１に供給する純粋水蒸気の量を従来の揮発性有機化合物処理システムＡに対して減少させることができる。
したがって、本実施形態の揮発性有機化合物処理システムＡによれば、吸着剤１０からＶＯＣを脱着させるために必要とする水蒸気量を減少させ、これによってエネルギー効率を向上させることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、ガスタービンにて脱着したＶＯＣを燃焼処理する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ＶＯＣ含有水蒸気を凝縮させてこの凝縮液を水とＶＯＣとに分離してＶＯＣのみを回収する構成を採用することもできる。

また、上記実施形態におけるエゼクタに代えて、ＶＯＣ含有水蒸気の一部を配管Ｘ１に送風して供給するファンを設けても良い。

また、上記実施形態では、本発明の加温手段として、第２熱交換器５を備える構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の加温手段として、ヒータを用いても良い。

また、上記実施形態では、揮発性有機化合物処理システムＡが吸着装置１を一つ有する構成を説明したが、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、例えば、複数の吸着装置１を備える構成でも良い。

また、上記実施形態では、燃焼装置は、ガスタービン２であると説明したが、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、例えば、排熱回収ボイラ等の各種ボイラ等であっても良い。

本発明の一実施形態における揮発性有機化合物処理システムの概要を示す模式図である。 本発明の一実施形態における揮発性有機化合物処理システムの動作を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態における揮発性有機化合物処理システムの動作を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態における揮発性有機化合物処理システムの動作を説明するための模式図である。

符号の説明

１…吸着装置、１０……吸着剤、１１……浄化容器（容器）、４…エゼクタ、Ａ…揮発性有機化合物処理システム、Ｘ８…配管、Ｘ１０……配管、Ｙ１０……開閉弁

Claims (4)

1. 揮発性有機化合物を吸着する吸着剤を収容する容器内に前記揮発性有機化合物を含む処理対象ガスを供給することで該処理対象ガスから前記揮発性有機化合物を除去し、前記処理対象ガスの供給が停止された状態で前記容器内に水蒸気を供給して加温を行うことによって前記吸着剤から前記揮発性化合物を脱着して前記水蒸気に含有させて回収する揮発性有機化合物処理システムであって、
   前記吸着剤から脱着された前記揮発性化合物が含有されると共に前記容器から排出された前記水蒸気である揮発性化合物含有水蒸気の一部を、前記揮発性化合物を含まずに前記容器に供給される前記水蒸気である純粋水蒸気に合流させて前記容器に戻す循環手段を備えることを特徴とする揮発性有機化合物処理システム。
2. 前記循環手段は、前記純粋水蒸気を駆動ガスとし、前記揮発性化合物含有水蒸気を吸引ガスとするエゼクタを備えることを特徴とする請求項１記載の揮発性有機化合物処理システム。
3. 前記純粋水蒸気に合流される前記揮発性化合物含有水蒸気を加温する加温手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の揮発性有機化合物処理システム。
4. 前記純粋水蒸気に合流される前記揮発性化合物含有水蒸気が流れる流路を前記純粋水蒸気にてパージ可能なパージ手段を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の揮発性有機化合物処理システム。
   

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