JP5685914B2

JP5685914B2 - メタノールを含有する排ガスの処理装置及び処理方法

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Publication number: JP5685914B2
Application number: JP2010274840A
Authority: JP
Inventors: 正男三浦; 静雄徳浦; 吉田　隆; 吉田　　隆; 則道嶺村
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: JP2012120995A

Description

本発明は、メタノールを含有する排ガスを処理するための装置及び方法に関する。

例えば高分子材料からなる成形体の工場からは、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の一種であるメタノールを含有する排ガスが排出される。メタノールは可燃性を有しており、人体に悪影響を及ぼすおそれもあることから、このような排ガスは適切に処理されることが望ましい。

メタノールを含有する排ガスを処理する方法の１つとして、直接燃焼法が知られている。この方法は、メタノールを含有する排ガスを例えば６５０〜８００℃に加熱することによって、当該排ガスに含まれるメタノールを、水及び二酸化炭素に分解するものである。しかし、この方法を用いた場合、燃料であるＬＰＧが高価であるため、燃料コストが高くつくという問題がある。

一方、メタノールを含有する排ガスを処理する方法として、触媒酸化法が知られている（特許文献１を参照）。この方法は、排ガスに含まれるメタノールを、白金やパラジウム等の触媒を用いて、例えば２００〜４００℃で水及び二酸化炭素に分解するものである。この方法を用いた場合、上記の直接燃焼法に比べて低温で排ガスを処理できるという利点がある。また、メタノールの分解反応が速いために、小型の設備を用いて大量の排ガスを処理できるという利点がある。

特開２０１０−１１０７３１号公報

しかし、触媒酸化法は、触媒の交換頻度が少なければコストが安く経済的に有利な方法であるといえるが、排ガス中に触媒の被毒物質が含まれることは稀ではなく、その場合、触媒の分解能力がすぐに低下して触媒の交換頻度が高くなるという問題がある。
また、工場から排出される排ガス中のメタノールの濃度は一定であるとは限らないため、排ガス中のメタノールの濃度が一時的に高くなった場合に、反応熱によって触媒が耐熱温度を超えて高温になり、触媒が凝集を起こして失活するなどの問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、排ガス中のメタノール濃度が一時的に高くなるような場合であっても、触媒が過度に高温になることを防止することのできる排ガス処理装置及び排ガス処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、排ガスに含有されているメタノールを分解するための触媒を有する触媒分解装置を備えた排ガス処理装置であって、前記触媒分解装置の前段側に、前記排ガスに含有されているメタノールを一時的に吸着するための吸着剤を有する吸着装置が設置されていることを特徴とする排ガス処理装置である。前記触媒としては、白金を用いることが好ましい。前記吸着剤としては、活性炭を用いることが好ましい。

本発明の排ガス処理装置において、前記触媒分解装置から排出される排ガスと、前記触媒分解装置に供給される排ガスとの間で熱交換するための熱交換器を備えることが好ましい。

本発明は、排ガスに含有されているメタノールを触媒によって分解する触媒分解工程を有する排ガス処理方法であって、前記触媒分解工程の前に、前記排ガスに含有されているメタノールを吸着剤によって一時的に吸着する吸着工程を有することを特徴とする排ガス処理方法である。前記触媒としては、白金を用いることが好ましい。前記吸着剤としては、活性炭を用いることが好ましい。

本発明の排ガス処理方法において、前記触媒を有する触媒分解装置から排出される排ガスと、前記触媒分解装置に供給される排ガスとの間で熱交換する熱交換工程を有することが好ましい。

本発明によれば、排ガス中のメタノール濃度が一時的に高くなるような場合であっても、触媒が過度に高温になることを防止することのできる排ガス処理装置及び排ガス処理方法を提供することができる。

排ガス処理装置のフローシートである。実施例における排ガス中のメタノール濃度の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は、例えば高分子材料からなる成形体の製造工程などから排出されるメタノールを含有する排ガスを処理するための装置及び方法に関する。

図１は、本実施形態に係る排ガス処理装置１０のフローシートである。図１に示すように、本実施形態に係る排ガス処理装置１０は、触媒分解装置１２、吸着装置１４、熱交換器１６、加熱装置１８、及びブロワ２０を備えている。

触媒分解装置１２は、処理の対象となる排ガス中に含まれるメタノールを触媒によって水及び二酸化炭素に分解するための装置である。触媒は、メタノールを分解できるものであればどのようなものでも使用可能であり、例えば、白金、ロジウム、パラジウム、マンガン、鉄、コバルト、クロム、あるいはこれらの酸化物などを使用可能である。メタノールの分解効率の観点からは、白金またはパラジウムが好ましく、白金が最も好ましい。

触媒を担持させる担持体の形状はどのようなものであってもよく、例えば、ハニカム形状、ペレット形状、あるいは金属発泡体形状の担持体を用いることができる。この中では、圧力損失が低く、かつ、高いＳＶ値（空間速度）をとることのできるハニカム形状の担持体を用いることが好ましい。

また、担持体の材質はどのようなものであってもよく、例えば、ステンレス製あるいはセラミックス製の担持体を用いることができる。物理的な耐久性の観点からは、ステンレス製の担持体を用いることが好ましい。

図１に示すように、白金等の触媒を担持させた担持体１２ａは、ステンレス等の金属製の板状部材によって中空円筒状あるいは中空角筒状に形成された触媒充填筒１２ｂの内部に設置される。触媒充填筒１２ｂの内部には、排ガス中に含まれるメタノールの濃度や、単位時間当たりに処理する排ガスの流量などに合わせて、１個ないし複数個の担持体１２ａが設置される。触媒充填筒１２ｂの内部に複数個の担持体１２ａが設置される場合には、それらは触媒充填筒１２ｂの内部において上下方向に積み重ねた状態で設置されることが好ましい。

触媒分解装置１２の下部には配管２２が接続されており、この配管２２によってメタノールを含有する排ガスが触媒分解装置１２の内部に供給される。一方、触媒分解装置１２によってメタノールが分解された後の排ガスは、触媒分解装置１２の上部に接続された配管２８によって排出される。

吸着装置１４は、排ガス中に含まれるメタノールを吸着剤によって一時的に吸着するための装置である。吸着剤は、メタノールを一時的に吸着できるものであればどのようなものでも使用可能であり、物理吸着剤でもよく、化学吸着剤でもよい。後述するように、排ガス中のメタノールの濃度を平準化して触媒分解装置１２における触媒の温度が過度に高温になることを防止する観点からは、メタノールを可逆的に吸脱着可能な物理吸着剤を用いることが好ましい。

物理吸着剤としては、例えば、活性炭、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ等を使用することができる。この中では、排ガス中に含まれるメタノールを吸脱着できるだけでなく、細孔径が大きく、排ガス中に含まれる環状シロキサンなどの比較的分子径が大きい触媒被毒物質を容易に吸着することのできる活性炭を用いることが好ましい。

活性炭の種類や形状は特に制限するものではなく、例えば、繊維状、ハニカム状、円柱ペレット状、破砕状、粒状、あるいは粉末状の活性炭を使用することが可能である。特に、直径が１ｍｍ以上、より好ましくは５ｍｍ以上の円柱ペレット状の活性炭が、吸着装置１４の圧力損失を下げる点において好ましい。また、比表面積が５００ｍ^２／ｇ以上、より好ましくは１０００ｍ^２／ｇ以上の活性炭を用いることが好ましい。

図１に示すように、吸着剤１４ａは、ステンレスやハステロイ等の金属製の板状部材によって中空円筒状あるいは中空角筒状に形成された吸着剤充填筒１４ｂの内部に充填される。吸着剤充填筒１４ｂに充填される吸着剤の量は、排ガス中に含まれるメタノールの濃度や、単位時間当たりに処理する排ガスの流量などに合わせて適宜調節することが好ましい。

吸着剤充填筒１４ｂの内部を通過する排ガスの空間速度（ＳＶ）は、３００〜１２００００［ｈ^−１］が好ましく、３０００〜３００００［ｈ^−１］がより好ましい。

吸着剤充填筒１４ｂの下部には配管２４が接続されており、この配管２４によってメタノールを含有する排ガスが吸着装置１４の内部に供給される。一方、吸着剤１４ａによってメタノールが吸着された排ガスは、吸着装置１４の上部に接続された配管２６によって排出される。

吸着剤充填筒１４ｂの下部に供給される排ガスの温度は、０〜８０℃が好ましく、１０〜５０℃がより好ましい。
高分子材料からなる成形体の製造工程から排出される排ガスの温度が上記の温度範囲から外れている場合には、図示しない熱交換器等によって排ガスを加熱または冷却することによって、吸着剤充填筒１４ｂの下部に供給される排ガスの温度を上記の温度範囲に制御することが好ましい。

熱交換器１６は、触媒分解装置１２の上部から排出される排ガス（放熱側流体）と、触媒分解装置１２の下部に供給される排ガス（受熱側流体）との間で熱交換を行うための装置である。熱交換器１６の形式はどのようなものであってもよく、例えば、多管式熱交換器（固定管板式、Ｕ字管式、遊動頭式など）、二重管式熱交換器、単管式熱交換器、プレートフィン式熱交換器等を使用することができる。この中では、熱交換効率が比較的高いプレートフィン式の熱交換器を用いることが好ましい。熱交換器の伝熱部に使用するフィンやチューブの材質としては、特に制限するものではないが、排ガスに対する耐腐食性や耐熱性の観点から、ステンレス等を使用することが好ましい。

加熱装置１８は、触媒分解装置１２の下部に供給される排ガスを加熱するために、ブロワ２０によって送り込まれる排ガスを加熱するための装置である。加熱装置１８としては、排ガスを加熱することができるのであればどのような形式でも使用することが可能であり、例えば、電気ヒーター等を使用することができる。

ブロワ２０は、排ガスを吸引するための装置である。ブロワ２０としては、排ガスの総流量、装置の圧力損失、および排ガスの温度を考慮し使用条件に合ったブロワを選定することが好ましい。例えばモーターシャフトとブロワのシャフトをカップリングで直結する形式（モータ直結形）のものを使用できる。

次に、排ガス処理装置１０の全体的な排ガス処理の流れについて説明する。
まず、高分子材料からなる成形体の製造工程などから排出されるメタノールを含有する排ガスは、配管２４を通って吸着装置１４の下部に供給される。吸着装置１４の下部に供給された排ガスは、当該排ガスに含まれているメタノールの全部または一部が吸着剤１４ａによって吸着された後に、吸着装置１４の上部から排出される。なお、吸着剤１４ａによって吸着されたメタノールは、所定時間経過後に脱着して排ガス中に再び放出される。つまり、排ガス中に含まれるメタノールは、吸着剤１４ａによって一時的に吸着される。

吸着装置１４の上部から排出された排ガスは、配管２６を通って熱交換器１６の受熱流体側の入口に供給される。これにより、吸着装置１４の上部から排出された排ガスは、放熱側流体から熱を受け取ることによって、５０〜２００℃、より好ましくは７０〜１５０℃に加熱される。

熱交換器１６によって加熱された排ガスは、配管２２を通って触媒分解装置１２の下部に供給される。配管２２の途中には合流部２２ａが設けられており、この合流部２２ａにおいて、熱交換器１６によって加熱された排ガスと、加熱装置１８によって加熱された排ガスとが合流する。これにより、触媒分解装置１２の下部に供給される排ガスの温度が、１００〜３００℃、より好ましくは１５０〜２５０℃に制御される。

触媒分解装置１２の下部に供給された排ガスは、当該排ガスに含まれるメタノールが担持体１２ａに担持された白金等の触媒によって分解された後に、触媒分解装置１２の上部から排出される。

触媒分解装置１２の上部から排出された排ガスは、配管２８を通って熱交換器１６の放熱側流体の入口に供給される。これにより、触媒分解装置１２の上部から排出された排ガスと、触媒分解装置１２の下部に供給される排ガスとの間で熱交換が行われる。

熱交換器１６によって冷却された排ガスは、ブロワ２０の吸引口に吸引された後に、ブロワ２０の吐出口から吐出される。ブロワ２０から吐出された排ガスの一部は、配管３２を通って加熱装置１８に送り込まれる。ブロワ２０から吐出された残りの排ガスは、配管３４を通って大気中へ放出される。

ブロワ２０によって加熱装置１８に送り込まれた排ガスは、２００〜５００℃、より好ましくは３００〜４００℃に加熱された後に、配管３６、２２を通って触媒分解装置１２の下部に供給される。前述したように、加熱装置１８の出口側の配管３６は、触媒分解装置１２の下部に排ガスを供給するための配管２２に合流部２２ａにおいて合流している。

また、加熱装置１８の入口側の配管３２の途中にはダンパ２１が設置されており、このダンパ２１によって加熱装置１８に送り込まれる排ガスの流量が調節可能となっている。

上記のように構成された排ガス処理装置１０の作用効果について説明する。
上記実施形態の排ガス処理装置１０によれば、排ガス中に含まれるメタノールを吸着装置１４によって一時的に吸着した後に、その排ガスを触媒分解装置１２に供給することができる。これにより、触媒分解装置１２に供給される排ガス中に含まれるメタノールの濃度を低下させることができる。

また、高分子材料からなる成形体の製造工程から排出される排ガス中に含まれるメタノールの濃度が変動して一時的に高くなるような場合であっても、触媒分解装置１２に供給される排ガス中に含まれるメタノールの濃度を平準化することができる。このため、メタノールの分解時の反応熱によって触媒が高温になることを防止することが可能であり、触媒が耐熱温度を超えることによって失活することを防止することができる。

また、メタノールの分解時の反応熱によって排ガスが高温になることを防止することができる。このため、触媒分解装置１２の下流側の配管２８やブロワ２０等に耐熱性の高いハステロイ等の高価な材料を用いることが不要になる。
さらに、触媒分解装置１２の下流側の配管２８に用いられるパッキンやガスケット等に耐熱性の高い材料を用いることが不要になる。その結果、排ガス処理装置１０の製造コストを従来よりも安価に抑えることが可能になる。

本実施形態の排ガス処理装置１０によれば、吸着装置１４によって排ガス中に含まれるメタノールを一時的に吸着できるだけでなく、環状シロキサン等の触媒被毒物質を吸着することもできる。これにより、触媒分解装置１２に用いる触媒の寿命を延長することが可能となり、排ガス処理装置１０のランニングコストを従来よりも安価に抑えることが可能になる。

本実施形態の排ガス処理装置１０によれば、触媒分解装置１２から排出される排ガスから熱交換器１６によって熱エネルギーを回収することができる。また、排ガスの一部はブロワ２０によって加熱装置１８に送り込まれるため、ブロワ２０によって送り込まれる排ガスの熱エネルギーをも回収することができる。これにより、省エネルギーを達成できるとともに、加熱装置１８に使用する電気の使用量等を抑制することができる。

本実施形態の排ガス処理装置１０によれば、排ガスを例えば大気等によって希釈することでメタノールの濃度を低下させることが不要になる。このため、ブロワ２０によって大気を送り込むことが不要になり、ブロワ２０の送風量を小さくできる。その結果、定格能力の小さいブロワ２０を用いることが可能となり、その分だけ排ガス処理装置１０の製造コストを安価に抑えることが可能になる。

なお、本発明は、方法の発明として実施することも可能である。すなわち、本発明は、排ガスに含有されているメタノールを触媒分解装置１２によって分解する触媒分解工程と、前記触媒分解工程の前に、前記排ガスに含有されているメタノールを吸着装置１４によって一時的に吸着する吸着工程を有する排ガス処理方法の発明として実施することも可能である。

上記で説明した排ガス処理装置１０を用いて、高分子材料からなる成形体の製造工程から排出されるメタノールを含有する排ガスを処理する試験を行った。試験条件を以下に示す。

（排ガス条件）
排ガス（吸着装置入口部）風量 4.5 [m³/min]
排ガス中のメタノール濃度 1.0〜1.5 [vol%]
（排ガスの空間速度）
吸着剤充填筒 2647 [h^-1]
触媒充填筒 12739 [h^-1]
（排ガス温度）
吸着装置入口部 20〜60℃
触媒分解装置入口部約200℃

（吸着装置仕様）
装置形状円筒形状
充填剤活性炭
充填剤形状円柱ペレット形状（φ9mm）
充填筒直径 φ570mm
充填層高さ 400mm
充填層断面積 0.26m²
充填容量 0.10m³

（触媒分解装置仕様）
装置形状円筒形状
触媒白金
担持体材質ステンレス
担持体形状ハニカム形状（セル密度260 [CPSI]）
担持体寸法高さ300mm
充填層高さ 300mm
充填層断面積 0.07 m²
充填容量 0.02 m³

上記の条件にて、吸着装置１４の入口部に断続的に約１１時間排ガスを供給して排ガス処理を行った。排ガス処理の運転を行う間、吸着装置１４の入口部、吸着装置１４の出口部、触媒分解装置１２の入口部および出口部の４点において、排ガス中のメタノール濃度を測定した。メタノール濃度の測定は、ガス検知器（ドレーゲル社製、品番「X-am」、及び、新コスモス電機社製、品番「XP3169」）を用いて行った。

上記の試験の結果、吸着装置１４の入口部のメタノール濃度は最大で約12,600ppmであり、出口部のメタノール濃度は最大で約4,680 ppmであった。触媒分解装置１２の入口部のメタノール濃度は最大で約2,460 ppmであり、出口部のメタノール濃度は最大でも500 ppm以下であった。そして、触媒分解装置１２の入口部の排ガス温度は約200℃であり、出口部の排ガス温度は約290℃であった。

また、比較例として、吸着装置１４に吸着剤１４ａを充填しないで、それ以外は上記と同様の条件で試験を行った。
その結果、触媒分解装置１２の入口部のメタノール濃度は最大で約7,360ppmであり、出口部のメタノール濃度は最大でも500 ppm以下であった。そして、触媒分解装置１２の入口部の排ガス温度は約200℃であり、出口部の排ガス温度は約433℃であった。
上記の実施例及び比較例の結果をまとめたものを、以下の表１に示す。

表１を見れば分かる通り、本実施形態の排ガス処理装置１０によれば、吸着装置１４によって排ガス中のメタノールを一時的に吸着してその濃度を平準化することによって、触媒分解装置１２の入口部に供給される排ガスのメタノール最大濃度を、7,360ppmから2,460 ppmに低下させることができることが判明した。また、触媒分解装置１２の出口部の排ガス温度を、約433℃から約290℃に低下させることができることが判明した。白金触媒の場合、高温では触媒の凝集により活性が低下する。このためできるだけ反応熱により高温にならないようにメタノール濃度を低くする方が好ましいが、この方法により白金触媒の凝集による活性低下がなくなった。

図２は、実施例における排ガス中のメタノール濃度の測定結果を示すグラフである。
図２を見れば分かるとおり、本実施形態の排ガス処理装置１０によれば、吸着装置１４の入口部に供給される排ガス中のメタノールの濃度は大きく変動するにも関わらず、吸着装置１４の出口部、及び、触媒分解装置１２の入口部に供給される排ガス中のメタノールの濃度はあまり変動していなかった。

以上より、本実施形態の排ガス処理装置１０によれば、触媒分解装置１２に供給される排ガス中のメタノールを一時的に吸着してその濃度を平準化することによって、触媒分解装置１２における触媒の温度が過度に高温になることを防止できることを実証することができた。

以下の表２は、上記の実施例及び比較例における触媒分解装置１２の触媒寿命を示している。

表２に示すように、吸着装置１４をつけていない（吸着装置１４に吸着剤１４ａを充填していない）比較例においては、触媒分解装置１２の触媒が４時間で失活して使い物にならない結果となった。これは、排ガス中に含まれる環状シロキサン等によって触媒が被毒されたためであると考えられる。

これに対し、吸着装置１４を設置した実施例においては、排ガス処理装置１０の運転を開始してから３０日以上経過した後も触媒分解装置１２の触媒が失活せず、排ガス中に含まれるメタノールを触媒によって分解することができた。これは、触媒分解装置１２の前段側に設置されている吸着装置１４によって排ガス中に含まれる環状シロキサン等の触媒被毒物質を吸着できたためであると考えられる。

１０排ガス処理装置
１２触媒分解装置
１２ｂ触媒充填筒
１２ａ担持体
１４ａ吸着剤
１４ｂ吸着剤充填筒
１４吸着装置
１６熱交換器
１８加熱装置
２０ブロワ

Claims

排ガスに含有されているメタノールを分解するための触媒を有する触媒分解装置を備えた排ガス処理装置であって、
前記触媒分解装置の前段側に、前記排ガスに含有されているメタノールを一時的に吸着するための吸着剤を有する吸着装置が設置されており、
前記触媒は白金であり、
前記吸着剤は活性炭であり、
前記触媒分解装置から排出される排ガスと、前記触媒分解装置に供給される排ガスとの間で熱交換するための熱交換器を備えており、
さらに、前記触媒分解装置に供給される排ガスを加熱するための加熱装置と、前記触媒分解装置から排出された後、前記熱交換器によって熱エネルギーが回収された排ガスを前記加熱装置に送り込むためのブロワを備えることを特徴とする、
排ガス処理装置。
さらに、前記加熱装置に送り込まれる排ガスの流量を調節するためのダンパを備えることを特徴とする請求項１記載の排ガス処理装置。
前記触媒分解装置に供給される排ガスの温度が１００〜３００℃であることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の排ガス処理装置。
前記活性炭は、直径１ｍｍ以上の円柱ペレット状であることを特徴とする、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
前記活性炭は、比表面積が５００ｍ ^２／ｇ以上であることを特徴とする、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
前記排ガスは、高分子材料からなる成形体の製造工程から排出される排ガスであることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
排ガスに含有されているメタノールを触媒によって分解する触媒分解工程を有する排ガス処理方法であって、
前記触媒分解工程の前に、前記排ガスに含有されているメタノールを吸着剤によって一時的に吸着する吸着工程を有し、
前記触媒は白金であり、
前記吸着剤は活性炭であり、
前記触媒を有する触媒分解装置から排出される排ガスと、前記触媒分解装置に供給される排ガスとの間で熱交換する熱交換工程を有し、
さらに、前記触媒分解装置に供給される排ガスを加熱装置によって加熱する工程と、前記触媒分解装置から排出された排ガスから熱交換器によって熱エネルギーを回収する工程と、前記熱交換器によって熱エネルギーが回収された後の排ガスをブロワによって前記加熱装置に送り込む工程と、を備えることを特徴とする、
排ガス処理方法。
さらに、前記加熱装置に送り込まれる排ガスの流量をダンパによって調節する工程を備えることを特徴とする請求項７記載の排ガス処理方法。
前記触媒分解装置に供給される排ガスの温度が１００〜３００℃であることを特徴とする、請求項７または請求項８記載の排ガス処理方法。
前記活性炭は、直径１ｍｍ以上の円柱ペレット状であることを特徴とする、請求項７から請求項９のうちいずれか１項に記載の排ガス処理方法。
前記活性炭は、比表面積が５００ｍ ^２／ｇ以上であることを特徴とする、請求項７から請求項１０のうちいずれか１項に記載の排ガス処理方法。
前記排ガスは、高分子材料からなる成形体の製造工程から排出される排ガスであることを特徴とする請求項７から請求項１１のうちいずれか１項に記載の排ガス処理方法。