JPH09500574A - 大きく変動する流れを制御するための方法及びアフターバーナー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 変動する量のＶＯＣ（揮発性有機化合物）を含むプロセスフュームのＶＯＣを分解するための方法及び装置が提供され、これら方法及び装置においては、公称流量のフュームを酸化器２４に通してそのＶＯＣを分解し、また、酸化器２４の熱い生成物をアフターバーナー３０に供給する。アフターバーナーは、基本的に、耐熱材料のマトリックスベッドから構成される。酸化されたガスの熱は、マトリックスベッドを加熱する。公称流量を超えるフューム流量が、アフターバーナーの入口ポートへ直接バイパスされて、該アフターバーナーのマトリックスベッドを通過する。マトリックスベッドは、酸化器２４からの酸化されたガスによって加熱されており、上記バイパスされたフューム流は燃焼されて、燃焼波の中に追加の気体状生成物を生じる。本システムは、公称流量の酸化によって生じた熱を利用して、公称流量を超えるフューム流量を分解することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 大きく変動する流れを制御するための方法及びアフターバーナー装置 発明の分野 本発明の分野は、プロセスフューム（プロセスで発生する煙霧）を含む揮発性 有機化合物（ＶＯＣ）を分解又は低減するための方法及び装置である。本発明は 特に、周期的な若しくは変動する熱含量又は流量を有するフューム流が存在する 状況において、システムの費用有効性を高めることに関する。 発明の背景 多くの産業において、特に、製薬産業において、バッチ式にあるいは高度に周 期的にフューム流を発生するプロセスが使用されている。そのようなフューム流 の流量、組成、濃度あるいはこれらの組み合わせは、時間と共に変化することが 多い。時間に対するフュームの流量プロファイルは、非常に大きな又は濃密な流 れが持続する比較的短い期間と、フュームの流量が急速に低下する期間と、流量 が比較的少ない長い期間とを示す。この流量プロファイルは、無期限に繰り返さ れることがある。 地域的な、又は州の、あるいは、連邦政府の大気汚染規則は、そのようなフュ ームを低減すべきことを要求することが多いが、大きく変動する周期的なフュー ムを処理することは、低減装置を設計する際に、特に困難な問題に直面する。小 さい流量又は「公称」の条件に対して設計された通常の熱酸化装置すなわち熱酸 化システムは、大きな流量条件の間には、その能力が圧倒される。大きな流量の 期間には、そのような装置は、不十分に機能して、例えば、不十分な分解及び除 去効率（ＤＲＥ）を達成し、ＣＯ含有量を高くすると共に、不完全燃焼生成物（ ＰＩＣ）を多く形成する。そのような大きな流量すなわち大流量の持続期間は短 いが、大量の未酸化ＶＯＣ又はＰＩＣが、システムの性能が良好な長い期間を完 全に相殺し、システムの性能を全体的に劣ったものにする。 反対に、通常の熱酸化装置すなわち熱酸化システムが、大流量の条件に対して 設計された場合には、オキシダイザすなわち酸化器は、常時、許容可能な環境性 能で作動することになる。大流量条件に対して設計することに伴う問題は、熱酸 化器のターンダウン（負荷調整）が限定されているので、小流量の長い期間の間 に、大量の補助燃料を燃焼させて、システムをオンラインに維持しなければなら ないことである。この高い燃料消費は、有害なＮＯ_xの発生にも繋がる。 システムが大流量条件に対して設計された場合には、熱酸化器、フューム流量 が劇的に増大する時、あるいは、劇的に減少する時の、劇的な流量変動の間のフ レームアウト（火炎が消えること）を阻止するために、更に大きな寸法を必要と することが多い。この大きな寸法は、最大流量のケースを酸化するために必要と される流量の３乃至１０倍の流量を許容するようなものである。そのような設計 の選択は、システム全体の寸法、コスト、及び、熱効率に劇的な影響を与える。 そのような問題あるいは他の同様な問題は、焼却、熱酸化、再生熱酸化、回収 熱酸化、及び、触媒酸化を含む、現在使用可能な通常の低減手段のいずれにも当 てはまる。 他の低減手段は、米国特許第５，１６５，８４号（Ｍａｒｔｉｎ ｅｔ ａｌ ．）に記載されている如き、多孔質の不活性マトリックス熱酸化器を使用するこ とである。この熱酸化器は、通常の低減手段よりもかなり良好であり、その理由 は、プロセッサは、最大流量条件よりも大きな条件に合わせた寸法にする必要が なく、また、マトリックスの熱容量を実際に利用して、最大のケースよりも小さ いケースに合わせて寸法を決めることのできるユニットがもたらされるからであ る。そのような設計においては、設計流量よりも大きな流量のケースの間には、 プロセスは、平衡状態から外れた条件で作動するが、変動が収まって制御システ ムがプロセッサを平衡状態に戻すまで、マトリックスの熱容量が、流量変動の効 果を緩和する。 多孔質の不活性マトリックス熱酸化装置でも、幾つかの制約を有している。大 流量のフュームのケースは、公称流量よりもかなり大きいので、システムの過剰 の圧力降下が発生することがある（ベルヌーイの式によれば、圧力降下は、速度 の二乗に比例して変化する）。 別の場合には、フュームの大流量のケースは、流量が低下して公称流量に戻り 、平衡状態を再度確立することができるようになる前に、小さな寸法のプロセッ サ が、「熱的なブレークスルー」を受けるような期間である。熱的なブレークスル ーは、流量が十分に長い時間にわたって十分に大きく、これにより、反応波がマ トリックスを完全に出て、その後方にコールドマトリックスだけを残す場合に発 生する。この問題に対する簡単な解決策は、より大きいが、最大流量条件に合わ せた寸法よりも依然として小さいぷさを設備することである。しかしながら、こ のような解決策は、追加のコストを発生させ、その理由は、プロセッサの寸法の 増大は、プレヒータシステムの寸法（及びコスト）の増大も必要とし、更に、シ ステム全体の変更も必要とするからである。 これは、ある種の特有の性能上の利点を有するが、急激にコストが増大する予 熱システムが好ましい場合には、特に問題となる。例えば、ユーティリティ設備 の容易性、定常的に優れた環境的な性能、並びに、高い安全性の特徴から、電気 的な補助加熱システムが望ましい。しかしながら、電気的な予熱パッケージは一 般に、完全にガス式の予熱パッケージよりもコストが高く、また、一般に、電力 の消費は、天然ガスを消費する場合の３倍高い。従って、そのようなシステムに 関するプロセッサの寸法の比較的小さな増大は、予熱器の設備費及び運転コスト を過剰に増大させることになる。 フューム流量の大きな変動を効率的に処理することができ、ＶＯＣ（揮発性有 機化合物）を含むプロセスフュームの適正なＤＲＥ（分解及び除去効率）を達成 する方法及び装置に対する需要が存在することが分かろう。特に、バッチ式のプ ロセス、及び、周期的な熱含量又はフューム流量のプロファイルを有するプロセ スを取り扱うことのできるシステムに対する需要が存在する。 発明の概要 本発明は、フューム流量の大きな変動を効率的に処理することができ、ＶＯＣ を含むプロセスフュームを効果的に分解及び除去するための方法及び装置に関す る。この目的のために、マトリックス媒体が充填されたアフターバーナーチャン バが、熱プロセッサの下流側の端部に設けられる。上記アフターバーナーは一般 に、マトリックス媒体が充填され、耐火物ライニングされた容器シェルから構成 されると共に、入口及び出口手段と、熱的なブレークスルーが生じた場合に、シ ステムを停止させるための、幾つかの温度検知手段とを備えている。前方端の小 さな一次熱酸化器を上述の複雑ではないアフターバーナーと組み合わせることに よって、前方端の大きな一次熱酸化器に伴うコストを避けることができる。また 、開放型の火炎が無いプロセスを使用することに固有の安全性がある。フレーム アウト、及び、他の火炎の安定性の問題が解消される。 従って、本発明の１つの目的は、ＶＯＣ、並びに、ＶＯＣのＮＯ_x燃焼副生物 を、通常の低減技術によって達成しうるレベルと同じレベルあるいはそれ以下ま で、効率的なコストで極力低減するための方法及び装置を提供することである。 他の及び別の目的及び効果は、以下の記載から明らかとなろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の装置及び方法を採用したシステムの概略図である。 図２は、本発明のアフターバーナーの一実施例の概略的な断面図である。 図３は、アフターバーナーの中に２つの異なるマトリックス材料を用いて、本 発明に従って加熱した間の、代表的な燃焼温度に関する時間／距離の関係をプロ ットしたものである。 図４は、アフターバーナーの中に２つの異なるマトリックス材料を用いて、本 発明に従って冷却した間の、代表的な燃焼温度に関する時間／距離の関係をプロ ットしたものである。 好ましい実施例の説明 多孔質の不活性媒体（ＰＩＭ）の中の燃焼の現象に関する重要な研究が最近行 われた。ＰＩＭ燃焼は、通常の予備混合された燃料／空気の可燃性限界の外側で 生ずることができるので、そのような技術は、「フレームレス（ｆｌａｍｅｌｅ ｓｓ）」と呼ばれる。この点に関して、米国特許第４，６８８，４９５号（Ｇａ ｌｌｏｗａｙ）及び第４，８２３，７１１号（Ｋｒｏｎｅｂｅｒｇｅｒら）は、 マトリックス燃焼技術に関する早期の研究を開示している。また、米国特許第５ ，１６５，８８４号（Ｍａｒｔｉｎら）、並びに、１９９２年９月１５日に出願 され、現在係属中の出願シリアルＮｏ．０７／９４５，２１８号（Ｓｔｉｌｇｅ ｒら）は、フレームレス燃焼器に伴う技術を詳細に議論している。発行されたＭ ａｒｔｉｎらの特許、並びに、Ｇａｌｌｏｗａｙ及びＫｒｏｎｅｂｅｒｇｅｒら の特許は、本明細書において参考として含まれる。 次に、同様の参照符号が同様の要素を示している図面を詳細に参照すると、図 １は、大きく変動するフューム流量を制御するためにアフターバーナーを利用し た、本発明の好ましい実施例を概略的に示している。フューム流１０は、一般的 なプロセス流からノックアウトポット１２の中へ供給される。ノックアウトポッ ト１２は、フューム流の中の液体のキャリーオーバー及び凝縮物を液体ドレーン １４を介して除去する。ノックアウトポット１２が、総ての残留液体を除去した 後に、気体状のＶＯＣ流１６は、逆火防止装置１８に通されるのが好ましい。逆 火防止装置１８は、能動的な安全バックアップ装置の役割を果たし、下流側の要 素から上流側のシステムへの逆火を阻止する。 この実施例においては、ノックアウトポット１２及び逆火防止装置１８が設け られているが、本発明の一般的な作用に関しては、いずれも必要なものではない 。例えば、本発明を使用することのできる総ての流れが、凝縮物の除去を必要と するものではない。 気体状のＶＯＣ流は、逆火防止装置１８を通過した後に、フューム流２２を形 成するために追加される可能性のある補助的な希釈空気２０と共に、パイプ２３ 及び入口２５を通って、酸化器すなわちオキシダイザ２４へ進行する。流れ２２ には、非常通気口２６も設けるのが好ましい。酸化器２４は、通常の火炎型の熱 酸化器、触媒酸化器等の如き、熱い排気流を発生する適宜な酸化装置とすること ができる。しかしながら、好ましい実施例においては、上記酸化器２４は、多孔 質不活性媒体マトリックス熱酸化器であり、そのような酸化器は、本明細書に参 考として組み込まれた米国特許第５，１６５，８８４号（Ｍａｒｔｉｎら）、及 び、係属中のシリアルＮｏ．０７／９４５，２１８号（Ｓｔｉｌｇｅｒら）にお いて議論されているタイプの、電気式あるいは燃料燃焼式のものである。 一般に、流れの中のＶＯＣ放出物は、酸化器２４に入ると、通常の運転の間に 実質的に完全に分解されるに十分な滞留時間にわたって、酸化温度まで上昇され る。熱い排気流は、酸化器２４を出口２７から出て、酸化器２４からアフターバ ーナー３０までのダクト２８に入る。流れ２２を制御弁３４を介してアフターバ ーナー３０に直接接続するバイパス３２も設けられている。アフターバーナー３ ０の中のセンサに接続され、上記制御弁３４を制御するように作用する、制御弁 ３５を設けることができる。 酸化された熱ガス３６がアフターバーナー３０を出た後に、安全規則又は他の 規則に合致させるために、燃焼生成物の温度を低下させる必要がある場合には、 気体状の生成ガスは、水クエンチ３８に通されるのが好ましく、次に、必要であ れば、酸性ガススクラバ（酸性ガス洗浄機）４０に通されるのが好ましい。次に 、洗浄された排気ガス４２は、システム全体にわたって若干の真空を維持する誘 引通風ファン４４を用いて、システムから出されるのが好ましい。 図２は、図１に示すように使用されるタイプのアフターバーナー３０の一実施 例を示している。このアフターバーナー３０は、ポート４８、５０を備えた、耐 火物ライニングされた炭素鋼のチャンバ４６から構成されるのが好ましい。ある 種の場合には、追加のポート４９を設けることができる。フューム流に必要とさ れる場合には、チャンバ４６は、耐食性のライニングを有することもできる。 チャンバ４６の大部分は、分解マトリックス５２を構成する不活性のセラミッ ク材料で充填されるのが好ましい。不活性のセラミック材料５１は、プロセスの 混合を促進すると共に、プロセスを安定にするための熱的な慣性をもたらす。そ のような分解マトリックス５２は、１０ｐｐｍＶ（体積基準のｐｐｍ）よりも少 ないＣＯ、及び、２ｐｐｍＶよりも少ないＮＯ_xを有する、９９．９９％よりも 高いＤＲＥを発生するように設計されている。 使用されるマトリックス材料のタイプは、放射、対流及び伝導による高い熱伝 導率を有する必要がある。システムの熱伝達特性は、対流熱伝達に対する放射熱 伝達の割合にも依存する。分解マトリックス５２は、最大の熱保持能力を可能と すると同時に、最大流量条件において最小の圧力降下を生ずるように設計されて いる。 分解マトリックス５２は、必要に応じて、マトリックスの流通断面積、高さ、 材料及び空隙率、並びに、出口温度、及び、補助的な熱の追加を変えることによ り、所望の流れに対して寸法決めすることができる。好ましいマトリックス材料 ５１は、セラミックボールであるが、他のベッド材料及び形態を使用することが でき、特にこらに限定するものではないが、サドル又はポールリングの如き他の ランダムなセラミックパッキング、構造化されたセラミックパッキング、セラミ ック又は金属の発泡体、金属又はセラミックのウール等を挙げることができる。 また、マトリックス材料は、触媒を含むこともできる。 一般に、炭化水素ガスの燃焼に対しては、約０.１５９乃至７．６２ｃｍ（約 ０.０６２５乃至３インチ）、好ましくは、約１.９ｃｍ（約３／４インチ）の直 径を有するセラミックボールが有用である。他の有用な形態は、一般には、０． １５９乃至７.６２ｃｍ（約０.０６２５乃至３インチ）の公称サイズ、好ましく は、約１.２７乃至３．８１ｃｍ（１／２乃至１.５インチ）の公称サイズを有す る、ランダムなセラミックサドルを使用することである。他の有用なパッキング 材料は、約０.１５９乃至７.６２ｃｍ（約０.０６２５乃至３インチ）の直径、 好ましくは、約１.２７乃至３.８１ｃｍ（約０.５乃至１.５インチ）の直径を有 する、ポールリング及びラシヒリングである。 セラミック発泡体材料も使用することができる。代表的な発泡体材料は、１０ 乃至９９％、好ましくは７５乃至９５％、最も好ましくは約９０％の空隙率を有 するものを使用することができる。いずれの好ましいセラミック発泡体材料のポ アサイズも、１ｃｍ当たり約０．０４乃至４００個（１インチ当たり０.１乃至 １,０００個）、好ましくは、１ｃｍ当たり０．４乃至４０個（１インチ当たり 約１乃至１００個）、最も好ましくは、１ｃｍ当たりやく４乃至１２個（１イン チ当たり約１０乃至３０個である。 ハニカム形状のセラミックの如き、他の形状のセラミック材料を使用すること ができる。セラミックの代わりに、ベッドを形成するために使用される耐熱性材 料は、ランダム充填された、あるいは、構造化されたパッキングを有する、金属 とすることもできる。 一般に、分解マトリックス５２の空隙率は、０.３乃至０.９である。また、分 解マトリックスの中の材料は、一般に、４０ｍ²／ｍ³乃至１,０４０ｍ²／ｍ³の 比表面積を有する。 チャンバ４６の中で且つ分解マトリックス５２の上方には、オーバーヘッド空 間５４が設けられるのが好ましい。また、必ずしも必要ではないが、一般的には 、プレナム５６も設けられ、このプレナムは、大きな直径のセラミックボールを 含む異なる深さの１又はそれ以上の層、あるいは、多孔板の如き、耐熱材料から 形 成されるのが好ましく、そのようなプレナムは、分解マトリックス５２の底部に 設けられて、耐熱材料が分解マトリックス５２の下方のパイピングの中に入るの を防止する。フュームが底部の貫通ポート５０においてアフターバーナー３０に 入るように、フローパターンが設定されている場合には、上記プレナム５６は、 入ってくるガスを均一に分布させ、そのようなガスを分解マトリックス５２に入 る前に更に混合するように作用する。これは、分解マトリックス５２を通るガス の流れ方向に対して直交する燃焼波の比較的平坦な断面プロファイルを達成する 役割を果たすものと考えられる。幾つかの場合には、プレナム５６は、分解マト リックス５２の形態に応じて、波の断面積を平坦にするために望ましいものであ る。 フュームが、ポート４８において一緒に、あるいは、ポート４８及び４９を通 って別個にアフターバーナー３０に入るように、フローパターンが設定されてい る場合には、そのようなガスを分配するプリナムの機能は、分解マトリックス５ ２の頂部の上の空隙空間を用いることにより、達成される。上記空隙空間は、フ ローパターンが頂部から底部へ向かう場合、あるいは、底部から頂部へ向かう場 合のいずれの場合でも関係無く存在するのが好ましく、これにより、分解マトリ ックス５２の中に含まれる耐熱材料５１の膨張を許容する。 本発明は、フューム流が頂部から底部へ流れる場合でも、あるいは、底部から 頂部へ流れる場合でも、同じように機能することができる。上記２つの場合にお ける唯一の違いは、ガスの浮揚特性が有することのできる最小の効果である。 また、マトリックス保持機構５８を設けて、マトリックス材料５１及び総ての プリナムボール５６をアフターバーナーチャンバ４６の中に収容し、これにより 、上記マトリックス材料及びプリナムボールが、貫通ポート５０を通ってアフタ ーバーナーの下方のパイピングに入らないようにするのが好ましい。最後に、ア フターバーナー３０は一般に、１又はそれ以上の温度センサ６０を有している。 これらの温度センサ６０は、システムを監視して、適正な運転温度を確実に維持 し、熱的なブレークスルーが生じた場合にはこれを検知することができる。 本発明の好ましい実施例の基本的なことを上に説明した。そのような基本的な 実施例に対して、多くの変形及び追加を加えることもできる。 本発明によれば、公称流量条件においては、フューム流２２は、酸化器２４へ 連続的に運ばれてＶＯＣの分解が行われる。酸化器２４からの熱い排気流２８は 、アフターバーナーの分解マトリックス５２を予熱し、その後、アフターバーナ ーの分解マトリックスの温度を、ＶＯＣ分解を行うのに適したレベルに維持する 役割を果たす。従って、酸化器２４からの熱い排気ガスは、アフターチャンバ（ アフターバーナーのチャンバ）４６の中に残る大きな熱量によって、大流量の処 理を行うための熱い準備−アイドルモードにアフターチャンバ４６を維持する。 過剰な流れ、すなわち、大きな流量条件においては、公称のフューム流量が、 依然として下流側の酸化器２４へ流れるが、公称流量を超える過剰の流れは、制 御弁３４を用いることにより、バイパス３２を介して直接アフターバーナー３０ にバイパスされる。アフターバーナー３０は、バイパスされたフューム流を完全 に酸化するための温度をマトリックス５２に与えるように、フュームの十分な滞 留時間を許容するように設計されている。 全フューム流量が最大設計流量を超えたり、あるいは、全ヒート・バリュー（ 全熱値）が設計最大値を超えるという望ましくない場合には、システム制御装置 ３５が、大気への非常通気口２６を使用する。この非常通気口は一般に、極めて 危険な場合にだけ使用される。 ＶＯＣ放出物は、アフターバーナー３０に入った後に、マトリックス材料５１ の熱によって、７６０乃至１，９２５°Ｃ（１,４００乃至３,５００°Ｆ）、好 ましくは、８４５乃至９８０°Ｃ（１,５５０乃至１，８００°Ｆ）の酸化温度 まで上昇する。次に、ＶＯＣ放出物は、実質的に完全な分解を行うに十分な滞留 時間にわたって、上述のような温度に維持される。通常の運転においては、上記 滞留時間は、２.０秒よりも短いものと予想され、０.５秒よりも短いのが好まし い。 上述の加熱の結果、分解マトリックス５２の中にはフレームレス燃焼波（火炎 のない燃焼波）が生じ、これにより、ＶＯＣ化合物が着火されて酸化され、水及 び二酸化炭素の如き安定な物質になる。上記燃焼波は、該燃焼波の入口側の混合 物入口温度から、ほぼ燃焼波の出口側の混合物の断熱燃焼温度まで、ベッド温度 が急激に上昇することが観察される。この急激な変化は、代表的なアフターバー ナーにおいては、通常数インチの距離にわたって発生し、実際の距離は、供給濃 度、供給速度、ガスの速度分布、ベッド材料、ベッドの物理的性質、供給材料の タイプ等に依存する。流れ方向における熱損失も、燃焼波の長さに影響を与える 。 燃焼温度は、供給濃度、供給速度、ガスの速度分布、ベッドの物理的性質、ベ ッド材料のタイプ、熱損失、及び他のファクタに依存する。 バイパスフューム流が、アフターバーナー３０の中で酸化されている間に、熱 い排気ガスの公称流量も引き続きアフターバーナー３０の中に流入し、分解マト リックス５２に追加の熱を与える。酸化器２４からの熱い流れの中のＶＯＣは既 に酸化されているので、アフターバーナー３０は、そのヒート・バリューを幾分 除去することを除いて、そのような熱い流れに対して殆ど影響を与えない。本発 明によれば、ＶＯＣは、分解マトリックス５２自身の中の反応によって生ずる熱 によっても加熱され、反応の完全性を更に高める。 フューム流量が公称流量まで再度低下すると、アフターバーナー３０に分流さ れたバイパスは、制御弁３４を閉じることによって中断され、総ての流れは、一 次熱酸化器２４へ再度導かれる。次に、一次熱酸化器２４からの熱い排気ガスは 、アフターバーナー３０及び分解マトリックス５２の蓄熱量を補充する。 また、使用するプロセスに応じて、全フューム流を直接アフターバーナー３０ へある時間にわたってバイパスさせることもできる。 制御装置は、アフターチャンバ４６の中に挿入された、１又はそれ以上の熱電 対又は他の温度検知装置６０を含むことができ、これら温度検知装置は、一次制 御装置３５による順次作動を可能とする。順次作動は、アフターバーナーの予熱 が完了が検知された場合、アフターバーナーの温度が、分解を行うのに十分な（ 従って、バイパス流又は過剰の流れの受け入れを許容する）温度である場合、温 度が、分解を行うのに不十分な（アフターバーナーへの流れを遮断して、非常通 気口２６を開く）場合、あるいは、アフターバーナーの温度が高すぎて、アフタ ーバーナー又は下流側の機器に損傷を与える危険性がある場合に依存する。 過剰なフュームを分解マトリックス５２全体にわたって均一に分布させること を更に助けるために、多数のオプションを用いることができる。図２は、２つの ポート４８及び４９を示している。ポート４８は、バイパス３２から来る過剰の 流と酸化器２４からの熱い排気流とが一緒になった複合流に使用することができ る。また、チャンバ自体に２又はそれ以上の別個の入口を設け、例えば、ポート ４９をバイパス流に使用することができる。どのような方法を用いる場合でも、 複合流が分解マトリックス５２の中に入る前に、何等かの混合を行うのが好まし い。そのような混合ゾーンは一般に、上流側のプロセッサと下流側のアフターバ ーナーとの間の絞り部（混合を促進するための）から構成される。他の変形例は 、ダクト２８自体の中に設けられた、又は、マトリックスベッド５２の入口領域 の中に設けられた、インターナル合金ディストリビュータを使用することにより 、あるいは、上記ダクトの中に含まれる混合羽根又は乱流発生器を追加すること により、フュームを注入する工程を含むことができる。 費用有効性を極力高くするために、アフターバーナー３０は、限定された時間 にわたってだけ、過剰な流量条件を処理するような寸法にされる。これにより、 小さなアフターチャンバ４６を使用することができる。このことは、また、アフ ターバーナー３０は、過剰な流量条件を処理する間に、平衡運転ではないことを 意味する。アフターバーナーの熱含量は連続的に不足し、公称流量が再度確立さ れた後には、上流側の熱酸化器の熱い排気ガスからの熱の補充を必要とすること になる。 図３及び図４は、使用されるマトリックス材料のタイプの如き設計上の考慮が 、分解マトリックス５２の必要な軸方向の長さにどのように影響するかを示すグ ラフである。図３においては、５００ｓｃｆｍ（１分間当たりの標準状態におけ る立方フィート）で流れる１,６００°Ｆのガス流を用いて、３６インチの直径 を有する円筒形のアフターバーナーを最初に加熱したデータが、１インチのセラ ミックサドルを用いてマトリックス５２を形成した場合と、０.７５インチのセ ラミックボールを用いてマトリックスを形成した場合に関して、示されている。 プロットした線は、上記２つのマトリックス材料を用いた場合の、ＶＯＣの分解 を行うために一般に望まれる温度である１，４５０°Ｆの温度に関する、時間／ 距離の関係を示している。セラミックサドルを用いたマトリックスの場合に比較 して、小さなセラミックボールを用いたマトリックスを加熱するためには、かな り長い時間を要することが分かる。 図４は、同じ分解マトリックス５２を用いてフュームを分解した場合の、逆の 状況を示している。この図においては、フューム流量は、より少ない公称流量だ けを用いて加熱している間に、アフターバーナー３０を用いて十分に過剰な流れ を分解する概念を模倣するように、１,５００ｓｃｆｍまで増大されている。図 ４に示すタイプの図を用いて、どのような寸法のアフターバーナーが、システム の最適運転のために必要であるかを決定することができる。例えば、図４を参照 すると、３６インチの直径を有するアフターバーナーを用い、また、運転中のシ ステムが受けることになる１,５００ｓｃｆｍの過剰な流量の最大時間を５分間 とした場合には、１インチのセラミックサドルを用いたシステムは、少なくとも 約４２インチの長さを有するアフターバーナーを必要とし、一方、０.７５イン チのセラミックボールを用いたシステムは、１５インチの長さしか必要とせず、 アフターバーナーの少なくとも一部は、少なくとも１，４５０°Ｃの温度に確実 に維持された。 一般に、本発明のシステムは、最大フューム流量においては、そのような最大 流量の予想最大長さよりも、より長い時間にわたって運転することができるよう に設計される。これは、多くのシステムにおいて、０.１乃至２４時間を意味す る。 本発明のアフターバーナーは、上述の米国特許に説明されている熱マトリック スとは少なくとも１つの点に関して異なっていることに注意する必要がある。代 表的な多孔質マトリックスにおいては、最適なマトリックスの形態は、高い空隙 率を有していて、マトリックスの最適な後方輻射及び強制的な対流熱伝達特性を 維持しており、これは、マトリックスの必要とされる断面積を極めて小さくする 役割を果たす。しかしながら、アフターバーナーの適用においては、主要な目的 は、ユニットの前後の圧力降下を極力小さくしながら、熱容量を極力大きくする ことである。これにより、上流側の酸化器も熱マトリックスを使用している場合 には、そのような上流側の熱酸化器で使用されているものとは異なるマトリック ス材料を選択することになる。 上述のユニットは、追加の要素を設けることなく、炭化水素、酸化された炭化 水素、ｐｐｍＶレベルの窒素、硫黄又はハロゲンを含有する炭化水素を含む流れ に対して、使用することができる。フレームレスアフターバーナー３０はまた、 高い濃度の窒化物、硫黄化物、ハロゲン化物を効果的に分解することができるが 、設備されたシステムは、後処理（ＨＣｌ又はＳＯ₂の如き物質を除去するため のスクラバ４０の使用の如き）を必要とすることがある。 本発明のシステムを設計する際には、幾つかの他の考慮すべき事柄がある。例 えば、熱酸化器２４とアフターバーナー３０との間の配管の熱損失、並びに、ア フターチャンバの壁部の熱損失、及び、熱酸化器の排気ガス２８によって供給さ れる熱を検討し、十分な熱が、酸化器の排気ガス２８の中に残って、アフターチ ャンバ４６を運転温度まで加熱するようにすることが重要である。この点に関し て、アフターバーナー３０は、遷移的な及び定常状態の熱損失が考慮される限り 、設計の効率を妥協することなく、酸化器２６に対して適宜な位置に設けること ができる。そのような目的のためには、アフターバーナー３０は、上流側の酸化 器２４を包囲する環状の形態で設けて、酸化器２４からの熱損失を極力少なくし 、これにより、可能な限り小さなシステムにすることができる。しかしながら、 最も実際的な形態は、アフターバーナー３０を酸化器２４の端部に下から当接さ せ、これにより、少なくとも熱が接続する配管の中で損失されないようにするこ とである。 アフターバーナー３０は、図２に示すように、上流側の熱酸化器２４の直ぐ下 に設け、アフターバーナーと熱酸化器との間には、配管が殆ど存在しないように することができる。このようにすると、唯一の配管は、熱酸化器２４の底部から アフターバーナー３０の頂部までの短い配管である。 アフターバーナーを上流側の熱酸化器２４の直ぐ上、あるいは、その上方で且 つ若干側方に設けた場合には、その間にはほんの僅かの配管が依然として存在す る。そのような配管は、熱酸化器２４の頂部、あるいは、その頂部の側部から、 アフターバーナー３０の底部、あるいは、その側部の底部までの短い配管である 。また、アフターバーナー３０が熱酸化器２４に並んでいる場合には、短い配管 は、熱酸化器２４の側部の頂部からアフターバーナー３０の側部の頂部までの配 管である。最後に、アフターバーナー３０が、熱酸化器２４に並んでいる場合に は、配管は、熱酸化器２４の頂部からアフターバーナー３０の頂部までの、若干 長い 配管である。 マトリックス材料の圧力降下及び蓄熱特性を検討し、最小の圧力降下で最大の 蓄熱を得るようにする必要がある。また、アフターバーナー３０に入る、予熱／ 公称流量、及び、過剰な流量のフュームが共に均一な分布になるようにすること も重要である。分解マトリックス５２を通る流通路を効果的に短絡させるように 、システムが構成されている場合には、プロセスで使用される熱量は、効果的に 減少する。 また、アフターバーナーが、該アフターバーナーの中で最大の分解を達成する 温度のＶＯＣ放出物を適正な時間にわたって滞留させるように、アフターバーナ ーを設計することも必要である。 固有の熱含量を殆ど持たない周期的なフューム流は、システムを通過する熱の 「波」の特性を有する、うねった熱プロファイルをアフターバーナーの中に生じ させることになる。この運転特性は、大量の分解マトリックスベッドが適正な酸 化を行う温度に維持され、１つの熱の波が通過することを、制御装置が実際に検 知している、低い運転温度にあるシステムの制御装置が停止することを防止する ために、認識する必要がある。 他の設計上の考慮事項は、上流側の酸化器２４と下流側のアフターバーナー３ ０との間の熱膨張力を許容し、熱酸化器の排気ポート、あるいは、アフターバー ナーの入口ポートに対する損傷を防止することである。 流れ軸線に対して直交するマトリックスベッドの断面は、円形、方形、矩形、 あるいは、他の形状とすることができる。その断面の面積を意図的に変え（すな わち、截頭円錐形あるいは截頭三角柱形のように）、与えられた各々のマトリッ クスの燃焼速度において、広い安定した反応物の体積流量の範囲を得ることがで きる。 本発明は一般に、標準的な燃焼器における温度（約３,５００°Ｆ）よりも十 分に低い温度（１,５５０乃至１,８５０°Ｆ）で作動するので、望ましくないＮ Ｏ_x副生物は殆ど発生しない。 また、マトリックスの中の反応ガスの燃焼速度を観察したところ、自由空気中 の最も速い既知の層流の火炎速度よりも、２乃至１０倍大きいことが分かった。 幾つかの好ましい実施例に関して本発明を説明した。しかしながら、本発明は 、図示し上に説明した実施例に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内 の多くの変形例を有することができる。例えば、予熱機構（電気的、あるいは、 年量燃焼型のヒータの如き）を用いて、システムを稼働させる前に、分解マトリ ックス５２を予熱することができる。これにより、システムは、公称流量を超す フューム流量を即座に受け入れることができる。 従って、本発明の範囲は、上に説明した実施例によって決定されるべきもので はなく、請求の範囲及びその法律的な均等物によって決定されるべきものである 。本発明を以上に説明したが、特許によって保護を望む事項は、添付の請求の範 囲に述べられている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホルスト，マーク・アール アメリカ合衆国カリフォルニア州94518, コンコード，ホームウッド・ドライブ 124 (72)発明者 イー，サムソン・シー アメリカ合衆国カリフォルニア州94536, フリーモント，アードゥー・コート 35405

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プロセスフュームの揮発性有機化合物を分解するための装置であって、 入口及び出口を有する酸化器と、 前記酸化器の入口に接続されるパイプと、 前記酸化器の出口に接続される入口ポートと、出口ポートと、前記入口ポート と前記出口ポートとの間に設けられ、耐熱材料のマトリックスベッドを有する部 分とを含む、アフターバーナーと、 前記アフターバーナーの入口ポートに接続されるバイパスと、 前記バイパスを前記パイプに接続すると共に、前記酸化器に供給される前記パ イプの中のガス流の量、及び、前記バイパスに分流される量を制御することので きる、制御弁とを備えることを特徴とする装置。 ２．請求項１の装置において、前記アフターバーナーが、第２の入口ポートを 更に有しており、前記バイパスが、前記第２の入口ポートに接続されていること を特徴とする装置。 ３．請求項１の装置において、前記制御弁は、設定された量のガス流だけを前 記酸化器の入口に入れるように設定されていることを特徴とする装置。 ４．請求項１の装置において、前記耐熱材料が、セラミックボール、セラミッ クサドル、セラミックのポールリング、セラミックのラシヒリング、セラミック の発泡体、セラミックウール、金属の発泡体、あるいは、金属ウールを含むこと を特徴とする装置。 ５．請求項１の装置において、前記耐熱材料が、触媒を含むことを特徴とする 装置。 ６．請求項１の装置において、前記アフターバーナーが、頂部及び底部を含み 、更に、前記マトリックスベッドと前記アフターバーナーの頂部との間に、空隙 空間を含むことを特徴とする装置。 ７．請求項１の装置において、前記アフターバーナーが、前記入口ポートと前 記マトリックスベッドとの間に位置するプレナムを更に備えることを特徴とする 装置。 ８．請求項１の装置において、１又はそれ以上の温度センサによって検知され る前記マトリックスベッドの中の温度に応答して、前記制御弁を制御するための 制御装置を更に備えることを特徴とする装置。 ９．請求項１の装置において、前記アフターバーナーが、前記酸化器の少なく とも一部を環状に包囲することを特徴とする装置。 １０．ＶＯＣ放出物を含むガス流の１又はそれ以上の供給源と、 入口及び出口を有する酸化器と、 ＶＯＣ放出物を含む前記ガス流を前記酸化器の入口に供給するためのパイピン グ手段と、 前記酸化器の出口に接続される入口ポートと、出口ポートと、前記入口ポート と前記出口ポートとの間に設けられ、耐熱材料のマトリックスベッドを有する部 分とを含む、アフターバーナーと、 ＶＯＣ放出物を含む前記ガス流を前記アフターバーナーの前記入口ポートに供 給するためのバイパス手段と、 ＶＯＣ放出物を含む前記ガス流を、前記酸化器の入口に供給するための手段と 、前記アフターバーナーの入口ポートに供給するための前記バイパス手段との間 で配分するための制御手段とを備えることを特徴とする装置。 １１．請求項１０の装置において、前記アフターバーナーが、第２の入口ポート を更に有しており、前記バイパスが、前記第２の入口ポートに接続されているこ とを特徴とする装置。 １２．請求項１０の装置において、前記制御手段は、ＶＯＣ放出物を含む設定し た量のガス流だけを前記酸化器の入口に供給することを特徴とする装置。 １３．請求項１０の装置において、前記耐熱材料が、セラミックボール、セラミ ックサドル、セラミックのポールリング、セラミックのラシヒリング、セラミッ クの発泡体、セラミックウール、金属の発泡体、あるいは、金属ウールを含むこ とを特徴とする装置。 １４．請求項１０の装置において、前記アフターバーナーが、頂部及び底部を含 み、更に、前記マトリックスベッドと前記アフターバーナーの頂部との間に、空 隙空間を含むことを特徴とする装置。 １５．請求項１０の装置において、前記アフターバーナーが、前記入口ポートと 前記マトリックスベッドとの間に位置するプレナムを更に備えることを特徴とす る装置。 １６．請求項１０の装置において、前記制御手段は、１又はそれ以上の温度セン サによって検知される前記マトリックスベッドの中の温度に応答することを特徴 とする装置。 １７．請求項１０の装置において、前記アフターバーナーが、前記酸化器の少な くとも一部を環状に包囲することを特徴とする装置。 １８．プロセスフュームの揮発性有機化合物を分解するための装置であって、 入口及び出口を有する酸化器と、 前記酸化器の入口に接続されるパイプと、 頂部及び底部を有し、更に、前記酸化器の出口に接続される入口ポートと、出 口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとの間に設けられ、耐熱材料のマ トリックスベッドを有する部分と、前記マトリックスベッドと前記アフターバー ナーの頂部との間の空隙空間と、前記入口ポートと前記マトリックスベッドとの 間に位置するプレナムとを含む、アフターバーナーと、 前記アフターバーナーの入口ポートに接続されるバイパスと、 前記バイパスを前記パイプに接続すると共に、前記酸化器に供給される前記パ イプのガス流の量、及び、前記バイパスに分流される量を制御し、設定された量 のガス流だけが、前記酸化器の入口に入るようにする、制御弁と、 １又はそれ以上のマトリックスベッド温度センサと、 前記温度センサによって検知された前記マトリックスベッドの中の温度に応答 して、前記制御弁を制御するための、制御装置とを備えることを特徴とする装置 。 １９．変動する量のＶＯＣ放出物を含むガス流からＶＯＣ放出物を低減するため の方法であって、 （ａ）公称流量のガス流を酸化器に供給し、これにより、前記公称流量の中の ＶＯＣを熱酸化させて気体状の生成物にする工程と、 （ｂ）前記気体状の生成物を、前記ＶＯＣ放出物の燃焼温度よりも高い温度に ある耐熱材料のマトリックスベッドを有するアフターバーナーに導き、これによ り、熱い気体状の生成物を前記マトリックスベッドに通して、前記耐熱材料に熱 を伝達させる工程と、 （ｃ）公称流量を超える、ＶＯＣ放出物を含むガス流の一部をバイパスし、酸 化器を通過させることなく前記アフターバーナーに流入させる工程と、 （ｄ）バイパスされた前記ガス流の一部を前記アフターバーナーのマトリック スベッドに供給し、これにより、前記バイパスされたガス流の一部の中のＶＯＣ を燃焼させて、燃焼波の中に追加の気体状生成物を生じさせる工程と、 （ｅ）前記気体状生成物、及び、追加の気体状生成物をアフターバーナーの出 口に導く工程とを備えることを特徴とする方法。 ２０．請求項１９の方法において、前記ガス流を前記酸化器又はアフターバーナ ーに供給する前に、前記ガス流から液体を除去する工程を更に備えることを特徴 とする方法。 ２１．請求項１９の方法において、前記アフターバーナーへバイパス流を供給す る前に、気体状生成物の公称流量から伝達される熱を用いて、前記マトリックス ベッドを予熱する工程を更に備えることを特徴とする方法。 ２２．請求項１９の方法において、前記マトリックスベッドの耐熱材料が、触媒 を含むことを特徴とする方法。 ２３．請求項１９の方法において、前記マトリックスベッドの温度を監視する工 程と、前記温度に応じて、バイパスされる前記ガス流の量を制御する工程とを更 に備えることを特徴とする方法。 ２４．請求項１９の方法において、前記マトリックスベッドの温度が、燃焼波に おいて、約７６０°Ｃ乃至約１，９２５°Ｃ（約１，４００°Ｆ乃至約３，５０ ０°Ｆ）に維持されることを特徴とする方法。 ２５．変動する量のＶＯＣ放出物を含むガス流からＶＯＣ放出物を低減するため の方法であって、 （ａ）公称流量のガス流を酸化器に供給し、これにより、前記公称流量の中の ＶＯＣを熱酸化させて気体状の生成物にする工程と、 （ｂ）前記気体状の生成物を、前記ＶＯＣ放出物の燃焼温度よりも高い温度に ある耐熱材料のマトリックスベッドを有するアフターバーナーに導き、これによ り、熱い気体状の生成物を前記マトリックスベッドに通して、前記耐熱材料に熱 を伝達させる工程と、 （ｃ）前記マトリックスベッドの温度が、ＶＯＣの燃焼温度を超えた後に、Ｖ ＯＣ放出物を含む前記ガス流の一部をバイパスし、前記酸化器に通すことなく、 前記アフターバーナーへ供給する工程と、 （ｄ）バイパスされた前記ガス流の一部を前記アフターバーナーのマトリック スベッドに供給し、これにより、前記バイパスされたガス流の一部の中のＶＯＣ を燃焼させて、燃焼波の中に追加の気体状生成物を生じさせる工程と、 （ｅ）前記マトリックスベッドの温度を監視し、該温度に応じて、バイパスさ れる前記ガス流の量を制御し、これにより、燃焼波の中の温度を、約７６０°Ｃ 乃至約１，９２５°Ｃ（約１、４００°Ｆ乃至約３，５００°Ｆ）に維持する工 程と、 （ｆ）前記気体状生成物、及び、追加の気体状生成物をアフターバーナーの出 口に導く工程とを備えることを特徴とする方法。