触媒酸化処理装置および触媒酸化処理方法
【課題】軽量、コンパクトでランニングコストも安く、しかも触媒毒に対しての劣化を抑制することができる触媒酸化処理装置および触媒酸化処理方法を提供する。
【解決手段】排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する処理装置において、上記排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒３ａが排ガス処理方向上流側に設けられるとともに、上記前処理触媒３ａと上記酸化触媒２ａとを結ぶガス流路に、上記前処理触媒からの排ガス温度を下げる冷却手段５が介設されていることを特徴とする。
【解決手段】排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する処理装置において、上記排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒３ａが排ガス処理方向上流側に設けられるとともに、上記前処理触媒３ａと上記酸化触媒２ａとを結ぶガス流路に、上記前処理触媒からの排ガス温度を下げる冷却手段５が介設されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揮発性有機化合物の処理装置に関し、特に、排ガス中に触媒毒が微量含まれる場合においても触媒の劣化を抑制することができ、経済的且つ低コストで処理可能な触媒酸化処理装置および触媒酸化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な産業において、製造工程から排出されるガス中には有害成分や悪臭成分が含まれている場合がある。
【０００３】
例えば、塗装工場、印刷工場、フィルムのラミネート工場などではトルエン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、酢酸エチルなどの揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Volatile Organic Compound）を使用しており、製造装置や設備などからＶＯＣ含有ガスを排出している。
【０００４】
大気汚染防止の観点から、ＶＯＣを使用する工程においては、環境に与える負荷を低減するため、工程から発生するＶＯＣガスをできる限り分解または除去して排出しなければならない。
【０００５】
このようなＶＯＣガス成分を分解または除去するガスの浄化方法としては、ガスを直接、バーナーなどで燃焼する直接燃焼方式、触媒により燃焼を行う触媒燃焼方式、蓄熱材で予熱して燃焼させる蓄熱燃焼方式などが知られている。
【０００６】
上記触媒燃焼方式の装置概略を図１２に示す。
【０００７】
同図に示す触媒燃焼装置は、中温（２５０〜３５０℃程度）で用いられるものであり、排ガス導入口５０から導入された排ガスＥＧは、炉室５１内に配置されたヒータ５２によって加熱された後、触媒５３に導入されて酸化分解され、排ガス排出口５４から放出されるようになっている。
【０００８】
触媒５３で排ガスＥＧを酸化分解するのに用いられた熱は直接燃焼方式に比べて低温である。
【０００９】
直接燃焼方式または触媒燃焼方式において、希薄な可燃成分を処理する場合に望まれることは、放出される排ガス温度を低下させると共に、消費エネルギー量を抑制してランニングコストを低減させることである。
【００１０】
一方、蓄熱燃焼方式は上記した他の燃焼方式と比較してイニシャルコストは高いものの、高い熱回収率を得ることができ（一般に８５％以上）、上記触媒燃焼方式に比べ消費エネルギーを半分程度に抑制できるという利点がある。
【００１１】
図１３は従来の蓄熱燃焼方式の装置概略を示したものである。
【００１２】
同図において、蓄熱燃焼方式では炉室５５に対して二塔のガス流路を設けており、バーナー５６で排ガスを燃焼浄化した後、浄化部の下流側にセラミックハニカムなどの蓄熱材５７を設置することで排熱を吸収するように構成されている。そして、ガス供給方向を反転させる（実線矢印で示すＡ方向から破線矢印で示すＢ方向）ことで、蓄熱材５７に保持された熱を再び炉室５５で利用し、反対側に設けられた蓄熱材５８で排熱を回収する操作を繰り返す（例えば特許文献１参照）。
【００１３】
なお、図中、５９は排ガス導入口（または排ガス排出口）、６０は排ガス排出口（または排ガス導入口）である。
【００１４】
また、上記触媒燃焼方式に用いられる接触酸化分解反応用触媒としては、低温で高い酸化分解活性を有するもの、具体的には、白金などの貴金属を活性成分とし、これをアルミナなどの触媒担体に担持させたものが使用されている。
【００１５】
これらのいわゆる貴金属系触媒は、有機シリコン等の被毒物質に影響されやすく、排ガス中にこれらの被毒物質が微量に混入するだけでも酸化活性が大きく低下するという欠点を有している。しかし、有機シリコン化合物に対し、充分に優れた耐久性を有する触媒の開発はなされていないのが現状である。
【００１６】
そこで触媒劣化防止のため、触媒前段に吸着材を設置することにより有機シリコン化合物を吸着除去する方法が広く採用されている。
【特許文献１】特開平１１―４４４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、一般に、吸着材によって有機シリコン化合物を除去する方法は、吸着材における吸着量が飽和に達すると吸着材の交換、または再生による吸着物の除去が必要となるため、浄化システムの必要性能を維持するには吸着材を定期的に交換しなければならずランニングコストが高くつくという問題があった。
【００１８】
一方、酸化分解過程において昇温されたガスの熱を回収し未処理排ガスの予熱源として再利用する、蓄熱燃焼方式によるガス浄化処理方法は、ランニングコストの面では他のガス浄化処理方法よりも有利であるが、省エネルギーに有効な上記蓄熱燃焼方式も、下記に示す課題を有している。
【００１９】
すなわち、排ガスが保持している熱を蓄熱燃焼方式で有効に吸収しようとしても、顕熱蓄熱材の熱容量が限られているため、高い熱効率を得るためには多量の顕熱蓄熱材が必要となり、結果として装置重量や大きさが拡大してしまい設置場所が限られてしまうこと。加えて、大きな熱容量を有するため、装置が安定するまでに時間がかかるということである。
【００２０】
本発明は、上述した従来の燃焼式ガス浄化装置に係る課題を考慮してなされたものであり、軽量、コンパクトに構成することができてイニシャルコスト、ランニングコストを抑制することができ、しかも有機シリコン化合物等の触媒被毒物質を含有する排ガスに対しても、より長時間、高い浄化率を維持することのできる触媒酸化処理装置および触媒酸化処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
(ａ)触媒酸化処理装置
本発明の触媒酸化処理装置は、排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する触媒酸化処理装置において、前記排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒が、排ガス処理方向上流側に設けられるとともに、前記前処理触媒と前記酸化触媒とを結ぶガス流路に、前記前処理触媒からの排ガス温度を下げる冷却手段が介設されていることを要旨とする（図１（請求項１の対応図）参照）。
【００２２】
前記触媒酸化処理装置では、前記前処理触媒の上流側ガス流路に、加熱手段を設けることができる（図２（請求項２の対応図）参照）。
【００２３】
また、前記冷却手段として、前記前処理触媒の出口排ガスと未処理排ガスとで熱交換を行なう第一熱交換器を備え、未処理排ガスの第一熱交換器出口と前処理触媒入口とをガス流路で接続することができる。（図３（請求項３の対応図）参照）。
【００２４】
この構成に従えば、未処理排ガスとの熱交換で前処理触媒からの排ガスを冷却することにより、冷却手段における冷媒（冷却水）が不要になる。
【００２５】
また、未処理排ガスと前記酸化触媒からの浄化ガスとを熱交換することにより未処理排ガスを加熱する第二熱交換器を有し、未処理排ガスの第二熱交換器出口と前処理触媒入口とをガス流路で接続することができる（図４（請求項４の対応図）参照）。
【００２６】
この構成に従えば、未処理排ガスと酸化触媒出口ガス（清浄排気ガス）を熱交換することにより、前処理触媒の加熱手段が不要、または加熱に要するエネルギーを少なくすることができる。また、酸化触媒出口ガスの温度を下げることができる。
【００２７】
また、前記冷却手段として、前記前処理触媒の出口排ガスと未処理排ガスとで熱交換を行なう第一熱交換器を備えた場合、未処理排ガスの第一熱交換器出口と未処理排ガスの第二熱交換器入口とをガス流路で接続することができる（図５(ａ)（請求項５の対応図）参照）。
【００２８】
この構成に従えば、冷却手段における冷媒（冷却水）を不要にすることができるとともに、前処理触媒の加熱手段が不要、または加熱に要するエネルギーを少なくすることができる。
【００２９】
或いは、未処理排ガスと前記酸化触媒からの浄化ガスとを熱交換する第二熱交換器出口ガスを、前記前処理触媒出口ガスの冷却手段として備えた第一熱交換器入口に導入するためのガス流路で接続し、さらに、第一熱交換器出口の未処理排ガスを前処理触媒入口に導入するガス流路で接続することができる（図５(ｂ)（請求項６の対応図）参照）。
【００３０】
この構成に従えば、冷却手段における冷媒（冷却水）を不要にすることができる。
【００３１】
また、前記第一熱交換器は直交型熱交換器により構成することが好ましい。
【００３２】
また、前記第二熱交換器は直交型熱交換器により構成することが好ましい。
【００３３】
また、未処理排ガスの第一熱交換器出口と前処理触媒入口とを接続しているガス流路に前記加熱手段を設けることができる（図６(ａ)（請求項３に従属する請求項９の対応図）参照）。
【００３４】
或いは、第二熱交換器出口ガスを、前記前処理触媒出口ガスの冷却手段として備えた第一熱交換器入口に導入するためのガス流路で接続し、第一熱交換器出口の未処理排ガスを前処理触媒入口に導入するガス流路に加熱手段を設けることもできる（図６(ｂ)（請求項６に従属する請求項９の対応図）参照）。
【００３５】
この構成に従えば、冷却手段（第一熱交換器）における冷却水を不要にするとともに、前処理触媒の加熱に要するエネルギーを少なくすることができる。
【００３６】
また、未処理排ガスの第二熱交換器出口と前記前処理触媒入口とを接続しているガス流路に前記加熱手段を設けることもできる（図７（請求項４に従属する請求項１０の対応図）、および図８（請求項５に従属する請求項１０の対応図）参照）。
【００３７】
また、前記第二熱交換器の出口排ガス温度または前記酸化触媒入口側の排ガス温度を測定する温度センサを有し、この温度センサによって測定されるガス温度に基づいて前記加熱手段の加熱動作を制御することにより、ガス温度が４００〜７００℃に加熱維持された排ガスを前記前処理触媒に導入するように構成することができる。
【００３８】
(ｂ)触媒酸化処理方法
本発明の触媒酸化処理方法は、排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する処理方法において、前記排ガス中に微量含まれる触媒毒を分解あるいは除去するため、マンガン、アルミニウム、パラジウム、鉄、銅、銀、カルシウム、ナトリウム、コバルト、ニッケル、セリウム、インジウム、タングステン、マグネシウム、錫等の金属または金属酸化物の群から選択される１種以上のものからなる前処理触媒を用い、４００〜７００℃に加熱して、被毒物質の分解あるいは除去を行なった後、引き続き揮発性有機化合物を酸化分解することを要旨とする。
【００３９】
前記触媒酸化処理方法では、前記金属または金属酸化物に代えてゼオライト、活性アルミナ、粘土鉱物等の無機系吸着剤を前処理触媒として用い、微量の触媒毒と揮発性有機化合物を含む排ガスを処理した後の排ガスを、PdまたはPt触媒を用いて酸化処理することができる。上記無機系吸着剤の中でもゼオライトは、比表面積が大きいことから吸着力に優れ、しかも耐熱性に優れているため好ましい。
【００４０】
また、本発明の触媒酸化処理方法は、排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒に未処理排ガスを導入し、前記前処理触媒から排出される排ガスを所定の温度まで冷却し、冷却した排ガスをさらに酸化触媒に導入して排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化分解することを要旨とする。
【００４１】
前記触媒酸化処理方法において、前記所定の温度を２００〜５００℃とすることが好ましい。
【００４２】
また、前記前処理触媒から排出される排ガスと未処理排ガスとを熱交換することによって前記未処理排ガスを加熱し、上記前処理触媒に導入することができる。
【００４３】
また、前記前処理触媒から排出される排ガスの冷却に供せられて加熱した未処理排ガスを、さらに前記酸化触媒から排出される排ガスとの熱交換に使用して、未処理排ガスを予熱し、前記前処理触媒に導入することができる。
【００４４】
また、前記酸化触媒から排出される排ガスと未処理排ガスとを熱交換することによって前記未処理排ガスを加熱し、前記前処理触媒に導入することができる。
【００４５】
また、前記酸化触媒から排出される排ガスと熱交換して加熱された未処理排ガスを、さらに前記前処理触媒から排出される排ガスとの熱交換に使用し、未処理ガスを十分予熱して、前記前処理触媒に導入することができる。
【００４６】
また、前記前処理触媒に導入する未処理排ガスを加熱手段によって加熱した後、前記前処理触媒に導入することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明によれば、軽量、コンパクトでランニングコストも安く、しかも触媒毒に対しての劣化を抑制することができるという長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明に係る触媒酸化処理装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４９】
a. 処理装置の基本構成
図９は、本発明に係る触媒酸化処理装置の構成を示したブロック図である。
【００５０】
同図において、触媒酸化処理装置１は、有機シリコン化合物を微量含むＶＯＣ排ガスを酸化分解するための金属担持した酸化分解触媒（酸化触媒）２ａを充填した触媒層２と、排ガス処理方向においてその触媒層２の上流側に設けられ、排ガス中に含有される有機シリコン化合物を吸着・分解するための前処理触媒３ａを充填した前処理層３と、この前処理層３の上流側に設けられ、前処理触媒３ａの温度を、有機シリコン化合物を分解するのに充分な温度まで加熱する加熱手段４と、前処理層３と触媒層２との間に設けられ、前処理層３で有機シリコン化合物を吸着・分解した後の排ガス温度を、後段の酸化分解触媒２ａにてＶＯＣを酸化分解するのに適した温度まで下げる冷却手段５から主として構成されている。なお、図中、６は排ガス導入口であり、７は排ガス排出口である。
【００５１】
上記触媒層２に充填される酸化分解触媒２ａおよび上記前処理層３に充填される前処理触媒３ａとしては、排ガス中のＶＯＣを酸化分解することができる、例えば、白金、チタン、マンガン、アルミニウム、パラジウム、鉄、銅、銀、カルシウム、ナトリウム、コバルト、ニッケル、セリウム、インジウム、タングステン、マグネシウム、錫等の金属または金属酸化物からなる一般の酸化分解触媒を適用することができる。
【００５２】
また、前記前処理触媒として、ゼオライト、活性アルミナ、粘土鉱物等の無機系吸着剤を用いることもできる。
【００５３】
ＶＯＣ排ガスを触媒で酸化分解させる場合の温度は、触媒の耐久性を考慮して、２５０〜３５０℃の温度（中温）で制御するのが一般的である。しかしながら、排ガス中に微量でも有機シリコン化合物等の触媒毒を含む場合には、上記した温度では、触媒の酸化活性が顕著に低下する。
【００５４】
そこで、有機シリコン化合物については、酸化分解触媒２ａとは別に設けられた前処理触媒３ａで除去するように構成している。有機シリコン化合物をその前処理触媒３ａで有効に除去するためには、４００〜６００℃（高温）で処理することが望ましい。４００℃より低い温度では有機シリコン化合物の酸化分解効率が低下し、また、６００℃を超えると有機シリコンの前処理触媒３ａへの吸着性が低下したり、耐熱性、経済性が低下する等の問題が生じる。
【００５５】
したがって、前処理触媒３ａとしては、高温領域で耐久性に優れる、パラジウム系およびマンガンや銅の酸化物を使用することが好ましい。
【００５６】
また、上記加熱手段４としては、ガス、電気によるヒータを用いることができ、上記冷却手段５としては、冷却水によるガスクーラ（第一熱交換器）を用いることができる。
【００５７】
a-1. 処理動作
上記構成を有する触媒酸化処理装置１によれば、排ガス導入口６から導入された有機シリコン化合物含有ＶＯＣ排ガスＧは、加熱手段４にてその有機シリコン化合物を有効に分解できる温度まで昇温された後、前処理触媒３ａが充填された前処理層３に導入され、有機シリコン化合物が分解処理される。
【００５８】
次いで、前処理層３の前処理触媒３ａの出口排ガスＧ′を冷却手段５に導入することにより、酸化分解触媒２ａでＶＯＣを酸化分解するのに適した温度まで下げ、温度の下げられた排ガスを、酸化分解触媒２ａが充填された触媒層２に導入することにより、ＶＯＣを酸化分解し、処理後の浄化ガスを排ガス排出口７から排出する。
【００５９】
ｂ．処理装置の全体構成
図１０は、触媒酸化処理装置の全体構成を示したブロック図である。
【００６０】
同図に示す全体構成において、触媒酸化処理装置１０は、有機シリコン化合物を微量含むＶＯＣ排ガスを酸化分解するための金属担持した酸化分解触媒２ａを充填した触媒層２と、排ガスの処理方向において上記触媒層２の上流側に設けられ、排ガス中に含有される有機シリコン化合物を吸着・分解するための前処理触媒３ａを充填した前処理層３と、この前処理層３と上記触媒層２の間に介設された第一熱交換器１１と、触媒層２の下流側に配置された第二熱交換器１２と、前処理層３の上流側に設けられ有機シリコン化合物が分解するのに充分な温度に排ガスを加熱するための加熱手段４とを有している。
【００６１】
なお、上記第一および第二熱交換器１１，１２は直交型熱交換器が用いられ、第一熱交換器１１は図９に示した冷却手段５に対応している。
【００６２】
また、図中、６は排ガス導入口であり、７は排ガス排出口である。
【００６３】
また、上記触媒層２に充填される酸化分解触媒２ａおよび上記前処理層３に充填される前処理触媒３ａは、図９で説明したものと同じ若しくは同種の触媒が用いられる。
【００６４】
また、加熱手段４についても図９で説明した加熱手段と同様に、ガス、電気によるヒータで構成することができる。
【００６５】
b-1. 処理動作
排ガス導入口６から導入された、有機シリコン化合物を含有する未処理のＶＯＣ排ガスＧは、前処理触媒３ａを充填した前処理層３の下流であって、酸化分解触媒２ａを充填した触媒層２の上流に設けられた第一熱交換器１１を通過させられる。
【００６６】
第一熱交換器１１を通過した排ガスＧは、次いで、ガス流路１３を介し触媒層２の下流側に設けられた第二熱交換器１２を通過させられた後、ガス流路１４を介して前処理触媒３ａを充填した前処理層３に導入される。
【００６７】
前処理層３に導入された有機シリコン化合物は前処理触媒３ａによって分解処理され、次いで、前処理層３の出口ガスはガス流路１５を介して第一熱交換器１１に導入され、排ガス導入口６から供給される未処理の排ガスＧと熱交換される。
【００６８】
ガス流路１４には加熱手段４が設けられており、有機シリコン化合物を分解処理するのに充分な温度（４００〜７００℃）まで昇温された排ガスが前処理層３に導入されるため、その前処理触媒３ａにおける有機シリコン化合物の吸着・分解により、前処理層３の出口排ガス温度（ガス流路１５における）は、前処理層３の入口排ガス温度よりも高くなる。
【００６９】
工場の生産プロセス等から排出される排ガスＧの温度は、通常３０〜６０℃程度であるため、前処理層３の出口排ガスは、上記第一熱交換器１１にて未処理排ガスＧと熱交換されることにより冷却され、一方、排ガス導入口６から導入された未処理排ガスは昇温される。
【００７０】
このように、第一熱交換器１１で熱交換された有機シリコン化合物分解後のＶＯＣガスは、酸化分解触媒２ａでＶＯＣを分解するのに適した２５０〜３５０℃に冷却され、ガス流路１６を介し触媒層２の酸化分解触媒２ａに導入される。それにより、ＶＯＣが酸化分解されて浄化ガスとなる。
【００７１】
触媒層２における酸化分解にともなう分解熱によって、温度が上昇した浄化ガスは、ガス流路１７を介して触媒層２の下流側に設けられた第二熱交換器１２に導入され、その第二熱交換器１２で熱交換（冷却）され、排気ガスとして大気に放出される。
【００７２】
一方、第二熱交換器１２で熱交換に供せされるもう一方の排ガス（ガス流路１３から供給される）は昇温され、加熱手段４に供給される。加熱手段４では前処理触媒３ａで有機シリコン化合物を十分に吸着・分解処理し得る温度（４００〜７００℃）に排ガスを加熱維持し、前処理層３に導入する。
【００７３】
なお、第一熱交換器１１にて熱交換されることにより昇温した未処理排ガスの温度が、前処理触媒３ａで処理するのに適した温度である場合には、直接、前処理層３に導入することができ（図３参照）、前処理触媒３ａが処理し得る温度に満たない場合には、加熱手段４を介して未処理排ガスの温度を加熱することができる（図６(ａ)参照）。
【００７４】
触媒酸化処理装置１０の各部の処理温度は、ＶＯＣ排ガスの濃度によって変化するが一例を挙げると以下の通りである。
【００７５】
例えば、加熱手段４によって加熱され、前処理層３に導入される排ガス温度が５００℃である場合、前処理層３の出口温度は約５５０℃となる。
【００７６】
次いで排ガスは第一熱交換器１１に導入され、その第一熱交換器１１によって未処理の排ガスＧと熱交換されることにより約３００℃まで冷却される。
【００７７】
冷却された排ガスは次いで、触媒層２に導入され、酸化分解触媒２ａによってＶＯＣが酸化分解され、触媒層２から浄化ガスとして排出される。約７００℃の浄化ガスは、次いで第二熱交換器１２に導入され、約５１０℃まで冷却された後、放出される。
【００７８】
一方、ガス流路１３を介して供給され第二熱交換器１２によって５００℃まで昇温された排ガスは、ガス流路１４を介して加熱手段４に供給され、前処理層３の前処理触媒３ａに供せられる。
【００７９】
なお、第二熱交換器１２によって昇温された排ガス温度が上記したように５００℃であれば、既に、有機シリコン化合物を十分に吸着・分解し得る処理温度に到達しているため、この場合、加熱手段４による加熱動作は必要がない。
【００８０】
すなわち、本実施形態の触媒酸化処理装置１０は、酸化分解後の排ガス温度に応じて加熱手段４を制御するように構成されており、例えば、第二熱交換器１２からの排ガス温度、もしくは前処理触媒３ａに導入する排ガス温度を検知する温度センサを設け、この温度センサから出力される温度信号に基づいて、加熱手段４をＯＮ−ＯＦＦ制御するように構成されている。
【００８１】
詳しくは、第一熱交換器１１の受熱側のガス流路６−１３間、若しくは放熱側のガス流路１５−１６間に第一熱交換器１１のバイパス流路１８を設け（図では受熱側のガス流路６−１３をバイパスするバイパス流路１８を示している）、バイパス流路１８内に自動制御ダンパ１９を設置するとともに、触媒層２への排ガス導入流路１６の温度を検知する温度センサ２０を設け、この温度センサ２０から出力される温度信号に基づいて、自動制御ダンパ１９の開度を制御することで、ガス流路１６の排ガス温度を制御することができる。
【００８２】
また、第二熱交換器１２の受熱側のガス流路１３−１４間、もしくは放熱側のガス流路１７−７間に第二熱交換器１２のバイパス流路２１を設け（図では受熱側のガス流路６−１３をバイパスするバイパス流路２１を示している）、このバイパス流路２１内に自動制御ダンパ２２を設置すると共に、前処理層３への排ガスを導入するガス流路１４の温度を検知する温度センサ２３を設け、この温度センサ２３から出力される温度信号に基づいて、この自動制御ダンパ２２の開度を制御することで、ガス流路１４の排ガス温度を制御することもできる。
【００８３】
なお、図１０では便宜上、選択的に設けられるバイパス流路１８またはバイパス流路２１を同一図面上に記載している。
【００８４】
なお、上記加熱手段はＯＮ−ＯＦＦ制御に限らず、温度センサによって検出される測定温度と予めメモリに設定されている設定温度と比較し、制御量と設定温度と差に比例して加熱手段４を制御するいわゆる比例制御を行なうものであってもよい。
【００８５】
このように、バイパス流路１８、２１を設けてガス流路１６、ガス流路１４を流れる排ガス温度を制御できるように構成すれば、加熱手段４のＯＮ動作を必要最小限にすることができ、それにより、エネルギーを節約することができる。
【００８６】
以上、説明したように、図１０に示す触媒酸化処理装置１０は、ＶＯＣの酸化分解にともなって発生する分解熱を第二熱交換器１２で回収し、補助的な加熱手段４との併用で、前処理触媒３ａでの有機シリコン化合物の分解を行うように構成されている（図８参照）。
【００８７】
また、図１０では、第一熱交換器１１からの排ガスをガス流路１３を通じて第二熱交換器１２に導入したが、第二熱交換器１２を独立して設け未処理排ガスを取り込むように構成することもでき（図４参照）、また、第二熱交換器１２からの排ガスを加熱手段４で加熱した後、前処理層３に導入することもできる（図７参照）。
【００８８】
また、上記した触媒酸化処理装置１０は、基本的にガスの流れがワンパスであって、ガスの流路を切り替えるダンパ類が不要であることから、装置を非常にシンプルに構成することができる。したがって、従来の蓄熱燃焼システムと比較して、コスト的にも有利となる。
【００８９】
さらに、触媒毒に対抗させるための前処理触媒３ａとＶＯＣ分解用の酸化分解触媒２ａとを別々の層に充填するように構成しているため、触媒の充填量が任意に設定でき、触媒交換にかかる労力も少なくて済むという利点がある。
【実施例】
【００９０】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、本発明の評価は、図１０に示す触媒酸化処理装置にて行った。
【００９１】
前処理触媒３ａには活性アルミナを担持した、充填比重０．４５ｇ／ｃｃのセラミックハニカムを適用し、酸化分解触媒２ａにパラジウムを０．４ｗｔ担持した充填比重０．６５ｇ／ｃｃのコージライトハニカムを適応した。
【００９２】
次に、有機シリコン化合物含有ＶＯＣガスＧとしてトルエン３０００ｐｐｍ、ヘキサメチルジシラザン２ｐｐｍを含有した６０℃の空気を排ガス導入口６から１０ｍ３／ｍｉｎの風量で導入し、その際の排ガス導入口６と排ガス排出口７のガス濃度を総炭化水素計により連続して測定し、装置の除去率η（％）の経時変化を確認した。
【００９３】
ここで、除去率η（％）＝（排ガス導入口ガス濃度−排ガス排出口ガス濃度）／排ガス導入口ガス濃度×１００により求まる。
【００９４】
前処理触媒３ａの空間速度ＳＶは４００００（１／ｈｒ）、酸化分解触媒２ａの空間速度は４００００（１／ｈｒ）とし、加熱手段４として電気ヒータを適応し５００℃まで加熱して前処理層３へ導入した。
【００９５】
図１１は除去率の経時変化をグラフに表したものである。
【００９６】
同グラフにおいて、運転開始直後の初期除去率ηは９９．９％と極めて高い性能を示している。このときのガス流路１５の温度は５５０℃となり、第一熱交換器１１へ導入されて熱交換された後のガス流路１６の温度は３００℃となり、このガス温度の排ガスが触媒槽２へ導入される。酸化分解処理後のガス流路１７では７００℃となる。
【００９７】
このように、前処理触媒３ａと酸化分解触媒２ａとに分割し、両者の間で一旦、冷却する事で、酸化分解触媒２ａの入口と出口の温度差を多くすることができる。それにより、ＶＯＣの酸化分解時の昇温が大きくても酸化分解触媒を耐熱温度以下で処理させることが可能となり、排ガスに有機シリコン化合物が含まれていても寿命を延長させる効果が高くなる。また、前処理触媒３ａの温度を５００℃と高くしても、高濃度のＶＯＣの処理が可能となる。
【００９８】
また、第二熱交換器１２へ導入され熱交換後に排ガス排出口７の温度は５１０℃となる。排ガス導入口６より第一熱交換器１１へ導入され熱交換された後、ガス流路１３の排ガス温度は３００℃であり、第二熱交換器１２へ導入され熱交換された後、ガス流路１４の温度は５００℃となる。この段階で熱回収が充分になされているので電気ヒータ（加熱手段）４をフルに使用する必要がなく、電力を大幅に削減することできる。
【００９９】
また、前処理触媒３ａを高温化していることで、除去率が９９％まで低下するのに前処理触媒温度が３００℃では１００ｍｉｎ（グラフ中、Ｃ点の処理時間）であったのに対して、５００℃にすることで４００ｍｉｎ（グラフ中、Ｄ点の処理時間）と約４倍の有機シリコン化合物による酸化分解触媒の寿命を保つことができた。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の触媒酸化処理装置の基本構成を示す模式図である。
【図２】図１の構成に加熱手段を加えた構成を示す模式図である。
【図３】図１の冷却手段として第一熱交換器を備えた構成を示す模式図である。
【図４】図１の構成に第二熱交換器を備えた構成を示す模式図である。
【図５】(ａ)および(ｂ)は、冷却手段として第一熱交換器を備えた構成を示す模式図である。
【図６】(ａ)は図３のガス流路に加熱手段を、(ｂ)は図５(ｂ)のガス流路に加熱手段をそれぞれ設けた構成を示す模式図である。
【図７】図４のガス流路に加熱手段を設けた構成を示す模式図である。
【図８】図５(ａ)のガス流路に加熱手段を設けた構成を示す模式図である。
【図９】本発明に係る触媒酸化処理装置の基本構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明に係る触媒酸化処理装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明による除去率の経時変化を示すグラフである。
【図１２】従来の触媒燃焼方式の概略構成を示す説明図である。
【図１３】従来の蓄熱燃焼方式の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ 触媒酸化処理装置
２ 触媒層
２ａ 酸化分解触媒（酸化触媒）
３ 前処理層
３ａ 前処理触媒
４ 加熱手段
５ 冷却手段
６ 排ガス導入口
７ 排ガス排出口
１０ 触媒酸化処理装置
１１ 第一熱交換器
１２ 第二熱交換器
１３ ガス流路
１４ ガス流路
１５〜１７ ガス流路
１８ バイパス流路
１９ 自動制御ダンパ
２０ 温度センサ
２１ バイパス流路
２２ 自動制御ダンパ
２３ 温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揮発性有機化合物の処理装置に関し、特に、排ガス中に触媒毒が微量含まれる場合においても触媒の劣化を抑制することができ、経済的且つ低コストで処理可能な触媒酸化処理装置および触媒酸化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な産業において、製造工程から排出されるガス中には有害成分や悪臭成分が含まれている場合がある。
【０００３】
例えば、塗装工場、印刷工場、フィルムのラミネート工場などではトルエン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、酢酸エチルなどの揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Volatile Organic Compound）を使用しており、製造装置や設備などからＶＯＣ含有ガスを排出している。
【０００４】
大気汚染防止の観点から、ＶＯＣを使用する工程においては、環境に与える負荷を低減するため、工程から発生するＶＯＣガスをできる限り分解または除去して排出しなければならない。
【０００５】
このようなＶＯＣガス成分を分解または除去するガスの浄化方法としては、ガスを直接、バーナーなどで燃焼する直接燃焼方式、触媒により燃焼を行う触媒燃焼方式、蓄熱材で予熱して燃焼させる蓄熱燃焼方式などが知られている。
【０００６】
上記触媒燃焼方式の装置概略を図１２に示す。
【０００７】
同図に示す触媒燃焼装置は、中温（２５０〜３５０℃程度）で用いられるものであり、排ガス導入口５０から導入された排ガスＥＧは、炉室５１内に配置されたヒータ５２によって加熱された後、触媒５３に導入されて酸化分解され、排ガス排出口５４から放出されるようになっている。
【０００８】
触媒５３で排ガスＥＧを酸化分解するのに用いられた熱は直接燃焼方式に比べて低温である。
【０００９】
直接燃焼方式または触媒燃焼方式において、希薄な可燃成分を処理する場合に望まれることは、放出される排ガス温度を低下させると共に、消費エネルギー量を抑制してランニングコストを低減させることである。
【００１０】
一方、蓄熱燃焼方式は上記した他の燃焼方式と比較してイニシャルコストは高いものの、高い熱回収率を得ることができ（一般に８５％以上）、上記触媒燃焼方式に比べ消費エネルギーを半分程度に抑制できるという利点がある。
【００１１】
図１３は従来の蓄熱燃焼方式の装置概略を示したものである。
【００１２】
同図において、蓄熱燃焼方式では炉室５５に対して二塔のガス流路を設けており、バーナー５６で排ガスを燃焼浄化した後、浄化部の下流側にセラミックハニカムなどの蓄熱材５７を設置することで排熱を吸収するように構成されている。そして、ガス供給方向を反転させる（実線矢印で示すＡ方向から破線矢印で示すＢ方向）ことで、蓄熱材５７に保持された熱を再び炉室５５で利用し、反対側に設けられた蓄熱材５８で排熱を回収する操作を繰り返す（例えば特許文献１参照）。
【００１３】
なお、図中、５９は排ガス導入口（または排ガス排出口）、６０は排ガス排出口（または排ガス導入口）である。
【００１４】
また、上記触媒燃焼方式に用いられる接触酸化分解反応用触媒としては、低温で高い酸化分解活性を有するもの、具体的には、白金などの貴金属を活性成分とし、これをアルミナなどの触媒担体に担持させたものが使用されている。
【００１５】
これらのいわゆる貴金属系触媒は、有機シリコン等の被毒物質に影響されやすく、排ガス中にこれらの被毒物質が微量に混入するだけでも酸化活性が大きく低下するという欠点を有している。しかし、有機シリコン化合物に対し、充分に優れた耐久性を有する触媒の開発はなされていないのが現状である。
【００１６】
そこで触媒劣化防止のため、触媒前段に吸着材を設置することにより有機シリコン化合物を吸着除去する方法が広く採用されている。
【特許文献１】特開平１１―４４４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、一般に、吸着材によって有機シリコン化合物を除去する方法は、吸着材における吸着量が飽和に達すると吸着材の交換、または再生による吸着物の除去が必要となるため、浄化システムの必要性能を維持するには吸着材を定期的に交換しなければならずランニングコストが高くつくという問題があった。
【００１８】
一方、酸化分解過程において昇温されたガスの熱を回収し未処理排ガスの予熱源として再利用する、蓄熱燃焼方式によるガス浄化処理方法は、ランニングコストの面では他のガス浄化処理方法よりも有利であるが、省エネルギーに有効な上記蓄熱燃焼方式も、下記に示す課題を有している。
【００１９】
すなわち、排ガスが保持している熱を蓄熱燃焼方式で有効に吸収しようとしても、顕熱蓄熱材の熱容量が限られているため、高い熱効率を得るためには多量の顕熱蓄熱材が必要となり、結果として装置重量や大きさが拡大してしまい設置場所が限られてしまうこと。加えて、大きな熱容量を有するため、装置が安定するまでに時間がかかるということである。
【００２０】
本発明は、上述した従来の燃焼式ガス浄化装置に係る課題を考慮してなされたものであり、軽量、コンパクトに構成することができてイニシャルコスト、ランニングコストを抑制することができ、しかも有機シリコン化合物等の触媒被毒物質を含有する排ガスに対しても、より長時間、高い浄化率を維持することのできる触媒酸化処理装置および触媒酸化処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
(ａ)触媒酸化処理装置
本発明の触媒酸化処理装置は、排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する触媒酸化処理装置において、前記排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒が、排ガス処理方向上流側に設けられるとともに、前記前処理触媒と前記酸化触媒とを結ぶガス流路に、前記前処理触媒からの排ガス温度を下げる冷却手段が介設されていることを要旨とする（図１（請求項１の対応図）参照）。
【００２２】
前記触媒酸化処理装置では、前記前処理触媒の上流側ガス流路に、加熱手段を設けることができる（図２（請求項２の対応図）参照）。
【００２３】
また、前記冷却手段として、前記前処理触媒の出口排ガスと未処理排ガスとで熱交換を行なう第一熱交換器を備え、未処理排ガスの第一熱交換器出口と前処理触媒入口とをガス流路で接続することができる。（図３（請求項３の対応図）参照）。
【００２４】
この構成に従えば、未処理排ガスとの熱交換で前処理触媒からの排ガスを冷却することにより、冷却手段における冷媒（冷却水）が不要になる。
【００２５】
また、未処理排ガスと前記酸化触媒からの浄化ガスとを熱交換することにより未処理排ガスを加熱する第二熱交換器を有し、未処理排ガスの第二熱交換器出口と前処理触媒入口とをガス流路で接続することができる（図４（請求項４の対応図）参照）。
【００２６】
この構成に従えば、未処理排ガスと酸化触媒出口ガス（清浄排気ガス）を熱交換することにより、前処理触媒の加熱手段が不要、または加熱に要するエネルギーを少なくすることができる。また、酸化触媒出口ガスの温度を下げることができる。
【００２７】
また、前記冷却手段として、前記前処理触媒の出口排ガスと未処理排ガスとで熱交換を行なう第一熱交換器を備えた場合、未処理排ガスの第一熱交換器出口と未処理排ガスの第二熱交換器入口とをガス流路で接続することができる（図５(ａ)（請求項５の対応図）参照）。
【００２８】
この構成に従えば、冷却手段における冷媒（冷却水）を不要にすることができるとともに、前処理触媒の加熱手段が不要、または加熱に要するエネルギーを少なくすることができる。
【００２９】
或いは、未処理排ガスと前記酸化触媒からの浄化ガスとを熱交換する第二熱交換器出口ガスを、前記前処理触媒出口ガスの冷却手段として備えた第一熱交換器入口に導入するためのガス流路で接続し、さらに、第一熱交換器出口の未処理排ガスを前処理触媒入口に導入するガス流路で接続することができる（図５(ｂ)（請求項６の対応図）参照）。
【００３０】
この構成に従えば、冷却手段における冷媒（冷却水）を不要にすることができる。
【００３１】
また、前記第一熱交換器は直交型熱交換器により構成することが好ましい。
【００３２】
また、前記第二熱交換器は直交型熱交換器により構成することが好ましい。
【００３３】
また、未処理排ガスの第一熱交換器出口と前処理触媒入口とを接続しているガス流路に前記加熱手段を設けることができる（図６(ａ)（請求項３に従属する請求項９の対応図）参照）。
【００３４】
或いは、第二熱交換器出口ガスを、前記前処理触媒出口ガスの冷却手段として備えた第一熱交換器入口に導入するためのガス流路で接続し、第一熱交換器出口の未処理排ガスを前処理触媒入口に導入するガス流路に加熱手段を設けることもできる（図６(ｂ)（請求項６に従属する請求項９の対応図）参照）。
【００３５】
この構成に従えば、冷却手段（第一熱交換器）における冷却水を不要にするとともに、前処理触媒の加熱に要するエネルギーを少なくすることができる。
【００３６】
また、未処理排ガスの第二熱交換器出口と前記前処理触媒入口とを接続しているガス流路に前記加熱手段を設けることもできる（図７（請求項４に従属する請求項１０の対応図）、および図８（請求項５に従属する請求項１０の対応図）参照）。
【００３７】
また、前記第二熱交換器の出口排ガス温度または前記酸化触媒入口側の排ガス温度を測定する温度センサを有し、この温度センサによって測定されるガス温度に基づいて前記加熱手段の加熱動作を制御することにより、ガス温度が４００〜７００℃に加熱維持された排ガスを前記前処理触媒に導入するように構成することができる。
【００３８】
(ｂ)触媒酸化処理方法
本発明の触媒酸化処理方法は、排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する処理方法において、前記排ガス中に微量含まれる触媒毒を分解あるいは除去するため、マンガン、アルミニウム、パラジウム、鉄、銅、銀、カルシウム、ナトリウム、コバルト、ニッケル、セリウム、インジウム、タングステン、マグネシウム、錫等の金属または金属酸化物の群から選択される１種以上のものからなる前処理触媒を用い、４００〜７００℃に加熱して、被毒物質の分解あるいは除去を行なった後、引き続き揮発性有機化合物を酸化分解することを要旨とする。
【００３９】
前記触媒酸化処理方法では、前記金属または金属酸化物に代えてゼオライト、活性アルミナ、粘土鉱物等の無機系吸着剤を前処理触媒として用い、微量の触媒毒と揮発性有機化合物を含む排ガスを処理した後の排ガスを、PdまたはPt触媒を用いて酸化処理することができる。上記無機系吸着剤の中でもゼオライトは、比表面積が大きいことから吸着力に優れ、しかも耐熱性に優れているため好ましい。
【００４０】
また、本発明の触媒酸化処理方法は、排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒に未処理排ガスを導入し、前記前処理触媒から排出される排ガスを所定の温度まで冷却し、冷却した排ガスをさらに酸化触媒に導入して排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化分解することを要旨とする。
【００４１】
前記触媒酸化処理方法において、前記所定の温度を２００〜５００℃とすることが好ましい。
【００４２】
また、前記前処理触媒から排出される排ガスと未処理排ガスとを熱交換することによって前記未処理排ガスを加熱し、上記前処理触媒に導入することができる。
【００４３】
また、前記前処理触媒から排出される排ガスの冷却に供せられて加熱した未処理排ガスを、さらに前記酸化触媒から排出される排ガスとの熱交換に使用して、未処理排ガスを予熱し、前記前処理触媒に導入することができる。
【００４４】
また、前記酸化触媒から排出される排ガスと未処理排ガスとを熱交換することによって前記未処理排ガスを加熱し、前記前処理触媒に導入することができる。
【００４５】
また、前記酸化触媒から排出される排ガスと熱交換して加熱された未処理排ガスを、さらに前記前処理触媒から排出される排ガスとの熱交換に使用し、未処理ガスを十分予熱して、前記前処理触媒に導入することができる。
【００４６】
また、前記前処理触媒に導入する未処理排ガスを加熱手段によって加熱した後、前記前処理触媒に導入することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明によれば、軽量、コンパクトでランニングコストも安く、しかも触媒毒に対しての劣化を抑制することができるという長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明に係る触媒酸化処理装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４９】
a. 処理装置の基本構成
図９は、本発明に係る触媒酸化処理装置の構成を示したブロック図である。
【００５０】
同図において、触媒酸化処理装置１は、有機シリコン化合物を微量含むＶＯＣ排ガスを酸化分解するための金属担持した酸化分解触媒（酸化触媒）２ａを充填した触媒層２と、排ガス処理方向においてその触媒層２の上流側に設けられ、排ガス中に含有される有機シリコン化合物を吸着・分解するための前処理触媒３ａを充填した前処理層３と、この前処理層３の上流側に設けられ、前処理触媒３ａの温度を、有機シリコン化合物を分解するのに充分な温度まで加熱する加熱手段４と、前処理層３と触媒層２との間に設けられ、前処理層３で有機シリコン化合物を吸着・分解した後の排ガス温度を、後段の酸化分解触媒２ａにてＶＯＣを酸化分解するのに適した温度まで下げる冷却手段５から主として構成されている。なお、図中、６は排ガス導入口であり、７は排ガス排出口である。
【００５１】
上記触媒層２に充填される酸化分解触媒２ａおよび上記前処理層３に充填される前処理触媒３ａとしては、排ガス中のＶＯＣを酸化分解することができる、例えば、白金、チタン、マンガン、アルミニウム、パラジウム、鉄、銅、銀、カルシウム、ナトリウム、コバルト、ニッケル、セリウム、インジウム、タングステン、マグネシウム、錫等の金属または金属酸化物からなる一般の酸化分解触媒を適用することができる。
【００５２】
また、前記前処理触媒として、ゼオライト、活性アルミナ、粘土鉱物等の無機系吸着剤を用いることもできる。
【００５３】
ＶＯＣ排ガスを触媒で酸化分解させる場合の温度は、触媒の耐久性を考慮して、２５０〜３５０℃の温度（中温）で制御するのが一般的である。しかしながら、排ガス中に微量でも有機シリコン化合物等の触媒毒を含む場合には、上記した温度では、触媒の酸化活性が顕著に低下する。
【００５４】
そこで、有機シリコン化合物については、酸化分解触媒２ａとは別に設けられた前処理触媒３ａで除去するように構成している。有機シリコン化合物をその前処理触媒３ａで有効に除去するためには、４００〜６００℃（高温）で処理することが望ましい。４００℃より低い温度では有機シリコン化合物の酸化分解効率が低下し、また、６００℃を超えると有機シリコンの前処理触媒３ａへの吸着性が低下したり、耐熱性、経済性が低下する等の問題が生じる。
【００５５】
したがって、前処理触媒３ａとしては、高温領域で耐久性に優れる、パラジウム系およびマンガンや銅の酸化物を使用することが好ましい。
【００５６】
また、上記加熱手段４としては、ガス、電気によるヒータを用いることができ、上記冷却手段５としては、冷却水によるガスクーラ（第一熱交換器）を用いることができる。
【００５７】
a-1. 処理動作
上記構成を有する触媒酸化処理装置１によれば、排ガス導入口６から導入された有機シリコン化合物含有ＶＯＣ排ガスＧは、加熱手段４にてその有機シリコン化合物を有効に分解できる温度まで昇温された後、前処理触媒３ａが充填された前処理層３に導入され、有機シリコン化合物が分解処理される。
【００５８】
次いで、前処理層３の前処理触媒３ａの出口排ガスＧ′を冷却手段５に導入することにより、酸化分解触媒２ａでＶＯＣを酸化分解するのに適した温度まで下げ、温度の下げられた排ガスを、酸化分解触媒２ａが充填された触媒層２に導入することにより、ＶＯＣを酸化分解し、処理後の浄化ガスを排ガス排出口７から排出する。
【００５９】
ｂ．処理装置の全体構成
図１０は、触媒酸化処理装置の全体構成を示したブロック図である。
【００６０】
同図に示す全体構成において、触媒酸化処理装置１０は、有機シリコン化合物を微量含むＶＯＣ排ガスを酸化分解するための金属担持した酸化分解触媒２ａを充填した触媒層２と、排ガスの処理方向において上記触媒層２の上流側に設けられ、排ガス中に含有される有機シリコン化合物を吸着・分解するための前処理触媒３ａを充填した前処理層３と、この前処理層３と上記触媒層２の間に介設された第一熱交換器１１と、触媒層２の下流側に配置された第二熱交換器１２と、前処理層３の上流側に設けられ有機シリコン化合物が分解するのに充分な温度に排ガスを加熱するための加熱手段４とを有している。
【００６１】
なお、上記第一および第二熱交換器１１，１２は直交型熱交換器が用いられ、第一熱交換器１１は図９に示した冷却手段５に対応している。
【００６２】
また、図中、６は排ガス導入口であり、７は排ガス排出口である。
【００６３】
また、上記触媒層２に充填される酸化分解触媒２ａおよび上記前処理層３に充填される前処理触媒３ａは、図９で説明したものと同じ若しくは同種の触媒が用いられる。
【００６４】
また、加熱手段４についても図９で説明した加熱手段と同様に、ガス、電気によるヒータで構成することができる。
【００６５】
b-1. 処理動作
排ガス導入口６から導入された、有機シリコン化合物を含有する未処理のＶＯＣ排ガスＧは、前処理触媒３ａを充填した前処理層３の下流であって、酸化分解触媒２ａを充填した触媒層２の上流に設けられた第一熱交換器１１を通過させられる。
【００６６】
第一熱交換器１１を通過した排ガスＧは、次いで、ガス流路１３を介し触媒層２の下流側に設けられた第二熱交換器１２を通過させられた後、ガス流路１４を介して前処理触媒３ａを充填した前処理層３に導入される。
【００６７】
前処理層３に導入された有機シリコン化合物は前処理触媒３ａによって分解処理され、次いで、前処理層３の出口ガスはガス流路１５を介して第一熱交換器１１に導入され、排ガス導入口６から供給される未処理の排ガスＧと熱交換される。
【００６８】
ガス流路１４には加熱手段４が設けられており、有機シリコン化合物を分解処理するのに充分な温度（４００〜７００℃）まで昇温された排ガスが前処理層３に導入されるため、その前処理触媒３ａにおける有機シリコン化合物の吸着・分解により、前処理層３の出口排ガス温度（ガス流路１５における）は、前処理層３の入口排ガス温度よりも高くなる。
【００６９】
工場の生産プロセス等から排出される排ガスＧの温度は、通常３０〜６０℃程度であるため、前処理層３の出口排ガスは、上記第一熱交換器１１にて未処理排ガスＧと熱交換されることにより冷却され、一方、排ガス導入口６から導入された未処理排ガスは昇温される。
【００７０】
このように、第一熱交換器１１で熱交換された有機シリコン化合物分解後のＶＯＣガスは、酸化分解触媒２ａでＶＯＣを分解するのに適した２５０〜３５０℃に冷却され、ガス流路１６を介し触媒層２の酸化分解触媒２ａに導入される。それにより、ＶＯＣが酸化分解されて浄化ガスとなる。
【００７１】
触媒層２における酸化分解にともなう分解熱によって、温度が上昇した浄化ガスは、ガス流路１７を介して触媒層２の下流側に設けられた第二熱交換器１２に導入され、その第二熱交換器１２で熱交換（冷却）され、排気ガスとして大気に放出される。
【００７２】
一方、第二熱交換器１２で熱交換に供せされるもう一方の排ガス（ガス流路１３から供給される）は昇温され、加熱手段４に供給される。加熱手段４では前処理触媒３ａで有機シリコン化合物を十分に吸着・分解処理し得る温度（４００〜７００℃）に排ガスを加熱維持し、前処理層３に導入する。
【００７３】
なお、第一熱交換器１１にて熱交換されることにより昇温した未処理排ガスの温度が、前処理触媒３ａで処理するのに適した温度である場合には、直接、前処理層３に導入することができ（図３参照）、前処理触媒３ａが処理し得る温度に満たない場合には、加熱手段４を介して未処理排ガスの温度を加熱することができる（図６(ａ)参照）。
【００７４】
触媒酸化処理装置１０の各部の処理温度は、ＶＯＣ排ガスの濃度によって変化するが一例を挙げると以下の通りである。
【００７５】
例えば、加熱手段４によって加熱され、前処理層３に導入される排ガス温度が５００℃である場合、前処理層３の出口温度は約５５０℃となる。
【００７６】
次いで排ガスは第一熱交換器１１に導入され、その第一熱交換器１１によって未処理の排ガスＧと熱交換されることにより約３００℃まで冷却される。
【００７７】
冷却された排ガスは次いで、触媒層２に導入され、酸化分解触媒２ａによってＶＯＣが酸化分解され、触媒層２から浄化ガスとして排出される。約７００℃の浄化ガスは、次いで第二熱交換器１２に導入され、約５１０℃まで冷却された後、放出される。
【００７８】
一方、ガス流路１３を介して供給され第二熱交換器１２によって５００℃まで昇温された排ガスは、ガス流路１４を介して加熱手段４に供給され、前処理層３の前処理触媒３ａに供せられる。
【００７９】
なお、第二熱交換器１２によって昇温された排ガス温度が上記したように５００℃であれば、既に、有機シリコン化合物を十分に吸着・分解し得る処理温度に到達しているため、この場合、加熱手段４による加熱動作は必要がない。
【００８０】
すなわち、本実施形態の触媒酸化処理装置１０は、酸化分解後の排ガス温度に応じて加熱手段４を制御するように構成されており、例えば、第二熱交換器１２からの排ガス温度、もしくは前処理触媒３ａに導入する排ガス温度を検知する温度センサを設け、この温度センサから出力される温度信号に基づいて、加熱手段４をＯＮ−ＯＦＦ制御するように構成されている。
【００８１】
詳しくは、第一熱交換器１１の受熱側のガス流路６−１３間、若しくは放熱側のガス流路１５−１６間に第一熱交換器１１のバイパス流路１８を設け（図では受熱側のガス流路６−１３をバイパスするバイパス流路１８を示している）、バイパス流路１８内に自動制御ダンパ１９を設置するとともに、触媒層２への排ガス導入流路１６の温度を検知する温度センサ２０を設け、この温度センサ２０から出力される温度信号に基づいて、自動制御ダンパ１９の開度を制御することで、ガス流路１６の排ガス温度を制御することができる。
【００８２】
また、第二熱交換器１２の受熱側のガス流路１３−１４間、もしくは放熱側のガス流路１７−７間に第二熱交換器１２のバイパス流路２１を設け（図では受熱側のガス流路６−１３をバイパスするバイパス流路２１を示している）、このバイパス流路２１内に自動制御ダンパ２２を設置すると共に、前処理層３への排ガスを導入するガス流路１４の温度を検知する温度センサ２３を設け、この温度センサ２３から出力される温度信号に基づいて、この自動制御ダンパ２２の開度を制御することで、ガス流路１４の排ガス温度を制御することもできる。
【００８３】
なお、図１０では便宜上、選択的に設けられるバイパス流路１８またはバイパス流路２１を同一図面上に記載している。
【００８４】
なお、上記加熱手段はＯＮ−ＯＦＦ制御に限らず、温度センサによって検出される測定温度と予めメモリに設定されている設定温度と比較し、制御量と設定温度と差に比例して加熱手段４を制御するいわゆる比例制御を行なうものであってもよい。
【００８５】
このように、バイパス流路１８、２１を設けてガス流路１６、ガス流路１４を流れる排ガス温度を制御できるように構成すれば、加熱手段４のＯＮ動作を必要最小限にすることができ、それにより、エネルギーを節約することができる。
【００８６】
以上、説明したように、図１０に示す触媒酸化処理装置１０は、ＶＯＣの酸化分解にともなって発生する分解熱を第二熱交換器１２で回収し、補助的な加熱手段４との併用で、前処理触媒３ａでの有機シリコン化合物の分解を行うように構成されている（図８参照）。
【００８７】
また、図１０では、第一熱交換器１１からの排ガスをガス流路１３を通じて第二熱交換器１２に導入したが、第二熱交換器１２を独立して設け未処理排ガスを取り込むように構成することもでき（図４参照）、また、第二熱交換器１２からの排ガスを加熱手段４で加熱した後、前処理層３に導入することもできる（図７参照）。
【００８８】
また、上記した触媒酸化処理装置１０は、基本的にガスの流れがワンパスであって、ガスの流路を切り替えるダンパ類が不要であることから、装置を非常にシンプルに構成することができる。したがって、従来の蓄熱燃焼システムと比較して、コスト的にも有利となる。
【００８９】
さらに、触媒毒に対抗させるための前処理触媒３ａとＶＯＣ分解用の酸化分解触媒２ａとを別々の層に充填するように構成しているため、触媒の充填量が任意に設定でき、触媒交換にかかる労力も少なくて済むという利点がある。
【実施例】
【００９０】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、本発明の評価は、図１０に示す触媒酸化処理装置にて行った。
【００９１】
前処理触媒３ａには活性アルミナを担持した、充填比重０．４５ｇ／ｃｃのセラミックハニカムを適用し、酸化分解触媒２ａにパラジウムを０．４ｗｔ担持した充填比重０．６５ｇ／ｃｃのコージライトハニカムを適応した。
【００９２】
次に、有機シリコン化合物含有ＶＯＣガスＧとしてトルエン３０００ｐｐｍ、ヘキサメチルジシラザン２ｐｐｍを含有した６０℃の空気を排ガス導入口６から１０ｍ３／ｍｉｎの風量で導入し、その際の排ガス導入口６と排ガス排出口７のガス濃度を総炭化水素計により連続して測定し、装置の除去率η（％）の経時変化を確認した。
【００９３】
ここで、除去率η（％）＝（排ガス導入口ガス濃度−排ガス排出口ガス濃度）／排ガス導入口ガス濃度×１００により求まる。
【００９４】
前処理触媒３ａの空間速度ＳＶは４００００（１／ｈｒ）、酸化分解触媒２ａの空間速度は４００００（１／ｈｒ）とし、加熱手段４として電気ヒータを適応し５００℃まで加熱して前処理層３へ導入した。
【００９５】
図１１は除去率の経時変化をグラフに表したものである。
【００９６】
同グラフにおいて、運転開始直後の初期除去率ηは９９．９％と極めて高い性能を示している。このときのガス流路１５の温度は５５０℃となり、第一熱交換器１１へ導入されて熱交換された後のガス流路１６の温度は３００℃となり、このガス温度の排ガスが触媒槽２へ導入される。酸化分解処理後のガス流路１７では７００℃となる。
【００９７】
このように、前処理触媒３ａと酸化分解触媒２ａとに分割し、両者の間で一旦、冷却する事で、酸化分解触媒２ａの入口と出口の温度差を多くすることができる。それにより、ＶＯＣの酸化分解時の昇温が大きくても酸化分解触媒を耐熱温度以下で処理させることが可能となり、排ガスに有機シリコン化合物が含まれていても寿命を延長させる効果が高くなる。また、前処理触媒３ａの温度を５００℃と高くしても、高濃度のＶＯＣの処理が可能となる。
【００９８】
また、第二熱交換器１２へ導入され熱交換後に排ガス排出口７の温度は５１０℃となる。排ガス導入口６より第一熱交換器１１へ導入され熱交換された後、ガス流路１３の排ガス温度は３００℃であり、第二熱交換器１２へ導入され熱交換された後、ガス流路１４の温度は５００℃となる。この段階で熱回収が充分になされているので電気ヒータ（加熱手段）４をフルに使用する必要がなく、電力を大幅に削減することできる。
【００９９】
また、前処理触媒３ａを高温化していることで、除去率が９９％まで低下するのに前処理触媒温度が３００℃では１００ｍｉｎ（グラフ中、Ｃ点の処理時間）であったのに対して、５００℃にすることで４００ｍｉｎ（グラフ中、Ｄ点の処理時間）と約４倍の有機シリコン化合物による酸化分解触媒の寿命を保つことができた。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の触媒酸化処理装置の基本構成を示す模式図である。
【図２】図１の構成に加熱手段を加えた構成を示す模式図である。
【図３】図１の冷却手段として第一熱交換器を備えた構成を示す模式図である。
【図４】図１の構成に第二熱交換器を備えた構成を示す模式図である。
【図５】(ａ)および(ｂ)は、冷却手段として第一熱交換器を備えた構成を示す模式図である。
【図６】(ａ)は図３のガス流路に加熱手段を、(ｂ)は図５(ｂ)のガス流路に加熱手段をそれぞれ設けた構成を示す模式図である。
【図７】図４のガス流路に加熱手段を設けた構成を示す模式図である。
【図８】図５(ａ)のガス流路に加熱手段を設けた構成を示す模式図である。
【図９】本発明に係る触媒酸化処理装置の基本構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明に係る触媒酸化処理装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明による除去率の経時変化を示すグラフである。
【図１２】従来の触媒燃焼方式の概略構成を示す説明図である。
【図１３】従来の蓄熱燃焼方式の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１ 触媒酸化処理装置
２ 触媒層
２ａ 酸化分解触媒（酸化触媒）
３ 前処理層
３ａ 前処理触媒
４ 加熱手段
５ 冷却手段
６ 排ガス導入口
７ 排ガス排出口
１０ 触媒酸化処理装置
１１ 第一熱交換器
１２ 第二熱交換器
１３ ガス流路
１４ ガス流路
１５〜１７ ガス流路
１８ バイパス流路
１９ 自動制御ダンパ
２０ 温度センサ
２１ バイパス流路
２２ 自動制御ダンパ
２３ 温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する触媒酸化処理装置において、
前記排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒が、排ガス処理方向上流側に設けられるとともに、前記前処理触媒と前記酸化触媒とを結ぶガス流路に、前記前処理触媒からの排ガス温度を下げる冷却手段が介設されていることを特徴とする触媒酸化処理装置。
【請求項２】
前記前処理触媒の上流側ガス流路に、加熱手段が設けられている請求項１記載の触媒酸化処理装置。
【請求項３】
前記冷却手段として、前記前処理触媒の出口排ガスと未処理排ガスとで熱交換を行なう第一熱交換器を備え、未処理排ガスの第一熱交換器出口と前処理触媒入口とがガス流路で接続されている請求項１記載の触媒酸化処理装置。
【請求項４】
未処理排ガスと前記酸化触媒からの浄化ガスとを熱交換することにより未処理排ガスを加熱する第二熱交換器を有し、未処理排ガスの第二熱交換器出口と前処理触媒入口とがガス流路で接続されている請求項１記載の触媒酸化処理装置。
【請求項５】
前記冷却手段として、前記前処理触媒の出口排ガスと未処理排ガスとで熱交換を行なう第一熱交換器を備え、未処理排ガスの第一熱交換器出口と未処理排ガスの第二熱交換器入口とがガス流路で接続されている請求項４記載の触媒酸化処理装置。
【請求項６】
未処理排ガスと前記酸化触媒からの浄化ガスとを熱交換することにより未処理排ガスを加熱する第二熱交換器を有し、未処理排ガスの前記第二熱交換器出口と前記第一熱交換器入口がガス流路で接続されている請求項３記載の触媒酸化処理装置。
【請求項７】
前記第一熱交換器が直交型熱交換器により構成されている請求項３〜６のいずれか１項に記載の触媒酸化処理装置。
【請求項８】
前記第二熱交換器が直交型熱交換器により構成されている請求項４〜７のいずれか１項に記載の触媒酸化処理装置。
【請求項９】
未処理排ガスの第一熱交換器出口と前処理触媒入口とを接続しているガス流路に前記加熱手段が設けられている請求項３または６記載の触媒酸化処理装置。
【請求項１０】
未処理排ガスの第二熱交換器出口と前記前処理触媒入口とを接続しているガス流路に前記加熱手段が設けられている請求項４または５に記載の触媒酸化処理装置。
【請求項１１】
前記第二熱交換器の出口排ガス温度または前記酸化触媒入口側の排ガス温度を測定する温度センサを有し、この温度センサによって測定されるガス温度に基づいて前記加熱手段の加熱動作を制御することにより、ガス温度が４００〜７００℃に加熱維持された排ガスを前記前処理触媒に導入するように構成されている請求項２、９または１０に記載の触媒酸化処理装置。
【請求項１２】
排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する処理方法において、
前記排ガス中に微量含まれる触媒毒を分解あるいは除去するため、マンガン、アルミニウム、パラジウム、鉄、銅、銀、カルシウム、ナトリウム、コバルト、ニッケル、セリウム、インジウム、タングステン、マグネシウム、錫等の金属または金属酸化物の群から選択される１種以上のものからなる前処理触媒を用い、４００〜７００℃に加熱して、被毒物質の分解あるいは除去を行なった後、引き続き揮発性有機化合物を酸化分解することを特徴とする揮発性有機化合物の触媒酸化処理方法。
【請求項１３】
前記金属または金属酸化物に代えてゼオライト、活性アルミナ、粘土鉱物等の無機系吸着剤を前処理触媒として用い、微量の触媒毒と揮発性有機化合物を含む排ガスを処理した後の排ガスを、PdまたはPt触媒を用いて酸化処理する請求項１２記載の揮発性有機化合物の触媒酸化処理方法。
【請求項１４】
排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒に未処理排ガスを導入し、前記前処理触媒から排出される排ガスを所定の温度まで冷却し、冷却した排ガスをさらに酸化触媒に導入して排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化分解することを特徴とする触媒酸化処理方法。
【請求項１５】
前記所定の温度を２００〜５００℃とする請求項１４記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１６】
前記前処理触媒から排出される排ガスと未処理排ガスとを熱交換することによって前記未処理排ガスを加熱し、前記前処理触媒に導入する請求項１４または１５に記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１７】
前記前処理触媒から排出される排ガスの冷却に供せられて加熱した未処理排ガスを、さらに前記酸化触媒から排出される排ガスとの熱交換に使用して、未処理排ガスを予熱し、前記前処理触媒に導入する請求項１６記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１８】
前記酸化触媒から排出される排ガスと未処理排ガスとを熱交換することによって前記未処理排ガスを加熱し、前記前処理触媒に導入する請求項１４または１５記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１９】
前記酸化触媒から排出される排ガスと熱交換して加熱された未処理排ガスを、さらに前記前処理触媒から排出される排ガスとの熱交換に使用し、未処理排ガスを十分予熱して前記前処理触媒に導入する請求項１６記載の触媒酸化処理方法。
【請求項２０】
前記前処理触媒に導入する未処理排ガスを加熱手段によって加熱した後、前記前処理触媒に導入する請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１】
排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する触媒酸化処理装置において、
前記排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒が、排ガス処理方向上流側に設けられるとともに、前記前処理触媒と前記酸化触媒とを結ぶガス流路に、前記前処理触媒からの排ガス温度を下げる冷却手段が介設されていることを特徴とする触媒酸化処理装置。
【請求項２】
前記前処理触媒の上流側ガス流路に、加熱手段が設けられている請求項１記載の触媒酸化処理装置。
【請求項３】
前記冷却手段として、前記前処理触媒の出口排ガスと未処理排ガスとで熱交換を行なう第一熱交換器を備え、未処理排ガスの第一熱交換器出口と前処理触媒入口とがガス流路で接続されている請求項１記載の触媒酸化処理装置。
【請求項４】
未処理排ガスと前記酸化触媒からの浄化ガスとを熱交換することにより未処理排ガスを加熱する第二熱交換器を有し、未処理排ガスの第二熱交換器出口と前処理触媒入口とがガス流路で接続されている請求項１記載の触媒酸化処理装置。
【請求項５】
前記冷却手段として、前記前処理触媒の出口排ガスと未処理排ガスとで熱交換を行なう第一熱交換器を備え、未処理排ガスの第一熱交換器出口と未処理排ガスの第二熱交換器入口とがガス流路で接続されている請求項４記載の触媒酸化処理装置。
【請求項６】
未処理排ガスと前記酸化触媒からの浄化ガスとを熱交換することにより未処理排ガスを加熱する第二熱交換器を有し、未処理排ガスの前記第二熱交換器出口と前記第一熱交換器入口がガス流路で接続されている請求項３記載の触媒酸化処理装置。
【請求項７】
前記第一熱交換器が直交型熱交換器により構成されている請求項３〜６のいずれか１項に記載の触媒酸化処理装置。
【請求項８】
前記第二熱交換器が直交型熱交換器により構成されている請求項４〜７のいずれか１項に記載の触媒酸化処理装置。
【請求項９】
未処理排ガスの第一熱交換器出口と前処理触媒入口とを接続しているガス流路に前記加熱手段が設けられている請求項３または６記載の触媒酸化処理装置。
【請求項１０】
未処理排ガスの第二熱交換器出口と前記前処理触媒入口とを接続しているガス流路に前記加熱手段が設けられている請求項４または５に記載の触媒酸化処理装置。
【請求項１１】
前記第二熱交換器の出口排ガス温度または前記酸化触媒入口側の排ガス温度を測定する温度センサを有し、この温度センサによって測定されるガス温度に基づいて前記加熱手段の加熱動作を制御することにより、ガス温度が４００〜７００℃に加熱維持された排ガスを前記前処理触媒に導入するように構成されている請求項２、９または１０に記載の触媒酸化処理装置。
【請求項１２】
排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化触媒により酸化分解する処理方法において、
前記排ガス中に微量含まれる触媒毒を分解あるいは除去するため、マンガン、アルミニウム、パラジウム、鉄、銅、銀、カルシウム、ナトリウム、コバルト、ニッケル、セリウム、インジウム、タングステン、マグネシウム、錫等の金属または金属酸化物の群から選択される１種以上のものからなる前処理触媒を用い、４００〜７００℃に加熱して、被毒物質の分解あるいは除去を行なった後、引き続き揮発性有機化合物を酸化分解することを特徴とする揮発性有機化合物の触媒酸化処理方法。
【請求項１３】
前記金属または金属酸化物に代えてゼオライト、活性アルミナ、粘土鉱物等の無機系吸着剤を前処理触媒として用い、微量の触媒毒と揮発性有機化合物を含む排ガスを処理した後の排ガスを、PdまたはPt触媒を用いて酸化処理する請求項１２記載の揮発性有機化合物の触媒酸化処理方法。
【請求項１４】
排ガス中に微量含まれる触媒毒を除去するための前処理触媒に未処理排ガスを導入し、前記前処理触媒から排出される排ガスを所定の温度まで冷却し、冷却した排ガスをさらに酸化触媒に導入して排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を酸化分解することを特徴とする触媒酸化処理方法。
【請求項１５】
前記所定の温度を２００〜５００℃とする請求項１４記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１６】
前記前処理触媒から排出される排ガスと未処理排ガスとを熱交換することによって前記未処理排ガスを加熱し、前記前処理触媒に導入する請求項１４または１５に記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１７】
前記前処理触媒から排出される排ガスの冷却に供せられて加熱した未処理排ガスを、さらに前記酸化触媒から排出される排ガスとの熱交換に使用して、未処理排ガスを予熱し、前記前処理触媒に導入する請求項１６記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１８】
前記酸化触媒から排出される排ガスと未処理排ガスとを熱交換することによって前記未処理排ガスを加熱し、前記前処理触媒に導入する請求項１４または１５記載の触媒酸化処理方法。
【請求項１９】
前記酸化触媒から排出される排ガスと熱交換して加熱された未処理排ガスを、さらに前記前処理触媒から排出される排ガスとの熱交換に使用し、未処理排ガスを十分予熱して前記前処理触媒に導入する請求項１６記載の触媒酸化処理方法。
【請求項２０】
前記前処理触媒に導入する未処理排ガスを加熱手段によって加熱した後、前記前処理触媒に導入する請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の触媒酸化処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１３６８４１（Ｐ２００９−１３６８４１Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１８７３７（Ｐ２００７−３１８７３７）
【出願日】平成１９年１２月１０日（２００７．１２．１０）
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【出願人】（０００００３１６０）東洋紡績株式会社 (3,622)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１０日（２００７．１２．１０）
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【出願人】（０００００３１６０）東洋紡績株式会社 (3,622)
【Ｆターム（参考）】
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