JP2017089985A - 排ガス処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、純酸素を用いず、空気により火炎を形成し、火炎に処理ガスを混合し比較的低温で処理ガスを加熱する方法も知られている。この場合、窒素酸化物(NOx)の発生は抑制されるが、高温の火炎が必要なPFCsなどの難分解性ガスの分解性能は低下する。また火炎が低温であるために、COが発生する問題を有している。
また、前記断熱混焼方式の特許出願で提案されているように、パイロット火炎を常時形成しておくことで、メイン火炎の安定性は向上するが、除害装置運転中の流入ガス流量の変動等により、メイン火炎の失火とともにパイロット火炎も失火に至ることがある。この場合、失火対策のため、常時スパークプラグを稼働させるためには、自動車に搭載される複雑な制御回路が必要となる。
しかしながら、予混合燃焼は、燃焼器内で発生する生成物の影響で逆火する可能性があるため、パイロット火炎は、火炎安定性が劣るものの、逆火の虞のない先混合燃焼(非予混合火炎)であることが望ましい。
上記バーナによれば、着火源として、パイロットバーナのように失火する虞のない電
気ヒーターを用いているので、高い安全性と信頼性とを備えたバーナを提供することができる。しかしながら、上記従来のバーナには、次のような問題がある。
すなわち、斯かるバーナを半導体製造工程より排出される排ガスを除害処理する除害装置の熱源とした場合、この電気ヒーターには、高温腐食環境下で耐性のある高価な材質を選定する必要がある。また着火失敗後や、燃焼継続が不可能な状況時など、着火を制限したい場合に、ヒーター容量が大きく熱容量が大きいため、爆発などの異常反応を制限し難いという安全上の問題がある。
本発明の好ましい態様によれば、前記パイロットバーナは、前記バーナ本体内の混合気室に連通し該混合気室に燃料を供給する燃料供給管と、前記燃料供給管の周囲に配置され前記混合気室に支燃性ガスを吹き込むための開口とを備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記セラミック発熱素子は、窒化ケイ素からなることを特徴とする。
本発明によれば、円筒状の燃焼室の内周面の接線方向に、燃料(燃料ガス)と支燃性ガス(酸素含有ガス)と処理ガス(排ガス)とを同時に吹き込むことにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。すなわち、燃焼室において、同一の燃焼場で三種混合の円筒状混合火炎を形成して、処理ガスを燃焼させることができる。
本発明によれば、円筒状の燃焼室の内周面の接線方向に、燃料(燃料ガス)と支燃性ガス(酸素含有ガス)と処理ガス(排ガス)とを吹き込むことにより、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する。これにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。すなわち、燃焼室において、三種混合の円筒状混合火炎を形成して、処理ガスを燃焼させることができる。
(1)メイン火炎着火中に常時グロープラグに通電してセラミック発熱素子を1200℃〜1300℃程度に保ち、安定したパイロット火炎を形成しつづけることで、除害装置運転中の流入ガス流量の変動等によるメイン火炎の失火を防止することができる。
(2)パイロットバーナを常時稼働させておくことにより、パイロット火炎が失火した場合にも瞬時にパイロット火炎の再着火が可能となる。
(3)グロープラグを除害装置内の腐食環境から外れた位置に設置しているため、グロープラグの腐食を防止することができる。
(4)グロープラグは、1200℃程度の高温領域を5秒程度の時間で形成できる特徴をもつため、一般のスパークプラグ同様にパイロットバーナ着火用としても使用可能である。スパークプラグの着火には、高電圧発生用に点火トランスが必要で、装置内には高電圧のノイズ対策が必要となるが、グロープラグは低電圧の直流電源のみでよい。
(5)失火対策のため、常時スパークプラグを稼働させるためには、自動車に搭載される複雑な制御回路が必要となるが、グロープラグを使用した場合、低電圧(例えば11V)の直流で常時グロープラグを稼働させることができるため、装置の簡略化、装置コストの低減を図ることができる。
(6)着火源として、腐食環境下に耐性のある高価な材質を用いた電気ヒーターを設ける必要がないため、装置コストの低減を図ることができる。
(7)着火源として電気ヒーターを用いることなくグロープラグを用いているため、着火失敗後や、燃焼継続が不可能な状況時など、着火を制限したい場合に、セラミック発熱素子への通電を停止するだけでよく、セラミック発熱素子は熱容量が極めて小さいため、爆発などの異常反応を容易に制限でき、安全性の高い装置構成を構築できる。
図1は、本発明の排ガス処理装置の燃焼室の構成例を示す模式的断面図である。燃焼室1は、一端(図示例では上端)が閉塞され他端(図示例では下端)が開口した円筒容器状の燃焼室として構成されている。円筒容器状の燃焼室1には、閉塞側端部近傍で燃料(燃料ガス)と支燃性ガス(酸素含有ガス)と処理ガス(排ガス)とが吹き込まれるようになっている。燃焼室1の閉塞側端部には、着火用および失火防止用のパイロットバーナ2が設置されている。なお、図1においては、燃焼室1の下方にある洗浄部などは図示を省略している。
処理ガスの燃焼室1への流入量により、処理ガス(主成分の一つにN2ガスを含む),燃料ガス,支燃性ガスの三種の混合気の組成を燃焼範囲としつつ、ガス処理に必要なガス温度を確保することができる適切な燃料および支燃性ガスの流量を設定する。三種の組成と燃焼範囲との関係を燃料ガスをプロパンとした場合で説明する。支燃性ガスが純酸素で、処理ガスのN2がない場合、混合気に対するプロパン成分%が、燃焼の下限界は2%で、上限界は40%である。支燃性ガスを空気(N2とO2の組成比は79:21)とした場合、混合気に対するプロパン成分%が、燃焼の下限界は2%で上限界は10%であることが知られている。これに処理ガスの主となるN2が加わり、例えばN2とO2の組成比が、85:15となった場合、混合気に対するプロパン成分%が、燃焼の下限界は2%で上限界は6%であることが知られている。なお、燃料ガス(燃料)が都市ガス、天然ガス等の他のガスの場合には、プロパンが燃料ガスである場合と同様の手法により混合気の燃焼範囲を求めればよい。すなわち、燃料ガスと支燃性ガス(酸素と空気)と処理ガスのN2の混合気の組成と燃焼範囲の関係をもとに調整することができる。同一平面上に設置する燃料用ノズル3Aと支燃性ガス用ノズル3Bと処理ガス用ノズル3Cのセットを例えば、2段設置した場合、燃料流量と支燃性ガス流量と処理ガス流量のバランス(組成比)を変え、例えば上段側の処理ガス流入量を減らし、下段側を増やすことで、火炎の安定性を向上させることができる。
(1)燃料用ノズル3Aと支燃性ガス用ノズル3Bと処理ガス用ノズル3Cとが燃料(燃料ガス)と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向へ吹き込んで、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する。
(2)燃焼室に吹き込まれる燃料(燃料ガス)と支燃性ガスと処理ガスのうち、少なくとも1つのガスが燃焼室に最後に吹き込まれて三種混合の旋回流が形成されたときに、三種の混合気の組成が燃焼範囲に到達する。
上記(1)および(2)の条件を満たすことにより、燃焼室1の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎を形成することができるが、三種混合の円筒状混合火炎が形成された後においては、燃料用ノズル3A、支燃性ガス用ノズル3B、処理ガス用ノズル3Cの下流側(後段)に、さらに燃料用ノズル3Aおよび処理ガス用ノズル3Cを設け、これらのノズルから燃料と処理ガスを吹き込むことにより、燃焼温度を向上させ、ガス処理性能を向上させることもできる。
まず、燃焼室1に最初に吹き込まれて旋回流を最初に形成するノズル、すなわち旋回流を開始するノズルとして、燃料用ノズル3A、支燃性ガス用ノズル3B、処理ガス用ノズル3Cのうちどのノズルを選定するかを説明し、選定されたノズルを基準として旋回流の下流側に向かって他のノズルをいかに配置するかについて説明する。
支燃性ガスを空気として、空気比を1.3とした場合、燃料流量の約15倍の空気が必要となる。この場合、燃焼室内の旋回力を支配するのは、空気の流量,流速となる。したがって、図4(a),(b)に示すように、支燃性ガスとしての空気を吹き込む支燃性ガス用ノズル3Bを旋回流を開始するノズルに選定する。旋回流を開始するノズルとして支燃性ガス用ノズル3Bを選定することにより、燃焼室の天板は火炎が形成される直前の支燃性ガスにより冷却されるため、天板の放熱による熱量ロスを低減でき、省エネルギーに寄与する。
図4(a),(b)においては、燃料用ノズル3A、支燃性ガス用ノズル3B、処理ガス用ノズル3Cが円筒状の燃焼室1の軸線に直交する同一平面上に位置している構成を例示したが、3つのノズル3A,3B,3Cを燃焼室1の軸線方向にずらして配置する場合には、図4(a)において支燃性ガス用ノズル3Bを最上段に配置し、下方に向かって処理ガス用ノズル3C、燃料用ノズル3Aの順にずらして配置すればよい。なお、図4(a)に示す断面図では、断面の手前側(前方側)に位置するノズル3Cを仮想線で示している。以下の図面でも同様である。
図5(a),(b)に示すように、下段のセットは、旋回流の最上流側に支燃性ガス用ノズル3Bを配置し、支燃性ガス用ノズル3Bを基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル3C−1、処理ガス用ノズル3C−2、燃料用ノズル3A、処理ガス用ノズル3C−3の順に配置して構成されている。
このように、下段のセットにも、3種のノズル3A、3B、3C−1,3C−2,3C−3を設けることで、ガス混合度が均一化されるため、局所高温部を形成することなく、均一な温度場の火炎を形成することができる。これにより、ガス処理性能は向上しつつ、サーマルNOxの発生を抑制することができる。
図6(a),(b)に示すように、下段のセットは、旋回流の最上流側に処理ガス用ノズル3C−1を配置し、処理ガス用ノズル3C−1を基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル3C−2、燃料用ノズル3A、処理ガス用ノズル3C−3の順に配置して構成されている。
難分解性ガスなどが処理ガスとして燃焼室に流入する場合、支燃性ガスの空気に酸素を追加し、高温の温度場を形成する必要がある。高温の温度場を形成する必要がある場合、上段のセットは、図4(a),(b)のセットと同様の構成にして、下段のセットは図5(a),(b)に示すセットから支燃性ガス用ノズルを除いた図6(a),(b)に示すセットとして、上段のセットにのみ支燃性ガス用ノズルを設ける。火炎の形成位置は、図5(a),(b)に示す下段のセットとした場合よりも旋回上流側に移動し、火炎体積を小さくすることができるため、より高温な温度場を形成できる。
1a 開口
2 パイロットバーナ
3A 燃料用ノズル
3B 支燃性ガス用ノズル
3C,3C−1,3C−2,3C−3 処理ガス用ノズル
5 水供給ノズル
11 バーナ本体
12 燃料供給管
13 円板
13a 開口
13n 開口
14 空気供給管
15 セラミック発熱素子
16 グロープラグ
17 保持部
18 開口
19 接続管
20 循環水タンク
20A,20B 槽
20D 排水口
21 堰
23 バイパス弁(三方弁)
25 冷却部
26 配管
27 スプレーノズル
30 排ガス洗浄部
31 壁部材
32 ガス流路
33A 第1のミストノズル
33B 第1の水膜ノズル
34A 第2のミストノズル
34B 第2の水膜ノズル
40 整流部材
41 ミストノズル
50 シャワーノズル
51 ミストトラップ
52 給水管
53 エダクター
55 水位センサ
AR 空気室
MR 混合気室
P 循環水ポンプ
PF パイロット火炎
V1 開閉弁
V2 排水弁
Claims (7)
- 処理ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置において、
一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状をなし、処理ガスを燃焼する燃焼室と、
前記円筒容器状の燃焼室の閉塞側端部に設けられたパイロットバーナとを備え、
前記パイロットバーナは、燃料と支燃性ガスを個別に供給して燃料と支燃性ガスとの混合気を形成する混合気室と、該混合気室内に設置されて通電により発熱するセラミック発熱素子を有し前記混合気を着火させてパイロット火炎を形成するグロープラグとを備え、
前記パイロットバーナは、前記燃焼室において処理ガスを燃焼処理している間、前記セラミック発熱素子への通電を継続して前記パイロット火炎を形成し続けるように構成されていることを特徴とする排ガス処理装置。 - 前記パイロットバーナは、一端が閉塞され他端が開口した円筒容器状のバーナ本体を備え、前記混合気室は前記バーナ本体内に位置していることを特徴とする請求項1に記載の排ガス処理装置。
- 前記パイロットバーナは、前記バーナ本体内の混合気室に連通し該混合気室に燃料を供給する燃料供給管と、前記燃料供給管の周囲に配置され前記混合気室に支燃性ガスを吹き込むための開口とを備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の排ガス処理装置。
- 前記バーナ本体と前記燃料供給管との間に環状空間を形成し、支燃性ガスを前記環状空間を介して前記開口に供給するようにしたことを特徴とする請求項3に記載の排ガス処理装置。
- 前記セラミック発熱素子は、窒化ケイ素からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
- 前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込む燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルとを備え、
前記燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線に直交する同一平面上に位置していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。 - 前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込む燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルとを備え、
前記燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルは、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込んで、前記燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
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