JP3608633B2

JP3608633B2 - 再生熱酸化装置用の環状空気分配器

Info

Publication number: JP3608633B2
Application number: JP20979195A
Authority: JP
Inventors: トーマス・デイー・ドリスコール; ジエイムズ・テイー・ギヤロー; マイケル・ピー・ルース; デイビツド・エル・ピーターセン
Original assignee: メグテツク・システムズ・インコーポレイテツド
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: US5620668A; JPH08110018A; PL309998A1; CZ207695A3; EP0702195A3; EP0702195A2; HU9502405D0; ZA956683B; CA2156246A1; HUT72685A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
不純物および副産物を制御または除去するための熱酸化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
様々な製造工程で生じる望ましくない不純物および副産物の制御または除去、あるいはその両方は、そのような不純物および副産物がもたらす汚染に鑑みてかなり重要になってきている。このような汚染物質を除去し、あるいは少なくとも低減させる１つの従来型の手法は、それを焼却を介して酸化することである。焼却は、望ましくない化合物を二酸化炭素や水蒸気など無害な気体に転化するのに十分な温度に、かつそのために十分な時間だけ、十分な酸素を含む汚染空気を加熱したときに行われる。
【０００３】
焼却に必要な熱を発生させるのに必要な燃料のコストが高いことに鑑みて、できるだけ多くの熱を回復すると有利である。そのために、米国特許第３８７０４７４号（その開示を引用によって本明細書に合体する）は、２基が所与の時間に動作し、同時に、第３の再生装置が、浄化済み空気の小規模なパージを受けて、未処理の空気または汚染空気が第３の再生装置から燃焼チャンバ内に排出され、そこで汚染物質が酸化される、３基の再生装置を備える熱再生酸化装置を開示している。第１のサイクルが完了した後、汚染空気の流れが、反転して、前に浄化済み空気が排出された再生装置から開始し、汚染空気は、燃焼チャンバに導入される前にこの再生装置を通過する際に予熱される。このように、熱の回復が行われる。
【０００４】
米国特許第３８９５９１８号（その開示を引用によって本明細書に合体する）は、離隔された複数の非並行熱交換層が、中央高温チャンバの周辺の方へ配設された熱再生システムを開示している。工業プロセスによる排気ガスがこれらの層に供給され、層が熱交換セラミック要素で充填される。従来、再生酸化装置の低温面は、構造鋼で支持された平坦な穴あき板で構成されている。構造鋼は通常、空気が交換層を通って流れるように修正されているが、構造鋼による障害によって、交換層を通過する空気流の一様性が低減される。また、平坦な穴あき板および構造鋼は、熱交換媒体の重量を支持しなければならず、故障を伴う。この構成では、塔を通過する流れが反転する前にフラッシュしなければならない大きな容積が熱交換媒体の下方にもたらされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の一目的は、再生酸化装置の低温面の重量支持設計を軽減させ、あるいは不要にし、空気のより一様な分布を推進し、フラッシュすべき容積を低減させ、フラッシングの効果を向上させることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従来技術の問題は、汚染空気などのガスがまず高温熱交換層を通過して、連通する高温酸化（燃焼）チャンバに入り、次いで比較的低温の第２の熱交換層を通過する再生熱酸化装置を提供する本発明によって解決された。この装置は、内部が断熱された燃焼チャンバを上部に備える、内部が断熱されセラミックが充填されたいくつかの熱回復塔を含む。処理空気は、いくつかの油圧制御流量制御弁を含む吸気マニホルドを介して酸化装置に送り込まれる。次いで、空気は環状分配システムを介して熱交換媒体内へ向かう。熱交換媒体は、前の回復サイクルで「蓄えられた」熱を含む。その結果、処理空気は酸化温度に近い温度に加熱される。酸化は、１つまたは複数のバーナが位置する燃焼チャンバを流れが通過したときに完了する。ガスは、ＶＯＣの破壊を完了するのに十分な時間だけ動作温度に維持される。酸化プロセス中に解放される熱は、必要なバーナ出力を低減させる燃料として働く。空気は、燃焼チャンバから垂直下向きに、熱交換媒体を含む他の塔中を流れ、それによって、熱が、後に吸気サイクルで流量制御弁が反転したときに使用できるように媒体中に蓄えられる。この結果得られる清浄な空気は、排気弁を介して排気マニホルドを通過し、吸気よりもわずかに高い温度で大気へ解放され、あるいは酸化装置吸気管へ再循環される。環状供給システムによって、装置中のガスは一様に流れることができ、構造低温面支持体は不要になり、フラッシング容積が大幅に低減される。フラッシング・システムによって、弁プリナム、環状空気隙間、熱交換媒体から大量の残留ＶＯＣを含む空気を除去することができ、このシステムは高ＶＯＣ破壊効率を維持するうえで重大である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の熱酸化装置再生システムは、３基の再生塔から成ることが好ましい。より多い供給流容積を扱うにはより大型の装置が必要なので、塔の数は２の倍数に増加させることができる。燃焼チャンバ当たりに７基よりも少ない塔を使用することが好ましい。供給流容積が７塔システムには多すぎる場合、要件を満たすには、第１のシステムと共に追加システム（燃焼チャンバを含む）を追加し使用することができる。
【０００８】
本発明の再生装置中の流れを図１ないし図６に示す。これらの切取図は、３基の塔、燃焼チャンバ、吸気ヘッダ、排気ヘッダ、およびフラッシング・ヘッダの立面図を表す。図１は、ある任意の時間Ｔ（０）での酸化装置中の流路を表す。塔Ａは、吸気サイクルまたはガス加熱サイクル中である（すなわち、吸気弁２０Ａが開放され、排気弁２１Ａおよびフラッシング弁２２Ａが閉鎖されている）。汚染空気２３は、排気ファン２４、吸気マニホルド、および吸気弁２０Ａを通過することによって再生塔Ａの基部に進入する。汚染空気は次いで、熱交換媒体２５Ａの塔の基部の周りで環状に分散され、穴あきバスケット１６を介して媒体に進入し、垂直上向きにセラミック媒体２５Ａを通過し、塔Ａ中の媒体２５Ａから蓄えられている熱を除去し、そのため空気は、燃焼チャンバ２６に進入するまでに、ほぼ動作温度に加熱されている。酸化装置の吸気を供給するファン２４は、可変速度ファンであり、従来技術の装置で使用される従来型の吸出し通風システムではなく、押込み通風システムを形成するように位置する。押込み通風システムでは、クーラ吸気流中にファンが配置され、その結果、より小型のファンを使用することができる。押込み通風ファンは、弁によって誘発される圧力変動の上流プロセスに対する影響を低減させる緩衝器としても作用する。燃焼チャンバ（図８）中の１つまたは複数のバーナ２８は、空気の温度を上昇させる熱を与える。バーナを操作するための燃焼空気を供給する燃焼送風機ファン４６が提供されている。送風の流れは、バーナの燃焼率を変化させるように燃焼空気配管中のダンパによって調整される。汚染空気は、約１秒間だけ燃焼温度に保持される。汚染空気は次いで、排気サイクルまたはガス冷却サイクル中（すなわち、排気弁２１Ｂが開放され、吸気弁２０Ｂおよびフラッシング弁２２Ｂが閉鎖されている）の塔Ｂに進入する。空気が垂直下向きにセラミック媒体２５Ｂを通過すると、媒体中に熱が蓄えられ、そのため空気は、酸化装置から排出されるまでに、吸気温度よりもわずかに高い温度に冷却される。油圧駆動弁は引き続きサイクルを繰り返し、１基の塔中のセラミック媒体から熱が除去され、別の塔中のセラミック媒体に蓄えられる。
【０００９】
図１で、塔Ｃはフラッシング・サイクル中である（すなわち、フラッシング弁２２Ｃが開放され、吸気弁２０Ｃおよび排気弁２１Ｃが閉鎖されている）。このモードでは、弁プリナム、環状空間、およびセラミック媒体から少量の空気が抜き取られて吸気マニホルド（配管２３）に戻され、したがって、セラミック媒体２５Ｃ、およびセラミック媒体２５Ｃを囲む環状空間に残る汚染空気を吸気マニホルドに戻し、吸気サイクル中の塔（図のサイクル中の塔Ａ）を介して酸化することができる。この特徴がないと、再生塔が吸気モードから排気モードに遷移するたびに、少量の未酸化汚染物質が大気に解放され、すべてのＶＯＣを９９％まで破壊することができなくなる。フラッシング・サイクルが必要になるのは、塔が吸気モードから排気モードに遷移するときだけである。しかし、図１ないし図６を見ると分かるように、塔が遷移するとき必ずフラッシング弁が開放される。これは、一定の流量を維持し、したがって処理排気流中の圧力変動を低減させるために行われる。始動時に設定される手動ダンパを吸気または排出側に有するフラッシング・ファン４５は、すべての流量条件下で一定のフラッシング容積を保証する。
【００１０】
図２ないし図６は、総サイクル中の残りのステップを示す。総サイクルは、すべての６つのステップを完了する時間として定義される。３塔再生熱酸化装置向けの典型的な総サイクル時間は４．５分である。表１は、図１ないし図６に示した総サイクルの各ステップごとの３塔装置中の弁の位置を示す。
【００１１】
【表１】

【００１２】
次に図７を参照すると、典型的な再生塔アセンブリが全体的に１０で示されている。図の塔は、２基でも、３基でも、それより多くてもよい、システムで使用される他の塔を代表するものである。アセンブリ１０は、好ましくはセラミック・ファイバ断熱材１３で断熱された、断熱円筒形外側シェル１２によって画定される。円筒形シェル１２は、断熱底部部材１４を有する。穴あきコーン１５は、以下で説明する目的のために円筒形塔アセンブリ１０の下端に収納される。
【００１３】
塔１０の内側の基部には、ステンレス鋼で構成できる部分的に穴のあいた円筒形低温面バスケット１６がある。バスケット１６の穴３０は、バスケットの下縁から上向きに想像線１７まで延びる。想像線１７の上方の円筒形バスケット１６の残りの部分は中実であり、すなわち穴を有さない。バスケット１６の底部は、環状平板および穴あきコーン１５で形成される。バスケット１６の穴３０は、１平方フィート（約９２９ｃｍ^２）で約５３％の開放面積をもたらす。バスケット１６の穴３０の総開放面積は、断熱材１３の内側の塔の断面積の約５０％に等しい。円筒形バスケット１６の外径は、塔１０の内径よりもわずかに小さく、断熱材の厚さ１３の２倍よりも小さい。深さ５”（１２．７ｃｍ）ないし９”（２２．８６ｃｍ）（酸化装置の寸法に応じる）の環状隙間１８は、バスケット１６の穴なしセクションの上方および下方の断熱材の厚さを変化させることによって形成される。環状隙間１８の高さは、排気弁の寸法に応じて代わるが、一般に排気弁の直径プラス１２”（３０．４８ｃｍ）にほぼ等しくすべきである。環状隙間１８は、円筒形バスケット１６の穴あきセクションの頂部近くの１９で、断熱材の厚さの変化と低温面環状バスケット・キャップ５によって閉鎖される。バスケット・キャップ５は、塔１０の断熱材１３によって所定の位置に保持され、空気の流れがセラミック媒体から迂回するのを妨げるように、バスケット１６の頂部にあるリップの真上を延びる。また、キャップ５は、熱交換媒体がバスケット１６の外径と断熱材１３の内径の間に落下するのを防止し、同時に、バスケット１６が熱膨張できるようにする。
【００１４】
円筒形バスケット１６は、塔１０の基部１４によって支持され、この装置が載るコンクリート基礎によって最終的に支持される、熱交換媒体２５（図８）を含む。その結果、従来、媒体の重量のために故障する可能性が高かった、熱交換媒体構造支持体がない。そのような構造支持体がないため、そのような支持体による空気流の障害がなくなり、フラッシング・サイクル中に必要であった空気の容積の増加が不要になる。熱交換媒体２５は、塔１０の上部６内へ延びるようにバスケット１６よりも高く積み上げることが好ましい。十分に熱を吸収し蓄えることができる適当な熱交換媒体を使用することができる。熱交換媒体２５は、利用可能な固体・気体界面面積を最小限に抑えるように設計されたサドル形状またはその他の形状を有するセラミック耐火材料で構成することが好ましい。
【００１５】
大量のＶＯＣを含むガスは、吸気（ガス加熱）サイクル中の再生塔１０の基部に進入すると、環状隙間１８の周りで一様に分散し、バスケット１６中の穴３０を通過し、やがて塔内の空隙容積全体を充填する。この環状供給システムによって、空気が、他の方法で達成されるよりも均一にセラミック媒体内に分散する。
【００１６】
各塔１０の処理ガス吸気管は基部１４の近くに位置するが、熱交換媒体の未使用容積が層の下部中央にある可能性がある。この可能性をなくすには、この容積を充填するように層の基部に穴あきコーン１５（ステンレス鋼で適切に構成されたもの）を配置する。コーン１５の基部の直径は、バスケット１６の内径よりも約１２”（３０．４８ｃｍ）だけ小さい。コーンの高度は、水平から約３０°である。穴あきコーン１５は、熱交換媒体２５を支持し、コーン１５の下方には熱交換媒体を置かないことが好ましい。
【００１７】
コーン１５の穴は、フラッシング・サイクル中に環状空気隙間１８、弁プリナム、および熱交換媒体２５のフラッシングに関連して使用される。バスケット１６の周りの環状空気隙間１８と、弁プリナムと、熱交換媒体２５の空隙または隙間内から、穴空きコーン１５を介して空気が抜き取られる。このために、フラッシング・ファン４５といくつかの流量制御弁とを含む個別のフラッシング・マニホルドまたはダクトによって、このファン４５の排気管が酸化装置排気ファン２４の吸気管に接続され、このファン４５の吸気管が、各弁プリナムの基部にある接続部上に取り付けられた流量制御弁に接続される。弁プリナムの内側で、穴あき管４０によって弁がコーン１５に連結され、そのため吸気弁２０Ａおよび吸気弁２１Ａが閉鎖されると、その塔上のフラッシング弁２２Ａが開放され、弁プリナム、バスケット１６の周りの環状隙間１８、およびコーン１５内から、大量のＶＯＣを含む空気が抜き取られ、したがって、空気を熱交換媒体２５内から抜き取り、吸気マニホルドへ戻し、吸気サイクル中の再生塔内へ送ることができる。環状空気分散の結果、熱交換媒体の基部の容積が減少し、その結果、フラッシング容積が減少する。当業者なら、所与の任務の特定の要件に依存する、塔の基部内の様々な領域から最適な量の空気を抜き取れるようにするパイプ４０およびコーン１５上の穴の数、形状、および寸法を容易に決定することができよう。たとえば、２０％のフラッシング空気を環状隙間１８から抜き取り、６０％のフラッシング空気をコーン１５、したがって熱交換媒体２５から抜き取り、２０％のフラッシング空気を弁プリナムから抜き取るように分散された１２ｍｍの穴が適当であることが判明している。当業者にはさらに、これらの領域から抜き取るべきフラッシング空気の相対量が、穴の数、形状、または寸法を変更することによって変更できることが認識されよう。
【００１８】
ファン２４が酸化装置の吸気を供給するので、本発明の再生熱酸化装置は、ファンが酸化装置排気側に位置する従来型の「吸出し通風」システムではなく「押込み通風」システムを使用する。押込み通風システムでは、クーラ吸気流中にファンが置かれ、その結果、ファンがより小型である。他の利益は、押込み通風ファンが、弁によって誘発される圧力変動の上流プロセスに対する影響を軽減させる「緩衝器」として働くことである。
【００１９】
本発明の再生装置は、追加塔を使用することによって、約４０００ＳＣＦＭ（標準立法フィート毎分）ないし約１０００００ＳＣＦＭのほぼすべての寸法要件を満たすことができる。１０００００ＳＣＦＭよりも多い量を必要とする応用例は、複数の装置で処理することができる。
【００２０】
塔に含まれる熱交換媒体の量を変更することによって、８５％、９０％、または９５％の熱効率（Ｔ．Ｅ．）を得ることができる。たとえば、８５％Ｔ．Ｅ．装置のおおよその熱交換媒体層深さは３フィート（９１．４４ｃｍ）であり、９０％Ｔ．Ｅ．装置の層深さは６フィート（１８２．８８ｃｍ）であり、９５％Ｔ．Ｅ．装置の層深さは８フィート（２４３．８４ｃｍ）である。標準動作温度の１５００°Ｆ（８１５°Ｃ）が好ましい。ただし、設計温度の１８００°Ｆ（９８２°Ｃ）ないし２０００°Ｆ（１０９３°Ｃ）以上に適応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の再生装置中の総フロー・サイクルの始めを概略的に表す図である。
【図２】本発明の再生装置中の総フロー・サイクルのステップ２を概略的に表す図である。
【図３】本発明の再生装置中の総フロー・サイクルのステップ３を概略的に表す図である。
【図４】本発明の再生装置中の総フロー・サイクルのステップ４を概略的に表す図である。
【図５】本発明の再生装置中の総フロー・サイクルのステップ５を概略的に表す図である。
【図６】本発明の再生装置中の総フロー・サイクルの最終ステップを概略的に表す図である。
【図７】本発明による再生塔アセンブリの断面図である。
【図８】本発明の再生装置の等角図、特に切開図である。

Claims

ガスを浄化する再生酸化装置であって、
上部と下部とを有する複数の再生装置塔であって、そのそれぞれが、熱交換媒体と、吸気手段と、排気手段と、穴あき部と再生装置塔の下部との間に環状隙間を形成するように前記塔の前記下部の内径よりも小さな外径を有する前記穴あき部を有するバスケットとを備える、複数の再生装置塔と、
前記複数の再生装置塔のそれぞれと連通する燃焼チャンバと、
熱を発生させる前記燃焼チャンバ中の手段と、
前記ガスを、第１の方向で前記複数の塔のうちの１つの吸気手段内へ向け、第２の方向で前記複数の塔のうちの別の塔を通過させるように、前記ガスを交互に方向付ける弁手段とを備えることを特徴とする再生酸化装置システム。
前記複数の塔がそれぞれさらに、基部に穴あきコーンを備え、前記穴あきコーンが、前記熱交換媒体を支持し、前記穴あきコーンの下方に容積を画定することを特徴とする請求項１に記載の再生酸化装置システム。
前記穴あきコーンの下方の前記容積に熱交換媒体が含まれないことを特徴とする請求項２に記載の再生酸化装置システム。
前記複数の塔がそれぞれさらに、前記穴あきコーンの下方の前記容積に連通する穴あき管を備えるガス・パージ手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の再生酸化装置。
熱を発生させる前記手段がバーナを備えることを特徴とする請求項１に記載の再生酸化装置システム。
大量のＶＯＣを含む空気を燃焼する方法であって、
それぞれ、熱交換媒体と、吸気手段と、排気手段と、上部と下部とを有する複数の再生装置塔であって、穴あき部と再生装置塔の下部との間に環状隙間を形成するように前記塔の前記下部の内径よりも小さな外径を有する前記穴あき部を有するバスケットとを備える、複数の再生装置塔と、前記複数の再生装置塔のそれぞれと連通する燃焼チャンバと、熱を発生させる前記燃焼チャンバ中の手段と、前記ガスを、第１の方向で前記複数の塔のうちの１つの吸気手段内へ向け、第２の方向で前記複数の塔のうちの別の塔を通過させるように、前記ガスを交互に方向付ける弁手段とを提供することと、
前記吸気手段を介して前記複数の塔のうちの１基に、大量のＶＯＣを含む前記空気を供給することと、
大量のＶＯＣを含む前記空気を前記環状隙間を通過させて前記熱交換媒体に送り込むことと、
大量のＶＯＣを含む前記空気を前記燃焼チャンバで燃焼することと、
前記複数の塔のうちの第２の塔を介して前記燃焼済み空気を排出することとを含むことを特徴とする方法。
さらに、前記熱交換媒体を支持し、穴あきコーン自体の下方に容積を画定する前記穴あきコーンを前記複数の塔のそれぞれの基部に提供することと、前記穴あきコーンの下方の前記容積に連通する穴あき管を備えるガス・パージ手段を提供することと、前記環状隙間、前記穴あきコーンの下方の前記容積、前記弁手段、および前記熱交換媒体間の隙間から空気を抜き取り、前記複数の再生装置塔のうちの別の塔へ前記抜き取った空気を再循環することによって、大量のＶＯＣを含む空気の前記複数の塔のうちの１つをフラッシュすることとを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。