JP6970631B2 - 揮発性有機化合物処理装置の運用方法 - Google Patents

Description

この発明は、揮発性有機化合物を含むガスを排出する前に、ガスから揮発性有機化合物を処理する装置に関する。

工場から発生する排ガスには、そのまま大気中に排出すると問題を起こす揮発性有機化合物が含まれる場合がある。この場合、排ガスを大気中に排出する前に、含有している揮発性有機化合物を処理しなければならない。その方法として、活性炭等の吸着剤を内蔵した吸着塔で、排ガス中に含まれる揮発性有機化合物を吸着剤に吸着させ、ガス中の濃度を低減させて大気へ排出する。その後、吸着塔に水蒸気を導入して吸着剤から揮発性有機化合物を脱着させて吸着塔を再利用可能にするとともに、揮発性有機化合物を処理するという吸脱着方式が一般的である。

これは活性炭が揮発性有機化合物を吸着する吸着量が基本的には温度に依存することを利用している。活性炭が低温であるほど吸着量は多くなり、高温であるほど吸着量は少なくなる。従って、活性炭が低温の状態で吸着させ、脱着させる際には高温にする。活性炭を高温にして脱着させるには、高温の脱着用水蒸気や、燃料を燃焼させた高温ガス、高温ガスの熱量で水を蒸発させて脱着用水蒸気を生成させた後の残存ガスなど、熱量を有するガスを導入することが行われている（特許文献１）。

この吸着塔を用いた揮発性有機化合物処理装置の運用にあたっては、脱着用水蒸気を生成するための燃料がコストの大半を占めているため、できるだけ熱効率を向上させることが望ましい。脱着させた揮発性有機化合物を燃焼させ、その燃焼熱を利用して脱着用水蒸気の生成を補助させ、燃料の消費量を抑制することが検討されている。

一方、吸着塔に導入する排ガスに含まれている揮発性有機化合物が多すぎると、装置負荷が高くなりすぎてしまう。高濃度の揮発性有機化合物を含有する場合は、排ガスは導入前に別の手法であらかじめ揮発性有機化合物の量を削減しておき、それでも残存する揮発性有機化合物について吸着塔を用いることが望ましい。特許文献２には、ガスの露点温度に応じて適切な温度にまで予め冷却する温度制御を行った上でガスを導入することが提案されている。

特開２０１４−１６８７４１号公報 特開２０１４−５２６号公報

この発明は、揮発性有機化合物処理装置の運用にあたって、作業効率を維持しながら蒸気の運用にかかるエネルギーや負荷をさらに低減させることを目的とする。

この発明は、
揮発性有機化合物を吸着する活性炭を充填する吸着剤収容部を有する吸着塔により、揮発性有機化合物含有ガスの揮発性有機化合物濃度を前記活性炭に吸着させることで減少させ、
吸着後は高温のガスを接触させて前記活性炭から上記揮発性有機化合物を脱着させる揮発性有機化合物処理装置を運用するにあたり、
前記吸着塔内には内部の気体温度を測定可能な温度計が備えてあり、
前記高温のガスとして脱着用水蒸気を用い、
導入する揮発性有機化合物含有ガスの温度を測定し、
前記温度が低いほど、導入する脱着用水蒸気の量を抑制する
運用方法により、上記の課題を解決したのである。

これは次のような新たな知見に基づくものである。一旦吸着を終えた活性炭の吸着性能を十分に復活させるためには、十分な脱着が必要であるため、加熱目標温度は一律に設定することが一般的であった。しかし、吸着を低温環境で行う場合にはその性質上十分な吸着量が見込めるため、吸着性能を復活させるために脱着を徹底させる必要はなく、必要とする加熱量を削減できることがわかった。その上で、水蒸気を用いる場合は空気などのガスを用いる場合とは昇温に必要なガスの量が特異的に異なることが確かめられた。

従来は季節に拘わらず夏季の運用と同じ温度にまで活性炭を加熱して脱着させていたが、冬季は活性炭も導入される揮発性有機化合物含有ガスも低温になり、吸着できる量は夏季よりも向上する。すると、脱着を徹底しておかなくても活性炭を外気温によって十分冷却しておけば、必要とする吸着量を確保することができる。

特に、吸着温度が３０℃前後の場合と、３５℃前後の場合とでは、わずかな温度差であるにも拘わらず、必要な脱着率を確保するために必要な水蒸気の量が大きく異なることを見出した。３５℃前後の場合に必要とする水蒸気の量を基準として比べると、３０℃前後の場合に必要な水蒸気の量は、２／３以下から半分近くにまで低減できることが見出された。さらに低温の環境では、３０℃前後までの低減傾向よりも温度低下量に比べた水蒸気の低減幅は小さくはなるが、３０℃前後までの急激な低減傾向にさらに加えて低減できるため、３５℃前後の環境に比べての低減幅はさらに拡大する。従って、冬季に限らず春季や秋季のような、夏季との温度の違いがそれほど大きくない時期での吸着環境であっても、その吸着の際のわずかな違いによって生じる、必要な蒸気量の違いを、３５℃前後と３０℃前後との間の特異的違いを踏まえて決定することで、蒸気量を大幅に削減することができる。

この発明により、脱着用水蒸気の生成に必要とする燃料等のエネルギーを削減でき、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる。

この発明にかかる運用方法を実行する揮発性有機化合物処理装置の構成例図

以下、この発明の実施形態を説明する。この発明は、揮発性有機化合物含有ガスの濃度を低減させて大気中へ排出可能とし、その分の揮発性有機化合物を吸着剤に吸着させる揮発性有機化合物の処理装置１０の運用方法である。この処理装置１０で吸着を行う吸着塔１１は吸着剤として活性炭を有し、吸着された揮発性有機化合物は加熱した水蒸気と接触させることで吸着剤から脱着させて、吸着剤を繰り返し利用できる。脱着させた揮発性有機化合物は回収して加熱した水蒸気を得るための燃料として使用する。図１はこれらの一連のサイクルを行う処理装置１０の全体像の例を示す。

この発明にかかる運用方法で運用する処理装置で処理する揮発性有機化合物とは、常圧で加熱することで気体になり得る有機化合物であり、特に常温で液体であるものが吸着処理しやすい。例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の炭素数が１〜８程度のアルコール、トルエン、ベンゼンなどの芳香族有機化合物などの、炭化水素系の溶剤が挙げられる。

個々の吸着塔１１は角形又は円筒形であり、装置内部には、揮発性有機化合物を吸着し、加熱により脱着できる吸着剤を充填させた吸着剤収容部１２を設けてある。この吸着剤としては、粒状活性炭を用いることができる。吸着塔１１の内部を上下方向に通過するためには、必ず吸着剤収容部１２を通過しなければならない。吸着剤収容部１２の底面と上面はどちらも吸着塔１１内に格納されている。

吸着塔１１の活性炭を収容する吸着剤収容部１２には温度計１３が設けられてあり、後述するコントロールバルブ２４に接続されている。

吸着塔１１の吸着剤収容部１２より上端側には、揮発性有機化合物含有ガスＡの導入口１７が設けてあり、原ガスブロワ１４によって生じた圧力によって揮発性有機化合物含有ガスＡが導入される。吸着剤収容部１２より下端側には、揮発性有機化合物が吸着剤に吸着されることでその濃度が低下した処理後ガスＢの排出口１８が設けてある。排出口１８は大気中へ放出するものである。

また、吸着塔１１の吸着剤収容部１２の下端よりも下に、脱着用水蒸気Ｆの水蒸気供給口２５が設けてある。また、揮発性有機化合物を脱着した水蒸気有機化合物同伴ガスＫを抜き出すための水蒸気排出口２６が、吸着剤収容部１２の上端よりも上端側に設けてある。この水蒸気排出口２６から水蒸気有機化合物同伴ガスＫが搬送される。

水蒸気有機化合物同伴ガスＫは、コンデンサ１５に供給されて冷却水Ｐにより冷却される。冷却により水蒸気有機化合物同伴ガスＫに含まれていた揮発性有機化合物を分離回収し（回収有機化合物Ｑ）、残りのガスは排気Ｒとする。

それぞれの吸着塔１１への入口及び出口にはバルブが設けてある。すなわち、導入口１７にはバルブ２１を、排出口１８にはバルブ２２を、水蒸気排出口２６にはバルブ２３をそれぞれ設けてある。また、水蒸気供給口２５にはコントロールバルブ２４が設けてある。

揮発性有機化合物含有ガスＡを処理する吸着工程では、バルブ２１とバルブ２２を開放し、バルブ２３とコントロールバルブ２４とを閉鎖して、原ガスブロワ１４にて導入口１７から揮発性有機化合物含有ガスＡを活性炭１２に通気する。このとき、温度計１３で吸着開始時の温度を測定しておく。この温度は基本的に活性炭１２の温度であり、揮発性有機化合物含有ガスＡの温度でもある。十分に吸着塔１１が冷却されており、揮発性有機化合物含有ガスＡの濃度が５０〜１０００ｐｐｍ程度であれば、この温度は運用時にほぼ等しくなるため同視できる。

活性炭１２が揮発性有機化合物を吸着し、揮発性有機化合物を除去された処理後ガスＢが排出口１８から排出される。活性炭１２が十分に揮発性有機化合物を吸着し、算出される吸着量が許容値を超えた時点で、吸着を停止し、脱着工程へと切り替える。

脱着工程では、吸着工程とは逆にバルブ２１，２２を閉鎖し、バルブ２３及びコントロールバルブ２４を開放して、脱着用水蒸気Ｆを活性炭に接触させる。このとき、コントロールバルブ２４の開放量、すなわち脱着用水蒸気Ｆの供給量を、先に測定した吸着開始時における温度計１３の値に応じて調整する。具体的には、吸着工程での前記温度計１３の値が低いほど、導入する脱着用水蒸気Ｆの量を抑制する。吸着時の温度が低いほど、吸着できる揮発性有機化合物の量が多くなるため、脱着工程後に再度吸着工程を行うにあたって、脱着を徹底していなくても、吸着工程に必要なだけの潜在的吸着量を確保できるようになるからである。すなわち、吸着開始時の温度が低い場合には、脱着用水蒸気Ｆの量を抑制でき、脱着用水蒸気Ｆを生成するために必要な燃料の消費を抑制でき、装置の運用負荷を低下させることができる。

ただし、この調整値は一般的なガスの吸着等温線に従って決定するのではなく、吸着塔の性質毎に、温度毎の吸着量及び脱着量を測定した上で行うことが好ましい。脱着用水蒸気Ｆを用いた脱着の場合は、水蒸気ではないガスにおける吸着等温線の挙動には従わないことが確認されており、好適な運用のためには、処理するガスの除去率として８０％以上、望ましくは９０％となるように、それに見合う蒸気量を供給することが望ましい。

そのように十分な除去率を実現するだけの脱着に必要な蒸気量は、吸着温度が３５℃前後の場合を基準とすると、吸着温度が３０℃前後の場合には急激に減少する。３５℃前後と３０℃前後との間に必要蒸気量が特異的に変化する特異点があると考えられる。そこで、吸着温度の条件として、３４℃以上と３１℃以下とを区別する。３４℃以上は前記の３５℃前後の状況に対応し、夏季における運用に対応する。この夏季基準となる吸着温度としては３４℃以上３７℃以下が好ましい。

吸着温度が３１℃以下である場合、前記夏季基準の際に十分な除去率を実現するために供給する蒸気量Ｖsummerに対して、２／３以下の蒸気量Ｖexで十分な除去率を実現できる。１５℃以上３１℃以下の吸着温度では、Ｖsummerに対して１／３以上２／３以下となる蒸気量で運用することが望ましい。０℃以上１５℃以下の吸着温度では、Ｖsummerに対して１／４以上１／２以下となる蒸気量で運用することが望ましい。

脱着された揮発性有機化合物は、温度が低下した脱着用水蒸気とともに水蒸気有機化合物同伴ガスＫとなって水蒸気排出口２６から排出される。この水蒸気有機化合物同伴ガスＫをコンデンサ１５に導入し、冷却水Ｐで冷却して含有した揮発性有機化合物を回収し（回収有機化合物Ｑ）、残りのガスを排気（Ｒ）して処理する。

以下、この発明の実施例を示す。（株）栗本鐵工所製吸着塔（活性炭層面積：１．０ｍ^２、活性炭層厚：０．３ｍ）に、通過風速０．５ｍ／ｓとなるように、トルエン濃度３００ｐｐｍとなる揮発性有機化合物含有ガスＡを導入し、吸着時間８０分となるように吸着を行った。脱着時間は４０分とし、運用上脱着が完了したとみなす必要な除去率の設定を９０％とした。

吸着温度３５℃で運用したとき、除去率９０％に必要な蒸気量Ｖsummerは２７ｋｇとなった。このＶsummerを基準とする。

吸着温度３０℃で運用したとき、除去率９０％に必要な蒸気量Ｖex30は１４ｋｇとなり、Ｖsummerに対して５２％にまで減少させることができた。

吸着温度１０℃で運用したとき、除去率９０％に必要な蒸気量Ｖex10は１０ｋｇとなり、Ｖsummerに対して３７％にまで減少させることができた。

１０ 処理装置
１１ 吸着塔
１２ 活性炭（吸着剤収容部）
１３ 温度計
１４ 原ガスブロワ
１５ コンデンサ
１７ 導入口
１８ 排出口
２１，２２，２３ バルブ
２４ コントロールバルブ
２５ 水蒸気供給口
２６ 水蒸気排出口
Ａ 揮発性有機化合物含有ガス
Ｂ 処理後ガス
Ｆ 脱着用水蒸気
Ｋ 水蒸気有機化合物同伴ガス
Ｐ 冷却水
Ｑ 回収有機化合物
Ｒ 排気

Claims (2)

1. 揮発性有機化合物を吸着する活性炭を充填する吸着剤収容部を有する吸着塔により、揮発性有機化合物含有ガスの揮発性有機化合物濃度を前記活性炭に吸着させることで減少させ、
   吸着後は高温のガスを接触させて前記活性炭から上記揮発性有機化合物を脱着させる揮発性有機化合物処理装置を運用するにあたり、
   前記吸着塔内には内部の気体温度を測定可能な温度計が備えてあり、
   前記高温のガスとして脱着用水蒸気を用い、
   導入する揮発性有機化合物含有ガスの温度を測定し、
   前記温度が低いほど、導入する脱着用水蒸気の量を抑制する
   揮発性有機化合物処理装置の運用方法。
2. 前記脱着用水蒸気の量の抑制幅を、
   前記温度が３４℃以上の際に導入すべき前記脱着用水蒸気の量を基準値とし、
   前記温度が３１℃以下の際に導入する前記脱着用水蒸気の量を、前記基準値の２／３以下に抑制する
   請求項１に記載の揮発性有機化合物処理装置の運用方法。

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