JP7145530B2 - 空気を冷媒とする深冷凝縮によるＶＯＣｓ回収システム - Google Patents

Description

本発明は、揮発性有機ガスの浄化分離の分野に関し、詳しく言えば、効率的で低コストの揮発性有機ガスの分離と回収システム及び方法に関する。

揮発性有機ガス（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）はＶＯＣｓと略称され、スモッグとＰＭ２．５を引き起こす主な要因である。重度の大気汚染が人々の生活に与える悪影響を軽減するために、中国ではＶＯＣｓに関する様々な対応策を打ち出している。要は産業的な生産によるＶＯＣｓガスの排出を減らし、ＶＯＣｓの回収及び処理を強化することである。

中国では、従来利用されているＶＯＣｓ回収技術には主に凝縮法、吸着法、吸収法、触媒燃焼、膜分離法等が含まれる。最近公開された特許文献を調べると、高濃度のＶＯＣガスの浄化回収装置及び方法である特許文献１、産業廃ガスからのＶＯＣ除去のための浄化システム及びその浄化方法である特許文献２、活性炭を用いるサイクロン吸着によるＶＯＣ廃ガスの処理方法及び装置である特許文献３等がある。これらはいずれも吸着の方法を利用してＶＯＣｓを回収するものである。これらの方法は原理的に難しくないものの、回収の効果に限界があり、その殆どが排出基準を満たすことができない。近年、回収コストの低減のために生物分解、プラズマ分解、光触媒分解等の様々な方法が出現しているが、成熟している技術とは言えず、処理に長い時間を要し、１回の回収だけでは満足のいく効果が得られず、他の手段と組み合わせてＶＯＣｓガスをもう１回処理する必要があるため、大規模な利用は実現していない。例えば、公開特許文献４である凝縮と触媒燃焼によるＶＯＣ処理装置は凝縮法と触媒燃焼を組み合わせたもので、特許文献５の新規なＶＯＣ処理装置は光触媒分解と触媒燃焼を組み合わせたものであり、特許文献６の選択的なバイオ－触媒燃焼によるＶＯＣ廃ガス浄化装置及び使用方法は生物分解後に燃焼する方法であり、特許文献７の含硫黄ＶＯＣの無害化処理方法は燃焼し、燃焼で生じた排ガスをアルカリ溶液に流して吸収させるものである。これらの方法は一定の進歩性はあるものの、実際の使用においてはプロセスが複雑であり、エネルギー消費が高い等の問題がある。

近年、中国ではＶＯＣｓの排出基準が引き上げられつつある。従来の吸着法、凝縮法又は他の方法の組み合わせでは基準を満たすＶＯＣｓガスの排出を実現できない。回収率を上げることだけを考慮して凝縮温度を下げ、吸着の回数を増やすのであれば回収コストの大幅な増加を招いてしまう。本発明は従来の技術に存在する上記の欠点を解消し関連の課題を解決して、産業上の大規模な連続生産のニーズを満たすために、回収コストを下げるとともに回収の効率を上げるものである。本発明は上掲の発明特許と比べて、原理的にも、プロセス、装置及び操作方法の面においても大きな違いがあり、特に出願人がこの前に特許出願を行って登録を受けた特許で特許文献８の効率的で低コストのＶＯＣ回収システム及び方法とも大きく異なる。同発明特許（特許文献８、効率的で低コストのＶＯＣ回収システム及び方法）は液体窒素を熱交換媒体として使用し、プロセスにはガス浄化システム及び液化システムが用いられない。また、液体窒素とＶＯＣｓガスが直接接触する方式で熱交換が行われ、ＶＯＣｓの深冷凝縮により分離の目的が達成される。当該特許（特許文献８、効率的で低コストのＶＯＣ回収システム及び方法）で用いられるマイクロチャネル熱交換器はいずれもモジュールとして取り付けられたプレート型のものである。本願で用いられる熱交換器はらせん状のマイクロチャネルによる隔壁式の熱交換である。

中国特許出願第ＣＮ２０１７１０１６０５７８．７号 中国特許出願第ＣＮ２０１７１０５９４９３９．９号 中国特許出願第ＣＮ２０１７１００６１５２０．７号 中国特許出願第ＣＮ２０１７１０２６８１７８．８号 中国特許出願第ＣＮ２０１７２０２６５４６０．６号 中国特許出願第ＣＮ２０１７１０１５７４５７．７号 中国特許出願第ＣＮ２０１７１０４５１２２０．Ｘ号 中国特許出願第ＣＮ２０１５１００６８２０２．４号

本発明に記載の空気を冷媒とする深冷凝縮によるＶＯＣｓ回収システムは、空気を利用してＶＯＣｓを深冷凝縮し、最終的に分離及び回収する方法である。その原理は以下のとおりである。浄化された空気を圧縮して膨張させて液体空気にし、液体空気を利用してＶＯＣｓガスと熱交換することにより、ＶＯＣｓガスを－１３０℃～－１４０℃に冷却して、その非メタン炭化水素の含有量を７０～１２０ｍｇ／ｍ^３に下げる。処理後のＶＯＣｓガスは国が定めた排出基準を満たしており、直接大気に排出することは可能である。当該方法は従来の凝縮法と比べ、回収プロセスを効果的に短縮し、回収プロセスを簡素化することができ、ＶＯＣｓガスが排出基準を満たすことが効果的に実現される。装置がコンパクトで、柔軟性に優れており取り付けやすく、被処理ガスの濃度に制限がなく、より幅広い範囲で使用できる。

本発明は、上記の目的を達成するために、次の技術的解決手段を提供する。
空気を冷媒とする深冷凝縮によるＶＯＣｓ回収システムであって、気体空気浄化システムと、空気液化システムと、ＶＯＣｓ回収コールドボックスとを含む。前記気体空気浄化システムは空気フィルター、冷凍式ドライヤー、空気清浄機、関連のパイプラインとバルブ、計測機器等を含む。空気フィルター内には空気から小さな粒子と不純物を初歩的に除去するために吸着剤としてモレキュラーシーブ、ゼオライト等が充填され、冷凍式ドライヤーは空気に含まれる水分を除去するように構成され、清浄機はガスをより一層浄化して、空気に含まれる少量の二酸化硫黄、硫化水素、一部の窒素酸化物を除去するように構成される。空気液化システムは主に一次コンプレッサー、ターボエキスパンダー、マイクロチャネル空気プレクーラーと気体軸受、パイプライン、バルブ、測温装置及び周波数変換器等の関連装置を含む。空気コンプレッサーは主に空気を初歩的に圧縮するように構成され、マイクロチャネルプレクーラーはコンプレッサーの出口の高温空気を冷却するように構成され、ターボエキスパンダーは主に予圧縮された空気をさらに圧縮して膨張させることにより、空気を液化させるように構成される。測温装置はガスの温度を測定するように構成され、パイプラインとバルブはガスを輸送するように構成される。ＶＯＣｓ回収コールドボックスは主にマイクロチャネルＶＯＣｓプレクーラー、らせん状のマイクロチャネルＶＯＣｓ凝縮器、気液分離器、液面計等を含み、空気プレクーラーはＶＯＣｓ回収コールドボックス内に設けられる。回収コールドボックスはＶＯＣｓの回収で重要な装置であり、コールドボックスでは真空粉末を用いて断熱させることにより、コールドボックス内に超低温の環境が確保される。プレートフィン型のＶＯＣｓプレクーラーはＶＯＣｓガスから一部の水蒸気を除去して、マイクロチャネルＶＯＣｓ凝縮器に入ったガスが凍結して、チャネルをブロックすることを防止するために構成される。らせん状のマイクロチャネルＶＯＣｓ凝縮器は主にＶＯＣｓガスを凝縮して回収するように構成され、熱応力により装置が損傷されることも防止できる。気液分離器は主に凝縮されたＶＯＣｓ液体を分離し、液体の貯蔵のために貯蔵タンクに輸送し、ガスがマイクロチャネルＶＯＣｓプレクーラーに戻って常温のＶＯＣｓガスと熱交換するように構成される。

さらに、前記プレートフィン型ＶＯＣｓプレクーラーは３流路の隔壁式の構造であり、そのうち２つの流路はＶＯＣｓチャネルであり、１つの流路は液化空気チャネルである。ＶＯＣｓチャネルである２つの流路は交互に動作する。一方の流路でＶＯＣｓを予冷すると同時に、他方の流路のＶＯＣｓチャネルに高温空気を流してパージすることにより、除氷して、チャネルがブロックされることを防止する目的を達成する。一方のＶＯＣｓチャネルのパージが完了した後、他方のＶＯＣｓチャネルをパージする。パージが完了したチャネルには引き続きＶＯＣｓガスを流して凝縮させる。このように交互に動作することで、生産が連続的に行われることが保証される。

さらに、前記プレートフィン型ＶＯＣｓプレクーラーでＶＯＣｓ出口と入口はプレクーラーの左側と右側に対称に配置され、液化空気の出口と入口はプレクーラーの上端と下端に対称に配置される。

さらに、前記プレートフィン型ＶＯＣｓプレクーラーでＶＯＣｓガスが液化空気とクロスフローで流動する。

従来の発明及び技術と比べ、本発明には次の有益な効果がある。
１．空気を凝縮媒体として使用するためコストが増えず、システムの動作にはコストが大幅に下がる。

２．液化空気の超低温を利用してＶＯＣｓガスの深冷凝縮を実現している。ＶＯＣｓガスを－１３０℃～－１４０℃に効果的に冷却することができ、処理後のＶＯＣｓガスは排出基準を満たしている。これは従来の凝縮方法では実現できないことである。

３．本願で方法の適用は被処理ガスの濃度、成分、流速に制限がなく、より幅広い範囲で使用できる。これにより、従来の凝縮方法が高濃度のＶＯＣｓガスだけに適用されるという技術上のボトルネックが解消される。

４．装置が動作するには複数の高出力コンプレッサーの同時動作が必要とされないため、建設コストが大幅に下がる。また、回収プロセスが短縮され、装置の動作時の安定性が向上する。

図１は、本発明の実施例１のフローチャートである。 図２は、本発明のプレートフィン型プレクーラーの構造模式図である。 図３は、本発明の実施例２のフローチャートである。

（実施例１）
次に、図面と特定の実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。いうまでもないが、説明される実施例は本発明の実施例の一部に過ぎず、全ての実施例ではない。当業者が本発明の実施例に基づいて進歩性のある作業をすることなく他の実施例を得る場合には、そのいずれも本発明の保護範囲に含まれる。

図１に示すように、ＶＯＣｓ回収システムは、気体空気浄化システムと、空気液化システムと、ＶＯＣｓ回収コールドボックスとを含む。気体空気浄化システムは空気フィルター１と、冷凍式ドライヤー４と、空気清浄機５とを含む。空気液化システムは空気コンプレッサー２と、空気貯蔵タンク３と、ターボエキスパンダー６と、空気プレクーラー８とを含む。ＶＯＣｓ回収コールドボックスはＶＯＣｓ凝縮器７と、ＶＯＣｓプレクーラー９と、気液分離器１０とを含む。

システムが動作する時は、常温常圧の空気がパイプラインを介して空気フィルター１に入り、初歩的に濾過され、空気からほこりと粒子状物質の大半が除去される。初歩的に浄化された空気が空気フィルター１の出口から流出して、空気コンプレッサー２に入って初歩的に圧縮され、圧縮後の空気は空気貯蔵タンク３に輸送されて、緩衝して貯蔵される。空気貯蔵タンク３の出口は冷凍式ドライヤー４に接続され、一定の圧力と温度を有する圧縮空気が空気貯蔵タンク３の出口から冷凍式ドライヤー４に入り、含まれた水分が除去され、空気中の水蒸気が後続のプロセスで凍結してチャネルをブロックすることでシステムの動作に影響を与えることが防止される。次に、乾燥された圧縮空気はパイプラインを介して空気清浄機５に入り、空気に含まれた硫化水素、二酸化硫黄等の不純物ガスの一部が除去され、最後の浄化プロセスが完了される。浄化後の空気は一部がターボエキスパンダー６の空気軸受に入り、もう一部は空気プレクーラー８に入って予冷され、予冷後の高圧空気がターボエキスパンダー６に入って膨張して液化空気になる。液化空気がＶＯＣｓ凝縮器７に入り、予冷後のＶＯＣｓガスと熱交換して、ＶＯＣｓガスが液化される。熱交換後の空気は依然として温度が低く、そのまま大気に入れると冷凍能力が無駄になる。そこで、低温の空気を空気プレクーラー８の低温流体チャネルに流して、空気清浄機５から流出する高温高圧の空気と熱交換して、それを予冷させることで、液化空気の冷凍能力に対するカスケード利用が実現される。熱交換後の空気はそのまま大気に排出するか、又はコンプレッサーに戻して再び圧縮して液化させることで繰り返し利用できる。

生産プロセスで発生したＶＯＣｓガスはまずＶＯＣｓプレクーラー９に入り、ＶＯＣｓプレクーラー９で約３℃～４℃に予冷されて、含まれた水蒸気が除去される。乾燥後のＶＯＣｓガスがパイプラインを介してＶＯＣｓ凝縮器７に入り、ターボエキスパンダー６からの液化空気と熱交換する。ＶＯＣｓ凝縮器７では、ＶＯＣｓが液化空気によって－１３０℃～－１４０℃に冷却され、その非メタン炭化水素の含有量が７０～１２０ｍｇ／ｍ^３に下がると、気液分離器１０に入り、そのＶＯＣｓ凝縮液を分離して貯蔵タンクに輸送して貯蔵される。浄化後の低温排ガスは温度が低いので、ＶＯＣｓプレクーラー９の低温流体入口からプレクーラーに入って、温度が比較的高いＶＯＣｓと１回の熱交換を行い、その後ＶＯＣｓプレクーラー９の出口から大気に排出される。

図２は前記プレートフィン型ＶＯＣｓプレクーラー９の構造模式図である。前記３流路プレートフィン型プレクーラーにおいて、液化空気チャネルは直径が１ｍｍ未満のマイクロチャネルであり、ＶＯＣｓチャネルはサイズが大きなチャネルである。９－１と９－３はＶＯＣｓガス入口であり、９－２と９－４はＶＯＣｓ出口であり、９－５は浄化後空気の入口であり、９－６は空気出口である。動作時は、ＶＯＣｓガスと低温の浄化空気がそれぞれ９－１及び９－５からプレクーラーに入り、プレクーラー内で熱交換を完了した後、空気がプレクーラーの上方の出口９－６から流出して、次のプロセスに流れ、水蒸気が除去されたＶＯＣｓ気液混合物は他端の出口９－２から流出する。しばらく動作した後、水蒸気が凍結してプレクーラーのチャネルをブロックすることを防止するために、９－１と９－２との間のチャネルに対して高温空気でパージする必要がある。この時、ＶＯＣｓガスを９－３からプレクーラーに流して、熱交換後に出口９－４から流出する。このように切り替わって、２つのチャネルが交互に動作することで、生産が連続的に行われることが保証される。

（実施例２）
本発明では、実施例１のプロセスに加え、気液分離器によって分離されたガスに対し、そのＶＯＣｓ含有量を減らすために更なる処理を行ってもよい。図３に示すように、気液分離器１０から流出するガスがマイクロチャネル混合器１１に入って液体空気と直接混合され、分離された液体成分は貯蔵タンクに入って貯蔵され、低温ガスが次のプロセスに流れる。本実施例において、ＶＯＣｓプレクーラーと空気プレクーラーでは、両者は構造が同じであってもよいし異なってもよいが、異なる機能を実現している。他の装置は実施例１と同じで、その説明は省略される。

Claims (4)

1. 気体空気浄化システムと、空気液化システムと、ＶＯＣｓ回収コールドボックスとを含む空気を冷媒とする深冷凝縮によるＶＯＣｓ回収システムであり、
   前記気体空気浄化システムは、空気フィルターと、冷凍式ドライヤーと、空気清浄機とを含み、前記空気液化システムは空気コンプレッサーと、空気貯蔵タンクと、ターボエキスパンダーと、空気プレクーラーとを含み、
   前記ＶＯＣｓ回収コールドボックスは、ＶＯＣｓプレクーラーと、ＶＯＣｓ凝縮器と、気液分離器とを含み、前記ＶＯＣｓ回収コールドボックスの内部に前記空気プレクーラー及び前記ターボエキスパンダーが設けられ、前記ＶＯＣｓ回収コールドボックスのハウジングの中間層内には断熱のために、粉末を充填して真空の状態にされ、
   ＶＯＣｓの冷却媒体として液化空気が使用され、ＶＯＣｓガスの深冷凝縮による回収を実現しており、空気はまず空気フィルターに入って、含まれた小さな粒子と不純物が除去され、空気フィルターの出口は空気コンプレッサーの入口に接続され、空気コンプレッサーの出口は空気貯蔵タンクの入口に接続され、初歩的に浄化された空気は空気コンプレッサーによって圧縮されて空気貯蔵タンクに入って貯蔵され、
   空気貯蔵タンクの出口は冷凍式ドライヤーの入口に接続され、冷凍式ドライヤーの出口は空気清浄機の入口に接続され、空気清浄機の出口はＶＯＣｓ回収コールドボックス内の空気プレクーラーの高温空気入口に接続され、
   空気プレクーラーの高温空気出口はターボエキスパンダーの入口に接続され、ターボエキスパンダーの出口はＶＯＣｓ凝縮器の空気入口に接続され、ＶＯＣｓ凝縮器の空気出口は空気プレクーラーの低温空気入口に接続され、予冷後の空気はターボエキスパンダーによって液化された後、ＶＯＣｓ凝縮器に入ってＶＯＣｓガスと熱交換し、熱交換後に空気プレクーラーに入って空気清浄機からの高温空気と熱交換して、冷凍能力のカスケード利用が実現され、
   ＶＯＣｓガスはまずＶＯＣｓプレクーラーに入って、含まれた水分が除去され、ＶＯＣｓプレクーラーの出口はＶＯＣｓ回収コールドボックス内のＶＯＣｓ凝縮器の入口に接続され、ＶＯＣｓ凝縮器の出口は気液分離器の入口に接続され、水蒸気が除去されて乾燥したＶＯＣｓガスはＶＯＣｓ回収コールドボックス内のＶＯＣｓ凝縮器に入って、液体空気と熱交換して、ＶＯＣｓガスが凝縮されて液体になり、気液混合物が出口から流出して気液分離器に入り、その液体成分が分離され、ガスは次のプロセスに流れ、
   気液分離器のガス出口はＶＯＣｓプレクーラーの入口に接続され、
   前記ＶＯＣｓプレクーラーはプレートフィン型の３流路の隔壁式ＶＯＣｓプレクーラーであり、そのうち２つの流路はＶＯＣｓチャネルであり、１つの流路は液化空気チャネルであり、液化空気チャネルは直径が１ｍｍ未満のマイクロチャネルであり、ＶＯＣｓチャネルはサイズが大きなチャネルであり、ＶＯＣｓチャネルである２つの流路は交互に動作し、一方の流路でＶＯＣｓを予冷すると同時に、他方の流路のＶＯＣｓチャネルに高温空気を流してパージし、２つのチャネルが切り替わって交互に動作することで、生産が連続的に行われることが保証され、
   前記ＶＯＣｓプレクーラーのＶＯＣｓ出口と入口はプレクーラーの左側と右側に対称に配置され、液化空気の出口と入口はプレクーラーの上端と下端に対称に配置され、前記ＶＯＣｓプレクーラー内でＶＯＣｓガスが液化空気とクロスフローで流動することを特徴とするＶＯＣｓ回収システム。
2. 初歩的に圧縮された空気は冷凍式ドライヤー及び空気清浄機によってさらに浄化されて、水蒸気と不純物ガスが除去されることを特徴とする請求項１に記載のＶＯＣｓ回収システム。
3. ＶＯＣｓ回収コールドボックスから流出した排出基準を満たす低温の排ガスは濃度が比較的高いＶＯＣｓガスと再度熱交換してエネルギーの効率的な利用が実現され、回収コストがより一層下がることを特徴とする請求項１に記載のＶＯＣｓ回収システム。
4. さらにマイクロチャネル混合器を含み、前記気液分離器から流出するガスが前記マイクロチャネル混合器に入って液体空気と直接混合し、分離された液体成分は貯蔵タンクに入って貯蔵され、低温ガスが次のプロセスに流れることを特徴とする請求項１に記載のＶＯＣｓ回収システム。

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