(57)【要約】【課題】炭素繊維の製造工程において排出される排ガスの処理において、排ガス処理量の増加によるコストアップを抑制することが可能な排ガス処理方法、処理装置を提供すること。【解決手段】繊維状物質を不活性ガス雰囲気中で炭素化する炭素化炉から排出される炭素化工程排ガスを処理する第１燃焼工程と、空気雰囲気中で耐炎化する耐炎化炉から排出される耐炎化工程排ガスを処理する第２燃焼工程とを含む排ガス処理方法であって、炭素化炉を不活性ガス雰囲気にするための窒素と、第１燃焼工程において炭素化工程排ガスを燃焼処理するための酸素富化空気とを、空気を原料として得る空気分離工程からなる排ガス処理方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維状物質から炭素繊維を製造する工程から排出される排ガスを処理する排ガス処理装置であって、
前記繊維状物質を不活性ガス雰囲気で炭素化処理する炭素化工程から排出される炭素化工程排ガスを燃焼処理する第１燃焼炉と、
該第１燃焼炉の後段に設けられ、前記繊維状物質を空気雰囲気で耐炎化処理する耐炎化工程から排出される耐炎化工程排ガスと前記第１燃焼炉から排出される第１燃焼工程排ガスとを燃焼処理する第２燃焼炉とからなり、
前記第１燃焼炉と前記第２燃焼炉とは絞り部を介して連通されており、前記第１燃焼炉には燃料と酸素富化空気とで炭素化工程排ガスを燃焼させるための第１バーナが設けられ、
前記炭素化工程において不活性ガス雰囲気を形成するための窒素と前記第１バーナに供給する酸素富化空気とを得るための空気分離装置を有することを特徴とする排ガス処理装置。
【請求項２】
前記第２燃焼炉に燃料を供給するための第２バーナを備えることを特徴とする請求項２に記載の排ガス処理装置。
【請求項３】
繊維状物質から炭素繊維を製造する工程から排出される排ガスを処理する排ガス処理方法であって、
前記繊維状物質を不活性ガス雰囲気で炭素化処理する炭素化工程から排出される炭素化工程排ガスを処理する第１燃焼工程と、
前記繊維状物質を空気雰囲気で耐炎化処理する耐炎化工程から排出される耐炎化工程排ガスと前記第１燃焼工程から排出される第１燃焼工程排ガスとを処理する第２燃焼工程とからなり、
前記第１燃焼工程においては、前記炭素化工程排ガスを、燃料と酸素富化空気により酸素比０．８以下の低酸素比で燃焼させ、
前記第２燃焼工程においては、前記第１燃焼工程排ガスと前記耐炎化工程排ガスとを前記第１燃焼工程排ガスの熱を利用して燃焼させるとともに、
前記炭素化工程において不活性ガス雰囲気を形成するための窒素と、前記第１燃焼工程において使用する前記酸素富化空気とを、空気を分離することによって得ることを特徴とする排ガス処理方法。
【請求項４】
前記第２燃焼工程において燃料を供給することにより、前記第１燃焼工程排ガスと前記耐炎化工程排ガスの燃焼を促進することを特徴とする請求項３記載の排ガス処理方法。
【請求項５】
繊維状物質から炭素繊維を製造するための設備と該設備からの排ガスを処理するための排ガス処理設備とを含む炭素繊維製造設備であって、
前記繊維状物質を空気雰囲気において予備酸化し耐炎化処理するための耐炎化炉と、
該耐炎化炉の後段に配置され、耐炎化処理された繊維状物質を不活性ガス雰囲気で炭素化処理するための炭素化炉と、
該炭素化炉から排出される炭素化工程排ガスを燃焼処理する第１燃焼炉と、
該第１燃焼炉と絞り部を介して連通し、前記第１燃焼炉から排出される第１燃焼工程排ガスと、前記耐炎化炉から排出される耐炎化工程排ガスとを燃焼処理する第２燃焼炉と、
前記炭素化工程排ガスを燃料と酸素富化空気とで燃焼処理するために前記第１燃焼炉に設けられた第１バーナと、
前記炭素化炉で不活性ガス雰囲気を形成するための窒素と前記第１バーナに供給する前記酸素富化空気とを、空気から製造するための空気分離装置とからなることを特徴とする炭素繊維製造設備。
【請求項６】
繊維状物質から炭素繊維を製造する工程と該工程からの排ガスを処理する工程とを含む炭素繊維製造システムであって、
前記繊維状物質を２００〜３００℃の空気雰囲気で予備酸化し耐炎化処理する耐炎化工程と、
耐炎化工程を経た前記繊維状物質を３００〜２０００℃の不活性ガス雰囲気で炭素化処理する炭素化工程と、
前記炭素化工程から排出される炭素化工程排ガスを、酸素富化空気と燃料とを酸素比０．８以下の低酸素比で燃焼させて処理する第１燃焼工程と、
前記第１燃焼工程から排出される第１燃焼工程排ガスと前記耐炎化工程から排出される耐炎化工程排ガスとを、第１燃焼工程排ガスの熱を利用して燃焼させて処理する第２燃焼工程とからなり、
前記炭素化工程にて不活性ガス雰囲気を形成するための窒素と前記第１燃焼工程にて用いる前記酸素富化空気とを、空気を原料として得る空気分離工程とからなることを特徴とする炭素繊維製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維製造における排ガス処理方法、排ガス処理装置及び炭素繊維製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、比強度、比弾性率、耐熱性、耐薬品性等に優れているため、各種素材の強化材として使用されている。一般的に、炭素繊維を製造する際には、所望の特性を得るために、複数の工程からなる処理が施される。例えば、炭素繊維のプリカーサとしてアクリル繊維を用いた場合、最初に、空気雰囲気で２００〜３００℃の温度で予備酸化することにより耐炎化繊維を得る（耐炎化工程）。次に、不活性ガス雰囲気で３００〜２０００℃の温度で炭素化することにより炭素繊維を得る（炭素化工程）。さらに、高弾性率繊維を得る場合は、不活性ガス雰囲気で２０００〜３０００℃の温度で黒鉛化する（黒鉛化工程）。
【０００３】
ところで、耐炎化工程、炭素化工程、及び黒鉛化工程の各工程を行った際に、排ガスが発生する。具体的には、炭素化工程及び黒鉛化工程は不活性ガス雰囲気で行われるため、窒素などの不活性ガスをベースガスとした、耐炎化繊維の分解成分であるシアン化水素、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、タール成分等を含むガスが発生する。（以下、炭素化工程及び黒鉛化工程により発生する排ガスを「炭素化工程排ガス」「黒鉛化工程排ガス」と定義する。）（特許文献３）
【０００４】
同様に、耐炎化工程は空気中で行われるため、酸素、窒素、アルゴンをベースガスとした、アクリル繊維の分解生成物であるシアン化水素、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、タール成分等を含むガスが発生する。（以下、耐炎化工程により発生する排ガスを「耐炎化工程排ガス」と定義する。）（特許文献２、４）
【０００５】
このように、耐炎化工程、炭素化工程、及び黒鉛化工程により発生する排ガスは、シアン化水素やアンモニア等の毒性の高いガスを含む。そのため、上記工程により発生した排ガスを無害化するための排ガス処理方法が必要となる。
【０００６】
従来の排ガス処理方法としては、一つの処理炉（燃焼室）に耐炎化工程排ガスと炭素化工程排ガスとを吹き込んで、空気燃焼により分解処理する方法が知られている（例えば、特許文献１）。また、別の処理方法としては、耐炎化工程排ガスと炭素化工程排ガスをそれぞれ別々の処理炉で空気燃焼により分解処理する方法が知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−０２１７７９号公報
【特許文献２】特開２００１−３２４１１９号公報
【特許文献３】特開２０１２−０６７４１９号公報
【特許文献４】特開２００３−１１３５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、耐炎化工程排ガスと、炭素化工程排ガス及び黒鉛化工程排ガスとでは、シアン化水素等の濃度が異なるとともに、ベースガスの組成（酸素の有無）が異なる。そのため、耐炎化工程排ガスと、炭素化工程排ガス及び黒鉛化工程排ガスとを一つの処理炉で分解処理する場合、シアン化水素やアンモニア等を十分に分解することができず、また、分解に伴いＮＯＸが大量に発生するといった問題があった。
また、処理設備の大型化により各工程の排ガスの処理量が増加すると、燃焼処理に必要な空気等を増量しなければならないため、従来技術では、処理ガス集塵機・排気ブロワの能力アップが必要となる。
また、処理能力アップの目的で空気に替えて酸素富化空気を使用する場合、酸素供給源が必要となるので、処理のためのコストアップが懸念される。コストアップを抑制するためには、排ガス処理システム全体の適正化が必要となる。
【０００９】
また、耐炎化行程排ガス、炭素化工程排ガス及び黒鉛化工程排ガスを、それぞれ別の処理炉で分解処理する場合、シアン化水素やアンモニア等を十分に分解することはできるが、燃焼の際に使用する燃料の量が多くなるといった問題があった。さらに、処理設備が増えるため、設備コスト及び保守コストが高くなるといった問題があった。
【００１０】
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、ＮＯＸの発生を抑制し、かつ少ない燃料で耐炎化工程排ガス及び炭素化工程排ガスを処理することが可能な排ガス処理方法、並びに、少ない燃料で耐炎化工程排ガス及び炭素化工程排ガスを処理することが可能な排ガス処理装置を提供するとともに、排ガス処理量の増加によるコストアップを抑制する排ガス処理システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、繊維状物質から炭素繊維を製造する工程から排出される排ガスを処理する排ガス処理装置であって、
前記繊維状物質を不活性ガス雰囲気で炭素化処理する炭素化工程から排出される炭素化工程排ガスを燃焼処理する第１燃焼炉と、該第１燃焼炉の後段に設けられ、前記繊維状物質を空気雰囲気で耐炎化処理する耐炎化工程から排出される耐炎化工程排ガスと前記第１燃焼炉から排出される第１燃焼工程排ガスとを燃焼処理する第２燃焼炉とからなり、
前記第１燃焼炉と前記第２燃焼炉とは絞り部を介して連通されており、前記第１燃焼炉には燃料と酸素富化空気とで炭素化工程排ガスを燃焼させるための第１バーナが設けられ、
前記炭素化工程において不活性ガス雰囲気を形成するための窒素と前記第１バーナに供給する酸素富化空気とを得るための空気分離装置を有することを特徴とする排ガス処理装置が提供される。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、前記第２燃焼炉に燃料を供給するための第２バーナを備えることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置が提供される。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、繊維状物質から炭素繊維を製造する工程から排出される排ガスを処理する排ガス処理方法であって、
前記繊維状物質を不活性ガス雰囲気で炭素化処理する炭素化工程から排出される炭素化工程排ガスを処理する第１燃焼工程と、
前記繊維状物質を空気雰囲気で耐炎化処理する耐炎化工程から排出される耐炎化工程排ガスと前記第１燃焼工程から排出される第１燃焼工程排ガスとを処理する第２燃焼工程とからなり、
前記第１燃焼工程においては、前記炭素化工程排ガスを、燃料と酸素富化空気により酸素比０．８以下の低酸素比で燃焼させ、
前記第２燃焼工程においては、前記第１燃焼工程排ガスと前記耐炎化工程排ガスとを前記第１燃焼工程排ガスの熱を利用して燃焼させるとともに、
前記炭素化工程において不活性ガス雰囲気を形成するための窒素と、前記第１燃焼工程において使用する前記酸素富化空気とを、空気を分離することによって得ることを特徴とする排ガス処理方法が提供される。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、前記第２燃焼工程において燃料を供給することにより、前記第１燃焼工程排ガスと前記耐炎化工程排ガスの燃焼を促進することを特徴とする請求項３記載の排ガス処理方法が提供される。
【００１５】
また、請求項５に係る発明は、繊維状物質から炭素繊維を製造するための設備と該設備からの排ガスを処理するための排ガス処理設備とを含む炭素繊維製造設備であって、
前記繊維状物質を空気雰囲気において予備酸化し耐炎化処理するための耐炎化炉と、
該耐炎化炉の後段に配置され、耐炎化処理された繊維状物質を不活性ガス雰囲気で炭素化処理するための炭素化炉と、
該炭素化炉から排出される炭素化工程排ガスを燃焼処理する第１燃焼炉と、
該第１燃焼炉と絞り部を介して連通し、前記第１燃焼炉から排出される第１燃焼工程排ガスと、前記耐炎化炉から排出される耐炎化工程排ガスとを燃焼処理する第２燃焼炉と、
前記炭素化工程排ガスを燃料と酸素富化空気とで燃焼処理するために前記第１燃焼炉に設けられた第１バーナと、
前記炭素化炉で不活性ガス雰囲気を形成するための窒素と前記第１バーナに供給する前記酸素富化空気とを、空気から製造するための空気分離装置とからなることを特徴とする炭素繊維製造設備排ガス処理装置が提供される。
【００１６】
また、請求項６に係る発明は、繊維状物質から炭素繊維を製造する工程と該工程からの排ガスを処理する工程とを含む炭素繊維製造システムであって、
前記繊維状物質を２００〜３００℃の空気雰囲気で予備酸化し耐炎化処理する耐炎化工程と、
耐炎化工程を経た前記繊維状物質を３００〜２０００℃の不活性ガス雰囲気で炭素化処理する炭素化工程と、
前記炭素化工程から排出される炭素化工程排ガスを、酸素富化空気と燃料とを酸素比０．８以下の低酸素比で燃焼させて処理する第１燃焼工程と、
前記第１燃焼工程から排出される第１燃焼工程排ガスと前記耐炎化工程から排出される耐炎化工程排ガスとを、第１燃焼工程排ガスの熱を利用して燃焼させて処理する第２燃焼工程とからなり、
前記炭素化工程にて不活性ガス雰囲気を形成するための窒素と前記第１燃焼工程にて用いる前記酸素富化空気とを、空気を原料として得る空気分離工程とからなることを特徴とする炭素繊維製造システムが提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＮＯＸの発生を抑制し、かつ少ない燃料で耐炎化工程排ガス及び炭素化工程排ガスを処理することが可能な排ガス処理方法、並びに、少ない燃料で耐炎化工程排ガス及び炭素化工程排ガスを処理することが可能な排ガス処理装置を提供することができる。また、本発明によれば、炭素化工程排ガスを燃焼処理するための酸素源として、炭素化工程において不活性ガス雰囲気を形成するための窒素を空気から分離した後の酸素富化空気を用いることにより、排ガス処理量の増加によるコストアップを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を適用した実施形態における炭素繊維製造プロセスでの排ガス処理装置の構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した実施形態における炭素繊維製造プロセスでの排ガス処理装置の別の構成を示す図である。
【図３】本発明を適用した実施形態である炭素繊維製造システムの構成を示す図である。
【図４】排ガス処理装置から排出される排ガス中のＮＨ３、ＮＯＸ濃度と酸素比との関係を示すグラフである。
【図５】反応解析によるＨＣＮの分解挙動と、ＮＯの生成・分解挙動を示すグラフである。
【図６】反応解析によるＮＯを添加した場合のＮＯ分解挙動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態である炭素繊維製造プロセスにおける排ガス処理方法について、それに用いる排ガス処理装置とともに、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２０】
＜第１の実施形態＞
（排ガス処理装置）
先ず、本発明を適用した第１の実施形態である排ガス処理装置について説明する。図１は、本発明を適用した第１の実施形態である排ガス処理装置を含む炭素繊維製造設備の図である。
図１に示すように、本実施形態の排ガス処理装置は、第１燃焼炉１０、炭素化工程排ガス導入口１１、第１バーナ３０、絞り部５０、第２燃焼炉２０、耐炎化工程排ガス導入口２１と、排気口２２によって概略構成されている。
【００２１】
本実施形態の排ガス処理装置を用いることにより、後述する排ガス処理方法を実施することができる。具体的には、第１燃焼炉１０において、炭素化炉２から排出される炭素化工程排ガスを処理し、第２燃焼炉２０において、耐炎化炉１から排出される耐炎化工程排ガスを処理することができる。
【００２２】
第１燃焼炉１０は、炭素化工程排ガスを燃焼することにより、炭素化工程排ガスに含まれるシアン化水素、アンモニア等の有害ガスを燃焼分解するための、筒状（例えば、円筒状）の炉である。この第１燃焼炉１０の材質としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、アルミナ質耐火物、アルミナ−シリカ質耐火物等を用いることができる。
【００２３】
第１燃焼炉１０には、第１バーナ３０と、第１温度計（図示略）と、炭素化工程排ガス導入口３０が設けられている。
【００２４】
第１バーナ３０は、第１燃焼炉１０と同軸上となるように第１燃焼炉１０の端部に設けられている。第１バーナ３０は燃料と支燃性ガスにより第１燃焼炉の内部空間に火炎を形成する。炭素化工程排ガス導入口１１は、第１燃焼炉１０の内周壁に、第１バーナ３０と近接して設置されている。第１燃焼炉１０に導入された炭素化工程排ガスは、第１バーナ３０の火炎によって燃焼処理することができる。
【００２５】
第１バーナ３０に、供給される支燃性ガスは、炭素化炉２に供給する窒素を製造するための空気分離装置１００において窒素を分離したあとの酸素富化空気の一部を用いる。
燃料及び酸素富化空気の流量を調整することにより、後述の燃焼量及び酸素比を制御することができる。酸素比を制御することで、炭素化工程排ガスを効率的に燃焼処理するための還元性雰囲気の火炎を形成することができる。
【００２６】
燃料としては、特に限定されないが、都市ガス、ＬＰＧなどの気体燃料や、灯油、Ａ重油などの液体燃料等を用いるのが好ましい。
【００２７】
支燃性ガスとして分解速度向上の観点から、酸素濃度が高いガスを用いたい場合は、支燃性ガス調整設備１０１にて、純酸素を加えることで酸素濃度の調整を行い、第１バーナ３０に供給しても良い。
酸素濃度が高濃度になると第１燃焼炉１０内の温度を上げることができ、分解速度を速くすることができる。その結果、炭素化工程排ガスの燃焼炉内滞留時間を短くすることができるため、第１燃焼炉１０を小さくすることができる。
【００２８】
本実施形態の排ガス処理装置設備には、第１燃焼炉１０の炉内温度及び第２燃焼炉２０の炉内温度を基に第１バーナ３０の燃焼量を制御するための制御部（図示略）が設けられている。
【００２９】
図１には、第１燃焼炉１０に炭素化工程排ガス導入口１１を設けた場合を図示しているが、第１バーナ３０に、炭素化工程排ガスの供給路を設けてもよい。これにより、第１バーナ３０は、第１燃焼炉内に還元性雰囲気の火炎を形成しつつ、炭素化工程排ガスを第１燃焼炉１０に供給することもできる。
【００３０】
第２燃焼炉２０は、第１燃焼炉１０の後段に設けられている。第２燃焼炉２０は、耐炎化工程排ガスを燃焼することにより、耐炎化工程排ガスに含まれるシアン化水素、アンモニア等の有害ガスを燃焼分解するための、筒状（例えば、円筒状）の炉である。この第２燃焼炉２０の材質としては、特に限定されるものではないが、第１燃焼炉１０と同様に、例えば、アルミナ質耐火物、アルミナ−シリカ室耐火物等を用いることができる。
【００３１】
第１燃焼炉１０と第２燃焼炉２０は、絞り部５０を介して連通している。絞り部５０により、第２燃焼炉２０での燃焼ガスが第１燃焼炉１０へ侵入することを防ぐことができ、第１燃焼炉１０内を還元性雰囲気に維持することができる。
【００３２】
絞り部５０を介し、第２燃焼炉２０には、第１燃焼炉１０において炭素化工程排ガスを燃焼させた後の排ガスが供給される。（以下、第１燃焼炉１０で燃焼された後の炭素化工程排ガスを、「第１燃焼工程排ガス」と定義する。）
【００３３】
第２燃焼炉２０では、この第１燃焼工程排ガスの熱を用いて、耐炎化工程排ガスを燃焼することができ、耐炎化工程排ガスに含まれるシアン化水素等の有害ガスを燃焼分解することができる。
【００３４】
第２燃焼炉２０には、耐炎化工程排ガス導入口２１と、排気口２２とが設けられている。
【００３５】
耐炎化工程排ガス導入口２１は、第２燃焼炉２０の内周壁の絞り部５０側に設けられている。耐炎化工程排ガス導入口２１から、耐炎化工程排ガスを、第２燃焼炉に供給することができる。耐炎化工程排ガス導入口２１は、第２燃焼炉２０の内周壁の接線方向に耐炎化工程排ガスを吹き込むことができるように設けられている。これにより、第２燃焼炉２０内に、耐炎化工程排ガスによる旋回流を形成することができる。旋回流となった耐炎化工程排ガスは、絞り部から導入される第１燃焼工程排ガスを巻き込み、耐炎化工程排ガス中に含まれる有害ガスを効率よく燃焼分解することができる。
なお、図２に示すように、第２燃焼炉２０に第２バーナ３１を設けても良い。第２バーナ３１に燃料を供給し燃焼させることで、第２燃焼炉２０の温度調整をより細かく制御できる。
【００３６】
第２燃焼炉２０の、絞り部５０とは反対側の端部に設けられた排気口２２からは、第２燃焼炉２０内で燃焼したガスを、外部に排出することができる。
【００３７】
（排ガス処理方法）
次に、上述した排ガス処理装置を含む炭素繊維製造システムにおける本実施形態の排ガス処理方法を、図１を用いて説明する。
本実施形態における炭素繊維製造システムでは、耐炎化炉１において、空気雰囲気にて２００〜３００℃で繊維状物質を耐炎化処理する耐炎化工程と、耐炎化炉１の後段に設けられた炭素化炉２において、不活性ガス雰囲気にて３００〜２０００℃で炭素化処理をする炭素化工程を含む。
炭素化炉２を不活性ガス雰囲気にするために、空気分離装置１００を用いて、空気から窒素を分離し、炭素化炉２へ供給する。
炭素化炉２において生じた炭素化工程排ガスは、第１燃焼炉において第１燃焼工程により処理し、耐炎化炉１において生じた耐炎化工程排ガスは、第２燃焼炉において第２燃焼工程により処理する。
【００３８】
第１燃焼工程は、炭素化工程排ガスを酸素比が０．８以下の低酸素比で燃焼する工程である。具体的には、第１燃焼工程では、炭素化炉２における炭素化工程にて発生した、高濃度のシアン化水素やアンモニア等を含む窒素ガスをベースとした排ガス（炭素化工程排ガス）を、炭素化工程排ガス導入口を介して第１燃焼炉１０へ供給する。第１燃焼炉１０に設置された第１バーナ３０において、燃料と支燃性ガスを１０００〜１６００℃の温度範囲で燃焼させ、火炎を形成する。
第１バーナ３０に供給される支燃性ガスは、空気分離装置１００にて原料空気から窒素を分離した後の酸素富化空気を使用する。この酸素富化空気と燃料とを用い第１のバーナ３０で形成した火炎により、第１燃焼炉１０内で炭素化工程排ガスを燃焼処理する。
このとき、炭素化工程排ガスは、第１バーナ３０から第１燃焼炉１０へ供給されるようにしてもよい。
第１燃焼炉１０の内部温度は第１温度計（図示略）により測定されており、また、第２燃焼炉２０の内部温度は第２温度計（図示略）により測定されている。測定した温度に基づき、制御部（図示略）で第１バーナ３０の燃焼量を制御することにより、燃焼温度を調整する。燃焼量は、燃料ガス及び支燃性ガスの供給量を調整することで制御することができる。
【００３９】
なお、「燃焼量」とは、燃料を燃焼することにより生じた、単位時間あたりの熱量のことである。燃焼量が多いほど、単位時間当たりに発生する熱量が多くなるため、燃焼炉内の温度が高くなる。
【００４０】
ところで、第１燃焼炉１０で処理する炭素化工程排ガスは、シアン化水素、アンモニア等を高濃度で含有する窒素ベースの排ガスであるため、量論比付近より酸素比が高い条件（酸素比０．８より高い）で燃焼処理すると大量のＮＯｘが生成する。そのため、第１燃焼炉１０では、酸素比０．８以下の燃焼条件で、還元性雰囲気を形成しながら処理を行う。これによりＮＯｘの生成を抑制しながら、燃焼分解することが可能となる。そのため、本実施形態の排ガス処理方法では、燃料ガスに対して支燃性ガスに含まれる酸素の割合を少なくすることで、酸素比を０．８以下に制御している。
【００４１】
なお、「酸素比」とは、バーナに供給される酸素量を、バーナに供給される燃料を燃焼させるのに必要とされる理論必要酸素量で除した値をいう。したがって、理論的には、酸素比１．０の状態が、酸素を過不足なく用いて完全燃焼することが可能な状態といえる。
【００４２】
上述のように、第１燃焼炉１０では、炭素化工程排ガスに含まれるシアン化水素、アンモニア等の有害ガスを燃焼分解する。燃焼により生じた第１燃焼工程排ガスを、絞り部５０を介して第２燃焼炉２０に供給する。
【００４３】
第２燃焼工程は、第２燃焼炉２０において、第１燃焼工程により排出された第１燃焼排ガスと耐炎化工程排ガスを、第１燃焼排ガスの熱を利用して燃焼する工程である。
ところで、耐炎化工程排ガスは、シアン化水素、アンモニアを含有する空気ベースの排ガスであり、炭素化工程排ガスに比較して排出量が非常に多い。そのため、炭素化工程排ガスと同じように酸素比を０．８以下に下げて燃焼分解しようとした場合、大量の燃料を使用する必要が生じる。
ところで、シアン化水素やアンモニアは、酸素が存在する雰囲気においても、低い温度で燃焼処理することにより、ＮＯｘの生成を抑えながら分解することができる。
そこで、本実施形態の排ガス処理方法では、耐炎化工程排ガスを７００〜１２００℃の温度範囲で燃焼させることにより、ＮＯｘの生成を抑えながら、シアン化水素、アンモニアを分解する。
【００４４】
先ず、第１燃焼炉１０から絞り部５０を介して供給された第１燃焼工程排ガスを、第２燃焼炉２０に設けられた耐炎化工程排ガス導入口２１から供給される耐炎化工程排ガスと混合する。混合する方法の一例として、耐炎化工程排ガスを、円筒状の第２燃焼炉の内周壁から、内周壁の接線方向に導入する。このように導入された耐炎化工程排ガスは、第１燃焼工程排ガスを巻き込みながら旋回流を形成する。耐炎化工程排ガスを旋回流とすることで、第２燃焼炉２０での滞留時間を延ばすことができる。
第２燃焼炉２０で、耐炎化工程排ガスと第１燃焼工程排ガスとが混合されると、第１燃焼工程排ガスに含まれるＣＯやＨ２等のガスと耐炎化工程排ガスに含まれる酸素とが燃焼し、燃焼によって生じた熱と、第１燃焼工程排ガスが保有していた熱とにより、第２燃焼炉２０内の温度を７００℃以上に上げることができる。第２燃焼炉２０内の温度が７００℃以上になると、耐炎化工程排ガスに含まれるシアン化水素等の有害ガスが燃焼分解する。このように、第２燃焼工程では、第１燃焼工程により排出した第１燃焼工程排ガスの熱（排ガスの燃焼熱量）を有効に利用することができる。
第２燃焼工程を効率的に行うための熱量が足りないときには、第２燃焼炉２０に、例えば第２バーナ３１を設け、これに燃料を供給することにより温度を上げることもできる。
また、第２燃焼炉２０の内周壁に第２バーナ３１を設けることで、耐炎化工程排ガスと第１燃焼工程排ガスとの燃焼を安定して行うことができる。第２バーナ３１には、燃料を供給し、燃料の流量を調整することにより燃焼量を制御することができる。また、第２のバーナ３１に燃料と支燃性ガスを供給して燃焼状態を制御することもできる。第２バーナ３１は常時燃焼させなくてもよく、第２燃焼炉２０の内部温度が所定の温度以下になった場合に点火するようにしてもよい。
【００４５】
なお、第２燃焼炉２０の内部温度は第２の温度計（図示略）により測定されている。測定した温度に基づいて、制御部（図示略）により第１バーナ３０の酸素比を制御することで、第２燃焼炉２０に流入する未燃ガス量を制御する。これにより、第２燃焼炉２０の内部温度を制御することもできる。
【００４６】
そして、第２燃焼炉２０内での燃焼により生じた排ガスを、排気口２２から外部に排出することで、本実施形態の排ガス処理方法が完了する。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態の排ガス処理装置を含む炭素繊維製造設備は、繊維状物質を空気雰囲気で耐炎化処理する耐炎化炉１と、耐炎化処理した繊維状物質を不活性ガス雰囲気で炭素化処理する炭素化炉２と、炭素化炉２に供給する窒素を空気から分離する空気分離装置１００と、炭素化炉２で生じた炭素化工程排ガスを処理する第１燃焼炉１０と、第１燃焼炉に設けられ、空気分離装置１００からの酸素富化空気と燃料とを燃焼させる第１バーナ３０と、耐炎化炉で生じた耐炎化工程排ガスを処理する第２燃焼炉２０と、を備え、第１燃焼炉１０の後段に第２燃焼炉２０が設けられているとともに、第１燃焼炉１０と、第２燃焼炉２０が絞り部５０を介して連通している構成であり、第１燃焼炉１０で燃焼した後の第１燃焼工程排ガスを、第２燃焼炉２０に供給することができる。第２燃焼炉２０では耐炎化工程排ガス導入口２１が、第２燃焼炉の側壁の接線方向に耐炎化工程排ガスを導入するように設けられており、耐炎化工程排ガスは第２燃焼炉２０において旋回流を形成し、絞り部５０から第２燃焼炉２０に供給される第１燃焼工程排ガスと混合されることで燃焼する。
第２燃焼炉２０では、第１燃焼工程排ガスの熱を利用することができ、耐炎化工程排ガスを効率よく燃焼処理することができる。その結果、炭素化工程排ガス及び耐炎化工程排ガスを処理するために要する燃料の使用量を低減することができる。さらに、炭素化工程排ガス及び耐炎化工程排ガスを一つの装置により処理することができるため、設備コスト及び保守コストの低減をすることができる。
【００４８】
また、本実施形態の排ガス処理装置１によれば、第２燃焼炉２０が絞り部５０を介して第１燃焼炉１０と連通する構成となっているため、第２燃焼炉２０内の酸素を含むガスが第１燃焼炉１０へ侵入するのを防ぐことができ、第１燃焼炉１０を還元性雰囲気に維持することができる。
【００４９】
次に、本実施形態の排ガス処理方法によれば、不活性ガス雰囲気において炭素化工程を行うために使用する窒素ガスを空気分離装置１００で製造し、空気から窒素を分離した残りの酸素富化空気を第１燃焼工程で使用する支燃性ガスとして用いることにより、炭素繊維製造システムの大型化に伴うコストアップを低減することができる。
また、第１燃焼工程において、炭素化工程排ガスを、酸素比が０．８以下の低酸素比で燃焼する構成となっているため、ＮＯｘの生成を抑制しながら、炭素化工程排ガスを処理することができる。
【００５０】
また、本実施形態の排ガス処理方法によれば、炭素化工程排ガスを処理する第１の燃焼工程により排出された第１燃焼排ガスの熱を利用し、第１燃焼排ガスと耐炎化工程排ガスとを燃焼させる第２燃焼工程とするため、バーナの燃料の使用量を低減することができる。さらに、炭素化工程排ガスと耐炎化工程排ガスとを連続する工程により処理することができるため、設備コストや保守コストを低減することができる。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明を適用した第２の実施形態である炭素繊維製造設備について説明する。図３は、本発明を適用した第２の実施形態である炭素繊維製造システムである。ここでは、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図３に示すように、本実施形態の炭素繊維製造設備は、黒鉛化炉３が炭素化炉２の後段に設けられている点が第１の実施形態と異なる。
黒鉛化炉３においては、炭素化処理した繊維状物質を、不活性ガス雰囲気で２０００〜３０００℃にて加熱することにより、高弾性の炭素繊維を得ることができる。
黒鉛化処理は炭素化処理と同様に不活性ガス雰囲気で行うため、黒鉛化炉３にも空気分離装置１００で製造した窒素の一部を導入する。
黒鉛化工程排ガスは、窒素ガスベースで高濃度のシアン化水素、アンモニア等を含んでいる。そこで、黒鉛化工程排ガスは炭素化工程排ガスとともに第１燃焼炉１０にて処理することができる。黒鉛化工程排ガスは、炭素化工程排ガスと混合してから第１燃焼炉１０に導入しても良いし、あるいは別々に導入してもよい。図３には、黒鉛化工程排ガスと炭素化工程排ガスとをバッファタンク（図示略）等で混合してから、炭素化工程及び黒鉛化工程排ガス導入口１１から、これらのガスを導入する場合を示している。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態の排ガス処理設備では、第２燃焼炉２０で燃焼した排ガスを、排気口２２を介して外部に排出する例を説明したが、排気口２２に熱交換器を接続し、排気口２２から排出される処理後排ガスの熱を利用して、各燃焼炉に導入する排ガスを予熱してもよい。これにより、各燃焼炉に供給しているバーナの燃焼量を下げることが可能となり、使用燃料を減少させることができる。
【００５３】
＜実施例１＞
（直燃方式との比較）
図１に示す本実施形態の排ガス処理装置、及び従来技術である直燃方式の排ガス処理装置を用いて、炭素化炉および黒鉛化炉から排出される炭素化工程及び黒鉛化工程排ガス、及び耐炎化炉から排出される耐炎化工程排ガスの模擬ガスを用いて処理試験を行った。
【００５４】
表１に炭素化工程及び黒鉛化工程排ガスの模擬ガス（ここでは「模擬ガスＡ」とする。）と耐炎化工程排ガスの模擬ガス（ここでは「模擬ガスＢ」とする。）の組成と流量を示す。模擬ガスにはＨＣＮの代替としてＮＯを用いた（ＮＯを模擬ガスとして使用することの妥当性については後述する）。本処理試験では、模擬ガスについて３つの条件により燃焼実験を行った（条件１−１、１−２、１−３）。
表２に本実施形態の排ガス処理装置と、比較例として直燃方式の排ガス処理装置のバーナの燃焼条件を示す。
なお、本実施例では、第１バーナ３０では、支燃性ガスとして酸素濃度４０％の酸素富化空気を用い、酸素比０．７で燃焼させた。燃焼炉の温度は、第１燃焼炉１０が１６００℃、第２燃焼炉２０が１０００℃であった。
また、直燃方式の処理装置では、１０００℃で処理を行った。
【００５５】
【表１】
2018013292.tif 000003
【００５６】
【表２】
2018013292.tif 000004
【００５７】
表３に試験結果を示す。表では、本実施形態の排ガス処理装置の結果を本発明１〜３として、直燃式の結果を比較例１〜３として表す。
本結果から、本実施形態の排ガス処理装置では、ＮＯとＮＨ３を最も高濃度で添加した条件１−１においても、アンモニア（ＮＨ３）を極低濃度まで分解することができ、ＮＯｘの生成を９０ｐｐｍ程度に抑えることができることを確認した。
一方、直燃方式の排ガス処理装置では、ＮＯとＮＨ３を分解しようとすると、ＮＯｘ濃度が高くなることを確認した。
また、本実施形態の排ガス処理装置では、直燃方式に比べて少ない燃料で、炭素化工程及び黒鉛化工程排ガス及び耐炎化工程の排ガスを処理することができることを確認した。
【００５８】
【表３】
2018013292.tif 000005
【００５９】
＜実施例２＞
（酸素比の影響）
実施例１と同じ排ガス処理装置を用いて、表４に示すように第１バーナ３０の酸素比を変えて、表３の条件１−２に示す模擬ガスＡ及び模擬ガスＢを処理した後の排ガスに含まれる、ＮＨ３、ＮＯｘの濃度を確認した。
【００６０】
【表４】
2018013292.tif 000006
【００６１】
図４に、排ガス処理装置の排気口２２から排出された、処理後排ガス中のＮＨ３、ＮＯｘの濃度と酸素比との関係を示す。
本結果から、ＮＨ３は、全ての条件で０．１ｐｐｍ以下であり、ほぼ全て分解できることを確認した。
また、第１バーナ３０の酸素比を０．８より大きくすると、ＮＯｘが急激に増加する傾向にあり、酸素比を０．８以下にすることにより、ＮＯｘの生成を抑制しながら、模擬ガスＡ（炭素化工程及び排ガスを処理することができることを確認した。
【００６２】
＜実施例３＞
（パイロット設備での試験）
本実施形態の排ガス処理装置を用いて、パイロット設備で排ガス処理を行った。
表５に炭素化処理工程及び黒鉛化処理工程の排ガスの模擬ガスＡと、耐炎化処理工程排ガスの模擬ガスＢの組成と流量を示す。模擬ガスＢの流量は、３００、６００、９００Ｎｍ３／ｈの３条件で実施した（条件３−１、３−２、３−３）。また、表６に上記各排ガス条件におけるバーナ燃焼条件を示す。
【００６３】
【表５】
2018013292.tif 000007
【００６４】
【表６】
2018013292.tif 000008
【００６５】
表７に、排ガス処理装置の排気口２２から排出された、処理後の排ガス中のＮＨ３、ＮＯｘの濃度を示す。本結果から、本実施形態の排ガス処理装置では、ＮＨ３を極低濃度まで分解することができ、さらに、燃焼に伴うＮＯｘの生成を抑制することができることを確認した。
【００６６】
【表７】
2018013292.tif 000009
【００６７】
＜実施例４＞
（模擬ガスの妥当性検証について）
ＨＣＮの代替の模擬ガスとしてＮＯを用いた。模擬ガスにＮＯを用いることの妥当性をシミュレーションによる反応解析により検討した。
反応解析は、ＣＨＥＭＫＩＮ−ＰＲＯ（Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｄｅｓｉｇｎ社製、詳細化学反応解析支援ソフトウェア）を用いて行った。解析条件を表８に示す。条件４−１は、還元燃焼雰囲気下の第１燃焼炉１０にＨＣＮを添加した場合を示し、条件４−２は、ＮＯを添加した場合を示す。
【００６８】
【表８】
2018013292.tif 000010
【００６９】
図５に、条件４−１の反応解析によるＨＣＮの分解挙動と、ＮＯの生成・分解挙動を示す。また、図６に、条件４−２の反応解析によるＮＯを添加した場合のＮＯ分解挙動を示す。
図５から、還元燃焼雰囲気下においてＨＣＮは急激に分解され、それに伴いＮＯＸが急激に生成された後、徐々に分解されることを示していることがわかる。図５と図６のＮＯの濃度変化を比較すると、分解挙動は同様の傾向を示しており、ＮＯを模擬ガスとして用いることにより、ＨＣＮの分解に伴って生成されるＮＯの分解挙動を評価できる。
＜実施例５＞
図２に示す炭素繊維製造設備において、空気分離装置１００で原料空気から分離した窒素を炭素化工程に導入し、原料空気から窒素を分離した残りの酸素富化空気を、炭素化工程排ガスを燃焼させるための支燃性ガスとして使用する場合の例を示す。
【００７０】
【表９】
2018013292.tif 000011
【００７１】
本実施例では、第１バーナ３０では、都市ガスと酸素濃度４０％の酸素富化空気を用い、酸素比０．６５で燃焼させた。燃焼炉の温度は、第１燃焼炉１０が１６００℃、第２燃焼炉２０が１０００℃であった。
【００７２】
＜実施例６＞
図３に示す炭素繊維製造設備において、空気分離装置１００で原料空気から分離した窒素を炭素化工程及び黒鉛化工程に導入し、原料空気から窒素を分離した残りの酸素富化空気を、炭素化工程及び黒鉛化工程排ガスを燃焼させるための支燃性ガスとして使用する場合の例を示す。
【００７３】
【表１０】
2018013292.tif 000012
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の排ガス処理方法及び排ガス処理装置は、シアン化水素、アンモニア等を含む排ガスを処理するための装置及び方法への利用可能性がある。
【符号の説明】
【００７５】
１  耐炎化炉
２  炭素化炉
３  黒鉛化炉
１０  第１燃焼炉
１１  炭素化工程排ガス導入口
２０  第２燃焼炉
２１  耐炎化工程排ガス導入口
２２  排気口
３０  第１のバーナ
３１  第２のバーナ
５０  絞り部
１００  空気分離装置
１０１  支燃性ガス調整設備
【図１】
2018013292.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
2018013292.tif 000016
【図５】
2018013292.tif 000017
【図６】
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