(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生式酸化装置において、
燃焼域に連通しており、第１端部と、前記第１端部と離間し前記第１端部より前記燃焼域に近い第２端部とを有している少なくとも１つの熱交換コラムと、
前記熱交換コラム内の熱交換媒体のマトリクスであって、前記第２端部に近いマトリクスの少なくとも一部分が水平に対して傾斜するように前記熱交換コラム内に配設されていて、前記熱交換コラムの前記第１端部と前記第２端部との間に複数のガスの流れの通路を有すると共に該ガスの流れの通路内のガスの流れが前記通路の傾斜された経路に沿って流れるようにされたマトリクスであって、複数の熱交換要素が前記ガスの流れの通路内のガスの流れの方向に直交する方向に配列されているマトリクスと、を備えている再生式酸化装置。
【請求項２】
前記第２端部に近い前記マトリクスの前記部分は、前記第１端部に近い前記マトリクスが傾斜している角度よりも大きな角度で傾斜している請求項１に記載の再生式酸化装置。
【請求項３】
前記第１端部に近い前記マトリクスが傾斜している前記角度が０度であり、前記第２端部に近い前記マトリクスが傾斜している前記角度が１度乃至１０度である、請求項１に記載の再生式酸化装置。
【請求項４】
前記第２端部に近い前記マトリクスが傾斜している前記角度が１．６度である、請求項１に記載の再生式酸化装置。
【請求項５】
前記マトリクスの傾斜の角度は、前記第１端部から前記第２端部まで一定である、請求項１に記載の再生式酸化装置。
【請求項６】
前記マトリクスは、複数のモノリシックブロックを備え、各ブロックは、前記熱交換コラム内のガスの流れに平行な軸に沿う複数の通路を有している、請求項１から３のいずれかに記載の再生式酸化装置。
【請求項７】
前記複数のモノリシックブロックは積み重ねられ、前記第２端部に近い前記積層は水平に対して傾斜している、請求項６に記載の再生式酸化装置。
【請求項８】
前記マトリクスは第１及び第２プレートを備え、各プレートはそこから伸びる複数のリブを有し、前記プレートは、前記複数のリブとリブの間に複数の溝が形成されるように互いに対して配設されている、請求項１から３のいずれかに記載の再生式酸化装置。
【請求項９】
気体中の汚染物質を酸化するための再生式熱酸化装置において、
燃焼域と、
前記燃焼域と連通しており、第１端部と、前記第１端部よりも前記燃焼域に近い第２端部とを有する第１熱交換ベッドと、
前記燃焼域と連通しており、第１端部と、前記第１端部よりも前記燃焼域に近い第２端部とを有する第２熱交換ベッドと、
前記第１及び第２熱交換コラムの前記第２端部に近い熱交換媒体の少なくとも１部が、水平に対して約１度乃至１０度の角度になるように、前記第１及び第２の各熱交換ベッドに支えられていて、前記熱交換コラムの前記第１端部と前記第２端部との間に複数のガスの流れの通路を有すると共に該ガスの流れの通路内ガスの流れが前記通路の前記角度に傾斜された経路に沿って流れるようにされた熱交換媒体であって、前記ガスの流れの通路内のガスの流れの方向に直交する方向に複数の熱交換要素を配列したマトリクスからなる熱交換媒体と、を備えている、再生式熱酸化装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２熱交換コラムの前記第1端部に近い前記熱交換媒体は、水平に対して実質的に平行である、請求項９に記載の再生式酸化装置。
【請求項１１】
前記角度は１．６度である、請求項９に記載の再生式酸化装置。
【請求項１２】
前記熱交換媒体は、複数のモノリシックブロックを備え、各ブロックは、前記熱交換コラム内の前記気体の流れに平行な軸に沿う複数の通路を有している、請求項９に記載の再生式酸化装置。
【請求項１３】
前記複数のモノリシックブロックは積み重ねられ、前記第２端部に最も近い前記積層は、水平に対して傾斜している、請求項１１に記載の再生式酸化装置。
【請求項１４】
前記熱交換媒体は複数のプレートを備え、各プレートはそこから伸びている複数のリブを有し、前記プレートは前記複数のリブとリブの間に複数の溝が形成されるように互いに対して配置されている、請求項９に記載の再生式酸化装置。
【請求項１５】
前記マトリクスは、複数のモノリシックブロックを更に備え、各ブロックは前記熱交換コラム内の前記気体の流れに平行な軸に沿う複数の通路を有している、請求項１３に記載の再生式酸化装置。
【請求項１６】
前記複数のプレートは、前記第１端部の前記モノリシックブロックの第１積層と、前記第２端部のモノリシックブロックの第２積層との間に配置されている、請求項１４に記載の再生式酸化装置。
【請求項１７】
前記複数の溝は、前記複数の通路と整列している、請求項１４に記載の再生式酸化装置。
【請求項１８】
再生式酸化装置において、
燃焼域に連通しており、第１端部と、前記第１端部と離間し該第１端部より前記燃焼域に近い第２端部とを有している少なくとも１つの熱交換コラムと、
該熱交換コラム内の熱交換媒体のマトリクスであって、前記第２端部に近いマトリクスの少なくとも一部分が水平に対して傾斜するように前記熱交換コラム内に配設され、前記熱交換コラムの前記第１端部と前記第２端部との間に複数のガスの流れの通路を有していて、該通路内のガスの流れが前記水平に対して傾斜した経路に沿って流れ、前記第２端部に近いマトリクスが前記第１端部に近いマトリクスが傾斜している角度よりも大きな角度で傾斜しているマトリクスと、を備えていることを特徴とする再生式酸化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、再生式熱酸化装置（ＲＴＯ）内の熱交換媒体の配設、及びその結果として改良された熱酸化装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
再生式熱酸化装置は、一般に、工場や発電所からの高流量低濃度排気中の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を分解するために使用されている。ＲＴＯは、ＶＯＣの分解を高め且つ熱回収効率を上げるために、通常、高い酸化温度を必要とする。これらの特性をより効率的に得るため、処理すべき「汚れた」処理ガスは、熱交換器コラムでの酸化に先立ち予熱される。コラムには、通常、熱的及び機械的安定性に優れ熱質量が高い熱交換材が詰め込まれている。作動時、処理ガスは前もって加熱された熱交換コラムを通して供給されるので、この熱交換コラムによって処理ガスはＶＯＣ酸化温度に近い又はその酸化温度にまで加熱される。この予熱された処理ガスは、その後、必要に応じて、燃焼域に導かれ、通常はここでＶＯＣ酸化が完了する。次に、処理済の「清浄な」ガスは、燃焼域から出て、熱交換コラムを通り、又はより効率的な処理によると第２の熱交換コラムを通って戻される。熱せられた酸化ガスは、この第２のコラムを通るとき、自身の熱をそのコラム内の熱交換媒体に伝達するので、ガスは冷却され熱交換媒体は予熱され、酸化装置が処理を一巡した後に別バッチの処理ガスがこの第２のコラムを通ると予熱されることになる。通常、ＲＴＯは、処理ガスと処理済みガスを交互に通す少なくとも２つの熱交換コラムを有している。この処理は継続的に行われ、処理ガスが効率的に処理されるようになっている。
【０００３】
ＲＴＯの性能は、ＶＯＣ分解効率を上げ、運転及び資本コストを下げることにより最適化できる。ＶＯＣ分解効率を上げる技術は、例えば改良された酸化システム及びパージシステムなどの手段を用いる技術が文献に紹介されている。運転コストは、熱回収効率を上げ、酸化装置前後での圧力低下を抑えることにより下げることができる。運転及び資本コストは、ＲＴＯを正しく設計し、適切な熱伝達充填材を選択することにより下げることができる。ＲＴＯの設計態様が先の特許文献の主題であるが、熱交換充填材の配設については十分な記載がない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示す再生式酸化装置を使用する場合、熱交換器は水平配置となる。酸化装置は、中央に燃焼域を、２つの熱交換器をその両側に配し、燃焼域と各熱交換器は連通している。各熱交換器は、処理ガスを流すための複数の大抵は平行な蒸気流路を有するモノリスブロックを積み重ねたマトリクスで構成されている。積み重ねられたブロックは、蒸気流路が並ぶように適切に整列され、熱交換器コラムの入口から出口までの複数の通路を画定している。しかしながら、このような配置には、熱交換マトリクスのホットエンド（即ち入口から最も離れた端部（つまりこの場合には出口）であって燃焼域に最も近い端部）では、媒体ブロックに大きな流体抵抗がかかるという問題がある。
【０００５】
高温と高い空気速度が組み合わさると、特にブロックが水平よりも僅かに下向きに傾斜している場合は、流体抵抗が大きいために媒体ブロックがマトリクスからずれることもある。この力は、モノリスにひび割れや早期故障を発生させかねず、ＲＴＯを予定外に止めてモノリスを交換するか、又は、最低でも代えたばかりのマトリクスを正しく配設するのに必要な分だけ止めることになり、結果的に費用が嵩むことになる。マトリクスが垂直に配設されておれば（即ち、気体流がマトリクスを垂直方向に流れるのであれば）マトリクスの重量による重力がこのような力に抵抗するので、上記のような問題は発生しない。
【０００６】
水平ベッドにおけるこの問題は、モルタルなどでマトリクスを互いに結合させることによって、そして膨張材料を使ってマトリクス上に圧縮力を作り出し定位置に保つようにすることによって、対処できるかもしれない。しかしながら、時間が経つと、この２つの方法は、特に熱交換器ベッドの高温環境から考えると失敗に到るであろう。実際、モルタルは壊れるかひび割れを生じ、膨張材により発生していた圧縮力も弱まることになる。
【０００７】
以上のことから、本発明の目的は、入口から出口まで水平又は実質的に水平に処理ガスを流せるようにすると共に、発生が予想される流体抵抗に対処できる、熱交換媒体の配置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来の技術に伴うこの問題は、燃焼域と連通し熱交換媒体のマトリクスが中に入った１つ又は複数の熱交換器において、マトリクスが、複数の画定された平行な又は実質的に平行な流路を有し、且つ燃焼域に向って水平より僅かに上方に角度をなしている熱交換器に着眼した本発明により解消できた。本発明は、更に、傾斜したマトリクスを保有する１つ又は複数の熱交換器を含んでいる再生式熱酸化装置にも着眼している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２は、２つの熱交換器１０、２０が中央に配置された燃焼域３０と流体連通している、本発明のある実施形態を示している。この実施形態は、熱交換媒体の位置づけを除けば、図１に示したものと同様である。各熱交換器は、コールドエンド１１とホットエンド１２を含んでいる。コールドエンド１１は、酸化装置のサイクルのどの時間にあるか次第で、酸化すべきＶＯＣを含んだ比較的低温の処理ガス用の入口として、又はＶＯＣが酸化処理された後の比較的低温の処理ガス用の出口として機能する。ホットエンド１２は各コールドエンド１１から離れた位置にあり、何れの場合も燃焼域３０に最も近い。各熱交換器のコールドエンド１１とホットエンド１２の間には、耐火性の熱交換媒体のマトリクスが配置されている。この好適な実施形態では、熱交換媒体のマトリクス１５は、１つ又は複数のモノリシックブロックであり、各ブロックには複数の画定された蒸気流路が設けられている。各熱交換コラムは、一方のコラムの熱交換媒体の軸方向ガス流路が他方のコラムに向って伸張するよう、燃焼域３０の両側に配置されている。マトリクス１５は、複数のモノリシックブロックを積み重ねて構成され、このブロックは、蒸気流路を軸方向に整列させて、これにより処理ガスが各ベッドのコールドエンドから各ベッドのホットエンドに又はその逆に流れるように重ねられているのが最も望ましい。マトリクス１５に適したモノリシック構造としては、約５０セル／インチ2で、層流と低い圧力降下に配慮したものが挙げられる。このようなブロックには、一連の小さな流路又は通路が形成されており、ガスが本構造を所定の経路で通過できるようになっているが、この経路は、通常、熱交換コラムを通るガスの流れに平行な軸に沿った経路となっている。適したモノリシック構造の具体的な例としては、フラウエンサル・ケラミクＡ．Ｇ．から市販されているエレメント当たり４０セルを有するムライトセラミックハニカム（外径１５０ｍｍｘ１５０ｍｍ）と、寸法約５．２５インチｘ５．２５インチｘ１２．００インチのモノリシック構造が挙げられる。後者のブロックは、複数の平行な方形流路（平方インチ当たり４０乃至５０流路）を含んでおり、１つの流路の断面は約３ｍｍ×３ｍｍで、肉厚凡そ０．７ｍｍの壁で囲まれている。こうして、約６０乃至７０％の自由断面と、凡そ８５０乃至１０００ｍ2／ｍ3の表面積が確定される。また、寸法が５．９０インチｘ５．９０インチｘ１１．８１インチのモノリシックブロックも適している。
【００１０】
各熱交換コラムの特にホットエンド１２で生じる流体抵抗に対処するため、媒体のマトリクス１５は、図２に示すように水平より僅か上方に角度を付けられている。角度は、流体抵抗が最も強い交換器のホットエンドで最も意味がある。適した角度は、水平に対し約１乃至１０度であるが、１乃至５度がより望ましく、長さ６フィートのベッドでは約１．６度が最も望ましい。装置の高さを最小限にしようとするシステムでは、角度１．６度が望ましい角度となる。所与の条件における重力の大きさは、予想される流体抵抗よりも大きくなる。この相反する力は時間経過につれて低下することはない。当業者には、最適傾斜角度は、部分的には、インチ当たりの所与の流路数及び流量に対する、使用するマトリクスの材料密度次第で決まることが理解頂けよう。密度が低い材料は傾斜をより大きくする必要がある。
【００１１】
傾斜角度はマトリクスの長さに亘って一定であるのが望ましい。即ち、マトリクスの高さは、コラムのコールドエンドからホットエンドまで（それを支える基盤に対して）一様に増加するのが望ましい。
【００１２】
図４は、本発明の別の実施形態を示しており、熱交換マトリクス１５の一部だけに角度を付けたものである。より具体的には、マトリクスは複数の垂直方向に重ねられたモノリシックブロックであって、燃焼域３０に最も近い積層１５Ａが傾斜しており、残りの積層は水平又は実質的に水平となっている。この設計は、高さの変化は傾斜したベッドの長さに比例することから、傾斜角度が決まっている場合に高さの増加を抑えることができるという利点をもっている。加えて、この設計では、コールドエンド支持格子３５を必要とする可能性が低い。角度を付けた積層の流路と角度が付いていない積層の流路とは、軸方向に厳密に整列しているわけではない（即ち角度が異なる）が、十分な気体流を確保してシステムが効率的に作動するには、この程度の整列度で実質的に十分である。実際、何らかの大きな不均一性を持ったままで流れがホットエンドに入っても、モノリシックブロックの積層と積層の間の小さな隙間によってこの流れはより均一的に再分配される。当業者には、マトリクス１５の積層の全部ではなくその幾つかを水平に対して傾斜して配置する類似の設計は、本発明の範囲に含まれることが理解頂けよう。例えば、燃焼域１５に近接するマトリクス１５の積層の、１つではなく、図４に示すように、２つ、３つ又は４つに角度をつけることもできる。
【００１３】
図５及び図６は、本発明に使用できる熱交換器マトリクスの別の実施形態を示している。本実施形態では、マトリクスは多重層であり、セラミック（又は他の耐熱材料）の望ましくは複数の平行なリブ４２を有する平面プレート４１の積層を含んでいる。プレート４１は重ねられるので、各プレート４１から伸びているリブ４２は交互に配置されることになり、リブとリブの間に平行な溝が形成される。リブ４２は各プレート４１の表面から伸び、各リブの外側端部は相対するプレート４１の相対する面に接する。形成された溝４３は、相対するリブよりも幅が広く、リブとほぼ同じ高さである。このような媒体はランテックプロダクツ社から市販され、米国特許第５，８５１，６３６号に記載されており、同特許をここに参考文献として援用する。図５から分かるように、プレートの積層は、熱交換ベッドの、コールドエンド１１の１つ又は複数のモノリシックブロック４５の積層と、ホットエンド１２の１つ又は複数のモノリシックブロック４５の積層との間に囲まれているのが望ましい。モノリシックブロックの積層は、プレート４１の積層が安定し固定されるのを支援する。モノリシックブロック４５の積層とプレート４１の積層との隙間は、処理ガスが、モノリシックブロック内の軸方向流路からプレート４１の積層内に形成された流路に向かって流れる際に、確実に均一に分配されるようにするために設けられる。プレート４１の積層を支えるために耐火レンガ断熱サポート４６を設けてもよい。
【００１４】
適度な角度を形成する方法は限定されているわけではなく、例えば、熱交換コラム内に傾斜床４０を作り出すことにより形成してもよいし、又は、１つ又は複数の適したサポート上にマトリクスを支えることにより形成してもよい。角度を付けた結果、マトリクスの重量成分が、発生する流体抵抗に対抗し、酸化装置の作動中にマトリクスが移動するのを防止することになる。
【００１５】
マトリクスのコールド側に拘束が必要な場合、コールド側ではホット側でのように高温とはならず、従って拘束材の劣化は問題にならないので、開口面積の大きい（５０−９０％）ワイヤメッシュ又はスチールグリッドを使用することができる。このようなオプションを図３に示しており、この図ではスチールグリッド３５がマトリクス１５を支えている様子を示している。
【００１６】
角度を付けたベッド配置は、媒体が重力により固定される垂直ベッドシステムの属性の多く、例えば組み立て及び修理の容易さなどを、モノリシックマトリクスが保持できるようにしている。加えて、この設計では、水平な装置と高さがほぼ同じままなので、ベッド組み立ての複雑性が低減されている。マトリクスアレイの寿命は、他の拘束方法の劣化により生じる故障の可能性を最小限にすることにより改善されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  先行技術による水平再生式熱酸化装置の横断面図である。
【図２】  本発明による水平再生式熱酸化装置の横断面図である。
【図３】  本発明のある実施形態による水平再生式熱酸化装置の端面図である。
【図４】  本発明の別の実施形態による水平再生式熱酸化装置の横断面図である。
【図５】  本発明の更に別の実施形態による水平再生式熱酸化装置の横断面図である。
【図６】  図５の実施形態の熱交換マトリクスの横断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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