(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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及び黒鉛化する黒鉛化炉から排出される第１の排ガスを処理するとともに、縦置きで設置される第１の燃焼炉と、
空気雰囲気中で耐炎化する耐炎化炉から排出される第２の排ガスを処理するとともに、縦置きで設置される第２の燃焼炉と、
前記第１の燃焼炉の内部空間と、前記第２の燃焼炉の内部空間とを連通させる連結管と、
前記第１の燃焼炉の上部に設けられた第１のバーナと、
前記第２の燃焼炉に設けられた第２のバーナと、
を備え、
前記第１の燃焼炉の二次側に前記第２の燃焼炉が設けられ、
前記第１の燃焼炉と前記第２の燃焼炉とが別々の炉体で構成されており、
前記第１の燃焼炉は、第１の燃焼炉の内周壁の下底側に第１の開口部と、
前記第１のバーナから前記第１の燃焼炉内に前記第１の排ガスを供給する第１の排ガス供給手段と、を有し、
前記第２の燃焼炉は、第２の燃焼炉の内周壁の下底側に第２の開口部と、
前記第２の開口部の対面に設けられた吹込口から前記第２の燃焼炉内に前記第２の排ガスを供給する第２の排ガス供給手段と、を有するとともに、
前記第２のバーナは、前記第２の燃焼炉の内周壁の前記吹込口側に設けられており、
前記連結管は、前記第１の開口部と、前記第２の開口部と、を接続することを特徴とする排ガス処理装置。
【請求項２】
前記第１の燃焼炉及び前記第２の燃焼炉は、前記第１の開口部と、前記第２の開口部とが互いに対向した状態で接合されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置。
【請求項３】
前記第１の燃焼炉及び前記第２の燃焼炉の少なくともいずれか一方が、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の開口面積を規制する絞り部を有す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４】
前記第１の燃焼炉内の温度を測定する第１の温度計と、
前記第２の燃焼炉内の温度を測定する第２の温度計と、
前記第１のバーナの燃焼量を制御する制御部と、をさらに備え、
前記第１の温度計及び前記第２の温度計から得た温度に基づいて前記第１のバーナの燃焼量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
【請求項５】
前記第１の燃焼炉内の温度を測定する第１の温度計と、
前記第２の燃焼炉内の温度を測定する第２の温度計と、
前記第１のバーナ及び前記第２のバーナの燃焼量を制御する制御部と、をさらに備え、
前記第１の温度計及び前記第２の温度計から得た温度に基づいて前記第１のバーナ及び前記第２のバーナの燃焼量と、酸素比を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
【請求項６】
前記第１の燃焼炉に設けられている前記第１のバーナの支燃性ガスとして、酸素濃度が２５〜１００体積％の酸素富化空気を用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
【請求項７】
前記吹込口は、前記第２の排ガスを前記第２の燃焼炉の内周壁の接線方向から吹き込むことができるように設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
【請求項８】
前記排ガス処理装置の後段に熱交換器をさらに備え、前記第２の燃焼炉から排出される排ガスの顕熱を利用して前記第２の排ガスを予熱することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の排ガス処理装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の排ガス処理装置を用いる排ガス処理方法であって、
前記第１の排ガスを処理する第１の燃焼工程と、前記第２の排ガスを処理する第２の燃焼工程と、を含み、
前記第１の燃焼工程において、前記第１の排ガスを酸素比が０．８以下の低酸素比で燃焼し、
前記第２の燃焼工程において、前記第１の燃焼工程により排出された第３の排ガスの顕熱と潜熱とを利用して、前記第２の排ガスを燃焼することを特徴とする排ガス処理方法。
【請求項１０】
前記第１の燃焼工程において、１０００〜１６００℃で前記第１の排ガスを燃焼し、
前記第２の燃焼工程において、７００〜１２００℃で前記第２の排ガスを燃焼することを特徴とする請求項９に記載の排ガス処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス処理方法及び排ガス処理装置に関する。
【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、空気中で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、不活性雰囲気中で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、不活性雰囲気中で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雰囲気中で行われるため、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「第１の排ガス」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「第２の排ガス」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）に第１の排ガスと第２の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、第１の排ガスと第２の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、第１の排ガスと第２の排ガスとでは、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、第１の排ガス及び第２の排ガス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。
【０００９】
また、第１の排ガス及び第２の排ガスを別々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、二つの処理設備が必要になるため、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】
そこで、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、かつ少ない燃料で第１の排ガス及び第２の排ガスを処理することが可能な排ガス処理方法、並びに、少ない燃料で第１の排ガス及び第２の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、繊維状物質を不活性ガス雰囲気中で炭素化する炭素化炉及び黒鉛化する黒鉛化炉から排出される第１の排ガスを処理するとともに、縦置きで設置される第１の燃焼炉と、空気雰囲気中で耐炎化する耐炎化炉から排出される第２の排ガスを処理するとともに、縦置きで設置される第２の燃焼炉と、前記第１の燃焼炉の内部空間と、前記第２の燃焼炉の内部空間とを連通させる連結管と、前記第１の燃焼炉の上部に設けられた第１のバーナと、前記第２の燃焼炉に設けられた第２のバーナと、を備え、前記第１の燃焼炉の二次側に前記第２の燃焼炉が設けられ、前記第１の燃焼炉と前記第２の燃焼炉とが別々の炉体で構成されており、前記第１の燃焼炉は、第１の燃焼炉の内周壁の下底側に第１の開口部と、前記第１のバーナから前記第１の燃焼炉内に前記第１の排ガスを供給する第１の排ガス供給手段と、を有し、前記第２の燃焼炉は、第２の燃焼炉の内周壁の下底側に第２の開口部と、前記第２の開口部の対面に設けられた吹込口から前記第２の燃焼炉内に前記第２の排ガスを供給する第２の排ガス供給手段と、を有するとともに、前記第２のバーナは、前記第２の燃焼炉の内周壁の前記吹込口側に設けられており、前記連結管は、前記第１の開口部と、前記第２の開口部と、を接続することを特徴とする排ガス処理装置を提供する。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、前記第１の燃焼炉及び前記第２の燃焼炉は、前記第１の開口部と、前記第２の開口部とが互いに対向した状態で接合されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置を提供する。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、前記第１の燃焼炉及び前記第２の燃焼炉の少なくともいずれか一方が、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の開口面積を規制する絞り部を有することを特徴とする請求項２に記載の排ガス処理装置を提供する。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、前記第１の燃焼炉内の温度を測定する第１の温度計と、前記第２の燃焼炉内の温度を測定する第２の温度計と、前記第１のバーナの燃焼量を制御する制御部と、をさらに備え、前記第１の温度計及び前記第２の温度計から得た温度に基づいて前記第１のバーナの燃焼量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排ガス処理装置を提供する。
【００１５】
また、請求項５に係る発明は、前記第１の燃焼炉内の温度を測定する第１の温度計と、前記第２の燃焼炉内の温度を測定する第２の温度計と、前記第１のバーナ及び前記第２のバーナの燃焼量を制御する制御部と、をさらに備え、前記第１の温度計及び前記第２の温度計から得た温度に基づいて前記第１のバーナ及び前記第２のバーナの燃焼量と、酸素比を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排ガス処理装置を提供する。
【００１６】
また、請求項６に係る発明は、前記第１の燃焼炉に設けられている前記第１のバーナの支燃性ガスとして、酸素濃度が２５〜１００体積％の酸素富化空気を用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排ガス処理装置を提供する。
【００１７】
また、請求項７に係る発明は、前記吹込口は、前記第２の排ガスを前記第２の燃焼炉の内周壁の接線方向から吹き込むことができるように設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の排ガス処理装置を提供する。
【００１８】
また、請求項８に係る発明は、前記排ガス処理装置の後段に熱交換器をさらに備え、前記第２の燃焼炉から排出される排ガスの顕熱を利用して前記第２の排ガスを予熱することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の排ガス処理装置を提供する。
【００１９】
また、請求項９に係る発明は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の排ガス処理装置を用いる排ガス処理方法であって、前記第１の排ガスを処理する第１の燃焼工程と、前記第２の排ガスを処理する第２の燃焼工程と、を含み、前記第１の燃焼工程において、前記第１の排ガスを酸素比が０．８以下の低酸素比で燃焼し、前記第２の燃焼工程において、前記第１の燃焼工程により排出された第３の排ガスの顕熱と潜熱とを利用して、前記第２の排ガスを燃焼することを特徴とする排ガス処理方法を提供する。
【００２０】
また、請求項１０に係る発明は、前記第１の燃焼工程において、１０００〜１６００℃で前記第１の排ガスを燃焼し、前記第２の燃焼工程において、７００〜１２００℃で前記第２の排ガスを燃焼することを特徴とする請求項９に記載の排ガス処理方法を提供する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の排ガス処理方法は、第１の排ガスを、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、第１の排ガスを処理することができる。また、第１の排ガスを処理する第１の燃焼工程と、第２の排ガスを処理する第２の燃焼工程と、を含み、第２の燃焼工程において、第１の燃焼工程により排出された排ガスの顕熱と潜熱とを利用して、第２の排ガスを燃焼する構成となっているため、燃料の使用量を低減することができる。さらに、第１の排ガスと第２の排ガスとを連続して処理することができるため、設備コスト及び保守コストを低減することができる。
【００２６】
次に、本発明の排ガス処理装置は、第１の排ガスを処理する第１の燃焼炉と、第２の排ガスを処理する第２の燃焼炉と、第１の燃焼炉に設けられた第１のバーナと、を備え、第１の燃焼炉の二次側に第２の燃焼炉が設けられているとともに、第１の燃焼炉の内部空間と、第２の燃焼炉の内部空間とが、連通されている構成となっているため、第１の燃焼炉で燃焼した後の第１の排ガスを、第２の燃焼炉に供給することができる。これにより、第２の燃焼炉では、燃焼後の第１の排ガスの顕熱及び潜熱を利用して、第２の排ガスを処理することができる。その結果、燃料の使用量を低減することができる。さらに、第１の排ガス及び第２の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を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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の断面図である。
【図２】本発明を適用した第２の実施形態である排ガス処理装置の断面図である。
【図３】本発明を適用した第３の実施形態である排ガス処理装置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】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態であ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。
【００２９】
＜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１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の断面図である。
図１に示すように、本実施形態の排ガス処理装置１は、第１の燃焼炉１０と、第１のバーナ２０と、絞り部３０と、第２の燃焼炉４０と、吹込口（第２の吹込口）５０と、排気口６０と、を備えて概略構成されている。
【００３０】
本実施形態の排ガス処理装置１を用いることにより、後述する本実施形態の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の燃焼炉１０により、炭素化炉及び黒鉛化炉から排出される第１の排ガスを処理し、第２の燃焼炉４０により、耐炎化炉から排出される第２の排ガスを処理することができる。
【００３１】
第１の燃焼炉１０は、第１の排ガスを燃焼することにより、第１の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の燃焼炉１０は、閉塞部１２と内周壁１４とを有しており、その内部に、一端が閉塞し、他端が開口した第１の内部空間Ｓ１を有している。第１の燃焼炉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。
【００３２】
第１の燃焼炉１０には、第１のバーナ２０と、第１の温度計（図示略）と、絞り部３０と、が設けられている。
【００３３】
第１のバーナ２０は、閉塞部１２の中央を貫通するように設けられている。そして、第１のバーナ２０は、第１の燃焼炉１０と同軸上となるように設けられている。これにより、第１のバーナ２０は第１の内部空間Ｓ１内に火炎を形成することができるともに、この火炎により、当該第１の内部空間Ｓ１内の第１ガスを燃焼することができる。第１のバーナ２０には、燃料と支燃性ガスとが供給されており、燃料及び支燃性ガス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により、還元雰囲気の火炎を形成することができる。
【００３４】
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。
【００３５】
支燃性ガスとしては、酸素を含むガスであれば特に限定されないが、酸素濃度が２０．８（空気）〜１００体積％（純酸素）のガスを用いるのが好ましい。また、分解速度向上の観点から、酸素濃度が２５〜１００体積％のガスを用いるのが特に好ましい。酸素濃度が高いガスを用いることで、燃焼炉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、第１の内部空間Ｓ１内の排ガス滞留時間が短くなるため、第１の燃焼炉１０を小さくすることができる。
【００３６】
本実施形態の排ガス処理装置１（あるいは第１のバーナ２０）には、第１の燃焼炉１０内の温度及び第２の燃焼炉４０内の温度を基に第１のバーナ２０の燃焼量（後述する）を制御するための制御部（図示略）が設けられている。
【００３７】
第１のバーナ２０には、第１の排ガスの供給路（図示略）が設けられている。そして、第１の燃焼炉１０内の第１の内部空間Ｓ１に開口した、第１のバーナ２０の先端部には、第１の排ガスの供給口（図示略）が設けられている。これにより、第１のバーナ２０は、第１の内部空間Ｓ１に還元雰囲気の火炎を形成するとともに、第１の排ガスを第１の内部空間Ｓ１内に供給することができる。
【００３８】
絞り部３０は、内周壁１４の開口部１３側に設けられている。絞り部３０により、開口部１３の開口面積を規制することができる。開口面積を規制することにより、後述する第２の内部空間Ｓ２内のガス（酸素を含む）が第１の内部空間Ｓ１へ侵入することを防ぐことができる。その結果、第１の内部空間Ｓ１内を還元化雰囲気に維持することができる。
【００３９】
第２の燃焼炉４０は、第１の燃焼炉１０の二次側に設けられている。第２の燃焼炉４０は、第２の排ガスを燃焼することにより、第２の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の燃焼炉４０は、閉塞部４２と内周壁４４とを有しており、その内部に、一端が閉塞し、他端が開口した第２の内部空間Ｓ２を有している。第２の燃焼炉４０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−シリカ室耐火物等を用いることができる。
【００４０】
本実施形態の排ガス処理装置１は、第１の燃焼炉１０の開口部１３と、第２の燃焼炉４０の開口部４３とが互いに対向した状態で接合されており、第１の内部空間Ｓ１と第２の内部空間Ｓ２とが連通されている。これにより、第１の排ガスを燃焼させた後の第３の排ガスを、第１の内部空間Ｓ１から第２の内部空間Ｓ２へ供給することができる。（以下、第１の燃焼炉１０で燃焼された後の第１の排ガスを、「第３の排ガス」と定義する。）
【００４１】
第２の燃焼炉４０では、上記第３の排ガスの顕熱及び潜熱を用いて、第２の排ガスを燃焼することができる。第２の排ガスを燃焼することにより、第２の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。
【００４２】
第２の燃焼炉４０には、吹込口（第２の吹込口）５０と、排気口６０と、が設けられている。
【００４３】
吹込口（第２の吹込口）５０は、第２の燃焼炉４０の内周壁４４の開口部４３側に設けられている。吹込口５０から、第２の排ガスを、第２の内部空間Ｓ２に供給することができる。吹込口５０は、内周壁４４の接線方向に第２の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の内部空間Ｓ２内に、第３の排ガスと第２の排ガスとによる旋回流を形成することができるため、第２の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。
【００４４】
排気口６０は、第２の燃焼炉４０の閉塞部４２を貫通するように設けられている。排気口６０から、第２の内部空間Ｓ２内で燃焼したガスを、外部に排出することができる。
【００４５】
（排ガス処理方法）
次に、上述した排ガス処理装置１を用いた本実施形態の排ガス処理方法を説明する。
本実施形態の排ガス処理方法は、第１の排ガスを第１の燃焼工程により処理し、第２の排ガスを第２の燃焼工程により処理する排ガス処理方法である。
【００４６】
第１の燃焼工程は、第１の排ガスを酸素比が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の燃焼工程では、先ず、炭素化工程及び黒鉛化工程により排出されるガス（第１の排ガス）を、第１のバーナ２０から第１の内部空間Ｓ１へ供給する。次に、供給された第１の排ガスを、第１のバーナ２０により１０００〜１６００℃の温度範囲で燃焼する。第１の燃焼炉１０内の温度は第１の温度計（図示略）により測定されており、また、第２の燃焼炉４０内の温度は第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のバーナ２０の燃焼量を制御することで、燃焼温度を制御する。また、第１のバーナ２０には、燃料ガス及び支燃性ガスが供給されており、燃料ガス及び支燃性ガスの供給量を制御することで、燃焼量を制御する。
【００４７】
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、第１の内部空間Ｓ１の温度が高くなる。
【００４８】
ところで、第１の燃焼炉１０で処理する第１の排ガスは、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の燃焼炉１０では、酸素比０．８以下の燃焼条件で、還元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制御することで、酸素比を制御している。
【００４９】
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。
【００５０】
第１の排ガスを燃焼することで、第１の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３の排ガスを、開口部１３を介して第２の燃焼炉４０に供給する。
【００５１】
第２の燃焼工程は、第２の燃焼炉４０において、上記第１の燃焼工程により排出された排ガスの顕熱と潜熱とを利用して、第２の排ガスを燃焼する工程である。
ところで、第２の排ガスは、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、第１の排ガスに比較して排出量が非常に多い。そのため、第１の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あり、現実的でない。また、シアン化水素、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、第２の排ガスを７００〜１２００℃の温度範囲で燃焼することにより、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。
【００５２】
具体的には、先ず、第１の燃焼炉１０から供給された第３の排ガスを、第２の燃焼炉４０に設けられた吹込口５０から供給される第２の排ガスと混合する。第２の内部空間Ｓ２内で、第２の排ガスと第３の排ガスとを混合することにより、第３の排ガスに含まれるＣＯやＨ２等のガスと、第２の排ガスに含まれる酸素とが燃焼し、燃焼により生じた熱により、第２の燃焼炉４０内の温度を７００℃以上に上げることができる。第２の燃焼炉４０内の温度が７００℃以上になることにより、第２の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。このように、第２の燃焼工程では、第１の燃焼工程により排出した第３の排ガスの顕熱および潜熱（排ガスの燃焼熱量）を有効に利用するものである。
【００５３】
なお、第２の燃焼炉４０内の温度は第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のバーナ２０の酸素比を制御することで、第２の燃焼炉４０に流入する未燃ガス量を制御する。これにより、第２の燃焼炉４０内の温度を制御することができる。
【００５４】
次に、第２の内部空間Ｓ２内での燃焼により生じた排ガスを、排気口６０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。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態の排ガス処理装置１によれば、第１の排ガスを処理する第１の燃焼炉１０と、第１の燃焼炉に設けられた第１のバーナ２０と、第２の排ガスを処理する第２の燃焼炉４０と、を備え、第１の燃焼炉１０の二次側に第２の燃焼炉４０が設けられているとともに、第１の燃焼炉１０の第１の内部空間Ｓ１と、第２の燃焼炉４０の第２の内部空間Ｓ２とが、連通されている構成となっており、第１の燃焼炉１０で燃焼した後の第３の排ガスを、第２の燃焼炉４０に供給することができる。これにより、第２の燃焼炉４０では、第３の排ガスの顕熱及び潜熱を利用して、第２の排ガスを処理することができる。その結果、第１及び第２の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、第１の排ガス及び第２の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。
【００５６】
また、本実施形態の排ガス処理装置１によれば、第１の内部空間Ｓ１と第２の内部空間Ｓ２との間の開口面積を規制するための絞り部３０を備える構成となっているため、第２の内部空間Ｓ２内のガス（酸素を含む）が第１の内部空間Ｓ１へ侵入するのを防ぐことができ、第１の内部空間Ｓ１内を還元化雰囲気に維持することができる。
【００５７】
次に、本実施形態の排ガス処理方法によれば、第１の排ガスを、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、第１の排ガスを処理することができる。
【００５８】
また、本実施形態の排ガス処理方法によれば、第１の排ガスを処理する第１の燃焼工程と、第２の排ガスを処理する第２の燃焼工程と、を含み、第２の燃焼工程において、第１の燃焼工程により排出された排ガスの顕熱と潜熱とを利用して、第２の排ガスを燃焼する構成となっているため、バーナの燃料の使用量を低減することができる。さらに、炭素化炉及び黒鉛化炉から排出される排ガスと、耐炎化炉から排出される排ガスと、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。
【００５９】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明を適用した第２の実施形態である排ガス処理装置について説明する。図２は、本発明を適用した第２の実施形態である排ガス処理装置の断面図である。
図２に示すように、本実施形態の排ガス処理装置１０１は、第１の燃焼炉１０と、第１のバーナ２０と、絞り部３０と、第２の燃焼炉４０と、吹込口（第２の吹込口）５０と、排気口６０と、吹込口（第１の吹込口）１５１と、を備えて概略構成されている。すなわち、本実施形態の排ガス処理装置１０１は、吹込口１５１を備える点において、上述した排ガス処理装置１と異なる構成となっている。そのため、排ガス処理装置１と同一の構成については同一の符号を付すとともに、説明を省略する。
【００６０】
吹込口（第１の吹込口）１５１は、第１の燃焼炉１０の内周壁１４の閉塞部１２側に設けられている。吹込口１５１により、第１の排ガスを、第１の内部空間Ｓ１に供給することができる。吹込口１５１は、内周壁１４の接線方向に第１の排ガスを吹き込むことができるように設けることができる。これにより、第１の内部空間Ｓ１内に、第１の排ガスによる旋回流を形成することができるため、第１の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。
【００６１】
本実施形態の排ガス処理装置１０１によれば、吹込口１５１を備える構成となっており、第１の排ガスを第１の燃焼炉１０の内周壁１４から供給することができる。これにより、酸素の存在する火炎付近に直接第１の排ガスが入らないため、ＮＯｘの生成をさらに抑制することができる。
【００６２】
＜第３の実施形態＞
次に、図３は、本発明を適用した第３の実施形態である排ガス処理装置の構成を示す図である。
図３に示すように、本実施形態の排ガス処理装置２０１は、第１の燃焼炉２１０と、第１のバーナ２０と、第２の燃焼炉２４０と、吹込口（第２の吹込口）２５０と、排気口６０と、第２のバーナ２２１と、連結管２３１と、を備えて概略構成されている。本実施形態の排ガス処理装置２０１は、第２のバーナ２２１を備えており、さらに第１の燃焼炉２１０と第２の燃焼炉２４０との間に連結管２３１を設けており、かつ第１の燃焼炉２１０と第２の燃焼炉２４０とが別々の炉体で構成されている点において、上述した排ガス処理装置１と異なる構成となっている。そのため、排ガス処理装置１と同一の構成については同一の符号を付すとともに、説明を省略する。
【００６３】
第１の燃焼炉２１０は、第１の排ガスを燃焼することにより、第１の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炉である。第１の燃焼炉２１０の形状は、両端が閉塞した筒状（例えば、円筒状）である。第１の燃焼炉２１０は、内部に第１の内部空間Ｓ１を有する。また、第１の燃焼炉２１０の内周壁の下底側に開口部２１３を有する。第１の燃焼炉２１０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。
【００６４】
第１の温度計２１５は、内周壁２１４に設けられている。第１の温度計２１５により、第１の燃焼炉２１０内の温度を測定することができる。第１の燃焼炉２１０内の温度を基に、制御部（図示略）により、第１のバーナ２０の燃焼量を制御することができる。
【００６５】
連結管２３１は、第１の燃焼炉２１０内の第１の内部空間Ｓ１と、後述する第２の燃焼炉２４０内の第２の内部空間Ｓ２と、を連通させるために設けられた配管である。具体的には、連結管２３１は、第１の燃焼炉２１０の開口部２１３と、後述する第２の燃焼炉２４０の開口部２４３と、を接続するように設けられている。連結管２３１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。
【００６６】
連結管２３１の内径と、開口部２１３及び開口部２４３の開口面積と、を規制することにより、第２の内部空間Ｓ２内のガス（酸素を含む）が第１の内部空間Ｓ１へ侵入することを防ぐことができる。その結果、第１の内部空間Ｓ１内を還元化雰囲気に維持することができる。
【００６７】
第２の燃焼炉２４０は、第２の排ガスを燃焼することにより、第２の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炉である。第２の燃焼炉２４０は、連結管２３１を介して、第１の燃焼炉２１０の二次側に設けられている。第２の燃焼炉２４０の形状は、両端が閉塞した筒状（例えば、円筒状）である。第２の燃焼炉２４０は、内部に第２の内部空間Ｓ２を有する。また、第２の燃焼炉２４０の内周壁の下底側に開口部２４３を有する。第２の燃焼炉２４０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。
【００６８】
第２のバーナ２２１は、第２の燃焼炉２４０の内周壁２４４の吹込口２５０側に設けられている。第２のバーナ２２１により、第２の排ガスと第３の排ガスとの燃焼を安定して行うことができる。第２のバーナ２２１には、燃料と支燃性ガスとが供給されており、燃料及び支燃性ガスの流量を調整することにより、燃焼量及び後述の酸素比を制御することができる。燃料及び支燃性ガスとしては、第１のバーナ２０と同様のものを用いることができる。第２のバーナ２２１は常時燃焼させなくてもよく、第２の燃焼炉２４０内の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。
【００６９】
吹込口（第２の吹込口）２５０は、第２の燃焼炉２４０の開口部２４３の対面に設けられている。吹込口２５０から、第２の排ガスを、第２の内部空間Ｓ２に供給することができる。吹込口２５０は、内周壁２４４の接線方向に第２の排ガスを吹き込むことができるように設けることができる。これにより、第２の内部空間Ｓ２内に、第２の排ガスによる旋回流を形成することができるため、第３の排ガスとの混合が促進され、第２の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。
【００７０】
第２の温度計２４５は、内周壁２４４に設けられている。第２の温度計２４５により、第２の燃焼炉２４０内の温度を測定することができる。第２の燃焼炉２４０内の温度を基に、制御部（図示略）により、第２のバーナ２２１の燃焼量や酸素比を制御することができる。
【００７１】
本実施形態の排ガス処理装置２０１によれば、第２のバーナ２２１を備えているため、第２の排ガスと第３の排ガスとの燃焼を安定に行うことができる。
【００７２】
また、本実施形態の排ガス処理装置２０１によれば、第１の燃焼炉２１０と第２の燃焼炉２４０との間に連結管２３１を設けており、かつ第１の燃焼炉２１０と第２の燃焼炉２４０とが別々の炉体で構成されているため、炉の長さを調整することができ、縦置きで設置する場合、高さを低くできるとともに、設置の自由度を広くすることができる。
【００７３】
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装置１、１０１、２０１では、第２の燃焼炉４０で燃焼した排ガスを、排気口６０を介して外部に排出する例を説明したが、排気口６０に熱交換器を接続し、排気口６０から排出される排ガスの顕熱を利用して第２のガスを予熱してもよい。これにより、燃料の使用量を低減することができる。
【００７４】
また、上述した実施形態の排ガス処理装置１、１０１、２０１では、２つの燃焼炉を接合した例を説明したが、一つの燃焼炉内の空間を２つの内部空間に分割する態様であってもよい。その際、燃焼炉の内側に絞り部３０を有する場合は、絞り部３０の一次側の空間を第１の燃焼炉とし、二次側の空間を第２の燃焼炉とする。また、燃焼炉の内側に絞り部３０を有さない場合は、吹込口（第２の吹込口）５０の一次側の空間を第１の燃焼炉とし、二次側の空間を第２の燃焼炉とする。
【００７５】
また、上述した実施形態の排ガス処理装置１、１０１では、絞り部３０が第１の燃焼炉１０の開口部１３側に設けられている例を説明したが、絞り部３０が第２の燃焼炉４０の内周壁４４の開口部４３側に設けられていてもよい。
【００７６】
また、上述した実施形態の排ガス処理装置１、１０１では、第２の燃焼炉４０にバーナが設けられていない例を説明したが、第２の燃焼炉４０の内周壁４４を貫通するように、第２のバーナを設けてもよい。第２のバーナにより、第２の排ガスと第３の排ガスとの燃焼を安定に行うことができる。
【００７７】
＜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１、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第１の排ガス、及び耐炎化炉から排出される第２の排ガスの模擬ガスを用いて処理試験を行った。
【００７８】
表１に第１の排ガスと第２の排ガスの模擬ガス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１と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のバーナ２０では、支燃性ガスとして酸素濃度１００％の純酸素を用い、酸素比０．７で燃焼させた。燃焼炉の温度は、第１の燃焼炉１０が１６００℃、第２の燃焼炉４０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。
【００７９】
【表１】
0006307769.tif 000002
【００８０】
【表２】
0006307769.tif 000003
【００８１】
表３に試験結果を示す。本結果から、本実施形態の排ガス処理装置１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１では、直燃方式に比べて少ない燃料で、第１の排ガス及び第２の排ガスを処理することができることを確認した。
【００８２】
【表３】
0006307769.tif 000004
【００８３】
＜実施例２＞
（酸素比の影響）
実施例１と同じ排ガス処理装置１を用いて、表４に示すように第１のバーナ２０の酸素比を変えて、表３の条件１−２に示す第１の排ガス及び第２の排ガスの模擬ガス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。
【００８４】
【表４】
0006307769.tif 000005
【００８５】
図４に、排ガス処理装置１の排気口６０から排出された、処理後の排ガス中の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、ほぼ全て分解することができることを確認した。
また、第１のバーナ２０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、第１の排ガスを処理することができることを確認した。
【００８６】
＜実施例３＞
（パイロット設備での試験）
図３に示す本実施形態の排ガス処理装置２０１を用いて、パイロット設備で排ガス処理を行った。
表５に第１の排ガスと第２の排ガスの模擬ガスの組成と流量を示す。第２の排ガスの流量は、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。
【００８７】
【表５】
0006307769.tif 000006
【００８８】
【表６】
0006307769.tif 000007
【００８９】
表７に、排ガス処理装置２０１の排気口６０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２０１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。
【００９０】
【表７】
0006307769.tif 000008
【００９１】
＜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の燃焼炉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。
【００９２】
【表８】
0006307769.tif 000009
【００９３】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
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】
【００９５】
１、１０１、２０１  排ガス処理装置
１０、２１０  第１の燃焼炉
１１  炉壁
１２  閉塞部
１３、２１３  開口部
１４、２１４  内周壁
２０  第１のバーナ
３０  絞り部
４０、２４０  第２の燃焼炉
４１  炉壁
４２  閉塞部
４３、２４３  開口部
４４、２４４  内周壁
５０、２５０  吹込口（第２の吹込口）
６０  排気口
１５１  吹込口（第１の吹込口）
２１５  第１の温度計
２２１  第２のバーナ
２２２  パイロットバーナ
２３１  連結管
２４５  第２の温度計
Ｓ１  第１の内部空間
Ｓ２  第２の内部空間
【図１】
0006307769.tif 000010
【図２】
0006307769.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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