(57)【要約】【課題】  可燃性を呈する炭化水素などの（一般的にＶＯＣと呼ばれる）ガスを処理する方法では、始動時に酸化触媒の入口付近の温度が触媒活性温度に達した段階で処理ガスの供給を開始していた。しかし、触媒全体が活性温度に達するまでには、なお数秒から数十秒かかり、この間は処理ガスが酸化分解されずに放出されてしまう、すなわち始動時に未処理ガスがスリップするという課題があった。【解決手段】  始動前に触媒層６の少なくとも一部が加熱手段５により、触媒活性温度以上に予備加熱されたとき、被処理ガス１０と空気４とを混合した被処理混合ガス１１の通流を開始する。この触媒層６を通過したガス（酸化反応したガスと、未反応ガスとの混合ガス）を触媒層６の上流に還流する還流路１５を備え、未反応ガスを再処理するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性の被処理ガスを空気と混合して被処理混合ガスとする混合部、
前記被処理混合ガスを通流して前記被処理混合ガスの少なくとも一部を酸化ガスとする触媒層、
前記触媒層の少なくとも一部を触媒活性温度以上に加熱する加熱手段、
前記触媒層を通過した前記被処理混合ガスと前記酸化ガスとの混合ガスを、前記触媒層の上流側へ還流する還流手段を備えたことを特徴とするガス処理装置。
【請求項２】
前記触媒層を通過した前記酸化ガスの熱により、前記被処理ガスと混合する前記空気を加熱する熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
【請求項３】
前記触媒層は酸化分解触媒であり、前記被処理ガスは可燃性冷媒であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス処理装置。
【請求項４】
被処理ガスと空気とを混合して生成した被処理混合ガスを、加熱された触媒層に接触させて酸化ガスとするガス処理方法において、
前記触媒層を予熱する予熱手順と、
前記予熱手順により、前記触媒層の少なくとも一部が触媒活性温度に達し、他の少なくとも一部が触媒活性温度に達していないとき、前記被処理混合ガスを前記触媒層へ流通させるとともに、前記触媒層を通過した前記被処理混合ガスと前記酸化ガスとの混合ガスを前記触媒層の上流側に還流する始動手順とを含むことを特徴とするガス処理方法。
【請求項５】
前記触媒層の全ての部分が触媒活性温度に達した後、前記触媒層を通過した前記被処理混合ガスと前記酸化ガスとの混合ガスの前記触媒層の上流側への還流を停止して、前記酸化ガスの熱により前記空気を加熱する熱交換定常運転手順を含むことを特徴とする請求項４に記載のガス処理方法。
【請求項６】
前記触媒層の全ての部分が触媒活性温度に達した後も、前記触媒層を通過した前記被処理混合ガスと前記酸化ガスとの混合ガスの前記触媒層の上流側への還流を継続する還流定常運転手順を含むことを特徴とする請求項４に記載のガス処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、可燃性ガスの処理に関し、特に、従来の冷蔵庫などに使用されてきたフロンに替わって用いられる、代替冷媒の炭化水素系ガス等の処理に用いることができるガス処理装置およびガス処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷蔵庫やショーケースなどの低温機器が具備する冷凍回路の内部に封入される冷媒として、従来不燃性ガスのフロン類が用いられていた。これらフロン類は、大気への拡散に伴うオゾン層破壊や地球温暖化への影響があるために、冷媒回路に起因する故障や不具合による保修や使用済み機器の適正処理を行う場合、封入されている冷媒を機器から回収しなければならない。不燃性ガスであるフロンを冷媒に用いた低温機器の場合、家電リサイクル施設ではフロン回収法に則して処理が行われてきた。すなわち圧縮機の近傍にある配管の一部に中空の針を挿入し、この針から吸引することによって回収する。回収後は、回収した冷媒を再度圧縮しながらボンベに移送し、液化状態で保管した後、分解処理をすることによって無害化している。
【０００３】
これに対して、フロン類に替わる冷蔵庫などの冷媒として環境への悪影響がほとんど無い可燃性冷媒である例えばイソブタンが代替フロン冷媒として用いられるようになってきた。フロンの回収設備しか備えていない現在の家電リサイクル設備では、冷蔵庫などが使用済として回収される量が多くない現状では、イソブタンは燃焼の下限濃度以下に空気で希釈するなどして大気へ放出することによって対処されている例も多い。しかしながら今後代替フロン冷蔵庫、すなわちイソブタンを使用した冷蔵庫が主流になった場合、家電リサイクル設備でもその処理方法の確立が必要になる。本発明は家電リサイクル設備で回収されるイソブタンなどの冷媒の廃棄処理が必要であるとの技術課題を得てなされたものである。
【０００４】
可燃性を呈する炭化水素などの一般的にＶＯＣ（Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ：揮発性有機化合物）と呼ばれるガスを処理する方法は、酸化分解法、化学吸収法、物理吸収法、吸着法、生物処理法に大別される。その中で触媒を用いた酸化分解法は広く適用されている（例えば、「環境触媒ハンドブック」株式会社エヌ・ティー・エス発行、２００１年１１月２０日、６１９頁、右段２０〜３６行参照。）。
【０００５】
従来の触媒酸化分解法は、同文献、６２１頁、右段２２行〜６２２頁、左段１０行（図４）にも示されるように、酸化分解触媒と補助バーナから構成されている。この補助バーナは始動時に使用される。すなわち始動時は補助バーナによって酸化触媒を触媒活性温度まで予熱する。予熱後に被処理ガスと空気とを混合した被処理混合ガスを供給して酸化分解処理の定常運転に移行する。この酸化分解法では、同文献、１５２頁、左段５行〜１８行に示されるように、始動時に酸化触媒全体が活性温度に達するまでの温度上昇速度が著しく遅いことが知られている。特に入り口付近の温度上昇確認後、直ちに被処理混合ガスを注入すると、酸化触媒の下流の温度が触媒活性温度に達していないため被処理混合ガスは酸化触媒の入口では酸化分解されるが、酸化触媒の下流では酸化分解されず、定常運転に移行するまでの最初の数秒から数百秒間は被処理混合ガスが酸化分解されずに放出されてしまうという課題があった。
【０００６】
【非特許文献１】「環境触媒ハンドブック」、株式会社エヌ・ティー・エス発行、２００１年１１月２０日、６１９頁、右段２０〜３６行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような従来の可燃性冷媒の処理装置ないしは処理方法は、始動時に酸化触媒全体が活性温度に達するまでの温度上昇が著しく遅いため、酸化触媒の入口付近の温度が触媒活性温度に達しても、酸化触媒の下流の温度が触媒活性温度に達していなかった。そのため被処理混合ガスは酸化触媒の入口では酸化分解されるが、酸化触媒の下流では酸化分解されず、触媒全体が活性温度以上になって定常運転に移行するまでの最初の数秒から数百秒間は被処理混合ガスが酸化分解されずに放出されてしまうという（始動時の未処理ガスのスリップ）課題があった。
また、被処理混合ガス量が多く酸化触媒の容積が大きい場合では、予熱時間が極めて長くなるという課題があった。また予熱時間が長くなるために補助燃料などのエネルギー使用量が増加して運転コストが増大するという課題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、始動時の未処理ガスのスリップを低減し、触媒を予熱する時間の短縮を図り、補助燃料などのエネルギー使用量の低減による運転コストの削減が可能なガス処理装置およびガス処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る可燃性冷媒などのガス処理装置は、  可燃性の被処理ガスを空気と混合して被処理混合ガスとする混合部、
前記被処理混合ガスを通流して前記被処理混合ガスの少なくとも一部を酸化ガスとする触媒層、
前記触媒層の少なくとも一部を触媒活性温度以上に加熱する加熱手段、
前記触媒層を通過した前記被処理混合ガスと前記酸化ガスとの混合ガスを、前記触媒層の上流側へ還流する還流手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、始動時に触媒層から出た未処理ガスを触媒層の入り口側に還流できるので、始動時の未処理ガスのスリップを低減できる。また予熱ヒータは触媒全体を予熱する必要がないので、予熱時間の短縮ができる。処理ガスのもつ発熱エネルギーを触媒の予熱に使用するので、予熱に必要な補助燃料などのエネルギー使用量を低減でき、運転コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１および図２は、この発明を実施するための実施の形態１によるガス処理装置および処理方法を説明するための図である。図１はガス処理装置の要部を模式的に示す構成図、図２は図１の動作を説明するため、始動時の第一段階と第二段階について測定された触媒層の温度分布を示す特性図である。ボンベ１には、フロン代替冷媒などとして用いられるイソブタンなどの廃ガスが予め回収され、収容されている。ボンベ１から送出される被処理ガス１０を通流する流路２内には、ブロア３によって送給される空気４および／または被処理ガス１０を加熱する予熱ヒータ５と、流路２に配設された酸化触媒からなる触媒層６と、その下流側に配設された触媒層６を通過したガスを触媒層の上流に還流する還流路１５が設けられている。この実施の形態１では、還流ブロア３１により触媒層６を通過したガスを触媒層６の上流に還流する（還流手段という）。
【００１２】
なお、上記予熱ヒータ５は、始動時に空気４を加熱することによって触媒層６を触媒活性温度に予備加熱する加熱手段を構成している。また、空気４と被処理ガス１０とが混合部８において混合されて被処理混合ガス１１となる。被処理混合ガス１１は触媒６によって酸化分解されて酸化分解ガス１３となり、排気１４として処理される。またブロア３によって送給される空気４を酸化分解ガス（酸化ガスとも言う）１３の熱によって予熱するための熱交換器７が設けられている。また、以下の説明の便宜上、酸化触媒の軸方向にＸ軸を取り、触媒層６の入口部をｘ１、出口部をｘ２としている。
【００１３】
次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。なお、家電リサイクル設備などで回収されたイソブタンは回収用のボンベ１に予め回収されているものとする。最初は全ての流路ないには空気だけがあるとする。先ず、ブロア３で酸化分解用の空気４を流路２内に送給する。始動時はブロア３から送給される空気４を予熱ヒータ５で加熱し、その熱で触媒層６の少なくとも一部を触媒活性温度Ｔａまで予熱する。還流ブロア３１と還流路１５では触媒層６を通過した空気４を触媒層６の上流に還流している。
以下、図２を参照して始動時の動作について第一段階と第二段階に分けて詳細に説明する。なお、図２は、予熱開始からｔ１時間までの予熱段階と、ｔ１時間からｔ２時間までの第一段階と、ｔ２時間から後の第二段階での、触媒層６の入り口ｘ１部の温度分布と、触媒層６の出口ｘ２の温度を示している。
【００１４】
（予熱段階）
ブロワー３により空気４が送られるとともに、ヒータ５によりこの空気が加熱されて触媒層６の温度が徐々に上昇する（予熱手順という）。この段階では被処理混合ガス１１はまだ注入されない。ヒータ５は触媒層６の少なくとも一部を触媒活性温度以上に加熱する能力を備えている。
【００１５】
（第一段階）
予熱開始ｔ１時間後には触媒層６は、入口部ｘ１が触媒の活性温度Ｔａに達している。一方、その時点では出口部ｘ２は触媒の活性温度に達していない。ここで、ボンベ１からイソブタンからなる被処理ガス１０を供給する。被処理ガス１０は空気４と混合部８で混合されて被処理混合ガス１１となる。触媒層６の入口部ｘ１では、温度が触媒活性温度より高くなっているのでこの被処理混合ガス１１を処理できる。しかし、温度が高いのは入り口部だけなので被処理混合ガス１１の大部分は未処理のまま、出口部へ流れる。出口部ｘ２では活性温度に達していないので、結果的に未処理ガスのスリップが発生する。このスリップ（酸化分解されていない被処理混合ガス１１）は還流路１５により触媒層６の上流に還流され（図１では予熱ヒータ５の前段に還流しているが触媒６の直前でもよい）、再び酸化分解されるためスリップの発生が抑えられる。（この段階を始動手順という。）
【００１６】
（第二段階）
ｔ２時間から後には、触媒層６は入口部ｘ１から出口部ｘ２に至る全体が触媒活性温度Ｔａに達して全ての被処理混合ガスが酸化ガスとなる定常運転に移行する。定常運転に移行した後は、還流ブロア３１による還流を停止し、排気１４として処理するので、熱交換器７により酸化分解ガス１３の熱で空気４が予熱されるため、予熱ヒータ５による空気４の予熱は必要なくなる。熱交換後の酸化分解ガス１３は排気１４として処理される。
【００１７】
上記のように、この実施の形態１では始動時から定常時に移行するまでに発生する未処理ガスを触媒の上流に還流して再び酸化分解できるので、被処理混合ガス１１のスリップを低減することができる。また、被処理混合ガスのもつ発熱エネルギーを還流して触媒層６の予熱に使用するので、予熱に必要なヒータや補助燃料などのエネルギー使用量を低減でき、予熱時間の短縮もできる。
【００１８】
ここで、図１に示すガス処理装置を用いてイソブタン回収用のボンベ１に回収された液体状態で２０Ｌのイソブタンからなる被処理ガス１０を１時間で処理する可燃性冷媒のガス処理方法についてさらに具体的に説明する。なお、被処理混合ガス１１の濃度は労働安全衛生規則による乾燥機の溶剤濃度の基準（燃焼下限濃度の３０％以下）を参考にして設定した。すなわちイソブタンの燃焼下限濃度は１．８％であるため、被処理混合ガス１１のイソブタン濃度を４５００ｐｐｍ以下とした。このとき定常運転時の被処理混合ガス１１の定格処理量は９２０ｍ３／ｈとなる。酸化分解用の触媒層６のＳＶ値（空間速度）は通常この種の触媒で使用される６００００ｈ−１と設定した。触媒層６の総容積は約１５Ｌと算出され、そのサイズは直径３００ｍｍ×長さ２２０ｍｍとなる。触媒層６にはパラジウム系ハニカム触媒を使用した。予熱ヒータ５は一般的な電気ヒータを用いた。熱交換器７は一般的なプレートフィン型のものを用いた。次に始動時の第一段階と第二段階について説明する。
【００１９】
（第一段階）
始動時はブロア３により定格処理流量の１／２の４６０ｍ３／ｈの空気４を触媒層６に供給する。また、還流ブロア３１と還流路１５により約４００ｍ３／ｈの触媒層６を通過したガスを触媒層６の上流に還流する。次に予熱ヒータ５に通電して空気４を加熱し、その熱で触媒層６の入口部ｘ１を触媒活性温度Ｔａまで予熱する。触媒層６の入口部ｘ１の温度は図示しない例えば熱電対で計測され、触媒活性温度である約３００℃に達すると、イソブタンでなる被処理ガス１０がボンベ１から被処理混合ガス１１の濃度が約４５００ｐｐｍになるように図示しない調整装置により制御されて供給される。イソブタンが供給されると触媒層６によって酸化分解処理が開始されるが、出口部ｘ２が活性温度に達していないため、１０００ｐｐｍ以上の未処理ガスのスリップが発生する。このスリップは還流路１５により触媒層６の上流に還流されるため、再び酸化分解される。
【００２０】
（第二段階）
触媒層６の出口部ｘ２の温度は図示しない熱電対等で同様に計測され、触媒活性温度Ｔａ以上に達すると、ブロア３からの空気４を定格処理量、すなわち９２０ｍ３／ｈまで増加させる。このとき還流ブロア３１と還流路１５による還流を停止して定常運転に移行する。定常運転では熱交換器７において酸化分解ガス１３の熱により空気４が予熱されるため、予熱ヒータ５による被処理混合ガス１１の予熱は必要なくなる。（この定常運転を熱交換定常運転という）
【００２１】
上記のように廃ガス処理を行う実施の形態１による可燃性冷媒などのガス処理方法では、定常運転に移行するまでに排気１４中に発生した被処理混合ガス１１のスリップは約１００ｐｐｍであり、実用上無視できるレベルであった。これに対し、従来の処理装置を用いた方法により定常運転に移行するまでに排気１４中に発生する被処理混合ガス１１のスリップは１０００ｐｐｍ以上が排出される。従来の装置で未処理ガスのスリップを防止するには、始動時に触媒層の全体を触媒活性温度に予熱しておく必要があり、予熱時間が長時間になり、また必要なエネルギーも増加することになる。
【００２２】
理解を助けるため、図３に実施の形態１のガス処理方法の手順をフローチャートして示す。図においてステップＳ１でブロワ３を起動する。ステップＳ２でヒータ５を起動する（予熱手順という）。これにより触媒の温度が上昇する。ステップＳ３では触媒６の入り口温度が触媒活性化温度に達したかどうかを継続的に監視し、達した場合、被処理混合ガス１１を流通させるとともに、出口ガス（酸化ガスと被処理混合ガスとの混合ガス）を触媒の入り口側に還流する（起動手順という）。そして触媒の温度が全体で触媒活性化温度に達したとき（ステップＳ６）還流を停止して出口ガスの熱交換による空気加熱に移行する（ステップＳ７）。以後、熱交換定常運転（ステップＳ８）となる。
【００２３】
上記のように、この発明の実施の形態１による可燃性冷媒などのガス処理装置では、始動時の未処理ガスを触媒層に還流できるので、始動時の未処理ガスのスリップを低減できる。また、始動時に触媒全体の予熱を全てヒータで行う必要はなく、被処理混合ガスのもつ発熱エネルギーを触媒の予熱に使用するので、予熱に必要なヒータや補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、この発明を実施するための実施の形態２による可燃性冷媒などのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。図に示すように、この実施の形態２では上記実施の形態１に係る図１の熱交換器７を省いた他は、実施の形態１と同様に構成されており、各図を通じて同一符号は同一部分または相当部分を示しているので説明を省略する。
【００２５】
通常この種のガス処理装置では、定常運転時には予熱ヒータ５のエネルギー使用量を削減するため、熱交換器が用いられることが多い。しかし処理装置の構成を単純化して設置コストの削減や信頼性を増すために、熱交換器を設置しない場合もある。この実施の形態２によるガス処理装置はこのような場合に応えるもので、始動時の動作は実施の形態１と同様に行われる。そして第二段階の触媒層６の出口部ｘ２の温度が触媒活性温度Ｔａ以上に達しても、定常運転に移行しても還流ブロア３１と還流路１５による還流を続ける。この場合、排ガスの熱を直接回収できるので予熱ヒータ５による処理ガスの予熱に必要なエネルギーを低減できる。（この定常運転を還流定常運転という）
【００２６】
理解を助けるため、図５に実施の形態２のガス処理方法の手順をフローチャートして示す。図においてステップＳ１でブロワ３を起動する。ステップＳ２でヒータ５を起動する。
これにより触媒の温度が上昇する。ステップＳ３では触媒６の入り口温度が触媒活性化温度に達したかどうかを継続的に監視し、達した場合、被処理混合ガス１１を流通させるとともに、出口ガス（酸化ガスと被処理混合ガスとの混合ガス）を触媒の入り口側に還流する。そして触媒の温度が全体で触媒活性化温度に達したあと（ステップＳ６）も還流を継続する（ステップＳ１７）。以後、還流定常運転（ステップＳ１８）となる。
上記のように実施の形態２になる可燃性冷媒などのガス処理装置では、実施の形態１と同様、始動時の未処理ガスのスリップを低減できる。また、定常運転に移行しても、排ガスを還流して排ガスの熱を直接回収できるので、予熱時に必要とするヒータや補助燃料などのエネルギー使用量を低減できる。
【００２７】
なお、上記説明ではこの発明をフロン代替冷媒として用いられた可燃性のイソブタン廃ガス処理に用いる場合を例に説明したが、必ずしも冷媒として用いられるガスに限定されるものではなく、またイソブタンに限定されるものでもない。空気によって酸化分解される同様のガスの処理に広く用いることができるほか、例えば発熱を伴う互いに異なる複数のガスの反応処理などについても同様の効果を期待することができる。その点で、用いる触媒も上記実施の形態で例示した酸化分解触媒に限定されないことは勿論である。
【００２８】
実施の形態３．
実施の形態１、実施の形態２で説明したように、本発明のガス処理装置では、触媒層６の入り口温度が触媒活性化温度に達しさえすれば、被処理混合ガス１１の流通を開始することができる。したがってヒータ６は最初から触媒層６の全体を触媒活性化温度に加熱し得ない程度の容量のものとしてもよい。
また、各実施の形態ではヒータ５を触媒６の前方に配置したとして説明したので、触媒の入り口温度／出口温度という説明となったが、触媒６のたとえば側面から加熱するヒータでも、触媒６のすくなくとも一部を触媒活性化温度に達し得るものでありさえすれば、被処理混合ガス１１の流通を開始することができる。
なお、フローチャートのステップＳ３とステップＳ６で、触媒６の入り口温度、出口温度を監視しているかのように説明したが、必ずしも温度を計測する必要があるということではなく、被処理混合ガスの流通開始以後、所定の時間の経過をもって温度が上がったとみなしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１によるガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。
【図２】実施の形態１のガス処理装置における始動後の触媒層の温度変化を説明する特性図である。
【図３】実施の形態１のガス処理方法を示すフローチャートである。
【図４】実施の形態２による可燃性冷媒などのガス処理装置の要部を模式的に示す構成図である。
【図５】実施の形態２のガス処理方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１  ボンベ（回収ボンベ）、  ２  流路、  ３  ブロア、  ４  空気、
５  加熱手段（予熱ヒータ）、  ６  触媒層、  ７  熱交換器、
１０  被処理ガス（イソブタン）、  １１  被処理混合ガス、  １３  酸化分解ガス、
１４  排気、  １５  還流路、  ３１  還流ブロア、  ｘ１  触媒層の入り口、
ｘ２  触媒層の出口。
【図１】
2005246321.tif 000003
【図２】
2005246321.tif 000004
【図３】
2005246321.tif 000005
【図４】
2005246321.tif 000006
【図５】
2005246321.tif 000007