(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ごみ焼却施設における排ガスの排出経路途中に設けられた集塵機内に配置されたダイオキシン類除去用の活性炭の自然発火状態を検出する方法であって、
少なくとも酸素との接触により活性炭が発熱する発熱速度と、活性炭の放熱速度と、活性炭の蓄熱速度との熱収支の関係から求められた、活性炭の温度上昇を示す微分方程式に基づき、活性炭が予め設定された自然発火温度近傍になるまでの時間を演算して自然発火状態を検出する際に、
活性炭の酸化発熱反応を一次反応となし、且つその反応の速度定数として頻度因子に比例するとともに、ｅ（ネイピア数）を底とする指数関数の指数部が温度の逆数および活性化エネルギーに比例するアレニウスの式を、上記発熱速度に適用して、上記微分方程式を下記の式とすることを特徴とする活性炭の自然発火状態の検出方法。
【数１】
0004056292.tif 000007
但し、上記各式中、Ａ，Ａ′は頻度因子、Ｃpは活性炭の熱容量、Ｅは活性化エネルギー、ΔＨは酸化熱、Ｍは活性炭の質量、Ｒは気体定数、Ｔは活性炭温度、ｔは保持時間、ε，ε′は放熱速度を表す。
【請求項２】
頻度因子Ａ′として、酸素濃度の０．４〜０．７乗に比例する値を用いることを特徴とする請求項１に記載の活性炭の自然発火状態の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばごみ焼却施設における排ガスの排出経路の途中に設けられた集塵機内に配置されたダイオキシン除去用の活性炭の自然発火状態の検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ごみ焼却施設から排出される排ガス中に存在するダイオキシン類の有害物質を取り除く方法の一つとして、排ガス中に粉末状の活性炭を吹き込み、この活性炭にダイオキシン類を吸着させ、そして当該活性炭をバグフィルタなどの集塵機で捕集する方法がある。
【０００３】
ところで、集塵機で捕集された粉末状の活性炭の温度が時間の経過とともに上昇して自然発火する畏れがあるため、従来、活性炭を安全に使用するための指標として、示差熱天秤で測定される発火温度が用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、活性炭については、示差熱天秤で示される発火点よりも低い温度で発火することがあり、この示差熱天秤による測定された発火温度を用いて、その安全性を評価することは好ましくない。
【０００５】
そこで、本発明は、ごみ焼却施設の環境下における活性炭の自然発火状態を、より確実に検出し得る検出方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る活性炭の自然発火状態の検出方法は、ごみ焼却施設における排ガスの排出経路途中に設けられた集塵機内に配置されたダイオキシン類除去用の活性炭の自然発火状態を検出する方法であって、
少なくとも酸素の接触により活性炭が発熱する発熱速度と、活性炭の放熱速度と、活性炭の蓄熱速度との熱収支の関係から求められた、活性炭の温度上昇を示す微分方程式に基づき、活性炭が予め設定された自然発火温度近傍になるまでの時間を演算して自然発火状態を検出する際に、
活性炭の酸化発熱反応を一次反応となし、且つその反応の速度定数として、頻度因子に比例するとともに、ｅ（ネイピア数）を底とする指数関数の指数部が温度の逆数および活性化エネルギーに比例するアレニウスの式を、上記発熱速度に適用して、上記微分方程式を下記の式とする方法である。
【０００７】
【数２】
0004056292.tif 000002
但し、上記各式中、Ａ，Ａ′は頻度因子、Ｃpは活性炭の熱容量、Ｅは活性化エネルギー、ΔＨは酸化熱、Ｍは活性炭の質量、Ｒは気体定数、Ｔは活性炭温度、ｔは保持時間、ε，ε′は放熱速度を表す。
【０００８】
また、本発明の請求項２係る活性炭の自然発火状態の検出方法は、請求項１に記載の検出方法において、頻度因子Ａ′として、酸素濃度の０．４〜０．７乗に比例する値を用いる方法である。
【０００９】
上記自然発火状態の検出方法によると、排ガス中の酸素の存在により、示差熱天秤にて測定される発火温度よりも低い温度で発火することから、熱収支の関係から導かれた微分方程式を用いて、排ガス中における活性炭の温度状態、すなわち活性炭の温度上昇の時間を演算により求めることができるので、例えば示差熱天秤にて測定された発火温度よりも低い温度に到達するまでの時間を、すなわち活性炭の使用時間を把握しておくことにより、活性炭が発火温度付近に近づいているか否かを、容易且つより確実に検出し得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る活性炭の自然発火状態の検出方法を、図１〜図６に基づき説明する。
【００１１】
まず、本発明に係る検出方法を成すに至った経緯について簡単に説明すると、従来の技術の箇所にて述べたように、粉末状の活性炭が自然発火する温度は、示差熱天秤にて普通の大気下で測定されていたが、ごみ焼却施設から排出される排ガス中には種々の物質が含まれており、これらの物質の存在が、示差熱天秤により測定される発火温度よりも低い温度で発火させる原因になっているという事実を、本発明者等が突き止めたことによる。
【００１２】
ここで、自然発火の原因について考察すると、周囲の酸素の存在に起因する低温での酸化による発熱であると考えられ、酸化による発熱量が放熱量より大きければ蓄熱されて発火に至る。勿論、放熱量が大きければ発火に至らない。
【００１３】
したがって、活性炭での温度上昇速度は、少なくとも酸化（酸素）による発熱と熱伝達による放熱によって決まるため、熱収支から下記の関係が得られる。
蓄熱速度＝発熱速度−放熱速度
ところで、上記発熱速度を決定するに際して、活性炭と酸素との反応速度を考慮する必要がある。
【００１４】
自然発火測定装置を用いて活性炭の温度経時変化を測定した結果を図１のグラフに示す。このグラフから、活性炭の初期温度は１７５℃であったが、約３０時間後には３５０℃に上昇しており、また始めは緩やかに上昇しているが、２５時間経過後に急激な温度上昇を示しているのが分かる。
【００１５】
この温度曲線の各温度での温度上昇速度を求め、その対数を温度の逆数に対してプロットすると、図２に示すグラフのようになる。
このグラフから温度上昇速度の対数は、温度の逆数と直線関係にあることが分かった。すなわち、低温における活性炭と酸素の反応速度が下記（１）式にて示すアレニウス型の式で表されることが明らかとなった。
【００１６】
【数３】
0004056292.tif 000003
但し、上記式中、
Ａ；頻度因子［Ｋ／ｈｒ］
Ｅ；活性化エネルギー［ｋＪ／ｍｏｌ］
Ｒ；気体定数［８．１４５Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ］
Ｔ；活性炭温度［Ｋ］
ｔ；保持時間［ｈｒ］
そして、上記の測定結果から、すなわち図２のグラフに示される直線の傾きと切片から、上記（１）式の活性炭の酸化に対する活性化エネルギーＥと頻度因子Ａに相当する定数を決定することができる。例えば、実験で用いた粉末状の活性炭によると、活性化エネルギーＥは６６．５ｋＪ／ｍｏｌであった。
【００１７】
一方、ごみ焼却施設から排出される排ガス中の酸素濃度は、その運転状況によって変化するため、活性炭の自然発火特性に対する酸素濃度の依存性を明らかにする必要がある。
【００１８】
そこで、雰囲気中の酸素濃度（Ｏ2濃度）を変えて［例えば、２１％（大気）、７５％、１００％の３種類］活性炭の温度上昇速度と温度との関係を測定した結果を図３に示す。
【００１９】
図３から、酸素濃度が変化しても直線の傾きに相当する活性化エネルギーは変化しないが、切片に相当する頻度因子は酸素濃度の低下と共に小さくなっているのが分かる。したがって、酸素濃度の影響は反応機構に対するものでなく通常の化学反応における反応成分の分圧と同様に、反応速度に影響を与えているものと考えられる。
【００２０】
そして、各酸素濃度で求めた頻度因子と酸素濃度との関係を求めると、図４に示すようなグラフとなる。この図４のグラフから、頻度因子の対数と酸素濃度（分圧Ｐにて示す）の対数とには直線関係があり、且つ頻度因子は酸素濃度の約０．６（より正確には０．５８であるが）乗に比例していることが分かる。
【００２１】
この図４に基づき、酸素濃度を考慮した頻度因子を具体的に求めると、以下のようになる。
図４から、酸素濃度Ｃ02と頻度因子Ａとの関係は、下記（２）式にて表され、この（２）式を以下のように変形していくと、頻度因子Ａは下記（４）式のようになる。
【００２２】
【数４】
ｙ＝０．６ｘ＋１７．５・・・（２）
ｌｎＡ＝０．６・ｌｎＣ02＋１７．５
Ｃ02＝０．２１（大気の場合）のときの頻度因子Ａの値をＡ0とし、（２）式に代入すると、下記（３）式が得られる。
【００２３】
ｌｎＡ0＝０．６・ｌｎ（０．２１）＋１７．５・・・（３）
（２）式から（３）式を引くと下記（４）式が得られる。
ｌｎＡ−ｌｎＡ0＝０．６・ｌｎＣ02−０．６・ｌｎ（０．２１）
ｌｎＡ＝０．６・ｌｎ（Ｃ02／０．２１）＋ｌｎＡ0・・・（４）
（４）式を変形すると、下記（５）式が得られる。
【００２４】
Ａ＝Ａ0（Ｃ02／０．２１）0.6・・・（５）
すなわち、（５）式は、酸素濃度が２１％のときの頻度因子の値Ａ0を基準にした場合の頻度因子の一般式を表す。
【００２５】
また、多くの測定を行った結果、頻度因子は酸素濃度の約０．４〜０．７乗の範囲にて、比例する値であることも分かった。
さらに、ごみ焼却施設から排出される排ガス中には、ＣａＣｌ2のような金属塩化物およびＳＯXガスのような酸性ガスが存在するため、活性炭の表面に吸着したこれらの物質（吸着物質である）が、活性炭の温度上昇に与える影響について調べた。
【００２６】
図５に、金属塩化物としてＣａＣｌ2およびＺｎＣｌ2、並びに酸性ガスとしてＳＯXガスを吸着させた場合の活性炭における温度上昇速度の自然対数と時間の逆数とをプロットしたグラフを示す。
【００２７】
図５のグラフから、ＳＯXガスを吸着させた場合の活性炭の頻度因子が特に大きくなっており、表面に吸着したＳＯXガスが活性炭に対する酸素の反応性を向上させていると考えられる。
【００２８】
一方、塩化物を吸着させた場合は、発熱反応が起こすための活性化エネルギーが高くなっているとともに、頻度因子も高くなっており、結果として活性炭の温度上昇速度が何も吸着していないものよりも大きくなっているのが分かる。
【００２９】
したがって、上記発熱速度として、反応速度を表すアレニウスの式を適用するとともに、酸素濃度および吸着物質の内、特に酸素濃度を考慮して、上記熱収支の式を、具体的に示すと下記のようになる。
【００３０】
なお、以下の式中の記号の意味は下記の通りである。
Ａ，Ａ′，Ａ0；頻度因子［Ｋ／ｈｒ］
Ｃp；活性炭の熱容量［０．０１５ｋＪ／ｍｏｌ・Ｋ］
Ｅ；活性化エネルギー［ｋＪ／ｍｏｌ］
ΔＨ；酸化熱［ｋＪ／ｍｏｌ］
Ｍ；活性炭の質量［ｍｏｌ］
Ｒ；気体定数［８．１４５Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ］
Ｔ；活性炭温度［Ｋ］
ｋ；速度定数
ｔ；保持時間［ｈｒ］
ε，ε′；放熱速度［ｋＪ／ｈｒ］
まず、熱収支の関係式を、数式化すると下記（６）式のようになる。
【００３１】
【数５】
0004056292.tif 000004
次に、活性炭の酸化発熱反応を、一次反応と仮定すると下記（７）式が得られるとともに、この（７）式中の速度定数ｋとして、上述したように、下記（８）式に示すアレニウスの式を適用する。なお、アレニウスの式を簡単に説明すると、ｅ（ネイピア数）を底とする指数関数の指数部が温度の逆数（１／Ｔ）および活性化エネルギー（Ｅ）に比例するものである。
【００３２】
【数６】
0004056292.tif 000005
そして、上記（６）式に、（７）式および（８）式を代入して整理すると、下記（９）式に示すように、発熱速度を、頻度因子、活性化エネルギーおよび温度で表した蓄熱速度に関する微分方程式が得られる。
【００３３】
【数７】
0004056292.tif 000006
但し、Ａ′は、（５）式に示したように、酸素濃度が２１％のときの値を基準にしたものである。
【００３４】
このように、排ガス中の酸素などの反応物質および金属塩化物、ＳＯXなどの吸着物質の存在により、示差熱天秤にて測定される発火温度よりも低い温度で発火することから、熱収支の関係から導かれた上記（９）式に示す微分方程式を用いて、排ガス中における活性炭の温度状態、すなわち活性炭の温度上昇の時間を演算により求めることができるので、示差熱天秤にて測定された発火温度よりも低い温度でしかも温度上昇が急激に高くなるような温度、例えば図１に示されるような３５０℃付近に到達するまでの時間を求めておくとともに、当該粉末状の活性炭の使用時間を把握しておくことにより、活性炭が発火温度付近に近づいているか否かを、容易且つより確実に検出することができる。
【００３５】
なお、図６（Ｆｉｇ７）に、粉末状の活性炭が種々の雰囲気温度（例えば、１５０℃〜２００℃の範囲）から３５０℃に至るまでに要する時間を、上記（９）式を用いて計算した結果のグラフを示す。
【００３６】
例えば、大気下にて（Ｏ2濃度が２１％）、雰囲気温度が１５０℃の場合、３５０℃に至るのに１２０時間要するのに対し、雰囲気温度が２００℃の場合、３５０℃に至るのに２０時間要するのが分かる。一方、酸素濃度が１％の雰囲気下にて、雰囲気温度が２００℃の場合、３５０℃に至るのに９０時間要するのが分かる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明の活性炭の自然発火状態の検出方法によると、排ガス中の酸素の存在により、示差熱天秤にて測定される発火温度よりも低い温度で発火することから、熱収支の関係から導かれた微分方程式を用いて、排ガス中における活性炭の温度状態、すなわち活性炭の温度上昇の時間を演算により求めることができるので、例えば示差熱天秤にて測定された発火温度よりも低い温度に到達するまでの時間を、すなわち活性炭の使用時間を把握しておくことにより、活性炭が発火温度付近に近づいているか否かを、容易且つより確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る自然発火状態の検出方法を説明する際に用いた活性炭の断熱状態における温度上昇曲線を示すグラフである。
【図２】図１の温度上昇曲線を、温度上昇速度の対数と温度の逆数とで表したグラフである。
【図３】同検出方法を説明する際の酸素濃度をパラメータとする温度上昇曲線を示すグラフである。
【図４】同検出方法を説明する際の頻度因子と酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図５】同検出方法を説明する際の吸着物質の吸着時における温度上昇速度と時間の逆数の関係を示すグラフである。
【図６】同検出方法を用いた場合の活性炭の３５０℃に達するまでに要する時間を示すグラフである。
【図１】
0004056292.tif 000008
【図２】
0004056292.tif 000009
【図３】
0004056292.tif 000010
【図４】
0004056292.tif 000011
【図５】
0004056292.tif 000012
【図６】
0004056292.tif 000013