(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
揮発性有機化合物を含有する空気を吸入し送風する送風機と、この空気を加熱する熱交換器と、当該熱交換器から流出する揮発性有機化合物を含有する空気を予熱する予熱器と、当該予熱器から流出する予熱された揮発性有機化合物を含有する空気に含有される揮発性有機化合物を反応させる触媒部とで構成され、前記熱交換器においては、当該触媒部から流出する排気の熱を回収し、前記送風機から吐出され前記揮発性有機化合物を含有する空気に与えるようにした揮発性有機化合物処理装置において、前記触媒部に流入する揮発性有機化合物を含有する空気の温度を検出するための温度センサーを配設し、始動時に、前記温度センサーにより検出された触媒部に流入する揮発性有機化合物を含有する空気の温度を設定最低温度に維持するように、前記送風機の送風量が徐々に増加する制御を行う様に構成されていることを特徴とする揮発性有機化合物処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気に含有される揮発性有機化合物（以下、「ＶＯＣ」という）を触媒反応により処理する揮発性有機化合物処理装置（以下、「ＶＯＣ処理装置」という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＶＯＣ処理装置には、触媒による反応を利用するものがある。最も簡単な処理装置は、送風機と電気式予熱器と触媒部で構成され、揮発性有機化合物を含有する空気（以下、「ＶＯＣ含有空気」という）は予熱器によって設定最低温度以上に予熱されて触媒部に流入し、触媒部でＶＯＣは空気中の酸素と反応し、排気として大気に放出される。
【０００３】
通常、触媒部ではＶＯＣの反応により熱が発生する。上述の最も簡単な処理装置に熱交換器を追加して配設し、反応熱の一部を触媒部から流出する排気から回収し、触媒部に流入するＶＯＣ含有空気に与えるようにすると、予熱器における電力消費を削減できる。
【０００４】
そのような方式のＶＯＣ処理装置の典型的な構成図を図５に示す。
図５において、送風機１から吐出されたＶＯＣ含有空気は、熱交換器４の低温側流路Ｌ１２を通り、電気式予熱器２に流入し、触媒部３でＶＯＣは反応し、その排気は、熱交換器４の高温側流路Ｌ１３を通って大気に放出される。
熱交換器４では、温度の高い排気（流路Ｌ１３を流れる排気）の熱の一部が、温度の低いＶＯＣ含有空気（流路Ｌ１２を流れる排気）に与えられる。
【０００５】
ＶＯＣ含有空気は、熱交換器４及び予熱器２によって、触媒部３に入るまでには、触媒部３で所要の処理率が達成できる温度（触媒部温度）にまで予熱されていなければならない。ここで処理率は、触媒部の入口、出口におけるＶＯＣ濃度の差を入口におけるＶＯＣ濃度で除した値の百分率表示とする。処理率は、触媒部入口におけるＶＯＣ含有空気の温度がある値を超えると急激に上昇し、１００％に近づく。トルエンなど代表的なＶＯＣにおいては、触媒部温度１５０〜３００℃でほぼ１００％の処理率が得られる。
【０００６】
図５を参照して上述した従来のＶＯＣ処理装置には、解決すべき課題があった。
その課題のひとつは、始動時に特有な課題である。始動時には、触媒部３では温度が低いために反応は起きず、その結果、熱交換器４においてＶＯＣ含有空気を予熱できない。
したがって、送風機から供給されるＶＯＣ含有空気を、予熱器２が供給する熱だけで触媒部である程度の反応が起きるまで予熱しなければならない。もちろん、ＶＯＣ処理装置自体もその温度（触媒部作動温度）に暖める必要がある。
そのため、予熱器２としては、触媒部で反応が十分行われ、熱交換器４で相当な熱回収が行えるような運転時に必要な予熱能力よりも、はるかに大きな予熱能力を有するものが必要であった。このことは、ＶＯＣ処理装置のコストの高騰を招くと共に、ＶＯＣ処理装置におけるコンパクト化を妨げる原因となっていた。
【０００７】
従来のＶＯＣ処理装置におけるもうひとつの課題は、何らかの原因で想定される濃度をはるかに超える高濃度のＶＯＣ含有空気がＶＯＣ処理装置に供給された場合に、触媒部３や熱交換器４が過熱してしまうことである。
この問題は、熱交換器４として温度効率の高い熱交換器が使用される場合に、顕著となる。ＶＯＣ含有空気のＶＯＣ濃度が高くなると、ＶＯＣの反応による温度上昇が大きくなり、それに応じて排気の温度が上昇し、熱交換器４ではＶＯＣ含有空気がより高い温度にまで予熱される。ＶＯＣ濃度が過度に高い場合には、予熱器２への電力投入を停止しても、触媒部３入口でのＶＯＣ含有空気の温度を設定値に制御できないようになり、ついには触媒部３の許容温度を超えてしまう。そのような場合、触媒部３内の触媒だけでなく、熱交換器４の耐久性に悪影響を及ぼすことになる。
これに対して、より耐熱性のある触媒や熱交換器を採用して対応しようとすれば、いずれもコスト高になってしまう。
【０００８】
その他の従来技術として、例えば、工場から排出するＶＯＣを酸化触媒を配置した酸化反応装置によって酸化分解させる技術が存在する（例えば特許文献１参照）。
しかし、係る技術（特許文献１）では、装置の特性上、ＶＯＣ濃度が低いものから高いものまでの広範囲の処理には耐えられない欠点があった。
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ９８／４４２９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、予熱器の能力が小さくて済むＶＯＣ処理装置の提供を目的としている。
また本発明は、ＶＯＣ濃度が想定を超えて高い場合であっても、触媒や熱交換器を過熱しないＶＯＣ処理装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のＶＯＣ処理装置（図１の１０）は、ＶＯＣを含有するＶＯＣ含有空気を吸入し送風する送風機（１）と、この空気を加熱する熱交換器（４）と、当該熱交換器（４）から流出する揮発性有機化合物を含有する空気を予熱する予熱器（２）と、当該予熱器（２）から流出する予熱されたＶＯＣ含有空気に含有されるＶＯＣを反応させる触媒部（３）とで構成され、前記熱交換器（４）においては、当該触媒部（３）から流出する排気の熱を回収し、前記送風機（１）から吐出され前記ＶＯＣ含有空気に与えるようにしたＶＯＣ処理装置（１０）において、前記触媒部（３）に流入するＶＯＣ含有空気の温度（以下、「触媒部入口温度」という）を検出するための温度センサー（５）を配設し、始動時に、前記温度センサー（５）により検出された触媒部入口温度を設定最低温度に維持するように、前記送風機（１）の送風量が徐々に増加する制御を行う様に構成されていることを特徴としている（請求項１）。
本明細書において、設定最低温度とは、触媒部（３）で所要の処理率が得られる触媒部入口温度として設定された温度を意味している。
また本明細書において、設定最高温度とは、触媒部（３）で反応が進む範囲における温度であって、触媒部（３）や熱交換器（４）が過熱しない上限の温度として設定された温度を意味している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、送風機（１）の送風量は始動時において、設定送風量（例えば、定格での送風量）に比べかなり少なく設定され、その後、温度センサー（５）により検出された触媒部入口温度を設定最低温度以上にするべく徐々に増加するように制御される。
熱交換器（４）においては送風量にほぼ比例して熱回収が行われ、その熱によってＶＯＣ含有空気が予熱器（２）に流入する前に予熱されるので、送風量が徐々に増えていっても、小さい能力の予熱器（２）で、ＶＯＣ含有空気を触媒部（３）で反応が進む温度にまで予熱でき、反応を維持することができる。
そして、予熱器（２）の能力が非常に小さくても良いため、ＶＯＣ処理装置（１０）装置の低コスト化や、装置のコンパクト化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す。
図１において、図５と同様な部材には同様な符号を付して説明している。
【００１５】
図１において、全体を符号１０で示すＶＯＣ処理装置は、図示しないインバータ制御モータによって駆動される送風機１と、電熱線１１を使用した直接加熱方式の予熱器２と、セラミックハニカムに白金系触媒を担持させた触媒（図示せず）を内蔵する触媒部３と、熱交換器４（例えばプレート形式の熱交換器）と、触媒部入口３Ｉに配設した温度センサー５（例えば、熱電対温度センサー）と、触媒部３と熱交換器４との間に配設した分岐管６と、分岐管６に配設した放風弁７（例えば、バタフライ弁を備えた放風弁）と、制御装置８とで構成されている。
【００１６】
図１で示すＶＯＣ処理装置１０の作動について、具体的に数値を用いて説明する。
一例として、完全に反応した場合すなわち処理率１００％において、５０℃の温度上昇が得られるＶＯＣ含有空気が０℃で送風機１によりＶＯＣ処理装置１０内に供給され、触媒部入口３Ｉでの温度が２００℃で１００％の処理率が得られる場合を扱う。取り扱いを簡単にするため、ＶＯＣ含有空気と排気の比熱は同一で、温度によらず一定とする。
【００１７】
熱交換器がない場合は、１００％の処理率を実現するためには、予熱器で少なくとも２００℃の予熱が必要である。一方、温度効率が高い熱交換器を使用して熱回収を行えば、定常状態では、予熱器による予熱なしでも、１００％の処理率を実現できる場合がある。
熱交換器の温度効率ηは、熱交換器４の入口における排気温度をＴ１、熱交換器４の出口での排気温度をＴ２、熱交換器４の入口におけるＶＯＣ含有空気の温度をｔ１、熱交換器４の出口でのＶＯＣ含有空気の温度をｔ２とすれば、次式で定義される。
η＝（ｔ２−ｔ１）／（Ｔ１−ｔ１）
＝（Ｔ１−Ｔ２）／（Ｔ１−ｔ１）
【００１８】
いま、熱交換機の温度効率を８０％とすると、熱交換器高温側入口における排気温度Ｔ１と熱交換器低温側出口におけるＶＯＣ含有空気の温度ｔ２との間に成り立つ関係式Ｔ１＝ｔ２＋５０℃と、上記の熱交換器の温度効率の定義式において、熱交換器４の高温側出口における排気温度Ｔ２＝５０℃、熱交換器４の低温側入口におけるＶＯＣ含有空気の温度ｔ１＝０℃を代入して得られる式を連立して解くと、ｔ２＝２００℃、Ｔ１＝２５０℃が得られる。ｔ２＝２００℃は、触媒部で１００％の処理率が得られるＶＯＣ含有空気の予熱温度に等しいことから、８０％以上の温度効率の熱交換器を使用すれば、定常運転においては、熱交換器による予熱だけで、完全処理時の温度上昇が５０℃のＶＯＣ含有空気を完全に処理できることがわかる。
同様な計算から、温度効率が５０％の熱交換器の場合には、完全処理時の温度上昇が２００℃のＶＯＣ濃度以上の濃度でないと、予熱器による予熱が必要となることも導かれる。
【００１９】
ＶＯＣ処理装置１０の始動時において、熱交換器４の入口におけるＶＯＣ含有空気の温度ｔ１が０℃、触媒部入口３Ｉでの設定最低温度が２００℃であり、送風機１の送風量が一定（定格送風量）である場合、その送風量（定格送風量）のＶＯＣ含有空気を２００℃上昇させることのできる能力の予熱器２が必要となる。
それに対して、例えば、送風機１の送風量を定格の１０％まで減少することができれば、理論上は予熱器２の予熱能力は１０分の１（定格送風量の２０℃の温度上昇に相当）で済むことになる。
【００２０】
同様に、送風機１の送風量を定格送風量の２５％まで減少することが出来れば、送風機１の定格送風量について、送風量が一定（定格送風量）の場合に必要な予熱温度上昇２００℃の２５％、すなわち５０℃の温度上昇に相当する予熱能力を有する予熱器２を用いれば、どんなにＶＯＣ濃度が薄いＶＯＣ含有空気であっても、熱交換器４の入口における温度ｔ１が０℃でも、触媒部入口３Ｉでの温度を設定最低温度（２００℃）まで昇温させて、反応部３で処理できることになる。
定格送風量について２００℃の温度上昇に相当する予熱能力を必要とすることに比較して、定格送風量について５０℃の温度上昇に相当する予熱能力を有する予熱器２を用意すれば済むことは、相当なコスト節減になることは確実である。
【００２１】
送風機１の風量は、例えば、駆動モータをインバータ制御型とすることで容易に可変制御することが出来る。送風機１の駆動モータをインバータ制御型とすることによるコスト増は、予熱器２の予熱能力を大幅に小さくできることによるコスト削減により、十分カバーできる。
さらに、予熱器２のサイズを大幅に小さくすることができるため、ＶＯＣ処理装置１０全体としてのサイズ縮小や、重量軽減のメリットが非常に大きくなる。
【００２２】
上述した送風機１の送風量の制御について、図２のフローチャートをも参照して説明する。
図２のフローチャートで示す制御（送風機１の送風量の制御）は、例えばＶＯＣ処理装置１０の始動時の様に、触媒部３の温度が低い場合を想定している。係る場合においては、分岐管６に設けられた放風弁７は閉鎖されており、予熱器２は作動している（ステップＳ０）。
【００２３】
図２において、先ず、送風機１からの送風量を許容最小量（例えば、定格送風量の２５％）にする（ステップＳ１）。図１を参照して説明した様にＶＯＣ処理装置１０を運転すれば、予熱器２で予熱されて、センサー５で計測される触媒部入口温度は上昇する（ステップＳ２）。
触媒部入口温度が設定最低温度（例えば２００℃）に昇温するまでステップＳ３の「Ｎｏ」のループを繰り返し、触媒部入口温度が設定最低温度以上に昇温したならば（ステップＳ３がＹｅｓ）、送風機１の送風量を増加する（ステップＳ４）。そして、送風量が設定送風量（例えば、送風機１の定格送風量）に到達したか否かを判断する（ステップＳ５）。送風機１の送風量が設定送風量に達していない場合には（ステップＳ５がＮｏ）、ステップＳ３以降を繰り返す（ステップＳ５がＮｏのループ）。
【００２４】
ステップＳ５が「Ｎｏ」のループでは、触媒部入口温度が設定最低温度まで昇温しているので、触媒部３で反応が行われている。ステップＳ５が「Ｎｏ」のループを繰り返すことにより、送風機１の送風量は増加する。
送風機１の送風量が設定送風量に到達したならば（ステップＳ５がＹｅｓ）、予熱器２を停止して（ステップＳ６）、作動始動時の制御を終了する。
【００２５】
次に、再び図１において、放風弁７の作用について説明する。
放風弁７の作用についての説明は、極めてまれな想定ではあるが、予想されたＶＯＣ濃度をはるかに超える濃度のＶＯＣ含有空気が、ＶＯＣ処理装置１０に供給される場合において、過熱を回避するための制御に関する。
【００２６】
触媒部３で完全に反応すれば１００℃温度上昇する濃度のＶＯＣ含有空気が、図１のＶＯＣ処理装置１０に供給される場合について検討する。この場合、予熱器２は作動しない。
熱交換器４の温度効率を上述と同様に８０％とすると、触媒部入口温度は４００℃となる。そして、触媒部３で１００℃昇温すれば、触媒部３の出口における排気温度は５００℃に達する。
係る高温は、触媒部３内の触媒や熱交換器４を過熱して、その耐久性に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００２７】
ここで、放風弁７を開放して、分岐管６を流れる（触媒部３の）排気の割合を５０％として、熱交換器４に流入させる（触媒部３の）排気の割合を５０％とすれば、熱交換器４の出口におけるＶＯＣ含有空気の温度ｔ２の上昇は、理論的には２００℃にすることができる。なお、上記の計算において、簡単化のため、熱交換器の温度効率は排気流量によらないと仮定しているが、結果が一般性を失うことにはならない。
ＶＯＣ含有空気の温度ｔ１が０℃であれば、ＶＯＣ含有空気の温度ｔ２、すなわち触媒部入口温度は２００℃となり、設定最低温度に一致する。したがって、触媒部３内の触媒や熱交換器４における過熱を防止して、反応を継続できる。なお、この場合の触媒部出口での排気温度は３００℃である。
【００２８】
放風弁７の作用について、図３のフローチャートをも参照して説明する。
図３のフローチャートで示す制御では、触媒部３内の触媒や熱交換器４における過熱が問題となる場合を想定している。その様な想定において、予熱器２は作動しておらず、送風機１の送風量は設定送風量となっており、放風弁７の弁開度は０％（放風弁全閉）となっている（ステップＳ１０）。
センサー５により触媒部入口温度を計測し（ステップＳ１１）、計測された触媒部入口温度が設定最高温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００２９】
触媒部入口温度が設定最高温度以上であれば（ステップＳ１２がＹｅｓ）、触媒部３内の触媒や熱交換器４が過熱する可能性があると判断して、放風弁７の弁開度を増加して、分岐管６を流れる触媒部３からの排気の流量を増加する（ステップＳ１３）。これにより、熱交換器４側の排気流量を減少して、熱交換器４におけるＶＯＣ含有空気の温度上昇を抑える。
そして、ステップＳ１５に進む。
【００３０】
触媒部入口温度が設定最高温度よりも低温であれば（ステップＳ１２がＮｏ）、放風弁７の弁開度を減少して、触媒部３からの排気が熱交換器４側を流れる量を増加する（ステップＳ１４）。
そして、運転が終了か否かを判定し（ステップＳ１５）、運転を継続するのであれば、ステップＳ１１以下を繰り返す（ステップＳ１５がＮｏのループ）。
【００３１】
図３で示す制御は、ＶＯＣ含有空気中のＶＯＣ濃度が濃く過熱の可能性がある場合の制御である。それに対して、図４では、ＶＯＣ含有空気中のＶＯＣ濃度が薄い場合の制御を示している。
ＶＯＣ含有空気中のＶＯＣ濃度が薄くなる場合を想定している図４の制御において、ステップＳ２０では、放風弁７は閉鎖した状態（全閉）となっており、送風機１の送風量は設定送風量であり、予熱器２は作動していない（予熱器ＯＦＦ）。
次にセンサー５により触媒部入口温度を計測し（ステップＳ２１）、計測された触媒部入口温度が設定最低温度（例えば２００℃）以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。
【００３２】
触媒部入口温度が設定最低温度よりも高温であれば（ステップＳ２２がＮｏ）、予熱器２をＯＦＦにする（ステップＳ２３）。そして、運転が終了か否かを判定し（ステップＳ２４）、運転を継続するのであればステップＳ２１に戻る（ステップＳ２４がＮｏ）。
【００３３】
触媒部入口温度が設定最低温度以下であれば（ステップＳ２２がＹｅｓ）、予熱器２を作動して、ＶＯＣ含有空気が設定最低温度以上まで昇温する様に予熱する（ステップＳ２４）。ＶＯＣ含有空気を設定最低温度以上まで昇温するのに必要な予熱量については、制御装置８内の図示しない記憶装置（メモリ）等に記憶された表や関係式等から演算することが可能である。
そして、センサー５により触媒部入口温度を計測し（ステップＳ２６）、計測された触媒部入口温度が設定最低温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ２７）。
ステップＳ２７で触媒部入口温度が設定最低温度よりも高温であれば（ステップＳ２７がＮｏ）、ステップＳ２４に進み、運転が終了か否かを判定する。
【００３４】
ステップＳ２７で、計測された触媒部入口温度が設定最低温度以下の場合（ステップＳ２７がＹｅｓ）は、ＶＯＣ含有空気中のＶＯＣ濃度が非常に薄く、予熱器２を作動するのみではＶＯＣ含有空気を２００℃まで昇温出来ないので、送風機１からの送風量を減少する（ステップＳ２８）。
そして、センサー５により触媒部入口温度を計測し（ステップＳ２９）、計測された触媒部入口温度が設定最低温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。
【００３５】
ステップＳ３０で触媒部入口温度が設定最低温度以下であれば（ステップＳ３０がＹｅｓ）、その時点における送風機１からの送風量が、送風機１の最小送風量（送風機１の送風量の許容最小値：送風量がゼロの場合を含む）よりも多いか否かを判定する（ステップＳ３１）。送風機１からの送風量が最小送風量よりも多い場合には（ステップＳ３１がＹｅｓ）、送風量をさらに減少するべく、ステップＳ２８に戻る。
ステップＳ３１において、送風機１からの送風量が最小送風量以下である場合（ステップＳ３１がＮｏ）は、予熱器２をＯＦＦにして、送風機１からの送風量を最小（ゼロを含む）にしても、触媒部入口温度が設定最低温度以下になってしまうということである。係る事態が生じた場合には、「異常」と判断して、ＶＯＣ処理装置１０を停止する（ステップＳ３２）。
【００３６】
送風量を減少して触媒部入口温度が設定最低温度よりも高温となれば（ステップＳ３０がＮｏ）、送風量を増加する（ステップＳ３３）。
そして、センサー５により触媒部入口温度を計測し（ステップＳ３４）、計測された触媒部入口温度が設定最低温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ３５）。
【００３７】
ステップＳ３５で触媒部入口温度が設定最低温度以下であれば（ステップＳ３５がＹｅｓ）、ステップＳ２８に戻り、送風機１からの送風量を減少する。
触媒部入口温度が設定最低温度よりも高温であれば（ステップＳ３５がＮｏ）、送風量が設定送風量に達しているか否かを判定する（ステップＳ３６）
送風量が設定送風量に達していなければ（ステップＳ３６がＮｏ）、ステップＳ３３に戻り、送風量を増加する。
一方、送風量が設定送風量に達していれば（ステップＳ３６がＹｅｓ）、ステップＳ２３に戻り、予熱器２をＯＦＦにする。
【００３８】
すなわち、図４で示す制御では、触媒部入口温度が設定最低温度よりも低い場合（ステップＳ２２がＹｅｓ）には、先ず、予熱器２により加熱し、予熱器２で加熱しても触媒部入口温度が設定最低温度よりも低い場合（ステップＳ２７がＹｅｓ）には、送風量を減少する（ステップＳ２８）。
予熱器２により加熱し且つ送風量を減少することにより、触媒部入口温度が設定最低温度よりも高くなれば（ステップＳ３０がＮｏ）、先ず、送風量を増加して設定送風量に戻す処理（ステップＳ３６がＮｏのループ）を行う。そして、触媒部入口温度が設定最低温度よりも高くなり且つ送風量が設定送風量に戻れば（ステップＳ３６がＹｅｓ）、予熱器２による加熱を終了する（ステップＳ２３）。
【００３９】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態のブロック図。
【図２】図１の実施形態における制御を示すフローチャート。
【図３】図１の実施形態における別の制御を示すフローチャート。
【図４】図１の実施形態の変形例を示すブロック図。
【図５】従来のＶＯＣ処理装置のブロック図。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・送風機
１Ａ・・・ブロワ
２・・・予熱器
３・・・触媒部
３Ｉ・・・触媒部入口
４・・・熱交換器
５・・・温度センサー
６・・・分岐管
７・・・放風弁
８・・・制御装置
１０・・・ＶＯＣ処理装置
１１・・・電熱線
【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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