アルカリ洗浄+水洗浄+RCOによるファインケミカル有機フッ素化合物およびポリアクリレート製造におけるVOC削減

事例研究・VOC削減

有機フッ素化合物とポリアクリレート製品を製造する専門ハイテク企業が、20,000 Nm³/h の複雑な多源ファインケミカル排ガスから 97.6% の VOC を除去し、NMHC 排出量を 15 mg/Nm³ 未満に抑える方法とは、酸性ガスと水溶性有機物に対処するためにアルカリ洗浄と水洗浄の前処理を使用し、最終酸化ステップで RTO ではなく RCO (再生触媒酸化装置) を使用することで、RTO の開放炎燃焼化学では不可能な、防爆ゾーンの設置で 300℃ を超える温度で 95% を超える VOC を分解することを可能にする方法です。

ファインケミカルVOC除去
RCO触媒酸化
防爆区域
有機フッ素化合物の製造
300℃低温酸化

97.6%
VOC除去
NMHC 500→12 mg/Nm³
300℃以上
RCO触媒温度
RTOの場合、760℃と比較
20,000
Nm³/時
標準プロセスガス
328,000
年間総費用(人民元)
年間8,000時間

01 — 業界背景とRCO対RTOの決定

ファインケミカル多製品生産:この用途においてRTOをRCOに置き換える3つの具体的な理由

ファインケミカルは、医薬品、農薬、染料中間体、食品添加物、高機能材料などを含む、高度な技術集約型産業です。その生産は、多段階の合成経路、多様な溶媒の使用、少量生産による高付加価値製品が特徴です。本事例研究の対象となる企業は、有機フッ素系化学製品9万トン、ポリアクリレート系ポリマー製品25万トンの年間生産能力を持つ省レベルのハイテク企業であり、有機フッ素系生産拠点、重合アクリレート生産拠点、リチウム電池材料生産拠点を有しています。同社の有機フッ素系製品(有機フッ素系農薬、医薬品中間体、フッ素化モノマーなど)およびポリアクリレート系製品(分散接着剤、エマルジョンポリマーなど)は、規制主導の成長が著しい特殊材料市場向けです。

このプロジェクトにおける決定的な技術選定は、RTO(再生式熱酸化装置)ではなくRCO(再生式触媒酸化装置)を選択したことである。経験概要には、以下の3つの理由が明確に記載されている。

RTOではなくRCOを選ぶ理由:文書化された3つの理由

  • 1
    製造区域は防爆区域に分類されているため、RTO(放射性酸化物除去装置)を設置することはできません。 有機フッ素化合物の製造工場やタンクファームは、ATEX防爆区域に分類されるエリア(周囲の空気中に可燃性溶剤蒸気が存在するため)で操業しています。RTO技術は、開放炎燃焼(760℃以上のバーナー)を使用してVOCを酸化します。開放炎燃焼装置を防爆区域内またはその近傍に設置することは、ATEX指令2014/34/EUおよびIEC 60079区域分類要件の両方に違反します。RCOは、開放炎を使用せずに300℃を超える触媒酸化を使用します。触媒反応は無炎であるため、RCOを防爆区域内またはその近傍に設置しても、区域分類要件に適合します。
  • 2
    ガス濃度は適度で、多少の変動がある。RCOはRTOに比べて低温で運転されるため、エネルギーを節約できる。 この設備の微細化学物質排ガス中のNMHC濃度は500 mg/Nm³であり、RTOの自己熱閾値(約2,500~3,000 mg/Nm³)を下回っています。直接RTOでは、760℃を維持するために天然ガスを継続的に供給する必要があり、燃料費が大幅に増加します。RCOでは、触媒温度が約300℃で十分であり、これは電気ヒーター(設置済み400kW)と触媒の発熱によって、中程度のVOC濃度で達成可能です。300℃に到達して維持するためのエネルギーコストは、760℃を維持する場合よりもはるかに低く、特にVOC濃度が自己熱RTO運転に不十分な場合はその差が顕著です。
  • 3
    RCOは高温蓄熱効率を高め、設備の運転エネルギーを削減する。 RCOの再生式蓄熱床は、触媒反応熱の95%以上を回収します(これはRTOよりも絶対温度は低いものの、それでもかなりの量です)。この熱を回収して流入する原料ガスを予熱することで、RCOは定常生産時に触媒の運転温度を維持するために必要な電気ヒーターのエネルギー入力を削減します。この熱回収効率の向上を低温のRCOシステムに適用することで、このVOC濃度レベルにおいて、RTOよりも優れた総合的なエネルギー経済性を実現します。

精密化学工業用途における、特殊な有機フッ素化合物およびポリアクリレート製造施設の事例。反応器ワークショップの排気換気および収集システムを備え、複数の発生源からのプロセス排ガスに対応するため、防爆区域内でアルカリ洗浄水洗浄前処理およびRCO再生触媒酸化処理が必要となる。


02 — 汚染状況

ファインケミカル工場における多種発生源排ガス:500 mg/Nm³の非メタン炭化水素、酸性ガス、複数の溶剤種、および防爆区域分類

排ガスは、有機フッ素反応器作業場からの真空ポンプ排気、反応器廃ガス、タンクエリア呼吸排出物、作業場およびタンクエリア排ガス、廃水処理プラント排ガスなど、複数の発生源から同時に発生します。すべての流れは共通の収集マニホールドで合流され、合流ガス流として処理されます。標準ガス量:20,000 Nm³/h、プロセス量:30℃で22,196 Nm³/h。ファン出力:55 kW、ファン圧力:5,000 Pa、ダクト直径:φ700 mm。O₂含有量:21%(実測値/基準値)。湿度:40%。

VOCプロファイルは、シクロヘキサン、アセトン、エステル、ポリオール、その他多数の溶媒種など、ファインケミカル合成経路の多様性を反映しています。初期ガスにはベンゼン系芳香族化合物(ベンゼン、トルエン、キシレン)は主要成分として記載されていませんが、出口制限ではベンゼン、トルエン、キシレンの制限が指定されており、プロセス化学の副反応による微量の存在が示唆されます。総NMHCは500 mg/Nm³で、中程度の濃度であり、RTOの自己熱閾値を下回っていますが、RCO触媒酸化に適しています。廃水処理プラントの排ガス成分には、硫化物塩化物やその他の酸性物質が含まれており、RCOの前にアルカリ洗浄前処理が必要です。

防爆区域の分類 重要な現場制約は、有機フッ素化合物の製造エリアおよび関連するタンクファームが、EU ATEX指令2014/34/EUに基づき防爆区域に分類されていることです。この分類により、これらの区域内または直接隣接する場所では、特定の安全工学的審査なしに、開放炎燃焼装置(パイロット炎で760℃以上で動作するRTO天然ガスバーナーを含む)の使用が禁止されています。RCOの無炎触媒酸化メカニズム(電気ヒーターで触媒を300℃以上に加熱し、炎なしで触媒酸化が進行する)は防爆区域との近接性に対応しており、この設備にとって唯一実現可能な熱酸化技術となっています。

パラメータ 初期濃度 実際の店舗 EU IED / NER制限
NMHC(総VOC) 500 mg/Nm³ 12 mg/Nm³(オンライン版は15未満) IED ≤40 mg/Nm³
ベンゼン トレース(プロセス化学) 0.5 mg/Nm³ IED ≤2 mg/Nm³
トルエン トレース 3 mg/Nm³ IED ≤5 mg/Nm³
キシレン トレース 4 mg/Nm³ IED ≤8 mg/Nm³
酸性ガス(廃水排ガス由来) 硫化物塩化物が存在する アルカリ洗浄により除去
標準ガス量 20,000 Nm³/時
プロセスガス量 30℃で22,196 Nm³/h
敷地区域分類 防爆区域(ATEX) ATEX 2014/34/EU
年間VOC削減量 約345トン/年 検証済み

03 — RCOテクノロジー解説

再生触媒酸化(RCO)がどのようにして裸火を使わずに300℃以上で95%以上のVOC分解を達成するのか

再生触媒酸化(RCO)は、触媒を用いて有機化合物の酸化反応の活性化エネルギーを低下させることで、熱酸化(非触媒酸化)に必要な760℃~850℃ではなく、260℃~400℃の温度で完全な分解を可能にする。酸化化学はRTOと同じである。

CₙHₚ + (n+m/2) O₂ → nCO₂ + (m/2) H₂O + ΔH

触媒は活性化エネルギーの低い代替反応経路を提供し、反応を760℃ではなく300℃で進行させる。RCOシステムの構造は3床式RTOのレイアウトを模倣しており、同じセラミック蓄熱再生原理を用いて反応熱の95%以上を回収し、流入する原料ガスを予熱する。違いは、RTOの燃焼室がRCOでは触媒床に置き換えられ、燃焼温度が触媒活性化温度に置き換えられている点である。

RCOにおけるガスの流れは以下のとおりです。ガスは予熱されたセラミック再生蓄熱床を通過し、周囲温度から約300℃まで上昇します。予熱されたガスは触媒に接触し、触媒表面でVOC酸化反応が触媒的に進行します。高温の酸化生成物(CO₂、H₂O、熱)は触媒床から出て、2番目のセラミック蓄熱床を通過し、その熱を次のサイクルの流入ガスの予熱に利用します。電気ヒーター(設置時400kW、起動時150kW、コールドスタート時420kW)は、システムを触媒作動温度まで加熱するための初期加熱を行い、その後、発熱触媒反応により外部エネルギーの投入なしに温度が維持されます(十分なVOC濃度の場合)。

3床式RCO再生触媒酸化装置のプロセスフロー図。ファインケミカル有機フッ素製造用排ガス処理、アルカリ洗浄および水洗浄前処理、300℃の触媒床、燃焼室の代替、防爆区域設置のための無炎酸化、バルブ切り替え付き3つのセラミック蓄熱床チャンバーを示す。

RCOとRTOの比較概要

特徴 RTO RCO(本プロジェクト)
酸化メカニズム 熱(直火) 触媒式(無炎)
動作温度 760~850℃ 300℃以上
防爆区域への適合性 不向き(直火使用) 適している(炎なし)
低VOC濃度におけるエネルギー 高温(760℃まで加熱する必要があります) より低い温度(わずか300℃)
熱回収効率 ≥95% ≥95%
VOC除去効率 ≥99% ≥95%
触媒の耐用年数/コスト 該当なし(触媒なし) 3~5年間の触媒交換費用
ハロゲン化VOC耐性 耐性あり(熱交換器/スクラバー使用時) 敏感(触媒を毒する)
自己熱閾値 約2,500~3,000 mg/Nm³ 低い(約800~1,200 mg/Nm³)

04 — 治療溶液

アルカリ洗浄+水洗浄+RCO:前処理により触媒を保護。RCOにより無炎・防爆酸化を実現。

この3段階プロセスチェーンは、前処理の考え方において医薬品RTOアプリケーション(ケース22)を模倣していますが、最終酸化段階でRTOの代わりにRCOを使用しています。前処理段階では、RCO触媒を、触媒表面を損傷または不活性化する酸性ガス成分や水溶性有機物から保護します。その後、RCOは、防爆区域の分類で禁止されている裸火を使用せずに、300℃を超える温度でVOCを分解します。

ステージ1:アルカリ洗浄(酸性ガス除去)

すべての収集源からのガスはアルカリ洗浄工程に入ります。廃水処理場の排ガスには、硫化物塩化物や生物処理由来の酸性物質が含まれています。これらの酸性ガス成分がRCO触媒に到達すると、硫黄化合物や塩素化合物が活性部位を占有することで触媒表面を汚染します。アルカリ洗浄は、NaOH溶液への吸収によってこれらの成分を除去し、触媒を保護します。アルカリ洗浄は、有機フッ素系作業場で発生するあらゆる酸性ガスに対する第一段階の前処理でもあります。

ステージ2:水洗(水溶性有機物除去および水分管理)

アルカリ洗浄後のガスは、水溶性有機化合物のさらなる除去と水分管理のため、水洗浄工程へと進みます。混合ガス(40%)中の高湿度は、触媒活性部位へのVOC吸着と競合し、触媒表面の化学組成を劣化させる加水分解反応を促進することで、RCO触媒の活性を低下させる可能性があります。水洗浄とRCO入口前の温度調整(入口温度40℃以下)を組み合わせることで、ガスが適切な温度と湿度で触媒床に導入されることが保証されます。

すべての発生源(ファン、タンクエリア、作業場、廃水)からの混合ガスは、ファンと換気室のガス、タンクエリアと建物の排ガスを合流するマニホールドを通して、共通のガス収集ヘッダーに集められます。廃水排ガスには酸性基(硫化塩化物)が含まれているため、アルカリ洗浄と水洗浄によって前処理されます。ファンの駆動により、ガスは入口回路に急速に充填され、その後、下部入口上部出口の方向にスクラバーゾーンに送られます。充填材表面で、気体成分はNaOH液から分離され、酸性ガスはアルカリ洗浄液に吸着されて液体タンクに流れ込みます。充填材上部の噴霧部では、ガスは均一に上昇し、噴霧材料の1層の噴霧層に入ります。噴霧部では、噴霧ゾーンプロセスによってガスと液体が均一に分布し、密接に接触します。吸収器は残留噴霧霧を処理します。ガスは上部噴霧部に上昇し、ミスト除去器に入ります。ミスト除去装置と重力の作用により、噴霧部で発生した噴霧霧が除去され、分離された水は吸収器の内壁に沿って下方へ流れ、スラリー貯蔵タンクに送られます。ガスは、噴霧密度が異なる第2冷却ミスト除去装置を通過します。2つのセクションでは噴霧圧力が異なり、噴霧濃度は噴霧範囲全体をカバーし、このようにして液体吸収ガスを安定させることができます。このプロセスにおける制御された空気流量と充填時間により、ここでガスが除去され、沈殿し、最終的にRCO加熱燃焼システムに再投入されます。水洗後の処理濃度は比較的安定しており、ガスは排出レベルに達することができます。

ステージ3:RCO(再生触媒酸化装置、300℃以上)

前処理されたガスがRCOに入ります。起動時には、電気ヒーターがシステムを触媒の動作温度(>300°C)まで加熱します。500 mg/Nm³ NMHCの定常生産中は、発熱触媒酸化により触媒温度を維持するための熱入力が供給され、電気ヒーターの負荷が軽減またはなくなります。RCOの主なパラメータ:処理流量20,000 m³/h、入口温度≤40°C、処理効率>95%、熱効率>95%、触媒温度>300°C、触媒容量3.1 m³、燃焼器定格2,100,000 kcal/h、電気ヒーター出力400 kW、起動エネルギー150 kW·h、コールドスタートエネルギー420 kW·h、システム圧力損失<3,000 Pa、装置重量80 t、設置面積30×7 m。

原子炉
真空ポンプ+タンク
WWの排ガス
アルカリ洗浄
硫化水素 + 酸
ガス除去
水洗い
水に可溶
湿度↓
RCO ⭐
300℃以上
炎なし
スタック
12mgのVOC
97.6%

⭐ RCOは無炎触媒酸化を使用するため、直火式RTOが禁止されている防爆区域に適しています。

機器仕様

アイテム 仕様
RCO処理フロー 20,000 m³/h、入口温度≤40℃、触媒温度>300℃、設置面積30×7 m、80 t
処理効率/熱効率 >95% / ≥95%
触媒量 3.1 m³(2ベッド構成)
燃焼器定格 2,100,000 kcal/時
電気ヒーター 設置容量400kW、起動時出力150kW、コールドスタート時出力420kW
RCOファン 45kW
総電力 設置容量445kW(380V、50Hz、三相)
圧縮空気 25 m³/h (圧力: 0.6~0.8 MPa)
年間電気料金 消費電力36kW・h/h、電気料金29人民元/時、年間8,000時間=約232,000人民元/年
年間圧縮空気コスト 60 m³/時、12 人民元/時、8,000 時間 = 約 96,000 人民元/年
年間総運営費 年間328,000人民元(年間328,000人民元)

3床式RCO再生触媒酸化装置第2構成プロセスフロー図(セラミック蓄熱床バルブ切り替えシーケンス、アルカリ洗浄および水洗浄前処理塔、触媒加熱およびクリーンガス排出用電気ヒーター、ファインケミカル有機フッ素製造、防爆ゾーン、VOC除去を示す)


05 — 主な利点

ファインケミカルの防爆ゾーンにおけるVOC用途にRCOが最適な選択肢である5つの理由


  • 無炎触媒酸化は、防爆区域において唯一実現可能な開放系熱処理法である。 ATEX指令2014/34/EUでは、防爆区域内のすべての機器は、爆発性雰囲気の着火を防止するように設計および認証されている必要があります。760℃以上で連続パイロット炎で動作するRTOバーナーは、ゾーン1またはゾーン2の危険区域に対するATEX機器認証を満たすことが本質的に不可能です。RCOの電気ヒーター(ATEX Ex-dまたはEx-e分類に指定可能)と触媒床(内部着火源なし)は、ゾーン2設置に関するATEX要件に準拠するように設計できます。VOC処理システムを分類された危険区域内またはその隣接地に設置する必要があるファインケミカル施設では、RCOが唯一の再生式熱酸化技術オプションとなります。

  • 動作温度の低下(300℃対760℃)により、起動時のエネルギー消費量と定常状態での熱損失が大幅に削減されます。 RCO電気ヒーターは、起動時にセラミックベッドと触媒を300℃までしか加熱する必要がないのに対し、RTOでは燃焼室温度が760℃まで上昇します。300℃では、システムから環境への熱損失は760℃の場合よりも大幅に少なく(熱損失は周囲温度との差に比例します)、これらの損失を補うために必要な定常状態のエネルギー入力が削減されます。このため、RCOは、VOC濃度が発熱反応熱だけで触媒温度を十分に維持するのに不十分な部分負荷運転時に特に経済的です。

  • RCO前アルカリ洗浄および水洗浄工程は、触媒の被毒を防ぎ、長寿命を維持します。 RCO触媒(通常はセラミック担体上に担持された貴金属または金属酸化物)は、触媒表面に付着して活性部位を塞ぐ硫黄化合物、塩化物化合物、および高沸点有機汚染物質によって失活しやすい。アルカリ洗浄は、廃水処理場の排ガスから硫化物や酸性塩化物ガスを触媒に到達する前に除去し、水洗浄は水溶性有機物を除去する。これらの前処理工程を組み合わせることで、RCO触媒に入るガスは比較的清浄で乾燥した状態となり、前処理なしの場合の一般的な1~2年から、適切な前処理を行うことで3~5年へと触媒寿命を延ばすことができる。

  • NMHC濃度が500 mg/Nm³の場合、RCOの自己熱閾値は300℃で達成可能であり、通常の生産負荷では外部燃料は不要です。 RCOの自己熱閾値(外部電気ヒーターの入力なしに触媒温度を維持するのに十分な触媒発熱量が得られる最小VOC濃度)は、300℃における一般的なファインケミカル溶剤混合物の場合、約800~1,200 mg/Nm³です。この設備では、入口濃度が500 mg/Nm³であるため、システムは自己熱境界付近または境界で動作しており、電気ヒーターが触媒温度を維持するためにいくらかの補熱を行っています。実際の電力消費量は36 kW·h/hで、400 kWの全負荷ヒーター容量よりも大幅に少なく、触媒発熱反応が温度維持に大きく貢献していることが確認できます。このVOC濃度で一定の補助燃料を必要とするRTOと比較すると、RCOのエネルギー経済性は大幅に優れています。

  • 複雑な多発生源・多成分ファインケミカル排ガスからの97.6% VOC除去は、多様な溶剤プロファイルにわたるRCOの有効性を実証する: 入口濃度500 mg/Nm³、出口濃度12 mg/Nm³(除去率97.6%)のVOC混合物は、シクロヘキサン、アセトン、エステル、ポリオール、および同一製造施設内の異なる合成経路由来のその他多数の化合物など、非常に多様なVOC混合物を含んでいます。これらの化合物はそれぞれ異なる触媒酸化速度と触媒表面への異なる吸着挙動を示します。300℃でこの混合物全体に対して95%を超える総合除去効率を達成したことは、このファインケミカル用途の特定のVOCプロファイルに対して触媒組成が適切に選択されていることを裏付けています。

06 — 業務実績

実証済み性能:NMHC <15 mg/Nm³ オンライン、グレードB企業ステータス、VOC削減量345トン/年

12 / 40
mg/Nm³ 実測値/制限値
NMHC — 97.6% 除去済み
<15 mg/m³
オンライン監視
地域制限値 60 mg/m³
345トン/年
年間VOC削減量
グレードBの企業
328,000
年間合計人民元
年間8,000時間

試運転後、オンラインVOCモニタリングデータは一貫して15mg/m³未満を示し、適用される地域の許可要件である60mg/m³を満たしています。この施設は、グレードBの企業排出分類を達成しました。8,000稼働時の年間運転コスト:電気 29人民元/時(36kW・h/時、0.8人民元/kWh)=約232,000人民元、圧縮空気 12人民元/時(60m³/時、0.2人民元/m³)=約96,000人民元、合計約328,000人民元/年(328,000人民元)。

ファインケミカルRCO再生触媒酸化装置の設備配置図。設置面積は30×7メートルで、アルカリ洗浄前処理塔、水洗浄塔、セラミック蓄熱床ユニット、触媒室、電気ヒーターアセンブリ、有機フッ素ポリアクリレート製造用誘引送風機、防爆区域、VOC除去設備を備えている。


07 — 実施上の注意

ファインケミカルRCOアプリケーションにおける重要なエンジニアリングおよび運用上の教訓

  • 🚫
    触媒の被毒は不可逆的であるため、アルカリ洗浄および水洗浄の前処理段階は常に適切に維持されなければならない。 廃水排ガス中の硫化物や塩化物化合物がRCO触媒に多量に到達すると、活性部位を永久的に占有し、再生では元に戻せないほど触媒活性を低下させます。触媒が被毒されると、多大なコストと長期間のダウンタイムを伴い、交換せざるを得なくなります。前処理洗浄工程は、単なる排出削減工程としてではなく、RCO触媒の安全上重要な設備として維持管理する必要があります。アルカリ洗浄出口のpHを継続的に監視し、NaOH濃度を毎週確認してください。未処理の廃水排ガスが触媒に到達するようなNaOH供給の中断は、触媒被毒の直接的なリスクとなります。
  • ⚠️
    新たな製造ルートによってガス流に導入されるハロゲン化溶媒はRCO触媒を劣化させるため、塩素化溶媒やフッ素化溶媒を用いた新たな合成ルートは、技術的な検討なしに決して採用してはならない。 この設備で使用されているRCO触媒は、現在のガス組成(シクロヘキサン、アセトン、エステル、ポリオール ― ハロゲン化溶剤は含まない)に合わせて配合されています。塩素化溶剤(DCM、クロロホルム)またはフッ素化溶剤(HCFC、HFC)を導入する新たな合成経路が製造工程に追加された場合、ハロゲン化溶剤は触媒に到達し(H₂Sと酸性ガスは除去されるが中性ハロゲン化溶剤は除去されないアルカリ洗浄工程を迂回して)、触媒を不可逆的に失活させてしまいます。変更管理手順では、新たな溶剤をガス収集システムに導入する前に、必ずエンジニアリングレビューを実施する必要があります。
  • ⚠️
    RCO触媒の活性は定期的に監視し、活性が効率閾値を下回る前に積極的に触媒を交換する必要がある。 RTOのセラミック蓄熱床(化学的に不活性化しない)とは異なり、RCO触媒は、時間の経過とともに活性部位が反応生成物や微量汚染物質で占められるため、徐々に活性が低下します。これは正常な劣化メカニズムであり、システムの故障ではありません。適切な前処理を行えば、触媒の耐用年数は通常3~5年です。電気ヒーターの消費量(温度維持に対する触媒の寄与の指標)と出口VOC濃度との関係を経時的に追跡することで、触媒活性を間接的に監視します。特定のVOC入口濃度でヒーター消費量が上昇した場合(触媒の発熱量が減少していることを示す)、および/または出口NMHC濃度が上昇し始めた場合は、出口濃度が許可限度に近づく前に触媒の交換を計画してください。
  • ⚠️
    RCOシステムまたはその近隣の生産設備に変更を加える前に、ATEXゾーン分類を必ず確認する必要があります。 RCO技術の選定を正当化するATEXゾーン分類は、当初のシステム設計時に確立されたものです。その後、製造設備(新しい溶剤貯蔵設備、新しい反応器ベント、換気設計の変更など)に変更が生じ、ゾーン分類またはゾーン境界が変更される場合は、RCO設備のATEX適合状況を再評価する必要があります。システムが分類ゾーン内にある場合、RCOの電気ヒーター、ファンモーター、または計装機器を変更する際には、標準的な工業用部品ではなく、ATEX認証済みの交換部品を使用しなければなりません。

08 — エンジニアリングの要点

この優れた化学品RCOプロジェクトから得られた4つの教訓

  • !
    ATEXゾーン分類は、経済性や効率性の比較を行う前に技術選定を決定づける厳しい制約条件です。ゾーン分類または燃焼システムの根本的な再設計を行わない限り、RTOを防爆ゾーンに設置することはできません。 このプロジェクトにおける技術選定の決定は、RCOとRTOの効率やコストの比較から始まったのではなく、設置場所が防爆区域であるという現場の制約から始まりました。この制約により、他の要素を評価する前にRTOは検討対象から除外されます。ファインケミカル、石油化学、または溶剤製造用途のVOC除去設計を開始するエンジニアは、処理技術を選択する前に、最初のエンジニアリング手順として、設置予定場所のATEX区域分類を決定する必要があります。
  • 2
    RCOは、中濃度(200~1,500 mg/Nm³)の非ハロゲン化VOCの流れに対して、防爆区域外であっても、RTOよりも経済的に有利である。これは、運転温度が低いためエネルギーコストが削減されるためである。 RCOのRTOに対するエネルギー上の利点は、VOC濃度が低下するにつれて大きくなります。非常に低い濃度(200 mg/Nm³未満)では、RTOもRCOも外部加熱なしでは効果的に動作しません。中程度の濃度(200~1,500 mg/Nm³)では、300℃のRCOは760℃のRTOよりも大幅に少ない補助エネルギーで済みます。高濃度(3,000 mg/Nm³以上)では、RTOは自己熱的に動作できますが、RCOはすでにほぼ自己熱的に動作しています。RTOがRCOよりも経済的に有利になる分岐点は、約3,000~5,000 mg/Nm³です。この濃度を超えると、RTOのより高い分解効率(≥99%対≥95%)とよりシンプルな触媒フリー設計により、より高い動作温度が正当化されます。
  • 3
    ハロゲン化物および硫化物による触媒被毒のリスクは、RCOの適用性を決定する主要な技術的制約です。ファインケミカル用途にRCOを指定する前に、このリスクを評価してください。 RCOはこの用途に適しています。その理由は、(a) 酸性ガス(硫化塩化物)が触媒処理前のアルカリ洗浄で除去されること、(b) 主要なVOC種(シクロヘキサン、アセトン、エステル、ポリオール)が触媒を被毒する燃焼生成物を生成しないこと、(c) 現在の生産計画にハロゲン化溶剤が含まれていないことです。これら3つの条件のいずれかが変化すると、RCO触媒の寿命が危うくなります。この評価はRCOを指定する前に実施する必要があり、変更管理手順によってシステム寿命全体にわたってこれらの条件を維持する必要があります。
  • 4
    20,000 Nm³/hの処理能力で年間総コストが328,000人民元、効率が97.6%であることから、RCOは高濃度自己熱運転のような極めて低いコストではなく、中程度のVOC濃度でも中程度のコストで高い効率を実現できることが実証された。 年間32万8000人民元(処理量1000立方メートルあたり約4.1人民元)のコストは、アスファルト産業のRTO(ケース26:高VOC濃度で1000立方メートルあたり0.6人民元/時)よりも高いものの、製薬業界のRTO+スクラバー(ケース22:複雑なスクラビングチェーンで1000立方メートルあたり約10人民元/時)よりは大幅に低い。中程度のVOC濃度におけるRCOのコストは、単純な高濃度自己熱処理と、ゼオライト前濃縮を必要とする複雑な低濃度処理との間の妥当な妥協点を示している。

09 — よくある質問

ファインケミカルRCO VOC削減:10の質問への回答

EU IED / ATEX / オランダ活動規則の要件に基づき、RCOまたはRTO VOC削減システムを計画しているファインケミカル、有機フッ素、特殊化学品施設の環境許可管理者、プロセスエンジニア、EHSチームからの質問。

Q1. 具体的にどのような条件を満たせば「防爆区域」とみなされるのでしょうか?また、なぜ防爆区域ではRTOの設置が禁止されるのでしょうか?
ATEX指令2014/34/EUでは、防爆区域(危険区域)は、可燃性ガス、蒸気、ミスト、または粉塵が爆発性雰囲気を作り出すのに十分な量で大気中に存在する可能性のある区域と定義されています。ゾーン0(常時爆発性雰囲気)、ゾーン1(時折爆発性)、ゾーン2(まれに爆発性があるが爆発の可能性がある)は、ガス/蒸気危険区域の分類です。これらの区域に設置される機器は、通常の運転時および予見可能な故障時に着火を防止する認証を取得する必要があります。RTO技術は、760℃以上で動作する固有の着火源である開放炎の天然ガスバーナーを使用するため、バーナーの囲い方に関係なく、ゾーン1またはゾーン2の要件とは根本的に相容れません。 RCOは電気ヒーター(ゾーン2の場合、ATEX Ex-eまたはEx-dの分類に適合するように指定可能)と触媒床(ゾーン内の可燃性ガスの自己発火温度を超える裸火や高温表面がない)を使用します。そのため、RCOはATEX要件に適合するように設計できますが、RTOは燃焼システム全体を危険区域外に移動させない限り、適合させることはできません。
Q2. この精密化学品製造施設には、EU IEDおよびオランダの規制要件のうち、どのようなものが適用されますか?
オランダにあるこのファインケミカル施設は、EU IED 2010/75/EU 第V章(溶剤排出)および有機ファインケミカル製造(OFCM)のBAT結論の対象となります。オランダのActiviteitenbesluit milieubeheer附属書4Aでは、ファインケミカル活動におけるVOC排出制限が規定されており、通常、閾値消費量を超える溶剤使用活動の場合、煙突からのNMHC排出量は40 mg/Nm³以下となっています。この施設における地方許可要件は60 mg/Nm³(地方管轄当局の判断を反映して若干​​高い値)です。ATEX指令2014/34/EUは、防爆区域内のすべての機器に適用されます。オランダのArbowet(労働安全衛生法)は、職場におけるベンゼン曝露制限に適用されます。オランダの許可では、総VOC(FID連続、EN 12619)のCEMSが義務付けられています。特に有機フッ素化合物の製造においては、許可条件に基づき、フッ化物化合物の排出を定期的に監視する必要がある場合があります。
Q3. 触媒はどのようにして活性を維持し、時間の経過とともに活性を失う原因は何ですか?
RCO触媒(通常はアルミナまたは混合金属酸化物担体上の白金またはパラジウム)は、VOC分子が吸着して酸素と反応する表面活性サイトを提供することで活性を維持します。失活メカニズムには、次のものがあります。(1)熱焼結 ― 高温により貴金属粒子が凝集し、単位質量あたりの露出した活性サイトの数が減少します。これが、300℃で動作するRCOが450℃以上で動作する触媒酸化装置よりも触媒寿命が長い理由です。(2)被毒 ― 硫黄化合物は安定な硫酸塩を形成することで活性サイトを不可逆的に占有します。塩化物化合物は安定な金属塩化物を形成します。これらは、アルカリ洗浄および水洗浄前処理によって管理される主なリスクです。(3)マスキング ― 高沸点有機化合物は低温で触媒表面に凝縮し、活性サイトを覆います。(4)機械的劣化 ― ガス速度と振動により、時間の経過とともに触媒粒子が摩耗します。触媒寿命のモニタリング(実施上の注意に記載)により、完全な失活の前に予防的に交換することができます。
Q4. 施設の区域分類がゾーン2から非危険区域に変更された場合、RCOは今回と同じVOCストリームを処理できますか?
はい。ゾーン分類が変更された場合(例えば、発生源の囲いの改善により周囲の可燃性蒸気濃度が低下した場合など)、RCOは依然として有効な技術です。防爆ゾーンに適しているだけでなく、ゾーン外でも完全に機能します。非危険区域では、RCOは設計どおりに動作し続けます。唯一の考慮事項は、RTOの方が好ましいかどうかです。入口濃度が500 mg/Nm³の場合、RTOは依然として補助燃料を必要としますが、RCOは必要としません。したがって、ゾーン分類の制約がなくても、RCOの経済的優位性は維持されます。ゾーン分類の制約によりRCOは必須となりますが、必須でない場合でも、エネルギー経済性の観点からRCOが望ましいと言えます。
Q5. RCOの継続的な運営のために、年間予算として計上すべき運営費はいくらですか?
年間運転コスト(8,000 時間/年):電気 36 kW·h/h、0.8 人民元/kWh = 約 232,000 人民元。圧縮空気 60 m³/h、0.2 人民元/m³ = 約 96,000 人民元。ユーティリティ総コストは約 328,000 人民元 (328,000 人民元)。設備投資:触媒の交換は 3~5 年ごと(コストは触媒の組成と量によって異なる。貴金属触媒の場合、3.1 m³、約 150,000~300,000 人民元/m³ = 交換あたり約 450,000~930,000 人民元)。アルカリ洗浄用 NaOH 試薬。セラミックベッドの部分交換(必要に応じて)。触媒の交換費用は耐用年数にわたって償却されるため、年間費用に約10万~30万人民元が加算され、触媒の償却費を含めた実際の年間総費用は約43万~63万人民元となります。
Q6. オランダの許可条件の下で、このファインケミカルRCOシステムにはどのようなCEMS監視が必要ですか?
オランダの許可に基づくCEMS要件:スタックにおける総VOC(FID連続、EN 12619);触媒床入口および出口温度(連続、>300°Cの確認および触媒活性劣化の監視に重要);流量およびO₂(連続、基準補正用)。認定された研究所を使用して、定期的な手動サンプリング(最低年1回)により、個々の化合物(ベンゼン、トルエン、キシレン、シクロヘキサンを主要成分として)を監視。有機フッ素化合物の製造の場合、ガス収集システムにフッ素化中間体が存在する場合は、定期的なサンプリングによるフッ化物化合物(HF)排出量の監視が必要になる場合があります。アルカリ洗浄出口pHの監視(連続)は、廃水排出指標としてだけでなく、触媒保護のための運用上の安全策としても機能します。
Q7. 生産量が増加した場合に、RCOを将来のVOC濃度の上昇に対応できるように調整することは可能ですか?
はい、制限内です。VOC 入口濃度が現在の 500 mg/Nm³ を超えると (生産量の増加または新しい合成経路による)、RCO の応答は次のようになります。(1) 約 1,200 mg/Nm³ 未満: より多くの触媒発熱熱が発生するため、電気ヒーターの需要が減少します。ヒーターの電力消費が減少するため、運転コストが低下します。(2) 約 1,200 mg/Nm³ の場合: システムは自己熱運転に近づきます。ヒーターの消費はゼロに近づきます。(3) 約 1,500〜2,000 mg/Nm³ を超える場合: 触媒発熱熱がシステムからの熱損失を超え、触媒温度が設計点である 300°C を超えます。冷却システム (または脱着ゾーンを通過するガス流量の減少) でこの余剰熱を管理する必要があります。 (4)約5,000 mg/Nm³を超える場合:温度上昇が触媒の動作限界(ほとんどの市販触媒では通常450~500℃)を超え、熱焼結や触媒の失活のリスクがあります。この濃度では、余剰分を処理するために熱抽出システム(廃熱を温水に利用)が必要になります。VOC濃度を2,000 mg/Nm³以上に増加させる計画がある場合は、実施前に機器メーカーに事前に通知してください。
Q8. 精密化学品の防爆区域におけるRCOシステムの参考設置事例は、現場見学が可能ですか?
はい。本事例研究で紹介したアルカリ洗浄+水洗浄+RCOシステムは、ファインケミカル、特殊化学品、有機フッ素化合物の製造施設で導入されています。適格な見込み顧客様には、検証済みのCEMS準拠データ、触媒活性モニタリング記録、アルカリ洗浄性能データ、およびゾーン分類検証のためのATEX準拠文書へのアクセスを含む、参考サイトへの訪問を手配いたします。防爆ゾーンへの適合性と中濃度VOC処理の組み合わせにより、このシステムは、従来のRTO設置がゾーン分類によって制限されるファインケミカル施設にとって特に貴重な参考事例となります。参考資料のご請求は、下記の連絡先リンクをご利用ください。

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本事例研究では、アルカリ洗浄および水洗浄による前処理を施した、ファインケミカルの有機フッ素化合物およびポリアクリレート製造におけるVOC(揮発性有機化合物)除去のための再生触媒酸化(RCO)システムの導入について詳述する。技術選定の根拠(防爆区域用途におけるRCOとRTOの比較)は、エンジニアリング上の指針として提示する。規制に関する参照事項は、EU IED 2010/75/EU、ATEX指令2014/34/EU、およびオランダの活動規制(Activiteitenbesluit milieubeheer)の枠組みを反映している。