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2 塗装編
第5章 塗装工場用VOC処理装置

5.4 塗装ブース用処理装置の研究開発事例

5.4.1 はじめに

光化学オキシダントの抑制を図るため、VOCの排出を規制する改正大気汚染防止法が平成18年から施行されています1)。自主的取組の対象となっている中小規模の吹付け塗装工場では2)、塗装ブース内において、塗着しなかった微粒子化した塗装ミストと低濃度VOCが発生しています。中小企業の多くは、未だ排ガス処理装置を設置しておらず、小型かつ導入費・維持費が安価な処理装置の開発が望まれています3,4)

私達は、装置価格が低い吸着方式5)において、塗装ミストフィルタを不要とし、安価な粉末活性炭(ACP)を使用する、VOCと塗装ミストを同時に処理できるバグフィルタ型VOC処理装置の開発に取り組みました。処理装置の縮小モデル機を試作して、ACPの処理性能を調査し、塗装工場への適用について検討した結果について報告します。


5.4.2排ガス処理装置試作機

(ア) 中小塗装工場からの排ガス

開発する処理装置は、塗装ブースから排出されるガスを対象としました。労働安全衛生法により、塗装ブースにおける吹付け作業時の風速は0.5 m/s以上と定められており6)、また塗装ブースの開口部面積は多くの場合2~6 m²であることから4)、中小塗装工場での換気量を10,000 m³/hと仮定しました。その他の操業条件を表2.5.4.1に示します。実験に用いた塗装ブースは、設備導入費の低い7)乾式ブース(アネスト岩田製,BBC-20D)としました。乾式ブースの塗装ミスト除去効率は、アミノアルキド樹脂塗料(ロックペイント製,エミーラック050-1205)を使用し、乾式ブース通過後の塗装ミストを全量、フッ素樹脂処理ガラス繊維フィルタ(Pallflex Products製,T60A20)により捕集して求めました(吹付け量2 g/s、風量10,000 m³/h)。また、塗料固形分比率は、シンナーで希釈した(塗料:シンナー = 100 : 34.2)アミノアルキド樹脂塗料について、JIS K 5601-1-2 「塗料成分試験方法-第1部:通則-第2節:加熱残分」に準じて、加熱乾燥後の重量変化から算出しました。

微粒子化した塗装ミストは、乾式ブースに装備されている排気フィルタを通過するものがあり、その1日の固形分量は、表2.5.4.1の塗料消費量、塗着効率、乾式ブースの塗装ミスト除去効率、塗料固形分比率から、275 g/dと推定されます。また、乾式ブースの排気フィルタはVOCを除去しないと考え、1日のVOC排出量は表2.5.4.1から、同様に7.90 kg/dと計算されます。これから、VOCをトルエンとすると、排ガスの平均VOC濃度は 32.0ppmとなります。

表2.5.4.1 塗装工場の操業条件モデル
換気風量 10,000 m³/h
操業時間 6 h/d
塗料種 アミノアルキド樹脂塗料
塗料消費量(シンナーを含む) 15.8 kg/d
塗着効率 40 wt%
塗装ブースの種類 乾式ブース
乾式ブースの塗装ミスト除去効率 94.2 wt%
塗料固形分比率 50 wt%,(白色)

(イ) 縮小モデル機

従来、バグフィルタは主に除塵のために使用されてきました。ここでは、ACPを保持するためにバグフィルタを用い、保持されたACPに塗装ミストとVOCを同時に除去させることを考えました。ACPのバグフィルタへの保持は、バグフィルタでの除塵と同様に、バグフィルタ通過後を負圧にすることで、粉体保持面に対して垂直な力がACPに作用し、保持されます。

1日のVOC除去に必要な量のACPをバグフィルタに保持させた後、塗装作業を開始し、作業終了後にVOCを吸着したACPを払い落します。払い落とし作業は、ガス処理方向とは逆向きに圧縮空気を瞬間的に流すパルスジェット方式を用いました。

ポリエステル不織布バグフィルタ(ホーコス製,TE5ME2)を内蔵した1/100規模の縮小モデル機(図2.5.4.1)を試作し、スプレーガン(ランズバーグ・インダストリー製,T-AGPV- 868-805MT-G)と乾式排気フィルタ(パーカーエンジニアリング製,アレスターパッド)を装備した乾式ブース模擬装置(新菱工業製)に接続しました。縮小モデル機の仕様を表2.5.4.2に、実験装置の概略を図2.5.4.2に示します。

図2.5.4.1 縮小モデル機
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.39)

表2.5.4.2 縮小モデル機の仕様
処理風量 36 ~ 200 m³/h
粉体保持面積 0.5 m²
バグフィルタ外径 0.155 m
バグフィルタ長さ 0.257 m
バグフィルタ本数 4本
バグフィルタ設置面積 0.233 m² (0.44 x 0.53m)
塗料吹付け量 0.2 g/s

図2.5.4.2 実験装置概略図
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.39)


5.4.3 実験

(ア) 粉末活性炭による圧力損失

ACPの導入量を調整してバグフィルタのACP保持量を変化させ、ガスがACPを通過する線速度(LV)を0.02及び0.04 m/sとして、 ACPの圧力損失を測定した。使用したACPは木質系活性炭であり、粒度の異なる3種類を用いました。ACPのメジアン径を表2.5.4.3に示します。

表2.5.4.3 使用した粉末活性炭(ACP)のメジアン径
型番 µm
ACP: ダイネン製
PG-1PD 19
PG-1PD(B) 37
PG-1PD(C) 67

(イ) 塗装ミスト付着の影響

(1) ミスト導入量

専用シンナーで希釈したアミノアルキド樹脂塗料をスプレーにて吹付け、縮小モデル機へ導入されるミストをフッ素樹脂処理ガラス繊維フィルタを用いて捕集しました。実験条件を表2.5.4.4に示します。

また、乾式ブースの排気フィルタを通過し、縮小モデル機へ導入される直前のミストの粒度分布を、実際の乾式ブースを通過した直後の粒度分布と比較しました(エアーサンプラー:柴田科学製、AN-200アンダーセンタイプ)。なお、実際の乾式ブースでの計測では、アミノアルキド樹脂塗料を2 g/sの速度で吹付けました(ハンドスプレーガン:アネスト岩田製,W-101,吹付け圧力0.24 MPa)。

表2.5.4.4 ミスト導入量調査実験条件
塗料希釈重量比(塗料:シンナー) 100 : 34.2
自動スプレーガン使用圧力 霧化エア:1.20 MPa
パターンエア:0.07 MPa
希釈塗料吹付け量 0.2 g/s
線速度 (風量) 0.02 m/s (36 m³/h)
0.04 m/s (72 m³/h)
吹付け時間 1200 s
(2) ミスト除去

バグフィルタのACP保持量を変化させ、表2.5.4.4の条件でミストを導入し、ACPで除去できないミストはフッ素樹脂処理ガラス繊維フィルタを用いて捕集しました。

(3) 圧力損失

前項(2)のミスト除去実験時に、ACPへのミスト付着による圧力損失の上昇を計測しました。バグフィルタ通過後にフッ素樹脂処理ガラス繊維フィルタで捕集されるミストがないことを確認し、導入したミストが全てACPに付着した場合の圧力損失の変化を求めました。

(ウ) 粉末活性炭のトルエン吸着性能

メーカが提供する塗料及びシンナーのMSDS8,9)を参考にして、前述の(イ)における希釈塗料の揮発成分比を表2.5.4.5に作成しました。その結果、トルエンがVOC排出の50%以上を占め、最も寄与することが示されたことから、縮小モデル機のVOC処理性能はトルエンを用いて評価することとしました。

表2.5.4.5 希釈塗料中の揮発成分
物質名 重量比 wt%
* 最小値と最大値が記載されている物質は中間値を用いた。
トルエン 53.5
キシレン 16.3
n-ブタノール* 22.2
エチルベンゼン 7.1
ホルムアルデヒド* 0.8

一定濃度のトルエンガスをACPへ送り、ACPのトルエン吸着率を調査しました。一定濃度のトルエンガスを発生させるために、ペリスタポンプ(ATTO製,AC-2120)を用いて乾式ブース模擬装置内にトルエンを導入し、115℃で加熱気化(トルエンの沸点:110.6℃)させました。トルエンガス濃度が約100ppmになるようにペリスタポンプの送液速度を調整し、濃度はFID式VOC濃度計(東亜DKK製,GHT-200)を縮小モデル機の入口に接続して監視しました。ACP通過後のトルエン濃度もFIDで監視し、ACP通過後のトルエン濃度が15ppmに上昇するまでトルエンガスを導入しました。トルエン導入量を吸着量とし、トルエンを吸着したACP保持量から吸着率を求め、ACP保持量と粒度の違いによる吸着率の変化を調査しました。


5.4.4 実験結果と考察

(ア) 縮小モデル機の圧力損失特性

ACPによる圧力損失とACP保持量との関係を図2.5.4.3に示します。圧力損失は、保持量、ACPを通過するガスのLV及び粒度に依存し、粒度を大きくすることによって圧力損失を著しく低下させることが可能でした。

図2.5.4.3 粒度ごとの粉末活性炭保持量と圧力損失の関係
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.40)

(イ) 塗装ミスト付着の影響

(1) ミスト導入量

1,200 sの吹付け時間での縮小モデル機へ導入される塗装ミスト量を表2.5.4.6に示します。実機における1日のミスト導入量M [g/d]は、塗料消費量をC [g/d]、塗着効率をηT [wt%]、乾式ブースフィルタの除去効率をηR [wt%]、塗料固形分比率をηS [wt%]とすると、(2.5.4.1)式のように表され、表2.5.4.1の値から 1日のミスト導入量は275 gと計算されます。

・・・・・(2.5.4.1)


縮小モデル機内において、粉体保持面積は0.5 m²で一定ですので、ACPを通過するガスのLVが0.04 m/sのとき、風量は72 m³/hとなります。実機で、ACPを通過するLVを0.04 m/sとした場合、縮小モデル機の風量から、実機の約1/140スケールとなります。すなわち、縮小モデル実験において、1日分のミスト導入量は1.98 gに相当します。

表2.5.4.6の実験結果は、塗装ブース模擬装置で1,200 sの吹付けによって、実機の約1/140スケールにおける1日分のミスト導入量を縮小モデル機へ供給していることを示します。

表2.5.4.6 縮小モデル機の1,200 sでの塗装ミスト導入量
塗装ミスト導入量g
線速度(風量) 0.02 m/s (36 m³/h) 0.04 m/s (72 m³/h)
1回目 2.12 2.49
2回目 2.15 2.36
3回目 2.03 1.72
平均 2.10 2.19

次に、縮小モデル機へ導入したミストと実機の乾式ブース通過後のミストの粒度分布の比較を図2.5.4.4に示します。線速度によらず、いずれのミストも実機乾式ブースから排出されるミスト粒径とほぼ等しく、数µm オーダであることが明らかとなりました。

図2.5.4.4 縮小モデル機に導入したミストと実機乾式ブースを通過した後のミストの粒度分布
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.41)

図2.5.4.5a 塗装ミスト付着後の全体写真
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.41)

図2.5.4.5b 塗装ミスト付着後の全体写真(粘着テープではがした部分(矢印箇所)はACPのみが観察されました)
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.41)

図2.5.4.5c 粘着テープで剥した部分の拡大写真
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.41)

(2) ミスト除去

全てのミスト除去実験において、ACPを通過したミストを捕集するために設置したフッ素樹脂処理ガラス繊維フィルタの重量変化は検知されず、ACPによるミスト除去率は100%であることが分かりました。したがって、本方式によって0.4 µm程度までの微粒子の除去が可能であることが明らかとなりました。

目視では、ミストはACP表面に付着し、バグフィルタ表面まで到達している様子は確認できませんでした(図2.5.4.5)。なお、ミスト付着後のACPは、通常の払い落し操作で容易に回収することができました。

(3) 圧力損失

塗装ミスト付着後の圧力損失の変化は小さく、処理装置全体の圧力損失に対して、塗装ミストの寄与はACPの粒度に比べ小さいことが明らかとなりました(図2.5.4.6)。また、ACPへのミスト付着量は一定であるにもかかわらず、ミストが付着すると保持されているACP量に依存して圧力損失が上昇しました。このことから、ガス通過面積と微視的に見たACP粒子周りの風速が変化していることが示唆されます。

図2.5.4.6 ミスト付着による粉末活性炭の圧力損失の上昇
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.41)

(ウ) 縮小モデル機のトルエン吸着性能

ACPのトルエン吸着率を図2.5.4.7に示します。PG-1PD(C)は著しく低い吸着率を示しました。これは、PG-1PD(C)の粒子が大きいため、活性炭粒子間の空隙が大きく、ガスが流れ易く、粒子中のマイクロ孔まで到達するトルエンガス量が少ないことが考えられます。この実験結果から、使用するACPのメジアン径は37µm以下が適することが分かりました。また、保持量によっても吸着率は低下します。これは、保持量の増加に伴ってACP層が不均一な厚さとなっていることが目視にて確認されたことから、流れの偏りによって吸着率が低下したものと考えられます。

図2.5.4.7 粉末活性炭保持量とトルエン吸着率の関係
(転載:平野康之,萩原利哉,小島正行,伊瀬洋昭、「バグフィルタ型VOC処理装置の開発」、東京都立産業技術研究センター研究報告、 第5号、2010、p.41)

(エ) 実機の設計

実機処理装置の粉体保持面積S [m²]は、縮小モデルの粉体保持面積が0.5 [m²]で一定であるため、縮小率をR [%]とすると(2.5.4.2)式のように表されます。

・・・・・・・(2.5.4.2)


縮小モデルを使った実験において、ACPを通過するガスのLV が0.04 m/sのとき、Rは0.72%ですから実機の保持面積は69.4 m²と設計されます。同様に、LV 0.02 m/sのときはRが0.36%ですから、実機保持面積は139 m²です。この様に、実機保持面積を決定するLVは、装置の小型化のために大きいことが望まれます。

実機のLVを0.04 m/sと設定し、実機の設置面積を需要が大きい3.3 m²以下4)とした場合、例えば実験で使用した外径 0.155 m、長さ2.55 mのバグフィルタを使用すると、表2.5.4.7のように4本のバグフィルタを用いた装置の設置面積は0.233 m²となりますから、バグフィルタ56本では3.26 m² (1.76 x 1.86 m)に装備する設計となります。

LV 0.04 m/sの吸着率の設計値を、PG-1PD は図2.5.4.7において、およそ25~30wt%の範囲であったので、最小の25wt%とし、同様にPG-1PD(B)は20wt%、PG-1PD(C)は10wt%とそれぞれ設定して、1日のACP必要量を次に求めます。1日のVOC処理量は7.9 kgですから、ACP必要量は、PG-1PDを使用する場合は31.6 kg、PG-1PD(B)は39.5 kg、PG-1PD(C)は79 kgとなります。保持面積は69.4 m²ですから、粉末活性炭保持量はそれぞれ表2.5.4.7に示す値となります。粉末活性炭保持量から圧力損失は、それぞれ図2.5.4.3及び2.5.4.6から推定され、表2.5.4.7の値となります。

表2.5.4.7 設定した吸着率による必要保持量と圧力損失
型番 吸着率
wt%
粉末活性炭
保持量
g m-2
粉末活性炭
圧力損失
kPa
塗装ミスト付着後の
圧力損失
kPa
PG-1PD 25 455 5 0.4
PG-1PD(B) 20 569 1.3 0.1
PG-1PD(C) 10 1138 1 0.15

PG-1PDは高い吸着率で使用できるため、ACPランニングコストを更に低くすることが可能ですが、装置の圧力損失が5 kPaを超えるため、イニシャルコストと電力コストが高くなります。いっぽう、PG-1PD(C)は活性炭の必要量が多く、また、圧力損失からPG-1PD(B)と同程度の送風機が必要です。したがって、使用するACPはPG-1PD(B)が適しており、実機処理装置の圧力損失は1.3 kPaと設計されます。


5.4.5 まとめ

粉末活性炭をバグフィルタに保持させて、塗装排ガスを処理する装置を試作し、塗装排ガス処理性能を評価しました。バグフィルタ型VOC処理装置の圧力損失は、メジアン径37µmの粒度の粉末活性炭を使用する場合、1.3 kPa程度に制御することができ、高静圧型のブロワを必要としません。また、処理装置は3.3 m²に設置可能であることを示しました。表2.5.4.8にバグフィルタ型VOC処理装置の仕様をまとめます。

バグフィルタの外径やバグフィルタ間の距離等の最適化によって、処理装置の更なる小型化が期待できます。

表2.5.4.8 バグフィルタ型VOC処理装置の仕様
風量 10 000 m³/h
装置設置面積 3.26 m²
バグフィルタ長さ 2.55 m
バグフィルタ外径 0.155 m
バグフィルタ本数 56 本
粉体保持面積 69.4 m²
ACP必要量(トルエン7.9 kg/d) 39.5 kg/d
使用ACPメジアン径 37 μm
線速度 0.04 m/s
VOC吸着率 20 wt%
装置圧力損失 1.3 kPa

引用文献

  1. 環境省、「大気汚染防止法の一部を改正する法律案」の閣議決定について」(2004年3月8日)、http://www.env.go.jp/press/press.php?serial=4763、2011/06/22確認
  2. 環境省、「揮発性有機化合物(VOC)の排出規制制度の概要」(2006年2月22日) 、http://www.env.go.jp/air/osen/voc/seido/001.pdf、2011/06/22確認
  3. 中央環境審議会専門委員会、「揮発性有機化合物の排出抑制に係る自主的取組のあり方について」(2006年8月14日)、http://www.env.go.jp/press/press.php?serial=7055、2011/06/22確認
  4. 東京都環境局、「中小企業者向けVOC脱臭処理装置のニーズに関するアンケート調査結果」(2006年1月16日)、http://www.kankyo.metro.tokyo.jp/air/attachement/paint.pdf、2011/06/22確認
  5. 石黒辰吉、「臭気対策の基礎と実際」、オーム社出版局、1997、p.133
  6. 総務省法令データ提供システム、「有機溶剤中毒予防規則」(2006年1月5日)、http://law.e-gov.go.jp/htmldata/S47/S47F04101000036.html、2011/06/22確認
  7. 奥山岑長、「塗装ブースの種類と管理ポイント」、塗装技術、Vol.48、No.6、2009、pp.57-64
  8. ロックペイント(株)、「016-1134」、http://www2.rockpaint.co.jp/home_j/gijutu/msds/pdf/016-1134.pdf、2011/06/22確認
  9. ロックペイント(株)、「050-1205」、http://www2.rockpaint.co.jp/home_j/gijutu/msds/pdf/050-1205.pdf、2011/06/22確認
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