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2 塗装編
第5章 塗装工場用VOC処理装置

5.5 塗装乾燥炉用VOC処理装置の開発事例

本節では、(地独)東京都立産業技術研究センターが中心となり開発したコバルト系触媒(以下TIRI触媒と呼びます。従来の白金系触媒より100℃低温で塗料ヤニを分解)とこの触媒を使用した処理装置から排出される高温浄化ガスの一部を乾燥炉に戻す省エネ形システムの開発事例について述べます。

5.5.1 検討フローと検討項目

乾燥炉内の被塗物は加熱源により130~180℃の温度まで加熱され、VOCの他に反応生成物やヤニ等が排出されます。この排出ガスは触媒処理装置の粗塵除去用フィルタ、送風機、熱交換器、加熱源、ヤニ除去用前処理材を経由して触媒槽で酸化分解され、浄化ガスとして熱交換器から大気中に放出されます(図2.5.5.1)。

図2.5.5.1 基本フロー

処理装置開発にあたり、乾燥炉排気ガスが処理装置流入ガスとなりますので、乾燥炉特性を文献と乾燥シミュレータ実験などで調査し、その結果を装置設計条件として省面積・省エネ処理装置の検討を行いました。


5.5.2 乾燥炉特性について

(ア) 乾燥炉型式と機能

乾燥炉の型式には大量生産用の連続式トンネル乾燥炉と多品種少量用の不連続式金庫型乾燥炉の二方式が、また、加熱方式には直接熱風式と間接熱風式が有りますが、今回は中小企業で多数利用されている直接熱風式金庫型乾燥炉を対象としました。

金庫型乾燥炉は炉体、扉、加熱源、ファン、吸気口、排気口から構成され、炉内温度を制御するために加熱源の熱エネルギーを炉体内に供給するファンで強制循環されています。加熱により炉体内VOC濃度は被塗物中のVOCと反応生成物で高くなりますので、一定量の大気を吸引して排気口から排出し、VOC濃度を下げています。(図2.5.5.2)

図2.5.5.2 乾燥炉型式と機能

VOCを使用する熱風乾燥炉の排気量は労働安全衛生規則で規制され、炉内溶剤濃度を溶剤の爆発下限界値(LEL)の1/3未満になるように給排気量は設計されています。

(イ) 塗料成分と爆発下限界値

中小塗装工場で多く使用されている塗料中のVOC成分例(5.5.3の実験で用いた塗料)と乾燥時発生する反応生成物の爆発下限界値を参考に表2.5.5.1に示します。

表2.5.5.1 塗料成分と爆発下限界値

(ウ) 文献調査(排気VOC濃度と排気パターン)

環境省による排出濃度実測調査等から、吹付塗装の用に供する乾燥又は焼付施設の処理前の排出ガス濃度の下位10%値~上位10%値は概ね60~5,500ppmC1)、中央値480ppmC(トルエン換算値69ppm)2)と、かなり低い濃度となっています(図2.5.5.3)。

図2.5.5.3 排気濃度
(転載:環境省、「塗装に係る規制対象施設の排出基準値(案)」、http://www.env.go.jp/air/osen/voc/paint/04/mat03_2.pdf、図-3「吹付塗装の用に供する乾燥又は焼付施設における裾切り指標と濃度の関係」、2011/06/30確認)

この理由として、乾燥炉製造メーカの排出量は安全性から、炉内に多数収納可能な平板に塗装をした被塗物面積で算出しています。一般的な排気量は乾燥炉容積を毎分排出する量としていますが、実塗装工場の被塗物は三次元構造で塗装面積が少ないためか、作業段取りから午前か午後の塗装工程終了後、乾燥工程に移行するために被塗物面積が少ないためと推定されます。

排気濃度パターン3,4)は、乾燥昇温中に高濃度な一次ピークが発生し、その後、減少して乾燥後半に再度上昇する傾向があります(図2.5.5.4)

図2.5.5.4 排気パターン
(引用:小林悟,浦田昭雄,竹内浩士、「中小塗装現場におけるVOCの排出実態」、環境管理、Vol.45、No.3、2009、pp.39-45)

排気濃度データ等から排気量を低減すると、加熱エネルギーが削減でき省エネになりますが、文献データでは塗料の種類、被塗物の面積、膜厚、乾燥条件など詳細が不明ですので、乾燥シミュレータによる実験を行いました。


5.5.3 乾燥シミュレータ実験

乾燥シミュレータの実験目的は、運転条件、塗装種類などを変えて、経時変化別のVOC濃度及びパターンなどを実験で調査し、その結果を処理装置開発の前提条件としました。

(ア) 実験装置

乾燥シミュレータとして、乾燥炉容積4.5 m³の金庫型乾燥炉と各種計測機器をセットして、中小塗装工場で多く使用されている3種塗料(メラミン樹脂塗料、熱硬化アクリル樹脂塗料、エポキシ樹脂塗料をスプレーガンで平板アルミ板0.4 m×0.5 m×14枚に吹付け塗装)を用いて各種実験を行いました(図2.5.5.5)

図2.5.5.5 乾燥シミュレータ実験装置

(イ) VOC濃度の経時変化

塗装ブース、セッティング、乾燥の各工程での経時変化別VOC濃度結果5)から、下記特性が明らかになりました(図2.5.5.6)。

図2.5.5.6 VOC濃度の経時変化
(転載:水越厚史,木下稔夫,野口美由貴,齋藤京子,柳沢幸雄、「塗装シミュレータによる塗装工程ごとのVOC成分の調査」、東京都立産業技術研究センター研究報告、No.5、 2010、pp.52-55)

<塗装ブース>
  • スプレーガンのON・OFF運転によりVOC濃度は上昇と減少を繰り返し、平均濃度は排気量が多いため低濃度
<乾燥炉>
  • 乾燥炉の方が高濃度
  • セッティング時に徐々に上昇
  • 扉を閉めると急激に上昇し、排気により減少
  • 乾燥後半に再度上昇
  • 他塗料も同様の傾向

(ウ) VOC成分と臭気

乾燥工程の方が高濃度で、乾燥後半にアルデヒド類の悪臭が発生します(図2.5.5.7)5)

図2.5.5.7 VOC成分濃度

<④工程>被塗物中のVOCの気化が主体で成分は塗装成分由来

<⑤⑥工程>加熱反応のためホルムアルデヒドの割合が増加(塗料、シンナー中の含有量は1%以下)

(エ) 排気量別VOC濃度変化

毎分当たりの排気量は、乾燥炉容積を基準に排気量を低減させるとピーク濃度は上昇します(図2.5.5.8)。

図2.5.5.8 排気量別VOC濃度変化

  • 濃度は昇温工程と乾燥工程で異なる
  • 昇温工程は高濃度
  • 排気量が少ないとピーク濃度は高いが、排気量と反比例して増加する濃度よりは低い
  • 乾燥工程の①、②は排気量が多く二次ピークが無いことから、排気量は乾燥炉容積の1/3程まで低減可能(排気ガス濃度、製品品質などの調査が必要)

(オ) 加熱エネルギーの検証

乾燥炉加熱エネルギーは、①炉体加熱量、②炉体からの放熱量、③吸(排)気量加熱量、④炉内空気加熱量、⑤被塗物加熱量の合計です。実験条件の130℃では、実測時間と計算時間はほぼ32分で一致しました。③吸(排)気量加熱量は全熱量の62%を占めています。この風量を低減することで省エネ化が図れます(図2.5.5.9)。

図2.5.5.9 加熱エネルギーの検証


5.5.4 装置化検討

(ア) 製品化コンセプト

東京都環境局が実施したユーザアンケート調査結果6)(設置面積4 m²以下、維持管理費40万円/年以下、本体価格300万円)をベースに、下記4コンセプトで検討を行いました。

  1. 省面積
  2. 低圧損・維持管理が容易
  3. 省エネ・安価な維持費
  4. 低温処理触媒の採用

(イ) 省面積化

処理装置の設置場所として、乾燥炉設置の同一床面設置、屋上設置、乾燥炉上部設置の3案で検討した結果、面積、装置流入温度、送風機動力、ダクト工事などを総合的に勘案して、乾燥炉上部搭載の一体化方式としました(表2.5.5.2)。

表2.5.5.2 省面積化

(ウ) 触媒仕様

触媒成形方法は、金型を用いた一体成形法と担体表面に触媒を付着させる担持成形法が世の中に有りますが、設備投資が少なく、機械的強度を有し、市販品との互換性がある担持成形法を採用しました(表2.5.5.3)。

担体材質としては、金属、セラミックなどがありますが、表面積、圧力損失などから、セラミックハニカムを用いた薬液浸漬担持法を採用して試作を進めました(表2.5.5.4)

表2.5.5.3 成型方法

表2.5.5.4 担体材質

セラミックハニカムでVOCを除去する一般的な運転条件は下記となります。

SV(空間速度): 20,000~30,000h-1
LV(線速度): 圧損300 Pa程度の線速度(約1 Nm/s)
処理温度: 350℃(ヤニ分解実験結果から、白金触媒は450℃以上ですが、開発触媒は350℃でヤニ分解可能)
除去率: 98%以上(トルエン500ppm時、乾燥前半ではVOC除去、乾燥後半では悪臭除去で、物質濃度と感覚量は対数関係となるので98%以上必要)

(エ) ヤニ除去方法

ヤニとは、動植物などから採れる疎水性の、常温では固体の物質で、塗料では合成樹脂塗料中の油成分や未反応モノマーで、加熱すると1 µm未満のヒューム状物質です。塗装工場の場合、排気ダクトが屋内から屋外に出て、ガスが外気で冷却されるコーナ部に堆積したタール状物質です。

処理方法としては、①水スクラバー方式、②ろ過方式、③熱分解方式、が有りますが、設置面積不要、動力が小さい、廃棄物が発生しない、などから開発触媒の特長を生かした熱分解方式を採用しました(表2.5.5.5)。

表2.5.5.5 ヤニ除去方法

実稼働中の塗装工場ダクトから採取したヤニ成分と、粉末触媒を用いた熱分解特性実験結果を、図2.5.5.10に示します。赤線で示す重量変化が、変化しなくなった温度が分解温度で、ヤニ分解温度は、ヤニ単独では480℃、白金触媒存在下では450℃、開発触媒が有ると350℃となり、開発触媒は白金触媒より100℃以上低温でヤニ分解が可能です。

図2.5.5.10 熱分解特性実験結果

また、開発セラミック触媒を用いたTPReaction法でも350℃でCO2の発生が無くなり、上記熱分解特性実験と同様に、開発触媒はヤニを350℃で分解しています(図2.5.5.11)。

図2.5.5.11 開発触媒を用いたヤニの昇温反応法の結果

(オ) 低圧損化

ヤニ処理材を使用しないで済む方式のため、圧力損失は従来方式の千数百Paから、数百Paまで低減可能で、そのため送風機動力を小さくすることが可能となり省エネ化が図れます(表2.5.5.6)。

表2.5.5.6 低圧損化

(カ) 運転制御

本開発装置は、乾燥炉と処理装置を一体化して、処理装置浄化高温ガスの一部を乾燥炉に戻す方式で、処理装置と乾燥炉を自動調節弁を介して接続し、戻し量は乾燥炉温度計からの信号でサイリスタによる弁開度制御方式を採用しています(図2.5.5.12)。

図2.5.5.12 運転制御方法

運転方法としては、処理装置を単独で立上げ、触媒温度が設定温度到達後、乾燥炉を運転させ、処理装置の高温浄化ガスを調整弁経由で乾燥炉に戻しながらヒータで加熱し、乾燥炉温度が設定温度到達後、一定時間、タイマーによる運転を持続してから停止します(図2.5.5.13、図2.5.5.14)。

図2.5.5.13 処理装置準備運転 

図2.5.5.14 処理装置・乾燥炉同時運転

(キ) 熱交換器 

熱交換器は、高温気体(処理装置からの放出高温ガス)からの熱量を低温気体(乾燥炉からの排出常温ガス)に薄膜板を介して熱移動させる構造で、平板方式とチューブ方式がありますが、ガス圧力が中圧の平板プレート溶接構造品を採用しています(表2.5.5.7)。

表2.5.5.7 熱交換器

(ク) 電気ヒータ

加熱源としては都市ガス、灯油、LNG(液化天然ガス)、電気などが有りますが、実験機は可搬式なので電気方式を採用しています。電気式ヒータの方式としてはシェル式、ダクト式、バンド式などが有りますが、耐熱温度と価格面から処理装置はシェル式、乾燥炉はダクト式を採用しています(表2.5.5.8)。

表2.5.5.8 電気ヒータ


5.5.5 試作機運転結果

(ア) 実験機仕様

乾燥炉上部(炉容積1.0 m³)に触媒式処理装置を搭載し、ベース下部には移動用キャスターと設置用アジャストボルトを設けた構造です(図2.5.5.15、表2.5.5.9、図2.5.5.16)。

図2.5.5.15 処理装置外観

表2.5.5.9 実験機仕様

図2.5.4.16 処理装置上部写真

(イ) 運転制御の一例

被塗物を収納しない無負荷の状態で運転を行いましたので一例を示します。(図2.5.5.17)

図2.5.5.17 運転制御例

常温から処理装置を立上げ、運転開始46分後、反応器(触媒)出口温度が処理装置設定温度(300℃)に到達したので乾燥炉運転を開始しました。乾燥の立上げ時間は41分で乾燥炉設定温度(130℃)に到達し定温乾燥時間(31分)を持続し乾燥終了となります。

反応器入口と出口の温度差は触媒担体のセラミック素材の熱伝導率(0.003 cal/cm・sec・℃)が小さいため、つまり、温まりづらく冷えづらいためです。

(ウ) 無負荷消費電力

処理装置温度300℃、乾燥炉温度130℃、排気量0.7 Nm³/min時の消費電力は12.21 kwhとなりました。更なる、省エネ運転の検討を行えば消費電力の低減は可能です。(図2.5.5.18)

図 2.5.5.18 消費電力

(エ) 実負荷運転

実負荷運転時のVOC・臭気除去性能と運転制御による消費電力を求めました。表2.5.5.10に実験条件を示します。図2.5.5.19に実験手順写真を示します。

表 2.5.5.10

図 2.5.5.19 実験手順写真


図2.5.5.20にVOC除去性能を示します。処理装置入口濃度は乾燥開始10分後に最大1,150ppmC、乾燥立上終了間際に700ppmCとなり以降低下しました。出口濃度は最大6.5ppmCで以降は1ppmC以下となり平均除去率は99.7%以上となりました。尚、計測はFIDで実施しました。

表2.5.5.11に三点比較式におい袋法の結果を示します。乾燥定温時に発生する悪臭の脱臭効率は99.8%を示しました。出口の臭気指数15は第一種区域内の煙突出口基準22以下の性能でした。

図 2.5.5.20 VOC除去性能

表2.5.5.11 TIRI触媒脱臭性能
採取時間 ガス 臭気濃度 臭気指数 脱臭効率 臭質
乾燥定温初期 入口 13,000 41 - 樹脂のコゲ臭
出口 31 15 99.8% かすかな刺激臭

図2.5.5.21に運転制御例を示します。触媒出入口温度が300℃に到達後、乾燥炉内に塗装物を充填し、乾燥炉扉を閉めて乾燥を開始しました。触媒出口温度は触媒反応により30℃程度上昇、その間に、乾燥炉は乾燥ヒータと調整弁で制御される処理装置からの熱風で昇温され130℃に到達しました。乾燥定温工程では、乾燥ヒータはOFF状態で、調整弁は開度65~0%の間でPID制御され、触媒ヒータは4 kW定格の約65%負荷でPID制御されました。塗料を用いた実負荷時電力は、触媒反応熱により無負荷運転時より12%減で運転出来ました。また、午後の運転では、午前中運転による装置内の蓄熱効果で、無負荷運転時の21%減で運転出来ました。

図 2.5.5.21 運転制御例

(オ) 省エネ効果

試作機運転結果の全消費電力は10.75kWhとなりました。試作機結果をもとに検討した結果、設備動力は従来方式112.2kwに対して、開発方式は54%低減の51.7kW、運転費は従来方式141.2万円に対して、開発方式は52%低減の68.7万円となりました。開発方式の運転費は乾燥炉単独43.5万円に対して25.2万円アップで、毎月約2.1万円で悪臭ガスとVOCの浄化が可能です。(表2.5.5.12)

表 2.5.5.12 省エネ効果

(カ) まとめ

TIRI触媒を搭載と浄化ガス循環式試作機で下記特徴を有する処理装置を製品化 しました。

  • ①省面積:乾燥炉・処理装置一体化(設置面積ゼロで適用拡大)
  • ②エネで安価な運転費:従来方式の52%減(触媒浄化高温ガス循環利用、乾燥炉吸気量の低減、TIRI触媒でVOCとヤニを同時低温処理)
  • ③安価な設備費:検討中(ヤニ処理材削減、吸気量低減による小形化)

5.5.6 今後の課題

実塗料を使用した試作機実験結果、処理装置浄化ガスを乾燥炉に戻す方式と白金触媒に変わるTIRI触媒の採用で、当初の目標であるVOCとヤニの同時処理が可能で、省面積・省エネ・低維持費を満足できる結果となりました。今後は、システムの簡素化と原価低減・標準化を行い、省面積、安価な設備費・運転費を特徴に製品開発を実施すると共に触媒のヤニ耐久性を検証します。

引用文献

  1. 環境省、「塗装に係る規制対象施設の排出基準値(案)」、http://www.env.go.jp/air/osen/voc/paint/04/mat03_2.pdf、2011/06/30確認
  2. 環境省、「塗装に係る規制対象施設(案)」、http://www.env.go.jp/air/osen/voc/paint/04/mat03_1.pdf、2011/06/30確認
  3. 小林悟,浦田昭雄,竹内浩士、「中小塗装現場におけるVOCの排出実態」、環境管理、Vol.45、No.3、2009、pp.39-45
  4. 水越厚史,野口美由貴,倪悦勇,柳沢幸雄、「小規模印刷工場および塗装工場におけるVOC排出の実態調査」、東京都立産業技術研究センター研究報告、No.4、2009、pp.8-11
  5. 水越厚史,木下稔夫,野口美由貴,齋藤京子,柳沢幸雄、「塗装シミュレータによる塗装工程ごとのVOC成分の調査」、東京都立産業技術研究センター研究報告、No.5、2010、pp.52-55
  6. 東京都環境局、「中小企業向けVOC脱臭処理装置のニーズに関するアンケート調査結果」、http://www.kankyo.metro.tokyo.jp/air/attachement/paint.pdf、2011/06/22確認
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