JPH10141648A - ガス窒化排ガス処理方法およびその装置 - Google Patents

ガス窒化排ガス処理方法およびその装置

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JPH10141648A
JPH10141648A JP8296419A JP29641996A JPH10141648A JP H10141648 A JPH10141648 A JP H10141648A JP 8296419 A JP8296419 A JP 8296419A JP 29641996 A JP29641996 A JP 29641996A JP H10141648 A JPH10141648 A JP H10141648A
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gas
nitriding
exhaust gas
water tank
combustion
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JP8296419A
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Inventor
Fumihisa Yano
野 文 久 矢
Koichiro Ashikawa
川 貢一郎 芦
Tetsuo Satake
竹 哲 郎 佐
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Shibaura Machine Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Machine Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化処理に伴って生じたガス窒化排ガスを効
果的に処理し、環境汚染が問題となる排ガス中のNOx
濃度を下げる。 【解決手段】 ガス窒化排ガスの少なくとも一部を燃焼
装置に導き、前記ガス窒化排ガス中に含まれるアンモニ
ア(NH3 )を燃焼させ、窒素(N2 )と水(H2 O)
とに分解させる第1の工程と、第1の工程で発生した燃
焼ガスを水槽に導き水と反応させることにより、前記燃
焼ガス中の酸化窒素(NOx )を硝酸(HNO3 )もし
くは亜硝酸(HNO2 )に変化させる第2の工程と、残
余のガス窒化排ガスおよび/または前記燃焼ガスに含ま
れる未分解のNH3 を水槽に導き水と反応させることよ
り水酸化アンモニウム(NH4 OH)に変化させる第3
の工程と、前記第2工程で生成した硝酸もしくは亜硝酸
と前記第3工程で生成した水酸化アンモニウムとを中和
反応させる第4の工程とからアンモニアを分解する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アンモニア(NH
3 )ガスによる鋼材の窒化処理に伴って排出されるガス
窒化排ガス処理技術に係り、特に、ガス窒化排ガスを無
害化処理し、最終的に大気中に放出される窒素酸化物
(NOx )を少なくして環境汚染を防止するガス窒化排
ガス処理方法およびその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】鋼材の窒化処理として一般的なガス窒化
は、アンモニア気流中において鉄鋼を500〜550℃
に20〜100時間加熱して行なわれる。このガス窒化
では、アンモニア(NH3 )は次のように分解し、生じ
た発生期の窒素(N)が鉄鋼の表面に拡散して硬い窒化
層を形成する。 NH3 → N + 3H 鋼材のガス窒化処理を効率的に行なうには、窒化初期
は、15〜30%のアンモニア分解度(以下、単に分解
度という。)で約20〜25時間処理し、その後、窒化
の目的、処理量等に応じて所定の分解度で実施する必要
があるため、ガス窒化排ガスの中には、未分解のアンモ
ニアガスが40〜70%程度含まれているのが普通であ
る。
【0003】そこで、このようなアンモニアガスが多量
に含まれているガスを何等処理を加えることなくそのま
ま大気中に放出すると、強いアンモニア臭により環境汚
染を招くため、従来は、水に溶かしたものを流して廃棄
するか、または未分解のアンモニアを燃焼させることに
よって分解させてから大気中に放出するようにしてい
た。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガス窒
化排ガスを廃棄するため水に溶かすと、水素イオン濃度
(以下、pHという。)が約12pHの強アルカリ性と
なり、そのまま排水することはできないため、許容濃度
以下に薄める必要がある。
【0005】また、アンモニアを燃焼させると、その大
部分は窒素と水蒸気とに分解されるが、環境上問題とな
る生成物として、微量の酸化窒素(NOx )を生じる。
【0006】このNOx 濃度は、例えば、分解度が45
%のガス窒化排ガスを燃焼させた場合、300ppm とい
う結果を得ており、このままでは排ガスの法規制上問題
となる。
【0007】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、窒化処理に伴って生じたガス窒
化排ガスを効果的に処理し、環境汚染が問題となる排ガ
ス中のNOx 濃度を下げることのできるようにしたガス
窒化排ガスの処理方法およびその装置を提供することに
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、金属材料をアンモニア気流中で所定時
間加熱し、前記金属材料の表面に窒化層を形成するガス
窒化処理を行なう窒化処理容器から排出されるガス窒化
排ガスの処理方法であって、前記ガス窒化排ガスの少な
くとも一部を燃焼装置に導き、前記ガス窒化排ガス中に
含まれるアンモニア(NH3 )を燃焼させ、窒素
(N2 )と水(H2 O)とに分解させる第1の工程と、
前記第1の工程で発生した燃焼ガスを水槽に導き水と反
応させることにより、前記燃焼ガス中の酸化窒素(NO
x )を硝酸(HNO3 )もしくは亜硝酸(HNO2 )に
変化させる第2の工程と、残余のガス窒化排ガスおよび
/または前記燃焼ガスに含まれる未分解のNH3 を水槽
に導き水と反応させることより水酸化アンモニウム(N
H4 OH)に変化させる第3の工程と、前記第2工程で
生成した硝酸もしくは亜硝酸と前記第3工程で生成した
水酸化アンモニウムとを中和反応させる第4の工程と、
を含むことを特徴とするものである。
【0009】この発明のガス窒化排ガス処理方法によれ
ば、ガス窒化排ガス中に含まれるアンモニアガスの一部
を燃焼させ、燃焼ガス中に含まれるNOx と残りのアン
モニアガスとを水中で反応、中和させ、無害な硝酸アン
モニウムまたは亜硝酸アンモニウムとするため、最終的
に大気に放出されるガスのNOx 濃度を相当程度低下さ
せることができ、また、水槽の水のpHも中性に近い値
まで下げることができる。
【0010】この発明の好適な実施形態によれば、前記
燃焼ガス、残余のガス窒化排ガスを水を満たした中和水
槽に導入し、前記第2工程乃至第4工程を同一の水槽で
行なうことができ、その場合、前記ガス窒化排ガスの一
部を燃焼装置を通して前記中和水槽に導入し、残余のガ
ス窒化排ガスを前記燃焼装置を通さずに前記中和槽に直
接導入することが好ましい。その際、各反応を円滑に行
なって、NOx 濃度をより低く、かつpHを中性により
近づけるためには、燃焼により分解割合を適切に制御
し、さらには、燃焼装置を通して中和水槽に導く燃焼ガ
スと、燃焼装置を通さずに直接中和水槽に導くガス窒化
排ガスの割合を調整することが好ましい。
【0011】そして、燃焼装置での分解割合が低い場合
には、前記ガス窒化排ガスの全部を前記燃焼装置を通し
て水槽に導き、前記燃焼装置内でガス窒化排ガス中に含
まれるNH3 の一部を分解するようにしてもよい。
【0012】本発明によるガス窒化排ガス処理装置は、
金属材料をアンモニア気流中で所定時間加熱し、前記金
属材料の表面に窒化層を形成するガス窒化処理を行なう
窒化処理容器から排出されるガス窒化排ガスの処理装置
であって、前記窒化処理容器の排気ラインに接続される
燃焼装置と、内部に水を貯溜する中和水槽と、前記燃焼
装置から排気される燃焼ガスを前記中和水槽に導く燃焼
ガスラインと、を具備することを特徴とするものであ
る。
【0013】このガス窒化排ガス処理装置の好適な実施
形態によれば、前記排気ラインに接続されガス窒化排ガ
スを直接前記中和水槽に導く排ガスラインと、前記燃焼
ガスラインを介して前記中和水槽に至る燃焼ガスの流量
と、前記排ガスから直接中和水槽に至るガス窒化排ガス
の流量との割合を所定の比率に制御する流量制御手段
と、を備えることが好ましい。
【0014】また、中和反応を促進するために、前記排
ガスラインが前記中和水槽に接続される吐出部には、燃
焼ガスを前記中和水槽内の水中に放出するノズルを備
え、このノズルは多数の細孔を有することが好ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明によるガス窒化排ガ
スの処理方法およびその装置の一実施形態について添付
の図面を参照して説明する。
【0016】図1は、本発明によるガス窒化排ガス処理
方法を実施する装置の構成説明図で、10は、鋼材11
の表面に窒化処理を施す窒化処理容器として用いられる
窒化ケースで、12は、窒化ケース10から排出される
ガス窒化排ガスに含まれるアンモニアを燃焼させてこれ
を分解するための燃焼装置である。14は、ガス窒化ケ
ース10および燃焼装置12から導かれたガス窒化排ガ
スおよび燃焼ガスを水と反応させる処理並びにその結果
生成する硝酸もしくは亜硝酸と水酸化アンモニウムを中
和する処理を行なうための中和水槽である。
【0017】窒化ケース10には、アンモニアガスライ
ン15からノーマルオープン型の電磁弁16を通してア
ンモニアガスが供給され、鋼材11は、アンモニア気流
中で図示されない内蔵のヒータによって所定の温度(5
00〜550℃)に加熱されることによって、窒化処理
が行なわれるようになっている。
【0018】また、アンモニアガスライン15には、窒
素ガスライン17が合流するように接続されており、窒
化ケース10に異常が発生したようなときに、電磁弁1
6が閉じられるかわりにノーマルクローズ型の電磁弁1
8が開かれることで、アンモニアガスライン15を通っ
て窒素ガスが窒化ケース10に圧送され、アンモニアガ
スをパージすることができるようになっている。
【0019】20は、窒化処理の結果生じたガス窒化排
ガス(アンモニア、窒素、水素を含む)を窒化ケース1
0から排出するための排気ラインである。この排気ライ
ン20では、ガス窒化排ガスは冷却ジャケット21を通
過する間に冷却され、冷却ジャケット21の下流で燃焼
装置12と中和水槽14にそれぞれガス窒化排ガスを供
給するラインに分岐するようになっている。
【0020】燃焼装置12側の分岐ラインは、流量制御
弁22、電磁弁23を介して接続されている。この燃焼
装置12は、燃焼筒24の内部の上部区画に燃焼室25
が形成されており、この燃焼室25には、排気ライン2
0からのガス窒化排ガスを取り込んで燃焼させるための
アンモニアバーナ26と、このアンモニアバーナ26の
点火および種火用のパイロットバーナ27が配置されて
いる。この場合、アンモニアバーナ26には、エアー自
給式のバーナが用いられ、このアンモニアバーナ26と
電磁弁23との間には、逆流を防止するカットバルブ2
9が設けられている。なお、パイロットバーナ27に
は、電磁弁28を介して都市ガス等の燃料ガスが供給さ
れる。なお、アンモニアバーナ26の上部には、燃焼効
率を高めるために、鋼等を材料とする触媒を設置するこ
とが好ましい。
【0021】燃焼筒24の上部には、ガス窒化排ガスの
燃焼により生じた燃焼ガスを導出するための排気口30
が設けられ、燃焼ガスは、この排気口30から燃焼ガス
ライン32を通して中和水槽14に導入される。この燃
焼ガスライン32には、燃焼ガスを強制的に中和水槽1
4に導くための手段として、水封式の真空ポンプ33が
組込まれており、この真空ポンプ33から引出された吐
出管34の中和水槽14内の水に浸漬している吐出部に
は、ノズル35が取り付けられており、燃焼ガスはこの
ノズル35から水中に放出される。この実施形態の場
合、ガスが水中に分散し易いように、その表面には、多
数の細孔が開口するように加工されている。
【0022】中和水槽14へは、給水ライン36を通し
て水が供給される。この給水ライン36の給水部は、手
動式バルブ37によって開閉される第1の給水口と、手
動式バルブ38、電磁弁39によって開閉される第2の
給水口とからなっている。最初に中和水槽14に水を入
れるときには、手動式バルブ37、38、電磁弁39と
も開いて給水が行なわれ、窒化ケース10の温度が所定
の温度に昇温して、窒化処理の準備が整った後には、手
動式バルブ37が閉じられて、第2の給水口から必要に
応じた量の水が供給されるようになっている。
【0023】中和水槽14は、回転するプロペラによっ
て水槽内の水を撹拌する撹拌機40と、水槽内の中和反
応の管理のためのpHセンサ41が設けられている。な
お、中和水槽14では、最終的に処理されたガスは、水
槽上部に設けた排気口42を通して大気中に放出され、
ドレンは水槽下部に設けたドレン抜き口43を通して外
部の排水処理部(図示せず)に導出される。
【0024】次に、以上のように構成される中和水槽1
4に窒化ケース10から直接、ガス窒化排ガスを導くラ
インについて説明する。この実施形態では、窒化ケース
10の排気ライン20から分岐させてガス窒化排ガスを
中和水槽14に導入するための排ガスライン50と、停
電、窒化ケース10での炉内オーバーヒート、あるいは
燃焼装置12のパイロットバーナ27の失火等の不測の
事態に対処すべくガス窒化排ガスを導く異常用ライン5
1と、窒化処理の過程におけるガス窒化排ガス中のアン
モニア分解度を測定するためのアンモニア分解度測定ラ
イン52が並列に設けられている。
【0025】前記排ガスライン50には、上流から順に
流量制御弁53、エアポンプ54、電磁弁55が組込ま
れており、エアポンプ54によって強制的にガス窒化排
ガスが中和水槽14の水の中に浸漬されるライン末端の
吐出部から放出されるようになっている。また、流量制
御弁53は、燃焼装置12の吸気側に設置される流量制
御弁22とともに、燃焼ガスライン32を流れる燃焼ガ
スと、排ガスライン50を流れるガス窒化排ガスの流量
の比率を設定する流量制御手段を構成するようになって
いる。
【0026】異常用ライン51には、手動バルブ56、
電磁弁57、逆止弁58が設けられており、操作時に手
動バルブ56を開いておくことにより、異常事態発生の
ときには自動的にガスを中和水槽14に排出することが
できる。アンモニア分解度測定ライン52には、手動バ
ルブ59の下流に分解度測定器60が接続されている。
【0027】次に、以上のように構成されるガス窒化排
ガス処理装置により実施するガス窒化排ガス処理方法に
ついて、図1および工程の流れ図である図2を参照して
説明する。まず、窒化ケース10からは、未分解のアン
モニアガスと、アンモニアの分解により生成した窒素ガ
ス、水素ガスが含まれるガス窒化排ガスが排気ライン2
0を通して排出される。このガス窒化排ガスは、流量制
御弁22、53により所定の割合に振り分けられて燃焼
装置12と中和水槽14に送られる。
【0028】燃焼装置12では、ガス窒化排ガスに含ま
れるアンモニアが燃焼により二酸化窒素(NO2 )、一
酸化窒素(NO)などの窒素酸化物と水に分解される。
【0029】このような窒素酸化物を含む燃焼ガスは、
燃焼ガスライン32を通り、真空ポンプ33を介してノ
ズル35から中和水槽14内の水中に放出され、二酸化
窒素、一酸化窒素は、水と反応して硝酸、亜硝酸に変化
する。
【0030】他方、窒化ケース10から中和水槽14に
送られるガス窒化排ガスは、エアポンプ54の作用によ
って、排ガスライン50から直接中和水槽14に貯まっ
ている水の中に放出され、排ガス中に含まれるアンモニ
アは水と反応して水酸化アンモニウム(NH4 OH)に
変化して溶解する。
【0031】さらに、中和水槽14では、硝酸、亜硝酸
が水酸化アンモニウムによって中和される反応がおこな
われ、最終的にガス窒化排ガスは、無害な硝酸アンモニ
ウム、または亜硝酸アンモニウムになって処理される。
この中和反応では、ノズル35の細かな細孔から燃焼ガ
スが勢い良く放出されるために、反応を促進させること
になる。
【0032】以上は、図2の流れ図に従って、燃焼装置
12に送られたガス窒化排ガスに含まれるほとんどのア
ンモニアが燃焼によって分解するものと考えて説明した
例であるが、その場合は、燃焼装置12を通して中和水
槽14に導く燃焼ガスと、燃焼装置12を通さずに直接
中和水槽に導くガス窒化排ガスの割合を50%ずつにそ
れぞれ流量制御弁22、53により調整することが最も
好ましい。しかし、実際には、アンモニアの燃焼による
分解や、水への溶解が100%進行するとは限らない。
【0033】そこで、燃焼装置12での燃焼が不完全で
ある場合には、分解により生成する窒素酸化物の量を増
やすために、窒化ケース10から燃焼装置12に送る流
量の割合を増やす必要がある。
【0034】図3は、燃焼装置12でのアンモニアの分
解割合が50%であるとしたときの反応の流れ図であ
る。この場合、未分解のアンモニアは、燃焼ガスライン
32を通って中和水槽14に送られて水に溶解するの
で、結果的に、同じ量のガス窒化排ガスを燃焼装置12
に導いたのと、同じ反応が得られることになり、燃焼装
置12を通さずに直接中和水槽14にガスを導く排ガス
ライン50を用いないでもよい。
【0035】
【実施例】次に、実施例として、直径500mm、容量3
800リットルの窒化ケース10を用い、流量17リッ
トル/min のアンモニアガスを流して窒化処理を行なっ
たときに排出されるガス窒化排ガスの処理結果について
説明する。なお、この場合の窒化ケース10内における
アンモニアガスの分解度は50%とした。
【0036】燃焼装置12の燃焼筒24の排気口30か
ら導出される燃焼ガスと、中和水槽14の排気口42か
ら流出される処理後のガスにそれぞれ含まれる酸化窒素
(NOx )濃度を測定したところ、前者は135pp
m、後者は、100ppmであった。また、これらのN
Ox 濃度と、両排気口30、42をそれぞれ通過するガ
ス流量から、両者の単位時間当りのNOx 濃度を算出し
たところ、前者は1.8×10-3m3 /hであり、後者
は、0.13×10-3m3 /hであった。なお、前者の
ガス温度は、300℃、後者は17℃であったため、前
者の燃焼ガスの流量を17℃における流量に換算した。
【0037】これらのNOx 濃度の値によれば、中和水
槽14を経て大気に放出される処理後のNOx 量は、燃
焼ガスをでる燃焼ガスのそれの約1/14に減少してい
る。
【0038】また、中和水槽14中の水量を1000リ
ットルにして流すことなくそのままとどめ、前記の条件
のもと、56時間の連続処理を行なった結果、中和水槽
14の水のpHは、中性に近い約8であった。
【0039】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、前記ガス窒化排ガスの少なくとも一部を燃焼
装置に導き、前記ガス窒化排ガス中に含まれるアンモニ
ア(NH3 )を燃焼させ、窒素(N2 )と水(H2 O)
とに分解させる第1の工程と、前記第1の工程で発生し
た燃焼ガスを水槽に導き水と反応させることにより、前
記燃焼ガス中の酸化窒素(NOx )を硝酸(HNO3 )
もしくは亜硝酸(HNO2 )に変化させる第2の工程
と、残余のガス窒化排ガスおよび/または前記燃焼ガス
に含まれる未分解のNH3 を水槽に導き水と反応させる
ことより水酸化アンモニウム(NH4 OH)に変化させ
る第3の工程と、前記第2工程で生成した硝酸もしくは
亜硝酸と前記第3工程で生成した水酸化アンモニウムと
を中和反応させる第4の工程とによって、ガス窒化排ガ
スに含まれるアンモニアの分解処理をしているので、最
終的に大気に放出されるガスのNOx 濃度をかなりの程
度に低下させることができ、また、水槽の水のpHも中
性に近い値まで下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるガス窒化排ガス処理装置の一実施
形態を示す構成説明図。
【図2】ガス窒化排ガスの処理の工程の流れを示す図。
【図3】他の実施形態によるガス窒化排ガスの処理の工
程の流れを示す図。
【符号の説明】
10 窒化ケース 11 鋼材 12 燃焼装置 14 中和水槽 20 排気ライン 22 流量制御弁 24 燃焼筒 26 アンモニアバーナ 27 パイロットバーナ 30 排気口 32 燃焼ガスライン 33 真空ポンプ 34 吐出管 35 ノズル 50 排ガスライン 51 異常用ライン 52 アンモニア分解度測定ライン

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属材料をアンモニア気流中で所定時間加
    熱し、前記金属材料の表面に窒化層を形成するガス窒化
    処理を行なう窒化処理容器から排出されるガス窒化排ガ
    スの処理方法であって、 前記ガス窒化排ガスの少なくとも一部を燃焼装置に導
    き、前記ガス窒化排ガス中に含まれるアンモニア(NH
    3 )を燃焼させ、窒素(N2 )と水(H2 O)とに分解
    させる第1の工程と、 前記第1の工程で発生した燃焼ガスを水槽に導き水と反
    応させることにより、前記燃焼ガス中の酸化窒素(NO
    x )を硝酸(HNO3 )もしくは亜硝酸(HNO2 )に
    変化させる第2の工程と、 残余のガス窒化排ガスおよび/または前記燃焼ガスに含
    まれる未分解のNH3を水槽に導き水と反応させること
    より水酸化アンモニウム(NH4 OH)に変化させる第
    3の工程と、 前記第2工程で生成した硝酸もしくは亜硝酸と前記第3
    工程で生成した水酸化アンモニウムとを中和反応させる
    第4の工程と、を含むことを特徴とするガス窒化排ガス
    処理方法。
  2. 【請求項2】前記燃焼ガス、残余のガス窒化排ガスを水
    を満たした中和水槽に導入し、前記第2工程乃至第4工
    程を同一の水槽で行なうことを特徴とする請求項1に記
    載のガス窒化排ガス処理方法。
  3. 【請求項3】前記ガス窒化排ガスの一部を燃焼装置を通
    して前記中和水槽に導入し、残余のガス窒化排ガスを前
    記燃焼装置を通さずに前記中和槽に直接導入することを
    特徴とする請求項2に記載のガス窒化排ガス処理方法。
  4. 【請求項4】前記ガス窒化排ガスの全部を前記燃焼装置
    を通して水槽に導き、前記燃焼装置内でガス窒化排ガス
    中に含まれるNH3 の一部を分解することを特徴とする
    請求項2に記載の窒化排ガス処理方法。
  5. 【請求項5】金属材料をアンモニア気流中で所定時間加
    熱し、前記金属材料の表面に窒化層を形成するガス窒化
    処理を行なう窒化処理容器から排出されるガス窒化排ガ
    スの処理装置であって、 前記窒化処理容器の排気ラインに接続される燃焼装置
    と、 内部に水を貯溜する中和水槽と、 前記燃焼装置から排気される燃焼ガスを前記中和水槽に
    導く燃焼ガスラインと、を具備することを特徴とするガ
    ス窒化排ガス処理装置。
  6. 【請求項6】前記排気ラインに接続されガス窒化排ガス
    を直接前記中和水槽に導く排ガスラインと、 前記燃焼ガスラインを介して前記中和水槽に至る燃焼ガ
    スの流量と、前記排ガスから直接中和水槽に至るガス窒
    化排ガスの流量との割合を所定の比率に制御する流量制
    御手段と、を備えることを特徴とする請求項5に記載の
    ガス窒化排ガス処理装置。
  7. 【請求項7】前記排ガスラインが前記中和水槽に接続さ
    れる吐出部には、燃焼ガスを前記中和水槽内の水中に放
    出するノズルを備え、このノズルは多数の細孔を有する
    ことを特徴とする請求項5または6に記載のガス窒化排
    ガス処理装置。
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