JP2004283677A

JP2004283677A - サイクロン装置

Info

Publication number: JP2004283677A
Application number: JP2003076803A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Akiyama; 聡秋山; Kenzo Kokubo; 健三小久保; Hideto Yoshida; 英人吉田
Original assignee: Nisshin Seifun Group Inc
Current assignee: Nisshin Seifun Group Inc
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP4422972B2

Abstract

【課題】細かい粒子（例えば、５μｍ以下）においても、捕集効率の高いサイクロン装置を提供する。
【解決手段】サイクロン５０は、ほぼ直立円筒形のサイクロン胴体部５１と、分散粉体を含んだ空気流を、サイクロン胴体部５１の内壁面に沿って水平方向に吹き込むために、そのサイクロン胴体部５１の一部を外周接線方向に延ばして設けられた粉体導入管５２と、サイクロン胴体部５１内の空気を上方向に排気するために設けられ、そのサイクロン胴体部の上部を覆う天板５１ｃの中心部を貫通する排気管５３と、粉体導入管５２から４５〜１８０°の位置で、サイクロン胴体部５１の接線方向に２次空気を導入する２次空気導入管５４などとを備えている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、集塵や微細粉体の分級を行うサイクロン装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のサイクロン装置は、構造が簡単で安価に設置できるため、広く利用されている。しかし、火力発電におけるＩＧＣＣ法や焼却炉の集塵装置として、サイクロンを利用する場合には、より集塵性能の高いものが望まれる。
【０００３】
図９は、集塵性能を評価するための従来のサイクロンシステムの一例の構成概要を示す説明図である。
図９に示すように、集塵対象の粉体は、フィーダースクリュー１ａによって連続的に、フィーダー１から下部の粉体分散機２に供給される。
粉体分散機２は、凝集状態の粉体を一次粒子の状態に分散させるためのものである。粉体分散機２を通った粉体は、粉体搬送管３を通って、空気取り入れ口４からの空気と共にサイクロン胴体部５の粉体導入部６に吸い込まれる。
【０００４】
サイクロン胴体部５は、直立円筒状であり、上部の直胴部５ａと、下部の漏斗状のサイクロン円錐台形部５ｂとからなり、下端は粗粉貯留槽８に対して開口している。また、サイクロン胴体部５の天井部からは、微粉取り出しのための排気管７が、胴体部内部の一定高さの位置まで垂下していて、ブロワー１０からの負圧が与えられている。なお、７ｂは、微粉回収のために、微粉搬送管７ａに設けられたフィルターである。
【０００５】
従来のサイクロン装置は、直胴部５ａの上壁付近では、内壁面の影響で流れの旋回方向の速度成分が小さく、粒子に遠心力が加わらず、粒子がサイクロンの中心方向に流れて捕集されにくくなる、という問題があった。
【０００６】
この問題を解決するために、従来例１では、下側に曲率を設けた入口管路により、入口下部に粉体が集中し、大きな旋回速度が与えられ、収率が向上するとされている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
従来例２では、旋回方向に曲率を設けた曲管と整流用水平直管を用いれば、流れを乱すことなく、旋回中心から遠いところへ粉体を集中でき、十分な旋回回数で大きな遠心力が与えられ、高い捕集効率が得られるとされている（例えば、特許文献２）。
【０００８】
従来例３では、粉体供給管の本体側の内側から２次空気を導入し、外筒の外側の内壁面よりに含塵空気を偏らせて流入させることにより、流れを乱すことなく、旋回中心から遠いところへ粉体を集中でき、高い捕集効率が得られるとされている（例えば、特許文献３）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−３２００５５号公報
【特許文献２】
特開平１０−３４０２２号公報
【特許文献３】
特開２０００−２３７６３６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来例１では、急激に入口管を曲げることにより、２次流れが発生し、サイクロンの入口付近の流れの乱れが多くなったり、サイクロンの高さを有効に活用できず、旋回回数が減少し、特に、遠心力のかかりにくい細かい粒子の捕集効率は、改善できないという問題があった。
【００１１】
従来例２では、粉体は、直胴部の内壁近傍に集まるものの、重力の影響を受けにくい細かな粒子は、直胴部の上壁付近から投入されて、遠心力が与えられず、中心方向に流されて、捕集されないという問題があった。
また、整流用水平管により曲管で発生した２次流れによる乱れを整えているときに、流れに乗りやすい細かな粒子が内壁面から離れ、遠心力のかかりにくい箇所に導入され、捕集されにくいという問題があった。
【００１２】
従来例３では、導入した２次空気は拡散によりすぐ広がってしまい、それを防ぐために、２次空気流速を上げると流れを乱してしまうという問題があった。
【００１３】
本発明の課題は、細かい粒子（例えば、５μｍ以下）においても、捕集効率の高いサイクロン装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、ほぼ直立円筒形のサイクロン胴体部と、分散粉体を含んだ空気流を前記サイクロン胴体部の内壁面に沿って水平方向に吹き込むために、そのサイクロン胴体部の一部を外周接線方向に延ばして設けられた粉体導入部と、前記サイクロン胴体部内の空気を上方向に排気するために設けられ、そのサイクロン胴体部の上部を覆う天部の中心部を貫通する排気部と、前記粉体導入部から４５〜１８０°の位置で、前記サイクロン胴体部の接線方向に２次空気を導入する２次空気導入部と、を備えたサイクロン装置である。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載のサイクロン装置において、前記２次空気導入部の幅は、前記粉体導入部の幅の２／３以下であること、を特徴とするサイクロン装置である。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のサイクロン装置において、前記２次空気導入部の位置は、前記粉体導入部の上部の位置から、その粉体導入部の高さの３倍までの範囲であること、を特徴とするサイクロン装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、５ μｍ以下の粒子の捕集効率を上げるために、鋭意研究を行った結果、サイクロン胴体部に２次空気を接線的に導入し、内壁付近の旋回速度を局所的に加速させることによって、サイクロン胴体部内の遠心力の減衰を防止でき、細かい粒子においても、遠心力が十分に与えられ、捕集効率が向上することを見出した。
【００１８】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
図１，図２は、本発明によるサイクロン装置の実施形態を示す図であって、図１は、平面図及び側面図、図２は、斜視図である。
なお、図９に示した従来例と同様な機能を果たす部分には、同一の符号又は末尾に統一した符号を付して、重複する説明や図面を適宜省略する。
本実施形態のサイクロン５０は、ほぼ直立円筒形のサイクロン胴体部５１と、分散粉体を含んだ空気流を、サイクロン胴体部５１の内壁面に沿って水平方向に吹き込むために、そのサイクロン胴体部５１の一部を外周接線方向に延ばして設けられた粉体導入管５２と、サイクロン胴体部５１内の空気を上方向に排気するために設けられ、そのサイクロン胴体部の上部を覆う天板５１ｃの中心部を貫通する排気管５３と、粉体導入管５２から４５〜１８０°の位置で、サイクロン胴体部５１の接線方向に２次空気を導入する２次空気導入管５４などとを備えている。
【００１９】
サイクロンは、旋回速度を上げることによって、捕集効率が向上する。しかし、単に入口空気量を増やし、粒子の投入速度を上げようとしても、サイクロン内部の流れが乱れてしまい、かえって性能が低下してしまう。
【００２０】
図３〜図５は、ナビエストークス方程式を数値解析法で解いて、サイクロン内部の粒子の軌跡を求めた図である。
投入された粒子は、図３に示すように、粉体導入管（サイクロン入口）５２から約１８０°回転した位置に濃縮され、旋回してサイクロン胴体部５１を下降する。
本実施形態では、この濃縮された粒子に、更に、２次空気導入管５４からの空気を吹付けて、旋回速度を増速することによって、捕集効率を向上させるようにしたものである。
図４は、２次空気導入管５４を、粉体導入管５２から４５°の位置に設けた場合を示した図である。
図５は、２次空気導入管５４を、粉体導入管５２から１８０°の位置に設けた場合を示した図である。
【００２１】
図４は、２次空気導入管５４（幅ｗ＝５ｍｍ、高さｈ＝５ｍｍ）を、粉体導入管５２からθ＝４５°、天井からの距離ｚ＝０ｍｍに設けた場合の、ｚ＝２．５ｍｍの水平平面における速度ベクトルの計算結果を示している。このとき、２次空気導入管５４から導入した空気により、サイクロン内の流れの乱れを引き起こすことなく、内壁付近の流れのみを局所的に増速している。その増速された流れは、すぐには減速せず、図３に示した粉体が濃縮される場所近傍の旋回速度も増速される。
【００２２】
同様に、図５は、２次空気導入管５４を、粉体導入管５２からθ＝１８０°、天井からの距離ｚ＝０ｍｍに設けた場合の、ｚ＝２．５ｍｍの水平平面における速度ベクトル図である。この場合も、流れを乱すことなく、粉体が濃縮する位置近傍の流れを増速している。
【００２３】
２次空気導入管５４の位置θは、粉体導入管５２から４５°〜１８０°の範囲が好ましい。２次空気導入管５４の幅ｗは、粉体導入管５２の幅Ｗ_０の２／３以下が好ましい。２次空気導入管５４の高さｈは、図１に示すように、粉体導入管５２の高さｈ_０の１〜１／１０が好ましい。２次空気導入管５４の位置ｚは、粉体導入管５２の上部の位置から、粉体導入管５２の高さｈ_０の３倍までの範囲が好ましい。２次空気導入管５４における２次空気の導入速度は、粉体導入管５２における入口速度の１〜５倍が好ましい。
【００２４】
以下、２次空気導入管５４の位置θ、幅ｗ、高さｈ、位置ｚ、２次空気の導入速度などが、上述した値で好適な理由について、さらに詳しく説明する。
（１）２次空気導入管の位置θ
２次空気導入管５４の設置位置θは、２次空気により、導入された粉体が濃縮する位置近傍の内壁面付近の流れを加速する位置より選ばれる。図４で示した通り、θ＝４５°に設置した場合でも、θ＝１８０°付近まで影響がおよびその近傍の流れが加速できる。
しかし、θ＞１８０°の場合では、２次空気と粉体導入管からの空気が干渉し、流れの乱れを誘引して性能低下をもたらす。
【００２５】
（２）２次空気導入管の幅ｗ
サイクロン内部の旋回流は、図４で示すように、供給した粉体が内壁面付近へ濃縮する位置θ＝９０〜１８０°においては、壁面から中心へ、粉体導入管５２の幅の約２／３の範囲で、速度が大きくなっている。
本発明においては、この旋回速度を増速させることにより、従来捕集できていなかった微粒子まで効率よく捕集できる。従って、サイクロン旋回流の旋回速度を、流れを乱さずに増速させるために、２次空気導入管５４の幅ｗは、粉体導入管５２の幅の２／３以下が好ましい。
２次空気導入管５４の幅ｗの下限は、特に制限はないが、２次空気導入時の圧力損失（導入空気の抵抗）と粉体が濃縮される範囲を考慮して、粉体導入管５２の幅の１／１０以上から選ばれる。
【００２６】
（３）２次空気導入管の高さｈ
サイクロンの内壁面付近では、高さが異なると、旋回速度の大きさも異なっている。サイクロンの気流の大きな乱れを防ぐため、２次空気導入管５４の高さｈは、粉体導入管５２の高さｈ_０の１〜１／１０倍の範囲から選ばれる。
【００２７】
（４）２次空気導入管の位置ｚ
投入した粒子のうち、比較的大きな粒子径のものは、遠心力の効果で内壁面近傍を旋回しながら下降する。一方、比較的小さな粒子は、遠心力が小さいために、内壁面から離れやすい。そこで、２次空気は、投入粒子が内壁面に濃縮した後に、直ちに吹込むことが好ましく、２次空気導入管５４の位置ｚは、粉体導入管５２の上部の位置から、粉体導入管５２の高さｈ_０の３倍までの範囲が好ましい。
【００２８】
（５）導入空気の流速
導入する２次空気により、内壁面近傍の粒子及び気流を加速するためには、粉体導入管５２の入口風速以上の速度で、２次空気を導入する必要がある。２次空気の速度の上限は、特にないが、気流の乱れを起こさないことが性能を発揮する上で重要である。
局所的に気流及び粒子を加速するために、２次空気として５０〜３００ｋＰａの圧縮空気が好ましい。
【００２９】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）２次空気導入管５４Ａ，５４Ｂは、気流を乱すことなく内壁面付近の流れを加速できれは、図６のように、接線方向からやや中心に傾けたり、寄せたりして設置することもできる。
（２）また、図７のように、２次空気導入管５４Ｃの内部に、開口部の断面積を自在に変更可能な隔壁５４Ｃ−１を設けることもできる。
（３）サイクロンの粉体導入管の接続形式として、接線方式以外にも、図８のようなスクロール型の粉体導入管５２Ａを備えたサイクロンにおいても、本発明は適用可能である。
【００３０】
【実施例】
次に、具体的な実施例をあげて、さらに詳しく説明する。
図９のような構成のシステムを用いて集塵試験を行った。
粉体フィーダー１で供給した原料粉体は、分散器２（日清エンジニアリング（株）製ディスパージョンノズル）で分散させ、ブロワー１０で吸引している空気とともに、本実施形態のサイクロン５０に導入する。粉体は、粗粉貯留槽８で回収され、投入量に対する粗粉貯留槽での回収量で捕集効率を算出した。サイクロン５０で回収されなかった粉体は、フィルターで回収される。
【００３１】
使用したサイクロン本体の寸法は、下記の通りである（図１、図２参照）。
サイクロン直胴部５１ａの直径：φ７６ｍｍ
サイクロン直胴部５１ａの長さ：１５０．５ｍｍ
サイクロン円錐台形部５１ｂの下端の直径：φ５６ｍｍ
サイクロン円錐台形部５１ｂの長さ：７１．５ｍｍ
粉体導入管５２の高さｈ_０：３５ｍｍ
粉体導入管５２の幅Ｗ_０：１７ｍｍ
粗粉貯留槽８の直径：φ１０１ｍｍ
粗粉貯留槽８の高さ：２１５ｍｍ
【００３２】
試験粉体としては、５０％粒子径２．５μｍのフライアッシュ（密度２３００ｋｇ／ｍ^３）を、０．２ｇ／ｓの供給速度で投入した。サイクロンの入口流速が１５ｍ／ｓになるように、ブロワー１０の風量を調節して試験を行った。
【００３３】
（実施例１）
２次空気導入管５４の幅ｗ＝５ｍｍ、高さｈ＝５ｍｍ、位置θ＝１８０°、ｚ＝０ｍｍ、風量ｑ＝０．０８ｍ^３／ｍｉｎで実験を行った。
そのときの捕集効率は、９６．２％であった。
【００３４】
（実施例２）
２次空気導入管５４の幅ｗ＝５ｍｍ、高さｈ＝１０ｍｍ、位置θ＝１８０°、ｚ＝０ｍｍ、風量ｑ＝０．０８ｍ^３／ｍｉｎで実験を行った。
そのときの捕集効率は、９４．３％であった。
【００３５】
（実施例３）
２次空気導入管５４の幅ｗ＝５ｍｍ、高さｈ＝５ｍｍ、位置θ＝４５°、ｚ＝０ｍｍ、風量ｑ＝０．０８ｍ^３／ｍｉｎで実験を行った。
そのときの捕集効率は、９４．５％であった。
【００３６】
（実施例４）
２次空気導入管５４の幅ｗ＝５ｍｍ、高さｈ＝５ｍｍ、位置θ＝１８０°、ｚ＝１００ｍｍ、風量ｑ＝０．０８ｍ^３／ｍｉｎで実験を行った。
そのときの捕集効率は、９４．０％であった。
【００３７】
（比較例１）
実施例１のサイクロンから、２次空気導入管５４を取り除いた以外は、同一の装置、条件で試験を行った。
そのときの捕集効率は、９３．２％であった。
【００３８】
これらの実施例１〜３と、比較例から、角度θが４５〜１８０°、設置位置ｚ＝０〜１００ｍｍで３ｈ＝３５×３＝１０５ｍｍの範囲内が好ましいことが分かった。
以上のように、上記各実施例によれば、サイクロン胴体部５１に２次空気導入管５４を設けるだけで、５μｍ以下の粒子においても、効率よく捕集することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、サイクロン胴体部に２次空気を接線的に導入し、内壁付近の旋回速度を局所的に加速させることによって、サイクロン胴体部内の遠心力の減衰を防止でき、細かい粒子においても、遠心力が十分与えられ捕集効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるサイクロン装置の実施形態を示す平面図及び側面図である。
【図２】本発明によるサイクロン装置の実施形態を示す斜視図である。
【図３】ナビエストークス方程式を数値解析法で解いて、サイクロン内部の粒子の軌跡を求めた図である。
【図４】ナビエストークス方程式を数値解析法で解いて、２次空気導入管が、粉体導入管から４５度に位置する場合の、サイクロン内部の粒子の軌跡を求めた図である。
【図５】ナビエストークス方程式を数値解析法で解いて、２次空気導入管が、粉体導入管から１８０度に位置する場合の、サイクロン内部の粒子の軌跡を求めた図である。
【図６】本発明によるサイクロン装置の変形形態（２次空気導入管の取り付け角度、位置）を示す図である。
【図７】本発明によるサイクロン装置の変形形態（開口部の断面積を自在に変更可能な隔壁）を示す図である。
【図８】本発明によるサイクロン装置の変形形態（スクロール型の粉体導入管）を示す図である。
【図９】集塵性能を評価するための従来のサイクロンシステムの一例の構成概要を示す説明図である。
【符号の説明】
５０サイクロン
５１サイクロン胴体部
５２粉体導入管
５３排気管
５４２次空気導入管

Claims

ほぼ直立円筒形のサイクロン胴体部と、
分散粉体を含んだ空気流を前記サイクロン胴体部の内壁面に沿って水平方向に吹き込むために、そのサイクロン胴体部の一部を外周接線方向に延ばして設けられた粉体導入部と、
前記サイクロン胴体部内の空気を上方向に排気するために設けられ、そのサイクロン胴体部の上部を覆う天部の中心部を貫通する排気部と、
前記粉体導入部から４５〜１８０°の位置で、前記サイクロン胴体部の接線方向に２次空気を導入する２次空気導入部と、
を備えたサイクロン装置。
請求項１に記載のサイクロン装置において、
前記２次空気導入部の幅は、前記粉体導入部の幅の２／３以下であること、
を特徴とするサイクロン装置。
請求項１又は請求項２に記載のサイクロン装置において、
前記２次空気導入部の位置は、前記粉体導入部の上部の位置から、その粉体導入部の高さの３倍までの範囲であること、
を特徴とするサイクロン装置。