JP2004283677A - サイクロン装置 - Google Patents

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    • B04CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04CAPPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B04CAPPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C9/00Combinations with other devices, e.g. fans, expansion chambers, diffusors, water locks
    • B04C2009/008Combinations with other devices, e.g. fans, expansion chambers, diffusors, water locks with injection or suction of gas or liquid into the cyclone

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:35mm
粉体導入管52の幅W: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)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/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/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/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/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
54 2次空気導入管

Claims (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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