JP2005500501A

JP2005500501A - 高温排ガスの冷却方法及び装置並びに燃焼処理装置

Info

Publication number: JP2005500501A
Application number: JP2003521048A
Authority: JP
Inventors: 由章杉森; 孝小島; 修一小関; 大貴万行; 修康富田; 宏之小野; 溥白瀬
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp; Kiyomoto Iron and Machinery Works Co Ltd
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp; Kiyomoto Iron and Machinery Works Co Ltd
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2005-01-06
Also published as: TW539828B; US20040207102A1; EP1417439A1; CN1407277A; KR20030015832A; WO2003016785A1; CN1227479C; KR20040087973A

Abstract

高温の排ガスを少量の水で効果的に冷却することができる高温排ガスの冷却方法及びその装置を提供するとともに、この冷却装置を備えた燃焼処理装置を提供する。高温の排ガスが流れる経路内に排ガスの流れと直角な水膜を形成し、この水膜中に高温の排ガスを通過させることによって排ガスを冷却する方法である。冷却装置は、上方に高温排ガス導入部（５１）を、下方に冷却排ガス排出部（５２）を有する円筒状の冷却室（５３）と、高温排ガス導入部の近傍に配置した複数の水スプレー管（５４）とを備えている。水スプレー管（５４）のスプレーノズル（５８）は、その噴出軸線が略同一水平面上で冷却室（５３）の中心方向に向くようにして、かつ、各スプレーノズル（５８）から噴出した水滴同士が相互に衝突するように配置されている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温排ガスの冷却方法及び装置並びに燃焼処理装置に関し、詳しくは、各種燃焼処理に伴なって排出される高温排ガスを冷却する方法及びそのための装置構造に関するとともに、この冷却装置を備えた燃焼処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄やゴミの焼却、有毒成分の燃焼処理等によって高温排ガスが発生する。このような高温排ガスをそのまま大気放出することは、公害防止上許されない。したがって、通常は、排ガスを冷却してから排出している。
【０００３】
図７は、従来の排ガス冷却装置の一例を示す縦断面図である。高温排ガスは、冷却装置１１を構成する冷却室１２内へ、上部の導入口１３から導入されて周壁下部の排出口１４から排出される。この過程で、導入された高温排ガスは、冷却室１２の上部に設けたスプレー管１５のスプレーノズル１６から噴出した水に接触して冷却される。排出口１４から排出された冷却後の排ガスに含まれる固形物や水滴は、デミスター１７内に設けられた充填材１８により捕捉される。デミスター１７には、充填材１８を洗浄するための水を噴出するスプレー１９が設けられている。
【０００４】
この冷却装置１１では、スプレーノズル１６から噴出される水は、排ガスの流れ方向と同方向とされ、通気抵抗にならないように考慮されている。スプレーノズル１６から噴出して排ガスを冷却した後の水は、冷却室１２の底部に設けた排水口２０から排出される。この排水口２０に接続した排水管２１には、上方に屈曲したトラップ２２が設けられ、排水管２１から排ガスが流出することを防止している。また、排水管２１の下流端は、水槽２３内に溜まった水中に挿入されており、排水管２１を通って大気が冷却室１２に逆流することを防止している。
【０００５】
しかし、このような従来の冷却装置では、高温排ガスを冷却するために大量の水が必要であり、排ガスと水とを十分に接触させるために大きな冷却室を必要としていた。さらに、冷却室とは別に排ガスから固形物や水滴を除去するデミスターを設けたり、ガスが流通しない排水構造を採用したりする必要があった。したがって、冷却装置全体が大型化するという不都合があった。
【０００６】
そこで本発明は、高温の排ガスを少量の水で効果的に冷却することができ、装置の小型化も図れる冷却方法及び装置を提供するとともに、この冷却装置と一体化した燃焼処理装置を提供することを目的としている。
【発明の開示】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の高温排ガスの冷却方法は、高温排ガスが流れる経路内に、該排ガスの流れと直角方向の水膜を形成し、この水膜中に前記高温排ガスを通過させることにある。
【０００８】
本発明の高温排ガスの冷却装置は、上方に高温排ガス導入部を、下方に冷却排ガス排出部及び排水部を有する中空の冷却室と、前記高温排ガス導入部の近傍に配置した複数の水スプレー管とを含み、該複数の水スプレー管のスプレーノズルを同一水平面上に配置するとともに、各スプレーノズルから噴出する水の方向を、高温排ガス導入部から冷却室内に流入する高温排ガスの流れに直角で、かつ、冷却室内で相互に衝突するように配置している。
【０００９】
前記冷却排ガス排出部は、前記冷却室の周壁下部から室内に突出した排気管であることが好ましい。また、好ましくは、前記複数のスプレーノズルは、その軸線が水平面上で冷却室中心方向に対して同一方向に５〜１５度の角度を有するようにそれぞれ配置されていることである。さらに、前記冷却室は、内筒と外筒とからなる二重筒構造とし、内筒の上部開口をスプレーノズル部を介して前記高温排ガス導入部に連通させ、該内筒の下部開口を外筒の底板上面近傍に配置し、前記外筒の上部に冷却排ガス排出部を設けるとともに、冷却排ガス排出部と内筒の下部開口との間には、内筒の外周と外筒の内周に亘ってデミスターを設置することが好ましい。前記排水部は、冷却室底部に開口して冷却室内に連通する排水口と、該排水口より上方位置に開口するように接続した排水管とを有する排水室を備えている。
【００１０】
本発明の燃焼処理装置は、上述のように形成した高温排ガスの冷却装置の上方に、水平火炎を形成するバーナーを備えた燃焼室を連設した構成を含んでいる。
【００１１】
本発明によれば、スプレーノズルから噴出する水滴が相互に衝突してより小さな水滴となり、かつ、小さな水滴によって水膜が形成され、この水膜中を高温の排ガスが通過するようにしたので、気液の接触効率が向上して高温排ガスの冷却効率が向上し、従来より少ない水量で従来と同等の冷却性能が得られる。また、装置全体の小型化も図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の高温排ガスの冷却方法を実施するための本発明の冷却装置の第１形態例を示す縦断面図である。
【００１３】
この冷却装置５０は、上方に高温排ガス導入部５１を、周壁下部に冷却排ガス排出部５２を有する円筒状の冷却室５３と、前記高温排ガス導入部５１の近傍に配置した複数の水スプレー管５４と、冷却室５３の底部に設けられた排水部５５とを備えている。この排水部５５には、図７の従来例と同様に、排水管が接続され、該排水管に上方に屈曲したトラップが設けられ、排水管から排ガスが流出することを防止している。また、排水管の下流端は、水中に挿入されており、排水管を通って大気が冷却室に逆流することを防止している。冷却室５３の上部内周には耐熱材料による内張５６が施されている。また、冷却室５３の周壁には点検窓５７が設けられている。
【００１４】
水スプレー管５４に設けられた複数のスプレーノズル５８は、その噴出軸線が略同一水平面上で冷却室５３の中心方向に向くようにして、かつ、各スプレーノズル５８から噴出した水滴同士が相互に衝突するように配置されている。また、各スプレーノズル５８には、水を水平方向に扇状に噴出する扇形ノズルを使用している。
【００１５】
このように、スプレーノズル部５８ａに複数のスプレーノズル５８を配置することにより、冷却室５３内には、高温排ガスの流れ方向と直角な方向の水膜が、ガスの流れ通路を全面封鎖するような状態で形成される。しかも、スプレーノズル５８から噴出した水滴の大部分が相互に衝突して細かな水滴が発生する。
【００１６】
水スプレー管５４の設置数は任意であり、冷却室５３の大きさや高温排ガスの温度及び流量（流速）に応じて３本以上設けることができる。また、スプレーノズル５８は、水スプレー管５４に１個ずつとしてもよいが、一つの水スプレー管５４に複数のスプレーノズル５８を設けるようにしてもよい。さらに、複数のスプレーノズル５８は、等間隔で設けることが好ましい。
【００１７】
冷却排ガス排出部５２に接続した排気管５９には、充填材６０を収納したデミスター６１が設けられている。デミスター６１の後段には、冷却排ガス吸引用のブロワー（図示せず）が設けられている。冷却排ガス排出部５２から排出された冷却排ガスに含まれる固形物や水滴は、デミスター６１を通過するときに充填材６０により捕捉される。この充填材６０は、スプレー６２から噴出する水によって定期的に洗浄される。
【００１８】
このように形成した冷却装置５０において、高温排ガス導入部５１から冷却室５３内に導入された高温排ガスは、前記スプレーノズル５８から噴出した水によって形成される水膜を通過する過程で冷却される。水膜を形成した水滴は、自重によって室内を落下するので、高温排ガスの流れに対して抵抗になることはない。また、衝突によって細かな水滴となった水は、高温排ガスとの接触によって瞬時に蒸発するので、水の蒸発潜熱を高温排ガスの冷却に有効に利用することができる。
【００１９】
したがって、高温排ガスと水とを確実に接触させることができ、水の蒸発潜熱も効果的に利用することができるので、冷却効率が向上し、従来と同等の冷却を行う場合、従来より使用水量を大幅に低減させることができ、装置の小型化も図れる。
【００２０】
図２は、本発明の冷却装置の第２形態例を示す縦断面図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例に記載した冷却装置の構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２１】
本形態例では、前記冷却排ガス排出部５２に、冷却室５３の周壁下部から室内に水平方向に突出した排気管６５を設け、ガス吸入口６６部分を冷却室５３の中心部で開口させている。このように構成することにより、冷却室５３内における排ガスの流れが均等化するので、全体としての冷却効果を更に向上させることができる。さらに、本形態例では、冷却室５３の下部に傾斜板６７を設けて吹き溜まり部が形成されないようにしている。
【００２２】
図３は、スプレーノズルの配置例を示す冷却室の横断面図である。本例では、１２０度間隔に設けられた３個のスプレーノズル５８の噴出軸線Ｓを、冷却室５３の中心Ｃの方向に対してそれぞれ同一方向に角度αを設けて配置したものである。このように、スプレーノズル５８の噴出軸線Ｓを冷却室中心Ｃの方向に対して同一方向にそれぞれ傾けることにより、各スプレーノズル５８から噴出した水が、図３に矢印Ａで示すように反時計回りに冷却室５３内を旋回する状態となり、高温排ガスの流れ方向と直角な方向の面を有する回転水膜が冷却室５３内に形成される。このような回転水膜を形成することにより、高温排ガスが水膜を通過する際に水膜の回転運動の影響を受けてガス自身も回転し、これによって撹拌効果が発生して冷却効果をより高めることができる。
【００２３】
前記角度αは、冷却室５３の状態、高温排ガスの状態、スプレーノズルの配置数によって適宜最適な角度を選択することができるが、通常は５〜１５度の範囲内が適当である。角度αが５度未満だと水膜に十分な旋回力を与えることができず、１５度を超える角度にすると、スプレーノズル５８の配置数を多くしないとガスの流れ通路を全面封鎖することが困難となって必要水量が増加することがある。
【００２４】
図４は、本発明の冷却装置の第３形態例を示す縦断面図である。この冷却装置は、冷却室５３を、上下が開口した内筒７１と、この内筒７１を囲むようにして配置される上下が閉塞した外筒７２との二重筒構造としている。内筒７１の上部開口は、前記スプレーノズル部５８ａを介して前記高温排ガス導入部５１に連通している。この構成により、前記内筒７１の上部開口と前記高温排ガス導入部５１との間に、前記スプレーノズル５８により水膜が形成される。さらに、内筒７１の上部は、二重壁構造の水槽７３に囲まれており、この水槽７３の内・外周壁７４，７５を貫通して水スプレー管５４が設けられている。水槽７３には、内・外周壁７４，７５間に冷却水を供給するパイプ７６が設けられている。両壁７４，７５間に供給された冷却水は、内壁７４上部に設けたＶノッチ７７から該内壁７４と内筒７１の上部外周との間に流下し、さらに、内筒７１の上部に設けたＶノッチ７８から内筒７１内に流下する。
【００２５】
本形態例に示す内筒７１は、上下方向中間部を小径に形成してこの部分のガス流速を上げることにより、ガスと水滴との接触効率を向上させ、高温排ガスの冷却効果を高めている。なお、内筒７１はストレートパイプであってもよい。
【００２６】
内筒７１の下部開口は、外筒７２の底板上面近傍に配置されており、外筒７２の周壁上部には、前記冷却排ガス排出部５２が設けられている。冷却排ガス排出部５２と内筒７１の下部開口との間には、内筒７１の外周と外筒７２の内周に亘ってデミスター７９を構成する充填材が設けられている。
【００２７】
したがって、高温排ガス導入部５１から冷却室５３内に導入された高温排ガスは、スプレーノズル５８からの水膜を横切り、内筒７１内を水滴と接触しながら下方に流れて冷却された後、内筒７１の下部開口から外筒７２内に流出して内筒７１の外周と外筒７２の内周との間を上昇し、デミスター７９を通過するときに含有する固形物や水滴が除去され、冷却排ガス排出部５２から排出される。したがって、排気管に設けていたデミスターを省略することが可能となり、排気関係の配管スペースを小さくできる。固形物の付着等によって汚れた充填材は、その上方に設けたスプレー８０から噴出する水によって洗浄することができる。
【００２８】
さらに、本形態例では、外筒７２の周壁下部を貫通して、先端にスプレーノズル８１を有する水スプレー管８２が設けられている。このスプレーノズル８１は、内筒７１の下方に前記同様の水膜を形成し、内筒７１の下部開口から流出するガスを更に冷却する。
【００２９】
排水部５５は、外筒７２と一体的に形成した排水室８３を有している。この排水室８３は、冷却室５３の底部に開口して冷却室内に連通する排水口８４と、該排水口８４の上縁よりも上方位置に開口するように接続した排水管８５とを備えている。この排水管８５の開口下縁の位置は、前記スプレーノズル８１が設けられている場合は、スプレーノズル８１よりも下方位置になるように設定される。スプレーノズル８１が設けられていない場合は、内筒７１の下部開口よりも下方位置にあればよい。
【００３０】
冷却室５３の底部に流下した水は、排水口８４を通って排水室８３内に流入し、排水管８５から排出される。このとき、排水管８５が排水口８４よりも高位置に設けられているので、冷却室底部には、排水口８４を水で塞ぐようにして排水管８５の位置まで水が溜まる。このようにして排水口８４を水で塞ぐことにより、排水口８４を通ってガスが流通することを防止できるので、排水部５５から排ガスが流出したり、大気が冷却室５３に流入することを防止できる。したがって、排水管８５の途中にトラップを設ける必要が無くなるので、排水関係の配管スペースを小さくできる。
【００３１】
このように、冷却室５３を二重筒構造として内部にデミスター７９を収納し、また、トラップ機能を有する排水室８３を冷却室５３と一体的に形成することにより、冷却装置全体の小型化を図れる。なお、必要に応じて、排気管や排水管に従来と同様のデミスターやトラップを設けてもよい。
【００３２】
図５は本発明の燃焼処理装置の一形態例を示す縦断面図、図６はバーナーの要部を示す縦断面図であって、前述のように形成した高温排ガスの冷却装置と、各種燃焼処理、例えば有害成分を含むガスの除害処理を行う燃焼装置とを一体化したものである。
【００３３】
燃焼処理装置１００は、前述のように形成した冷却装置の冷却室５３の上方に燃焼処理を行う燃焼室１０１を連設したものであり、燃焼室１０１の下端部が冷却室５３上端部の高温排ガス導入部５１に直接連結された状態となっている。
【００３４】
燃焼室１０１は、上方に燃焼処理対象ガスが導入されるガス導入管１０２とパイロットバーナー１０３とが設けられ、その下方に平面火炎を形成するバーナー１０４が設けられている。バーナー１０４は、図６に示すように、リング状の内側面にＶ溝型ノズル１０５が形成され、該Ｖ溝型ノズル１０５の一方にＬＰＧ等の燃料を供給する燃料通路１０６が、他方には空気や酸素富化空気等の支燃性ガスを供給する支燃性ガス通路１０７が設けられている。前記燃料通路１０６や支燃性ガス通路１０７は、前記Ｖ溝型ノズル１０５の内周面に沿って複数箇所に設けられており、燃料通路１０６から燃料を、支燃性ガス通路１０７から支燃性ガスを吹き出し、この状態で前記パイロットバーナー１０３で点火することにより、燃焼処理対象ガスの流れ方向に直角な平面火炎が形成される。
【００３５】
なお、平面火炎を形成するバーナーは、例えば特開２００１−８２７３３号公報に記載された構造のものが最適であり、燃焼室１０１の構造もこの公報に記載された構造が最適であるが、本発明においては、これらの構造に限定されるものではなく、燃焼処理を行う対象物やその量等の条件に応じて適宜な構造を採用することが可能であり、例えばバーナーにおいては、燃料と支燃性ガスとをバーナー内部で混合してから噴出するように形成することもできる。
【００３６】
また、燃焼室１０１は、金属製の外筒１０８と焼結金属製の内筒１０９とからなる二重壁構造に形成されており、内筒１０９の下端が、前記高温排ガス導入部５１と一体化した状態となっている。したがって、燃焼室１０１での燃焼によって発生した高温排ガスは、内筒１０９の下方から冷却室５３内に流入し、冷却室５３内に前述のようにして配置された複数個のスプレーノズル５８から噴出する水により形成される水膜を通過することによって冷却され、冷却排ガス排出部５２から、ブロワー（図示せず）によって吸引されて排出される。
【００３７】
この燃焼処理装置１００は、ガス導入管１０２から燃焼室１０１に導入された燃焼処理対象ガスがバーナー１０４により形成される平面火炎を通過することによって所定の燃焼処理が行われ、生成した高温排ガスが冷却装置５０内に直接導入されて冷却される。このように、燃焼処理対象ガスの流れ方向に直角な平面火炎を形成するバーナー１０４を備えた燃焼室１０１と、高温排ガスの流れ方向に直角な水膜を形成する冷却装置５０とを組み合わせた燃焼処理装置は、平面火炎と平面水膜とを近接して配置することができるので、ガス流れ方向の寸法を短くすることができ、装置全体をコンパクトに製作することができる。
【００３８】
実施例
図５に示す構造の燃焼室を用い、有害ガスであるシラン（ＳｉＨ_４）を３％含有する窒素からなる燃焼処理対象ガスを毎分２００リットルの割合でガス導入管から燃焼室内に導入し、ＬＰＧを燃料として空気を支燃性ガスとするバーナーで形成した平面火炎中を通過させ、シランを燃焼させて除害処理を行った。このとき、燃焼室からは、約１０００℃の高温排ガスが毎分８００リットルで発生した。
【００３９】
ここで、スプレーノズル５４の噴出軸線を冷却室の中心方向に向けて配置した前記第１形態例の冷却装置を使用し、前記高温排ガスを毎分５リットルの水で冷却したところ、冷却排ガス排出部から排出されたガスの温度は７３℃となった。一方、前記図７に示した従来の冷却装置に前記高温排ガスを導入して水で冷却したところ、高温排ガスを７３℃に冷却するためには毎分２０リットル以上の水を使用する必要があった。
【００４０】
次に、冷却排ガス排出部を冷却室内に突出させた前記第２形態例の構造の冷却装置を使用して同条件で高温排ガスの冷却を行ったところ、冷却排ガス排出部から排出されたガスは７１℃となった。これにより、冷却排ガス排出部を冷却室内に突出させることによって冷却効率が高まることが分かる。
【００４１】
さらに、前記第２形態例の冷却装置において、図３に示すように、スプレーノズルの噴出軸線を冷却室中心方向に対してそれぞれ１０度ずつ傾けて配置し、回転水膜を形成させた状態で高温排ガスの冷却を同条件で行った。その結果、冷却排ガス排出部から排出されたガスは６９．５℃となった。これにより、水膜を旋回状態にすることによって冷却効率を更に向上できることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の冷却装置の第１形態例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の冷却装置の第２形態例を示す縦断面図である。
【図３】スプレーノズルの配置例を示す冷却室の横断面図である。
【図４】本発明の冷却装置の第３形態例を示す縦断面図である。
【図５】本発明の燃焼処理装置の一形態例を示す縦断面図である。
【図６】バーナーの要部を示す縦断面図である。
【図７】従来のガス冷却装置の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
５０…冷却装置、５１…高温排ガス導入部、５２…冷却排ガス排出部５２、５３…冷却室、５４…水スプレー管、５５…排水部、５６…内張、５７…点検窓、５８…スプレーノズル、５９…排気管、６０…充填材、６１…デミスター、６２…スプレー、６５…排気管、６６…ガス吸入口、６７…傾斜板、７１…内筒、７２…外筒、７３…水槽、７４，７５…内・外周壁、７６…パイプ、７７，７８…Ｖノッチ、７９…デミスター、８０…スプレー、８１…スプレーノズル、８２…水スプレー管、８３…排水室、８４…排水口、８５…排水管、１００…燃焼処理装置、１０１…燃焼室、１０２…ガス導入管、１０３…パイロットバーナー、１０４…バーナー、１０５…Ｖ溝型ノズル、１０６…燃料通路、１０７…支燃性ガス通路、１０８…外筒、１０９…内筒

Claims

高温排ガスが流れる経路内に、該排ガスの流れと直角方向の水膜を形成し、この水膜中に前記高温排ガスを通過させることを含む高温排ガスの冷却方法。
上方に高温排ガス導入部を、下方に冷却排ガス排出部及び排水部を有する中空の冷却室と、前記高温排ガス導入部の近傍に配置した複数の水スプレー管とを含み、該複数の水スプレー管のスプレーノズルを同一水平面上に配置するとともに、各スプレーノズルから噴出する水の方向を、高温排ガス導入部から冷却室内に流入する高温排ガスの流れに直角で、かつ、冷却室内で相互に衝突するように配置した高温排ガスの冷却装置。
前記冷却排ガス排出部は、前記冷却室の周壁下部から室内に突出した排気管である請求項２記載の高温排ガスの冷却装置。
前記複数のスプレーノズルは、その軸線が水平面上で冷却室中心方向に対して同一方向に５〜１５度の角度を有するようにそれぞれ配置されている請求項２又は３記載の高温排ガスの冷却装置。
前記冷却室を内筒と外筒とからなる二重筒構造とし、内筒の上部開口をスプレーノズル部を介して前記高温排ガス導入部に連通させ、該内筒の下部開口を外筒の底板上面近傍に配置し、前記外筒の上部に冷却排ガス排出部を設けるとともに、冷却排ガス排出部と内筒の下部開口との間には、内筒の外周と外筒の内周に亘ってデミスターを設置した請求項２又は４記載の高温排ガスの冷却装置。
前記排水部は、冷却室底部に開口して冷却室内に連通する排水口と、該排水口より上方位置に開口するように接続した排水管とを有する排水室を備えている請求項２乃至５のいずれか１項に記載の高温排ガスの冷却装置。
請求項２記載の高温排ガスの冷却装置の上方に、水平火炎を形成するバーナーを備えた燃焼室を連設した燃焼処理装置。