JP2007105575A - 排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱回収ボイラなどの排ガス処理装置において、ダスト(灰など)を除去するスートブロー装置が必要なくし、メンテナンスを楽にし、構造を簡単にし、熱交換の効率性、コスト性などの面を改善する。
【解決手段】処理ユニット内に排ガスを導入する手段と、排ガスから不要物を除去する手段と、排ガスに接触して熱交換を行うための水管を含む熱交換手段と、処理ユニット内で処理された排ガスを処理ユニット外に排出する手段と、0を備えて排ガスの処理を行う排ガス処理装置であって、処理ユニットは、その内部にサイクロン手段を含む不要物除去ユニットを備え、排ガスはサイクロン発生部を経由されて送入され、その遠心力によって渦流となり、排ガスの不要物が分離されて下部に収集され、不要物が除去された排ガスは熱交換手段を経由させて外部に排出される、排ガス処理装置とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン・発電設備・焼却炉などの燃焼ガス（排ガス）から、排熱の回収や不要物の除去などを行う排ガス処理装置に関するものである。

ディーゼルエンジン・小型ガスタービンなどの発電機においては、燃料を燃焼した場合の発生熱量を有効に活用することや、焼却炉などにおいて焼却時に発生する熱量を有効に活用することなどのため、そこで発生される燃焼排ガスは、排ガス処理装置を経て大気に放出されており、この排ガス処理装置によって燃焼排ガスに残存する排熱を回収したり、不要物を除去したりしている。

図６は、従来の排ガス処理装置の例として排熱回収装置３００を示す内部断面による構造説明図である。この排熱回収装置３００は、縦配置された円筒形状の容器５１とこの容器５１に内蔵された水管３５を備えて構成されている。この容器５１の上端面は水平板５１ａによって覆われ、下端部は下方に縮小する円錐形状部５１ｂとして形成されている。
また、この容器５１の上端面の水平板５１ａには、中央を気密状態に貫通する排ガス送入管５２が挿入されており、この排ガス送入管５２が容器５１内の中心部を円錐形状部５１ｂまで鉛直に延伸され、円錐形状部５１ｂの複数の支持板５３によって容器５１内の中心位置に支持固定されている。

そして、この容器５１の上部にある排ガス送入管５２の周囲には円環状の環状煙道５９が形成され、この容器５１の上部の円筒側面の所定箇所には、外部に開口する排ガス排出口５６が設けられており、この環状煙道５９と排ガス排出口５６とは通気状態になるよう構成されている。また、この容器５１の最下端にはダスト排出口５１ｃが形成されており、そのカバー５８が設けられている。

円筒形状の容器５１の外側面下方で、排ガス送入管５２の下端よりもやや上方位置には給水管３１が設けられ、また、その容器５１の外側面の上方で、環状煙道５９の下方位置には、排水管３３が容器５１の側壁を気密状態に貫通して設けられている。
これらの給水管３１と排水管３３とは、容器５１の内部において、排ガス送入管５２を周囲から取り囲むように配置され、ほぼ等間隔で複数本(図６では５本)の水管３５に連通するよう連結接続されている。これら複数本の水管３５は、容器５１と排ガス送入管５２とに対して同心円状でかつ螺旋状であり、環状煙道５９の半径方向にほぼ等間隔として整列されて配設されている。なお、この給水管３１には給水元弁３２が、排水管３３には排水元弁３４が、この容器５１の外部において配設されている。

この排熱回収装置３００では、この容器５１の外側壁面に沿って上下に高圧空気管４１が設けられ、螺旋状に巡回する水管３５の上部・下部および複数の中間個所において高圧空気枝管(４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ)に分岐しており、これらの高圧空気枝管４２は容器５１の側壁を気密状態に貫通して水管３５の内部に挿入されている。
そして、この高圧空気管４１から容器５１内の環状煙道５９に挿入された部分には、複数箇所に高圧空気の吹き出し孔が形成されている。また、この高圧空気管４１は、高圧空気元弁４４を介してスートブロー装置(図示しない)に連結されており、各高圧空気枝管(４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ)のそれぞれには、止弁(４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ)が設けられている。

このように構成された排熱回収装置３００は、次のような動作を行う。
船舶用エンジン、自動車転用ディーゼルエンジン、発電設備、焼却炉などの燃焼排ガス管が、排ガス送入管５２の上端開口部５４に連結されていて、排ガス排出口５６が排ガス管へと連結され、給水元弁３２および排水元弁３４を開いておいて、水管３５内を水が流動している状態にし、排ガス送入管５２の上端開口５４から燃焼排ガスを送入する。この燃焼排ガスは、上端開口５４から排ガス送入管５２を流下して下端開口部５５から流出され、この下端開口部５５から流出した燃焼排ガスはここで反転して、螺旋状に構成された複数本の水管３５の間を上方へ流れて、容器５１上部の環状煙道５９に達した後、排ガス排出口５６から排ガス管へと流出して排出される。

このように容器５１内へ排ガスが流入されてそれらが排出されるときには、給水管３１から供給された水管３５内の水は、水管３５の外周を流動する高温の燃焼排ガスに接触して加熱され、温水となって排水管３３から流出される。
また、排ガス送入管５２から送入された高温の燃焼排ガスは、容器５１の下部から反転して、環状煙道５９の水管３５の空間を流動する間に、水管３５内の水と熱交換をして水を暖め、燃焼排ガス自体は温度が下がり、排ガス排出口５６から排出される。

この排熱回収装置３００においては、排ガス送入管５２から送入される燃料排ガスにはダストなどの不要物が含まれており、粒子の大きいものや重いものは、下端開口部５５から流出して反転する間に、慣性により容器５１の底部の円錐形状部５１ｂに堆積する。一方、粒子が小さく軽いダストは、燃焼排ガスとともに水管３５の間を流動して、一部が水管３５の外周面に付着することとなる。このような水管３５の外周面に付着したダストは、熱交換効率を低下させる要因となるため、適宜の間隔をおいて、それらダストを除去する作業を行わなくてはならない。

この排熱回収装置１００内の水管３５の外周面に付着したダストを除去するにあたっては、高圧空気元弁４４および止弁４３を開き、高圧空気管４１から高圧空気枝管(４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ)を経て、容器５１の内部にある高圧空気枝管４２の吹き出し孔から高圧空気を吹き出し、水管３５の外周面に付着したダストを吹き飛ばすことにより行う。吹き飛ばされたダストは容器５１内の円錐形状部５１ｂの底部に堆積し、カバー５８を開くことによって、ダスト排出口５７から外部へ排出される。

これまで述べたように、熱回収ボイラなどの熱交換器では、燃焼炉やガス化炉から供給されるガスの熱を処理して回収を行っているが、エネルギー利用の効率化を図るために、供給されるガスからなるべく多くの熱を回収する必要がある。ところが、処理されるべき排ガスには、灰やスラグや石炭の未燃焼分などの不要物が含まれており、これらが伝熱管に堆積・付着して、伝熱管の伝熱性能が低下すると、熱交換器が回収できる熱量が減少してしまう。このため、伝熱管に付着した付着物を吹き飛ばして排出除去を行う装置が付帯されており、この装置はスートブロー装置とよばれて一般に普及している。

本発明の技術分野に関連する特許文献としては、例えば次のようなものがある。
特開２００４−１２５３１２号公報 特開平０８−２６６９３８号公報

従来の熱回収ボイラなどのスートブロー装置を備える排ガス処理装置は、上記のような構造となっているため、次のような問題点があった。
・ダスト(灰など)の除去のためにスートブロー装置を用いなければならないが、この装置によってダストを完全に除去できるというわけではなく、装置の構造も複雑化しているので、改善が望まれる。
・スートブロー装置では詰まりや閉塞がよく起こるため、不要物の除去や洗浄のために定期的なメンテナンスが必要であり、効率性やコスト性などの面で課題がある。
・熱回収ボイラなどのボイラ装置では、内部に螺旋状のチューブ(水管)を設置しているため、ボイラの中心部がデッドスペースとなってしまい、排ガスの処理が効率的にできないという構造上の問題がある。

本発明による排ガス処理装置は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ダスト(塵や灰など)を除去する能力に優れ、定期的なメンテナンスが必要なく、装置構造がコンパクトに構成でき、コストの低減や性能効率の向上に貢献できる、画期的な排ガス処理置を提供することを目的とする。

（１）処理ユニット内に排ガスを導入する手段と、
前記排ガスから不要物を除去する手段と、
前記排ガスに接触して熱交換を行うための水管を含む熱交換手段と、
処理ユニット内で処理された前記排ガスを前記処理ユニット外に排出する手段と、を備えて排ガスの処理を行う排ガス処理装置であって、
前記処理ユニットは、その内部にサイクロン手段を含む不要物除去ユニットを備え、
前記排ガスは前記サイクロン発生部を経由されて送入され、その遠心力によって渦流となり、前記排ガスの不要物が分離されて下部に収集され、
不要物が除去された前記排ガスは前記熱交換手段を経由させて外部に排出される、排ガス処理装置とした。

（２）(１)の排ガス処理装置において、
前記排ガスは、装置上部から前記不要物除去ユニット内に送られて、不要物の除去が行われ、
不要物が除去された前記排ガスは、装置上部から前記不要物除去ユニットの外側を通過して装置下部へ送られ、前記熱交換部を経由して装置上部よりに排出される。

（３）(１)の排ガス処理装置において、
前記排ガスは、装置下部から前記不要物除去ユニットの外側を通過して前記不要物除去ユニット内に送られ、不要物の除去が行われ、
不要物が除去された前記排ガスは、装置上部へ送られて、前記熱交換部を経由して、装置下部より排出される。

本発明による排ガス処理装置は、次のような格別な効果を奏する。
・ダスト除去能力に優れ、効率低下の心配がなく、性能が安定する。
・スートブローの設備が必要なく、装置の小型化やコストダウンに貢献できる。
・従来のものに比べて、メンテナンスの手間やコストを低減できる。

以下、本発明による排ガス処理装置の好適な実施形態を、添付の図１〜図５に基づいて説明する。
図１は、本発明による排ガス処理装置の一実施形態である排熱ボイラ回収装置１００を断面によって示した構造説明図である。ここでの排熱ボイラ回収装置１００は、処理用のユニットとして円筒形状のボイラ１０を備え、その最外部側はボイラ外筒１０Ａ、その内側は同心円筒形状のボイラ内筒１０Ｂとなっており、ボイラ外筒１０Ａとボイラ内筒１０Ｂとの間には、ボイラ外筒１０Ａに添ってボイラ内筒１０Ｂを取り囲むように配設される熱交換用の螺旋状の水管ＷＰ１を備えている。

処理される排ガスは、装置上部に開口したガス入口１１からボイラ１０内のボイラ内筒１０Ｂに送入されるが、この排ガスは塵(ダスト)や灰などの不要物を含有しており、ボイラ内でその除去処理が行われる。
ボイラ１０内には、サイクロン発生手段Ｃ１を含む不要物除去ユニットＤ１を備えており、このユニットＤ１はその上部から「円錐形状部１ａ−弁１ｃを含む経路１ｂ−収納部１ｄ」という、下側が細くなった漏斗または上戸のような構造となっている。

不要物除去ユニットＤ１の円錐形状部１ａ内にサイクロン発生装置Ｃ１を備えており、遠心分離方式による集塵動作を行うことができる。中に送り込まれた排ガス(含塵ガス)は、この円錐形状部１ａ内の内部経路(１２)に導かれ、そこでは、サイクロン発生装置Ｃ１の遠心力による渦流が発生しているので、排ガスはそれに乗って渦を巻いて進み、円錐形状部１ａの内壁と衝突しながら下方に降下して、収納部１ｄに到達し、そこで、排ガスが含有する不要物が分離させられ、クリーンになった排ガスは、その後は上昇気流となって上方向へ向かう。

不要物除去ユニットＤ１に導入されて不要物が除去された排ガス(脱塵ガス)は、上方向へ向かい、上部仕切り部１０ｃで区切られた内部経路(１３)を通過して、円錐形状部１ａの外側とボイラ内筒１０Ｂとの間に形成されている内部経路(１４)を下方向へ送り込まれ、そして、ボイラ内筒１０Ｂの最下部に設けられた通気経路(１５)を経由して、こんどは上方向に進行し、ボイラ外筒１０Ａとボイラ内筒１０Ｂとの間にある螺旋状の熱交換用の水管ＷＰ１に送り込まれ、経路１６→ＷＰ１→経路１７となって進んで、その後に上部のガス出口１８から外部へ排出される。

つぎの図２は、本発明による排ガス処理装置の別の実施形態である排熱ボイラ回収装置２００を、断面によって示した構造説明図である。
この排熱ボイラ回収装置２００は、処理用ユニットとして円筒形状のボイラ２０を備え、その最外部側はボイラ外筒２０Ａ、その内側はボイラ内筒２０Ｂとなっており、ボイラ外筒２０Ａとボイラ内筒２０Ｂとの間には、ボイラ外筒２０Ａの内壁に沿ってボイラ内筒１０Ｂを取り囲むように配設される、熱交換用の螺旋状の水管ＷＰ２を備えている。

図２の排熱ボイラ回収装置２００では、ボイラ外筒２０Ａとボイラ内筒２０Ｂとに共通する下部の仕切り壁２０ｃによって、内蔵する水管ＷＰ２と区切られた通路（流路）が形成されており、ここがガス入口(２１)となって、ここから処理される排ガス(含塵ガス)が導入される。
ボイラ１０内には、先の排熱ボイラ回収装置１００と同様な構造の、サイクロン発生手段を含む不要物除去ユニットＤ２を備えており、この排ガス(含塵ガス)は、不要物除去ユニットＤ２の外側面にある経路(２２)を通って上部へ向かって上昇させられるが、上部の仕切り部２０ｄと側部の経路壁２０ｅによってやや下方に移動されて、経路(２３)から不要物除去ユニットＤ２の円錐形状部２ａの内部(２４)に送入されてくる。

不要物除去ユニットＤ２の円錐形状部２ａの内部にはサイクロン発生装置Ｃ２を備えており、遠心分離方式による集塵動作を行うことができる。そこに送り込まれた排ガス(含塵ガス)は、サイクロン(遠心力)による渦流にしたがって移動させられて螺旋状に下方向へ進んでいき、排ガスからは不要物が分離されて、ダスト収納部２ｄに蓄積される。

不要物が除去された排ガス(脱塵ガス)は上昇気流となり、円錐形状部２ａの内部(２４)から、その上部の仕切り部２０ｄの中央に設けられた通路(２５)を経由して、装置２００の上部に設けられた経路(２６)に送られ、そこから、ボイラ外筒２０Ａとボイラ内筒２０Ｂとの間に配置されている螺旋状の熱交換用の水管ＷＰ２に下向きに送り込まれ、経路２７→ＷＰ２→経路２８と下方に進んで、その後に、最下部にあるガス出口２９から外部へ排出される。

図３は、本発明の排ガス処理装置に適用することが可能なサイクロン型集塵装置の一例を示す図である。この図３のサイクロン型集塵装置Ｃ７００はボイラ内筒７０Ｂの内側に配設されており、この装置中に塵埃などを含む排ガスを導入することにより、塵埃などの不要物を分離して、捕集することができる。
図３のサイクロン型集塵装置Ｃ７００は、側面には塵埃を導入するための入り口部７１ａが開口された円筒状の渦巻き室７１と、この渦巻き室７１の下側に一体的に連通された円錐形状部７２と、この円錐形状部７２の下端開口部に連通したダスト収納部７３とを有している。そして、この渦巻き室７１の略同心にして、この渦巻き室７１の中心を貫挿して上方に開口する筒状体７４が設けられ、この筒状体７４の側面の一箇所にはガス出口７４ａが設けられている。

このサイクロン型集塵装置Ｃ７００では、ファン手段(図示しない)によって、塵埃を含む排ガスが入り口部７１ａから渦巻き室７１に流入されると、遠心力により図３に破線の矢印で示すような渦流となって円錐形状部７２を降下して、ダスト収納部７３に流入して、塵埃を分離した後、上昇気流となってガス出口７４ａから排出される。
また、サイクロン型集塵装置Ｃ７００においては、仕切り板（７５ａ,７５ｂ）を適宜に設けることによって、含塵ガスと脱塵後のガスの流れを区分することとしている。

このようなサイクロン型集塵装置Ｃ７００において、塵埃を導入するガス入口７１ａの断面は、渦巻き室７１に至るまでは同形の四角形の形状に形成されていて、渦巻き室７１に入る排ガスが渦巻き室７１の接線方向に沿って導入される形状となっている。これは、渦巻き室７１の外縁部の接線方向に排ガスを導入することによって、塵埃にかかる遠心力を大きくすることができ、集塵効率が高くなるというサイクロン型集塵器の原理に基づく形状である。

つぎの図４は、本発明の排ガス処理装置に適用することが可能なサイクロン型集塵装置の他の例を示す図である。図４のサイクロン型集塵装置Ｃ８００は、円筒状の渦巻き室８１、この渦巻き室８１の下側に配置された円錐形状部８２と、この円錐形状部８２の下端開口部に連通したダスト収納部８３とを有し、図３のサイクロン型集塵装置Ｃ７００の構造と基本的には同じではあるが、渦巻き室８１の２箇所のガス入口(８１ａ,８１ｂ)と、筒状体８４の２箇所のガス出口(８４ａ,８４ｂ)とを備えるところが、装置Ｃ７００とは異なっている。

サイクロン型集塵装置Ｃ８００では、渦巻き室８１の中心Ｃ８を同心として、この渦巻き室８１の中心を貫挿して上方に開口する筒状体８４が設けられている。そして、この渦巻き室８１の側面の一箇所には第一のガス入口８１ａを配設し、円筒中心Ｃ８を対称点として第一のガス入口８１ａと点対称になる位置には第二のガス入口８１ｂが設けられている。また、この筒状体８４の側面の２箇所のガス出口(８４ａ,８４ｂ)は、２箇所のガス入口(８１ａ,８１ｂ)の中間地点であって、円筒中心Ｃ８に対して点対称となる位置に配設されている。なお、このサイクロン型集塵装置Ｃ８００においても、仕切り板（８５ａ,８５ｂ）を設けて、これらによって、含塵ガスと脱塵後のガスの流れを区分することとしている。

図５は本発明の排ガス処理装置に適用することができる、一方向型のサイクロン集塵装置Ｃ９００の構造説明図である。円筒状のサイクロン本体部９１の一端側には、処理する排ガスを吸入するためのガス入口９１ａが形成され、他端側には、浄化した排ガスを排出させるガス出口９１ｂが形成されている。そして、このサイクロン本体部９１の内部には、軸方向に吸入した排ガスを接線方向に回転させるための回転力付与手段９２(サイクロン発生手段)が設けられ、ガス出口９１ｂがある側には、遠心力により分離された不要物(汚染物)を接線方向に案内するための排出口９１ｃが設けられている。また、排出口９１ｃの一端に連結して集塵収納箱(図示しない)が脱着可能に設けられるとよい。

このサイクロン集塵装置Ｃ９００が作動すると、吸入力発生手段、例えば吸入ファン（図示せず）を動作させて吸入力を発生させ、これを排ガスとともにガス入口９１ａよりサイクロン本体９２に吸入させる。この際、円筒形状の軸方向に上部より吸入された排ガスは、回転力付与手段９２(回転羽根)を通過しつつ接線方向に回転力が加えられ、サイクロン本体９１’内で回転を行う。したがって、比較的軽い排ガスは遠心力を少なく受け、サイクロン本体９１’の中心部分に集まりつつサイクロンを起こす。そして、ある瞬間には気体の排出口方向の流動（排出気流９１ｘ）が形成され、排ガスは排出口９１ｃを介して排出される。しかしここで、空気より重い不要物(汚染物)は遠心力を多く受けて、サイクロン本体９１’の内壁面に沿って流動し、結局、ガス排出口９１ｂの側に設けられた集塵箱(図示せず)に入ることとなる。

上記のように、本発明の排ガス処理装置では、ボイラの中心部に集塵装置を内設する構成としており、排ガスの流れの中にサイクロン発生装置（集塵装置）を設置することにより、熱交換効率低下の問題を軽減し、スートブロー設備を不要とし、メンテナンス間隔延長を実現できる。ここでのガスの送入や排出のためのダクト部材や装置の内部構成などについては、周知の技術を適用して、適宜に設計されればよい。
また、本発明の排ガス処理装置を、ボディーゼル・エンジンに適用するときには、ディーゼル・パティキュレート・フィルター（diesel particulate filter:ＤＰＦ）を備えて構成されてもよく、このＤＰＦは、粒子状物質（すすとも呼ばれる）を捕集して、粒子状物質が蓄積されるにつれて背圧を上昇させるフィルターである。

本発明による排ガス処理装置の一実施形態を示す構造説明図である。 本発明による排ガス処理装置の他の実施形態を示す構造説明図である。 本発明による排ガス処理装置に用いられるサイクロン装置の一例を示す構造説明図である。 本発明による排ガス処理装置に用いられるサイクロン装置の別の例を示す構造説明図である。 本発明による排ガス処理装置に用いられるサイクロン装置のまた別の例を示す構造説明図である。 従来の排ガス処理装置の例として排熱回収装置を示す内部断面による構造説明図である。

符号の説明

１００、２００ 排ガス処理装置（排熱ボイラ回収装置）
１０、２０ ボイラ
１０Ａ、２０Ａ、７０Ａ、８０Ａ ボイラ外筒
１０Ｂ、２０Ｂ、７０Ｂ、８０Ｂ、９１ ボイラ内筒
Ｃ１、Ｃ２、９２ サイクロン発生部
Ｄ１、Ｄ２ 不要物除去装置
ＷＰ１、ＷＰ２ 螺旋状の水管
Ｃ７００、Ｃ８００、Ｃ９００ サイクロン装置
１ａ、２ａ、７２、８２ 円錐形状部
７１、８１ 円筒状の渦巻き室
１ｄ、２ｄ、７３、８３ ダスト収納部

Claims (3)

1. 処理ユニット内に排ガスを導入する手段と、
   前記排ガスから不要物を除去する手段と、
   前記排ガスに接触して熱交換を行うための水管を含む熱交換手段と、
   処理ユニット内で処理された前記排ガスを前記処理ユニット外に排出する手段と、を備えて排ガスの処理を行う排ガス処理装置であって、
   前記処理ユニットは、内部にサイクロン発生部を含む不要物除去ユニットを備え、
   前記排ガスは前記サイクロン発生部を経由されて送入され、その遠心力によって渦流となり、前記排ガスの不要物が分離されて下部に収集され、
   不要物が除去された前記排ガスは、前記熱交換部を経由させて外部に排出される、
   ことを特徴とする排ガス処理装置。
2. 請求項１に記載の排ガス処理装置において、
   前記排ガスは、装置上部から前記不要物除去ユニット内に送られて、不要物の除去が行われ、
   不要物が除去された前記排ガスは、装置上部から前記不要物除去ユニットの外側を通過して装置下部へ送られ、前記熱交換部を経由して装置上部よりに排出される、ことを特徴とする排ガス処理装置。
3. 請求項１に記載の排ガス処理装置において、
   前記排ガスは、装置下部から前記不要物除去ユニットの外側を通過して前記不要物除去ユニット内に送られ、不要物の除去が行われ、
   不要物が除去された前記排ガスは、装置上部へ送られて、前記熱交換部を経由して、装置下部より排出される、ことを特徴とする排ガス処理装置。

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