JP2007147119A - 多数の整流板を備えた反転式ダスト除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セメントプラントのクリンカークーラーの排ガスの余熱回収システムにおいて、ダストによる圧力損失を極力抑制し、所定粒径以上のダストだけを高い精度で確実に除去できるダスト除去装置を提供する。
【解決手段】排ガスボイラ上流側にダスト除去装置を設け、ダスト除去装置本体Ｈは四角な箱体であり、その天井左半分に流入口ｉが、また右半分に流出口ｏが設けられている。本体下部に４つのホッパー４があり、上部空間が隔壁で導入室２と分離室３に分割されている。また下部空間に多数の縦のバッフルプレートが配置され、バッフルプレートとホッパーの傾斜面４ａとの間にガス流路６が形成されている。この流路は導入室の排ガス流れを傾斜面に沿って下方に誘導し、上流側のバッフルプレートによって整流されてほぼ層状の流れになって分離室に流入し、流通抵抗によって流速が制限され、均一化される。
【選択図】図３

Description

この発明は、セメントプラントのクリンカークーラーから排出される排気中のダストを除去するダスト除去装置、殊に、所定以上の大きさのダストを高精度で除去するダスト除去装置に関するものであり、セメントプラントのクリンカークーラー（ＡＱＣ：Ａｉｒ Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ Ｃｏｏｌｅｒ）の廃熱回収用ボイラ（ＡＱＣボイラ）の上流側に配置されたもので、ダスト除去装置による排気抵抗（排気の圧力損失）増を可及的に抑制し、排気ファンの負荷増を実質的になくし、また、排気中ダストによる上記ＡＱＣボイラの摩耗損傷を抑制してその耐久性を向上させ、さらに、ダスト付着によるＡＱＣボイラの熱交換性能の低下を抑制し、これによって、ＡＱＣボイラのメンテナンスコストを低減できるものである。

なお、この発明は、セメントプラントの排ガスシステムにおけるダスト除去装置を対象とするものであるが、排気中に硬質ダストが混入している排ガスからその余熱を回収するボイラを備えている鉄鋼プラント等のその他のプラントの排ガスシステムにも利用できるものである。

セメントプラントの概要は図１に示すとおりであり、従来周知のものである。セメントプラントについては、省エネルギーのために、廃熱回収技術の開発、普及が推進されている。図１に示されているものがその一例である。
図１のセメントプラントは、プレヒーターからの排ガス余熱をＰＨ（プレヒータ）ボイラで回収し、また、クリンカークーラー（ＡＱＣ）からの排ガス余熱をＡＱＣボイラで回収している。
なお、ＡＱＣボイラの下流側に集塵器（大気汚染防止のための集塵器）、排気ファンが設置されていて、排気ファンによって排ガスが煙突から排出される。

ところで、クリンカークーラー（ＡＱＣ）からの排ガスの一部が仮焼炉へ燃焼用空気として供給され、残余はＡＱＣボイラに供給されるものであれば、例えば、クリンカー生産能力が３，２００ｔ／ｄのセメントプラントの場合、ＡＱＣボイラに供給される排ガス流量は概略１１０×１０^３Ｎｍ^３／ｈで、ＡＱＣボイラの下流の排気ファンの排気能力は２４０×１０^３Ｎｍ^３／ｈで、その消費電力は概略５００ｋｗである。

他方、クリンカークーラーＱからの排ガスには、硬質の酸化カルシウム（ＣａＯ ）のダストが多量に含まれており、ＡＱＣボイラＢの摩耗損傷が激しいので、その保護のためにその上流側にダスト除去装置Ｃを設置しなければならない。
通常は、ダスト除去装置Ｃを設けると、当該ダスト除去装置Ｃでの圧力損失が大きいので、上記排気ファンＦの排気能力を高くする必要があり、そのための設備コスト増、排気ファンの消費電力増が避けられない。ちなみに、クリンカー生産能力が３，２００ｔ／ｄのセメントプラントの場合、上記排気ファンＦの年間消費電力は概略で３７０万ｋｗ／ｈ以上である。ダスト除去装置Ｃの設置によって排気ファンの消費電力が増大するとＡＱＣボイラＢによるエネルギー回収効果が減少することになる。
したがって、ＡＱＣボイラＢの上流側にダスト除去装置Ｃを設ける場合は、そのために排気ファンＦの排気能力を増強する必要がないようにしなければならず、そのためには、当該ダスト除去装置Ｃによる排ガスの圧力損失を極力小さくすることが必要である。

ところで、排気ファン（誘引送風機）Ｆにかかる圧力Ｐは、Ｐ＝Ｖ×Δｐであり、排気ボイラＢがない場合、排気ボイラ及びダスト集塵機がある場合の送風機圧力は次のようになる。
１）排気ボイラＢがない場合の送風機圧力Ｐ１
Ｐ１＝Ｖ１×Δｐ１ ・・・・・・・式（１）
＝［１０００００×（２７０＋２７３）／２７３］×２００
＝３．９８×１０^７
ただし、ガス温度：２７０℃
圧力損失Δｐ１：２００ｍｍＨ_２Ｏ （ＥＰでの圧損）
（ＥＰ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｒ）
ガス量：１０００００Ｎｍ^３／ｈ
（なお、上記式（１）におけるＶ１は実際のガス量）
２）ボイラ及びダスト集塵機を設置した場合の送風機圧力Ｐ２
Ｐ２＝Ｖ２×Δｐ２・・・・・・・・・式（２）
＝［１０００００×（８０＋２７３）／２７３］×（２００＋１００）
＝３．８８×１０^７
ただし、ガス温度：８０℃・・・ボイラで温度低下
圧力損失Δｐ２：２００ｍｍＨ_２Ｏ（ＥＰでの圧損）＋１００ｍｍＨ_２Ｏ（ボイラ、ダスト集塵機での圧損）
ガス量：１０００００Ｎｍ^３／ｈ
（なお、上記式（２）におけるＶ２は実際のガス量）
３）ｐ１≒Ｐ２であるから、ボイラ及びダスト集塵機を設置しても、圧損の増加を１００ｍｍＨ^２Ｏ程度におさえれば、送風機Ｆに対する負荷は変わらないことになる。

他方、各種のプラントの排ガスからダストを効率的に除去するダスト除去装置としては、サイクロン方式のもの、電気集塵方式のもの（特開平８−１５５３３５号公報）、衝突板方式のもの（特開平１１−１３２４２９号公報）などがあり、サイクロン方式のもの、衝突板方式のものは排ガス流の圧力損失が大きい。また、電気集塵方式のものは圧力損失は小さいが、ダストが帯電するので、ボイラの上流に設置する集塵装置には適しない。

他方、ＡＱＣボイラ保護のための上記ダスト除去装置Ｃについては、高いダスト除去精度と高いダスト除去能率とが求められるが、その目的達成のためには、ボイラを摩耗損傷させる粒径（例えば０．３ｍｍ以上）のダストを除去する精度が高いことが必要である。他方、中粒径（例えば０．３ｍｍ未満）のダストが完全に除去され、微細ダストだけ残されると、ボイラ熱交換面への微細ダストの付着、積層が著しく、このために、熱交換効率が早期に低下することが判明した。

以上のようなことから、圧力損失を極力低減しつつ、所定粒径以上のダストだけを高精度で除去することが上記ダスト除去装置に求められる必要条件である。
特開平８−１５５３３５号公報 特開平１１−１３２４２９号公報

そこで、この発明は、セメントプラントのクリンカークーラーＱの排ガス余熱回収用ＡＱＣボイラＢの上流にダスト除去装置Ｃを配置した余熱回収システムについて、上記ダスト除去装置Ｃによる圧力損失を極力抑制し、かつ、所定粒径以上のダストだけを高い精度で確実に除去できるダスト除去装置を工夫することである。

この発明の基本的な技術思想は、
上記排ガスボイラの上流側にダスト除去装置を設けた余熱回収システムにおいて、排ガス上昇速度を所定粒径以上のダストの沈降速度未満の速度にして、ダストを沈降させて分離除去させるようにし、
ダスト除去装置内の多数の縦のバッフルプレートによって、ダスト除去装置の所定位置での流路断面（例えば、図３（ａ）におけるＡーＡ断面）における排ガス上昇流をほぼ層状流にするとともにその上昇流速をほぼ均等にすることで圧力損失を極力抑制し、かつ所定粒径以上のダストだけが高精度で除去されるようにすることである。

上記の技術思想を実現するためのこの発明の構成は次のとおりである。
ダスト除去装置の集塵器本体は四角な箱体であり、この本体の下部に４つの傾斜面によるホッパーがあり、本体の上部空間が隔壁で導入室と分離室と分割されており、本体の下部空間に、多数の縦のバッフルプレートが上記ホッパーの一方の傾斜面にほぼ沿うようにして配置されていて、多数のバッフルプレートとホッパーの傾斜面との間のガス流路は上流が広く下流が狭くなっており、
多数の縦のバッフルプレートのうちの上流側のものは縦向に長く、バッフルプレート間の隙間が上流側のものほど狭く、下流側のものほど広くなっている。
上記ガス流路に沿って流れるガス流はバッフルプレートに沿って上昇し、縦方向に長い上流側のバッフルプレートによって整流されてほぼ層状の流れになって分離室に流入し、
バッフルプレート間の間隙の流通抵抗によって流速が制限され、均一化されるようになっていること。

〔作用〕
上記導入室の上端からクリンカークーラーの排ガスが導入され、当該導入室を下方に流れる。そして、多数のバッフルプレートとホッパーの傾斜面との間に形成された流路を下方に流れる。そして、多数のバッフルプレートとホッパーの傾斜面との間を下方に流れるガス流は、個々のバッフルプレートの下端で流れが上方に転換（反転）され、バッフルプレートの間の間隙を上方に流れる。
排ガスは、バッフルプレートとホッパー傾斜面間の流路を下方に流れるが、その途中で一部が各バッフルプレート間の間隙から分離室へ流入するので、上記流路の排ガス流の勢いは、上方（上流側）ほど強く、下方（下流側）ほど弱い。したがって、各バッフルプレートの間の隙間が仮に同じであれば、当該隙間を通過して分離室へ吹き上がる上昇ガスは、上方ほど勢いが強く、下方ほど弱い。

しかしこの手段では、上方のバッフルプレート間の間隙は狭く、下方のバッフルプレート間の間隙は広いので、この間隙による流れ抵抗は上方が大きく、下方が小さい。そして、上方と下方における上記ガス流の勢いの差と、バッフルプレート間の間隙の流れ抵抗の差とが相殺され、その結果、各バッフルプレート間の間隙を通って上方に吹き上がるガス流の流速はほぼ均等になり、バッフルプレートの上方の分離位置の流路断面（例えば、図３（ａ）における断面ＡーＡ）ににおける上昇ガス流流速のばらつきは極めて小さくなる。

上流側でガス流は勢いが強く、また、上流側のバッフルプレートによって大きく曲げられて分離室へ吹き上がる。このため、上流側でバッフルプレートによって曲げられて分離室へ吹き上がるガス流は分離室において乱流を生じるが、しかし、この発明のダスト除去装置では、上流側のバッフルプレートの縦方向長さが長く、かつ、その間隙が狭いので、このバッフルプレートによって整流され、分離室内での流れの乱れが抑制される。したがって、分離室内でのガス流の乱れによってダストの沈降が阻害されることはない。

他方、分離室で沈降する粒子の大きさは、分離位置での流路断面（例えば、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面）における排ガスの上昇速度によって決まり、他方、分離室内の上昇流速は、ガス流路断面においてほぼ均等であるから、上昇速度を、所定粒径のダストが沈降させられる限界流速まで高くしても所定粒径以上のダストが高精度で除去される。したがって、ダスト除去装置内の排ガス上昇流速を高くして当該ダスト除去装置による圧力損失を可及的に抑制して、圧力損失を小さくすることができる。

ところで、クリンカークーラー排ガスの余熱回収ボイラを通過した排気ガスを排出するための排気ファンの負荷の大きさは、排気ガス流量と圧力損失とに比例する。上記ダスト除去装置による圧力損失増による排気負荷増加分が、余熱回収ボイラでの排気ガス流量減少（温度低下による体積減少）による排気負荷減少分に相当するとき、余熱回収ボイラとダスト除去装置とを設けたことによる排気ファン負荷の増分が実質的にゼロになる。この発明によるダスト除去装置の圧力損失は小さく、余熱回収ボイラでの排気負荷減少分の範囲内に実質的に抑制される。したがって、排気ファンの排気能力は余熱回収ボイラを設置していない場合と同等のものでよい。

また、上記ダストの所定粒径は、ＡＱＣボイラの伝熱管の摩耗を促進する粒径であり、摩耗を顕著に促進するダスト粒径は、同ボイラを通過する排気ガスの流速にもよるが、通常のセメントプラントにおけるＡＱＣボイラを前提とすれば、０．３ｍｍ以上である。
すなわち、セメントプラントのクリンカークーラーからの排気の余熱回収ボイラを通過する排ガス流速はほぼ１５ｍ／ｓｅｃであり、この排ガス流速の下では、粒径０．３ｍｍ以上のダストが上記ボイラの伝熱管を著しく摩耗・損傷させ、０．３ｍｍ未満であれば伝熱管の摩耗損傷は軽微である。他方、粒径０．３ｍｍ未満のダストがＡＱＣボイラを通過する排ガスに含まれていることで、当該ボイラの熱交換面への微細ダストの付着、積層が抑制され、同ボイラの熱交換性能の低下が抑制されることが確認された。これは、上記のガス流速を前提とすると、粒径０．３ｍｍ未満のダストは慣性力が小さいために伝熱管周囲に沿って流れる空気流によって流され、従って、伝熱管表面に強い衝撃力で衝突して伝熱管表面を削るようなことはなく、他方、０．３ｍｍ未満のダストが上記熱交換面に付着した微細ダストを絶えず除去してそれが付着・積層されることを防止するものと推測される。

次いで、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
この実施例では、クリンカークーラー（ＡＱＣ：Ａｉｒ Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｃｏｏｌｅｒ）Ｑの中段から抜き出した比較的高温の排ガスを、ダスト除去装置（集塵機）Ｃで処理してダストを除去してからＡＱＣボイラＢに供給し、これを再び排気ダクトに戻し、排気ファンＦで引いて煙突から排出するというシステムである。
クリンカークーラー（ＡＱＣ）Ｑの中段から抜き出されてＡＱＣボイラＢに供給される排ガス（３６０℃程度。流量１８００Ｎｍ^３／ｍｉｎ）は、粒径１．０ｍｍ以下の大小様々の粒径のダストを多量に含むものであり、また、その流量は概略１８００Ｎｍ^３／ｍｉｎで、ＡＱＣボイラＢの下流の排気ファンによって流速１５ｍ／ｓｅｃで排出される。

この実施例のダスト除去装置Ｃの本体Ｈは、平面形状が長方形の箱体であり、その天井の左半分に流入口ｉが、また、右半分に流出口ｏが設けられている。本体Ｈの上部は傾斜壁１ａと縦壁１ｂによる隔壁１で導入室２と分離室３とに分割されている。本体Ｈの下部（隔壁１の下端よりも下方位置）にホッパー４が設けられている。このホッパー４は幅が狭い一対の傾斜面４ａ，４ａと幅が広い一対の傾斜面４ｂ，４ｂの４つの傾斜面によるものである。
縦壁１ｂの直ぐ下方の位置から ホッパー４の一方の傾斜面４ａにほぼ沿う形で、その上方にバッフルプレートが配置されている。このバッフルプレートは多数の縦のバッフルプレート（上から下に５ａ，５ｂ，５ｃ・・５ｎ）によって構成されているものであり、 ホッパー４の一方の傾斜面４ａとの間に流路６を形成している。この流路６は、導入室２の排ガスの流れを上記傾斜面４ａに沿って下方に誘導するものであり、一方の傾斜面４ａ、傾斜面４ｂ，４ｂの３つの傾斜面とによって形成された先細りの流路であり、当該流路６の先端部でも所要のガス流速が確保されるようにしている。

また、多数のバッフルプレート５ａ乃至５ｎは、本体Ｈの対抗する内壁面間に指し渡されている。そして、上記縦壁１ｂの下端と最上のバッフルプレート５ａの上端がほぼ同じ高さ位置にあり、その間に上昇間隙７ａが形成されており、また、同様に、次のバッフルプレート５ｂの上端が５ａの下端とほぼ同じ高さ位置にあり、両者の間に間隙７ｂが形成されている。以上のようにして、バッフルプレート５ａ乃至５ｎが上下方向に離間することなしに順次上下に連続して配置されている。

バッフルプレートがない場合を想定すると、その場合は、導入室２内の排ガス流の一部が縦壁１ｂの下端で急に回り込んで（反転して）分離室３に流入し、残りが分離室３の下部中央に向かって流れつつ、徐々に分離室３の方へ流れ方向を変えて分離室３へ流れ込み、分離室内を上昇する。このときの分離室内の排ガスの流速分布は図４のとおりであり、縦壁１ｂの近傍で激しい乱流が生じ、分離室３の中央部分が流速最大、縦壁１ｂの反対側の本体内壁の近傍で流速が最低でその速度差が顕著であり、したがって、大粒径ダストが縦壁１ｂ近傍の乱流と、中央部の高速ガス流とによって吹き上げられてしまう。この最大流速を、限界流速（例えば０．３ｍｍの所定粒径のダストが沈降される限界ガス流速）以下にすれば、上記乱流も弱くなるので所定粒径以上のダストは確実に分離除去されるが、そのためには分離室３の流路断面積を大幅に拡大し、また、分離室を上下に長くする必要があり、その結果、本体Ｈが大型になってしまい、また、低流速の部分で中粒径以下のダストも除去されてしまうことになる。

バッフルプレートがない場合は以上のとおりであるが、この発明におけるバッフルプレート５ａ乃至５ｎは、縦壁１ｂ近傍での乱流を抑制し、分離位置（図３（ａ）におけるＡーＡ断面）における上昇流速を、所定粒径以上のダストが沈降する限界速度でほぼ均等にするものであり、そのためのバッフルプレートの構成の詳細は次のとおりである。

最上のバッフルプレート５ａの下端と次のバッフルプレート５ｂの上端とがほぼ同じ高さ位置にあり、同様に、上昇間隙７ｂを形成している。そして、最上のバッフルプレート５ａの長さ８ａが最大で、最下のものの長さ８ｎが最小であり、バッフルプレート間の上昇間隙についていえば、最上の上昇間隙７ａが最小で、最下の上昇間隙７ｎが最大になっている。この上昇間隙の配置は、図３（ｃ）に示されているように、直線的で互いに平行であり、間隙７ａから７ｎに向かって段々に広くなっている。

最上方のバッフルプレート５ａ，５ｂ・・の縦方向長さ８ａ，８ｂ・・は長いので、ガス流に対する強い整流作用を奏し、これによって、縦壁１ｂ近傍における上記乱流が抑制される。下方のバッフルプレート・・５ｎは、整流作用を奏する必要がないので、ガス流に対する抵抗を低減するために、短くしている。また、バッフルプレート間の上方の上昇間隙７ａは狭く、下方の上昇隙間７ｎは広い。この上昇間隙の広さ、バッフルプレートの長さの調整等によって、分離室内の排ガス上昇速度をほぼ均等にしている。

上記分離位置（図３（ａ）のＡ−Ａ断面）における排ガスの上昇速度の最適値、流速分布の許容範囲は、個々のダスト除去装置によって異なり、バッフルプレートの構成の他、排ガス流量、排ガス温度、ダスト除去装置の本体構造、ホッパーの傾斜角度などによっても左右される。これらを前提として、個々のダスト除去装置の処理能力等に応じて、上記乱流が抑制され、また上昇流速がほぼ均等になるように、各バッフルプレート５ａ乃至５ｎの配置、縦方向の長さ８ａ乃至８ｎ、上昇間隙の幅７ａ乃至７ｎを調整することが必要である。一例は次のようである。
バッフルプレート５ａ・・５ｎは全部で８枚で、それぞれの長さ８ａ・・・８ｎは、８００ｍｍ・・・４００ｍｍであり、上昇隙間７ａ・・７ｎは、４００ｍｍ、・・・６００ｍｍである。

この実施例の分離位置（図３（ａ）の断面ＡーＡ）における上昇流速は、排ガス流量が１１０×１０^３Ｎｍ^３／ｈのとき、中央での平均で３ｍ／ｓｅｃ、本体Ｈの壁面近傍が最低で１ｍ／ｓｅｃである。
このダスト除去装置によって、粒径０．３ｍｍ以上のダスト（酸化カルウム（ＣａＯ））だけを除去することを目標としているが、実際に除去されるダストにおける粒径分布は、例えば、粒径０．３ｍｍ以上が４０％、０．３ｍｍ乃至０．２ｍｍが２０％、０．２ｍｍ未満が４０％であり、他方、流出口ｏからの排ガスに含まれる粒径０．３ｍｍ以上のダスト残留量はほぼ５％程度であり、粒径０．３ｍｍ以上のダストの除去率は８７％以上である。

は従来のセメントプラントにおける余熱回収システムの模式図である。 は、実施例の廃熱ボイラとダスト除去装置との側面図である。 （ａ）は、実施例の縦断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は図（ａ）におけるＡーＡ断面図である。 は、実施例のダスト除去装置において、バッフルプレートがない場合の本体内排気ガス流の流速分布をベクトルで示す断面図である。 は、実施例のダスト除去装置における本体内排気ガス流の流速分布をベクトルで示す断面図である。

符号の説明

Ｈ：ダスト除去装置本体
１：隔壁
２：導入室
３：分離室
４：ホッパー
４ａ乃至４ｂ：傾斜面
５ａ乃至５ｎ：バッフルプレート
７ａ乃至７ｎ：上昇間隙
８ａ乃至８ｎ：バッフルプレートの縦方向の長さ
Ｂ：ＡＱＣボイラ
Ｃ：ダスト除去装置
Ｑ：クリンカークーラー

Claims (4)

1. 排ガスボイラの上流側にダスト除去装置を設けた余熱回収システムにおいて、
   上記ダスト除去システム装置内の排ガス上昇速度を所定粒径のダスト沈降速度以下にして所定粒径以上のダストを沈降させて分離除去させるようにし、
   ダスト除去装置内の多数の縦のバッフルプレートによって、ダスト除去装置の所定位置の流路断面における上昇ガス流をほぼ層状流にするとともにその上昇流速をほぼ均等にして、所定粒径以上のダストだけが高精度で除去されるようになっている余熱回収システム。
2. 集塵器の本体が四角な箱体であり、この本体の下部に４つの傾斜面によるホッパーがあり、本体の上部空間が隔壁で導入室と分離室とに分割されており、本体の下部空間に、多数の縦のバッフルプレートが上記ホッパーの一方の傾斜面にほぼ沿うように配置されていて多数のバッフルプレートとホッパーの傾斜面との間のガス流路が上流が広く下流が狭くなっており、
   多数の縦のバッフルプレートのうちの上流側のものは縦向に長く、バッフルプレート間の隙間が上流側のものほど狭く、下流側のものほど広くなっており、
   上記流路のガス流がバッフルプレートに沿って上昇し、上流側において縦方向に長いバッフルプレートによって整流されてほぼ層状の流れになって分離室に流入し、
   バッフルプレート間の間隙の流通抵抗によって流速が制限され、均一化されるようになっていることを特徴とする反転式ダスト除去装置。
3. 上記分離室内の排気ガスの上昇速度が、粒径０．３ｍｍ以上のダストが沈降する速度である、請求項２の反転式ダスト除去装置。
4. セメントプラントのクリンカークーラーの余熱回収ボイラ（ＡＱＣボイラ）の上流側に請求項３のダスト除去装置を配置した クリンカークーラーの余熱回収システム。