JP2009127451A - 流体混合装置及び脱硝装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、流通路４を流通する第１流体Ａに、噴出口５から第２流体Ｂを噴出して混合する際に、流通路４において第１流体Ａに対する圧力損失の増加を抑制しながら、流通路４全体に渡って第１流体Ａに対して第２流体Ｂを均一に混合可能な流体混合装置を提供する点にある。
【解決手段】流通路４の壁面６から内径側に突出して形成され、流通路４の連通方向の螺旋軸を有する螺旋状案内羽根１を備えるとともに、この螺旋状案内羽根１の内径側部位に、流通路４の連通方向に連続する連通開放領域７を形成し、当該螺旋状案内羽根１の位置よりも上流側の流通路４の壁面６に、噴出口５を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、第１流体が流通する流通路に、前記流通路に配置された噴出口から、第２流体を噴出して、前記第１流体に前記第２流体を混合する流体混合装置、及び、燃焼機関から排出され流通路を流通する排ガスに対して還元剤を混合する流体混合装置を備え、前記流体混合装置により混合された混合ガスを触媒反応により脱硝する脱硝装置に関する。

種類又は性状等が互いに異なる第１流体と第２流体とを混合する流体混合装置では、短い混合空間内でその混合が安定且つ良好に行われることが重要であり、更に、流通路を流通する第１流体に第２流体を噴出口から噴出して混合する場合、流通路において、できるだけ小さな動力で第１流体を流通させるために、混合部で発生する圧力損失はできるだけ小さいことが望まれる。

このような流体混合装置を備えた装置として、エンジン等の燃焼機関から排出された排ガスが流通する流通路に、アンモニアや尿素等の還元剤をガス又はミスト状に噴出させて、排ガスに還元剤を混合し、触媒部に配設される還元触媒等の作用により、排ガスに含まれる窒素酸化物を窒素と水に分解するように構成されている脱硝装置がある。
かかる脱硝装置は、流体混合装置において排ガスと還元剤が均一に混合されなければ、充分な窒素酸化物の分解性能が得られない。又、触媒の劣化が局所的なものになり触媒の寿命が短くなるなどの、問題が生じる。更に、脱硝装置において、流通路において第１流体に対して発生する圧力損失が大きければ、その流通路の上流側にある燃焼機関の運転に支障を与える場合もある。

このような脱硝装置に採用できる流体混合装置として、発明者らは、特許文献１に記載の流体混合装置を提案している。この文献に記載の技術は、流通路の流路断面における一部の領域に邪魔部を配置し、
噴出口を、流通路の流路断面において邪魔部が配置された領域以外の開放領域又はその上流側に配置する（例えば、特許文献１を参照。）。
この技術では、第２流体を流通路全体に渡って良好に拡散させ、第１流体に対して第２流体を均一に混合することができる。また、このように噴出口と邪魔部とを配置すると、邪魔部を比較的小さくしても、第１流体に対して第２流体を均一に混合することができるので、流通路における第１流体に対する圧力損失の増加を抑制することができる。

特開２００５−１１８６２２（第１図等）

しかし、上記のような構成の流体混合装置では、以下のような問題が発生することが判明した。
すなわち、上記技術では噴出口を設けるのに、流通路の流体流路内にその流通路を横断して供給管５を設け、この供給管５に設けられた噴出口６から第２流体を噴出する。そこで、エンジンから排出される排ガスのように、第１流体が腐食性を有するガスの場合は供給管５が腐食されるおそれがある。さらに、第１流体、第２流体の種類によっては、供給管５に設けられる噴出口６が、腐食生成物によって或いは反応生成物によって目詰まりする場合がある。

このような問題点を解決するために、流通路を横断して設ける供給管５自体を無くすることが考えられる。この場合は、噴出口６を流通路の壁面に開口させることなる。しかしながら、このように噴出口を流通路の壁面に開口した場合は、図９に示すように、第２流体の分布が流通路の噴出口設置側壁面付近に偏り、良好な混合状態を得ることができないことが判明した。ここで、図９（ａ）は、流通路の連通方向における第２流体の分布を示した図面であり、図９（ｂ）は、触媒部の入口付近における流通路を横断する断面方向での第２流体の分布を示したものである。これらの図において、色が濃い部分ほど、第２流体の濃度が高いことに対応している。

本発明の目的は、流通路を流通する第１流体に噴出口から第２流体を噴出して混合する際に、流通路全体に渡って第２流体を均一に混合可能な流体混合装置を提供し、特に、このような流体混合装置を備えることで、窒素酸化物の分解性能及び触媒寿命を向上させ、且つ、燃焼機関の運転に支障を与えない脱硝装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための、第１流体が流通する流通路に、前記流通路に配置された噴出口から、第２流体を噴出して前記第１流体に前記第２流体を混合する流体混合装置の特徴構成は、
前記流通路の壁面から内径側に突出して形成され、前記流通路の連通方向の螺旋軸を有する螺旋状案内羽根を備えるとともに、前記螺旋状案内羽根の内径側部位に、前記流通路の連通方向に連続する連通開放領域を形成し、
前記螺旋状案内羽根の位置よりも上流側の流通路の壁面に、前記噴出口を設けたことにある。

この流体混合装置では、流通路の上流から下流に向かうに従って、第２流体の噴出口、螺旋状案内羽根が設けられる。そして、噴出口を流通路の壁面に設けることにより、上記のように、第２流体を供給するための管等が腐食して、その機能を発揮できなくなったり、噴出口が目詰まりする等の問題を発生することはない。

しかしながら、上記のように噴出口を壁面に設けることにより、第２流体の偏在が発生する問題が起こる可能性があるが、螺旋状案内羽根を設けることにより、噴出口が設けられている壁面側に偏在している第２流体を当該羽根で流通路の全面に導いて拡散を促進し、偏在を解消することができる。さらに、この螺旋状案内羽根の内径側部位に、連通開放領域を形成することで、羽根により周方向に拡散された第２流体が当該開放領域に流入され、圧力損失を低減しながら十分な拡散混合を実現できる。

さて、前記螺旋状案内羽根の突出高さが、前記螺旋状案内羽根への侵入位置における、前記噴出口から噴出される第２流体の流路横断方向の拡散高さに対して、少なくとも過半の高さとされることが好ましい。
この構成にあっては、流路横断方向において、螺旋状案内羽根の突出高さが、螺旋状案内羽根への第２流体の侵入位置における第２流体の拡散領域の高さである拡散高さの過半とされることにより、第２流体の過半を羽根に沿って形成される螺旋流路内に取り込むことが可能となり、このように取り込まれた第２流体を径方向の反対側に壁面に沿って案内することで、十分な拡散混合を起こさせることができる。

さらに具体的には、前記流通路の連通方向視で、前記流通路の全断面積に対する、前記連通開放領域の面積比が、３：１１〜４：５の範囲とされることが好ましい。
４：５より大きいと、螺旋状案内羽根による混合能を得にくくなりがちであり、３：１１より小さいと、圧力損失が増大する。

さて、前記螺旋状案内羽根が、前記流通路の連通方向において連通する隙間を挟んで配設される複数の案内羽根部から構成されていることも好ましい。
このように、螺旋状案内羽根を複数の案内羽根部から形成し、複数の隙間を設けることで、流れの混合をさらに促し、また、圧力損失を、隙間を設けない場合と比較して、低減することができる。
ここで、螺旋状案内羽根のターン数を複数回とする場合に、流路連通方向でみた隙間の位置が周方向の位相で重ならない位置とすることで、流体の素通りを避けることができる。

また、前記螺旋状案内羽根の一ターン内に前記隙間が複数（例えば２〜１０ケ）設けられていることが好ましい。
このように構成することで、圧力損失の低減を図りながら、さらに、周方向の複数箇所から流体を下流側に導いて、混合拡散を促すことができる。

また、前記流通路の連通方向視で、前記案内羽根部が占有する領域に対する、前記隙間が占有する領域の面積比が、１：１６〜７：１６の範囲とされることが好ましい。
１：１６より小さいと、隙間を設ける効果（圧力損失の低減及び混合拡散効果）が低くなりがちであり、７：１６より大きいと、混合効果が低下しがちである。

以上説明した流体混合装置を脱硝装置に使用する場合は、
燃焼機関から排出され流通路を流通する排ガスに対して還元剤を混合する流体混合装置を備え、前記流体混合装置により混合された混合ガスを触媒反応により脱硝する脱硝装置であって、
前記流体混合装置として、以上説明してきた流体混合装置を、前記第１流体を前記排ガスとし、前記第２流体を前記還元剤とした形態で備えることで、第１流体と第２流体との混合を十分且つ安定的に得て、その混合ガスを触媒部に導いて脱硝を良好に行うことができる。

以下、本願に係る流体混合装置１００を備えた脱硝装置２００を図面に基づいて説明する。
本願では、流体混合装置１００として、第１実施形態及び第２実施形態を紹介する。ここで、第１実施形態は、本願にいう螺旋状案内羽根１が単一の部材から構成される例であり、第２実施形態は、螺旋状案内羽根１が、複数の案内羽根部２を組み合わせて構成されており、異なる案内羽根部２間に所定の隙間３を備えた例である。この螺旋状案内羽根１内に、本願にいう螺旋流路が形成される。

以下、第１実施形態、第２実施形態に共通する共通事項から説明する。
〔共通事項〕
図１は、本願に係る脱硝装置２００の構成を示す図であり、図２（第１実施形態）、図６（第２実施形態）は、この脱硝装置２００の一部に組込まれている本願に係る流体混合装置１００の構成を模式的に示した図である。
図１に示すように、当該脱硝装置２００は、燃焼機関２０１（図示する例にあっては、発電機２０２を回転駆動させるためのエンジン２０３）から排出される排ガスに、本願に係る流体混合装置１００を使用して還元剤を混合し、当該流体混合装置１００により均一に混合された混合ガスを、触媒（還元触媒及び酸化触媒）２０４が配設される触媒部２０５に導いて、排ガスを無害化するものである。従って、本構成にあっては、燃焼機関２０１からの排ガスが本願における第１流体Ａに該当し、排ガスに混合される還元剤が第２流体Ｂとなる。ここで、排ガスには無害化対象の窒素酸化物が含まれ、この窒素酸化物を無害化するための還元剤は、具体的には尿素と水との混合物となる。これら還元剤はガス状態で流通路に供給してもよいし、ミスト状態で流通路に供給してもよい。

図２、図６に模式的に示すように、本願に係る流体混合装置１００は、流通路４の壁面に設けられた噴出口５から、第１流体Ａが流通する流通路４内に第２流体Ｂを噴出して、第１流体Ａに第２流体Ｂを混合する構成とされている。ここで、第２流体Ｂの第１流体Ａに対する量比（質量比）は、ほぼ、１：１０００００〜５：１０００程度である。このように、第２流体Ｂの量が極めて少ないため、積極的な混合・攪拌を噴出口５の下流側で行わない場合は、先に、図９で説明したように、第２流体Ｂの極端な偏在が触媒部２０５の入口部位でも残存することとなる。

上記流通路４は、円形断面を有する管材内に形成された流路であり、上流側から受け入れた第１流体Ａが流通し、上記第２流体Ｂと混合した後に、その混合ガスを下流側（具体的には断面形状が方形とされた触媒部入口２０５ａ）へ排出する。

上記噴出口５は、流通路の壁面６に穿設されており、その開口から第２流体Ｂを、流通路４に噴出させる。この第２流体Ｂの噴出方向は、壁面に対してほぼ直交する流通路の径方向とされている。ここで、噴出口５の開口方向は実施形態で示すように径方向としてもよいし、径方向から上流側若しくは下流側に傾いた方向としてもよい。上流側に傾けた構造とすると、第２流体Ｂが第１流体Ａに対向して噴出されることで、両流体の混合を促進できる。一方、下流側に傾けた構造とすると、第２流体Ｂを第１流体Ａにより吸引して流通路４内に吸引することができる。この構成では、第２流体Ｂの噴出に要する動力を低減できる。本願にあっては、噴出口５より下流側に設けられる螺旋状案内羽根１により両流体の確実な混合を確保できるため、このように噴出口５を下流側に向ける場合も、混合の問題を確実に解消できる。

また、上記噴出口５は、流通路４の周方向の一箇所に設けられているが、噴出口を周方向で複数設け分散配置することも可能である。例えば、周方向の４箇所に９０度ピッチで噴出口を設けた場合、周方向で第２流体Ｂの分布を噴出箇所においてある程度確保できるため、本願の特徴構成である螺旋状案内羽根１のターン数（螺旋の巻き数）を低減して、螺旋状案内羽根１の配置部位の流通路長を短くすることができる。

〔第１実施形態〕
この流体混合装置１００には、流通路４内の一部領域に螺旋状案内羽根１が配置されており、この螺旋状案内羽根１により、流通路４を流れる第１流体Ａに旋回成分を与えることが可能となるとともに、流通路４の壁面６に沿って流れ易い第２流体Ｂを流通路４の壁面６に沿って旋回させ、周方向に分散させるとともに、第１流体Ａとの混合を図る構成とされている。本実施形態では、当該螺旋状案内羽根１が単一の部材として構成されている。

螺旋状案内羽根１は、流通路４の壁面６から内径側に突出して形成され、流通路４の連通方向の螺旋軸を有する一体物の羽根から形成されており、その内径側部位に、流通路４の連通方向において連続する連通開放領域７を備えた構成とされている。さらに具体的には、この羽根１は、図３に示すように、一定幅の板状体を螺旋軸方向に一定のピッチを成してコイル状に巻いて構成されており、その外径端が流通路４の壁面６に接触されている。さらに、その内径側には連通開放領域７が形成されており、この連通開放領域７において、流体が下流側へ抵抗なく流れるように構成されている。本実施形態では、螺旋状案内羽根１が、螺旋軸方向に対して薄く、内径方向に長い方形の断面形状を有する板状体をコイル状に巻いて構成する例を示したが、螺旋状案内羽根１を構成する構成材の断面形状は、流通路４の壁面６に沿って流れる混合流について、流通路４の連通方向を螺旋軸とする螺旋流を形成でき、螺旋流の一部が連通開放領域７に流入できればよく、その形状が板状体に限られるものではない。また、本実施形態では、螺旋のターン数（巻き数）は５ターンとされており、螺旋のピッチは、流通路４の路径の約半分程度とされている。

さて、図３（ｂ）は、この螺旋状案内羽根１を上流側から螺旋軸方向に見た図面であるが、この図からも判明するように、螺旋軸方向視でこの螺旋状案内羽根１は円環状となり、その内径側に連通開放領域７が形成されている。
今、流通路４の壁面６から螺旋状案内羽根１の内径端までの長さを羽根の突出高さｈ１と呼ぶと、この突出高さｈ１は、噴出口５から噴出される第２流体Ｂの拡散領域Ｚ（螺旋状案内羽根１の上流側近傍位置における第２流体の拡散領域）の流路横断方向の高さ（拡散高さと呼ぶ）ｈｚに対して、少なくともその過半の高さとなるように構成されている（図３（ｂ）及び図９（ａ）参照）。このように螺旋状案内羽根１の突出高さｈ１が設定されることで、噴出口５から噴出される第２流体Ｂの過半を螺旋流路内に取り込み旋回を与え、第２流体を噴出口５が設けられている流通路４の周方向位相とは反対側の位相部位にまで導いて、流通路４内での第２流体Ｂの均等分散を図ることができる。

第２流体の均等分散
図４は、本実施形態の流体混合装置１００の混合状態を、数値解析手法にてシミュレーションしたものであり、図４（ａ）は、図９（ａ）に対応する流通路４に沿った分布を示す図面であり、図４（ｂ）は、図９（ｂ）に対応する触媒部２０５の入口における断面方向の分布を示す図である。これらの図から判明するように、第２流体Ｂは噴出口５の配設側とは反対側まで案内されており、触媒部２０５の入口で第２流体Ｂが断面全体にほぼ均一に分散されていることが判る。

羽根の突出高さｈ１の混合状態に与える影響
図５（ａ）は、螺旋状案内羽根１の壁面６からの突出高さｈ１を変化させた場合の第２流体Ｂの濃度分布を検討した結果である。この例では、流路径を５９０ｍｍとしている。また、第２流体の量は第１流体の量に対して、１（第２流体量）：１０００（第１流体量）としている。
同図において、横軸は突出高さｈ１を、縦軸は第２流体Ｂの濃度を示しており、第２流体Ｂの濃度として、最大濃度（濃度ｍａｘと記載）及び最低濃度（濃度ｍｉｎと記載）を示している。これら、最大濃度及び最小濃度が近づいている程、均一な混合を実現できていることとなる。
この図から螺旋状案内羽根１の突出高さｈ１に好ましい範囲があることが判る。突出高さｈ１が低い場合は、充分な混合を行うことができず、突出高さｈ１が高すぎる場合も、均一混合の効果が低下する。

羽根の突出高さの圧力損失に与える影響
図５（ｂ）は、羽根１の突出高さｈ１を変化させた場合の圧力損失を検討した結果である。
同図において、横軸は突出高さｈ１を、縦軸は圧力損失を示している。この図から螺旋状案内羽根１の突出高さｈ１が高くなるに従って、圧力損失が増加することが判る。
以上、混合状態と圧力損失との両方を考慮して、それらのバランスのとれる範囲で、羽根１の突出高さｈ１を決定することが好ましいことが判る。

従って、流通路４の連通方向視での、連通開放領域７と螺旋状案内羽根１により占有される領域との比に関して説明すると、〔連通開放領域の面積〕／〔流通路断面積（螺旋状案内羽根の占有領域＋連通開放領域）〕が、３：１１〜４：５の範囲とされていることが好ましい。このように、連通開放領域７の割合を適切な設定することで、螺旋状案内羽根１により流体（第１流体及び第２流体）を旋回させながら、圧力損失を所定の範囲内に抑えて、所定の動力で両流体の混合・分散と、触媒部への導入を良好に行える。
また、図３（ｂ）からも判明するように、螺旋状案内羽根１の最上流側端１ｂの周方向の位相は、噴出口５の位相位置に対して、時計周りに約９０度遅れた位置とされており、この位相位置に螺旋状案内羽根１の始端を設けることで、噴出口５から噴出される第２流体の過半を羽根１内に巻き込み充分な螺旋成分を与えることができる。

〔第２実施形態〕
図６は、本願に係る流体混合装置１００の第２実施形態を示した図面である。
この例にあっても、流体混合装置１００は、流通路内に螺旋状案内羽根１を有して構成されている。但し、この例では、螺旋状案内羽根１が複数の案内羽根部２から構成されている。すなわち、図６からも判明するように、螺旋状案内羽根１は、複数の案内羽根部２を順次螺旋状に配設して構成されており、隣接する案内羽根部２間に、流通路４の連通方向において連通する隙間３が設けられている。この隙間３は、羽根１の突出高さｈ１全体に渡る隙間となっており、この隙間３を流体が流通路４の連通方向に流通可能である。さらに、図示する例では、流通路４の連通方向視で周方向４箇所に隙間３が設けられるとともに、上流側に位置する隙間３と下流側に位置する隙間３の関係では、互いにその位相が一致しないように構成されている。このように位相を異ならせ隙間３を設けることで、流体が流通路４の連通方向に吹き抜けるのを防止することができる。
さて、流通路４の連通方向視で、前記案内羽根部２が占有する領域に対する、前記隙間３が占有する領域の面積比は、１：１６〜７：１６の範囲とされている。このように、占有比率を選択することで、螺旋状案内羽根１により流れに与えることができる旋回効果と、圧力損失とのバランスを取ることができる。

案内羽根部間に隙間を設ける影響
本第２実施形態のように、螺旋状案内羽根１を構成するに、間に隙間３を備えた複数の案内羽根部２を備える場合は、その旋回能において先の第１実施形態よりは劣ることとなる。但し、螺旋が数ターン形成され、さらに、同一位相箇所に隙間３が設けられない構成を採用することで、第２流体Ｂにある程度の旋回を付与することができる。
図７は、本実施形態の流体混合装置１００の混合状態を、数値解析手法にてシミュレーションしたものであり、図７（ａ）は、図９（ａ）に対応する流通路４に沿った分布を示す図面であり、図７（ｂ）は、図９（ｂ）に対応する触媒部２０５の入口における断面方向の分布を示す図である。具体的には、図４に示した第１実施形態の条件に加えて、先の、案内羽根部２が占有する領域に対する、隙間３が占有する領域の面積比を５：３２とした。
これらの図から判明するように、第２流体Ｂは噴出口５の配設側とは反対側まで案内されており、触媒部２０５の入口で第２流体が断面全体にほぼ均一に分散されていることが判る。

一方、図８に示したのが、第１実施形態と、第２実施形態とでの発生する圧力損失の比較である。この図では、横軸にターン数を縦軸に圧力損失を採っている。同図にあっては、実線で第２実施形態における圧力損失の変化を示し、破線で、第１実施形態における圧力損失を示した。この結果からも判明するように、第１実施形態では、螺旋のターン数の増加に伴って圧力損失が急速に増加したのに対して、第２実施形態では、そのような明確な増加傾向は見られず、ある程度、順次、圧力損失が増加するものの、ある程度の値で収束することがわかる。この値は、第１実施形態と、第２実施形態とで同一のターン数（５）で比較すると、第２実施形態では２／５程度であり、好ましい結果である。
さらに、第２実施形態で、ターン数を５とした構成での最大濃度と最小濃度との差は、第１実施形態で、図５（ａ）において突出高さを６０ｍｍ程度とした場合の差に匹敵ものであった。従って、充分採用可能である。

本願に係る脱硝装置の概略構成を示す図 第１実施形態に係る流体混合装置の概略構成を示す立断面図 第１実施形態に係る螺旋状案内羽根の詳細を示す図 第１実施形態に係る第２流体の混合状態を示す図 第１実施形態に係る螺旋状案内羽根の突出高さと混合状態及び圧力損失の関係を示す図 第２実施形態に係る流体混合装置の概略構成を示す立断面図 第２実施形態に係る第２流体の混合状態を示す図 第１実施形態及び第２実施形態に係る螺旋状案内羽根のターン数と圧力損失の関係を示す図 螺旋状案内羽根を設けない場合の第２流体の状態を示す図

符号の説明

１：螺旋状案内羽根
２：案内羽根部
３：隙間
４：流通路
５：噴出口
６：壁面
７：連通開放領域
１００：流体混合装置
２００：脱硝装置
２０１：燃焼機関
２０５：触媒部
２０５ａ：触媒部入口
Ａ：第１流体
Ｂ：第２流体
Ｚ：拡散領域

Claims (7)

1. 第１流体が流通する流通路に、前記流通路に配置された噴出口から、第２流体を噴出して前記第１流体に前記第２流体を混合する流体混合装置であって、
   前記流通路の壁面から内径側に突出して形成され、前記流通路の連通方向の螺旋軸を有する螺旋状案内羽根を備えるとともに、前記螺旋状案内羽根の内径側部位に、前記流通路の連通方向に連続する連通開放領域を形成し、
   前記螺旋状案内羽根の位置よりも上流側の流通路の壁面に、前記噴出口を設けた流体混合装置。
2. 前記螺旋状案内羽根の突出高さが、前記螺旋状案内羽根への侵入位置における、前記噴出口から噴出される第２流体の流路横断方向の拡散高さに対して、少なくとも過半の高さとされる請求項１記載の流体混合装置。
3. 前記流通路の連通方向視で、前記流通路の全断面積に対する、前記連通開放領域の面積比が、３：１１〜４：５の範囲とされる請求項１又は２記載の流体混合装置。
4. 前記螺旋状案内羽根が、前記流通路の連通方向において連通する隙間を挟んで配設される複数の案内羽根部から構成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の流体混合装置。
5. 前記螺旋状案内羽根の一ターン内に前記隙間が複数設けられている請求項４記載の流体混合装置。
6. 前記流通路の連通方向視で、前記案内羽根部が占有する領域に対する、前記隙間が占有する領域の面積比が、１：１６〜７：１６の範囲とされる請求項４又は５記載の流体混合装置。
7. 燃焼機関から排出され流通路を流通する排ガスに対して還元剤を混合する流体混合装置を備え、前記流体混合装置により混合された混合ガスを触媒反応により脱硝する脱硝装置であって、
   前記流体混合装置として、請求項１〜６のいずれか一項記載の流体混合装置を、前記第１流体を前記排ガスとし、前記第２流体を前記還元剤とした形態で備えた脱硝装置。

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