JP2010221084A - 流体混合装置及び脱硝装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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する。
【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る邪魔板１を設けるとともに、邪魔板１により当該邪魔板１の下流側に形成され、流れが上流方向に向かう帰還領域に面する流通路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る。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ものである（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号公報（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８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８（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８（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第１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る邪魔板を設けるとともに、前記邪魔板により当該邪魔板の下流側に形成され、流れが上流方向に向かう帰還領域に面する前記流通路の壁面に、前記噴出口を設けている点にある。

上記第１特徴構成によれば、流通路の上流から下流に向かうに従って、邪魔板、第２流体の噴出口が設けられる。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が発生することはない。

また、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可能性がある。しかし、噴出口は、邪魔板を設けることにより当該邪魔板の下流側に形成される、流れが上流方向に向かう帰還領域に設けられるため、当該噴出口から噴出した第２流体は、上流方向に向かう第１流体に取り込まれ、この部位で混合された後、この帰還領域に新たに流入してくる流体量に従って、下流側に流れる。そのため、偏在は解消され、上流からの第１流体と充分な拡散混合を起こさせることができる。

本発明に係る流体混合装置の更なる特徴構成は、前記邪魔板が、当該邪魔板が突出する流通路の第１壁面部位に対向する第２壁面部位に向けて延出されるとともに、前記第２壁面部位との間に流体が流れる第１流路が形成され、前記第１壁面部位から前記第２壁面部位に向かう第１方向に対して交差する第２方向の両側に、流体が流れる第２流路が形成され、前記噴出口が、前記流通路の連通方向視で、前記邪魔板の下流側に設けられている点にある。

上記特徴構成によれば、第１流路と第２流路の双方を設けることにより、流通路の連通方向視で、流通路の全断面積に対して邪魔板が占有する面積比が小さくなり、第２流路を設けない場合と比較して、圧力損失を大幅に低減することができる。また、この構成においても、邪魔板の下流側において帰還領域が形成されるため、流通路の連通方向視で、当該邪魔板の下流側に噴出口を設けることで、当該噴出口から噴出した第２流体は上流方向に向かう第１流体に取り込まれ、第１特徴構成と同様、上流からの第１流体と充分な拡散混合を起こさせることができる。

本発明に係る流体混合装置の更なる特徴構成は、前記第１方向視で、前記邪魔板の断面形状が下流側に曲率中心を有する弧状に形成され、前記第２方向の端部側程、下流側とされている点にある。

上記特徴構成によれば、第１方向視で、邪魔板の断面形状が下流側に曲率中心を有する弧状に形成され、第２方向の端部側程、下流側とされているため、第１流体に対して発生する圧力損失を低減することができる。このように邪魔板を構成した場合でも、当該邪魔板の下流側において帰還領域が形成されるため、充分な拡散混合の効果が得られる。

本発明に係る流体混合装置の更なる特徴構成は、前記第１方向視で、前記邪魔板の断面形状が、前記第２方向の中央が最上流側部位とされ、端部側程、下流側とされている点にある。

上記特徴構成によれば、第１方向視で、邪魔板の断面形状が第２方向の中央が最上流側部位とされ、端部側程、下流側とされているため、第１流体に対して発生する圧力損失を低減することができる。このように邪魔板を構成した場合でも、当該邪魔板の下流側において帰還領域が形成されるため、充分な拡散混合の効果が得られる。

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。

本願に係る脱硝装置の概略構成を示す図である。 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、及び、邪魔板の流通路の連通方向視図である。 第１実施形態に係る第２流体の混合状態を示す図である。 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、及び、邪魔板の流通路の連通方向視図である。 第２実施形態に係る第２流体の混合状態を示す図である。 第１実施形態及び第２実施形態に係る圧力損失及び混合状態を示す図である。 別実施形態に係る邪魔板の概略構成を示す立断面図である。 邪魔板を設けない場合の第２流体の状態を示す図である。

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、本願にいう邪魔板１を設け、当該邪魔部１と壁面６との間に単一の流路（第１流路２）のみが形成される例であり、第２実施形態は、邪魔板１により、当該邪魔板１と壁面６との間に複数の流路（第１流路２及び第２流路３）が形成される例である。

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（ａ）（第１実施形態）、図４（ａ）（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４に供給してもよいし、ミスト状態で流通路４に供給してもよい。

図２（ａ）、図４（ａ）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６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・攪拌を流通路４内で行わない場合は、先に図８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４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６に対してほぼ直交する流通路４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。後述するように、噴出口５は、邪魔板１の下流側に形成される、流れが上流側に向かう領域に設けられている。そのため、噴出口５を下流側に傾けた構造とすると、上流側に逆流している第１流体Ａに対向して第２流体Ｂが噴出されるため、両流体の混合を促進できる。一方、噴出口５を上流側に傾けた構造とすると、上流側に逆流している第１流体Ａの流れに沿って第２流体Ｂが噴出されるため、流通路４内に第２流体Ｂを吸引することができる。そのため、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。また、上流に向かって噴出された第２流体Ｂは、流れの向きを下流側に変える中で第１流体Ａと混合しながら拡散していくので、このように噴出口５を上流側に傾けた場合も、充分な拡散混合を起こさせることができる。

〔第１実施形態〕
この流体混合装置１００には、流通路４内の一部分に邪魔板１が配置されており、この邪魔板１により、当該邪魔板１の下流側に、下降して上流側に帰還する帰還流が形成される。本願では、このような上流側に流体が流れる領域を帰還領域と呼んでいる。本実施形態では、図２に模式的に示すように、流通路４内の邪魔板１と壁面６との間には、第１流路２のみが形成されている。

邪魔板１は、流通路４の壁面６から内径側に突出して形成される概略半円形の部材とされている。さらに具体的には、流通路４の連通方向視図である図２（ｂ）に示されるように、邪魔板１は流通路４の第１壁面部位６１から突出形成されているとともに、当該第１壁面部位６１に径方向で対向する第２壁面部位６２に向けて延出されている。従って、第１壁面部位６１から第２壁面部位６２に向かう方向が、本願の第１方向Ｄ１である。そして、邪魔板１の頂部１ｔと当該第２壁面部位６２との間に、第１流体Ａが流れる第１流路２が形成されている。
従って、邪魔板１の下流側に、第１流路２から邪魔板１の背面となる部位に、下降して上流側に帰還する帰還流が形成される帰還領域が形成される。

また、第２流体Ｂを噴出する噴出口５は、上記帰還領域に面する流通路４の壁面６に設けられている。
従って、本実施形態では、噴出口５から噴出される第２流体Ｂは、帰還領域において上流方向に向かう第１流体Ａに取り込まれ、この部位で混合された後、この帰還領域に新たに流入してくる流体量に従って、下流側に流れる。従って、邪魔板１を流通路４に設けることなく、単に壁面６に設けた噴出口５から第２流体Ｂを噴出して第１流体Ａと混合する場合と比較して、良好な混合状態を得ることができる。図３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３（ａ）は、図８（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３（ｂ）は、図８（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、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。

〔第２実施形態〕
図４（ａ）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。
基本的な構成は上記第１実施形態と同じであるが、第２実施形態では、邪魔板１によって複数の流路が形成されるように構成されている。すなわち、本実施形態では、図４に模式的に示すように、流通路４内の邪魔板１と壁面６との間には、第１流路２及び第２流路３が形成されている。

邪魔板１は、流通路４の壁面６から内径側に突出して形成される概略方形の部材とされている。さらに具体的には、流通路４の連通方向視図である図４（ｂ）に示されるように、当該邪魔板１は、流通路４の第１壁面部位６１から突出形成されているとともに、当該第１壁面部位６１に径方向で対向する第２壁面部位６２に向けて延出されている。そして、邪魔板１の頂部１ｔと当該第２壁面部位６２との間に、第１流体Ａが流れる第１流路２が形成されている。さらに、第１壁面部位６１から第２壁面部位６２に向かう第１方向Ｄ１に対して交差する（図示する例では直交する）第２方向Ｄ２の両側に第２方向端部１ｓが形成されており、当該第２方向端部１ｓと壁面６との間に、第１流体Ａが流れる一対の第２流路３が形成されている。
従って、この邪魔板１の下流側に、第１流路２から邪魔板１の背面となる部位に、下降して上流側に帰還する帰還流が形成されるとともに、一対の第２流路３から邪魔板１の背面となる部位に、横方向（邪魔板１の第２方向Ｄ２中央側に向かう方向）に流れて上流側に帰還する帰還流が形成される。

本実施形態のように邪魔板１を構成することで、流通路４の連通方向視で、流通路４の全断面積に対して邪魔板１が占有する面積比が小さくなり、第１実施形態と比べ、圧力損失を大幅に低減することができる。また、上述したように、本構成においても、邪魔板１の下流側において帰還領域が形成されるため、第１実施形態の場合と同様、良好な混合状態を得ることができる。図５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５（ａ）は、図８（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５（ｂ）は、図８（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、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。

一方、図６（ａ）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。この結果から判明するように、第１実施形態では圧力損失が比較的大きくなっているのに対して、第２実施形態では圧力損失の増大が抑えられ、第１実施形態と比べ、半分以下の圧力損失となっていることが判る。
また、図６（ｂ）に示したのが、第１実施形態と、第２実施形態とでの混合状態の比較であり、第２流体Ｂの濃度として、最大濃度と最小濃度を示したものである。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、第１実施形態、第２実施形態ともに、邪魔板１なしの場合に比べ、第１流体Ａと第２流体Ｂとの均一な混合が実現できていることが判る。

〔別実施形態〕
（１）上記二つの実施形態において説明した邪魔板１は、第１方向Ｄ１視で、当該邪魔板１の断面形状が直線であったが、図７（ａ）、（ｂ）のように、断面形状が半円形状、或いは、三角形状となるように構成することができる。すなわち、このように構成する場合は、邪魔板１によって混合部で発生する、第１流体Ａに対する圧力損失をさらに低減することができる。なお、このような構成であっても、邪魔板１の下流側には帰還領域が形成されるため、充分な拡散混合の効果が得られる。

（２）上記の実施形態では、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とが直交する場合を示したが、例えば、４５°〜９０°までの交差角の範囲としても、帰還領域を良好に形成でき、充分な拡散混合の効果が得られる。

１：邪魔板
２：第１流路
３：第２流路
４：流通路
５：噴出口
６：壁面
６１：第１壁面部位
６２：第２壁面部位
１００：流体混合装置
２００：脱硝装置
２０１：燃焼機関
Ａ：第１流体
Ｂ：第２流体
Ｄ１：第１方向
Ｄ２：第２方向

Claims (5)

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る邪魔板を設けるとともに、
   前記邪魔板により当該邪魔板の下流側に形成され、流れが上流方向に向かう帰還領域に面する前記流通路の壁面に、前記噴出口を設けた流体混合装置。
2. 前記邪魔板が、当該邪魔板が突出する流通路の第１壁面部位に対向する第２壁面部位に向けて延出されるとともに、前記第２壁面部位との間に流体が流れる第１流路が形成され、
   前記第１壁面部位から前記第２壁面部位に向かう第１方向に対して交差する第２方向の両側に、流体が流れる第２流路が形成され、
   前記噴出口が、前記流通路の連通方向視で、前記邪魔板の下流側に設けられている請求項１記載の流体混合装置。
3. 前記第１方向視で、前記邪魔板の断面形状が下流側に曲率中心を有する弧状に形成され、前記第２方向の端部側程、下流側とされている請求項２記載の流体混合装置。
4. 前記第１方向視で、前記邪魔板の断面形状が、前記第２方向の中央が最上流側部位とされ、端部側程、下流側とされている請求項２記載の流体混合装置。
5. 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１〜４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。