JP2012040556A - 流体の攪拌方法およびアーム回転式スパージャ - Google Patents

Abstract

【課題】攪拌部材の回転数を下げることなく、横荷重を低減するための攪拌方法および横荷重の低減に適した攪拌部材を提供する。
【解決手段】少なくとも２基の回転軸３１が平行な攪拌部材１０を備えた流体槽における流体の攪拌方法であって、例えば、起動時における電気的位相制御方法として、攪拌部材の回転軸３１の上部に備えつけられ隣接する攪拌部材との位相の違いを検出する回転位相検出器３２と、検出器からの回転位相に関する情報が電気信号として入力される演算器３３と、該演算器で算出された最適起動位相に関する情報が電気信号として入力される起動制御装置３４と、電動機３５とを備えており、演算器３３で得られた最適回転位相を用いて起動制御装置３４が各攪拌部材の起動タイミングを制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体の攪拌方法およびアーム回転式スパージャに関する。

石炭火力脱硫の排ガス等の脱硫装置として湿式脱硫装置が一般的に用いられている。湿式脱硫装置においては、排ガス中のＳＯ２等を石灰等のアルカリを含むスラリー溶液に吸収させ、さらに生じた亜硫酸イオンに酸素含有ガス（一般的には空気）を吹き込み接触酸化させることにより硫酸塩に変える処理がなされている。

排ガスを吸収したスラリー溶液に空気を吹き込み効率的に気液接触を行う攪拌部材として、回転式エアスパージャ［ＡＲＳ］が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

ＡＲＳは、図９に示すように、その中空回転軸９１が天井部で減速機９２を介してモーター９３と連結し、矢印方向に回転可能になっている。減速機９２と中空回転軸９１とは図示しないギアを介して連動している。空気源９４からの空気９５は、配管９６、中空回転軸９１および分岐配管９７を経由して空気ノズル９８より噴出し、モーター９３による中空回転軸９１の回転によって溶液に生じる流れとの剪断作用により微細化した気泡９９となって液中に分散混合されるようになっている。
特開平５−２２０３６３号公報

ＡＲＳは、タンク内流体中で複数の攪拌部材（例えば、ＡＲＳ）を配置し回転すると、攪拌部材自身の回転、隣接する攪拌部材あるいは壁との流体力の相互干渉等に起因して、攪拌翼に横荷重とよばれるアンバランス変動荷重を顕著に受けるようになり、これが所定の値を超えると、減速機９２のギアが片当たりを起こし破損する可能性がある。

また従来の設計においては、過去プラントで実測した横荷重の実績データから同じ裕度を持たせ、いずれのプラントでも一律の式で測定している。しかしながら、回転数はプラントごとで異なり、従来回転位相は起動時のタイミングで成り行きであるので、２基以上のＡＲＳが起動した際、他の攪拌機との干渉により、想定した以上の横荷重が生じる危険性がある。

本発明は、上記現状に鑑み、攪拌部材の回転数を下げることなく、横荷重を低減するための攪拌方法および横荷重の低減に適した攪拌部材を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明に係る流体の攪拌方法は、少なくとも２基の回転軸が平行な攪拌部材を備えた流体槽における流体の攪拌方法であって、隣接する攪拌部材の回転数を所定の値に維持しつつ、回転位相を最大アンバランス荷重が最も小さくなる所定の値に制御して攪拌することよりなる。
本発明に係るアーム回転式ガススパージャは、気体を導通可能な中空回転軸と、前記中空回転軸から水平方向に張り出した２本以上の攪拌アームと、前記中空回転軸から分岐して、前記攪拌アームに取り付けられた配管であって、前記中空回転軸を導通する気体の一部を取り込み回転と同時に排出可能な分岐配管とを備え、前記２本以上の攪拌アームのうち少なくとも１本の攪拌面が、前記他の攪拌アームの攪拌面と異なる高さにあるものである。
本発明に係るアーム回転式ガススパージャは、垂直方向に気体を導通可能な中空回転軸と、前記中空回転軸の下端から水平に延びる２本以上の攪拌アームと、前記中空回転軸から分岐して、前記攪拌アームに取り付けられた分岐配管であって、前記中空回転軸を導通する気体の一部を取り込み回転と同時に排出可能な分岐配管とを備え、前記中空回転軸の長さを伸縮調節可能なものである。

本発明の攪拌方法により、隣接する攪拌部材の回転数を下げることなく、攪拌部材自身の回転、隣接する攪拌部材あるいは壁との流体力の相互干渉に起因する横荷重を低減することができ、回転ギアの破損等による安全率の低下を抑制することができ、結果として装置全体の信頼性を向上することができる。
本発明のアーム回転式スパージャを用いることにより、従来型のＡＲＳを用いた場合に比べ最大アンバランス荷重を低減することができる。

以下に、本発明を、図面を参照して詳細に説明する。同じ部材には同じ符号を付して表した。なお、本発明は以下に説明する形態に制限されるものではない。
本発明に係る攪拌方法は、回転軸が平行な２基以上の攪拌部材の存在下で行われる液体、スラリー等の攪拌、特に曝気を伴う攪拌に好適に採用される。
上記２基以上の攪拌部材は、回転軸が平行になるように設置されるものであれば、流体槽の上から見て一直線上に配列するように設置してもよいし、３基用いる場合、三角形の各頂点を形成するように設置してもよい。
攪拌部材の数としては、同一流体槽に２基以上あれば特に限定されないが、上限を、１０基とすることができる。
攪拌部材の回転数は、回転位相を所定の値に維持するためには、同一流体槽に存在する全ての攪拌部材において同一であることを要する。
攪拌部材の回転数は、スラリー粘度、スラリー密度、曝気を伴う場合気泡の分散度合い等の種々の要素を考慮したうえで、１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍの間の所定の値に維持する。１０ｒｐｍ未満であると、気泡の剪断力、気泡の分散力、攪拌力が不充分となる場合があり、１００ｒｐｍを超えると攪拌動力が過大となり、機械的強度を保つのが困難となる場合がある。

本明細書において、「攪拌部材」なる語には、特許文献１で開示されているＡＲＳ等の気液接触機能を有する攪拌機のみならず、タービン型、プロペラ型、パドル型、アンカーパドル型、門型パドル型、リボン型等の種々のインペラ形状を有し、かつ気体供給機能を有する攪拌機、または、種々のインペラ形状を有するが、気液接触機能を有しない攪拌機が含まれる。

本発明に係る流体の攪拌方法は、隣接する攪拌部材の回転数を所定の値に維持しつつ、回転位相を、個々の攪拌部材にかかる横荷重の最大値すなわち最大アンバランス荷重が最も小さくなる所定の値（最適回転位相）に制御して回転させることよりなる。
回転位相とは、同じ角度で同じ数回転軸から張り出したインペラ（攪拌アーム、攪拌翼を含む。）を有する２基の攪拌部材において、１つの攪拌部材の特定のインペラおよび回転軸を含む面と、もう１つの攪拌部材の特定のインペラおよび回転軸を含む面とがなす角度をいう。
最適回転位相は、隣接する攪拌部材の設置間隔、攪拌部材の台数、タンク壁面と攪拌部材との距離、攪拌部材の回転数、翼径等種々のパラメタにより異なるが、当業者は、例えば下記実測方法によって最適な回転位相を得ることができる。
図１に示すように、攪拌部材１０の回転軸１１に歪みゲージ１２を２枚以上
（上限は、４枚程度）とりつける。歪みゲージ相互の横荷重検出方向ｘ、ｙのなす角度θ
１は、０°または１８０°にならないように、例えば、９０°になるように定める。各歪みゲージにかかる荷重を合成することにより、回転に伴って実際に回転軸にかかる荷重の値および向きを測定することができる。回転に伴い荷重は変動するので、回転位相を種々変えて荷重の最大値、すなわち最大アンバランス荷重をそれぞれ測定し、最大アンバランス荷重が最も小さくなる回転位相を最適回転位相とすることができる。

隣接する攪拌部材の回転位相は、攪拌部材として９０°間隔で４つの攪拌翼をもつものを用い反時計周りに回転する場合、０°または９０°以外の値に設定および／または保持することが好ましい。０°または９０°であると、隣接する攪拌部材の回転によってもたらされる流体の力が同じタイミングで合成され、攪拌翼先端に大きな負荷がかかると考えられるからである。

隣接する攪拌部材の回転方向としては、互いに逆方向にすることが好ましい。同方向に回転することを排除するものではないが、同方向であると、各攪拌部材の攪拌によって生じる流体の圧力が合成され、横荷重を上昇させる原因となりうるからである。

本発明に係る流体の攪拌方法において、「最適回転位相に制御する」とは、（１）各攪拌部材の起動時に隣接する攪拌部材の回転位相を最適回転位相に設定すること、（２）回転時に隣接する攪拌部材の回転位相を最適回転位相に設定もしくは保持すること、のいずれか一方、もしくは、両方を意図する。したがって、起動時に上記制御方法（１）を用い、回転している最中で位相のずれが生じてきた場合に断続的または連続的に上記制御方法（２）を用い制御する方法を採用してもよい。

隣接する攪拌部材の回転位相を上述した最適回転位相に制御する方法としては、カム、ストッパー、ばね、ベアリング、インバーター等を用いて隣接する攪拌部材の最適回転位相となるように設定もしくは保持する機械的位相制御方法；
センサー、レーザー等を用いて、回転位相差に関する情報を電気的信号として得たのち、最適回転位相を計算し、モーターの回転数あるいは起動タイミング等を調節することで最適回転位相となるように設定する電気的位相制御方法等が挙げられ、これらの制御方法を組み合わせて用いることもできる。

起動時における機械的位相制御方法の一態様を図２に示す。
図２では、攪拌部材の回転軸２１の上端部に回転翼と同方向のカム２２を設け、カム２２と同じ高さのスライド２３上、任意の角度θ２に設定できるストッパー２４を設けた構成を開示している。ストッパー２４は回転翼の位相を起動前に合わせる際、回転軸の方に押し出され、カムと接触することによって回転軸を所定の位相で静止させることができる。

起動時における電気的位相制御方法の一態様を図３に示す。
図３では、攪拌部材の回転軸３１の上部に備えつけられ隣接する攪拌部材との位相の違いを検出する回転位相検出器３２と、検出器からの回転位相に関する情報が電気信号として入力される演算器３３と、該演算器で算出された最適起動位相に関する情報が電気信号として入力される起動制御装置３４と、電動機３５とを備えており、演算器３３で得られた最適回転位相を用いて起動制御装置３４が各攪拌部材の起動タイミングを制御する方法を開示している。

図２および図３で説明したような位相の制御方法は、簡易な制御装置で実現でき、装置破損を防止することができる。

回転時における位相制御方法の一実施態様としては、例えば、回転軸に歪ゲージを設け
てアンバランス荷重を測定し、該測定値に基づいて最大アンバランス荷重が最小になるような回転位相を計算し、いずれか１つの攪拌部材の回転数を一時的に下げることにより位相を合わせ、位相が所定の値になったら回転数を元に戻して運転する方法がある。
回転時における位相制御方法の他の実施態様としては、例えば、回転軸に歪ゲージを設けてアンバランス荷重を測定しながら、定期的、例えば、１日に数回程度、最大アンバランス荷重が最小になるよう回転タイミングを制御して運転する方法もある。
これにより、攪拌部材先端部等が流体の干渉等の強い力を受けることにより、起動時設定した回転位相タイミングが次第にずれていき過度の横荷重が生じた場合であっても、常に横荷重を検出し、位相を所望の値に修正する迅速な対処が可能となる。

本発明に係る攪拌方法は、攪拌部材の直径が１ｍ未満のものを用いた場合でも横荷重の低減に有効であるが、直径が３ｍ以上という大型の攪拌部材を用いた場合、隣接する攪拌部材もしくは流体槽壁面との相互干渉が顕著になるので、より一層有利となる。直径の上限は攪拌動力の他、インペラや回転軸の機械的強度の観点から、１０ｍとすることができる。

本発明の攪拌方法を採用することにより、隣接する攪拌部材の回転数を従来通りの所定の値に維持しつつ、過度の負荷をかけることなく攪拌部材を回転することができるようになり、隣接する攪拌部材同士の接近距離の設計自由度が増すという利点がある。

本発明者らは、横荷重の低減を検討する中で、アーム回転式ガススパージャ自体の形状についても検討を加え、独特の形状を有するアーム回転式ガススパージャを同時に発明した。
本発明のアーム回転式ガススパージャの一態様を図４に示す。
図４に示すアーム回転式ガススパージャ４０は、鉛直方向に気体を導通可能な中空回転軸１１と、前記中空回転軸の下端から水平に延びる４本の攪拌アーム４２と、前記中空回転軸から分岐して、前記攪拌アーム４２に取り付けられた配管であって、前記中空回転軸を導通する気体の一部を取り込み回転と同時に排出可能な分岐配管４３とを備えたものであるが、さらに前記中空回転軸４１の筒径ｄ２を途中で変えてｄ３とし、継ぎ手構４１を備えたものとすることによって長さが伸縮調節可能となっている。
かかる態様を採用することにより、攪拌部材の攪拌面を自在に調整することができ、隣接する攪拌部材の攪拌面を異なる高さとすることによって、隣接する攪拌部材との干渉を回避することができる。本明細書において、「攪拌面」は、攪拌アームの先端の高さにおける前記中空回転軸に対して垂直な面である。

本発明のアーム回転式ガススパージャの他の態様としては、鉛直方向に気体を導通可能な中空回転軸と、前記中空回転軸から水平方向に張り出した２本以上の攪拌アームを備え、前記攪拌アームのうち少なくとも１本の攪拌面が、前記他の攪拌アームの攪拌面と異なる高さにある構成を採用することができる。上記「水平方向に張り出す」とは、中空回転軸に対して垂直な面上に攪拌アームが延びている場合のみならず、斜め上方または下方に向けて延びている場合も含まれる。
攪拌アームの先端がうける荷重は、横荷重に最も影響を与えうるので、先端部の高さを攪拌アームによって変えることにより、攪拌アームの先端が掃引する流体の高さがずれ、干渉タイミングを減らすことができる。

先端部の高さを変えた構成として最も好ましい態様を、図５に示す。
図５では、中空回転軸１１から張り出している攪拌アームのうち２本（５２ａ，５２ｂ）が、他の２本の攪拌アーム（５２ｃ，５２ｄ）とは異なる高さから張り出している、いわゆる段違い構成となっている。
攪拌アームの本数は、回転軸に垂直な同一平面上に４本以上あってもよいが、図５に示
すように４本未満であってもよい。
同一平面上に攪拌アームを２本有する場合、同一平面上の攪拌アームのなす角度は、１８０°とすることができる。
本構成を採用することにより、中空回転軸の同じ高さからすべての攪拌アームを設けたときに比べて、隣接するアーム回転式ガススパージャや近接する壁との干渉タイミングを減らすことができ、それにより攪拌機の大型化が可能となる。また、接近距離の設計自由度が増すという利点もある。

アーム回転式ガススパージャの他の態様としては、図６のように従来公知の攪拌アーム４２の後縁にカルマン渦低減用のダミー翼６１を取り付けた構成、図７のように攪拌アーム４２の先端部上面にカルマン渦低減用板７１を取り付けた構成等を採用することもできる。

本発明のアーム回転式ガススパージャを採用することにより、過度の負荷をかけることなく攪拌部材を回転することができるようになり、隣接する攪拌機同士の接近距離の設計自由度が増すという利点がある。

本発明の攪拌方法およびアーム回転式ガススパージャが適用されうる装置としては、曝気を要する設備であれば特に限定されず、ごみ処理、石炭燃焼等の際に発生する排ガスの脱硫装置、スラリーの攪拌および／または曝気を行う回分反応器等の化学合成プラント用装置もしくはバイオマスプラント用装置のほか、２基以上の攪拌部材を用いて液中の特定物質の濃度を均一化する装置に広く適用しうる。

実施例１〜４
２４．１ｍ×１９．２ｍの水槽中に高さ５ｍまで水を貯留し、２基の従来型のＡＲＳ（三菱重工業社製）の回転軸同士を１２．１ｍ離間させて配置した。２基のＡＲＳはともに直径４ｍであり、９０°間隔で４つの攪拌アームを設けたものを用いた。詳細な位置関係を図８および表１に示す。
なお２基のうち、１基については、中空回転軸の側面の水深３．５ｍの位置に２枚、検出方向のなす角度θ１が９０°となるように歪みゲージ（品番：F型ゲージ、東京測器研
究所社製）をとりつけた。
次いで２基の起動時の位相差θ（初期位相）をそれぞれ０°（実施例１）、３０°（実施例２）、４５°（実施例３）、６０°（実施例４）と変えて、回転数３０ｒｐｍで回転し、最大アンバランス荷重を測定した。結果を表２に示す。

表２から、回転位相により最大アンバランス荷重が大きく異なることがわかり、今回の条件下では、初期位相が０°のとき、すなわち２基の攪拌機の位相が整合しているときに最も大きく、初期位相が４５°のときに最も小さくなることがわかった。

実施例５
実施例１で用いた従来型のＡＲＳに代えて、中空回転軸の下端部から水平方向に２本、中空回転軸の下端部より２ｍ高い位置から２本、攪拌アームのなす角度は上から見て９０°になるようにそれぞれ段違いに張り出した４本の攪拌アームを備えたＡＲＳを用いた。中空回転軸の下端部は、水深４ｍに設置した。流体槽におけるＡＲＳの位置関係を図８および表３に示す。他の条件は実施例１と同様にして最大アンバランス荷重を測定した。結果を表４に示す。
実施例６
実施例１で用いたＡＲＳに代えて、前記中空回転軸の長さを伸縮調節可能なＡＲＳを２基用いた。２基のＡＲＳの攪拌面の高さの差は、１ｍとし、水深は、それぞれ３．５ｍ、２．５ｍの位置にした。他の条件は実施例１と同様にした。結果を表４に示す。
実施例７
２基のＡＲＳの攪拌アームの回転方向に対して後縁に、図６のようにカルマン渦低減用のダミー翼６１を取り付けた他は実施例１と同様にした。結果を表４に示す。
実施例８
２基のＡＲＳの攪拌アームの翼の外側に図７のようにカルマン渦低減用板７１を取り付けた他は実施例１と同様にした。結果を表４に示す。

表４から、従来型のＡＲＳを用いた実施例１に比べて、独特の構造を有するＡＲＳを用いた実施例５は最大アンバランス荷重が劇的に低減していることがわかった。また実施例６のような高さを違えた構造、実施例７〜８の独特の構造を有するＡＲＳを用いることにより、従来型のＡＲＳを用い同じ初期位相４５°で回転した実施例３に比べて、より一層最大アンバランス荷重を低減することができた。

図１は、歪みゲージの設置態様の一例を示す模式図である。 図２は、起動時における機械的位相制御方法の一態様を示す模式図である。 図３は、起動時における電気的位相制御方法の一態様を示す模式図である。 図４は、本発明のアーム回転式ガススパージャの一態様を示す模式図である。 図５は、本発明のアーム回転式ガススパージャの一態様を示す模式図である。 図６は、アーム回転式ガススパージャの他の態様を示す模式図である。 図７は、アーム回転式ガススパージャの他の態様を示す模式図である。 図８は、実施例におけるＡＲＳの設置位置を示す平面図である。 図９は、従来公知のＡＲＳの駆動機構の全容を示す模式図である。

１０ 攪拌部材
１１、２１、３１ 回転軸
１２ 歪みゲージ
２２ カム
２３ スライド
２４ ストッパー
３２ 回転位相検出器
３３ 演算器
３４ 起動制御装置
３５ 電動機
４０，５０，６０，７０ アーム回転式ガススパージャ
４１ 継ぎ手
４２ 攪拌アーム
４３ 分岐配管
５１、９１ 中空回転軸
６１ カルマン渦低減用のダミー翼
７１ カルマン渦低減用板
９２ 減速機
９３ モーター
９４ 空気源
９５ 空気
９６ 配管
９７ 分岐配管
９８ 空気ノズル

Claims (7)

1. 少なくとも２基の回転軸が平行な攪拌部材を備えた流体槽における流体の攪拌方法であって、
   隣接する攪拌部材の回転数を所定の値に維持しつつ、回転位相を最大アンバランス荷重が最も小さくなる所定の値に制御して攪拌する流体の攪拌方法。
2. 攪拌部材の直径が１ｍ以上１０ｍ以下である請求項１に記載の流体の攪拌方法。
3. 気体を導通可能な中空回転軸と、
   前記中空回転軸から水平方向に張り出した２本以上の攪拌アームと、
   前記中空回転軸から分岐して、前記攪拌アームに取り付けられた配管であって、前記中空回転軸を導通する気体の一部を取り込み回転と同時に排出可能な分岐配管とを備え、
   前記２本以上の攪拌アームのうち少なくとも１本の攪拌面が、前記他の攪拌アームの攪拌面と異なる高さにあるアーム回転式ガススパージャ。
4. 前記２本以上の攪拌アームが、前記中空回転軸の異なる高さから水平方向に段違いに張り出している請求項３に記載のアーム回転式ガススパージャ。
5. 前記攪拌アームの直径が、１ｍ以上１０ｍ以下である請求項３または４に記載のアーム回転式ガススパージャ。
6. 垂直方向に気体を導通可能な中空回転軸と、
   前記中空回転軸の下端から水平に延びる２本以上の攪拌アームと、
   前記中空回転軸から分岐して、前記攪拌アームに取り付けられた分岐配管であって、前記中空回転軸を導通する気体の一部を取り込み回転と同時に排出可能な分岐配管とを備え、
   前記中空回転軸の長さを伸縮調節可能なアーム回転式スパージャ。
7. 前記攪拌アームの直径が、１ｍ以上１０ｍ以下である請求項６に記載のアーム回転式ガススパージャ。

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