JP4159443B2 - 流体混合装置及び脱硝装置 - Google Patents

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流体に対して前記第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還元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、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流体に流通路に配置された噴出口から第２流体を噴出して第１流体に対して混合する場合においては、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、第１流体に対して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、触媒還元作用により、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かったり、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がある。

第１流体と第２流体とを混合する流体混合装置として、第１流体が流通する流通路にカルマン渦を発生する邪魔部を配置し、邪魔部の上流側に上記第２流体を噴出する噴出口を配置することで、噴出口から噴出された第２流体を下流側に配置された邪魔部により発生するカルマン渦により混合するようにした排ガス処理装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
上記特許文献１に排ガス処理装置として記載されている流体混合装置では、かかる噴出口から噴出された第２流体は、その噴出口の下流側に配置された邪魔部の上流側表面に沿って縁部に到達する。一方、第１流体の流れには、邪魔部の縁部から中央部に向かうカルマン渦が発生することから、邪魔部の縁部に到達した第２流体は、そのカルマン渦の内側に巻き込まれて、邪魔部の下流側において第１流体に対して良好に混合されるとしている。

特開２００２−２５６８４９（第３図等）

しかし、上記特許文献１に排ガス処理装置として記載されている流体混合装置では、カルマン渦が邪魔部の下流側において内側に向かう方向に発生することから、邪魔部の上流側表面に沿って縁部に到達した第２流体の殆どは、カルマン渦の内側に巻き込まれて、邪魔部の下流側よりも外側の部分に流れることが抑制される。よって、邪魔部の下流側とその外側の部分とでは、第１流体に対する第２流体の分布が異なるものとなってしまい、流通路全体に渡って第１流体に対して第２流体を均一に混合することは困難である。

また、上記のように、第２流体が邪魔部の下流側よりも外側の部分へ流れるようにするために、上記特許文献１では、その外側にも邪魔部を設ける構成が記載されているが、第２流体は一旦流通路の中央部に配置された邪魔部の下流側に巻き込まれているため、その第２流体を上記外側の邪魔部により外側に拡散させることは困難であり、更に、均一に混合するために、上記内側及び外側の邪魔部を大きくすると、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くなるという問題が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、流通路を流通する第１流体に、前記流通路に配置された噴出口から第２流体を噴出して混合する際に、流通路において第１流体に対する圧力損失の増加を抑制しながら、流通路全体に渡って第１流体に対して第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本発明に係る流体混合装置は、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流体に対して前記第２流体を混合する流体混合装置であって、その第１特徴構成は、前記流通路の流路断面における中央部の領域に邪魔部を配置し、
前記噴出口を、前記流通路の流路断面において前記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した点にある。

上記流体混合装置の第１特徴構成によれば、第２流体を噴出する噴出口が、流通路の流路断面における邪魔部が配置された領域の上流側ではなく、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されているので、その噴出口から噴出された第２流体は、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を通過することになる。よって、その開放領域に到達した第２流体の殆どが邪魔部の縁部から中央部に向かう渦の内側に巻き込まれることを抑制しながら、第２流体の一部が、邪魔部の縁部から内側に向けて発生する渦により適度に開放領域から邪魔部の下流側に引き付けられることになり、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。

さらに、邪魔部を流通路の中央部に配置することで、その外側の開放領域又はその上流側に、第２流体を噴出する噴出口を配置して、邪魔部の外側の開放領域に到達した第２流体を、邪魔部により中央部に向けて発生する渦により中央部に引き付けて拡散させ、第２流体の第１流体に対する混合状態を流通路において中央部を中心として偏りがない良好な状態とすることができる。

上記目的を達成するための本発明に係る脱硝装置は、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還元反応により脱硝する脱硝装置であって、その特徴構成は、前記流体混合装置として、請求項１に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点にある。

上記脱硝装置の特徴構成によれば、これまで説明してきた流体混合装置により、燃焼機関から排出された排ガスに対して還元剤を均一に混合することができるので、窒素酸化物の分解性能を向上すると共に、触媒の局所的な劣化を抑制して触媒寿命を向上することができる。また、上記流体混合装置は、流通路における排ガスに対する圧力損失の増加が抑制されるので、流通路の上流側にある燃焼機関の運転に支障を与えることを抑制することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示す流体混合装置は、第１流体Ａが流通する流通路１に、流通路１に配置された噴出口６から、第２流体Ｂを噴出して、第１流体Ａに対して第２流体Ｂを混合するように構成されている。

尚、上記流体混合装置は、燃焼機関から排出され流通路１を流通する第１流体Ａとしての排ガスに対して第２流体Ｂとしてのガス状の還元剤を混合する流体混合装置として構成され、このような流体混合装置は、排ガスに還元剤を混合した混合ガスを触媒還元反応により脱硝する脱硝装置に設けられる。尚、第２流体Ｂとしては、ガス状ではなく、ミスト状の還元剤を用いても構わない。

上記流通路１は、正方形断面を有する管部材２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へ排出する。

上記噴出口６は、供給管５の側壁に穿設されており、その供給管５内に供給された第２流体Ｂを、流通路１に噴出させる。

また、本実施形態では、上記噴出口６は、流通路１における第１流体Ａの流れに対して下流側に向かう方向に開口しているが、これは、第１流体Ａの流れを利用して第２流体Ｂを流通路１に吸い出すためであって、別に、噴出口６の開口方向を、下流側以外の別の方向としても構わない。

この流体混合装置においては、流通路１の流路断面における一部としての中央部の領域に邪魔部３が配置されており、この邪魔部３が配置されていることにより、流通路１の邪魔部３の下流側には、邪魔部３の縁部から内側に向かう渦が発生する。

更に、上記第２流体Ｂを噴出させる噴出口６は、流通路１の流路断面において邪魔部３と重なりあうことなく、流通路１の流路断面において邪魔部３が配置された領域以外の開放領域Ｘの上流側に配置されている。

従って、噴出口６から噴出された第２流体Ｂは、邪魔部３の縁との間に若干の隙間を存在した状態で、上記開放領域Ｘに到達し、上記邪魔部３の下流側に発生する渦に第２流体Ｂの殆どが巻き込まれることを抑制しながら、第２流体Ｂの一部が、その渦により邪魔部３の下流側に引き寄せられ、流通路１全体に渡って良好に拡散することになり、第１流体Ａに対して第２流体Ｂを均一に混合することができる。

また、このように噴出口６を、開放領域Ｘの上流側に配置すると、邪魔部６が比較的小さくても、第１流体Ａに対して第２流体Ｂを均一に混合することができるので、流通路１における第１流体Ａに対する圧力損失の増加を抑制することができる。

尚、上記噴出口６は、上記開放領域Ｘの上流側ではなく、開放領域Ｘに配置しても構わ
ず、同様の作用効果を発揮することができる。また、噴出口６と上記開放領域Ｘとの間隔は、流体混合装置の小型化のために、できるだけ小さい方が好ましいが、第１流体Ａに対する第２流体Ｂの混合状態が適正な状態となるように設定される。

上記邪魔部３は、流通路１の流路断面における中央部の領域に配置されており、詳しくは、流通路１の流路断面において、中央部を横断する形態で配置されている。そして、上記噴出口６は、その両脇に形成された開放領域Ｘの上流側に配置されている。
従って、邪魔部３の外側の開放領域Ｘに到達した第２流体Ｂは、邪魔部３の下流側で中央部に向けて発生する渦により、中央部に引き付けられて拡散するので、第２流体Ｂの第１流体Ａに対する混合状態を流通路１において中央部を中心とした偏りがない良好な状態となる。

また、図３及び図４に示すように、流通路１の中央部に配置した邪魔部３の他に、管部材２の内壁に密接した状態で流通路１に突出する邪魔部４を配置し、邪魔部３と邪魔部４との間の開放部Ｘの上流側に噴出口６を配置しても構わない。
また、このように噴出口６を２つの邪魔部３，４との間の開放部Ｘの上流側に配置することで、前述したように、開放部Ｘに到達した第２流体Ｂの一部が、邪魔部３の下流側に発生する渦により邪魔部３の下流側即ち中央側に引き寄せられ、更に、開放部Ｘに到達した第２流体Ｂの一部が、邪魔部４の下流側に発生する渦により邪魔部４の下流側即ち管部材２の内壁側に引き寄せられることになり、流通路１全体に渡って第２流体Ｂを拡散させることができる。

更に、流体混合装置おいて、あらゆる形状の邪魔部３，４を利用することができ、例えば、図５に示すように、流通路１の流路断面において、外周部に開放部Ｘを形成するような正方形等の邪魔部３を中央部に設け、更に、管部材２の内壁全周に渡って密接した状態で流通路１側に突出する邪魔部４を設けても構わない。また、このような形状の邪魔部３，４を配置した場合には、環状の開放部Ｘが形成されることになるので、その環状の開放部Ｘに対して、均等に噴出口６を配置するために、２つの供給管５を流通路１の中心において直角に交差するように配置することができる。

また、流体混合装置において、流通路１の流路断面形状は、四角に限定されるものではなく、例えば、図３及び図４に示す流体混合装置の変形例である図６、及び、図５に示す流体混合装置の変形例である図７に示すように、円形の流路断面を有する流通路１を用いても、流体混合装置を構成することができる。

次に、本発明に係る流体混合装置と、従来の流体混合装置との、夫々における第１流体Ａに対する第２流体Ｂの混合状態を、数値解析処理によるシミュレーションにより検証した結果について、図８から図１３に基づいて説明する。
尚、図８から図１３は、上記シミュレーション結果により得られた混合状態を、黒に近いほど第２流体が多く存在しているという形態で示す図である。また、夫々の図において、（ａ）は側断面の混合状態を示す図であり、（ｂ）は流通路の最下流側における立断面の混合状態を示す図である。

本発明に係る流体混合装置としては、図１及び図２と同様の構成である図８に示す流体混合装置と（第１実施例）、及び、図３及び図４と同様の構成である図９に示す流体混合装置（第２実施例）を想定した。

上記第１実施例及び第２実施例ともに、第２流体Ｂが、邪魔部３（又は邪魔部４）の下流側に発生する渦により邪魔部３の下流側に適度に引き寄せられ、流通路１全体に渡って良好に拡散することが確認できた。

一方、従来の流体混合装置としては、図１０から図１３の夫々に示す流体混合装置（第１から第４比較例）を想定した。
尚、上記比較例の流体混合装置は、何れも、流通路１０１の中央部に邪魔部１０３を配置し、流通路１０１の流路断面において邪魔部３が配置された領域の上流側に噴出口１０６を配置している。
詳しくは、図１０に示す第１比較例の流体混合装置は、上記第１及び第２実施例の邪魔部３と同様に、流通路１０１の流路断面における中央部の領域に邪魔部１０３を配置して、その邪魔部１０３の上流側の中央部に第２流体Ｂを噴出させる噴出口１０６を配置している。
図１１に示す第２比較例の流体混合装置は、上記第１比較例よりも大きい邪魔部１０３を配置して、流通路１０１の流路断面における邪魔部１０３の配置領域を拡大している。
図１２に示す第３比較例の流体混合装置は、流通路１０１の両脇に、管部材１０２の内壁に密接した状態で流通路１０１に突出する２つの邪魔部１０４を配置し、その夫々の邪魔部１０４の上流側に第２流体Ｂを噴出させる噴出口１０６を配置している。
図１３に示す第４比較例の流体混合装置は、上記第３比較例と同様の邪魔部１０４を配置し、更に、流通路１０１の中央部に邪魔部１０３を配置して、その邪魔部１０３の上流側の中央部を挟む２箇所に第２流体Ｂを噴出させる噴出口１０６を配置している。
尚、図１２及び図１３に示す第３及び第４比較例の流体混合装置においては、第１流体Ａの流通をスムーズにするために、邪魔部１０３，１０４の上流側を山形状に形成しており、特に、図１３に示す第４比較例の流体混合装置は、前述の背景技術の欄で説明した特許文献１に記載の流体混合装置を想定したものである。

そして、何れの比較例についても、噴出口１０６から噴出された第２流体Ｂの殆どが、邪魔部１０３又は邪魔部材１０４の下流側に巻き込まれて中央部又は外側に滞留し、その他の領域への第２流体Ｂの拡散が抑制され、混合状態が不十分であることが確認できた。

また、図１１に示す第２比較例の流体混合装置は、比較的混合状態が改善されているものの、邪魔部１０３が流通路１０１の流路断面において大部分の領域を占めているため、第１流体Ａに対する圧力損失が、第１及び第２実施例の約２倍の大きさであることが確認できた。
以上のシミュレーション結果により、流通路１の流路断面において邪魔部３が配置された領域以外の開放領域Ｘの上流側に噴出口６を配置した第１及び第２実施例の流体混合装置は、邪魔部材１０３の上流側に噴出口１０６を配置した第１から第４比較例の流体混合装置と比較して、流通路１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１全体に渡って第１流体Ａに対して第２流体Ｂを均一に混合可能であることが明確となった。

本発明の実施の形態である流体混合装置の概略側断面図 図１に示す流体混合装置の概略立断面図 本発明の別の実施の形態である流体混合装置の概略側断面図 図３に示す流体混合装置の概略立断面図 本発明の別の実施の形態である流体混合装置の概略立断面図 本発明の別の実施の形態である流体混合装置の概略立断面図 本発明の別の実施の形態である流体混合装置の概略立断面図 図１に示す流体混合装置（第１実施例）における混合状態を示す図 図３に示す流体混合装置（第２実施例）における混合状態を示す図 従来の流体混合装置（第１比較例）における混合状態を示す図 従来の流体混合装置（第２比較例）における混合状態を示す図 従来の流体混合装置（第３比較例）における混合状態を示す図 従来の流体混合装置（第４比較例）における混合状態を示す図

符号の説明

１：流通路
２：管部材
３：邪魔部
４：邪魔部
５：供給管
６：噴出口
Ａ：第１流体
Ｂ：第２流体
Ｘ：開放領域

Claims (2)

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流体に対して前記第２流体を混合する流体混合装置であって、
   前記流通路の流路断面における中央部の領域に邪魔部を配置し、
   前記噴出口を、前記流通路の流路断面において前記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した流体混合装置。
2. 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還元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。