JP5474465B2 - 分級装置 - Google Patents

Description

本発明は、セメント、食品粉体等の粉体製品や、金属微粉、セラミックなどの粉体を含むガスを分級する分級装置に関するものである。

現在、粉体を含むガスの分級装置としては、当該ガスを旋回させ、遠心力を利用して分級するサイクロンを利用した分級装置が存在する。サイクロンを利用した分級装置は、単に重力を利用して分級する分級装置に比べて、数百倍もの分級効率を有するとされ、汎用化されている。このサイクロンを利用した分級装置は、例えば、ガス中の粉体を全て集塵・除塵して、清浄ガスと粉体とに分離する場合や、ガス中の所定の粒径（以下、単に「分級点」ともいう。）を超える粉体（粗粒子）を集塵・除塵して、当該粗粒子と、分級点以下の粉体（微粒子）とに分離する場合などに利用される。前者の例としては、例えば、工場から排出されるガス中の粉塵等を除塵する場合（ガスの清浄化）や、セメント、食品粉体（例えば、小麦、米、大豆など。）等の粉体製品を集塵する場合（粉体回収）などがある。

そして、前者の場合は、数μｍ以下、ときにはサブミクロンオーダーの小さな粒径の粉体まで集塵・除塵できることが望まれ、また、後者の場合は、分級点を、数μｍ以下、ときにはサブミクロンオーダーにまで小さくできることが望まれる。つまり、どのような利用形態であっても、分級装置は、できる限り小さな粒径の粉体まで分級可能であることが望まれる（分級精度の向上）。

そこで、現在では、分級精度の向上を図るために、サイクロンを利用した分級装置について、さまざまな改良形態が提案されている。
具体的には、例えば、従来のサイクロンは、サイクロン本体が、筒状部とこの筒状部の下側において連続する円錐部とで構成されていたのに対して、これら筒状部と円錐部との間に拡径部を介在させた形態（例えば、特許文献１参照。）や、粉体を含むガスをサイクロン本体内に流入するための入口管を水平面に対して上方向に傾斜角を持つように構成した形態（例えば、特許文献２参照。）、入口管に微粉を捕集する微粉凝集部を設けた形態（例えば、特許文献３参照。）などが提案されている。しかしながら、これらいずれの形態においても、分級精度を十分に向上することができず、更に分級精度を向上することができないかが模索されている。

この点、分級精度を向上するためには、サイクロン本体の直径を小さくするのが有効とされている。この点を詳細に説明すると、次の通りである。
まず、一般に、サイクロンの分級効率（精度）は、以下の式１で表される。
Ｈ ∝ （Ｐ₁−Ｐ₂）ｄ²ｕ／（ｙＤ） … 式１
ここで、Ｈ：分級効率、Ｐ₁：粒子（粉体）密度、Ｐ₂：流体密度、ｄ：粒子径、ｕ：入口流体速度、ｙ：流体粘度、Ｄ：サイクロン本体の直径を意味する。
この式から分級効率Ｈについては、以下のことが分かる。
（１）粒子密度Ｐ₁と流体密度Ｐ₂との差が大きいほど、分級効率が向上する。
（２）粒子径ｄが大きいほど、分級効率が向上する（２乗で向上）。
（３）入口流体速度ｕが速いほど、分級効率が向上する。
（４）流体粘度ｙが小さいほど、分級効率が向上する。
（５）サイクロン本体の直径Ｄが小さいほど、分級効率が向上する。

このようなことから、現在では、直径の小さなサイクロンを複数並列配置したマルチサイクロンやこの改良形態なども提案されている（例えば、特許文献４参照。）。しかしながら、マルチサイクロンは、粉体を含むガスの分配が複雑であり、また、装置が大型化するため、設備コストが増加するとの問題を有している。

また、そもそもサイクロンは、一度設計して運用すると分級効率が固定されるとされているが、実際の運用では、粉体の流入量増加に伴って入口流体速度が遅くなったり、温度の変化に伴って流体密度Ｐ₂や流体粘度ｙが変化したりするため、分級効率を維持するのが困難である。現在のところ、一般的な分級効率（精度）は、粒径１５μｍ以上に対して５０％程度が限界となっている。

特開平１０‐３８４号公報 特開２００６‐１０２６５７号公報 特開２００３‐１９０８３８号公報 特開１０‐２６３４３９号公報

本発明が解決しようとする主たる課題は、分級精度を向上させることができ、しかも設備コストを抑えることができる分級装置を提供することにある。

上記課題を解決した本発明は、次の通りである。
〔請求項１記載の発明〕
円柱状の分級室と、この分級室内と連通する入口管及び出口管とを有し、
粉体を含むガスが、前記入口管を通して前記分級室内に接線流入され、当該分級室内の外周部を下降旋回し、
前記分級室内の中心部を上昇するガスが、前記出口管を通して排出される構成とされた分級装置であって、
前記分級室の底面が閉じられ、かつ中心部に向かって上方に突出する円錐台状とされ、
前記分級室の底面上に前記分級室内のガスに旋回力を及ぼす旋回手段が備えられ、
この旋回手段は、前記円錐台状とされた底面の頂面中心部を貫き、かつ前記分級室の軸と同軸とされた回転軸と、この回転軸を軸として回転する回転羽根と、前記分級室外に配置されて前記回転軸に回転力を与える駆動源とで構成されており、
前記分級室の内周面に上下方向に延びるスリットが形成され、このスリットを通して前記分級室内の外周部を旋回する粉体を含むガスが排出される構成とされ、
前記スリットの上端縁が、前記入口管開口の下端縁と同じか、下方に位置し、
前記スリットからのガス排出量が、前記入口管からのガス流入量の５〜１０％となるように構成されている、
ことを特徴とする分級装置。

〔請求項２記載の発明〕
前記円錐台状とされた底面は、円錐面の立ち上がり角が３０〜７５°とされ、高さが前記分級室の高さの１／３〜１／６とされている、
請求項１記載の分級装置。

〔請求項３記載の発明〕
前記スリットから排出された粉体を含むガスの除塵手段が設けられ、
この除塵手段を経たガスが、前記入口管を通して前記分級室内に再流入される構成とされている、
請求項１又は請求項２記載の分級装置。

本発明によると、分級精度を向上させることができ、しかも設備コストを抑えることができる分級装置となる。

本実施の形態の分級装置の平面図である。 本実施の形態の分級装置の側面図である。

次に、本発明の実施の形態を説明する。なお、本形態の分級装置は、ガス中の粒径の大きな粉体（粗粒子）と粒径の小さな粉体（微粒子）とを分離するために利用することも可能であるが、以下では、微粒子まで含めた全ての粉体を回収し、清浄ガスと粉体とに分離する場合を例に説明する。

図１及び図２に示すように、本形態の分級装置１は、内空部が円柱状の分級室１１とされた、適宜の形状の、図示例では円筒状のサイクロン本体１０と、分級室１１内と連通する入口管２１、出口管２２及び回収手段５０とを主に有する。

本形態の分級装置１においては、粉体を含むガスＧ１が、入口管２１を通して分級室１１内に接線流入される。この分級室１１内に流入された粉体を含むガスＧ１は、当該分級室１１内の外周部（内周面１１ａに近い側の部位）を下降旋回し、この下降旋回過程において、ガスＧ１中の粉体が遠心力によって内周面１１ａ側に集まる。結果、粉体を含むガスＧ１は、内周面１１ａ側の粉体を含むガスＧ１と、中心部側（軸心Ｘ側）の粉体を含まない清浄ガスＧ２とに分離される。この中心部側の粉体を含まない清浄ガスＧ２は、その流れの方向を下方から上方に変えて、分級室１１内の中心部（軸心Ｘの近傍部）を上昇する（反転上昇）。この中心部を上昇する清浄ガスＧ２は、出口管２２を通して排出される。この排出は、出口管２２の下流に設けられた図示しない吸引ファンなどによって促進することができる。

本形態の分級装置１において、処理の対象となる粉体を含むガスＧ１の種類は、特に限定されない。粉体を含むガスＧ１としては、例えば、セメント、食品粉体等の粉体製品を含むガスや、工場から排出される金属微粉等の粉塵を含むガス、あるいはコークスやカーボンを含むガスなどを例示することができる。

また、分級装置１の入口管２１は、粉体を含むガスＧ１を分級室１１内に接線方向に流入（接線流入）することができるものであれば足り、その形状、材質等は、特に限定されない。図示例では、上流側が断面円形状とされ、かつ下流側が上下方向に長い断面長方形状とされた管状とされており、分級室１１内に面する開口２１ａも上下方向に長い長方形状とされている。

他方、分級装置１の出口管２２は、分級室１１の天面１１ｃの中央部を貫通しており、下端縁２２ａ側の部位（下側部）が分級室１１内に配置されている。また、この出口管２２の下側部は、分級室１１内の中央部に位置し、当該下側部の周りを、入口管２１から流入した粉体を含むガスＧ１が旋回する構成とされている。したがって、出口管２２の下側部は、少なくとも外周面が円形状とされ、特に本形態では出口管２２が全長にわたって、分級室１１と同軸の円筒状とされている。また、出口管２２の下端縁２２ａによって形成された分級室１１内に面する開口も、円形状とされている。さらに、出口管２２の下端縁２２ａは、入口管２１から流入した粉体を含むガスＧ１が、そのまま出口管２２を通して排出されることのないよう、入口管２１の開口２１ａの下端縁と同じか、それよりも下方に位置するように構成されている。

本形態の分級装置１は、分級室１１の底面１１ｂが閉じられている、という特徴を有する。つまり、本形態の分級装置１には、従来のサイクロンのように、筒状部の下方において連続する円錐部が設けられておらず、底面１１ｂから粉体が重力によって下方に移動し、あるいは排出される構成となっていない。したがって、従来のサイクロンを利用した分級装置と比べて、円錐部を有しない分、高さ方向の寸法を小さくすることができ、分級装置１全体を小型化することができる。また、従来のサイクロにおいては、粉体を含むガスＧ１の筒状部での旋回速度が入口管からの流入速度とほぼ同じで、その速度を維持したまま、筒状部を下降し、円錐部に移動していくものであった。したがって、径の狭まる円錐部では、粉体を含むガスＧ１の旋回速度が速くなるため、円錐部内周面が摩耗し易く、この摩耗を防止するためのコストがかかった。しかしながら、本形態の分級装置１は、円錐部を有しないため、かかる摩耗対策のためのコストを要せず、設備コストを削減することができる。さらに、従来のサイクロンにおいても、粉体を含むガスＧ１は、サイクロン本体内の外周部を下降旋回し、この下降旋回過程において遠心力によって粉体が内周面側に集まり、当該粉体と分離された清浄ガスはサイクロン本体内の中心部を反転上昇するものであった。しかしながら、従来のサイクロンにおいては、サイクロン本体の円錐部で内周面と中心部との距離が近くなり、粉体が中心側に近づいてくる構造であったため、粉体の一部が上昇する清浄ガスＧ２中に取り込まれ、結果、分級精度が低下していた。しかしながら、本形態の分級装置１は、円錐部を有しないため、粉体の一部が上昇する清浄ガスＧ２中に取り込まれることがなく、分級精度の低下が防止される。

さらに、本形態の分級装置１は、分級室１１の底面１１ｂ上に、分級室１１内の粉体を含むガスＧ１に旋回力を及ぼす旋回手段３０が備えられている、との特徴を有する。この点、従来のサイクロンにおいては、サイクロン本体内に接線流入する粉体を含むガスＧ１の流入力によって、サイクロン本体内のガスが旋回する原理が採用されていた。しかしながら、サイクロン本体の内周面の真円度や粗さに起因して気流剥離が生じたり、粉体が内周面と接触したりすることなどによって、当該旋回流には乱れが生じていた。そして、この旋回流の乱れによって、粉体の一部（特に、微粒子。）が中心部側に移動し、上昇する清浄ガスＧ２中に取り込まれ、分級精度が低下する原因となっていた。しかしながら、本形態の分級装置１においては、旋回手段３０によって分級室１１内のガスＧ１に旋回力を及ぼすため、粉体を含むガスＧ１の旋回が安定し、粉体の一部が上昇する清浄ガスＧ２中に取り込まれるということがなくなり、分級精度の低下が防止される。また、本形態の分級装置１のように、旋回手段３０が備わると、分級室１１内における粉体を含むガスＧ１の旋回速度を、入口管２１からの流入速度に依存させず、旋回手段３０によって制御することができるようになるため、この旋回速度を任意の所定の値に、例えば、１５〜３０ｍ／ｓに制御することができる。結果、分級精度を安定化させることができ、また、例えば、旋回速度を変更することによって、分級点等を任意の値に変更することができる。

一方、本形態の分級装置１においては、分級室１１の底面１１ｂが、中心部に向かって上方に突出する円錐台状とされている。また、旋回手段３０は、当該円錐台状部３１の頂面中心部を貫き、分級室１１の軸Ｘと同軸とされた回転軸３２と、この回転軸３２を軸として回転する回転羽根３３と、円錐台状部３２内に納められて、つまり分級室１１外に配置されて、回転軸３２に回転力を与える駆動源たるモーター３４と、で主に構成されている。この点、分級室１１の底面１１ｂは、例えば、平面状とすることもできるが、本形態のように中心部に向かって上方に突出する円錐台状とすると、清浄ガスＧ２の反転上昇を円滑に誘導することができ、よりいっそう分級精度が向上する。また、通常のサイクロンにおいては、粉体の噛み込み等の問題から、駆動部の存在を嫌う傾向にある。しかしながら、本形態の分級装置１においては、旋回手段３０の回転軸３２が分級室１１の中心部に位置し、当該中心部は粉体を含まない清浄ガスＧ２が存在する領域であるため、粉体の噛み込み等の問題がほとんど生じない。しかも、本形態においては、底面１１ａが円錐台状とされ、この円錐台状部３１の頂面に回転軸３２が位置するように設計されており、反転上昇する清浄ガスＧ２が円錐台状部３１の円錐面（テーパー面）に沿って流れ、その後、上方へ上昇してしまい、回転軸３２近傍（頂面に沿った部位）を流れない設計とされているため、よりいっそう粉体の噛み込み等の問題が生じない構成とされている。

本形態の分級装置１においては、円錐台状部３１の円錐面の立ち上がり角θを、どの程度とするかが、特に限定されない。ただし、以上のように、清浄ガスＧ２を出口管２２に向かって円滑に誘導し、また、回転軸３２への粉体の噛み込みを防止するという観点からは、立ち上がり角θを、例えば、３０〜７５°とするのが好ましく、４５〜６０°とするのがより好ましい。また、円錐台状部３１の高さＬ２をどの程度とするかも、特に限定されないが、同様の観点からは、円錐台状部３１の高さＬ２が、分級室１１の高さＬ１の１／３〜１／６となるようにするのが好ましく、１／４〜１／５となるようにするのがより好ましい。

一方、本形態の分級装置１においては、分級室１１の内周面１１ａに、つまりサイクロン本体１０の周壁に、上下方向に延びる直線状のスリット４０が形成され、このスリット４０を通して分級室１１内の外周部を旋回する粉体を含むガスＧ１が、接線方向に排出（接線排出）される構成とされている。この点、分級室１１内における粉体を含むガスＧ１の旋回速度は、回転半径に比例するため、粉体が受ける遠心力や動圧は、内周面１１ａ近傍で最大となる。したがって、密度や粒径の大きい粉体（粗粒子）ほど内周面１１ａ側に集まり、中心部に向かうに従って粒子径の小さな粉体が集まる傾向にある。結果、内周面１１ａ近傍における粗粒子の旋回流によって、微粒子の内周面１１ａ近傍への移動が阻害され、内周面１１ａに到達できない状態となるのが通常である。このようなことから、従来のサイクロンにおいては、微粒子が反転上昇する清浄ガスＧ２に取り込まれ易く、分級精度が低下する原因となっていた。しかしながら、本形態の分級装置１においては、スリット４０を通して粗粒子を含む旋回流が排出されるため、微粒子が内周面１１ａまで到達し、また、この微粒子も当該スリット４０から排出されるため、上昇する清浄ガスＧ２に取り込まれることがなく、分級精度が飛躍的に向上する。また、このように粗粒子が早期に排出されると、旋回による摩耗が減少するため、分級室１１の耐摩耗性が向上する。さらに、分級精度の向上は、例えば、出口管２２の後流に備わる吸引ファンの摩耗防止につながるなどの副次的効果をも生み出す。加えて、従来のサイクロンのように、出口管２２からガスの全量を排出するのではなく、本形態のように、一部をスリット４０から排出するように構成すると、清浄ガスＧ２に取り込まれる粉体の量をよりいっそう減らすことができ、分級精度が一段と向上する。なお、このようにして本形態の分級装置１においては、従来のサイクロンにおけるような円錐部での重力下降が不要となっているため、円錐部が設けられておらず、上下方向の高さＬ１を、例えば、従来のサイクロンの５分の１程度に抑えることができる。

本形態において、スリット４０から排出されるガスＧ１の流量（排出量）は、特に限定されるものではないが、入口管２１から流入するガスの流量（流入量）の５〜１０％となるように構成されているのが好ましく、７〜１０％となるように構成されているのがより好ましい。ガスＧ１の排出量を１０％以下に抑えることにより、例えば、スリット４０から排出されたガスＧ１中の粉体を、バグフィルターやサイクロン等の集塵・除塵装置を利用して回収する場合において、当該回収コストを大幅に削減することができる。また、特に、サイクロンを利用して回収する場合は、処理風量が少ないため、サイクロン本体の径を小さくすることができ、分級精度に優れる。

なお、スリット４０からのガスＧ１の排出量は、清浄ガスＧ２とともに出口管２２から排出される粉体（通常、微粒子。）が存在しなくなる範囲で、できる限り減らすのが好ましく、したがって、分級室１１内におけるガスＧ１の旋回速度、つまり回転羽根３３の回転速度にも依存する。一般には、回転羽根３３の回転速度が速くなると、前述分級効率Ｈの式１において、入口流体速度ｕが速くなるのと同様に、分級効率が向上するため、スリット４０からのガスＧ１の排出量を減らすことができる。

本形態の分級装置１において、スリット４０は、上端縁４０ａが、入口管２１の開口２１ａの下端縁と同じ上下位置か（図示例）、下方に位置するように形成するのが好ましい。この点、入口管２１の開口２１ａ近傍では、分級室１１内を旋回する粉体を含むガスＧ１と、当該入口管２１から流入する粉体を含むガスＧ１とが合流するため、乱流が生じる。したがって、粉体を含むガスＧ１の旋回が安定化しており、中心部側に粉体が確実に存在しない状態となった後、つまり、入口管２１の開口２１ａの下端縁と同じ上下位置か、下方において、粉体を含むガスＧ１がスリット４０から排出されるように構成するのが好ましい。なお、スリット４０の下端縁の位置は、特に限定されず、図示例では、分級室１１の下端縁、つまり底面１１ｂに達する位置とされている。

一方、スリット４０の数は、少ない方が好ましく、図示例のように１本とするのが最適である。スリット４０の数を多くすると、分級室１１の内周面１１ａに近い粉体、つまり粗粒子のみがスリット４０から排出され、微粒子が排出されなくなるため、分級精度が十分に向上しなくなるおそれがある。もちろん、個々のスリット４０から排出されるガスＧ１の排出量を多くすれば、かかる問題は解決されるが、それではスリット４０から排出されるガスＧ１の総排出量も多くなり、排出されたガスＧ１の処理負荷が増すことになる。

本形態においては、スリット４０から排出された粉体を含むガスＧ１が、分級室１１に対して接線方向に延びる断面長方形状の連通路５１内を通して、回収手段５０に、図示例では小型の回収サイクロンに送られる。この点、従来のサイクロンにおけるように、粉体を重力下降させ、装置底部に貯留する形態によると、貯留された粉体を所望の場所へ搬送する場合、ロータリーバルブやテーブルフィーダー等によって圧送管内に切り出し、ブロワからの圧縮エア等によって当該圧送管内を圧送する必要があり、装置コストが嵩むとの問題が存在する。しかしながら、本形態のように連通路５１が接線方向に設けられていると、粉体を含むガスＧ１が接線方向に排出され、そのまま任意の場所に搬送することもできるため、装置コストが嵩むとの問題が生じない。

一方、本形態において、回収手段５０は、連通路５１と連続する第１の筒状部５２と、この第１の筒状部５２の下側において連続する円錐部５３と、この円錐部５３の下側において連続する第１の筒状部より小径の第２の筒状部５４と、を主に有する。スリット４０から排出された粉体を含むガスＧ１は、第１の筒状部５２内において下降旋回し、円錐部５３において旋回速度を速められ、第２の筒状部５４を通して、通常は第２の筒状部５４と連通するダクト、配管等を通して、任意の場所に搬送される。

ただし、第２の筒状部５４から搬送される粉体を含むガスＧ１は、小風量のフィルターや、小型サイクロン等の除塵手段を通して粉体回収し、更に入口管２１を通して分級室１１内に再流入させると好適である。この形態によると、除塵手段によって除塵されなかった小さな粒径の粉体（微粒子）が再度分級装置１によって処理されることになるため、最終的には除塵され、分級精度が向上する。

本発明は、セメント、食品粉体等の粉体製品や、金属微粉、コークスなどの粉体を含むガスを分級する分級装置として適用可能である。

１…分級装置、１０…サイクロン本体、１１…分級室、１１ａ…内周面、１１ｂ…底面、１１ｃ…天面、２１…入口管、２１ａ…開口、２２…出口管、２２ａ…下端縁、３０…旋回手段、３１…円錐台状部、３２…回転軸、３３…、回転羽根、３４…モーター、４０…スリット、５０…回収手段、５１…連通路、５２…第１の筒状部、５３…円錐部、５４…第２の筒状部、Ｇ１…粉体を含むガス、Ｇ２…清浄ガス。

Claims (3)

1. 円柱状の分級室と、この分級室内と連通する入口管及び出口管とを有し、
   粉体を含むガスが、前記入口管を通して前記分級室内に接線流入され、当該分級室内の外周部を下降旋回し、
   前記分級室内の中心部を上昇するガスが、前記出口管を通して排出される構成とされた分級装置であって、
   前記分級室の底面が閉じられ、かつ中心部に向かって上方に突出する円錐台状とされ、
   前記分級室の底面上に前記分級室内のガスに旋回力を及ぼす旋回手段が備えられ、
   この旋回手段は、前記円錐台状とされた底面の頂面中心部を貫き、かつ前記分級室の軸と同軸とされた回転軸と、この回転軸を軸として回転する回転羽根と、前記分級室外に配置されて前記回転軸に回転力を与える駆動源とで構成されており、
   前記分級室の内周面に上下方向に延びるスリットが形成され、このスリットを通して前記分級室内の外周部を旋回する粉体を含むガスが排出される構成とされ、
   前記スリットの上端縁が、前記入口管開口の下端縁と同じか、下方に位置し、
   前記スリットからのガス排出量が、前記入口管からのガス流入量の５〜１０％となるように構成されている、
   ことを特徴とする分級装置。
2. 前記円錐台状とされた底面は、円錐面の立ち上がり角が３０〜７５°とされ、高さが前記分級室の高さの１／３〜１／６とされている、
   請求項１記載の分級装置。
3. 前記スリットから排出された粉体を含むガスの除塵手段が設けられ、
   この除塵手段を経たガスが、前記入口管を通して前記分級室内に再流入される構成とされている、
   請求項１又は請求項２記載の分級装置。

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