JP6333089B2 - 微粉粒子の沈降装置及び沈降方法 - Google Patents

Description

本発明は、処理炉から水槽に排出される微粉粒子を水槽の水中に沈降させるための装置及び方法に関する。

処理炉の例として、各種廃棄物（一般廃棄物、産業廃棄物）の焼却炉；乾留炉；石炭、バイオマス等の炭化炉などが挙げられる。これらの炉から排出される微粉粒子はシュートと称される筒を介して水槽に導入される。水槽には水が収容されており、その水面よりも低い位置にまでシュート先端は延びている。これにより、処理炉から水槽に微粉粒子を供給する際、外気が処理炉内に入り込むことを防止するとともに、処理炉内の可燃性ガスが外部に漏れることを防止している。このような用途に使用される水槽は水封槽と称される。

処理炉からは高温（例えば４００℃超）の微粉粒子が排出されるため、水槽はこれを冷却するための役割がある（特許文献１参照）。また、処理炉に供給される原料又は処理炉の操業条件によっては、水よりも軽い濡れ性の低い微粉粒子が得られる。この性質を利用して水槽において微粉粒子と熱分解残渣に含まれる金属とを分離する装置が知られている（特許文献２参照）。

特許第３４７１２３９号公報 特開２００５−７４３２０号公報

ところで、上記特許文献２に記載の発明が対象とする微粉粒子とは反対に、水よりも重い微粉粒子が処理炉から水槽に供給される場合もある。この場合、水槽の水中に沈降した微粉粒子は、例えば水槽の底部から外に延びるフライトコンベアで回収される。しかし、微粉粒子が比較的小さい粒径（例えば平均粒径２ｍｍ弱）である場合、水中に微粉粒子を一旦浸せばそのまま沈降するものの、そのような措置を取らないとシュート内の水面付近に浮いた状態で堆積しやすいことを本発明者らは見出した。微粉粒子が水中に速やかに沈降しないと、微粉粒子がシュートを閉塞するなどの操業上の不具合を招来するおそれがある。

本発明は、水槽内の水中に微粉粒子を十分速やかに沈降させることが可能な微粉粒子の沈降装置及び沈降方法を提供することを目的とする。

本発明に係る沈降装置は、処理炉からの微粉粒子を水中に沈降させるためのものであり、水を収容する水槽と、処理炉に基端側が接続され且つ先端側が水槽内の水の水面よりも下方の位置まで延びる筒状のシュートと、シュートの先端側開口の中央領域に設けられ、水槽内の水であってシュートの先端側で囲われた領域の水（以下、場合により単に「シュート内の水」という。）に上昇流を生じさせる第一のノズルと、シュートの先端側内部に設けられ、シュート内の水に旋回流を生じさせる第二のノズルとを備える。

上記沈降装置によれば、シュート内の水、すなわち処理炉からの微粉粒子が落下してくる領域の水に上昇流及び旋回流の両方を生じさせることができる。第一のノズルによる上昇流は、水面の中央領域を盛り上げ、その後、シュートの内面を沿った下降流となると推察される。第一のノズルによる上昇流及びその後の下降流と、第二のノズルによる旋回流とに起因した水流が微粉粒子を水中に速やかに沈降させるのに寄与すると推察される。

上記沈降装置は複数の第一のノズルを備えてもよい。この場合、少なくとも一つの第一のノズルは先端側開口の中央部に設けられ、残りの第一のノズルは中央部に設けられた第一のノズルを囲うように設けてもよい。かかる構成を採用することで、より安定した上昇流を生じさせることができる。

上記沈降装置は複数の第二のノズルを備えてもよい。この場合、複数の第二のノズルはシュートの先端側内面に周方向に並ぶように設けてもよい。かかる構成を採用することで、より安定した旋回流を生じさせることができる。

上記沈降装置は水槽に設けられた排水口と、排水口に基端側が接続され且つ途中にポンプ及びクーラーを有する循環ラインとを更に備えてもよい。この場合、循環ラインによって循環される水を第一及び第二のノズルから噴射される水として使用してもよい。冷却された水を第一及び第二のノズルから噴射させることで、微粉粒子を効率的に冷却でき、これによりシュート内の水の蒸発を抑制できる。なお、シュート内の水が過度に蒸発し、水蒸気が処理炉内に流入すると処理炉内で生成する微粉粒子の質が低下するおそれがある。

本発明に係る沈降方法は、処理炉からの微粉粒子を水中に沈降させるためのものであり、処理炉に基端側が接続され且つ先端側が水槽内の水の水面よりも下方の位置まで延びる筒状のシュートを介して水槽に微粉粒子を導入する工程と、シュートの先端側開口の中央領域に設けられた第一のノズルから水を噴射することによってシュート内の水に上昇流を生じさせる工程と、シュートの先端側内部に設けられた第二のノズルから水を噴射することによってシュート内の水に旋回流を生じさせる工程とを備える。

第一のノズルから噴射する水の線速度は、安定的な上昇流を生じさせる観点から１〜１２ｍ／秒とすることができる。第二のノズルから噴射する水の線速度は、安定的な旋回流を生じさせる観点から１〜６ｍ／秒とすることができる。

上記沈降方法は、水槽から排出させた水を冷却するとともに冷却した水を水槽に循環させる工程を更に備えてもよい。この場合、冷却した水を第一及び第二のノズルから噴射させる水として使用してもよい。冷却された水を第一及び第二のノズルから噴射させることで、微粉粒子を効率的に冷却でき、これによりシュート内の水の蒸発を抑制できる。

本発明によれば、水槽内の水中に微粉粒子を十分速やかに沈降させることができる。

本発明に係る沈降装置の構成を模式的に示す断面図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 複数の第一のノズルの配置の他の例を模式的に示す平面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜沈降装置＞
図１に示す沈降装置１０は、処理炉（不図示）からの微粉粒子を水中に沈降させるためのものである。処理炉の例としては、ストーカ式、流動床式、ロータリーキルン式などの炉が挙げられ、より具体的には各種廃棄物（一般廃棄物、産業廃棄物）の焼却炉；乾留炉；石炭、バイオマス等の炭化炉などが挙げられる。

沈降装置１０は、円筒状のシュート５と、水を収容する水槽７と、水槽７内の水を冷却する機能を有する循環ラインＬ１とを備える。更に、沈降装置１０は、水槽７内の水であってシュート５の先端側で囲われた領域の水（以下単に「シュート５内の水」という。）に上昇流を生じさせる複数のノズル（第一のノズル）１と、シュート５内の水に旋回流を生じさせる複数のノズル（第二のノズル）２とを備える。なお、沈降装置１０は、沈降した微粉粒子を水槽７から回収するフライトコンベア８とともに微粉粒子の冷却回収設備を構成する。以下、各構成について説明する。

シュート５は、処理炉に基端側が接続されており、処理炉で生成した微粉粒子を水槽７に移送するためのものである。シュート５の先端側は水槽７内の水の水面Ｓよりも下方の位置まで延びている（図１参照）。これにより、処理炉から水槽７に微粉粒子を供給する際に外気が処理炉内に入り込むことを防止するとともに、処理炉内の可燃性ガスが外部に漏れることを防止している。シュート５の先端５ａと水面Ｓとの距離は２０〜４０ｃｍ程度とすればよい。シュート５の形状は例えば円筒状であり、その内径は０．５〜１．５ｍ程度とすればよい。シュート５の内径は例えば処理炉の規模に応じて設定すればよい。

水槽７は、処理炉からの微粉粒子を冷却するためのものである。水槽７に水を入れ、水面Ｓの高さをシュート５の先端５ａよりも高い位置にすることでシュート５内の空間と外部とを水によって隔離できる。水槽７は、水平方向に平たく延びる底面７ａと、側面７ｂとを有する。水槽７は微粉粒子を十分に冷却できる水量を収容可能であることが好ましく、水深は１〜２ｍ程度とすればよい。

循環ラインＬ１は、水槽７内の水を冷却する機能を有する。なお、ここでいう「ライン」は流体を移送するための配管を意味する。循環ラインＬ１は水槽７に設けられた排水口７ｃに基端側が接続されている。水槽７は、途中にポンプＰとクーラーＣとを有する。循環ラインＬ１の先端側はヘッダー管３を介してノズル１，２に接続されており（図２参照）、クーラーＣによって冷却された水をノズル１，２から噴射できるように構成されている。冷却された水をノズル１，２から噴射させることで、微粉粒子を効率的に冷却でき、これによりシュート５内の水の蒸発を抑制できる。なお、図示しないがヘッダー管３及び循環ラインＬ１の複数の箇所にはそれぞれのバルブが設けられており、ノズル１，２の噴射量を適宜調節できるように構成されている。

フライトコンベア８は、水槽７の水中に沈降した微粉粒子を容器９に回収するための装置（回収装置）であり、沈降装置１０とともに冷却回収設備を構成する。フライトコンベア８は、水槽７の底面７ａと１つの側面７ｂとに沿って設けられている。なお、微粉粒子の回収装置としては、フライトコンベア８に限定されず、例えば、底面７ａ上に堆積した微粉粒子を掻き出す機構を有する装置を採用してもよい。

複数のノズル１は、シュート５内の水に上昇流を生じさせるためのものであり、シュート５の先端５ａの開口（先端側開口）５ｂの中央領域に設けられている（図２参照）。循環ラインＬ１からの水がノズル１から上方に向けて噴射される。本実施形態においては、計５つのノズル１が使用され、図２に示すとおり、そのうちの１つのノズル１ａは開口５ｂの中央部に設けられ、残りの４つのノズル１ｂはノズル１ａを囲うように設けられている。かかる構成を採用することで、より安定した上昇流を生じさせることができる。なお、ノズル１の本数及び配置は上記態様に限定されない。例えば、図３に示すように、計８本のノズル１を同心円状に並べてもよい。

複数のノズル２は、シュート５内の水に旋回流を生じさせるためのものであり、シュート５の先端５ａ側の内面（先端側内部）５ｃに設けられている（図１，２参照）。本実施形態においては、計４つのノズル２が使用され、図２に示すとおり、シュート５の内周（周方向）に沿って略等間隔に並ぶように設けられている。ノズル２の噴射方向と、ノズル２が設けられている位置におけるシュート５の円周の接線方向とのなす角（図２に示す角度α）は、シュート５内の水に安定的な水流を形成する観点から、好ましくは３０〜６０°であり、より好ましくは３０〜４５°である。ノズル２の設置高さは、同様の観点から、水面Ｓから２〜１０ｃｍ下であることが好ましく、３〜８ｃｍ下であることがより好ましい。なお、ノズル２の本数及び配置は上記態様に限定されない。また、ここではノズル２から水を水平方向に噴射させる場合を例示したが、噴射方向を上方又は下方に傾斜させてもよい。

沈降装置１０によれば、ノズル１，２が生じさせる水流によって水槽７内の水中に微粉粒子を十分速やかに沈降させることができる。また、沈降装置１０は、機械的な可動部を必要としないノズル１，２によって水流を生じさせるため、装置の構成がシンプルであり且つメンテナンスが容易であるという利点がある。これに対し、例えばパドルのような機械的な可動部を有する装置を水中で使用した場合には回転軸のシールが必要であったり、高い頻度でメンテナンスをする必要があるという課題が生じやすい。

＜沈降方法＞
次に、沈降装置１０を使用して処理炉からの微粉粒子を水槽７内に沈降させる方法について説明する。

沈降装置１０は、平均粒径０．５〜５ｍｍ（より好ましくは０．５〜２ｍｍ）程度の微粉粒子であって、一旦水中に浸ればそのまま沈降する比重を有するものを対象とすることができる。このような性質を有する微粉粒子の例としては、一般廃棄物を乾留して生成された炭化物；バイオマス、廃タイヤ又は石炭等を処理して生成する炭化物などが挙げられる。なお、ここでいう平均粒径はＪＩＳ Ｚ８８１５（１９９４）の「ふるい分け試験方法通則」に規定された方法に準拠した測定値から算出される体積平均径を意味する。

本実施形態に係る沈降方法は、シュート５を介して水槽７に微粉粒子を導入する工程と、水槽７の排水口７ｃから排出させた水を循環ラインＬ１の途中に設けたクーラーＣによって冷却させる工程と、循環ラインＬ１からの水をノズル１から噴射することによってシュート５内の水に上昇流を生じさせる工程と、循環ラインＬ１からの水をノズル２から噴射することによってシュート５内の水に旋回流を生じさせる工程とを備える。

ノズル１から噴射する水の線速度は好ましくは１〜１２ｍ／秒であり、より好ましくは３〜６ｍ／秒である。この線速度が１ｍ／秒以上であれば十分な上昇流を生じさせることができ、他方、１２ｍ／秒以下であれば噴射した水が水面Ｓから上方に噴出することを抑制できる。

ノズル２から噴射する水の線速度は好ましくは１〜６ｍ／秒であり、より好ましくは２〜４ｍ／秒である。この線速度が１ｍ／秒以上であれば十分な旋回流を生じさせることができ、他方、６ｍ／秒以下であれば水面Ｓが乱れたり、水が泡立ったりすることを抑制できる。水面Ｓが乱れるとシュート５の内部と外部とが導通し、シュート５を通じて外気が処理炉内に入り込んだり、処理炉からの可燃性ガスが外部に漏れたりするおそれがある。

排水口７ｃから排出される水の温度が７０〜９０℃程度である場合、循環ラインＬ１におけるクーラーＣによって４０〜６０℃程度まで水を冷却することが好ましい。冷却した水をノズル１，２から噴射することで微粉粒子を効率的に冷却でき、これによりシュート５内の水の蒸発を抑制できる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、クーラーＣを有する循環ラインＬ１によって水を冷却するとともに循環させる態様を例示したが、例えばクーラーＣを使用せず、水を自然冷却させたり循環水と冷水とを混合させたりしてもよい。

１，１ａ，１ｂ…ノズル（第一のノズル）、２…ノズル（第二のノズル）、３…ヘッダー管、５…シュート、５ａ…シュートの先端、５ｂ…シュートの開口（先端側開口）、５ｃ…シュートの内面（先端側内部）、７…水槽、７ａ…底面、７ｂ…側面、７ｃ…排水口、８…フライトコンベア、９…容器、１０…沈降装置、Ｃ…クーラー、Ｌ１…循環ライン、Ｐ…ポンプ、Ｓ…水面、α…角度。

Claims (8)

1. 処理炉からの微粉粒子を水中に沈降させるための沈降装置であって、
   水を収容する水槽と、
   処理炉に基端側が接続され且つ先端側が前記水槽内の水の水面よりも下方の位置まで延びる筒状のシュートと、
   前記シュートの先端側開口の中央領域に設けられ、前記水槽内の水であって前記シュートの先端側で囲われた領域の水に、水を噴射することによって、前記中央領域を上昇し、その後、前記シュートの内面に沿って下降する水流を生じさせる第一のノズルと、
   前記シュートの先端側内部に設けられ、前記水槽内の水であって前記シュートの先端側で囲われた領域の水に、水を噴射することによって旋回流を生じさせる第二のノズルと、
   を備える、沈降装置。
2. 複数の前記第一のノズルを備え、少なくとも一つの前記第一のノズルは前記先端側開口の中央部に設けられ、残りの前記第一のノズルは前記中央部に設けられた前記第一のノズルを囲うように設けられている、請求項１に記載の沈降装置。
3. 複数の前記第二のノズルを備え、前記複数の第二のノズルは前記シュートの先端側内面に周方向に並ぶように設けられている、請求項１又は２に記載の沈降装置。
4. 前記水槽に設けられた排水口と、
   前記排水口に基端側が接続され且つ途中にポンプ及びクーラーを有する循環ラインと、
   を更に備え、
   前記循環ラインによって循環される水が前記第一及び第二のノズルから噴射される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の沈降装置。
5. 処理炉からの微粉粒子を水中に沈降させるための沈降方法であって、
   処理炉に基端側が接続され且つ先端側が水槽内の水の水面よりも下方の位置まで延びる筒状のシュートを介して水槽に微粉粒子を導入する工程と、
   前記シュートの先端側開口の中央領域に設けられた第一のノズルから水を噴射することによって前記水槽内の水であって前記シュートの先端側で囲われた領域の水に、前記中央領域を上昇し、その後、前記シュートの内面に沿って下降する水流を生じさせる工程と、
   前記シュートの先端側内部に設けられた第二のノズルから水を噴射することによって前記水槽内の水であって前記シュートの先端側で囲われた領域の水に旋回流を生じさせる工程と、
   を備える、沈降方法。
6. 前記第一のノズルから噴射する水の線速度は１〜１２ｍ／秒である、請求項５に記載の沈降方法。
7. 前記第二のノズルから噴射する水の線速度は１〜６ｍ／秒である、請求項５又は６に記載の沈降方法。
8. 前記水槽から排出させた水を冷却するとともに冷却した水を前記水槽に循環させる工程を更に備え、
   前記冷却した水を前記第一及び第二のノズルから噴射させる、請求項５〜７のいずれか一項に記載の沈降方法。

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