JP6684986B2 - 電気集塵装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体中の粉塵を帯電させて捕集する電気集塵装置に関する。

従来の電気集塵装置は、帯電部と集塵部とを有する。帯電部は、帯電部の放電極に直流高電圧を印加し、正コロナまたは負コロナを発生させ、帯電部を通過する粉塵を正または負の電荷をもたせて帯電する。集塵部は、帯電した粉塵を直流高電圧が印加された荷電極と接地に繋がれた接地極板で集塵する。

従来、気体中の粉塵を帯電させて捕集する電気集塵装置においては、コロナ放電の高電
界により発生する静電気力で帯電した粉塵を接地極板の板面上に捕集する技術が広く一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、従来の電気集塵装置の原理について図１４を参照しながら説明する。

図１４は、従来の電気集塵装置の帯電部と集塵部の構成を示す構成図である。図１４に示すように、従来の電気集塵装置は、帯電部１０４と集塵部１０５により構成されている。従来の電気集塵装置の内部に吸込まれた気体が流れる方向は、帯電部１０４から集塵部１０５へ向かう方向（図１４における左から右）である。帯電部１０４には＋１１ｋＶ、集塵部１０５には＋８．３ｋＶの直流高電圧が直流高圧電源１０９から供給される。帯電部１０４は、放電線タイプの放電極１０４Ａと接地極板１０４Ｂにより構成されている。放電極１０４Ａに＋１１ｋＶの直流高圧が印加されることで、放電極１０４Ａと接地極板１０４Ｂの間の空間に正コロナ放電が発生する。この正コロナ放電により発生した正イオンが空間中の粉塵に正の電荷を与えるため、粉塵は正に帯電する。帯電した粉塵は、集塵部１０５の荷電極板１０５Ａと接地極板１０５Ｂの間で形成される強電界により発生する静電気力で、接地極板１０５Ｂ上に捕集される。

特開平９−２２５３４０号公報

このような電気集塵装置は、帯電部１０４において、コロナ放電による電力消費が大きいという課題があった。

そこで本発明は、帯電部での電力消費を低減し、電力消費の少ない電気集塵装置を提供する。

本発明の電気集塵装置は、気体流入部および気体流出部を有するケーシングと、ケーシングの内部に設けられ、気体流入部と気体流出部の間に流れる気体中の粉塵を帯電させる帯電部と、を備える。帯電部は、複数の荷電極板と複数の接地極板とを有し、前記荷電極板と前記接地極板は、前記気体の流れる方向に対して平行に千鳥状に配置され、前記荷電極板と前記接地極板は、前記気体の流れる方向において重なる重なり部を有し、前記重なり部の長さは、前記荷電極板と前記接地極板の間隔より長く、荷電極板に高電圧を印加することで発生するグラディエント力により荷電極板および接地極板のそれぞれの端部に粉塵を堆積させることで粉塵を帯電させる。

図１は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置を使用したトンネル換気設備の内部を透視した斜視図である。 図２は、図１の２−２断面の構成図である。 図３は、図１の３−３断面の構成図である。 図４は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置を使用したトンネル換気設備について上面から内部を透視した構成図である。 図５は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の構成図である。 図６は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の極板の配置を表す概念図である。 図７は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の極板の配置を表す概念図である。 図８は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の電界領域を表す概念図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部内での粉塵の動きを表す概念図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部内での粉塵の動きを表す概念図である。 図１０は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置内での粉塵の動きを表す概念図である。 図１１は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の極板の形状を表す側面図である。 図１２は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の構成を表す組立て斜視図である。 図１３は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の構成を表す組立て斜視図である。 図１４は、従来の電気集塵装置の帯電部と集塵部の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
まず、本発明の電気集塵装置の一例として、トンネル換気設備に使用される電気集塵装置を図１〜図４を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置を使用したトンネル換気設備の内部を透視した斜視図である。図２は、図１の２−２断面の構成図である。図３は、図１の３−３断面の構成図である。図４は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置を使用したトンネル換気設備について上面から内部を透視した構成図である。

図１〜図３に示すように、電気集塵装置３は、トンネル本線１の上部で、換気吸込口２と換気吐出口６を連通する換気風路４の内部に設けられている。

換気風路４の下流側には、換気ファン５が設置されている。電気集塵装置３の側方には、電気集塵補機７と、電気集塵装置３および電気集塵補機７を作動させる高圧発生盤８と、制御盤９とが設置されている。

本実施の形態では、換気風路４は３系統あり、図４に示すように、換気吸込口２、電気集塵装置３、換気風路４、換気ファン５で１系統を構成し、共通の換気吐出口６は３系統をまとめた吐出口とする。

次に、電気集塵装置３の構成について図５を用いて以下に説明する。なお、図５に示す風向とは、吸込んだ気体の流れる方向を示す。

図５は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の構成図である。

図５に示すように、電気集塵装置３は、ケーシング１０と、帯電部１２および集塵部１３を有する集塵ユニット１１と、ダンパ３１と、洗浄配管３２と、配線端子箱３３とを備える。ケーシング１０には気体流入部４１と気体流出部４２とが設けられている。気体流入部４１は、集塵ユニット１１の上流側に設けられ、吸込んだ気体が流入する。気体流出部４２は、集塵ユニット１１の下流側に設けられ、吸込んだ気体が流出する。

図２にも示したように、集塵ユニット１１は、ケーシング１０の内部における気体流入
部４１と気体流出部４２の間に複数個設けられている。帯電部１２は気体流入部４１側に配置され、集塵部１３は気体流出部４２側に配置されている。

ダンパ３１は、集塵ユニット１１よりも上流側に設けられている。ダンパ３１は、例えば帯電部接地極板１４などの極板を水洗浄する際に閉じ、水がケーシング１０の外部へと飛散することを防止する。洗浄配管３２は、集塵ユニット１１よりも下流側の上部に設けられている。洗浄配管３２は、ケーシング１０の内部に形成されており、例えば帯電部接地極板１４などの極板や碍子２４（図１２参照）を洗浄するための配管である。洗浄配管３２の材質は、例えばステンレスまたは樹脂が好ましいが、強度を保つ構成にできれば特に限定しない。

配線端子箱３３は、集塵ユニット１１よりも下流側の下部に設けられている。配線端子箱３３は、高圧発生盤８（図１参照）からの配線を一旦端子受けする箱で、配線端子箱３３の端子から帯電部１２および集塵部１３へと配線されており、帯電部荷電極板１５および集塵部荷電極板１７に高電圧を印加する。

次に、集塵ユニット１１の帯電部１２の構成について図６および図７を用いて以下に説明する。

図６は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の極板の配置を表す概念図である。図７は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の極板の配置を表す概念図である。なお、以下の説明において平行とは完全な平行を意味するのではなく、数度程度傾いた略平行も含む。

図６に示すように、集塵ユニット１１は、上流側に設けられた帯電部１２と、下流側に設けられた集塵部１３と、帯電部高圧電源１８と、集塵部高圧電源１９とを有する。

帯電部１２は、接地極板の一例としての帯電部接地極板１４と荷電極板の一例としての帯電部荷電極板１５とを有し、それら帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５が交互に、吸込んだ気体の流れる方向に対して平行に、かつ千鳥状に配置されている。帯電部接地極板１４は、上流側に形成された風上端部４３と下流側に形成された風下端部４４とを有する。帯電部荷電極板１５は、上流側に形成された風上端部４５と下流側に形成された風下端部４６とを有する。

集塵部１３は、集塵部接地極板１６と集塵部荷電極板１７を、吸込んだ気体の流れる方向に対して平行に配置する。帯電部接地極板１４、帯電部荷電極板１５、集塵部接地極板１６、集塵部荷電極板１７の材料は、例えばＳＵＳ３０４などの導電性を有する材料であればよく、板厚は０．４〜０．５ｍｍが好ましい。

帯電部高圧電源１８は、帯電部荷電極板１５を荷電する。集塵部高圧電源１９は、集塵部荷電極板１７を荷電する。

図７は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の極板配置を表す概念図である。

図７に示すように、例えば、帯電部接地極板１４の奥行き（長さ）Ｇおよび帯電部荷電極板１５の奥行き（長さ）Ｅは、それぞれ４５ｍｍである。帯電部接地極板１４の端部間隔ｇおよび帯電部荷電極板１５の端部間隔ｅは、それぞれ２５ｍｍである。帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５の側面視における気体の流れる方向において重なる重なり部の長さＬは、１０ｍｍである。帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５の極板間隔Ｄは
、１０ｍｍである。

以上で説明した本実施の形態の電気集塵装置３による集塵方法について以下に説明する。なお、気体の一例として空気を用いて以下説明する。

図１〜図３に示すように、トンネル換気設備の外の汚染された空気は、換気ファン５によって、換気吸込口２から吸い込まれ、電気集塵装置３の気体流入部４１から電気集塵装置３内へと送風される。電気集塵装置３内で集塵された空気は、電気集塵装置３の気体流出部４２から換気風路４を通って換気吐出口６へと吐出される。

電気集塵装置３は、集塵ユニット１１の帯電部１２により、換気吸込口２から吸込んだ汚染された空気中の粉塵を帯電させる。そして、集塵部１３の集塵部接地極板１６と集塵部荷電極板１７に帯電した粉塵を付着させ、汚染された空気中から粉塵を除去する。

ここで、本実施の形態では、帯電部高圧電源１８を用いるが、コロナ放電を発生させず、グラディエント力と誘導帯電により帯電部接地極板１４および帯電部荷電極板１５に粉塵を付着させ、これにより粉塵を帯電させる。この作用を図８〜図１０を用いて以下に説明する。

図８は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の電界領域を表す概念図であり、図６のＡ部を拡大した図である。図９Ａは、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部内での粉塵の動きを表す概念図である。図９Ｂは、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部内での粉塵の動きを表す概念図である。図１０は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置内での粉塵の動きを表す概念図である。

図８に示すように、帯電部高圧電源１８により帯電部荷電極板１５に正の高電圧を印加すると、帯電部荷電極板１５から帯電部接地極板１４に向かう電気力線が作用する。（図８矢印参照）この電気力線は、帯電部接地極板１４の風上端部４３と風下端部４４、および帯電部荷電極板１５の風上端部４５と風下端部４６に集中するように湾曲し、不平等電界を形成する。

なお、帯電部接地極板１４の風上端部４３と風下端部４４、および帯電部荷電極板１５の風上端部４５と風下端部４６には鋭利な突起を設けていない。そのため、先述した従来の電気集塵装置の帯電部１０４（図１４参照）の放電極１０４Ａと接地極板１０４Ｂの間の空間にコロナ放電は発生しない。

ここで、グラディエント力とは、誘電体が不平等電界中で、より強電界の方向に移動するように受ける力を指す。図８においては、電気力線が密になっている帯電部接地極板１４の両端部（風上端部４３と風下端部４４）、および帯電部荷電極板１５の両端部（風上端部４５と風下端部４６）に向けて作用する。

次に、帯電部１２における不平等電界中に飛来した粉塵の挙動について、図９Ａおよび図９Ｂを用いて具体的に説明する。

図９Ａに示すように、帯電部接地極板１４間に飛来した粉塵は、グラディエント力により、帯電部荷電極板１５の風上端部４５に引き寄せられ、堆積する。

帯電部荷電極板１５の風上端部４５に引き寄せられなかった粉塵は、最初の不平等電界の領域を通過し、帯電部接地極板１４の風下端部４４に引き寄せられ、堆積する。

帯電部接地極板１４の風下端部４４に引き寄せられなかった粉塵は、２番目の不平等電界の領域を通過し、上流側から２枚目の帯電部接地極板１４の風上端部４３に引き寄せられ、堆積する。

また、上流側から２枚目の帯電部接地極板１４の風上端部４３に引き寄せられなかった粉塵は、帯電部荷電極板１５の風下端部４６に引き寄せられ、堆積する。

すなわち、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５は、最上流側の帯電部接地極板１４の風上端部４７を除く、両端部付近（風上端部４３、風下端部４４、風上端部４５、風下端部４６）で電気力線が密の強電界となる。これにより、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５は、不平等電界を形成し、飛来した粉塵を引き寄せ、堆積させる。

そして、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５の両端部に堆積した粉塵は、多量に堆積すると剥離し、このとき、付着していた極板と同じ電気極性に帯電（この帯電を誘導帯電という）して再び飛散する。

具体的には、図９Ｂに示すように、帯電部接地極板１４に堆積していた粉塵は負の極性、帯電部荷電極板１５に堆積していた粉塵は正の極性に帯電して再び飛散する。

帯電して再び飛散した粒子は、帯電部接地極板１４または帯電部荷電極板１５の表面に静電気力で捕集される。

また、帯電部１２をすり抜けた粉塵は、図１０に示すように、帯電部１２よりも下流側に設けた集塵部１３の集塵部接地極板１６と集塵部荷電極板１７にそれぞれ引き寄せられ、静電気力で捕集される。

このように、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５を交互に、吸込んだ気体の流れる方向に対して平行、かつ千鳥状に配置したことにより、粉塵を誘導帯電により効率よく帯電させることができる。

すなわち、図８で説明したように、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５を複数枚設けることにより、各極板のそれぞれの端部に湾曲した電気力線が密になり、複数の不平等電界の領域を形成することができる。

そして、複数の不平等電界により発生した、より強電界の方向に働くグラディエント力により、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５のそれぞれの端部（風上端部４３、風下端部４４、風上端部４５、風下端部４６）は粉塵を引き寄せ、堆積させる。堆積した粉塵が多量となり、多量に堆積した粉塵が飛散する時には、堆積していた帯電部接地極板１４または帯電部荷電極板１５と同じ極性に誘導帯電により帯電させる。

この帯電した粉塵は、異なる極性の帯電部荷電極板１５または帯電部接地極板１４、および、異なる極性の集塵部接地極板１６または集塵部荷電極板１７に集塵される。これにより、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５の間に高電圧を印加するだけで、コロナ放電を発生させずに粉塵を帯電させて集塵することができる。その結果、帯電部１２での消費電力を低減し、消費電力に伴う電気代を少なくできる。

電気代の削減量について、具体的な数値を用いて以下に試算する。コロナ放電を用いた標準仕様の電気集塵装置での風量当たりの消費電力は１１０Ｗ／（ｍ３／ｓ）である。代表的なトンネル換気設備の処理風量が２５０ｍ３／ｓの場合、コロナ放電を用いた標準仕様の電気集塵装置は２７．５ｋＷ／ｈ消費する。本実施の形態の電気集塵装置３は、この
電力発生を低減でき、年間電気代として、２７．５ｋＷ×２０ｈ／ｄ×３６５ｄ×２０円／ｋＷ＝４００万円少なくできる。

本発明では、帯電部高圧電源１８により帯電部荷電極板１５に正の高電圧を印加している。帯電部高圧電源１８は、高電圧による電界を形成するために必要であるが、従来のコロナ放電のようには放電させないため、電流は流れず、電力をほとんど消費しない。

また、図７で説明した、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５の側面視での重なり部を設ける配置は、重なり部を設けない配置に比べ、不平等電界の領域を多く形成できる。これにより、例えば、帯電部接地極板１４や帯電部荷電極板１５などの極板の枚数を低減でき、帯電部１２を小型化できる。

また、重なり部を形成する帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５は、それぞれの端部で別々に不平等電界を形成する。このため、重なり部の長さＬは、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５の極板間隔Ｄ以上が好ましい。

また、重なり部の長さＬは、粉塵が飛散する時に誘導帯電により帯電した粒子を静電気力によって対向する極板に付着させる目的で、帯電粒子の電界における移動度と極板間隔Ｄ、および通過風速から求められる。

つまり、極板間隔Ｄが１０ｍｍで印加電圧が＋１０ｋＶの場合、電界強度は１０００Ｖ／ｍｍとなる。この時、帯電粒子の電界における移動度から算出される粒子の移動速度は１０ｍ／ｓ以上であり通過風速１０ｍ／ｓの場合、重なり部の長さＬは極板間隔Ｄと同じ１０ｍｍでよい。なお、確実に粉塵を対向する極板に付着させるためには、重なり部の長さＬは、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５の極板間隔Ｄ以上が好ましい。

次に、帯電部１２の帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５の形状、および、帯電部１２と集塵ユニット１１の組立て方について、図１１〜１３を用いて説明する。

図１１は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の極板の形状を表す側面図である。図１２は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の帯電部の構成を表す組立て斜視図である。図１３は、本発明の実施の形態１における電気集塵装置の構成を表す組立て斜視図である。

図１１に示すように、複数の帯電部接地極板１４と複数の帯電部荷電極板１５は、それぞれ１枚の金属板で形成されている。すなわち、１枚の金属板に複数の長四角孔２０を設けて、複数の帯電部接地極板１４と複数の帯電部荷電極板１５は、これまで説明した所定の間隔を成して配置されている。なお、複数の帯電部接地極板１４と複数の帯電部荷電極板１５は、後述する極板間隔保持管２２によりそれぞれ繋がっている。このため、帯電部接地極板１４は１箇所の接地のみでよく、帯電部荷電極板１５へ高電圧を印加するための接続も１箇所のみでよい。

図１２に示すように、帯電部１２は、複数の帯電部接地極板１４と複数の帯電部荷電極板１５が極板間隔保持管２２によって一定間隔を保ちながら配置されている。また、各極板には複数の極板保持棒２３が貫通し、帯電部１２の両側に配置された帯電部フレーム２１の間に平行に固定されている。

また、帯電部フレーム２１には碍子２４が設けられている。碍子２４は、帯電部荷電極板１５を含む電圧印加部品を支持し、かつ帯電部接地極板１４を含む接地部品から電気絶縁している。

図６でも示したように、帯電部接地極板１４および集塵部接地極板１６の枚数と帯電部荷電極板１５および集塵部荷電極板１７の枚数は、それぞれおおよそ同じ枚数となるように平行に配置されている。すなわち、図６においては、帯電部接地極板１４と集塵部接地極板１６がそれぞれ４枚、帯電部荷電極板１５と集塵部荷電極板１７がそれぞれ３枚配置されている。しかし、帯電部接地極板１４と帯電部荷電極板１５と集塵部接地極板１６と集塵部荷電極板１７とがそれぞれ１枚ずつ配置される構成でもよい。これにより、各極板の設置枚数を削減できる。

また、図１３に示すように、集塵部１３は、帯電部１２と同様に、複数の集塵部接地極板１６と複数の集塵部荷電極板１７が極板間隔保持管２２によって一定間隔を保ちながら配置されている。また、各極板には４本ずつの極板保持棒２３が貫通し、集塵部１３の両側に配置された集塵部フレーム２５の間に平行に固定されている。

なお、本実施の形態では、帯電部１２と集塵部１３を設けたが、集塵部１３を設けず、帯電部１２だけの構成でもよい。すなわち、本実施形態では、帯電部１２と集塵部１３を分離して設けたが、帯電部１２と集塵部１３を一体化して集塵ユニット１１としてもよい。この場合、集塵ユニット１１は、上流側で帯電機能を有し、帯電機能を有する部分よりも下流側で集塵機能を有することになる。

また、より高い集塵効率が必要な場合には、帯電部荷電極板１５および帯電部接地極板１４における互いに対向する部分に鋭利な突起をさらに設け、補助的にコロナ放電を用いて粉塵の帯電を促進させる構成でもよい。

なお、本実施の形態では、帯電部１２と集塵部１３の接地極板および荷電極板は平板状の極板を用いたが、例えば繊維状または棒状の極板を用いてもよい。

本発明にかかる電気集塵装置は、複数の荷電極板と複数の接地極板を、気体流入部と気体流出部間において交互に平行、吸い込んだ気体の流れる方向に千鳥状に配置する。これにより、コロナ放電を起こさずグラディエント力により荷電極板と接地極板のそれぞれの端部に粉塵を堆積させることで粉塵を堆積させる。これにより、帯電部での消費電力を低減する。その結果、電力消費に伴う電気代を少なくできる。

１ トンネル本線
２ 換気吸込口
３ 電気集塵装置
４ 換気風路
５ 換気ファン
６ 換気吐出口
７ 電気集塵補機
８ 高圧発生盤
９ 制御盤
１０ ケーシング
１１ 集塵ユニット
１２ 帯電部
１３ 集塵部
１４ 帯電部接地極板
１５ 帯電部荷電極板
１６ 集塵部接地極板
１７ 集塵部荷電極板
１８ 帯電部高圧電源
１９ 集塵部高圧電源
２０ 長四角孔
２１ 帯電部フレーム
２２ 極板間隔保持管
２３ 極板保持棒
２４ 碍子
２５ 集塵部フレーム
３１ ダンパ
３２ 洗浄配管
３３ 配線端子箱
４１ 気体流入部
４２ 気体流出部
４３，４５，４７ 風上端部
４４，４６ 風下端部

Claims (1)

1. 気体流入部および気体流出部を有するケーシングと、
   前記ケーシングの内部に設けられ、前記気体流入部と前記気体流出部の間に流れる気体中の粉塵を帯電させる帯電部と、を備え、
   前記帯電部は、複数の荷電極板と複数の接地極板とを有し、
   前記荷電極板と前記接地極板は、前記気体の流れる方向に対して平行に千鳥状に配置され、
   前記荷電極板と前記接地極板は、前記気体の流れる方向において重なる重なり部を有し、前記重なり部の長さは、前記荷電極板と前記接地極板の間隔より長く、
   前記荷電極板に高電圧を印加することで発生するグラディエント力により前記荷電極板および前記接地極板のそれぞれの端部に前記粉塵を堆積させることで前記粉塵を帯電させる電気集塵装置。

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