JP6715238B2 - 粉塵および他の汚染物質のための分離デバイス - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセス（鉄鋼工場、精練所、廃棄物発電プラント、および同類の場所で使用されるような工業プロセス）によって排出される煙霧の分離を取り扱う分野に関し、より具体的には、微細粉塵および超微細粉塵ならびに他の汚染物質のための分離デバイスに関する。

知られているように、鉄鋼工場、精錬所、廃棄物発電プラント、および同類のもなどの工場において一般的に使用される作業プロセスは、煙霧を生成し、該煙霧は、粒子状物質、ダイオキシン、フラン、ポリクロロビフェニル、クロロフェノキシ化合物、一酸化窒素もしくは二酸化窒素、二酸化硫黄、その他などの有害な病原性物質および／または汚染物質を含有する。

全般に、粒子状物質、無水物、ならびに一酸化窒素および二酸化窒素は、呼吸器系に対する刺激物であり、喘息、気管支炎、および気道感染症などの人間の呼吸器系の疾患および病気を引き起こす。さらに、粒子状物質、特に超微細粉塵粒子はまた、汚染物質を肺胞の中へも運搬する場合がある。

煙霧を濾過するための現在知られているシステムは、例えば、電子フィルタ、バッグフィルタ、サイクロン型粉塵分離器、油圧粉塵分離器、活性炭、その他からなる。

韓国特許出願公開第２００２００４４８４５号明細書 国際公開第２００９／０８７１００号 国際公開第８８／００６１０号 国際公開第００／０６２８９号 米国特許出願公開第２０１４／２３８２３９号明細書 独国特許第１０２００４０３９１８２号明細書 仏国特許第１０２４４３９号明細書 国際公開第２００９／１５５９７４号 米国特許出願公開第２００８／２５０９３３号明細書 米国特許第３３４８８３０号明細書

しかしながら、これらのシステムには、一連の欠点がある。例えば、そうしたシステムは、高頻度な定期メンテナンスを必要とし、したがって、高いメンテナンスコストを有する。さらに、そうしたシステムは、かなりの圧力損失のため、正しく機能しない傾向がある。

さらに、既知のシステムは、物理的および機械的性質の無視できない制限を有する。例えば、バッグフィルタは、微小有孔バッグの孔よりも大きい直径を有する粉塵粒子を保持することができる微小有孔バッグによる濾過を行う。しかしながら、これらのフィルタは、孔の直径よりも小さい直径を有する粉塵粒子を通過させてしまう。孔の直径が小さ過ぎた場合は、空気流に関する問題が生じる。したがって、こうしたフィルタは、５ミクロン未満の直径を有する超微細粉塵粒子を効率的な様式で保持することには適していない。

こうしたシステムの多くはまた、高温に適合しておらず、湿気の存在下で悪影響を受け（バッグフィルタ）、またあるときには、粒子状物質の濾過に関して非常に制限された効率を有する（従来のサイクロン型）。ほぼ必ず、こうしたシステムは、もっぱら煙霧に対して非常に制限された除粉塵能を有する（５μｍ未満の直径を有する超微細粒子の除去には効果がない）システムからなり、また、高コストのプラズマ熱破壊システムがその後の煙霧の洗浄および乾燥とともに使用される場合を除いて、汚染物質の除去には適していない。

説明したような既知のシステムの例は、特許文献１〜４に含まれる。

他のシステムもまた、特許文献５〜１０によって知られている。これらのシステムは、実質的に従来のサイクロン型であり、すなわち、こうしたシステムは、煙霧が沿って流れる延長部の軸の周囲に螺旋状に延在する形態を有する。煙霧は、サイクロンに沿って進行し、遠心力を受け、該遠心力は、該煙霧に含まれる固体粒子を該サイクロンの外壁に向かって押し付ける。さらに、これらのシステムにおけるダクトの構成は、粒子状物質の除去に有用な真空効果を作り出すための必要な特徴を有しない。

粒子が壁に衝突すると、該粒子が煙霧の流れから分離され、収集される。これらのシステムには、上で説明した欠点がある。さらに、既に述べたように、こうしたシステムは、１０μｍ（ミクロン）未満の直径を有する微細粉塵粒子の除去には適していない。

本発明の目的は、上で説明した欠点を克服することであり、具体的には、低い構築コストおよび管理コストで煙霧の効果的な浄化を得ることができるデバイスを提供することである。

さらに、本発明によるデバイスの目的はまた、５μｍ未満の直径を有する極めて微細な粉塵粒子の除去も可能にすることである。

これらの結果は、本発明による、微細粉塵および超微細粉塵ならびに他の汚染物質を分離するためのデバイスによって達成され、その基本的特性は、それぞれ、独立請求項１で説明される。さらなる重要な特性もまた、従属クレームにおいて説明される。

本発明によるデバイスの特性および利点は、添付図面を参照しながら、非限定的な実施例によって提供される、その好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明確に現れるであろう。

本発明のデバイスの全体図である。 図１によるデバイスを通した軸方向断面図である。 収集した粉塵粒子を貯蔵するためのチャンバと分離セクションとを分離するための手段を見えるようにした、デバイスの透視図を示す。 図３の拡大図である。 同じく断面図でダクトの実施形態の第１の変形例を示す図である。 同じく断面図でダクトの実施形態の第１の変形例を示す図であり、ブロー手段が示される。 ダクトの実施形態の第２の変形例を示す図である。 ダクトの実施形態の第２の変形例を示す図であり、同じくブロー手段が示される。 ダクトの実施形態のさらなる第３の変形例の図である。 ダクトの実施形態の第４の、および最後の変形例の図である。

上述した図面を参照すると、デバイスは、重畳した渦巻１ａの形態で垂直軸または母線Ｘの周囲に螺旋状に延在する、実質的に螺旋状のダクト１を備える。母線はまた、該螺旋の入口（図示せず）から出口１０までの煙霧の前進移動の方向も画定する。

さらなる詳細において、特に図２を参照すると、入口および出口は、螺旋に関する動作連続様式で配設される。

分離器は、垂直に配設され、すなわち、入口および出口は、母線に沿って相互に重畳して配設される。随意に、出口および入口は、逆にすることができ、すなわち、煙霧の流れは、螺旋に沿って上方に（この事例において、入口は、出口の高さよりも低い高さに配設される）、または下方に（この事例において、入口は、出口よりも高い高さである）等しく十分に進行することができる。

好ましい実施形態において、螺旋ダクトは、その延長部全体に沿って一定の断面を有する。断面は、発生セクションであり、すなわち、軸Ｘに沿って延在することで、分離器の幾何学的形状が決まる。

さらなる詳細において、各渦巻は、平坦化された断面を有し、すなわち、一方がもう一方よりも大きい寸法を有する。該より大きい寸法ｙは、母線Ｘに対して実質的に垂直である横方向Ｙに沿って測定される。代わりに、より小さい寸法ｘは、母線Ｘに沿って測定され、具体的には、非矩形状断面の事例において、より小さい寸法は、ダクトの最大高さと最小高さとの間の中間地点において算出される。

したがって、本質的に、螺旋ダクトは、発生軸Ｘに対して垂直な位置に生じて延在する（それでも、断面のより大きい寸法を参照する）。

全般に、ダクトの渦巻の断面の最小比率は、５であり、すなわち、最大寸法は、最小寸法の少なくとも５倍である。

分離器の内側で、煙霧は、ダクトの螺旋形態および平坦化された断面のため、速度勾配を受ける。具体的には、速度は、母線からの、すなわち、進行する経路の半径からの距離に反比例する。こうした速度の違いは、ベルヌーイの法則に基づいて、より高い速度区間において、すなわち、母線に最も近い分離器の最内区間において、局所的な真空を作り出す。文字「ｃ」によって図２に示されるこの区間において、より小さい直径の粒子が収集され、これらの粒子は、真空効果により、煙霧のストリームから正確に分離される。具体的には、１００ミクロンよりも小さい直径を有する粒子が収集される。

代わりに、より大きい粒子は、１００ミクロン以上の直径サイズを有し、また、該粒子のサイズのため遠心力を受け、分離器の最外区間、すなわち、母線から最も遠い、図２において文字「ｂ」によって示される区間において収集される。文字「ａ」によって示される中央区間は、浄化された煙霧が一緒に流れる場所である。

好ましくは、しかし排他的ではなく、区間「ｃ」における最適な真空値は、−７０パスカル未満である。この真空値を得るために、断面寸法間の、すなわち、最大寸法と最小寸法と間の比率は、好ましくは、５以上である。好ましい実施形態において、この値は、１０に等しい。

さらに、分離器に沿って流れる空気ストリームは、好ましくは１０〜２５ｍ／ｓの間の速度で進行する。

好都合には、各渦巻は、母線Ｘに対して傾斜させることができる。詳細には、特に図５ａ〜図８を参照すると、ダクトの断面の中心軸Ｚは、横方向Ｙに対して角度（α）で正または負に傾斜させることができる。好ましくは、しかし排他的にではなく、この角度は、５度〜１２度の間である。最適な値は、好ましくは、しかし排他的にではなく、１０度である。この傾斜は、処理される煙霧が特に高温（約８０℃よりも高い温度）または低温（約４０℃よりも低い温度）である場合に、特に好都合である。実際には、高温の煙霧が存在する場合に、気塊は、ダクトの最も高い部分に向かって移動する傾向があり、一方で、低温の空気煙霧が存在する場合に、該気塊は、ダクトのより低い部分に向かって移動する傾向がある。実際には、煙霧およびしたがって汚染物質を、ダクトの外側部分または内側部分に向かって、すなわち、分離が行われる真空下の区間に向かって方向付けるために、真空効果に加えて、空気流の移動も使用される。

ダクトの傾斜による利点の中には、粒子状物質の通過に起因する任意の沈積物のパーコレーションによるより容易な除去もある。

以下、図５ａ〜図８を参照すると、該図面は、ダクトの実施形態のさらなる変形例を特に断面で示す。さらに詳細には、ダクトは、上述した割合（主寸法が、より小さい寸法の少なくとも２倍である）を維持しながら、非一定または正方形の可変断面を有することができる。

分離器の効率を増大させる目的で、ダクトは、汚染粉塵粒子を適切な方向に推進することを補助するように（液体またはガスの）加圧ジェットを排出する、霧化ノズルなどのブロー手段１３を内側に備える。例えば、ジェットは、煙霧中に存在する様々な汚染物質を化学的にも攻撃することができる水または液体溶液で構成することができ、したがって、化学的手段によって該汚染物質を除去することも補助する。

ノズルは、流れに適した方向にジェットを排出するように、中心軸の近くに、好ましくは、傾斜した状態でダクトの内側に配設される。好ましくは、しかし排他的にではなく、ジェットは、断面の中心軸に対して４５度〜９０度の間で傾斜される。

図３および図４を再度参照すると、ダクト端部の片側または両側は、煙霧のストリームから分離された汚染物質のための収集チャンバ１２を備えることができる。このチャンバは、例えば、螺旋の周囲を進行し、該螺旋の断面の容積以下の容積を有する、１つ以上のパイプの形態をとる。

収集された汚染物質の除去を促すために、水または他の溶媒が、これらのチャンバの内側に好都合に循環される。収集チャンバはまた、分離器の入口に直接または粉塵粒子貯蔵タンクを介して接続される、ベント（図示せず）を有し、よって、粉塵粒子は、大気の中へ放出されず、その結果、分離器の２回目の通過中に、通気されたガスに含まれるあらゆる汚染物質が除去される。

収集チャンバ１２は、該収集チャンバの内側に、チャンバの内側に真空を発生させ、汚染物質を吸引することを補助し、該汚染物質を該収集チャンバの内側に閉じ込めるように動作する、（機械的効果またはベンチュリ効果の）吸引装置を有することができる。

ダクトセクションから各収集チャンバを分離するために、母線に向かって方向付けられるそれらの凹面が配設された、平坦な分割壁１４’または羽根１４’’などの分離手段１４が提供される。随意に、分離手段の一方または双方を異なる高さで分離器の内側に提供することができる。

本発明によるデバイスは、上述した問題を解決する。具体的には、本デバイスは、遠心力の作用に基づく従来のサイクロン型分離器によって分離できなかった５ミクロンよりも小さい寸法を有する、微細粒子および超微細粒子の有効な分離も確実にする。

さらに、本デバイスが、微細粒子および超微細粒子ならびに１００ミクロンよりも大きいより大きい粒子の別々の分離を達成するという事実は、特に好都合である。上で述べたように、微細粒子および超微細粒子は、母線に、すなわち、渦巻の中心に最も近いダクトの部分において収集され、一方で、より大きい粒子は、外側で、すなわち、母線から最も遠いダクトの部分で収集される。したがって、これらの粒子を別々に収集することができ、このことは、廃棄物の簡単な処理の目的のために特に好都合である。実際には、粉塵粒子は、凝集すると、貯蔵タンクの内側を流れることができ、したがって、該粉塵粒子を可能な生成サイクルの中へ再度導入することができるように、すなわち、適切な変換プロセスを介して不活性材料または絶縁物として該粉塵粒子を使用することができるように、直ちに除去することができる。

さらに、少なくとも２回目の煙霧の再循環を引き起こすように収集チャンバ１２のベントが再度分離器に接続されるという事実は、汚染物質の収集の効率および潜在的に有毒な煙霧の大気中への排出の防止の両方に関して、かなりの利点を生じさせる。

随意に、本発明による分離器は、適切な寸法で使用することができ、また、民間用途および工業用途のための真空掃除機の分離ユニットとしても使用することができる。

さらに、いくつかの実施形態において、渦巻は、随意に、以下の渦巻と異なる断面を有することができる。また、渦巻が互いに異なる断面を有する場合には、それでも、最大寸法と最小寸法と間の５という最小比率を維持しなければならない。

最後に、分離器はまた、異なる煙霧のストリームの同時分離を得るように、ダクトの螺旋経路に沿って各々の頂部に配設される、２つ以上のダクトを有することもできる。

ここまで、その好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきた。一例として本明細書で説明される好ましい実施形態において実施される技術的な解決策の各々は、同じ本発明の概念に関連する他の実施形態を生じさせるように様々な方法で互いに好都合に組み合わせることができるが、すべてが、以下に提供される特許請求の範囲の保護の範囲内に入ることを理解されたい。

Claims (13)

1. 空気流中の粉塵粒子又は他の汚染物質を分離するためのデバイスであって、
   垂直母線（Ｘ）の周囲に重畳した渦巻（１ａ）の形態で延在している閉鎖された螺旋ダクト（１）であって、前記空気流のための入口と出口（１０）との間に延在している螺旋ダクトを備え、
   前記空気流から前記粉塵粒子又は他の汚染物質を分離して除去し、且つ、より微細な粉塵粒子を前記垂直母線（Ｘ）の方向に搬送するために、前記螺旋ダクトの区間において真空効果を得るように、前記螺旋ダクトの各渦巻は、前記垂直母線を含む断面において、前記垂直母線（Ｘ）に対して垂直な方向の第１の寸法（ｙ）が前記垂直母線に対して平行な方向の第２の寸法（ｘ）よりも少なくとも５倍大きい、流路を有することを特徴とする、デバイス。
2. 前記流路内の前記垂直母線側の真空値が、−７０パスカル未満である、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の寸法と前記第２の寸法との比率が、１０に等しい、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記螺旋ダクトの内側の前記粉塵粒子又は他の汚染物質の速度値が、１０〜２５ｍ／ｓの間である、請求項２又は３に記載デバイス。
5. 前記螺旋ダクトの各渦巻が、前記垂直母線（Ｘ）に対して垂直な方向に対して角度（α）で正又は負に傾斜している、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記角度が、５度〜１２度の間である、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記粉塵粒子又は他の汚染物質を収集するための収集チャンバ（１２）が、前記螺旋ダクトの各渦巻の前記第１の寸法の方向の少なくとも１つの端部に設けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記螺旋ダクトの各渦巻の前記第１の寸法の方向の両方の端部に、それぞれの収集チャンバ（１２）が設けられる、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記収集チャンバの内側に含まれる前記粉塵粒子又は他の汚染物質が再度処理されるように、前記収集チャンバが、前記デバイスの前記入口に直接又は粉塵粒子貯蔵タンクを介して接続されているベントを有する、請求項７又は８に記載のデバイス。
10. 前記粉塵粒子又は他の汚染物質の吸引を補助し、前記粉塵粒子又は他の汚染物質を前記収集チャンバの内側に閉じ込めるために、前記収集チャンバの内側で真空を発生させるように、吸引装置が、前記収集チャンバ（１２）の内側で動作する、請求項７、８、又は９に記載のデバイス。
11. 前記収集チャンバと前記螺旋ダクトとの間の分離を確実にするために、偏向羽根（１４’’）を含む分離手段（１４）が設けられ、前記分離手段が、前記収集チャンバから前記螺旋ダクトへの前記粉塵粒子又は他の汚染物質の戻りを防止する、請求項１０に記載のデバイス。
12. 収集された前記粉塵粒子又は他の汚染物質の除去を促すために、水または他の溶媒が、前記収集チャンバ（１２）の各々の内側に循環される、請求項７〜１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 前記粉塵粒子又は他の汚染物質を適切な方向に推進することを補助し、その化学的除去を実行するように、空気、水、又は他の流体の加圧ジェットを排出することができるブロー手段（１３）が、前記螺旋ダクトの各渦巻の内側に設けられる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のデバイス。
    

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