JP6836351B2 - 排ガス処理装置 - Google Patents
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Description
また、純酸素を用いず、空気により火炎を形成し、火炎に処理ガスを混合し比較的低温で処理ガスを加熱する方法も知られている。この場合、窒素酸化物(NOx)の発生は抑制されるが、高温の火炎が必要なPFCsなどの難分解性ガスの分解性能は低下する。また火炎が低温であるために、COが発生する問題を有している。
しかしながら、このような従来の燃焼方式では、以下に列挙するような問題点がある。
(1)純酸素を使用した高温の火炎を形成した場合
A.火炎を形成するためのバーナ本体が高温となり、熱損傷を受ける。
B.高温の火炎と処理ガス(主成分の一つにN2ガスを含む)が接触することで、サーマルNOxが大量に発生する。
(2)空気を使用した比較的低温な火炎を形成した場合
A.PFCsなどの難分解性ガスは高温の反応処理温度を必要とするため、難分解性ガスのガス処理性能が低下し、副生成ガスとしてCOが発生する。
B.燃焼室に堆積する生成物対策として、燃焼室に濡れ壁水を流すことができないため、スクレーパーなどの機構を追加する必要がある。
そこで、本発明は、燃料と支燃性ガスと処理ガスを燃焼室の内周面の接線方向に吹き込むことにより、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種を混焼して燃焼効率の高いガス処理を行うことができ、サーマルNOxの発生やCOの発生を抑制することができる排ガス処理装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、円筒状の燃焼室の内周面の接線方向に、燃料(燃料ガス)と支燃性ガス(酸素含有ガス)と処理ガス(排ガス)とを吹き込むことにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。すなわち、燃焼室において、同一の燃焼場で三種混合の円筒状混合火炎を形成して、処理ガスを燃焼させることができる。
本発明によれば、円筒状の燃焼室の内周面の接線方向に、燃料(燃料ガス)と支燃性ガス(酸素含有ガス)と処理ガス(排ガス)とを吹き込むことにより、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する。これにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。すなわち、燃焼室において、三種混合の円筒状混合火炎を形成して、処理ガスを燃焼させることができる。
本発明によれば、三種混合の円筒状混合火炎の外側において燃焼室の内壁面(内周面)に水膜(濡れ壁)を形成することができる。
本発明によれば、旋回遠心力により円筒状混合火炎の外側は温度が低く重い未燃の三種混合ガス、内側は温度が高く軽い三種混合の燃焼後ガスの分布が形成される。したがって、円筒状混合火炎は、温度の低い未燃の三種混合ガスに覆われた自己断熱された状態となるため、放熱による温度低下がなく、燃焼効率の高いガス処理が行われる。
(1)三種のガスともに燃焼室の内周面の接線方向に導入することで、旋回遠心力により円筒状火炎の内側は高温の軽い燃焼後ガス、外側は低温の重い未燃焼ガスという分布になる。火炎構造上、自己断熱されている状態であるため、放熱が少なく、高効率な燃焼が可能となる。そのため、低温火炎の場合に発生するCOの発生が抑制され、また燃焼室の熱損傷を防止できる。
(2)三種のガスを混焼することで、局所的高温部の無い火炎が形成されるため、サーマルNOxの発生が抑制され、また副生成物の溶融や固着を防止できる。
(3)三種のガスの混合により、燃料と酸素が流入ガスの主となるN2ガスによってより希釈されるため、円筒状火炎の外側の未燃ガスの比率が増えることで、火炎の径が小さくなる。すなわち、火炎の自己断熱性が促進される。
(4)三種のガスを混焼することで、自己断熱性が向上した火炎が形成されるため、火炎の外側に濡れ壁水を流しても、水と高温の火炎は直接接触しない。水の温度上昇が抑制されるため、燃焼効率を低下させることなく、濡れ壁の内側で混焼断熱火炎が形成できる。そのため、以下の効果が得られる。
A.円筒状混合火炎の着火位置は、流入ガスポートの直下となり、流入ガスの酸化反応は濡れ壁水の位置から開始される。酸化反応により生成したSiO2等の粉体は、旋回遠心力により、濡れ壁水に捕集されるため、燃焼室内に堆積しない。生成したSiO2等の粉体は、生成した直後に旋回遠心力により、濡れ壁水に捕集されるため、除害装置としての粉体除去効率が向上する。すなわちスクラバー性能の向上が図れる。
B.燃焼室の内壁は濡れ壁水で覆われるため、HFやCl2等の腐食性ガスとの接触がない。
C.従来は、高温の腐食性ガスと燃焼器本体が直接接触するため、高価な耐食・耐熱材を用いる必要があったが、本発明によれば、燃焼室の内壁に濡れ壁水を流すことで腐食を防止できるため、安価なステンレス材を使用できる。すなわち燃焼室を含む燃焼器全体をステンレス材とすることができる。
D.濡れ壁水膜を均一に燃焼器の内壁に形成するために、従来は濡れ壁水を旋回流で供給し、内壁面に特殊な濡れ性向上の加工が必要であったが、本発明の混焼断熱火炎では、ガスの旋回流により濡れ壁水も旋回するため、燃焼室の内壁面の濡れ性向上のための加工が不要となる。
図1は、本発明の排ガス処理装置の燃焼室の構成例を示す模式的断面図である。燃焼室1は、一端(図示例では上端)が閉塞され他端(図示例では下端)が開口した円筒容器状の燃焼室として構成されている。円筒容器状の燃焼室1には、閉塞端部近傍で燃料(燃料ガス)と支燃性ガス(酸素含有ガス)と処理ガス(排ガス)とが吹き込まれるようになっている。燃焼室1の閉塞端部には、点火用のパイロットバーナ2が設置されており、パイロットバーナ2には燃料と空気が供給されるようになっている。なお、図1においては、燃焼室1の下方にある洗浄部などは図示を省略している。
処理ガスの燃焼室1への流入量により、処理ガス(主成分の一つにN2ガスを含む),燃料ガス,支燃性ガスの三種の混合気の組成を燃焼範囲としつつ、ガス処理に必要なガス温度を確保することができる適切な燃料および支燃性ガスの流量を設定する。三種の組成と燃焼範囲との関係を燃料ガスをプロパンとした場合で説明する。支燃性ガスが純酸素で、処理ガスのN2がない場合、混合気に対するプロパン成分%が、燃焼の下限界は2%で、上限界は40%である。支燃性ガスを空気(N2とO2の組成比は79:21)とした場合、混合気に対するプロパン成分%が、燃焼の下限界は2%で上限界は10%であることが知られている。これに処理ガスの主となるN2が加わり、例えばN2とO2の組成比が、85:15となった場合、混合気に対するプロパン成分%が、燃焼の下限界は2%で上限界は6%であることが知られている。なお、燃料ガス(燃料)が都市ガス、天然ガス等の他のガスの場合には、プロパンが燃料ガスである場合と同様の手法により混合気の燃焼範囲を求めればよい。すなわち、燃料ガスと支燃性ガス(酸素と空気)と処理ガスのN2の混合気の組成と燃焼範囲の関係をもとに調整することができる。同一平面上に設置する燃料用ノズル3Aと支燃性ガス用ノズル3Bと処理ガス用ノズル3Cのセットを例えば、2段設置した場合、燃料流量と支燃性ガス流量と処理ガス流量のバランス(組成比)を変え、例えば上段側の処理ガス流入量を減らし、下段側を増やすことで、火炎の安定性を向上させることができる。
(1)燃料用ノズル3Aと支燃性ガス用ノズル3Bと処理ガス用ノズル3Cとが燃料(燃料ガス)と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向へ吹き込んで、燃料と支燃性ガスと処理ガスの三種混合の旋回流を形成する。
(2)燃焼室に吹き込まれる燃料(燃料ガス)と支燃性ガスと処理ガスのうち、少なくとも1つのガスが燃焼室に最後に吹き込まれて三種混合の旋回流が形成されたときに、三種の混合気の組成が燃焼範囲に到達する。
上記(1)および(2)の条件を満たすことにより、燃焼室1の内壁から浮いた三種混合の円筒状混合火炎を形成することができるが、三種混合の円筒状混合火炎が形成された後においては、燃料用ノズル3A、支燃性ガス用ノズル3B、処理ガス用ノズル3Cの下流側(後段)に、さらに燃料用ノズル3Aおよび処理ガス用ノズル3Cを設け、これらのノズルから燃料と処理ガスを吹き込むことにより、燃焼温度を向上させ、ガス処理性能を向上させることもできる。
まず、燃焼室1に最初に吹き込まれて旋回流を最初に形成するノズル、すなわち旋回流を開始するノズルとして、燃料用ノズル3A、支燃性ガス用ノズル3B、処理ガス用ノズル3Cのうちどのノズルを選定するかを説明し、選定されたノズルを基準として旋回流の下流側に向かって他のノズルをいかに配置するかについて説明する。
支燃性ガスを空気として、空気比を1.3とした場合、燃料流量の約15倍の空気が必要となる。この場合、燃焼室内の旋回力を支配するのは、空気の流量,流速となる。したがって、図3(a),(b)に示すように、支燃性ガスとしての空気を吹き込む支燃性ガス用ノズル3Bを旋回流を開始するノズルに選定する。旋回流を開始するノズルとして支燃性ガス用ノズル3Bを選定することにより、燃焼室の天板は火炎が形成される直前の支燃性ガスにより冷却されるため、天板の放熱による熱量ロスを低減でき、省エネルギーに寄与する。
図3(a),(b)においては、燃料用ノズル3A、支燃性ガス用ノズル3B、処理ガス用ノズル3Cが円筒状の燃焼室1の軸線に直交する同一平面上に位置している構成を例示したが、3つのノズル3A,3B,3Cを燃焼室1の軸線方向にずらして配置する場合には、図3(a)において支燃性ガス用ノズル3Bを最上段に配置し、下方に向かって処理ガス用ノズル3C、燃料用ノズル3Aの順にずらして配置すればよい。なお、図3(a)に示す断面図では、断面の手前側(前方側)に位置するノズル3Cを仮想線で示している。以下の図面でも同様である。
図4(a),(b)に示すように、下段のセットは、旋回流の最上流側に支燃性ガス用ノズル3Bを配置し、支燃性ガス用ノズル3Bを基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル3C−1、処理ガス用ノズル3C−2、燃料用ノズル3A、処理ガス用ノズル3C−3の順に配置して構成されている。
このように、下段のセットにも、3種のノズル3A、3B、3C−1,3C−2,3C−3を設けることで、ガス混合度が均一化されるため、局所高温部を形成することなく、均一な温度場の火炎を形成することができる。これにより、ガス処理性能は向上しつつ、サーマルNOxの発生を抑制することができる。
図5(a),(b)に示すように、下段のセットは、旋回流の最上流側に処理ガス用ノズル3C−1を配置し、処理ガス用ノズル3C−1を基準として旋回流の下流側に向かって処理ガス用ノズル3C−2、燃料用ノズル3A、処理ガス用ノズル3C−3の順に配置して構成されている。
難分解性ガスなどが処理ガスとして燃焼室に流入する場合、支燃性ガスの空気に酸素を追加し、高温の温度場を形成する必要がある。高温の温度場を形成する必要がある場合、上段のセットは、図3(a),(b)のセットと同様の構成にして、下段のセットは図4(a),(b)に示すセットから支燃性ガス用ノズルを除いた図5(a),(b)に示すセットとして、上段のセットにのみ支燃性ガス用ノズルを設ける。火炎の形成位置は、図4(a),(b)に示す下段のセットとした場合よりも旋回上流側に移動し、火炎体積を小さくすることができるため、より高温な温度場を形成できる。またこの場合、火炎の形成位置は、旋回上流側へ移動しつつ、着火前の上段の支燃性ガスによる冷却効果が見込めるため、天板付近の温度上昇は抑制され、燃焼室天板の熱損傷を防止することができる。また、高温の温度場を形成するために支燃性ガスの酸素濃度を上昇させることとなるため、局所高温部(1500℃以上)の形成により、サーマルNOxが生成され易くなるが、これも支燃性ガス用ノズルを上段のみに設置する場合は、上段、下段に支燃性ガス用ノズルを設置した場合より下段の燃料燃焼用の支燃性ガス(上段ではまだ未燃)による希釈により、局所高温部が形成されにくくなり、サーマルNOxの生成は抑制される。
図6に示すように、上段に処理ガス用ノズル3Cと燃料用ノズル3Aとを配置し、下段に支燃性ガス用ノズル3Bを配置している。上段の処理ガス用ノズル3Cと燃料用ノズル3A、および下段の支燃性ガス用ノズル3Bが燃焼室1の内周面の接線方向に向けて配置されていることは、図2と同様である。上段の処理ガス用ノズル3Cと燃料用ノズル3Aは、燃焼室1の軸線に直交する同一平面上に位置している。ここで、同一平面上に位置しているとは、2つのノズルの燃焼室内周面側の開口の一部が同一平面上に位置していることをいう。下段の支燃性ガス用ノズル3Bは、燃焼室1の軸線方向に長く延びており、支燃性ガス用ノズル3Bの燃焼室内周面側の開口は、燃焼室1の軸線方向において、処理ガス用ノズル3Cおよび燃料用ノズル3Aの燃焼室内周面側の開口より長く設定されている。
メタンなどの燃料と直接反応する強支燃性ガスのNF3などのように、燃料に対して反応性を有する成分を含有する処理ガスが燃焼室1に流入する場合、下段にのみ支燃性ガス用ノズル3Bを設置することで、上段において処理ガス用ノズル3Cから吹き込まれた処理ガスと燃料用ノズル3Aから吹き込まれた燃料(燃料ガス)とを混ぜ、下記に示す、燃料(燃料ガス)と処理ガス中のNF3との直接反応を促進することができる。
3CH4+4NF3+5O2 → 4NO+12HF+3CO2
処理ガス用ノズル3Cから常時処理ガスが流入しない場合、下段にのみ旋回力発生の主となる支燃性ガス用ノズル3Bを設置することで、処理ガス用ノズル3Cへの支燃性ガスの入り込みを防止することができる。すなわち、処理ガスが処理ガス用ノズル3Cから流入せず、支燃性ガス用ノズル3Bと処理ガス用ノズル3Cが同一平面上にある場合、支燃性ガスが処理ガス用ノズル3Cに入り込み、燃焼器上流側となる処理ガス流入部で、支燃性ガスと処理ガスが反応し、生成物が流入配管部に付着、閉塞する場合がある。
図7に示す例においては、上段において処理ガス用ノズル3Cから処理ガスを吹き込み、下段において処理ガス中に支燃性ガス用ノズル3Bと燃料用ノズル3Aから支燃性ガスと燃料(燃料ガス)とを吹き込むことにより、燃料と処理ガスとを支燃性ガスにより燃焼させて円筒状混合火炎を形成する。円筒状混合火炎は燃焼室1の軸線方向に沿って形成される。三種のガスを共に接線方向に吹き込むことで、旋回遠心力により円筒状混合火炎の外側は温度が低く重い未燃の三種混合ガス、内側は温度が高く軽い三種混合の燃焼後ガスの分布が形成される。したがって、円筒状混合火炎は、温度の低い未燃の三種混合ガスに覆われた自己断熱された状態となるため、放熱による温度低下がなく、燃焼効率の高いガス処理が行われる。
2 パイロットバーナ
3A 燃料用ノズル
3B 支燃性ガス用ノズル
3C,3C−1,3C−2,3C−3 処理ガス用ノズル
5 水供給ノズル
13 接続管
15 バイパス弁(三方弁)
20 循環水タンク
20A,20B 槽
20D 排水口
21 堰
25 冷却部
26 配管
27 スプレーノズル
30 排ガス洗浄部
31 壁部材
32 ガス流路
33A 第1のミストノズル
33B 第1の水膜ノズル
34A 第2のミストノズル
34B 第2の水膜ノズル
40 整流部材
41 ミストノズル
50 シャワーノズル
51 ミストトラップ
52 給水管
53 エダクター
55 水位センサ
P 循環水ポンプ
V1 開閉弁
V2 排水弁
Claims (5)
- 処理ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置において、
処理ガスを燃焼する燃焼室は、一端部が閉塞され他端部が開口した円筒容器状の燃焼室として構成され、
前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込む燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルとを備え、
燃料と支燃性ガスと処理ガスの流速は、スワール数が5〜40になるように調整されており、
前記燃料用ノズル、前記支燃性ガス用ノズル、および前記処理ガス用ノズルは、前記燃焼室の円周方向に離間して配置されており、
前記燃料用ノズルと前記処理ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線に直交する同一平面上に位置し、
前記支燃性ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線方向において前記燃料用ノズルおよび前記処理ガス用ノズルの位置よりも前記燃焼室の一端部からより離間した位置に配置されていることを特徴とする排ガス処理装置。 - 処理ガスを燃焼処理して無害化する排ガス処理装置において、
処理ガスを燃焼する燃焼室は、一端部が閉塞され他端部が開口した円筒容器状の燃焼室として構成され、
前記燃焼室は、燃料と支燃性ガスと処理ガスとをそれぞれ燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込む燃料用ノズルと支燃性ガス用ノズルと処理ガス用ノズルとを備え、
燃料と支燃性ガスと処理ガスの流速は、スワール数が5〜40になるように調整されており、
前記燃料用ノズル、前記支燃性ガス用ノズル、および前記処理ガス用ノズルは、前記燃焼室の円周方向に離間して配置されており、
前記燃料用ノズルと前記支燃性ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線に直交する同一平面上に位置し、
前記燃料用ノズルおよび前記支燃性ガス用ノズルは、前記燃焼室の軸線方向において前記処理ガス用ノズルの位置よりも前記燃焼室の一端部からより離間した位置に配置されていることを特徴とする排ガス処理装置。 - 前記燃焼室には、前記燃料、支燃性ガスおよび処理ガスの吹き込み位置から前記燃焼室の軸線方向に離間した位置に、燃焼室の内周面に水膜を形成するための水供給ノズルが設置されていることを特徴とする請求項1または2記載の排ガス処理装置。
- 前記燃料と支燃性ガスと処理ガスとを前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて吹き込むことにより、前記燃焼室内に円筒状混合火炎を形成することを特徴とする請求項3記載の排ガス処理装置。
- 前記円筒状混合火炎の旋回力により、前記燃焼室の内周面上の水膜を旋回させることを特徴とする請求項4記載の排ガス処理装置。
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