JP6930273B2

JP6930273B2 - 粒子回収方法

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Publication number: JP6930273B2
Application number: JP2017152411A
Authority: JP
Inventors: 達彰井上; 建太苅部; 岡田　邦明; 邦明岡田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-08-07
Also published as: JP2019030835A

Description

本発明は、気体中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子及び１００μｍ以上の粗粒子からなる粒子群を気体から分離回収する粒子回収方法に関する。

従来より、気体中に含有される粒子を高効率でかつ高除去率で以って分離回収する技術は各種工業において重要な課題とされている。
一般に、気体中に含有される粒子は、重力、慣性力、遠心力、拡散、静電気力などを一或いは組み合わせて利用することにより、気体から分離されており、補足粒子の粒度、粒子性状、気体中の粒子濃度等によってその組み合わせが適宜選択される。
ここで、気体中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒及び１００μｍ以上の粗粒の粒径分布を有する粒子群を気体から分離回収する粒子回収方法として、例えば、特許文献１に示すものが知られている。

特許文献１に示す粒子回収方法は、粒子群のうち粗粒の一部と中間粒とを選択的に気体から分離回収する第一の回収工程と、残存した粗粒と微粒とをフィルタにより濾過して同時に回収する第二の回収工程とからなっている。
この粒子回収方法によれば、高回収率を維持しながら、フィルタの逆洗浄インターバルを長期化することができる。ここで、フィルタの逆洗浄とは、フィルタに目詰りが発生し気体流の圧力損失が所定値に達した時に高圧ガスをフィルタ内に逆方向に瞬時に流すことにより粒子を剥離除去することを意味する。

特許第４０７１９９３号公報

しかしながら、この特許文献１に示す粒子回収方法にあっては、以下の問題点があった。
即ち、フィルタの逆洗浄インターバルの長期化がなされているものの、第２の回収工程において未だにフィルタを使用しており、完全にフィルタの逆洗浄をなくしたり、あるいはフィルタの交換を不要としたりすることができなかった。
従って、本発明はこの従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、フィルタを使用せずに簡単な方法で、気体中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子及び１００μｍ以上の粗粒子からなる粒子群を気体から分離して回収することができる粒子回収方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る粒子回収方法は、気体中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子及び１００μｍ以上の粗粒子からなる粒子群を、前記気体から分離して回収する粒子回収方法であって、前記気体を第１の粒子回収機構の内部に溜めた水に衝突及び混合させることにより、前記粗粒子及び前記中間粒子を前記気体から分離して回収するともに、前記気体を前記水に衝突させた際に発生するミストにより前記微粒子を前記中間粒子と同等の粒径のミストに凝集する第１の回収工程と、前記第１の回収工程により前記微粒子を凝集した前記ミストを、第２の粒子回収機構によって前記気体から分離して回収する第２の回収工程とを備えることを要旨とする。

本発明に係る粒子回収方法によれば、フィルタを使用せずに簡単な方法で、気体中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子及び１００μｍ以上の粗粒子からなる粒子群を気体から分離して回収することができる粒子回収方法を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る粒子回収方法が適用される粒子回収装置の概略構成図である。図１における矢印Ａで示す部分の拡大図である。第１の回収工程の前における気体中に含有される粒子の重量比率と粒子径との関係を示すグラフである。第１の回収工程の後における気体中に含有される粒子の重量比率と粒子径との関係を示すグラフである。第１の回収工程の後における気体中に含有されるミストの体積比率とミスト径との関係を示すグラフである。第２の回収工程の後における気体中に含有されるミストの体積比率とミスト径との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る粒子回収方法が適用される粒子回収装置の概略構成図である。本発明の第３実施形態に係る粒子回収方法が適用される粒子回収装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下では粒子回収方法の一例として燃焼ガス中に含有される粒子群を回収する方法を例示するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る粒子回収方法が適用される粒子回収装置の概略構成が示されている。
図１に示す粒子回収装置１は、燃焼ガス（気体）中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３（図２参照）、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子Ｄ２（図２参照）及び１００μｍ以上の粗粒子Ｄ１（図２参照）からなる粒子群を、燃焼ガスから分離して回収するものである。

この粒子回収装置１は、燃焼ガス発生源（図示せず）に接続された第１配管２から分岐する第２配管３に接続された第１の粒子回収機構１０と、第１の粒子回収機構１０の出側に第３配管４を介して接続されるとともに、第４配管５を介して第１配管２に接続された第２の粒子回収機構３０とを備えている。第１配管２の第２配管３が接続される分岐点よりも出側には、バイパス弁６が接続されており、バイパス弁６を閉じることで燃焼ガス発生源からの燃焼ガスを図１における太字の矢印で示すように第２配管３側に送るようにしている。

第１の粒子回収機構１０は、いわゆるウェットスクラバーと呼ばれるもので、前述の粒子群を含有する燃焼ガスを内部に溜めた水Ｗに衝突及び混合させることにより、粗粒子Ｄ１及び中間粒子Ｄ２を燃焼ガスから分離して回収する。また、第１の粒子回収機構１０は、燃焼ガスを水Ｗに衝突させた際に発生するミストＭにより微粒子Ｄ３を中間粒子Ｄ２と同等の粒径のミストＭに凝集する。
第１の粒子回収機構１０は、入側で第２配管３に接続されるガス入口１１ａを有し、出側で第３配管４に接続されるガス出口１１ｂを有する粒子回収用本体１１を備えている。ガス入口１１ａは、粒子回収用本体１１の一側面（図１における右側面）の上方部に形成され、ガス出口１１ｂは、粒子回収用本体１１の他側面（図１における左側面）の上方部に形成されている。

そして、粒子回収用本体１１の内部の下方には、吸水口２２から導入される水Ｗが溜められており、その水Ｗの水量はオーバーフロー部１８により一定に保たれるようになっている。オーバーフロー部１８の下部にシールポット１９が設けられ、シールポット１９の排水口２０に排水用排出管２１が接続されている。そして、排水用排出管２１から排出された排水は、タールピット２３に排出されるようになっている。
そして、粒子回収用本体１１の内部には、粒子回収用本体１１の一側（図１における右側）の壁部から所定間隔をあけて配置された、上下方向に延びて下端が水中に浸る第１案内板１２が設けられている。粒子回収用本体１１の壁部と第１案内板１２との間には、ガス入口１１ａに連通し上下方向に延びるガス案内部１３が形成される。第１案内板１２の水中に位置する下方部分には、ガス案内部１３からのガスが通過するスロート部１４が設けられている。

また、粒子回収用本体１１の内部には、第１案内板１２から粒子回収用本体１１の壁部と反対方向に所定間隔あけて配置された、上下方向に延びて下端が水中に浸る第２案内板１５が設けられている。第２案内板１５と第１案内板１２との間には、スロート部１４を通過した燃焼ガスが渦流となるスクラビング部１６が形成される。
また、粒子回収用本体１１の内部には、第２案内板１５の上端に対して上方に所定間隔あけて配置された、水切り板１７が設けられている。

次に、第２の粒子回収機構３０は、いわゆるミストセパレータと呼ばれるもので、第１の粒子回収機構１０により微粒子Ｄ３を凝集したミストＭを、燃焼ガスから分離して回収する。
ここで、第２の粒子回収機構３０は、入側で第３配管４に接続されるガス入口管３２を有する粒子回収用本体３１を備えている。ガス入口管３２は、粒子回収用本体３１の上部に設けられる。

粒子回収用本体３１の内部の上方部には、ガス入口管３２から流入する微粒子Ｄ３を凝集したミストＭ及び粒子群が除去された燃焼ガスに遠心力を与える遠心力付与部３３を備えている。
また、粒子回収用本体３１の内部には、燃焼ガスを排出する排気ダクト３４が設けられ、排気ダクト３４は、ガス入口３５及び粒子回収用本体３１の外部に導出されたガス出口３６を備えている。ガス出口３６には、第１配管２から分岐する第４配管５が接続されている。
また、粒子回収用本体３１の底部にはドレン管３７が接続され、ドレン管３７にはダストボックス３８が接続されている。

次に、粒子回収装置１によって、燃焼ガス（気体）中に含有される粗粒子Ｄ１、中間粒子Ｄ２及び微粒子Ｄ３からなる粒子群を、燃焼ガスから分離して回収する粒子回収方法について、図１乃至図６を参照して詳細に説明する。
当該粒子回収方法は、第１の粒子回収機構１０によって行う第１の回収工程と、第２の粒子回収機構３０によって行う第２の回収工程とを備えている。
先ず、燃焼ガス（気体）中には、粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子Ｄ２及び１００μｍ以上の粗粒子Ｄ１からなる粒子群が含有されており、第１の回収工程の前においては、図３に示すように、燃焼ガス中に含有される微粒子Ｄ３、中間粒子Ｄ２及び粗粒子Ｄ１の重量比率は粒子径に対して正規分布をなしている。

そして、第１の回収工程においては、前述の粒子群を含有した燃焼ガスが、第１配管２及び第２配管３内を図１に示す太字の矢印方向に流れて第１の粒子回収機構１０の粒子回収用本体１１のガス入口１１ａから粒子回収用本体１１内に入って第１案内板１２に衝突し、第１案内板１２に沿いつつガス案内部１３内を下降する。そして、当該燃焼ガスは、図２に示すように、水Ｗの水面に衝突しつつスロート部１４を高速で通過し、水Ｗを巻き上げ、第２案内板１５及び粒子回収用本体１１の内部の壁に衝突する。そして、当該燃焼ガスは、スクラビング部１６で渦流となり、水Ｗと混合し、１００μｍ以上の粗粒子Ｄ１及び粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子Ｄ２が燃焼ガスから分離して水Ｗに回収される。粗粒子Ｄ１及び中間粒子Ｄ２を回収した水Ｗは、オーバーフロー部１８、シールポット１９、シールポット１９の排水口２０及び排水用排出管２１を介してタールピット２３に排出される。これにより、燃焼ガス中に含有される微粒子Ｄ３、中間粒子Ｄ２及び粗粒子Ｄ１の重量比率は、図４に示すように、粗粒子Ｄ１及び中間粒子Ｄ２がほとんどなくなり、粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３が主として燃焼ガス中に含有されている状態となる。

そして、燃焼ガスが水Ｗの水面に衝突すると、水Ｗの水面には表面張力以上のせん断力が与えられミストＭが生成される。そして、燃焼ガス中の粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３は、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子Ｄ２と同等の粒径を有するミストＭによって、図２に示すようにミストＭ中に凝集される。これにより、燃焼ガス中に含有されるミストの体積比率とミスト径との関係は５に示すようになる。
そして、粗粒子Ｄ１及び中間粒子Ｄ２が除去された燃焼ガス及び微粒子Ｄ３を凝集したミストＭは、水切り板１７によって分離されてガス出口１１ｂから第３配管４内に排出される。

次に、第２の回収工程においては、第３配管４内に排出された、粗粒子Ｄ１及び中間粒子Ｄ２が除去された燃焼ガス及び微粒子Ｄ３を凝集したミストＭが、第２の粒子回収機構３０の粒子回収用本体３１のガス入口管３２から下向きに粒子回収用本体３１の内部に流入する。そして、当該燃焼ガス及びミストＭは、遠心力付与部３３によって遠心力を与えられ、粒子回収用本体３１の壁部近傍を旋回しながら下方へ移動する。ここで、質量の大きなミストＭは遠心力によって外方向へ移動し、質量の小さな燃焼ガスは中心方向へ移動し、遠心分離が行われる。

粒子回収用本体３１の内部で外方向へ移動した、微粒子Ｄ３を凝集したミストＭは、下方へ移動してドレン管３７を通過してダストボックス３８に回収される。これにより、燃焼ガス中に含有されるミストの体積比率とミスト径との関係は図６に示すようになる。
一方、粒子回収用本体３１の中心方向へ移動した燃焼ガスは、排気ダクト３４のガス入口３５から排気ダクト３４内に流入し、ガス出口３６を通過して第４配管５内に排出される。第４配管５内に排出された燃焼ガスは、図１における太字の矢印で示すように、第１配管２内に流入し、下流側設備（図示せず）に向けて排出される。

このように、第１実施形態に係る粒子回収方法においては、第１の回収工程において、燃焼ガスを第１の粒子回収機構１０の内部に溜めた水Ｗに衝突及び混合させることにより、粗粒子Ｄ１及び中間粒子Ｄ２を燃焼ガスから分離して回収するともに、燃焼ガスを水Ｗに衝突させた際に発生するミストＭにより微粒子Ｄ３を中間粒子Ｄ２と同等の粒径のミストＭに凝集する。そして、第２の回収工程において、第１の回収工程により微粒子Ｄ３を凝集したミストＭを、第２の粒子回収機構３０によって燃焼ガスから分離して回収する。
これにより、フィルタを使用せずに簡単な方法で、燃焼ガス中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子Ｄ２及び１００μｍ以上の粗粒子Ｄ１からなる粒子群を燃焼ガスから分離して回収することができる。このため、フィルタの逆洗浄やフィルタの取り換え等のメンテナンスが不要となる。

いわゆるウェットスクラバーと呼ばれる第１の粒子回収機構１０を用いた第１の回収工程のみでは、粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３を燃焼ガスから分離することはできない。一方、粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３のままでは、ミストではないので、いわゆるミストスクレーパと呼ばれる第２の粒子回収機構３０によって燃焼ガスから分離することはできない、そこで、第１の回収工程において、燃焼ガスを水Ｗに衝突させた際に発生するミストＭにより微粒子Ｄ３を中間粒子Ｄ２と同等の粒径のミストＭに凝集し、第２の回収工程において、微粒子Ｄ３を凝集したミストＭを第２の粒子回収機構３０により燃焼ガスから分離して回収することにより、粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３を燃焼ガスから分離することができる。一般に、粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３を気体から分離するには、フィルタを用いる技術が採用されており、フィルタの逆洗浄やフィルタの取り換え等のメンテナンスが必要となってしまう。

また、第１の回収工程における圧損が１３０ｍｍＡｑ程度、第２の拐取工程における圧損が１０ｍｍＡｑ程度と圧損が低いため、既設配管部で粒子回収装置１を設置し易いというメリットがある。
なお、燃焼ガスの流量は、約１０００Ｎｍ^３/ｈｒ〜約５０００Ｎｍ^３/ｈｒ程度までその頻度が正規分布で変動する。第１の回収工程においては、流量頻度の高い流量範囲（約２５００Ｎｍ^３/ｈｒ〜約３５００Ｎｍ^３/ｈｒ程度）に高い粒子回収率を発揮できる第１の粒子回収機構１０を選定し、第２の回収工程においては、全体の流量範囲（約１０００Ｎｍ^３/ｈｒ〜約５０００Ｎｍ^３/ｈｒ程度）に高い粒子回収率を発揮できる第２の粒子回収機構３０を選定することが好ましい。これにより、燃焼ガスの流量が約１０００Ｎｍ^３/ｈｒ〜約５０００Ｎｍ^３/ｈｒ程度までその頻度が正規分布で変動する燃焼ガス中の粒子群を高い集塵率で回収することができる。

（第２実施形態）
次に、図７を参照して本発明の第２実施形態に係る粒子回収方法について説明する。図７には、本発明の第２実施形態に係る粒子回収方法が適用される粒子回収装置の概略構成が示されている。図７において、図１に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図７に示す粒子回収装置１は、図１に示す粒子回収装置１と基本構成は同様であるが、第１の粒子回収機構１０の上流側の第２配管３に上流側冷却装置４０を設置した点で相違している。

この上流側冷却装置４０は、第１の回収工程の前に、第２配管３内を流れる燃焼ガスを冷却して水分に凝縮させる。そして、その際に発生するミストにより、燃焼ガス中に含有されている微粒子Ｄ３の一部を中間粒子Ｄ２と同等の粒径のミストに凝集する。
そして、第１の粒子回収機構１０による第１の回収工程において、粗粒子Ｄ１、中間粒子Ｄ２及び微粒子Ｄ３の一部を凝集したミストを燃焼ガスから分離して回収する。これにより、第１実施形態に係る粒子回収方法と比較して第１の回収工程による粒子回収率を高めることができる。

燃焼ガスに含有される微粒子Ｄ３の残部は、第１の回収工程において、燃焼ガスを水Ｗに衝突させた際に発生するミストＭにより中間粒子Ｄ２と同等の粒径のミストＭに凝集される。そして、第２の回収工程において、第１の回収工程により微粒子Ｄ３の残部を凝集したミストＭは、燃焼ガスから分離して回収される。
従って、この第２実施形態に係る粒子回収方法においても、フィルタを使用せずに簡単な方法で、燃焼ガス中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子Ｄ２及び１００μｍ以上の粗粒子Ｄ１からなる粒子群を燃焼ガスから分離して回収することができる。このため、フィルタの逆洗浄やフィルタの取り換え等のメンテナンスが不要となる。

（第３実施形態）
次に、図８を参照して本発明の第３実施形態に係る粒子回収方法について説明する。図８には、本発明の第３実施形態に係る粒子回収方法が適用される粒子回収装置の概略構成が示されている。図８において、図１に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図８に示す粒子回収装置１は、図１に示す粒子回収装置１と基本構成は同様であるが、第２の粒子回収機構３０の下流側の第４配管５に下流側冷却装置４１を設置し、下流側冷却装置４１が第５配管４２を介してダストボックス３８に接続されている点で相違している。

ここで、下流側冷却装置４１は、第２の回収工程の後に、第２の粒子回収機構３０（ガス出口３６）から第４配管５内に排出した燃焼ガスを冷却して水分に凝縮させる。そして、この水分は第５配管４２を通ってダストボックス３８内に排出される。
第２の粒子回収機構３０（ガス出口３６）から第４配管５内に排出された燃焼ガスは、下流側冷却装置４１が無い場合であっても、その後に自然と冷却されることがある。この場合、燃焼ガスが水分に凝縮され、水分が第４配管５内に残存してしまうことがある。この水分が第４配管５内に残存すると、第４配管５が腐食してしまうおそれがある。

本実施形態に係る粒子回収方法の場合、下流側冷却装置４１が、第２の回収工程の後に、第２の粒子回収機構３０（ガス出口３６）から第４配管５内に排出した燃焼ガスを強制的に冷却して水分に凝縮させ、この水分を第５配管４２を介してダストボックス３８内に排出する。これにより、第４配管５内に残存する水分により第４配管５が腐食してしまうおそれを回避することができる。
なお、この第３実施形態に係る粒子回収方法においても、フィルタを使用せずに簡単な方法で、燃焼ガス中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子Ｄ３、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子Ｄ２及び１００μｍ以上の粗粒子Ｄ１からなる粒子群を燃焼ガスから分離して回収することができる。このため、フィルタの逆洗浄やフィルタの取り換え等のメンテナンスが不要となる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、本発明に係る粒子回収方法は、燃焼ガス中に含有される粒子群を燃焼ガスから分離して回収する場合に限らず、燃焼ガス以外の気体中に含有される粒子群を当該気体から分離して回収する場合であってもよい。
また、第２実施形態に係る粒子回収方法に用いられる粒子回収装置１の上流側冷却装置４０を第１実施形態に係る粒子回収方法に用いられる粒子回収装置１の第２配管３に設置するとともに、第３実施形態に係る粒子回収方法に用いられる粒子回収装置１の下流側冷却装置４１を第１実施形態に係る粒子回収方法に用いられる粒子回収装置１の第４配管５に設置し、下流側冷却装置４１を第５配管４２を介してダストボックス３８に接続するようにしてもよい。

１粒子回収装置
２第１配管
３第２配管
４第３配管
５第４配管
６バイパス弁
１０第１の粒子回収機構
１１粒子回収用本体
１１ａガス入口
１１ｂガス出口
１２第１案内板
１３ガス案内部
１４スロート部
１５第２案内板
１６スクラビング部
１７水切り板
１８オーバーフロー部
１９シールポット
２０排水口
２１排水用排出管
２２吸水口
２３タールピット
３０第２の粒子回収機構
３１粒子回収用本体
３２ガス入口管
３３遠心力付与部
３４排気ダクト
３５ガス入口
３６ガス出口
３７ドレン管
３８ダストボックス
４０上流側冷却装置
４１下流側冷却装置
４２第５配管
Ｄ１粗粒子
Ｄ２中間粒子
Ｄ３微粒子
Ｍミスト
Ｗ水

Claims

流量が１０００Ｎｍ^３／ｈｒ〜５０００Ｎｍ^３／ｈｒまでその頻度が正規分布で変動する燃焼ガス中に含有される粒径１０μｍ以下の微粒子、粒径１０μｍ〜１００μｍの中間粒子及び１００μｍ以上の粗粒子からなる粒子群を、前記燃焼ガスから分離して回収する粒子回収方法であって、
前記燃焼ガスをウェットスクラバーで構成される第１の粒子回収機構の内部に溜めた水に衝突及び混合させることにより、前記粗粒子及び前記中間粒子を前記燃焼ガスから分離して回収するともに、前記燃焼ガスを前記水に衝突させた際に発生するミストにより前記微粒子を前記中間粒子と同等の粒径のミストに凝集する第１の回収工程と、
前記第１の回収工程により前記微粒子を凝集した前記ミストを、ミストセパレータで構成される第２の粒子回収機構によって前記燃焼ガスから分離して回収する第２の回収工程とを備え、
前記第２の回収工程では、前記第１の粒子回収機構のガス出口から配管内に排出された、前記粗粒子及び前記中間粒子が除去された前記燃焼ガス及び前記微粒子を凝集した前記ミストを、前記第２の粒子回収機構の粒子回収用本体のガス入口管から下向きに前記粒子回収用本体の内部に流入させ、当該燃焼ガス及び前記ミストに遠心力付与部によって遠心力を与えて、前記粒子回収用本体の壁部近傍を旋回しながら下方へ移動させて、質量の大きな前記ミストを遠心力によって外方向へ移動させ、質量の小さな前記燃焼ガスを中心方向へ移動させて遠心分離を行うことを特徴とする粒子回収方法。
前記第１の回収工程の前に、前記燃焼ガスを冷却して水分に凝縮させ、その際に発生するミストにより前記微粒子の一部を前記中間粒子と同等の粒径ミストに凝集し、前記第１の回収工程において、前記粗粒子、前記中間粒子及び前記微粒子の一部を凝集したミストを前記燃焼ガスから分離して回収することを特徴とする請求項１に記載の粒子回収方法。
前記第２の回収工程の後に、前記第２の粒子回収機構から排出した前記燃焼ガスを冷却して水分に凝縮させ、前記水分をダストボックスに排出することを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子回収方法。