JP7182197B2 - 噴霧ノズル及び噴霧方法 - Google Patents
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Description
例えば、150℃以上の温度で熱分解する化学的性質を有するオゾンガスで燃焼排ガスを処理する排ガス処理方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。この方法では、シャワーリング室で十分に冷却した燃焼排ガス中にオゾンガスを供給することにより、燃焼排ガスを浄化している。この方法では、燃焼排ガスを冷却するために大規模な冷却装置が必要である。
また、ミストの局所冷却域を利用してオゾンガスで燃焼排ガスを処理する排ガス処理方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。この方法では、ミストの局所冷却域だけをオゾンガスの熱分解温度以下の温度に冷却して燃焼排ガスをオゾンガスで処理するため、大規模な冷却装置を必要としない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガスが熱分解することを抑制することができ、酸化剤ガスで効率よく被処理ガスを酸化処理することができる噴霧ノズルを提供する。
本発明の噴霧ノズルは、第1管の端部に設けられた第1噴出孔を備える。この第1噴出孔は、第2噴出孔から噴出させた水又は水溶液を含むミスト中に、第1噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられる。この第1噴出孔から酸化剤ガスを噴出させることにより、旋回流を有するミストの旋回軸付近に酸化剤ガスを供給することができる。
従って、本発明の噴霧ノズルを用いることにより、酸化剤ガスが熱分解されることを抑制することができ、酸化剤ガスで効率よく被処理ガスを酸化処理することができる。
本発明の噴霧ノズルに含まれる第1管、第2管及び第3管は、第1管が第2管の内部に位置し、第2管が第3管の内部に位置する構造を有することが好ましい。本発明の噴霧ノズルに含まれる連通流路は、第1管と第2管との間の流路と、第2管と第3管との間の流路とを連通するように設けられることが好ましく、第1管の内部流路は、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路であることが好ましい。第2管と第3管との間の流路は、噴霧用ガスを流す気体流路であることが好ましく、第1管と第2管との間の流路は、水又は水溶液を流す水流路と、気液混合部とを含むことが好ましい。気液混合部は、水流路から供給される水又は水溶液と連通流路から吹き込まれる噴霧用ガスと混合しながら旋回流を生じさせるように設けられることが好ましく、第2噴出孔は、気液混合部により形成された旋回する気液混合体が第2噴出孔から噴出するように設けられたことが好ましい。このような構成によれば、第2噴出孔から水又は水溶液を噴霧用ガスと共に旋回させながら噴出させミストを形成することができ、第1噴出孔からミスト中に酸化剤ガスを供給することができる。
本発明の噴霧ノズルに含まれる第1噴出孔は、第2噴出孔と同一面上に配置されることが好ましく、又は第2噴出孔よりも噴出方向に突出して配置されることが好ましい。このことにより、ミストの旋回軸付近に酸化剤ガスを供給することができ、酸化剤ガスがミストの外部に拡散し熱分解することを抑制することができる。
前記酸化剤ガスは、オゾン含有ガスであることが好ましい。オゾンは強力な酸化性を有するため、被処理ガスに含まれるガスを酸化することができる。
本発明の噴霧方法において、第2噴出孔から水又は水溶液及び噴霧用ガスを30m/s以上340m/s以下の初速度で噴出させることが好ましい。また、被処理ガスはNOxを含む排ガスであることが好ましく、酸化剤ガスはオゾン含有ガスであることが好ましい。
本実施形態の噴霧ノズル30は、第1管4の端部に設けられた第1噴出孔3と、第1管4を囲むように設けられた第2噴出孔2とを備え、第2噴出孔2は、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら第2噴出孔2から噴出するように設けられ、第1噴出孔3は、第2噴出孔2から噴出させた水又は水溶液を含むミスト24中に、第1噴出孔3から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の噴霧方法は、本実施形態の噴霧ノズル30が取り付けられた被処理ガス流路21を流れる被処理ガス中に第2噴出孔2から水又は水溶液を噴霧用ガスと共に旋回させながら噴出させ被処理ガス中にミスト24を形成し、第1噴出孔3から酸化剤ガスを噴出させミスト24中に酸化剤ガスを供給するステップを含む。
ミストとは、多数の水滴23が気体中に浮遊しているものをいう。ミストに含まれる水滴23は、100μm以下の平均粒子径を有することができる。
噴霧ノズル30は、3重管、4重管又は5重管の先端部にアダプタ、混合スリーブ、コア、ノズルチップ、キャップのうち少なくとも1つを取り付けた構造を有してもよい。
例えば、水流路11から供給される水又は水溶液と、気体流路12から供給される噴霧用ガスとを内部混合し第2噴出孔2から噴出させることができる。第2噴出孔2は、内壁が第1管4であり外壁が第2管5又は第3管6である円環状の孔とすることができる。
噴霧ノズル30は、一方の端が第1管4に固定され、他方の端が第1管4の外側の管(第2管5又は第3管6)に固定された支持部18を有することができる。支持部18は、第1管4がその外側の管の中心に固定されるように設けることができる。このことにより、噴霧の際に第1管4が振動し破損することを抑制することができる。また、噴霧ノズル30は、複数の支持部18を有することができる。
支持部18は、第2噴出孔2に設けられてもよい。例えば、図5(b)~(d)のように、複数の支持部18を第2噴出孔2に設けることができる。この場合、第2噴出孔2は、円環状の噴出孔が支持部18で分断された形状を有することができる。なお、図5(b)~(d)は、図3の破線で囲んだ範囲Eにおける端面図である図5(a)に対応する端面図である。
第2噴出孔2から水又は水溶液及び噴霧用ガスを噴出させる初速度は、例えば、30m/s以上340m/s以下とすることができる。このことにより、ミスト24の旋回流の噴出方向の速度成分及び回転方向の速度成分を大きくすることができ、第1噴出孔3から噴出させた酸化剤ガスがミスト24の外部に拡散し熱分解することを抑制することができる。
気体流路12は、例えば、第2管5と第3管6との間の円管状流路断面を有する流路に設けることができる。気体流路12を流れる噴霧用ガスは、水流路11から供給される水又は水溶液を微粒化するために用いられる気体である。噴霧用ガスには、例えば、空気、窒素ガス、酸素ガスなどを用いることができる。
気液混合部16では、水流路11から供給される水又は水溶液と連通流路13から吹き込まれる噴霧用ガスとが衝突混合し、噴霧用ガスの高速気流により水又は水溶液が粉砕され微粒化する。このようにして形成される水又は水溶液の微粒子(水滴23)と噴出用ガスとを含む気液混合体が気液混合体流路15を流れ、第2噴出孔2から噴出する。
ミスト24に形成される旋回流は、旋回軸を中心として回転しながら噴出方向に流れる流れであり、噴出方向の速度成分と回転方向の速度成分とを持っている。このため、第1噴出孔3から旋回軸付近に供給された酸化剤ガスは、旋回流の旋回軸付近を噴出方向に向かって流れると考えられる。また、ミスト24の外側の被処理ガスは、旋回流の外周の流れに巻き込まれ、旋回流にのって流れる間にミスト24の気化熱により冷却されると考えられる。この冷却された被処理ガスがミスト24中において酸化剤ガスと接触し酸化されると考えられる。このため、酸化剤ガスが熱分解されることを抑制することができ、酸化剤ガスで効率よく被処理ガスを酸化処理することができる。
オゾンガスは強力な酸化性を有し、酸化剤として機能する。このため、NOxを含む燃焼排ガスとオゾンガスとを混合することにより、燃焼排ガスに含まれる水に溶けにくいNOガスを水や還元剤と反応しやすいNO2ガスに酸化することができる。また、燃焼排ガス中のNO2ガスは、還元剤などにより除去することができる。このように、オゾンガスによるNOガスの酸化処理は、燃焼排ガス中のNOxの除去処理に利用することができる。
しかし、オゾンガスは熱分解性を有し、150℃を超えると熱分解速度が速くなる。このため、オゾンガスによる燃焼排ガスの酸化処理は150℃以下の温度で行う必要がある。
本発明の噴霧ノズル30により燃焼排ガス中にミスト24を形成しこのミスト24中にオゾン含有ガス(酸化剤ガス)を供給すると、ミスト24中の局所冷却域においてオゾンガスと燃焼排ガスとを効率よく混合することができるため、オゾンガスの利用効率を高くすることができる。
第1噴出孔3は、図6に示した噴霧ノズル30のように、第2噴出孔2(噴口面)よりも噴出方向に突出して配置することができる。このことにより、ミスト24の旋回軸付近に酸化剤ガスを供給することができ、酸化剤ガスがミスト24の外部に拡散し熱分解することを抑制することができる。
第1噴出孔3は、図7に示した噴霧ノズル30のように、複数の水滴23と噴霧用ガスとが噴霧ノズル30の外部へ噴出する噴出孔(噴口面)よりも内部側に配置することができる。また、図7に示した噴霧ノズル30のように、第2噴出孔2の外壁は、第1噴出孔3よりも噴出方向に突出するように設けることができる。このことにより、第2噴出孔2からノズル外部へ噴出させた水滴が粗大化することを抑制することができ、微細なミスト24を形成することができる。このため、ミスト24の冷却効率を向上させることができる。
また、第1噴出孔3(第1管4の先端)が噴出面よりもノズル内側に配置された場合であっても、第1噴出孔3から噴出させた酸化剤ガスが噴霧ノズル30の外部においてミスト24中に供給される(外部混合)ように第1噴出孔3を配置することができる。このことにより、旋回流を有するミスト24の旋回軸付近に酸化剤ガスを供給することができ、酸化剤ガスが熱分解されることを抑制することができる。
例えば、図7に示した噴霧ノズル30のように、第1管4の先端(第1噴出孔3)を噴口面からわずかに凹ませることができる。例えば、第2噴出孔2の外壁の先端19(噴口面)と第1噴出孔3(第1管4の先端)との間の距離(凹みの深さ)を0.01mm以上2mm以下とすることができる。また、凹みの深さを0.01mm以上1mm以下とすることもできる。
旋回流形成部17は、例えば、スクリュー形状のブレードを有することができる。水又は水溶液がこのブレードに沿って流れることにより、水流路11を流れる水又は水溶液に旋回流を形成することができる。このブレードは、例えば、第1管4の外周面上に設けることができる。
噴霧ノズル30は、例えば、被処理ガスが流れる流路21の内部の気圧と、大気圧との差により大気中の空気が空気流路14を流れ空気放出孔8から流路21に放出するように設けることができる。
SO2+2NaOH → Na2SO3+H2O・・・(1)
また、排ガス流路45を流れる排ガスはNOがオゾンにより酸化され生成したNO2を含むため、次の式(2)のような気液反応を進行させることができる。
2NO2+4Na2SO3 → N2+4Na2SO4・・・(2)
従って、第2ミスト47中においてNO2をN2に還元することができ、排ガス中のNOxを除去することができる。式(1)、(2)の化学反応は、第2ミスト47の微小水滴中又は微小水滴と排ガスとの気液界面において進行すると考えられるため、微小水滴の存続期間を、これらの化学反応が進行するために必要な時間(約1秒間必要と考えられる)以上とすることができる。
式(2)の化学反応が進行すると、還元剤であるNa2SO3からNa2SO4が生成し、Na2SO4のダストが排ガス中に生じる。
図9に示したような排ガス処理装置によりガラス溶解炉から排出される排ガスを処理した。また、噴霧ノズル30には、図1~4に示したような噴霧ノズルを用いた。反応塔のダクト径は3.5mである。排ガス量は約13000Nm3/hであり、反応塔内の約360℃の排ガス温度における排ガスの流速は約0.8m/secであった。また、反応塔入口におけるNOx濃度(酸素濃度15%に換算時の濃度)は約220ppmでありSOx濃度(酸素濃度15%に換算時の濃度)は約180ppmであり、酸素濃度は約8%であった。
また、噴霧ノズル68による噴霧は行っていない。また、集塵器には電気集塵器を用いた。
噴霧条件1~3のそれぞれで行った排ガス処理実験における第1ミストの局所冷却域の温度の測定結果と、オゾンガスによるNOの酸化効率(ΔNO/O3)を表2に示す。また、反応塔入口の排ガス温度は約360℃であり、反応塔出口の排ガス温度は約210℃であった。
第1ミストの局所冷却域の温度は、条件1~3のいずれにおいても100℃以下であり、局所冷却域におけるオゾンの熱分解は抑制されると考えられる。条件1では冷却水の量が条件2、3よりも少ないため、局所冷却域の温度が条件2、3よりも高くなったと考えられる。
図1~4に示したような噴霧ノズルを用いて、冷却水と空気とを内部混合した気液混合体を第2噴出孔から噴出させ第1ミストを形成し、第1ミスト内の複数の水滴の平均流速及び水滴の粒子径を測定した。この測定における噴霧条件は表1に示した条件1~3の水圧、空気圧と同じであり、図10に示したA点、B点における複数の水滴のX方向の平均流速を測定し、B点における水滴の粒子径を測定した。測定結果を表3に示す。
図2に示した噴霧ノズルのように第1管4(オゾン管)の先端(第1噴出孔3)が噴口面に位置する噴霧ノズル(噴口面からオゾン管の先端までの距離d=0mm)、図6に示した噴霧ノズルのように第1管4(オゾン管)の先端(第1噴出孔3)が噴口面から突出した噴霧ノズル(d=2mm)、図7に示した噴霧ノズルのように第1管4(オゾン管)の先端(第1噴出孔3)が噴口面から凹んだ位置に配置された5つの噴霧ノズル(d=-1mm、-2mm、-3mm、-4mm、-5mm)を作製した。
表4に示したザウター平均粒子径Dは、d=0mmとした噴霧ノズルを用いた測定において測定されたザウター平均粒子径Dを基準(100%)としてパーセントで表している。表4、図12に示したザウター平均粒子径の変化率は、この基準平均粒子径からの平均粒子径Dの変化率である。
従って、-2mm≦d<0mmとすることにより、オゾン含有ガスの供給圧力の上昇を抑えることができ、かつ、ミストに含まれる水滴の平均粒子径Dを小さくすることができることがわかった。なお、エアー流量Qaが同じである場合、ミストの水滴の平均粒径Dが小さいほど冷却効率が高くなる。
Claims (11)
- 第1管と、第1管の端部に設けられた第1噴出孔と、第1管を囲むように設けられた第2噴出孔と、第2管と、第3管と、連通流路とを備え、
第2噴出孔は、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら第2噴出孔から噴出するように設けられ、
第1噴出孔は、第2噴出孔から噴霧用ガスと共に噴出させた水又は水溶液を含むミスト中に、第1噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられ、
第1管、第2管及び第3管は、第1管が第2管の内部に位置し、第2管が第3管の内部に位置する構造を有し、
前記連通流路は、第1管と第2管との間の流路と、第2管と第3管との間の流路とを連通するように設けられ、
第1管の内部流路は、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路であり、
第2管と第3管との間の流路は、噴霧用ガスを流す気体流路であり、
第1管と第2管との間の流路は、水又は水溶液を流す水流路と、気液混合部とを含み、
前記気液混合部は、前記水流路から供給される水又は水溶液と前記連通流路から吹き込まれる噴霧用ガスと混合しながら旋回流を生じさせるように設けられ、
第2噴出孔は、前記気液混合部により形成された旋回する気液混合体が第2噴出孔から噴出するように設けられたことを特徴とする噴霧ノズル。 - 第2噴出孔は、円環形状を有する請求項1に記載の噴霧ノズル。
- 旋回流形成部をさらに備え、
前記旋回流形成部は、前記水流路を流れる水又は水溶液に旋回流が形成されるように設けられ、
前記気液混合部は、前記旋回流形成部により形成される旋回流の回転方向と同じ回転方向の旋回流が形成されるように設けられた請求項1又は2に記載の噴霧ノズル。 - 第1噴出孔は、第2噴出孔と同一面上に配置された、又は第2噴出孔よりも噴出方向に突出して配置された請求項1~3のいずれか1つに記載の噴霧ノズル。
- 第2噴出孔は、円環形状を有し、
第2噴出孔の外壁は、第1噴出孔よりも噴出方向に突出するように設けられた請求項1~3のいずれか1つに記載の噴霧ノズル。 - 第1噴出孔は、前記噴霧ノズルの外部において前記ミスト中に第1噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられた請求項5に記載の噴霧ノズル。
- 第2噴出孔の外壁の先端と第1噴出孔との間の距離は0mmより大きく2mm以下である請求項5又は6に記載の噴霧ノズル。
- 第1管の端部に設けられた第1噴出孔と、第1管を囲むように設けられた第2噴出孔と、空気放出孔と、空気流路とを備え、
第2噴出孔は、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら第2噴出孔から噴出するように設けられ、
第1噴出孔は、第2噴出孔から噴霧用ガスと共に噴出させた水又は水溶液を含むミスト中に、第1噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられ、
前記空気流路は、第2噴出孔に水又は水溶液と噴霧用ガスとを供給する流路の外壁を構成する管と、前記外壁を構成する管の外周に配置された管との間の流路であり、
前記空気放出孔は、前記空気流路から供給される空気を前記空気放出孔から噴霧ノズルの外部に放出し前記ミストの外周及びその周囲に空気を供給するように設けられかつ第2噴出孔に水、水溶液又は噴霧用ガスを供給する流路又は第2噴出孔を囲むように設けられたことを特徴とする噴霧ノズル。 - 前記酸化剤ガスは、オゾン含有ガスである請求項1~8のいずれか1つに記載の噴霧ノズル。
- 請求項1~9のいずれか1つに記載の噴霧ノズルが取り付けられた被処理ガス流路を流れる被処理ガス中に第2噴出孔から水又は水溶液を噴霧用ガスと共に旋回させながら噴出させ被処理ガス中にミストを形成し、第1噴出孔から酸化剤ガスを噴出させ前記ミスト中に酸化剤ガスを供給するステップを含む噴霧方法。
- 前記被処理ガスは、NOxを含む排ガスであり、
前記酸化剤ガスは、オゾン含有ガスである請求項10に記載の噴霧方法。
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