JPWO2012023634A1 - 気液接触方法および気液接触装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】気液の接触効率の向上により、微細な水滴を製造し、省エネルギー，省スペース，メンテナンスフリー化を達成し、気体中のサブミクロン粒子を容易に集塵し、かつガス吸収を同時に処理できる。大型化の容易な高効率の気液接触方法と気液接触装置を提供する。【解決手段】気体と液体とを接触・混合させる気液接触方法および気液接触装置であって、前記気液接触装置１は、筒状の容器２の上流側に螺旋状の羽根体を内設した第１の気液接触部３を配置し、前記第１の気液接触部３の下流側に螺旋状の羽根体を内設した第２の気液接触部４を配置し、前記第１および第２の気液接触部３，４の上方に散水ノズル２２，２３を配置し、前記容器２の上流部から加圧または減圧された異種物質を含有している気体を導入し、散水ノズル２２，２３から液体を供給・噴霧し、前記第１の気体接触部３および第２の気液接触部４を上方（上流側）から下方（下流側）に並流で気体と液体とを通流させて、第１の気液接触部３ではガス速度を２０〜１５０ｍ／ｓで、第２の気液接触部４ではガス速度を０．５〜２０ｍ／ｓで通流させる気液接触方法である。
Description
本発明は、気液接触方法および気液接触装置に関する。本発明の方法は、筒状の容器の上流側に螺旋状の羽根体を内設した第１の気液接触部を配置し、前記第１の気液接触部の下流側に螺旋状の羽根体を内設した第２の気液接触部を配置し、前記第１の気液接触部および第２の気液接触部の上方（上流側）に散水ノズルを配置し、前記容器の上流部から加圧または減圧された異種物質を含む気体を導入し、散水ノズルから加圧された液体を供給し、前記第１の気液接触部および第２の気液接触部を気体と液体とを並流で上流側から下流側へ第１の気液接触部では高速度および第２の気液接触部では低速度で通流させて接触・混合させることを特徴とする気液接触方法である。この気液接触方法による気液接触装置は、気体中の異種物質を液体中に物質移動させるための装置、たとえばガス吸収装置，気液反応装置および集塵装置など広い用途を有する。
従来、気液接触装置たとえばガス吸収装置には、充填塔や棚段塔などの装置があるが、フラディング現象が発生するために塔内ガス速度に制限がある。その為に塔径が大きくなり、設備費が高価になる。また、粉塵が気体中に含有していると目詰まりや閉塞などが発生して操業が停止される。さらに、１μｍ以下の微細な粒子、たとえばＺｎＯ，ＳｉＯ２粉末などのサブミクロン粒子の集塵効率は低いのが実情である。更に又、集塵装置としてはベンチュリスクラバーが知られているが、粉粒体がサブミクロン粒子になるほど高圧力損失（例えば３〜２０ｋＰａ）になり、動力費が高価になる。また、ガス速度は４０〜１５０ｍ／ｓと高速度のために、気液接触時間が短いので、高濃度のガス吸収操作に利用することは不適当である。更に、電気集塵装置の場合は、設備費，運転費および設置面積が広大になる等の欠点がある。
上述したように、従来のガス吸収装置は、サブミクロン粒子の集塵効率は低く、また、集塵装置（例えばベンチュリスクラバー）は高い圧力損失（例えば３〜２０ｋＰａ）を必要とし、また、気液接触時間が短いためにガス吸収効率は低かった。その為にベンチュリスクラバーの下流側に充填塔などのガス吸収装置が配置されていた。
例えば、特許文献１および特許文献２に記載の静止型流体混合器を利用した気液処理装置はサブミクロン粒子の集塵効率が低いという問題点があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、サブミクロン粒子の集塵効率およびガス吸収効率の高性能化を達成させる気液接触方法および気液接触装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の気液接触方法は、筒状の容器の上流側に螺旋状の羽根体を内設した第１の気液接触部を配置し、その第１の気液接触部の下流側に螺旋状の羽根体を内設した第２の気液接触部を配置し、第１の気液接触部および第２の気液接触部の上流側に散水ノズルを配置し、容器の上流部から気体を導入し、散水ノズルから液体を供給し、気体と液体とを第１の気液接触部および第２の気液接触部の上流側から下流側へ並流で高速度および低速度で通流させて接触・混合させることを特徴とする気液接触方法である。
本発明の気液接触方法によれば、気体と液体とは並流で第１の気液接触部内を高速度（例えば１５〜１５０ｍ／ｓ）で通流し、生成される微細な水滴と排ガス中のサブミクロン粒子とを接触・混合し、サブミクロン粒子は増湿，増粒して液体中に集塵される。さらに、第２の気液接触部内を低速度（例えば０．５〜１５ｍ／ｓ）で通流して増湿，増粒されたサブミクロン粒子と洗浄液とを接触混合して集塵効率およびガス吸収効率を向上させる。
本発明の気液接触方法によれば、気液接触塔の上部に第１の気液接触部を、下部に第２の気液接触部を配置し、第１の気液接触部は、ガス速度は１５〜１５０ｍ／ｓ，ガス圧力はゲージ圧１〜３０ｋＰａで使用され、第２の気液接触部は、ガス速度０．５〜１５ｍ／ｓ，ガス圧力はゲージ圧０．１〜１０ｋＰａＧで使用される。本発明の気液接触方法により、気体中のサブミクロン粒子を高効率で集塵できる集塵装置およびガス吸収効率を提供する。
以下、本発明に係る気液接触方法による気液接触装置を実施するための実施の形態について、図面を参照して説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の気液接触装置の実施形態について説明する。
まず、本発明の気液接触装置の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る気液接触装置１の概略構成図を示したものである。図１に示すように、本実施の形態に係る気液接触装置１は、容器２と、第１の気液接触部３と、第２の気液接触部４と、第１の液体散水手段５と、第２の液体散水手段６と、液体供給手段７と、気体導入手段８と、気体排出手段９と、液体排出手段１０と、新液供給手段１１と、液体貯留部１２と、を備えている。
本実施の形態においては、第１の気液接触部３および第２の気液接触部４は螺旋状の羽根体を有する静止型流体混合器１３および１４を、密閉された処理容器２内にその長手方向を鉛直にして配置する。この場合に、容器２内の第１の気液接触部３の上流側には気体導入手段８と第１の液体散水手段５が設けられ、第１の気液接触部３の下流側には、空間部１５を形成し，第２の液体散水手段６と第２の気液接触部４とが設けられ、第２の気液接触部４の下方には液体と気体を分離し、液体を落下させるための空間である分離落下部１６および排気管１７とブロワー１８を介して容器２外に気体を排出する気体排出手段９とが設けられ、容器２内の下部には、液体が溜まる貯留部１２が設けられている。また、貯留部の液体を循環ポンプ１９を介して第１および第２の液体散水手段５，６に液体を供給する液体供給配管２０が設けられている。更に、貯留部１２に新液を適宜補充する新液供給手段１１が設けられている。更に又、貯留部１２の液体を容器２外に適宜排出する抜出しポンプ２１が設けられている。
本実施形態では、第１の気液接触部３の上流側からサブミクロン粒子を含有する気体と散水ノズル２２を介して液体とを供給・噴霧し、第１の気液接触部３内を気体速度１５〜１５０ｍ／ｓで通流する。噴霧された液体はさらに微細化される。この微細化された水滴とサブミクロン粒子は接触して、サブミクロン粒子は増湿，増粒される。増湿，増粒された粒子を含有する気体と第２の液体散水手段６を介して散水ノズル２３に供給される液体とは第２の気液接触部４内を気体速度０．５〜１５ｍ／ｓで通流し、接触・混合する。気体中のサブミクロン粒子は液体中に集塵される。また、気体中のＨｃｌ，ＮＨ３，ＳＯｘなどはほぼ気液平衡値で物理吸収および化学反応吸収をして、気体を清静化することができる。
上述した本発明に係る気液接触装置は、石炭火力発電所，ゴミ焼却炉などから排出されるＳＯｘ，ＮＯｘ，Ｈｃｌ，Ｈｇおよびダストなどの排ガス処理，溶鉱炉，溶解炉を使用する金属、非金属などの精錬業におけるダスト，ＳＯｘ，ＮＯｘなどの排ガス処理，合成石英・光ファイバー製造業におけるＳｉＯ２，Ｓｉｃｌ４，Ｈｃｌ，Ｔｉｃｌ４，ＳｉＦ４などおよび半導体製造業における（Ｃ２Ｈ３）３Ａｌ，（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ，Ｈ２Ｓｅ，ＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６，Ｂ２Ｈ６などの排ガス処理などに適用することができる。
なお、本発明に係る気液接触装置は、上述の形態に限定されるものではなく、材料、構成などにおいて本発明の構成を逸脱しない範囲において種々の変形，変更が可能であることはいうまでもない。特に、散水ノズル２２，２３の噴射方向は、下向き、上向きのどちらでも適宜選択使用することができる。また、散水ノズルの配置位置は気液接触部３，４の下方に配置してもよい。更に、第１の気液接触部３を形成する螺旋状の羽根体を有する静止型流体混合器の構成材料は耐耗性の材料を適宜選択使用することができる。更に又、水分によるダスト付着防止のために気体導入管をシールガスで２重，３重にして気体導入手段８を改良し、選択使用してもよい。
図２は本発明の第２の実施形態に係る気液接触装置２４の概略構成図を示したものである。図２に示すように、第２の実施形態に係る気液接触装置２４は容器２５と第１の気液接触部２６と第２の気液接触部２７と、第１の液体散水手段２８と、第２および第３の液体散水手段２９および３０と、気体供給手段３１と、気体の排気管３２と、液体供給手段３３と、液体排出手段３４と、液体の貯留部３５と、新液供給手段３６と、を備えている。
本発明の第２の実施形態においては、第１の気液接触部２６および第２の気液接触部２９は螺旋状の羽根体を有する静止型流体混合器３７および３８を、密閉された処理容器２５内にその長手方向を第１の気液接触部２６は水平に、第２の気液接触部２７は鉛直にして配置する。この場合に、容器２５の側面に配置されている第１の気液接触部２６の上流側（排ガス源入口側）には気体供給手段３１のブロワー３９を介して気体を供給する気体導入配管４０と、液体供給手段３３の循環ポンプ４１を介して容器２の下部に設けられた液体貯留部３５の液体を液体供給配管４２に供給し、散水ノズル４３から水平方向に静止型流体混合器３７の上流部に噴霧する。気体と液体とは静止型流体混合器３７内を並流で高速度（例えば１５〜１５０ｍ／ｓ）で通流して混合・接触して、サブミクロン粒子は増湿，増粒される。増粒された液体と気体とを分離する分離落下部４４が液体貯留部３５の上方に設けられている。分離，落下をしない液体と気体とは容器２５内の中間部に配置された静止型流体混合器３８の下端部から上端部へ低速度（例えば０．５〜１５ｍ／ｓ）で通流する。排ガスは空間部４８，排気管３２を介して容器２５外に清浄ガスとして放出される。
静止型流体混合器３８の下方と上方には、液体貯留部３５の液体を循環ポンプ４１を介して液体供給配管４５に供給し、散水ノズル４６および４７から噴霧する。この場合散水ノズル４６および散水ノズル４７は共に上向き方向に噴霧する。気体と液体とは、並流と向流の２つの混合・接触作用により、増湿，増粒したサブミクロン粒子は容易に液体中に捕捉され、また、気体中のＨｃｌ，ＮＯｘ，ＳＯｘ，Ｈｇなどの異種物質は高効率で反応吸収され、清浄ガスとして大気中に排気される。静止型流体混合器３８内の流体の流れは並流と向流作用を併用することで、液体は下部から上部、上部から下部に落下することで、気液接触時間は２倍以上になり、高効率で集塵およびガス吸収が実施できることになる。また、液体と気体との液・ガス比（ｌ／ｍ３）も少なくなり、液体の供給量が少量になり、循環ポンプの消費電力費が省エネルギーとなり、運転コストが安価になる。
次に、本実施形態に係る第１の気液接触装置を用いて行った実験結果について説明する。
＜実験例１＞
以下に、本発明の第１実施例および第２実施例に係る気液接触装置の集塵効率及び吸収効率を評価する目的で、気液接触装置を排ガス中のＳｉＯ２などのサブミクロンダストの集塵（除塵）及びＨｃｌガスの物理吸収に利用した場合の測定結果を表１に示す。
以下に、本発明の第１実施例および第２実施例に係る気液接触装置の集塵効率及び吸収効率を評価する目的で、気液接触装置を排ガス中のＳｉＯ２などのサブミクロンダストの集塵（除塵）及びＨｃｌガスの物理吸収に利用した場合の測定結果を表１に示す。
このとき、処理容器２内へ供給される処理排ガス量（ｍ３／ｍｉｎ）、第１および第２の気液接触部のガス流入速度（ｍ／ｓ）及び装置へ提供される洗浄液の量（ｍ３／ｈｒ）を一定にし、気液処理装置１入口及び気液接触装置の排気管１７出口におけるダスト濃度（ｍｇ／Ｎｍ３）及びＨｃｌガス濃度（ｐｐｍ）を測定した。
測定に使用する気液接触装置は、第１の気液接触部３に配置する静止型流体混合器１３として２つのミキシングエレメント（不図示）を直列に鉛直方向に配置して構成した。また、各々のミキシングエレメント（不図示）は、円筒体の内径が１００ｍｍ、円筒体の高さが１００ｍｍであって、羽根部は、各々螺旋状に約９０°右回転又は左回転に捩じられた６枚の羽根体で構成されているものを使用した。また、羽根体は多孔板で形成されており、孔（不図示）の直径が２０ｍｍであって、孔部の総開口面積が、羽根体の表面積に対して約４０％となるものを使用した。液体供給手段７から散水ノズル２２内に供給される洗浄液の量は、容器２の気体導入管から導入される処理排ガス量に対して約０．００５容積％に設定した。
また、第２の気液接触部４に配置する静止型流体混合器１４として４つのミキシングエレメント（不図示）を直列に配置して構成した。
また、各々のミキシングエレメント（不図示）は円筒状の内径が２００ｍｍ、円筒体の高さが１５０ｍｍであって羽根部は各々螺旋状に約９０°右回転又は左回転に捩じられた１２枚の羽根体で構成されているものを使用した。また、羽根体は多孔板で形成されており、孔の直径が１０ｍｍであって、孔部の総開口面積が羽根体の表面積に対して約２０％となるものを使用した。更に、液体供給手段７から散水ノズル２３内に供給される洗浄液の量は、気体導入管から導入される処理排ガス量に対して約０．０１容積％に設定した。また、ミキシングエレメントは本願発明者が出願している特願平６−１１５８１７号および特願２００５−５１７８６号に開示されているミキシングエレメントを適宜選択使用される。
なお、上部散水ノズル２２及び下部散水ノズル２３から供給される洗浄液量の割合および噴霧方向は、処理排ガス中のガス組成，濃度及びダストの種類，濃度，粒子径等により適宜選択使用される。
次に、本実施形態に係る第２の気液接触装置を用いて行った実験結果について説明する。
＜実験例２＞
測定に使用する気液接触装置２４は、第１の気液接触部２６に配置する静止型流体混合器３７として２つのミキシングエレメント（不図示）を直列に水平方向に配置して構成した。また、各々のミキシングエレメント（不図示）は、円筒体の内径が１００ｍｍ、円筒体の高さが１００ｍｍであって、羽根部は、各々螺旋状に約９０°右回転又は左回転に捩じられた６枚の羽根体 で構成されているものを使用した。また、羽根体は多孔板で形成されており、孔（不図示）の直径が２０ｍｍであって、孔部の総開口面積が、羽根体の表面積に対して約４０％となるものを使用した。更に、液体供給手段３３から散水ノズル４３内に供給される洗浄液の量は、容器２５の気体４０から導入される処理排ガス量に対して約０．００５容積％に設定した。
測定に使用する気液接触装置２４は、第１の気液接触部２６に配置する静止型流体混合器３７として２つのミキシングエレメント（不図示）を直列に水平方向に配置して構成した。また、各々のミキシングエレメント（不図示）は、円筒体の内径が１００ｍｍ、円筒体の高さが１００ｍｍであって、羽根部は、各々螺旋状に約９０°右回転又は左回転に捩じられた６枚の羽根体 で構成されているものを使用した。また、羽根体は多孔板で形成されており、孔（不図示）の直径が２０ｍｍであって、孔部の総開口面積が、羽根体の表面積に対して約４０％となるものを使用した。更に、液体供給手段３３から散水ノズル４３内に供給される洗浄液の量は、容器２５の気体４０から導入される処理排ガス量に対して約０．００５容積％に設定した。
また、第２の気液接触部２７に配置する静止型流体混合器３８として４つのミキシングエレメント（不図示）を直列に配置して構成した。また、各々のミキシングエレメント（不図示）は円筒状の内径が２００ｍｍ、円筒体の高さが１５０ｍｍであって羽根部は各々螺旋状に約９０°右回転又は左回転に捩じられた１２枚の羽根体で構成されているものを使用した。また、羽根体は多孔板で形成されており、孔の直径が１０ｍｍであって、孔部の総開口面積が羽根体の表面積に対して約２０％となるものを使用した。更に、液体供給手段３３から散水ノズル４６，４７内に供給される洗浄液の量は、気体導入配管４０から導入される処理排ガス量に対して約０．０１容積％に設定した。
なお、散水ノズル４３および上部散水ノズル４７及び下部散水ノズル４７から供給される洗浄液量の割合および噴霧方向は、処理排ガス中のガス組成，濃度及びダストの種類，濃度，粒子径等により適宜選択使用される。
本発明の気液接触装置による実験結果は次の表１のようになる。
従来技術の気液接触装置と本発明の装置との運転条件を比較してみると、次の表２のようになる。
表１の結果および表２より、本発明の気液接触装置は、従来技術の充填塔，ベンチュリスクラバーと比較して、いずれの運転条件においても、集塵効率，ガス吸収効率ともに優れていることが判明した。
なお、本発明に係る気液接触装置は、上述の各形態に限定されるものではなく、その他材料，構成等において本発明の構成を逸脱しない範囲において種々の変形，変更が可能であることはいうまでもない。特に、静止型流体混合器はミキシングエレメントに限定されることなく種々の形状の静止型流体混合器を適宜選択使用可能である。
１，２４：気液接触装置
２，２５：容器
３，２６：第１の気液接触部
４，２７：第２の気液接触部
５，６，２８，２９，３０：液体散水手段
７，３３：液体供給手段
８：気体導入手段
９：気体排出手段
１０，３４：液体排出手段
１２，３５：貯留部
１３，１４，３７，３８：静止型流体混合器
１５，４８：空間部
１６，４４：分離落下部
１７，３２：排気管
１８，３９：ブロワー
１９，４１：循環ポンプ
２０，４２，４５：液体供給配管
２１，４９：抜出しポンプ
２２，２３，４３，４６，４７：散水ノズル
３１：気体供給手段
２，２５：容器
３，２６：第１の気液接触部
４，２７：第２の気液接触部
５，６，２８，２９，３０：液体散水手段
７，３３：液体供給手段
８：気体導入手段
９：気体排出手段
１０，３４：液体排出手段
１２，３５：貯留部
１３，１４，３７，３８：静止型流体混合器
１５，４８：空間部
１６，４４：分離落下部
１７，３２：排気管
１８，３９：ブロワー
１９，４１：循環ポンプ
２０，４２，４５：液体供給配管
２１，４９：抜出しポンプ
２２，２３，４３，４６，４７：散水ノズル
３１：気体供給手段
Claims (7)
- 気体と液体とを接触させる気液接触方法であって、筒状の容器の上流側に第１の気液接触部を配置し、前記第１の気液接触部の下流側に第２の気液接触部を配置したことを特徴とする気液接触方法。
- 前記第１の気液接触部は螺旋状の羽根体を有する静止型流体混合器を配置して形成していることを特徴とする請求項１に記載の気液接触方法。
- 前記第１の気液接触部内を通流する気体速度は２０〜１５０ｍ／ｓである請求項１に記載の気液接触方法。
- 前記第１の気液接触部内を通流する気体圧力は加圧または減圧下でゲージ圧５〜５０ｋＰａであることを特徴とする請求項１に記載の気液接触方法。
- 前記第２の気液接触部は螺旋状の羽根体を有する静止型流体混合器を配置して形成していることを特徴とする請求項１に記載の気液接触方法。
- 前記第２の気液接触部内を通流する気体速度は０．５〜２０ｍ／ｓである請求項１に記載の気液接触方法。
- 前記第２の気液接触部内を通流する気体圧力は加圧または減圧下でゲージ圧０．１〜１０ｋＰａであることを特徴とする請求項１に記載の気液接触方法。
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