JP2016014516A - 排ガス冷却装置および排ガス冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの冷却効率が高い排ガス冷却装置および排ガス冷却方法を提供する。【解決手段】排ガスに冷却液Ｗ１を噴霧して冷却を行う排ガス冷却装置１であって、前記排ガス冷却装置は、排ガスの給気口３と排気口４を有し、内部で排ガスの冷却を行う冷却塔２と、前記排ガスの冷却に用いる冷却液を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンクの冷却液を前記冷却塔へ送るポンプ１１と、前記冷却塔内に配置され、貯留タンクから送られてきた冷却液を排ガスに噴霧するノズル７を有し、前記ノズルは、直径１．５ｍｍ以下のオリフィスを有し、２ＭＰａ以上の圧力で、冷却液を霧状に噴霧する一流体ノズルであり、前記ノズルから噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍ以下であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、高炉やコークス炉などから排出される高温の排ガスを冷却する装置および方法に関する。詳しくは、一流体ノズルから排ガスへ向けてミストを噴霧し、そのミストの蒸発熱により排ガスを冷却するものである。

高炉、コークス炉、各種溶解炉からの排ガスはダストを多く含むため、大気中に放出する前に除塵しなければならない。しかし、排ガスの温度は８００℃〜１０００℃の高温であるため、その排ガスを集塵機へそのまま送ると、集塵機が故障してしまう。そこで、現在は前記高炉等の後段に冷却塔を設け、排ガスを冷却してから、集塵機へ送っている。

一般的な冷却塔では、ノズルから排ガスへ向かってミスト（霧状の冷却液）を噴霧し、そのミストの蒸発熱により冷却を行う。このときのノズルとしては、１ＭＰａ前後の圧力を用いる大口径の一流体ノズルや、１個当たりの噴霧量が数十ｌ／ｍｉｎ以上で、低圧力かつ大口径の二流体ノズルが用いられている。

前記一流体ノズルは、粒子径が数百μｍのミストを噴霧する。しかし、ノズルから噴霧するミスト粒子の速度エネルギーが大きいため、蒸発しないで落下して、冷却塔下方のスラッジ貯留部に溜まる濁水が多く発生するなど、噴霧水の無駄が多い。また、速度エネルギーが大きいと、排ガスとの混合接触効率が悪くなる。従って、接触時間を長く確保するために、冷却塔を大きく（高く）しなければならず、設備コストが増えてしまう。また、ミストの粒子径が大きくて完全に蒸発しないため、排ガスと共にミスト粒子が後段の集塵機まで運ばれる。そして、集塵機のフィルタが濡れ、目詰まりが発生するなどの問題が発生する。また、噴霧したミスト粒子のうち、どれだけの量が蒸発するか分からず、冷却効率の計算が難しいため、排ガス温度の制御が困難である。

一方、前記二流体ノズルは、噴霧する冷却液（以下では「水」を例にして説明する。）に高圧または低圧の空気を混入し、空気が膨張するエネルギーを利用して、微細なミストを噴霧する。この二流体ノズルは、粒子径を平均６０μｍ前後にすることができ、最大粒子径も１５０μｍ前後と小さいため、冷却効率が高く、排ガスの冷却に適している。

しかし、空気と水の比率を常に一定に保たなければならず、そのための比例制御がとても難しい。空気と水の配管に設けたバルブの開度が、一般的に約１５％〜１００％程度にしか調整できないからである。

また、空気に対して水の量が多いとシャワーのようになってしまうため、水に対する空気の流量比をリッチに保つ必要があり、多量の空気を要する。具体的には、高圧の空気を用いる場合は、水の約１３０〜１５０倍の空気量が必要となり、低圧の空気を用いる場合は、水の約３００倍の空気量が必要となる。そのため、極めて大きな空気槽が必要になるとともに、高性能の空気圧縮機も必要になるため、イニシャルコストが高くなる。もしも、このような巨大な空気槽を設けない場合は、ミスト噴霧時に大量の空気が必要となるため、隣接する他の工場などで必要な空気を奪ってしまい、他工場等の運転を停止させてしまう。

さらに、圧縮空気を生成するための電力量が多くなり、ランニングコストも高くなる。また、ノズルから空気が噴き出されるため、一流体ノズルを用いる場合と比べて、後段の集塵機の処理するガス量が５〜１０％程度増加してしまう。また、水と空気のそれぞれの粒子の速度エネルギーが大きいため、一流体ノズルの場合と同様に、噴霧する水の無駄が多い（余剰水量が多い）。

そのほか、ノズルから噴出する空気量が多いため、水粒子の速度エネルギーが大きくなる。そのため、一流体ノズルの場合と同様に、濁水の大量発生や排ガスと水の混合接触効率の低下も起きる。そして、これを防止するために、冷却塔の高さを高くすると、設備コストが増加してしまう。また、水粒子の速度エネルギーが大きいと、後段の集塵機のバグフィルタが濡れて、目詰まりも発生してしまう。それとともに、濡れたバグフィルタに高温ガスが流れると、フィルタの表面がクリンカーのような状態になってしまうなどの問題も発生する。

一方、高炉等から冷却塔へ送られる排ガスの温度および量、排ガスのダスト含有量、排ガス中の酸性ガス濃度などは様々である。しかし、いずれの場合においても、冷却塔出口の排ガス温度は、一般的に２００℃以下になる。なお、ダイオキシンの発生を防止するには、温度を１７０℃以下まで下げる必要がある。

このとき、冷却後の排ガスの温度が高すぎると、高温ガスの熱により、集塵機が損傷するおそれがある。一方、冷却後の排ガスの温度が低すぎると、排ガス中に含まれる水が集塵機に付着したり、集塵機内に結露が発生（特に、集塵機の外部の温度が高い場合）したりする。そして、それらの水が排ガスと反応して酸性水となり、集塵機を腐食してしまう。また、集塵機のフィルタが濡れて、フィルタが目詰まりを起こすおそれもある。以上のことから、冷却後の排ガスの温度の制御が極めて重要となる。

従来、一流体ノズルおよび二流体ノズルに関しては、下記特許文献１〜３が存在する。これらの特許文献では、水の沸点以上の温度を有する加圧熱水をノズルから噴霧している。このとき噴霧に用いる圧力は、約３ｋｇｆ／ｃｍ²〜３．５ｋｇｆ／ｃｍ²である。

特開２０００−２７４６５４号公報 特開２００４−２８５５８号公報 特開２００１−３２４１２８号公報

しかし、前記加圧熱水は、冷水を噴霧する場合と比べて、排ガスの冷却効率が劣る。そのため、熱水を多量に噴霧しなければならないという問題がある。

したがって、本発明の主たる課題は、冷却効率の高い排ガス冷却装置および冷却方法を提供することにある。

上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。

＜請求項１記載の発明＞
排ガスに冷却液を噴霧して冷却を行う排ガス冷却装置であって、
前記排ガス冷却装置は、
排ガスの給気口と排気口を有し、内部で排ガスの冷却を行う冷却塔と、
前記排ガスの冷却に用いる冷却液を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクの冷却液を前記冷却塔へ送るポンプと、
前記冷却塔内に配置され、貯留タンクから送られてきた冷却液を排ガスに噴霧するノズルを有し、
前記ノズルは、直径１．５ｍｍ以下のオリフィスを有し、２ＭＰａ以上の圧力で、冷却液を霧状に噴霧する一流体ノズルであり、
前記ノズルから噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍ以下であることを特徴とする排ガス冷却装置。

（作用効果）
噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍ以下であると、霧状の冷却液（以下、「ミスト」ともいう。）の拡散する範囲が狭いとともに、噴霧したミストを瞬時に蒸発させることができる。詳しくは、噴霧したミストはもともと速度エネルギーが小さいとともに、すぐに速度エネルギーを失う。そのため、ノズルからわずか半径数百ｍｍの範囲に拡散するだけである。そして、その拡散過程で瞬時に蒸発する。従って、余剰水量の発生を限りなく抑えることができる。また、ミストが瞬時に蒸発して、その蒸発潜熱で排ガスを冷却するため、噴霧したミスト量に対する冷却効率を早く検知できる。

＜請求項２記載の発明＞
前記ノズルから噴霧する冷却液の温度が、１０℃〜３０℃である請求項１記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
噴霧する冷却液の温度が低いため、従来例のように加圧熱水をノズルから噴霧する場合よりも、冷却効果が高い。

＜請求項３記載の発明＞
前記冷却塔の内壁から冷却塔の中心部に向かって延在する複数のパイプがさらに設けられ、
前記パイプの長手方向に沿って前記一流体ノズルが複数配置される請求項１または２記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
冷却液の噴霧範囲が広くなるため、冷却むらが起こりにくく、冷却効果も高い。

＜請求項４記載の発明＞
前記排ガスの給気口は、冷却塔の下部側面に設けられ、
前記排ガスの排気口は、冷却塔の上部に設けられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
排ガスが冷却塔内を旋回しながら上昇する。そのため、排ガスが冷却塔内で滞留する時間が長く、排ガスと冷却液の接触時間を長く確保できるため、冷却効果が高い。

＜請求項５記載の発明＞
前記給気口および排気口の少なくとも一方に設ける温度センサと、
前記ポンプがノズルへ送る冷却液の量を制御する制御装置をさらに有し、
前記制御装置は、
供給する排ガスの温度または排出する排ガスの温度が設定値よりも高い場合に、ノズルへ送る冷却液の量を増やし、
供給する排ガスの温度または排出する排ガスの温度が設定値よりも低い場合に、ノズルへ送る冷却液の量を減らす請求項1〜４のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
供給する排ガスの温度または排出する排ガスの温度に基づき、冷却液の量を増減させることで、冷却液を無駄に多く噴霧したり、逆に冷却液の噴霧量が足りなかったりする事態を防ぐことができる。また、本発明のミストは瞬時に蒸発して排ガスを冷却するため、噴霧したミスト量に対する冷却効率を早く検知できる。そのため、その検知結果を即座にミスト噴霧量に反映することで、冷却精度をいち早く向上させることができる。なお、本発明においては、供給する排ガスの温度と排出する排ガスの温度の両方の値に基づいて、冷却液の噴霧量を増減させても良い。

＜請求項６記載の発明＞
前記一流体ノズルは、冷却液と空気を同時に噴霧する二流体方式に切り替え可能であり、
前記排ガス冷却装置は、前記二流体方式に用いる圧縮空気を生成するコンプレッサをさらに備え、
前記冷却液の噴霧量が少なくなり、冷却液の液圧だけでは噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍより大きくなる場合に、二流体方式に切り替える請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
圧縮空気を用いて、ミストのザウター平均粒子径を６０μｍ以下にすることで、請求項１と同様の作用効果を得ることができる。

＜請求項７記載の発明＞
前記一流体ノズルへ空気を送るブロアをさらに備え、
冷却液の噴霧を停止しているノズル、または冷却液の噴霧量が少ないノズルは、前記ブロアから送られた空気を噴出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
冷却液の噴霧を停止しているノズル、または冷却液の噴霧量が少ないノズルの噴出孔周りに発生する渦流により、ダストが付着および固着することを防ぐことができる。また、ノズル内にスケールが生じることを防ぐこともできる。

＜請求項８記載の発明＞
排ガスに冷却液を噴霧して冷却を行う排ガス冷却方法であって、
直径１．５ｍｍ以下のオリフィスを有する一流体ノズルから、２ＭＰａ以上の圧力で、冷却液を霧状に噴霧し、
噴霧したザウター平均粒子径が６０μｍ以下の冷却液によって、排ガスを冷却することを特徴とする排ガス冷却方法。

（作用効果）
請求項１と同様の作用効果を奏する。

＜請求項９記載の発明＞
冷却前の排ガスの温度または冷却後の排ガスの温度を検出し、
冷却前の温度または冷却後の温度が設定値より高い場合に、ノズルから噴霧する冷却液の量を増やし、
冷却前の温度または冷却後の温度が設定値より低い場合に、ノズルから噴霧する冷却液の量を減らす請求項９に記載の排ガス冷却方法。

（作用効果）
請求項５と同様の作用効果を奏する。

＜請求項１０記載の発明＞
前記冷却液の噴霧量が少なくなり、冷却液の液圧だけでは噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍより大きくなる場合に、
前記冷却液と圧縮空気を同時に噴霧する二流体方式に切り替えて、ザウター平均粒子径を６０μｍ以下に保つ請求項８または９に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
請求項６と同様の作用効果を奏する。

＜請求項１１記載の発明＞
冷却液の噴霧を停止しているノズル、または冷却液の噴霧量が少ないノズルから空気を噴出する請求項８〜１０のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
請求項７と同様の作用効果を奏する。

本発明によれば、冷却効率の高い排ガス冷却装置および冷却方法を提供することができる。

本発明に係る排ガス冷却装置及び方法の説明用簡略図である。

以下、本発明に係る換気設備及び換気方法の好適な例について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明及び図面は、本発明の実施形態の一例を示したものにすぎず、本発明の内容をこの実施形態に限定して解釈すべきではない。

（排ガスＧ１）
高炉から排出される排ガスＧ１は、一般的に一酸化炭素、窒素、二酸化炭素を主成分としており、亜鉛、酸化カリウム、酸化ナトリウム、硫黄などのダストを含んでいる。また、コークス炉から排出される排ガスＧ１は、一般的に水素、メタン、一酸化炭素、タール油分を主成分としており、ベンゼン、トルエン、キシレン、窒素酸化物、ばいじん、硫黄酸化物などのダストを含んでいる。そのほか、溶解炉としては、キューポラ、反射炉、平炉、電気炉、ルッポ炉、回転炉、アーク炉、転炉などを挙げることができる。この溶解炉から排出する排ガスＧ１の成分は、溶解する金属によって異なるが、排ガスＧ１中には一般的に亜鉛、鉄、塩素などの様々なダストが含まれている。なお、前記各排ガスＧ１の温度は、一般的に８００℃〜１０００℃の高温である。

（冷却塔２）
図１に示す冷却塔２は円筒形であり、この冷却塔２の下部は、漏斗のように下方へ向かって口径が次第に小さくなる円錐形である。この冷却塔２の下端部には、スラッジを貯めるスラッジ貯留部５が設けられている。このスラッジは、排ガスＧ１とミストＷ２が反応してできたものであるが、本発明の排ガス冷却装置１ではミストＷ２がほぼ完全に蒸発するため、スラッジはほとんど発生しない。貯留されたスラッジは、スラッジ回収装置１４のバキュームにより定期的に排出される。そのほか、前記冷却塔２の下部側面には、高温排ガスＧ１の給気口３が設けられており、冷却塔２の上部天面には、冷却されたガスＧ２の排気口４が設けられている。なお、冷却塔２の形状は、角筒形等の任意の形状にしても良い。また、冷却塔２の上部に給気口３を設け、下部に排気口４を設けても良い。

（パイプ６）
冷却塔２の上部および中部には、複数の棒状のパイプ６が設けられている。冷却塔２内に設けるパイプ６の本数は任意に決めることができ、例えば計２０本設けることができる。このパイプ６は、冷却塔２の内壁から冷却塔２の中心部に向かって水平方向に延在している。そして、冷却塔２に放射状に配置されている。なお、前記パイプ６の延在方向や配置箇所は一例であり、下方に向かって延在させたり、冷却塔２の一方にのみ配置させたりなど、任意に変更することができる。

パイプ６の配置例としては、複数のパイプ６を冷却塔２の同じ高さに設けることができる。また、同じ高さにある複数のパイプ６を１つのセットＳとし、このセットＳを高さ方向に複数段設けるようにしても良い。そのほか、パイプ６を高さ方向に互い違いに設けたり、螺旋状に設けたりしても良い。また、パイプ６をすべて異なる高さに配置しても良い。

排ガスＧ１は、冷却塔２内を下方から上方へ、または上方から下方へ高さ方向に移動する。そのため、複数のパイプ６を高さ方向に複数設けることで、排ガスＧ１の冷却時間を長く確保することができ、冷却効率が高くなる。

（ノズル７）
前記パイプ６には複数のノズル７が設けられている。このノズル７の数は任意に決めることができる。例えば、１本のパイプ６ごとに４０個のノズル７を取り付け、このようなパイプ６を冷却塔２内に計２０本配置することで、冷却塔２内に計８００個のノズル７を設けることができる。また、これらのノズル７は、パイプ６の長手方向に間隔を空けて設けられている。ノズル７の噴霧口は冷却塔２の下方に向けられており、冷却塔２下部の給気口３から入ってきた排ガスＧ１に向かって、ミストＷ２を噴霧する。

前記ノズル７には一流体ノズル７を用いる。この一流体ノズル７は高圧でミストＷ２を噴霧するものである。図１の一流体ノズル７は、８ＭＰａの圧力を用いて１．２８ｌ／ｍｉｎのミストＷ２を噴霧する。このような一流体ノズル７から噴霧するミストＷ２の粒径は均質であり、平均粒子径が４０〜６０μｍ、最大粒子径も１００μｍ以下と極めて小さいものである。そのため、噴霧したミストＷ２を瞬時に完全に蒸発させることができる。すなわち、噴霧したミストＷ２はもともと速度エネルギーが小さく、しかもすぐに速度エネルギーを失う。そのため、噴霧したミストＷ２は、ノズル７からわずか半径数百ｍｍの範囲内に拡散するだけであり、拡散する過程で瞬時に蒸発する。従って、余剰水量の発生を限りなく抑えることができる。また、ミストＷ２が瞬時に蒸発して排ガスＧ１を冷却するため、噴霧したミスト量に対する冷却効果を従来よりも早く検出できる。そして後述するように、その効果を即時にミスト噴霧量に反映することで、冷却の精度を向上させることができる。

なお、本発明の平均粒子径は、レーザー回折法で干渉縞を通る粒子を測定して、その測定結果からザウター平均粒径（Sauter Mean Diameter、ＳＭＤ）を求めたものをいう。このザウター平均粒径とは、全粒子の全表面積に対する全粒子の全体積と同じ表面積対体積率を有する粒子径をいい、全体積を全表面積で除することにより求めることができる。

前記ノズル７には、例えばオリフィス径が０．１５ｍｍ〜１ｍｍのものを用いることができる。具体的には、オリフィス径が１ｍｍで、液圧を２．８ＭＰａ、３．５ＭＰａ、５ＭＰａ、６ＭＰａ、７ＭＰａ、８ＭＰａにした場合、それぞれ平均粒径が５２μｍ、５０μｍ、４５μｍ、４４μｍ、４３μｍ、４２μｍの粒子を噴霧する株式会社ノーユー社製の製品（Ｍｏｄｅｌ ＫＮ−１００）を用いることができる。ノズル７の選定には、高圧ポンプ１１の出力を最小値（例えば最大出力の５８％）にした場合であっても、冷却液の平均粒径が５０μｍ以下になるものを採用するのが好ましい。

また、本発明のように一流体ノズル７を採用した場合、二流体ノズルのように空気を用いないため、圧縮空気を生成する必要がなくなり、電力使用量を大幅に削減できる。また後述するように、空気圧縮機や送風機１３を用いることもあるが、その場合であっても、二流体ノズルを用いる場合より電力使用量を大幅に抑えることができる。本発明者の試算では、二流体ノズルを使用して８００ｋｗの電力を使用していたものを、排ガス冷却装置１（空気圧縮機と送風機１３も装備している装置）の採用によって、２００ｋｗ以下にできる。この試算によっても、本発明はイニシャルコストおよびランニングコストを大幅に削減できることが明らかである。

また、排ガス冷却装置１は、圧縮空気を用いたとしても少量であるため、他の工場の空気を一時的に奪ってしまうという事態の発生を避けることができる。そのほか、後段の集塵装置への負荷が少ないという利点もある。

さらに、ノズル７から噴霧される冷却液の粒子は速度エネルギーが小さいため、ミストＷ２を噴霧しても排ガスＧ１の気流にほとんど影響がない。このように排ガスＧ１の気流を乱す心配がないことから、ノズル７を自由な場所に配置することができる。また、ノズル７を自由に配置できることから、冷却塔２の形状の制約も少なくなる。

（噴霧液Ｗ２）
これまで説明してきたように、ノズル７から噴霧する冷却液Ｗ２には、経済的な水を用いるのが好ましい。この水Ｗ２にレジオネラ菌の繁殖を抑える塩素や過酸化水素などの薬剤を添加しても良い。そのほか、防錆剤、スケール防止剤、スライムコントロール剤等の薬剤を添加しても良い。

噴霧液Ｗ２の温度は低い方が好ましく、例えば約２０℃の水を用いることができる。従来はノズル７から噴霧した水を瞬時に蒸発させることを目的として、噴霧水を１００℃以上にしていた。すなわち、従来は噴霧水の粒径を１００μｍ以下にすることができず、１００μｍより大きい粒径の低温水を噴霧すると完全に蒸発せずに濁水が生じてしまうため、噴霧水の温度を上げざるを得なかった。しかし、噴霧液Ｗ２の温度は低ければ低いほど、排ガスＧ１の冷却効果が高まる。従って、本発明のように噴霧液Ｗ２の粒径を極めて小さくすることで、低温の冷却液Ｗ２を瞬時に蒸発させることができ、余剰水の発生を防ぐことができる。また、低温の冷却液Ｗ２を用いることにより、従来よりも排ガスＧ１の冷却効果が高まるため、冷却液Ｗ２の噴霧量を減らすことができる。

（温度センサＡ、Ｂ）
冷却塔２の給気口３に、高炉等からの排ガスＧ１の温度を検出する給気口温度センサＡを設ける。また、冷却塔２の排気口４に、冷却された排ガスＧ２の温度を検出する排気口温度センサＢを設ける。そして、前記温度センサＡ、Ｂは、計測データを後述する冷却制御装置８へ送信する。なお、図１では、給気管１５に温度センサＡを設け、排気管１６に温度センサＢを設けた例を示している。

（冷却制御装置８）
冷却制御装置８は温度センサＡ、Ｂおよびインバータ９と連結している。そして、温度センサＡが検出した給気口３の排ガスＧ１の温度と、温度センサＢが検出した排気口４の排ガスＧ２の温度に基づき、両温度の差を求めるとともに、ミストＷ２の噴霧量に対する冷却効率と、今後のミストＷ２の噴霧量等を決定する。なお、図１では、冷却制御装置８としてプログラマブルロジックコントローラ（programmable logic controller、ＰＬＣ）を用いている。

（高圧ポンプ１１）
前記冷却制御装置８はインバータ９と連結しており、冷却制御装置８が算出した噴霧量のミストＷ２を噴霧するように、インバータ９へ指示信号を送信する。信号を受け取ったインバータ９は、モータ１０の回転数を変えて、ポンプ１１の出力を変更する。ポンプ１１の出力は、例えば最大出力の１００％〜５８％の範囲で任意に変更することができる。なお、図１では、出力が１９０ｌ／ｍｉｎの高圧ポンプ１１を５台設けている。そして、ミストを大量に噴霧しなくても良い状況の場合は、ポンプ１１の稼働台数を減らすことで装置１全体の噴霧量を調整している。

前記ポンプ１１は、図示しない貯水タンクに貯めた水Ｗ１を各ノズル７へ送っている。ポンプ１１の出力を変えることで、ノズル７からのミスト噴霧量が変わる。なお、貯水タンクとポンプ１１の間にフィルタ１２が設けられており、貯水タンクに設けられた貯留水は、このフィルタ１２によって浄水された後、ポンプ１１へ送られる。

（ユニットＵ）
図１のパイプ６、ノズル７、ポンプ１１、モータ１０、インバータ９は、それぞれ複数個設けられている。このとき、１個のポンプ１１、１個のモータ１０、１個のインバータ９、５本のパイプ６、前記５本のパイプ６に取り付けられた合計１６０個のノズル７を１ユニットＵとしている。そして、図１では、そのユニットＵを５つ設けている。そのほか、インバータ９、モータ１０およびポンプ１１が故障した場合に備えて、1個のインバータ９、１個のモータ１０、１個のポンプ１１のみからなる予備ユニットＵも１つ設けている。なお、１つのユニットを構成するパイプ６、ノズル７、ポンプ１１、モータ１０、インバータ９の数を任意の数に変更しても良い。また、ユニットＵの数も任意に変更できる。

ノズル７からの噴霧量の制御は、このユニットＵ毎に行うと容易である。すなわち、冷却液Ｗ２の噴霧量を増減させる場合、全てのユニットＵの噴霧量を均一に増減してもよいが、特定のユニットＵの噴霧量のみを変更しても良い。例えば、冷却塔２に供給される排ガスＧ１の温度が予想よりも高かった場合、早く冷却するために、冷却塔２の下部に配置したノズル７を有するユニットＵを制御し、冷却塔２の下部に配置したノズル７から噴霧する冷却液Ｗ２の量を増やすと良い。

（空気圧縮機）
前記ノズル７は、噴霧孔の寸法（オリフィス径）を変えることができないため、ポンプ１１からノズル７へ冷却液Ｗ１の輸送量を減らすと、ミストＷ２の粒子径が大きくなってしまう。そこで、空気圧縮機を設けて、ポンプ１１とノズル７の間の流路に、圧縮空気Ｇ３を送るようにしても良い。すなわち、ポンプ１１からノズル７へ冷却液Ｗ１の輸送量が所定値以下となるときに、この空気圧縮機を起動させ、輸送液に圧縮空気Ｇ３を混入する。このように圧縮空気Ｇ３を用いることで、ノズル７から噴霧するミストＷ２の噴霧速度を維持し、ミストＷ２の粒子径（平均粒子径６０μｍ以下）を維持することができる。なお、空気圧縮機を起動するきっかけとなる前記所定値を例示すると、ポンプ１１が輸送可能な冷却液Ｗ１の量の最大値に対して、実際の輸送量が６０％以下となり、平均粒子径が６０μｍを超えた場合を挙げることができる。

（ノズル７の保護）
ノズル７の噴霧孔の周りに渦流が発生し、それによりノズルにダストが付着および固着する可能性がある。また、ノズル７内にスケールが生じる可能性もある。それらのダストおよびスケールは、次第に噴霧孔を塞ぎ、ミストＷ２の噴霧を困難にする。特に本発明のノズル７は、オリフィスが非常に小さいため塞がりやすい。

この問題を解決するため、噴霧液を浄化するフィルタ１２として、ナノスケールのフィルタ１２を用いると良い。例えば、０．１μｍのフィルタ１２を用いて、ファウリングインデックス値（ＦＩ値）を３以下にすると良い。これにより、ノズル７内にスケールが発生することを抑制できる。

次に、高温の排ガスＧ１を冷却している間のノズル７保護について説明する。本発明の排ガス冷却装置１は、１個のノズル７から噴霧するミストＷ２の量が少ないため、多数のノズル７を配している。冷却塔２に供給する排ガスＧ１の流量が少ない場合や、前記排ガスＧ１の温度が低い場合は、一部のノズル７からミストＷ２の噴霧を行わないことで、全体のミスト量を制御している。しかし、ミストＷ２を噴霧しないノズル７は、排ガスＧ１の熱に晒されることで劣化したり、損傷したりしてしまう。そこで本発明では、ミストＷ２を噴霧していなかったノズル７にも通水を行い、少量のミストＷ２を噴霧させることで、ノズル７を冷却して、排ガスＧ１からノズル７を保護する。少量のミストＷ２を噴霧するためには、例えば０．５ＭＰａの圧力で１ｍ³／ｍｉｎの空気を流す必要があり、それにより例えば８０ｌ／ｍｉｎのミストＷ２を噴霧させることができる。なお、この空気を流すために、送風機１３（ブロア１３）を設け、その送風機１３からノズル７へ空気Ｇ４を送り、ノズル７から空気Ｇ４を噴き出させるようにすると良い。また後述するように、この送風機１３は排ガスＧ１の冷却を停止している間なども用いることができる。

排ガスＧ１の冷却を終了する際は、供給口３からの排ガスＧ１の供給量を徐々に減らし、それに従ってミストＷ２の噴霧量も徐々に減らす。この過程では、冷却対象の排ガスＧ１の量が少なく、噴霧されるミストＷ２の量も少ないため、二流体方式に切り替えることが好ましい。そして、ノズル７の金属が腐食しない温度にまで、冷却塔２内部の温度が低下したら、高圧ポンプ１１の運転を止め、冷却液Ｗ２の噴霧を停止する。その後、清浄な空気Ｇ４を高圧でノズル７から噴出させて、ノズル７に残留している水滴を除去し、乾燥時のスケール析出および付着を防止すると良い。

次に、排ガスＧ１を冷却していない間のノズル７保護について説明する。具体的には、前記送風機１３からノズル７内に空気Ｇ４を送り、ノズル７から空気Ｇ４を噴出させると良い。この空気Ｇ４の噴き出しにより、ノズル７の周囲にダストが付着することを防止できる。なお、ノズル７から噴出させる空気Ｇ４は清浄なものが好ましいため、送風機１３とノズル７の間に図示しない高精度のフィルタを設けると良い。

（冷却方法）
本発明に係る排ガス冷却方法を説明する。まず、高炉等から排出された高温（例えば１０００℃）の排ガスＧ１が、供給口３から冷却塔２内へ送られる。供給された排ガスＧ１は、冷却塔２内を旋回しながら上昇し、冷却塔２上部に設けた排気口４から排気された後、後段の集塵機へと送られる。冷却塔２内では、ノズル７から下方へ向かってミストＷ２が噴霧される。噴霧されるミストＷ２の粒径は、例えば平均粒径約５０μｍであり、均質であるため、瞬時に蒸発する。この蒸発潜熱により排ガスＧ１が冷却されて、冷却された排ガスＧ２となり、排気口４から排気される際には、２００℃以下まで冷却される。なお、ダイオキシンの生成を防止するために、１７０℃以下まで冷却することが好ましい。

本発明の前記ノズル７は一流体ノズルであるため、大口径の二流体ノズルのように大量の空気を要しない。従って、空気生成装置を設置する必要がなく、排ガス冷却装置全体のイニシャルコストを大幅に削減できるとともに、空気生成装置のメンテナンスにかかっていたランニングコストも生じなくなる。また、空気生成装置の設置場所も不要となる。さらに、圧縮空気がノズル７から噴霧されないため、冷却塔２内のガス量が増えない。したがって、後段の集塵機の処理容量が増えるということもない。なお、前記空気圧縮機やブロワ１３を設けても良いが、この場合であっても、排ガス冷却装置１全体が必要とする空気量は従来よりも圧倒的に少なく、前記の各効果は十分に発揮される。

また、ノズル７から噴霧されるミストＷ２は瞬時に蒸発するため、排ガスＧ１にミストＷ２を噴きかけても排ガスＧ１の湿度はほとんど変わらず、極めて低いものとなる。従って、後段にある図示しない集塵機のフィルタが濡れて目詰まりを起こしたり、フィルタに付着した水と排ガスＧ１が反応して集塵機を腐食したりすることを防止できる。

また、本発明のミストＷ２は瞬時に蒸発するため、従来のようにミスト粒子が落下して蒸発するまでの時間を長く確保する必要がない。そのため、従来よりも冷却塔２をコンパクトにする（冷却塔２の高さを低くする）ことができ、イニシャルコストを低減できる。

また、噴霧したミストＷ２は液だれがせず、無駄が生じない。そのため、従来のように噴霧したミストの一部が蒸発せずに落下し、スラッジ貯留部に濁り水として溜まるようなこともない。従って、スラッジ貯留部５のスラッジを処理する作業量が少ない。

本発明の排ガス冷却装置１は、給気口３の排ガスＧ１の温度と排気口４の排ガスＧ２の温度を測定し、排ガスＧ１の冷却が足りない場合は、ミストＷ２の噴霧量を増やす制御を行う。逆に、排ガスＧ１の冷却が過剰な場合は、ミストＷ２の噴霧量を減らす制御を行う。噴霧したミストＷ２は瞬時に蒸発し、無駄が少ないため、排ガスＧ１を設定温度まで冷却する制御の精度が高い。また、噴霧したミストＷ２は蒸発しやすく、排ガスＧ１を冷却する効果が高いため、排ガス冷却装置１を起動した直後であっても、すぐに排ガスＧ１の温度を低下させることができる。

また、本発明の排ガス冷却装置１に用いるノズル７は一流体ノズルであり、排ガスＧ１の冷却温度をミストＷ２の噴霧量（水量）の調節のみで行う。そのため、二流体ノズルのように、空気の流量を調整するバルブ等が不要となるため、バルブスタンドをコンパクトにすることができる。

１ 排ガス冷却装置
２ 冷却塔
３ 給気口
４ 排気口
５ スラッジ貯留部
６ パイプ
７ ノズル
８ 冷却制御装置
９ インバータ
１０ モータ
１１ ポンプ
１２ フィルタ
１３ ブロア
１４ スラッジ回収装置
１５ 給気管
１６ 排気管
Ａ 入口温度計
Ｂ 出口温度計
Ｇ１ 給気ガス
Ｇ２ 排気ガス
Ｇ３ コンプレッサーエア
Ｇ４ ノズル保護エア
Ｓ セット
Ｕ ユニット
Ｗ１ 冷却液
Ｗ２ ミスト（冷却液）

本発明は、高炉やコークス炉などから排出される高温の排ガスを冷却する装置および方法に関する。詳しくは、一流体ノズルから排ガスへ向けてミストを噴霧し、そのミストの蒸発熱により排ガスを冷却するものである。

高炉、コークス炉、各種溶解炉からの排ガスはダストを多く含むため、大気中に放出する前に除塵しなければならない。しかし、排ガスの温度は８００℃〜１０００℃の高温であるため、その排ガスを集塵機へそのまま送ると、集塵機が故障してしまう。そこで、現在は前記高炉等の後段に冷却塔を設け、排ガスを冷却してから、集塵機へ送っている。

一般的な冷却塔では、ノズルから排ガスへ向かってミスト（霧状の冷却液）を噴霧し、そのミストの蒸発熱により冷却を行う。このときのノズルとしては、１ＭＰａ前後の圧力を用いる大口径の一流体ノズルや、１個当たりの噴霧量が数十Ｌ／ｍｉｎ以上で、低圧力かつ大口径の二流体ノズルが用いられている。

前記一流体ノズルは、粒子径が数百μｍのミストを噴霧する。しかし、ノズルから噴霧するミスト粒子の速度エネルギーが大きいため、蒸発しないで落下して、冷却塔下方のスラッジ貯留部に溜まる濁水が多く発生するなど、噴霧水の無駄が多い。また、速度エネルギーが大きいと、排ガスとの混合接触効率が悪くなる。従って、接触時間を長く確保するために、冷却塔を大きく（高く）しなければならず、設備コストが増えてしまう。また、ミストの粒子径が大きくて完全に蒸発しないため、排ガスと共にミスト粒子が後段の集塵機まで運ばれる。そして、集塵機のフィルタが濡れ、目詰まりが発生するなどの問題が発生する。また、噴霧したミスト粒子のうち、どれだけの量が蒸発するか分からず、冷却効率の計算が難しいため、排ガス温度の制御が困難である。

一方、前記二流体ノズルは、噴霧する冷却液（以下では「水」を例にして説明する。）に高圧または低圧の空気を混入し、空気が膨張するエネルギーを利用して、微細なミストを噴霧する。この二流体ノズルは、粒子径を平均６０μｍ前後にすることができ、最大粒子径も１５０μｍ前後と小さいため、冷却効率が高く、排ガスの冷却に適している。

しかし、空気と水の比率を常に一定に保たなければならず、そのための比例制御がとても難しい。空気と水の配管に設けたバルブの開度が、一般的に約１５％〜１００％程度にしか調整できないからである。

また、空気に対して水の量が多いとシャワーのようになってしまうため、水に対する空気の流量比をリッチに保つ必要があり、多量の空気を要する。具体的には、高圧の空気を用いる場合は、水の約１３０〜１５０倍の空気量が必要となり、低圧の空気を用いる場合は、水の約３００倍の空気量が必要となる。そのため、極めて大きな空気槽が必要になるとともに、高性能の空気圧縮機も必要になるため、イニシャルコストが高くなる。もしも、このような巨大な空気槽を設けない場合は、ミスト噴霧時に大量の空気が必要となるため、隣接する他の工場などで必要な空気を奪ってしまい、他工場等の運転を停止させてしまう。

さらに、圧縮空気を生成するための電力量が多くなり、ランニングコストも高くなる。また、ノズルから空気が噴き出されるため、一流体ノズルを用いる場合と比べて、後段の集塵機の処理するガス量が５〜１０％程度増加してしまう。また、水と空気のそれぞれの粒子の速度エネルギーが大きいため、一流体ノズルの場合と同様に、噴霧する水の無駄が多い（余剰水量が多い）。

そのほか、ノズルから噴出する空気量が多いため、水粒子の速度エネルギーが大きくなる。そのため、一流体ノズルの場合と同様に、濁水の大量発生や排ガスと水の混合接触効率の低下も起きる。そして、これを防止するために、冷却塔の高さを高くすると、設備コストが増加してしまう。また、水粒子の速度エネルギーが大きいと、後段の集塵機のバグフィルタが濡れて、目詰まりも発生してしまう。それとともに、濡れたバグフィルタに高温ガスが流れると、フィルタの表面がクリンカーのような状態になってしまうなどの問題も発生する。

一方、高炉等から冷却塔へ送られる排ガスの温度および量、排ガスのダスト含有量、排ガス中の酸性ガス濃度などは様々である。しかし、いずれの場合においても、冷却塔出口の排ガス温度は、一般的に２００℃以下になる。なお、ダイオキシンの発生を防止するには、温度を１７０℃以下まで下げる必要がある。

このとき、冷却後の排ガスの温度が高すぎると、高温ガスの熱により、集塵機が損傷するおそれがある。一方、冷却後の排ガスの温度が低すぎると、排ガス中に含まれる水が集塵機に付着したり、集塵機内に結露が発生（特に、集塵機の外部の温度が高い場合）したりする。そして、それらの水が排ガスと反応して酸性水となり、集塵機を腐食してしまう。また、集塵機のフィルタが濡れて、フィルタが目詰まりを起こすおそれもある。以上のことから、冷却後の排ガスの温度の制御が極めて重要となる。

従来、一流体ノズルおよび二流体ノズルに関しては、下記特許文献１〜３が存在する。これらの特許文献では、水の沸点以上の温度を有する加圧熱水をノズルから噴霧している。このとき噴霧に用いる圧力は、約３ｋｇｆ／ｃｍ²〜３．５ｋｇｆ／ｃｍ²である。

特開２０００−２７４６５４号公報 特開２００４−２８５５８号公報 特開２００１−３２４１２８号公報

しかし、前記加圧熱水は、冷水を噴霧する場合と比べて、排ガスの冷却効率が劣る。そのため、熱水を多量に噴霧しなければならないという問題がある。

したがって、本発明の主たる課題は、冷却効率の高い排ガス冷却装置および冷却方法を提供することにある。

上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。

＜請求項１記載の発明＞
排ガスに冷却液を噴霧して冷却を行う排ガス冷却装置であって、
前記排ガス冷却装置は、
排ガスの給気口と排気口を有し、内部で排ガスの冷却を行う冷却塔と、
前記排ガスの冷却に用いる冷却液を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクの冷却液を前記冷却塔へ送るポンプと、
前記冷却塔の側面の内壁から冷却塔の中心部に向かって延在する複数のパイプと、
前記冷却塔内に配置され、貯留タンクから送られてきた冷却液を排ガスに噴霧する複数のノズルを有し、
前記パイプは、前記冷却塔の異なる高さに複数設けられ、
前記ノズルは、前記パイプの基端側から先端側に向って長手方向に沿って複数設けられ、
前記ノズルは、直径１．５ｍｍ以下のオリフィスを有し、２ＭＰａ以上の圧力で、冷却液を霧状に噴霧する一流体ノズルであり、
前記ノズルから噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍ以下であり、
前記ノズルから噴霧する冷却液の温度が、１０℃〜３０℃であることを特徴とする排ガス冷却装置。

（作用効果）
噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍ以下であると、霧状の冷却液（以下、「ミスト」ともいう。）の拡散する範囲が狭いとともに、噴霧したミストを瞬時に蒸発させることができる。詳しくは、噴霧したミストはもともと速度エネルギーが小さいとともに、すぐに速度エネルギーを失う。そのため、ノズルからわずか半径数百ｍｍの範囲に拡散するだけである。そして、その拡散過程で瞬時に蒸発する。従って、余剰水量の発生を限りなく抑えることができる。また、ミストが瞬時に蒸発して、その蒸発潜熱で排ガスを冷却するため、噴霧したミスト量に対する冷却効率を早く検知できる。
また、噴霧する冷却液の温度が低いため、従来例のように加圧熱水をノズルから噴霧する場合よりも、冷却効果が高い。
また、冷却塔の側面の内壁から冷却塔の中心部に向かって延在するパイプを複数設ける。そして、パイプの基端側から先端側に向って長手方向に沿って、ノズルを複数設ける。このような構成により、冷却液の噴霧範囲が広くなるため、冷却むらが起こりにくく、冷却効果も高くなる。
また、排ガスは、冷却塔内を下方から上方へ、または上方から下方へ高さ方向に移動する。そのため、パイプを冷却塔の異なる高さに複数設けることで、排ガスの冷却時間を長く確保することができ、冷却効率が高くなる。

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＜請求項２記載の発明＞
前記排ガスの給気口は、冷却塔の下部側面に設けられ、
前記排ガスの排気口は、冷却塔の上部に設けられ、
前記複数のノズルの噴霧口が前記冷却塔の下方に向いている請求項１に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
排ガスが冷却塔内を旋回しながら上昇する。そのため、排ガスが冷却塔内で滞留する時間が長く、排ガスと冷却液の接触時間を長く確保できるため、冷却効果が高い。
また、ノズルの噴霧口は冷却塔の下方に向けられており、冷却塔下部の給気口から入ってきた排ガスに向かってミストを噴霧する。

＜請求項３記載の発明＞
前記給気口および排気口の少なくとも一方に設ける温度センサと、
前記ポンプがノズルへ送る冷却液の量を制御する制御装置をさらに有し、
前記制御装置は、
供給する排ガスの温度または排出する排ガスの温度が設定値よりも高い場合に、ノズルへ送る冷却液の量を増やし、
供給する排ガスの温度または排出する排ガスの温度が設定値よりも低い場合に、ノズルへ送る冷却液の量を減らす請求項１に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
供給する排ガスの温度または排出する排ガスの温度に基づき、冷却液の量を増減させることで、冷却液を無駄に多く噴霧したり、逆に冷却液の噴霧量が足りなかったりする事態を防ぐことができる。また、本発明のミストは瞬時に蒸発して排ガスを冷却するため、噴霧したミスト量に対する冷却効率を早く検知できる。そのため、その検知結果を即座にミスト噴霧量に反映することで、冷却精度をいち早く向上させることができる。なお、本発明においては、供給する排ガスの温度と排出する排ガスの温度の両方の値に基づいて、冷却液の噴霧量を増減させても良い。

＜請求項４記載の発明＞
前記一流体ノズルは、冷却液と空気を同時に噴霧する二流体方式に切り替え可能であり、
前記排ガス冷却装置は、前記二流体方式に用いる圧縮空気を生成するコンプレッサをさらに備え、
前記冷却液の噴霧量が少なくなり、冷却液の液圧だけでは噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍより大きくなる場合に、二流体方式に切り替える請求項１に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
圧縮空気を用いて、ミストのザウター平均粒子径を６０μｍ以下にすることで、請求項１と同様の作用効果を得ることができる。

＜請求項５記載の発明＞
前記一流体ノズルへ空気を送るブロアをさらに備え、
冷却液の噴霧を停止しているノズル、または冷却液の噴霧量が少ないノズルは、前記ブロアから送られた空気を噴出する請求項１に記載の排ガス冷却装置。

（作用効果）
冷却液の噴霧を停止しているノズル、または冷却液の噴霧量が少ないノズルの噴出孔周りに発生する渦流により、ダストが付着および固着することを防ぐことができる。また、ノズル内にスケールが生じることを防ぐこともできる。

＜請求項６記載の発明＞
排ガスの給気口と排気口を有し、内部で排ガスの冷却を行う冷却塔と、
前記排ガスの冷却に用いる冷却液を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクの冷却液を前記冷却塔へ送るポンプと、
前記冷却塔の側面の内壁から冷却塔の中心部に向かって延在する複数のパイプと、
前記冷却塔内に配置され、貯留タンクから送られてきた冷却液を排ガスに噴霧する複数のノズルを有し、
前記パイプが、前記冷却塔の異なる高さに複数設けられ、
前記ノズルが、前記パイプの基端側から先端側に向って長手方向に沿って複数設けられた排ガス冷却装置を用いて、
排ガスに冷却液を噴霧して冷却を行う排ガス冷却方法であって、
直径１．５ｍｍ以下のオリフィスを有する一流体ノズルから、２ＭＰａ以上の圧力で、温度が１０℃〜３０℃の冷却液を霧状に噴霧し、
噴霧したザウター平均粒子径が６０μｍ以下の冷却液によって、排ガスを冷却することを特徴とする排ガス冷却方法。

（作用効果）
方法の観点から、請求項１と同様の作用効果を奏する。
＜請求項７記載の発明＞
前記冷却塔の下部側面に設けた給気口から排ガスを供給し、
供給された排ガスが冷却塔内を上昇する過程で、前記複数のノズルの噴霧口から下方へ向かって噴霧された冷却液によって前記排ガスが冷却され、
冷却された排ガスを冷却塔上部に設けた排気口から排気する請求項６記載の排ガス冷却方法。
（作用効果）
方法の観点から、請求項２と同様の作用効果を奏する。

＜請求項８記載の発明＞
冷却前の排ガスの温度または冷却後の排ガスの温度を検出し、
冷却前の温度または冷却後の温度が設定値より高い場合に、ノズルから噴霧する冷却液の量を増やし、
冷却前の温度または冷却後の温度が設定値より低い場合に、ノズルから噴霧する冷却液の量を減らす請求項６に記載の排ガス冷却方法。

（作用効果）
方法の観点から、請求項３と同様の作用効果を奏する。

＜請求項９記載の発明＞
前記冷却液の噴霧量が少なくなり、冷却液の液圧だけでは噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍより大きくなる場合に、
前記冷却液と圧縮空気を同時に噴霧する二流体方式に切り替えて、ザウター平均粒子径を６０μｍ以下に保つ請求項６に記載の排ガス冷却方法。

（作用効果）
方法の観点から、請求項４と同様の作用効果を奏する。

＜請求項１０記載の発明＞
冷却液の噴霧を停止しているノズル、または冷却液の噴霧量が少ないノズルから空気を噴出する請求項６のいずれか１項に記載の排ガス冷却方法。

（作用効果）
方法の観点から、請求項５と同様の作用効果を奏する。

本発明によれば、冷却効率の高い排ガス冷却装置および冷却方法を提供することができる。

本発明に係る排ガス冷却装置及び方法の説明用簡略図である。

以下、本発明に係る換気設備及び換気方法の好適な例について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明及び図面は、本発明の実施形態の一例を示したものにすぎず、本発明の内容をこの実施形態に限定して解釈すべきではない。

（排ガスＧ１）
高炉から排出される排ガスＧ１は、一般的に一酸化炭素、窒素、二酸化炭素を主成分としており、亜鉛、酸化カリウム、酸化ナトリウム、硫黄などのダストを含んでいる。また、コークス炉から排出される排ガスＧ１は、一般的に水素、メタン、一酸化炭素、タール油分を主成分としており、ベンゼン、トルエン、キシレン、窒素酸化物、ばいじん、硫黄酸化物などのダストを含んでいる。そのほか、溶解炉としては、キューポラ、反射炉、平炉、電気炉、ルッポ炉、回転炉、アーク炉、転炉などを挙げることができる。この溶解炉から排出する排ガスＧ１の成分は、溶解する金属によって異なるが、排ガスＧ１中には一般的に亜鉛、鉄、塩素などの様々なダストが含まれている。なお、前記各排ガスＧ１の温度は、一般的に８００℃〜１０００℃の高温である。

（冷却塔２）
図１に示す冷却塔２は円筒形であり、この冷却塔２の下部は、漏斗のように下方へ向かって口径が次第に小さくなる円錐形である。この冷却塔２の下端部には、スラッジを貯めるスラッジ貯留部５が設けられている。このスラッジは、排ガスＧ１とミストＷ２が反応してできたものであるが、本発明の排ガス冷却装置１ではミストＷ２がほぼ完全に蒸発するため、スラッジはほとんど発生しない。貯留されたスラッジは、スラッジ回収装置１４のバキュームにより定期的に排出される。そのほか、前記冷却塔２の下部側面には、高温排ガスＧ１の給気口３が設けられており、冷却塔２の上部天面には、冷却されたガスＧ２の排気口４が設けられている。なお、冷却塔２の形状は、角筒形等の任意の形状にしても良い。また、冷却塔２の上部に給気口３を設け、下部に排気口４を設けても良い。

（パイプ６）
冷却塔２の上部および中部には、複数の棒状のパイプ６が設けられている。冷却塔２内に設けるパイプ６の本数は任意に決めることができ、例えば計２０本設けることができる。このパイプ６は、冷却塔２の内壁から冷却塔２の中心部に向かって水平方向に延在している。そして、冷却塔２に放射状に配置されている。なお、前記パイプ６の延在方向や配置箇所は一例であり、下方に向かって延在させたり、冷却塔２の一方にのみ配置させたりなど、任意に変更することができる。

パイプ６の配置例としては、複数のパイプ６を冷却塔２の同じ高さに設けることができる。また、同じ高さにある複数のパイプ６を１つのセットＳとし、このセットＳを高さ方向に複数段設けるようにしても良い。そのほか、パイプ６を高さ方向に互い違いに設けたり、螺旋状に設けたりしても良い。また、パイプ６をすべて異なる高さに配置しても良い。

排ガスＧ１は、冷却塔２内を下方から上方へ、または上方から下方へ高さ方向に移動する。そのため、複数のパイプ６を高さ方向に複数設けることで、排ガスＧ１の冷却時間を長く確保することができ、冷却効率が高くなる。

（ノズル７）
前記パイプ６には複数のノズル７が設けられている。このノズル７の数は任意に決めることができる。例えば、１本のパイプ６ごとに４０個のノズル７を取り付け、このようなパイプ６を冷却塔２内に計２０本配置することで、冷却塔２内に計８００個のノズル７を設けることができる。また、これらのノズル７は、パイプ６の長手方向に間隔を空けて設けられている。ノズル７の噴霧口は冷却塔２の下方に向けられており、冷却塔２下部の給気口３から入ってきた排ガスＧ１に向かって、ミストＷ２を噴霧する。

前記ノズル７には一流体ノズル７を用いる。この一流体ノズル７は高圧でミストＷ２を噴霧するものである。図１の一流体ノズル７は、８ＭＰａの圧力を用いて１．２８Ｌ／ｍｉｎのミストＷ２を噴霧する。このような一流体ノズル７から噴霧するミストＷ２の粒径は均質であり、平均粒子径が４０〜６０μｍ、最大粒子径も１００μｍ以下と極めて小さいものである。そのため、噴霧したミストＷ２を瞬時に完全に蒸発させることができる。すなわち、噴霧したミストＷ２はもともと速度エネルギーが小さく、しかもすぐに速度エネルギーを失う。そのため、噴霧したミストＷ２は、ノズル７からわずか半径数百ｍｍの範囲内に拡散するだけであり、拡散する過程で瞬時に蒸発する。従って、余剰水量の発生を限りなく抑えることができる。また、ミストＷ２が瞬時に蒸発して排ガスＧ１を冷却するため、噴霧したミスト量に対する冷却効果を従来よりも早く検出できる。そして後述するように、その効果を即時にミスト噴霧量に反映することで、冷却の精度を向上させることができる。

なお、本発明の平均粒子径は、レーザー回折法で干渉縞を通る粒子を測定して、その測定結果からザウター平均粒径（Sauter Mean Diameter、ＳＭＤ）を求めたものをいう。このザウター平均粒径とは、全粒子の全表面積に対する全粒子の全体積と同じ表面積対体積率を有する粒子径をいい、全体積を全表面積で除することにより求めることができる。

前記ノズル７には、例えばオリフィス径が０．１５ｍｍ〜１ｍｍのものを用いることができる。具体的には、オリフィス径が１ｍｍで、液圧を２．８ＭＰａ、３．５ＭＰａ、５ＭＰａ、６ＭＰａ、７ＭＰａ、８ＭＰａにした場合、それぞれ平均粒径が５２μｍ、５０μｍ、４５μｍ、４４μｍ、４３μｍ、４２μｍの粒子を噴霧する株式会社ノーユー社製の製品（Ｍｏｄｅｌ ＫＮ−１００）を用いることができる。ノズル７の選定には、高圧ポンプ１１の出力を最小値（例えば最大出力の５８％）にした場合であっても、冷却液の平均粒径が５０μｍ以下になるものを採用するのが好ましい。

また、本発明のように一流体ノズル７を採用した場合、二流体ノズルのように空気を用いないため、圧縮空気を生成する必要がなくなり、電力使用量を大幅に削減できる。また後述するように、空気圧縮機や送風機１３を用いることもあるが、その場合であっても、二流体ノズルを用いる場合より電力使用量を大幅に抑えることができる。本発明者の試算では、二流体ノズルを使用して８００ｋｗの電力を使用していたものを、排ガス冷却装置１（空気圧縮機と送風機１３も装備している装置）の採用によって、２００ｋｗ以下にできる。この試算によっても、本発明はイニシャルコストおよびランニングコストを大幅に削減できることが明らかである。

また、排ガス冷却装置１は、圧縮空気を用いたとしても少量であるため、他の工場の空気を一時的に奪ってしまうという事態の発生を避けることができる。そのほか、後段の集塵装置への負荷が少ないという利点もある。

さらに、ノズル７から噴霧される冷却液の粒子は速度エネルギーが小さいため、ミストＷ２を噴霧しても排ガスＧ１の気流にほとんど影響がない。このように排ガスＧ１の気流を乱す心配がないことから、ノズル７を自由な場所に配置することができる。また、ノズル７を自由に配置できることから、冷却塔２の形状の制約も少なくなる。

（噴霧液Ｗ２）
これまで説明してきたように、ノズル７から噴霧する冷却液Ｗ２には、経済的な水を用いるのが好ましい。この水Ｗ２にレジオネラ菌の繁殖を抑える塩素や過酸化水素などの薬剤を添加しても良い。そのほか、防錆剤、スケール防止剤、スライムコントロール剤等の薬剤を添加しても良い。

噴霧液Ｗ２の温度は低い方が好ましく、例えば約２０℃の水を用いることができる。従来はノズル７から噴霧した水を瞬時に蒸発させることを目的として、噴霧水を１００℃以上にしていた。すなわち、従来は噴霧水の粒径を１００μｍ以下にすることができず、１００μｍより大きい粒径の低温水を噴霧すると完全に蒸発せずに濁水が生じてしまうため、噴霧水の温度を上げざるを得なかった。しかし、噴霧液Ｗ２の温度は低ければ低いほど、排ガスＧ１の冷却効果が高まる。従って、本発明のように噴霧液Ｗ２の粒径を極めて小さくすることで、低温の冷却液Ｗ２を瞬時に蒸発させることができ、余剰水の発生を防ぐことができる。また、低温の冷却液Ｗ２を用いることにより、従来よりも排ガスＧ１の冷却効果が高まるため、冷却液Ｗ２の噴霧量を減らすことができる。

（温度センサＡ、Ｂ）
冷却塔２の給気口３に、高炉等からの排ガスＧ１の温度を検出する給気口温度センサＡを設ける。また、冷却塔２の排気口４に、冷却された排ガスＧ２の温度を検出する排気口温度センサＢを設ける。そして、前記温度センサＡ、Ｂは、計測データを後述する冷却制御装置８へ送信する。なお、図１では、給気管１５に温度センサＡを設け、排気管１６に温度センサＢを設けた例を示している。

（冷却制御装置８）
冷却制御装置８は温度センサＡ、Ｂおよびインバータ９と連結している。そして、温度センサＡが検出した給気口３の排ガスＧ１の温度と、温度センサＢが検出した排気口４の排ガスＧ２の温度に基づき、両温度の差を求めるとともに、ミストＷ２の噴霧量に対する冷却効率と、今後のミストＷ２の噴霧量等を決定する。なお、図１では、冷却制御装置８としてプログラマブルロジックコントローラ（programmable logic controller、ＰＬＣ）を用いている。

（高圧ポンプ１１）
前記冷却制御装置８はインバータ９と連結しており、冷却制御装置８が算出した噴霧量のミストＷ２を噴霧するように、インバータ９へ指示信号を送信する。信号を受け取ったインバータ９は、モータ１０の回転数を変えて、ポンプ１１の出力を変更する。ポンプ１１の出力は、例えば最大出力の１００％〜５８％の範囲で任意に変更することができる。なお、図１では、出力が１９０Ｌ／ｍｉｎの高圧ポンプ１１を５台設けている。そして、ミストを大量に噴霧しなくても良い状況の場合は、ポンプ１１の稼働台数を減らすことで装置１全体の噴霧量を調整している。

前記ポンプ１１は、図示しない貯水タンクに貯めた水Ｗ１を各ノズル７へ送っている。ポンプ１１の出力を変えることで、ノズル７からのミスト噴霧量が変わる。なお、貯水タンクとポンプ１１の間にフィルタ１２が設けられており、貯水タンクに設けられた貯留水は、このフィルタ１２によって浄水された後、ポンプ１１へ送られる。

（ユニットＵ）
図１のパイプ６、ノズル７、ポンプ１１、モータ１０、インバータ９は、それぞれ複数個設けられている。このとき、１個のポンプ１１、１個のモータ１０、１個のインバータ９、５本のパイプ６、前記５本のパイプ６に取り付けられた合計１６０個のノズル７を１ユニットＵとしている。そして、図１では、そのユニットＵを５つ設けている。そのほか、インバータ９、モータ１０およびポンプ１１が故障した場合に備えて、1個のインバータ９、１個のモータ１０、１個のポンプ１１のみからなる予備ユニットＵも１つ設けている。なお、１つのユニットを構成するパイプ６、ノズル７、ポンプ１１、モータ１０、インバータ９の数を任意の数に変更しても良い。また、ユニットＵの数も任意に変更できる。

ノズル７からの噴霧量の制御は、このユニットＵ毎に行うと容易である。すなわち、冷却液Ｗ２の噴霧量を増減させる場合、全てのユニットＵの噴霧量を均一に増減してもよいが、特定のユニットＵの噴霧量のみを変更しても良い。例えば、冷却塔２に供給される排ガスＧ１の温度が予想よりも高かった場合、早く冷却するために、冷却塔２の下部に配置したノズル７を有するユニットＵを制御し、冷却塔２の下部に配置したノズル７から噴霧する冷却液Ｗ２の量を増やすと良い。

（空気圧縮機）
前記ノズル７は、噴霧孔の寸法（オリフィス径）を変えることができないため、ポンプ１１からノズル７へ冷却液Ｗ１の輸送量を減らすと、ミストＷ２の粒子径が大きくなってしまう。そこで、空気圧縮機を設けて、ポンプ１１とノズル７の間の流路に、圧縮空気Ｇ３を送るようにしても良い。すなわち、ポンプ１１からノズル７へ冷却液Ｗ１の輸送量が所定値以下となるときに、この空気圧縮機を起動させ、輸送液に圧縮空気Ｇ３を混入する。このように圧縮空気Ｇ３を用いることで、ノズル７から噴霧するミストＷ２の噴霧速度を維持し、ミストＷ２の粒子径（平均粒子径６０μｍ以下）を維持することができる。なお、空気圧縮機を起動するきっかけとなる前記所定値を例示すると、ポンプ１１が輸送可能な冷却液Ｗ１の量の最大値に対して、実際の輸送量が６０％以下となり、平均粒子径が６０μｍを超えた場合を挙げることができる。

（ノズル７の保護）
ノズル７の噴霧孔の周りに渦流が発生し、それによりノズルにダストが付着および固着する可能性がある。また、ノズル７内にスケールが生じる可能性もある。それらのダストおよびスケールは、次第に噴霧孔を塞ぎ、ミストＷ２の噴霧を困難にする。特に本発明のノズル７は、オリフィスが非常に小さいため塞がりやすい。

この問題を解決するため、噴霧液を浄化するフィルタ１２として、ナノスケールのフィルタ１２を用いると良い。例えば、０．１μｍのフィルタ１２を用いて、ファウリングインデックス値（ＦＩ値）を３以下にすると良い。これにより、ノズル７内にスケールが発生することを抑制できる。

次に、高温の排ガスＧ１を冷却している間のノズル７保護について説明する。本発明の排ガス冷却装置１は、１個のノズル７から噴霧するミストＷ２の量が少ないため、多数のノズル７を配している。冷却塔２に供給する排ガスＧ１の流量が少ない場合や、前記排ガスＧ１の温度が低い場合は、一部のノズル７からミストＷ２の噴霧を行わないことで、全体のミスト量を制御している。しかし、ミストＷ２を噴霧しないノズル７は、排ガスＧ１の熱に晒されることで劣化したり、損傷したりしてしまう。そこで本発明では、ミストＷ２を噴霧していなかったノズル７にも通水を行い、少量のミストＷ２を噴霧させることで、ノズル７を冷却して、排ガスＧ１からノズル７を保護する。少量のミストＷ２を噴霧するためには、例えば０．５ＭＰａの圧力で１ｍ³／ｍｉｎの空気を流す必要があり、それにより例えば８０Ｌ／ｍｉｎのミストＷ２を噴霧させることができる。なお、この空気を流すために、送風機１３（ブロア１３）を設け、その送風機１３からノズル７へ空気Ｇ４を送り、ノズル７から空気Ｇ４を噴き出させるようにすると良い。また後述するように、この送風機１３は排ガスＧ１の冷却を停止している間なども用いることができる。

排ガスＧ１の冷却を終了する際は、給気口３からの排ガスＧ１の供給量を徐々に減らし、それに従ってミストＷ２の噴霧量も徐々に減らす。この過程では、冷却対象の排ガスＧ１の量が少なく、噴霧されるミストＷ２の量も少ないため、二流体方式に切り替えることが好ましい。そして、ノズル７の金属が腐食しない温度にまで、冷却塔２内部の温度が低下したら、高圧ポンプ１１の運転を止め、冷却液Ｗ２の噴霧を停止する。その後、清浄な空気Ｇ４を高圧でノズル７から噴出させて、ノズル７に残留している水滴を除去し、乾燥時のスケール析出および付着を防止すると良い。

次に、排ガスＧ１を冷却していない間のノズル７保護について説明する。具体的には、前記送風機１３からノズル７内に空気Ｇ４を送り、ノズル７から空気Ｇ４を噴出させると良い。この空気Ｇ４の噴き出しにより、ノズル７の周囲にダストが付着することを防止できる。なお、ノズル７から噴出させる空気Ｇ４は清浄なものが好ましいため、送風機１３とノズル７の間に図示しない高精度のフィルタを設けると良い。

（冷却方法）
本発明に係る排ガス冷却方法を説明する。まず、高炉等から排出された高温（例えば１０００℃）の排ガスＧ１が、給気口３から冷却塔２内へ送られる。供給された排ガスＧ１は、冷却塔２内を旋回しながら上昇し、冷却塔２上部に設けた排気口４から排気された後、後段の集塵機へと送られる。冷却塔２内では、ノズル７から下方へ向かってミストＷ２が噴霧される。噴霧されるミストＷ２の粒径は、例えば平均粒径約５０μｍであり、均質であるため、瞬時に蒸発する。この蒸発潜熱により排ガスＧ１が冷却されて、冷却された排ガスＧ２となり、排気口４から排気される際には、２００℃以下まで冷却される。なお、ダイオキシンの生成を防止するために、１７０℃以下まで冷却することが好ましい。

本発明の前記ノズル７は一流体ノズルであるため、大口径の二流体ノズルのように大量の空気を要しない。従って、空気生成装置を設置する必要がなく、排ガス冷却装置全体のイニシャルコストを大幅に削減できるとともに、空気生成装置のメンテナンスにかかっていたランニングコストも生じなくなる。また、空気生成装置の設置場所も不要となる。さらに、圧縮空気がノズル７から噴霧されないため、冷却塔２内のガス量が増えない。したがって、後段の集塵機の処理容量が増えるということもない。なお、前記空気圧縮機やブロワ１３を設けても良いが、この場合であっても、排ガス冷却装置１全体が必要とする空気量は従来よりも圧倒的に少なく、前記の各効果は十分に発揮される。

また、ノズル７から噴霧されるミストＷ２は瞬時に蒸発するため、排ガスＧ１にミストＷ２を噴きかけても排ガスＧ１の湿度はほとんど変わらず、極めて低いものとなる。従って、後段にある図示しない集塵機のフィルタが濡れて目詰まりを起こしたり、フィルタに付着した水と排ガスＧ１が反応して集塵機を腐食したりすることを防止できる。

また、本発明のミストＷ２は瞬時に蒸発するため、従来のようにミスト粒子が落下して蒸発するまでの時間を長く確保する必要がない。そのため、従来よりも冷却塔２をコンパクトにする（冷却塔２の高さを低くする）ことができ、イニシャルコストを低減できる。

また、噴霧したミストＷ２は液だれがせず、無駄が生じない。そのため、従来のように噴霧したミストの一部が蒸発せずに落下し、スラッジ貯留部に濁り水として溜まるようなこともない。従って、スラッジ貯留部５のスラッジを処理する作業量が少ない。

本発明の排ガス冷却装置１は、給気口３の排ガスＧ１の温度と排気口４の排ガスＧ２の温度を測定し、排ガスＧ１の冷却が足りない場合は、ミストＷ２の噴霧量を増やす制御を行う。逆に、排ガスＧ１の冷却が過剰な場合は、ミストＷ２の噴霧量を減らす制御を行う。噴霧したミストＷ２は瞬時に蒸発し、無駄が少ないため、排ガスＧ１を設定温度まで冷却する制御の精度が高い。また、噴霧したミストＷ２は蒸発しやすく、排ガスＧ１を冷却する効果が高いため、排ガス冷却装置１を起動した直後であっても、すぐに排ガスＧ１の温度を低下させることができる。

また、本発明の排ガス冷却装置１に用いるノズル７は一流体ノズルであり、排ガスＧ１の冷却温度をミストＷ２の噴霧量（水量）の調節のみで行う。そのため、二流体ノズルのように、空気の流量を調整するバルブ等が不要となるため、バルブスタンドをコンパクトにすることができる。

１ 排ガス冷却装置
２ 冷却塔
３ 給気口
４ 排気口
５ スラッジ貯留部
６ パイプ
７ ノズル
８ 冷却制御装置
９ インバータ
１０ モータ
１１ ポンプ
１２ フィルタ
１３ ブロア
１４ スラッジ回収装置
１５ 給気管
１６ 排気管
Ａ 入口温度計
Ｂ 出口温度計
Ｇ１ 給気ガス
Ｇ２ 排気ガス
Ｇ３ コンプレッサーエア
Ｇ４ ノズル保護エア
Ｓ セット
Ｕ ユニット
Ｗ１ 冷却液
Ｗ２ ミスト（冷却液）

Claims (11)

1. 排ガスに冷却液を噴霧して冷却を行う排ガス冷却装置であって、
   前記排ガス冷却装置は、
   排ガスの給気口と排気口を有し、内部で排ガスの冷却を行う冷却塔と、
   前記排ガスの冷却に用いる冷却液を貯留する貯留タンクと、
   前記貯留タンクの冷却液を前記冷却塔へ送るポンプと、
   前記冷却塔内に配置され、貯留タンクから送られてきた冷却液を排ガスに噴霧するノズルを有し、
   前記ノズルは、直径１．５ｍｍ以下のオリフィスを有し、２ＭＰａ以上の圧力で、冷却液を霧状に噴霧する一流体ノズルであり、
   前記ノズルから噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍ以下であることを特徴とする排ガス冷却装置。
2. 前記ノズルから噴霧する冷却液の温度が、１０℃〜３０℃である請求項１記載の排ガス冷却装置。
3. 前記冷却塔の内壁から冷却塔の中心部に向かって延在する複数のパイプがさらに設けられ、
   前記パイプの長手方向に沿って前記一流体ノズルが複数配置される請求項１または２記載の排ガス冷却装置。
4. 前記排ガスの給気口は、冷却塔の下部側面に設けられ、
   前記排ガスの排気口は、冷却塔の上部に設けられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。
5. 前記給気口および排気口の少なくとも一方に設ける温度センサと、
   前記ポンプがノズルへ送る冷却液の量を制御する制御装置をさらに有し、
   前記制御装置は、
   供給する排ガスの温度または排出する排ガスの温度が設定値よりも高い場合に、ノズルへ送る冷却液の量を増やし、
   供給する排ガスの温度または排出する排ガスの温度が設定値よりも低い場合に、ノズルへ送る冷却液の量を減らす請求項1〜４のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。
6. 前記一流体ノズルは、冷却液と空気を同時に噴霧する二流体方式に切り替え可能であり、
   前記排ガス冷却装置は、前記二流体方式に用いる圧縮空気を生成するコンプレッサをさらに備え、
   前記冷却液の噴霧量が少なくなり、冷却液の液圧だけでは噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍより大きくなる場合に、二流体方式に切り替える請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。
7. 前記一流体ノズルへ空気を送るブロアをさらに備え、
   冷却液の噴霧を停止しているノズル、または冷却液の噴霧量が少ないノズルは、前記ブロアから送られた空気を噴出する請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。
8. 排ガスに冷却液を噴霧して冷却を行う排ガス冷却方法であって、
   直径１．５ｍｍ以下のオリフィスを有する一流体ノズルから、２ＭＰａ以上の圧力で、冷却液を霧状に噴霧し、
   噴霧したザウター平均粒子径が６０μｍ以下の冷却液によって、排ガスを冷却することを特徴とする排ガス冷却方法。
9. 冷却前の排ガスの温度または冷却後の排ガスの温度を検出し、
   冷却前の温度または冷却後の温度が設定値より高い場合に、ノズルから噴霧する冷却液の量を増やし、
   冷却前の温度または冷却後の温度が設定値より低い場合に、ノズルから噴霧する冷却液の量を減らす請求項９に記載の排ガス冷却方法。
10. 前記冷却液の噴霧量が少なくなり、冷却液の液圧だけでは噴霧する冷却液のザウター平均粒子径が６０μｍより大きくなる場合に、
    前記冷却液と圧縮空気を同時に噴霧する二流体方式に切り替えて、ザウター平均粒子径を６０μｍ以下に保つ請求項８または９に記載の排ガス冷却装置。
11. 冷却液の噴霧を停止しているノズル、または冷却液の噴霧量が少ないノズルから空気を噴出する請求項８〜１０のいずれか１項に記載の排ガス冷却装置。

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