JP4676182B2 - サイクロン装置 - Google Patents

Description

この発明は、各種の燃焼炉および乾燥機から排出される排ガスに含まれる煤塵や粉塵のような粒状物（固体）を遠心力を利用して除去するサイクロン装置に関する。

ボイラやゴミ焼却炉からの煤塵や粉塵、あるいは下水処理施設における汚泥乾燥機から排出される粉塵等を含む排ガス中の粒状物（固体）を除去する装置として、一般に排ガスの流れを旋回させて遠心力により固体を分離、除去し、排ガスを浄化するサイクロン装置が広く利用されている。

このサイクロン装置は、排ガスだけでなく粒状物を含む流体の浄化処理など各種の分野に広く利用されているが、その一例として、特許文献１の「サイクロン装置」が公知である。この従来のサイクロン装置は、研削盤などの産業機械から排出される切屑、砥粒などを含むクーラント液から砥粒などを除去し、クーラントの濾過を行うものである。

このクーラント濾過のためのサイクロン装置は、クーラントに含まれる切屑、砥粒などを遠心力で除去するため旋回部にクーラントを接線方向に導入する入口ノズルを接続し、旋回部は円筒部と円錐部とから成り、円筒部の中央には浄化されたクーラントの排出管が接続され、円錐部の下端は下部ノズル口として固形粒子を排出するように開放されている。そして、旋回部の円筒部と円錐部は、耐摩耗性に優れたセラミックス材が用いられており、クーラントに含まれる切屑、砥粒の旋回により耐摩耗性に優れたサイクロン装置とされている。

ところで、上述した特許文献１以外の一般的なサイクロン装置は、旋回部の材料は経済的な理由から金属製のものが用いられ、このため排ガス、クーラントのような粒状物を含む流体から煤塵、粉塵を旋回流として除去する際にこれら微小な粒状物による摩擦で旋回部の内壁が摩耗する。従って、従来の一般的な対策では旋回部（円筒部、円錐部を含む）の内面に耐摩耗性キャスタブルを張設し、１年に１回程度摩耗したキャスタブルを張替えする、又特殊な用途のサイクロン装置では超硬合金を旋回部内面の全面に亘り溶着肉盛りして本体の摩耗による破損を防止するようにしている。

しかし、上記従来の一般的な摩耗防止対策、あるいは特許文献１による対策のいずれの手段を採用しても製作費及びランニングコストが高くなるため、上記各対策は特殊な設備には使用されるとしても、一般的には価格的に使用が困難であり、上記対策が必ず施される訳ではない。従って、製作費及びランニングコストが上昇することなく耐摩耗性の対策が施され、長期の耐摩耗性を有する構造のサイクロン装置が所望されているが、現在迄にそのような要求を満足する提案はなされていない。
特開２００１−１４９８１５号公報

この発明は、上記の問題に留意して、高温焼却炉および汚泥乾燥機等から排出される煤塵、粉塵等の粒状物を含む被処理流体から、簡易な構成で装置本体の材料を従来と同じ金属製のものを用いて粒状物を効率よく除去できる、高耐摩耗性のサイクロン装置を提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を解決する手段として、気体に煤塵、粉塵等の粒状物が混在し、粒状物を除去する処理をすべき被処理流体を送り込む流入管を、上記流体を旋回させる旋回部にその接線方向に接続し、上記流体の旋回による遠心力で粒状物を分離、除去するサイクロン装置において、旋回部は円筒部とその下方に続く円錐部とから成り、円錐部の所定領域に所定孔径、所定個数の連通孔を、旋回流が円錐部の外部に落込む乱流とならないように、かつ粒状物をこの円錐部外へ排出し得るように設けたことを特徴とするサイクロン装置としたのである。

上記の構成としたサイクロン装置によれば、被処理流体に含まれる粒状物が殆ど除去され、排ガスは外部へ放出されても大きな影響を与えることのない状態に浄化されて排出される。被処理流体は円筒部で旋回して遠心力が働き、重さの大きい粒状物は中心から外周方向へ移動して内壁に到達する。内壁に到達した粒状物は、気体が旋回急傾斜で下降するのに対して、旋回しながら緩やかに下降するため、気体と粒状物の流れは異なった動きをして旋回下降する。

但し、粒状物はサイクロンの下部に至って静止するまでは気体の円運動の影響を受けて旋回を続ける。このとき、円筒部では粒状物は旋回しながら下降するが、円筒部から円錐部へ移動すると粒状物は遠心力で円筒部の内壁に押付けられた状態でさらに外向きに、即ち上向きの円錐部では上方に移動する力が作用し、一方重力（自重）で下降しようとする力も共に働いて均衡し、同じ部位（レベル）を気体の旋回流の影響を受けながら旋回し続ける。

このため、連通孔による粒状物分離手段が設けられていなければ、上記粒状物は研削材の役目をし、各部位の摩耗が発生し進行することとなり、粒状物が摩耗又は破砕によって粒子が小さくなった場合には上記力の不均衡が生じ、均衡がとれる位置まで移動して再び不均衡となるまで旋回を続けることとなる。しかし、このような状態の発生を防止するため、サイクロン装置本来の排出部以外に粒状物分離手段が設けられており、この分離手段の連通孔を通過して最長１周長の水平旋回する間に各粒状物は円錐部から外部へ押出され、被処理流体から分離除去される。

この発明のサイクロン装置は、円錐部に粒状物分離手段を設けて粒状物を気流の旋回に乱れを生じることなく外部へ押出して被処理流体から分離、除去するようにしたから、装置本体の旋回部を従来と同様な一般的な金属製材料を用いて形成しても耐摩耗性が格段に向上し、長期間に亘って円錐部の取替え、補修等のメンテナンス（保守）を必要とせず、かつ経済的なコストで製作できるというきわめて顕著な効果が得られる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態のサイクロン装置ＳＧ（固体と気体の分離サイクロン）の全体概略構成図を示す。このサイクロン装置ＳＧは、被処理流体Ｇ₀ を送り込む流入管１と、上記流体Ｇ₀ を旋回させて遠心力を作用させ、上記流体Ｇ₀ に含まれる粒状物を分離、除去するための旋回部２と、粒状物が分離、除去され、浄化された処理済流体Ｇ₁ を排出する排出管５と、後述する粒状物分離手段６により分離、除去された粒状物を捕集し、排出する捕集部７とを備えている。

被処理流体Ｇ₀ は、高温焼却炉、ボイラ、溶融炉、汚泥乾燥機等から排出される煤塵、粉塵等の粒状物を含む気体であって、そのまま放置すると有害又は自然環境に影響を及ぼす虞れがあり、必ず粒状物を除去する処理を必要とする流体である。流入管１は、図１の（ｂ）図に示すように、旋回部２に対しその外周に接線方向に接続され、流入した被処理流体Ｇ₀ に旋回流を生じさせるように構成している。

旋回部２は、上記被処理流体Ｇ₀ を受入れる円筒部３と、その下方に続く円錐部４とから成る。この円筒部３には、その中心に、図示の例ではその長さ方向の略２／３程度の長さ、かつ円筒部３の上端を閉じている天板を貫通して上方へ突出するように排出管５が設けられている。排出管５の下端は開放され、粒状物を分離、除去され、浄化された処理済流体Ｇ₁ がその下端から上方へと送られ図示しない接続管により外部へ排出される。

円錐部４は、下方に直径が減少する長い円錐形に形成され、その下端は内壁に沿って少しずつ落下し集められる粒状物の残留分を排出する下部排出部４ａとして形成されている。この下部排出部４ａは、上方の排出管５へ処理済流体Ｇ₁ が向かうのに支障のない程の小径である。又、円錐部４の上端から下方の一定範囲に亘ってその壁面に粒状物分離手段６が設けられている。この粒状物分離手段６は、円錐部４の内部を外部と連通する多数の連通孔６ａ、６ｂ、６ｃ、……から成る。

上記連通孔６ａ、６ｂ、６ｃ……は、例えば図２Ａの（ａ）図、又は（ｂ）図のように、多数の小孔６ａ₁ 、６ａ₂ 、６ａ₃ ……を円弧状に連ねて１段目の連通孔６ａとし、６ｂ、６ｃ……も同様に多段に亘って形成したものとすることができる。このとき、多数の小孔６ａ₁ 、６ａ₂ 、……の大きさ及びピッチは、各段の連通孔６ａ、６ｂ、６ｃ……の各レベルで旋回する被処理流体Ｇ₀ に乱流を生じない程の径及び寸法に設定する。特に径が大き過ぎると旋回流が外部へ落込み、起伏が大きくなり、遠心力が働いているので壁側に押し戻されて旋回流に乱流（渦流）が生じることとなるため（図４参照）、使用される用途、設備規模に応じて所定径に設定する。

又、多数の小孔６ａ₁ 、６ａ₂ 、……のピッチを所定以下の寸法とする場合は、図２Ａの（ｂ）図のように円弧状のスリット６ａｂ、６ｂｂ、６ｃｂ……を多段状に設けて形成してもよい。さらに、図２Ｂの（ｃ）図、（ｄ）図、（ｅ）図のような各種変形例のいずれも採用することができる。

上記粒状物分離手段６は円錐部４に対し１組だけ設けた例を示したが、実際の装置では円錐部４の全周面に少なくとも２〜３箇所以上設けるのが望ましい。なお、旋回部２は従来の特殊な材料（超硬合金、セラミックス材）を用いることなく、一般的な金属製材料が用いられている。

捕集部７は、上記粒状物分離手段６に対応してその多数の小孔又はスリットから押出される粒状物を捕集できるように図２Ａの（ａ）図、（ｂ）図中の二点鎖線に対応する幅、長さの捕集口７ａを円錐部４の外周に取付け、その下部の連結管の途中に開閉弁８（手動）を設け、所定量の粒状物を一定期間毎に下方の収容バケット９に落下させて排出できるようにしている。又、前述したように、上記分離手段６が複数箇所設けられる場合は、対応して捕集部７も複数箇所に設けられることとなる。但し、連結管は複数の捕集部７のものを互いに連結して、１箇所で収容バケット９に落下させるようにしてもよい。

上記の構成とした実施形態のサイクロン装置によれば、流入管１から流入する被処理流体Ｇ₀ から粒状物が実効的に除去され、処理部、特に円錐部４の内壁の磨耗は、金属製材料で円錐部４が形成されていても、粒状物が分離手段６によって殆ど除去されるため、長期の使用に耐え得る高耐摩耗性の機能が得られる。粒状物が混入した被処理流体Ｇ₀ が旋回部２の円筒部３に流入すると、流体Ｇ₀ はその流体の運動エネルギにより旋回を始め、その旋回により円筒部３内で遠心力が発生すると共に、円筒部３の下方へと下降する。

このため、遠心力の作用によって重さの小さい気体は中心部に、重さの大きい粒状物は外周方向へ移動しながら下降するが、それぞれの粒状物が除去された流体は反転して排出管５へ向い、外部へ排出される。一方、上記外周方向へ移動した重さの大きい粒状物は、図３の（ａ）図に示すように円筒部３の内壁Ｄ点に到達する。この粒状物は、旋回しながら重力の作用で円錐部４のＥ点まで下降すると、遠心力によって円錐部４の内壁に押付けられた状態で一層外方向へ、即ち矢印の如く上向きの円錐内面では斜め上方へ移動しようとする力が働くと共に、重力（自重）で下方向へ移動しようとする力も働く。

そして、周速（遠心力作用）、重量と粒度によって上下双方に働く力が均衡を保った状態では同部位（レベル）を水平旋回して磨耗作用が続く。粒状物自体が旋回し摩擦すると、体積が減少し、あるいは破砕されて遠心力の影響が小さくなり、均衡が破れて上下に働く力が不均衡になって粒状物は下方へ移動するが、下方の位置では円錐部が細くなって周速が速くなり、遠心力が強くなって再び上述した上下方向の力が均衡し、Ｅ点のレベルに粒状物分離手段６の多数の小孔又はスリットが設けられていないとすると、移動した部位で同じく旋回磨耗を繰り返す。

こうして順次Ｅ点からＥ₁ →Ｅ₂ へと移動しながら１個の粒状物が円錐部４の内壁をその全面に亘って磨耗する。粒状物の数が多くなればなる程磨耗は激しくなる。従って、この粒状物を少なくとも最長１周長（１箇所の取出）で円錐部４の外部へ除去することができれば、磨耗は殆どなくなり、長期の使用に耐え得ることとなる。このため、この実施形態では円錐部４の円周上の少なくとも１箇所に粒状物分離手段６が設けられており、これにより内壁面に位置する粒状物を外部へ最長１周長以内で押出し、捕集部７により捕集し、排出することができる。

即ち、粒状物はＤ点から均衡のとれる位置Ｅ、Ｅ_１又はＥ_２まで旋回しながら移動するが、それぞれのレベルでは水平旋回してＥ’、Ｅ_１’、Ｅ_２’部に達する。この粒状物は、円錐部４に設けた粒状物分離手段６の多数の小孔又はスリットによる連通孔を通過して捕集口７ａにより捕集され、開閉弁８を介して外部の収容バケット９に排出される。以上では、１つの粒状物が降下しながら円錐部４の内壁面を磨耗する現象を防止する作用について説明したが、図３の（ｂ）図は、円錐部４の途中のレベルでＦ点、Ｇ点の内壁に粒状物が到達した場合を示す。
このとき、連通孔６を、図２Ａ（ｂ）、（ｂ’）に示すように、スリット６ａｂ、６ｂｂ・・を円弧状に設けて形成し、そのスリットを、旋回流の方向にオーバーラップしつつ上下方向に並ぶようにすれば、粒状物が円錐部４内を水平方向に最長１周長する間にそのスリット位置に到達するので、連通孔（スリット）６を介した粒状物の除去効率が向上して、円錐部４の摩耗がより防止される。

被処理流体中に含まれる粒状物のサイズは種々であり、このため粒状物はサイズの種類および存在位置によっては直ちにＤ点、Ｅ点の周壁に達するのではなく、旋回流内を下降して途中でＦ点、Ｇ点に到達するものもある。これらの粒状物は、それぞれのレベルに下降した時にＤ点、Ｅ点の周壁に到達し、その後はＥ点での作用と同様にＤ点、Ｆ点で水平旋回し、Ｅ’の点と同様にＦ’、Ｇ’点で粒状物が除去される（但し、Ｄ、Ｅ、〜Ｆ’、Ｇ’の各点は仮定点である）。

なお、旋回流は円錐部４の粒状物分離手段６により大部分の粒状物が除去されるが、極く一部円錐部４の内壁に沿って落下する粒状物が含まれており、これらは円錐部４の下部排出部４ａから排出される。

この発明のサイクロン装置は、被処理流体から粒状物を殆ど分離、除去でき、装置本体の材料は従来と同様であるから、ゴミ焼却炉、溶融炉、ボイラ、汚泥乾燥機など各種の排ガスを排出する装置に広く利用できる。

実施形態のサイクロン装置の（ａ）全体概略構成図、（ｂ）（ａ）図の矢視Ｂからの平面図、（ｃ）円錐部の部分拡大断面図 同上装置の粒状物分離手段の（ａ）部分側面図、（ａ' ）同斜視図、（ｂ）他の例の部分側面図、（ｂ' ）同斜視図 同上装置の粒状物分離手段の（ｃ）〜（ｅ）部分側面図 同上装置の作用の説明図 連通孔付近の旋回流の作用の説明図（（ａ）乱流小、（ｂ）乱流大））

符号の説明

１ 流入管
２ 旋回部
３ 円筒部
４ 円錐部
４ａ 下部排出部
５ 排出管
６ 粒状物分離手段
７ 捕集部
７ａ 捕集口

Claims (1)

1. 気体に煤塵、粉塵等の粒状物が混在し、粒状物を除去する処理をすべき被処理流体（Ｇ_０）を送り込む流入管（１）を、上記流体（Ｇ_０）を旋回させる旋回部（２）にその接線方向に接続し、上記流体（Ｇ_０）の旋回による遠心力で粒状物を分離、除去して、その除去した粒状物を旋回部（２）下部の下部排出部（４ａ）から排出するとともに、浄化された処理済流体（Ｇ_１）を旋回部（２）上方の排出管（５）から排出する粒状物除去用サイクロン装置において、
   上記旋回部（２）は円筒部（３）とその下方に続く円錐部（４）とから成り、円錐部（４）の所定領域に所定孔径、所定個数の連通孔（６）を、旋回流が円錐部（４）の外部に落込む乱流とならないように、かつ粒状物をこの円錐部（４）外へ排出し得るように設けて、上記旋回部（２）下部の下部排出部（４ａ）以外から、その連通孔（６）を介し上記粒状物を分離、除去するようにし、前記連通孔（６）が、スリットを円弧状に設けて形成されたものであって、前記円弧は、前記旋回流の下流側で凸状となっており、前記粒状物が円錐部（４）内を水平方向に最長１周長する間に前記スリット（６）位置に到達して前記円錐部（４）から外部へ押出され、被処理流体（Ｇ _０ ）から分離除去するように、そのスリット（６）を、前記旋回流の方向にオーバーラップしつつ上下方向に並ぶように形成して、上記粒状物が円錐部（４）内を旋回してその円錐部（４）が摩耗されるのを防止するようにしたことを特徴とするサイクロン装置。

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