JP5998915B2 - 排ガス処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排ガス中の有害物質（主に、硫黄酸化物（ＳＯＸ））を除去するための排ガス処理装置に関する。
排ガス中のＳＯＸを除去するための除去装置として、サイクロンスクラバを用いた排ガス処理装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の排煙脱硫装置は、円筒状の塔の底部から旋回上昇するガスを、塔の中心軸上に垂直に設置されたスプレー配管に適宜な間隔で取り付けられたスプレーノズルから塔内半径方向に噴霧される液と接触させて、吸収または集塵を行う。
特許文献１において、スプレーノズルは、吸収塔下部から旋回しながら上昇するガス流れ（旋回流）と同一旋回方向に向けられ、吸収液を水平方向より上向きに噴霧するために水平面に対して仰角を持つように設置されている。スプレーノズルから噴霧されるスプレーミストは、一例として水平方向から上部方向にわたって、ほぼ円錐状に噴霧される。
特許第３０７３９７２号公報
しかしながら、上記排煙脱硫装置においては、水平面内でのスプレーノズルの設置角度については言及されていない。通常、図１０に示すように、スプレーノズル１０２は、スプレー配管１００の枝管１０１に９０度の曲がり部を有するエルボを介して接続されるため、スプレーノズル１０２は枝管１０１に対して垂直に設置される。この場合、スプレーノズル１０２のスプレーパターンが扇形であれば、噴霧角度は広くても１２０度であるため、少なくとも中心方向の３０度分には吸収液がスプレーされない。また、枝管１０１の延伸方向側の周壁とスプレーノズル１０２の噴口との間の距離が短いため、この部分に噴射される吸収液の飛距離は短くなる。
サイクロンスクラバで排ガス中の有害物質を除去する場合の除去率は、排ガスと吸収液との接触性（主に接触面積と接触時間）に相関する。したがって、スプレーノズルから噴射される吸収液の液滴が広い範囲に拡散しない場合には十分な接触面積が得られず、また、飛距離が短い場合には十分な接触時間が得られないため、高い除去率が得られないという問題がある。この場合に、所望の除去率を得るためには、スプレーノズルの数を増やして接触性を確保する必要があり、サイクロンスクラバの大型化を避けられない。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、有害物質の除去率を向上するとともに、小型化を実現した排ガス処理装置を提供することを目的とする。
本発明は、気体と液体とを接触させてガス吸収を行う排ガス処理装置において、内部空間が形成された吸収塔本体と、前記内部空間の上下方向の所定領域において液体を噴霧するスプレー装置と、前記吸収塔本体の内部空間で旋回するように気体を導入するガス供給装置と、を備え、前記スプレー装置は、前記内部空間の中心軸上の所定領域にかけて延在する幹管と、前記幹管に連結され前記吸収塔本体の内壁に向けて伸びる枝管と、前記枝管から供給される液体を噴霧するスプレーノズルと、を含んで構成され、１本の前記枝管に、複数の前記スプレーノズルが設けられており、少なくとも１つの前記スプレーノズルの噴射領域の中心線と前記枝管の長手方向とでなす取付角度が水平断面において鋭角であり、複数の前記スプレーノズルは、それぞれの前記取付角度が互いに異なっていることを特徴とする。また、本発明は、気体と液体とを接触させてガス吸収を行う排ガス処理装置において、内部空間が形成された吸収塔本体と、前記内部空間の上下方向の所定領域において液体を噴霧するスプレー装置と、前記吸収塔本体の内部空間で旋回するように気体を導入するガス供給装置と、を備え、前記スプレー装置は、前記内部空間の中心軸上の所定領域にかけて延在する幹管と、前記幹管に連結され前記吸収塔本体の内壁に向けて伸びる枝管と、前記枝管から供給される液体を噴霧するスプレーノズルと、を含んで構成され、１本の前記枝管に、複数の前記スプレーノズルが設けられており、少なくとも１つの前記スプレーノズルの噴射領域の中心線と前記枝管の長手方向とでなす取付角度が水平断面において鋭角であり、前記複数のスプレーノズルのうち、前記枝管に対して、径方向外側に設けられた前記スプレーノズルの前記取付角度は、径方向内側に設けられた前記スプレーノズルの前記取付角度以下であることを特徴とする。
上記排ガス処理装置によれば、スプレーノズルは、枝管の長手方向に対してスプレーノズルの噴射領域の中心線とのなす角が鋭角となるように取り付けられていることから、吸収塔本体の周壁部とスプレーノズルの噴口との間の距離を長くとることができる。これにより、吸収塔本体の水平断面上において、中心部分も含めた広範囲に液滴が噴霧されるため、排ガスと吸収液との接触面積を増大することができる。また、吸収塔本体の周壁部とスプレーノズルの噴口との間の距離を長くとることにより、液滴の飛距離が伸びるため、排ガスと吸収液との接触時間を増大することができる。
このように、排ガスと吸収液との接触性（主に接触面積と接触時間）を高めることができるため、１つのスプレーノズルによる有害物質除去の効率が高まり、ガス処理装置において所望の除去率を得るためのスプレーノズルの必要設置数が低減する。スプレーノズルの設置数低減に伴って、幹管に対する枝管の必要設置数も低減するため、幹管の長さを短くすることができる。これにより、幹管を収容するための吸収塔本体の高さを抑制することができるため、吸収塔本体を小型化することが可能となる。
上記排ガス処理装置において、前記スプレーノズルは、噴射領域の中心線が水平方向となるように前記枝管に取り付けられているとよい。また、上記排ガス処理装置において、前記径方向外側に設けられた前記スプレーノズルは、噴射領域に前記幹管が含まれないような取付角度を有することが好ましい。
さらに、上記排ガス処理装置において、前記スプレーノズルは、噴射領域の中心線が水平面に対して上向きまたは下向きとなるように前記枝管に取り付けられていてもよい。
さらに、上記排ガス処理装置において、前記スプレーノズルは、空円錐ノズルであってもよい。また、上記排ガス処理装置において、前記スプレーノズルは、前記液体が流入する流入孔と、該流入孔に対して連通する旋流室とを有し、前記流入孔から前記旋流室に供給された前記液体を、前記旋流室で旋回させて噴射するようにしてもよい。さらに、上記排ガス処理装置において、前記ガス供給装置は、前記スプレー装置が前記液体を噴霧する領域よりも下方位置から前記吸収塔本体に前記気体を導入するように配置されるようにしてもよい。また、上記排ガス処理装置において、前記スプレーノズルの噴射方向が、前記気体の周回方向の中心側に傾いていてもよい。さらに、上記排ガス処理装置において、前記吸収塔本体は、前記スプレー装置が前記液体を噴霧する領域よりも上方位置に設けられ、前記吸収塔本体の前記内壁面から中心軸へ向けて環状に突出するとともに、前記中心軸側の先端が少なくとも下方に折り返された液返し部材をさらに備えるとよい。また、上記排ガス処理装置において、前記液返し部材は、液溜まり部を形成するように上側に突出された液溜まり壁と、前記液溜まり部に溜まった液体を落下させる貫通孔と、を有してもよい。
本発明によれば、排ガス処理装置において、有害物質の除去率を向上するとともに、小型化を実現できる。
本実施の形態に係るガス吸収塔を中心とする排ガス処理システムを示す概略図である。 図２Ａは、上記ガス吸収塔の上面模式図であり、図２Ｂは、上記ガス吸収塔の断面模式図である。 上記ガス吸収塔におけるスプレー装置の枝管とスプレーノズルとの関係を示す説明図である。 上記ガス吸収塔におけるスプレー装置の枝管とスプレーノズルとの関係を示す説明図である。 空円錐ノズルの一例を示す断面模式図である。 ガス吸収塔においてスプレーノズルを、枝管に対して角度θ＝９０度で設置した場合、枝管に対して角度θ＝４５度で設置した場合における、ＳＯ２除去率を示すグラフである。 図７Ａは、スプレーノズルの異物通過径と液滴の平均粒子径との関係を示すグラフであり、図７Ｂは、スプレーノズルの異物通過径と噴霧圧力０．３ＭＰａ時のスプレーノズル１個あたりの流量との関係を示すグラフである。 スプレーノズルの噴霧圧力と液滴の平均粒子径との関係を示すグラフである。 スプレーノズルの種類とＳＯＸ除去率との関係を示すグラフである。 従来の排ガス処理装置におけるスプレー装置の枝管とスプレーノズルとの関係を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る排ガス処理装置としてのガス吸収塔を中心とする排ガス処理システムを示す概略図である。なお、本実施の形態に係る排ガス処理システムとしては、船舶に使用されるエンジンから排出される排ガス中に含まれる二酸化硫黄（ＳＯ２）を除去するシステムを考える。ただし、これに限られず、本実施の形態に係る排ガス処理システムは、窒素酸化物や硫黄酸化物などの物質を含む種々の排ガスの処理に適用可能である。
図１に示すように、排ガス処理システムは、エンジン２０から排ガスが供給されるガス吸収塔１０と、海水加圧ポンプおよび海水引抜ポンプを備える海水ポンプユニット３０と、排水タンク４０と、排水をろ過するろ過器ユニット５０と、から主に構成される。
エンジン２０から排出された排ガスは、ガス吸収塔１０に導入される。この排ガスには、二酸化硫黄（ＳＯ２）が５０〜１５００ｐｐｍ含まれる。この排ガスがガス吸収塔１０内を上昇する過程で、海水ポンプユニット３０を介してガス吸収塔１０に導入された海水を噴霧して、気液接触させる。
排ガス内の二酸化硫黄は、アルカリ性である海水によって、下記式（１）および（２）に示すように吸収除去される。
ＳＯ２＋Ｈ２Ｏ → Ｈ２ＳＯ３ （１）
Ｈ２ＳＯ３＋２ＡＯＨ → Ａ２ＳＯ３＋２Ｈ２Ｏ （２）
なお、上記式（１）および（２）において、Ａはアルカリを示す。
このようにして二酸化硫黄が除去された排ガスは、ガス吸収塔１０の上部から大気中へ排気される。
ガス吸収塔１０内に噴霧された海水は、ガス吸収塔１０の内壁面に沿って自重で落下し、ガス吸収塔１０下方の貯留部に貯留する。貯留した海水は、海水ポンプユニット３０を介して排水タンク４０に排水された後、ろ過器ユニット５０でろ過されて海洋へ排水される。
続いて、本実施の形態に係る排ガス処理装置としてのガス吸収塔１０について具体的に説明する。図２Ａは、本実施の形態に係るガス吸収塔１０の上面模式図であり、図２Ｂは、ガス吸収塔１０の断面模式図である。
図２に示すように、ガス吸収塔１０は、上下方向に内部空間が形成された吸収塔本体１１と、吸収塔本体１１の内部空間の上下方向の所定領域において液体を霧の状態にして噴射（噴霧）するスプレー装置１２と、スプレー装置１２が液体を噴霧する領域よりも下方位置から吸収塔本体１１に気体を導入するガス供給装置１３と、スプレー装置１２が液体を噴霧する領域よりも上方位置に設けられ、吸収塔本体１１の内壁面から中心軸へ向けて環状に突出するとともに、中心軸側の先端が少なくとも下方に折り返された液返し部材１４と、スプレー装置１２よりも下方位置に設けられたバッフル１５と、を備えている。ここで、スプレー装置１２は、図１に示す海水ポンプユニット３０に接続され、ガス供給装置１３は、図１に示すエンジン２０に接続されている。
吸収塔本体１１は、円筒形状の周壁部１１ａと円形状の底壁部１１ｂと、で構成される。周壁部１１ａは、いずれの部分も同径に構成されている。周壁部１１ａの上端部は開口しており、開口部１１ｃが形成されている。なお、本実施の形態において吸収塔本体１１は円筒形状を有しているが、吸収塔本体１１の形状はこれに限られず、たとえば、角筒形状であってもよい。
スプレー装置１２は、吸収塔本体１１の中心軸上に設置される。スプレー装置１２は、吸収塔本体１１外から吸収塔本体１１内に挿入され、吸収塔本体１１の中心位置まで延在する給水管１２ａと、この給水管１２ａの挿入端部に連結され、吸収塔本体１１の内部空間の上下方向の所定領域にかけて延在する幹管としての水導管１２ｂと、この水導管１２ｂに連結され吸収塔本体１１の周壁部１１ａに向けて伸びる枝管１２ｃと、各枝管１２ｃの先端に設けられ、枝管１２ｃから供給される液体を所定範囲に噴霧するスプレーノズル１２ｄと、を含んで構成される。これらのスプレーノズル１２ｄは、詳細について後述するように、枝管１２ｃの長手方向に対してスプレーノズル１２ｄの噴射領域の中心線とのなる角が鋭角となるように取り付けられている。
上下方向に複数段並べて配置された枝管１２ｃは、上下方向に隣接する枝管１２ｃが直交するように交差している。なお、水導管１２ｂに対する枝管１２ｃの配置はこれに限られず、たとえば、水導管１２ｂの同一円周上に、９０度ごとに４本の枝管１２ｃを配置する構成であってもよい。また、スプレーノズル１２ｄの材質は、吸収液として海水を利用する場合の耐食性を得るためにオーステナイト系ステンレス材が好ましい。
ガス供給装置１３は、吸収塔本体１１の周壁部１１ａの接線方向にガス噴出方向が沿うように設けられている。したがって、ガス供給装置１３から導入される排ガスは、周壁部１１ａの内周面に沿って水平方向に噴射される。
液返し部材１４は、吸収塔本体１１の周壁部１１ａから中心軸へ向けて環状に突出した折り返し面部１４ａと、折り返し面部１４ａの中心軸側の先端から下方に折り返された折り曲げ片１４ｂと、折り返し面部１４ａの先端から液溜まり部１４ｃを形成するように上側に突出された液溜まり壁１４ｄと、液溜まり部１４ｃに溜まった液体を落下させる貫通孔１４ｅと、を有している。
吸収塔本体１１に取り付けた液返し部材１４の折り曲げ片１４ｂおよび液溜まり壁１４ｄで囲まれた中心軸側の領域は、開口部１４ｇを構成する（図２Ｂ参照）。この開口部１４ｇは、吸収塔本体１１の開口部１１ｃの５〜８割程度の内径を有するように構成される。この構成により、液返し部材１４を吸収塔本体１１に取り付けることによる圧力損失を抑制することが可能となる。
バッフル１５は、円盤部１５ａと、円盤部１５ａと吸収塔本体１１の周壁部１１ａとを連結する脚部１５ｂと、で構成される。円盤部１５ａの外周部分と吸収塔本体１１の周壁部１１ａとの間には、液滴を流すための隙間が形成されている。バッフル１５は、吸収塔本体１１内部を、スプレー装置１２によって液体が噴霧される領域と、吸収塔本体１１外に排水するための液体を貯留する領域を区切っている。バッフル１５の下方には、吸収塔本体１１外に液体を排水するための排水管１６が設けられている。
このように構成されたガス吸収塔１０における排ガス処理について説明する。エンジンから排出された排ガスは、ガス供給装置１３によって、スプレー装置１２が液体を噴霧する領域よりも下方位置に導入される。この排ガスは、周壁部１１ａに沿うように周回しながら吸収塔本体１１内を上昇する。
一方、海水は、給水管１２ａを介して水導管１２ｂに導入される。そして、海水は、複数段の枝管１２ｃに設けられたスプレーノズル１２ｄから、吸収塔本体１１の周壁部１１ａに向けて噴霧される。
したがって、吸収塔本体１１内を旋回上昇する排ガスは、各段に設置された枝管１２ｃに設けられたスプレーノズル１２ｄから噴霧される海水と気液接触し、排ガス内の二酸化硫黄が吸収除去される。二酸化硫黄が除去された排ガスは、吸収塔本体１１の上部に設けられた開口部１１ｃから大気中へ排気される。
液滴となった海水は、旋回流による遠心力によって周壁部１１ａに押し付けられて自重で落下する。しかし、一部の海水は、旋回上昇流によって吸収塔本体１１内部をつたって上昇する。
吸収塔本体１１の中心部はガス流速が０ｍ／ｓまたはその近傍値であり、周壁部１１ａ近傍は中心部と比較してガス流速が速いため、海水は遠心力によって周壁部１１ａに沿って上昇する。周壁部１１ａに沿って上昇した海水は、最下段の液返し部材１４によって上昇を妨げられ、折り返し面部１４ａの下面と折り返し片１４ｂの周辺に滞留する。滞留した液体が一定の大きさを超えると、液滴となって自重で落下する。
しかし、海水の一部は、液滴とならずにこの折り返し片１４ｂを超えて、遠心力によって液返し部材１４の折り曲げ片１４ｂおよび液溜まり壁１４ｄの内周面に沿って上昇し、液返し部材１４と液返し部材１４との間の周壁部１１ａをさらに上昇する。このように、次段の液返し部材１４まで到達した海水は、この液返し部材１４によって上昇を妨げられ、折り返し面部１４ａの下面と折り返し片１４ｂの周辺に滞留する。滞留した液体が一定の大きさを超えると、液滴となって自重で落下する。落下した液滴は、下段の液溜まり部１４ｃに集まり、一定量を超えると、貫通孔１４ｅを通って吸収塔本体１１の下方に落下する。
吸収塔本体１１の周壁部１１ａ近傍は、吸収塔本体１１の中心部に比べてガス流速が速いため、貫通孔１４ｅが周壁部１１ａ近傍に設けられていると、上昇流の影響を受けて貫通孔１４ｅから液滴が落下しない事態が起こり得る。そこで、貫通孔１４ｅは、周壁部１１ａ近傍に比べてガス流速の遅い、周壁部１１ａから離れた位置に設けることで、上昇流の影響を弱めて貫通孔１４ｅから液滴を落下させることができる。
液返し部材１４は上下方向に複数段設けられているため、液返し部材１４による海水の上昇は複数回にわたって妨げられる。したがって、海水が上昇して吸収塔本体１１の開口部１１ｃから流出する事態を、効果的に防止することができる。
また、液返し部材１４を吸収塔本体１１に取り付けたとしても、液返し部材１４は吸収塔本体１１の周壁部１１ａから中心軸に向けて環状に突出した形状を有し、中心軸側には開口部１４ｇが形成されていることから、液返し部材１４を取り付けることによる圧力損失を軽減することができる。また、液返し部材１４により詰まりが発生することもなく、煩雑なメンテナンスは不要である。
落下した液滴は、吸収塔本体１１の下方に設置されたバッフル１５でその旋回が止められた後、バッフル１５および周壁部１１ａをつたって、吸収塔本体１１の底壁部１１ｂとその周囲の周壁部１１ａとで構成される貯留部に貯留する。貯留した液体は、排水管１６を介して吸収塔本体１１の外へ排水される。
続いて、ガス吸収塔１０におけるスプレー装置１２のスプレーノズル１２ｄについて詳細に説明する。まず、スプレーノズル１２ｄの枝管１２ｃに対する取付角度について、図面を参照して説明する。図３および図４は、ガス吸収塔１０におけるスプレー装置１２の枝管１２ｃとスプレーノズル１２ｄとの関係を示す説明図である。また、図３および図４においては、スプレーノズル１２ｄの噴射領域を一点鎖線によって表している。
図３Ａに示すように、スプレーノズル１２ｄは、各枝管１２ｃと同一平面上であって、各枝管１２ｃに対して噴射方向を内側に傾けて取り付けられている。具体的には、図３Ｂに示すように、スプレーノズル１２ｄは、枝管１２ｃの長手方向に対してスプレーノズル１２ｄの噴射領域の中心線の延長線とのなす角度θが鋭角となるように取り付けられている。
角度θは、スプレーノズル１２ｄから噴霧される液滴が水導管１２ｂにかからないように、スプレーノズル１２ｄの噴霧角度の半分に設定することが好ましい。スプレーノズル１２ｄから噴霧される液滴が水導管１２ｂにかかることにより、水導管１２ｂが劣化することを防ぐためである。たとえば、スプレーノズル１２ｄの噴霧角度が９０度であれば角度θは４５度に設定し、スプレーノズル１２ｄの噴霧角度が１２０度であれば角度θは６０度に設定する。
このようにスプレーノズル１２ｄの取付角度θが鋭角を有するように設置することで、吸収塔本体１１の周壁部１１ａとスプレーノズル１２ｄの噴口との間の距離を長くとることができる。これにより、図３Ａに示すように、吸収塔本体１１の水平断面上において、中心部分も含めた広範囲に液滴が噴霧される。したがって、スプレーノズル１２ｄを枝管１２ｃに対して垂直に設置する場合（図１０参照）と比較して、排ガスと吸収液との接触面積を増大することができる。
また、このようにスプレーノズル１２ｄの取付角度θが鋭角を有するように設置することで、スプレーノズル１２ｄを枝管１２ｃに対して垂直に設置する場合と比較して、枝管１２ｃの延伸方向側の周壁部１１ａとスプレーノズル１２ｄの噴口との間の距離が長くなる。これにより、この部分に噴射される液滴の飛距離が伸びるため、排ガスと吸収液との接触時間を増大することができる。
したがって、スプレーノズル１２ｄを枝管１２ｃに対して鋭角に設置することにより、スプレーノズル１２ｄを枝管１２ｃに垂直に設置する場合と比較して、排ガスと吸収液との接触性（主に接触面積と接触時間）を高めることができ、有害物質の除去率が向上する。
また、図４Ａに示すように、１本の枝管１２ｃに対して、複数（図４Ａにおいて２つ）のスプレーノズル１２ｄを設置する構成としてもよい。図４Ａにおいては、各枝管１２ｃの先端と中央近傍にそれぞれスプレーノズル１２ｄ１とスプレーノズル１２ｄ２とが設置されている。スプレーノズル１２ｄ１とスプレーノズル１２ｄ２とは、それぞれ枝管１２ｃに対する取付角度θ（θ１，θ２）が等しい角度であってもよいし、異なる角度であってもよい。２つのスプレーノズル１２ｄ１，１２ｄ２の取付角度θ（θ１，θ２）を調整することで、枝管１２ｃに対して１つのスプレーノズル１２ｄを設置する場合と比較して、より広範囲に液滴を噴霧することが可能となる。
複数のスプレーノズル１２ｄの取付角度θについては、適宜調整することができる。たとえば、複数のスプレーノズル１２ｄのうち、少なくとも１つのスプレーノズル１２ｄの取付角度θが鋭角であれば、残りのスプレーノズル１２ｄの取付角度θは９０度以上であってもよい。しかし、複数のスプレーノズル１２ｄの取付角度θについては、次の態様を取ることが好ましい。
すなわち、２つのスプレーノズル１２ｄ１，１２ｄ２の取付角度θ（θ１，θ２）が、図４Ｂに示すように、枝管１２ｃの長手方向に対してスプレーノズル１２ｄ１の噴射領域の中心線の延長線とのなす角度θ１と、枝管１２ｃの長手方向に対してスプレーノズル１２ｄ１の噴射領域の中心線の延長線とのなす角度θ２とが、ともに鋭角であり、かつ、θ１＜θ２となるように調整することが好ましい。このように調整することで、１本の枝管１２ｃに対して複数のスプレーノズル１２ｄ（１２ｄ１，１２ｄ２）を設置した場合においても、それぞれのスプレーノズル１２ｄ１，１２ｄ２から噴霧する吸収液が水導管１２ｂにかからないように配慮しながら、吸収液を広範囲に噴霧することができる。
このように、１本の枝管１２ｃに対して、複数のスプレーノズル１２ｄを設置する構成とすることで、吸収塔本体１１の内部空間に対する噴射領域を広くとることができる。そのため、排ガスと吸収液との接触性（主に接触面積と接触時間）をより一層高めることができ、有害物質の除去率が向上する。
スプレーノズル１２ｄは、一般的な配管材としてのエルボ、ストリートエルボなどの継手を用いて、枝管１２ｃに接続することができる。たとえば、枝管１２ｃとして長ニップルを用い、両端にエルボをねじ込むとともに、このエルボにストリートエルボをねじ込み、このストリートエルボにストレート形状のスプレーノズル１２ｄを設置する。また、スプレーノズル１２ｄが９０度の曲がり部を有する場合には、ストリートエルボを介さずエルボに直接スプレーノズル１２ｄを接続することもできる。
スプレーノズル１２ｄとしては、たとえば、扇形、充円錐、空円錐などの種々の噴霧パターンのいずれか１つを有するストレート形状のスプレーノズルを適用することができる。このようなスプレーノズル１２ｄとすることで、水平面内における設置角度だけでなく、水平面に対する仰俯角を調整することも可能となる。スプレーノズル１２ｄの仰俯角を調整することにより、噴霧される液滴を水平面に対して上向きまたは下向きにすることができる。これにより、噴霧される液滴の飛距離が伸びて、有害物質の除去率が向上する。なお、この場合の飛距離とは、スプレーノズル１２ｄの噴口から噴射された液滴が、吸収塔本体１１の周壁部１１ａに達するまでの距離を指す。
ガス吸収塔１０を船舶における排ガス処理装置として適用する場合、吸収塔本体１１を小型化し、その設置スペースを小さくすることが要求される。吸収塔本体１１を小型化するためには、有害物質の除去率を向上することが必要となる。
また、ガス吸収塔１０において、エンジン２０やボイラなどの排ガス発生源の負荷の減少に応じて、スプレー装置１２のスプレーノズル１２ｄから噴射する吸収液の量を減少させることにより、海水ポンプユニット３０の所要動力を低減することが可能となる。しかしながら、スプレーノズル１２ｄから噴射する吸収液の量を減少すると、スプレーノズル１２ｄから噴射される液滴の性状が悪化するおそれがある。たとえば、スプレーノズル１２ｄとして扇形ノズルを用いた場合には、吸収液流量の減少に伴い吐出圧が下降して、吸収液が噴口で液膜となり、液滴とならないおそれがある。
そこで、スプレーノズル１２ｄとしては、図５に示すような空円錐ノズル１２０を用いることが好ましい。図５は、空円錐ノズル１２０の一例を示す断面模式図である。図５に示すように、空円錐ノズル１２０は、ノズル本体１２１とキャップ１２２と、を備えて構成される。ノズル本体１２１は、吸収液が流入する流入孔１２１ａと、この流入孔１２１ａに対して略直交して連通する旋流室１２１ｂと、を含んで構成される。キャップ１２２には、噴口１２２ａが設けられている。ノズル本体１２１にキャップ１２２を取り付けることにより、旋流室１２１ｂと噴口１２２ａとは垂直方向に連続して設けられる。
旋流室１２１ｂにおいて、流入孔１２１ａから旋流室１２１ｂに供給された吸収液は、旋流室１２１ｂの軸線まわりに旋回する旋回流となる。これにより、旋流室１２１ｂの軸線まわりは、空気芯１２３が生じるとともに、噴口１２２ａから噴射される吸収液は空円錐状となる。
スプレーノズル１２ｄとして、空円錐ノズル１２０を用いた場合には、スプレーノズル１２ｄに供給される吸収液流量が減少したとしても、吸収液を旋流室１２１ｂで旋回させて噴射するため、噴口１２２ａにおいて液膜を形成することなく、適切な液滴性状を保つことが可能となる。
また、空円錐ノズル１２０には、空気芯１２３が存在するため、他の扇形ノズルや充円錐ノズルと比較して、構造上異物通過径が大きい。そのため、スプレーノズル１２ｄとして、空円錐ノズル１２０を用いることにより、吸収液として利用する海水またはアルカリ液中の異物に起因するスプレーノズル１２ｄのつまりを防止することが可能となる。したがって、スプレーノズル１２ｄへの異物つまりを防止するために吸収液をストレーナーでろ過する構成を採る場合には、ストレーナーのメッシュを粗くすることができ、圧力損失の低減とメンテナンス頻度の低減が可能となる。
ガス吸収塔１０において、有害物質の除去率を向上するためには、排ガスと吸収液との接触性（接触面積と接触時間）を高める必要がある。ここで、排ガスと吸収液との接触面積を増大するためには、液滴の表面積を増大する必要がある。液滴の表面積を増大する方法として、（１）スプレーノズル１２ｄに供給する吸収液流量を増大する方法、（２）スプレーノズル１２ｄから噴射される液滴の液滴径を小さくする方法、あるいは、（３）スプレーノズル１２ｄの噴口から噴射された液滴の周壁部１１ａまでの飛行時間を長くする方法、などが挙げられる。
（１）スプレーノズル１２ｄに供給する吸収液流量を増大する方法において、吸収液流量は、吸収塔本体１１内に供給される有害物質（ＳＯＸ）の流量によって決定される。すなわち、吸収液流量は、ＳＯＸの吸収に必要な化学当量に一定の安全率をかけることにより決定される。なお、安全率は、１．０１以上１．５以下であり、好ましくは１．２である。
（２）スプレーノズル１２ｄから噴射される液滴の液滴径を小さくする方法において、一般に、液滴を微細化するためには、スプレーノズル１２ｄに供給する吸収液流量を減少させるとともに、吐出圧を上昇する必要がある。１つのスプレーノズル１２ｄに供給する吸収液流量を減少させると、ガス吸収塔１０全体におけるスプレーノズル１２ｄの設置個数を増大させる必要があるため、ガス吸収塔１０の大型化およびコスト増大につながる。また、吐出圧を上昇させると、吸収液を吐出するためのポンプの動力が上昇し、ポンプ容量の増大と消費電力の増大につながる。
そこで、スプレーノズル１２ｄに供給する吸収液流量および吐出圧を同一条件とした場合に、最も液滴径が小さくなるノズルを選定することが必要となる。ここで、スプレーノズル１２ｄに供給する吸収液流量および吐出圧を同一条件とした場合に、空円錐ノズルは、他の扇形ノズルや充円錐ノズルと比較して、噴射される液滴径が最も小さくなる。そのため、スプレーノズル１２ｄとして、空円錐ノズルを用いることにより、スプレーノズル１２ｄから噴射される液滴の液滴径を小さく、すなわち、液滴の表面積を増大して有害物質の除去率を高めることが可能となる。
（３）スプレーノズル１２ｄの噴口から噴射された液滴の周壁部１１ａまでの飛行時間を長くする方法については、スプレーノズル１２ｄの仰俯角を調整して、噴射される液滴を水平面に対して上向きまたは下向きとすることにより、液滴の飛距離を伸ばすことができる。これにより、スプレーノズル１２ｄの噴口から噴射される液滴が周壁部１１ａまで達する飛行時間を長くすることができる。
以上説明したように、本実施の形態に係るガス吸収塔１０によれば、スプレーノズル１２ｄは、枝管１２ｃの長手方向に対してスプレーノズル１２ｄの噴射領域の中心線と枝管１２ｃとのなす角度θが鋭角となるように取り付けられていることから、吸収塔本体１１の周壁部１１ａとスプレーノズル１２ｄの噴口との間の距離を長くとることができる。これにより、吸収塔本体１１の水平断面上において、中心部分も含めた広範囲に液滴が噴霧されるため、排ガスと吸収液との接触面積を増大することができる。また、吸収塔本体１１の周壁部１１ａとスプレーノズル１２ｄの噴口との間の距離を長くとることにより、液滴の飛距離が伸びるため、排ガスと吸収液との接触時間を増大することができる。
このように、排ガスと吸収液との接触性（主に接触面積と接触時間）を高めることができるため、１つのスプレーノズル１２ｄによる有害物質除去の効率が高まり、ガス吸収塔１０において所望の除去率を得るためのスプレーノズル１２ｄの必要設置数が低減する。スプレーノズル１２ｄの設置数低減に伴って、水導管１２ｂ（幹管）に対する枝管１２ｃの必要設置数も低減するため、水導管１２ｂの長さを短くすることができる。これにより、水導管１２ｂを収容するための吸収塔本体１１の高さを抑制することができるため、吸収塔本体１１を小型化することが可能となる。
本実施の形態に係るガス吸収塔１０によれば、吸収塔本体１１の高さを抑制して船舶の機関室やデッキ内にガス吸収塔１０を設置することができるため、排ガス処理装置としてのガス吸収塔１０の設置性が向上する。
また、ガス吸収塔１０の小型化に伴って、使用する部材数を低減することができるため、ガス吸収塔１０の低価格化を達成することが可能となる。さらに、スプレーノズル１２ｄとして空円錐ノズルを用いることにより、ポンプ動力やメンテナンス費を低減することができるため、さらなる低価格化を達成することが可能となる。
図６は、ガス吸収塔においてスプレーノズルを、（Ａ）枝管に対して角度θ＝９０度で設置した場合と、（Ｂ）枝管に対して角度θ＝４５度で設置した場合における、ＳＯ２除去率を示すグラフである。図６において、縦軸はＳＯ２除去率（％）であり、横軸はガス流速（ｍ／ｓ）である。また、グラフ（Ｘ）は、ＳＯ２除去率の目標ラインを示す。
図６においては、水導管に対してピッチ９０ｍｍで枝管を設け、スプレーノズルを６４個設置した場合のグラフを示している。また、グラフ（Ａ）におけるスプレーノズルには、吸収液としての海水を毎分１９０リットル供給しており、グラフ（Ｂ）におけるスプレーノズルには、海水を毎分１８０リットル供給している。
スプレーノズルを枝管に対して角度θ＝９０度で設置した場合には、いずれのガス流量においても目標ライン（Ｘ）を超えることができていない（グラフ（Ａ）参照）。一方、スプレーノズルを枝管に対して角度θ＝４５度で設置した場合には、すべてのガス流量に対して目標ライン（Ｘ）を超えている（グラフ（Ｂ）参照）。
この結果より、スプレーノズルを枝管に対して鋭角に設置することにより、スプレーノズルを枝管に垂直に設置する場合と比較して、有害物質の除去率が向上し、目標性能を得られることがわかる。
図７Ａは、スプレーノズルの異物通過径と液滴の平均粒子径との関係を示すグラフであり、図７Ｂは、スプレーノズルの異物通過径と噴霧圧力０．３ＭＰａ時のスプレーノズル１個あたりの流量との関係を示すグラフである。図７Ａにおいて、縦軸は平均粒子径（μｍ）であり、横軸は異物通過径（ｍｍ）である。図７Ｂにおいて、縦軸は流量（Ｌ／ｍｉｎ）であり、横軸は異物通過径（ｍｍ）である。
図７Ａにおいて、グラフ（Ｄ１）はスプレーノズルとして扇形ノズルを用いた場合を示し、グラフ（Ｅ１）はスプレーノズルとして充円錐ノズルを用いた場合を示し、グラフ（Ｆ１）はスプレーノズルとして空円錐ノズルを用いた場合を示している。図７Ｂにおいて、グラフ（Ｄ２）はスプレーノズルとして扇形ノズルを用いた場合を示し、グラフ（Ｅ２）はスプレーノズルとして充円錐ノズルを用いた場合を示し、グラフ（Ｆ２）はスプレーノズルとして空円錐ノズルを用いた場合を示している。
図７Ａに示すように、同一の平均粒子径であれば、空円錐ノズルの異物通過径が最も大きく、ノズルがつまるリスクが低いことがわかる。また、図７Ｂに示すように、同一の流量条件であれば、空円錐ノズルの異物通過径が最も大きく、ノズルがつまるリスクが低いことがわかる。
この結果より、スプレーノズルとして空円錐ノズルを用いると、異物通過径を大きくすることができるため、異物によるノズルの閉塞リスクを低減することが可能となることがわかる。
図８は、スプレーノズルの噴霧圧力と液滴の平均粒子径との関係を示すグラフである。図８において、縦軸はザウター平均粒子径ｄ３２（μｍ）であり、横軸は噴霧圧力Ｐ（ＭＰａ）である。また、図８において、グラフ（Ｇ）はスプレーノズルとして扇形ノズルを用いた場合を示し、グラフ（Ｈ）はスプレーノズルとして充円錐ノズルを用いた場合を示し、グラフ（Ｉ）はスプレーノズルとして空円錐ノズルを用いた場合を示している。
図８に示すように、同一の噴霧圧力および噴霧流量であれば、空円錐ノズルの平均粒子径が最も小さいことがわかる。
この結果より、スプレーノズルとして空円錐ノズルを用いると、スプレーノズルから噴射される液滴の液滴径を小さくすることができるため、排ガスと吸収液とが接触する表面積が大きくなることにより、有害物質の除去率を高めることが可能となることがわかる。
図９は、スプレーノズルの種類とＳＯＸ除去率との関係を示すグラフである。図９において、縦軸はＳＯＸ除去率（％）であり、横軸はガス流速（ｍ／ｓ）である。また、図９において、グラフ（Ｊ）はスプレーノズルとして扇形ノズルを用いた場合を示し、グラフ（Ｋ）はスプレーノズルとして充円錐ノズルを用いた場合を示し、グラフ（Ｌ）はスプレーノズルとして空円錐ノズルを用いた場合を示している。
図９に示すように、実験条件を各ノズルで同等とした場合、空円錐ノズルのＳＯＸ除去率が最も高いことがわかる。
この結果より、スプレーノズルとして空円錐ノズルを用いると、ガス吸収塔のＳＯＸ除去率を向上することができることがわかる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。
１０ ガス吸収塔
２０ エンジン
３０ 海水ポンプユニット
４０ 排水タンク
５０ ろ過器ユニット
１１ 吸収塔本体
１１ａ 周壁部
１１ｂ 底壁部
１１ｃ 開口部
１２ スプレー装置
１２ａ 給水管
１２ｂ 水導管（幹管）
１２ｃ 枝管
１２ｄ スプレーノズル
１３ ガス供給装置
１４ 液返し部材
１４ａ 折り返し面部
１４ｂ 折り曲げ片
１４ｃ 液溜まり部
１４ｄ 液溜まり壁
１４ｅ 貫通孔
１４ｇ 開口部
１５ バッフル
１５ａ 円盤部
１５ｂ 脚部
１６ 排水管
１２０ 空円錐ノズル
１２１ ノズル本体
１２１ａ 流入孔
１２１ｂ 旋流室
１２２ キャップ
１２２ａ 噴口
１２３ 空気芯

Claims (11)

  1. 気体と液体とを接触させてガス吸収を行う排ガス処理装置において、
    内部空間が形成された吸収塔本体と、前記内部空間の上下方向の所定領域において液体を噴霧するスプレー装置と、前記吸収塔本体の内部空間で旋回するように気体を導入するガス供給装置と、を備え、
    前記スプレー装置は、前記内部空間の中心軸上の所定領域にかけて延在する幹管と、前記幹管に連結され前記吸収塔本体の内壁に向けて伸びる枝管と、前記枝管から供給される液体を噴霧するスプレーノズルと、を含んで構成され、
    １本の前記枝管に、複数の前記スプレーノズルが設けられており、少なくとも１つの前記スプレーノズルの噴射領域の中心線と前記枝管の長手方向とでなす取付角度が水平断面において鋭角であり、
    複数の前記スプレーノズルは、それぞれの前記取付角度が互いに異なっていることを特徴とする排ガス処理装置。
  2. 気体と液体とを接触させてガス吸収を行う排ガス処理装置において、
    内部空間が形成された吸収塔本体と、前記内部空間の上下方向の所定領域において液体を噴霧するスプレー装置と、前記吸収塔本体の内部空間で旋回するように気体を導入するガス供給装置と、を備え、
    前記スプレー装置は、前記内部空間の中心軸上の所定領域にかけて延在する幹管と、前記幹管に連結され前記吸収塔本体の内壁に向けて伸びる枝管と、前記枝管から供給される液体を噴霧するスプレーノズルと、を含んで構成され、
    １本の前記枝管に、複数の前記スプレーノズルが設けられており、少なくとも１つの前記スプレーノズルの噴射領域の中心線と前記枝管の長手方向とでなす取付角度が水平断面において鋭角であり、
    前記複数のスプレーノズルのうち、前記枝管に対して、径方向外側に設けられた前記スプレーノズルの前記取付角度は、径方向内側に設けられた前記スプレーノズルの前記取付角度以下であることを特徴とする排ガス処理装置。
  3. 前記径方向外側に設けられた前記スプレーノズルは、噴射領域に前記幹管が含まれないような前記取付角度を有することを特徴とする請求項２に記載の排ガス処理装置。
  4. 前記スプレーノズルは、噴射領域の中心線が水平方向となるように前記枝管に取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
  5. 前記スプレーノズルは、噴射領域の中心線が水平面に対して上向きまたは下向きとなるように前記枝管に取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
  6. 前記スプレーノズルは、空円錐ノズルであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
  7. 前記スプレーノズルは、前記液体が流入する流入孔と、該流入孔に対して連通する旋流室とを有し、前記流入孔から前記旋流室に供給された前記液体を、前記旋流室で旋回させて噴射することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
  8. 前記ガス供給装置は、前記スプレー装置が前記液体を噴霧する領域よりも下方位置から前記吸収塔本体に前記気体を導入するように配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
  9. 前記スプレーノズルの噴射方向が、前記気体の周回方向の中心側に傾いていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
  10. 前記吸収塔本体は、前記液体を噴霧する領域よりも上方位置に設けられ、前記吸収塔本体の前記内壁面から中心軸へ向けて環状に突出するとともに、前記中心軸側の先端が少なくとも下方に折り返された液返し部材をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。
  11. 前記液返し部材は、液溜まり部を形成するように上側に突出された液溜まり壁と、前記液溜まり部に溜まった液体を落下させる貫通孔と、を有することを特徴とする請求項１０に記載の排ガス処理装置。
JP2012276654A 2012-12-19 2012-12-19 排ガス処理装置 Active JP5998915B2 (ja)

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