Nozzle and filter-type dust collector

本発明は、流体を噴出するためのノズルとそのノズルを用いるろ過式集塵装置に関するものである。

従来、廃棄物焼却設備においては、焼却炉にて廃棄物を焼却する際に生じる排ガス中のダストが、設備内のいたる所に付着するという問題点が生じていた。 そうしたダストを放置すると、例えばダクト等の閉塞等に繋がることから、設備内に配したノズルの先端から圧縮空気を噴出し、付着場所からダストを除去する等の対策が採られている。

また、廃棄物焼却設備等においては、通気性を有する布、ガラス繊維等からなるろ布をろ過部材とするバグフィルター装置や、高温域での排ガスの集塵処理が可能とされた多孔質のセラミックフィルターをろ過部材とするガスフィルター装置（例えば、特許文献１参照。）等のろ過式集塵装置を設置して、排ガスの集塵を行うのが一般的であるが、こうしたろ過式集塵装置においては、前記ろ過部材にダストが付着した場合、集塵効率の低下や、装置の内圧の上昇に伴う排ガスの逆流、装置自体の損傷等を引き起こす可能性が高いことから、前記ダストの除去については特に重要視されている。

前記ろ過式集塵装置において、ろ過部材に付着したダストを除去するための手段としては種々のものが挙げられるが、圧縮空気を噴出させる方法が最も一般的である。 以下、従来の圧縮空気を用いるダスト除去方法について説明する。

図５には、従来のダスト払い落とし装置を備えたガスフィルター装置の縦断面図が示されている。 このガスフィルター装置１００は、図示のように、隔壁１０１によって、その内部空間が、排ガスが導入されるガス導入室１０２と、集塵処理後の清浄ガスを排出するガス排出室１０３とに区画形成されるケーシング１０４を備えている。 前記ガス導入室１０２内には、筒状に形成された複数のセラミックフィルター１０５が、隔壁１０１と、この隔壁１０１に対向するガス導入室１０２の外壁１０２Ａとに横架するように配されている。 また、これらセラミックフィルター１０５は一端部が開口されて他端部が閉鎖されており、その開口された一端部は、前記隔壁１０１を貫通して支持され、他端部は前記外壁１０２Ａに支持されている。 また、前記セラミックフィルター１０５の内部空間と、ガス排出室１０３とはセラミックフィルター１０５の一端部開口を介して連通されている。 さらに、前記各セラミックフィルター１０５の開口部には、ベンチュリ管１０６が取り付けられている。 なお、図中、符号１０２'は、排ガスを導入するためのガス導入口であり、符号１０３'は、清浄ガスを排出するためのガス排出室である。 また、符号１０７は、ダストをガス導入室１０２から系外に排出するための排出口である。

前記ガスフィルター装置１００には、セラミックフィルター１０５の外表面に付着するダストを払い落とすための払い落とし装置１１０が設けられている。 この払い落とし装置１１０は、前記ガス排出室１０３内に、上下方向に向けて配されるパルスジェット空気（圧縮空気）供給用のヘッダ管１１１を備えている。 そして、このヘッダ管１１１には、前記ベンチュリ管１０６に対向する位置に、前記パルスジェット空気を噴出するための噴出口１１２が設けられている。

このように構成されるガスフィルター装置１００において、前記ガス導入口１０２'からガス導入室１０２に導入されたダストを含む排ガスは、セラミックフィルター１０５の内部空間に導入されることによって集塵されて清浄ガス化され、前記ベンチュリ１０６、ガス排出室１０３およびガス排出口１０３'を通って系外に排出される。 排ガスの集塵処理を所要時間継続して前記セラミックフィルターの外周面に付着したダストを払い落とす際には、前記噴出口１１２からベンチュリ管１０６を介してセラミックフィルター１０５の内部空間にパルスジェット空気が噴出される。

特開２０００−１５３１２０号公報

ところで、ろ布をろ過部材として用いるろ過式集塵装置においては、ろ布の清浄側に加圧空気を間欠的に送り込むこと（パルスジェット法）により、その加圧空気による逆洗とろ布の変形によるはたき効果によって、ろ布に付着したダストを払い落とすようにしている。

しかしながら、前述のセラミックフィルター１０５を使用するガスフィルター装置１００においては、３００〜８００℃の高温域の排ガスに適用されるため、ダストの付着性が高く、またセラミックフィルター１０５の剛性のために、はたき効果を期待することができない。

また、図５に示されるような、払い落とし装置１１０の構造では、噴出口１１２から噴出された空気がベンチュリ管１０６に達する前に発散してしまい、その噴出空気を効率良くセラミックフィルター１０５内に供給することが難しいという問題点がある。

このため、パルスジェット空気の空気圧を増加させたり、パルス間隔を短くして払い落とし頻度を上げるなどの方策が必要となって、装置構成の大型化を招くだけでなく、排ガス処理装置の内圧上昇の原因となってしまう。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、噴出流体の直進性を増加させてろ過部材の逆洗効果を増大させることのできるノズルを提供し、併せてそのノズルを用いてろ過部材のダスト除去を効果的に行うことのできるろ過式集塵装置を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、第１発明によるノズルは、
筒状の外側管の基端部側にラバルノズル部を有するとともに、前記外側管の先端部側に流体案内部を有してなり、前記ラバルノズル部の基端部側に加圧空気を供給するように構成されるノズルであって、
前記ラバルノズル部の先端部は、前記外側管の内径よりやや小径に形成され、
前記流体案内部には、 前記外側管の外部の空気をその外側管の内部に吸引する、当該ノズルの軸方向に細長状の吸引口が、前記外側管の周方向に複数個設けられていることを特徴とするものである。

次に、第２発明によるろ過式集塵装置は、
排ガスを集塵して清浄化するろ過部材と、このろ過部材の表面に付着した付着物を、ノズルから噴出される流体にて払い落とす払い落とし手段を備えるろ過式集塵装置において、
前記ノズルは、筒状の外側管の基端部側にラバルノズル部を有するとともに、前記外側管の先端部側に流体案内部を有してなり、前記ラバルノズル部の基端部側に加圧空気を供給するように構成され、
前記ラバルノズル部の先端部は、前記外側管の内径よりやや小径に形成され、
前記流体案内部には、 前記外側管の外部の空気をその外側管の内部に吸引する、当該ノズルの軸方向に細長状の吸引口が、前記外側管の周方向に複数個設けられていることを特徴とするものである。

前記第１発明によれば、ラバルノズル部を備えているため、基端部から供給された流体（空気等）を加速し、衝撃波を伴った超音速の流体として噴射させることができる。 さらに、ラバルノズル部の先端には、流体の流れ方向に向けた細長状の複数の吸引口を有する流体案内部が設けられているので、ノズル周辺の空気をノズル内部に吸引して噴射流体に直進性を持たせることができる。

前記第２発明によれば、第１発明に係るノズルが用いられるため、ろ過部材に対して直進性の高い衝撃波を伴った超音速の流体を噴射することができる。 また、衝撃波によりろ過部材に衝撃力が付与されるので、ろ過部材の表面に付着した付着性の高い付着物を確実に払い落とすことができる。 また、付着物の除去効率が高いことから、流体の供給量を減らすことができ、付着物除去にかかるランニングコストを抑えることができる。 さらに、従来のもののように流体圧を高める必要がない。 したがって、流体の噴射によってろ過式集塵装置の内圧が急激に上昇することがなく、それによる装置への悪影響を排除することができる。

次に、本発明によるノズルおよびろ過式集塵装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係るガスフィルター装置の概略縦断面図が、図２には図１のＰ部拡大断面図がそれぞれ示されている。 また、図３には、ノズルの断面図（ａ）および、（ａ）のＡ−Ａ視断面図（ｂ）が示されている。

本実施形態に係るガスフィルター装置１は、図１に示されるように、四角筒形状に形成されるケーシング２を備えており、このケーシング２の内部空間には、隔壁３が上下方向に向け、その内部空間を仕切るように配されている。 この隔壁３は、ケーシング２の互いに対向する外壁２Ａ、２Ｂと互いに平行に配されており、それによって、ケーシング２の内部空間が、排ガスが導入されるガス導入室４と、集塵後の排ガス（清浄ガス）を系外に排出するためのガス排出室５とに区画される。 また、前記ケーシング２の上端部に設けられる天板６には、前記ガス導入室４の上方位置に、ダストを含む排ガスをガス導入室４内に導入するためのガス導入口４'が設けられている。 また、前記ガス排出室５側の外壁２Ｂの下部には、ガス排出室５内の清浄ガスを系外に排出するためのガス排出口５'が設けられている。 なお、図２中符号７で表されている部分は、ダスト等を系外に排出するための排出口である。

前記ガス導入室４内には、このガス導入室４内に導入された高温の排ガスを集塵するための複数個のセラミックフィルター１０が、前記隔壁３とその隔壁３に対向するガス導入室４側の外壁２Ａとの間に横架するように配されている。 各セラミックフィルター１０は、耐熱性を有する多孔質のセラミックにより、一端部が開口され他端部が閉鎖された円筒状に形成されてなり、ガス導入室４内において、上下方向に多段に、水平方向（図１において、紙面に直交する方向）に並列に、かつ互いに平行に配されている。 また、各セラミックフィルター１０の一端部にはフランジ１２が取り付けられている。

前記セラミックフィルター１０は、前記隔壁３に穿設される開口１１よりガス排出室５側からガス導入室４側に挿入される。 また、前記フランジ１２は、前記開口１１を取り囲むようにしてセラミックフィルター１０に固定される。 こうして、セラミックフィルター１０の一端部が隔壁１３に支持される。 一方、セラミックフィルター１０の他端部は、前記外壁２Ａの内壁面に取り付けられる支持片２３上に支持される。

前記ガス排出室５には、排ガスの集塵に伴い前記セラミックフィルター１０の外表面に付着するダスト等を払い落とすための払い落とし装置（払い落とし手段）１５が付設されている。 この払い落とし装置１５は、前記ガス排出室５内に上下方向に向けて配される加圧空気（流体）供給用のパルスヘッダ管１６を備えている。 このパルスヘッダ管１６には、各セラミックフィルター１０の開口に対向する位置に、加圧流体噴射用のノズル２１が着脱自在に装着されている。 また、前記パルスヘッダ管１６の基端部側には電磁弁１７が介挿されており、この電磁弁１７を開閉操作することで前記各ノズル２１に対して加圧空気を間欠的に供給できるようにされている。

前記ノズル２１は、図３（ａ）に示されるように、円筒状の外側管２２を有するとともに、この外側管２２の内部の基端部側に、ラバルノズル部２３を有している。 このラバルノズル部２３は、先端部が外側管２２の内径よりやや小径に形成され、基端部が外側管２２の内径と略同径に形成されている。 ラバルノズル部２３は、外側管２２の基端部側から挿入されその基端部において外側管２２に溶着されることで、その外側管２２に支持される。

ここで、ラバルノズルとは、中間部が絞られてスロートＳとされた中細り形状のノズルをいう。 このようなラバルノズルによれば、基端部側の空気圧を先端部側の空気圧よりも高圧にし、かつスロートＳにおける流体速度が音速になったときに、先端部から超音速の衝撃波を伴った空気が噴出されることが知られている。

以上のことに鑑み、本実施形態においては、スロートＳにおける加圧空気の速度が音速となるように、すなわち、ラバルノズル部２３の先端部から超音速の加圧空気が噴射されるように、スロートＳの径、ラバルノズル部２３の基端部からスロートＳまでの距離、スロートＳからラバルノズル部２３の先端部までの距離、ラバルノズル部２３の基端部開口の径および先端部開口の径、ラバルノズル部２３の基端部に供給される加圧空気の空気圧、ガス排出室５の内圧等が適宜調整される。 なお、前記外側管２２の基端部外周面には、ノズル２１を前記パルスヘッダ管１６に着脱自在に装着するための雄ねじ部２４が設けられている。

前記外側管２２の先端部で、ラバルノズル部２３の前方位置には、流体案内部２６が設けられている。 この流体案内部２６には、ノズル２１の軸方向に向けて細長状の複数の吸引孔（開口）２５が外側管２２の周方向に等ピッチで穿設されている。 これら吸引孔２５は、ラバルノズル部２３から加圧空気が噴出されるときにノズル２１の側方の空気を吸引して、ノズル噴射空気（ラバルノズル部２３から噴出された後の加圧空気）に直進性を付与する役目を担う。

以上のように構成されるガスフィルター装置１において、ガス導入室４内に導入されるダストを含む排ガスは、ガス導入室４から各セラミックフィルター１０の内部空間に導入された際に集塵され清浄ガス化される。 こうして清浄ガス化された排ガスは、各セラミックフィルター１０の開口を通ってガス排出室５に導出された後、ガス排出室５'から系外に排出される。

このような排ガスの集塵処理を所定時間行うと、セラミックフィルター１０の外周面にダストが付着・堆積して集塵効率が低下するので、前記払い落とし装置１５によるダストの払い落とし作業が定期的に行われる。

ダストの払い落とし作業を行うには、電磁弁１７を開操作してパルスヘッダ管１６を介して前記各ノズル２１に加圧空気を供給する。 すると、加圧空気は、スロートＳを通過する際に音速にまで加速された後さらに加速され、ノズル２１の先端部から、衝撃波を伴った超音速のノズル噴射空気として噴射される（図３（ａ）中、矢印ａ参照。）。 このノズル噴射空気ａの噴射に伴いラバルノズル部２３の前方部が負圧になることによって、前記各ノズル２１の側方の空気が前記各吸引孔２５からノズル２１内に吸引される。 こうして吸引孔２５を通してノズル２１に吸引された空気は、ノズル噴射空気ａの流れを周囲から取り囲むようにしてその流れを案内し、ノズル２１の先端部から前方に噴出される（図１（ａ）中、矢印ｂ参照。）。 こうして、空気の流れｂによって、ノズル噴射空気ａが拡散するのを抑制することができ、そのノズル噴射空気ａに直進性を付与することができる。

この結果、ノズル２１から衝撃波を伴った直進性のあるノズル噴射空気ａが噴射され、セラミックフィルター１０の内部空間にその噴射空気ａが効率的に噴射される。 こうして、圧縮空気（ノズル噴射空気ａ）の塊をセラミックフィルター１０内に噴射することができ、従来のパルスジェット法では、逆洗できなかった付着性の高いダストを確実に払い落とすことが可能となる。 特に、４００〜８００℃で使用するセラミックフィルター１０に適用して好適な払い落とし装置を得ることができる。

本実施形態においては、従来と同様の空気圧でも高い逆洗効果が得られるので、逆洗空気圧の入口圧力を下げることができ、空気量の削減およびコンプレッサの動力削減を図ることが可能となり、ダスト除去にかかるランニングコストを抑えることができる。 また、従来のもののように空気圧を上昇させることによる装置の損傷等が生じることもない。

次に、本実施形態におけるノズル２１を用いた払い落とし装置１５の性能を確認するために、前記払い落とし装置１５と、後述する第１〜第３の比較装置から、セラミックフィルター１０の開口に向けて加圧空気を噴出し、加圧空気噴出時におけるセラミックフィルター１０の表面圧を検出する試験を行った。 なお、図４（ａ）には、第２の比較装置２の説明図が、図４（ｂ）には、第３の比較装置の説明図がそれぞれ示されている。

ここで、第１の比較装置として、従来の払い落とし装置１１０（図５参照。）を採用することとした。 また、第２の比較装置１５Ａとして、前記ラバルノズル部２３と、複数個の円形の吸引孔２５ａが穿設された外側管２２ａからなるノズル２１ａが装着される以外は、本実施形態の払い落とし装置１５と同構成の装置を採用した。 なお、前記ノズル２１との正確な比較のために、吸引孔２５ａの直径と、ノズル２１の吸引孔２５の幅とを略同一にすることにした。 さらに、第３の比較装置１５Ｂとして、前記ラバルノズル部２３と、吸引孔のない外側管２２ｂからなるノズル２１ｂが装着される以外は、本実施形態の払い落とし装置１５と同構成の装置を採用した。

検出試験で用いる各種条件（加圧空気の空気圧（ＭＰａ）、噴出時間（ｓ））および、検出結果を（セラミックフィルター１０の表面圧（ｍｍＨ２０））を表１に纏めた。

表１において、唯一ラバルノズルを持たない第１の比較装置に着目すると、他の装置に比べ、加圧空気の噴出時間（１（ｓ））が１０倍にされているにも係らず、セラミックフィルター１０の表面圧が他の装置に比べて著しく低くなっているのが分かる。 このことから、ラバルノズル部２３を採用して、衝撃波を伴う超音速の加圧空気を噴出することにより、セラミックフィルター１０の付着物を良好に払い落とせることが明らかとなった。

次に、本実施形態の払い落とし装置１５、第２の比較装置１５Ａおよび第３の比較装置１５Ｂに着目すると、第３の比較装置１５Ｂにおけるセラミックフィルター１０の表面圧が、他の２装置１５，１５Ａにおける表面圧に比べ、低くなっていることが分かる。 これは、本実施形態の払い落とし装置１５および、第２の比較装置１５Ａにおいては、吸引孔２５（２５ａ）を通してノズル２１（２１ａ）内に吸引される空気の流れが、ノズル噴射空気の発散を抑制し、そのノズル噴射空気の直進性を高めているのに対して、第３の比較装置１５Ｂにおいては、ノズル噴射空気の発散が抑制できず、セラミックフィルター１０内に吹き込まれる空気量が少なくなったためであると考えられる。 このことから、外側管２２に吸引孔２５を設けることにより、発散が抑えられた直進性の高いノズル噴射空気をノズル２１先端から噴射できることが明らかとなった。

さらに、本実施形態の払い落とし装置１５と、第２の比較装置１５Ａとの比較から明らかなように、吸引孔２５の形状を細長状にすることで、セラミックフィルター１０の表面圧が大きくなっていることが分かる。 これは、細長形状の吸引孔２５の場合、吸引孔２５の側方から後方に至る比較的広範囲の空気を効率良くノズル２１内部に吸引して、ノズル噴射空気ａの流れに沿った空気の流れ（図３（ａ）の矢印ｂ参照。）を容易に形成できるのに対して、円形の吸引孔２５ａの場合においては、吸引可能な領域が吸引孔２５ａの側方の領域に限られるため、ノズル２１内部に吸引される空気の絶対量が不足し、ノズル噴射空気ａの流れに沿うような空気の流れを良好に形成できず、ノズル噴射空気ａの発散を十分に抑制できなかったのが原因であると考えられる。 以上のことから、ノズル２１から直進性のあるノズル噴射空気を噴射するには、単に吸引孔を設けるだけでは足らず、本実施形態のように、その吸引孔２５の形状を、加圧空気の直進方向、すなわちノズル２１の軸方向に向けて細長にするのが重要であると考えられる。

本実施形態においては、外側管２２と、ラバルノズル部２３とからなる二重管構造を有するノズル２１について説明したが、基端部側にラバルノズルの形状を有し、先端部側に細長の吸引孔を有するのであれば二重管構造を有するものに限定されることはなく、例えば、一体成形されたノズルを用いるようにしても良い。

また、本実施形態においては、パルスヘッダ管１６を介してノズル２１に加圧空気を供給するようにしたが、加圧された窒素ガス等、他の加圧ガス流体を供給しても良い。 こうした場合でも、前記各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、本実施形態においては、ノズル２１をガスフィルター装置１における払落し装置２５に装着した例について説明したが、直進性に優れる加圧空気を噴出できるという特有の性質を備える前記ノズル２１は、他形式のろ過式集塵装置（例えば、バグフィルタ装置）や、燃焼設備における付着物除去等、その他の用途に広く用いることが可能である。

本実施形態の一実施形態に係るガスフィルター装置の概略縦断面図

図１のＰ部拡大断面図

ノズルの断面図を模式的に表した図（ａ）および、図３（ａ）のＡ−Ａ視断面図

第２の比較装置（ａ）および第３の比較装置（ｂ）を説明するための図

従来のガスフィルター装置の縦断面図

符号の説明

１ ガスフィルター装置 １０ セラミックフィルター １５ 払い落とし装置 ２１ ノズル ２２ 外側管 ２３ ラバルノズル部 ２５ 吸引孔 ２６ 案内部