JPS6157065B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガス中に浮遊する塵埃の除去、ある
いは化学工程におけるガス中の粉粒体の分離など
に用いられるサイクロンに関する。

第１図および第２図を参照して、従来からのサ
イクロンは、下部に逆円錐部１ａを備え鉛直軸線
を有する円筒部１と、円筒部１内に同心に設けら
れる排気筒４とを含み、円筒部１の上部に接線方
向で連結された導入ダクト３から捕集すべき粉体
を含むガスが流入される。円筒部１内に流入され
たガスは第１図の破線で示すように円筒部１の内
壁に沿つて旋回しながら降下し、その途中から排
気筒４内に吸込まれて上昇して排出される。この
間に、ガス中に含まれる粉体は第１図の実線で示
すように遠心力によつて円筒部１の内壁に寄せら
れ、その内壁に沿つて螺旋状に降下して、逆円錐
部１ａからシユートを介してダストボツクスに捕
集される。

このサイクロン内のガスの運動を検討すると、
ガスの流れは円筒部１の半径方向、軸方向および
円周方向に分速度を有する３次元の螺旋流れであ
る。このうち、円周方向の分速度は、第２図に示
すように回転運動量一定の自由渦６（実際には壁
との摩擦などによつて純粋な自由渦ではなく準自
由渦とでもいうべきもの）と、その自由渦６の内
部に形成された回転速度が半径に比例した強制渦
７とが組合わされたいわゆるランキン渦となる。
サイクロンの圧力損失を考える場合、排気筒４の
入口４ａから出口までの軸方向の圧力損失は、軸
方向の分速度が小さいため無視して差支えない。
しかもサイクロンの出口圧力は、上記自由渦６と
強制渦７との境界８付近の圧力に等しく、またサ
イクロンの入口圧力は円筒部１の内壁面に近接し
た位置の圧力に等しいことが従来から知られてい
る。したがつてサイクロンの圧力損失は近似的に
上記境界８から円筒部１の内壁面までの圧力差に
等しいと見ることができる。このとき、第１図お
よび第２図に示すように排気筒４が円筒部１と同
心であるので、ガスは円筒部１と排気筒４の円筒
部１への突入部４ｂ（以下内筒という）との間を
抵抗なく流れるため、その最大速度u₀は極めて大
きくなる。そのため強力な強制渦が自由渦の内部
に形成され、大きな圧力損失が生ずる欠点があ
る。またガスの流入口５付近で、円筒部１内で旋
回しているガスと、導入ダクト３から流入される
ガスとが衝突することによる圧力損失も大きい。
さらにこの衝突によつて導入ダクト３からの流入
ガスの速度が局部的に増大し、応じて圧力損失が
増大する。

このサイクロンの捕集効率（捕集粉体の流入粉
体に対する重量比）はサイクロンの寸法、流入・
排出ガス速度、ガスおよび粉体の性状により異な
るが、一般に90〜100％に達するものである。そ
のためサイクロンは圧力損失が比較的大きいにも
拘らず、構造の単純さと相俟つて広く利用されて
いる。たとえばセメント原料粉を焼成するに先立
つて、セメント原料粉を熱ガス中に投入して浮遊
させ熱ガスと熱交換するサスペンシヨンプレヒー
タにおいては、高温粉粒体を捕集する複数のサイ
クロンが組合わされて用いられている。このサス
ペンシヨンプレヒータでは、熱交換性を向上させ
るためにサイクロンが上下多段に構成されている
が、送風機の動力を低減して省エネルギ化を図る
ために、各サイクロンの圧力損失を減少させるこ
とが要求されている。ただし各サイクロンでの捕
集効率は、サスペンシヨンプレヒータの熱交換性
に重大な影響を与える因子であつて、各サイクロ
ンでの高い捕集効率の維持は不可欠である。さら
に、最近は生産性を向上させるために焼成装置１
基当りの能力が3000〜10000トン／日という大形
化が進んでいて、350℃のサスペンシヨンプレヒ
ータからの排ガス量は6000〜20000m³／分という
大量のため、サイクロンの直径が５〜10ｍにも及
ぶものも出現しており、サスペンシヨンプレヒー
タ全体の寸法増大による設備費の増加を抑制する
ためサイクロンの小形化が強く要望されている。

したがつて、本発明は捕集効率を低下させるこ
となく圧力損失を大幅に低減することができ、し
かも小形化されたサイクロンを提供することを目
的とする。

以下、図面によつて本発明の実施例を説明す
る。第３図は本発明の一実施例の水平断面図であ
る。このサイクロン１０は、従来のサイクロンと
同様に下部に逆円錐部（図示せず）を備え上下に
延びる円筒部１１内に、上下に延びる内筒４ｂが
配置されて成るが、注目すべき円筒部１１の中心
１３と内筒４ｂの中心１４とがずれていることで
ある。円筒部１１の上部には流入口１５が形成さ
れ、この流入口１５に導入ダクト１６が円筒部１
１の接線方向に連結される。比較のために在来の
サイクロンの円筒部１を仮想線で示す。

内筒４ｂは、その中心１４が導入ダクト１６の
接線導入方向２３に平行で円筒部１１の中心１３
を通る仮想直径線２４と直径線２６上で流入口１
５とは反対側に偏位して設けられる。また円筒部
１１の内面が、流入口１５側で在来のサイクロン
の仮想線で示す円筒部１に内接し、かつ中心１３
に関して流入口１５と反対側で円筒部１の内面と
内筒４ｂの外面との間の直径線２６上の中央位置
を通るように、円筒部１１の中心１３の位置およ
び内周半径r3が選ばれる。そのため、円筒部１１
の内面および内筒４ｂの外面の間の水平環状の間
隙１７は、流入口１５からガスの旋回方向１８に
沿つて次第に狭小化されて最狭小位置１９に至
り、その最狭小位置１９から次第に拡大されて流
入口１５に至るように形成される。したがつて流
入口１５から流入したガスは間隙１７に沿つて旋
回すると共に円筒部１１の軸方向へ流下しようと
するので、内筒４ｂ近傍のガスは内筒４ｂ内へ順
次流入し旋回ガスの量は順次減少する。よつてガ
スの旋回により生ずる自由渦は大きくならずu₀が
抑制される。そのため強力な強制渦の発生が防止
され、したがつて先行技術に関連して前述した理
由によつて、圧力損失が低減される。また間隙１
７は最狭小位置１９から旋回方向１８に沿つて流
入口１５に向つて拡大されているので、最狭小位
置１９を過ぎたガスの旋回エネルギが減少され、
それに応じて流入口１５付近における流入ガスと
旋回ガスとの衝突や衝突された流入ガスの局部的
な速度増大に起因した圧力損失も低減される。

再び第２図を参照して、内筒４ｂと円筒部１と
が同心に設けられている在来のサイクロンの場合
を想定する。この場合のサイクロン内におけるガ
スと粉体の流れを詳細に観察すると、ガス中の粉
体は点描して示すように円筒部１の内面に沿つて
旋回しながら、流れの半径方向幅が細くなり、流
入口５から１周未満でほぼ全量の粉体が円筒部１
の内面に到達し、点描しない他の領域２１は粉体
の分離に寄与しない領域で徐々にその幅が大きく
なつていくことが本件発明者の実験によつてわか
つた。そのため第３図のように間隙１７を粉体の
旋回方向１８に沿つて次第に狭小化しても粉体の
捕集効率が低下しないことが判る。

最も捕集され難い粉体は、第２図において点描
した領域２２の最内方位置２２ａにある粉体であ
る。この粉体に着目して、間隙１７の最狭小位置
１９において、最内方の位置２２ａの粉体が内筒
４ｂの外面よりも外方にあるように円筒部１１と
内筒４ｂとを偏心して配置すれば、捕集効率は従
来のサイクロンと同等になる。そこで、最内方の
粉体が内筒４ｂの外面よりも外方にあるように、
円筒部１１の中心１３の位置および円筒部１１の
内周半径r3を選ぶことによつて、捕集効率の低下
を防ぐことができる。本件サイクロン１０のよう
に、最狭小位置１９において、円筒部１１の内面
が、内筒４ｂの外面と在来のサイクロンの第３図
の仮想線で示す円筒部１の内面との間の中央位置
を通るようにしても、後述の第５図および第６図
の実験結果から判るように捕集効率は低下しない
のである。

上述のように構成することによつて、本件サイ
クロンが在来のサイクロンに比べて小形化される
ことを次に説明する。内筒４ｂと円筒部１とを同
心に配置した在来のサイクロンでは、円筒部１の
内周半径r1と内筒４ｂの外周半径r2の比r1／r2
は、一般的に２前後に選ばれている。それは、(1)
r1／r2があまり小さいと流入口幅が小さくなつて
流入口断面積を大きくすることができず、ガスの
流入速度が増大して圧力損失が増加すること、ま
た(2)流入口断面積を大きくしてガスの流入速度の
増大を抑えるために流入口断面を縦長にすると円
筒部１の上下長さが大きくなつてサイクロン容積
の増大を招くことに基ずいている。そこでr1／r2
＝２である在来のサイクロンと、前述の構成を有
する本件サイクロン１０とを比較する。本件サイ
クロン１０の最狭小位置１９における間隙１７の
幅ｄは、 ｄ＝ｒ１−ｒ２／２＝（r1−ｒ１／２）／２＝１／４
r1…(1) となる。また円筒部１１の中心１３と内筒４ｂの
中心１４との間の偏位量δは、 δ＝１／２×１／４r1＝１／８r1 …(2) となる。したがつて円筒部１１の内周半径ｒ３
は、 r3＝r1−１／４r1＋１／８r1＝７／８r1 …(3) となり、円筒部１１を在来のサイクロンの円筒部
１よりも小径とすることができ、それぞれに応じ
て本件サイクロン１０を在来のサイクロンよりも
小形化し得ることが理解される。

なお、本件発明者の実験によれば、第３図のよ
うに内筒４ｂの軸線１４が仮想直径線２４に直角
な円筒部１１の直径線２６上で流入口１５と反対
側に偏位されている場合においては、最狭小位置
１９における間隙１７の幅ｄが円筒部１１の内周
半径r3と内筒４ｂの外周半径r2との差の約１／３すな わち１／３（r3−r2）以上であれば、捕集効率の低下 は見られなかつた。

本発明は、第３図の実施例のように内筒４ｂの
中心１４が仮想直径線２４に直角な円筒部１１の
直径線２６上にある場合だけでなく、第４図に示
すように、内筒４ｂの中心１４が(a)仮想直径線２
４の導入ダクト１６と反対側の半径線２７、(b)円
筒部１１の中心１３および導入ダクト１６の内側
端を結ぶ直線２８、ならびに(c)円筒部１１の内壁
で包囲されるハツチング部分２５内に位置される
場合もほぼ同様の効果を有することが確認され
た。

また本発明は、第３図および第４図の実施例に
関連して述べたように、円筒部１１内に内筒４ｂ
を突入させたサイクロンのみならず、円筒部１１
内に排気筒４を突入されていない場合にも実施さ
れ得ることを付言しておく。

次に、第３図の実施例のサイクロン１０を用い
て行なつた実験結果を第５図、第６図および第７
図に示す。各図において実線は本件サイクロンを
示し、破線は在来のサイクロンを示す。この実験
においては、粉体として平均粒径30ミクロンのセ
メント原料粉を用い、ガスの流入速度は15ｍ／秒
であつた。〇印は本件、△印は在来の結果であ
る。

一般的にサイクロンの圧力損失ΔＰは次式で表
わされる。

ΔＰ＝ζ・γ・ｖ^２／２ｇ …(4) ここでζは圧力損失係数、γは気体の比重量、
ｖは気体の流入速度、ｇは重力加速度である。第
(4)式から、気体の比重量γおよび気体の流入速度
ｖが等しい条件下においては、圧力損失係数ζが
大きくなるほど、圧力損失ΔＰが大きくなる。第
５図から本件サイクロンの圧力損失係数ζは在来
のサイクロンに比べて著しく低い値を示すことが
わかる。また第６図に示すように内筒４ｂの偏位
量δが、内筒４ｂの外周半径r2の約1/10よりも大
きくなると圧力損失係数ζの低下は著しくなるこ
とがわかる。なお円筒部の半径は内筒４ｂの半径
r2に依存するので、半径r2についてのみ表示して
いる。このことから本件サイクロンの圧力損失Δ
Ｐは、在来のサイクロンに比べて小さいことを確
めることができた。また第７図から、本件サイク
ロンは在来のサイクロンと同等の捕集効率を示す
ことがわかる。

上述のように本発明によれば、排気筒の中心
を、ガスの接線導入方向に平行な円筒部の中心を
通る仮想直径線の導入ダクトと反対側の半径線、
円筒部の中心および導入ダクトの内側端を結ぶ直
線、ならびに円筒部内周で包囲される領域内で偏
位し、排気筒および円筒部間の環状の間隙を流入
口からガスの旋回方向に沿つて次第に狭小化させ
たので排気筒近傍のガスが順次排気筒内に吸込ま
れてゆき、間隙における自由渦の最大速度が小さ
くなる。そのため強力な強制渦の発生が抑えら
れ、それに応じて圧力損失が低減される。また間
隙の最狭小位置から旋回方向に沿つて拡大されて
いるので、最狭小位置以降のガスの旋回エネルギ
は弱められる。そのためガスの流入口付近におけ
る流入ガスと旋回ガスとの衝突や衝突された流入
ガスの局部的な速度増大による圧力損失も低減さ
れる。一方、サイクロン内においてガス中の粉体
は円筒部の内面に沿つて旋回しながら流れの半径
方向幅が細くなり、１周未満でほぼ全量の粉体が
円筒部の内壁に到達することが確認されており、
本件サイクロンのように排気筒および円筒部間の
間隙をガスの流入口から旋回方向に沿つて狭小化
しても捕集効率は低下しない。さらに、排気筒お
よび円筒部を偏心させることによつて、サイクロ
ン内の粉体の分離に寄与しない領域を省くことが
でき、その分だけサイクロンを小形化することが
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は在来のサイクロンの縦断面図、第２図
はその水平断面図、第３図は本発明の一実施例の
水平断面図、第４図は内筒４ｂの中心１４が位置
される領域を示すための水平断面図、第５図、第
６図および第７図は実験結果を示すグラフであ
る。 ４……排気筒、４ｂ……内筒、１０……サイク
ロン、１１……円筒部、１３……円筒部１１の中
心、１４……内筒４ｂの中心、１５……流入口、
１６……導入ダクト、２３……接線導入方向、２
４，２６……仮想直径線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガスの流入口を有する円筒部の上部に排気筒
   を配置して成り、前記流入口に円筒部の接線方向
   で導入ダクトが連結されるサイクロンにおいて、
   排気筒の中心が、前記接線方向に平行な円筒部の
   中心を通る仮想直径線の前記導入ダクトと反対側
   の半径線、円筒部の中心および導入ダクトの内側
   端を結ぶ直線、ならびに円筒部内周で包囲される
   領域内で偏位して設けられていることを特徴とす
   るサイクロン。