(57)【要約】【課題】簡易でコンパクトな構造でガスや液体などの流体を均一に分散でき、流量調整などの作業が不要な流体混合装置を提供すること。【解決手段】ガスが流れる流路となる断面角型のダクト１内に、前記ガスとは別種のガスまたは液体を注入するノズル２を備え、ノズル２近傍における一組の相対向するダクト内壁面にそれぞれ混合板４、４を内壁面から突出させ、さらに、混合板４を設置していない側の一組の相対向するダクト内壁面の混合板４よりも下流側の位置にもそれぞれ混合板５、５を内壁面から突出させた流体混合装置である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが流れる流路となる断面角型のダクト内に、前記ガスとは別種のガス及び／又は液体を注入するノズルを備えた流体混合装置において、
ノズル近傍における一組の相対向するダクト内壁面に、ダクト内のガス流路内の一部を塞ぐようにそれぞれ混合板を内壁面から突出させ、さらに、前記混合板を設置していない側の一組の相対向するダクト内壁面の前記混合板よりも下流側の位置にも、ガス流路の一部を塞ぐように混合板を内壁面から突出させたことを特徴とする流体混合装置。
【請求項２】
ダクトの上流側と下流側の二段に設置する混合板をガス流れに直交する同一平面に投影した場合の開口率を２０％〜４５％の範囲になるように混合板の大きさを設定したことを特徴とする請求項１に記載の流体混合装置。
【請求項３】
ダクトのガス流れに直交する断面積Ａに対するノズルから上流側混合板までの距離ｈの割合ｈ／Ａを−０．４ｍ／ｍ２（ノズルの上流側）〜０．６ｍ／ｍ２（ノズルの下流側）の範囲にしたことを特徴とする請求項１ないし２に記載の流体混合装置。
【請求項４】
ダクト断面積Ａに対する二段に設置する混合板同士の間隔ΔＨの割合ΔＨ／Ａを０．５ｍ／ｍ２以下にしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体混合装置。
【請求項５】
断面角型ダクトのガス流れに直交する断面形状が長方形の場合に、一組の相対するダクト内面の短辺側に上流側混合板を設置し、一組の相対するダクト内面の長辺側に下流側混合板を設置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の流体混合装置。
【請求項６】
ダクト内壁に設置する混合板を壁側からガス流れ上流側に向けて傾斜配置させたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の流体混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ボイラ、ゴミ焼却炉、ディーゼルやマイクロガスタービンなどの燃焼装置から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する脱硝装置におけるアンモニア供給装置などの流体混合装置に係わり、特に、簡易かつコンパクトな構造でアンモニアなどの気体供給源となるガスや液体を均一に分散できる流体混合装置に関するものである。また、本発明は、大量のガスに別種の微量ガスを均一に混ぜるための単なるガス混合器としても用いることができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の流体分散供給装置および混合器の公知例を図８、図９ならびに図１０に示す。図８は一般的な液体分散供給装置が組込まれた主流ガスが流れるダクトのガス流れ方向に沿った断面の鳥瞰図であり、図９、図１０は該液体分散供給装置の一部分の拡大図である。
【０００３】
本流体分散供給装置は、主流ガスが流れるダクト１と該ダクト１内に配置された分散ノズル２から構成され、ダクト１内に微量のガスまたは液体などの流体を分散ノズル２を通じて分散しようとするものである。このような流体分散供給装置は、燃焼排ガス中の窒素酸化物を処理する脱硝装置におけるアンモニア源の供給装置として利用されることが多い。その場合、アンモニア源としてアンモニア水が用いられることが多く、分散ノズル２からはアンモニア水がスプレされ、蒸発した後、アンモニアガスとして拡散することになる。
【０００４】
しかし、図８のように１個の分散ノズル２でアンモニア水をスプレしようとすると、その分散性が乏しく、排ガス中にアンモニア濃度分布が生じることになり、一般に分散ノズル２の下流側に設置される図示していない脱硝触媒での性能低下や処理ガスへのアンモニアリークなどの問題が発生する。分散ノズル２から図示していない脱硝触媒までの距離を長くすればアンモニア濃度分布をある程度均一化することはできるが、脱硝システム全体が大きなものとなってしまう。
【０００５】
この対策として、図９に示すように分散ノズル２を複数化する方法が採用される場合が多いが（例えば、特許文献１参照）、この場合、ダクト１内におけるガス偏流に合わせて各分散ノズル２からスプレされるアンモニア水量を調整する必要があり、また、ダクト１のサイズが小さい場合、物理的に分散ノズル２を複数配置できないこともある。
【０００６】
また、図１０に示すような四角錐の各平面に開口を設けた立体構造から成る混合器３を分散ノズル２の近傍あるいは下流側に設置することでもアンモニアの分散、混合を促進することができるが（例えば、特許文献２参照）立体構造の混合器３は一般に圧力損失が大きく、製作コストも高い。さらに、分散ノズル２からスプレする流体がガスの場合には、それほど問題にはならないが、アンモニア水や尿素水などの液体をスプレする場合には、それらの液体が蒸発完了する位置よりも下流側に混合器３を配置する必要があり、その混合器３から図示していない脱硝触媒の間にある程度の混合距離が必要であるため、アンモニアの均一化に要するダクトが長くなり、脱硝システム全体のコンパクト化を図ることが難しくなる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０８−１０３６２８号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平０９−０７５６７３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、主流ガスに微量のガス・液体などの流体を均一に分散供給する点について十分配慮されておらず、排ガス処理システム全体のコンパクト性が損なわれるとともに、システムが複雑化し、また流体圧力損失が増加し、さらに試運転調整作業が複雑化するなどの問題があった。
【００１０】
本発明の課題は、上記問題点を解消し、簡易かつコンパクトな構造でアンモニアなどのガスや液体などの流体を均一に分散でき、しかも流量調整などの作業が不要な流体混合装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の課題は次の解決手段により解決される。
請求項１記載の発明は、ガスが流れる流路となる断面角型のダクト内に、前記ガスとは別種のガス及び／又は液体を注入するノズルを備えた流体混合装置において、ノズル近傍における一組の相対向するダクト内壁面に、ダクト内のガス流路内の一部を塞ぐようにそれぞれ混合板を内壁面から突出させ、さらに、前記混合板を設置していない側の一組の相対向するダクト内壁面の上記混合板よりも下流側の位置にも、ガス流路の一部を塞ぐように混合板を内壁面から突出させた流体混合装置である。
【００１２】
請求項２記載の発明は、ダクトの上流側と下流側の二段に設置する混合板をガス流れに直交する同一平面に投影した場合の開口率を２０％〜４５％の範囲になるように混合板の大きさを設定した請求項１に記載の流体混合装置である。
【００１３】
請求項３記載の発明は、ダクトのガス流れに直交する断面積Ａに対するノズルから上流側混合板までの距離ｈの割合ｈ／Ａを−０．４ｍ／ｍ２（ノズルの上流側）〜０．６ｍ／ｍ２（ノズルの下流側）の範囲に設置した請求項１ないし２に記載の流体混合装置である。
【００１４】
請求項４記載の発明は、ダクト断面積Ａに対する二段に設置する混合板同士の間隔ΔＨの割合ΔＨ／Ａを０．５ｍ／ｍ２以下にした請求項１ないし３のいずれかに記載の流体混合装置である。
請求項５記載の発明は、断面角型ダクトのガス流れに直交する断面形状が長方形の場合に、一組の相対するダクト内面の短辺側に上流側混合板を設置し、一組の相対するダクト内面の長辺側に下流側混合板を設置した請求項１ないし４のいずれかに記載の流体混合装置である。
請求項６記載の発明は、ダクト内壁に設置する混合板を壁側からガス流れ上流側に向けて傾斜配置させた請求項１ないし５のいずれかに記載の流体混合装置である。
【００１５】
【作用】
請求項１記載の発明によれば、アンモニア水などのノズルから噴出される流体が届き難いダクト内壁面近傍で流体が吹抜けるのを阻止し、ノズル近傍に縮流を形成することによって異種流体の分散性を高め、さらに混合器の下流側に渦を積極的に発生させることにより、異種流体の混合性を向上させることができる。
【００１６】
また、請求項１記載の発明は、基本的に縮流を形成させるためにダクト内壁面の全周に混合板を設置する構造であり、高い混合性能を得るためには混合板の設置面における開口率を下げる必要がある。ただし、開口率を下げると混合板部分での流体の圧力損失を増大させることになるが、請求項１記載の発明は、上流側と下流側の二段に分け、それぞれの段において混合板の設置方向を変えているため、それぞれの段における開口率を上げることができ、流体の圧力損失を小さくすることが可能となる。
【００１７】
また、請求項１記載の発明によれば、基本的にノズルの下流側に混合板が配置されているが、混合板はすべてダクト内壁側に取付けられているため、ノズルからスプレされた、例えばアンモニア水液滴が直接混合板に衝突することもなく、蒸発不良などに起因するトラブルが生じる可能性がない。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、混合板をガス流れに直交する同一平面に投影した場合の開口率を２０％〜４５％の範囲になるように混合板の大きさを設定することで、異種の流体同士の高い混合率を大きな圧力損失がない状態で達成できる。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、ダクトのガス流れに直交する断面積Ａに対するノズルから上流側混合板までの距離ｈの割合ｈ／Ａを−０．４ｍ／ｍ２（ノズルの上流側）〜０．６ｍ／ｍ２（ノズルの下流側）の範囲に設置したことにより、異種の流体の混合性能を高めることができる。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、ダクト断面積Ａに対する二段に設置する混合板同士の間隔ΔＨの割合ΔＨ／Ａを０．５ｍ／ｍ２以下にしたことにより、異種の流体の混合性能を高めることができる。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、断面角型ダクトのガス流れに直交する断面形状が長方形の場合に、一組の相対するダクト内面の短辺側に上流側混合板を設置し、一組の相対するダクト内面の長辺側に下流側混合板を設置したことにより、長辺側に上流側混合板を設置し、短辺側に下流側混合板を設置した場合に比較して、ノズル近傍において該ノズルから噴出される流体がダクト内壁面に届き易くなる。
【００２２】
請求項６記載の発明によれば、ダクト内壁に設置する混合板を壁側からガス流れ上流側に向けて傾斜配置させたことにより、混合板の上にダストが堆積することがなくなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２４】
【実施例】
図１は本発明による一実施例であり、流体混合装置が組込まれた主流ガス流れＧが流れるダクト１のガス流れ方向に沿った断面の鳥瞰図を示したものである。図２は図１の実施例のダクトのガス流れ方向の断面図（図２（ａ））とガス流れＧの下流側から見た図２（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（図２（ｂ））とＢ−Ｂ線矢視図（図２（ｃ））を示したものである。
【００２５】
矩形断面を有するダクト１のガス流れＧの上流側の混合板４が対向する壁面に対して垂直方向に向けて、該壁面から突出するように壁面全域に設けられている。また、上流側混合板４の下流側の前記混合板４が設けられていない対向する壁面に下流側混合板５が同じく壁面に垂直方向に向けて、該壁面から突出するように壁面全域に設けられている。分散ノズル２は一対の上流側混合板４と同一ダクト横断面域のダクト中心部に噴出口を持つように上流側混合板４のなす平面に沿う方向に管体が設けられている。
【００２６】
図３はダクト１のガス流れ方向に二段に設置する混合板４、５を同一平面に投影した場合のダクト１の開口率と、混合板４、５の下流側におけるアンモニア濃度変動率の関係及び混合板圧力損失（ｍｍＨ２Ｏ）の関係を示したものである。図４はダクト断面積Ａに対する分散ノズル２から上流側混合板４までの距離ｈの割合ｈ／Ａと、アンモニア濃度変動率および混合板圧力損失の関係を示したものである。図５はダクト断面積Ａに対する二段に設置する混合板４、５同士の間隔ΔＨの割合ΔＨ／Ａと、アンモニア濃度変動率および混合板圧力損失の関係を示したものである。
【００２７】
なお、本発明のような流体混合装置は、燃焼排ガス中の窒素酸化物を処理する脱硝装置におけるアンモニア源の供給装置として利用されることが多いため、分散ノズル２からは流体としてアンモニア水がスプレされ、蒸発した後アンモニアガスとして拡散するものとして、以下本発明の実施例を説明する。
【００２８】
図１に示す実施例は、分散ノズル２近傍における一組の相対向するダクト１内壁の両面に、ガス流路の一部を塞ぐように上流側混合板４を壁から突出させ、さらに、上流側混合板４を設置していない側の一組の相対するダクト１内壁の両面の上流側混合板４よりも下流側の位置に、ガス流路の一部を塞ぐように下流側混合板５を壁から突出させた点で従来技術と異なる。
【００２９】
まず、本発明によるダクト１に配置される上流側混合板４および下流側混合板５は、アンモニアが届き難いダクト１の内壁近傍でのガスの吹抜けを阻止し、分散ノズル２近傍に縮流を形成することによってアンモニア水の分散性を高め、さらに上流側混合板４ならびに下流側混合板５の下流側に渦を積極的に発生させることにより蒸発後のアンモニアガスの混合性を向上させることができる。
【００３０】
また、上流側混合板４および下流側混合板５は全てダクト１の内壁側に取付けられているため、分散ノズル２からスプレされたアンモニア水液滴が直接混合板４、５に衝突することもなく、蒸発不良などに起因するトラブルが生じる可能性がない。
【００３１】
また、上流側混合板４および下流側混合板５は、基本的に縮流を形成させるためにダクト１の内壁全周に混合板を設置する構造であり、混合板設置面におけるダクト開口率を下げることで高い混合性能を得ることが可能である。しかし、前記開口率を下げすぎると混合板４、５の圧力損失を増大させることになる。図３にダクト１のガス流れ方向に二段に設置する混合板４、５を同一平面に投影した場合のダクト開口率と、混合板４、５の下流側におけるアンモニア濃度変動率の関係を示す。アンモニア濃度変動率とは、アンモニア平均濃度に対するアンモニア濃度の標準偏差の割合を表した値である。ダクト開口率を下げるとアンモニア濃度変動率を低減できるが、混合板の圧力損失が増大することが分かる。特にダクト開口率２０％以下での増加が激しい。一般に分散ノズル２の下流側に設置される図示していない脱硝触媒設置部でのガスの脱硝性能に影響を及ぼさないアンモニア濃度変動率の許容値は３０％以下であるとされているため、アンモニア濃度変動率と混合板４、５による圧力損失を考慮したダクト開口率の適正範囲は、２０％〜４５％である。
【００３２】
また、本発明における実施例においては、上流側混合板４と下流側混合板５の設置位置によってもアンモニアの混合性は影響を受ける。図４に上流側混合板４と下流側混合板５の間隔を固定した場合のダクト断面積Ａに対する分散ノズル２から上流側混合板４までの距離ｈの割合ｈ／Ａと、アンモニア濃度変動率および混合板圧力損失の関係を示す。ｈ／Ａの値は混合板圧力損失に対してはほとんど影響していないが、アンモニア濃度変動率に対しては０近傍が望ましいことが分かる。許容変動率を３０％以下とすれば、ｈ／Ａの適正範囲は−０．４〜０．６ｍ／ｍ２となる。
【００３３】
図５にはダクト断面積Ａに対する上下段の混合板同士の間隔ΔＨの割合ΔＨ／Ａと、アンモニア濃度変動率および混合板圧力損失の関係を示す。本条件では、いずれのΔＨ／Ａにおいてもアンモニア濃度変動率は３０％以下であるが、ΔＨ／Ａ以外の条件が変われば３０％を超える場合も出てくると考えられるため、ΔＨ／Ａの適正範囲は、アンモニア濃度変動率の低下が始まる０．５ｍ／ｍ２以下である。また、混合板圧力損失に対する影響は小さいため、圧力損失の面からの制約条件はない。
【００３４】
なお、ΔＨ／Ａ＝０は上流側混合板４と下流側混合板５を一体化した場合の結果を示すことになるが、アンモニア濃度変動率は、ほぼ同程度であるのに対して、混合板圧力損失が高くなっていることが分かる。このことからも混合板４、５を上流側と下流側に二段に分けた場合により効果的であることが分かる。
【００３５】
なお、図１に示した実施例では長方形断面を有するダクト１の短辺側に上流側混合板４を、長辺側に下流側混合板５を設置しているが、分散ノズル２近傍においてアンモニアが届き難く、ガスの吹抜けが発生しやすいダクト１の短辺側に上流側混合板４を設置することで、本実施例の効果を最大限に得ることができる。
【００３６】
【他の実施例】
図６に示す他の実施例は、混合板４、５をダクト１内壁側から斜め下に伸びるように傾斜させた点で図１に示した実施例と異なる。排ガス中にダストを含む場合に有効な手段であり、上流側混合板４および下流側混合板５の上にダストが堆積することがない。堆積ダストの落下による分散ノズル２の閉塞などのトラブルを防止することができる。
【００３７】
図７に示す実施例は、混合板４、５の先端部とダクト壁面の間に水平板を取付け、ガス流れのよどみ部をなくした点で図６に示した実施例と異なる。ガス流れに不安定なよどみ部が存在することで混合板４、５の振動が生じやすい場合に有効な手段である。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、簡易かつコンパクトな構造で圧力損失を増加させることなく、主流ガスに微量のガスあるは液体などの流体を均一に分散供給できる流体混合装置を提供することが可能となる。
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、異種の流体同士の高い混合率を大きな圧力損失がない状態で達成できる。
【００３９】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、さらに異種の流体の混合性能を高めることができる。
【００４０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、さらに異種の流体の混合性能を高めることができる。
【００４１】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明の効果に加えて、ノズル近傍において該ノズルから噴出される流体がダクト内壁面に届き易くなり、さらに異種の流体の混合性能を高めることができる。
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし５のいずれかに記載の発明の効果に加えて、混合板の上にダストが堆積することがなくなる。堆積ダストの落下による分散ノズル２の閉塞などのトラブルを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の流体混合装置が組込まれた主流ガスが流れるダクトのガス流れ方向に沿った断面の鳥瞰図を示したものである。
【図２】図１のダクトのガス流れ方向の断面図（図２（ａ））とガス流れＧの下流側から見た図２（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（図２（ｂ））とＢ−Ｂ線矢視図（図２（ｃ））を示したものである。
【図３】図１の実施例において二段に設置する混合板を同一平面に投影した場合のダクト開口率と、混合板の下流側におけるアンモニア濃度変動率及び混合板圧力損失の関係を示したものである。
【図４】図１の実施例においてダクト断面積Ａに対する分散ノズルから上流側混合板までの距離ｈの割合ｈ／Ａと、アンモニア濃度変動率および混合板圧力損失の関係を示したものである。
【図５】図１の実施例においてダクト断面積Ａに対する二段に設置する混合板同士の間隔ΔＨの割合ΔＨ／Ａと、アンモニア濃度変動率および混合板圧力損失の関係を示したものである。
【図６】本発明の他の実施例においてダクトの対向壁面にそれぞれ設置する一対の上流側混合板と下流側混合板をダクト内壁側から上流側に傾斜させた場合のガス流れＧの方向に沿った断面を見た図（図６（ａ））と図６（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（図６（ｂ））を示したものである。
【図７】本発明の他の実施例におけるダクトのガス流れ方向の断面を見た図（図７（ａ））と図７（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（図７（ｂ））である。
【図８】従来技術の流体混合装置が組込まれた主流ガスが流れるダクトのガス流れ方向に沿った断面の鳥瞰図を示したものである。
【図９】図８の分散ノズルを４個に増設した従来技術を示したものである。
【図１０】図８もしくは図９の分散ノズルの下流側に一般的な立体構造から成る混合器を設けた従来技術を示したものである。
【符号の説明】
１  ダクト                ２  分散ノズル
３  混合器                ４  上流側の混合板
５  下流側混合板
Ｇ  ガス流れ
【図１】
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【図２】
2004298814.tif 000004
【図３】
2004298814.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004298814.tif 000007
【図６】
2004298814.tif 000008
【図７】
2004298814.tif 000009
【図８】
2004298814.tif 000010
【図９】
2004298814.tif 000011
【図１０】
2004298814.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成15年4月1日(2003.4.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2004298814.tif 000013