(57)【要約】  本発明は、酸化剤ガスが熱分解することを抑制することができ、酸化剤ガスで効率よく被処理ガスを酸化処理することができる噴霧ノズルを提供する。  本発明の噴霧ノズルは、第１管の端部に設けられた第１噴出孔と、第１管を囲むように設けられた第２噴出孔とを備え、第２噴出孔は、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら第２噴出孔から噴出するように設けられ、第１噴出孔は、第２噴出孔から噴出させた水又は水溶液を含むミスト中に、第１噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられたことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１管の端部に設けられた第１噴出孔と、第１管を囲むように設けられた第２噴出孔とを備え、
第２噴出孔は、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら第２噴出孔から噴出するように設けられ、
第１噴出孔は、第２噴出孔から噴出させた水又は水溶液を含むミスト中に、第１噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられたことを特徴とする噴霧ノズル。
【請求項２】
第２噴出孔は、円環形状を有する請求項１に記載の噴霧ノズル。
【請求項３】
第２管と、第３管と、連通流路とをさらに備え、
第１管、第２管及び第３管は、第１管が第２管の内部に位置し、第２管が第３管の内部に位置する構造を有し、
前記連通流路は、第１管と第２管との間の流路と、第２管と第３管との間の流路とを連通するように設けられ、
第１管の内部流路は、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路であり、
第２管と第３管との間の流路は、噴霧用ガスを流す気体流路であり、
第１管と第２管との間の流路は、水又は水溶液を流す水流路と、気液混合部とを含み、
前記気液混合部は、前記水流路から供給される水又は水溶液と前記連通流路から吹き込まれる噴霧用ガスと混合しながら旋回流を生じさせるように設けられ、
第２噴出孔は、前記気液混合部により形成された旋回する気液混合体が第２噴出孔から噴出するように設けられた請求項１又は２に記載の噴霧ノズル。
【請求項４】
旋回流形成部をさらに備え、
前記旋回流形成部は、前記水流路を流れる水又は水溶液に旋回流が形成されるように設けられ、
前記気液混合部は、前記旋回流形成部により形成される旋回流の回転方向と同じ回転方向の旋回流が形成されるように設けられた請求項３に記載の噴霧ノズル。
【請求項５】
第１噴出孔は、第２噴出孔と同一面上に配置された、又は第２噴出孔よりも噴出方向に突出して配置された請求項１〜４のいずれか１つに記載の噴霧ノズル。
【請求項６】
第２噴出孔は、円環形状を有し、
第２噴出孔の外壁は、第１噴出孔よりも噴出方向に突出するように設けられた請求項１〜４のいずれか１つに記載の噴霧ノズル。
【請求項７】
第１噴出孔は、前記噴霧ノズルの外部において前記ミスト中に第１噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられた請求項６に記載の噴霧ノズル。
【請求項８】
第２噴出孔の外壁の先端と第１噴出孔との間の距離は０ｍｍより大きく２ｍｍ以下である請求項６又は７に記載の噴霧ノズル。
【請求項９】
空気放出孔をさらに備え、
前記空気放出孔は、前記空気放出孔から空気を噴霧ノズルの外部に放出するように設けられかつ第２噴出孔に水、水溶液又は噴霧用ガスを供給する流路又は第２噴出孔を囲むように設けられた請求項１〜８のいずれか１つに記載の噴霧ノズル。
【請求項１０】
前記酸化剤ガスは、オゾン含有ガスである請求項１〜９のいずれか１つに記載の噴霧ノズル。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の噴霧ノズルが取り付けられた被処理ガス流路を流れる被処理ガス中に第２噴出孔から水又は水溶液を噴霧用ガスと共に旋回させながら噴出させ被処理ガス中にミストを形成し、第１噴出孔から酸化剤ガスを噴出させ前記ミスト中に酸化剤ガスを供給するステップを含む噴霧方法。
【請求項１２】
前記被処理ガスは、ＮＯｘを含む排ガスであり、
前記酸化剤ガスは、オゾン含有ガスである請求項１１に記載の噴霧方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、噴霧ノズル及び噴霧方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱分解する化学的性質を有する酸化剤ガスで被処理ガスを酸化処理する場合、被処理ガスを熱分解温度以下の温度まで冷却した後この処理を行う。
例えば、１５０℃以上の温度で熱分解する化学的性質を有するオゾンガスで燃焼排ガスを処理する排ガス処理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、シャワーリング室で十分に冷却した燃焼排ガス中にオゾンガスを供給することにより、燃焼排ガスを浄化している。この方法では、燃焼排ガスを冷却するために大規模な冷却装置が必要である。
また、ミストの局所冷却域を利用してオゾンガスで燃焼排ガスを処理する排ガス処理方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。この方法では、ミストの局所冷却域だけをオゾンガスの熱分解温度以下の温度に冷却して燃焼排ガスをオゾンガスで処理するため、大規模な冷却装置を必要としない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１３７５３７号公報
【特許文献２】特開２０１５−０１６４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ミストの局所冷却域を利用して酸化剤ガスにより被処理ガスを酸化処理する場合、酸化剤ガスが局所冷却域の外部へ拡散し熱分解するため、効率よく被処理ガスを酸化処理することが難しい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガスが熱分解することを抑制することができ、酸化剤ガスで効率よく被処理ガスを酸化処理することができる噴霧ノズルを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１管の端部に設けられた第１噴出孔と、第１管を囲むように設けられた第２噴出孔とを備え、第２噴出孔は、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら第２噴出孔から噴出するように設けられ、第１噴出孔は、第２噴出孔から噴出させた水又は水溶液を含むミスト中に、第１噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられたことを特徴とする噴霧ノズルを提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の噴霧ノズルは、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら噴出するように設けられた第２噴出孔を備える。この第２噴出孔から水又は水溶液と噴霧用ガスとを二流体噴霧することにより、旋回流を有するミストを形成することができる。また、水又は水溶液の気化熱によりミスト中に局所冷却域を形成することができる。
本発明の噴霧ノズルは、第１管の端部に設けられた第１噴出孔を備える。この第１噴出孔は、第２噴出孔から噴出させた水又は水溶液を含むミスト中に、第１噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられる。この第１噴出孔から酸化剤ガスを噴出させることにより、旋回流を有するミストの旋回軸付近に酸化剤ガスを供給することができる。【０００７】
ミストに形成される旋回流は、旋回軸を中心として回転しながら噴出方向に流れる流れであり、噴出方向の速度成分と回転方向の速度成分とを持っている。このため、第１噴出孔から旋回軸付近に供給された酸化剤ガスは、旋回流の旋回軸付近を噴出方向に向かって流れると考えられる。また、ミストの外側の被処理ガスは、旋回流の外周の流れに巻き込まれ、旋回流にのって流れる間にミストの気化熱により冷却されると考えられる。この冷却された被処理ガスがミスト中において酸化剤ガスと接触し酸化されると考えられる。
従って、本発明の噴霧ノズルを用いることにより、酸化剤ガスが熱分解されることを抑制することができ、酸化剤ガスで効率よく被処理ガスを酸化処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態の噴霧ノズルの概略断面図である。
【図２】図１の破線で囲んだ範囲Ａにおける噴霧ノズルの概略断面図である。
【図３】図２の矢印Ｂで示した方向から見た噴霧ノズルの概略端面図である。
【図４】（ａ）は図２の破線Ｃ−Ｃにおける噴霧ノズルの概略断面図であり、（ｂ）は図２の破線Ｄ−Ｄにおける噴霧ノズルの概略断面図である。
【図５】（ａ）は図３の破線で囲んだ範囲Ｅにおける拡大端面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は変形例の噴霧ノズルの概略端面図である。
【図６】本発明の一実施形態の噴霧ノズルの概略部分断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の噴霧ノズルの概略部分断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の噴霧ノズルを用いて被処理ガスを処理する方法の概念図である。
【図９】本発明の一実施形態の噴霧ノズルが組み込まれた排ガス処理装置の概略構成図である。
【図１０】第１噴霧実験におけるミストの平均流速の測定位置を示す説明図である。
【図１１】オゾン管の先端の位置が異なる噴霧ノズルから気液混合体及びオゾン含有ガスを噴出させた際のオゾン含有ガスの供給圧力差を示すグラフである。
【図１２】オゾン管の先端の位置が異なる噴霧ノズルから気液混合体及びオゾン含有ガスを噴出させることにより形成したミストに含まれる液滴のザウター平均粒子径の変化率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の噴霧ノズルは、第１管の端部に設けられた第１噴出孔と、第１管を囲むように設けられた第２噴出孔とを備え、第２噴出孔は、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら第２噴出孔から噴出するように設けられ、第１噴出孔は、第２噴出孔から噴出させた水又は水溶液を含むミスト中に、第１噴出孔から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の噴霧ノズルに含まれる第２噴出孔は、円環形状を有することが好ましい。このことにより、ミストの旋回流の回転方向の速度成分を大きくすることができ、第１噴出孔から噴出させた酸化剤ガスがミストの外部に拡散し熱分解することを抑制することができる。
本発明の噴霧ノズルに含まれる第１管、第２管及び第３管は、第１管が第２管の内部に位置し、第２管が第３管の内部に位置する構造を有することが好ましい。本発明の噴霧ノズルに含まれる連通流路は、第１管と第２管との間の流路と、第２管と第３管との間の流路とを連通するように設けられることが好ましく、第１管の内部流路は、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路であることが好ましい。第２管と第３管との間の流路は、噴霧用ガスを流す気体流路であることが好ましく、第１管と第２管との間の流路は、水又は水溶液を流す水流路と、気液混合部とを含むことが好ましい。気液混合部は、水流路から供給される水又は水溶液と連通流路から吹き込まれる噴霧用ガスと混合しながら旋回流を生じさせるように設けられることが好ましく、第２噴出孔は、気液混合部により形成された旋回する気液混合体が第２噴出孔から噴出するように設けられたことが好ましい。このような構成によれば、第２噴出孔から水又は水溶液を噴霧用ガスと共に旋回させながら噴出させミストを形成することができ、第１噴出孔からミスト中に酸化剤ガスを供給することができる。
【００１１】
本発明の噴霧ノズルは、旋回流形成部を備えることが好ましい。旋回流形成部は、水流路を流れる水又は水溶液に旋回流が形成されるように設けられることが好ましく、前記気液混合部は、旋回流形成部により形成される旋回流の回転方向と同じ回転方向の旋回流が形成されるように設けられることが好ましい。このことにより、旋回流を有する水又は水溶液を水流路から気液混合部に供給することができ、気液混合部で形成される気液混合体の旋回流の旋回速度を速くすることができる。この結果、第２噴出孔から噴出させる複数の水滴をより微細化することができる。また、ミストの旋回流の旋回速度を速くすることができる。
本発明の噴霧ノズルに含まれる第１噴出孔は、第２噴出孔と同一面上に配置されることが好ましく、又は第２噴出孔よりも噴出方向に突出して配置されることが好ましい。このことにより、ミストの旋回軸付近に酸化剤ガスを供給することができ、酸化剤ガスがミストの外部に拡散し熱分解することを抑制することができる。
【００１２】
本発明の噴霧ノズルは、空気放出孔を備えることが好ましく、前記空気放出孔は、空気放出孔から空気を噴霧ノズルの外部に放出するように設けられかつ第２噴出孔に水、水溶液又は噴霧用ガスを供給する流路又は第２噴出孔を囲むように設けられたことが好ましい。この空気放出孔から空気を放出することにより、ミストの旋回流の外周及びその周囲に空気を供給することができる。このことにより、ミストの旋回流の周囲において空気放出孔から供給された空気が被処理ガスと混合し、被処理ガスが冷却される。このため、ミスト中の酸化剤ガスが熱分解することを抑制することができる。
前記酸化剤ガスは、オゾン含有ガスであることが好ましい。オゾンは強力な酸化性を有するため、被処理ガスに含まれるガスを酸化することができる。
【００１３】
本発明は、本発明の噴霧ノズルが取り付けられた被処理ガス流路を流れる被処理ガス中に第２噴出孔から水又は水溶液を噴霧用ガスと共に旋回させながら噴出させ被処理ガス中にミストを形成し、第１噴出孔から酸化剤ガスを噴出させミスト中に酸化剤ガスを供給するステップを含む噴霧方法も提供する。本発明の噴霧方法により、酸化剤ガスが熱分解されることを抑制することができ、酸化剤ガスで効率よく被処理ガスを酸化処理することができる。
本発明の噴霧方法において、第２噴出孔から水又は水溶液及び噴霧用ガスを３０ｍ／ｓ以上３４０ｍ／ｓ以下の初速度で噴出させることが好ましい。また、被処理ガスはＮＯｘを含む排ガスであることが好ましく、酸化剤ガスはオゾン含有ガスであることが好ましい。
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１５】
図１〜８は、本実施形態の噴霧ノズルに関する図面である。図面の説明は上述の説明と同様である。
本実施形態の噴霧ノズル３０は、第１管４の端部に設けられた第１噴出孔３と、第１管４を囲むように設けられた第２噴出孔２とを備え、第２噴出孔２は、水又は水溶液が噴霧用ガスと共に旋回しながら第２噴出孔２から噴出するように設けられ、第１噴出孔３は、第２噴出孔２から噴出させた水又は水溶液を含むミスト２４中に、第１噴出孔３から噴出させた酸化剤ガスを供給するように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の噴霧方法は、本実施形態の噴霧ノズル３０が取り付けられた被処理ガス流路２１を流れる被処理ガス中に第２噴出孔２から水又は水溶液を噴霧用ガスと共に旋回させながら噴出させ被処理ガス中にミスト２４を形成し、第１噴出孔３から酸化剤ガスを噴出させミスト２４中に酸化剤ガスを供給するステップを含む。
ミストとは、多数の水滴２３が気体中に浮遊しているものをいう。ミストに含まれる水滴２３は、１００μｍ以下の平均粒子径を有することができる。
【００１６】
噴霧ノズル３０は、第２噴出孔２と第１噴出孔３とを備えるものであれば、その構成は特に限定されないが、例えば、第１管４が第２管５の内部に位置し、第２管５が第３管６の内部に位置する構造を有することができる。噴霧ノズル３０は、第１管４、第２管５及び第３管６からなる３重管構造を有してもよく、第１管４、第２管５、第３管６、第４管７からなる４重管構造を有してもよく、５重管構造を有してもよい。また、３重管構造、４重管構造又は５重管構造は、同軸型とすることができる。例えば、噴霧ノズル３０は、第３管６の中に第２管５が同軸となるように挿入され、その第２管５の中に第１管４が同軸となるように挿入された構造を有することができる。また、第１管４、第２管５、第３管６又は第４管７は、円筒形状を有することができる。
噴霧ノズル３０は、３重管、４重管又は５重管の先端部にアダプタ、混合スリーブ、コア、ノズルチップ、キャップのうち少なくとも１つを取り付けた構造を有してもよい。
【００１７】
噴霧ノズル３０は、酸化剤ガスが噴出するように設けられた第１噴出孔３を有する。第１噴出孔３は、第１管４の端部に設けられる。第１噴出孔３は、中心噴出孔であってもよい。また、酸化剤ガスは、第１管４の内部流路である酸化剤ガス流路１０を介して第１噴出孔３に供給される。酸化剤ガス流路１０は、第１管４の内部流路を含む。また、酸化剤ガス流路１０は、第１管４の内部流路と他の部材の内部流路とが連結された流路であってもよい。また、第１管４は、多重管構造の最も内側の管とすることができる。
【００１８】
酸化剤ガスは、酸化剤として機能するガスであれば特に限定されないが、例えばオゾン含有ガスである。酸化剤ガスがオゾン含有ガスである場合、酸化剤ガス流路１０はオゾンガス流路であってもよい。オゾン含有ガスは、例えば、放電法、電解法、紫外線ランプ法などにより空気、酸素ガスなどを原料として製造することができる。また、酸化剤ガスは熱分解性ガスであってもよい。
【００１９】
噴霧ノズル３０は、水又は水溶液の微粒子（水滴２３）が噴霧用ガスと共に旋回しながら噴出するように設けられた第２噴出孔２を有する。第２噴出孔２は円環状噴出孔であってもよい。第２噴出孔２は、第１噴出孔３又は酸化剤ガス流路１０を囲むように設けられる。このことにより、第２噴出孔２から水又は水溶液と噴霧用ガスとを噴出させることによりミスト２４を形成することができ、第１噴出孔３からミスト２４の中に酸化剤ガスを供給することができる。第１噴出孔３及び第２噴出孔２は、例えば、図３のように設けることができる。
例えば、水流路１１から供給される水又は水溶液と、気体流路１２から供給される噴霧用ガスとを内部混合し第２噴出孔２から噴出させることができる。第２噴出孔２は、内壁が第１管４であり外壁が第２管５又は第３管６である円環状の孔とすることができる。
噴霧ノズル３０は、一方の端が第１管４に固定され、他方の端が第１管４の外側の管（第２管５又は第３管６）に固定された支持部１８を有することができる。支持部１８は、第１管４がその外側の管の中心に固定されるように設けることができる。このことにより、噴霧の際に第１管４が振動し破損することを抑制することができる。また、噴霧ノズル３０は、複数の支持部１８を有することができる。
支持部１８は、第２噴出孔２に設けられてもよい。例えば、図５（ｂ）〜（ｄ）のように、複数の支持部１８を第２噴出孔２に設けることができる。この場合、第２噴出孔２は、円環状の噴出孔が支持部１８で分断された形状を有することができる。なお、図５（ｂ）〜（ｄ）は、図３の破線で囲んだ範囲Ｅにおける端面図である図５（ａ）に対応する端面図である。
第２噴出孔２から水又は水溶液及び噴霧用ガスを噴出させる初速度は、例えば、３０ｍ／ｓ以上３４０ｍ／ｓ以下とすることができる。このことにより、ミスト２４の旋回流の噴出方向の速度成分及び回転方向の速度成分を大きくすることができ、第１噴出孔３から噴出させた酸化剤ガスがミスト２４の外部に拡散し熱分解することを抑制することができる。
【００２０】
水流路１１は、例えば、第１管４と第２管５との間の円管状流路断面を有する流路に設けることができる。水流路１１を流れる水又は水溶液は、例えば冷却水であってもよく、アルカリ性水溶液であってもよい。水流路１１から供給される水又は水溶液は、第２噴出孔２から噴出し、ミスト２４を構成する複数の水滴２３となる。
気体流路１２は、例えば、第２管５と第３管６との間の円管状流路断面を有する流路に設けることができる。気体流路１２を流れる噴霧用ガスは、水流路１１から供給される水又は水溶液を微粒化するために用いられる気体である。噴霧用ガスには、例えば、空気、窒素ガス、酸素ガスなどを用いることができる。
【００２１】
噴霧ノズル３０は、第１管４と第２管５との間の流路と、第２管５と第３管６との間の流路とを連通するように設けられた連通流路１３を有することができる。気体流路１２及び連通流路１３は、気体流路１２を流れてきた噴霧用ガスが連通流路１３に流入し、第１管４と第２管５との間の流路に流入するように設けることができる。噴霧用ガスが第１管４と第２管５との間の流路に流入する部分は、気液混合部１６となる。気液混合部１６は、円環形状の流路断面を有する流路に連通流路１３から噴霧用ガスが吹き込まれるように設けることができる。
気液混合部１６では、水流路１１から供給される水又は水溶液と連通流路１３から吹き込まれる噴霧用ガスとが衝突混合し、噴霧用ガスの高速気流により水又は水溶液が粉砕され微粒化する。このようにして形成される水又は水溶液の微粒子（水滴２３）と噴出用ガスとを含む気液混合体が気液混合体流路１５を流れ、第２噴出孔２から噴出する。
【００２２】
連通流路１３は、第１管４と第２管５との間の流路の円周方向に噴霧用ガスが吹き込まれるように設けることができる。このことにより、連通流路１３を流れる噴霧用ガスの速度成分を円周方向（回転方向）の速度成分に変換することができ、気液混合部１６に旋回流を生じさせることができる。また、この旋回流を高速化することができ、水又は水溶液の微細な微粒子を形成することができる。また、第２噴出孔２から気液混合体を噴出させて形成するミスト２４に旋回流を生じさせることができる。また、噴霧ノズル３０は、複数の連通流路１３を備えることができる。このことにより、気液混合部１６における旋回流の速度をより速くすることができ、水又は水溶液の微粒子（水滴）をより微細化することができる。また、ミスト２４の旋回流の旋回速度を速くすることができる。また、複数の連通流路１３は同じ円周方向に噴霧用ガスを吹き込むように設けることができる。
【００２３】
複数の連通流路１３は、例えば、図２、図４のように設けることができる。図４（ａ）に示した図２の破線Ｃ−Ｃにおける断面においては、４つの連通流路１３ａ〜１３ｄがそれぞれ気液混合部１６の同じ円周方向に噴霧用ガスを吹き込むように設けられている。また、図４（ｂ）に示した図２の破線Ｄ−Ｄにおける断面においては、４つの連通流路１３ｅ〜１３ｈがそれぞれ気液混合部１６の同じ円周方向に噴霧用ガスを吹き込むように設けられている。また、連通流路１３ａ〜１３ｄと連通流路１３ｅ〜１３ｈとは、吹き込み口が重ならないように設けられ、同じ円周方向に噴霧用ガスを吹き込むように設けられている。このように複数の連通流路１３を設けることにより、気液混合部１６に形成される旋回流の旋回速度を速くすることができ、水又は水溶液の微粒子をより微細化することができる。また、ミスト２４の旋回流の旋回速度を速くすることができる。
【００２４】
第１噴出孔３は、第２噴出孔２から旋回しながら噴出させた水又は水溶液の微粒子（水滴２３）を含むミスト２４中に酸化剤ガスを供給するように設けられる。このことにより、第１噴出孔３からミスト２４の旋回流の旋回軸付近に供給した酸化剤ガスを、ミスト２４の旋回流の旋回軸付近を噴出方向に向かって流すことができ、ミスト２４の局所冷却域において被処理ガスと反応させることができる。
【００２５】
噴霧ノズル３０は、例えば、第２噴出孔２から水又は水溶液及び噴霧用ガスを旋回させながら被処理ガス中に噴出させミスト２４を形成し、第１噴出孔３からミスト２４中に酸化剤ガスを供給するように使用することができる。例えば、図８のように噴霧することができる。
ミスト２４に形成される旋回流は、旋回軸を中心として回転しながら噴出方向に流れる流れであり、噴出方向の速度成分と回転方向の速度成分とを持っている。このため、第１噴出孔３から旋回軸付近に供給された酸化剤ガスは、旋回流の旋回軸付近を噴出方向に向かって流れると考えられる。また、ミスト２４の外側の被処理ガスは、旋回流の外周の流れに巻き込まれ、旋回流にのって流れる間にミスト２４の気化熱により冷却されると考えられる。この冷却された被処理ガスがミスト２４中において酸化剤ガスと接触し酸化されると考えられる。このため、酸化剤ガスが熱分解されることを抑制することができ、酸化剤ガスで効率よく被処理ガスを酸化処理することができる。
【００２６】
被処理排ガスは、酸化剤ガスにより酸化処理される気体であれば特に限定されないが、例えば、ＮＯｘを含む燃焼排ガスとすることができる。この場合、酸化剤ガスは、オゾン含有ガスとすることができる。また、被処理排ガスは、ＮＯｘ及びＳＯｘを含む排ガスであってもよい。
オゾンガスは強力な酸化性を有し、酸化剤として機能する。このため、ＮＯｘを含む燃焼排ガスとオゾンガスとを混合することにより、燃焼排ガスに含まれる水に溶けにくいＮＯガスを水や還元剤と反応しやすいＮＯ2ガスに酸化することができる。また、燃焼排ガス中のＮＯ2ガスは、還元剤などにより除去することができる。このように、オゾンガスによるＮＯガスの酸化処理は、燃焼排ガス中のＮＯｘの除去処理に利用することができる。
しかし、オゾンガスは熱分解性を有し、１５０℃を超えると熱分解速度が速くなる。このため、オゾンガスによる燃焼排ガスの酸化処理は１５０℃以下の温度で行う必要がある。
本発明の噴霧ノズル３０により燃焼排ガス中にミスト２４を形成しこのミスト２４中にオゾン含有ガス（酸化剤ガス）を供給すると、ミスト２４中の局所冷却域においてオゾンガスと燃焼排ガスとを効率よく混合することができるため、オゾンガスの利用効率を高くすることができる。
【００２７】
第１噴出孔３は、図１〜４に示した噴霧ノズル３０のように、第２噴出孔２と同一面上（噴口面上）に配置することができる。このことにより、第２噴出孔２より噴出させた気液混合体と第１噴出孔３から噴出させた酸化剤ガスとを適度に外部混合することができ、被処理ガスと酸化剤ガスとが反応する領域を広くすることができる。
第１噴出孔３は、図６に示した噴霧ノズル３０のように、第２噴出孔２（噴口面）よりも噴出方向に突出して配置することができる。このことにより、ミスト２４の旋回軸付近に酸化剤ガスを供給することができ、酸化剤ガスがミスト２４の外部に拡散し熱分解することを抑制することができる。
第１噴出孔３は、図７に示した噴霧ノズル３０のように、複数の水滴２３と噴霧用ガスとが噴霧ノズル３０の外部へ噴出する噴出孔（噴口面）よりも内部側に配置することができる。また、図７に示した噴霧ノズル３０のように、第２噴出孔２の外壁は、第１噴出孔３よりも噴出方向に突出するように設けることができる。このことにより、第２噴出孔２からノズル外部へ噴出させた水滴が粗大化することを抑制することができ、微細なミスト２４を形成することができる。このため、ミスト２４の冷却効率を向上させることができる。
また、第１噴出孔３（第１管４の先端）が噴出面よりもノズル内側に配置された場合であっても、第１噴出孔３から噴出させた酸化剤ガスが噴霧ノズル３０の外部においてミスト２４中に供給される（外部混合）ように第１噴出孔３を配置することができる。このことにより、旋回流を有するミスト２４の旋回軸付近に酸化剤ガスを供給することができ、酸化剤ガスが熱分解されることを抑制することができる。
例えば、図７に示した噴霧ノズル３０のように、第１管４の先端（第１噴出孔３）を噴口面からわずかに凹ませることができる。例えば、第２噴出孔２の外壁の先端１９（噴口面）と第１噴出孔３（第１管４の先端）との間の距離（凹みの深さ）を０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。また、凹みの深さを０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることもできる。
【００２８】
噴霧ノズル３０は、水流路１１を流れる水又は水溶液に旋回流を形成するように設けられた旋回流形成部１７を備えることができる。旋回流形成部１７は、気液混合部１６により形成される旋回流の回転方向と同じ回転方向の旋回流を生じさせるように設けることができる。このことにより、旋回流を有する水又は水溶液を水流路１１から気液混合部１６に供給することができ、気液混合部１６で形成される気液混合体の旋回流の旋回速度を速くすることができる。この結果、水又は水溶液の微粒子（水滴）をより微細化することができる。また、ミスト２４の旋回流の旋回速度を速くすることができる。
旋回流形成部１７は、例えば、スクリュー形状のブレードを有することができる。水又は水溶液がこのブレードに沿って流れることにより、水流路１１を流れる水又は水溶液に旋回流を形成することができる。このブレードは、例えば、第１管４の外周面上に設けることができる。
【００２９】
噴霧ノズル３０は、空気を噴霧ノズル３０の外部に放出するように設けられた空気放出孔８を備えることができる。空気放出孔８は、第２噴出孔２に水、水溶液又は噴霧用ガスを供給する流路又は第２噴出孔２を囲むように設けることができる。この空気放出孔８から空気を放出させることにより、ミスト２４の旋回流の外周及びその周囲に空気を供給することができる。このことにより、ミスト２４の旋回流の周囲において被処理ガスが供給した空気と混合され、被処理ガスが冷却される。このため、被処理ガスがミスト２４と混合される前に被処理ガスを冷却することができ、ミスト２４中の酸化剤ガスが熱分解することを抑制することができる。また、空気放出孔８から空気を放出することにより、噴霧ノズル３０の先端部にダストが付着することを防止することができる。また、噴霧ノズル３０の先端部の温度が高くなることを抑制することができる。
【００３０】
空気放出孔８は、１つの放出孔であってもよく、複数の放出孔から構成されてもよい。空気放出孔８は、円環状の放出孔であってもよい。例えば、空気放出孔８は、図１〜３に示したように設けることができる。この場合、第３管６と第４管７との間に空気流路１４を設けることができる。この空気流路１４から供給される空気を空気放出孔８から放出することができる。
噴霧ノズル３０は、例えば、被処理ガスが流れる流路２１の内部の気圧と、大気圧との差により大気中の空気が空気流路１４を流れ空気放出孔８から流路２１に放出するように設けることができる。
【００３１】
図９は、本実施形態の噴霧ノズル３０が組み込まれた排ガス処理装置８０の概略構成図である。排ガス処理装置８０では、ガラス溶解炉４１から排出されるＮＯｘを含む排ガスを排ガス流路４５において排ガス処理する。排ガス流路４５は、排ガス源から大気中への放出までに排ガスが流れる流路である。排ガス流路４５には、反応塔４２及び電気集塵器４３を設けることができる。また、排ガス処理装置８０はボイラの排ガス、ごみ焼却炉の排ガスなどを排ガス処理するものであってもよい。
【００３２】
噴霧ノズル３０は、排ガス流路４５を流れる排ガス中に第２噴出孔２から冷却水７１の微粒子を空気（噴霧用ガス）と共に旋回させながら噴出させ排ガス中に第１ミスト２４を形成するように設けられる。また、噴霧ノズル３０は、第１噴出孔３からオゾン含有ガスを噴出させ第１ミスト２４中にオゾン含有ガスを供給するように設けられる。第１ミスト２４の旋回流によりオゾンガスが第１ミスト２４の外部に拡散することを抑制することができ、第１ミスト２４中の１５０℃以下の局所冷却域において、排ガスに含まれるＮＯガスとオゾンガスとを効率的に反応させることができる。この結果、排ガス中のＮＯガスをＮＯ2ガスに効率的に変換することができる。また、第１ミスト２４よりも上流の排ガスの温度は１５０℃以上である。また、第１ミスト２４よりも上流の排ガスの温度は２００℃以上であってもよい。
【００３３】
複数の噴霧ノズル３０が排ガス流路４５を囲み、それぞれの噴霧ノズル３０が排ガス流路４５の中心部に向けて冷却水７１、オゾン含有ガスなどを噴出するように、複数の噴霧ノズル３０を配置してもよい。また、複数の噴霧ノズル３０からそれぞれ冷却水７１、オゾン含有ガスなどを噴出させ合わさった１つの第１ミスト２４が形成されるように複数の噴霧ノズル３０を設けることができる。このことにより、排ガス流路４５を流れる排ガスのほとんどを第１ミスト２４中を通過させることができ、排ガス中のＮＯガスを効率よくＮＯ2ガスに変換することができる。
【００３４】
排ガス処理装置８０は、排ガス流路４５の第１ミスト２４よりも下流側の排ガス中に少なくともＮａＯＨが溶解した水溶液７２を噴霧し第２ミスト４７を形成するように設けられた噴霧ノズル６７を備えることができる。また、排ガス流路４５を流れる排ガスは、ＳＯｘを含んでもよい。この噴霧ノズル６７を用いて、第１ミスト２４よりも下流側のＳＯｘ及びＮＯ2を含む排ガス中にＮａＯＨ水溶液７２を噴霧することにより第２ミスト４７を形成することができる。噴霧ノズル６７は、例えば二流体噴霧ノズルである。
【００３５】
排ガス流路４５を流れる排ガスはＳＯ2を含み、第２ミスト４７に含まれる微小水滴はＮａＯＨを含むため、第２ミスト４７において次の式（１）のような化学反応を進行させることができる。このため、排ガスに含まれるＳＯ2を除去できる（排ガスを脱硫できる）と共に第２ミスト４７の微小液滴中に還元剤であるＮａ2ＳＯ3を生成することができる。
ＳＯ2＋２ＮａＯＨ  →  Ｎａ2ＳＯ3＋Ｈ2Ｏ・・・（１）
また、排ガス流路４５を流れる排ガスはＮＯがオゾンにより酸化され生成したＮＯ2を含むため、次の式（２）のような気液反応を進行させることができる。
２ＮＯ2＋４Ｎａ2ＳＯ3  →  Ｎ2＋４Ｎａ2ＳＯ4・・・（２）
従って、第２ミスト４７中においてＮＯ2をＮ2に還元することができ、排ガス中のＮＯｘを除去することができる。式（１）、（２）の化学反応は、第２ミスト４７の微小水滴中又は微小水滴と排ガスとの気液界面において進行すると考えられるため、微小水滴の存続期間を、これらの化学反応が進行するために必要な時間（約１秒間必要と考えられる）以上とすることができる。
式（２）の化学反応が進行すると、還元剤であるＮａ2ＳＯ3からＮａ2ＳＯ4が生成し、Ｎａ2ＳＯ4のダストが排ガス中に生じる。
【００３６】
噴霧ノズル６７は、ＮａＯＨと還元剤（例えば、Ｎａ2ＳＯ3）が溶解した混合水溶液を排ガス中に噴霧するように設けてもよい。この場合、排ガス中のＮＯ2を還元剤によりＮ2に還元することができるため、ＳＯｘを含まない排ガス又はＳＯｘ濃度が十分に低い排ガスが排ガス流路４５を流れていてもよい。また、排ガス中のＳＯｘから生成されるＮａ2ＳＯ3だけではＮＯ2を十分にＮ2に還元できない場合に、ＮａＯＨと還元剤が溶解した混合水溶液を噴霧するように噴霧ノズル６７を設けることができる。
【００３７】
噴霧ノズル６７は、第１ミスト２４が消失した後の排ガス中にＮａＯＨ水溶液７２を噴霧して第２ミスト４７を形成するように設けることができる。このことにより、第１ミスト２４と第２ミスト４７とを分離して形成することができ、第２ミスト４７中の還元剤と、第１ミスト２４中のオゾンガスとが反応することを抑制することができる。
【００３８】
図９に示した排ガス処理装置８０のように、噴霧ノズル３０が反応塔４２の内部に第１ミスト２４を形成するように設けられ、噴霧ノズル６７が反応塔４２の内部に第２ミスト４７を形成するように設けられている場合、排ガス処理装置８０は、反応塔４２を流れる排ガス中に冷却水（封水６４）を噴霧して第３ミスト４８を形成するように設けられた噴霧ノズル６８を有することができる。噴霧ノズル６８を設けることにより、第１〜第３ミストにより排ガスを冷却することができ、高温の排ガス（例えば、反応塔４２の流入口における温度が４５０℃以上）であっても、集塵器４３に流入する排ガスの温度を３５０℃以下又は２３０℃以下とすることができる。
【００３９】
排ガス処理装置８０は、排ガス流路４５の第１ミスト２４及び第２ミスト４７よりも下流側に集塵器４３を備えることができる。集塵器４３を設けることにより、排ガス流路４５で生じたＮａ2ＳＯ4のダストを排ガスから除去することができる。集塵器４３は、電気集塵器であってもよく、バグフィルタであってもよい。
【００４０】
排ガス処理実験
図９に示したような排ガス処理装置によりガラス溶解炉から排出される排ガスを処理した。また、噴霧ノズル３０には、図１〜４に示したような噴霧ノズルを用いた。反応塔のダクト径は３．５ｍである。排ガス量は約１３０００Nm3/hであり、反応塔内の約３６０℃の排ガス温度における排ガスの流速は約０．８m/secであった。また、反応塔入口におけるＮＯｘ濃度（酸素濃度１５％に換算時の濃度）は約２２０ppmでありＳＯｘ濃度（酸素濃度１５％に換算時の濃度）は約１８０ppmであり、酸素濃度は約８％であった。
【００４１】
反応塔の内周に等間隔で７本の噴霧ノズル３０を設置して、各噴霧ノズル３０において冷却水と空気とを内部混合した気液混合体を第２噴出孔から反応塔を流れる排ガス中に噴霧し合わさった第１ミストを形成した。各噴霧ノズル３０から噴出させた第１ミストはそれぞれ旋回流を有している。また、各噴霧ノズル３０の第１噴出孔から第１ミスト中に、オゾナイザで生成したオゾン含有ガスを供給した。また、各噴霧ノズル３０の空気放出孔から大気中の空気を反応塔中に流入させた。また、表１に示した噴霧条件１〜３のそれぞれで噴霧ノズル３０から第１ミスト及びオゾン含有ガスを噴出させ排ガス処理実験を行った。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
噴霧ノズル３０よりも下流側の反応塔の内周に等間隔で設置した７本の噴霧ノズル６７により２％ＮａＯＨ水溶液（還元剤を含んでいない）を反応塔を流れる排ガス中に噴霧し第２ミストを形成した。噴霧ノズル６７の総噴霧量は、噴霧条件１〜３でそれぞれ０．３５m3/h、０．４７m3/h、０．４５m3/hであった。
また、噴霧ノズル６８による噴霧は行っていない。また、集塵器には電気集塵器を用いた。
噴霧条件１〜３のそれぞれで行った排ガス処理実験における第１ミストの局所冷却域の温度の測定結果と、オゾンガスによるＮＯの酸化効率（ΔＮＯ／Ｏ3）を表２に示す。また、反応塔入口の排ガス温度は約３６０℃であり、反応塔出口の排ガス温度は約２１０℃であった。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
オゾンガスによるＮＯの酸化効率（ΔＮＯ／Ｏ3）は、反応塔において酸化されたＮＯガスの量ΔＮＯと、第１噴出孔から第１ミスト中に注入したオゾンガスの量とのモル比である。ΔＮＯ／Ｏ3の値が大きいほどオゾンにより酸化されたＮＯガスの量が多いことを示す。また、ΔＮＯ／Ｏ3の値が小さいと、注入したオゾンのうちＮＯの酸化に利用されずに熱分解したオゾンの量が多いと考えられる。
第１ミストの局所冷却域の温度は、条件１〜３のいずれにおいても１００℃以下であり、局所冷却域におけるオゾンの熱分解は抑制されると考えられる。条件１では冷却水の量が条件２、３よりも少ないため、局所冷却域の温度が条件２、３よりも高くなったと考えられる。
【００４６】
ΔＮＯ／Ｏ3の値は、条件１、２では５０％以下であったのに対し、条件３では８０％以上となった。条件２と条件３は、冷却水の噴霧量がほぼ同じであり、噴霧用ガス（空気）の供給圧力が条件２よりも条件３のほうが高い。従って、空気の供給圧力を高くすることによりオゾンガスによるＮＯの酸化効率を向上できることがわかった。
【００４７】
第１噴霧実験
図１〜４に示したような噴霧ノズルを用いて、冷却水と空気とを内部混合した気液混合体を第２噴出孔から噴出させ第１ミストを形成し、第１ミスト内の複数の水滴の平均流速及び水滴の粒子径を測定した。この測定における噴霧条件は表１に示した条件１〜３の水圧、空気圧と同じであり、図１０に示したＡ点、Ｂ点における複数の水滴のＸ方向の平均流速を測定し、Ｂ点における水滴の粒子径を測定した。測定結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
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【００４９】
Ａ点及びＢ点における平均流速は、条件１よりも条件２のほうが速く、条件２よりも条件３のほうが速かった。これは空気圧及び水圧が高いほど複数の水滴の平均流速が速くなるためと考えられる。また、空気圧及び水圧が高いほど第１ミストの旋回流の旋回速度も速くなると考えられる。また、ミスト内の水滴の平均粒径は７０μｍ以下であるため、第２噴出孔から噴出させた水滴は気体の流れにのって浮遊すると考えられる。
【００５０】
排ガス処理実験において条件３でΔＮＯ／Ｏ3の値が高くなった原因は不明であるが、条件３で第１ミストの旋回流の旋回速度が最も速くなると考えられるため、第１ミストの旋回流により、オゾンガスが第１ミストの外部に拡散することが抑制され、オゾンガスが熱分解することが抑制されたためと考えられる。
【００５１】
第２噴霧実験
図２に示した噴霧ノズルのように第１管４（オゾン管）の先端（第１噴出孔３）が噴口面に位置する噴霧ノズル（噴口面からオゾン管の先端までの距離ｄ＝０mm）、図６に示した噴霧ノズルのように第１管４（オゾン管）の先端（第１噴出孔３）が噴口面から突出した噴霧ノズル（ｄ＝２mm）、図７に示した噴霧ノズルのように第１管４（オゾン管）の先端（第１噴出孔３）が噴口面から凹んだ位置に配置された５つの噴霧ノズル（ｄ＝−１mm、−２mm、−３mm、−４mm、−５mm）を作製した。
【００５２】
作製した噴霧ノズルを用いて、冷却水と空気とを内部混合した気液混合体を第２噴出孔から噴出させ第１ミストを形成し、オゾン含有ガスを第１噴出孔から噴出させた。この形成した第１ミストの図１０のＢ点（噴霧ノズル３０の先端からの距離が１０００ｍｍである点）における水滴のザウター平均粒子径Ｄを測定した。また、冷却水の供給流量Ｑｗが１５０L/hとなり、空気の供給流量Ｑａが５００Ｌ／minとなり、オゾン含有ガスの供給流量Ｑｏが１００Ｌ／minとなるように供給圧力を調節した。測定結果を表４、図１１、図１２に示す。
【００５３】
【表４】
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【００５４】
表４、図１１に示したオゾン含有ガスの供給圧力差ΔＰｏはｄ＝０mmとした噴霧ノズルを用いた測定におけるオゾン供給圧力Ｐｏを基準圧とし、この基準圧との差を示している。
表４に示したザウター平均粒子径Ｄは、ｄ＝０mmとした噴霧ノズルを用いた測定において測定されたザウター平均粒子径Ｄを基準（１００％）としてパーセントで表している。表４、図１２に示したザウター平均粒子径の変化率は、この基準平均粒子径からの平均粒子径Ｄの変化率である。
【００５５】
表４、図１１に示したように、ｄ＝−１mm、２mmとした噴霧ノズルを用いた測定におけるオゾン含有ガスの供給圧力Ｐｏは、ｄ＝０mmとした噴霧ノズルを用いた測定おけるオゾン含有ガスの供給圧力Ｐｏ（基準圧）とほぼ同じであったが、ｄ＝−２mm、−３mm、−４mm、−５mmとした噴霧ノズルを用いた測定では、噴口面からのオゾン管の先端までの距離が大きいほど（オゾン管の先端がより深い位置に位置するほど）供給圧力差ΔＰｏは大きくなることがわかった。オゾン管の先端が深い位置にあると、第１噴出孔３が第２噴出孔２から噴出する気液混合体の噴出圧力の影響を受けるため、オゾン含有ガスの供給圧力Ｐｏが大きくなると考えられる。
【００５６】
ｄ＝−１mmとした噴霧ノズルではオゾン管の先端が噴口面から凹んだ位置に配置されているにも関わらず、オゾン含有ガスの供給圧力Ｐｏは、ｄ＝０mmとした噴霧ノズルを用いた測定おけるオゾン含有ガスの供給圧力Ｐｏ（基準圧）とほぼ同じであった。このため、この噴霧ノズルでは、第１噴出孔３から噴出させたオゾン含有ガスは、噴霧ノズルの内部においては第２噴出孔２から噴出させた気液混合体とは混合（内部混合）されず、噴霧ノズルの外部において気液混合体と混合（外部混合）していると考えられる。
【００５７】
表４、図１２に示したように、ｄ＝−１mm、−２mm、−３mm、−４mm、−５mmとした噴霧ノズルを用いた測定では、測定された水滴のザウター平均粒子径Ｄは小さかったが、ｄ＝０mmとした噴霧ノズルを用いた測定での水滴のザウター平均粒子径Ｄはより大きくなり、ｄ＝２mmとした噴霧ノズルを用いた測定での水滴のザウター平均粒子径Ｄはさらに大きくなった。このため、オゾン管の先端の位置がミストに含まれる水滴の平均粒径Ｄに影響を及ぼしていることがわかった。
従って、−２mm≦ｄ＜０mmとすることにより、オゾン含有ガスの供給圧力の上昇を抑えることができ、かつ、ミストに含まれる水滴の平均粒子径Ｄを小さくすることができることがわかった。なお、エアー流量Ｑａが同じである場合、ミストの水滴の平均粒径Ｄが小さいほど冷却効率が高くなる。
【符号の説明】
【００５８】
２：第２噴出孔    ３：第１噴出孔    ４：第１管    ５：第２管    ６：第３管    ７：第４管    ８：空気放出孔    １０：酸化剤ガス流路    １１：水流路    １２：気体流路    １３、１３ａ〜１３ｈ：連通流路    １４：空気流路    １５：気液混合体流路    １６：気液混合部    １７：旋回流形成部    １８：支持部    １９：第２噴出孔の外壁の先端    ２１：被処理ガス流路    ２２：流路壁    ２３：水滴    ２４：第１ミスト    ３０：第１噴霧ノズル    ４１： ガラス溶解炉    ４２：反応塔    ４３：集塵器    ４４：煙突    ４５：排ガス流路    ４７：第２ミスト    ４８：第３ミスト    ４９：水封槽    ５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ：ポンプ    ５５、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ：温度計    ５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ：ガス濃度測定装置    ５８：ＯＲＰ計    ６２：ダスト    ６４：封水（冷却水）    ６６：オゾン発生装置    ６７：第２噴霧ノズル    ６８：第３噴霧ノズル    ６９：エアコンプレッサ      ７１：冷却水    ７２：ＮａＯＨ水溶液（又はＮａＯＨとＮａ2ＳＯ3の混合水溶液）  ８０：排ガス処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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