ベンチュリースクラバー
ベンチュリスクラバーは、高速入口ガス流のエネルギーを効果的に利用し、ガス流の洗浄に使用される液体を霧化するように設計されています。このタイプの技術は、総称して湿式スクラバーと呼ばれる大気汚染制御システムの一部です。
ベンチュリは粒子状およびガス状の汚染物質の両方を収集するために使用できますが、提供される液体表面積は非常に大きいにもかかわらず、粒子は接触によって捕捉できますが、ガスは比較的短い露出時間中に吸収によって捕捉される必要があるため、粒子を除去するのにより効果的です。
ベンチュリ装置は100年以上もの間、流体の流量を測定するために使用されてきました（ベンチュリ管はイタリアの物理学者ジョヴァンニ・バッティスタ・ベンチュリにちなんで名付けられました）。1940年代後半、HF・ジョンストン[ 1 ]、ウィリアム・ジョーンズ[ 2 ]、およびその他の研究者は、ベンチュリ構成を効果的に利用してガス流から粒子を除去できることを発見しました。図1は、典型的なベンチュリ構成を示しています。[ 3 ]
エジェクター式またはジェット式ベンチュリスクラバーは、産業用汚染制御装置であり、通常は大型炉の排気煙突に設置されますが、その他の排気システムにも使用できます。他のベンチュリスクラバーとは異なり、プロセスガスの流れではなく、ノズルから噴射される高圧液体の噴霧からエネルギーを得るため、スクラバーは真空エジェクターとしても機能し、外部からの補助なしにプロセスガスを装置内に引き込むことができます。
手術
ベンチュリスクラバーは、収束部、スロート部、および発散部の3つのセクションで構成されています。入口ガス流は収束部に入り、面積が減少するにつれてガス速度が増加します。液体はスロートまたは収束部の入口から導入されます。入口ガスは、小さなスロート部で非常に高速に強制的に移動させられ、液体と乱流混合し、多数の非常に微細な液滴を生成します。入口ガス流が微細な液滴の霧と混合されることにより、発散部で粒子とガスが除去されます。その後、入口ガス流は発散部から排出され、そこで強制的に減速されます。
液体が収束部より上方から導入され、スロート部まで壁面を覆っている場合、ベンチュリは図2に示すように「ウェットウォール」または「ウェットスロート」を持つと表現されます。この方法により、表面に固着しやすい流体中の微粒子が洗い流され、高速でスロート部に衝突する微粒子による機械的摩耗が軽減されます。これは、窯炉ガスなど、 粉塵や研磨性または腐食性の微粒子を含む高温で乾燥した入口ガスの処理に非常に効果的です。
スロート部の湿潤は、壁面に向けたスプレー、または水が通過する収束部を囲む堰によって実現できます。この方法は、高速ガスが壁面から液滴をせん断するため、液体注入源でのみ使用できます。また、スプレーノズルから液体を直接ガス流に注入することもできます。ガス流速が低い場合は、この方法の方が効率的な場合があります。用途に応じて、どちらか一方、または両方の方法を採用できます。
単純なベンチュリはスロート面積が固定されているため、ある一定の流量範囲でのみ効率的に動作します。可変スロートベンチュリは、ガス流量に応じてスロートのサイズを変更することで、はるかに広い範囲の流量にわたって効率を維持できます。真のベンチュリよりも乱流を生成する特定の種類のオリフィス（スロート面積）は、消費エネルギーの一定単位に対して同等の効率であることが判明し、これらの発見の結果、環状オリフィス、または可変スロートのベンチュリスクラバー（図5）の開発につながりました。[ 3 ]スロート面積のサイズは、プランジャーまたは調整可能なディスクをスロート内で上下に動かすことで変化し、それによって環状の開口部が縮小または拡大します。ガスは環状の開口部を流れ、液体を霧化します。液体はプランジャーに噴霧されるか、上から渦巻き状に吹き込まれます。
丸いスロートを持つウェットスロートベンチュリ（図2と図3）は、88,000 m 3 /h（40,000 cfm）もの流入量に対応できます。[ 4 ]流入量がこれを超えると、堰やバッフルを追加しない限り、均一な液体分配を実現するのは困難です。大流量の流入量に対応するため、細長い長方形のスロートを持つスクラバー（図4）が使用されてきました。[ 3 ]長方形のスロートベンチュリは、多くの場合、図6に示すように、可動プレートまたはフラップをスロート内に導入することで調整できるように作られています。水洗浄スプレーを使用して、集められた物質をプレートから継続的に洗い流します。
もう一つの改良型は、ベンチュリロッドまたはロッドデッキスクラバーです。図7に示すように、複数のパイプを平行に配置することで、一連の縦方向のベンチュリ開口部を作成できます。[ 3 ]隣接するロッドの間は小さなベンチュリスロートです。水スプレーは固形物の蓄積を防ぐのに役立ちます。液体の主な霧化はロッドで起こり、隙間を高速で移動するガスが微粒子の収集に必要な小さな液滴を生成します。この方法では、他のタイプと比較してスロートの周囲が非常に長いため、ガス流中に非常に高い水滴密度を生成できます。これらのロッドは、高速が存在するため、耐摩耗性材料で作られていなければなりません。
ベンチュリスクラバーには必ずエントレインメントセパレーターが必要です。これは、スクラバーを通過するガスの速度が高いため、出口のクリーンガス流に液滴が巻き込まれる傾向があるためです。サイクロン式、メッシュパッド式、ブレード式などのセパレーターは、排ガスから液滴を除去し、液体をスクラバー水に戻すために使用されます。
エジェクターベンチュリスクラバー
スプレータワーと同様に、エジェクターベンチュリスクラバーは予め形成されたスプレーを使用します。ただし、エジェクターベンチュリスクラバーでは、多数のノズルではなく、1つのノズルのみが使用されます。このノズルは、ほとんどのスプレーチャンバーよりも高い圧力と高い噴射速度で作動します。高圧スプレーノズル（最大689 kPaまたは100 psig ）は、ベンチュリスの絞り部のスロートセクションに向けられます。
エジェクターベンチュリは、ファンやブロワーを必要とせずにプロセスガスを移動させることができるため、既存のスクラビングシステムの中でも独自の構造をしています。ノズルから噴射される液体の噴霧により、スクラバーのサイドダクト内に部分的な真空状態が生成されます。この部分的な真空状態はベルヌーイ効果によるもので、化学実験室で使用される水吸引器に似ています。この部分的な真空状態を利用して、プロセスガスをベンチュリ内だけでなく、施設のプロセスシステム全体に移動させることができます。詰まりやすい物質、爆発性ガス、または極めて腐食性の高い雰囲気の場合、システムからファンをなくすことで、多くの潜在的な問題を回避できます。
スクラビング液滴形成のエネルギーは、噴射された液体から得られます。ベンチュリのスロートを通過する高圧スプレーは、多数の微細な液滴を形成し、ガス相と液相の間に乱流混合をもたらします。非常に高い液体噴射速度が、ガス移動能力と高い捕集効率を実現するために用いられます。他の種類のベンチュリと同様に、ガス流から混入した液体を分離する手段を設置する必要があります。残留する微細液滴を除去するために、一般的に エントレインメントセパレーターが使用されます。
インラインベンチュリスクラバー
インラインベンチュリスクラバーは、ベンチュリスクラバーの一種で、ベンチュリスクラバーのスロート部分が別容器を介さずにガス流に直接組み込まれています。この設計により、高速度のガス-液体接触領域が形成され、粒子捕捉効率が向上します。インラインベンチュリスクラバーは、排出抑制とエネルギー回収の両方が求められる産業用途に使用できます。例えば、一部のシステムでは、スクラビングプロセスと熱交換器を組み合わせて、浄化されたガス流から熱エネルギーを回収します。 [ 5 ]これらの設計は、微細粉塵や超微細粉塵を含む粒子状物質の除去効率を高くすると同時に、施設全体のエネルギー消費量を削減することが報告されています。
粒子収集
霧化された液体は、ダスト粒子が衝突する多数の微小液滴を生成します。粒子を含んだこれらの液滴は、通常はサイクロン式分離器によってスクラバー出口流から除去する必要があります。
圧力降下が大きくなると、スロート部におけるガス流速の上昇による乱流の増加により、粒子除去効率が向上します。ベンチュリは12ミリバールから250ミリバールの 圧力降下で運転可能です。
ほとんどのベンチュリーは通常、50～150cm（20～60インチ）の水柱圧力損失で動作します。この圧力損失では、スロート部におけるガス流速は通常30～120m/s（100～400フィート/s）、高い場合は約270mph（時速）になります。このような高い圧力損失は、運用コストの上昇につながります。
液体注入速度、すなわち液体対ガス比（L/G）も粒子捕集に影響します。スロート部を十分に覆い、蒸発による損失を補うためには、適切な量の液体を注入する必要があります。液体が不足すると、必要な捕集効率を得るのに十分な液体ターゲットが得られません。
ほとんどのベンチュリシステムは、L/G比0.4～1.3 L/m 3 (3～10 gal/1000 ft 3 )で動作します。[ 4 ] L/G比が0.4 L/m 3 (3 gal/1000 ft 3 )未満の場合、通常はスロートを覆うのに十分ではなく、1.3 L/m 3 (10 gal/1000 ft 3 )を超えて追加しても、通常は粒子収集効率が大幅に向上しません。
エジェクターベンチュリスクラバー
エジェクターベンチュリーは、直径1.0μmを超える粒子の除去に効果的です。これらのスクラバーは、粒子が凝縮可能な場合を除き、サブミクロンサイズの粒子には使用されません。[ 6 ]粒子の捕集は、主にプロセスからの排気ガスがスプレーを通過する際に衝突によって行われます。
スロート部で発生する乱流は、粒子を湿潤液滴に接触させ、捕集します。粒子捕集効率は、ノズル圧力の上昇および／または液ガス比の上昇に伴って向上します。これらの2つの動作パラメータのいずれかが増加すると、特定のシステムにおける圧力降下も増加します。したがって、圧力降下の増加は粒子捕集効率も向上します。エジェクターベンチュリは、他のほとんどの微粒子スクラバーよりも高いL/G比（つまり、他のほとんどの設計の0.4～2.7 L/m 3 と比較して7～13 L/m 3）で動作し、特にプロセスガスの駆動に使用される場合は、より高い液体圧力も必要になることがよくあります。
ガス収集
ベンチュリスクラバーはガス状汚染物質の除去に使用できますが、ガス状汚染物質の除去のみが目的の場合は使用されません。
ベンチュリスクラバーでは、入口ガス流速が高いため、液相とガス相の接触時間が非常に短くなります。この短い接触時間により、ガス吸収が制限されます。しかし、ベンチュリスクラバーは他のスクラバーに比べて比較的開放的な設計であるため、特に以下の場合に、ガス状汚染物質と粒子状汚染物質の同時除去に非常に有効です。
- スケーリングが問題になる可能性がある
- 入口流には高濃度の塵埃が存在する
- ほこりが粘着性があり、開口部を塞ぐ傾向がある
- ガス状汚染物質は液体と非常に溶解性が高いか化学的に反応しやすい
ガスの吸収を最大化するために、ベンチュリーは粒子を捕集するために使用される条件とは異なる条件で動作するように設計されている。ガス速度は低く、吸収のために液体とガスの比率は高い。
ベンチュリの設計において、ガス流速が低下すると圧力損失（流動抵抗）も低下し、逆もまた同様です。したがって、圧力損失を低減することでガス流速が低下し、それに応じて滞留時間が長くなります。これらのガス吸収用途における液ガス比は約2.7～5.3 L/m 3 (20～40 gal/1000 ft 3 )です。ガス流速の低下により、相間の接触時間が長くなり、吸収効率が向上します。
液体とガスの比率を高めると、液体中の汚染物質の潜在的な溶解度が高まります。そのため、この目的にはエジェクターベンチュリスクラバーがしばしば使用されますが、他の要因によっては、一般的なベンチュリスクラバーが選択される場合もあります。
ベンチュリスクラバーは揮発性有機化合物（VOC）をある程度偶発的に制御することはできますが、一般的にPM（粒子状物質）と高溶解性ガスや反応性ガスの制御に限られています（EPA、1992年；EPA、1996年）。[ 7 ]
エジェクターベンチュリスクラバー
エジェクターベンチュリは、容器内を通過する排気ガスの速度が非常に高いため、ガスと液体の接触時間が短くなります。この接触時間の短さが、システムの吸収効率を制限します。エジェクターベンチュリは主にガス除去には使用されませんが、ガスの溶解性が非常に高い場合や、反応性の高い洗浄剤を使用する場合には効果的です。これらの場合、除去効率は最大95%に達します。[ 6 ]
メンテナンスの考慮事項
ベンチュリスクラバーの主なメンテナンス上の問題は、高いガス流速によるスクラバーシェルの摩耗、つまり摩滅です。スロート部におけるガス流速は時速430キロメートル（270マイル）に達することもあります。このような速度で移動する粒子や液滴は、スクラバーシェルを急速に侵食する可能性があります。
摩耗は、スロート部にシリコンカーバイド製のライニングを施すか、交換可能なライナーを取り付けることで軽減できます。摩耗はスロート部の下流でも発生する可能性があります。ここでの摩耗を軽減するには、スクラバー下部のエルボ（分離機につながる部分）を浸水させる（つまり、スクラビング液で満たす）ことができます。粒子や液滴がこの液溜まりに衝突することで、スクラバーシェルの摩耗を軽減します。
摩耗を軽減するための一般的な手法として、プレクリーナー（クエンチスプレーやサイクロンなど）を使用して、より大きく、より有害な粒子を除去することが挙げられます。これには、液体に含まれる粒子の負荷を軽減するという利点もあります。
ベンチュリスロートにおける液体注入方法も問題を引き起こす可能性があります。スプレーノズルは堰よりも液体注入効率が高い（より効果的なスプレーパターンを形成できる）ため、液体分配に使用されます。しかし、液体を再循環させるとスプレーノズルが詰まりやすくなります。この問題は、自動または手動のリーマーを使用することで解決できます。ただし、高粘度または粒子を多く含む液体スラリーを再循環させる場合は、開放堰からの注入が必要となることがよくあります。
エジェクターベンチュリスクラバー
エジェクターベンチュリは、高速域（ノズルとスロート）で摩耗の問題を抱えやすい。液体の噴射速度とノズル圧力が高いため、どちらも耐摩耗性材料で作られている必要がある。液体を再循環させるポンプのメンテナンスも非常に重要だ。さらに、ガス流速が高いため、過剰な液体のキャリーオーバーを防ぐため、エントレインメントセパレーターの使用が必要となる。セパレーターは、目詰まりが発生した場合に清掃できるよう、容易にアクセスまたは取り外し可能である必要がある。
まとめ
ベンチュリスクラバーは、あらゆる湿式スクラビング システムの中で最も高い粒子収集効率（特に非常に小さな粒子の場合）を実現します。
ベンチュリー式スクラバーは、開放型構造のため、目詰まりや熱傷を起こすことなくほとんどの粒子を除去できるため、最も広く使用されています。ベンチュリー式スクラバーは汚染ガスの吸収にも使用できますが、充填塔やプレート式スクラバーほど効率的ではありません。
ベンチュリスクラバーは、非常に高い捕集効率（時には99%を超える）で粒子を捕集するように設計されています。高温下でも大きな入口容積に対応できるベンチュリスクラバーの能力は、多くの産業にとって非常に魅力的であり、多くの産業用途において粒子状物質の排出削減に使用されています。この能力は、セメント窯からの排出削減や、鉄鋼業界の酸素炉からの排出抑制に特に有効です。これらの炉では、入口ガスが350℃（660℉）を超える温度でスクラバーに流入します。
ベンチュリスクラバーは、産業用ボイラーや公共事業用ボイラーからのフライアッシュや二酸化硫黄の排出を抑制するためにも使用されます。 ベンチュリスクラバーの動作特性は表1に示されています。[ 3 ]
| 表1.ベンチュリスクラバーの動作特性 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 汚染物質 | 圧力降下（Δp） | 液ガス比（L/G） | 液体入口圧力（p L） | 除去効率 | |
| ガス | 13～250 cmの水（5～100インチの水） | 2.7～5.3 L/m 3 (20～40 ガロン/1,000 ft 3 ) | < 7-100 kPa (< 1-15 psig) | 汚染物質の溶解度に応じてベンチュリあたり30～60％ | |
| 粒子 | 50～250 cmの水（50～150 cmの水が一般的）20～100インチの水（20～60インチの水が一般的） | 0.67～1.34 L/m 3 (5～10 gal/1,000 ft 3 ) | 90～99%が典型的 | ||
エジェクターベンチュリスクラバー
エジェクターベンチュリーは、開放型設計でファンを必要としないため、腐食性粒子や粘着性粒子など、幅広い粒子を処理できます。ただし、サブミクロン粒子の除去効果はそれほど高くありません。小流量、中流量、大流量の排気ガスを処理できるという利点があります。用途に応じて、単独で使用することも、2段以上を直列に接続して多段で使用することもできます。 多段システムは、粒子やガス状汚染物質の極めて高い捕集効率が求められる場合に使用されてきました。多段システムでは、ガスと液体の接触時間が長くなり、吸収効率が向上します。
| エジェクターベンチュリの動作特性[ 8 ] | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 汚染物質 | 圧力降下（Δp） | 液ガス比（L/G） | 液体入口圧力（p L） | 除去効率 | アプリケーション |
| ガス | 1.3～13cmの水 | 7～13 L/m 3 | 100～830 kPa | 非常に溶解性の高いガスの場合95％ | パルプ・製紙産業化学プロセス産業食品産業金属加工産業 |
| 粒子 | 0.5～5インチの水 | 50～100ガロン/1,000平方フィート | 15～120 psig | 直径1μm | |
参照
参考文献
- ^ Johnstone, HF; Roberts, MN (1949-11-01). 「移動するガス流からのエアロゾル粒子の沈着」. Industrial & Engineering Chemistry . 41 (11): 2417– 2423. doi : 10.1021/ie50479a019 . ISSN 0019-7866 .
- ^ Jones, William P. (1949-11-05). 「ベンチュリスクラバーの開発」. Industrial & Engineering Chemistry . 41 (11): 2424– 2427. doi : 10.1021/ie50479a020 . ISSN 0019-7866 .
- ^ a b c d eコース SI 412C: レッスン 3米国 EPA 大気汚染トレーニング研究所とノースカロライナ州立大学工学部 (NCSU)の共同研究
- ^ a b Brady, JD, LK Legatski. 1977. ベンチュリスクラバー. P.N. Cheremisinoff, RA. Young (編)『大気汚染制御・設計ハンドブック 第2部』ニューヨーク: Marcel Dekker.
- ^ 「PMIにおける廃熱の持続可能なエネルギーへの変換 | JOA Air Solutions」joaairsolutions.com/。2025年8月21日閲覧。
- ^ a b Gilbert, JW 1977. ジェットベンチュリによる煙除去. P.N. CheremisinoffおよびRA. Young編『大気汚染制御・設計ハンドブック』第2部. ニューヨーク: Marcel Dekker.
- ^米国EPAクリーンエアテクノロジーセンター
- ^ *米国EPA大気汚染研修所はノースカロライナ州立大学工学部（NCSU）と共同で開発された。
参考文献
- アンダーソン2000社。ベンチュリ洗浄装置。操作・保守マニュアル付きエンジニアリングマニュアル。アトランタ：アンダーソン社。
- ベシア、RM 1978. 大気汚染制御技術. ニューヨーク：ヴァン・ノストランド・ラインホールド.
- Buonicore, AJ 1982. 湿式スクラバー. L. TheodoreおよびAJ Buonicore編著『大気汚染防止装置、設計、選定、運転および保守』Englewood Cliffs: Prentice-Hall.
- Calvert, S. 1977. 微粒子スクラバーの選び方. 化学工学. 84:133-140.
- Johnstone, HF, MH Roberts. 1949. 移動ガス流からのエアロゾル粒子の沈着. Industrial and Engineering Chemistry. 41:2417-2423.
- ケリー、JW 1978年12月4日「ベンチュリトレイスクラバーのメンテナンス」化学工学。
- McIlvaine社、1974年、『ウェットスクラバーハンドブック』、イリノイ州ノースブルック：McIlvaine社。
- リチャーズ、JR 1995. 粒子状物質排出の制御（APTIコース413）米国環境保護庁。
- リチャーズ・JR 1995. ガス状排出物の制御（APTIコース415）米国環境保護庁
外部リンク
- 大気汚染研修コース（米国環境保護庁の大気汚染研修所のウェブサイトより）
