集塵機の種類、原理、用途

持続可能性に対する世界的な注目が高まる中、環境保護は、特に重大な公害を伴う産業にとって最重要の関心事となっている。近年、厳しい環境規制により、基準を満たさない数多くの工場が閉鎖に追い込まれ、効果的な汚染防止対策の重要性が浮き彫りになっている。

この傾向を踏まえて、産業用空気汚染防止において重要な技術である集塵機の基本的な動作原理を掘り下げていく。これらのシステムは、製造施設内の空気品質を維持し、環境への影響を低減する上で重要な役割を果たします。これらの原理を理解することで、エンジニアと施設管理者は、集塵システムの導入と最適化について十分な情報に基づいた決定を下すことができます。

さらに、今後の記事では、産業環境内のさまざまな集塵システムの管理におけるプログラマブルロジックコントローラ（PLC）のアプリケーションを実証する実践的なケーススタディを探ります。これらの実例は、高度な制御システムがどのように集塵プロセスの効率と効果を高め、環境性能の向上と規制遵守につながる可能性があるのかを説明します。

業界関係者、環境エンジニア、工場運営に携わる方々には、この貴重な情報にぜひご注目いただきたい。提供される洞察は、生産的で持続可能な製造慣行を維持しながら、環境規制の複雑な状況を乗り切る上で役立つことでしょう。

集塵機の分類と除塵プロセス

1.集塵機の分類

集塵機は、その動作原理、設置構成、除塵プロセスにおける液体の有無など、さまざまな基準に基づいて分類することができる。

1. 作用機序による分類：
   a) 機械式集塵機：
   • 重力式集塵機：粒子の重力沈降を利用する。
   • 慣性力集塵機：気流の方向を急激に変化させる。
   • 遠心力集塵機：回転力を利用して粒子を分離します。
     b) 電気集塵装置（ESP）：静電荷を利用して粒子を捕捉する。
     c) ファブリックフィルター集塵機：フィルター媒体を使用して微粒子を捕捉する。
     d) 湿式スクラバー：液体を用いて塵埃を捕捉・除去する。
2. インストール構成による分類：
   a) 縦型集塵機：直立型で、床面積が限られている場合によく使用される。
   b) 横型集塵機：横型に構成され、高さ制限のある設置に適している。
3. 除塵媒体による分類：
   a) 乾式集塵機：液体を介さずに作動する。
   例サイクロン、バグハウス、電気集塵装置。
   b) 湿式集塵機：粉塵除去プロセスに液体を利用する。
   例ベンチュリースクラバー、スプレータワー、湿式ダイナミックセパレーター。

各タイプの集塵機は、特定の利点を提供し、粒度分布、ガス流特性、収集効率要件、および運転条件などの要因に基づいて選択される。集塵機の選択は、工業プロセスにおける大気汚染防止システムの全体的な性能と効率に大きく影響する。

2.集塵機の主な構成部品

集塵機システムはいくつかの主要コンポーネントで構成され、各コンポーネントは産業用空気流から粒子状物質を効率的に除去する上で重要な役割を果たす。主なコンポーネントは以下の通り：

1. 入口ダクト：汚染された空気をシステムに導入する特別に設計された入口。この入口は、最適な空気流速を維持し、乱流を最小限に抑えるよう設計されており、効率的な粒子分離を実現します。
2. 分離室：除塵スペースまたは除塵室とも呼ばれ、固体と気体の分離が行われる中核部品である。集塵機のタイプにより、このチャンバーは遠心力、布ろ過、静電沈殿などさまざまなメカニズムを利用して、空気流から塵埃粒子を分離する。
3. 収集ホッパー：分離チャンバーの底部に位置し、分離されたダスト粒子を集めて一時的に貯蔵する。粉塵の排出を容易にするため、一般的に円錐形に設計されています。
4. ダスト排出口：集塵ホッパーから蓄積された粉塵を除去する排出機構。これには、粉塵の特性とシステム要件に応じて、ロータリーバルブ、スクリューコンベア、または空気輸送システムが含まれる。
5. 清浄空気プレナム：ダスト除去後にフィルターでろ過された空気を集めるチャンバー。この空間によってエアフローが均等に分配され、システム圧力のバランスが保たれる。
6. 清浄空気出口：濾過された空気の出口で、通常、システムを通じて必要な気流を維持するためのファンまたは送風機を備える。この出口は、用途に応じて、再循環のためにダクトに接続されたり、大気に排出されたりする。
7. フィルター・メディア：バグフィルターシステムでは、この部品が微粒子を捕捉するために重要である。フィルターバッグ、カートリッジ、またはエンベロープフィルターで構成され、特定の粉塵特性と運転条件に適したさまざまな素材で作られています。
8. 清掃機構：フィルターメディアを定期的に清掃し、過度の圧力低下を防ぎ、捕集効率を維持するシステム。これには、集塵機の設計に応じて、パルスジェット洗浄、逆エアー洗浄、または機械的振とうが含まれる。

3.除塵プロセス

(1) 捕獲分離プロセス

捕獲と移行段階ダスト濃度

この初期段階では、最初はキャリア媒体中に分散または懸濁しているダスト粒子が、コレクターのダスト除去チャンバーに入る。外力がこれらの粒子に作用し、粒子を分離界面に向かわせる。ダストが移動するにつれて、その濃度は徐々に増加し、効率的な固気分離の準備が整います。

分離段階：

高濃度のダスト流が分離界面に到達すると、主に2つのメカニズムが作用する：

まず、担体媒体のダスト担持能力が限界に近づく。ダストの懸濁と沈降のバランスが主に沈降の方にシフトし、重力沈降によってキャリア媒体からダストが分離しやすくなる。

第二に、高濃度ダスト流の中では、粒子の挙動が拡散から凝集へと移行する。粒子は互いに合体するか、媒体界面に付着して吸着される傾向があり、分離効率をさらに高める。

(2) 粉塵除去プロセス

分離後、濃縮されたダスト粒子は、収集またはさらなる処理のために、指定されたダスト排出口から流される。

(3) 排気プロセス

粒子状物質を実質的に含まない浄化された空気流は、排気口から排出され、除塵サイクルが完了する。

一般的な集塵機とその原理

1.バッグフィルター

バグフィルターとは、ろ過原理を応用した除塵装置の一種。有機繊維や無機繊維のろ布を使用し、気体中の粉塵をろ過する。

パルスジェット集塵バグフィルターの構造は、上箱、中箱、下箱、制御弁で構成される。含塵ガスは空気入口からバッグ式集塵機の中箱に入り、バッグの外側から布バッグに入る。

ホコリはフィルターバッグの外側の表面でブロックされ、浄化された空気はバッグに入り、布袋の上部から上部ボックスに入り、最後に排気管で排出される。

濾過中の濾過袋の吸縮を防ぐため、濾過袋に支持枠をセット。パルスバルブでパルス制御し、高速・高圧の空気流を濾過袋に噴出させることで、濾過袋を急激に膨張・収縮させ、衝撃と振動を発生させる。

袋の外側に付着したダストの一部は、重力によって下部の灰袋に落ち、一部は内部から外部への瞬間的な空気流によって吹き飛ばされ、灰ホッパーに入る。最後にダスト排出バルブから排出される。

このタイプの集塵機は、空気を止めることなく灰をきれいにすることができる。

主に工業廃ガスから微粒子や微細粉塵を分離するために使用され、冶金、鉱業、セメント、火力発電所、建築材料、鋳造、化学工業、タバコ、アスファルトミキサー、穀物、機械加工、ボイラーダスト除去などの産業で広く使用されています。

2.電気集塵装置

電気集塵式空気清浄機の動作原理は、高電圧の直流電界を利用して空気中の気体分子をイオン化し、電界力の作用で2極に移動する多数の電子とイオンを生成する。

これらの荷電粒子が移動する際、気流中の塵埃やバクテリアに遭遇し、それらを帯電させる。荷電粒子は電界力の作用により、反対電荷を持つ極板に移動する。電界の作用により、空気中の遊離イオンも両極に移動する。

電圧と電界強度が高いほど、イオンの移動速度は速くなる。

電気集塵装置の利点：

粒子を効果的に除去できる高い分離効率；

処理ガス量が多く、抵抗が小さい；

高温および腐食性ガスに適している；

運転コストが低い。

デメリット

投資コストが高く、設備が巨大で、床面積が広い；

機器の製造、設置、メンテナンスに対する高い要求；

ホコリの性質に敏感である。

1）電気集塵装置の基本タイプ

電気集塵装置は、集塵装置本体と電源装置から構成される。

集塵装置本体は、放電極、集塵極、気流分配装置、灰掃除機構、絶縁装置、シェルなどを含む。

シングルゾーン（ステージ）電気集塵装置

シングルゾーン集塵機では、粒子の帯電と集塵のプロセスが同じエリアで行われます。つまり、コロナ電極と集塵機が同じエリアにあります。

ダブルゾーン（ステージ）電気集塵装置

ダブルゾーン電気集塵装置では、粒子帯電と沈降集塵が2つの別々の領域で行われる。

第1エリアには塵埃を帯電させるための電極群が設置され、第2エリアには塵埃を沈降させて捕集するための電極群が設置される。

主に空調システムに使用される。

3.機械式集塵機

機械式集塵装置は、重力、慣性力、遠心力などの機械的な力を利用して、ガスから塵埃粒子を分離する装置である。

このタイプの集塵機は主に重力集塵機、慣性集塵機、サイクロン集塵機を含む。

機械式除塵装置の特徴は、構造が簡単で、コストが低く、使用とメンテナンスが便利で、粒子濃度が高く、ガス量が多いガスを処理できることである。また、高温の排ガス処理にも適応できます。

しかし、一般的には多段除塵や、高い除塵効率を必要としない用途に使用される。

1.重力除塵チャンバー

重力沈殿槽とも呼ばれる。

塵埃と気体の密度差を利用し、重力の作用で塵埃を気流から自然に沈降分離させる除塵装置である。

最もシンプルなタイプの除塵装置である。

2.慣性集塵装置

主な特徴

シンプルな構造で低抵抗。

重力沈降チャンバーに比べ、除塵効率は高いが、それでも低効率集塵機の範疇に入る。一般的には、一次除塵や高効率集塵機の前段除塵に使用される。

本装置は、粒径10～20µm以上の金属粉や鉱物粉の捕集に適している。ただし、凝集性のある繊維質の粉塵は詰まりやすいため不向きです。

4.湿式集塵機

粉塵には爆発性があるため、その潜在的な危険性にますます注目が集まっている。

その結果、湿式集塵機の使用も普及してきた。

すべての湿式集塵装置の基本原理は、液滴と比較的小さなダスト粒子との接触と結合を促進し、それによって捕捉しやすい大きな粒子を生成することである。

この過程で、塵埃粒子は、より大きな液滴と塵埃粒子との結合、質量または密度を増加させるための水の吸収、集塵機内の低温での凝縮性粒子の形成と成長など、さまざまな方法を用いて大きくなる。

湿式集塵機は、その構造から次のように分類できる：

1.重力式スプレー湿式除塵機

重力式スプレースクラバーは、構造がシンプルで抵抗が少なく、操作が簡単なことで知られている。しかし、水の消費量が多く、大きな設備と面積を必要とし、ダスト除去効率が低い。

スプレースクラバーのような重力式スプレー湿式集塵機がこのカテゴリーに入る。

スプレー式洗浄集塵機

2.サイクロン式湿式集塵機

サイクロンスクラバーは5μm以上の粉塵の除去に適している。サブミクロンの粉塵の浄化には、ベンチュリースクラバーの後ろに直列に接続し、凝縮した水滴の脱水機として機能させることがよくあります。サイクロンは、特定のガス状汚染物質を吸収するためにも使用できます。

縦型サイクロン水膜集塵機

3.自励式湿式集塵機

自励式集塵機は、コンパクトな構造、小さな設置面積、建設と設置の容易さ、良好な負荷適応性、および低水消費量という利点を有する。

しかし、比較的高価で、圧力損失が大きい。

自励式湿式集塵機

4.パッキン式湿式集塵機

パック式湿式集塵機、例えばパック式タワーや乱流ボールタワーなど。

パックド・タワー

乱流ボールタワー

5.発泡ウエットダストリムーバー

発泡式湿式除塵装置、例えば発泡式集塵装置やサイクロン式ダストトラップなど。

泡洗浄除塵剤

6.ベンチュリー式湿式集塵機

ベンチュリー式スクラバーは、微粉塵の除去効率が高く、高温ガスを冷却できることで知られている。

そのため、製鉄高炉や製鋼電気炉などで発生する高温排ガスの冷却や除塵に多用されている。また、非鉄製錬や化学製造における各種炉排ガスの浄化にも使用されている。

ベンチュリー式スクラバーは、構造がシンプルで小型、レイアウトが自由、投資コストが低いという利点があるが、圧力損失が大きくなる可能性がある。

ベンチュリースクラバー