急速冷卻裝置及其方法

2023-10-19 19:59:27

專利名稱：急速冷卻裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種可完全防止例如從各種焚燒爐、熔爐等排出的有害物質中二惡英類的二次合成的急速冷卻裝置及其方法。
背景技術：
用於焚燒爐、熔爐等燃燒裝置中的冷卻裝置在廢棄物處理，金屬冶煉設施、紙漿的漂白工序、水泥、玻璃、陶瓷的各工廠，以及化學原料、化學製品的製造工廠等廣泛的產業領域中使用。
但是，現實中，從這些設施、工廠中經冷卻處理後排出的氣體中對人體有害的二惡英類將再次合成，因而持續破壞大氣和地球的環境，在全世界的範圍內一直呼籲改善這一現狀。
因此，開發了各種用於除去作為大氣汙染物質、對人體有害的二惡英類的速冷裝置。
可是，眾所周知，這種二惡英類的除去裝置或方法是作為防止高溫燃燒產生的二惡英類的高溫分解、高溫狀態下向大氣中排放的排氣的冷卻時有可能產生的合成二惡英類發生的手段，均存在著結構複雜、不能有效、廉價地實現的問題。
即，由於燃燒裝置中800℃以上的高溫處理，燃燒物質中的氯成分、氫成分等構成合成樹脂的有機物質等成為完全反應和被分解的元素分子，成為高溫排氣而存在。在這種狀態下，雖然對人體有害的二惡英類被分解而成為無害，但當冷卻而下降到二惡英類的再合成溫度的340℃左右時，存在二惡英類將再次合成而重新產生的不良情況。
為了杜絕從高溫下被分解的高溫排氣中再次合成二惡英類的現象，在試驗中已經獲知，需要在千分之十六秒以下的瞬間，將處於分解狀態的800℃左右的高溫排氣速冷到再合成溫度、即340℃以下的低溫，國家也正式承認。
本發明是根據上述情況而提出的，其目的在於對本發明人在先申請的特願平11-105250號(特許第3127249號)和特願平11-138841號(特許第3125217號)的發明進一步改進，提供一種冷卻效果更加優良，不產生二惡英類等的再合成的急速冷卻裝置及其方法。
發明的公開本發明為一種急速冷卻裝置，其特徵是，在使從各種爐中生成的二惡英類的構成化學分子處於分解狀態的高溫排氣從導入開口部嚮導出開口部通過的速冷筒體內配設多級使冷卻介質通過的熱交換用管體，同時沿著上述高溫氣體的通過方向，速冷筒體的截面積逐漸減小，而且，本發明還涉及一種急速冷卻方法，在使上述高溫排氣以所希望的流速通過的過程中經由管等冷卻介質進行熱交換，與隨著高溫氣體的溫度降低產生的容積減小相對應地減小速冷筒體的截面積，在不產生速冷筒體內的流速減小地保持在初始流速的狀態下，將高溫氣體冷卻到所希望的溫度。
附圖的簡單說明

圖1為表示本發明所涉及的急速冷卻裝置一實施方式的主要結構的剖視圖，是圖2的I-I向剖視圖。
圖2為圖1的II-II向剖視圖。
圖3為圖1的III-III向剖視圖。
圖4為圖1的IV-IV向剖視圖。
圖5為表示本發明所涉及的急速冷卻裝置其他實施方式的主要結構的縱向剖視圖。
圖6為表示本發明所涉及的急速冷卻裝置另一實施方式的主要結構的縱向剖視圖，是圖7的VI-VI向剖視圖。
圖7為圖6的平面說明圖。
實施發明的優選方式為了對本發明進行詳細描述，參照附圖加以說明。
在此，本發明中所稱的二惡英類包含存在75種同分異構體、同族體的多氯化二苯並對二惡英(Poly-chlorinated dibenzo-p-dioxinsPCDDs)和存在135種同分異構體、同族體的的多氯化氧芴(Ploy-chlorinated dibenzofuransPCDFs)，另外，在多氯化聯苯(PCB)中也存在209種同分異構體、同族體，具有共偏平結構的12種共面PCB(Co-PCBs)的同分異構體、同族體毒性強，其生化作用類似於PCDDs，Co-PCBs存在於PCBs的製品種，同時與PCDDs、PCDFs一樣，在廢棄物的焚燒裝置中生成，大面積汙染環境，所以包括Co-PCBs在內，總稱為二惡英類。
以下表示其結構式。 x+y＝1～8 x+y＝4～7(1)PCDDs (2)PCDFs (3)Co-PCB二惡英類的(化學)結構式以下，與附圖一起對本發明的實施方式一例加以說明。
1為速冷裝置，具備立體形狀的室構成的速冷筒體2，從平面觀察時為四邊形，最好為長方形，側面是上下方向長，正面、背面是隨著朝向下方變窄。3是表示在該速冷筒體2的上側或下側上開口的導入開口部(圖示為上側)，可導入從各種爐中生成的二惡英類的構成化學分子為分解狀態的例如800℃以上的高溫排氣。4為該速冷筒體2的下側或上側開口的、速冷處理後的低溫排氣，即稱為二惡英類的合成溫度的300℃以下、例如270℃以下的排氣的導出開口部(圖示為下側)。
但是，為了使速冷筒體2隨著從上部的開口部3朝向下部的開口部4其開口面積逐漸減小，所以成為圖1中所示的錐狀部t狹窄的圓筒面，對流入的高溫排氣的流量、即流體體積進行節流。
另外，錐狀部t的圓筒面無論是在速冷筒體2的橫截面為四邊形的情況下或者是圓形的情況下均可形成，既可以是僅在相對向的面上形成，也可以環繞四周形成，呈方錐形狀或者圓錐形狀。
5為具有截面為圓形、方形等適當形狀的熱交換用的冷卻管，採用耐熱性強的不鏽鋼、鈦或鋯等金屬或者耐熱性陶瓷等，以多極、多個重疊配置在速冷筒體2內，同時從一方的開口端朝向另一方的開口端供應冷卻空氣或冷卻液體。
在冷卻管5中，於必要的部位設置提高熱交換效果的吸熱用翼片(未圖示)，並且冷卻管5如圖2、圖3和圖4所示，將多個隔開一定的間隔整齊排列在同一平面上，形成平面冷卻管組a，這種平面冷卻管組a在上述速冷筒體2內順序朝同一方向錯開若干位置，其截面呈方格狀，多級配置使其重疊，然後，沿著這些冷卻管5之間，從上到下形成排氣流路F。
這種多級的隔著間隔配設的平面冷卻管組a、a......上，如圖3和圖4所示，將從上下3級到4級的平面冷卻管組a、a......歸為一個區段，在上下方向上相互鄰接的區段之間，在相反方向上設置冷卻介質的導入口6和導出口7，以增加冷卻效果。導入口6和導出口7如圖所示形成在兩處，並且在平面冷卻管組a、a......的各區段的入口側和出口側上形成冷卻介質擴張的室6a、7a，有效地保持冷卻介質的分散和集合。
附圖標記8、9表示可在冷卻筒體2的上下部計測排氣溫度等的計測器具等(未圖示)的安裝孔。
根據上述的結構對其作用加以說明。
另外，對冷卻介質採用冷卻空氣的情況加以說明。
速冷裝置1的速冷筒體2的導入開口部3上，通過從各種爐中排出的排氣，以所希望的壓力、所希望的流速導入二惡英類的分解溫度以上、例如800℃～900℃以上的高溫氣體。
另一方面，在冷卻管5上，通常溫度或低溫的冷卻空氣通過各區段的每一個平面冷卻管組a、a......的導入口6沿左右交叉的相反方向流入，經由各冷卻管5的管壁有效地與高溫氣體進行熱交換，成為溫熱氣體後從導出口7排出。
隨著高溫氣體從速冷筒體2的上部向下部前進，通過多級的平面冷卻管組a、a......被快速冷卻，溫度逐漸降低，同時體積也急劇減小。
由於速冷筒體2是隨著從上部的導入開口部3向下部的導出開口部4前進而開口面積逐漸減小，成為錐狀部t狹窄的筒周面，所以通過冷卻體積減小的被處理高溫氣體的流速通過速冷筒體2的導入開口部3流入時的流速幾乎不會改變，保持大致相同的流速通過速冷筒體2的內部，並從下部的導出開口部4作為降低到所希望的低溫的氣體排出。
但是，為了有效地速冷高溫氣體，雖然增大冷卻介質相對於高溫氣體的溫度差比較好，但在本實施方式中，由冷卻管5形成的平面冷卻管組a、a......的區段結構使冷卻氣體在左右交叉的前進方向上是不同的，能夠儘可能地增大高溫氣體與冷卻管5接觸面上的溫度差，所以可將高溫氣體速冷。
在冷卻過程中再次合成二惡英類的排氣的情況下，由於是分解溫度以上的800℃～900℃的高溫狀態，高溫氣體超過了二惡英再合成溫度的300℃左右，必須要急速冷卻到200℃～250℃，通常，其冷卻時間如上所述在千分之十六秒以內，必須要在非常短的時間內進行處理。
若排氣導入時的溫度為900℃，導出時的溫度降低到200℃，則從冷卻筒體2的上部向下部前進時各部的膨脹率順序按如下算出。
a)900℃的膨脹率273+9002734.296]]>b)800℃的膨脹率273+800273=3.930]]>c)700℃的膨脹率273+700273=3.564]]>···n)200℃的膨脹率273+200273=1.732]]>由於高溫的排氣隨著溫度的下降其體積收縮，所以在本實施方式中，以該算出的數值為基準，形成冷卻筒體2的錐狀部t的狹窄結構的筒周面即可。
而且，若使排氣的流速為20米/秒，則為了使從900℃下降到200℃，需要20m161000=0.32m]]>即，要將相當於冷卻筒體2的高度的排氣通過距離設定為0.32m＝32cm。
以下，參照圖5對本發明的實施方式其他例子的速冷裝置1A加以說明。
本實施方式是將上述的實施方式中速冷筒體2的錐狀部t變更成階段性減少的臺階狀1，通過製成速冷筒體2上下方向上的容積大小階段性變小的速冷筒體2A，與上述的實施方式同樣地不會使和高溫狀態的排氣的熱交換產生的體積收縮相對應的流速減小，可保持初始流速，使其在短時間內通過。
另外，冷卻管5的結構、冷卻氣體的流入、以及流出方法等與上述的實施方式相同，沒有不同之處，標以相同的附圖標記，省略詳細說明。
另外，參照圖6和圖7對本發明其他實施方式加以說明。
本實施方式與上述的兩個實施方式不同，使高溫的排氣朝向速冷裝置1B的速冷筒體2B上沿縱向隔著小間隔配設的多個流通管12分開導入，另一方面，冷卻氣體如圖6中的箭頭符號所示，為從速冷筒體2B的兩側朝向互為相反的方向通過多級的分隔室10、10......內。
然後，流通管12隨著向下方前進逐漸減少其配設數，減少到與相當於因溫度下降而收縮的排氣的體積的容積接近的根數，也就是說如圖所示，排氣的流路階段性地縮小，因此排氣的流通能夠與上述的實施方式相同地將導入時的初始流速和導出時的流速保持大致一致，即使在千分之十六秒內這種非常短的時間內，也能夠使排氣下降到二惡英類的再合成溫度以下的低溫進行排氣。
而且，流通管12的材質是配置在溫度最高狀態的最上級(I)的材質為鋯，或者鉭制，在溫度降低的中間級(II)上為鈦制，在最下級(III)上為鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金(SUS 316)制，可實現耐熱、耐腐蝕效果。
另外，排氣的導入開口部和導出開口部均與上述的實施方式相同，以相同的附圖標記表示。而且，附圖標記11表示將分隔室10、10隔開的隔壁。
以上，對本發明所涉及的速冷裝置示出了幾個實施方式，但作為冷卻介質，也可以採用冷卻水等液體以取代冷卻空氣。
而且，雖然圖中未示出，但在作為高溫的廢氣等排氣進行低溫速冷處理的情況下，包含二惡英類在內，在700℃～800℃以下的低溫狀態下二惡英類未完全分解時，要將其再次加熱，使二惡英類為完全分解的狀態，並且在排氣中存在浮遊的霧沫的情況下，使其通過高溫的多級集粉器將其除去，保持在800℃以上的高溫，導入上述各速冷筒體2、2A、2B的導入開口部3。
工業上的可利用性根據本發明，由於能夠速冷從各種爐中排出的廢氣等高溫排氣，所以能夠以燃燒裝置開始組裝在熔爐等機械設備的一部分中加以利用，同時，特別是能夠將從作為廢棄物處理而使用的各種焚燒爐等產生的被稱為二惡英類的再合成降低到國家規定的標準值、即處理能力為4噸/小時以上的廢棄物焚燒爐中為0.1ng-TFQ/m3N以下，由於基本上完全防止了再合成，所以可緊湊、簡單地組裝在現有的或新設的燃燒系統的一部分中。
另外，根據本發明，由於結構簡單，所以能夠應用於高溫排氣的冷卻之外的各種冷卻裝置中，而且價格低廉，能夠批量生產。
權利要求
1.一種急速冷卻裝置，其特徵是，在使排氣等高溫氣體從導入開口部嚮導出開口部通過的速冷筒體內配設多級使冷卻介質通過的熱交換用管體，同時沿著上述高溫氣體的通過方向，速冷筒體的截面積逐漸減小。
2.根據權利要求1所述的急速冷卻裝置，其特徵是，速冷筒體截面積的減小能夠儘可能平滑地形成。
3.根據權利要求1所述的急速冷卻裝置，其特徵是，速冷筒體截面積的減小能夠階段性形成多級。
4.一種急速冷卻方法，在使排氣等高溫氣體以所希望的流速通過的過程中經由管等冷卻介質進行熱交換，與隨著高溫氣體的溫度降低產生的容積減小相對應地減小速冷筒體的截面積，在不產生速冷筒體內的流速減小地保持在初始流速的狀態下，將高溫氣體冷卻到所希望的溫度。
5.根據權利要求4所述的急速冷卻方法，其特徵是，高溫排氣為從焚燒爐等中排出的二惡英類處於分解狀態的高溫氣體，在速冷筒體內的冷卻時間為千分之十六秒以內冷卻到二惡英類再合成溫度以下。
6.一種急速冷卻裝置，其特徵是，在使排氣等高溫氣體分散通過的速冷筒體內縱向設置的多條高溫氣體用管體沿著高溫氣體的通過方向其數量逐漸減少，階段性地形成多級，同時在上述速冷筒體內設置從側方冷卻上述高溫氣體用管體的冷卻介質的熱交換用冷卻流路。
7.一種急速冷卻方法，其特徵是，在冷卻介質流通的速冷筒體內，使排氣等高溫氣體在與該冷卻介質的流動相交叉地配設的多條高溫氣體用流通管內分散通過，同時，上述高溫氣體用流通管隨著向流通方向前進其配設數量減少，能夠使進行熱交換而被冷卻的高溫氣體的流速與入口側的流速大致相同地排出。
8.根據權利要求7所述的急速冷卻方法，其特徵是，高溫氣體為從焚燒爐等中排出的二惡英類處於分解狀態的氣體，在速冷筒體內的冷卻時間為千分之十六秒以內，將其冷卻到二惡英類再合成溫度以下。
全文摘要
一種急速冷卻裝置，通過使高溫的排氣沿著在重疊構成的冷卻環境中形成的流路中在短時間內通過，並且減少流路的截面積，使容積收縮，可速冷到二惡英類的合成溫度以下，防止二惡英類的發生，其特徵是，在使排氣等高溫氣體從導入開口部嚮導出開口部通過的速冷筒體內配設多級使冷卻介質通過的熱交換用管體，同時沿著上述高溫氣體的通過方向，速冷筒體的截面積逐漸減小。
文檔編號F23J15/06GK1422377SQ01807940
公開日2003年6月4日 申請日期2001年3月29日 優先權日2000年4月13日
發明者田村哲人 申請人:田村哲人