ベンチュリースクラバー

ベンチュリスクラバーは、高速の入口ガス流のエネルギーを効果的に利用して、ガス流の洗浄に使用す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のグループの一部です。

ベンチュリは粒子状汚染物質とガス状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ものの、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、流体の流れを測定するために100年以上も使用されてきました（ベンチュリ管の名前は、イタリアの物理学者であるジョヴァンニ・バッティスタ・ベンチュリに由来しています）。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、ベンチュリ構成を使用してガス流から粒子を効果的に除去できることを発見しました。図1は、古典的なベンチュリ構成を示しています。^[3]

エジェクタまたはジェットベンチュリスクラバーは、工業用汚染制御装置で、通常は大型炉の排気煙突に設置されますが、他のさまざまな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、エネルギーはプロセス ガスの流れではなく、ノズルからの高圧液体スプレーから得られるため、スクラバーは真空エジェクタとしても機能し、外部からの支援なしにプロセス ガスを装置に引き込むことができます。

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のいずれかで導入されます。入口ガスは、小さなスロート部で非常に高速で移動するように強制され、液体と乱流混合し、非常に小さな液滴を大量に生成します。入口ガス流が小さな液滴の霧と混合されるため、発散部で粒子とガスが除去されます。入口ストリームは、発散部から出て、そこで減速させられます。

液体が収束セクションより上方に導入され、壁をスロートまで覆う場合、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」を持つと説明されます。この方法により、表面に固まりやすい流れ内の粒子が洗い流され、高速でスロートに衝突する粒子の機械的摩耗が軽減されます。これは、ほこりや、窯や炉のガスなどの研磨性または腐食性の粒子を含む高温で乾燥した入口ガスを処理するのに非常に効果的です。

スロートの湿潤は、壁に向けたスプレー、または水が流れる収束セクションを取り囲む堰によって実現できます。この方法は、高速ガスが壁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。液体はスプレー ノズルによってガス流に直接導入することもでき、ガス流速が低い場合は、この方法の方が効率的な操作が可能になる場合があります。用途に応じて、どちらかの方法または両方の方法を使用できます。

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、一定範囲の流量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、より広い範囲の流量で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タイプのオリフィス（スロート面積）は、消費される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、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、それによって環状開口部が縮小または拡大します。ガスは環状開口部を流れ、プランジャーに噴霧されたり上から渦巻き状に巻き込まれたりした液体を霧化します。

丸いスロートを持つウェットスロートベンチュリ（図2および3）は、最大88,000 m ³ /h（40,000 cfm）の流入流量を処理できます。^[4]これを超える流入流量では、追加の堰やバッフルを使用しない限り、均一な液体分配を実現することは困難です。大きな流入流量を処理するために、細長い長方形のスロート（図4）を備えたスクラバー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、}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に導入することで調整できるように構築されることがよくあります。水洗浄スプレーを使用して、収集された物質をプレートから継続的に洗い流します。

もう一つの改良は、ベンチュリロッドまたはロッドデッキスクラバーに見られます。図7に示すように、いくつかのパイプを互いに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の領域は、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発生し、隙間を通過する高速ガスによって、微粒子の収集に必要な小さな液滴が生成されます。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が生成される可能性があります。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る必要があります。

すべてのベンチュリスクラバーには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、メッシュパッド、ブレードセパレーターはすべて、排気ガスから液滴を取り除き、液体をスクラバーの水に戻すために使用されます。

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、あらかじ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動作します。高圧スプレー ノズル (最大 689 kPaまたは 100 psig ) は、ベンチュリ狭窄部のスロート セクションに向けられます。

エジェクタ ベンチュリは、ファンやブロワーの助けを借りずにプロセス ガスを移動できるため、利用可能なスクラビング システムの中でもユニークです。ノズルから噴射される液体スプレーにより、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。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 ガスをベンチュリや施設のプロセス システムを通じて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。

洗浄液滴を形成するためのエネルギーは、注入された液体から得られます。ベンチュリの喉部を通過する高圧スプレーは、多数の微細な液滴を形成し、ガス相と液体相の間で乱流混合を引き起こします。非常に高い液体注入速度が、ガス移動能力と高い収集効率を提供するために使用されています。他のタイプ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。残留する小さな液滴を除去するために、混入分離器が一般的に使用されます。

霧化された液体は、塵粒子が衝突する多数の小さな液滴を提供します。粒子を含んだこれらの液滴は、通常はサイクロン分離器によってスクラバー出口ストリームから除去する必要があります。

スロート内のガス速度が速いため乱流が増加するため、圧力降下が増加すると粒子除去効率が高まります。ベンチュリは12 ミリバールから 250 ミリバールの範囲の 圧力降下で動作できます。

ほとんどのベンチュリは通常、50 ～ 150 cm (20 ～ 60 インチ) の水圧低下で作動します。この圧力低下では、スロート セクションのガス速度は通常 30 ～ 120 m/s (100 ～ 400 フィート/s) で、最高速度は約 270 mph です。この高い圧力低下により、運用コストが高くなります。

液体注入速度、つまり液体対ガス比(L/G) も粒子収集に影響します。スロート領域に十分な液体を塗布し、蒸発による損失を補うには、適切な量の液体を注入する必要があります。液体が不十分な場合、必要な捕捉効率を提供するのに十分な液体ターゲットがありません。

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 )未満では、通常、スロートをカバーするのに十分ではなく、1.3 L/m 3} (10 gal/1000 ft ³ )を超えて追加しても、通常、粒子収集効率は大幅に向上しません。

エジェクタベンチュリは、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、粒子が凝縮可能でない限り、サブミクロンサイズの粒子には使用されません。^[5]粒子の収集は、主に排気ガス（プロセスから）がスプレーを通過する際の衝突によって行われます。

スロート領域で発生する乱流によっても、粒子が湿った液滴と接触して収集されます。粒子収集効率は、ノズル圧力の増加および/または液体対ガス比の増加に伴って増加します。これら 2 つの動作パラメータのいずれかが増加すると、特定のシステムの圧力降下も増加します。したがって、圧力降下が増加すると、粒子収集効率も増加します。エジェクタベンチュリは、他のほとんどの粒子スクラバーよりも高い L/G 比で動作し (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 )、特にプロセスガスの駆動に使用される場合は、より高い液体圧力が必要になることがよくあります。

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、入口ガス速度が高いため、液相とガス相の接触時間が非常に短くなります。この接触時間が短いため、ガスの吸収が制限されます。ただし、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オープンな設計になっているため、特に次のような場合に、ガス状および粒子状の汚染物質を同時に除去するのに非常に有効です。

• スケーリングが問題になる可能性がある
• 流入流には高濃度の塵埃が含まれている
• 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けやすく、化学的に反応しやすい

ガスの吸収を最大化するために、ベンチュリは粒子を収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ます。吸収のために、ガス速度は低く、液体とガスの比率は高くなります。

ベンチュリの設計によっては、ガス速度が低下すると圧力降下（流れに対する抵抗）も低下し、その逆も同様です。したがって、圧力降下を低下させることで、ガス速度が低下し、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の液体対ガス比は、約 2.7 ～ 5.3 L/m ³ (20 ～ 40 gal/1000 ft ^{3 ) です。ガス速度が低下すると、相間の接触時間が長くなり、}吸収が向上します。

液体とガスの比率が増加すると、液体中の汚染物質の潜在的な溶解度が増加します。そのため、この目的にはエジェクタ ベンチュリスクラバーが代わりに使用されることが多いのですが、他の要因によって、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るものの、一般的にはPM（粒子状物質）と高溶解性ガスまたは反応性ガスの制御に限定されています（ EPA、1992年、EPA、1996年）。^[6]

エジェクターベンチュリは、容器内の排気ガス速度が非常に速いため、ガスと液体の接触時間が短くなります。この接触時間が短いため、システムの吸収効率が制限されます。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、ガスが非常に溶解しやすい場合や、非常に反応性の高い洗浄剤を使用する場合は効果的です。これらの場合、除去効率は最大95％に達します。^[5]

ベンチュリスクラバーの主なメンテナンス上の問題は、ガス速度が高いためにスクラバーシェルが磨耗することです。スロート内のガス速度は時速 430 km (270 mph) に達することがあります。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、スロートをシリコンカーバイドレンガで覆うか、交換可能なライナーを取り付けることで軽減できます。摩耗はスロートセクション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、スクラバーの下部にあるエルボ (セパレーターにつながる部分) を浸水させます (つまり、スクラビング液のプールで満たします)。粒子と液滴が液体のプールに衝突し、スクラバーシェルの摩耗を軽減します。

摩耗を軽減する一般的な方法は、プレクリーナー（急冷スプレーやサイクロンなど）を使用して、より大きく損傷を与える粒子を除去することです。これには、液体が運ぶ粒子負荷を軽減するという追加の利点もあります。

ベンチュリの喉部での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に効率的 (より効果的なスプレー パターンを持つ) であるため、液体分配に使用されます。ただし、液体が再循環するとスプレーノズルが簡単に詰まることがあります。自動または手動のリーマーを使用してこの問題を修正できます。ただし、重い液体スラリー(粘性または粒子負荷のいずれか) が再循環される場合は、オープン堰注入が必要になることがよくあります。

エジェクタベンチュリは、ノズルとスロートなどの高速領域で摩耗の問題を抱えています。液体の注入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ります。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です。さらに、ガスの速度が高いため、過剰な液体のキャリーオーバーを防ぐためにエントレインメントセパレーターを使用する必要があります。セパレーターは、詰まりが発生した場合に清掃できるように、簡単にアクセスまたは取り外しできる必要があります。

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るスクラバーです。ベンチュリは汚染ガスの吸収にも使用できますが、充填塔やプレート塔ほど効率的ではありません。

ベンチュリスクラバーは、非常に高い収集効率で粒子を収集するように設計されており、その効率は 99% を超えることもあります。ベンチュリスクラバーは高温で大量の入口を処理できるため、多くの産業で非常に魅力的です。そのため、ベンチュリスクラバーは多くの産業用途で粒子状物質の排出を削減するために使用されています。この能力は、セメント窯の排出削減や、入口ガスが 350 °C (660 °F) を超える温度でスクラバーに入る鉄鋼業界の酸素炉からの排出制御に特に望ましいものです。

ベンチュリスクラバーは、工業用ボイラーやユーティリティボイラーからのフライアッシュや二酸化硫黄の排出を制御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]

エジェクタベンチュリは、オープン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を幅広く処理できます。ただし、サブミクロン粒子の除去にはあまり効果的ではありません。小、中、大の排気流量を処理できるという利点があります。特定の用途に応じて、単独で使用することも、2 つ以上の直列の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収集効率が必要な場合に使用されています。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。

• エジェクタベンチュリスクラバー
• ベンチュリー効果

• アンダーソン 2000 社。ベンチュリ洗浄装置。操作およびメンテナンス手順書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。
• Bethea, RM 1978. 大気汚染制御技術。ニューヨーク：Van Nostrand Reinhold。
• Buonicore, AJ 1982. 湿式スクラバー。L. Theodore および AJ Buonicore (編)、『大気汚染制御装置、設計、選択、操作および保守』。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. 移動するガス流からのエアロゾル粒子の沈着。工業および工学化学。41:2417-2423。
• Kelly, 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。

ウィキメディア・コモンズには、ベンチュリスクラバーに関連するメディアがあります。

• 大気汚染トレーニングコース（米国 EPA の大気汚染トレーニング研究所の Web サイトより）