塗装技術の門

　集じん装置の集じん率を支配する諸因子のうち、最も大きな因子はダストの粒径分布です。各種集じん装置の一般的な部分集じん率曲線は図のとおりになります。図からわかるように、集じん率に最も大きな影響を与えるのはダストの粒径分布です。
　集じん装置の部分集じん率からダストの大部分が数μm以上の場合には、遠心力集じん装置で十分であり、数μm以下が主体となる場合は、洗浄集じん装置、ろ過集じん装置、電気集じん装置などの中から条件に合うものを選択することになります。各種集じん装置の実用範囲は表のとおりで、各集じん装置の特徴は次のとおりになります。
　重力集じん装置は、流速が小さいほど細かいダストが捕集できますが、装置が大きくなり設備費が高くなります。
　慣性力集じん装置には、煙道内に衝突板を設置して粒子を捕集する衝突式のものと、含じんガス流の方向転換によって粒子を捕集する反転式のものがあります。表のルーバー形は通常煙道に挿入して使用されますので、排ガス流速に近い速度での集じんとなります。
　遠心力集じん装置は、一般に流速が大きいほど集じん率は高くなりますが、限界を超えるとかえって集じん率は低下してしまいます。一方、圧力損失は流速の2乗で増加するので流速が大きいほど運転費がかさむことになります。通常10m/s前後の流速で使用されます。
　洗浄集じん装置のうち、充填塔やスプレー塔は流速が小さいほど集じん率が高くなり、一般に1m/s以下で使用されます。一方、ベンチュリースクラバーやジェットスクラバーでは、流速が大きいほど集じん率は高くなりますが、ガス流速が桁違いに大きく、その分圧力損失も大きくなるため、運転費が著しくかさみます。
　隔壁形集じん装置のバグフィルターは、流速が小さいほど細かいダストが捕集でき、また、電気集じん装置と並んで高い集じん率が得られますが、他の集じん装置と比較して流速が桁違いに小さいため、ガス流量が多い場合には装置が大型になります。
　電気集じん装置は、乾式では集じん電極に付着したダストの再飛散、ガス流による同伴を、湿式では、集じん電極の表面に形成された水膜のガス流による波立ちを考慮しての運転になります。このため、一般にガス流速は3m/s程度に抑えられています。火力発電所など、粉じん濃度が高く、排ガス流量が多い設備での使用が多く大型の設備が多いです。

　燃焼排ガスのばい煙の性状は、発生源施設の種類や形式、構造、燃料や原材料の種類や構成、燃焼条件あるいは操作条件によって著しく変化し、集じん装置の性能を大きく左右します。集じん率に影響を与えるダストの性状としては、粒径分布、濃度、密度、成分分布、見かけ電気抵抗率、吸湿性、付着性など、また、ガスの性状としては、ガス量、水分量、露点、粘度、温度、成分、密度、圧力などがあります。
　一方、安全性の点からダストおよびガスの爆発性、毒性が、また、耐久性の面から腐食性、摩耗性などの問題があります。
　主な発生源からのダストの濃度と粒径は表のとおりです。また、汎用的に使われている微粉炭燃焼ボイラーと重油燃焼ボイラーの特徴を次に示します。
　微粉炭燃焼ボイラーのダスト濃度に最も影響を与えるのは石炭中の灰分で、灰分が多いほどダスト濃度は高くなります。また、ダストの粒度に最も大きな影響を与えるのは石炭の微粉度で、微粉度が細かいほど粒径分布は細かくなります。
　また、およそ粒子径45μm以下の微粒子は微粉炭の完全燃焼に伴って灰分がいったん溶融し、温度降下によって凝縮し生成するためきれいな球状をしています。一方、粒子径45μm以上の粗粒子は、微粉炭の不完全燃焼に伴って生成したもので、不規則な形状をしています。
　ダストの密度は2.1✕10^3kg/㎥で、かさ密度は700kg/㎥程度であります。ダストの主成分は二酸化ケイ素（シリカ、SiO2）、酸化アルミニウム（アルミナ、AI2O3）になります。二酸化ケイ素が多いほど、酸化ナトリウムや未燃カーボンブラックが少ないほどダストの見掛け電気抵抗率は高くなります。また、排ガス中の水分とSO2は多いほど見掛け電気抵抗率を低下させる効果があります。
　重油燃焼ボイラーでは、酸素量を絞った運転（低酸素燃焼）を行うと、三酸化硫黄（SO3）および一酸化炭素の生成量は少なくなりますが、未燃カーボンが増えます。ダスト濃度は0.1～0.2g/㎥N程度でありますが、近年の低硫黄重油では一般に0.1g/㎥N以下に減少しています。ダストの粒径分布はボイラーの構造や燃料の相違によるばらつきが極めて少ないです。
　ダストの形状は、粒子径20μm前後の比較的粗いアッシュ、コークス状の多孔質粒子と、粒子径0.01μm程度の極めて微細なカーボンブラック主体で、一般にカーボンブラックは30％前後含まれており、相当に凝集しています。燃焼ガス中には通常11％程度の水分と20ppm前後のSO3が含まれ、ダスト表面に吸着されて酸性ダスト（アシッドスマット）を生成します。

発生源施設	濃度	粒径
微粉炭燃焼ボイラー	高品位炭　20g/㎥N　 低品位炭　35～45g/㎥N	中位径　15～35μm
重油燃焼ボイラー	0.1～0.2g/㎥N	粒子径　20μmと0.01μmの 2種類
黒液燃焼ボイラー	5～6g/㎥N	中位径　0.1～0.3μm
焼結炉	0.5～2.5g/㎥N	粒子径　5μm以下20～60％ 粒子径　10μm以下30～50％
転炉	スタビライザー入口　15～25g/㎥N ガス回収の場合一次集じん装置入口 70～80g/㎥N	中位径　0.2μm
電気炉	発生場所　10～30g/㎥N 集じん装置入口　2～10g/㎥N	中位径　0.1μm前後
鋼鉄用溶鉱炉	3～5g/㎥N
セメント製造炉	操業条件により著しく異なる
骨材乾燥炉	50～60g/㎥N	粒子径　10μm以下20～30％
非鉄金属溶解炉	10～30g/㎥N程度
ディーゼル機関	重油燃焼ボイラーの1/3	粒子径　20μmと0.02μmの 2種類
ガスタービン	ばいじん濃度低い	粒子径　0.01μmのカーボン ブラックが主体

　気流中に含まれる固体粒子の分離操作は一般に集じんと呼ばれ、従来から化学工業を中心に固-気系機械的分離操作として活用されてきました。有価物質の回収、有害物質の除去などの目的で気流中の固体粒子を分離する装置を集じん装置といいます。集じん操作の対象となる固体粒子はダストと呼び、1μm以下のフュームも含めてダストという場合も多いです。
　一方、液体粒子も集じんの対象となり、10μm以下の液体粒子をミストと呼び、その除去のための装置をミスト分離装置または気液分離器、あるいはデミスターと呼んでいます。
　集じん装置によってダストを分離捕集する場合、処理ガスの特性とともに、ダストの特性に応じて装置の種類を選定し、仕様を決定し、操作条件を決めます。ダストの種類には、粉細やふるい分けなどの機械的工程から発生するものと、燃料の燃焼過程から発生する煙、および焼結、加熱、溶融、溶接など固体が蒸発し、これが凝縮して生成するヒュームとがあります。こうしたダストの生成過程により、また使用する原料によってその物理的・化学的性質が異なります。
　ダストの特性としては、粒子そのものの密度、粒子形状、表面の粗さ、かさ密度、比表面積、摩擦角、付着性や親水性、毒性、爆発性などが挙げられます。中でも、ダストの特性として常に検討の対象とされるのは、濃度と粒径分布です。そして、これらはダストの種類、すなわち発生源の施設によってほぼ定まります。
　大気汚染防止法で排出規制の対象となるばいじん濃度は標準状態（0℃、101.32kPa）の乾きガスに換算した単位体積当たりの粒子質量、すなわちg/㎥Nで測定、表示されます。粒子径の分布を表す方法としては、積算分布（ふるい上分布）によるものと頻度分布（各粒子径ごとの存在割合）によるものがあります。頻度分布とふるい上分布の関係は下図のとおりになります。
積算分布（ふるい上分布）：ダストの粒径分布を任意の粒子径より大きい粒子が全体に対して占める割合で表す方法で残留率ともいい、記号としてR（％）を用います。
頻度分布：ダストの粒径分布を、適当な粒子径間隔ごとに質量または個数割合で表す方法。
最大頻度径：頻度分布曲線においてピークに対応する粒子径のことで、モード系とも呼びます。
中位径：ふるい上曲線において、R=50%に対応する粒子径のことで、メディアン径あるいは50％粒子径と呼びdp50で表します。