概要
重力による自然沈降により粒子・粉じんを分離する装置を重力集塵装置といいます。
一般には上図に示すような重力沈降室内に処理ガスを供給し、下から沈降した粒子を取り出し分離します。
集塵原理が単純である一方で、集塵率はそれほど高くなく40～60%ほどと言われています。
したがって、重力集塵装置単独で粒子を捕集しきることは難しく、他の集塵装置と組み合わせて使用されることがほとんどです。
特に粒径分布の広い粒子を捕集する場合は、前処理で重力集塵装置を使用して大きい粒子を捕集し、後段に微細な粒子を捕集できる集塵装置を設置するような組み合わせが考えられます。
100%分離限界粒子径
上図のように粒径dp[m]の粒子を重力沈降により捕集することを考えます。
重力沈降室内の流れが完全な層流だと考えると、水平方向にはガスの流速u[m/s]と同一の速度で粒子も移動します。
(乱流だと粒子が舞い上がる可能性があるので、原理上層流が好ましいです。)
一方で、鉛直方向には重力で加速しながら落下し、最終的には流体抵抗を受けて速度一定となります。
このときの速度を終末沈降速度vg[m/s]といい、十分に層流の場合は、
$$v_{g}=\frac{(ρ_{p}-ρ_{g})^2gd_{p}}{18μ}・・・(1)$$
ρp：粒子密度[kg/m3]、ρg：ガス密度[kg/m3]、g：重力加速度[m/s2]
dp：沈降粒子径[m]、μ：ガス粘度[Pa・s]
(1)式で表されます。
したがって、鉛直方向と水平方向の移動速度の比vg/uは、
$$\frac{v_{g}}{u}=\frac{(ρ_{p}-ρ_{g})^2gd_{p}}{18μu}・・・(2)$$
(2)式となります。
ここで、重力沈降室で完全に分離できる粒子径を考えます。このときの粒子径を100%分離限界粒子径dp100といいます。
長さL、高さHの沈降室とすると、室入口で高さHの位置に流入した粒子が水平方向にL、鉛直方向にH移動すれば、ちょうどぎりぎり分離できることになります。
したがって、(2)式の左辺は粒子の移動距離の長さの比H/Lに対応するため、
$$\frac{H}{L}=\frac{(ρ_{p}-ρ_{g})^2gd_{p100}}{18μu}$$
$$d_{p100}=\sqrt{\frac{18μHu}{(ρ_{p}-ρ_{g})^2gL}}・・・(3)$$
100%分離限界粒子径dp100は(3)式で表されます。
ガス密度ρgが粒子密度ρpよりも十分小さい場合は、ρp-ρg≒ρpと近似できるので、
$$d_{p100}=\sqrt{\frac{18μHu}{ρ_{p}^2gL}}・・・(4)$$
(4)式に簡略化できます。
(4)から一般的に、ガス流速u、ガス粘度μ、沈降室高さHが小さいほど、あるいは粒子密度ρpが大きく沈降室長さLが長いほど小さい粒子を分離できるようになります。
まとめ
重力集塵装置について解説しました。
最も簡単な集塵装置でありますが、集塵率が低く単独ではほとんど使用されません。