サイクロン（遠心力集じん装置）の原理（分離限界径・圧力損失・ブローダウン）

サイクロンの原理（旋回流の遠心力で壁へ飛ばす）

排ガスは円筒の上部に接線方向から吹き込まれ、円筒から円錐へとらせんを描いて下降します。

このとき重い粒子には遠心力がはたらき、外側の壁へ押しやられます。

壁に達した粒子は気流から外れ、壁づたいに下のホッパー（ダスト受け）へ落ちてたまります。

粒子を失って軽くなったガスは、中心で向きを変えて上昇し、上部の出口から清浄ガスとして抜けていきます。

旋回流は二層に分かれます。外側は外周ほど速度が遅くなる自由渦、中心の渦芯（うずしん）付近は流体がまとまって回る強制渦に近い運動です。

可動部がなく構造が単純なので、安価で丈夫、高温や高濃度の排ガスにも耐えます。

その代わり、ごく細かい粒子は遠心力が足りずに気流へ残るため、集じん率は中くらいです。

そこで、数ある集じん装置のなかでは、バグフィルターや電気集じん装置の前段で粗い粒子を先に落とす前処理（プレクリーナー）として置かれることが多くなります。

分離限界径とは（50％を捕集できる粒径）

分離限界径（分離限界粒子径）とは、その粒径の粒子をちょうど50％の割合で捕集できる粒径のことです。

これより大きい粒子はほとんど捕まり、これより小さい粒子は気流に乗って逃げやすい、という境目の目安になります。

分離限界径は、運転条件と装置の大きさで変わります。

入口流速が大きいほど、また本体（円筒）の径が小さいほど、遠心力が強くはたらくため、分離限界径は小さくなります。

つまり、流速を上げ、径を絞るほど、より細かい粒子まで捕れるようになります。

ただし、流速を上げると圧力損失（ガスを通す抵抗＝送風機の負担）が増えます。

圧力損失は入口ガス流速の2乗に比例するため、流速を上げた分よりも抵抗の増え方が急になります。

細かい粒子まで捕る性能と、圧力損失（送風動力）は引き換えの関係にあります。

ブローダウンとは（再飛散を防いで効率を上げる）

ブローダウンとは、ダスト排出部（ホッパー側）から、入口流量の一部にあたるガスを引き抜く操作です。

抜き出す量は、入口流量に対して5〜20％程度が目安です。

ねらいは、いったんホッパーへ落ちたダストが上昇流に巻き込まれて再び舞い上がる再飛散を防ぐことです。

ガスを少し引き抜くと、ホッパー付近の乱れがおさまり、壁ぎわの下降流が強まって、落ちたダストが安定してたまります。

その結果、分離限界径が小さくなり、集じん率が上がります。

引き抜いたガスにも粒子は含まれるため、ブローダウンしたガスは別の集じん装置で受けて処理します。

ほかの集じん方式との違い

サイクロンの位置づけは、原理と得意な粒径、圧力損失でほかの方式と比べると見えてきます。

サイクロンは、粗い〜中くらいの粒子を低コストで落とす役回りで、細かい粒子の仕上げは不得手です。

細かい粒子まで高効率でとらえたいときは、粒子を帯電（荷電）させて集める電気集じん装置や、ろ布でこし取るバグフィルターが受け持ちます。

そのため実際の設備では、サイクロンで粗い粒子を先に落とし、後段のバグフィルターや電気集じん装置で細かい粒子を仕上げる組み合わせがよく使われます。

ばいじん・粉じん特論での問われ方

サイクロンは、計算問題と正誤問題の両方で繰り返し出題されます。

令和7年度 ばいじん・粉じん特論 問4では、回転半径と円周方向速度から遠心効果（遠心力が重力の何倍かを表す無次元の値）を求めさせました。円周速度の2乗を、回転半径と重力加速度の積で割って求めます。

令和6年度 ばいじん・粉じん特論 問4では、渦芯の旋回運動を「半自由渦」とする記述が誤りでした。中心の渦芯は強制渦に近い運動で、外周の自由渦と取り違えさせる引っかけです。圧力損失が入口流速の2乗に比例すること、入口流速の目安が7〜20 m/sであることも、この問題で問われています。

令和7年度 ばいじん・粉じん特論 問2では、各種集じん装置の圧力損失を比べさせ、サイクロンは中程度に位置づけられました（最も大きいのはベンチュリスクラバー）。

理解度チェック

まとめ

サイクロンは、旋回流の遠心力で粒子を外壁へ飛ばし、壁づたいに落として捕集する装置です。構造が単純で安価、粗い粒子に強い一方、細かい粒子は苦手で集じん率は中くらいです。

分離限界径は50％を捕集できる粒径で、入口流速が大きく本体径が小さいほど小さくなり小粒子まで捕れますが、圧力損失は入口流速の2乗で増えます。ブローダウンは再飛散を防いで効率を上げる手立てです。

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