JPH11156119A - 磁気分離装置の運転方法および磁気分離装置のフィルタの洗浄方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気分離装置の最適な運転方法を提供する。 【解決手段】 本発明に係るの磁気分離装置の運転方法
は、フィルタ領域Ａにおけるフィラメントの体積充填率
を５％以上２０％以下とし、フィルタ領域Ａの流体の流
れ方向に関する長さを５ｃｍ以上とし、フィルタ領域Ａ
における流体の平均流速を０．３ｍ／ｓｅｃ以上０．８
ｍ／ｓｅｃ以下とし、フィルタ領域Ａに形成される磁場
の強さを０．４Ｔ以上２Ｔ以下とするものである。これ
により費用的および時間的な効率を下げることなく、フ
ィルタの捕獲率を十分に高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高勾配磁気分離技術
を応用した磁気分離装置の運転方法および磁気分離装置
のフィルタの洗浄方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高勾配磁気分離技術を応用した磁気分離
装置は、鉄鋼廃水中に含まれる鉄粉の回収等の用途に従
来から用いられている。磁気分離装置は、配管の流路内
に配設された磁性材料からなるフィルタと、配管外部に
配置された磁石とから構成される。このような磁気分離
装置においては磁石として永久磁石が用いられている。
永久磁石が発生する磁場の強さはさほど大きいものでは
ないが、鉄鋼廃水では回収する対象が鉄粉であり、鉄粉
は磁場の強さが１テスラ以下でも十分に回収可能である
ため、高磁場を用いる必要はなかった（J.R.Harland:IE
EE.Trans.Magn., MAG-12, 904(1976))。このように従来
の磁気分離装置は磁化の大きな物質のみをその回収の対
象としたため、特殊な場合を除き磁場の強さが１テスラ
以下でも十分な能力を発揮したが、その反面応用範囲が
非常に限られていた。

【０００３】また、流路内に置かれるフィルタは、これ
を構成するフィラメントの径が細ければ細いほど捕獲率
が良くなることが知られているが、あまり細くすると破
損する恐れがあるため、一般には細いフィラメントは用
いられず、フィラメントの線径を太くしたりエクスパン
ドメタル等の破壊されにくい構造のフィルタを用いてい
る（J.A.Oherteuffer:Industrial Application of Magn
etic Separation, IEEE No.78CH1447-2,3(1979）。この
ため、従来の磁気分離装置においては、回収対象物の捕
獲率を向上させるのにも限界があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、超電
導マグネット技術の発展によって簡単に数テスラの磁場
を発生させることが可能となってきており、従来の技術
では不可能であった磁化の小さい粒子の回収の可能性が
出てきている。しかし、従来の磁気分離装置は、上述し
たように比較的弱い磁場を用いるものに限られていたた
め、超電導マグネットが使用される場合のように高磁場
を用いる際の磁気分離装置の構成および使用条件の最適
化ができていない。また、高磁場を使った場合には、フ
ィルターの磁化が大きいためフィルタの残留磁化が大き
くなる。このため、フィルターの洗浄時に捕獲した磁性
粒子を容易に洗浄することができないという問題が生じ
てきている。

【０００５】本発明は上記実状に鑑みなされたものであ
り、高磁場を用いる場合の磁気分離装置の最適運転方法
を提供するとともに、当該装置を構成するフィルタの洗
浄方法を提供することをその目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、内部に流体流路を有する配管と、前記流
体流路内のフィルタ領域に配置され、磁性体材料からな
るフィラメントから構成されたフィルタと、前記配管の
外部に配置され、前記フィルタ領域を含む流体流路内に
磁場を形成する磁石とを備えた磁気分離装置の運転方法
において、前記フィルタ領域におけるフィラメントの体
積充填率を５％以上２０％以下とし、前記フィルタ領域
の流体の流れ方向に関する長さを５ｃｍ以上とし、前記
フィルタ領域における流体の平均流速を０．３ｍ／ｓｅ
ｃ以上０．８ｍ／ｓｅｃ以下とし、前記フィルター領域
に形成される磁場の強さを０．４Ｔ以上２Ｔ以下とした
ことを特徴とする磁気分離装置の運転方法を提供する。

【０００７】また、本発明は、内部に流体流路を有する
配管と、前記流体流路内のフィルタ領域に配置され、磁
性体材料からなるフィラメントから構成されたフィルタ
と、前記配管の外部に配置され、前記フィルタ領域を含
む流体流路内に磁場を形成する電磁石とを備えた磁気分
離装置において前記フィルタを洗浄する方法において、
前記電磁石により、前記フィルタに、前記フィルタの保
磁力以上の強さであって、かつ通常運転時と逆向きの磁
場を印加し、その後、前記電磁石が形成する磁場の強さ
を０とする工程と、前記流体流路に洗浄用流体を流す工
程とを備えたことを特徴とする磁気分離装置におけるフ
ィルタの洗浄方法を提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。まず、磁気分離装置の構成概
略について図１により説明する。図１に示すように、磁
気分離装置は、内部に流体流路を有する配管１と、配管
の外部に設けられた超電導磁石（電磁石）２と、配管の
流体流路内の所定領域（以下フィルタ領域Ａという）に
流れ方向に沿って複数配置されたフィルタ３、３、・・
とを備えている。各フィルタ３は、磁性体材料からなる
フィラメントを網目状に編んで形成される。フィルタ３
は、その面が流体の流れに垂直となるように流体流路内
に配設されている。

【０００９】なお、本明細書において、フィルタ領域Ａ
とは、配管１の流体流路内において、複数配置されたフ
ィルタ３のうち最も上流側に配置されたフィルタ３の上
流側の面と、最も下流側に配置されたフィルタ３の下流
側の面とに挟まれた領域を意味する。また、フィルタ領
域Ａの流れ方向に関する長さとは、複数配置されたフィ
ルタ３のうち最も上流側に配置されたフィルタ３の上流
側の面と、最も下流側に配置されたフィルタ３の下流側
の面との間の距離を意味する。

【００１０】超電導磁石２は、フィルタ３に、フィルタ
の面に垂直にかつ流体の流れに平行に磁場をかけるよう
になっている。超電導磁石２には、電源４により所定の
電流が供給されるようになっている。

【００１１】本発明は上記構成を有する磁気分離装置に
おいて、十分に高い捕獲率を得ることができ、かつ工業
的に価値がある（必要最小限の費用、時間等により十分
に高い捕獲率を得ることができるという意味で）最適の
運転条件を提供するものである。本発明に基づき提示さ
れる運転条件は、（１）フィルタ領域Ａにおけるフィラ
メントの体積充填率が５％以上２０％以下、（２）フィ
ルタ領域Ａの流体の流れ方向に関する長さが５ｃｍ以
上、（３）フィルタ領域Ａにおける流体の平均流速が
０．３ｍ／ｓｅｃ以上０．８ｍ／ｓｅｃ以下、かつ
（４）フィルタ領域Ａに形成される磁場の強さが０．４
Ｔ以上２Ｔ以下、である。本発明に基づく運転方法によ
り、配管１の流体流路内を流れる流体に含まれる磁性体
粒子を９０％以上捕獲することが可能となる。上述した
数値限定の根拠は、後に記載される実施例の説明を参照
することにより明らかになる。

【００１２】なお、ここで「フィルタ領域におけるフィ
ラメントの体積充填率」とは、先に定義したフィルタ領
域Ａに存在するフィラメントの体積の総和のフィルタ領
域Ａの体積に対する比率を百分率で示したものである。
また、「流体の平均流速」とは、フィルタ３に単位時間
（ここでは１秒間）当たりにフィルタ領域Ａを通過する
流体の量をフィルタ領域Ａにおける配管１の断面積で割
ったものである。単位はｍ／ｓｅｃで表す。また、「磁
場の強さ」とは、電磁石２によってフィルタ領域Ａに形
成される磁場の強さを意味する。本明細書において「フ
ィルタ領域Ａにおける磁場の強さ」とは、所定の広がり
を持つフィルタ領域Ａ内の各部位において測定される磁
場の強さのうち最小値を意味する。単位はＴ（テスラ）
で表す。なお、本例の場合、電磁石２に流した電流によ
って磁場の強さが定まることになる。

【００１３】次に、本発明の他の実施形態として、フィ
ルタ３の洗浄方法について説明する。磁気分離装置にお
いて、超電導磁石等の強い磁場を発生させることができ
る電磁石２を用いた場合、フィルタ３が強く磁化される
ため、洗浄時に磁場を切ってもフィルタ３の残留磁場に
より捕獲された磁性体粒子がフィルタから剥がれづらく
なる。

【００１４】この問題は、フィルタの洗浄方法に（１）
電磁石２により、フィルタ３に、フィルタ３の保磁力以
上の強さであって、かつ通常運転時と逆向きの磁場を印
加し、その後、電磁石２が形成する磁場の強さを０とす
る工程と、（２）流体流路に洗浄用流体を流す工程とを
含めることにより解決される。

【００１５】なお、実際に洗浄を行う場合には、配管１
のフィルタ領域Ａの上流側に洗浄用の流体の流入口を、
配管１のフィルタ領域Ａの下流側に洗浄用の流体の排出
口が設けられていることが好ましく、また、前記流入口
の更に上流側に磁性体粉末を含む流体（以下「懸濁液」
ともいう）の流れを遮断する手段（例えばバルブ）が、
前記排出口の更に下流側に流体の流れを遮断する手段が
それぞれ設けられていることが好ましい。以下の説明に
おいては、上述した洗浄用の流体の流入口および排出口
と流体の流れを遮断する手段が設けられている前提のも
とで説明を行う。

【００１６】洗浄の際には具体的に以下の順序で行うこ
とにより、効率よくフィルタの洗浄を行うことができ
る。 フィルタ領域Ａの懸濁液の流れを停止する。 通常の流路を閉塞し、洗浄用の液体の流入口と排出
口を開く。 懸濁液の流れの停止を確認した後、電磁石２に供給
する電流を０まで減少させ電磁石２が形成する磁場を消
す。 通常運転時とは逆向きの電流を電磁石２に供給して
電磁石２の極性を逆にし、フィルタ３の保磁力以上の逆
向きの磁場を発生させる。 再び電流を０にし、電磁石２が形成する磁場を０に
する。 不純物の混ざっていない水を高速で流しフィルタ３
に付着した粒子を洗い流す。なお、注水は工程の後で
始めてもよい。 洗浄後、洗浄用の液体の流入口と排出口を閉じる。
以上により洗浄は終了する。洗浄が終了したら、再度電
磁石２を励磁し磁気分離装置を作動させ、管内に懸濁液
を流せばよい。なお、具体的な条件は後に示す実施例の
項目で説明する。

【００１７】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
する。

【００１８】まず、ＳＵＳ４３０のフィラメントを網目
状に編んだ網をフィルタ３とし、このフィルタ３を磁気
分離を行う流体が流れている配管１の内部に複数枚、流
れに垂直に置きそのフィルタ３の面に垂直に且つ流れに
平行に磁場をかけフィルタ３を磁化した（図１参照）。

【００１９】その後、磁性粒子としてマグネタイト（Ｆ
ｅ₂ Ｏ₃ ）の粉末を水に混ぜた懸濁液を流しフィルタ通
過前後の懸濁液中のマグネタイトの濃度を測定し捕獲率
を得た。

【００２０】なお、ここで「捕獲率」とは、磁性体粒子
がフィルタ３に捕獲される割合を意味し、ここでは、フ
ィルタ領域Ａに入る懸濁液中のマグネタイトの全体に対
する重量比（ｐｐｍ）とフィルタ領域Ａから出てきた懸
濁液中のマグネタイトの全体に対する重量比（ｐｐｍ）
の比を１から引き１００を掛けたものである。

【００２１】本実験においては、パラメータとして、配
管の流体流路内の流体の流速を０．１ｍ／ｓ〜２ｍ／ｓ
の範囲で、フィルタ領域Ａにおけるフィラメントの体積
充填率を５％〜２０％の範囲で、フィルタ領域の長さを
５ｃｍ〜２０ｃｍの範囲で、および超電導磁石が発生す
る磁場の強さを０．２Ｔ〜６Ｔ（テスラ）の範囲でそれ
ぞれ変化させ、各条件下における磁性粒子の捕獲率を調
べている。

【００２２】本実験においては、磁性体粒子の捕獲率９
０％以上を評価基準値とした。その理由は以下の通りで
ある。すなわち、通常、配管の流体流路を流れる懸濁液
に含まれる磁性体粒子は、配管内壁やポンプ等に付着し
流れを妨げ、効率を悪化させる原因となるため、配管お
よびその付帯設備（ポンプ等）は、定期的（通常は２〜
５年ごと）に洗浄を行う必要がある。ここで、流体流路
内に捕獲率９０％以上を実現できるフィルタを設けた場
合、フィルタを設けない場合に比べて配管およびその付
帯設備に付着する粒子の量が１／１０になる。このこと
は当該配管および付帯設備に必要なメインテナンス期間
を１０倍に延ばすことが可能となることを意味してい
る。メインテナンス期間を１０倍に延ばすことが可能と
なれば、配管およびその付帯設備の寿命（例えば腐食寿
命）を考慮した場合、当該寿命の期間内に、洗浄作業が
全く必要なくなるからである。

【００２３】以下、図２乃至図６を参照して実験結果に
ついて説明する。

【００２４】図２は、流体の平均流速を０．８ｍ／ｓｅ
ｃ、フィルタの体積充填率を１０％、フィルタ領域Ａの
長さを１０ｃｍ、フィルタの目の粗さを１４メッシュと
した場合の、捕獲率の磁場依存性を示したグラフでであ
る。磁場は０．２Ｔから６Ｔまで変化させた。グラフよ
り、磁場の強さが０．４Ｔ以上２Ｔ以下の場合に捕獲率
が９０％以上となっていることがわかる。 なお、磁場
の強さが２Ｔ以上となると捕獲率がサチュレートしてい
るが、これはフィルタ及び磁性体粒子の磁化が２Ｔで飽
和し磁気力がこれ以上大きくならないためである。従っ
て、工業的価値（使用電力に対する捕獲率の向上という
観点で）を考慮した場合、磁場の強さは２Ｔ以上である
必要は無いことが分かる。すなわち、磁場の強さは、
０．４Ｔ〜２Ｔの範囲とすることが望ましいことがわか
る。

【００２５】図３は、磁場の強さを２Ｔ、流体（懸濁
液）の平均流速を０．８ｍ／ｓｅｃ、フィルタの目の粗
さを１４メッシュとし、フィルタ領域Ａにおけるフィラ
メントの体積充填率及びフィルタ領域Ａの長さを変化さ
せて、捕獲率の流速依存性を調べたものである。図３に
示すように、捕獲率と体積充填率及びフィルタ領域Ａの
長さとの間には大きな依存性は認められない。

【００２６】しかし、流速と捕獲率との間には相関関係
が認められ、流体の平均流速０．８ｍ／ｓｅｃ以上では
捕獲率が９０％以下に低下することがわかる。また、流
体の平均流速を減じていった場合、捕獲率は平均流速
０．３ｍ／ｓｅｃでほぼ１００％となる。従って、これ
以上平均流速を減じることは、工業的価値（所定量の粒
子を捕獲するために必要とされる時間の観点で）を考慮
した場合無駄である。従って流体の平均流速は０．３ｍ
／ｓｅｃ以上０．８ｍ／ｓｅｃ以下とすることが望まし
いということがわかる。

【００２７】また、図３により、流体の平均流速が０．
８ｍ／ｓｅｃ以下で、磁場の強さが２Ｔの場合には、フ
ィルタ領域Ａにおけるフィラメントの体積充填率が５％
以上２０％以下でフィルタ領域Ａの長さ５ｃｍ以上の場
合に、９０％以上の捕獲率を達成することができること
もわかる。なお、図３に記した計算値のプロットは、実
験試料に用いた粒子の分布を考慮し、平均粒径７．５μ
ｍ、最小粒径１μｍでモデル計算をしたものであるが実
験と非常に良く一致し９０％の捕獲率の流速の限界値も
良く一致している。

【００２８】図４は、流体の平均流速を０．３ｍ／ｓｅ
ｃ、フィルタの目の粗さを１４メッシュ、フィルタ領域
Ａにおけるフィラメントの体積充填率を１０％、フィル
タ領域Ａの長さを１０ｃｍとした場合の、捕獲率の磁場
依存性を調べた結果を示すものである。図４に示すよう
に、磁場の強さと捕獲率との間に殆ど依存性は認められ
ないことがわかる。また、図４に示すように、流体の平
均流速が０．３ｍ／ｓｅｃのレベルでは、捕獲率は磁場
の強さに関わらずほぼ１００％に近い値を示しており、
本図からも流体の平均流速の下限値を０．３ｍ／ｓｅｃ
とすることの妥当性がわかる。

【００２９】図５は、フィルタ領域Ａにおけるフィラメ
ントの体積充填率を１０％、フィルタ領域の長さを１０
ｃｍ、磁場の強さを２Ｔとした場合の、捕獲率の流速依
存性をフィルタの目の粗さごと（１４メッシュと２２メ
ッシュとの２水準）に調べた結果を示すものである。図
５に示すように、フィルタの目の粗さと捕獲率との間に
殆ど依存性は認められないことがわかる。また、図５に
示すように、捕獲率は流体の平均流速の減少とともに増
加し平均流速０．３ｍ／ｓｅｃでほぼ１００％の値を採
っており、本図からも流体の平均流速の下限値を０．３
ｍ／ｓｅｃとすることの妥当性がわかる。

【００３０】図６に示すデータは、新品のフィルタにお
ける捕獲率の経時変化と、洗浄後における捕獲率の経時
変化を比較して示すものであり、本発明に係るフィルタ
の洗浄方法に関するデータである。本実験は、フィルタ
が所定量の粒子を捕獲した後、本発明に係るフィルタの
洗浄方法を適用してフィルタを洗浄した場合に、フィル
ターの捕獲能力が十分に回復することを証明するもので
ある。以下、実験方法について説明する。

【００３１】まず、磁気分離装置のフィルタ領域Ａに、
高濃度の懸濁液を約３５分間流し、捕獲率が十分減少す
るまでフィルタ３に粒子を付着させた。通常の実機使用
時においては、フィルタの捕獲率が９０％以下になった
段階で洗浄を行うのであるが、本実験においては洗浄に
よる回復の効果を見るために十分に粒子を付着させてか
ら洗浄を行っている。

【００３２】次に、電磁石２に供給する電源４の電流を
０にしてから、電源４の出力端子に電源ケーブルを逆に
繋ぎ電磁石の極性を逆にするような構成とした後、電磁
石２に０．０１Ｔの強さの磁場（この磁場の強さはフィ
ルタ３を構成する磁性体材料（フィラメント）の保磁力
より強い値である）を約１分間発生させた。これによ
り、フィルタ３が消磁され粒子を放しやすくなった。そ
の後５分間粒子の含まれていない水を２ｍ／ｓｅｃで流
すとフィルタ３に捕獲された磁性体粒子は、完全に除去
された。その後、電磁石２に通常の運転時と同極性かつ
同じ強さの電流を供給し、所定の強さの磁場を発生させ
た。この状態でフィルタ３の捕獲率を測定したが初期値
と同じ９０％以上に回復し、捕獲率の時間変化の状態も
洗浄前と同じであった。本実験結果により、フィルタ材
料の保持磁力以上の逆向きの磁場をかけてフィルターを
消磁する方法は有効であることが分かった。このよう
に、消磁方法を適用することにより、磁気フィルターの
特徴であるフィルターの再利用性を十分に生かすことが
できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、磁
気分離装置において、費用的および時間的な効率を下げ
ることなく、フィルタの捕獲率を十分に高めることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁気分離装置の構成および実験に用いた装置の
構成を概略的に示す図。

【図２】捕獲率と磁場の強さとの関係を示すグラフ。

【図３】体積充填率およびフィラメント長さごとに、捕
獲率と流速の関係を示すグラフ。

【図４】捕獲率と磁場の強さとの関係を示すグラフ。

【図５】捕獲率と流速の関係を示すグラフ。

【図６】新品のフィルタにおける捕獲率の経時変化と、
洗浄後における捕獲率の経時変化を比較して示す図。

【符号の説明】

１ 配管 ２ 電磁石 ３ フィルタ ４ 電源 Ａ フィルタ領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 十文字 優美子 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 福 島 公 親 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に流体流路を有する配管と、前記流体
   流路内のフィルタ領域に配置され、磁性体材料からなる
   フィラメントから構成されたフィルタと、前記配管の外
   部に配置され、前記フィルタ領域を含む流体流路内に磁
   場を形成する磁石とを備えた磁気分離装置の運転方法に
   おいて、 前記フィルタ領域におけるフィラメントの体積充填率を
   ５％以上２０％以下とし、 前記フィルタ領域の流体の流れ方向に関する長さを５ｃ
   ｍ以上とし、 前記フィルタ領域における流体の平均流速を０．３ｍ／
   ｓｅｃ以上０．８ｍ／ｓｅｃ以下とし、 前記フィルタ領域に形成される磁場の強さを０．４Ｔ以
   上２Ｔ以下としたことを特徴とする磁気分離装置の運転
   方法。
2. 【請求項２】内部に流体流路を有する配管と、前記流体
   流路内のフィルタ領域に配置され、磁性体材料からなる
   フィラメントから構成されたフィルタと、前記配管の外
   部に配置され、前記フィルタ領域を含む流体流路内に磁
   場を形成する電磁石とを備えた磁気分離装置において前
   記フィルタを洗浄する方法において、 前記電磁石により、前記フィルタに、前記フィルタの保
   磁力以上の強さであって、かつ通常運転時と逆向きの磁
   場を印加し、その後、前記電磁石が形成する磁場の強さ
   を０とする工程と、 前記流体流路に洗浄用流体を流す工程と、を備えたこと
   を特徴とする磁気分離装置におけるフィルタの洗浄方
   法。