JP2001129305A - 脱酸素脱炭酸装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被処理水に酸を添加した後窒素ガスを吹き込
むことにより、水中の溶存酸素と二酸化炭素を除去する
脱酸素脱炭酸装置において、使用済みの窒素ガスから効
率的に酸素と二酸化炭素を除去して循環再利用する。 【解決手段】 被処理水を酸性にｐＨ調整後、窒素を主
成分とするガスと接触させて該被処理水中の二酸化炭素
及び酸素をガス側に移行させて除去する脱酸素脱炭酸手
段３と、この脱酸素脱炭酸手段３から排出されたガスに
水素を添加して触媒と接触させる酸素除去手段１２及び
アルカリ剤と接触させる二酸化炭素除去手段１０と、酸
素除去手段１２及び二酸化炭素除去手段１０で処理され
たガスを脱酸素脱炭酸手段３に送給する循環手段とを備
えてなる脱酸素脱炭酸装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種化学プラント
や、工場、発電所等におけるボイラ、蒸気発生器等の蒸
気を発生するプラント、超純水を使用する系等におい
て、給水に含まれている溶存酸素、二酸化炭素及びＭア
ルカリ度成分に起因する機器の腐食や製品の不具合を防
止するために、これらの水に酸を添加して炭酸塩及び炭
酸水素塩から二酸化炭素を遊離させた後、窒素ガスを吹
き込むことにより、二酸化炭素及び溶存酸素を水中から
気相に拡散させて除去する脱酸素脱炭酸装置に係り、特
に、このような脱酸素脱炭酸装置において、使用済みの
窒素ガスの循環再利用を可能とすることにより運転コス
トの低減を図る脱酸素脱炭酸装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種化学プラントや、工場、発電所等に
おけるボイラ、蒸気発生器等の蒸気を発生するプラント
においては、給水に含まれている溶存酸素がボイラ本
体、当該ボイラ本体の前段に配置される熱交換器やエコ
ノマイザなどの腐食を引き起こす原因となる。また、給
水に含まれている酸素や二酸化炭素、給水中の炭酸塩や
炭酸水素塩が熱分解して発生する二酸化炭素は蒸気系に
移行するため、蒸気及び蒸気が凝縮した復水と接触する
箇所がしばしば腐食する。その結果、蒸気の漏洩による
エネルギーの損失が発生したり、配管や熱交換器等の損
傷箇所の修繕に多くの経費と時間を要したりするケース
が生じる恐れがある。

【０００３】このような腐食を防止するためには、化学
的方法或いは物理的方法によって、給水中の溶存酸素、
二酸化炭素及び炭酸塩や炭酸水素塩を除去する必要があ
る。

【０００４】この方法としては、給水に酸を添加して炭
酸塩及び炭酸水素塩から二酸化炭素を遊離させた後、窒
素ガスを吹き込むことにより、気液接触面の気体を窒素
ガスのみにして、遊離した二酸化炭素及び溶存酸素を水
中から気相に拡散させて除去する方法がある。

【０００５】しかし、この方法では窒素ガスを使い捨て
にするという問題があった。即ち、使用済みの窒素ガス
には二酸化炭素及び酸素が混入するため、循環再利用す
ることができず、このため、大量の窒素ガスを必要とす
ることから、この窒素ガスコストが運転コストの上で大
きな負担となっていた。

【０００６】なお、特開平８−２９０００７号公報に
は、被処理水に窒素ガスを接触させて溶存酸素を除去す
る方法において、酸素が混入した使用済みの窒素ガスに
水素を供給した後触媒層に通し、酸素を水素との反応で
水に変換して除去することにより、使用済みの窒素ガス
を循環再利用する方法が記載されているが、この方法で
は、窒素ガス中の酸素を除去することはできるが、二酸
化炭素を除去することはできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の問
題点を解決し、被処理水に酸を添加した後窒素ガスを吹
き込むことにより、水中の溶存酸素と二酸化炭素を除去
する脱酸素脱炭酸装置において、使用済みの窒素ガスか
ら効率的に酸素と二酸化炭素を除去して循環再利用する
ことを可能とする脱酸素脱炭酸装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の脱酸素脱炭酸装
置は、被処理水を酸性にｐＨ調整した後、窒素を主成分
とするガスと接触させて該被処理水中の二酸化炭素及び
酸素をガス側に移行させて除去する脱酸素脱炭酸手段
と、該脱酸素脱炭酸手段から排出されたガスに水素を添
加して触媒と接触させる酸素除去手段と、該脱酸素脱炭
酸手段から排出されたガスをアルカリ剤と接触させる二
酸化炭素除去手段と、該酸素除去手段及び二酸化炭素除
去手段で処理されたガスを前記脱酸素脱炭酸手段に送給
する循環手段とを備えてなることを特徴とする。

【０００９】本発明の脱酸素脱炭酸装置では、酸素除去
手段において、脱酸素脱炭酸手段から排出された使用済
みの窒素ガスに水素を添加して接触反応させることによ
り、ガス中の酸素を水に変換して除去することができ
る。また、二酸化炭素除去手段において、使用済みの窒
素ガスをアルカリ剤と接触させることにより、ガス中の
二酸化炭素をアルカリ剤と反応させて吸収させることに
より除去することができる。このようにして酸素除去手
段及び二酸化炭素除去手段でそれぞれ酸素及び二酸化炭
素を除去した使用済み窒素ガスは、脱酸素脱炭酸手段に
て有功に循環再使用することができる。このため、新た
な窒素ガスを系外から全く補給することなく、或いは僅
かな補給量で効率的な脱酸素脱炭酸処理を行える。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細
に説明する。

【００１１】本発明の脱酸素脱炭酸装置は、被処理水の
ｐＨ調整手段、被処理水の窒素脱気手段、使用済み窒素
ガスからの二酸化炭素吸収手段、使用済み窒素ガスへの
水素添加手段、触媒反応手段、及び窒素ガスの返送手段
で構成される。

【００１２】ｐＨ調整手段では、被処理水に酸を添加し
て好ましくはｐＨ５．５以下の酸性にｐＨ調整して、Ｍ
アルカリ度成分である炭酸塩、炭酸水素塩から二酸化炭
素を遊離させる。ここで用いる酸としては塩酸、硫酸、
硝酸等の無機酸やギ酸、酢酸等の有機酸が挙げられる
が、特にこれらに限定されるものではなく、被処理水の
ｐＨを５．５以下に下げることができる酸性物質であれ
ばいずれも使用可能である。また、酸や酸性物質を添加
する他、被処理水の一部又は全量をＨ型カチオン交換樹
脂で処理してｐＨ５．５以下とするものであっても良
い。このｐＨ調整は過度に低いｐＨであると、水の腐食
性が高まり、また、後段での処理において負荷が増大す
るため、ｐＨは３．０〜５．０程度となるように調整す
るのが好ましい。

【００１３】窒素脱気手段としては、被処理水を窒素と
接触させることにより、被処理水中の溶存酸素、二酸化
炭素及びｐＨ調整によりＭアルカリ度成分から遊離した
二酸化炭素を分離して窒素ガス側に移行させるものであ
り、気液並流、向流接触のいずれでもよく、例えば、被
処理水を満たしたタンクに下部から窒素ガスを吹き込む
構成のもの、ラシヒリング等の充填物を充填した窒素脱
気塔等を使用することができる。また、小型で省スペー
ス、省エネルギー化が図れることから、ラインミキシン
グ装置を用いても良い。この場合には、ラインミキシン
グ装置の入口側で被処理水に窒素ガスを注入し、ライン
ミキシング装置で乱流混合し、その後気液分離すれば良
い。また、窒素脱気手段としては、気相側に窒素ガスを
流通させる膜脱気装置を用いても良い。また、複数の窒
素脱気手段を直列又は並列に配置しても良い。

【００１４】このような窒素脱気手段から排出される使
用済み窒素ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素吸
収手段としては、例えば、高濃度のアルカリ水溶液、例
えば１０〜５０重量％程度のアルカリ水溶液に使用済み
窒素ガスを接触させてガス中の二酸化炭素をアルカリ水
溶液に移行させて除去するものが挙げられる。ここで、
アルカリとしては何ら限定されるものではなく、水酸化
カリウム、水酸化ナトリウム、アミン等を用いることが
できる。また、水溶液に限らず、固体のアルカリ吸収剤
を用いても良い。

【００１５】水素添加手段は、窒素脱気手段から排出さ
れる使用済み窒素ガスに水素を供給するものであり、使
用される水素源としては、水素ボンベ、水素発生装置
等、水素を供給できるものであれば良く、特に制限はな
い。また、アンモニアを触媒分解して生成させた水素と
窒素を供給しても良い。窒素ガス中の酸素と水素との反
応で水を生成させて酸素を除去するためには、１モルの
酸素当たり２モルの水素が必要であることから、水素添
加手段では窒素ガス中の酸素の２倍モル以上の水素を添
加する必要がある。ここで過剰に添加された水素は、循
環窒素ガス中に蓄積し、徐々に濃度が上昇するため、水
素濃度を測定し、間欠的に水素の供給を停止して循環窒
素ガス中の水素濃度を所定濃度以下に維持することが好
ましい。

【００１６】触媒反応手段は、水素が添加された使用済
み窒素ガスを、水素の存在下に貴金属触媒と接触させ
て、ガス中の酸素と水素とを反応させて水に変換するこ
とにより酸素を除去するものであり、貴金属触媒をその
ままで又は担体に担持させて充填した層を保持した触媒
塔などを使用することができる。ここで貴金属触媒とし
ては、白金やパラジウム等の貴金属の単体、酸化物、水
酸化物をアルミナ、活性炭、ゼオライト、イオン交換樹
脂等の担体に担持させたものを使用することができる。
この貴金属触媒層の温度は５０〜１００℃、好ましくは
６０〜９０℃、より好ましくは７０〜８０℃に保つこと
により効率的に酸素と水素を反応させることができる。
貴金属触媒層の温度が５０℃未満であると、酸素の除去
が不十分になり、１００℃を超えても、酸素の除去量は
温度の上昇に見合って向上せず、エネルギーの浪費にな
る。

【００１７】窒素ガス返送手段は、酸素と二酸化炭素が
取り除かれた窒素ガスを窒素脱気手段に供給して循環利
用する手段である。

【００１８】なお、本発明において、窒素脱気手段から
排出される使用済み窒素ガスから酸素と二酸化炭素とを
除去する際の順番には特に制限はなく、酸素を除去した
後二酸化炭素を除去しても、二酸化炭素を除去した後酸
素を除去してもいずれでも良い。

【００１９】本発明においては、このように使用済み窒
素ガスから酸素と二酸化炭素を除去して循環すること
で、循環ガス量は徐々に減少する。この場合、窒素ガス
を補給して総ガス量を維持しても良く、空気を補給して
総ガス量を維持しても良い。空気を補給した場合、空気
中の酸素は系内に存在する過剰分の水素と触媒反応手段
で反応して速やかに除去される。

【００２０】なお、本発明において、前述のｐＨ調整手
段で添加する酸としてリン酸を用いた場合には、同時に
ボイラ缶内におけるスケールの生成や腐食の防止を図る
ことができる。また、コハク酸、クエン酸、グルコン酸
等の多価カルボン酸を用いた場合にも腐食防止効果を得
ることができ、カルボン酸系ポリマーを用いることによ
りスケール生成防止効果を得ることができる。

【００２１】以下に、本発明の実施の一形態を示す図１
を参照して本発明の脱酸素脱炭酸装置の構成を説明す
る。

【００２２】図１の脱酸素脱炭酸装置では、被処理水を
被処理水供給ライン１から供給し、ここに酸添加ライン
２より酸を添加してｐＨ５．５以下に調整する。酸を添
加した水は、窒素脱気塔３内のノズル４から塔内に供給
され充填層５内を上昇する窒素ガスと気液接触する。こ
のとき被処理水中の溶存酸素、二酸化炭素及び被処理水
中の炭酸塩、炭酸水素塩から遊離した二酸化炭素は窒素
ガス中へ拡散し、水中から除去される。脱気、脱Ｍアル
カリされた処理水は、ポンプ７により窒素脱気塔３の下
部から排出される。この際、ポンプ７の前又は後でアル
カリを添加し、処理水のｐＨを中性又はアルカリ性に調
整しても良い。

【００２３】一方、被処理水中から除去した酸素及び二
酸化炭素が混入している使用済み窒素ガスは、窒素脱気
塔３の上部から窒素ガス循環ライン８にあるブロア９に
より吸引排出される。この酸素、二酸化炭素含有窒素ガ
スは、まず、二酸化炭素吸収装置１０に導かれる。この
二酸化炭素吸収装置１０には、ＫＯＨやＮａＯＨ、アミ
ン等のアルカリ剤水溶液が貯留されており、ここで使用
済みの窒素ガス中の二酸化炭素がアルカリ剤水溶液に吸
収されて除去される。

【００２４】二酸化炭素吸収装置１０の処理ガスは、二
酸化炭素が除去され、酸素を含む窒素ガスであるが、こ
のガスに水素ガス供給ライン１１より水素ガスを供給す
る。その後、水素ガスが供給された使用済みの窒素ガス
は触媒反応装置１２へと導かれる。この触媒反応装置１
２には、パラジウムや白金などの貴金属又はそれらの化
合物を含有する触媒が充填されている。触媒反応装置１
２内においては、窒素ガス中の酸素が、加えられた水素
ガスと気相反応して水を生成し除去される。

【００２５】このようにして再生された窒素ガスは、窒
素ガスタンク１３に導かれ、一時的に貯蔵される。そし
て、再生された窒素ガスは、窒素ガスタンク１３から窒
素循環ライン８を経て、窒素脱気塔３へ供給され、新た
な被処理水を窒素脱気するために再使用される。

【００２６】このような本発明の脱酸素脱炭酸装置は、
各種化学プラントや、工場、発電所等におけるボイラ、
蒸気発生器等の蒸気を発生するプラントに適用すること
により、低コストにてボイラ本体、ボイラ本体の前段に
配置される熱交換器やエコノマイザ及び蒸気復水系配管
等の腐食を抑制することができる。

【００２７】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的
に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下
の実施例により何ら限定されるものではない。

【００２８】実施例１ 図１に示す脱酸素脱炭酸装置で脱酸素脱炭酸処理を行っ
た。

【００２９】酸添加ライン２より添加する酸としては３
３重量％塩酸を用いた。窒素脱気塔３としては、直径４
００ｍｍ、高さ１８００ｍｍの塔内部に直径２５ｍｍ、
長さ２５ｍｍのネットリングを充填したものを用いた。
二酸化炭素吸収装置１０には、４８重量％ＮａＯＨ水溶
液１０Ｌを入れた。触媒反応装置１２には、触媒として
白金−シリカ担体触媒２Ｌを充填し、７０℃に加熱し
た。

【００３０】まず、系内を空気で満たし、窒素脱気塔３
の上部にある窒素ガス出口から窒素循環ライン８にある
ブロア９により２Ｎｍ^３／ｈｒの速度で空気を吸引排出
させて二酸化炭素吸収装置１０に導入した。次に、水素
ガス供給ライン１１より水素ガスを１．２ｇ／ｈｒで供
給し、この混合ガスを７０℃に保った触媒反応装置１２
へ導いた。触媒反応装置１２における空間速度は２００
０ｈｒ^−１である。触媒反応装置１２の出口ガスは窒素
脱気塔３へ循環させた。触媒反応装置１２出口の酸素濃
度は徐々に低下し、これが１．５ｐｐｍになったところ
で被処理水を窒素脱気塔３に導いて、窒素脱気を開始し
た。

【００３１】被処理水としては水温３０℃、溶存酸素濃
度８ｍｇ−Ｏ_２／Ｌ−水、Ｍアルカリ度５０ｍｇ−Ｃａ
ＣＯ_３／Ｌの軟化水を用いた。この被処理水を被処理水
供給ライン１に１ｍ^３／ｈｒの速度で供給し、これに酸
添加ライン２から３３重量％塩酸を添加してノズル４直
前の被処理水のｐＨを５．０に調整した。このｐＨ調整
した水をノズル４から窒素脱気塔３の上部に１ｍ^３／ｈ
ｒの速度で供給し、ネットリングを充填した充填層５の
上に噴出させた。一方、窒素脱気塔３の下部のノズル６
から、窒素ガスタンク１３からの窒素ガスを２Ｎｍ^３／
ｈｒの速度で供給した。窒素ガス量は処理水量の２．０
倍（Ｎｍ^３／ｍ^３）である。脱酸素、脱炭酸処理した処
理水は、ポンプ７により窒素脱気塔３の下部から排出し
た。

【００３２】窒素脱気塔３の排ガスは二酸化炭素吸収装
置１０を経て水素ガスを注入した後、触媒反応装置１２
に通気し、その後、窒素ガスタンク１３に循環した。

【００３３】運転が定常状態に達したとき、二酸化炭素
吸収装置１０入口の使用済み窒素ガス中の二酸化炭素濃
度は５３８０ｐｐｍ（容量比）で出口の窒素ガス中の二
酸化炭素濃度は５．０ｐｐｍ（容量比）であった。ま
た、触媒反応装置１２入口の使用済み窒素ガス中の酸素
濃度は３３６０ｐｐｍ（容量比）で出口の窒素ガス中の
酸素濃度は１．５ｐｐｍ（容量比）であった。

【００３４】触媒反応装置１２の処理ガスは、窒素ガス
として有効に循環使用することができ、必要に応じて空
気を補給するのみで、新たな窒素ガスを全く補給するこ
となく運転を継続することができた。このとき、得られ
た処理水中の溶存酸素濃度は１０μｇ−Ｏ_２／Ｌ−水以
下、Ｍアルカリ度は３ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ以下と非常
に高水質であった。

【００３５】実施例２ 脱酸素脱炭酸手段として窒素脱気塔の代りにラインミキ
シング装置を用いたこと以外は実施例１と同様にして処
理を行った。

【００３６】運転が定常状態に達したとき、二酸化炭素
吸収装置入口の使用済み窒素ガス中の二酸化炭素濃度は
５０５０ｐｐｍ（容量比）で出口の窒素ガス中の二酸化
炭素濃度は５．０ｐｐｍ（容量比）であった。また、触
媒反応装置入口の使用済み窒素ガス中の酸素濃度は３３
３０ｐｐｍ（容量比）で出口の窒素ガス中の酸素濃度は
１．５ｐｐｍ（容量比）であった。

【００３７】触媒反応装置の処理ガスは、窒素ガスとし
て有効に循環使用することができ、必要に応じて空気を
補給するのみで、新たな窒素ガスを全く補給することな
く運転を継続することができた。このとき、得られた処
理水中の溶存酸素濃度は１００μｇ−Ｏ_２／Ｌ−水以
下、Ｍアルカリ度は５ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ以下と非常
に高水質であった。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の脱酸素脱炭
酸装置によれば、使用済み窒素ガスから酸素及び二酸化
炭素を効率的に除去して循環再使用することができるた
め、脱酸素脱炭酸装置の運転コストを大幅に低減するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の脱酸素脱炭酸装置の実施の形態を示す
系統図である。

【符号の説明】

１ 被処理水供給ライン ２ 酸添加ライン ３ 窒素脱気塔 ４ ノズル ５ 充填層 ６ ノズル ７ ポンプ ８ 窒素ガス循環ライン ９ ブロア １０ 二酸化炭素吸収装置 １１ 水素ガス供給ライン １２ 触媒反応装置 １３ 窒素ガスタンク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理水を酸性にｐＨ調整した後、窒素
   を主成分とするガスと接触させて該被処理水中の二酸化
   炭素及び酸素をガス側に移行させて除去する脱酸素脱炭
   酸手段と、 該脱酸素脱炭酸手段から排出されたガスに水素を添加し
   て触媒と接触させる酸素除去手段と、 該脱酸素脱炭酸手段から排出されたガスをアルカリ剤と
   接触させる二酸化炭素除去手段と、 該酸素除去手段及び二酸化炭素除去手段で処理されたガ
   スを前記脱酸素脱炭酸手段に送給する循環手段とを備え
   てなることを特徴とする脱酸素脱炭酸装置。