JP2001246219A - 吸収塔とその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 物質移動装置（吸収塔）の単位体積当たりの
気液接触効率を高度化することと、吸収液の微粒化のた
めの搬送ポンプの動力量を削減すること。 【解決手段】 吸収塔の気液接触領域Ａに設けられる各
噴出ノズル２１から噴出される吸収液同士を衝突あるい
は、縮流部１０から拡大流部１１にかけて排ガスが流れ
る空間部に設置するターゲット（図示せず）に衝突させ
て噴霧吸収液を微粒化し、液の衝突時の運動エネルギー
により微粒化と分散を高め、被処理ガス１と高度に接触
させるようにし、吸収液の搬送ポンプ動力量を低減す
る。また、高ガス流速で被処理ガス１を流し、該被処理
ガス流れにガスの体積を縮小する縮流（部位１０）とガ
ス流れを縮流から体積を拡大する拡大流（部位１１）の
流れを形成させ、ガス混合を促進させ気液接触効率を高
める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスと液相間の物
質移動に関する気液接触装置に関するもので、特に火力
発電所に設置する石灰石・石膏法脱硫装置の吸収塔構成
とその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電プラントの湿式石灰石・石膏法
を主体とする脱硫装置の吸収塔構成には、種々のプロセ
ス及び塔構成が提案されている。その代表的な塔構成
が、スプレノズルにより吸収液を微粒化した液滴として
排ガス中に噴霧して排ガス中の硫黄酸化物を吸収するス
プレ吸収塔である。

【０００３】スプレ吸収塔は通風損失が小さく、気液接
触面積も大きくでき、脱硫性能も高いことから、火力発
電プラントの脱硫装置として多く採用されている。

【０００４】火力発電プラントに採用されているスプレ
方式の脱硫装置を図１０に示す。スプレ吸収塔１５の大
きさは、被処理ガス量にもよるが、塔径１５ｍ〜２０
ｍ、塔高さ２５ｍ〜３５ｍである。火力発電プラントの
脱硫装置の吸収塔１５には図示していない電気集塵器出
口から９０〜１００℃の被処理ガス１が導入される。吸
収塔１５の下部には吸収液３を溜める循環タンク４が設
けられており、循環タンク４内の吸収液３を抜き出し
て、液搬送ポンプ７で昇圧して吸収塔１５内に設けられ
た気液接触装置であるスプレノズル２に供給し、平均液
粒径が２５００ミクロンの液滴に微粒化する。被処理ガ
ス１がスプレノズル２から噴霧された吸収液と気液接触
すると、硫黄酸化物が吸収されるのと同時に断熱冷却さ
れ、約５０度のガスとなる。冷却されたガスは、ミスト
分離器５でミスト分を除去し、脱硫されたガス流れ６と
なり吸収塔１５から抜き出される。

【０００５】吸収塔１５から出た脱硫ガスは、図示しな
いミストエリミネータに導入され、その後流に設置され
たガス・ガス熱交換器（図示せず）により、高温ガスと
熱交換して１００℃近くに加熱された後、煙突から大気
に放出される。

【０００６】吸収塔１５内では燃焼排ガス中の硫黄酸化
物は、亜硫酸塩として吸収液３に固定されるので、安定
な硫黄塩に酸化するために、循環タンク４内の吸収液３
に空気１７をアトマイザー（攪拌機）１９で微粒化して
酸化する。

【０００７】吸収液３中の亜硫酸塩を酸化すると液のｐ
Ｈが低下してくるので、脱硫性能を一定に維持するため
に、石灰石スラリー１６を吸収液３に供給して、ｐＨを
一定に調整する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】最近では、脱硫装置を
含め、火力発電プラントの環境装置全般について、設備
合理化やコンパクト化などによるコスト低減を図ること
が要請されている。

【０００９】吸収塔１５をコンパクト化するには、塔内
のガス流速を高め、ガスが通過する単位体積当たりの気
液接触効率を高めることが必要である。

【００１０】スプレ式の吸収塔１５は、気液接触面積が
高く、通風損失を低くすることができることから気液接
触装置として多く採用されている。しかし、ガス流速を
高めていくと、噴霧ノズル２から噴射する液滴がガス流
に同伴されやすくなる。一般に液滴がガス流に同伴され
ると、ガスと液滴間の界面での物質移動速度が低下する
ことと、液滴を捕集するためのミストエリミネータでの
負荷が大きくなる欠点がある。

【００１１】吸収液噴出ノズル２により吸収液３を微粒
化するには、スプレノズル２の背圧を高める必要がある
が、そのためには吸収液３を搬送するポンプ７の動力を
高くする必要があり、動力消費量が増加する。

【００１２】本発明の課題は、物質移動装置（吸収塔）
の単位体積当たりの気液接触効率を高度化することと、
吸収液の微粒化のための搬送ポンプの動力量削減にあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では吸収塔に設けられた噴出ノズルから高速
度で噴霧する吸収液同士又は該吸収液をターゲットに衝
突させて微粒化させ、液の衝突時の運動エネルギーによ
り微粒化と分散を高め、被処理ガスと高度に接触させる
ようにし、吸収液の搬送ポンプ動力量を低減する。

【００１４】更に、本発明では高ガス流速で被処理ガス
を流し、該被処理ガス流れにガスの体積を縮小する縮流
と、ガス流れを縮流から体積を拡大する拡大流の流れを
形成させ、この縮流から拡大流にガス流れを変更させる
ことで、ガス混合を促進させ気液接触効率を高めること
ができる。

【００１５】そして、本発明では、被処理ガスを縮流か
ら拡大流に拡大する空間部で吸収液と排ガスを気液接触
させる過程で、吸収液を微粒化状態で供給することによ
り、気液接触効率を高めることができる。

【００１６】本発明では吸収液の微粒化には塔内に設置
する板材からなるターゲットに、液噴出ノズルから高速
噴出する液を衝突させ、液の衝突時の運動エネルギーに
より、液の微粒化と分散を高め、被処理ガスと液を密に
接触させるようにしても良い。

【００１７】すなわち、本発明は、被処理ガスのガス流
れ部にガスの縮流部と拡大流部を設け、かつ前記縮流部
から拡大流部にガス流れが流れる空間部にガス流れを横
断する方向に吸収液を噴出する複数の噴出ノズルを設
け、さらに対向する吸収塔壁面に設けられた各噴出ノズ
ルからの噴出液を互いに衝突させるか又は前記各噴出ノ
ズルからの噴出液が衝突するターゲットを吸収塔内に設
けた気液接触領域を形成させた吸収塔である。

【００１８】前記気液接触領域は、少なくとも１つの噴
出ノズルの液噴出方向前方に少なくとも１つのターゲッ
トを設けるか、少なくとも２つの噴出ノズルからの噴出
液が衝突する１つのターゲットを設ける構成でも良い。

【００１９】本発明の吸収塔の気液接触領域に設けられ
る各噴出ノズルから噴出される吸収液同士を衝突あるい
は、前記縮流部から拡大流部にかけて排ガスが流れる空
間部に設置するターゲットに衝突させたときの運動エネ
ルギーが、吸収液の表面張力の５倍以上になるように、
噴出ノズルから噴出する吸収液の速度を調整することで
吸収液滴の微粒子化を効果的に行うことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
と共に説明する。脱硫装置本体の吸収塔に適用した際の
塔構成を図１に示す。被処理ガス１は、本発明の吸収塔
１５の頂部から塔内に導入する。吸収塔１５の円で囲む
気液接触領域Ａで、微粒化された吸収液により硫黄酸化
物を吸収させ、同時に断熱冷却される。硫黄酸化物を除
去し、冷却されたガス６は、吸収液３を溜めた循環タン
ク４内の液界面に衝突した後に、ミスト分離器５により
ミストの一部が除去される。 ミスト分離器５を出たガ
ス６は、図示しないミストエリミネータとガス・ガス熱
交換器で加熱された後に煙突（図示せず）から大気に放
出する。

【００２１】図１の気液接触領域Ａに吸収液３を微粒化
して噴霧するために、循環タンク４内の吸収液３は液ポ
ンプ７で抜き出され、かつ昇圧されてスプレノズルに搬
送される。また、吸収液３中の亜硫酸塩は循環タンク４
内の吸収液３に空気１７をアトマイザー（攪拌機）１９
で微粒化して供給することで酸化され、また吸収液３の
ｐＨを調整して脱硫性能を一定に維持するために、石灰
石スラリー１６が吸収液３中に供給される。

【００２２】本実施の形態の特徴は、図１の吸収塔１５
の塔内の吸収液導入部に設けられた気液接触領域Ａにあ
る。図１の気液接触領域Ａは、被処理ガス１の流れを縮
流する縮流部１０とガス流れ領域を拡大する拡大流部１
１がガス流れ上流部から順に設けられ、縮流部１０から
拡大流部１１にかけて吸収液を噴出させる噴出ノズル２
１を設け、噴出ノズル２１から噴出する吸収液を微粒化
させて排ガスと気液接触させ、排ガスの脱硫と断熱冷却
を行うものである。

【００２３】ここで、気液接触領域Ａの構造について、
代表的な例を図２に示す。吸収液３は縮流部１０を通っ
た直後にある拡大流部１１の壁面に設けられた複数の噴
出ノズル２１から排ガスに向けて噴霧される。また噴出
ノズル２１は縮流部１０から拡大流部１１にわたるガス
が流れる空間の中央部に、ガス流れ方向に沿って配置さ
れ、かつ各噴出ノズル２１に対向する位置にそれぞれ衝
突板（ターゲット）２０が配置される。

【００２４】図２に示す例では、排ガスの下降流の流れ
に４本の噴出ノズル２１から水平方向に噴出される吸収
液と十字状に混合し、吸収液３の脱硫と断熱冷却が行わ
れる。吸収液３はターゲット２０に衝突することで微粒
化される。吸収液がターゲット２０に衝突する際の運動
エネルギーは、質量に衝突する瞬間の液の飛行速度の２
乗に比例する。この衝突時の運動エネルギーが吸収液３
の表面張力より大きくなると液は微粒化する。ターゲッ
ト２０に吸収液が衝突する時の運動エネルギーが、少な
くとも吸収液３の表面張力の５倍以上であると、より効
果的な吸収液３の微粒化ができたことが分かった。

【００２５】図２に示す実施の形態では、ターゲット２
０として平板を設置した場合の例であるが、図３に示す
実施の形態は、図２の実施の形態の変形例であり、噴出
ノズル２１のターゲット２０に対する設置角度が異な
る。図３に示す例は、噴出ノズル２１の液噴出方向がガ
ス流れの上流側に向けて吸収塔壁面に配置されている。
また、図４（ａ）は一つの衝突板（ターゲット）２０に
複数の噴出ノズル２１からの噴霧吸収液が当たる例であ
り、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す実施の形態は、それ
ぞれ噴出ノズル２１の縮流部１０にスプレノズル２５を
設置した本発明の応用例である。図４（ｂ）は、スプレ
ノズル２５を縮流部１０でガス流れに対して並流噴霧
し、図４（ｃ）は、スプレノズル２５を縮流部１０ガス
流れに対して向流噴霧する場合の例である。

【００２６】図５、図６には、噴出ノズル２１から噴出
した吸収液が衝突するターゲット２０の構成を示す。タ
ーゲット２０の形状は図５（ａ）では凹面型の衝突板、
図５（ｂ）では平板、図５（ｃ）、図５（ｄ）、図５
（ｅ）ではいずれも円柱、図５（ｆ）では波板、図５
（ｇ）ではＶ溝板を示す。

【００２７】また図６に示すターゲット２０の例は、図
６（ａ）では円柱、図６（ｂ）では凹面型の衝突板、図
６（ｃ）も凹面型の衝突板、図６（ｄ）では四角柱、図
６（ｅ）では三角柱、図６（ｆ）では凸面型の衝突板を
示し、図６（ｆ）には、ターゲット２０を設けないで噴
出ノズル２１から噴出した吸収液同士の衝突により、吸
収液の微粒化を図る例である。また図６（ｇ）にはター
ゲット２０がＶ溝板である場合を示し、また図６（ｈ）
にはターゲット２０が凸面型の衝突板である場合を示
す。

【００２８】ターゲット２０への噴霧吸収液の衝突時の
運動エネルギーは、質量ｍと速度ｕの２乗の積に比例す
る。従って、噴霧吸収液の衝突時の速度を高めるほど運
動エネルギーが高まり、噴霧吸収液の衝突により吸収液
の微粒化が促進され、気液接触面積を高めることができ
る。

【００２９】ターゲット２０に噴霧吸収液を衝突させる
際には、少なくとも吸収液の表面張力以上になるように
噴霧吸収液の衝突時のエネルギーが必要であり、効率的
に行うには、少なくても液の表面張力の５倍以上になる
ような噴霧吸収液の噴出条件を選択する必要があること
が実験の結果分かった。

【００３０】噴出ノズル２１から吸収液を噴出させ、そ
れを受け止めるターゲット２０の噴霧吸収液に対する取
付角度を調整する事により、噴霧吸収液の衝突後に発生
する微粒液滴を効率的に接触させることができる。本発
明者らはガスと液との相対速度が大きくなると物質移動
速度が大きくなる実験結果をケミカルエンジニヤリング
誌の４１巻、１１号、１９９６年に報告した。

【００３１】前記実験結果によれば、ガス流速が高くな
り液界面との相対速度が高くなると、被処理ガスと吸収
液の気液接触界面ではガス側の境膜が薄くなること、及
びガスから受ける抗力により液側の界面での気液混合作
用により物質移動速度が高められることが分かる。

【００３２】本発明の吸収塔１５内では、ガス流れに直
交した状態で吸収液が接触するが、噴出ノズル２１から
噴出した吸収液をターゲット２０に衝突させることで、
吸収液は微粒化され気液接触面積を大きくすることがで
き、硫黄酸化物（ＳＯｘ）の吸収速度を高めるのと、縮
流から拡大流への高ガス流速系でのガスから吸収液に受
ける抗力によりさらなる微粒化が起こり気液接触面積を
大きくすることができる。

【００３３】図７には、一定のガス流速で空気を流して
おき、その空気流に向けて噴出ノズル２１から吸収液を
噴出して、ガス流速、液噴出速度、液滴径を変化させた
時の液の微粒化状況について測定した実験装置を示す。
図８は、液噴出速度を５ｍ／ｓと一定にし、風洞からの
ガス流速を５ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、１５ｍ／ｓに変化し
た時の液滴の微粒化状況の写真を示す。排ガス流速が５
ｍ／ｓでは、噴出液の微粒化は観察されないが、１０ｍ
／ｓ近傍から噴出液の乱れが生じ、ガスの抗力により微
粒化が起きていることが観察できる。ガス流速が１５ｍ
／ｓにもなると、噴出された液の大部分は微粒化してい
ることを示している。

【００３４】図９には、液噴霧速度を３ｍ／ｓ、５ｍ／
ｓとそれぞれ一定にして、噴霧液滴径が変化した時の微
粒化開始速度についての実験結果を示す。噴霧する液滴
径を大きくしていくと微粒化開始速度は小さくなる。従
って、噴出ノズル２１からの液噴出速度を一定にして、
噴出液滴径を大きくしていくほど、微粒化開始速度は低
くでき、微粒化しやすくなることが明らかになった。液
滴径が大きいことは、ガスの抗力を大きくできるため
に、微粒化し易くなったと判断できる。

【００３５】本発明の吸収塔は燃焼排ガスの脱硫装置に
限らず、ガス中の有害成分を除去する装置、又はガス中
の有用物質を液中に抽出する装置に利用できる。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、ガス流れに縮流と拡大流を形
成させ、この高ガス流速系でのガス側から吸収液に受け
る抗力により噴霧する吸収液を微粒化し、更に、ガス流
れを横断するように、吸収液をノズルから噴出させ、衝
突時の運動エネルギーにより吸収液を微粒化するように
したものであるから、装置自体がコンパクト化でき、高
効率の吸収塔が実現可能である。従って、従来、吸収液
の微粒化器に必要なポンプ動力が少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の吸収塔の構成図であ
る。

【図２】 本発明の実施の形態の吸収塔の気液接触領域
の構造図である。

【図３】 本発明の実施の形態の吸収塔の気液接触領域
の構造図である。

【図４】 本発明の実施の形態の吸収塔の気液接触領域
の構造図である。

【図５】 本発明の実施の形態の吸収塔の液噴出ノズル
とターゲットの構成図である。

【図６】 本発明の実施の形態の吸収塔の液噴出ノズル
とターゲットの構成図である。

【図７】 吸収塔の液噴出ノズルからの液噴出速度とガ
ス流速、液微粒化開始速度を測定する装置の概念図であ
る。

【図８】 図７に示す装置を用いてのガスの抗力による
液微粒化状況を示す写真である。

【図９】 吸収塔の液噴出ノズルからの噴出液滴と液の
微粒化開始速度の関係を示す図である。

【図１０】 従来の脱硫装置に適用する代表的な吸収塔
の構成図である。

【符号の説明】 １ 被処理ガス（吸収塔に導入する燃焼排ガス） ２、２５ スプレノズル ３ 吸収液 ４ 循環タンク ５ ミスト分離装置 ６ 吸収塔出口ガス ７ 液搬送ポンプ １０ ガスの縮流部 １１ ガスの拡大流部 １５ 吸収塔本体 １６ 石灰石スラリー １７ 空気 １９ 攪拌機 ２０ ターゲット（衝突板） ２１ 液噴出ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 寿生 茨城県日立市大みか町７丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小豆畑 茂 茨城県日立市大みか町７丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 野澤 滋 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 Ｆターム(参考） 3K070 DA03 DA17 DA23 4D002 AA02 AC10 BA02 BA13 BA16 CA01 DA05 DA12 DA14 FA03 GA01 GA05 GB06 HA02 HA08 4D020 AA06 BA02 BA08 BA10 BB03 CB27 CC08 CC21 CD01 DA01 DA03 DB05 DB11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理ガスのガス流れ部にガスの縮流部
   と拡大流部を設け、かつ前記縮流部から拡大流部にガス
   流れが流れる空間部にガス流れを横断する方向に吸収液
   を噴出する複数の噴出ノズルを設け、さらに対向する吸
   収塔壁面に設けられた各噴出ノズルからの噴出液を互い
   に衝突させるか又は前記各噴出ノズルからの噴出液が衝
   突するターゲットを吸収塔内に設けた気液接触領域を形
   成させたことを特徴とする吸収塔。
2. 【請求項２】 少なくとも１つの噴出ノズルの液噴出方
   向前方に少なくとも１つのターゲットを設けた気液接触
   領域を形成させたことを特徴とする請求項１記載の吸収
   塔。
3. 【請求項３】 少なくとも２つの噴出ノズルからの噴出
   液が衝突する１つのターゲットを設けた気液接触領域を
   形成させたことを特徴とする請求項１記載の吸収塔。
4. 【請求項４】 少なくとも１つの噴出ノズルの液噴出方
   向がガス流れの上流側に向けて吸収塔壁面に配置された
   ことを特徴とする請求項１記載の吸収塔。
5. 【請求項５】 請求項１記載の吸収塔の気液接触領域に
   設けられる各噴出ノズルから噴出される吸収液同士を衝
   突あるいは、前記縮流部から拡大流部にガス流れる空間
   部に設置するターゲットに衝突させたときの運動エネル
   ギーが、吸収液の表面張力の５倍以上になるように、噴
   出ノズルから噴出する吸収液の速度を調整することを特
   徴とする吸収塔の運転方法。
6. 【請求項６】 請求項１記載の吸収塔を燃焼装置から排
   出される排ガスの流路に設け、吸収液として脱硫剤スラ
   リを含む吸収液を用いて、排ガス中に含まれる硫黄酸化
   物を吸収除去する排煙脱硫用の吸収塔として用いること
   を特徴とする脱硫装置。