JP2005028284A - 排ガス処理塔 - Google Patents

Abstract

【課題】確実に液を回収することのできる排ガス処理塔を提供することを目的とする。
【解決手段】排ガス処理塔１０において、ミストエリミネータ１８の上流側に、ミストエリミネータ１８の捕集板１９の間隔Ｐ２よりも大きな間隔Ｐ１で配置された捕集板２１を有する液滴エリミネータ２０を配置することで、排ガスに含まれる大きな粒径の液滴を液滴エリミネータ２０で捕集するようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種プラントやボイラ等に備えられる排ガス処理塔に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種プラントやボイラの排ガス中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯ_２）を除去するため、気液接触方式の排ガス処理塔が用いられている。
この排ガス処理塔には、硫黄酸化物の吸収液を上方に向けて柱状に吐出する、いわゆる液柱式のものがある（例えば、特許文献１参照。）。図１１に示すように、このような液柱式の排ガス処理塔１では、下部側方に形成された導入口２から排ガスを導入し、これが上方の排出口３に向けて流れる間に柱状に吐出された液柱Ｃに接触することで、排ガス中に含まれる硫黄酸化物が除去されるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭５９−５３８２８号公報（第１図）
【０００４】
このような液柱式の排ガス処理塔１において、液柱Ｃと接触して排出口３から排出される排ガス中には、微細な液滴（これを一般的にはミストと称している）が含まれ、これを回収するために排出口３にミストエリミネータ４が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排ガス処理塔１の性能を向上させるために排ガスの処理効率（単位時間あたりの処理量）を高めるには、装置を大型化するか、排ガスの流速を上げる必要がある。
しかしながら、設備の大型化が望ましくないのは言うまでもない。そこで、排ガスの流速を現状以上に上げることを検討すると、ミストエリミネータ４で排ガス中の液滴を十分に回収できず、液滴が排ガスとともにミストエリミネータ４を通り抜けて排出されてしまうという問題が生じる。
ここで、排ガスは下方から上方に流れる過程で液柱Ｃに気液接触するわけであるが、この排ガスの流れによって、液柱Ｃの近傍に発生する液滴は上方に向けた抗力を受ける。そして、液滴の重さ（径）に応じた重力と、上方向に流れる排ガスによる抗力（空気抵抗力）とのバランスにより、ある一定以上の重さ（径）の液滴は排ガスの流れに乗って排ガス処理塔１内を上昇し、ミストエリミネータ４に向かう。
このとき、排ガスの流速が上がれば、これに応じて排ガス処理塔１内を上昇する液滴の径の上限値も大きくなることになり、また全体として上昇する液滴の量も増えることになる。すると、ミストエリミネータ４では、捕集しなければならない液滴量が増え、ミストエリミネータ４の捕集板４ａの表面に付着する液の量も増える。
その一方で、排ガスの流速は高まっているので、捕集板４ａの表面に付着した液が排ガスによって再飛散し、その結果、ミストエリミネータ４を液が通り抜けてしまうのである。
【０００６】
また、排ガス処理塔１を設計する際には、定常運転時の排ガスの流速を設定し、その、設定した排ガスの流速に基づき、排ガス処理塔１内を排ガスとともに上昇する液滴の径を求め、求めた径の液滴を確実に捕集できるようにミストエリミネータ４を設計する。
しかし、排ガス処理塔１内において、排ガスの流れは均一ではなく、様々な要因によって非定常な流れとなっていたり、流速も場所によって異なっていたりする。このため、実際には、設計時に設定した定常運転時の流速よりも高い流速で排ガスが流れる領域も存在することがある。それにより、その領域では、設計時に想定していた以上に大きな径の液滴が排ガスとともに上昇してミストエリミネータ４に向かい、その結果、上記と同様にしてミストエリミネータ４で液を捕集しきれず、通り抜けてしまうことがある。
【０００７】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、確実に液を回収することのできる排ガス処理塔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】
本発明の排ガス処理塔は、下方から導入した排ガスを上方に排出する塔本体と、塔本体内にて、排ガスに接触させることで排ガスに含まれる物質を除去する液を供給する液供給部と、液供給部に対し排ガスの流れ方向下流側に設けられ、液に接触した排ガスに含まれる液滴を捕集する第一の液滴捕集部と、液供給部に対し排ガスの流れ方向下流側で、かつ第一の液滴捕集部よりも上流側に設けられ、排ガスに含まれる液滴のうち、第一の液滴捕集部で捕集する液滴よりも大きな液滴を捕集する第二の液滴捕集部と、を備えることを特徴とする。
このような排ガス処理塔は、いかなる形式のものであってもよいが、例えば、液供給部で、下方から上方に柱状に液を噴出することで液柱を発生させ、液柱に排ガスを接触させることで排ガスに含まれる物質を除去する、いわゆる液柱方式に好適に用いることができる。
【０００９】
第一の液滴捕集部の上流側に第二の液滴捕集部を備えることで、上流側の第二の液滴捕集部では、第一の液滴捕集部で捕集する液滴よりも大きな液滴を捕集する。これにより、下流側の第一の液滴捕集部では、第二の液滴捕集部で捕集された液滴よりも小さな液滴のみを捕集することになる。
具体的な構成としては、第一の液滴捕集部を、排ガスの流れ方向に対して傾斜し、所定ピッチで配列された複数枚の第一の捕集板を備える構成とし、第二の液滴捕集部を、排ガスの流れ方向に対して傾斜し、第一の捕集板よりも大きな所定のピッチで配列された複数枚の第二の捕集板を備える構成とするのが良い。
ここで、第二の捕集板のピッチは、塔本体内における排ガスの通常運転時流速に基づき設定することができる。例えば、塔本体内で通常運転時、排ガスの流速を５ｍ／ｓとする場合、第二の捕集板の傾斜角を２８°、ピッチを１００〜１５０ｍｍとするのが好ましい。その場合、第二の捕集板では、概ね３ｍｍ以上の粒径の液滴を捕集することができる。また、この場合、第一の捕集板は、４０ 〜６０ｍｍに設定するのが好ましい。
また、第二の捕集板のピッチは、塔本体内における排ガスの最大流速に基づき設定することも可能である。これにより、塔本体内で排ガスの流れが非定常となっている場合等にも対応することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における排ガス処理塔１０の構成を説明するための図である。
この図１に示すように、排ガス処理塔１０は、塔本体１１が例えば断面視矩形の筒状で、その底部は底板１２によって閉塞され、上部には開口部１３が形成されている。また、塔本体１１の下部側面には、排ガスを塔本体１１内に導入するための導入口１４が開口して形成されている。
塔本体１１内には、複数のノズル１５を備えた配管１６が設けられている。配管１６には、塔本体１１の底部に貯留された液がポンプ１７で吸い上げられて供給されるようになっている。ノズル１５は、液供給部として、この液を上方に向けて柱状に噴き上げ、塔本体１１内に液柱Ｃを形成するものであり、これら複数のノズル１５は、互いに隣接するノズル１５から噴き上げられる液柱Ｃに隙間が生じないように、適宜設定された間隔で配置されている。
【００１１】
このような排ガス処理塔１０においては、導入口１４から略水平方向に導入された排ガスは、排ガス処理塔１０内で向きを変え、上方に向けて流れる。そして、ノズル１５から上方に噴き上げられた液柱Ｃに接触することで、排ガス中の硫黄酸化物が液に吸収され、上部の開口部１３から排出されるようになっている。
【００１２】
本実施の形態において、排ガス処理塔１０には、排ガス排出口となる開口部１３に、ミストエリミネータ（第一の液滴捕集部）１８と、液滴エリミネータ（第二の液滴捕集部）２０とが備えられている。
ミストエリミネータ１８は、従来より排ガス処理塔１０に備えられているもので、液柱Ｃを通過した排ガスに含まれる微細な液滴（以下、これをミストと適宜称する）を除去するため、予め設定した傾斜（排ガスの流れ方向に対する傾斜）を有した捕集板（第一の捕集板）１９が所定間隔で設けられている。ここで、捕集板１９は、排ガスの流れ方向に対し所定の角度に傾斜した面を有しているのであれば、複数の折曲部１９ａを有するジグザグ状の断面を有したものとすることもできるし、一つの折曲部のみを有した「く」の字状の断面、あるいは折曲部を有さない単に傾斜した板等、他の形状とすることもできる。
【００１３】
一方、液滴エリミネータ２０は、ミストエリミネータ１８の下方、つまり、排ガスの流れ方向上流側に設けられている。この液滴エリミネータ２０は、ミストエリミネータ１８と同様に複数の捕集板（第二の捕集板）２１を有しているが、この液滴エリミネータ２０は、ミストエリミネータ１８で捕集しようとするミストの粒径より、大きな粒径の液滴を捕集するためのもので、これら捕集板２１の間隔は、ミストエリミネータ１８の捕集板１９の間隔よりも大きく設定されている。
【００１４】
図２に示すように、液滴エリミネータ２０は、上下に配置された棒状あるいは管状の連結部材２２、２３に、所定枚数の捕集板２１が、所定の間隔（ピッチ）Ｐ１で取り付けられている。各捕集板２１は、連結部材２２、２３に固定される部分２１ａ、２１ｂが塔本体１１の軸線方向（排ガスの流れ方向）に略平行とされ、その間が塔本体１１の軸線方向に対し所定の角度αで傾斜した傾斜部２１ｃとされている。
【００１５】
ここで、本実施の形態の排ガス処理塔１０では、例えば、液滴エリミネータ２０で３ｍｍ以上の粒径の液滴を捕集し、ミストエリミネータ１８では、それ以下の粒径の液滴（ミスト）を捕集するべく、液滴エリミネータ２０の捕集板２１の間隔Ｐ１は１００〜１５０ｍｍ、ミストエリミネータ１８の捕集板１９の間隔（ピッチ）Ｐ２は４０〜６０ｍｍに設定するのが好ましい。
【００１６】
このような液滴エリミネータ２０の捕集板２１の間隔Ｐ１は、以下のようにして、求めることができる（参考文献：日置 敏美、「気泡・液滴・分散工学」、槇書店、１９８２年１０月３０日）。
液滴エリミネータ２０における液滴（ミストを含む）の捕集原理は、一方向に流れる排ガスの向きを捕集板２１によって変えることで、排ガスよりも比重の大きい液滴を慣性力によって排ガスとは異なる運動をさせ、捕集板２１に付着させる、というものである。
より詳しくは、等間隔に配列された捕集板２１、２１間を流れることで排ガスの流れの向きが変わる部分で、排ガス中の液滴が曲率半径ｒを有する軌跡で移動している場合、この液滴は、遠心力（慣性力）と排ガスの粘性による抵抗を受ける。この状態で、液滴の半径方向の運動方程式は、近似式に数１のようになる。
【００１７】
【数１】

【００１８】
ただし、ｍ：液滴の質量、ｕ：排ガスの流線方向速度、υ：液滴の半径方向移動速度、μ：排ガスの粘度である。
数１において、微小な液滴を対象とする場合、加速度項は無視できるので、半径方向のミスト移動速度υは、数２のようになる。
【００１９】
【数２】

【００２０】
ただし、ρ_Ｌ：液滴の密度である。
次に、排ガスが角度αを屈折する時間をｔとすれば、液滴がこの間に半径方向に移動する距離ΔＳは、数３となる。
【００２１】
【数３】

【００２２】
したがって、液滴が捕集板２１に衝突することで捕集される捕集効率ηは、数４となる。
【００２３】
【数４】

【００２４】
ただし、Ｓ：捕集板２１の屈折部分での流路幅である。
そして、１００％捕集される最小液滴径（以下、これを捕集限界液滴径と称する）ｄ_ｍｉｎは、η＝１であるから、数５となる。
【００２５】
【数５】

【００２６】
排ガスの粘度μ、液滴の密度ρ_Ｌは、排ガス処理塔１０で取り扱う排ガス、用いる液の種類に基づいて決まる。したがって、排ガスの流線方向速度ｕ、排ガス処理塔１０の運転条件、液滴エリミネータ２０で捕集したい捕集限界液滴径ｄ_ｍｉｎ、排ガスの向きを変える角度αと、捕集板２１の屈折部分での流路幅Ｓのいずれかを決めることで、残りのパラメータを決めることができるのである。
【００２７】
図３は、上記のような理論に基づいて求めた、排ガスの流速と捕集限界液滴径ｄ_ｍｉｎとの関係を示すものである。図４（ａ）は、このような関係を求めるにあたり、図２に示した液滴エリミネータ２０を模式化したものである。
ここでは、図４（ａ）において、排ガスの向きを変える角度（すなわち捕集板２１の傾斜角度）αを２８°、捕集板２１の間隔Ｐ１を、２５、５０、７５、１００、１２５、１５０、１７５、２００ｍｍとしたときについて、排ガスの流速ｕを２．０、３．０、４．０、５．０、６．０、７．０、８．０、９．０、１０．０、１１．０ｍ／ｓにおける捕集限界液滴径ｄ_ｍｉｎをそれぞれ求めた。
なお、排ガスの温度は３０℃、排ガスの粘度μは１．８３×１０^−５ｋｇ／ｍ／ｓ、液には石灰水を用い、その液（液滴）の密度ρ_Ｌは１１５０ｋｇ／ｍ^３とした。
【００２８】
また、図５は、上記と同様の条件で、液に水を用いた場合の排ガスの流速と捕集限界液滴径ｄ_ｍｉｎとの関係を示すものである。ここで、液（液滴）の密度ρ_Ｌは９９８ｋｇ／ｍ^３とした。
【００２９】
これらの図３および図５からもわかるように、捕集したい液滴の粒径（捕集限界液滴径ｄ_ｍｉｎ）と、排ガス処理塔１０における排ガスの流速ｕを設定すれば、最適な捕集板２１の間隔Ｐ１を選択することができるのである。
もちろん、捕集板２１の傾斜角度αを変更した場合にも、同様の関係を求めることで、最適な捕集板２１の間隔Ｐ１を選択することができる。
【００３０】
また、図４（ｂ）に示すように、捕集板２１を、折曲部２１ｄを一つ有する断面「く」の字状とする場合にも、同様にして、捕集限界液滴径ｄ_ｍｉｎと、排ガス処理塔１０における排ガスの流速の関係を求めることができ、これに基づき、最適な捕集板２１の間隔Ｐ１を選択することができるのである。
図６は、断面「く」の字状の捕集板２１において、液に石灰水を用いた場合、図７は液に水を用いた場合の関係を示すものである。ここで、捕集板２１の傾斜角度αは４５°、つまり折曲部２１ｄの前後で捕集板２１が９０°折曲する構成とした。
捕集板２１を断面「く」の字状とする場合にも、これらの図６および図７に示す関係に基づき、捕集したい液滴の粒径（捕集限界液滴径ｄ_ｍｉｎ）と、排ガス処理塔１０における排ガスの流速ｕを設定すれば、最適な捕集板２１の間隔Ｐ１を選択することができるのである。
【００３１】
本実施の形態においては、図２に示したような液滴エリミネータ２０、つまり図３および図５の関係を有する構成（形状）を採用し、捕集板２１の間隔Ｐ１を２００ｍｍ、捕集板２１の傾斜角度αを２８°とした。一方、ミストエリミネータ１８は、図６および図７の関係を有する構成（形状）を採用し、捕集板１９の間隔Ｐ２を２０ｍｍ、３つの折曲部１９ａを有する捕集板１９の傾斜角度αを４５°とした。
そして、排ガスの流速ｕを５ｍ／ｓ、排ガスの温度を３０℃、排ガスの粘度μを１．８３×１０^−５ｋｇ／ｍ／ｓとし、液滴エリミネータ２０と、ミストエリミネータ１８について、液に石灰水・水を用いたそれぞれの場合で、液滴径と捕集効率との関係を求めた（ミストエリミネータ１８については、前述した液滴エリミネータ２０における液滴の捕集理論をそのまま適用した）。
【００３２】
図８は、求めた液滴径と捕集効率との関係を示すものである。この図８に示すように、液に石灰水、水を用いたいずれの場合も、ミストエリミネータ１８では、液滴径およそ３．００×１０^−５ｍ（３０μｍ）で捕集効率η＝１．０に到達しており、液滴エリミネータ２０を設けずミストエリミネータ１８のみとした場合には、ミストエリミネータ１８で、これ以上の液滴径の液滴を全て捕集してしまう。これに対し、液滴エリミネータ２０は、液に石灰水、水を用いたいずれの場合も、液滴径およそ１．４０×１０^−４〜１．５０×１０^−４（１４０〜１５０μｍ）で捕集効率η＝１．０に到達している。
つまりこれにより、ミストエリミネータ１８の上流側に液滴エリミネータ２０を設けることで、液滴エリミネータ２０で液滴径およそ１．４０×１０^−４〜１．５０×１０^−４（１４０〜１５０μｍ）以上の液滴を捕集し、その後段のミストエリミネータ１８では、液滴径およそ１．４０×１０^−４〜１．５０×１０^−４（１４０〜１５０μｍ）を下回る微細な液滴を捕集すればよいことになる。
【００３３】
上述したように、排ガス処理塔１０において、ミストエリミネータ１８の上流側に、ミストエリミネータ１８の捕集板１９の間隔Ｐ２よりも大きな間隔Ｐ１で配置された捕集板２１を有する液滴エリミネータ２０を配置することで、排ガスに含まれる大きな粒径の液滴を液滴エリミネータ２０で捕集することができる。
これにより、ミストエリミネータ１８では、排ガスの流速を従来以上に上げることで、従来よりも大きな液滴がミストエリミネータ１８に向かって排ガスとともに上昇した場合にも、これをその前段側の液滴エリミネータ２０で捕集することができる。その結果、ミストエリミネータ１８の負荷を軽減することができるので、ミストエリミネータ１８でミストが捕集しきれなくなり、そのままミストエリミネータ１８を液が通り抜けてしまうのを抑制することが可能となる。
また、排ガス処理塔１０の設計時に想定した排ガスの流速に対し、部分的により高い流速の領域が存在した場合にも、そのような領域で、設計時に想定していた以上に大きな径の液滴が排ガスとともに上昇しても、これを液滴エリミネータ２０で捕集することができ、この場合も、ミストエリミネータ１８を液が通り抜けてしまうのを抑制することができる。
このようにして、液滴エリミネータ２０を設けることで、確実に液を回収することが可能となるのである。
【００３４】
ここで、上記実施の形態で示した液滴エリミネータ２０の効果を確認するための実験を行ったので、その結果を以下に示す。
＜装置条件＞
実施例：上流側に液滴エリミネータ２０を設け、下流側にミストエリミネータ１８を２段に設けた。液滴エリミネータ２０は、図２に示した形状とし、捕集板２１の間隔Ｐ１を１００ｍｍ、捕集板２１の傾斜角度αを２８°とした。一方、ミストエリミネータ１８は、図１に示した形状とし、捕集板１９の間隔Ｐ２を４０ｍｍ、３つの折曲部１９ａを有する捕集板１９の傾斜角度αを４５°とした。比較例：実施例と同様の形状のミストエリミネータ１８を２段に設けた。捕集板１９の間隔Ｐ２を４０ｍｍ、３つの折曲部１９ａを有する捕集板１９の傾斜角度αを４５°とした。
＜運転条件＞
排ガス流量：１７２５０ｍ^３Ｎ／ｈ
酸化空気量：４９３ｍ^３Ｎ／ｈ
排ガス温度：１０℃
排ガス流速：５ｍ／ｓ
液 ：石灰水
＜計測条件＞
液滴エリミネータ２０およびミストエリミネータ１８（実施例の場合）、ミストエリミネータ１８（比較例の場合）の上流側（入口側）と下流側（出口側）で、ミスト濃度、圧力をそれぞれ測定した。
【００３５】
図９は、入口側ミスト濃度と、出口側ミスト濃度の関係を示すものである。
この図９に示すように、液滴エリミネータ２０を備えない比較例に対し、液滴エリミネータ２０を備えた実施例では、入口側ミスト濃度が上昇しても、出口側ミスト濃度が比較例のように著しく上昇することもなく、液滴エリミネータ２０により、液の排ガス処理塔１０外への漏出が抑制できていることが分かる。
また、図１０は、実施例と比較例における圧力損失を比較するもので、入口側ミスト濃度にかかわらず、ピッチ（間隔Ｐ１）の大きな液滴エリミネータ２０を備えることで、圧力損失が抑えられることが分かる。
【００３６】
なお、上記実施の形態において、液滴エリミネータ２０の間隔Ｐ１を、排ガスの流速ｕに応じて設定しているが、このときに用いる排ガスの流速ｕは、塔本体１１内における通常運転時の排ガスの流速としても良いし、また、塔本体１１内における排ガスの最大流速に基づき設定することも可能である。これにより、塔本体１１内で排ガスの流れが非定常となっている場合等にも対応することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液滴エリミネータを設けることで、排ガスの流速を高めたり、あるいは想定外に排ガス流速が高い領域が存在する場合等にも、確実に液を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】排ガス処理塔の構成を示す断面図である。
【図２】液滴エリミネータの構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は立断面図である。
【図３】液に石灰水を用い、捕集板の間隔を変化させたときの排ガス流速と捕集限界液滴径の関係を示す図である。
【図４】排ガス流速と捕集限界液滴径の関係を求めるにあたって用いた捕集板の形状を示す図である。
【図５】液に水を用いた場合における、捕集板の間隔を変化させたときの排ガス流速と捕集限界液滴径の関係を示す図である。
【図６】図３とは異なる形状の捕集板とした場合、液に石灰水を用い、捕集板の間隔を変化させたときの排ガス流速と捕集限界液滴径の関係を示す図である。
【図７】同、液に水を用い、捕集板の間隔を変化させたときの排ガス流速と捕集限界液滴径の関係を示す図である。
【図８】ミストエリミネータと液滴エリミネータにおける、液滴径と捕集効率との関係を示す図である。
【図９】本実施の形態に示した構成における実験結果を示す図であり、入口ミスト濃度と出口ミスト濃度の関係を示す図である。
【図１０】同、圧力損失を示す図である。
【図１１】従来の排ガス処理塔の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…排ガス処理塔、１１…塔本体、１３…開口部、１８…ミストエリミネータ（第一の液滴捕集部）、１９…捕集板（第一の捕集板）、２０…液滴エリミネータ（第二の液滴捕集部）、２１…捕集板（第二の捕集板）、Ｃ…液柱、Ｐ１、Ｐ２…間隔（ピッチ）

Claims (5)

1. 下方から導入した排ガスを上方に排出する塔本体と、
   前記塔本体内にて、前記排ガスに接触させることで当該排ガスに含まれる物質を除去する液を供給する液供給部と、
   前記液供給部に対し前記排ガスの流れ方向下流側に設けられ、前記液に接触した前記排ガスに含まれる液滴を捕集する第一の液滴捕集部と、
   前記液供給部に対し前記排ガスの流れ方向下流側で、かつ前記第一の液滴捕集部よりも上流側に設けられ、前記排ガスに含まれる液滴のうち、当該第一の液滴捕集部で捕集する液滴よりも大きな液滴を捕集する第二の液滴捕集部と、を備えることを特徴とする排ガス処理塔。
2. 前記液供給部は、下方から上方に柱状に液を噴出することで液柱を発生させ、当該液柱に前記排ガスを接触させることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理塔。
3. 前記第一の液滴捕集部は、前記排ガスの流れ方向に対して傾斜し、所定ピッチで配列された複数枚の第一の捕集板を備え、
   前記第二の液滴捕集部は、前記排ガスの流れ方向に対して傾斜し、前記第一の捕集板よりも大きな所定のピッチで配列された複数枚の第二の捕集板を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス処理塔。
4. 前記第二の捕集板のピッチは、前記塔本体内における前記排ガスの通常運転時流速に基づき設定されることを特徴とする請求項３に記載の排ガス処理塔。
5. 前記第二の捕集板のピッチは、前記塔本体内における前記排ガスの最大流速に基づき設定されることを特徴とする請求項３に記載の排ガス処理塔。

Images