JP2005211792A

JP2005211792A - ガス処理塔

Info

Publication number: JP2005211792A
Application number: JP2004021749A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suzumura; 鈴村　　洋; Goji Oishi; 剛司大石; Kazuo Hirota; 和男広田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】ガス偏流を抑制し、安定した脱硫性能を得ることのできるガス処理塔を提供することを目的とする。
【解決手段】ガス処理塔１０において、塔本体１１の寸法Ｗと、導入部１４の上下方向の寸法Ｄの比ｍを適切に設定することで、塔本体１１内におけるガス偏流を抑制するようにした。このとき、導入部１４の上下方向の寸法Ｄを、塔本体１１に近づくにつれて大きくするようにしても良い。また、導入部１４から塔本体１１にガスが流れ込む領域に整流板３０を設けたり、塔本体１１内でガスの流れの方向が変わる領域にガイド板を設けるのも有効である。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種プラントやボイラ等に備えられるガス処理塔に関する。

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）を除去するための排煙脱硫技術には、乾式法と湿式法とがある。
乾式法は、石灰石の粉末をボイラ炉内に噴霧し、炉内の高温ガス化によるカルシネーション反応で生じる生石灰とＳＯ_２を反応させ、亜硫酸カルシウム又は石膏として脱硫する方法である。また、消石灰等の吸収剤をエアヒータ下流の煙道に噴霧することによりガス中のＳＯ_２を除去する方法で、脱硫性能を向上させるために、さらに水を噴霧させることもある。
半乾式法は、消石灰又は活性化した吸収剤の水溶液を反応塔（スプレードライヤ）に噴霧し、ガス中のＳＯ_２と反応させ、その下流側に設置したバグフィルタ又は電気集塵器により反応生成物（亜硫酸カルシウムと石膏）と石灰石の混合物を除去する方法である。
湿式法は、石灰石、消石灰、水酸化マグネシウム、硫酸アルミニウムなどの中和剤を用いる種々のプロセスが開発され、実用化されている。さてこの中で、脱硫率が高く、安価な石灰石を中和剤として、石膏を副生する湿式石灰・石膏法が広く用いられている。

このような湿式法を用いた脱硫装置としては、例えば、硫黄酸化物の吸収液を上方に向けて柱状に吐出し、排ガス（未処理ガス）と気液接触させる、液柱式のガス処理塔がある（例えば、特許文献１、２参照。）。
図９に示すように、このような液柱式のガス処理塔１では、貯溜液を、ポンプ２でくみ上げ、ノズルヘッダー３に多数設置したノズル４から上方に向けて吐出し、柱状の液柱Ｃを形成する。そして、下部側方に形成された導入口５から未処理ガスを導入し、これが上方の排出口６に向けて流れる間に、液柱Ｃに気液接触させることで、未処理ガス中に含まれる硫黄酸化物を除去するようになっている。

特開平９−２２５２５６号公報特開２００２−１１９８２７号公報

ところで、脱硫反応は、〔数１〕に示すように、ボイラ排ガス中に含まれる二酸化イオウを炭酸カルシウムにて吸収して石膏にするものである。排ガス中の亜硫酸ガスは、液中に亜硫酸として吸収され、亜硫酸イオンとなり、さらに酸素により酸化され硫酸イオンとなる。硫酸イオンは、液部に含まれる石灰石と中和反応し、石膏として晶析する。

液とガスが接触する吸収反応は、液柱塔のガスと液が向流で流れる場合でも、スプレー塔のような場合でも次の〔数２〕のように表される。
ここで、入口のＳＯ_２分圧をＰ_{ＳＯ２ｉｎ}（Ｐａ）として、高さＺ間に変化して出ていく出口のＳＯ_２分圧をＰ_{ＳＯ２ｏｕｔ}（Ｐａ）と表す。また、Ｐ^＊ _ＳＯ２は亜硫酸ガスの気相での平衡分圧（Ｐａ）である。さらに記号を以下に示す。
Ｋ_ｇ：気相基準の総括物質移動係数(mol・m^-2・s^-1・Pa^-1)
ａ：装置単位容積当たりの気液有効界面積(m²/m³)
Ｐ：全圧(Pa)
Ｇ_Ｍ：ガスの空塔モル速度(mol・m^-2・s^-1)

脱硫率ηは、次の〔数３〕のように表される。

〔数３〕において、Ｐ^＊ _ＳＯ２は、Ｐ_ＳＯ２の値に対して十分に小さいので、〔数３〕は〔数４〕のようになる。

すなわち、気相基準の総括物質移動係数Ｋ_ｇや全圧Ｐを一定とした場合、ガス偏流により局部的にガス流速が大きくなって空塔モル速度Ｇ_Ｍが大きくなったり、液量が少ない領域で気液有効界面積ａが小さくなったりすると、局部的に脱硫率が悪くなり、全体としての脱硫性能が悪くなるのである。

図１０は、図９に示したガス処理塔１を模式的に示したものである。この図１０において、符号（Ｓ）で示すものは、ガス流速の分布である。この図１０に示すように、ガス処理塔１では、導入口５から導入した未処理ガスは、横方向から縦方向（上向き）へと流れの向きが変わる際に、ガス偏流を生じ、外周側に局部的に流速の高い部分Ａが発生する。すると、この部分Ａでは、前述の〔数４〕において、空塔モル速度Ｇ_Ｍが大きくなり、脱硫性能が悪くなる。また、この部分Ａのガス偏流により、ノズルヘッダー３の下方の領域Ｂにおいて液が落下しにくくなり、前述の〔数４〕において気液有効界面積（接触面積）ａが減少し、局部的に脱硫性能が低下する。

このようにして、導入口５から導入した未処理ガスが上方に向きを変える部分で生じるガス偏流により、局部的に脱硫率が悪くなり、ガス処理塔１全体としての脱硫性能が悪くなるという問題がある。
ガス処理塔１において、未処理ガスの処理効率（単位時間あたりの処理量）を向上させるには、装置を大型化するか、未処理ガスの流速を上げる必要があるが、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、未処理ガスの流速を現状以上に上げることを検討すると、上記したようにガス偏流による問題はさらに顕著になり、硫黄酸化物を除去し切れずに未処理ガスがそのまま吹き抜け、脱硫性能が大幅に低下してしまう、という可能性すらある。
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、ガス偏流を抑制し、安定した脱硫性能を得ることのできるガス処理塔を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明のガス処理塔は、ガスに液を接触させることでガスに含まれる物質を除去するガス処理塔であって、ガスを下方から上方に向けて流す塔本体と、塔本体の下部側面に形成され、塔本体に側方からガスを供給する導入部と、塔本体内にて、上方に向けて流れるガスに液を接触させることでガスに含まれる物質を除去する気液接触部と、を備える。そして、塔本体内におけるガスの最大流速が所定値以下となるように、導入部におけるガスの流路寸法が設定されていることを特徴とする。
塔本体内におけるガスの最大流速が所定値以下となるように、導入部におけるガスの流路寸法を設定するには、塔本体の断面方向の寸法Ｗと、導入部の流路の高さＤとの比ｍ＝Ｗ／Ｄを、１．５未満とするのが好ましい。さらには、この流路寸法は、塔本体内におけるガスの平均流速と、ガスの最大流速とに基づいて設定するのが好ましい。このように、塔本体の断面方向の寸法Ｗに対し、導入部の流路の高さＤを一定以上に大きくすることで、導入部の流路におけるガスの流速を抑えることができる。ここで、塔本体の断面方向の寸法Ｗとは、塔本体と導入部を含む鉛直断面で見たときの塔本体の幅寸法である。
また、導入部を、塔本体に近づくにつれて流路寸法が漸次拡大するように形成すれば、導入部の流路におけるガスの流速を、塔本体に近づくにつれて抑えることができる。
さらに、導入部近傍に、塔本体内でのガスの偏流を抑制するための偏流抑制部材を設けても良い。

本発明のガス処理塔は、ガスに液を接触させることでガスに含まれる物質を除去するガス処理塔であって、ガスを下方から上方に向けて流す塔本体と、塔本体の下部側面に形成され、塔本体に側方からガスを供給し、塔本体の断面方向の寸法に対し、ガスの流路の高さが２／３以上とされた導入部と、を備えることを特徴とすることもできる。

また、本発明は、ガスに液を接触させることでガスに含まれる物質を除去するガス処理塔であって、ガスを下方から上方に向けて流す塔本体と、塔本体に側方からガスを供給するため塔本体の下部側面に形成され、塔本体に近づくにつれてガスの流路の高さが漸次拡大した導入部と、を備えることを特徴とするガス処理塔として捉えることもできる。

本発明によれば、導入部におけるガスの流速を抑制することで、ガス偏流を抑制して局部的に脱硫率が悪くなるのを防ぎ、全体として安定して脱硫性能を向上させることができる。その結果、ガス流速を上げてガス処理塔の処理能力を高めることが可能となる。

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。
［第一の実施の形態］
図１は、本実施の形態におけるガス処理塔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、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、未処理ガスを塔本体１１内に導入するため、筒状の導入部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を備えたノズルヘッダー１６が設けられている。ノズルヘッダー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、この液を上方に向けて柱状に噴き上げて液柱Ｃを形成するためのものである。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。

上記構成を有したガス処理塔１０においては、ノズル１５から噴き上げられた液は、液柱Ｃを形成し、下方に落下する。
一方、導入部１４から略水平方向に導入された未処理ガスは、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、未処理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。つまり、液柱Ｃと未処理ガスが接触する領域が気液接触部として機能することになる。

ここで、ガス処理塔１０において、塔本体１１内でのガス偏流を抑制するために、塔本体１１の、導入部１４側から見たときの奥行きの寸法Ｗと、導入部１４の流路の上下方向の寸法Ｄの比ｍ（ｍ＝Ｗ／Ｄ）を設定するのが好ましい。ここで、塔本体１１の寸法Ｗとは、塔本体１１と導入部１４を含む鉛直断面（すなわち図１で示される断面）で見たときの塔本体１１の幅寸法である。
図２は、比ｍを変動させたときの、塔本体１１内における平均空塔速度Ｖａｖｅと塔本体１１内における最大流速Ｖｍａｘとの比（これを増速比と称する）との関係（実験値）を示すものである。
ここで、増速比が過大になると、最大流速Ｖｍａｘの部分、つまり局部的に流速の高い部分において、液柱Ｃからの落下液を吹き上げてしまい、脱硫性能が低下してしまう。
そこで、図２の関係から、増速比に基づいて、限界流速を求めるのが好ましい。ここでは、
ｍ＜１．５
となるように、寸法Ｗと寸法Ｄの比ｍを設定するのが好ましい。
例えば、寸法Ｗを８１００ｍｍとした場合、寸法Ｄを５４００ｍｍ以上に設定するのである。

さらに、導入部１４の、塔本体１１に面した側に、多数の開口（孔）を有した整流板（偏流抑制部材）３０を備え、偏流をさらに防止するのが好ましい。

〈実施例１〉
上記したようなガス処理塔１０において、実際に、寸法Ｗと寸法Ｄの比ｍを変動させた場合の効果を確認するための実験を行ったのでその結果をここに示す。
実施条件１：塔本体１１において、寸法Ｗを８１００ｍｍとし、寸法Ｄを６１６０ｍｍとした（ｍ＝Ｗ／Ｄ＝１．３１５＜１．５）。
比較条件１：塔本体１１において、寸法Ｗを８１００ｍｍとし、寸法Ｄを５１００ｍｍとした（ｍ＝Ｗ／Ｄ＝１．５９＞１．５）。
実施条件１、比較条件１それぞれにおいて、平均空塔速度（充填塔や段塔などの装置内を流体が流れているとき、これらの装置を挿入物や内容物のない空塔とみなして算出した流体のみかけの装置内平均流速）Ｖａｖｅを４．４ｍ／ｓとしたときと、４．８ｍ／ｓにしたときとで、それぞれ最大流速Ｖｍａｘを求めるとともに、開口部１３における出口ＳＯ_２濃度を計測した。
その結果、比較条件１のケースでは、平均空塔速度が４．４ｍ／ｓのときに出口ＳＯ_２濃度が１ｐｐｍであったものが、平均空塔速度が４．８ｍ／ｓとなると最大流速Ｖｍａｘが１２．７ｍ／ｓとなり、局部的に流速の高い部分において落下液の吹き上げが発生し、出口ＳＯ_２濃度が１０ｐｐｍに上昇した。
これに対し、ｍ＜１．５の条件を満足した実施条件１のケースでは、平均空塔速度が４．４ｍ／ｓのときに出口ＳＯ_２濃度が１ｐｐｍであったものが、平均空塔速度が４．８ｍ／ｓとなっても最大流速Ｖｍａｘが１１．６ｍ／Ｓであり、落下液の吹き上げも発生せず、出口ＳＯ_２濃度は１ｐｐｍのままであった。

このように、ガス処理塔１０において、塔本体１１の寸法Ｗと、導入部１４の上下方向の寸法Ｄの比ｍを適切に設定することで、塔本体１１内におけるガス偏流を抑制し、局部的に脱硫率が悪くなるのを防ぎ、全体として安定して脱硫性能を向上させることができる。その結果、ガス流速を上げてガス処理塔１０の処理能力を高めることが可能となる。
また、導入部１４から塔本体１１にガスが流れ込む領域に設けられた整流板３０によってもガス偏流を抑制することができ、上記効果は一層顕著なものとなる。

また、図３に示すように、ガス処理塔１０に、導入部１４の近傍に、複数枚のガイド板（偏流抑制部材）２０を備えることもでき、これにより、整流効果は、さらに向上する。
これらガイド板２０は、導入部１４の上端の位置Ｅ１と、導入部１４の下端１４ａから水平に伸ばした仮想線Ｖ１が塔本体１１の反対側の側壁に当たる位置（導入部１４の下端１４ａと略同レベルの位置）Ｅ２を結ぶ仮想線Ｖ２に沿って、所定の間隔毎に設置されている。
このようなガイド板２０を用い、塔本体１１内でガスの流れ方向が変わる領域にて、ガスの流れを整流することで、導入部１４から導入される未処理ガスにガス偏流が生じるのを抑制することができ、上記効果は一層顕著なものとなる。

［第二の実施の形態］
次に、本発明にかかるガス処理塔の第二の実施の形態について説明する。
ここで、以下の第二の実施の形態におけるガス処理塔１０’ は、第一の実施の形態におけるガス処理塔１０に対し、導入部１４’の形状が異なったものである。以下の説明においては、第一の実施の形態と異なる構成について主に説明し、第一の実施の形態と共通する構成については、同符号を付し、その説明を省略する。
図４に示すように、第二の実施の形態におけるガス処理塔１０’ は、未処理ガスを塔本体１１内に導入するための導入部１４’に、流路の上下方向の寸法Ｄ’が塔本体１１に向けて漸次拡大するよう、拡径部４０が形成されている。

このようなガス処理塔１０’ においても、塔本体１１内でのガス偏流を抑制するために、塔本体１１の、導入部１４’側から見たときの奥行きの寸法Ｗと、導入部１４’の上下方向の寸法Ｄ’の比ｍ（ｍ＝Ｗ／Ｄ’）を、増速比および限界流速に基づいて設定するのが好ましい。

このように、導入部１４’に拡径部４０を形成することで、この拡径部４０にて、導入部１４’から塔本体１１内に向けて送り込まれる未処理ガスの流速が抑制され、これによって、塔本体１１内で、ガス偏流を抑制して局部的に脱硫率が悪くなるのを防ぎ、全体として安定して脱硫性能を向上させることができる。その結果、ガス流速を上げてガス処理塔１０’の処理能力を高めることが可能となる。

このようなガス処理塔１０’においても、上記実施例と同様の実験を行ったところ、同等の結果を得ることができた。
図５に、このようなガス処理塔１０’に、図３の同様に、複数枚のガイド板２０を備えた例を示す。

なお、上記第一および第二の実施の形態において、ガイド板２０を備える構成も併せて示したが、これは、図３、図５に示したガイド板２０に限るものでは無い。
例えば、各ガイド板２０は、平板状として略鉛直面内に位置するようにしてもよい。
また、図６に示すガイド板２０Ａのように、下端部に略一定の曲率半径Ｒで湾曲した爪部（湾曲または折曲した部分）２１と、爪部２１に連続して上方に延びる平板部２２とを有した形状とすることもできる。平板部２２は、その上端部２２ａが、湾曲した爪部２１の湾曲中心の略鉛直上方に位置するよう、爪部２１から斜め上方に向けて延びている。また爪部２１は、ガスの導入方向側に位置する先端部２１ａが、導入方向（導入部１４から横方向に導入されるガスの流れの方向）より上方に向くまで突出させて湾曲させるのが好ましい。これにより、爪部２１の先端部２１ａは、平板部２２の上端部２２ａの鉛直下方位置からも突出したことになる。このような爪部２１を有することによって、下方に向かう流れを掴み、流れの向きを強制的に上方に変えることができる。

さらに、例えば、図７に示すように、ガイド板２０Ｂの先端部に、ガイド板２０Ａと同様に形成された爪部２１に液排出孔３１を形成してもよい。
爪部２１は、先端部２１ａが突出しているため、底部に液が溜まりやすい。そこで、この底部に液排出孔３１を形成することで、液を速やかに排除することができる。
また、図８に示すように、先端部が略Ｌ字状に屈曲した屈曲部（湾曲または折曲した部分）４１を有するガイド板２０Ｃを用いることもできる。

さらに、上記実施の形態において、ノズルヘッダー１６は複数、つまり上下に多段に設けてもよい。
これ以外にも、脱硫性能の向上・安定化を図るために、他の技術を組み合わせるのは好ましいことである。
また、ガス処理塔１０は、液柱式に限らず、スプレー式のいわゆるスプレー塔であってもよい。
この他、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

第一の実施の形態におけるガス処理塔の構成を示す図である。塔本体の寸法Ｗと導入部の流路の寸法Ｄの比ｍと、増速比との関係を示す図である。第一の実施の形態におけるガス処理塔にガイド板を設置した例を示す図である。第二の実施の形態におけるガス処理塔の構成を示す図である。第二の実施の形態におけるガス処理塔にガイド板を設置した例を示す図である。ガイド板の具体的な形状例を示す図である。ガイド板の他の形状例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。ガイド板のさらに他の形状例を示す図である。従来のガス処理塔の構成を示す図である。従来のガス処理塔におけるガス偏流の発生状況を示す図である。

符号の説明

１０…ガス処理塔、１１…塔本体、１４…導入部、１５…ノズル、１６…ノズルヘッダー、２０…ガイド板（偏流抑制部材）、３０…整流板（偏流抑制部材）、４０…拡径部

Claims

ガスに液を接触させることで当該ガスに含まれる物質を除去するガス処理塔であって、
前記ガスを下方から上方に向けて流す塔本体と、
前記塔本体の下部側面に形成され、前記塔本体に側方から前記ガスを供給する導入部と、
前記塔本体内にて、上方に向けて流れる前記ガスに前記液を接触させることで当該ガスに含まれる物質を除去する気液接触部と、を備え、
前記塔本体内における前記ガスの最大流速が所定値以下となるように、前記導入部における前記ガスの流路寸法が設定されていることを特徴とするガス処理塔。
前記塔本体の断面方向の寸法Ｗと、前記導入部の流路の高さＤとの比ｍ＝Ｗ／Ｄが、１．５未満であることを特徴とする請求項１に記載のガス処理塔。
前記流路寸法は、前記塔本体内における前記ガスの平均流速と、前記ガスの最大流速とに基づいて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のガス処理塔。
前記導入部は、前記塔本体に近づくにつれて前記流路寸法が漸次拡大していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガス処理塔。
前記導入部近傍に、前記塔本体内での前記ガスの偏流を抑制するための偏流抑制部材が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガス処理塔。
ガスに液を接触させることで当該ガスに含まれる物質を除去するガス処理塔であって、
前記ガスを下方から上方に向けて流す塔本体と、
前記塔本体の下部側面に形成され、前記塔本体に側方から前記ガスを供給し、前記塔本体の断面方向の寸法に対し、前記ガスの流路の高さが２／３以上とされた導入部と、
を備えることを特徴とするガス処理塔。
ガスに液を接触させることで当該ガスに含まれる物質を除去するガス処理塔であって、
前記ガスを下方から上方に向けて流す塔本体と、
前記塔本体に側方から前記ガスを供給するため前記塔本体の下部側面に形成され、前記塔本体に近づくにつれて前記ガスの流路の高さが漸次拡大した導入部と、
を備えることを特徴とするガス処理塔。