JP2009195860A - 排ガス処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスを湿式脱硫装置に導入させる前に予備的に冷却する際の排ガスの冷却温度を最適に制御し、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率を高める。
【解決手段】ボイラ１０で発生した排ガス１２を脱硝装置１４、エアヒータ１８、ガスクーラ２２、乾式電気集塵装置３０で処理した後の硫黄酸化物を含んだ排ガス３２を冷却装置３４、湿式脱硫装置３８、湿式電気集塵装置４２の順に導いて処理する排ガス処理方法及び装置において、制御器５６では湿式電気集塵装置４２の高圧電源５２に設けられた荷電電流計５４の指示値を取り込んで、湿式電気集塵装置４２での電流密度が最大となるように、冷却装置３４に供給する冷却空気３５の流量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は排ガス処理方法及び装置に係り、特にボイラから排出される硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、冷却装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理方法及び装置に関する。

重油や石炭などを燃料とするボイラから排出される排ガスには、燃料中の硫黄分から生成した硫黄酸化物が含まれている。したがって、火力発電所用ボイラなどから排出されるこの種の排ガスに対しては、先ず乾式電気集塵装置で除塵した後、湿式脱硫装置で脱硫し、最後に排ガスを湿式電気集塵装置に導いてミストなどを除去し大気へ放出している。

この種の排ガスに含まれる硫黄酸化物は主に二酸化硫黄であるが、数十ｐｐｍレベルの三酸化硫黄が存在している。この三酸化硫黄は水分と反応して硫酸になり易く、ガス温度が硫酸の露点（酸露点）以下になると凝縮して硫酸ミストになる。硫酸ミストは腐食性が強いので、湿式脱硫装置よりも前段では排ガスを酸露点よりも高い温度（例えば１７０℃前後）に維持している。しかしながら、この排ガスを湿式脱硫装置に導いて水分の露点である６０℃前後にまで急冷すると、微細な硫酸ミストが生成する。この微細な硫酸ミストは湿式脱硫装置では除去が困難であり、後段の湿式電気集塵装置で除去することになる。

しかしながら、湿式電気集塵装置では捕集対象である硫酸ミストなどの粒径によって捕集性能が大きく影響され、ミスト径が小さくなると捕集効率が低下する。湿式脱硫装置で生成した硫酸ミストにサブミクロンレベルのものが多く含まれる場合には、湿式電気集塵装置では空間電荷効果によって捕集性能が著しく低下し、湿式電気集塵装置から排出される排ガス中の硫酸ミスト濃度が高くなって、大気汚染を招く恐れがある。このため、湿式電気集塵装置の容量を大きくしなければならず、その設備費と運転費が高騰する欠点がある。

特許文献１にはこの種の排ガス処理方法の欠点を改善するために、湿式脱硫装置に導入する排ガスを予備的に冷却する方法が開示されている。この特許文献１に開示された方法によれば、湿式脱硫装置を出て湿式電気集塵装置に導入される排ガス中の硫酸ミストの径を大きくすることができ、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの捕集効率を高めることができる。
特開２００２−４５６４３号公報

しかしながら、本発明者の知見によれば、上記特許文献１に開示された方法を採用した場合、排ガス中の三酸化硫黄の濃度によって、冷却装置において冷却する排ガスの最適温度が変化することが判明した。すなわち、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が低い時には、冷却装置において冷却する排ガスの温度を低めにすると湿式脱硫装置の出口排ガス中の硫酸ミスト径が大きくなり、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率が向上する。一方、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が高い時には、冷却装置において冷却する排ガスの温度を高めにすると湿式脱硫装置の出口排ガス中の硫酸ミスト径が大きくなり、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率が向上する。したがって、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率を高めるためには、排ガスを湿式脱硫装置に導入させる前に予備的に冷却する際の冷却温度を排ガス中の三酸化硫黄の濃度に基づいて変化させることが最も望ましいことが判明した。しかしながら、現状の技術では排ガス中の三酸化硫黄の濃度をリアルタイムで検出可能な実用的な計測手段が存在しない。このため、本発明者が得た上記知見を現実の排ガス処理に応用することが困難であった。

本発明は上記の技術背景のもとで創案されたものであり、本発明の目的は、排ガス中の三酸化硫黄の濃度を検出することなく、排ガスを湿式脱硫装置に導入させる前に予備的に冷却する際の排ガスの冷却温度を最適に制御し、もって湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率を高めることができる排ガス処理方法及び装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係る排ガス処理方法は、ボイラから排出される硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、冷却装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理方法において、前記冷却装置として前記排ガスを冷却空気によって間接的に冷却する熱交換器を用い、前記湿式電気集塵装置での電流密度が最大となるように、前記冷却装置における冷却空気の供給量を制御することを特徴とする。この場合、冷却装置に供給する冷却空気として温度が１００℃以上のものを用いることが望ましい。

また、本発明に係る排ガス処理装置は、ボイラから排出される硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、冷却装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理装置において、前記冷却装置は前記排ガスを間接的に冷却する熱交換器であり、該冷却装置における冷却量は前記湿式電気集塵装置の高圧電源に設けられた荷電電流計の指示値が最大となるように制御器によって制御されることを特徴とする。

上記構成の排ガス処理装置は、前記乾式電気集塵装置の前段には前記排ガスを冷却空気によって間接的に冷却するガスクーラが配設され、前記湿式電気集塵装置の後段には該湿式電気集塵装置から排出された排ガスを加熱空気によって間接的に加熱する加熱器が配設されたことが望ましい。そして、前記ガスクーラでの熱交換によって昇温した冷却空気を前記加熱器に供給する加熱空気として利用し、該加熱器での熱交換によって降温した加熱空気を前記冷却装置における排ガスを間接的に冷却するための冷熱源として利用可能にしたことが望ましい。

本発明の排ガス処理方法及び装置によれば、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が変化しても、湿式電気集塵装置において排ガスが通過する電界空間の電流密度を常に最大に維持することができる。したがって、排ガス中の三酸化硫黄の濃度を検出することなく、排ガスを湿式脱硫装置に導入させる前に冷却装置で予備的に冷却する際の排ガスの冷却温度を最適に制御し、もって湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率を高めることができる。

また、冷却装置として排ガスを冷却空気によって間接的に冷却する熱交換器を用いると、冷却装置での冷却過程において排ガス中の水分が変化せず、局部的な排ガスの急冷現象も起きにくいので、制御を安定に行うことができ、微細な硫酸ミストの発生を最小限に抑えることができる。また、冷却装置に供給する冷却空気として温度が１００℃以上のものを用いると、冷却装置に供給される排ガスと冷却空気との温度差が小さいため、局部的な排ガスの急冷現象がより一層起きにくくなり、排ガスの酸露点付近での徐冷が硫酸ミストの粗大化に大きく寄与する。

図１は本発明に係る排ガス処理方法及び装置の実施形態を示す系統図である。重油や石炭などを燃料とするボイラ１０の排ガス１２は先ず脱硝装置１４に送られ、排ガス１２中の窒素酸化物が除去される。脱硝装置１４を経た排ガス１６はエアヒータ１８に送られ、ボイラ１０の燃焼用空気と熱交換する。エアヒータ１８を経た排ガス２０はガスクーラ２２に送られる。ガスクーラ２２には外気がファン２４によって冷却空気２６として供給され、この冷却空気２６が排ガス２０と間接的に熱交換する。熱交換によって１７０℃〜１８０℃程度にまで降温した排ガス２８は乾式電気集塵装置３０に送られ、排ガス２８中の煤塵が除去される。

乾式電気集塵装置３０を経た排ガス３２は、温度が約１７０℃で硫黄酸化物を含んでいる。この排ガス３２は先ず冷却装置３４に送られ、冷却空気３５と間接的に熱交換することによって１２０〜１７０℃の範囲内で予備的に冷却される。冷却装置３４を経た排ガス３６は湿式脱硫装置３８に送られ、主に排ガス３６中の二酸化硫黄が除去される。湿式脱硫装置３８を経た排ガス４０は温度が６０℃程度の飽和状態であり、多数の微細なミストを含む。これらの微細なミストには硫酸ミストも多数、含まれている。したがって、このような硫酸ミストを含む排ガス４０を湿式電気集塵装置４２に導き、硫酸ミスト等のミストや残存している塵埃をこの湿式電気集塵装置４２によって除去する。湿式電気集塵装置４２を経た排ガス４４は白煙防止を目的として加熱器４６で加熱空気４８と間接的に熱交換し、１００℃以上に加熱された後に、図示しない煙突から大気に放出される。

なお、加熱器４６に供給する加熱空気４８としては、ガスクーラ２２での熱交換によって昇温した冷却空気２６を利用することが望ましい。また、加熱器４６での熱交換によって１００〜１２０℃程度にまで降温した加熱空気４６の一部を冷却装置３４に供給する冷却空気３５として利用し、残部は排気５０として大気に放出する。

湿式電気集塵装置４２には高圧電源５２が装備されており、この高圧電源５２によって処理対象である排ガス４０が通過する空間を高い電界に維持する。この電界空間における電流密度が大きいほど、集塵性能（ミスト捕集性能）が向上する。電界空間における電流密度は高圧電源５２に付設した荷電電流計５４によって換算することができる。したがって、本実施形態では荷電電流計５４の指示値を制御器５６に送信し、制御器５６は送信される荷電電流計５４の指示値が最大となるように、冷却装置３４に供給する冷却空気３５の流量を制御する。すなわち、冷却空気３５のラインには流量調節弁５８が配設されており、制御器５６は流量調節弁５８の開度を調節することによって、冷却空気３５の流量を制御する。すると、湿式電気集塵装置４２内で排ガス４０が通過する電界空間の電流密度が最大になり、前記のように湿式電気集塵装置４２の集塵性能（ミスト捕集性能）が向上する。

なお、湿式脱硫装置３８に供給する排ガス３６の温度は温度計６０によって検出し、冷却装置３４に供給する冷却空気３５の流量は流量計６２によって検出する。検出した排ガス３６の温度や冷却空気３５の流量は制御器５６に送信され、制御器５６では制御が正常に実行されているか否かを検証するためのバックデータとして、これらの検出値を利用する。

上記構成の排ガス処理装置の乾式電気集塵装置３０を経た排ガス３２について処理実験を行った。実験に用いた排ガス３２の温度は１７０℃、ダスト濃度は６ｍｇ／ｍ^３Ｎ、三酸化硫黄濃度は１２ｐｐｍであった。図２〜図４は実験結果を示すグラフである。図２〜図４において横軸に表示した脱硫入口温度とは、図１における湿式脱硫装置３８の入口（すなわち、冷却装置３４の出口）の排ガス３６の温度を示しており、上記１７０℃の排ガス３２を冷却装置３４の冷却条件を変えることによって、１１２℃、１３５℃、１５２℃に変化させたものである。図２における縦軸のミスト粒径とは、湿式脱硫装置３８の出口（すなわち、湿式電気集塵装置４２の入口）の排ガス４４に含まれるミストの平均粒径を示している。図３における縦軸の電流密度とは、湿式電気集塵装置４２での電流密度を意味している。図４における縦軸の三酸化硫黄除去率とは、図１において排ガス４０と排ガス４４を対比した時の湿式電気集塵装置４２の三酸化硫黄除去率を意味している。

図２〜図４によれば、脱硫入口温度を１３５℃付近にするとミスト粒径、電流密度、三酸化硫黄除去率のいずれもが最大になることが判る。この１３５℃という温度は、本実験に用いた排ガス３２（三酸化硫黄濃度が１２ｐｐｍ）の酸露点（１３９℃）よりも少し低い。図５は空気中の三酸化硫黄濃度と酸露点との関係を示すグラフであり、空気中の三酸化硫黄濃度と水分が高いほど酸露点が上昇する。

このような知見に基づいて、三酸化硫黄濃度が異なる排ガス３２についても同様の実験を実施したところ、脱硫入口温度を酸露点よりも少し低い温度にすると、ミスト粒径、電流密度、三酸化硫黄除去率のいずれもが最大になることが判明した。この結果、脱硫入口温度とミスト粒径と電流密度と三酸化硫黄除去率とは密接な相互関係があり、電流密度が最大となるように冷却装置の冷却条件を制御すれば、脱硫入口温度が排ガス中の三酸化硫黄濃度や水分に対応した酸露点よりも少し低い温度に自動的に調整され、ミスト粒径や三酸化硫黄除去率が最大になる最適処理を実現できることが判明した。

本実施形態ではこのような知見に基づいて、制御器５６では送信される荷電電流計５４の指示値が最大となるように、流量調節弁５８の開度を調節し、冷却装置３４に供給する冷却空気３５の流量を制御する。その結果、排ガス３２中の三酸化硫黄の濃度が変化した場合でも、湿式電気集塵装置４２での電流密度が常に最大に維持され、三酸化硫黄除去率を最大にした最適処理を実現することできる。

図６は荷電電流計５４の指示値を最大にするための制御方法を例示したタイムチャートである。図６の横軸は時間経過、縦軸は荷電電流計５４の指示値を示している。時刻ａを起点として、制御器５６では冷却空気３５の流量を増加して、排ガス３６の温度を下げるように制御し、この冷却条件を次の時刻ｂまで継続する。その結果、時刻ｂでの電流指示値が時刻ａよりも低下している場合には、時刻ａでの冷却空気３５の流量増加が逆制御であると判定し、制御器５６では冷却空気３５の流量を減少して、排ガス３６の温度を上げるように制御し、この冷却条件を次の時刻ｃまで継続する。その結果、時刻ｃでの電流指示値が回復する。制御器５６ではさらに冷却空気３５の流量を減少して、排ガス３６の温度を上げるように制御し、この冷却条件を次の時刻ｄまで継続する。

以下、同様の制御によってｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈの順に排ガス３６の温度を上げ続けるように制御すると、各時刻での電流指示値も徐々に上昇する。しかしながら、電流指示値が永続的に上昇することは有り得ず、例えば時刻ｉで電流指示値が時刻ｈの時よりも低下したとする。すると、制御器５６では、冷却空気３５の流量を増加して時刻ｇと同程度に戻す。その結果、時刻ｊでは電流指示値が回復する。そこで、制御器５６ではこの付近の冷却空気３５の流量が電流指示値を最大にすると判定して、時刻ｊ以降は時刻ｇや時刻ｉで設定した冷却空気３５の流量を維持する制御を行う。その結果、電流指示値を最大にした運転が時刻ｋまで行われることになり、排ガス３６の温度が三酸化硫黄の濃度に対応した最適値に自動的に調整され、湿式電気集塵装置４２での電流密度や三酸化硫黄除去率が最大になる最適処理を継続することができる。

ボイラ１０の運転条件の変化などによって、排ガス３２の三酸化硫黄の濃度が変化すると、時刻ｋ以降に電流指示値が上昇又は下降する傾向がでる。このような傾向がでた時には、制御器５６では上記と同様の考え方で冷却空気３５の流量を増減する操作を繰り返すことによって、電流指示値が最大になる冷却条件を探り、実行する制御をすればよい。

制御器５６での制御間隔（図６に示した時間ｔ）は、１〜１０分程度の長い間隔で十分である。すなわち、排ガス３２が冷却装置３４や湿式脱硫装置３８を経て、湿式電気集塵装置４２に流入するまでには、数秒から数十秒の滞留時間がかかるので、この滞留時間以下の制御間隔は無意味であり、却って制御に混乱が生じる。ボイラ１０の運転条件が安定している場合には、状況に応じて制御間隔を１時間程度にすることも可能である。

図７は排ガス３６の経日温度変化をモデル化して示した説明図である。図７において、破線Ａは冷却装置３４入口の排ガス３２の温度が１７０℃であることを示している。また、実線Ｂは冷却装置３４出口（湿式脱硫装置３８入口）の排ガス３６の経日温度変化を示している。上記した制御器５６による制御によって排ガス３６は期間ｘでは１３０℃程度、期間ｙでは１４０℃程度、期間ｚでは１５０℃程度に自動的に調整される。この場合、排ガス３２中の三酸化硫黄の濃度が期間ｘ、期間ｙ、期間ｚの順に徐々に上昇し、酸露点も三酸化硫黄の濃度に応じて上昇し、これに見合って排ガス３６の温度が最適値に自動的に調整されと推定することができる。

なお、図５に示したように、酸露点は空気中の三酸化硫黄の濃度のみならず、水分によっても大きな影響を受ける。このため、例えば水分を直接に噴霧して排ガス３２を冷却した場合には、排ガス３２中の水分が増加することによって、酸露点が上昇し、制御が不安定になる恐れがある。さらに、水分の噴霧によって局部的な排ガスの急冷現象が無数に起き、微細な硫酸ミストを多量に発生させる。本実施形態の排ガス処理方法及び装置においては、冷却装置３４として排ガス３２を冷却空気３５によって間接的に冷却する熱交換器を用いている。このため、冷却装置３４での冷却過程において排ガス３２中の水分が変化せず、局部的な排ガスの急冷現象も起きにくいので、制御を安定に行うことができ、微細な硫酸ミストの発生を最小限に抑えることができる。

また、本実施形態の排ガス処理方法及び装置においては、ガスクーラ２２での熱交換によって昇温した冷却空気を加熱器４６に供給する加熱空気４８として利用するようにしたので、有効な熱回収を図ることができる。また、加熱器４６での熱交換によって１００〜１２０℃程度にまで降温した加熱空気を冷却装置３４における排ガス３２を間接的に冷却するための冷却空気３５として利用するようにした。このため、冷却装置３４に供給される排ガス３２と冷却空気３５との温度差が小さくなり、局部的な排ガスの急冷現象もより一層起きにくく、排ガスの徐冷が安定して進行する。この排ガスの酸露点付近での徐冷作用が硫酸ミストの粗大化に大きく寄与すると考えられる。

上述のとおり、本実施形態の排ガス処理方法及び装置によれば、湿式電気集塵装置４２の高圧電源５２に設けられた荷電電流計５４の指示値が最大となるように、制御器５６によって冷却空気３５の流量を調整し、排ガス３６の温度が最適になるように制御するようにした。このため、排ガス３２中の三酸化硫黄の濃度が変化しても、湿式電気集塵装置４２において排ガス４０が通過する電界空間の電流密度を常に最大に維持することができる。したがって、排ガス３２中の三酸化硫黄の濃度を検出することなく、排ガス３２を湿式脱硫装置３８に導入させる前に冷却装置３４で予備的に冷却する際の排ガス３６の冷却温度を最適に制御し、もって湿式電気集塵装置４２での硫酸ミストの除去率を高めることができる。

また、冷却装置３４として排ガス３２を冷却空気３５によって間接的に冷却する熱交換器を用いている。このため、冷却装置３４での冷却過程において排ガス３２中の水分が変化せず、局部的な排ガスの急冷現象も起きにくいので、制御を安定に行うことができ、微細な硫酸ミストの発生を最小限に抑えることができる。さらに、加熱器４６での熱交換によって１００〜１２０℃程度にまで降温した加熱空気を冷却装置３４用の冷却空気３５として利用するようにした。このため、冷却装置３４に供給される排ガス３２と冷却空気３５との温度差が小さくなるので、局部的な排ガスの急冷現象もより一層起きにくくなり、排ガスの酸露点付近での徐冷が硫酸ミストの粗大化に大きく寄与する。

なお、湿式電気集塵装置４２では排ガスの流路に沿って複数の高圧電源を備え、例えば上流、中間、下流側の高圧電源別に荷電制御を行うようにする場合がある。このような方式の湿式電気集塵装置４２を備えた排ガス処理装置に本発明を適用する場合には、制御対象となる荷電電流計の指示値としては、各種の組み合わせを選択することができる。第１には複数の高圧電源にそれぞれ設けられる荷電電流計の各指示値のいずれか１つを代表に選んで本発明を適用する。第２には複数の高圧電源にそれぞれ設けられる荷電電流計の各指示値を合算し、この合算値に基づいて本発明を適用する。合算はすべての指示値を合算してもよく、又は選択した高圧電源のみの荷電電流計の各指示値を合算してもよい。

本発明に係る排ガス処理方法及び装置の実施形態を示す系統図である。 脱硫入口温度とミスト粒径の関係を示すグラフである。 脱硫入口温度と電流密度の関係を示すグラフである。 脱硫入口温度と三酸化硫黄除去率の関係を示すグラフである。 空気中の三酸化硫黄濃度と酸露点との関係を示すグラフである。 荷電電流計５４の指示値を最大にするための制御方法を例示したタイムチャートである。 排ガス２８の経日温度変化をモデル化して示した説明図である。

符号の説明

１０………ボイラ、１２，１６，２０，２８，３２，３６，４０，４４，４６………排ガス、１４………脱硝装置、１８………エアヒータ、２２………ガスクーラ、２４………ファン、２６………冷却空気、３０………乾式電気集塵装置、３４………冷却装置、３５………冷却空気、３８………湿式脱硫装置、４２………湿式電気集塵装置、４６………加熱器、４８………加熱空気、５０………排気、５２………高圧電源、５４………荷電電流計、５６………制御器、５８………流量調節弁、６０………温度計、６２………流量計。

Claims (5)

1. ボイラから排出される硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、冷却装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理方法において、前記冷却装置として前記排ガスを冷却空気によって間接的に冷却する熱交換器を用い、前記湿式電気集塵装置での電流密度が最大となるように、前記冷却装置における冷却空気の供給量を制御することを特徴とする排ガス処理方法。
2. 前記冷却空気として温度が１００℃以上のものを用いることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理方法。
3. ボイラから排出される硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、冷却装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理装置において、前記冷却装置は前記排ガスを間接的に冷却する熱交換器であり、該冷却装置における冷却量は前記湿式電気集塵装置の高圧電源に設けられた荷電電流計の指示値が最大となるように制御器によって制御されることを特徴とする排ガス処理装置。
4. 前記乾式電気集塵装置の前段には前記排ガスを冷却空気によって間接的に冷却するガスクーラが配設され、前記湿式電気集塵装置の後段には該湿式電気集塵装置から排出された排ガスを加熱空気によって間接的に加熱する加熱器が配設されたことを特徴とする請求項３に記載の排ガス処理装置。
5. 前記ガスクーラでの熱交換によって昇温した前記冷却空気を前記加熱器に供給する加熱空気として利用し、該加熱器での熱交換によって降温した加熱空気を前記冷却装置における前記排ガスを間接的に冷却するための冷熱源として利用可能にしたことを特徴とする請求項４に記載の排ガス処理装置。

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