JP2010172878A

JP2010172878A - 酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置と方法

Info

Publication number: JP2010172878A
Application number: JP2009021630A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Imada; 典幸今田; Goki Sasaki; 郷紀佐々木; Naoki Oda; 直己尾田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: JP5275064B2

Abstract

【課題】酸素燃焼排ガスのように水分濃度が高い場合においても、脱硫装置の大きさを変えることなく、空気燃焼時と同等のＳＯ₂除去率を達成することが可能な排ガス処理装置を提供すること。
【解決手段】排ガス中の硫黄酸化物を吸収液を排ガス中に噴霧することで除去する脱硫装置５の内部の吸収液中に吸収液冷却装置２３を配置し、脱硫吸収液を５０℃以下にし、脱硫装置５の前流側又は後流側の排ガスの一部を循環ライン８を経由してボイラ１の燃焼部に循環して燃料の燃焼用に利用する酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭焚ボイラの排ガス中に含まれるＳＯ₂を除去する排ガス処理装置に係わり、特に酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置と方法に関するものである。

近年、地球温暖化の原因の一つと言われている二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量を低減する技術の一つとして、酸素燃焼方式のボイラが注目されている。この酸素燃焼方式は、酸化剤として空気の代わりに酸素を使用することで、ＣＯ₂を主成分とする排ガスを発生させて、直接ＣＯ₂の圧縮、回収を行うものである。石炭を燃料とした場合の酸素燃焼型ボイラの一例を図６に示す。

図６においてボイラ１で石炭２１と酸素２２を燃焼させ、発生した熱により蒸気を発生させる。燃焼排ガスは、後流に設置した脱硝装置２で窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減され、ついて空気加熱機（Ａ／Ｈ）３で温度が低下された後、集塵機４で灰が除去され、脱硫装置５で硫黄酸化物（ＳＯｘ）が除去された後、ＣＯ₂圧縮機６でＣＯ₂を圧縮、回収する構成となっている。

石炭を酸素で燃焼させる場合、燃焼温度が非常に高温となるために、ガス温度を下げる必要がある。そのため、一般的には排ガスの一部をボイラ１に循環させ、酸素と混合して使用する方法が用いられる。図６には、その一例として、脱硫装置５のの後流に排ガスをボイラ１に循環する排ガス循環ライン８と循環用ファン９を設置した例を示している。排ガスは、ボイラ１の燃料及び酸素供給部に接続する構成となっている。排ガス循環量は、従来の空気燃焼時とガス温度が同じになるように設定することが一般的であり、その量は排ガス量全体の７〜８割である。

特開２００７−１４７１６２号公報

前記従来技術においては、脱硫装置の性能低下について考慮されておらず、空気燃焼時と同等のＳＯ₂除去性能を得るためには、脱硫装置が大きくなるという問題があった。

空気燃焼時と酸素燃焼時における排ガス組成の違いは、酸化剤として酸素を使うために排ガスの主成分がＣＯ₂になる他に、水分濃度が高くなるという違いがある。表１に、石炭を燃焼した場合の空気燃焼、酸素燃焼時における排ガス組成の例を示す。空気燃焼時では、排ガスの主成分はＮ₂であり、水分濃度は１１％である。これに対し、酸素燃焼時では排ガスの主成分はＣＯ₂であり、水分濃度は３２％と高くなることが分かる。

排ガス中の水分濃度が高くなることで、脱硫装置のＳＯ₂除去性能が低下するという問題がある。図３及び図４に排ガス中の水分濃度とＳＯ₂除去特性との関係を示す。排ガス中の水分濃度が高くなるとＳＯ₂除去特性が低下することが分かる。これは、排ガス中の水分濃度が高くなることで、脱硫塔内のガス温度や脱硫吸収液の温度が高くなり、脱硫吸収液へのＳＯ₂の溶解度が低下することが原因と考えられる。

そのため、空気燃焼時と同等のＳＯ₂除去性能を得るためには、吸収塔に循環する脱硫吸収液の量を増加したり、脱硫吸収液と排ガスとの接触時間を長くする必要があるため、脱硫装置が大きくなるという問題があった。

本発明は、酸素燃焼排ガスのように水分濃度が高い場合においても、脱硫装置の大きさを変えることなく、空気燃焼時と同等のＳＯ₂除去率を達成することが可能な排ガス処理装置と方法を提供することである。

本発明の上記課題は、次の構成により解決される。
すなわち、請求項１記載の発明は、石炭を酸素を酸化剤として燃焼させて蒸気を発生するボイラと、該ボイラからの排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置と、排ガス中の硫黄酸化物を吸収液を排ガス中に噴霧することで除去する脱硫装置と、該脱硫装置内に設けた吸収液冷却装置と、脱硫装置の前流側又は後流側の排ガスの一部をボイラ燃焼部に循環する排ガス循環ラインとを備えた酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置である。

請求項２記載の発明は、脱硝装置と脱硫装置の間に排ガス中の熱を回収する空気予熱器と排ガス中の煤塵を除去する煤塵除去器とを配置し、前記排ガス循環ラインは煤塵除去器と脱硫装置との間から排ガスを抜き出し、ボイラの燃焼部に接続する請求項１記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置である。

請求項３記載の発明は、前記排ガス循環ラインは脱硫装置の後流側から排ガスを抜き出し、ボイラの燃焼部に接続する請求項１記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置である。

請求項４記載の発明は、該脱硫装置内に設けた吸収液冷却装置は、脱硫装置内の吸収液中に冷却水を流す伝熱管を設置した構成からなる請求項１記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置である。

請求項５記載の発明は、ボイラで生成した蒸気を蒸気利用機器で使用した後に復水させる復水器を設け、該復水器出口のボイラ水を脱硫装置内の吸収液中に設置した吸収液冷却装置を経由してボイラに再循環する冷却水流路を配置した請求項１記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置である。

請求項６記載の発明は、石炭を酸素を酸化剤として燃焼させて蒸気を発生するボイラからの排ガス中の窒素酸化物を脱硝装置で除去し、脱硫装置で排ガス中の硫黄酸化物を吸収液を排ガス中に噴霧することで除去し、脱硫装置の前流側又は後流側の排ガスの一部をボイラ燃焼部に循環する酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理方法において、脱硫装置内の吸収液を冷却して５０℃以下にする酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理方法である。

請求項７記載の発明は、ボイラで生成した蒸気を蒸気利用機器で使用した後に復水させる復水器出口のボイラ水を脱硫装置内の吸収液中に導き、吸収液を冷却して５０℃以下にする請求項６記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理方法である。

（作用）
排ガス中に含まれる水分濃度の増加による脱硫装置のＳＯ₂除去性能の低下は、水分濃度の増加による脱硫装置内の温度上昇が主原因である。湿式脱硫装置の構造を図２に示すが、入口ダクトより約１６０℃の排ガスが供給され、脱硫塔上部より脱硫吸収液を噴霧することで、排ガス中に含まれるＳＯ₂を脱硫吸収液により吸収、除去している。
このとき、脱硫吸収液の一部は蒸発し、その蒸発潜熱によって排ガスの温度が低下する。脱硫吸収液の蒸発量は、水分飽和状態で上限となるため、供給される排ガス中の水分濃度によって変化することとなる。すなわち、排ガス中の水分濃度によって、脱硫塔内の温度が変化することとなる。

図３に排ガス中の水分濃度と脱硫塔内の温度との関係を示す。一般的な空気燃焼の場合は、排ガス中の水分濃度は１１％であり、このときの脱硫塔内温度はおよそ５０℃である。これに対し、酸素燃焼時は排ガス中の水分濃度が３２％であり、脱硫塔内温度は７５℃となることが分かる。さらに、脱硫塔内温度とＳＯ₂除去率との関係を図４に示すが、ガス温度が高くなるに従い、ＳＯ₂除去率が低下することが分かる。これは、温度が高くなると、脱硫吸収液へのＳＯ₂溶解度が低下するためである。

そこで、脱硫装置内に冷却構造を設置し、脱硫装置内部のガス温度を５０℃に低減することで、酸素燃焼時においても、空気燃焼時と同等のＳＯ₂除去率を得ることが可能となる。

排ガス中の水分濃度を低減する方法として、排ガス循環ラインなどに、排ガス温度を低下させる冷却器を有する水分除去器等を設置する方法が考えられるが、この場合、伝熱管表面に及びその周囲のダクト表面に水分が凝縮することとなる。排ガス中には高濃度のＳＯ₂あるいはＳＯ₃が含まれているので、上記伝熱管表面及びダクト表面に凝縮した水分がＳＯ₂、ＳＯ₃を吸収し、酸性水となり、伝熱管表面及びダクト表面の腐食が問題となる。また、回収した硫黄分を含んだ多量の水を処理するための処理装置も必要となる。

これらの問題に対し、本発明では、排ガス中の水分は脱硫吸収液に混入することとなる。脱硫装置の脱硫吸収液は、ｐＨが５．５〜６．０程度になるように調整しているため、腐食等の問題はほとんど無い。また、もともとＳＯ₂を吸収、処理するための装置であるため、排水処理装置も設置してあり、新たな機器を設ける必要もない。
上記脱硫装置内に設ける冷却器の構造は、脱硫吸収液のタンク内部に伝熱管を設置し、伝熱管内部に冷却水を供給することで、脱硫吸収液を５０℃以下にする方法が有効である。

請求項１〜４、６記載の発明によれば、酸素燃焼排ガスのように水分濃度が３０％と高い場合においても、脱硫装置を５０℃に維持することができ、そのため、脱硫装置の大きさを変えることなく、空気燃焼時と同等のＳＯ₂除去率を達成することが可能となる。

請求項５、７記載の発明によれば脱硫装置内に設ける冷却器に用いる熱交換用冷媒は、ボイラ復水を用い、該冷却器で冷却されたボイラ水をボイラに循環使用することで省資源化が図れる。

本発明の一実施例の排ガス処理装置の構成を示す。図１に装置に用いられる脱硫装置の詳細構造を示す。排ガス中水分濃度と脱硫塔内の温度との関係を示す。排ガス温度とＳＯ₂除去率との関係を示す。本発明の一実施例の排ガス処理装置の構成を示す。従来の排ガス処理装置の構成を示す。

本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１には本実施例の排ガス処理装置の全体構成図を示す。本実施例の排ガス処理装置は、図６に示した従来の排ガス処理装置の構成の脱硫装置５に熱交換器２３を追加した構成からなる。
熱交換器２３に用いる熱交換用冷媒は、図示していないが、復水器（図示せず）からボイラ１の蒸発器に供給するボイラ水の一部を使用し、熱回収した熱をボイラ側で利用するできる構成としている。
本実施例の脱硫装置５の詳細構造を図２に示す。脱硫装置５の下部に設置している吸収液タンク２９の内部に本実施例の熱交換器２３を設置している。

本実施例の場合、排ガス循環量は全ガス量の８０％であり、排ガス組成は表１に示す通りであった。

ボイラ１より発生した排ガスは、脱硝装置２で排ガス中のＮＯｘが低減され、空気加熱器（Ａ／Ｈ）３でガス温度が１６０℃に低下された後、集塵機４で排ガス中のダストが除去される。
集塵機４の後流側の排ガスの８０％を再循環ライン８に供給し、再循環用ファン９によってボイラ１に戻し、ボイラ燃焼部に供給する。集塵機４の後流側の残り２０％の排ガスは、脱硫装置５に供給される。脱硫装置５には温度１６０℃、水分濃度３０％の排ガスが供給される。

本実施例では、排ガス中の水分は脱硫吸収液に混入しているが、吸収液タンク２９内の脱硫吸収液２８は、ｐＨが５．５〜６．０程度になるように調整しているため、吸収液タンク２９内に設ける熱交換器２３は腐蝕等の問題はほとんど無い。

上記脱硫装置５内に設ける熱交換器２３の構造は、脱硫吸収液２８のタンク２９内部に伝熱管を設置し、伝熱管内部に冷却水２５を供給することで、脱硫吸収液２８を５０℃以下にする方法が有効であり、該冷却用熱交換器２３を用いて吸収液タンク２９内の吸収液２８を５０℃まで冷却することで、ＳＯ₂除去性能を向上できることが確認できた。

本発明の他の実施例を図５に示す。図５に示す実施例は、図１に示す排ガス処理装置に比較して再循環ライン８を脱硫装置５の前流側でなく、脱硫装置５の後流側の排ガス流路に設置したことが相違する例である。この場合、排ガスの全量が脱硫装置５に供給されることとなるが、脱硫装置５の内部に熱交換器２３という冷却構造を設置することで、脱硫装置５の内部温度を５０℃に維持することができ、空気燃焼時と同等のＳＯ₂除去率を得ることができる。

酸素燃焼方式の石炭焚ボイラでは、燃焼場の温度を下げるために、排ガスを循環させる必要がある。このような排ガスを循環する酸素燃焼の場合、排ガス組成が従来の空気燃焼方式に比べて大きく異なることとなる。排ガスの大部分がＣＯ₂になるだけでなく、酸素燃焼及び排ガス循環運転を行うために、排ガス中の水分濃度とＳＯ₂濃度が高くなるが、本発明は、これらの課題を解決する手法の一つとして産業上の利用可能性が高い。

１ボイラ２脱硝装置
３空気加熱器（Ａ／Ｈ）４集塵機
５脱硫装置６ＣＯ₂圧縮機
８循環ライン９循環用ファン
２１石炭２２酸素
２３熱交換器２５冷却水
２８脱硫吸収液２９吸収液タンク

Claims

石炭を酸素を酸化剤として燃焼させて蒸気を発生するボイラと、
該ボイラからの排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置と、
排ガス中の硫黄酸化物を吸収液を排ガス中に噴霧することで除去する脱硫装置と、
該脱硫装置内に設けた吸収液冷却装置と、
脱硫装置の前流側又は後流側の排ガスの一部をボイラ燃焼部に循環する排ガス循環ライン
とを備えたことを特徴とする酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置。
脱硝装置と脱硫装置の間に排ガス中の熱を回収する空気予熱器と排ガス中の煤塵を除去する煤塵除去器とを配置し、前記排ガス循環ラインは煤塵除去器と脱硫装置との間から排ガスを抜き出し、ボイラの燃焼部に接続することを特徴とする請求項１記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置。
前記排ガス循環ラインは脱硫装置の後流側から排ガスを抜き出し、ボイラの燃焼部に接続することを特徴とする請求項１記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置。
該脱硫装置内に設けた吸収液冷却装置は、脱硫装置内の吸収液中に冷却水を流す伝熱管を設置した構成からなることを特徴とする請求項１記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置。
ボイラで生成した蒸気を蒸気利用機器で使用した後に復水させる復水器を設け、該復水器出口のボイラ水を脱硫装置内の吸収液中に設置した吸収液冷却装置を経由してボイラに再循環する冷却水流路を配置したことを特徴とする請求項１記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理装置。
石炭を酸素を酸化剤として燃焼させて蒸気を発生するボイラからの排ガス中の窒素酸化物を脱硝装置で除去し、脱硫装置で排ガス中の硫黄酸化物を吸収液を排ガス中に噴霧することで除去し、脱硫装置の前流側又は後流側の排ガスの一部をボイラ燃焼部に循環する酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理方法において、
脱硫装置内の吸収液を冷却して５０℃以下にすることを特徴とする酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理方法。
ボイラで生成した蒸気を蒸気利用機器で使用した後に復水させる復水器出口のボイラ水を脱硫装置内の吸収液中に導き、吸収液を冷却して５０℃以下にすることを特徴とする請求項６記載の酸素燃焼用石炭焚ボイラの排ガス処理方法。