JP2012213737A - 排煙脱硫装置および酸素燃焼用の排煙処理システム - Google Patents

排煙脱硫装置および酸素燃焼用の排煙処理システム Download PDF

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Hiroshi Ishizaka
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篤 片川
浩 石坂
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Abstract

【課題】ボイラ火炉からの排ガスを導入する入口ダクトの位置を酸素燃焼時と空気燃焼時のいずれでも脱硫性能を高めることができる排煙脱硫装置と該排煙脱硫装置を用いる酸素燃焼システムを提供することにある。
【解決手段】 脱硫装置3のスプレノズルより上流側に設けられた排ガスの入口ダクト1を上部入口ダクト30と下部入口ダクト31に分け、前記上部入口ダクト30と下部入口ダクト31の間の排ガス流路の全横断面に亘り第1多孔板32を設けて、前記2つの入口ダクト30,31に供給される排ガスを切り替えるダンパ34,35をそれぞれ設け、場合によっては、さらに上部入口ダクト30よりも下流側で、スプレノズルより上流側に第2多孔板33を追加して空気燃焼時は上部入口ダクト30から、また酸素燃焼時には下部入口ダクト31から排ガスを排煙脱硫装置3内に供給してSO除去性能を高める。
【選択図】図1

Description

本発明は、酸素燃焼を行って後段のCO回収装置で燃焼排ガス中のCOを回収する火力発電用ボイラプラント等において、燃焼排ガスに含まれるSO(硫黄酸化物)を除去する湿式排煙脱硫装置(以下、単に脱硫装置ということもある)と酸素燃焼用の排煙処理システムに関するものである。

ボイラから排出された一部のガスを再循環し、そのガスに純Oを供給して石炭を燃焼させる火力発電用ボイラプラントの例を図8に示す。該火力発電用ボイラプラントは主にボイラ13、脱硝装置14、空気予熱器(A/H)15、集塵装置16、縦型の脱硫装置3、CO回収装置17、再循環ライン18、酸素製造装置19及び酸素供給ライン20等から構成される。

ボイラ13では石炭25を酸素燃焼することにより排ガスを生成する。このとき、酸素は酸素製造装置19により酸素供給ライン20等から供給される。脱硝装置14では、ボイラ13から排出された排ガスに含まれるNOx(窒素酸化物)を分解する。また、脱硝装置14から排出された排ガスの温度はA/H15で200〜160℃に調整され、集塵装置16で排ガス中の煤塵が除去される。除塵された排ガスの一部は脱硫装置3に供給されてSOが除去され、次いでCO回収装置17で排ガス中のCOが回収される。また、集塵装置16から排出して脱硫装置3に供給されないボイラ排ガスの一部は再循環ライン18を通り、A/H15で再加熱された後、ボイラ13に供給される。このとき、脱硫装置3へ供給される排ガスの量は、石炭の空気燃焼時に比べて、酸素燃焼時には1/4程度になる。

また、従来技術の石炭の空気燃焼時における排ガス1の処理用脱硫装置3の構成を図6に示す。脱硫装置3は、主にスプレノズル4、吸収液循環ポンプ5、ミストエリミネータ8、酸化用ガス供給部9、攪拌機10、吸収液溜め部11等から構成される。スプレノズル4から噴霧される吸収液6と排ガスを接触させて、排ガス中のSOを除去する。スプレノズル4から噴霧される吸収液6と排ガスを接触させる領域を脱硫吸収部26ということにする。

脱硫吸収部26でボイラ排ガス中のSOを吸収することで生成した吸収液6中の亜硫酸塩は、そのままの形態であると、SOを吸収しなくなる。このため、空気などの酸化用ガスを供給部9から吸収液溜め部11内の吸収液6に供給して、攪拌機10で微粒子化して酸化用ガス27として吸収液6中の亜硫酸塩の酸化に利用して石膏とすることで、吸収液6のSO除去性能を回復させる。石膏を含む吸収液6は図示していない脱水機に供給され、石膏として脱硫装置3から排出される。

また、図6の脱硫装置3に多孔板32’を設けた構成を図7に示す。多孔板32’は、脱硫吸収部26のスプレノズル4より上流側の排ガス上昇領域を横断するように配置された複数の穴が開けられた板状物であり、脱硫装置3の塔内横断面積に対する開口部の面積(以下、開口率と略す。)は30%〜50%となっている。多孔板32’の上にスプレノズル4から吸収液6が噴霧されることにより、多孔板6上でもある一定の液量が保持されるため、気液接触面積が増加し、SO除去率が向上する。

特開2005−199184号公報 特開平6−182146号公報

石炭の空気燃焼と酸素燃焼の排ガス処理を一つの脱硫装置3で行った場合、酸素燃焼時の脱硫装置入口のガス量は空気燃焼時に比べて1/4程度になる。上記従来技術では、空気燃焼時に使用していた特定の開口率の多孔板32’を設けた場合に、多孔板32’上で吸収液が保持されにくくなる点について配慮がされておらず、多孔板32’におけるSO除去性能が低下する問題があった。

また、脱硫装置3内のガス流速が空気燃焼時よりも1/4程度になることで、スプレノズル4から噴霧される吸収液の液滴とガスの相対速度が減少するため、酸素燃焼時に脱硫性能が低下する点について配慮がされておらず、従来の空気燃焼で用いた脱硫装置3を酸素燃焼システムに適用しても、十分な脱硫性能を得ることができない問題があった。

本発明の課題は、ボイラ火炉からの排ガスを導入する入口ダクトの位置を石炭の酸素燃焼時と空気燃焼時のいずれでも脱硫性能を高めることができる排煙脱硫装置と該排煙脱硫装置を用いる酸素燃焼用の排ガス処理システムを提供することにある。

上記課題は、前記脱硫装置のスプレノズルより下部に設けられた排ガスの入口ダクトを上部と下部に設け、前記上部と下部の入口ダクトの間の高さの脱硫装置内部に多孔板を設け、2つの入口ダクトに供給されるガスを切り替えるダンパを設け、さらに、上部の入口ダクトよりも上部に多孔板を追加し、空気燃焼時は上部の入口ダクト、酸素燃焼時には下部の入口ダクトに排ガスを供給することにより達成される。

請求項1記載の発明は、高酸素濃度ガスを用いる酸素燃焼ボイラから排出される排ガスを排ガス流路から導入する排ガス入口ダクトと、排ガス入口ダクトから導入した排ガス中に吸収液を噴霧して排ガス中の硫黄酸化物を除去するスプレノズルを設けた脱硫吸収部と、脱硫吸収部から落下する吸収液に酸化用ガスを供給して吸収液中に吸収された硫黄酸化物を酸化する酸化用ガス供給部を有する吸収液を貯める吸収液溜め部と、該吸収液溜め部内の吸収液をスプレノズルに循環供給する吸収液循環流路を設けた縦型の排煙脱硫装置において、排ガス入口ダクトを上部排ガス入口ダクトと下部排ガス入口ダクトに分けて配置し、前記上部排ガス入口ダクトと前記下部排ガス入口ダクトの間のガス流れを横断する全断面積領域に亘って第1多孔板を設け、前記上部排ガス入口ダクトと前記下部排ガス入口ダクトに供給される排ガスを流す排ガス流路に排ガス流路切替ダンパをそれぞれ設けたことを特徴とする縦型の排煙脱硫装置である。

請求項2記載の発明は、前記第1多孔板の他に、上部排ガス入口ダクトより下流部の脱硫吸収部にも排ガス流れを横断する全断面積領域に亘って第2多孔板を設けたことを特徴とする請求項1記載の縦型の排煙脱硫装置である。

請求項3記載の発明は、前記第2多孔板の開口率よりも、第1多孔板の開口率を小さくすることを特徴とする請求項1記載の縦型の排煙脱硫装置である。

請求項4記載の発明は、空気から窒素を分離して高酸素濃度ガスを得る酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造した高酸素濃度ガスを用いて燃料を燃焼させる酸素燃焼式ボイラと、該酸素燃焼ボイラから排出される排ガスの一部を前記高酸素濃度ガスと混合して酸素燃焼ボイラへ戻す再循環ラインと、前記酸素燃焼ボイラから排出される前記燃焼排ガスを導入して排ガス中の硫黄酸化物を除去する請求項1記載の縦型の排煙脱硫装置を備えた酸素燃焼用の排ガス処理システムにおいて、前記縦型の排煙脱硫装置の排ガス入口ダクトを上部排ガス入口ダクトと下部排ガス入口ダクトに分けて配置し、前記上部排ガス入口ダクトと前記下部排ガス入口ダクトの間の前記脱硫装置内部のガス流れを横断する全断面積領域に亘って多孔板を設け、前記上部排ガス入口ダクトと前記下部排ガス入口ダクトに供給される排ガスを流す排ガス流路に排ガス流路切替ダンパをそれぞれ設けたことを特徴とする酸素燃焼用の排ガス処理システムである。

(作用)
脱硫装置入口の上部入口ダクトと下部入口ダクトにそれぞれ設けたダンパは、排ガスが石炭等の燃料の空気燃焼時には上部入口ダクト、燃料の酸素燃焼時には下部入口ダクトを通過するように操作する。燃料の酸素燃焼時のみ、開口率が5〜30%と小さい多孔板を排ガスが通過することになるため、多孔板上で吸収液が保持され、気液接触面積が増加し、SO除去性能が従来技術より向上する。

本発明によれば、燃料の空気燃焼時には上部入口ダクトに排ガスを供給することで、圧力損失を増大させることなく脱硫することができる。燃料の酸素燃焼時には下部入口ダクトに排ガスを供給し、開口率の5〜30%と低い多孔板を排ガスが通過するので、多孔板上で吸収液がある一定量保持され、多孔板の穴を通過する排ガスの流速も増加するので、SOの吸収性能を従来技術より高めることができる。

本発明の一実施例のスプレノズルより上流域にある入口ダクトを上下に分けて設け、この上下の入口ダクトの間の高さの脱硫装置内部に多孔板を設け、さらに、上部入口ダクトとスプレノズルの間の高さの脱硫装置内部に多孔板を設けた脱硫装置の構造図である。 図1の脱硫装置の入口手前で排ガスをボイラへ再循環させる酸素燃焼用の排ガス処理システムの構成図である。 本発明の一実施例の上部入口ダクトと下部入口ダクトの間と2つのスプレノズルとスプレノズルの間に多孔板をそれぞれ設けた脱硫装置の構造図である。 本発明の一実施例の上部入口ダクトと下部入口ダクトの間に多孔板を設けた脱硫装置の構成図である。 脱硫装置に多孔板を取り付けた場合と取り外した場合の吸収液の循環量を一定とした場合のSO除去性能を比較した図である。 従来技術の空気燃焼時の脱硫装置の構成図である。 従来技術の空気燃焼時の脱硫装置に多孔板を設けた構成図である。 従来技術の酸素燃焼用のボイラの排ガス処理システムの構成図である。

本発明の実施の形態について説明する。
本発明の一実施例を図面と共に説明する。従来技術と共通する構成、作用については説明を省略する。本実施例の縦型脱硫装置構成の一例を図1に示し、図1の脱硫装置の入口手前で排ガスをボイラへ再循環させる燃料の酸素燃焼時の排ガス処理システムの構成図を図2に示す。
脱硫装置3にはボイラ13からの燃焼排ガス1を脱硫吸収部26に設けられた2つの入口ダクトである上部入口ダクト30と下部入口ダクト31から導入し、脱硫吸収部26を上昇する排ガスに2段以上のスプレノズル4から吸収液6を噴霧して気液接触により排ガス中の硫黄酸化物を吸収液6中に吸収させる。そして脱硫吸収部26で硫黄酸化物を吸収して亜硫酸塩を生成した吸収液6は脱硫装置3の下部に設けられた吸収液溜め11に落下して、該吸収液溜め11内に導入される酸化用ガス供給部9からの酸化用ガス(空気など)27により、前記亜硫酸塩を酸化して石膏にする。このとき酸化用ガス供給部9には攪拌機10を設けておき、酸化用ガスを攪拌して前記酸化反応を促進させる。

また、吸収液溜め11の吸収液6は吸収液ポンプ5によりスプレノズル4に循環供給され、再度排ガスとの気液接触に利用される、気液接触後の排ガス中のミストがミストエリミネータ8で除去されて脱硫装置出口排ガス2として系外に排出される。

また、上部入口ダクト30と下部入口ダクト31には、それぞれ上部ダンパ34と下部ダンパ35が設けられ、入口排ガス1の導入量を調整できる構造になっている。上部入口ダクト30の下流部の脱硫吸収部26には排ガス流路を横断する第2多孔板33が設けられ、下部入口ダクト31の下流部と上部入口ダクト30の上流部の間の脱硫吸収部26には排ガス流路を横断する第1多孔板32が設けられている。

図2には本実施例の脱硫装置3が適用されるボイラ火炉13からの排ガス浄化システムのフローを示す。このボイラ火炉13からの排ガス処理システムはボイラ火炉13における酸素燃焼システムに図1の脱硫装置3を用いる排ガス浄化系を適用したものである。
ボイラ(火炉)13内での燃料の酸素燃焼時の排ガス組成はCO濃度55〜65%wet、O濃度3〜4%wet、SO濃度100〜20,000ppm、N濃度はほぼ0%、ガス量は空気燃焼に比べて1/4程度となる。

本発明の脱硫装置3では、スプレノズル4より下部に設けられた入口ダクトとして上部入口ダクト30と下部入口ダクト31の2つが設けられ、前記上部入口ダクト30と下部入口ダクト31の間の脱硫装置3内の横断面全体に亘り、第1多孔板32が配置され、さらに、上部入口ダクト30と最下段のスプレノズル4の間の脱硫装置3内の横断面全体に亘り、第2多孔板33が設けられ、2つのダクト30,31に供給されるボイラ排ガスを切り替える上部ダンパ34と下部ダンパ35がそれぞれのダクト30,31に設けられている。

ボイラ13における燃料の空気燃焼時には下部ダンパ35を閉め、上部ダンパ34を開けて、脱硫装置入口排ガス1を上部入口ダクト30から脱硫装置3に供給する。図7に示す従来技術の脱硫装置3と同じように、第2多孔板33の開口率を30〜50%とすることにより、第1多孔板32を脱硫装置入口排ガス1が通過しないことから、脱硫装置3における圧力損失は図7に示す従来通りの脱硫装置3と変わらないため、空気燃焼時には問題なく運転することができる。

また、ボイラ13における燃料の酸素燃焼時には上部ダンパ34を閉め、下部ダンパ35を開けて、脱硫装置入口排ガス1を下部入口ダクト31から脱硫装置3に供給することで、脱硫装置入口排ガス1は第1多孔板32を通過する。この構成の場合、酸素燃焼時には第1多孔板32と第2多孔板33を通過するため、第1多孔板32を1枚使用する脱硫装置3よりもSO除去性能を向上することができる。

このときの第1多孔板32の開口率をガス量の低減もしくは循環液量の低減率に合わせ5〜30%として、図7に示す従来の多孔板32’の開口率よりも小さくして設置することで、スプレノズル4から噴霧された吸収液6が第1多孔板32上で保持され易くなり、脱硫装置入口排ガス1と吸収液6の接触面積が増加することから、第1多孔板32上でのSO除去性能を高くすることができる。

図1中では、上部ダンパ34と下部ダンパ35の2つを設けているが、下部ダンパ35は設けなくても排ガスの流路を上部入口ダクト30と下部入口ダクト31に切り替えることができる。例えば、上部入口ダクト30側に通ガスしたい場合は、上部ダンパ34を開く必要がある。このとき、下部入口ダクト31側は排ガスが通過した後に第1多孔板32があることから、排ガスが通過するには抵抗が大きくなり、ほとんど流れることがない。このため、下部ダンパ35は設けなくても排ガスの流路を切り替えることが可能である。下部入口ダクト31側に通ガスしたい場合は、上部ダンパ34を閉じればよい。また、上部入口ダクト30よりも下部入口ダクト31の排ガスの通過断面積を1/4と小さくすることにより、下部ダンパ35を設けなくても、上部ダンパ34を開けることで、上部入口ダクト30側にガスが流れやすくなる。

上部入口ダクト30に吸収液6が溢流しないように、必要であれば、上部入口ダクト30に接続した、より上流側のダクト構成を第1多孔板32より少し高い位置に配置して、上部入口ダクト30に向けて下流側ほど排ガスが下向きに流れるような傾斜排ガス流路とする。図1のように、上部入口ダクト30は、下部入口ダクト31の真上である必要はなく、例えば、180度反対の位置に上部入口ダクト30があっても良い。

本発明の他の実施例を図3に示す。本実施例は上部入口ダクト30とスプレノズル4の間の脱硫装置3内の横断面全体に亘り、第1多孔板32を設け、上下2段のスプレノズル4の間の脱硫装置3内の横断面全体に亘り第2多孔板33を設けた場合であり、ボイラ13で燃料の酸素燃焼時の2つの多孔板32、33上でのSO除去性能を向上させることができる。図1に示す実施例に比べ、第2多孔板33にかかる液負荷が低いことから脱硫装置3の圧力損失を低減することができる。

また、本発明の他の実施例を図4に示す。図4に示す実施例は図1の脱硫装置3の第2多孔板33を取り外した場合の構造である。図1の実施例と同様、空気燃焼時には下部ダンパ35を閉め、上部ダンパ34を開けて、脱硫装置入口排ガス1を上部入口ダクト30から脱硫装置3に供給することにより、第1多孔板32を脱硫装置入口排ガス1が通過しないことから、脱硫装置3における圧力損失は図6に示す従来の脱硫装置3と変わらないため、問題なく運転することができる。

また、酸素燃焼時には上部ダンパ34を閉め、下部ダンパ35を開けて、脱硫装置入口排ガス1を下部入口ダクト31から脱硫装置3に供給することで、脱硫装置入口排ガス1は第1多孔板32を通過する。このときの第1多孔板32の開口率をガス量の低減もしくは循環液量の低減率に合わせ、5〜30%として図7に示す従来の多孔板32’の開口率よりも小さくして設置することで、スプレノズル4から噴霧された吸収液6が第1多孔板32上で保持され易くなり、脱硫装置入口排ガス1と吸収液6の接触面積が増加することから、第1多孔板32上でのSO除去性能を高くすることができる。

図5に脱硫装置3における吸収液6の循環液量を一定とした場合のSO除去性能を測定した結果を示す。空気燃焼時で多孔板無しの条件を1.00とし、他の条件は相対値で表記した。空気燃焼時に開口率40%の多孔板を設置すると多孔板無しの場合よりも脱硫性能が高くなることが分かる。また、酸素燃焼時の多孔板無しの条件では空気燃焼時よりも脱硫性能が向上する。しかし、酸素燃焼時に開口率40%の多孔板を設置しても、空気燃焼時ほど脱硫性能が向上しない。一方、酸素燃焼時に開口率10%の多孔板を設置すると開口率40%の多孔板の場合よりも、酸素燃焼時の脱硫性能が向上することが分かる。

1 脱硫装置入口排ガス 2 脱硫装置出口排ガス
3 脱硫装置 4 スプレノズル
5 吸収液ポンプ 6 吸収液
8 ミストエリミネータ 9 酸化用ガス供給部
10 攪拌機 11 吸収液溜め
13 ボイラ 26 脱硫吸収部
30 上部入口ダクト 31 下部入口ダクト
32 第1多孔板 33 第2多孔板
34 上部ダンパ 35 下部ダンパ

Claims (4)

  1. 高酸素濃度ガスを用いる酸素燃焼ボイラから排出される排ガスを排ガス流路から導入する排ガス入口ダクトと、排ガス入口ダクトから導入した排ガス中に吸収液を噴霧して排ガス中の硫黄酸化物を除去するスプレノズルを設けた脱硫吸収部と、脱硫吸収部から落下する吸収液に酸化用ガスを供給して吸収液中に吸収された硫黄酸化物を酸化する酸化用ガス供給部を有する吸収液を貯める吸収液溜め部と、該吸収液溜め部内の吸収液をスプレノズルに循環供給する吸収液循環流路を設けた縦型の排煙脱硫装置において、
    排ガス入口ダクトを上部排ガス入口ダクトと下部排ガス入口ダクトに分けて配置し、前記上部排ガス入口ダクトと前記下部排ガス入口ダクトの間のガス流れを横断する全断面積領域に亘って第1多孔板を設け、前記上部排ガス入口ダクトと前記下部排ガス入口ダクトに供給される排ガスを流す排ガス流路に排ガス流路切替ダンパをそれぞれ設けたことを特徴とする縦型の排煙脱硫装置。
  2. 前記第1多孔板の他に、上部排ガス入口ダクトより下流部の脱硫吸収部にも排ガス流れを横断する全断面積領域に亘って第2多孔板を設けたことを特徴とする請求項1記載の縦型の排煙脱硫装置。
  3. 前記第2多孔板の開口率よりも、第1多孔板の開口率を小さくすることを特徴とする請求項1記載の縦型の排煙脱硫装置。
  4. 空気から窒素を分離して高酸素濃度ガスを得る酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造した高酸素濃度ガスを用いて燃料を燃焼させる酸素燃焼式ボイラと、該酸素燃焼ボイラから排出される排ガスの一部を前記高酸素濃度ガスと混合して酸素燃焼ボイラへ戻す再循環ラインと、前記酸素燃焼ボイラから排出される前記燃焼排ガスを導入して排ガス中の硫黄酸化物を除去する請求項1記載の縦型の排煙脱硫装置を備えた酸素燃焼用の排ガス処理システムにおいて、
    前記縦型の排煙脱硫装置の排ガス入口ダクトを上部排ガス入口ダクトと下部排ガス入口ダクトに分けて配置し、前記上部排ガス入口ダクトと前記下部排ガス入口ダクトの間の前記脱硫装置内部のガス流れを横断する全断面積領域に亘って多孔板を設け、前記上部排ガス入口ダクトと前記下部排ガス入口ダクトに供給される排ガスを流す排ガス流路に排ガス流路切替ダンパをそれぞれ設けたことを特徴とする酸素燃焼用の排ガス処理システム。
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