JP2012213737A

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

Info

Publication number: JP2012213737A
Application number: JP2011081610A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Mitsui; Hiroshi Ishizaka; Noriyuki Imada; Atsushi Katagawa; 良晃三井; 典幸今田; 篤片川; 浩石坂
Original assignee: Babcock Hitachi Kk; バブコック日立株式会社
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2012-11-08

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_２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_２回収装置で燃焼排ガス中のＣＯ_２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_２（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_２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_２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_２が除去され、次いでＣＯ_２回収装置１７で排ガス中のＣＯ_２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_２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_２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_２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_２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_２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_２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_２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_２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_２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_２濃度５５〜６５％wet、Ｏ_２濃度３〜４％wet、ＳＯ_２濃度１００〜２０，０００ｐｐｍ、Ｎ_２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_２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_２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_２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_２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_２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

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。
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。
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。
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。