JP2013237044A - 煙道ガス脱硫性能改善のための酸化制御 - Google Patents

Abstract

【課題】湿式の煙道ガス脱硫工程の一部を制御するためのシステムおよび方法において、公知のシステムおよび方法に伴う欠点を解決することである
【解決手段】スラリーを受け容れるための入口およびガスを受け容れるための入口を有するタンク（前記タンクは、ガスを受け容れるための入口が、タンク内に受け容れられるガスの少なくとも一部がタンク内に受け容れられたスラリーの少なくとも一部を通じて分散するように構成されている）；
タンク内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン濃度Ｓ₁を測定するように構成されているセンサ；
制御器；
少なくとも一部は亜硫酸イオン濃度Ｓ₁に基づいて、タンク内へのガスの流量の制御を示す信号を発生させるための、制御器上で実行されるソフトウェア；
を含む、スラリー中での亜硫酸イオンの酸化を制御するためのシステムによって解決される。
【選択図】なし

Description

本発明は、湿式の煙道ガス脱硫工程の一部を制御するためのシステムおよび方法に関する。より特定には、本発明は、湿式の煙道ガス脱硫工程の間の、亜硫酸イオンの酸化率を制御するためのシステムおよび方法に関する。

気液接触器（吸収器とも称される）は、物質、例えばガス、特に発電所で発生した煙道ガスからのものを除去することができる。例えば二酸化硫黄（ＳＯ₂）は、化石燃料の燃焼によって発生する。二酸化硫黄の放出は特に懸念され、なぜなら、それらは環境に有害であることが知られているからである。湿式の煙道ガス脱硫は、最も一般的な工程においては噴霧塔を使用してアルカリスラリーと接触させることによって、二酸化硫黄を煙道ガスから除去する工程である。

湿式の煙道ガス脱硫は典型的にはカルシウムベースのスラリー、またはナトリウムベースまたはアンモニアベースの溶液を使用して、煙道ガスと接触させ、且つ、二酸化硫黄をそこから除去する。スラリーとは、固体と液体との混合物である。カルシウムベースのスラリーの例は、石灰石（炭酸カルシウム； ＣａＣＯ₃）スラリーおよび石灰（酸化カルシウム； ＣａＯ）を含む。かかるスラリーは、酸性ガスと反応して沈殿物を形成し、それを回収して処分または再利用することができる。アルカリスラリーと、煙道ガス中に存在する酸性ガス、例えば二酸化硫黄との間の接触は、スラリーによって、少なくとも一部の酸性ガスが吸収されることをもたらす。

脱硫工程後、スラリーは典型的にはタンク内に蓄えられ、そこで二酸化硫黄が水と反応して亜硫酸イオン（ＳＯ₃ ^2-）が生成される。その亜硫酸イオンがさらに、スラリー中にバブリングされたエアレーションの空気から来る酸素と反応して、硫酸イオン（ＳＯ₃ ^4-）を生成する。この工程は、強制酸化と称されることがある。スラリー内での石灰または石灰石の解離により、カルシウムイオンが供給され、それが硫酸イオンと反応して石膏（ＣａＳＯ₄ ^2-Ｈ₂Ｏ）が生成される。その石膏を再販し、且つ、例えば住宅の建築産業において使用することができる。タンク内に受け容れられたスラリーの、エアレーションによる強制酸化は、全ての亜硫酸イオンを反応させて硫酸イオンを形成し、それによって石膏の製造を最大化することを確実にする。

公知のエアレーション工程の欠点は、タンク内に受け容れられた亜硫酸スラリーの酸化を制御することが困難であるということであり、なぜなら、溶解された亜硫酸イオン濃度を測定または見積もることが困難であるためである。結果として、典型的には、一般に全ての亜硫酸イオンが酸化されることを確実にするために充分な量より多くの空気をタンク内に供給する。追加的な加圧空気を供給することは、発電所の効率を下げることがあり、なぜなら、加圧空気を生成するためにエネルギーが必要とされるからである。公知のシステムに伴う他の欠点は、過剰なレベルの空気をスラリーに供給すると、本質的に全ての亜硫酸イオンが酸化されて硫酸イオンを形成し、且つ、酸化されていない亜硫酸イオンから生じる利益が失われることである。

欧州特許出願ＥＰ１１１８４４３２．０号 米国特許第７１１３８３５号

本発明の課題は、公知のシステムに伴う欠点および方法を解決することである。

ここで説明される態様によれば、スラリー中の亜硫酸イオンの酸化を制御するためのシステムが開示される。該システムは、湿式の煙道脱硫において使用されたスラリーを受け容れるための入口を有するタンクを含む。該タンクは、ガスを受け容れるための入口も含む。ガスを受け容れるための入口は、タンク内に受け容れられたガスの少なくとも一部が、タンク内に受け容れられたスラリーの少なくとも一部を通して分散されるように構成される。センサは、タンク内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン濃度Ｓ₁を測定するように構成される。いくつかの実施態様においては、該センサは亜硫酸イオン分析器である。他の実施態様においては、該センサは仮想的な分析器である。該システムは制御器を含む。制御器上で実行されるソフトウェアは、タンク内へのガス流量の調整を示す信号を、少なくとも一部は、亜硫酸イオン濃度Ｓ₁に基づいて発生させる。

ここで説明される他の態様によれば、スラリー中の亜硫酸イオンの酸化を制御するための方法が開示される。該方法は、タンク内にスラリーを受け容れる段階を含み、該スラリーは１つまたはそれより多くの亜硫酸イオンを含む。ガス流が、タンク内に受け容れられたスラリー内に供給される。次に、タンク内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン濃度Ｓ₁が測定される。タンク内に受け容れられたスラリーに供給されるガスの流量は、少なくとも部分的にＳ₁に基づいて調整される。

図１は噴霧塔の断面図である。 図２は図１に示される噴霧塔と共に使用するための強制酸化システムの断面図である。 図３は図１に示される噴霧塔と共に使用するための強制酸化システムの断面図である。

図１に関して、本発明による噴霧塔１０が示される。噴霧塔１０（吸収器とも称される）は、気液接触器の一例である。本発明は噴霧塔に限定されないと理解されるべきであり、なぜなら、他の種類の気液接触器を用いることができるからである。例えば本発明は、スクラビング構造、および望ましくないガス、ミスト、煙霧、煙、および／またはガス流からの特定の物質の除去のために役立つ操作に容易に適用可能である。開示されたシステムおよび方法は、特定の態様の噴霧塔に関して記載されているが、開示されたシステムおよび方法はこれに関して限定されるわけではない。例えば、開示されたシステムおよび方法を、噴霧塔１０の設計における変化形、噴霧塔の稼働条件、および、他の可変部分の中でも噴霧塔内で使用されているスラリーの特性を考慮して適合させることができる。追加的に、開示されたシステムを、限定されずに、段塔および泉式噴霧塔（ｆｏｕｎｔａｉｎ ｓｐｒａｙ ｔｏｗｅｒ）を含む他の種の吸収器と共に使用することができる。特定の寸法、値または稼働条件が本明細書に含まれる限り、それらは、システムおよび方法を幅広く説明するために提供され、且つ、本発明の範囲を限定することは意図されていない。

噴霧塔１０は一般に、塔の空洞部１４を規定する直立構造である。塔の空洞部１４は、煙道ガスを塔の空洞部１４内に受け容れるための入口１２と連通している。煙道ガスは、例えば１つまたはそれより多くの化石燃料の燃焼の間に生成されることがある。塔の空洞部１４は、煙道ガス入口１２の上部に第一の列の噴霧ヘッダー１６を含む。第一の列の噴霧ヘッダー１６は、塔の空洞部１４内へのアルカリスラリーの噴霧２０を供給する。塔１０は、第一の列の噴霧ヘッダー１６上部に第二の列の噴霧ヘッダー１８を含む。第二の列の噴霧ヘッダー１８も、塔の空洞部１４内へのアルカリスラリーの噴霧２２を供給する。図１に示される実施態様は、第一の列の噴霧ヘッダー１６、および第二の列の噴霧ヘッダー１８を有するとして開示されるが、本発明はこれに関して限定されず、且つ、塔１０内での噴霧ヘッダーの数、およびそれらの列は、所定の用途について変更できる。

噴霧塔１０の稼働の間、アルカリスラリーを第一の列の噴霧ヘッダー１６および第二の列の噴霧ヘッダー１８から噴霧する。そのスラリーの少なくとも一部は、塔の空洞部１４内を下向きに流れる。流れるという用語は、ここで使用されるとおり、噴霧塔１４内の霧化したスラリーのドリフト作用および沈降する作用を示すこともできると理解されるべきである。スラリーが塔の空洞部１４を下向きに流れる際、それが塔の空洞部１４内を上向きに流れる煙道ガスと接触する。スラリーは、典型的には噴霧塔１０の底で、タンク３０内に受け容れられる。タンク３０は、１つまたはそれより多くの導管１７を通じて、第一の列の噴霧ヘッダー１６および第二の列の噴霧ヘッダーと連通している。導管１７および噴霧ヘッダー１６、１７と連通するポンプ２６は、スラリーをタンク３０から１つまたはそれより多くの導管１７を通じて、第一および第二の列の噴霧ヘッダー１６、１８にポンプ輸送する。本発明は、この特定の構成に限定されるわけではなく、且つ、導管１７、ポンプ２６および噴霧ヘッダー１６、１８の種々の配置が可能であると理解されるべきである。

噴霧塔１０内での処理の間に、煙道ガス中の二酸化硫黄は、炭酸カルシウムを豊富に含むスラリー（石灰石および水）と反応して亜硫酸カルシウムを形成し、そのことによって二酸化硫黄、またはその一部を煙道ガスから除去し、且つ、亜硫酸カルシウムを含む変換スラリーを形成する。浄化された煙道ガスを、出口１３を通じて噴霧塔１０から排出する。生じる変換スラリーは、タンク３０に受け容れられる。タンク３０および噴霧塔１０は、典型的には、例えば図１に示されるとおり、それらの間が物理的に分離されることなく、単一の構造で存在する。本発明は、これに関して限定されるわけではなく、且つ、タンクおよび噴霧塔は、例えば別個の構造で存在してもよいと理解されるべきである。

図２は、図１の噴霧塔１０のタンク３０の図である。タンク３０は、噴霧塔１０からのスラリーを受け容れ、なぜなら、変換スラリーが下向きに流れるからである。タンク３０は、変換スラリーを受け容れるための入口３１を含む。図２に示される実施態様において、入口３１は、塔の中空部１４の断面によって規定され、そこで変換スラリーがタンク３０に受け容れられる。本発明はこれに関して限定されるわけではないと理解されるべきである。例えば、いくつかの実施態様において、入口は塔の中空部１４およびタンク３０と連通する導管を含むことができる。

タンク３０は、ガスを受け容れるための入口６０を含む。入口６０は、ガスを供給するための導管６２と連通している。図１〜３に示される実施態様において、入口６０、１６０は、タンク３０に受け容れられるスラリーの定常流体ラインより下に位置している。この構成は、タンク３０に受け容れられたガスの少なくとも一部を、タンク内に受け容れられたスラリーの少なくとも一部を通じて分散することを可能にする。加圧ガス源（図には示されていない）は、導管６２と連通している。ガス源は、例えば、大気圧より上の、連続的な圧力または変動する圧力で、空気を供給できるブロワーであってよい。空気は、スラリー中で亜硫酸イオンを酸化するための酸素を含む。タンク３０はさらに、入口６０、およびタンク３０内に受け容れられたスラリーを通じて受け容れられた酸素を分散させるための攪拌機３６を含む。図１〜３に示される実施態様は、攪拌機３６、１３６を含むが、本発明はこれに関して限定されず、且つ、開示されたシステムまたは方法は、攪拌機を用いなくても実施され得ると理解されるべきである。

図１〜２を参照して、該システムは、制御器５０を含む。制御器５０という用語は、ここで使用される場合、一般にソフトウェアを実行できる１つまたはそれより多くの装置を示す。通常の当業者に理解できるとおり、多くの異なる装置が、制御器５０として使用可能である。例えば、コンピュータに基づく１つまたはそれより多くのプロセッサを、制御器５０として使用することができる。該制御器５０は、噴霧塔１０の所望の稼働条件を示す情報を入力するためのインターフェース５４を含む。例えば、噴霧塔１０内のスラリーの予め規定された亜硫酸イオン含有率を、インターフェース５４を介して制御器５０に入力することができる。インターフェース５４は、制御器５０と連通している。制御器５０およびインターフェース５４は、図１〜２においては別途の装置として開示されており、且つ、インターフェースが図３内に示されていないが、本発明はこれに限定されるわけではない。通常の当業者に理解できるとおり、インターフェース５４は、制御器５０の構成要素を含んでよい。さらに他の実施態様においては、インターフェース５４を含む必要がない。かかる実施態様において、予め規定されたパラメータを、制御器５０内にプログラミングしてもよいし、または何らかの他の手段によって制御器５０に送信してもよい。

該システムはさらに、タンク３０内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン含有率を測定するための少なくとも１つの亜硫酸イオンセンサ８０を含む。亜硫酸イオンセンサ８０は、タンク３０内に受け容れられたスラリー内に配置されている。亜硫酸イオンセンサ８０は、タンク３０内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン含有率を測定するように構成されている。亜硫酸イオンセンサ８０は、スラリーの亜硫酸イオン含有率を示す信号を制御器５０に送信する。受信した信号に基づき、制御器５０上で実行されるソフトウェア５２が、タンク３０内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン含有率を決定する。亜硫酸イオンセンサ８０と、制御器５０との組み合わせを、亜硫酸イオン分析器として称することができる。いくつかの実施態様においては、亜硫酸イオン分析器が、タンク３０内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン含有率のリアルタイム測定を提供することができる。さらなる実施態様においては、亜硫酸イオン分析器が、タンク３０内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン含有率のリアルタイム且つ連続的な測定を提供することができる。

図１および２には、亜硫酸イオンセンサ８０がスラリータンク３０内部に配置されていることが開示されているが、本発明はこれに関して限定されるわけではない。例えば、図３に関して、亜硫酸イオンセンサ１８０が、スラリータンク１３０の外側に配置されていてもよい。亜硫酸イオンセンサ１８０は、第一の導管１８２および第二の導管１８４によって、タンク１３０と連通されている。スラリーは、第一の導管１８２を通じてポンプ輸送され、亜硫酸イオン分析器１８０を通過し、第二の導管１８４を通じて、そしてタンク１３０内に戻る。スラリータンク１３０は、攪拌機１３６を含む。図３に示される実施態様は、制御器１５０、そこで実行されるソフトウェア１５２、タンク１３０内に受け容れられたスラリーに加圧空気を供給するための入口１６０および導管１６２、および空気の流れを制御するためのバルブ１７０も含む。本発明に従う亜硫酸イオン分析器は、欧州特許出願ＥＰ１１１８４４３２．０号、表題「Ｓｕｌｐｈｉｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｕｌｐｈｉｔｅ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ」（Ａｌｓｔｏｍ参照番号Ｗ０８−０８５−ＯＥＰ）内に開示されている。当該文献およびその中に開示される情報は、ここでその全文が参照をもって開示されるものとする。いくつかの実施態様においては、タンク内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン含有率を測定するために、仮想的な亜硫酸イオン分析器が使用される。かかる仮想的な分析器の例は、米国特許第７１１３８３５号、Ｂｏｙｄｅｎ ｅｔ ａｌ．内に開示される。この参考文献は、ここで参照をもって開示されるものとする。

稼働の間、該システムは、タンク３０、１３０内に受け容れられたスラリー中の亜硫酸イオンの酸化率を、開および閉の位置の間でバルブ７０、１７０を調節して、タンク３０、１３０内に受け容れられたスラリーへの酸素流量を制御することによって制御する。上記で議論したとおり、予め規定された亜硫酸イオン含有率が、制御器５０、１５０に、例えばインターフェース５４、１５４を介して受信される。亜硫酸イオンセンサ８０、１８０は、タンク内に受け容れられたスラリー中の亜硫酸イオン含有率Ｓ₁を測定する。制御器５０、１５２上で実行されるソフトウェア５２、１５２は、タンク３０内へのガス流量の調整を示す信号を、一部、亜硫酸イオン含有率Ｓ₁に基づいて発生させる。例えば、Ｓ₁が予め規定された亜硫酸イオン含有率よりも低い場合は、制御器上で実行されるソフトウェア５２、１５２は、バルブが開くように調節すべきであるということを示す信号を発生させ、従ってより多くの酸素をスラリーに供給し、且つそれらの酸化率を上げる。逆に、Ｓ₁が予め規定された亜硫酸イオン含有率よりも高い場合は、制御器５０、１５０上で実行されるソフトウェア５２、１５２は、バルブ７０、１７０が閉じるように調節すべきであるということを示す信号を発生させ、従ってより少ない酸素をスラリーに供給し、且つ酸化率を下げる。予め規定された亜硫酸イオン含有率がＳ₁と等価である限り、制御器上で実行されるソフトウェア１５０、１５２は、バルブ７０、１７０について調整が不要であることを示す信号を発生させる。信号発生後、該信号がバルブ７０、１７０に送信され、それに応じてバルブが調節される。このように、開示されたシステムおよび方法は、タンク３０、１３０内に受け容れられたスラリーの酸化率を正確に制御できる。

本発明のいくつかの実施態様において、予め規定された酸化率は、スラリー中に含有される亜硫酸イオンの１００％未満であることが好ましい。スラリー中の少なくともいくらかの亜硫酸イオンの存在が、噴霧塔１４内での二酸化硫黄の吸収を強化することが判明した。いくらかの水準の亜硫酸イオンがスラリー中で保持され得る場合、スラリーの溶解アルカリ度が強化され、それにより、スラリーからの二酸化硫黄の除去が、二酸化硫黄と亜硫酸イオンとが反応して重亜硫酸イオン（ＨＳＯ^3-）を形成することによって増加する。さらに、二酸化硫黄がスラリーからより効率的に除去される。

いくつかの実施態様においては、スラリー中で溶解された亜硫酸イオン濃度を、カチオン、例えばマグネシウムの添加によって高めることが可能である。典型的には、カチオンを、スラリー中で過剰な不活性アニオン、例えば塩化物イオンに添加し、それが亜硫酸イオンの代わりにカチオンと共に蓄積する（石膏）。アンモニア塩、ナトリウム塩、またはマグネシウム塩をスラリー３２に添加することによって結合する石灰石を生じることなく、スラリー内で溶解された亜硫酸イオンのレベルを高めることが可能になる。

本発明はさらに、スラリー中の亜硫酸イオンの酸化率を制御する方法に関する。該方法は、タンク３０内にスラリーを受け容れる段階を含み、該スラリーは１つまたはそれより多くの亜硫酸イオンを含む。ガス流がタンク３０に供給される。次に、タンク内に受け容れられたスラリー中で亜硫酸イオン濃度Ｓ₁を測定する。いくつかの実施態様においては、この段階を、亜硫酸イオン分析器を使用して実施する。他の実施態様においては、この段階を、仮想的な分析器を使用して実施する。次に、タンク３０へのガスの流れをＳ₁に基づいて調節する。

本発明は、本発明の特定の実施態様に関して記載されているが、他の変化形または変更が可能であり、且つ、下記の請求項が本発明の実際の範疇での変化形および変更を包含することを意図していることに留意すべきである。

Claims (15)

1. スラリー中での亜硫酸イオンの酸化を制御するためのシステムであって、
   ・ スラリーを受け容れるための入口およびガスを受け容れるための入口を有するタンクであって、ガスを受け容れるための入口が、タンク内に受け容れられるガスの少なくとも一部がタンク内に受け容れられたスラリーの少なくとも一部を通じて分散するように構成されているタンク；
   ・ 前記タンク内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン濃度Ｓ₁を測定するように構成されているセンサ；
   ・ 制御器；
   ・ 少なくとも一部は亜硫酸イオン濃度Ｓ₁に基づいて、前記タンク内へのガスの流量の制御を示す信号を発生させるための、制御器上で実行されるソフトウェア；
   を含む前記システム。
2. 前記信号がさらに、スラリー中の予め規定された亜硫酸イオン濃度に基づく、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ガスが酸素を含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記スラリーが、湿式の煙道ガス脱硫を実施するために構成された噴霧塔から受け容れられる、請求項３に記載のシステム。
5. 前記センサが、亜硫酸イオン分析器を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記センサが、仮想的な分析器を含む、請求項４に記載のシステム。
7. 前記タンクが、さらにマグネシウムを受け容れるための入口を含む、請求項１に記載のシステム。
8. スラリー中の亜硫酸イオンの酸化率の制御方法であって、
   ・ タンク内にスラリーを受け容れる段階、前記スラリーは１つまたはそれより多くの亜硫酸イオンを含む；
   ・ ガスの流れを前記タンク内に供給する段階；
   ・ 前記タンク内に受け容れられたスラリーの亜硫酸イオン濃度Ｓ₁を測定する段階；
   ・ Ｓ₁に基づき、前記タンク内へのガスの流量を調節する段階
   を含む前記方法。
9. 流量の調節がさらに、スラリーの予め規定された亜硫酸イオン濃度に基づく、請求項８に記載の方法。
10. 亜硫酸イオン濃度Ｓ₁を測定するために、亜硫酸イオン分析器が使用される、請求項９に記載の方法。
11. タンク内に受け容れられたスラリー中の亜硫酸イオンの酸化が、１００％未満である、請求項１０に記載の方法。
12. さらに、
    前記タンク内に受け容れられたスラリーにカチオンを添加する段階
    を含み、添加されたカチオンが前記タンク内に受け容れられたスラリー中で溶解される亜硫酸イオンの濃度を増加させる、請求項１１に記載の方法。
13. 前記カチオンがマグネシウムを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ガスが酸素を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記センサが、仮想的な分析器を含む、請求項８に記載の方法。

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