JP2015054805A - 硫酸原料ガスの乾燥方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラントの処理能力を低下させたり原料ガスの吸引ファンの電力コストを増大させたりすることなく、原料ガス中に含まれるミストや水蒸気などの水分を簡易に除去する方法を提供する。【解決手段】 硫酸製造プラントの前段に設けた乾燥塔１において入口側ガス配管２を介して供給される原料ガス１Ｎｍ３に対して５〜１０?１０−３ｍ３の硫酸を循環させながら気液接触させて該原料ガス中の水分を除去する原料ガスの乾燥方法であって、循環している硫酸の一部を抜き出して入口側配管２内を１０〜２０ｍ／秒の流速で流れる原料ガス中に好適には噴霧する向きを原料ガスの流れの向きに略一致させて噴霧する。噴霧された硫酸を含む原料ガスが乾燥塔１に達するまでの時間は０.０５〜０.５秒であることが好ましい。【選択図】 図１

Description

本発明は、硫酸製造プラントに供給する硫酸原料ガスの乾燥方法に関し、特に亜硫酸ガス（ＳＯ_２）を主成分とする硫酸原料ガス中に含まれるミストや水蒸気を硫酸に吸収させて除去することで該硫酸原料ガスを乾燥する方法に関する。

硫酸製造プラントはＳＯ_２ガス転化工程とＳＯ_３ガス吸収工程とで主に構成されており、硫酸原料として供給されるガス（以降、単に原料ガス又は硫酸原料ガスと称する）の主成分である亜硫酸ガス（ＳＯ_２）を転化工程でＳＯ_３ガスに酸化し、得られたＳＯ_３ガスを吸収工程で濃硫酸に吸収させて硫酸を作製している。この原料ガスに金属の製錬工程の排ガスを用いる場合、当該排ガスにはダストやヒュームなどの不純物が含まれているため、硫酸製造プラントに送る前に水洗塔などの洗浄装置を用いて原料ガスを水洗することが一般的に行われている。また、ＳＯ_２ガス転化工程での酸化反応に必要なＯ_２ガスの供給のため、原料ガスには系外から空気が導入される。

系外から導入される空気には飽和水蒸気を上限とする量の水蒸気が含まれることがあり、また、水洗塔による水洗処理では処理後のガスにミストが同伴することがある。このようにミストや水蒸気を含んだ原料ガスをそのまま硫酸製造プラントに供給すると、該ミストなどの水分がＳＯ_３を吸収して薄硫酸を生成し、この薄硫酸により硫酸製造プラントの機器を腐食させることがある。また、原料ガスに含まれる水分は、ＳＯ_２ガス転化工程で用いる触媒の活性を劣化させたり、あるいは触媒を粉化して触媒層の通気抵抗を増加させ、硫酸製造プラントの前段に設けた原料ガス用の吸引ファンの電力コストを増大させたりすることがある。

そこで水洗塔で処理された原料ガスは、硫酸製造プラントに送られる前に乾燥設備に送られ、ここで前処理としてミストや水蒸気を除去することで原料ガスを乾燥することが行われている。ここでの乾燥方法としては、充填物が充填された乾燥塔で硫酸と原料ガスとを気液接触させて原料ガスに含まれる水分を硫酸に吸収させる方法が一般に採用されており、これにより原料ガスを乾燥することが可能になる。更に、系外から空気を介して持ち込まれる水分をなくすため、特許文献１では系外からの空気に代えてＳＯ_３ガス吸収工程から排出されるオフガスをリサイクルして使用する技術が示されている。

特開２０１１−２６１５９号公報

しかしながら、ＳＯ_３ガス吸収工程から排出されるオフガス中のＯ_２濃度は空気に比べて低いため、特許文献１の方法でＳＯ_２ガス転化工程での酸化に必要なＯ_２量を確保するには、系外から空気を導入する場合に比べて大量のオフガスをリサイクルすることが必要となる。そのため、上記した系外の空気を導入する方式の既設プラントを改造して特許文献１の方法を採用する場合は、プラントの処理能力を下げて運転するか、あるいは多額の設備投資を行って配管系や機器のサイズを大きくすることが必要であった。また、硫酸製造プラントで最も多くの電力を消費する上記した吸引ファンの電力コストの増大を避けることができなかった。

本発明は上記した従来の技術の問題に鑑みてなされたものであり、プラントの処理能力を低下させたり原料ガスの吸引ファンの電力コストを増大させたりすることなく、原料ガス中に含まれるミストや水蒸気を簡易に除去する方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の原料ガスの乾燥方法は、硫酸製造プラントの上流側に設けた乾燥塔において、その入口側ガス配管を介して供給される原料ガス１Ｎｍ^３に対して５〜１０×１０^−３ｍ^３の硫酸を循環させながら気液接触させて該原料ガス中の水分を除去する原料ガスの乾燥方法であって、前記循環している硫酸の一部を抜き出して前記入口側ガス配管内を１０〜２０ｍ／秒の流速で流れる前記原料ガス中に噴霧することを特徴としている。

また、本発明の原料ガスの乾燥設備は、硫酸製造プラントの上流側に設けた原料ガスの乾燥設備であって、ガス流速が１０〜２０ｍ／秒となる断面積を有する入口側ガス配管を介して供給される原料ガス１Ｎｍ^３に対して５〜１０×１０^−３ｍ^３の硫酸を流下させて気液接触を行う乾燥塔と、該乾燥塔の塔底部から該流下した硫酸を抜き出して塔頂部に供給する循環配管系と、該循環配管系から分岐して該入口側ガス配管の内部にまで至る分岐配管とからなり、該分岐配管の先端に噴霧装置が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、硫酸製造プラントの処理能力を低下させたり、原料ガス用の吸引ファンの電力コストを増加させたりすることなく、原料ガス中に含まれるミストや水蒸気を簡易に除去することが可能になる。

本発明の原料ガスの乾燥設備の一具体例を模式的に示す縦断面図である。

以下、図１に示す乾燥設備を参照しながら本発明の原料ガスの乾燥方法の一具体例について説明する。亜硫酸ガス（ＳＯ_２）を主成分とする原料ガスは、硫酸製造プラントに供給される前に乾燥塔１に送られ、ここで硫酸との気液接触による乾燥処理が行われる。乾燥塔１は、気液接触が行われる充填物１ａが充填された略円筒形状の搭で形成されており、その搭底部及び搭頂部にそれぞれ乾燥処理前の原料ガスＧｉを乾燥塔１に導入する入口側ガス配管２、及び乾燥処理後の原料ガスＧｏが排出する出口側ガス配管３が接続している。この出口側ガス配管３は吸引ファン４に接続されている。

入口側ガス配管２は、下流側が低くなるようにやや傾斜して乾燥塔１の塔底部側壁に接続しており、これにより入口側ガス配管２を介して乾燥塔１の塔底部に導入される原料ガスを塔内の充填物１ａが充填されている層においてチャネリングを生じにくくさせることが可能になる。また、入口側ガス配管２内で液だまりを生じさせないようにすることも可能になる。

入口側ガス配管２は、断面形状が好適には円形又は矩形であって原料ガスがガス流速１０〜２０ｍ／秒で流れるような断面積を有している。この流速が１０ｍ／秒未満では配管のサイズが大きくなりすぎて設備コストが高くなる上、原料ガスが配管内を不均一に流れて後述する硫酸の噴霧による気液接触の効果が十分に得られなくなるおそれがある。一方、この流速が２０ｍ／秒を超えると塔下部での奥に吹き込む流れが大きく、塔内でガス偏流に伴う、不均一な乾燥が発生する。

乾燥塔１の搭底部には、充填物１ａから滴下する硫酸を一時的に貯める貯留部１ｂが設けられている。この貯留部１ｂには、ここに貯められる硫酸の抜き出しを行う抜き出し配管５ａの一端部が接続している。そして、この抜き出し配管５ａの他端部は抜き出された硫酸を所定の圧力まで昇圧する循環ポンプ６の吸い込み側に接続している。循環ポンプ６の吐出側には吐出側配管５ｂの一端部が接続しており、その他端部は乾燥塔１の塔頂部に接続している。これら循環ポンプ６及びその前後の配管５ａ、５ｂからなる配管系により、乾燥塔１内で塔頂から塔底に向けて流下した硫酸を搭底部から抜き出して乾燥塔１の搭頂部に供給することが可能になる。

なお、吐出側配管５ｂには図示しないバルブなどの流量制御手段が設けられており、上記したように乾燥塔１内と乾燥塔１外の配管系とを循環する硫酸の循環量を所望の値に設定することができる。吐出側配管５ｂを介して乾燥塔１の塔頂部に供給された硫酸は、分散装置７によって均一に分散されながら充填物１ａに供給される。分散装置７は、乾燥塔１内を流下する硫酸が充填物１ａの層でチャネリングしないように、乾燥塔１内に設けられた複数のトラフで構成されており、各トラフには塔内に硫酸を均一に分散するための多数のチューブが設けられている。

上記した構成の乾燥設備により、入口側ガス配管２を介して乾燥塔１内に導入された原料ガスは、充填物１ａの隙間をぬって乾燥塔１内を上昇して搭頂部から排出するまでの間に、搭頂部から主に充填物１ａの表面に沿って流下する吸水性に優れた硫酸と向流で気液接触する。これにより、原料ガス中のミストや水蒸気などの水分が硫酸に吸収され、乾燥塔１の搭頂から乾燥した原料ガスを取り出すことができる。この乾燥した原料ガスは、出口側ガス配管３を介して吸引ファン４に送られ、ここで所定の圧まで昇圧されて次工程のＳＯ_２ガス転化工程に送られる。

一方、乾燥塔１内を流下している間に原料ガス中の水分を吸収した硫酸は、最下部に位置する充填物１ａから滴下して貯留部１ｂに一旦貯められた後、前述したように循環ポンプ６を含む配管系により再び乾燥塔１の搭頂部に供給される。このように硫酸は乾燥塔１内と乾燥塔１外の配管系とを循環しながら原料ガス中のミストや水蒸気を吸収するので、その硫酸濃度を所望の値に維持するため、循環する硫酸の一部が連続的又は断続的に循環系から抜き出されると共に、この抜き出した量と略同量の硫酸が循環系に添加される。なお、抜き出された硫酸は、必要に応じて濃度調整を行ってから薄硫酸として出荷されるか、あるいは後工程であるＳＯ_３ガス吸収工程において生成される濃硫酸との混合により濃度調整を行った後、濃硫酸として出荷される。

上記した乾燥設備を用いた本発明の乾燥方法の一具体例では、乾燥塔１において乾燥処理される原料ガス１Ｎｍ^３に対して５×１０^−３ｍ^３〜１０×１０^−３ｍ^３の硫酸を循環させる。この硫酸の循環量を１０×１０^−３ｍ^３よりも多くすると、乾燥塔１内での通気抵抗が大きくなり、原料ガス処理能力が低下する。また、吸引ファン４の電力コストの増加を招く。一方、この硫酸の循環量を５×１０^−３ｍ^３よりも少なくすると、良好な気液接触を行うことが困難になる。

ところで、この図１に示す乾燥設備では、循環ポンプ６の吐出側配管５ｂから分岐して乾燥塔１の入口側ガス配管２内にまで至る分岐配管８が設けられており、更にこの分岐配管８の先端にはスプレーノズルのような噴霧装置９が噴霧面を下流側に向けて取り付けられている。これにより、吐出側配管５ｂから抜き出した硫酸の一部を、入口側ガス配管２内を流れている原料ガス内で噴霧させることができ、前述した充填物が充填された層内での気液接触と併せて原料ガスに含まれる水分をより効率よく除去することができる。

なお、分岐配管８に設けた図示しないバルブの開度を調整することにより、原料ガスとの気液接触に用いる硫酸の合計の量、即ち、上記した分散装置７から充填物１ａに供給する硫酸の量と入口側ガス配管２内において噴霧させる硫酸の量との合計を前述したように原料ガス１Ｎｍ^３に対して５〜１０×１０^−３ｍ^３になるよう調整にするのが好ましい。

このように、本発明の一具体例の乾燥方法では、乾燥塔内と乾燥塔外の配管系とを循環させながら分散装置で分散して充填物に滴下させていた硫酸の内の一部を抜き出して、乾燥塔の入口側ガス配管内で噴霧させることで、原料ガスと硫酸の接触面積を増加させることができ、よって原料ガスに対して気液接触させる硫酸の量を増やすことなく極めて効果的に乾燥処理を行うことができる。これにより、例えば既設の乾燥塔に上記した噴霧装置を設ける場合であっても、乾燥塔や循環ポンプ等を改造する必要がない。また、プラントの処理能力を低下させる必要がなく、原料ガスの吸引ファンの電力コストが増加することもない。

乾燥塔では一般に濃度９５％の硫酸が分散装置で均一に分散されて充填物に供給されるが、分散装置に供給する硫酸の量が変動すると均一な分散性が損なわれ、充填物を充填している層内での気液接触が不十分になるおそれがある。これを避けるため、乾燥塔内を流下する硫酸の量の１.０〜５.０％を上記循環ポンプの吐出側から抜き出して、乾燥塔の入口側ガス配管で噴霧することが好ましい。この噴霧量が１.０％未満では原料ガス中に含まれるミストや水蒸気を噴霧した硫酸で吸収して除去する効果が得られにくくなる。一方、この噴霧量が５.０％を超えると前述した分散装置から供給される硫酸の均一な分散性が損なわれ、原料ガス中に含まれるミストや水蒸気の除去が不十分になるおそれがある。

乾燥塔の入口側ガス配管において硫酸を噴霧する位置は、噴霧された硫酸が乾燥塔に達するまでの時間が０.０５〜０.５秒となる位置であることが好ましく、０.１〜０.５秒となる位置がより好ましい。ここで、噴霧する位置とは、硫酸がスプレーなどにより放出されて原料ガスと接触を開始する位置である。また、乾燥塔に達するとは、噴霧された硫酸が乾燥塔の側壁開口部と入口側ガス配管の乾燥塔側端部とが接続する部分に達することを意味している。

噴霧された硫酸が乾燥塔に達するまでの時間が０.０５秒未満の場合、硫酸と原料ガスの接触時間が短すぎるため、原料ガス中のミストや水蒸気を効率良く除去することができない。一方、噴霧された硫酸が乾燥塔に達するまでの時間が０.５秒を超える場合、入口側ガス配管内で生成する高温の薄硫酸によって入口側ガス配管が腐食する領域が広くなりすぎるおそれがある。すなわち、乾燥塔の入口側ガス配管で噴霧された硫酸と原料ガスの接触時間を長くすることにより、乾燥塔の入口側ガス配管内での原料ガス中のミストや水蒸気の吸収効率は向上する。しかし、この噴霧された硫酸中にミストや水蒸気が吸収されることで硫酸が発熱し、更に薄硫酸が生成するので入口側ガス配管がより広範囲に亘って腐食環境にさらされることになる。

この腐食の対策として、入口側ガス配管のうち、噴霧する位置から乾燥塔との接続部までの材質はテフロン（登録商標）などのフッ素樹脂で形成されるか又は該フッ素樹脂でコーティングされていることが好ましい。上述したように噴霧された硫酸はミストや水蒸気を吸収して発熱すると共に薄硫酸となるので、この高温の薄硫酸に対して耐腐食性を有するテフロンなどのフッ素樹脂を用いることで腐食の問題を抑えることが可能になる。

硫酸を噴霧させる向きは、入口側ガス配管内を流れる原料ガスの流れの向きと略一致していることが好ましく、一致しない場合であっても、噴霧装置の噴霧面の中心部分での噴霧の向きが、原料ガスの流れる向きに対して１０°未満で傾いていることが好ましい。この角度が１０°以上となると、噴霧された硫酸がミストや水蒸気を吸収して生成する熱を帯びた薄硫酸が、入口側ガス配管の側壁に衝突する頻度が高くなり、その部分での腐食が激しくなるからである。

また、噴霧する硫酸の粒度は１０〜５００μｍであることが好ましい。この粒度を１０μｍ未満とすることは困難であるからであり、一方、この粒度が５００μｍを超えると原料ガス中のミストや水蒸気を吸収する効率が悪化する。なお、噴霧された硫酸の粒度はレーザー光散乱方式の粒度分布測定装置を使って測定することができる。

（実施例１）
図１に示すような乾燥塔１内の分散装置７から濃度９５％の硫酸を１,０００ｍ^３／ｈで供給することにより、水分を２.５質量％含む流量１５０,０００Ｎｍ^３／ｈの原料ガスを乾燥した。その際、循環ポンプ６の吐出側から分岐する分岐配管８を介して乾燥塔１内を流下させる硫酸の１.０％（１０ｍ^３/ｈ）の硫酸を抜き出し、これをテフロン製の入口側ガス配管２内でスプレー（株式会社いけうち製、型番：ＣＥＲＪＥＴ）を用いて噴霧した。このスプレーの位置は、噴霧位置で噴霧された硫酸が入口側ガス配管２の乾燥塔１との接続部に到達するまでの時間が０.０５秒となる位置とした。また、硫酸を噴霧させる向きは、入口側ガス配管２内を流れる原料ガスの流れの向きに一致させた。

その結果、乾燥塔１の出口側ガス配管３でサンプリングした乾燥処理後の原料ガス中のミストと水蒸気とをレーザー式水分計を使用して測定したところ、合わせて２０質量ｐｐｍであった。なお、分岐配管８を介して硫酸を抜き出す前と後において、原料ガスの処理能力及び吸引ファン４の電力消費量に特に変化は生じなかった。

（実施例２）
入口側ガス配管２で噴霧した硫酸量を１.０％に代えて５.０％（５０ｍ^３／ｈ）とし、噴霧位置から乾燥塔１の接続部までの時間を０.０５秒に代えて０.５秒となる位置で噴霧したことを除いて実施例１と同様にして原料ガスを乾燥した。その結果、乾燥塔１の出口側ガス配管３でサンプリングした乾燥処理後の原料ガス中のミストと水蒸気は合わせて１５質量ｐｐｍであった。

（比較例１）
入口側ガス配管２に硫酸を噴霧しないことを除いて実施例１と同様にして原料ガスを乾燥させた。その結果、乾燥塔１の出口側ガス配管３でサンプリングした乾燥処理後の原料ガス中のミストと水蒸気は合わせて４０質量ｐｐｍであり、実施例１〜２に比べて原料ガス中に含まれるミストや水蒸気を効率良く除去することができなかった。

Ｇｉ 原料ガス（乾燥処理前）
Ｇｏ 原料ガス（乾燥処理後）
１ 乾燥塔
１ａ 充填物
１ｂ 貯留部
２ 入口側ガス配管
３ 出口側ガス配管
４ 吸引ファン
５ａ 抜き出し配管
５ｂ 吐出側配管
６ 循環ポンプ
７ 分散装置
８ 分岐配管
９ 噴霧装置

Claims (6)

1. 硫酸製造プラントの前段に設けた乾燥塔において入口側ガス配管を介して供給される原料ガス１Ｎｍ^３に対して５〜１０×１０^−３ｍ^３の硫酸を循環させながら気液接触させて該原料ガス中の水分を除去する原料ガスの乾燥方法であって、前記循環している硫酸の一部を抜き出して前記入口側配管内を１０〜２０ｍ／秒の流速で流れる前記原料ガス中に噴霧することを特徴とする原料ガスの乾燥方法。
2. 前記噴霧された硫酸を含む原料ガスが乾燥塔に達するまでの時間が０.０５〜０.５秒であることを特徴とする、請求項１に記載の硫酸原料ガス乾燥方法。
3. 前記硫酸を噴霧する向きを、原料ガスの流れの向きに略一致させることを特徴とする、請求項１または２に記載の硫酸原料ガス乾燥方法。
4. 前記噴霧する硫酸の量が、前記乾燥塔内を流下する硫酸の量の１.０〜５.０％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の硫酸原料ガス乾燥方法。
5. 硫酸製造プラントの上流側に設けた原料ガスの乾燥設備であって、ガス流速が１０〜２０ｍ／秒となる断面積を有する入口側ガス配管を介して供給される原料ガス１Ｎｍ^３に対して５〜１０×１０^−３ｍ^３の硫酸を流下させて気液接触を行う乾燥塔と、該乾燥塔の塔底部から該流下した硫酸を抜き出して塔頂部に供給する循環配管系と、該循環配管系から分岐して該入口側ガス配管の内部にまで至る分岐配管とからなり、該分岐配管の先端に噴霧装置が設けられていることを特徴とする原料ガスの乾燥設備。
6. 前記入口側ガス配管において、前記噴霧装置が設けられている位置から前記乾燥塔までの配管の材質がフッ素樹脂製か又はフッ素樹脂が被覆された金属であることを特徴とする、請求項５に記載の原料ガスの乾燥設備。

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