JP2017528317A - 排ガスからの二酸化硫黄の触媒除去方法 - Google Patents

排ガスからの二酸化硫黄の触媒除去方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、2つの反応器中の排ガスからの二酸化硫黄の触媒除去方法に関し、第1の反応器は活性炭触媒で充填されている。方法は、a.1gH2O/Nm3未満の水分含有量および少なくとも5ppmのSO2含有量を有する排ガスの供給、b.第1の反応器への排ガスの導入、c.活性炭触媒による第1の反応器中でのSO2からガス状のSO3への触媒変換、その場合、活性炭触媒上での触媒変換は100℃未満の温度で進行する、d.第1の反応器から第2の反応器への予備精製された排ガスの導入、e.第2の反応器中での水を用いてのSO3からH2SO4への変換、から成る。【選択図】図1

Description

本発明は、一般に、排ガスからの二酸化硫黄の触媒除去方法に関する。
20世紀初期には、二酸化硫黄から触媒を用いて硫酸を生産する最初の方法の開発が見られた。これらの開発は、高濃度(98−99%)の硫酸が生産される最初の“接触”プラントを生み出した。第1段階では、非常に高い温度(300−500℃)でSOがSOに酸化され、そして第2段階では、より低い温度で水を加えることによりSOがHSOに変換される。これらの“接触”プラントは、ここ数十年の間に、それらの運転方式がわずかに変化している。1つの改良点は、とりわけ、原則として2つの直列接続(単一)の接触プラントとみなされる二重接触プラントの導入であった。その結果、効率ひいてはSOからHSOへの変換が99%を超えるまで上昇した。
例えば、EP2404654A1には、SOが(300℃から700℃の)高温で且つ(2barから50barの間の)高圧で2段階でHSOへ変換される方法が記載されている。好ましい触媒として金属酸化物が具体的に述べられている。
現在の技術水準である他のプラントが、例えば、ヘルベルト・ワイゼンベルガー及びヨアヒム・キルチャーによる文献“Stand der Technik in der Schwefels▲a▼ureerzeugung im Hinblick auf die IPPC-Richtlinie”(IPPCガイドライン上で考慮された硫酸生産技術の現状)ドイツ連邦環境庁、ウイーン、2001又はアルマンの工業化学の百科事典、第5版、A25巻、635から700頁に記載されている。
これらの接触プラントの本質的な問題は、
1.プラントを始動する時の、SO/SOとSO/HSO変換の温度差、及び付随する大気中への排気物質の排気限度の超過。
2.温度および関連するHSOの濃度に起因するプラントの全体的な腐食、及び付随する接触プラントの低い信頼性および急速な老朽化。
3.触媒の交換と修理のための高い運転コストと関連する高い資本コスト。
4.接触プラントは、3体積%を超す最低限のSOの入口濃度を必要とし、それ未満ではHSO変換は進行しない。
5.システムの性質上、高温の触媒温度のために反応器はステンレス鋼から成り、比較的広い空間を必要とする。
対象となる、類似する発明の一つが1960年代のSULFACID(登録商標)法であった。この方法では、活性炭床上で周囲の温度でSOがSOに酸化され、同時に水を加えることにより同じ活性炭床上でHSOに変換される。この方法で希酸(10−20%)を製造することができる。これは湿式法だが、限られた範囲内でしかSOをHSOに変換することができない。経済的利益のあるSOの投入濃度は、約2500ppmまでに過ぎない。というのは、活性炭層の厚さがさもなければ著しく増し、大きな圧力降下をもたらすからである。さらに、結果として、従来のSULFACID(登録商標)プラントの効率は比較的低いままである(約90−95%)。さらに、そのようなプラントの必要空間は大きく増し、その結果として、従来のSULFACID(登録商標)プラントは、資本および運転コストの観点から不利である。この事実がいっそう明白になると、容積流量に関してプラントが大きくなる。
多くの方法において、排ガスからの二酸化硫黄の触媒除去は、活性炭で充填された反応器で行われ、そこで触媒は水または含水溶液で繰り返し洗浄され、それから再乾燥される。
触媒は、SOの変換が止まるまでSOに曝され、その後、SO供給は遮断され、触媒は水に曝され、HSOは洗い流される。それから触媒は乾燥され、その後再利用されうる。
このような方法は、例えば、米国特許第3,486,852号;米国特許第4,122,150号;米国特許第5,679,238号または米国特許出願公開第2012/251404号A1から知られている。
これらの後者の方法の欠点は、触媒が水で繰り返し洗浄され、それから再乾燥されなければならないことである。したがって、連続的な方法は不可能であり、少なくとも2つの反応器は常に交互に運転されなければならない。
さらに、商業的に販売される前に投棄されるか、あるいは費用が掛かる方法で高度に濃縮されなければならない、わずかに濃縮された硫酸が上記の方法によって得られるだけである。
本発明の1つの目的は、低温で排ガスからSOを除去するための連続的な方法を提供することである。
前記目的は、本発明に係る、2つの反応器中の排ガスからの二酸化硫黄の触媒除去方法によって達成される。その場合、第1の反応器は活性炭触媒で充填されている。
この方法は以下の各ステップ(工程)から成る:
a.1gHO/Nm未満の水分含有量および少なくとも5ppmのSO含有量を有する排ガスの供給、
b.第1の反応器への排ガスの導入、
c.活性炭触媒による第1の反応器中でのSOからガス状のSOへの触媒変換、その場合、活性炭触媒上での触媒変換は100℃未満の温度で進行する、
d.第1の反応器から第2の反応器への予備精製された排ガスの導入、
e.第2の反応器中での水を用いてのSOからHSOへの変換。
この方法は、いかなる作動条件下でも確実に作動する。
この方法は、二酸化硫黄(SO)を主に含有する工業用プラント排ガスを汚染物質として処理すること、及びこの方法で排ガスからこの二酸化硫黄の全てまたはかなりの割合を除去すること、及びそうすることで最終的にそれを液体HSOに変換することを連続的に可能にする。
第1の反応器では、乾燥排ガスは反応器に導入され、SOは活性炭触媒に吸着されSOに変換される。この触媒変換は、活性炭触媒上で100℃未満の温度で進行する。しかしながら、以前に想定されたものとは対照的に、SOを活性炭触媒から洗浄する必要はない。排ガスおよび触媒が乾燥していれば、二酸化硫黄は活性炭触媒上でSOに変換され、次にガスの形体で再び排出される。触媒はSOで飽和しない、すなわち活性炭触媒の活性は一定のままである。
従って、活性炭触媒を水又は水溶液ですすぐ必要がない。
第2の反応器においてのみ、生成物であるガス状のSO(resultant gaseous SO)はHOと接触して、HSOに変換される。
このSOのHSOへの変換は、公知の方法で行なわれることができる。この目的のためにごくわずかな水が使用され、従って、SULFACID法よりも高濃度の酸を得ることが可能である。
注目すべきは、処理すべき排ガスは乾燥していなければならず、すなわちできるだけ少ない水を含有しなければならないことである。処理すべき排ガスは、好ましくは多くともNm排ガス当たり0.8g、特に好ましくは多くともNm排ガス当たり0.7g、そして特に多くともNm排ガス当たり0.4gの水を含有する。含水量が高すぎたら、または触媒が湿っていたら、生成物であるSOは活性炭触媒上で直ちにHSOに変換され、活性炭触媒上に残る。しばらくすると、活性炭触媒の活性が低下し、すなわちSO変換が低下する。
この方法のさらなる利点は、活性炭触媒がもはやHSOに曝されないので活性炭触媒はより長く持続し、交互にすすがれて乾燥される必要もないことである。
この方法のさらなる利点は、180,000ppmのSO、好ましくは多くとも130,000ppm、特に好ましくは多くとも110,000ppm、そして特に多くとも100,000ppmまでの濃度の排ガスが処理されうることである。従って、この方法は、従来の接触方法よりも相当低い汚染物質濃度を有する排ガスを処理すること、そして従来のSULFACID法よりも相当高い汚染物質濃度を有する排ガスを処理することを可能にする。
排ガスの入口温度は、好ましくは周囲の温度から150℃の間である。より高い連続運転温度は、触媒を恒久的に損傷しかねない。もし必要ならば、活性炭触媒は、例えば反応器中で活性炭触媒に冷却コイルを取り付けることによって冷却することができる。
第1の反応器への入口での排ガスのガス圧は、好ましくは800から1400mbar、特に好ましくは900から1100mbar、特に950から1050mbarの間であり、したがって大気圧に比較的近い。
この方法は低温で進行するので、反応器は、例えば接触法の場合のように、ステンレス鋼からなる必要はないが、その代わりとして例えばガラス繊維から安価に製造することができる。
この方法では、排ガス中に存在する少なくとも60体積%のSOが変換され、好ましくは少なくとも75体積%、特に好ましくは少なくとも90体積%、そして特に少なくとも98体積%である。
排ガスの酸素含有量は、実際には臨界ではないが、理想的には少なくとも2体積%、好ましくは少なくとも5体積%、特に好ましくは少なくとも8体積%、そして特に少なくとも10体積%である方がよい。
含有量は、好ましくはSO含有量の8倍以上である方がよい。
活性炭触媒は、好ましくは天然の泥炭活性炭または押出成形木材活性炭触媒(extruded wood activated carbon catalyst)、例えば、Norit−RST3、PK 2.5、Calgon Carbon−Centaur HSV、Jacobi−Ecosorb G−SWC80、VRX−Super、CPPE 25またはCPPE 30、から成る方がよい。
この方法のさらなる利点は、生成物である硫酸は高濃度となることである、すなわち、少なくとも10重量%、好ましくは少なくとも50重量%、特に好ましくは70重量%、特に少なくとも96重量%の濃度の硫酸を得ることができる。
より好ましい実施形態では、SOからHSOへの変換のために、希硫酸が使用される。
この方法は、活性炭触媒床(activated carbon catalyst bed)、または並列あるいは直列に接続された複数の活性炭触媒床を含む第1の反応器中で実施可能である。
発明のさらなる詳細および利点は、添付の図面を参照してなされる発明の様々な可能な実施形態に関する以下の詳細な説明から推測されうる。その際、
第1の試験装置の概略図であり、 第2の試験装置の概略図であり、 第3の試験装置の概略図であり、 第4の試験装置の概略図であり、 試験中に測定された、反応器への出入り時の排ガスのSO含有量の数値を示すグラフであり、 試験中に測定された、反応器への出入り時の排ガスのSO含有量の数値を示すグラフである。
発明を説明するために図1に示す第1の試験装置は、固定床反応器(fixed-bed reactor)10から成り、その下部に入口12を介してSO含有排ガスが供給される。排ガスは、固定床14を通って活性炭触媒と共に底部から上向きに流され、反応器10の上部から出口16を通ってライン18を介して吸着器20に配送される。
固定床反応器10では、ガス状のSOは、活性炭触媒の助けを借りてガス状のSOに変換される。公知の方法とは対照的に、SOは活性炭触媒に吸着されずにHSOに変換されるが、代わりに反応後に再びガスの形体で解放される。SOは、ほとんど1:1、すなわち約100%、SOに変換される、すなわち、SOは(ほぼ)完全に排ガスからなくなり、同じ量のSOによって置き換えられる。
固定床14内の温度を制御するために、加熱/冷却コイル22が固定床14に取り付けられている。活性炭触媒に対し穏やかであるために、また、不必要にその耐用年数を短くしないために、固定床14の温度が100℃を超えないように注意が払われる。
予備精製された排ガスは、固定床反応器10から出た後、吸着器20に配送され、そこで30−98%のHSOの洗浄液に通される。好ましくは、96%の硫酸が使用される。予備精製された排ガスは、ライン18を介して吸着器20の下部領域に導入され、液体硫酸を通って上昇し、それから吸着器20の頂部の出口24を通って純ガスとして引き出される。
ガス状のSOは、それに伴い液体硫酸中に溶解する。結果として、硫酸中に含まれる水と反応してHSOを形成する二硫酸Hが急速に形成される。これは、SOをHSOに変換する従来の方法である。
タンク26からの液体の希硫酸は、ポンプ28を介してかつライン30を通って吸着器20の頂部領域に導入される。硫酸は、吸着器20の底部32から排出され、出口34およびライン36を介してタンク26に還流される。
得られた硫酸は、ポンプ40で他のライン38を介してタンク26から吸い出し得る。この方法では、SOをHSOに変換するために、硫酸に溶解した水が徐々に消費されるので、結果的に硫酸は濃縮される。いったんタンク26中の硫酸が所望の濃度に達すると、その一部が吸い出され、水/希硫酸で適宜置き換えられる。
図2および図3に示す試験装置は、第2の反応器としての吸着器20が分離器42(図2)またはSULFACID反応器44(図3)に置き換えられている点で、図1の試験装置と異なる。両反応器42,44は固形物で充填される。図2の分離器42は、プラスチック充填物48(例えば、VFF Acidur(登録商標) special stoneware)の固定床を含むが、SULFACID反応器44は、活性炭50の固定床を含む。
これらの反応器42,44の場合、第1の反応器10からの予備精製された排ガスは、反応器42,44の頂部領域に配送される。この場合も、タンク26からの希硫酸は、ポンプ28を介してライン30を通って分離器42またはSULFACID反応器44の頂部領域に導入される。これら2つの実施形態では、スプレー装置46が分離器42またはSULFACID反応器44の頂部領域に取り付けられており、そうすることによって、分離器42のプラスチック充填物48上またはSULFACID反応器44の活性炭50上への希硫酸の均一な散布が達成される。
図1とは異なり、予備精製された排ガスは向流ではなく、代わりに並流で希硫酸と接触する。したがって、予備精製された排ガスは、ライン18を介して分離器42またはSULFACID反応器44の頂部領域に導入され、反応後、純ガスとして、分離器42またはSULFACID反応器44の下部領域の出口52を通って引き出される。
これらの反応器42,44では、ガス状のSOが再び液体硫酸に溶解する。結果として、硫酸中に含まれる水と反応してHSOを形成する二硫酸Hが急速に形成される。
図4は、多少複雑な試験手段をここで示しており、反応器10は前述の図の反応器10に相当する。この試験装置では、SO含有排ガスは、反応器10に導入される前に乾燥塔54で乾燥される。
乾燥塔54の構造は、図1の吸着器20の構造に概ね相当する。しかしながら、前記乾燥塔54は、反応器10の上流に位置し、SO含有排ガスが反応器10に到達する前にSO含有排ガスから水を除去するのに供する。
従って、SO含有排ガスは、乾燥塔54の下部領域に導入され、そこで硫酸と向流して乾燥される。30重量%〜98重量%の濃度を有するタンク26からの硫酸は、ライン56、ポンプ58、およびスプレー装置60を介して乾燥塔54の頂部領域に導入される。
いったん硫酸がSO含有排ガスから水を除去すると、それはライン64を介して乾燥塔54の底部から出口62を通ってタンク26に戻される。
乾燥塔54で乾燥されたSO含有排ガスは、乾燥塔54の頂部領域から引き出され、ブロワー66およびライン68を介して、入口12を通って反応器10の下部領域に導入される。
固定床反応器10では、ガス状のSOは、活性炭触媒の助けを借りてガス状のSOに変換される。固定床14の温度を制御するために、反応器10の固定床14には加熱/冷却コイル22が取り付けられている。
予備精製された排ガス、すなわちSO含有排ガスは、固定床反応器14から出た後、反応器70の頂部領域に導入され、そこで30−98%のHSOの洗浄液に並流で通される。好ましくは、96%の硫酸が使用される。反応後、清浄化された排ガスは、清浄なガスとして、反応器70から下部領域の出口52を通って引き出される。
反応器70は、ここでは、重なった2つの帯域から成り、上部帯域にSULFACID反応器44が、下部帯域に分離器42が配置されている。2つの帯域は、ドロップキャッチャー72によって互いに分離されている。
タンク26からの硫酸は、ラインを通ってポンプ28を介してSULFACID反応器の上方に位置するスプレー装置74に通され、それによって硫酸がSULFACID反応器の活性炭床を通ってちょろちょろ流れて、排ガスに溶解したSOを吸着して、それを硫酸に変換する。濃縮された硫酸はドロップキャッチャー72上に集まり、そこからタンク26に戻される。
さらに、タンク26からの硫酸は、同じポンプ28と、液滴分離器の下にある同じライン30を介して、さらに別のスプレー装置76を通って分離器床に噴射される。それから、排ガス中に存在する残りのSOは、分離器内で硫酸により吸着され、硫酸に溶解した水との反応によって硫酸に変換される。それから、硫酸は反応器70の底部の出口34を通ってライン36を通ってタンク26に戻される。
タンク36中の硫酸が所望の濃度に達すると、その一部は、ライン38およびポンプ40を介してタンクから吸い出され、ライン76によって供給される水/希硫酸で適宜置き換えられる。
図5は、0.2gHO/Nm未満の含水量および11000から12000ppmSOの間のSO含有量を有する接触プラントからの煙道ガス(flue gas)が、図3に示すように2つの反応器を持つプラント内で処理された、第1の連続試験(test series)から得られた結果を示す。
3mの体積を有し、Norit−RST3,PK 2.5,Calgon Carbon−Centaur HSV,Jacobi−Ecosorb G−SWC80,VRX−Super、CPPE 25またはCPPE 30活性炭触媒の2mの固定床を備えた、ガラス繊維強化プラスチックから製造された第1の反応器では、SOは完全にガス状のSOに変換された。
これらの触媒は、1から3mm、2から4mmまたは3から5mmの間の粒度を有する活性炭ペレットまたは成形炭素であり、水蒸気賦活によって製造された。以下の一般的な特性が製造者によって保証されている:ヨウ素価800;メチレンブルー吸着量11g/100g;内表面積(BET)875m/g;嵩密度260kg/m;逆洗後の密度230kg/m;均一係数1.3;灰分7重量%;pHアルカリ性;水分(充填された)2重量%。
排ガスの温度は、入口で20℃から30℃の間、第1の反応器の出口で20℃から30℃の間であった。
このようにして処理された排ガスは、それから第2の反応器に配送された。第2の反応器は、2mの体積を有し、1mのNorit−RST3,PK 2.5,Calgon Carbon−Centaur HSV,Jacobi−Ecosorb G−SWC80,VRX−Super,CPPE 25またはCPPE 30ブランドの活性炭で充填されたSULFACID反応器であった。
これらの触媒は、1から3mm、2から4mmまたは3から5mmの間の粒度を有する活性炭ペレットまたは成形炭素であり、水蒸気賦活によって製造された。以下の一般的な特性が製造者によって保証されている:ヨウ素価800;メチレンブルー吸着量11g/100g;内表面積(BET)875m/g;嵩密度260kg/m;逆洗後の密度230kg/m;均一係数1.3;灰分7重量%;pHアルカリ性;水分(充填された)2重量%。
第2の反応器中の活性炭は、15分毎に1000g/lの濃度の25lの硫酸で噴射された。
この連続試験は約30分間続き、約150Nmの排ガスが処理された。
図6は、第1の連続試験と同じプラントでの第2の連続試験の結果を示す。
第1の連続試験と同じ接触プラントからのSO含有排ガスがこの連続試験で使用された。しかしながら、排ガスのSO含有量はより低かった(4500ppmから2500ppmの間)。
試験は約120分間続き、約600Nmの排ガスが処理された。
テストー社製(Testo brand)の煙道ガス分析器が試験に使用された。分析器は最近の型(製造年2009年)であり、製造者によって較正された。これらの煙道ガス分析器からの分析データは、同時に実施された湿式化学測定によってさらに確認された。すべての測定の結果は、許容される許容誤差内であった。
これらの2つの試験は、排ガスからのSOは第1の反応器中でSOに(ほとんど)完全に変換され、SOは第2の反応器中だけでHSOに(ほとんど)完全に変換されたことを明らかにした。
第1の反応器中でガス状のSOがガス状のSOへ急速かつ完全に変換されるおかげで、第1の反応器中の活性炭触媒は飽和されなかった。
10・・・反応器、12・・・入口、14・・・固定床、16・・・出口、18・・・ライン、20・・・吸着器、22・・・加熱/冷却コイル、24・・・出口、26・・・タンク、28・・・ポンプ、30・・・ライン、32・・・底部、34・・・出口、36・・・ライン、38・・・ライン、40・・・ポンプ、42・・・分離器、44・・・SULFACID反応器、46・・・スプレー装置、48・・・プラスチック充填物、50・・・活性炭、52・・・出口、54・・・乾燥塔、56・・・ライン、58・・・ポンプ、60・・・スプレー装置、62・・・出口、64・・・ライン、66・・・ブロワー、68・・・ライン、70・・・反応器、72・・・ドロップキャッチャー、74・・・スプレー装置、76・・・スプレー装置、78・・・スプレー装置。

Claims (14)

  1. 2つの反応器中の排ガスからの二酸化硫黄の触媒除去方法であって、第1の反応器は活性炭触媒で充填されており、以下の各工程を特徴とする方法:
    a.1gHO/Nm未満の水分含有量および少なくとも5ppmのSO含有量を有する排ガスの供給、
    b.第1の反応器への排ガスの導入、
    c.活性炭触媒による第1の反応器中でのSOからガス状のSOへの触媒変換、その場合、活性炭触媒上での触媒変換は100℃未満の温度で進行する、
    d.第1の反応器から第2の反応器への予備精製された排ガスの導入、
    e.第2の反応器中での水を用いてのSOからHSOへの変換。
  2. 処理すべき排ガスは、多くともNm排ガス当たり0.8g、好ましくは多くともNm排ガス当たり0.7g、そして多くともNm排ガス当たり0.4gの水を含有することを特徴とする請求項1に記載された方法。
  3. 排ガスのSO含有量は、多くとも180,000ppm、好ましくは多くとも130,000ppm、特に好ましくは多くとも110,000ppm、特に多くとも100,000ppmとなることを特徴とする請求項1または2に記載された方法。
  4. 排ガスの入口温度は、周囲の温度から150℃の間であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載された方法。
  5. 第1の反応器への入口での排ガスのガス圧は、800から1400mbarの間であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載された方法。
  6. 排ガス中に存在する少なくとも60体積%、好ましくは少なくとも75体積%、特に好ましくは少なくとも90体積%、そして特に少なくとも98体積%のSOが変換されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載された方法。
  7. 排ガスのO含有量は、少なくとも2体積%、好ましくは少なくとも5体積%、特に好ましくは少なくとも8体積%、そして特に少なくとも10体積%となることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載された方法。
  8. 含有量は、SO含有量の8倍以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載された方法。
  9. 活性炭触媒は、天然の泥炭活性炭触媒または押出成形木材活性炭触媒であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載された方法。
  10. 少なくとも10重量%、好ましくは少なくとも50重量%、特に好ましくは70重量%、特に少なくとも96重量%のHSO酸が排出されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載された方法。
  11. SOからHSOへの変換のために、希硫酸が使用されることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載された方法。
  12. 活性炭触媒床を含む第1の反応器中で実施されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載された方法。
  13. 並列に接続された複数の活性炭触媒床を含む第1の反応器中で実施されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載された方法。
  14. 直列に接続された複数の活性炭触媒床を含む第1の反応器内で実施されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載された方法。
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