JP4251300B2 - 排ガス処理方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は排ガス処理方法及び装置に係り、特に硫黄酸化物を含んだ排ガスを冷却装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理方法及び装置に関する。

重油や石炭などを燃料とする炉から排出される排ガスには、燃料中の硫黄分から生成した硫黄酸化物が含まれている。したがって、火力発電所用ボイラなどから排出されるこの種の排ガスに対しては、先ず乾式電気集塵装置で除塵した後、湿式脱硫装置で脱硫し、最後に排ガスを湿式電気集塵装置に導いてミストなどを除去し大気へ放出している。

この種の排ガスに含まれる硫黄酸化物は主に二酸化硫黄であるが、数十ｐｐｍレベルの三酸化硫黄が存在している。この三酸化硫黄は水分と反応して硫酸になり易く、ガス温度が硫酸露点以下になると凝縮して硫酸ミストになる。硫酸ミストは腐食性が強いので、湿式脱硫装置よりも前段では排ガスを硫酸露点よりも高い温度（例えば１７０℃前後）に維持している。しかしながら、この排ガスを湿式脱硫装置に導いて水分の露点である６０℃前後にまで急冷すると、微細な硫酸ミストが生成する。この微細な硫酸ミストは湿式脱硫装置では除去が困難であり、後段の湿式電気集塵装置で除去することになる。

しかしながら、湿式電気集塵装置では捕集対象である硫酸ミストなどの粒径によって捕集性能が大きく影響され、ミスト径が小さくなると捕集効率が低下する。湿式脱硫装置で生成した硫酸ミストにサブミクロンレベルのものが多く含まれる場合には、湿式電気集塵装置の捕集性能が著しく低下し、湿式電気集塵装置から排出される排ガス中の硫酸ミスト濃度が高くなって、大気汚染を招く恐れがある。このため、湿式電気集塵装置の容量を大きくしなければならず、その設備費と運転費が高騰する欠点がある。

特許文献１にはこの種の排ガス処理方法の欠点を改善するために、湿式脱硫装置に導入する排ガスを１２０〜１５０℃にまで予備的に冷却する方法が開示されている。この特許文献１に開示された方法によれば、湿式脱硫装置を出て湿式電気集塵装置に導入される排ガス中のミスト径を大きくすることができ、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの捕集効率を高めることができる。
特開２００２−４５６４３号公報

しかしながら、本発明者の知見によれば、上記特許文献１に開示された方法を採用した場合、排ガス中の三酸化硫黄の濃度によって、冷却装置において冷却する排ガスの最適温度が変化することが判明した。すなわち、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が低い時には、冷却装置において冷却する排ガスの温度を低めにすると湿式脱硫装置の出口排ガス中の硫酸ミスト径が大きくなり、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率が向上する。一方、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が高い時には、冷却装置において冷却する排ガスの温度を高めにすると湿式脱硫装置の出口排ガス中の硫酸ミスト径が大きくなり、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率が向上する。したがって、湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率を高めるためには、排ガスを湿式脱硫装置に導入させる前に予備的に冷却する際の冷却温度を排ガス中の三酸化硫黄の濃度に基づいて変化させることが最も望ましいことが判明した。しかしながら、現状の技術では排ガス中の三酸化硫黄の濃度をリアルタイムで検出可能な実用的な計測手段が存在しない。このため、本発明者が得た上記知見を現実の排ガス処理に応用することが困難であった。

本発明は上記の技術背景のもとで創案されたものであり、本発明の目的は、排ガス中の三酸化硫黄の濃度を検出することなく、排ガスを湿式脱硫装置に導入させる前に予備的に冷却する際の排ガスの冷却温度を最適に制御し、もって湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率を高めることができる排ガス処理方法及び装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係る排ガス処理方法は、硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理方法において、前記乾式電気集塵装置から排出される排ガスを冷却装置に通して湿式脱硫装置に供給するようにし、前記湿式電気集塵装置での電流密度が最大となるように、前記冷却装置の冷却条件を制御することを特徴とする。

また、本発明に係る排ガス処理装置は、硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理装置において、前記乾式電気集塵装置の出側に冷却条件の調節手段を備えた冷却装置を備え、該調節手段は前記湿式電気集塵装置の高圧電源に設けられた荷電電流計の指示値が最大となるように制御器によって制御されることを特徴とする。

本発明の排ガス処理方法及び装置によれば、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が変化しても、湿式電気集塵装置において排ガスが通過する電界空間の電流密度を常に最大に維持することができる。したがって、排ガス中の三酸化硫黄の濃度を検出することなく、排ガスを湿式脱硫装置に導入させる前に冷却装置で予備的に冷却する際の排ガスの冷却温度を最適に制御し、もって湿式電気集塵装置での硫酸ミストの除去率を高めることができる。

図１は本発明に係る排ガス処理方法及び装置の実施形態を示す系統図である。重油や石炭などを燃料とするボイラ１０の排ガス１２は先ず脱硝装置１４に送られ、排ガス１２中の窒素酸化物が除去される。脱硝装置１４を経た排ガス１６はエアヒータ１８に送られ、ボイラ１０の燃焼用空気と熱交換する。エアヒータ１８で１７０〜１８０℃程度にまで温度降下した排ガス２０は乾式電気集塵装置２２に送られ、排ガス２０中の煤塵が除去される。

乾式電気集塵装置２２を経た排ガス２４が本実施形態に係る排ガス処理方法及び装置の処理対象となる排ガスであり、温度が約１７０℃で硫黄酸化物を含んでいる。この排ガス２４は先ず冷却装置２６に送られ、１２０〜１５０℃の範囲内で予備的に冷却される。冷却装置２６を経た排ガス２８は湿式脱硫装置３０に送られ、主に排ガス２８中の二酸化硫黄が除去される。湿式脱硫装置３０を経た排ガス３２は温度が６０℃程度の飽和状態であり、多数の微細なミストを含む。これらの微細なミストには硫酸ミストも多数、含まれている。したがって、このような硫酸ミストを含む排ガス３２を湿式電気集塵装置３４に導き、硫酸ミスト等のミストや残存している塵埃をこの湿式電気集塵装置３４によって除去する。湿式電気集塵装置３４を経た排ガス３６は白煙防止を目的として加熱された後に、図示しない煙突から大気に放出される。

湿式電気集塵装置３４には高圧電源３８が装備されており、この高圧電源３８によって処理対象である排ガス３２が通過する空間を高い電界に維持する。この電界空間における電流密度が大きいほど、集塵性能（ミスト捕集性能）が向上する。電界空間における電流密度は高圧電源３８に付設した荷電電流計４０によって換算することができる。したがって、本実施形態では荷電電流計４０の指示値を制御器４２に送信し、制御器４２は送信される荷電電流計４０の指示値が最大となるように、冷却装置２６の冷却条件を制御する。すると、排ガス３２が通過する電界空間の電流密度が最大になり、前記のように湿式電気集塵装置３４の集塵性能（ミスト捕集性能）が向上する。

図２〜図４は排ガス中の三酸化硫黄の濃度が変化した場合の実験結果を示すグラフであり、図２は湿式脱硫装置入口温度と湿式電気集塵装置３４の入口におけるミスト粒径、図３は湿式脱硫装置入口温度と湿式電気集塵装置３４の電流密度、図４は湿式脱硫装置入口温度と湿式電気集塵装置３４の三酸化硫黄除去率の関係を示している。図２〜図４において図中に示した濃度（ｐｐｍ）を示す区別表示と排ガス温度：１７０℃の表示は、図１において冷却装置２６に供給される排ガス２４の三酸化硫黄の濃度とガス温度を示している。また、図２〜図４における横軸の湿式脱硫装置入口温度とは、図１において湿式脱硫装置３０の入口（すなわち、冷却装置２６の出口）の排ガス２８の温度を示しており、１７０℃の排ガス２４を冷却装置２６の冷却条件を変えることによって、１１０〜１７０℃の範囲内で変化させたものである。図２における縦軸のミスト粒径とは、湿式脱硫装置３０の出口（すなわち、湿式電気集塵装置３４の入口）の排ガス３２に含まれるミストの平均粒径を示している。図３における縦軸の電流密度とは、湿式電気集塵装置３４での電流密度を意味している。図４における縦軸の三酸化硫黄除去率とは、図１において排ガス３２と排ガス３６を対比した時の湿式電気集塵装置３４の三酸化硫黄除去率を意味している。

図２〜図４によれば、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が２０ｐｐｍと低い時には、湿式脱硫装置入口温度を約１３０℃にするとミスト粒径、電流密度、三酸化硫黄除去率のいずれもが最大になることが判る。また、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が６０ｐｐｍと中程度の時には、湿式脱硫装置入口温度を約１４０℃にするとミスト粒径、電流密度、三酸化硫黄除去率のいずれもが最大になることが判る。また、排ガス中の三酸化硫黄の濃度が１００ｐｐｍと高い時には、湿式脱硫装置入口温度を１４５〜１５０℃にするとミスト粒径、電流密度、三酸化硫黄除去率のいずれもが最大になることが判る。このことは、排ガス中の三酸化硫黄の濃度によって、冷却装置において冷却すべき排ガスの最適温度が変化することを意味している。また図２〜図４によれば、湿式脱硫装置入口温度とミスト粒径と電流密度と三酸化硫黄除去率とは密接な相互関係があり、電流密度が最大となるように冷却装置の冷却条件を制御すれば、湿式脱硫装置入口温度が排ガス中の三酸化硫黄の濃度に対応した最適値に自動的に調整され、ミスト粒径や三酸化硫黄除去率が最大になる最適処理を実現できることが判る。

本実施形態ではこのような知見に基づいて、制御器４２では送信される荷電電流計４０の指示値が最大となるように、冷却装置２６に備えられた冷却条件の調節手段に制御信号を送信し、冷却条件を制御する。その結果、排ガス２４中の三酸化硫黄の濃度が変化した場合でも、湿式電気集塵装置３４での電流密度が常に最大に維持され、三酸化硫黄除去率を最大にした最適処理を実現することできる。冷却装置２６の冷却条件の調節手段は、例えば冷却装置２６において排ガスを冷却するための冷却体の流量を増減させる手段である。又は冷却体の温度を変化させる手段でもよい。もしくは、冷却装置２６をバイパスさせる排ガスの経路を併設しておき、冷却装置２６に送り込む排ガス量を増減することによって、冷却装置２６の冷却条件を調節する手段でもよい。

図５は荷電電流計４０の指示値を最大にするための制御方法を例示したタイムチャートである。図５の横軸は時間経過、縦軸は荷電電流計４０の指示値を示している。時刻ａを起点として、制御器４２では冷却装置２６の冷却条件を例えば増強して、排ガス２８の温度を下げるように制御し、この冷却条件を次の時刻ｂまで継続する。その結果、時刻ｂでの電流指示値が時刻ａよりも低下している場合には、時刻ａでの冷却条件の増強が逆制御であると判定し、制御器４２では冷却装置２６の冷却条件を減弱して、排ガス２８の温度を上げるように制御し、この冷却条件を次の時刻ｃまで継続する。その結果、時刻ｃでの電流指示値が回復する。制御器４２では冷却装置２６の冷却条件を更に減弱して、排ガス２８の温度を上げるように制御し、この冷却条件を次の時刻ｄまで継続する。

以下、同様の制御によってｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈの順に排ガス２８の温度を上げ続けるように制御すると、各時刻での電流指示値も徐々に上昇する。しかしながら、電流指示値が永続的に上昇することは有り得ず、例えば時刻ｉで電流指示値が時刻ｈの時よりも低下したとする。すると、制御器４２では、冷却装置２６の冷却条件を増強して時刻ｇと同程度に戻す。その結果、時刻ｊでは電流指示値が回復する。そこで、制御器４２ではこの付近の冷却条件が電流指示値を最大にすると判定して、時刻ｊ以降は時刻ｇや時刻ｉで設定した冷却条件を維持する制御を行う。その結果、電流指示値を最大にした運転が時刻ｋまで行われることになり、排ガス２８の温度が三酸化硫黄の濃度に対応した最適値に自動的に調整され、湿式電気集塵装置３４での電流密度や三酸化硫黄除去率が最大になる最適処理を継続することができる。

ボイラ１０の運転条件の変化などによって、排ガス２４の三酸化硫黄の濃度が変化すると、時刻ｋ以降に電流指示値が上昇又は下降する傾向がでる。このような傾向がでた時には、制御器４２では上記と同様の考え方で冷却装置２６の冷却条件を増減する操作を繰り返すことによって、電流指示値が最大になる冷却条件を探り、実行する制御をすればよい。

制御器４２での制御間隔（図５に示した時間ｔ）は、１〜１０分程度の長い間隔で十分である。すなわち、排ガス２４が冷却装置２６や湿式脱硫装置３０を経て、湿式電気集塵装置３４に流入するまでには、数秒から数十秒の滞留時間がかかるので、この滞留時間以下の制御間隔は無意味であり、却って制御に混乱が生じる。ボイラなどの排ガス発生源の運転条件が安定している場合には、状況に応じて制御間隔を１時間程度にすることも可能である。

図６は排ガス２８の経日温度変化をモデル化して示した説明図である。図６において、破線Ａは冷却装置２６入口の排ガス２４の温度が１７０℃であることを示している。また、実線Ｂは冷却装置２６出口（湿式脱硫装置３０入口）の排ガス２８の経日温度変化を示している。上記した制御器４２による制御によって排ガス２８は期間ｘでは１３０℃程度、期間ｙでは１４０℃程度、期間ｚでは１５０℃程度に自動的に調整される。この場合、排ガス２４中の三酸化硫黄の濃度が期間ｘでは２０ｐｐｍ程度、期間ｙでは６０ｐｐｍ程度、期間ｚでは１００ｐｐｍ程度であったことが図２〜図４から推定することができる。

上述のとおり、本実施形態の排ガス処理方法及び装置によれば、湿式電気集塵装置３４の高圧電源に設けられた荷電電流計４０の指示値が最大となるように、制御器４２によって冷却装置２６の冷却条件を制御するようにした。このため、排ガス２４中の三酸化硫黄の濃度が変化しても、湿式電気集塵装置３４において排ガス３２が通過する電界空間の電流密度を常に最大に維持することができる。したがって、排ガス２４中の三酸化硫黄の濃度を検出することなく、排ガス２４を湿式脱硫装置３０に導入させる前に冷却装置２６で予備的に冷却する際の排ガスの冷却温度を最適に制御し、もって湿式電気集塵装置３４での硫酸ミストの除去率を高めることができる。

なお、湿式電気集塵装置３４では排ガスの流路に沿って複数の高圧電源を備え、例えば上流，中間，下流側の高圧電源別に荷電制御を行うようにする場合がある。このような方式の湿式電気集塵装置３４を備えた排ガス処理装置に本発明を適用する場合には、制御対象となる荷電電流計の指示値としては、各種の組み合わせを選択することができる。第１には複数の高圧電源にそれぞれ設けられる荷電電流計の各指示値のいずれか１つを代表に選んで本発明を適用する。第２には複数の高圧電源にそれぞれ設けられる荷電電流計の各指示値を合算し、この合算値に基づいて本発明を適用する。合算はすべての指示値を合算してもよく、又は選択した高圧電源のみの荷電電流計の各指示値を合算してもよい。

本発明に係る排ガス処理方法及び装置の実施形態を示す系統図である。 排ガス中の三酸化硫黄の濃度が変化した場合の湿式脱硫装置入口温度とミスト粒径の関係を示すグラフである。 同じく、湿式脱硫装置入口温度と電流密度の関係を示すグラフである。 同じく、湿式脱硫装置入口温度と三酸化硫黄除去率の関係を示すグラフである。 荷電電流計４０の指示値を最大にするための制御方法を例示したタイムチャートである。 排ガス２８の経日温度変化をモデル化して示した説明図である。

符号の説明

１０………ボイラ、１２，１６，２０，２４，２８，３２，３６………排ガス、１４………脱硝装置、１８………エアヒータ、２２………乾式電気集塵装置、２６………冷却装置、３０………湿式脱硫装置、３４………湿式電気集塵装置、３８………高圧電源、４０………荷電電流計、４２………制御器。

Claims (2)

1. 硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理方法において、
   前記乾式電気集塵装置から排出される排ガスを冷却装置に通して湿式脱硫装置に供給するようにし、
   前記湿式電気集塵装置での電流密度が最大となるように、前記冷却装置の冷却条件を制御する、
   ことを特徴とする排ガス処理方法。
2. 硫黄酸化物を含んだ排ガスを乾式電気集塵装置、湿式脱硫装置、湿式電気集塵装置の順に導いて処理する排ガス処理装置において、
   前記乾式電気集塵装置の出側に冷却条件の調節手段を備えた冷却装置を備え、
   該調節手段は前記湿式電気集塵装置の高圧電源に設けられた荷電電流計の指示値が最大となるように制御器によって制御される、
   ことを特徴とする排ガス処理装置。
   

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