JP5740898B2 - 酸素燃焼システムにおける排煙脱硫装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素燃焼技術を適用した石炭焚ボイラ（簡略化のため酸素燃焼システムと称す）における排煙脱硫装置に関するものである。

火力発電所等には石炭を空気燃焼する石炭焚きボイラが一般に用いられており、石炭焚きボイラの排ガスには硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれる。具体的には、石炭等の硫黄分を含む燃料を燃焼させたとき、硫黄分は燃焼ガス中の酸素により酸化され、主として二酸化硫黄（ＳＯ_２）となる。この硫黄酸化物が環境汚染の原因になるとして、従来、これを除去するために排煙脱硫装置を設け、排煙脱硫装置によって大気へ放出する硫黄酸化物を一定濃度以下に抑えることが一般的に行われてきた。

排煙脱硫法としては、最近、低コストでシステムが簡単な簡易型の乾式脱硫装置の開発が進められているが、脱硫率がせいぜい７０〜８０％と低いこともあり、このために湿式法が主流を占めているのが現状である。例えば、現在、火力発電所等で一般的に使用されている排煙脱硫装置は石灰石石膏法による湿式脱硫装置である（特許文献１、２等参照）。

上記の石灰石石膏法による湿式脱硫装置においては、燃焼排ガス中のＳＯ_２を石膏（ＣａＳＯ_４）として回収するようにしおり、このためには、＋ＩＶ価である硫黄（Ｓ）を＋ＩＶ価から＋ＶＩ価へ酸化する必要があり、排煙脱硫装置底部の液溜部にはＳを酸化するための空気を吹き込む仕組みを備えている。
ＣａＣＯ_３＋ＳＯ_２＋０．５Ｈ_２Ｏ→ＣａＳＯ_３・０．５Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２
ＣａＳＯ_３・０．５Ｈ_２Ｏ＋０．５Ｏ_２＋１．５Ｈ_２Ｏ→ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ

上記反応に必要な０．５Ｏ_２は、空気ブロワによって供給される酸化用空気によって賄われる。

一方、近年では、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出を削減する要求が高まっており、このために、ＣＯ_２を濃縮することで回収を容易にすることができる酸素燃焼技術を適用した石炭焚きボイラ（酸素燃焼システム）の実用化が期待されている。

酸素燃焼技術は、原理的に酸素のみで燃料を燃焼させる技術であるが、燃焼条件が現有技術と大きく異なり、技術的な障壁が大きいため、実際には排ガスを再循環して酸素と混合することで酸素濃度を抑え、現有技術から大きく逸脱しない範囲でボイラの運転ができるようにしたもので、純度の高い酸素と再循環されるＣＯ_２を主成分とする排ガスとの混合ガスで燃焼することでＣＯ_２濃度が高められ、ＣＯ_２回収装置により効果的にＣＯ_２を回収することができる。

一方、排ガスには上記したＳＯ_２が含まれ、排ガス再循環により、ＳＯ_２も再循環されて、ＣＯ_２と同様に濃縮されることになり、環境汚染の原因となるだけでなく、ボイラ設備の腐食原因となるため、再循環する前の排ガスからＳＯ_２を除去することが、ボイラ設備の運用上好ましい。とくに硫黄分（Ｓ）の含有量が高い燃料である石炭を燃料とするボイラにおいては、ＳＯ_２の除去を行うことは環境汚染の防止だけでなく、ボイラ設備の腐食防止の観点からも好ましい。

以上のことを勘案し、酸素燃焼システムにおいては、排ガス系統に脱硫装置を設け、脱硫装置の出口から排ガス再循環を行うシステムが考えられる。脱硫装置の出口の排ガスの一部は、ＣＯ_２回収装置へ供給してＣＯ_２回収を行うことで、大気へのＣＯ_２排出を原理的にはゼロにすることができる。なお、脱硫装置としては上記のとおり石灰石石膏法による湿式脱硫装置が用いられる。

特開平９−３１３８７７号公報 特開平１１−３３３５０号公報

上記した石灰石石膏法による湿式脱硫装置においては、吸収塔底部における循環タンクの吸収剤に酸化用空気を吹き込むようにしているため、酸化用空気に含まれる酸素（Ｏ_２）の一部は硫黄（Ｓ）の酸化により消費され、一方、窒素（Ｎ_２）やその他の不活性ガス及び酸化反応に利用されなかったＯ_２等（これらを酸化オフガスと呼ぶ）が気相（循環タンクの上部空間）へ放出されて、排ガスと合流、混合する。

ここで、発電設備等の酸素燃焼システムでは、ＣＯ_２を効率よく回収するため、ＣＯ_２濃度を極力高くする工夫がなされている。目標として９０％以上を設定しているが、上記したように酸化オフガスが排ガスに混合されると、９０％以上を目標に高濃度化されたＣＯ_２が希釈されてしまう結果となる。

ＣＯ_２回収装置においては、排ガスを圧縮・冷却して凝縮した液体ＣＯ_２として回収するが、その凝縮の条件はＣＯ_２分圧に依存し、ＣＯ_２濃度が低下すると、同じ全圧（排ガスに実際にかかっている圧力）ではＣＯ_２分圧が低下する。従って、ＣＯ_２の凝縮条件を満たすためには、ＣＯ_２分圧が濃度低下の前の値になるよう、全圧を増す必要が生じる。即ち、酸化オフガスが混合されることによる排ガス中のＣＯ_２濃度低下は、排ガスを圧縮・冷却して液体ＣＯ_２を得る際の動力の増加を招き、発電設備全体での効率低下につながるという課題がある。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、酸化オフガスによる排ガスの希釈化を回避することで、発電設備におけるＣＯ_２の分離回収動力の低減を図り、発電効率を維持することができる、酸素燃焼システムにおける排煙脱硫装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、酸素燃焼システムから導入した硫黄酸化物を含む排ガスに吸収剤を噴霧するスプレーノズル及び噴霧された吸収剤が貯留する循環タンクを有する吸収塔と、前記循環タンクに酸化用空気を吹き込む空気ブロワと、前記スプレーノズルと前記循環タンクの間に接続して吸収剤を循環させる循環ポンプとを備える酸素燃焼システムの排煙脱硫装置において、
前記循環タンクに酸化用空気を吹き込むことによって発生する酸化オフガスを、硫黄酸化物を含む排ガスと隔てて回収し、大気中に放出する酸化オフガス回収室を前記吸収塔の内部下方に備えたことを特徴とする酸素燃焼システムの排煙脱硫装置に係るものである。

ここで、前記酸化オフガス回収室は、前記循環タンクの酸化領域及びその上方にかけて配置する回収部と、前記回収部の上部から前記吸収塔の側壁外方に延びるダクト部とを有することが望ましい。

また、前記ダクト部には、前記酸化オフガスを大気中に放出する酸化オフガス排出手段を備えることが望ましい。

また、前記回収部を前記吸収塔内に同心円筒状に配置してもよいし、前記回収部の側壁の一部が前記吸収塔の側壁を共用し、前記側壁の共用側に前記ダクトを設けるようにしてもよい。前記回収部の側壁の一部を前記吸収塔の側壁と共用する場合には、前記回収部の上部から前記吸収塔の側壁外方に延びるダクトの一部を省略し、吸収塔の側壁外部に直接ダクト部を接続することができる。さらに、酸化オフガスが、酸化オフガス回収室底部開口部より吸収塔内へ漏れ出す可能性を極力小さくする目的で、前記吸収塔の底部近傍に径を絞った絞り部を形成してもよい。

本発明の酸素燃焼システムにおける排煙脱硫装置によれば、酸化オフガスによる排ガスの希釈化を回避することで、発電設備におけるＣＯ_２の分離回収動力の低減を図り、発電効率を維持することができる。

（ａ）は本発明の実施の形態に係る排煙脱硫装置の構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示す排煙脱硫装置の第１の変形例に係る排煙脱硫装置の構成図である。 （ａ）は図１に示す排煙脱硫装置の第２の変形例に係る排煙脱硫装置の構成図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 図３に示した構成の更なる変形例を示す構成図である。 酸化オフガスブロワによる酸化オフガス排出手段に代えて、煙突による酸化オフガス排出手段を備えた場合の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る酸素燃焼システムの排煙脱硫装置の構成図である。

図１（ａ）において、吸収塔１は、酸素燃焼システムの一例である図示しないボイラからの排ガスを導入する排ガスの入口ダクト２を側面に有し、上面には排ガスの出口ダクト３を有している。吸収塔１の内部上方には、スプレーノズル（吸収剤スプレーノズル）４を有しており、スプレーノズル４は、吸収塔１の底部における循環タンク５の吸収剤を循環する循環ポンプ９により供給される吸収液を下方に向けてスプレーするよう配置されている。スプレーノズル４の上方にはミストセパレータ（デミスタ）６を有し、さらに、出口ダクト３内には排ガスダンパ７を有しており、更に、出口ダクト３には排ガス再循環用の排ガスブロワ８が接続されている。

前記循環タンク５には、酸化用空気を吹き込むための空気ブロワ１０が接続されており、且つ、循環タンク５の内部には、循環タンク５に吹き込まれた空気を攪拌する攪拌ファン１１を設けている。

本実施の形態の排煙脱硫装置は、図１（ａ）に示すように、入口ダクト２から取り込む排ガスと、空気ブロワ１０からの酸化用空気が循環タンク５内の吸収剤に吹き込まれることによって発生する前記酸化オフガスとを仕切って混合されないようにしている。即ち、酸化オフガスを排ガスに混入させない構造とすることによって、排ガスが酸化オフガスで希釈されないようにしている。そのために、上記の従来からの構成に加えて、以下の構成要素を有する。

即ち、本実施の形態の排煙脱硫装置は、循環タンク５内で発生する酸化オフガスが排ガスと合流する前に、この酸化オフガスを回収して吸収塔１外の大気中に放出（排出）する酸化オフガス回収室２１を、吸収塔１の内部下方に配置している。

酸化オフガス回収室２１は、回収部２１ａと回収部２１ａの上部から吸収塔１の側壁外方に延びるダクト部２１ｂとを有しており、前記回収部２１ａは、循環タンク５の酸化領域（吸収液貯留部）及びその上方にかけて配置されており、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である図１（ｂ）に示すように、酸化オフガス回収室２１の回収部２１ａは、吸収塔１と同心円になるように吸収塔１の中央に配置している。

前記ダクト部２１ｂには、酸化オフガスを大気中に放出するための酸化オフガスブロワ２２（酸化オフガス排出手段）が接続されている。又、ダクト部２１ｂの出口部付近には、酸化オフガスの放出を円滑にするため、酸化オフガス回収室２１の圧力に基づいて制御する酸化オフガスダンパ２３を配置する。酸化オフガスダンパ２３は、酸化オフガス回収室２１の酸化オフガスの圧力を検出する制御部２４によりその開度が制御されるようになっている。

また、循環タンク５の底面における循環タンク５の壁面より内側の中心側には気泡防護板２５を設けており、気泡防護板２５の内側に前記循環ポンプ９の吸入口を設けている。気泡防護板２５は、リング状でもよく、また、複数の板を対面するように設けてもよい。

循環タンク５の底部には循環タンク５の半径方向に対して接線方向に傾いて配置した複数の攪拌ファン１１が設けてあり、攪拌ファン１１により吸収液に噴射された酸化用空気の気泡は分散され、吸収塔１底部の外周側から中心に向かう吸収液の流れに乗って移動し、酸化領域中心付近から上昇する。

そして、吸収液は、酸化領域上部では中心の上昇流が外周方向へ分散する流れに変わり、その後、酸化オフガス回収室２１の回収部２１ａの壁の近くを下降する流れに変わる。吸収液の下降流に同伴する気泡は、気泡防護板２５によって防護され、循環ポンプ９の吸入口から吸入されない。循環ポンプ９の吸入口は１箇所だけにせず、リング状に数個（吸収塔１の塔径により増減）設けるのが好ましい。

このように構成した排煙脱硫装置の動作を説明する。

図示を省略した酸素燃焼ボイラから排出される高ＣＯ_２濃度で且つ硫黄酸化物を含む排ガスは入口ダクト２より吸収塔１内に導入され、その後出口ダクト３に向かう。この過程で、循環タンク５内の吸収剤が循環ポンプ９によりスプレーノズル４に導かれてスプレーノズル４から噴霧される。そして、噴霧された吸収液と吸収塔１に導入した排ガスの気液接触が行われる。

このとき、吸収液は、排ガス中のＳＯ_２を選択的に吸収し亜硫酸根（亜硫酸イオン）を生成する。亜硫酸根（亜硫酸イオン）を含んだ吸収液は、循環タンク５内の酸化領域に溜まり、空気ブロワ１０により吹き込んだ酸化用空気を攪拌ファン１１で攪拌することにより、亜硫酸根（亜硫酸イオン）は酸化して硫酸根（硫酸イオン）を生成する。

本実施の形態の排煙脱硫装置では、循環タンク５内の吸収液に空気ブロワ１０からの酸化用を吹き込むことによって酸化オフガスが発生するが、該酸化オフガスは排ガスと合流する前に、酸化オフガス回収室２１により回収され、回収された酸化オフガスは、ダクト部２１ｂに備えた酸化オフガスブロワ２２（酸化オフガス排出手段）により吸収塔１外の大気中に放出される。このようにすることで、排ガスが酸化オフガスによって希釈されるのを回避することができる。

図２は、図１に示す排煙脱硫装置の第１の変形例に係る排煙脱硫装置の構成図である。

図２に示す第１の変形例に係る排煙脱硫装置は、吸収塔１の底部近傍、即ち、循環タンク５の底部近傍に径を絞った絞り部２６を形成したものである。このように循環タンク５の底部近傍に絞り部２６を形成した構成によれば、空気ブロワ１０が送り込む酸化用空気が酸化オフガス回収室２１の回収部２１ａ内部に向かうようになり、酸化用空気が排ガス側に流れ込むのを精度よく防止することができる。

図３（ａ）は、図１に示す排煙脱硫装置の第２の変形例に係る排煙脱硫装置の構成図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の変形例に係る排煙脱硫装置は、酸化オフガス回収室２１を構成する回収部２１ａの側壁の一部が、吸収塔１の側壁を共用するように、図３（ａ）、（ｂ）では回収部２１ａを右側に寄せて配置している。このように吸収塔１に対して酸化オフガス回収室２１を片側に片寄らせて設置すると、吸収塔１の側壁を回収部２１ａの一部として併用することができ、酸化オフガス回収室２１の構成を簡略化することができる。

図４は、図３に示した構成の更なる変形例を示したもので、図４の左側の回収部２１ａの上部から前記吸収塔１の右側側壁に延びる傾斜面を有する酸化オフガス回収室２１を形成しており、この構成によると、吸収塔１内部おけるダクト部２１ｂを省略して、吸収塔１の側壁に直接ダクト部２１ｂを接続することができる。

又、図１、図２、図３、図４においては、酸化オフガスブロワ２２による酸化オフガス排出手段を備えて酸化オフガスを強制的に放出させるようにした場合について例示したが、図５に示すように、前記酸化オフガスブロワ２２を設けることなく、ダクト部２１ｂを煙突２７（スタック）に接続するようにした酸化オフガス排出手段を備えてもよい。即ち、酸化オフガスの圧力が大気圧より十分高い場合は、ダクト部２１ｂ及び煙突２７を通じて大気放出することができる。又、前記酸化オフガスブロワ２２と煙突２７の両方を備えておき、酸化オフガスの圧力を検出し、酸化オフガスの圧力がそのまま大気放出できる圧力を下回る場合には、前記酸化オフガスブロワ２２を作動させて強制的に大気放出させ、酸化オフガスの圧力がそのまま大気放出できる圧力を有する場合には、前記酸化オフガスブロワ２２の運転を停止して煙突２７により大気放出するようにしてもよい。

１ 吸収塔
２ 入口ダクト
３ 出口ダクト
４ スプレーノズル
５ 循環タンク
９ 循環ポンプ
１０ 空気ブロワ
２１ 酸化オフガス回収室
２１ａ 回収部
２１ｂ ダクト部
２２ 酸化オフガスブロワ（酸化オフガス排出手段）
２５ 気泡防護板
２６ 絞り部
２７ 煙突（酸化オフガス排出手段）

Claims (6)

1. 酸素燃焼システムから導入した硫黄酸化物を含む排ガスに吸収剤を噴霧するスプレーノズル及び噴霧された吸収剤が貯留する循環タンクを有する吸収塔と、前記循環タンクに酸化用空気を吹き込む空気ブロワと、前記スプレーノズルと前記循環タンクの間に接続して吸収剤を循環させる循環ポンプとを備える酸素燃焼システムの排煙脱硫装置において、
   前記循環タンクに酸化用空気を吹き込むことによって発生する酸化オフガスを、硫黄酸化物を含む排ガスと隔てて回収し、大気中に放出する酸化オフガス回収室を前記吸収塔の内部下方に備えたことを特徴とする酸素燃焼システムの排煙脱硫装置。
2. 前記酸化オフガス回収室は、前記循環タンクの酸化領域及びその上方にかけて配置する回収部と、前記回収部の上部から前記吸収塔の側壁外方に延びるダクト部とを有することを特徴とする請求項１記載の酸素燃焼システムの排煙脱硫装置。
3. 前記ダクト部には、前記酸化オフガスを大気中に放出する酸化オフガス排出手段を有することを特徴とする請求項２記載の酸素燃焼システムの排煙脱硫装置。
4. 前記回収部を前記吸収塔内に同心円筒状に配置することを特徴とする請求項２記載の酸素燃焼システムの排煙脱硫装置。
5. 前記回収部の側壁の一部が前記吸収塔の側壁を共用し、前記側壁の共用側に前記ダクトを設けたことを特徴とする請求項２記載の酸素燃焼システムの排煙脱硫装置。
6. 前記吸収塔の底部近傍に径を絞った絞り部を形成することを特徴とする請求項２記載の酸素燃焼システムの排煙脱硫装置。

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