JP5859244B2

JP5859244B2 - 排煙処理設備と排煙処理方法

Info

Publication number: JP5859244B2
Application number: JP2011174599A
Authority: JP
Inventors: 拓郎上田; 考司村本; 斎藤　隆行; 隆行斎藤
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: JP2013034965A

Description

本発明は火力発電所や工場などから排出される排ガスの排煙処理システムに係り、特に排ガス中のＳＯｘ、ばいじん及びボイラ燃料中に含まれる成分や物質を低減する湿式排煙脱硫装置と方法に関する。

火力発電所における排煙処理システムの一般的な排ガス処理系統を図７に示す。なお、各図において同一機器は同一番号を付すこととする。
図７においてボイラ１からの排ガスは脱硝装置２に導入され、排ガス中の窒素酸化物が除去された後、空気予熱器３においてボイラ１へ供給する燃焼用空気２１と熱交換される。空気予熱器３によりガス温度が一定温度まで低下した排ガスは、次に集塵器４に導入され、排ガス中のばいじんが除去される。その後、排ガスはファン５により昇圧されて、ガスガスヒータ（ＧＧＨ）６において湿式排煙脱硫装置出口ガスと熱交換される。ＧＧＨ６により、ガス温度が一定温度まで低下した排ガスは、次に湿式排煙脱硫装置７に導入され、気液接触により排ガス中の硫黄酸化物が除去される。湿式排煙脱硫装置７において飽和ガス温度にまで冷却された排ガスはＧＧＨ６において昇温されて煙突８より排出される。

上述の従来技術において集塵器４の出口の排ガス中のばいじん濃度は発電所によって異なるものの、一般的に２０〜１００ｍｇ／ｍ^３Ｎである。このばいじんを含む排ガスがＧＧＨ６で熱交換され、湿式排煙脱硫装置７において噴霧される脱硫吸収液によりばいじんの一部が除去されて煙突８から排出される。ばいじんは湿式排煙脱硫装置７において一般的に５〜１０ｍｇ／ｍ^３Ｎ程度まで除去される。

近年の環境規制の強化により、煙突８から排出される排ガス中のばいじん濃度を低くする必要がある。上述のように湿式排煙脱硫装置７において、ばいじんを除去することができ、規制値以下にまで下げることも可能である。しかしＧＧＨ型式として回転式ＧＧＨ６を採用した場合、未処理排ガスの一部が脱硫処理排ガス側に漏れることは避けられず、回転式ＧＧＨ６における未処理排ガス中のばいじん濃度が高い場合には、湿式排煙脱硫装置７でばいじん濃度を規制値以下に下げても回転式ＧＧＨ６における未処理排ガス側からのばいじんの漏れ込みにより煙突８において、規制値を満足できない可能性がある。

その対策として、回転式ＧＧＨ６の前流側の排ガス流路にある集塵器４の出口排ガス中のばいじん濃度を低くすることで回転式ＧＧＨ６において脱硫処理排ガス側へ漏出するばいじん量を低減することは可能である。一方で、回転式ＧＧＨ６において熱交換されてガス温度が低下した未処理排ガスは、その排ガス中に含まれるＳＯ_３が酸露点以下となって硫酸ミストとなる。回転式ＧＧＨ６において未処理排ガス中に含まれるばいじん濃度が高い場合には硫酸ミストがばいじんに付着してもばいじんは乾いた状態のままであるが、未処理排ガス中のばいじん濃度が低い場合には湿った状態となり、ＧＧＨ６の熱交換エレメント上に付着し、さらに熱交換エレメント上にばいじんが付着することで、熱交換エレメントが閉塞し、圧力損失の上昇を招くこととなる。このようにＧＧＨ６においては、ばいじんとＳＯ_３濃度の割合が重要な設計因子となり、安定した運用を行うためには、このばいじんとＳＯ_３濃度の比（Ｄ／Ｓ）を一定値以上で運用することが重要である。

一方、ＧＧＨ６の型式として、Ｔｕｂｌａｒ方式のノンリーク式ＧＧＨ６を採用した場合においてもプラントの運用上、未処理排ガス中のばいじん濃度が低い場合には、ばいじんは湿った状態となり伝熱管表面に付着し、圧力損失の増加を引き起こすといった問題がある。

また、ボイラ排ガス流路に上流側から順に脱硝装置、空気予熱器、ＧＧＨ、電気集塵器及び脱硫装置を配置し、脱硝装置と空気予熱器の間に炭酸カルシウムを投入する構成で排ガス中の高濃度のＳＯ_３を除去する方法を開示した発明がある（特許文献１）。

また、ボイラ排ガス流路に上流側から順に脱硝装置、空気予熱器、電気集塵器、ＧＧＨ及び脱硫装置を配置し、電気集塵器とＧＧＨの間にボイラ排ガスから得られた排塵などの粉体を投入する構成を備えた排煙処理装置において、経時的にＧＧＨに排ガス中のばいじんが付着すること、特に排ガス温度が低下した時に湿潤化したＳＯ_３がばいじんとともに付着するという問題があるので、ばいじんと同種の粉体をＧＧＨの前流側の排ガス流路に投入することで、ばいじん類の比率を上げてＳＯ_３を湿潤化させないで乾燥状態に保つことでＧＧＨの伝熱エレメントへのばいじんの付着を防止し、またＧＧＨの伝熱エレメントへのばいじんの付着があってもばいじんが乾燥状態で付着するので容易に掻き取ることができるという発明が開示されている（特許文献２）。

さらにボイラ排ガス流路に上流側から順に脱硝装置、空気予熱器、ＧＧＨ、乾式集塵器及び脱硫装置を配置し、ＧＧＨと乾式集塵器の間に炭酸ナトリウムなどのアルカリを投入することで、ＧＧＨ出口ガス中のＳＯ_３を中和して水銀を吸着し易い排ガス中のＳＯ_３を減らして排ガス中の微量の水銀でも乾式集塵器で効果的に吸着除去する発明（特許文献３）がある。

特開２００３−１２６６４９号公報特開２００２−２０４９２５号公報国際公開第ＷＯ２００８／０７８７２１号

上記特許文献１〜３記載の発明は何れもボイラ排ガス中のＳＯ_３に着目して、アルカリ粉粒体などを用いてＳＯ_３濃度を下げて、空気予熱器、ＧＧＨ又は集塵機にばいじんなどが付着することを防止する技術である。

しかし、特許文献２記載の発明では、電気集塵器で回収した灰を再度空気予熱器手前に投入し、また電気集塵器で回収および循環させているため、再循環の動力を必要とし、電気集塵器が大容量となる。また、電気集塵器手前に灰（ばいじん）を投入すると湿式排煙脱硫装置で灰（ばいじん）は回収され、副生成物の石膏の純度が低下するため、灰（ばいじん）を電気集塵器の手前で投入することは望ましくない。

また、特許文献１記載の発明では、アルカリ粉体を使用しているが、電気集塵器上流の空気予熱器手前に投入しており、未反応（未使用）のアルカリ粉体は電気集塵器で回収して廃棄することになり、経済的な方法とはいえない。

本発明の課題も上記特許文献記載の発明とは異なる手法により、ボイラ排ガス中のＳＯ_３に着目して、アルカリを用いて排ガス中のＳＯ_３濃度を下げて、ＧＧＨにばいじんが付着することを防止する技術であり、特に排煙処理システムの高効率化を図ることを課題としている。

本発明の上記課題は次の解決手段により達成される。
請求項１記載の発明は、ボイラから排出される排ガス中に含まれるばいじんを除去する集塵器と、排ガス中の硫黄酸化物およびボイラ燃料中に含まれる成分に起因する物質を、炭酸カルシウムを含む脱硫剤で除去する湿式排煙脱硫装置と、該湿式排煙脱硫装置の排ガス入口側及び出口側の排ガス流路に掛け渡されて配置され、排ガスと熱交換を行うＧＧＨを設けた排煙処理設備において、前記集塵器より後流側の排ガス流路であって、ＧＧＨへ導入される排ガスの排ガス流路に粉末状のアルカリ吸収剤を噴霧するアルカリ吸収剤投入部を設け、前記ＧＧＨとして、前記湿式排煙脱硫装置の排ガス入口部と排ガス出口部の各排ガス流路内の排ガスの熱交換を行うＧＧＨで構成し、前記湿式排煙脱硫装置の排ガス出口部にあるＧＧＨより後流側の排ガス流路内のばいじん濃度を測定するばいじん濃度測定装置及び前記湿式排煙脱硫装置の排ガス入口部にあるＧＧＨより前流側でアルカリ吸収剤投入部より後流側の排ガス流路内のＳＯ_３濃度を測定するＳＯ_３濃度測定装置を設け、前記２つの測定装置により測定されたＳＯ_３濃度に対するばいじん濃度の比率が、予め設定された値より大きくなるように前記アルカリ吸収剤投入部からアルカリ吸収剤を投入する制御装置を設けたことを特徴とする排煙処理設備である。

請求項２記載の発明は、ボイラから排出される排ガス中に含まれるばいじんを集塵器で除去し、さらに硫黄酸化物およびボイラ燃料中に含まれる成分に起因する物質を湿式排煙脱硫装置において炭酸カルシウムを含む脱硫剤で除去し、該湿式排煙脱硫装置の排ガス入口側及び出口側の排ガス流路に掛け渡されて配置されるＧＧＨで排ガスと熱交換を行う排煙処理方法において、前記ＧＧＨとして、前記湿式排煙脱硫装置の排ガス入口部と排ガス出口部の各排ガス流路内の排ガスの熱交換を行うＧＧＨを用い、前記集塵器でばいじんを除去した後にＧＧＨへ導入される排ガスの排ガス流路に粉末状のアルカリ吸収剤を投入すると共に、前記湿式排煙脱硫装置の排ガス出口部にあるＧＧＨより後流側の排ガス流路内のばいじん濃度及び前記湿式排煙脱硫装置の排ガス入口部にあるＧＧＨより前流側でアルカリ吸収剤の投入後の排ガスの排ガス流路内のＳＯ_３濃度をそれぞれ測定し、制御装置により前記測定されたＳＯ_３濃度に対するばいじん濃度の比率が、予め設定された値より大きくなるように前記アルカリ吸収剤を投入することを特徴とする排煙処理方法である。

（作用）
本発明の排煙処理設備と方法においてＧＧＨ上流側の排ガス流路にある集塵器において十分にばいじんが除去された排ガス中に粉末状のアルカリ吸収剤を噴霧することで、ＧＧＨで排ガス温度が露点以下となって硫酸ミストが発生しても粉末状のアルカリ吸収剤に付着することによりＧＧＨ熱交換エレメント上に硫酸ミストが付着することを防ぎ、つまりを防止することが可能となる。

なお、前述のように、特許文献２記載の発明では、電気集塵器で回収した灰を再度空気予熱器手前に投入し、また電気集塵器で回収および循環させている。そのため、灰の再循環用の動力を必要とし、電気集塵器が大容量となるのに対して、本発明では、アルカリ粉体をＧＧＨ手前に投入し、投入されたアルカリ粉体はＧＧＨを通過して湿式排煙脱硫装置で回収、ＳＯ_２除去に再利用されるため経済的である。

また、ＧＧＨ手前に灰（ばいじん）を投入すると湿式排煙脱硫装置で灰（ばいじん）は回収され、副生成物の石膏の純度が低下するため、灰（ばいじん）ではなくアルカリ粉体（炭酸カルシウムなど）が望ましい。

請求項１、２記載の発明によれば、ＧＧＨの排ガス入口側の排ガス流路に粉末状のアルカリ吸収剤を噴霧することで、排煙処理設備から大気中に放出する化石燃料の燃焼排ガスに対する環境規制によるばいじん濃度規制を満足させながら、ＧＧＨが排ガス中のばいじんなどで閉塞されることを防ぐことが可能となる。

また、ＧＧＨより後流側の排ガス流路内のばいじん濃度と回転式ＧＧＨより前流側の排ガス流路内のＳＯ_３濃度に基づき、測定されたＳＯ_３濃度に対するばいじん濃度の比率が、予め設定されたばいじん濃度／ＳＯ_３濃度の比率より大きくなるようにアルカリ吸収剤投入部からアルカリ吸収剤を投入することで、ＧＧＨのエレメントの詰まりをより確実に防止できる。

本発明となる排煙処理システムの系統を示す図である。本発明となる排煙処理システムのうち回転式ＧＧＨ回りを示す図である。本発明となる排煙処理システムのうちＧＧＨおよび湿式排煙脱硫装置回りを示す図である。本発明の応用例となる粉末状アルカリ吸収剤をＧＧＨの入口出口側に噴霧する図である。本発明の応用例となる粉末状アルカリ吸収剤をＧＧＨの入口出口側に噴霧し、水をＧＧＨの出口側に噴霧する図である。本発明の応用例となる粉末状アルカリ吸収剤をＧＧＨの入口側に噴霧し、粉末状アルカリ吸収剤と水の混合物をＧＧＨの出口側に噴霧する図である。従来の排煙処理システムの系統を示す図である。排煙処理システムにおけるＤ（ばいじん濃度）／Ｓ（ＳＯ_３濃度）の関係を示す図である。

本発明による、排煙処理システムの系統図を図１に示す。

図１においてボイラ１からの排ガスは脱硝装置２に導入され、排ガス中の窒素酸化物が除去された後、空気予熱器３においてボイラ１への燃焼用空気２１と熱交換される。空気予熱器３により、ガス温度が一定温度まで低下した排ガスは、次に、集塵器４に導入され、排ガス中のばいじんが除去される。その後、排ガスはファン５により昇圧され、粉末状アルカリ吸収剤投入設備９から粉末状のアルカリ吸収剤が排ガス流路に投入されてＧＧＨ６に導入される。湿式排煙脱硫装置７の入口側の排ガスはＧＧＨ６において湿式排煙脱硫装置７の出口ガスとの熱交換により、ガス温度が一定温度まで低下し、次に湿式排煙脱硫装置７に導入され、気液接触により排ガス中の硫黄酸化物が除去される。湿式排煙脱硫装置７において飽和ガス温度にまで冷却された排ガスは湿式排煙脱硫装置７の出口でＧＧＨ６において昇温されて煙突８より排出される。

図２には回転式ＧＧＨ６周りの構成図を示す。排ガス中のＳＯ_２濃度とＳＯ_３濃度を計測するＳＯ_２・ＳＯ_３濃度計１６を回転式ＧＧＨ６の前流側の排ガス流路に配置、また図８にＤ（ばいじん濃度）／Ｓ（ＳＯ_３濃度）のカーブを示す。
図８のＤｒｙｚｏｎｅの領域では、ばいじんが乾いた状態を保ちＧＧＨ６のエレメントの詰まりなどは起こらないが、Ｗｅｔｚｏｎｅの領域では、ばいじんが湿った状態となりＧＧＨ６のエレメントの詰まりなどの問題が生じる。そこでＧＧＨ６の未処理排ガス入口のＳＯ_３濃度を測定し、図８に示すＤ／Ｓのカーブ及び集塵器４の出口排ガス中のばいじん濃度より、ばいじんが乾いた状態を保つのに必要な粉末状アルカリ吸収剤の投入量の制御を行う。また排ガス中のＳＯ_３濃度は排ガス中のＳＯ_２濃度及び脱硝触媒での酸化率に依存するため、ＧＧＨ６の入口側の未処理排ガス入口のＳＯ_２濃度に基づきＳＯ_３濃度を算出することも可能である。

一方で前述のように図２に示す構成で回転式ＧＧＨ６では未処理排ガス側から処理排ガス側への排ガスの漏れ込みは避けられず、回転式ＧＧＨ６の未処理排ガス側に噴霧した粉末状アルカリ吸収剤の一部は処理排ガス側へ漏れ込み、ばいじんとして扱われる。そこで回転式ＧＧＨ６の処理排ガス側の出口部に設置したばいじん濃度計１０によりＧＧＨ６の出口排ガス中のばいじん濃度を測定し、万一、前記出口排ガス中のばいじん濃度が規制値を越える様な場合には、粉末状アルカリ吸収剤投入設備９からの粉末アルカリ吸収剤の噴霧量を制御装置２３で制御し、ＧＧＨ６の出口排ガス中の出口ばいじん濃度が規制値を超えることがないようにする。

ここで排ガス中のＳＯ_２濃度とＳＯ_３濃度を計測するＳＯ_２・ＳＯ_３濃度計１６を回転式ＧＧＨ６の前流側の排ガス流路に配置して、ＧＧＨ６入口側の排ガス中のＳＯ_２・ＳＯ_３濃度とＧＧＨ６の出口排ガス中のばいじん濃度に基づき図８に示す関係からＧＧＨ６の出口排ガス中の出口ばいじん濃度が規制値を超えないように制御装置２３により制御する。

なお、本発明では回転式ＧＧＨでなく流体からなる熱媒体を２つのＧＧＨの間に流す方式のＴｕｂｌａｒ方式のノンリーク式ＧＧＨを用いることもできる。

図３にＧＧＨ６と湿式排煙脱硫装置７周りの構成を示す。ＧＧＨ６の前流前の排ガス流路に炭酸カルシウムなどの粉末状のアルカリ吸収剤を添加することにより、ＧＧＨ６を通過する見かけ上のＤ／Ｓは増加し、排ガス中のばいじんは乾燥した状態を保持できる。また粉末状のアルカリ吸収剤は湿式排煙脱硫装置７において吸収液循環ポンプ１１により噴霧された吸収液１２により排ガス中から除去されて吸収液１２中に取り込まれる。一方、湿式排煙脱硫装置７においても脱硫吸収剤として粉末状アルカリ吸収剤と水を混ぜたスラリ１３を使用するため、湿式排煙脱硫装置７において排ガス中から吸収液１２中に取り込まれた粉末状アルカリ吸収剤は脱硫吸収剤として再利用可能である。

本発明の応用例を図４、図５及び図６にそれぞれ示す。
図４に示す応用例は回転式ＧＧＨ６の入口側の排ガス流路に加えてＧＧＨ６と湿式排煙脱硫装置７の間の排ガス流路にも粉末状アルカリ吸収剤投入設備９から粉末状アルカリ吸収剤を噴霧することにより、湿式排煙脱硫装置７の入口側の排ガス流路中において硫黄酸化物の一部を除去することが可能となる。これにより湿式排煙脱硫装置７の入口側の排ガス流路中の硫黄酸化物濃度が低くなり、湿式排煙脱硫装置７で必要とされる脱硫性能を低くすることが可能となり、湿式排煙脱硫装置７の吸収液循環ポンプ１１の容量を低減することが可能となる。

また、図５に示す応用例は回転式ＧＧＨ６の入口側の排ガス流路に加えてＧＧＨ６と湿式排煙脱硫装置７の間の排ガス流路にも粉末状アルカリ吸収剤投入設備９から粉末状アルカリ吸収剤を噴霧し、ＧＧＨ６と湿式排煙脱硫装置７の間の排ガス流路にさらに水１４を噴霧することにより、湿式排煙脱硫装置７の入口側の排ガス流路中において排ガス中の硫黄酸化物の一部を除去することが可能となる。これにより湿式排煙脱硫装置７の入口側の排ガス中の硫黄酸化物濃度が低くなり、湿式排煙脱硫装置７で必要とされる脱硫性能を低くすることが可能となり、湿式排煙脱硫装置７の吸収液循環ポンプ１１の容量を低減することが可能となる。

さらに、図６に示す応用例は回転式ＧＧＨ６の入口側の排ガス流路に加えてＧＧＨ６と湿式排煙脱硫装置７の間の排ガス流路にも粉末状アルカリ吸収剤と水の混合物を投入する設備１５から粉末状アルカリ吸収剤と水の混合物を噴霧することにより、湿式排煙脱硫装置７の入口側の排ガス流路中において排ガス中の硫黄酸化物の一部を除去することが可能となる。これにより湿式排煙脱硫装置７の入口側の排ガス中の硫黄酸化物濃度が低くなり、湿式排煙脱硫装置７で必要とされる脱硫性能を低くすることが可能となり、湿式排煙脱硫装置７の吸収液循環ポンプ１１の容量を低減することが可能となる。

１ボイラ２脱硝装置
３空気予熱器４集塵器
５ファン６ＧＧＨ（ガスガスヒータ）
７湿式排煙脱硫装置８煙突
９粉末状アルカリ吸収剤投入設備
１０ばいじん濃度計１１吸収液循環ポンプ
１２吸収液１３脱硫吸収剤スラリ
１４水
１５粉末状アルカリ吸収剤と水の混合物投入設備
１６ＳＯ_２・ＳＯ_３濃度計２１燃焼用空気
２３制御装置

Claims

ボイラから排出される排ガス中に含まれるばいじんを除去する集塵器と、排ガス中の硫黄酸化物およびボイラ燃料中に含まれる成分に起因する物質を、炭酸カルシウムを含む脱硫剤で除去する湿式排煙脱硫装置と、該湿式排煙脱硫装置の排ガス入口側及び出口側の排ガス流路に掛け渡されて配置され、排ガスと熱交換を行うＧＧＨを設けた排煙処理設備において、
前記集塵器より後流側の排ガス流路であって、ＧＧＨへ導入される排ガスの排ガス流路に粉末状のアルカリ吸収剤を噴霧するアルカリ吸収剤投入部を設け、
前記ＧＧＨとして、前記湿式排煙脱硫装置の排ガス入口部と排ガス出口部の各排ガス流路内の排ガスの熱交換を行うＧＧＨで構成し、前記湿式排煙脱硫装置の排ガス出口部にあるＧＧＨより後流側の排ガス流路内のばいじん濃度を測定するばいじん濃度測定装置及び前記湿式排煙脱硫装置の排ガス入口部にあるＧＧＨより前流側でアルカリ吸収剤投入部より後流側の排ガス流路内のＳＯ_３濃度を測定するＳＯ_３濃度測定装置を設け、前記２つの測定装置により測定されたＳＯ_３濃度に対するばいじん濃度の比率が、予め設定された値より大きくなるように前記アルカリ吸収剤投入部からアルカリ吸収剤を投入する制御装置を設けたことを特徴とする排煙処理設備。
ボイラから排出される排ガス中に含まれるばいじんを集塵器で除去し、さらに硫黄酸化物およびボイラ燃料中に含まれる成分に起因する物質を湿式排煙脱硫装置において炭酸カルシウムを含む脱硫剤で除去し、該湿式排煙脱硫装置の排ガス入口側及び出口側の排ガス流路に掛け渡されて配置されるＧＧＨで排ガスと熱交換を行う排煙処理方法において、
前記ＧＧＨとして、前記湿式排煙脱硫装置の排ガス入口部と排ガス出口部の各排ガス流路内の排ガスの熱交換を行うＧＧＨを用い、
前記集塵器でばいじんを除去した後にＧＧＨへ導入される排ガスの排ガス流路に粉末状のアルカリ吸収剤を投入すると共に、
前記湿式排煙脱硫装置の排ガス出口部にあるＧＧＨより後流側の排ガス流路内のばいじん濃度及び前記湿式排煙脱硫装置の排ガス入口部にあるＧＧＨより前流側でアルカリ吸収剤の投入後の排ガスの排ガス流路内のＳＯ_３濃度をそれぞれ測定し、制御装置により前記測定されたＳＯ_３濃度に対するばいじん濃度の比率が、予め設定された値より大きくなるように前記アルカリ吸収剤を投入することを特徴とする排煙処理方法。