JP5876666B2 - 舶用湿式脱硫装置、及び該湿式脱硫装置の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、硫黄酸化物を含有する排ガス中の硫黄酸化物をアルカリ吸収液で吸収除去する舶用湿式脱硫装置、及び該湿式脱硫装置の操業方法に関する。

従来、湿式脱硫装置は、火力発電設備、工業用燃焼炉、焼却炉又は船舶用、陸上走行用、陸上定置用のディーゼルエンジン等から排出された硫黄酸化物を含有する排ガスを吸収塔内に導入し、石灰溶液、水酸化ナトリウム溶液又は水酸化マグネシウム水溶液（スラリー）等の吸収液と接触させ、排ガス中の硫黄酸化物を吸収液に物理的、化学的に取り込んで脱硫処理し、処理後の吸収液を吸収塔内の液貯留部に回収している。

硫黄酸化物を吸収した吸収液は、排水基準を遵守するよう適切に処理され、最終的には廃液として河川や海域に放流される。この廃液処理には、廃液処理設備を別途設置する必要がある。

例えば、湿式脱硫装置を船舶で使用する場合には、大規模な廃液処理設備を設置できないという制約がある。このような制約の下では、廃液量をできる限り増やさないように湿式脱硫装置を効率的に運転制御する必要がある。

一方、湿式脱硫装置の操業時間が長くなると、液貯留部の吸収液（廃液）は、液中に存在する酸性成分とアルカリ成分との中和により塩濃度が高くなる。塩濃度が高くなると、例えば、硫黄酸化物を含有する排ガスを水酸化ナトリウム水溶液で中和する場合、硫酸ナトリウム・１０水和物（Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ）が析出する。また、該排ガスを水酸化マグネシウム水溶液で中和する場合、硫酸マグネシウム・７水和物（ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ）が析出する。以下、硫酸ナトリウム・１０水和物や硫酸マグネシウム・７水和物等の析出物を「固体析出物」と称する。

このような固体析出物は、配管の詰まり等の問題を誘発するため、湿式脱硫装置を長時間操業できないという問題がある。また、固体析出物が析出しないよう、廃液を水で薄めて塩濃度を低くするなどの運用を余儀なくされ、結果的に廃液の量が増加してしまうという問題がある。

従来、廃液量を低減する技術として、ＳＯ_２ガスをＳＯ_３ガスへ転化するコンバータ（酸化触媒）の入口温度と出口温度の温度差に応じてＳＯ_２ガスを除去し、脱硫装置へのアルカリ液の供給量を制御する三酸化硫黄含有ガスの処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−１１０４１号公報

特許文献１に開示されている三酸化硫黄含有ガスの処理装置は、ＳＯ_２ガスとＳＯ_３ガスが混在するとｐＨの調整のためのアルカリ水溶液を多く消費することになるため、事前に酸化触媒によってＳＯ_３ガスに酸化させ、ＳＯ_２ガスからＳＯ_３ガスへの転化率を酸化触媒の入口温度から割り出し、ｐＨの調整に必要なアルカリ水溶液を算出してこれを注入している。

しかしながら、特許文献１に開示されている技術は中和剤であるアルカリ水溶液の低減という意味では有効であるが、処理装置内に貯留している廃液量そのものは変化しないため、根本的な廃液量の低減にはならないという問題があった。

そこで発明者らは、硫酸ナトリウム・１０水和物（Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ）や硫酸マグネシウム・７水和物（ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ）等の固体析出物が析出せず、廃液量が増加しない湿式脱硫装置の操業方法を検討した結果、廃液の塩濃度が高く、且つ廃液の温度が低くなるほど上記固体析出物が析出しやすいことを知見し、廃液の塩濃度に応じて廃液の温度を適切に制御することで上述のような課題を解決できることを見出して本発明に至ったのである。

本発明の舶用湿式脱硫装置は、吸収塔と、前記吸収塔の底部に形成された吸収液を貯留する液貯留部と、前記吸収液と前記吸収塔内に導入された被処理ガスとを気液接触させる気液接触部とを有する舶用湿式脱硫装置であって、前記液貯留部に貯留された前記吸収液を加温する加温部と、前記液貯留部に貯留された前記吸収液の塩濃度を計測する電気伝導率計からなる塩濃度計測部と、前記液貯留部に貯留された前記吸収液の液温を計測する温度計測部と、前記塩濃度計測部によって取得された塩濃度と前記温度計測部によって取得された液温に係る固体析出物の析出特性データとに基づいて、前記塩濃度計測部で取得された塩濃度で前記固体析出物が析出しない領域の温度になるよう前記加温部を作動させて前記吸収液を目標温度に制御する制御部とを有し、前記気液接触部において前記被処理ガスから硫黄酸化物を吸収した前記吸収液が前記液貯留部に回収された後、前記液貯留部に貯留された前記吸収液が外部に引き抜かれることなく再度前記吸収塔内で噴霧されることを特徴とする。

また、本発明の舶用湿式脱硫装置の操業方法は、吸収塔内の底部の液貯留部に貯留された吸収液と前記吸収塔内に導入された被処理ガスとを気液接触させ、脱硫処理する舶用湿式脱硫装置の操業方法であって、前記液貯留部に貯留された前記吸収液の塩濃度を電気伝導率計にて計測するステップと、前記液貯留部に貯留された前記吸収液の液温を計測するステップと、前記塩濃度を計測するステップにて取得された塩濃度と前記液温を計測するステップにて取得された前記液温に係る固体析出物の析出特性データとに基づいて、前記塩濃度を計測するステップで取得された塩濃度で前記固体析出物が析出しない領域の温度になるよう前記吸収液を加温して前記吸収液を目標温度に制御するステップと、前記気液接触により前記被処理ガスから硫黄酸化物を吸収した前記吸収液が前記液貯留部に回収された後、前記液貯留部に貯留された前記吸収液は、外部に引き抜かれることなく再度前記吸収塔内で噴霧されるステップとを含んでいる。

本発明によれば、廃液の塩濃度に応じて廃液の温度を目標に制御することで固体析出物の析出を抑制できる。これにより、廃液の塩濃度が高い場合でも固体析出物が析出しないように廃液の温度が制御可能となるので、固体析出物による配管の詰まり等の問題を回避できる。その結果、廃液の塩濃度が高くても湿式脱硫装置を運転できるため、湿式脱硫装置の長時間操業が可能になるという効果を奏する。更に、廃液の塩濃度が高くても湿式脱硫装置を運転できるため、従来の湿式脱硫装置と比べると廃液の塩濃度を下げる必要がなく、廃液量を低減できるという効果を奏する。

本実施の形態の湿式脱硫装置の概略構成図である。 中和剤として水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合の固体析出物の析出特性を示すグラフである。 中和剤として水酸化マグネシウム水溶液を用いた場合の固体析出物の析出特性を示すグラフである。 本実施の形態の湿式脱硫装置における運転制御を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る湿式脱硫装置（以下、「吸収塔」と称する。）、及びその操業方法について、添付図面に従って説明する。以下の実施の形態では、主として船舶用、陸上走行用、陸上定置用のディーゼル機関の燃焼装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を脱硫処理するのに好適な吸収塔を説明するが、本発明は例えば、工業用のボイラやガス化炉等の燃焼装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を脱硫処理する吸収塔にも同様に採用できる。

以下の説明では、方向や位置を表す用語（例えば、「上部」、「下部」等）を便宜上用いるが、これらは、発明の理解を容易にするためであり、それらの用語によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されるべきではない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン等の燃焼装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を脱硫処理する吸収塔１は、縦型の円筒状に形成され、下部に排ガス２（以下「被処理ガス２」と称する。）を塔内に導入するガス導入管３が接続されているとともに、上部に脱硫処理後の処理ガス４を排出するガス排出管５が接続されている。

吸収塔１の底部には、吸収液６を貯留する液貯留部７が形成されている。液貯留部７の側壁には、吸収塔１内の中央部に配置されたスプレーノズル８（気液接触部）に吸収液６を移送するための循環ポンプ９を有する循環配管１０が接続されている。スプレーノズル８から吸収塔１内に噴霧される吸収液６は、被処理ガス２と向流接触し、被処理ガス２中の硫黄酸化物を吸収して被処理ガス２の脱硫処理が行われるようにしてある。硫黄酸化物を吸収した吸収液６は再び液貯留部７に回収される。

図示するように、液貯留部７の外側はグラスウール等の断熱材で外装されている。また。循環配管１０の外側は、電源１１に接続された例えばリボンヒータ等のヒータ１２（加温部）で捲かれており、さらにその外側を断熱材で外装保温してある。液貯留部７の底部には、先端にバルブＶ１が接続された引抜き配管１３が接続されている。バルブＶ１を開くことで液貯留部７内の吸収液６を抜き出すことができる。

吸収塔１は、中和剤としての水酸化ナトリウム水溶液又は水酸化マグネシウム水溶液を液貯留部７内に供給する吸収液供給部１４を有する。一方、液貯留部７には、液貯留部７の吸収液６のｐＨを計測するｐＨセンサ１５が接続されている。吸収液供給部１４とｐＨセンサ１５は、吸収塔１の全体制御を実行する制御部１６に電気的に接続されており、ｐＨセンサ１５から出力される吸収液６の水素イオン濃度指数に基づき、制御部１６が吸収液供給部１４を制御し、液貯留部７の吸収液６のｐＨを一定に保持するようにしてある。

図示するように、液貯留部７の底部には、液貯留部７の吸収液６の温度を計測する温度センサ１７（温度計測部）と、吸収液６（廃液）の塩濃度を計測するための電気伝導率計１８（塩濃度計測部）が接続されている。温度センサ１７と電気伝導率計１８は制御部１６に電気的に接続されている。制御部１６が温度センサ１７と電気伝導率計１８から出力される情報を取得して実行する制御内容は、後ほど詳しく説明する。なお、本実施の形態では、塩濃度は、Ｎａ_２ＳＯ_４の濃度、又はＭｇＳＯ_４の濃度である。

図２は、硫黄酸化物を脱硫処理する中和剤として水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合の硫酸ナトリウム・１０水和物（Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ）の析出特性データである。図３は、硫黄酸化物を脱硫処理する中和剤として水酸化マグネシウム水溶液を用いた場合の硫酸マグネシウム・７水和物（ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ）の析出特性データである。図２と図３に示す縦軸は、廃液温度（吸収液６の温度）を示し、横軸は、廃液の塩濃度（吸収液６の塩濃度）を示している。図２及び図３から明らかなように、廃液の塩濃度（吸収液６の塩濃度）が高く、且つ廃液温度（吸収液６の温度）が低くなるほど上記固体析出物が析出しやすい傾向にある。

図２では、廃液の塩濃度（吸収液６の塩濃度）５ｗｔ％、１０ｗｔ％、１５ｗｔ％、２０ｗｔ％、２５ｗｔ％、３０ｗｔ％のとき、廃液温度（吸収液６の温度）をそれぞれ、２℃、１２℃、１６℃、２２℃、２４℃、２６℃に廃液（吸収液６）を加温すれば固体析出物である硫酸ナトリウム・１０水和物（Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ）が析出せず、吸収塔１を長時間操業できることが理解できる。つまり、廃液の塩濃度が３０ｗｔ％の高濃度になっても廃液の温度を２６℃にすれば固体析出物が析出せずに吸収塔１の運転が可能なのである。

図３では、廃液の塩濃度（吸収液６の塩濃度）２５ｗｔ％、３０ｗｔ％、３５ｗｔ％、４０ｗｔ％、４５ｗｔ％、５０ｗｔ％のとき、廃液温度（吸収液６の温度）をそれぞれ、２℃、８℃、２１℃、３２℃、４２℃、４８℃に廃液（吸収液６）を加温すれば固体析出物である硫酸マグネシウム・７水和物（ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ）が析出せず、吸収塔１を長時間操業できることが理解できる。つまり、廃液の塩濃度が５０ｗｔ％の高濃度になっても廃液の温度を４８℃にすれば固体析出物が析出せずに吸収塔１の運転が可能なのである。

本実施の形態では、図２及び図３に示した固体析出物の析出特性データが制御部１６に予め設定されている。これにより、制御部１６は、温度センサ１７と電気伝導率計１８から出力される吸収液６（廃液）の温度情報と塩濃度情報に基づき、現在の吸収液６（廃液）の状態を判定し、循環配管１０を加熱するヒータ１２のオン・オフを制御する。なお、固体析出物の析出特性データは、制御部１６内に必ずしも設定する必要はなく、例えば外部の記憶装置等に設定してもよい。

次に、上述のように構成された吸収塔１の作動について、図１、図２及び図４を参照して説明する。本動作説明では、水酸化ナトリウム水溶液で被処理ガス２中の硫黄酸化物を脱硫処理する例を説明する。

図４に示すように、温度センサ１７と電気伝導率計１８により液貯留部７の吸収液６（廃液）の温度と塩濃度が計測され、それらの情報を示す電気信号が制御部１６に出力される（ステップＳ１）。

ステップＳ２において、制御部１６は、取得された吸収液６（廃液）の温度及び塩濃度と、中和剤として水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合の硫酸ナトリウム・１０水和物（Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ）の析出特性データとを参照し、現在の液貯留部７内の吸収液６は固体析出物が析出する析出領域にあるか否か、つまり、吸収塔１が運転可能であるか否かを判定する。

ステップＳ２の判定結果がＹＥＳと判定された場合、つまり、現在の液貯留部７内の吸収液６（廃液）は、塩濃度が高く、且つ温度が低いので固体析出物の析出領域にある（吸収塔１の運転不可）と判定された場合、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、制御部１６は、現在の液貯留部７内の吸収液６の塩濃度で固体析出物が析出しない領域の温度になるようヒータ１２をオンして該吸収液６の温度を制御する。その後、ステップＳ５に進んで吸収塔１の運転を開始する。

ステップＳ２の判定結果がＮＯと判定された場合、つまり、現在の液貯留部７内の吸収液６は固体析出物が析出しない領域にある（吸収塔１の運転不可）と判定された場合、ステップＳ４に進み、ヒータ１２をオフ（ヒータ１２に通電しない。）する。その後、ステップＳ５に進んで吸収塔１の運転を開始する。

次に、制御部１６が循環ポンプ９を起動すると、液貯留部７内の吸収液６が循環配管１０を介して吸収塔１内の中央部のスプレーノズル８に移送され、吸収液６がスプレーノズル８から吸収塔１内に噴霧される。噴霧された吸収液６と、ガス導入管３から吸収塔１内に導入した被処理ガス２とが向流接触し、被処理ガス２中の硫黄酸化物が吸収液６中に吸収され、該吸収液６は再び液貯留部７に回収される。

硫黄酸化物が脱硫されて浄化された処理ガス４は、ガス排出管５に流入して系外に排出される。制御部１６は、ｐＨセンサ１５から出力される吸収液６の水素イオン濃度指数に基づいて吸収液供給部１４を制御し、液貯留部７の吸収液６のｐＨを一定に保持する。

このように、本実施の形態の吸収塔１によれば、液貯留部７内の吸収液６（廃液）の塩濃度が高い場合でも固体析出物が析出しないように吸収液６（廃液）の液温を制御できるため、吸収塔１の運転が可能である。したがって、例えば、Ｃ重油等の低質油を燃料とする燃焼装置から排出される排ガス（硫黄酸化物が多く含まれる排ガス）を処理しても長時間の操業が可能となる。

例えば、硫黄酸化物の濃度が１６０ｐｐｍ、流量が２２４９ｍ^３Ｎ／ｈの被処理ガス２を、φ７５０ｍｍ×高さ２０００ｍｍの吸収塔１を用いて５００リットル吸収液６で脱硫処理すると仮定した場合、液貯留部７内の吸収液６（廃液）の塩濃度は１時間あたり０．４ｗｔ％増加することになる。従来は、吸収液６（廃液）の塩濃度が１０ｗｔ％で液貯留部７内の吸収液６（廃液）を外部に引抜いていた。

しかし、本発明を採用することにより、吸収液６（廃液）の塩濃度を２０ｗｔ％以上に高めても運転可能であるので、吸収塔１の操業時間を約２５時間延長することが可能になる。この場合、１時間あたり１０トンの廃液量を低減できることが発明者らで確認されている。

本実施の形態の吸収塔１によれば、液貯留部７内の吸収液６（廃液）の塩濃度が高い場合でも吸収塔１を運転できるため、吸収液６（廃液）を外部に引抜かずに済む。つまり、吸収液６（廃液）の塩濃度を低くするための水が不要となり、廃液量を少なくできる。廃液量を少なくできるので、大規模な廃液処理設備を設置できない船舶にも本発明を採用可能であり、舶用湿式脱硫装置として有用である。なお、本実施の形態では、硫黄酸化物を脱硫処理する中和剤として、水酸化ナトリウム水溶液又は水酸化マグネシウム水溶液を用いたが、これに限らず、水酸化カルシウム［Ｃａ(ＯＨ)_２］や、水酸化カリウム［ＫＯＨ］を用いてもよい。

吸収液６（廃液）を吸収塔１内に長時間保管できると、ＳＯ_２の酸化によるｐＨ調整も同時にできる。吸収液６（廃液）を早期に外部へ引抜くと、別途設けられたタンクに保管する際、溶液の酸化（ＳＯ_２→ＳＯ_３）が起こり、ｐＨの再調整を実施する必要がある。このような酸化現象は数時間かけて行われることから、吸収液６（廃液）を吸収塔１内に長時間保管できると、別途必要であったアルカリ水溶液注入装置も不要になる。

また、本実施の形態の吸収塔１によれば、吸収液６（廃液）の塩濃度に応じて該吸収液６（廃液）の目標温度に加温するだけであるので、加温部であるヒータ１２は大掛かりなものは不要であり、本実施の形態で例示したリボンヒータのような簡易なものでよい。

今回、開示した実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲での全ての変更を含む。

１ 吸収塔
２ 被処理ガス
３ ガス導入管
４ 処理ガス
５ ガス排出管
６ 吸収液
７ 液貯留部
８ スプレーノズル
９ 循環ポンプ
１０ 循環配管
１２ ヒータ
１４ 吸収液供給部
１５ ｐＨセンサ
１６ 制御部
１７ 温度センサ
１８ 電気伝導率計

Claims (2)

1. 吸収塔と、
   前記吸収塔の底部に形成された吸収液を貯留する液貯留部と、
   前記吸収液と前記吸収塔内に導入された被処理ガスとを気液接触させる気液接触部とを有する舶用湿式脱硫装置であって、
   前記液貯留部に貯留された前記吸収液を加温する加温部と、
   前記液貯留部に貯留された前記吸収液の塩濃度を計測する電気伝導率計からなる塩濃度計測部と、
   前記液貯留部に貯留された前記吸収液の液温を計測する温度計測部と、
   前記塩濃度計測部によって取得された塩濃度と前記温度計測部によって取得された液温に係る固体析出物の析出特性データとに基づいて、前記塩濃度計測部で取得された塩濃度で前記固体析出物が析出しない領域の温度になるよう前記加温部を作動させて前記吸収液を目標温度に制御する制御部とを有し、
   前記気液接触部において前記被処理ガスから硫黄酸化物を吸収した前記吸収液が前記液貯留部に回収された後、前記液貯留部に貯留された前記吸収液が外部に引き抜かれることなく再度前記吸収塔内で噴霧されることを特徴とする舶用湿式脱硫装置。
2. 吸収塔内の底部の液貯留部に貯留された吸収液と前記吸収塔内に導入された被処理ガスとを気液接触させ、脱硫処理する舶用湿式脱硫装置の操業方法であって、
   前記液貯留部に貯留された前記吸収液の塩濃度を電気伝導率計にて計測するステップと、
   前記液貯留部に貯留された前記吸収液の液温を計測するステップと、
   前記塩濃度を計測するステップにて取得された塩濃度と前記液温を計測するステップにて取得された前記液温に係る固体析出物の析出特性データとに基づいて、前記塩濃度を計測するステップで取得された塩濃度で前記固体析出物が析出しない領域の温度になるよう前記吸収液を加温して前記吸収液を目標温度に制御するステップと、
   前記気液接触により前記被処理ガスから硫黄酸化物を吸収した前記吸収液が前記液貯留部に回収された後、前記液貯留部に貯留された前記吸収液は、外部に引き抜かれることなく再度前記吸収塔内で噴霧されるステップとを含むことを特徴とする舶用湿式脱硫装置の操業方法。

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