JP6137643B2

JP6137643B2 - 乾式排煙移動層浄化装置

Info

Publication number: JP6137643B2
Application number: JP2015230001A
Authority: JP
Inventors: 瀬戸　弘; 弘瀬戸; 耀二中島
Original assignee: 株式会社セテック
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: JP2017094292A; CN108430605A; WO2017090261A1

Description

本発明は、乾式排煙ガス浄化に供する移動層固気反応装置であり、当該装置は移動層内に排煙浄化剤を充填し脱硫と、同時に排煙中粉塵の集塵機能を有する乾式排煙浄化装置として利用されるものである。

従来、排煙ガス中の硫黄酸化物（SOx）、窒素酸化物（NOx）、塩化水素（HCl）などの有害物質を除去するための乾式排煙浄化において、粉体状の排煙浄化剤（以下「浄化剤」と略称する）を煙道に分散供給して固体である浄化剤と気体である有害物質との固気反応により、排煙ガスを浄化する技術が知られている。排煙ガス中の脱硫、脱塩においては粉状の水酸化カルシウムを散布し排煙ガス中のSOx・HClを除去するためには固体と気体のいわゆる固気反応を基本としている。

また排煙浄化剤を粒状化して移動層による固気反応塔に充填し、移動層内の移動層粒子に脱硫性、または脱塩性の有するものを反応塔内で降下移動させ、排煙ガス流は移動層と直交して排煙ガスと十字流を形成して、排煙ガスを浄化する技術は知られている。当該方式の浄化剤は粒状であるため移動層反応塔の反応容積が大型化する欠点を有する。

固気反応における反応時間を確保するため浄化剤を煙道に散布し,粉体浄化剤をバグフイルターに付着させてバグフイルター表面の付着層を固気反応層とする方法もある。この場合、浄化剤の粒子径によりバグフィルターへの付着性が問題になる。バグフイルターへのガス流入速度は通常、0.02〜0.04m/sであり、バグフィルター表面へ粒子が付着するためには粒子径は２０μｍ以下の微粒子であることが必要である。粒子径20μｍ以下では粒子密度２g/cm³の場合、粒子沈降速度は0.02ｍ/sでありバグフイルターへの付着性は良好になる。しかし、バグフイルターは付着粒子を間欠的に払い落としし圧力損失の増加を抑制するめ未反応浄化剤が発生し、排煙ガス中SOxと水酸化カルシウムの脱硫反応においてはCa／SのCaのSに対する化学当量の2〜4倍Ca系脱硫剤を消費している。(特許文献２)

以上のバグフィルターによる固気反応装置の欠点を解決する手段として、排煙ガスと脱硫剤との固気反応装置としてサイクロンを多段直列とし、かつ移動層による固気反応装置を組み合わせたものもある。(特許文献１)当該装置は固気反応効率は向上するが、ガス通路における圧力損失の増加は避けられない。

特許第３９９９９９５号:乾式排煙浄化システム（多段サイクロンと異動層固気反応装置との組み合わせ公開特許公報、特願２００８−２９４２４:移動層固気反応装置における粉体浄化剤粒子の供給方法。(移動層上部からの粉体浄化剤の供給方法)

移動層を固気反応装置に適用する場合、次の課題が問題となる。
（課題１）粒状の脱硫剤を使用する場合、粒径が大きくなると吸着・反応に要する時間が長時間になるため脱硫塔容積が大型化し移動層はコスト高となり、ガス速度を速くし移動層厚さを大きくすることは移動層コスト低減に有効であるが、一方ガス通路の圧力損失の増加をもたらすことになる。

（課題２）移動層反応装置の浄化剤には移動層粒子として粒状体を使用する場合、浄化剤の造粒工程を必要とし浄化剤製造コスト高となる。また移動層容積（固気反応容積）が大きくなるため排煙脱硫・脱塩においては浄化剤に粉状の高反応消石灰を使用して移動層粒子間に介在させて脱硫反応させる場合、排煙ガスに随伴して新たな粉塵発生源となることより、その集塵対策が必要になる。

（課題３）移動層反応装置において移動層粒子を保持するための構造的強度を有しガス通過を容易にするためにガス流入側には多段傾斜板によるルーバーを適用し、ガス流出側にはルーバーの適用は移動層粒子の飛散を生ずるため、移動層粒子を通過させないための格子状スクリーンを適用しているが、ルーバーに比較してコスト増になる。

上述した従来の移動層固気反応装置の問題点に鑑み、本発明は、乾式排煙浄化に用いる移動層による固気反応の浄化剤利用率の向上及び浄化効率の向上のための2段積み移動層反応装置の構成を提供することを目的とする。なお用語尾末の符号は後述する説明図全体に共通の符号であり参考のために付記する。

請求項１記載の発明は前記（課題１、２）の解決策として、上から下へ移動する移動層粒子が充填される移動層反応装置を２分割して、下段を移動層第１室（１）、上段を移動層第２室（２）とし、排煙ガスは移動層第１室（１）より流入した後、移動層第２室（２）を経て流出するが、ガスの流れは移動層粒子（４）の流れと十字流を形成するとともに、移動層第１室（１）と移動層第２室（２）におけるガスの流れ方向は反対流とし、移動層粒子（４）は移動層第２室（２）の上部から供給される一方、移動層第１室（１）の下部より排出され、その移動過程で移動層粒子（４）のガス浄化能力が消滅するものとするが、
移動層第１室（１）の巾W、高さH1，厚さD1、移動層第２室（２）の巾W、高さH2、厚さD2とした場合にD1／(D1+D2) をK値とし、排煙ガスが随伴する粉塵濃度0.1g/Nｍ ³ 未満の低濃度ではＫ＝０．５として脱硫率を最大とし、粉塵濃度0.1g/Nｍ ³ 以上ではＫ＝０．５〜０．２として粉塵濃度によりＫ値を選定して移動層内の圧力損失の増加を抑制し、移動層の２段積みによる脱硫反応効率向上を図ることを特徴とする乾式排煙浄化装置。

請求項２記載の発明は前記（課題２）の解決策として、移動層粒子は排煙浄化性能を有せず、粒径40μｍ以下の粉状脱硫浄化剤を移動層粒子間に介在させて排煙浄化する場合、前記移動層第１室（１）及び移動層第２室（２）間を接続する第１室・第２室接続部（３）に、粉体浄化剤第１室供給部（１３）を設け、該粉体浄化剤第１室供給部（１３）より前記粉状脱硫浄化剤を供給して、下段の該移動層第１室（１）を脱硫反応部とし、上段の移動層第２室（２）は第１室（１）より流出する脱硫反応済みの粉状脱硫浄化剤、及び煤塵の集塵装置として機能させ、移動層粒子は循環使用することを特徴とする請求項１に記載の乾式排煙浄化装置。

本発明は移動層固気反応装置において、固体側である移動層粒子（４）を浄化剤とするとき本発明においては２組の移動層を上下２段構成としてガスの流れは各移動層内で反対流として、移動層内の排煙浄化剤の固気反応効率の向上を図るものであるが、排煙ガスに煤塵を随伴するため移動層の集塵性よりガス通過による圧力損失を抑制するため上下２段構成の各々の移動層厚さと脱硫率の関係を明らかにし、上下移動層厚さ比の最適値を求めた。

移動層粒子には浄化能力を有せず移動層内を循環使用するものとし、排煙脱硫であれば高反応消石灰(４a)を粉体状で移動層粒子（４）間に介在させて排煙中SOxを除去する方式は経済的であるが、脱硫剤中のカルシウム利用率は前者の粒状脱硫剤よりは劣る。その対策として脱硫剤粒子径が微細であることが望ましい。微細な粉状浄化剤は排煙ガスに随伴して移動層から流出し新たな粉塵発生源となるため移動層第１室(１)を脱硫反応室とし、移動層第２室(２)を粉体の集塵装置として機能させることが可能となり、２段積み移動層の特徴を有効に利用することとなる。

本発明により効率的な乾式排煙脱硫装置を実現でき、乾式排煙脱硫は、湿式排煙脱硫と比較して排煙温度を低下させなく、用水を多量に使用しない、などの長所を有している。
脱硫剤コストにおいて湿式では炭酸カルシウムを使用し乾式では水酸化カルシウムを使用するためコスト高になるが、移動層乾式脱硫では集塵性を有するため電気集塵機は不要となり、また排煙ガス温度の低下対策としてのガス・ガスヒーター、及び排水処理装置が不要となり、トータルコストとしてはローコストになる。

（ａ）１段移動層の概念図（ｂ）２段移動層の概念図石炭灰利用脱硫剤SＯ２吸収特性 2段移動層のCa/Ｓをパラメーターとしてガス流速0.3ｍ/ｓにて第1室厚さと移動層全厚さとの比 Kと脱硫率との関係図 2段移動層のCa/Ｓをパラメーターとしてガス流速0.5ｍ/ｓにて第1室厚さと移動層全厚さとの比 Kと脱硫率との関係図（ａ）2段移動層のガス流入・流出面の図（ｂ）2段移動層の側面図 2段移動層の斜視図

本発明の主たる特徴は例えば排煙脱硫の場合、脱硫剤に含有するCa成分の利用率向上、及び排煙脱硫率の向上を図り、かつ脱硫塔の反応容積の縮小化、いわゆる空間速度増を図るものである。本発明に係る2段積み移動層の性能評価にあたり1段移動層と2段移動層の概念図を図1に示す。図1の構成における脱硫性能を図２の脱硫剤のSO₂吸収特性曲線にもとづき移動層脱硫効率をシミュレーションより求めた。シミュレーションによる解析手法は次のよるものである。

シミュレーションの基礎式を次に示す。移動層内の座標軸を排煙ガスが流れる水平方向にｘ軸、ペレット状の脱硫剤が降下する垂直方向にｚ軸（下向き）、ｘ軸とｚ軸に鉛直方向をｙ軸とする。ただし排ガス濃度や脱硫剤のSOx吸収量などは、流れに無関係なｙ軸方向に一様であるとする。移動層内の微小立方体Δｘ、Δｙ、Δｚに水平に流入する排煙ガスが持ち込むSOx量と、その流入面に対向する面から流出するSOｘ量の単位時間あたりの差は(数１)で表せる。ここでC（kg/m³）は排ガス中のSOx濃度（kg/m³）、ｕは排ガスの空塔速度（m/s）である。ただし拡散によるSOｘの移動量は移流項に比べ非常に小さいので無視した。

また同様に脱硫剤中のSOx流量については(数２)で表せる。ここでQ（kg/kg）は脱硫剤１kg中に吸収されたSOｘの量（kg）、vは脱硫剤の降下速度（m/s）、ρは脱硫剤の移動層における嵩密度（kg/m³）である。定常状態では(数１)と(数２)式の和は０であり(数３)となる。一方、(数１)あるいは(数２)式で与えられるSOｘ量の変化速度（単位時間あたりの変化量）は脱硫剤による吸収反応速度ｒに関連づけられる。今、吸収反応の速度は排ガス濃度C（kg/m³）と未吸収の残存脱硫剤の質量濃度 (kg/kg)に比例することが、つまり両変数のそれぞれに関して1次反応であることが(図１)に示した実測値の解析によって求めら、(数４)で表される。ここでTは絶対温度、QSは1kgの脱硫剤が飽和したときのSO₂吸収量（kg/kg）であり、もし脱硫剤が純水酸化カルシウムであれば、水酸化カルシウム１モルで１モルのSO2を吸収できるので、飽和値は重量比でQS＝64/74＝0.865となる。なお上記の残存脱硫剤の質量濃度は（QS-Q）で表わされている。従って(数５)で表される。なお(図２)から得られるkの値は12.6（m³/(kg・h)となり、シミュレーションで用いた。
シミュレーションは(数３)および(数５)式を差分形式で表わし、下記に与えられる条件について数値計算によった。なお、このシミュレーションはH電力会社T火力発電所の石炭灰利用乾式脱硫装置の操業データと程よい一致を見せたので、信頼に足るものと考える。

以上のシミュレーション結果、１段移動層と２段移動層の反応容積は等しくD1＝D2、移動層への流入ガス速度を、0.3，0.4，0.5，0.6ｍ/ｓとした場合の脱硫剤供給量を排ガス中のSOx濃度500ppmに対してCa/S=1.0，1.2，1.6倍にした場合の1段、2段移動層の脱硫効率を表1に示す。表1よりガス速度0.3ｍ／Sにおいて2段移動層は1段より脱硫率は92％より96％に向上する。ガス速度0.5ｍ／Ｓにおいて2段移動層は1段より脱硫率は83％より86.5に向上する。以上の比較はCa／S＝1.2による。
脱硫率90％以上を求める場合は１段移動層（D1＝1.8ｍ）の空間速度(SVh^-1)＝600、2段移動層（D1＋D2=1.8ｍ）の空間速度(SVh^-1)＝800となる。

粒状脱硫剤はペレット状（粒径６Φ×９ｍｍ）として、移動層に流入する排煙ガスの煤塵濃度により第１室(１)の移動層の巾W、高さH1，厚さD1、第２室(２)の移動層の巾W、高さH2、厚さD2において D1／(D1+D2)＝K の関係でKは排煙ガスが随伴する粉塵濃度0.1g/Nm³未満ではK＝0.5とし、粉塵濃度0.1g／Nm³以上ではK＝0.5〜0.2として、粉塵濃度によりK値を選定して移動層内の圧力損失の増加を抑制し、また脱硫効率の向上を図ることを特徴とする乾式排煙脱硫装置。

図３は２段移動層において移動層厚さ上段D2、下段D1として D1／（D1+D2)＝K
Kを横軸にとり縦軸に脱硫率を求めたものである。流入する排ガス中の煤塵濃度が低濃度であり、ガス通過による移動層での圧力損失が問題にならなければ K=0.5 D1＝D2 とするのが脱硫率は最大値を与える。図3において K=０のケースはD1＝０であり1段移動層を示すことになる。

移動層粒子(４)は排煙脱硫能力を有せず、粉状脱硫剤（4a）例えば水酸化カルシウムを移動層粒子(４)間に介在させて排煙脱硫する場合、粉状脱硫剤（4a）は第2室（２）粉状脱硫剤第２室供給部（１４）より供給するが粉状浄化剤の粒径が微細になるほど反応時間は短縮し得る。一方、排煙ガスに随伴して移動層から流出し新たな粉塵発生源となるため移動層第１室（１）を脱硫反応室とし、移動層第２室(２)を粉体の集塵室として機能させる。粉体粒径４０μｍ以下においては、粉状脱硫剤は第1室（１）の粉状脱硫剤第１室供給部（１３）より供給し、第2室（２）は第１室より流出する脱硫反応済みの粉状脱硫剤（4a）の集塵部として機能させK＝0.5以上が望ましい。

移動層反応装置の大容量化において移動層巾が拡張し角錐形ホッパー（11）で移動層粒子（４）を排出する場合、移動内で均一な水平断面を形成し難く、いわゆるピストンフローが形成し難くなる。そのため移動層粒子排出弁(１０)を移動層巾に相応した長軸とし、その結果移動層内のガスのシール性が困難になるため角錐型ホッパー（11）の下端部に移動層内ガスのシール機能を有する移動層粒子排出シール弁（１２）を設け移動層粒子、粉状脱硫剤、及び排煙中の煤塵を排出する。

図１(ａ)は移動層1段脱硫塔の実施例の概念図である。1段脱硫塔の空間速度と同一の２段脱硫塔の概念図を図１(ｂ)に示す。１段脱硫塔と同一の排煙ガス条件で２段脱硫塔との脱硫性能をシミュレーションにより比較した結果を次に示す。
排煙ガス処理量：50,000 Nm³/h、 75,640 m³/h−140℃
排煙ガス温度：140℃
排煙ガス水分：10 ％
SOx濃度：500 ppm
煤塵濃度：２g／Nm³
脱硫剤：石炭灰利用脱硫剤
1段脱硫塔：移動層巾５ｍ、高さ10ｍ、厚さ1.8m、
2段脱硫塔；移動層巾５ｍ、高さ10ｍ×2、厚さ下段0.9ｍ、上段0.9ｍ
ガス速度；0.42m/sec
空間速度（SVh^-1）； 840 /ｈ

以上の脱硫性能はにおいて、１段移動層、2段移動層による脱硫塔の空間速度はSVh^-1＝840、と同じくし Ca/S＝1.2での1段移動層の脱硫効率は87.5％、2段移動層の脱硫効率は91.4％になる。

本発明により、2段積み脱硫塔は効率的な乾式排煙脱硫装置を実現でき、乾式排煙脱硫は、湿式排煙脱硫と比較して排煙温度を低下させないことよりガス・ガスヒーターが不要であり、用水を多量に使用せず排水処理が不要になるなどの長所を有し、また移動層脱硫装置は集塵機能を有することより電気集塵機が不要になる。
現在国内では排煙脱硫には湿式石灰石膏法、湿式水酸化マグネシウム法が使用されているが、その多くは１９７０〜８０年代に普及し、また中国などは排煙脱硫が普及していない現状である。国内においては既存脱硫装置の更新、中国においては大気環境の改善が緊急の課題となっており、当該発明による乾式脱硫は国内、及び中国、ほか開発途上国に適用が容易であり、大気環境の改善に貢献しうるものとなる。

１：移動層第1室
２：移動層第２室
３：第1室・第2室接続部
４：移動層粒子
４ａ：粉状浄化剤
５：ガス流入口
６：ガス流出口
７：移動層ルーバー
８：移動層粒子飛散防止ネット
９：移動層粒子供給弁
１０：移動層粒子排出弁
１１：移動層粒子排出ホッパー
１２：移動層粒子排出シール弁
１３：粉体浄化剤第1室供給部
１４：粉体浄化剤第2室供給部

Claims

上から下へ移動する移動層粒子が充填される移動層反応装置を２分割して、下段を移動層第１室、上段を移動層第２室とし、排煙ガスは移動層第１室より流入した後、移動層第２室を経て流出するが、ガスの流れは移動層粒子の流れと十字流を形成するとともに、移動層第１室と移動層第２室におけるガスの流れ方向は反対流とし、移動層粒子は移動層第２室の上部から供給される一方、移動層第１室の下部より排出され、その移動過程で移動層粒子のガス浄化能力が消滅するものとするが、
移動層第１室の巾W、高さH1，厚さD1、移動層第２室の巾W、高さH2、厚さD2とした場合にD1／(D1+D2) をK値とし、排煙ガスが随伴する粉塵濃度0.1g/Nｍ ³ 未満の低濃度ではＫ＝０．５として脱硫率を最大とし、粉塵濃度0.1g/Nｍ ³ 以上ではＫ＝０．５〜０．２として粉塵濃度によりＫ値を選定して移動層内の圧力損失の増加を抑制し、移動層の２段積みによる脱硫反応効率向上を図ることを特徴とする乾式排煙浄化装置。
移動層粒子は排煙浄化性能を有せず、粒径40μｍ以下の粉状脱硫浄化剤を移動層粒子間に介在させて排煙浄化する場合、前記移動層第１室及び移動層第２室間を接続する第１室・第２室接続部に、粉体浄化剤第１室供給部を設け、該粉体浄化剤第１室供給部より前記粉状脱硫浄化剤を供給して、下段の該移動層第１室を脱硫反応部とし、上段の移動層第２室は第１室より流出する脱硫反応済みの粉状脱硫浄化剤、及び煤塵の集塵装置として機能させ、移動層粒子は循環使用することを特徴とする請求項１に記載の乾式排煙浄化装置。