JP6313945B2 - 海水脱硫用散気装置及びそれを備えた海水脱硫装置、並びに水質改善方法 - Google Patents

海水脱硫用散気装置及びそれを備えた海水脱硫装置、並びに水質改善方法 Download PDF

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Description

本発明は、海水脱硫用散気装置及びそれを備えた海水脱硫装置、並びに水質改善方法に関するものである。
従来、石炭や原油等を燃料とする発電プラントにおいて、ボイラから排出される燃焼排気ガス(以下、「排ガス」と呼ぶ)は、該排ガス中に含まれている二酸化硫黄(SO2)等の硫黄酸化物(SOx)を除去してから大気に放出される。このような脱硫処理を施す排煙脱硫装置の脱硫方式としては、石灰石膏法、スプレードライヤー法及び海水法等が知られている。
このうち、海水法を採用した排煙脱硫装置(以下、「海水脱硫装置」と呼ぶ)は、吸収剤として海水を使用する脱硫方式である。この方式では、たとえば略円筒のような筒形状又は角形状を縦置きにした脱硫塔(吸収塔)の内部に海水及びボイラ排ガスを供給することにより、海水を吸収液として湿式ベースの気液接触を生じさせて硫黄酸化物を除去している。
上述した脱硫塔内で吸収剤として使用した脱硫後の海水(使用済海水)は、たとえば、上部が開放された長い水路(Seawater Oxidation Treatment System;SOTS)内を流れ排水される際、水路の一部の底面に設置したエアレーション装置(酸化・曝気槽)から微細気泡を流出させるエアレーションによって脱炭酸(曝気)される(特許文献1〜3)。
特開2006−055779号公報 特開2009−028570号公報 特開2009−028572号公報
ところで、ボイラ設備が小さいプラント等においては、排ガス中のSO2量が少ないので、排煙脱硫装置で用いる海水中におけるSO2の吸収が小さく、空気中の酸素を海水に供給して、海水中に溶解させるには、微細な空気を発生させる微細孔(例えば1.0mm)を有する微細空気供給手段による空気供給が適している。
しかしながら、ボイラ設備が大きいプラントや、燃料分での硫黄(S)分が多いようなSO2量が多いプラントでの海水脱硫を適用する場合、海水のpHが放流海水最適値に達成しない場合がある。
ここで、pHを下げる原因としては、海水中のS分がSO4 2-イオンとなると共に、海水脱硫によって生成した二酸化炭素(CO2)の溶解物であるので、この溶存CO2を速やかに除去することが必要となる。
この場合、従来のような微細空気供給手段からの供給することで、脱炭酸する場合には、微細な空気を大量に供給することが必要となり、所内電力が嵩むと共に、大量の微細な空気を供給する酸化槽の長い通路が必要となり、設備が膨大となる、という問題がある。
そこで、海水脱硫において、SO2分が多いプラントでの海水脱硫を適用する場合、CO2を速やかに除去することができる海水脱硫装置の出現が切望されている。
本発明は、前記問題に鑑み、SO2分が多いプラントでの海水脱硫を適用する場合、CO2を速やかに除去することができる海水脱硫用散気装置及びそれを備えた海水脱硫装置、並びに水質改善方法を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、排煙脱硫吸収塔において排ガスと海水とを気液接触させて前記排ガス中の硫黄分を脱硫することによって生じた硫黄分吸収海水を含む酸性混合海水の水質を回復する酸化槽内に配設され、前記酸性混合海水に空気を供給する複数の散気管を備え、前記散気管の孔径が5mm〜50mmであり、前記散気管の孔同士のピッチが40mm〜2000mmであり、前記散気管同士のピッチが500mm〜4500mmであると共に、前記硫黄分吸収海水中の吸収SO 2 量を硫黄分吸収海水中の吸収SO 2 量とし、海水中のアルカリ度に、前記酸化槽に導入される海水量を乗じた値を海水中アルカリ量としたとき、前記硫黄分吸収海水中の吸収SO 2 量/前記海水中アルカリ量が0.2以上である場合に、前記酸性混合海水に前記散気管から前記空気を供給することを特徴とする海水脱硫用散気装置にある。
第2の発明は、第1の発明において、前記散気管の孔から排出される前記空気の噴出流速が10〜100m/sであることを特徴とする海水脱硫用散気装置にある。
第3の発明は、第1又は2の発明の海水脱硫用散気装置を、酸化槽の入口側に有することを特徴とする海水脱硫装置にある。
第4の発明は、第1又は2の発明の海水脱硫用散気装置を、酸化槽の入口側と出口側とに有することを特徴とする海水脱硫装置にある。
第5の発明は、排ガス中の硫黄分を海水と接触させて海水脱硫することによって生じた硫黄分吸収海水を含む酸性混合海水に、第1又は2に記載の発明の海水脱硫用散気装置を使用して空気を供給することを特徴とする水質改善方法にある。
本発明によれば、孔径が大きな孔から多量の大粒の空気を供給して、脱硫排液と海水とが混合した酸性混合海水中の溶存CO2を海水から追い出す曝気操作を行うようにしているので、脱炭酸(曝気作用)がスムーズに進行し、SO2分が多いプラントでの海水脱硫を適用する場合、CO2を速やかに除去することができる。
図1は、実施例1に係る海水脱硫装置の構成を示す概略図である。 図2は、海水脱硫用散気装置の概略図である。 図3は、酸化槽内に配置される空気供給管及び散気管の断面図である。 図4は、散気管の斜視図である。 図5−1は、散気管の断面図である。 図5−2は、散気管の断面図である。 図6は、ノズルを設けた散気管の斜視図である。 図7は、図6の断面図である。 図8は、実施例2に係る脱硫用散気装置の構成を示す概略図である。 図9は、海水脱硫することによって生じた硫黄分吸収海水中の吸収SO2量(ΔS)/海水脱硫に用いる海水中のアルカリ量(TA)と、酸化空気量との関係を示す図である。 図10は、孔からの空気流速(横軸)と酸化速度(左縦軸)、単位空気量あたりの酸化速度(右縦軸)との関係を示す図である。 図11は、散気管同士の間隔と酸化速度との関係を示す図である。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
本発明による実施例1に係る海水脱硫用散気装置を備えた海水脱硫装置について、図面を参照して説明する。図1は、実施例1に係る海水脱硫装置の構成を示す概略図である。図1に示すように、本実施例に係る海水脱硫装置10は、排煙脱硫吸収塔11と、入口側希釈混合槽12と、水質回復処理を行う酸化槽13と、出口側希釈混合槽14とを有する。
本実施例では、排煙脱硫吸収塔11で用いる海水15と、水質回復処理を行う酸化槽13で水質改質に用いる海水15は、別途汲み上げられボイラ21での復水器(図示せず)で冷却に使用した後、海16に放流する前の海水を用いている。
また希釈用の海水15は、海16からポンプP11により海水供給ラインL1を介して汲み上げられ、一部の海水15aはポンプP11により海水供給ラインL2を介して入口側希釈混合槽12に供給される。また、必要に応じて、出口側希釈混合槽14に希釈用の海水15bとして供給する希釈海水供給ラインL3が設けられている。
なお、本実施例では、図示しない復水器からの冷却後の海水を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、海16からポンプP11により直接汲み上げた海水を用いるようにしてもよい。
排煙脱硫吸収塔11は、ボイラ21からの排ガス22と海水15とを気液接触して排ガス22を浄化する塔である。排煙脱硫吸収塔11では、海水15は噴霧ノズル11aより上方に液柱状に噴出させ、排ガス22と供給される海水15とを気液接触させて、排ガス22中の硫黄分の脱硫を行っている。本実施例では、噴霧ノズル11aは、上方に液柱状に噴出させる噴霧ノズルであるが、これに限定されるものではなく、下方にシャワー状に噴霧するようにしてもよい。
即ち、排煙脱硫吸収塔11において排ガス22と海水15とを気液接触させて、下記式(I)に示すような反応を生じさせ、排ガス22中のSO2などの形態で含有されているSOxなどの硫黄分を海水15に吸収させ、排ガス22中の硫黄分を、海水15を用いて除去している。
SO2(G) + H2O → H2SO3(L) → HSO3 - + H ・・・(I)
この海水脱硫により海水15と排ガス22との気液接触により発生したH2SO3が解離して水素イオン(H+)が海水15中に遊離するためpHが下がり、硫黄分吸収海水23には多量の硫黄分が吸収される。このため、硫黄分吸収海水23は硫黄分を高濃度に含んでいる。
このとき、硫黄分吸収海水23のpHとしては、例えば3〜6程度となる。そして、排煙脱硫吸収塔11で硫黄分を吸収した硫黄分吸収海水23は、排煙脱硫吸収塔11の塔底部に貯留される。排煙脱硫吸収塔11の塔底部に貯留された硫黄分吸収海水23は、硫黄分吸収海水排出ラインL4を介して入口側希釈混合槽12に送給される。
この入口側希釈混合槽12に供給された硫黄分吸収海水23は、入口側希釈混合槽12に供給される復水器からの海水15及び希釈用の海水15aと混合されて希釈され、酸性混合海水24となる。
また、排煙脱硫吸収塔11で脱硫された浄化ガス25は煙突26から大気中に放出される。なお、ボイラ21と排煙脱硫吸収塔11との間には集塵手段27が設けられ、排ガス22中の煤塵等を除去している。
なお、排ガス22の脱硫率は、排煙脱硫吸収塔11に供給される排ガス22中の入口SO2濃度と出口SO2濃度との比(出口SO2濃度/入口SO2濃度)や、脱硫用の海水15及び硫黄分吸収海水23の海水性状に基づいて別途調整される。
排煙脱硫吸収塔11における、排ガス22の入口および出口には、排ガス22の入口SO2濃度および出口SO2濃度を測定するためのSO2濃度計が設けられている。
そして、硫黄分吸収海水23と海水15とが混合された酸性混合海水24は、入口側希釈混合槽12の下流側に設けられている酸化槽13に送給される。酸化槽13には、酸性混合海水24の水質回復処理を行う曝気手段である海水脱硫用散気装置30が設けられている。
海水脱硫用散気装置30は、空気31を供給する空気導入手段である酸化用空気ブロア32と、空気31を送給する空気供給管33と、空気供給管33から分岐される散気管34と、空気31を酸化槽13内の酸性混合海水24に供給する噴出用の孔(図1では図示せず)35とを有するものである。
酸化用空気ブロア32により外部の空気31が散気管34を介して孔35から酸化槽13内に送り込まれ、下記式(II)のような酸素の溶解を生じる。酸化槽13において酸性混合海水24中の硫黄分が空気31と接触して下記式(III)〜(V)のような亜硫酸水素イオン(HSO3 -)の酸化反応と、重炭酸イオン(HCO3 -)の脱炭酸反応とを生じ、酸性混合海水24は水質回復されて水質回復海水29となり、排出ラインL7を介して海16に放流される。
2(G) → O2(L)・・・(II)
HSO3 - + 1/2O2 → SO4 2- + H ・・・(III)
HCO3 - + H → CO2(G) + H2O ・・・(IV)
CO3 2- +2H → CO2(G) + H2O ・・・(V)
これにより、酸性混合海水24のpHを上昇させると共に、化学的酸素要求量(COD)を低減することができ、水質回復海水29のpH、溶存酸素(DO)濃度、化学的酸素要求量(COD)を海16へ放流可能なレベルとして放出することができる。
次に、本実施例に係る海水脱硫用散気装置について、図2〜図7を参照して説明する。図2は、海水脱硫用散気装置の概略図である。図3は、酸化槽内に配置される空気供給管及び散気管の断面図である。図4は、散気管の斜視図である。図5−1及び図5−2は、散気管の断面図である。図6は、ノズルを設けた散気管の斜視図である。図7は、図6の断面図である。
図2及び図3に示すように、海水脱硫用散気装置30は、海水脱硫用の酸化槽13内に配設され、排ガス中の硫黄分を海水と接触させて海水脱硫することによって生じた硫黄分吸収海水23を含む酸性混合海水24に空気を供給する散気管34と、散気管34に外部から空気導入手段により空気を送給する空気供給管33と、散気管34の(ノズル)の孔35の孔径(d)が5mm以上、好ましくは5mm〜50mmであり、散気管34の孔35、35同士のピッチ(P1)が40mm以上、好ましくは40mm〜2000mmであり、空気供給管33に配置される散気管34、34同士のピッチ(P2)が500mm以上、好ましくは500mm〜4500mm(試験は750mm)である。
ここで、散気管34の孔35の径(d)を5〜50mm、孔35、35同士のピッチ(P1)を40〜2000mm、散気管34、34同士のピッチ(P2)を500〜4500mmとすることで、大径の空気を孔35から酸化槽13の酸性混合海水24中に放出することができる。
図2では、散気管34の上部側に孔35を形成しているが、図3及び図4では、散気管34の下部側に孔35を形成している。図3のように、散気管34の下部側に孔35を形成することで、上昇流が形成されるので、より好ましい。
また、図5−1及び図5−2に示すように、孔35は1つのみならず、複数(図5−2では3つ)形成するようにしてもよい。
また、図6及び図7に示すように、孔35にノズル36を設置して、ノズル36の先端から空気31を酸化槽13の内部に供給するようにしてもよい。
図9は、海水脱硫することによって生じた硫黄分吸収海水23中の吸収SO2量(ΔS)/海水脱硫に用いる海水15中のアルカリ量(TA)と、酸化空気量との関係を示す図である。
図9に示すように、硫黄分吸収海水23の海水性状と水質改質のために供給する海水15中のアルカリ量との関係(吸収SO2量(ΔS)/海水中アルカリ量(TA))が、0.2以上の場合に、脱炭酸処理のための本願構成の散気装置を適用するのが好ましい。
ここで、アルカリ量は、海水15中のアルカリ度と海水(量)から求める。このアルカリ度は、復水器から導入される海水15を別途採取して求め、この求めたアルカリ度に酸化槽13に導入される海水量を乗じた値をアルカリ量とする。
なお、アルカリ度とは、海水15中に含まれる炭酸(H2CO3)、炭酸イオン(CO3 2-)、炭酸水素イオン(HCO3 -)、OH-、有機酸や弱酸の塩(ケイ酸、リン酸、ホウ酸)などの酸を消費する成分の含有量である。
よって、図9に示すように、ΔS/TA=0.2以上のように硫黄分吸収海水23中のS分濃度が高い場合、本実施例の海水脱硫用散気装置30を用いて、酸化槽13内の酸性混合海水24中に大粒の空気を供給することで、脱炭酸が良好に進行する。
ここで、本発明でΔS/TA=0.2以上と規定するのは、外海への放流地点におけるpHや溶存酸素といった所定の海水性状の要求値を満足するため、海水23中のS分濃度が低い場合、溶存酸素濃度を上げることが決定的になる場合が多く、溶存酸素濃度を上げるためには微細空気供給の方が空気を微細化できる分、必要酸化空気量が少なくて済むこととなる。これに対し、海水23中のS分濃度が高い場合、中和反応により生成したCOを海水中から脱炭酸することが決定的になる場合が多く、脱炭酸させるには大量の空気を一度に送れる大径空気供給の方が高効率となる。これら微細空気供給と大径空気供給の、必要空気量の大小関係が逆転するのがΔS/TA=0.2近傍にあたることとなる。
図10は、孔からの空気流速(横軸)と酸化速度(左縦軸)、単位空気量あたりの酸化速度(右縦軸)との関係を示す図である。ここで、図10における点線及び実線は、大径空気供給の場合を示す。また、図10において、実線は右縦軸の単位空気あたりの酸化速度、点線は左縦軸の酸化速度を示す。
図10に示すように、酸化速度(左縦軸)は、孔からの空気流速が速いほど増大するが、単位空気量あたりの酸化速度(右縦軸)は、空気流速が100m/sを超えると酸化速度が減少する。
よって、図10に示すように、散気管34の孔35からの噴出流速は、10m/s以上、好ましくは10m/s〜100m/sとするのがよい。
図11は、散気管34、34同士の間隔(P2)と酸化速度との関係を示す図である。ここで、図11における実線は、大径空気供給の場合を示す。
散気管34、34同士の間隔(P2)は、あまりにも狭いと上昇する大粒の空気が干渉して、曝気効果が低減するので、少なくとも500mm以上離すのが好ましい。
また、空気の上昇流速を決定し、孔35の径と、孔35、35同士のピッチ(P1)を決めると、散気管34、34同士の間隔(P2)は決定されるが最大で4500mm程度とするのがよい。
一例としては、散気管34の(ノズル)の孔35の孔径(d)を15mm、散気管34の孔35、35同士のピッチ(P1)を187.5mm、空気供給管33に配置される散気管34、34同士のピッチ(P2)を750mm、流速を10m/sで行った場合、酸化槽13の大きさ(通路の長さ)を従来よりも小さくできると共に、径が大きな孔35からの噴出する大粒の空気で、酸化槽13内の酸性混合海水24中の脱炭酸を助長させることとなる。
すなわち、本実施例によれば、孔径が大きな孔35から多量の大粒の空気31を供給して、酸性混合海水24中の溶存CO2を海水から追い出す曝気操作を行うようにしているので、脱炭酸(曝気作用)がスムーズに進行する。
本実施例では、従来のように微細な空気での水質回復ではなく、大容量での大きな気泡を供給して、海水中のCO2を一気に脱炭酸させる水質回復を行うので、装置のコンパクト化を図ることができる。
表1に、空気流速が10m/s、吸収SO2量(ΔS)/海水中アルカリ量(TA)が0.3のときにおける孔径の大きさと酸化槽の大きさのエアレーション評価を行った。
Figure 0006313945
表1に示すように、孔径が5mm以上の場合、酸化槽13の大きさ(水路の長さ)が大であり、10mm以上の場合、酸化槽13の大きさが中程度となり、コンパクト化を図ることができた。なお、孔径が3mm以下の場合は、酸化槽13の大きさ(水路の長さ)が特大となり、コンパクト化を図ることができなかった。
ここで、一例として、大型の水路の長さ、幅について例示する。
吸収SO2量(ΔS)/海水中アルカリ量(TA)が0.3の酸性海水を、幅25mの酸化槽でpH6.0、溶存酸素飽和率70%以上まで処理する際、孔径が5mmのときの酸化槽の長さが80mだったが、孔径を10mmにした場合には、酸化槽長さが20mまで縮めることができた。しかし孔径を3mmとすると必要な酸化槽長さが200mとなり、コンパクト化を図ることができないのが判明した。
この結果、S分が多いプラントでの海水脱硫の場合、消費された溶存酸素(DO)をもとの海水の7割程度に戻しても、海水のpHが放流海水最適値に達成しない場合、従来のような、微細空気の供給により、脱炭酸する場合には、大量の微細な空気を供給することが必要となり、空気ブロアの所内電力が嵩むこととなり、さらには大量の微細な空気を供給する長い酸化槽の通路が必要となっていたが、本実施例のような海水脱硫用散気装置30を用いることで、設備が膨大となることが回避される。
以上のように、実施例のような海水脱硫用散気装置30を酸化槽13に配置し、孔35、35同士を一定間隔(P1)で配置することで、酸化用の空気31を酸化槽13の内部に分散させることができる。また、酸化用の空気噴出流速及び設置間隔を、本実施例のような所定範囲に設定することで、噴出する空気31に起因する酸化槽13内での流動で酸化用の空気31の分散及び拡散を促進し、酸化槽13全体の酸化能力を向上させることができる。
この結果、S分が多いプラントでの海水脱硫の場合においても、酸化槽13のコンパクト化を図ると共に、設備費低減、酸化用の空気流量の低減を図ることができる。
本発明による実施例2に係る海水脱硫用散気装置について、図面を参照して説明する。図8は、実施例2に係る海水脱硫用散気装置の構成を示す概略図である。なお、実施例1の装置構成と同一の構成部材については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図8に示すように、本実施例に係る海水脱硫用散気装置を、海水脱硫用酸化槽13の入口側と出口側との両方に設置するようにしている。
本発明により酸化槽13の長さのコンパクト化を図ることができるものの、既存の水路が長い酸化槽に適用する場合、海水への放流点が離れていることとなる。
例えば放流点での放流海水のpH規制値がpH6.0の場合、水路の長さが長い酸化槽13の入口側のみに海水脱硫用散気装置30Aを有する際、海水通路が長いので、水質回復海水29は酸化され、pHが5.9の水質回復海水29Aに低下する。このpHが低い水質回復海水29Aは、そのままのpHの値(5.9)では放流できない。
そこで、酸化槽13の出口側近傍にも海水脱硫用散気装置30Bを設けて、空気31を導入することで、pHを上昇させて、放流規制値のpH値であるpH6.0以上の水質回復海水29とし、放流することができる。
10 海水脱硫装置
11 排煙脱硫吸収塔
12 入口側希釈混合槽
13 酸化槽
14 出口側希釈混合槽
15 海水
23 硫黄分吸収海水
24 酸性混合海水
30 海水脱硫用散気装置
31 空気
33 空気供給管
34 散気管
35 孔
36 ノズル

Claims (5)

  1. 排煙脱硫吸収塔において排ガスと海水とを気液接触させて前記排ガス中の硫黄分を脱硫することによって生じた硫黄分吸収海水を含む酸性混合海水の水質を回復する酸化槽内に配設され、前記酸性混合海水に空気を供給する複数の散気管を備え、
    前記散気管の孔径が5mm〜50mmであり、
    前記散気管の孔同士のピッチが40mm〜2000mmであり、
    前記散気管同士のピッチが500mm〜4500mmであると共に、
    前記硫黄分吸収海水中の吸収SO 2 量を硫黄分吸収海水中の吸収SO 2 量とし、海水中のアルカリ度に、前記酸化槽に導入される海水量を乗じた値を海水中アルカリ量としたとき、
    前記硫黄分吸収海水中の吸収SO 2 量/前記海水中アルカリ量が0.2以上である場合に、前記酸性混合海水に前記散気管から前記空気を供給することを特徴とする海水脱硫用散気装置。
  2. 請求項1において、
    前記散気管の孔から排出される前記空気の噴出流速が10〜100m/sであることを特徴とする海水脱硫用散気装置。
  3. 請求項1又は2の海水脱硫用散気装置を、前記酸化槽内における前記酸性混合海水が流入する流れ方向の入口側に有することを特徴とする海水脱硫装置。
  4. 請求項1又は2の海水脱硫用散気装置を、前記酸化槽内における前記酸性混合海水が流入する流れ方向の入口側と、前記酸性混合海水が排出する流れ方向の出口側とに有することを特徴とする海水脱硫装置。
  5. 排ガス中の硫黄分を海水と接触させて海水脱硫することによって生じた硫黄分吸収海水を含む酸性混合海水に、請求項1又は2に記載の海水脱硫用散気装置を使用して空気を供給することを特徴とする水質改善方法。
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