JP6804234B2 - 粒子除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子除去装置に関するもので、特にボイラからの排ガスに含まれる物質から生成される硫酸ミスト等の凝縮性粒子を除去する粒子除去装置に関するものである。

油焚のボイラから排出される排ガスには、例えばＳＯ_２ガスやＳＯ_３ガスが含まれる。排ガス処理設備において設置された湿式脱硫装置において、吸収塔では、排ガスに含まれるＳＯ_２ガスやＳＯ_３ガス等の硫黄分に対して、吸収液による吸収によって脱硫反応を生じさせる。そのため、吸収塔では、吸収塔の入口部よりも上流側の冷却部にて、排ガスを水分飽和温度まで冷却する。排ガスの冷却方法は、排ガス中に水噴霧を行うことが一般的である。

湿式脱硫装置において、ＳＯ_２ガスは、ガス吸収処理で捕集されやすい。一方、ＳＯ_３ガスは、排ガスが冷却される過程でミスト化して、凝縮性粒子となる。そのため、湿式脱硫装置では、ミスト化されたＳＯ_３（硫酸ミスト）の捕集効率が悪く、硫酸ミストは、煙突から紫煙として出ていってしまう。

特開平１０−１７４８９９号公報（特許第３５７２１６４号公報） 特開２００５−３４９２７２号公報（特許第４３２６４０３号公報）

排ガス中に含まれるＳＯ_３ガスは、上述した排ガスが冷却される過程において、水露点以上の酸露点以下になると、ガスからミストに変化する。このため、大量の排ガスが短時間に冷却されると、多量のサブミクロンクラスの微細な硫酸ミスト（ミスト化されたＳＯ_３）が生成される。その結果、冷却塔本体、又は、冷却塔の後流側の吸収塔では、多量の吸収液を降らせても、これらのミストは液滴との物理的衝突によってのみ捕集されるため、その効率は高くない。

多量の硫酸ミストの生成による弊害を防ぐため、硫黄分の高い燃料（例えば重質油や石油コークスなど）を用いる火力発電所等では、電気集じん機（ＥＰ）よりも上流側で、排ガス中にアンモニアを注入する場合がある。この場合、アンモニア注入によって、固形物の硫酸アンモニウム（硫安）が生成されて、後段の電気集じん機で、ダストと共に硫安が捕集される。しかし、アンモニアを用いるため、運転費が高く、かつ、反応生成物の処理や、下流の脱硫装置の排水中に吸収される余剰アンモニアの処理なども必要である。また、湿式脱硫装置よりも下流側に湿式電気集じん機を設置し、高濃度の硫酸ミストを脱硫後の湿式電気集じん機で捕集する場合がある。この場合、高濃度の硫酸ミストを処理するため、湿式電気集じん機を大型化せざるを得ず、建設費が高くつくという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排ガス中に含まれる物質から生成される凝縮性粒子を効率的に除去することが可能な粒子除去装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の粒子除去装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る粒子除去装置は、対象物質を含むガスに対して液滴を噴霧し、前記対象物質が取り込まれたミストが生成されるように、前記ガスを前記対象物質の酸露点以上の所定温度まで冷却する第１冷却部と、前記第１冷却部を通過した前記ガスに対して液滴を噴霧し、前記ガスを水露点以上の温度かつ前記酸露点以下の温度まで冷却する第２冷却部と、前記第２冷却部を通過した前記ガスが流通する空間に対して電界を形成する電界形成部とを備える。

この構成によれば、第１冷却部において、対象物質（例えばＳＯ_３）を含むガスに対して液滴が噴霧されて、対象物質が取り込まれたミストが生成されるように、ガスが、対象物質の酸露点（ＳＯ_３の場合、硫酸露点）以上の温度（例えば酸露点＋5℃以内〜＋20℃以内）まで冷却される。これにより、液滴は、対象物質を取り込みながら一部の液体が蒸発し、比較的粒子径の粗いミスト（ＳＯ_３の場合、硫酸ミスト）が生成される。そして、第２冷却部において、第１冷却部を通過したガスに対して液滴が噴霧されて、ガスが、水露点以上の温度かつ酸露点以下の温度まで冷却される。これにより、第１冷却部で噴霧された液滴に取り込まれなかった対象物質から、微細な凝縮性粒子が生成される。微細な凝縮性粒子は、例えば0.1μｍ以上1.0μｍ以下である。微細な凝縮性粒子は、第２冷却部によって噴霧された液滴の極近傍において生成される。そして、電界形成部によってガスが流通する空間に対して電界が形成され、その形成された電界内をガスが流通することで、液滴及び微細な凝縮性粒子が互いに誘電分極されて、凝縮性微細粒子が液滴に引き寄せられる。第１冷却部において、酸露点より高い所定温度に維持されることで、比較的粒子径の粗いミストが生成され、第２冷却部でガスを水露点近傍まで冷却したとき、凝縮性粒子の個数の増大や、硫酸ミストの微小化を抑制できる。比較的粒子径の粗いミストは、粒子径が大きいため、下流側に設置された脱硫装置で捕集されやすい。

上記発明において、前記電界形成部によって形成された前記電界を通過した前記液滴は、湿式脱硫装置の吸収塔へ供給され、前記吸収塔において貯留された水が、前記第１冷却部又は前記第２冷却部に供給され、前記第１冷却部又は前記第２冷却部に供給された水が、前記第１冷却部又は前記第２冷却部によって前記ガスに対して供給される水として再利用されてもよい。

この構成によれば、粒子除去装置の第１冷却部において用いられる水が、粒子除去装置と、湿式脱硫装置の吸収塔との間で循環し、新たに供給される必要のある水の量を低減できる。

上記発明において、前記電界形成部は、互いに対向する二つの電極を備え、前記二つの電極間に電界を形成してもよい。

この構成によれば、一の電極に電圧が印加されると、電界が形成される。第２冷却部から液滴が噴霧されると、形成された電界によって液滴が正負に誘電分極する。液滴の極近傍で生成される微細な凝縮性粒子は、それ自身が誘電分極され、凝縮性粒子は、液滴に近い方の電荷が液滴の極性と逆極性となるため、液滴に引き寄せられ付着される。

上記発明において、前記電界形成部は、アース電極と、前記アース電極に対向して設けられるトゲ部を有する放電電極とを備え、前記放電電極には交流電圧が印加されて、前記第２冷却部から噴霧される液滴を、時間差で正の電荷と負の電荷に交互に帯電させてもよい。

この構成によれば、噴霧された液滴の群を、それぞれ時間差をもって正と負の電荷に交互に帯電させることで、正の電荷を持った液滴群と負の電荷を持った液滴群の間に電界が形成される。

上記発明において、前記電界形成部は、前記第２冷却部が有するノズルから噴霧される液滴を正の電荷と負の電荷に帯電させることができる構成を有してもよい。

この構成によれば、噴霧された液滴を正と負の電荷に帯電させることができる構成を有することで、外部電極を設けなくても、正の電荷を持った液滴群と負の電荷を持った液滴群の間に電界が形成される。

上記発明において、前記電界形成部は、前記ガスの流れ方向に沿って複数段で設置されてもよい。
この構成によれば、電界形成部が１段のみ設置される場合に比べて、捕集効率を更に上昇させることができる。

本発明によれば、排ガス中に含まれる物質から生成される凝縮性粒子を効率的に除去することができる。

本発明の一実施形態に係る粒子除去装置及び湿式脱硫装置の吸収塔を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る粒子除去装置の電界形成部の第１実施例を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る粒子除去装置の電界形成部の第２実施例を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る粒子除去装置の電界形成部の第３実施例を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る粒子除去装置の電界形成部の第４実施例を示す概略構成図である。 電界内の液滴と凝縮性粒子を示す模式図である。

本発明の一実施形態に係る粒子除去装置１は、図１に示すように、湿式脱硫装置の吸収塔４０のガス流れ上流側に設置され、排ガスを冷却しつつ、例えば排ガスを水露点まで低下させる過程において、噴霧された液滴に微細なミストである凝縮性粒子（硫酸ミストなど）を付着させる。硫酸ミストが付着した液滴は、後流側に設けられた湿式脱硫装置の吸収塔４０、ミストエリミネータ又は電気集じん機などの捕集部によって捕集されて、排ガスから硫酸ミストが除去される。図１に示す例では、吸収塔４０の上部に、捕集部としてのミストエリミネータ４１が設置される。

排ガスは、燃料（例えば重質油や石油コークスなど）を燃焼させた際に発生するガスである。除去対象となるガスは、例えば硫黄分（ＳＯ_３など）を含む。以下では、凝縮性粒子は、ＳＯ_３がミスト化した硫酸ミストであり、硫酸ミストを捕集する場合について説明するが、本発明はこの例に限定されない。凝縮性粒子は、硫酸ミスト以外にミスト状のＨＦ，ＨＣｌ，ＨＢｒなどが挙げられる。

粒子除去装置１は、図１に示すように、第１冷却部３と、第２冷却部４と、電界形成部５などを備える。第１冷却部３と、第２冷却部４及び電界形成部５は、粒子除去装置１のケーシング１０内に収容される。ケーシング１０は、吸収塔４０とは別に設けられ、吸収塔４０の入口側ダクトに設置される。

第１冷却部３は、例えば、ノズルであり、流量分布が幅方向において均等となるように構成されている。第１冷却部３は、凝縮性粒子（硫酸ミスト）となるＳＯ_３ガスを含む排ガスが導入され、排ガスに対して、液滴を噴霧し、排ガスを硫酸露点近傍であって硫酸露点以上の所定温度（例えば、硫酸露点＋5℃以内〜＋20℃以内）まで冷却する。これにより、液滴は、ＳＯ_３ガスを取り込みながら一部の水分のみが蒸発し、比較的粒子径の粗い硫酸ミストが生成される。比較的粒子径の粗い硫酸ミストは、粒子径が大きいため、下流側に設置された脱硫装置で捕集されやすい。また、第１冷却部３において、硫酸露点以上の所定温度に維持されることで、比較的粒子径の粗い硫酸ミストが生成され、後段の第２冷却部４による冷却過程において生じる硫酸ミストの個数の増大を抑制したり、硫酸ミストの微小化を抑制したりすることができる。第１冷却部３を通過した排ガスは、第２冷却部４へ供給される。

第２冷却部４は、例えば、ノズルであり、流量分布が幅方向において均等となるように構成されている。第２冷却部４は、第１冷却部３を通過した排ガスに対して液滴を噴霧し、排ガスを水露点近傍であって水露点以上の温度まで冷却する。この際、図６に示すように、液滴５１の極近傍には、酸露点以下の領域Ａが形成されるため、第１冷却部３で液滴に取り込まれなかったＳＯ_３ガスが、第１冷却部３で生成された硫酸ミストとは別に、微細な凝縮性粒子（硫酸ミスト）５２として生成される。すなわち、硫酸ミストは、液滴の極近傍に生成される。

電界形成部５は、第２冷却部４を通過した排ガスが流通する空間に対して電界を形成する。電界形成部５によって排ガスが流通する空間に対して電界が形成され、その形成された電界内を排ガスが流通することで、図６に示すように、第２冷却部４が噴霧した液滴５１とその周囲に生成された硫酸ミスト５２が誘電分極し、硫酸ミスト５２が液滴５１に引き寄せられる。

次に、本実施形態に係る粒子除去装置１の動作について説明する。
まず、粒子除去装置１へ供給された排ガスが、第１冷却部３へ導入される。第１冷却部３において、ＳＯ_３が含まれた排ガスが供給されて、硫酸露点近傍の硫酸露点以上の所定温度（例えば、硫酸露点＋5℃以内〜＋20℃以内）まで冷却され、比較的粒子径の粗い硫酸ミストが生成される。次に、第２冷却部４において、第１冷却部３を通過したガスに対して液滴が噴霧される。このとき、排ガスは、水露点近傍の水露点以上の温度まで冷却される。これにより、硫酸ミストが液滴の極近傍に生成される。

そして、電界形成部５によってガスが流通する空間に対して電界が形成され、その形成された電界内をガスが流通することで、液滴が誘電分極し、かつ、生成された硫酸ミストも誘電分極する。図６に示すように、液滴５１の極近傍で生成される微細な硫酸ミスト５２は、液滴５１に近い方の電荷が液滴５１の極性と逆極性となるため、硫酸ミスト５２が液滴５１に引き寄せられる。

電界形成部５によって形成された電界を通過した液滴には、硫酸ミストが付着しており、後段の例えば、湿式脱硫装置の吸収塔４０、ミストエリミネータ４１、湿式電気集じん機などの捕集部によって、微細な硫酸ミストそのものを捕集しようとする場合に比べて、硫酸ミストが付着した液滴が容易に捕集される。その結果、排ガス中に含まれるＳＯ_３から生成される硫酸ミストを効率的に除去できる。

粒子除去装置１が湿式脱硫装置と組み合わされて用いられる場合において、図１に示すように、電界形成部５によって形成された電界を通過した液滴は、湿式脱硫装置の吸収塔４０へ供給される。そして、吸収塔４０において貯留された水が、循環路４２を介して、第１冷却部３に供給され、第１冷却部３が排ガスに対して供給する液滴として再利用される。循環路４２には、循環水ポンプ４３が設けられる。

これにより、粒子除去装置の第１冷却部において用いられる水が、粒子除去装置１と、湿式脱硫装置の吸収塔４０との間で循環し、新たに供給される必要のある水の量を低減できる。

以上、本実施形態によれば、第１冷却部３によって硫酸露点近傍の硫酸露点以上の所定温度（例えば、硫酸露点＋5℃以内〜＋20℃以内）まで冷却されるように一旦噴霧を抑制することで、比較的粒子径の粗い硫酸ミストが生成され、その後の第２冷却部４による冷却過程における硫酸ミストの個数の増大を抑制したり、硫酸ミストの微小化を抑制したりすることができる。
発明者らは、第１冷却部３によって硫酸露点近傍の硫酸露点以上の所定温度（例えば、硫酸露点＋5℃以内〜＋20℃以内）まで冷却することによって、後段に設置した電気集じん装置との組合せにおいて、捕集効率が上がっていることを確認した。一方、硫酸露点以上の所定温度よりも高い温度までしか冷却しない場合や、硫酸露点よりも低い温度に冷却した場合は、捕集効率が低下することが確認されている。これは、硫酸露点以上の所定温度よりも高い温度までしか冷却しない場合は、液滴にＳＯ_３ガスが十分取り込まれず、後段の冷却過程で多数のＳＯ_３ガスが一気に微細な硫酸ミストになったためと推測される。また、硫酸露点よりも低い温度に冷却した場合、比較的粒子径の粗い硫酸ミストが生成されず、硫酸ミストの個数が増大したり、硫酸ミストが微小化したため、後流側の電気集じん機で捕集されなかったためと推測される。
以上より、本実施形態によれば、排ガス中に含まれる硫黄分によって生成される硫酸ミストを効率的に除去することができる。

なお、上述した実施形態では、第１冷却部３と第２冷却部４の２段噴霧を行う場合について説明したが、本発明は、３段以上の多段噴霧を行う場合も含む。

＜電界形成部＞
次に、図２から図５を参照して、本実施形態に係る粒子除去装置１において適用される電界形成部５について説明する。

＜電界形成部（第１実施例）＞
電界形成部５は、例えば、図２に示す例のように、対向する電極を備え、対向する電極間に電界を形成する。

電界形成部５は、図２に示すように、平行に配列する二枚の排ガスの流れを阻害しない開口率の大きなメッシュ状の電極１１と、これらの電極１１間に配設した同じく排ガスの流れを阻害しない開口率の大きなメッシュ状の電極１２とを排ガスの流れ方向と直交するように備えている。電極１２には、高電圧発生装置によって電圧が印加される。

電極１２に電圧が印加されると、ガス流れ方向に電界が形成される。ここで、第２冷却部４から液滴が上方から下方へ、すなわちガス流れ方向と同一方向に噴霧されると、形成された電界によって液滴が正負に誘電分極する。

排ガスに含まれる液滴の近傍に生成された硫酸ミストは、液滴と同様に誘電分極する。液滴の極近傍で生成される微細な硫酸ミストは、液滴に近い方の電荷が液滴の極性と逆極性となる。硫酸ミストにおいて負極側の電荷を有する部分は、液滴の正極側に引き付けられ、硫酸ミストが液滴に引き寄せられ付着される。硫酸ミストにおいて正極側の電荷を有する部分は、液滴の負極側に引き付けられ、硫酸ミストは液滴に引き寄せられ付着される。そして、硫酸ミストを捕捉した液滴は、湿式脱硫装置の吸収塔４０、ミストエリミネータ４１や電気集じん機などの捕集部で容易に捕集される。

＜電界形成部（第２実施例）＞
また、電界形成部５は、図３に示すように、コロナ放電を発生させる電界を形成してもよい。
この場合、電界形成部５は、排ガスの流れを阻害しない開口率の大きなメッシュ状のアース電極２１と、アース電極２１に対向して設けられるトゲ部２３を有する放電電極２２とを排ガスの流れ方向と直交するように備えている。放電電極２２には、交流の高電圧発生装置によって電圧が印加される。

放電電極２２による放電のため、交流電圧が用いられることによって、時間的な位相差をもって、正負が交互に帯電した液滴群が形成される。すなわち、液滴に正の電荷が印加され、その後、液滴に負の電荷が印加され、さらにその後、正の電荷が印加されるというように繰り返されることによって、正の電荷を有する液滴群と負の電荷を有する液滴群が交互に形成される。そして、正の電荷を有する液滴群と負の電荷を有する液滴群の間で、電界が形成される。電界中の微細液滴は、形成された電界によって正負に誘電分極する。

排ガスに含まれる液滴の極近傍に生成された硫酸ミストは、液滴と同様に誘電分極され、第１実施例と同様に、硫酸ミストが液滴に引き寄せられ付着される。そして、硫酸ミストを捕捉した液滴は、ミストエリミネータ４１や電気集じん機などの捕集部で容易に捕集される。

＜電界形成部（第３実施例）＞
さらに、電界形成部５は、図４及び図５に示すように、第２冷却部４と組み合わされた帯電ノズル方式によって、噴霧される液滴によって電界を形成してもよい。

第２冷却部４は、図４に示すように、帯電ノズル３１ａ、３１ｂを有する。
帯電ノズル３１ａは、噴霧する液滴が正、帯電ノズル３１ｂは、噴霧する液滴が負となるように、噴霧する液滴を帯電させることができる構成を有する。例えば、電界形成部５は、帯電ノズル３１ａに対して負の直流電圧を印加する電圧印加部３２ａと、帯電ノズル３１ｂに対して静の直流電圧を印加する電圧印加部３２ｂを有する。

これによって、噴霧された液滴の群が、それぞれ正と負の電荷で帯電されており、外部電極を設けなくても、これらの群の間にはガス流れに沿って直交する方向に電界が形成される。

生成された硫酸ミストは、正に帯電した液滴の群と、負に帯電した液滴の群によって形成される電界の中に導かれる。そして、硫酸ミストは、分極された液滴の近傍で静電気的な力で効果的に液滴に捕捉される。その後、硫酸ミストを捕捉した液滴が、ミストエリミネータ４１や電気集じん機などの捕集部で容易に捕集される。

＜電界形成部（第４実施例）＞
また、第２冷却部４は、図５に示すように、帯電ノズル３３ａ、３３ｂを有する。
電界形成部５は、帯電ノズル３３ａ，３３ｂに交流電圧を供給する電圧印加部３４を有し、電圧印加部３４は、帯電ノズル３３ａ、３３ｂに交番電界を印加している。

この構成を有する場合、液滴の保有する電荷が、時間とともにその極性が変動する。このため、上下のガス流れの方向に正と負の電荷を有する液滴の群が、交互に形成され、ガス流れの方向に電界が形成される。

生成された硫酸ミストは、正に帯電した液滴の群と、負に帯電した液滴の群によって形成される電界の中に導かれる。そして、硫酸ミストは、分極された液滴の近傍で静電気的な力で効果的に液滴に捕捉される。その後、硫酸ミストを捕捉した液滴が、ミストエリミネータ４１や電気集じん機などの捕集部で容易に捕集される。

なお、上述した電界形成部５の構成は、１段について説明したが、本発明はこの例に限定されず、２段以上の複数段で配置されてもよい。これにより、硫酸ミストの捕集効率を更に高めることができる。

１ ：粒子除去装置
３ ：第１冷却部
４ ：第２冷却部
５ ：電界形成部
１０ ：ケーシング
１１ ：電極
１２ ：電極
２１ ：アース電極
２２ ：放電電極
２３ ：トゲ部
３１ａ ：帯電ノズル
３１ｂ ：帯電ノズル
３２ａ ：電圧印加部
３２ｂ ：電圧印加部
３３ａ ：帯電ノズル
３３ｂ ：帯電ノズル
４０ ：吸収塔
４１ ：ミストエリミネータ
４２ ：循環路
４３ ：循環水ポンプ

Claims (6)

1. 対象物質を含むガスに対して液滴を噴霧し、前記対象物質が取り込まれたミストが生成されるように、前記ガスを前記対象物質の酸露点以上の所定温度まで冷却する第１冷却部と、
   前記第１冷却部を通過した前記ガスに対して液滴を噴霧し、前記ガスを水露点以上の温度かつ前記酸露点以下の温度まで冷却する第２冷却部と、
   前記第２冷却部を通過した前記ガスが流通する空間に対して電界を形成する電界形成部と、
   を備える粒子除去装置。
2. 前記電界形成部によって形成された前記電界を通過した前記液滴は、湿式脱硫装置の吸収塔へ供給され、
   前記吸収塔において貯留された水が、前記第１冷却部又は前記第２冷却部に供給され、前記第１冷却部又は前記第２冷却部に供給された水が、前記第１冷却部又は前記第２冷却部によって前記ガスに対して供給される水として再利用される請求項１に記載の粒子除去装置。
3. 前記電界形成部は、互いに対向する二つの電極を備え、前記二つの電極間に電界を形成する請求項１又は２に記載の粒子除去装置。
4. 前記電界形成部は、アース電極と、前記アース電極に対向して設けられるトゲ部を有する放電電極とを備え、前記放電電極には交流電圧が印加されて、前記第２冷却部から噴霧される液滴を、時間差で正の電荷と負の電荷に交互に帯電させる請求項１又は２に記載の粒子除去装置。
5. 前記電界形成部は、前記第２冷却部が有するノズルから噴霧される液滴を正の電荷と負の電荷に帯電させることができる構成を有する請求項１又は２に記載の粒子除去装置。
6. 前記電界形成部は、前記ガスの流れ方向に沿って複数段で設置される請求項３から５のいずれか１項に記載の粒子除去装置。

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