JPH04310216A

JPH04310216A - 脱硫装置

Info

Publication number: JPH04310216A
Application number: JP3075006A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kaneda; 金田　博志; Hiroshi Ishizaka; 浩石坂; Yasuyuki Nishimura; 泰行西村; Hiroyuki Kako; 宏行加来
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1991-04-08
Publication date: 1992-11-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルカリまたはアルカリ
土類金属の酸化物、水酸化物または炭酸塩のうち一種類
以上の化合物からなる混合物を脱硫剤として用いる脱硫
装置に係り、特に乾式方法によりコンパクトな脱硫反応
塔を用いて効率良く脱硫するための水噴霧方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】火力発電所における重油焚、石炭焚ボイ
ラから排出される排ガス中には、硫黄化合物（ＳＯｘ）
やＨＣｌなどの酸性有害物質が通常、１００〜３０００
ｐｐｍの割合で含まれており、酸性雨や光化学スモッグ
の原因物質とされるため、その効果的な処理手段が望ま
れている。従来から湿式法（例えば石灰石−石膏法）ま
たは乾式法（活性炭法）が採用されているが、湿式法は
有害物質の除去率が高い反面、廃水処理が困難で、排ガ
スを再加熱する必要があり、設備費や運転費が高く、乾
式法では高い除去率が得られないという問題があった。このため、無排水の低コストプロセスで高い除去率が得
られる脱硫方法の開発が望まれている。

【０００３】これに対して、低温の排ガス中にカルシウ
ム系脱硫剤、例えば消石灰や生石灰を供給して、乾式法
で主に硫黄化合物を除去する方法が見直されている。こ
の方法の代表的なフローシートを図５に示す。

【０００４】ボイラ１からの排ガス２はエアヒータ３で
温度を下げられ、脱硫反応塔４に導かれる。消石灰等の
脱硫剤５はボイラ１、煙道６または脱硫反応塔４内に噴
霧して供給され、一方、水はヘッダ２１によって脱硫反
応塔４内に供給され、スプレノズル１２によって塔内に
噴霧されて、排ガスの温度を下げ、湿度を上げる。反応
した脱硫剤は排ガス中の灰とともに集塵装置８で捕集さ
れ、廃棄される。

【０００５】このような方法において、脱硫反応器４の
入口付近では脱硫剤の表面がフレッシュであるため、酸
性有害物質の除去率は、排ガス中の水分濃度（相対湿度
）に大きく支配されることが知られている。従って、反
応初期で脱硫剤の活性が高い条件において除去率を上げ
るためには、水を急速に蒸発させることにより排ガスの
温度を下げ、水分濃度を上げることが重要であり、水ス
プレノズル１２が設置されている。（例えば、ＥＰＡ　
Ｆｉｒｓｔ　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ＦＧＤ　ａｎｄ　ＳＯ
２　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９８８．
１０，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ、特開昭６１−２８７４２１号
）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、脱硫
反応塔４内での水の供給方法について十分検討されてい
ない。従って、酸性有害物質の除去率を８０％以上にす
るために、脱硫反応塔４内でのガス側の滞留時間を１０
秒以上に設定するよう脱硫反応器４の高さを数十ｍにし
ており、脱硫反応塔４の寸法が大きくなりすぎる傾向が
ある。この結果、設備費が高くなるという問題があった
。

【０００７】本発明の目的は、脱硫反応塔内での水の供
給方法を工夫することにより、脱硫剤とガス中の硫黄化
合物（ＳＯ２）との反応性を高める、コンパクトな脱硫
装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、次
の構成により達成される。すなわち、アルカリ金属また
はアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物または炭酸塩の
うち一種以上の化合物からなる脱硫剤を燃焼炉または燃
焼排ガス中に投入する脱硫剤投入装置と、脱硫処理され
た排ガスが導入される脱硫反応塔と、該脱硫反応塔内に
水を噴霧して、高湿分条件下で排ガスの脱硫反応を促進
させる水噴霧装置とを備えた脱硫装置において、水噴霧
装置には水含有流体を導入する棒状のヘッダを複数本設
置し、各ヘッダごとに水含有流体を噴霧するためのノズ
ルを複数個設置し、該ヘッダ上のノズル間隔を、脱硫反
応塔中央部に行くほど粗くした脱硫装置である。

【０００９】前記棒状のヘッダはその基部を脱硫反応塔
周方向に等間隔に配置し、その端部を脱硫反応塔中心部
に配置することができる。また、隣り合うヘッダに設置
するノズルの半径方向の位置をずらせてもよい。さらに
、ヘッダをガス流動方向に対して二段以上配置し、段毎
にヘッダの周方向設置位置をずらせることもできる。

【００１０】

【作用】脱硫剤として消石灰（以下Ｃａ（ＯＨ）２と記
す）を例に取り、ＳＯ２ガスとの脱硫反応について以下
述べる。

【００１１】　　　　Ｈ２０＋ＳＯ２→Ｈ２ＳＯ３　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
　　　　Ｃａ（ＯＨ）２＋Ｈ２ＳＯ３→ＣａＳＯ３＋Ｈ
２０　　　　　　　　　　　（２）（１）式はＳＯ２が
水に吸収され亜硫酸（Ｈ２ＳＯ３）となる反応、（２）
式は亜硫酸が消石灰と反応して亜硫酸カルシウム（Ｃａ
ＳＯ３）が生成する反応であり、水分（Ｈ２０）が非常
に重要であることが分かる。

【００１２】この水分を急速に増加させるため、スプレ
ノズルを用いるが、その噴霧特性や噴霧液滴の蒸発挙動
を種々研究した結果、本発明に到ったものである。以下
に、液滴の蒸発挙動を数学モデルを用いて、電子計算機
により解析した結果の一例を示す。なお、参考のために
、液滴蒸発過程の解析方法を図３に示す。

【００１３】ガス流れの計算には次の計算式（１）、（
２）により行う。

【数１】ここで、（１）式は連続の式、微小要素における質量バ
ランスを表し、（２）式はパラメータ、φ（ｕ、ｖ、ｗ
、ｋ、ε）の保存式であり、 φ＝ｕ、ｖ、ｗの場合、（２）式は運動方程式またはナビエストークの
式である。（２）式の左辺は対流項、右辺第一項は拡散
項、第二項はソース項を表す。

【００１４】また、温度、軌跡、蒸発量の計算には次の
計算式（３）〜（７）を用いる。

【数２】ここで（３）式は液滴の運動方程式、液滴に働く力の釣
合式であり、（４）式は液滴の質量バランスを表す式で
ある。（４）式の左辺は蒸発あるいは凝縮による質量変
化速度、右辺は液滴からの水分の蒸発量あるいは凝縮量
を表す。（５）式は液滴のエネルギー保存則を表し、左
辺は液滴の温度変化を表す項であり、（５）式の右辺の
第一項のｑは対流伝熱による熱移動量で（６）式により
評価される。また、（５）式の右辺第二項は蒸発あるい
は凝縮による物質移動に伴う熱移動量である。（６）式
は前記したように液滴とガス間の対流伝熱による、熱移
動量を評価する式である。（７）式は数値積分により（
３）、（４）、（５）式を積分する際の時間刻みを決め
る式である。

【００１５】なお、上記各計算式で用いられる記号は次
のとおり定義される。Ａｄ：断面積　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　Ｃｄ：抵抗係数Ｄ：蒸気−空気の拡散係数　
　　　　　　　　　　Ｌ：蒸発潜熱Ｎｕ：ヌッセルト数
　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｓφ：生成／消滅
項ＳＭ：蒸発／凝縮による物質移動量　　　　Ｓｎ：シャ
ーウッド数Ｔ：温度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　Ｖ：速度（ベクトル量）ｄ：液滴の直径　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　ｋ：ガスの熱伝導率ｍ：質量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　ｑ：対流伝熱による熱移動量ｔ：時間　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　ｘ：水蒸気の質量分率ギリシャ文字 Γ：φの拡散係数 △ｔ：時間刻み θ：特性時間（７式により定義される）ρ：密度 φ：ガス相の方程式における従属変数サフィックスｇ：ガスｄ：液滴ｖ：水蒸気 ∞：十分離れた位置

【００１６】図４は流路断面が円形の脱硫反応塔内に、
スプレノズルを半径方向に、均一な間隔で配置した場合
（図４（ａ））と脱硫反応塔の内部に行くほど粗く配置
した場合（図４（ｂ））の、液滴の挙動を解析した結果
を比較したものである。両図とも、中心線の右側に液滴
の軌跡を実線で、左側にガスの速度をベクトルで示す。いずれのノズルからも直径５０μｍ、温度２０℃の液滴
が初速度１００ｍ／ｓで、温度１５０℃、速度７．０ｍ
／ｓのガス中に噴霧されるとして、解析を行っている。ガスは下から上に流れており、液滴もガス流れと同方向
に噴霧している。

【００１７】噴霧された液滴は、最初、ガス温度より低
温であるため、ガス中の水分が液滴表面に凝縮し、液滴
径は増加するが、ガスから受熱し昇温するにつれて、蒸
発が盛んになり、液滴径は徐々に小さくなる。これらの
解析では、脱硫反応塔内に噴霧した全液滴のうち９９％
が蒸発した時の液滴径に達すると、液滴は完全に蒸発し
たものとみなし解析を打ち切っている。上記図４に示す
場合の数値からなる条件の場合１０．７μｍ、に達する
と液滴は完全に蒸発したものとみなして解析を打ち切っ
た。従って、この液滴軌跡の長さが短いほど、蒸発が早
く完了することを示している。

【００１８】図４（ａ）と（ｂ）の液滴軌跡に比べると
、スプレノズルを半径方向に均一な間隔で配置した場合
（図４（ａ））、脱硫反応塔内中央部に噴霧した液滴が
なかなか蒸発しきらないが、本発明になるノズル配置、
すなわち、脱硫反応塔の内部に行くほど粗く配置した場
合（図４（ｂ））には、どの位置のノズルから噴霧され
た液滴もほぼ同じ流れ方向位置で蒸発が完了しており、
脱硫反応塔の内部に行くほどノズル間隔を粗くすること
が大変効果的であることが分かる。本解析では、初期の
液滴径を５０μｍとしたが、これが１００、１５０μｍ
になるとこの差は、さらに顕著になり、均一間隔配置の
場合、塔中央部の液滴が蒸発しきらないため、塔長を極
端に長くする必要があると考えられる。

【００１９】

【実施例】脱硫剤として消石灰を用い、石炭焚ボイラの
排ガスを脱硫処理する場合について、本発明の実施例を
以下に説明する。

【００２０】図１において、ボイラ１からの排ガス２は
エアヒータ３で温度を下げられ、脱硫反応塔４に導かれ
る。このときの脱硫反応塔４の入口の排ガス温度は１５
０℃である。脱硫剤５はノズル１１より煙道６内に噴霧
され、脱硫反応塔４内に導かれる。脱硫反応塔４内では
本実施例においては二段に配置した水ヘッダ２１ａおよ
び２１ｂを通じて、ヘッダに取り付けられたスプレノズ
ル１２から排ガス中に水が噴霧され、排ガスの温度を７
０℃まで下げる。脱硫反応塔４内で脱硫剤５はＳＯ２な
どの酸性有毒ガスと反応し、反応した脱硫剤５は排ガス
中の固形分とともに集塵装置８で捕集され、廃棄される
。

【００２１】図２に、本実施例の棒状ヘッダ２１および
各ヘッダ２１上のスプレノズル１２（・で示す。）の配
置を詳細に示す。本図は、図１の下段ヘッダ２１ｂを塔
４の下部より見たものである。ヘッダ２１には二種類の
ノズル１２の取り付け方法を採用している。すなわち、
ヘッダ２１ｂとヘッダ２１ｂ’とではノズル間隔が異な
っている。これらのヘッダ２１ｂと２１ｂ’を交互に１
１．２５度の周方向ピッチで配置し、１断面あたり３２
本のヘッダ２１で構成している。それぞれのヘッダ２１
とも、塔４の中央部に行くほどノズル１２の取り付けピ
ッチを大きくしており、１本あたりそれぞれ５個のノズ
ル１２を取り付けている。従って、１断面あたり１６０
本のノズル１２を配置している。本実施例では、このよ
うなヘッダ群を二段配置するようにしているが、上段ヘ
ッダ２１ａは下段のヘッダ２１ｂに対して、ヘッダ２１
の周方向ピッチの半分、すなわち、５．６度ずらせて配
置している。

【００２２】前記計算機を用いた解析例で示したように
、各ヘッダ２１は脱硫反応塔４の中央部ほどピッチの粗
いノズル１２を配置とすることにより、塔４の中央部で
極端に蒸発が遅れるという現象を回避することができる
。また、二種類のノズル１２取り付け方法（２１ｂ、２
１ｂ’）を採用し、それらを交互に配置すること、さら
に、上段と下段で、周方向ピッチをずらすことにより、
脱硫反応塔４内に液滴を一様に分散させることが可能と
なり、脱硫反応塔４内の流路断面に対して、一様に水を
蒸発させることができる。

【００２３】本実施例の場合、使用するノズル１２の容
量と特性がすべて同じノズル１２を使用できるという利
点がある。また、一部のノズル１２に詰まりなどによっ
て問題が生じた場合でも各ヘッダ２１が互いに独立して
いるため、故障したヘッダ２１を単独で脱硫反応塔４内
から抜き出すことが可能であり、ノズル１２のメインテ
ナンスが容易に行える。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、脱硫反応塔内の流路断
面に一様に水を分散させることができ、さらに脱硫反応
塔中央部で極端に水の蒸発が遅れるという現象を回避す
ることができるので、従来法に比べ同一の反応容積にお
いては、ＳＯ２ガスの脱硫率および脱硫剤粒子の利用率
はいずれも高い値が得られる。この結果、脱硫装置をコ
ンパクトにすることが可能となり、脱硫剤の利用率も同
時に向上できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における脱硫装置のフローシー
トである。

【図２】図１におけるヘッダを脱硫反応塔の下部より見
た図である。

【図３】本発明の実施例の液滴の蒸発過程を解析する方
法を示す図である。

【図４】本発明の実施例の脱硫反応塔内での液滴の軌跡
を解析した結果の一例を示す図である。

【図５】従来の脱硫装置のフローシートである。

【符号の説明】

１　　　　ボイラ２　　　　排ガス４　　　　脱硫反応塔５　　　　脱硫剤６　　　　煙道８　　　　集塵装置１１　　脱硫剤噴霧ノズル１２　　スプレノズル２１　　ヘッダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　アルカリ金属またはアルカリ土類金属
の酸化物、水酸化物または炭酸塩のうち一種以上の化合
物からなる脱硫剤を燃焼炉または燃焼排ガス中に投入す
る脱硫剤投入装置と、脱硫処理された排ガスが導入され
る脱硫反応塔と、該脱硫反応塔内に水を噴霧して、高湿
分条件下で排ガスの脱硫反応を促進させる水噴霧装置と
を備えた脱硫装置において、水噴霧装置には水含有流体
を導入する棒状のヘッダを複数本設置し、各ヘッダごと
に水含有流体を噴霧するためのノズルを複数個設置し、
該ヘッダ上のノズル間隔を、脱硫反応塔中央部に行くほ
ど粗くしたことを特徴とする脱硫装置。
【請求項２】　　棒状のヘッダはその基部を脱硫反応塔
周方向に等間隔に配置し、その端部を脱硫反応塔中心部
に配置したことを特徴とする請求項１記載の脱硫装置。
【請求項３】　　隣り合うヘッダに設置するノズルの半
径方向の位置をずらせたことを特徴とする請求項２記載
の脱硫装置。
【請求項４】　　ヘッダをガス流動方向に対して二段以
上配置し、段毎にヘッダの周方向設置位置をずらせたこ
とを特徴とする請求項１、２または３記載の脱硫装置。