JPS60221307A - ガスタ−ビンを組み込んだ硫酸製造装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンの運転に硫黄を使用して硫酸製造
を行うようにした硫酸製造装置に関するものである。

ｒ　斤＊７７−１十に４斤　） 従来、発電機駆動、その他の被動機駆動を目的として行
うガスタービンの運転では、硫黄を燃料として用いるこ
とは硫黄燃料が高価のため得られる電気等も高くなるこ
と、硫黄の燃焼生成物であるＳＯ□によりタービン内の
ブレード等が腐食すること、等の理由から採用されてい
なかった。

そのため、従来硫酸製造を行う場合は、専ら第１図に示
す如きプラントで実施していた。すなわち、常圧の硫黄
燃焼炉（１）で融解硫黄を燃焼してＳＯ２ガスを生成し
、このＳＯ２ガスを廃熱ボイラ（２）で冷却した後、ガ
スフィルタ（３）を通して転化器（４）へ送り、該転化
器（４）でバナジウム触媒の作用でＳＯ３ガスに転化さ
せる。このとき、反応熱によシガス温度が上昇するが、
転化器内の次の段階での反応を効率的に行わせるために
、前記反応熱により上昇したガス温度を低下させる必要
があり、このため、上記高温の反応熱を過熱器（５）で
熱交換させて過熱蒸気を取シ出すようにする。上記ＳＯ
３ガスは、熱交換器（６）を経て吸収塔（７）へ送られ
、該吸収塔（７）で８０３ガスを濃硫酸に吸収させ製品
としての硫酸を得るようにしている。又、このプラント
では、硫黄燃焼炉（１）と転化器（４）の入口に乾燥空
気を導入するようにしである。

しかし、従来の硫酸製造装置では、硫黄燃焼炉（１）で
硫黄を燃焼させてＳＯ２ガスを生成させるだけであるた
め、該硫黄燃焼炉（１）の耐熱の問題からガス温度は約
１２００°Ｃに制限され、したがって、ＳＯ２濃度を同
温度に対応する濃度以上に上げることができず、燃焼空
気量に対する硫酸製造量に限界があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、ガスタービンの運転に硫黄を使用してもガス
タービンがＳＯ２によシ腐食するおそれを少なくし、常
圧硫黄燃焼炉出口のガス中のＳＯ２濃度を増加させて燃
焼空気量に対する製品硫酸の製造量を増加させ、且つガ
スタービンによる発生電力又は動力が完全な利得となる
ようにし、更にガスタービンの圧力比を太キ＜シー’Ｃ
タービンによる仕事量を増大させようとするものである
。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明の硫酸製造装置は、上記の問題点を解決するため
、従来の硫酸製造装置における常圧の硫黄燃焼炉の前段
に、硫黄を燃料とする加圧硫黄燃焼炉をもつガスタービ
ンを設置し、上記加圧硫黄燃焼炉に入る加圧空気を、転
化器で生じた高温ＳＯ２ガスの反応熱で加熱して加圧硫
黄燃焼炉の燃料量を少くし生成されるＳＯ２ガスを含む
ガス中のＳＯ２濃度を低下させるようにすると共に、ガ
スタービンから排出されるＳＯ２を含むガスを常圧の硫
黄燃焼炉へ導入させるようにし、硫酸製造におけるＳＯ
２濃度を従来方式に比し増加させて製品硫酸を製造する
と同時にガスタービンによる動力を利得として回収でき
るようにし、更に、加圧空気を高温ＳＯ２ガスの反応熱
で加熱することによって加圧空気の圧縮比を上げてガス
タービンの仕事量を増大させ、前記〔実　施　例〕 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１ 第２図は本発明の一実施例を示すもので、硫黄を燃料と
するガスタービンを従来の硫酸製造装置に組み込んだも
のである。すなわち、タービン（８）の運転によって発
生する動力の一部を用いて圧縮機（９）を駆動させると
共に、発生する動力の残９を出力として取り出して被動
機α０を駆動させるようにし、乾燥塔からの乾燥空気が
上記圧縮機（９）で加圧された後、硫黄を燃料とする加
圧硫黄燃焼炉α◇へ送入されるようにし、該加圧硫黄燃
焼炉（Ｌｌ）で硫黄を燃焼することによシ得られたＳＯ
２を含むガスがタービン（８）で仕事をした後、常圧硫
黄燃焼炉（１）へ導入されるようにする。

ガスタービンの燃料として硫黄を使用する場合、加圧硫
黄燃焼炉αυで生成されたＳｏ２ガス中等がＳＯ２によ
シ腐食するため、一般にガスタービンの運転に硫黄が燃
料として使用されていなかった。

本発明は、Ｓ　０２濃度を低下させるため、加圧硫黄燃
焼炉αηへ送入される加圧空気と、転化器（４）でＳＯ
２をＳＯ３に転化するときの反応で生じた高温（約５９
０°Ｃ位）のＳＯｓガスとの間で熱交換を行わせるよう
にした熱交換器＠を圧縮機（９）と加圧硫黄燃焼炉０１
）との間に組み込んたガスタービンシステムとし、熱交
換器（イ）で加熱されて高温になった加圧空気を加圧硫
黄燃焼炉α℃へ送入させて該加圧硫黄燃焼炉α刀内で硫
黄を燃焼させるようにし、且つタービン（８）で仕事を
終えて低温となって出て来たＳＯ２を含むガスを、蒸気
ドラム（ＳＤ）からの蒸気と熱交換させて更に低温にす
るだめの、過熱器（１［有］を設けて、過熱蒸気を得る
ようにし、低温になったＳＯ２を含むガスを常圧硫黄燃
焼炉（１）に導入させるようにする。

上記構成であるから、圧縮機（９）で加圧された空気は
、熱交換器（ハ）で転化器（４）の反応熱により高温に
加熱されて加圧硫黄燃焼炉α℃へ送シ込まれるため、該
加圧硫黄燃焼炉αυλ口の温度が高くなる。この炉入口
の温度が高くなると、燃料量を低減できるので、燃料と
しての硫黄の流量を少なくすることができる。これによ
シガス中のＳＯ□濃度は必然的に低下し、ＳＯ□による
タービンの腐食の可能性を減少させることができる。

上記熱交換器＠において加圧空気をタービン（８）から
出たガス温度で加熱しようとすれば、第３図に示す如く
、圧縮機（９）の出口（Ａ）の加熱空気はタービン（８
）の膨張後のタービン（８）の出口（Ｃ）のガス温度と
の熱交換により加熱される。図中（ｃＬ）がこの熱交換
領域であシ、熱交換後の加圧空気は、加圧硫黄燃焼炉０
１）で燃焼されてタービン（８）入口（Ｂ）の温度とな
る。（ｂ）は圧縮機（９）の圧縮比である。

上記において、圧縮機（９）の圧縮比を■点呼で上げる
と、等圧線（ｃ）によりタービン（８）の入口温度は（
植点へ移行し、ここからタービンの膨張が行われてター
ビン（８）の出口塩度は（Ｃ）に移行する。

これによシ■点と（Ｃ）点−の間では（Ｃ）点の温度の
方が低いため最早熱交換で加圧空気を加熱できない。し
たがって、加圧空気をタービン（８）から出たガス温度
で加熱させるようにした型式のものでは、圧縮機（９）
の圧縮比をあまシ大きくすることができず、従って、タ
ービンの圧力比を大きくすることができなくて仕事量を
増やすことができない仁とになる。

この点、本発明では、転化器（４）の反応熱を利用して
熱交換器＠て加圧空気を加熱するので、被加熱媒体であ
る加圧空気に対して加熱媒体であるＳＯ３ガスの温度が
はるかに高くて圧縮機（９）の圧縮比を上げても充分に
熱交換器＠で加圧空気を加熱することができ、したがっ
てタービンの圧力比を上げることができて仕事量を増大
させることができる。

ＳＯ２濃度の低いガスがタービン（８）かう出ると、過
熱器Ｏｊで過熱蒸気を発生させ、低温になったガスが常
圧硫黄燃焼炉（１）に導入される。常圧硫れているが、
上記タービン（８）から出たＳＯ２を含むガスも同時に
導入されており、且つ該Ｓ０２を含むガスは依然として
かなりの量の酸素を含んでいるため、常圧硫黄燃焼炉（
１）内で硫黄を燃焼させ、ガス中のＳＯ２濃度を上昇さ
せることができる。

常圧硫黄燃焼炉（１）で生成されたＳＯ２を含むガスは
、廃熱ボイラ（２）で温度を下げられ、転化器（４）に
てガス中のＳ　Ｏ２がＳ０３に転化され、吸収塔（７）
内でＳＯ３が濃硫酸に吸収され、製品硫酸となる。

この実施例では、ガスタービンの運転に硫黄を使用して
硫酸を製造できるようにしてい乏ため、従来不可能であ
った硫黄の燃焼エネルギーから直接電力又は動力を取シ
出すことが可能となシ、これら電力又は動力が利得とな
る。

実施例２ 第４図は第一実施例における熱交換器（６）と吸収塔（
７）に代えて硫酸凝縮ボイラα→を設置し、転イラα（
イ）へ導入し、ＳＯ３＋Ｈ２０→Ｈ２ＳＯ４の反応、Ｈ
２ＳＯ４＋　Ｈ２Ｏの凝縮を硫酸凝縮ボイラ（ＩＩりで
行わせ、生成蒸気量を増大させるようにしたものである
。

すなわち、第一実施例における常圧硫黄燃焼炉（１）以
降の硫酸製造工程では、転化器（４）を出たＳ０３ガス
からの熱回収量は、Ｓ０３ガスの顕熱分のみであシ、吸
収塔（７）における吸収熱はすべて外気へ捨てておシ、
回収蒸気量が少なく、又、ＳＯ３をＨ２ＳＯ４に吸収さ
せる操作においては、ＳＯ３＋　Ｈ２０→Ｈ２ＳＯ４に
おける反応熱及びＨ２ＳＯ。

十Ｈ２０の凝縮熱の回収操作は不可能である。

そこで、本発明では、転化器（４）を出たＳ０３ガスを
直接硫酸凝縮ボイラα→に導入してＳＯ３＋Ｈ２０→Ｈ
２ＳＯ４の反応と、Ｈ２ＳＯ４＋　Ｈ２Ｏの凝縮を行わ
せるようにし、且つ該硫酸凝縮ボイラα→に給水管α０
にて給水するようにし、上記硫酸凝縮ボイラα■内での
反応による分子反応熱の放出と凝縮による潜熱の放出に
よシ、高圧過熱蒸気と低圧過熱蒸気を生成するようにし
、上記低圧過熱蒸気は加圧硫黄燃焼炉α刀に入る加圧空
気中に混入してタービン（８）で仕事をするようにする
と共に、硫酸凝縮ボイラα→におけるＳＯ３＋Ｈ２０→
Ｈ２ＳＯ４の反応に必要なＨ２Ｏとしての役割を担うよ
うにし、又、高圧過熱蒸気は別の配管で取シ出すように
する。

上記の如き構成とすれば、硫酸凝縮ボイラα■に入るＳ
０３ガスは、ガスタービンの加圧空気に混入されたＨ２
Ｏを含んでいるため、ＳＯ３＋　Ｈ２Ｏ系を構成し７て
おシ、該硫酸凝縮ボイラＱ４１内でのＨ２０加熱による
冷却過程においてＨ２ＳＯ４を凝縮生成する。凝縮され
た硫酸は製品として配管を経て取シ出される。

上記硫酸凝縮ボイラα→内での熱交換過程は、ＳＯ３＋
Ｈ２０→Ｈ２ＳＯ４の反応と、Ｈ２ＳＯ，４＋Ｈ２０の
凝縮の２つの領域があシ、前者を１領域Ａ」、後者を「
領域Ｂ」とすると、第５図に示す如く、本発明では、実
線の曲線で示す如き熱交換過程が得られ、領域Ａで高用
の過熱蒸気が、又、領域Ｂで低圧の過熱蒸気がともに回
収できる。第５図中、破線による曲線は、従来方式の顕
熱のみによる熱交換過程で、領域Ａの一部のみでしか蒸
気が回収できず、領域Ｂでは蒸気の回収がない。

詳述すると、先ず、「領域Ａ」の冷却過程をみると、こ
の領域においては、５Ｏ３Ｈ２０系はＳ０３、Ｉ（２０
、Ｈ２ＳＯ４が共存しており、これらの各蒸気圧は、平
衡定数値によって決定され、平衡定数値と温度との関係
は、次の式で示される。

Ｋの各種の温度における値は、次の如くである。

くなるほど、Ｈ２ＳＯ４の°分率が高くなる。つ捷９、
温°度の低下に従って次の反応が進行することになる。

ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ−＋Ｈ２ＳＯ４＋２１０００ＫＣｃＬｌ
（分子反応熱）したがって、ＳＯｓ　Ｈ２Ｏ系において
は、温度の低下に従って分子反応熱を放出することにな
る。

次に、「領域Ｂ」の冷却過程では、この領域がＨ２ＳＯ
４Ｈ２Ｏ系の凝縮過程であり、Ｈ２Ｓ　０４、Ｈ２Ｏは
この領域において潜熱を放出しながら温度が降下する。

この凝縮過程は、不凝縮性ガス＋　Ｈ２ＳＯ４＋　Ｈ２
Ｏの三成分系であるため、−成分系の凝縮過程と異なり
、凝縮と共にＨ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏの分圧が低下して行く
ことから、図に示す如き温度−エンタルピ曲線を描く。

この領域では、低圧の過熱蒸気が生成され、顕熱のみに
よる加熱では得られない蒸気生成量が得られて領域Ａと
合わせて生成蒸気量が増大する。

”　硫酸凝縮ボイラにおける熱交換過程は、以上るため
の同ボイラ（１４）における現象を次に説明する。

「領域Ａ」の熱交換過程は、一般的なボイラと同様の構
成によって実現される。つまり、転化器（４）を出だＳ
ＯＳガスが流れる通路内に給水加熱管、蒸発管、過熱蒸
気管等の伝熱管を適凸に配置する構成とすることにより
、それらの伝熱管内で蒸気が生成される。伝熱管外のガ
スは伝熱管の管壁を介して伝熱管内の水又は蒸気に熱を
力えながら自身の温度を下げて行くと同時にガス中にお
いてＳＯ３＋　Ｈ２Ｏ−＋Ｈ２ＳＯ４の反応が進行し、
同反応によって発生する反応熱も伝熱管壁を介して伝熱
管内の水又は蒸気に与えられる。

このようにしてガスの温度が下がって行き、温度がＨ２
ＳＯ，−Ｈ２Ｏ系の露点に達した時点からＨ２ＳＯ１＋
Ｈ２０の凝縮が開始する。これ以後の「領域Ｂ」の熱交
換過程においては、加熱媒体であるＨ２　Ｓ　０４、Ｈ
２Ｏを含むガスの顕熱及びＨ２ＳＯ４＋　Ｈ２Ｏの凝縮
熱が伝熱壁を介して水の加熱、蒸発、蒸気の過熱に用い
られる。つまり伝熱壁の加熱媒体側においては伝熱壁全
域にわたってＨ２ＳＯ４＋　Ｈ２Ｏの凝縮が起きること
になり、従って、禎加熱媒体側で水の蒸発が起きている
部分においては、伝熱壁を介して凝縮現象と蒸発現象が
同時進行することになる。

上記の第二の実施例では、上記のように硫酸凝縮ボイラ
（１４）内での反応による分子反応熱の放出と凝縮によ
る潜熱の放出という２つの作用によシ加熱媒体の熱容量
が大幅に増大し、これによシ生成蒸気量を大幅に増大さ
せることができ、生成された蒸気の一部をガスタービン
の加圧空気に混入することによりタービンの出力を増大
させることができる利点がある。

実施例６ 第６図は本発明の更に他の実施例を示すもので、第３図
に示す実施例において硫酸凝縮ボイラα→で生成された
高圧過熱蒸気でタービンを運転し、燃料零にして電力又
は動力が取シ出されるようにしたものである。すなわち
、第３図に示す実施例と同様な構成において、別個にタ
ービン（イ）を設置し、該タービン（至）に高圧過熱蒸
気を導き、該タービン（至）で仕事を終えて排出された
蒸気を、復水器ａ７１で復水し、給水ポンプ（至）にて
給水管０粉に送るようにし、タービン（イ）の出力で被
動機０９を駆動させるようにした構成を伺加したもので
ある。

この実施例では、硫酸凝縮ボイラ０→で生成された高圧
過熱蒸気をタービン（至）の運転に使用して電力又は動
力を得るようにしであるので、硫酸製造の運転経費をほ
とんど増加させることなく、しかもタービン（至）の動
力発生のために付加される燃料は零であるため、上記得
られる電力や動力は完全な利得となる、という利点があ
る。

〔発明の効果〕

以上述べた如く本発明によれば、次のような優れた効果
を奏し得る。

（１）　硫黄を燃料とするガスタービンの運転において
タービンから出たＳＯ９を含むガスを硫酸製造工程の常
圧硫黄燃焼炉に導入させるようにしているので、常圧硫
黄燃焼炉内でのＳＯ２濃度を増大することができ、単位
燃焼空気量に対する製品硫酸製造量を増加させることが
できる。

（１１）　ガスタービンが熱交換器を備え、転化器で生
ずる高温のＳＯ３ガスを加熱媒体として加圧空気を加熱
させるようにしであるので、ガスタービンの加圧硫黄燃
焼炉入口の温度を高くできて燃料としての硫黄の量を低
減でき、タービンを流れるガス中のＳＯ□濃度を低下さ
せることができてＳＯ２によるタービンの腐食のおそれ
を少なくすることができる。

（ｉｉＱ　又、上記（１１）の構成により加熱媒体が高
温であるため、加圧空気の圧縮比を上げても熱交換が可
能でタービンの圧力比を上げることができ、これにより
仕事量が増大する。

（１ｖ）　タービンから出るＳＯ２を含むガスで過熱蒸
気を発生さぜることによシ常圧硫黄燃焼炉に入るガス温
度を低下できるので、常圧硫黄燃焼炉へ入るＳＯ２ガス
のタクトのザイズを小さくすることができると共に、温
度が高いことに起因する種々の困難さくたとえば、ダク
トの耐熱性、耐食性及び常圧硫黄燃焼炉バーナの耐熱性
等に対する要件）を軽減することができる。

（■）硫酸製造□工程に、熱交換器及び吸収塔に代えて
硫酸凝縮ボイラを設置し、該ボイラ内での８０３　＋　
Ｈ２０→Ｈ２ＳＯ４の反応とＨ２ＳＯ４＋　Ｈ２Ｏの凝
縮の２つの作用により蒸気を生成させるので、生成蒸気
量が増大して回収蒸気量が増大し、又、蒸気の一部をガ
スタービンの加圧空気に混入することにより、ガスター
ビンの出力を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の硫酸製造装置の概略図、第２図は本発明
の硫酸製造装置の概略図、第６図は加圧空気をタービン
から出たガスにより熱交換させるときのｉ−８曲線を示
す図、第４図は本発明の硫酸製造装置の他の例を示す概
略図、第５図は硫酸凝縮ボイラの熱交換過程を示す図、
第６図は本発明の硫酸製造装置の他の例を示す要部の概
略図である。 （１）は常圧硫黄燃焼炉、（２）は廃熱ボイラ、（４）
は転化器、（６）は熱交換器、（７）は吸収塔、（８）
はタービン、（９）は圧縮機、αυは加圧硫黄燃焼炉、
（２）は熱交換器、α→は硫酸凝縮ボイラ、（至）はタ
ービン、α力は復水器を示す。 特許出願人 石川島播磨重工業株式会社 特許出願人代理人 特許出願人代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）常圧硫黄燃焼炉と、該常圧硫黄燃焼炉で生成された
   Ｓ０２を含むガス中のＳ０２をＳ０３に転化する転化器
   と、該転化器を出たＳＯ３を含むガスの熱交換器と、熱
   交換後のＳＯ３を含むガス中のＳＯ３を濃硫酸に吸収さ
   せる吸収塔とを備え、且つ上記常圧硫黄燃焼炉の前段に
   、圧縮機、加圧硫黄燃焼炉及びタービンからなるガスタ
   ービンと、上記圧縮機で加圧された空気を上記転化器で
   生じる反応熱と熱交換させる熱交換器とを備え、熱交換
   器で加熱された加圧空気で加圧硫黄燃焼炉において硫黄
   を燃焼させ、同燃焼ガスをタービンに導き更にタービン
   から常圧硫黄燃焼炉へ導くよう配管したことを特徴とす
   るガスタ・−ビンを組み込んだ硫酸製造装置。 成されたＳ０２を含むカス中のＳＯ２をＳＯ３に転化す
   る転化器と、該転化器を出たＳＯｓを含むガス中のＳＯ
   ３をＳＯ３＋Ｈ２０→Ｈ２Ｓ　Ｏ，とする反応作用とＨ
   ２ＳＯ４＋　Ｈ２Ｏの凝縮作用を行わせる硫酸凝縮ボイ
   ラとを備え、且つ上記常圧硫黄燃焼炉の前段に、圧縮機
   、加圧硫黄燃焼炉及びタービンからなるガスタービンと
   、上記圧縮機で加圧された空気を上記転化器で生じる　
   ゛反応熱と熱交換させる熱交換器とを備え、熱交換器で
   加熱された加圧空気で加圧硫黄燃焼炉において硫黄を燃
   焼させ、同燃焼ガスをタービンに導き更にタービンから
   常圧硫黄燃焼炉へ導くよう配管したことを特徴とするガ
   スタービンを組み込んだ硫酸製造装置。