JP2008155195A - 燃焼排ガス浄化設備の曝気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】亜硫酸塩を硫酸塩に酸化する吸着剤の効率的な再利用を目的とした燃焼排ガス浄化設備の曝気装置、前記曝気装置の平板状通気器、前記平板状通気器の膜、及び曝気方法に関する。
【解決手段】曝気領域にある流動性吸着剤に浸漬されている1つ以上の平板状通気器を備えた燃焼排ガス浄化設備の曝気装置により、上記課題を解決した。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼排ガス浄化設備の曝気装置、本発明に係る曝気装置の平板状通気器（plate aerator）、前記平板状通気器の膜、及び曝気方法に関する。

特に、化石燃料の燃焼において生成する燃焼排ガスには、大量の硫黄酸化物が含有している。硫黄酸化物は環境に有害であることから、硫黄酸化物の排出をできるだけ抑制しなければならない。上記目的を達成するために、燃焼排ガス浄化設備が使用される。

燃焼排ガス浄化設備自体はすでに公知であり、例えば、エネルギーが可燃性燃料にて生成される発電所、特に石炭を用いた発電所、石油を用いた発電所、天然ガスを用いた発電所などに設けられている。一般的な燃焼排ガス浄化設備は、洗浄液を噴き出すノズルを有するスクラバーを備えている。ノズルは、いくつかの高さ、つまり洗浄液をためる洗浄液溜め、及び洗浄液溜めから高所洗浄液ノズル位置までのスクラバーの円筒部分にある吸着エリアに配置されている。

吸着エリアの低所にて燃焼排ガスがスクラバー中に導かれ、そこからのガスの流れは必然的に垂直方向へと上昇し、洗浄液ノズル上方の排気口を通じてスクラバーから放出される。前記洗浄液（吸着剤といってもよい）は、硫黄酸化物と結合する物質または硫黄酸化物を化学変化させる物質を含有している。上記手段では、スクラバーを通ることで、燃焼排ガスは、洗浄液ノズルから噴き出された洗浄液と接触する状態となり、浄化される（特に、以下に詳細に記載するように脱硫される）。上記浄化設備は、例えば、特許文献１に記載されている。

上記洗浄液は、水に加えて、燃焼排ガス中に含まれる硫黄酸化物及びスクラバー中で生成した硫黄酸化物と反応するアルカリ部分及び／またはアルカリ土類部分を含む物質からなることが好ましい。特に、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸水素カルシウム、炭酸カルシウムなどが使用される。海水を洗浄液に使用した場合には、洗浄液中にアルカリ物質（特に、炭酸水素塩）を多量に含むこととなる。

海水を洗浄液として使用した場合、アルカリ物質は燃焼排ガスに含まれる硫黄酸化物と反応して、海水に可溶である硫化物を形成する。上記方法により、燃焼排ガスから有害な硫黄酸化物が除去されて、浄化装置から排出される。その一方で、前記洗浄液は、洗浄液中に浮遊した硫化物粒子とともに洗浄液溜めに入り、そこに集められる。

一方、燃焼排ガスの浄化プラントの運転に石灰（lime）を用いる場合には、どうしても硫酸カルシウムが生成してしまう。硫酸カルシウムは、石こう（gypsum）の主成分を形成する物質である。上記のように、洗浄液を洗浄液溜めに集める燃焼排ガスの浄化方法においては、所期の副生成物として硫酸カルシウムが生じることとなる。洗浄液中の硫酸カルシウム粒子は洗浄液溜めから取り出され、次工程にて洗浄液と分離される。このとき、硫酸カルシウムは、全く別の材料（例えば、建設資材）に加工されうる。

硫酸カルシウムが生成してしまうことの問題点は、洗浄液と燃焼排ガスとが反応して硫酸カルシウムが生成することだけではなく、亜流酸塩（特に、亜硫酸カルシウム）といった好ましくない副生成物が、硫酸カルシウム中の不純物として生成し、硫酸カルシウムの質を劣化させることにもある。

洗浄液として海水を使用する場合、溶解したアルカリ物質に対応する亜流酸塩が、好ましくない副生成物として生成してしまう。特許文献２に記載の燃焼排ガス浄化設備では、生成した亜流酸塩は吸着槽中にて酸化処理される。硫黄酸化物は、アルカリ土類を添加することにより分離されるのではなく、炭酸水素塩を添加することにより分離される。しかし、この工程においても亜流酸塩が生じてしまう。

従って、洗浄液溜め中の洗浄液または海水を洗浄液に使用した場合の廃液に含まれる亜流酸塩の生成量を低減させる必要がある。そこで、特許文献３には、洗浄液溜めの部分に酸素ガスを吹き込んで、硫酸カルシウムに混入している亜硫酸カルシウムを酸化することが開示されている。

特許文献４にも、洗浄液溜めに設置された酸化処理装置を備えた燃焼排ガス浄化設備が記載されている。この酸化処理装置は、左右に配置された格子（grid）形状を有し、開口部を設けた酸素供給管で構成されている。酸素は、洗浄液溜めに集められた洗浄液中に導入される。前記左右方向の格子部（grid）は洗浄液溜めに設置され、二つの部分に分離されている。

一般的な燃焼排ガス浄化装置は、スクラバーとして知られており、しばしばガス浄化塔の形態をしている。通常、このガス浄化塔は、下部に一つ以上の非浄化燃焼排ガス用吸気口と、該燃焼排ガス吸気口の真下にある吸着剤貯蔵部と、該燃焼排ガス吸気口の上部に位置しており前記吸入した非洗浄燃焼排ガスに吸着剤を吹き付ける浄化設備と、ガス浄化塔上部に設置された浄化済み燃焼排ガス排気口とを備えている。通常、前記吸着剤は液体であって、例えば炭酸カルシウムを含有している。この吸着剤が、硫黄酸化物と反応して、硫酸カルシウム（石こう）及び亜硫酸カルシウムが生成される。また、海水を吸着剤として使用する方法も採用されている。海水はアルカリ物質に加えて硫黄酸化物と反応する炭酸水素塩も含んでいる。

石灰を利用する上記方法では、浄化が十分であれば、石こうが大量に生成したままとなる。石こうは例えば建築資材の産業分野において使用することも可能ではあるが、そのためには、硫酸塩成分に対して亜硫酸塩成分ができる限り低減されていることが必要となる。このように、吸着剤として海水を使用する場合には、亜硫酸塩成分をできる限り低減することも重要となる。が、この方法では、石こうは生成しない。このために、酸素を使用済み吸着剤に供給し、可能な限り多くの亜流酸塩が硫酸塩に酸化されることとなる。
ドイツ国特許１００５８５４８号公開公報 ドイツ国特許２９５１７６９８号公開公報 米国第４５３９１８４号特許明細書 カナダ特許第２１３５４３０号公報

従来技術では、吸着剤と酸素との混合をできるだけ良い状態とし、硫酸塩が生成するように、吸着剤に酸素を吹き込んで吸着剤の循環を起こさせる点は共通している。しかし、上記のような手段は、改善されなければならない。

曝気領域に設けられた少なくとも一つの平板状通気器（plate aerator）を備えた燃焼排ガス浄化設備用曝気装置を提供することを目的とした本発明の解決手段として、前記平板状通気器が、曝気領域の流動性吸着剤に浸漬された曝気装置を開示する。

前記吸着剤は、新しい吸着剤と吸着反応により生成した使用済み流動性吸着剤が混合したものである。この平板状通気器は、より広範囲にわたって、吸着剤に酸化剤（例えば、空気）を供給することを可能にする。これによって、硫酸塩の形態へと促進することができ、効率性が増すこととなる。理論的には、亜流酸塩の残留量は、少なくとも約１．５質量％未満、場合によっては約１．０質量％未満を達成することができる。これは、完全な酸化を意味している。海水の循環により、普遍的な環境要求事項を満足させることができる。

前記曝気領域は、曝気装置の一部であり、そこで吸着剤を酸化剤と接触させる。曝気装置は、例えば、液溜めの一部、液溜めそのもの、または分離型のコンテナ若しくはボウル（basin）などとすることもできる。この場合、前記コンテナまたはボウルはガス浄化塔の液溜めと流体を通じて接続している。平板状通気器は、例えば、中空部を有する平板により形成されており、酸化剤供給源とは流体を通じて接続している。平板状通気器の平板表面には、酸化剤を吸着剤に導入する開口部が一つ以上ある。酸化剤はガス状の場合が多く、前記開口部から吸着剤中に吹き込まれる。前記平板状通気器は、例えば、束状にされたいくつかの平板からなる。この束状の平板は、流体を通じて共通の酸化剤供給源と接続しているのが好ましい。

本発明によれば、海水が吸着剤として使用される。海水を吸着剤に使用するので、さらなるコスト削減を行うことができる。本発明に係る装置は、沿岸部に建設され海水を低コストで調達できるプラントで、特に有用である。

さらなる実施態様として、曝気領域が、燃焼排ガス浄化設備の液溜めと流体を通じて接続する曝気槽で形成されているものがある。この実施態様の利点は、スクラバーに加えて曝気装置を分離型にて設けることが可能な点にある。その結果、両装置を、目的とする用途に合わせて相互に独立に設計できる。例えば、曝気装置の規模を、運転目的により厳格に規定されるガス浄化塔の規模に合わせる必要がない。曝気槽を最適に設計できるので、効率性がさらに向上する。さらに、上記曝気装置は、液体の性状に応じて最適化可能であり、その結果、酸化剤及び／または吸着剤の流れを生成させるのに必要なエネルギーを低減させることが可能となる。液溜めと曝気槽間の連結は、例えば、パイプ類によって行われる。しかし、液溜め且つ曝気槽である共用タンクとすることも可能である。曝気槽の曝気領域は、液溜め領域の外側に設置されている。さらに、両者は、開口部を通じて流体が行き来できる状態となっている。

さらに、平板状通気器は、基本的には、曝気領域全域に及んでいる。これにより、曝気槽の寸法を小型に設計することが可能となり、コスト削減ができる。

他の実施態様として、曝気装置には、吸着剤の循環設備が備えられていてもよい。曝気装置の効果は、循環設備を用いることでさらに高めることができる。さらに、吸着剤を循環させることによって、吸着剤中に多量の酸化剤を導入させることができので、反応を促進させることが可能となる。

前記平板状通気器と前記循環設備とを一体的にしてもよい。このとき、別個であった装置一式が省略できる。例えば、循環ポンプ類は、平板状通気器用にも使用できる。処理の順序は、さらに最適化可能である。

上記にかえて又は上記に加えて、吸着剤の循環は、平板状通気器の流れの技術に関する配置、流れ障害物・挿入物及び／またはガス吹きによっても行うこともできる。

さらには、平板状通気器は格子部（grid）に配置されている。平板状通気器を格子部に配置すると、簡単な手法にて曝気槽中に平板状通気器を設置することが可能となる。格子部は、目的とする位置にて平板状通気器を保持できるので、所期の機能を最適な状態で果すことができる。格子部は、例えば、チューブ類により形成されるので、平板状通気器の個々の平板に酸化剤を供給できる。上記手法により、平板状通気器の平板から酸化剤を簡易かつスムーズに供給できる。

本発明では、さらに、本発明に係る曝気装置用平板状通気器を提供する。この平板状通気器は、通常、略皿型である。皿型であれば、平板状通気器の製造が簡易であるのに加えて、吸着剤と接触できる表面が広くなる。さらに、皿型は、積層構造またはこれと類似した構造とするのに大変適している。つまり、吸着剤と接触する面積が大きいのに加えてコンパクトな構造物となる。

他の実施態様として、平板状通気器は略楕円形であってもよい。流体に対して、楕円形とすることで、例えば、高さ、幅、長さといった寸法を低減した曝気槽を設計することが可能となり、コストをさらに下げることができる。なお、平板状通気器は、上記楕円形に限られず、円形や角のある形状であってもよい。

さらに、前記平板状通気器は、穿孔した膜を有していてもよい。前記膜には、吸着剤に酸化剤を供給するための複数の開口部（opening）、微細孔（pore）、細長い孔（slot）を設けることが可能である。例えば、前記膜は、対応する孔を有する合成物質から製造できる。上記膜により、平板状通気器に多数の孔を設けることができる。さらに、膜状構造とすることで、孔の直径を使用目的に合わせて最適化することが可能となる。これにより、曝気装置の性能は、全体としてさらに向上する。

本発明の他の実施態様として、前記膜を交換可能としてもよい。特に、特定の孔若しくは多数の孔が詰まるかまたは膜が破損した場合でも、膜を交換できるので便利である。上記態様なら、平板状通気器全体を交換する必要はなく、平板状通気器の膜だけを交換すればよい。このため、さらなるコスト削減ができる。

さらに、本発明に係る平板状通気器用であって、流体の酸化剤用である微細孔（pore）を備えた膜を開示する。前記微細孔については、吸着剤に導入した酸化剤の効果を最大限発揮できるように、微細孔の数及び径の選択ができるのが好ましい。できる限りの短期間で、亜硫酸塩成分の大部分を硫酸塩に酸化する必要がある。このためには、例えば、１ｃｍ²あたり１〜１０個の微細孔を有する膜とすればよい。もちろん、この孔の数は、酸化剤及び流体の粘度に適合させる必要のある微細孔の径にも依存する。微細孔を設けることで、高品質を条件とする前記膜の工業的製造が可能となる。

微細孔の平均直径は、約０．１〜１．５ｍｍであり、０．２５〜０．９ｍｍが好ましく、さらに好ましくは０．４〜０．８ｍｍである。上記した孔の直径は、最も効率的に酸化剤を吸着剤に供給するのに適していることを見出した。

他の実施態様として、前記膜が、微細孔にかえてまたは微細孔に加えて、少なくとも一つの細長い孔を有した態様がある。上記細長い孔を用いることで、例えば、吸着剤中に気泡が生成する。加えて、この気泡は、所定の手法にて吸着剤の循環をもたらす。この実施態様では、微細孔と組み合わせるのが、特に有用である。例えば、微細孔は、その直径に起因して、吸着剤中にて非常に低い浮揚性しかなく、非常に微細に分散した気泡を生成する。一方、細長い孔から生成した気泡には高い浮揚性があり、気泡の上昇運動の結果、吸着剤を好ましい方向に導くこととなる。これにより、曝気装置の効果はさらに向上する。

前記膜は、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマー）製である。前記材料製の膜は、ロバスト性（robustness）が顕著に高く、保守作業が軽減できる。さらに、ＥＰＤＭを使用すると、柔軟膜（flexible membrane）の領域における沈渣を減らすことができ、曝気装置の動作をさらに最適化させることができる。なお、膜の材料には、シリコンや他のプラスチックなどを使用してもよい。

さらに、本発明に係る曝気装置に備えた吸着剤の曝気方法も開示する。曝気装置の曝気領域に備えた液体の吸着剤に、吸着剤に浸漬させた本発明に係る平板状通気器を用いて、ガス状の酸化剤を供給する。つまり、この吸着剤中に、酸化剤を含有した気泡を形成させる。このとき、前記気泡の平均直径は、約１．５ｍｍ以下であり、約１．０ｍｍ以下が好ましく、約０．７ｍｍ以下が特に好ましい。前記気泡は、従来の曝気装置と比較して、より長時間吸着剤と接触し続けることができるのを見出した。これは、前記気泡の直径に起因して、前記気泡は、吸着剤中に大変低い浮揚性を有するものとなっているからである。気泡の生成数を増やすことによって、酸化剤の量が同等であっても、吸着剤と接触する酸化剤の表面積を増大させることもできる。これにより、望ましい状況にて反応が促進され、高い効率性が得られる。

本発明に係る曝気方法では、平板状通気器の細長い孔にて、気泡を生成させる。この気泡が、吸着剤の循環を引き起こす。このようにして、吸着剤の中に流れが形成される。できるだけ高い部位の吸着剤が酸化剤と接触できるように、前記流れが形成されるのが好ましい。これにより、平板状通気器と直接には接していない吸着剤であっても、酸化剤と接触可能となる。

さらに、酸素または空気だけではなく、酸素を含有するか若しくは吸着剤中に導入したときに酸素を放出するガス若しくはガス混合物が、酸化剤として使用できる。

以下の記載にて、他の特徴及び効果について、実施態様例を用いて開示する。同一部分には、同一の符号を付している。さらに、その特徴と機能に関する図１の実施態様例の記載について説明する。なお、図面は概略図であり、以下の実施態様例を説明するためだけのものである。

図１は、ガス浄化塔と本発明に係る曝気装置を備えた燃焼排ガス浄化設備の斜視図であり、一部分を切断面で表したものである。図２は、図１の燃焼排ガス浄化設備の構成の一部を示す概略図である。図３は、格子部に配置された平板状通気器を備えた本発明に係る曝気装置の曝気槽の平面図である。図４は、本発明に係る平板状通気器を有する格子部の一部を拡大した平面図である。

図１は、ガス浄化塔２０と曝気装置１２を備えた燃焼排ガス浄化設備１０の斜視図であり、その一部分を切断面で表したものである。実施態様例を明確にするために、浄化される燃焼排ガスの吸気口エリア及び排気口エリアは記載していない。ガス浄化塔２０の下部には液溜め１８が設けられ、本実施態様例では、その液溜め１８に海水である吸着剤が用意されている。前記海水に他の物資を添加することで、燃焼排ガス浄化設備１０の性能をさらに向上させることも可能である。液溜め１８と流体を通じて接続しているポンプ２８は、ガス浄化塔２０と並置されている。このポンプ２８は、パイプ２４を介してガス浄化塔２０内部のノズル注入エリア２６へと吸着剤を誘導する。吸着剤は、図示していないノズルによって、ガス浄化塔２０内部の下部から上部へと流れる燃焼排ガス中を逆流するように、注入される。ここで、燃焼排ガス中の望ましくない化学成分は、洗い流され及び／または化学的に結合される。前記注入された吸着剤は、再度液溜め１８に蓄積される。図２は、図１に係る燃焼排ガス浄化設備１０の概略構成図である。

液溜め１８は、通路３２を介して曝気装置１２の曝気槽１４と流体的に接続している。吸着剤に浸漬されている平板状通気器１６を備えた格子部３４は、曝気槽１４中に配置されている。曝気槽１４の幅は約２０ｍ、長さは約７０ｍである。個々の平板状通気器１６は、格子部３４に取り付けられており、格子部３４を通ってきた酸化剤である空気を吸着剤に供給する。本実施態様例では、おのおのの格子部３４の長さは約９ｍである。そして、平板状通気器１６は、連なった状態で各格子部３４に配置されている。各平板状通気器１６は、通常、楕円形または皿型をしている。楕円形の長軸方向は、吸着剤液表面に対してほぼ平行に配向している。本実施態様例の平板状通気器１６は、長軸方向の寸法が約０．７ｍ、短軸方向の寸法が約０．２ｍ、厚さが約０．０２ｍとなっている。前記平板状通気器１６は、約０．１ｍ間隔で格子部３４に配置されている。酸化剤供給源から供給される酸化剤である空気は、パイプ３０を通って格子部３４に供給される。前記空気は、格子部３４を通って平板状通気器１６中に入り、膜を通り抜けて平板状通気器１６から放出されて、吸着剤に供給される。これにより、酸化剤含有吸着剤の優れた供給が、達成される。

なお、図面に開示した実施態様例は、本発明を説明ためのものであり、本発明を限定するものではない。

ガス浄化塔と本発明に係る曝気装置を備えた燃焼排ガス浄化設備の斜視図であり、その一部分を切断面で表したものである。 図１の燃焼排ガス浄化設備の構成を示す概略図である。 格子部に配置された平板状通気器を備えた本発明に係る曝気装置の曝気槽の平面図である。 本発明に係る平板状通気器を有する格子部の一部を拡大した平面図である。

符号の説明

１０ 燃焼排ガス浄化設備
１２ 曝気装置
１４ 曝気槽
１６ 平板状通気器
１８ 液溜め
２０ ガス浄化塔
２２ 膜
２４ パイプ
２６ ノズル注入エリア
２８ ポンプ
３０ パイプ
３２ 通路
３４ 格子部

Claims (20)

1. 曝気領域にある流体の吸着剤に浸漬された１個以上の平板状通気器（１６）を備えた曝気領域を有することを特徴とする燃焼排ガス浄化設備（１０）の曝気装置（１２）。
2. 前記曝気領域が、前記燃焼排ガス浄化設備（１０）の液溜め（１８）と流体を通じて接続する曝気槽（１４）により形成されることを特徴とする請求項１に記載の曝気装置（１２）。
3. 前記曝気槽（１４）が、吸着装置の後続側に設置された後曝気槽であることを特徴とする請求項２に記載の曝気装置（１２）。
4. 前記平板状通気器（１６）が、前記曝気領域全域に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の曝気装置（１２）。
5. 前記吸着剤の循環設備を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の曝気装置（１２）。
6. 前記平板状通気器（１６）及び前記循環設備が、一体形成されたことを特徴とする請求項５に記載の曝気装置（１２）。
7. 前記平板状通気器（１６）が、格子部（３４）に配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の曝気装置（１２）。
8. 前記平板状通気器（１６）が、略皿型であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の曝気装置（１２）。
9. 前記平板状通気器（１６）が、略楕円形であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の曝気装置（１２）。
10. 前記平板状通気器（１６）が、穿孔された膜を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の曝気装置（１２）。
11. 前記平板状通気器（１６）の膜が、交換可能であることを特徴とする請求項１０に記載の曝気装置（１２）。
12. 前記平板状通気器（１６）の膜が、酸化剤を通す微細孔を有することを特徴とする請求項１0または11に記載の曝気装置（１２）。
13. 前記膜の微細孔の平均直径が、約０．１〜１．５ｍｍ、好ましくは約０．２５〜０．９ｍｍ、特に好ましくは約０．４〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項１２に記載の曝気装置（１２）。
14. 前記膜の微細孔の密度が、１ｃｍ²あたり約１〜１０個であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の曝気装置（１２）。
15. 前記膜が、前記微細孔にかえてまたは前記微細孔に加えて1つ以上の細長い孔を有することを特徴とする請求項１２ないし14のいずれか1項に記載の曝気装置（１２）。
16. 前記膜が、エチレンプロピレンジエンモノマー製であることを特徴とする請求項１０ないし１５のいずれか１項に記載の曝気装置（１２）。
17. 曝気装置（１２）の曝気領域に備えられた海水である液体の吸着剤に、前記吸着剤に浸漬された請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の平板状通気器（１６）にて、ガス状酸化剤を供給する際に、平均直径が約１．５ｍｍ以下、好ましくは約１．０ｍｍ以下、特に好ましくは約０．７ｍｍ以下である前記酸化剤を含有した気泡を、前記吸着剤中に形成させることを特徴とする請求項1ないし１６のいずれか1項に記載の曝気装置（１２）の前記吸着剤の曝気方法。
18. 前記気泡が、前記平板状通気器（１６）の細長い孔により生成され、前記気泡が前記吸着剤の循環を引き起こすことを特徴とする請求項１７に記載の曝気方法。
19. 前記細長い孔で形成された気泡が、曝気槽（１４）の前記吸着剤の流れを引き起こすことを特徴とする請求項１７または１８に記載の曝気方法。
20. 酸素、空気、または酸素を含有するか若しくは吸着剤中に導入したときに酸素を放出するガス若しくはガス混合物が、前記酸化剤として使用されることを特徴とする請求項１７ないし１９のいずれか１項に記載の曝気方法。

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