JP6285773B2

JP6285773B2 - 排ガス処理装置の排水処理方法

Info

Publication number: JP6285773B2
Application number: JP2014068453A
Authority: JP
Inventors: 広幸當山; 貴誌乾; 和幸檜垣; 博樹鈴木; 祐介中本
Original assignee: IMABARI SHIPBUILDING CO., LTD.; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: IMABARI SHIPBUILDING CO., LTD.; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP2015188835A

Description

本発明は、排ガスに海水を接触させて排ガスを浄化する排ガス処理装置の排水処理方法に関する。

火力発電プラントや化学工業プラント、廃棄物焼却施設、船舶などにおいては、化石燃料を利用したエンジンやボイラが使用されている。かかるエンジンやボイラから排出される排ガスには、硫黄分（主にＳＯ_２）が含まれており、環境保護の観点から、排ガス処理装置によってＳＯ_２を一定レベルまで除去する必要がある。ここで、排ガス処理装置では、アルカリ性の吸収剤を利用し、スクラバ（吸収塔）の中での排ガスとアルカリ性の吸収剤との接触によってＳＯ_２を吸収させて除去する方法（湿式脱硫）が行われることが多い（例えば、特許文献１及び２参照）。

特許文献１及び２において、排ガス中のＳＯ_２を除去する場合、スクラバでは、アルカリ性の吸収剤として洗浄海水が導入され、この洗浄海水がＳＯ_２を吸収することでｐＨ（水素イオン濃度）が３〜５程度の排水が生じる。この排水は、スクラバから排水処理タンクに導入される。排水処理タンク内では、排水と海水ポンプを介して汲み上げられた希釈海水とを混合し、その後、ノズル等を介して曝気（エアレーション）処理される。この曝気処理により、排水のｐＨが増加し、排出規制海域（ＥＣＡ）を除いた海域において、水質改善された処理水として海への放流が可能となる。

特開２０１３−２４４４６５号公報特開２０１３−１５８７３４号公報

しかし、特許文献１及び２の方法にあっては、希釈海水の量が、洗浄海水の量の約２〜６倍と多量になる（アメリカ合衆国環境保護庁における２０１１年発表の報告書「ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＳｃｒｕｂｂｅｒＷａｓｈｗａｔｅｒＥｆｆｌｕｅｎｔ」参照）。この多量の希釈海水を汲み上げて使用するため、曝気処理で駆動する装置のエネルギー消費が多大になったり、混合した排水を曝気するためのタンクが大型になったりする、という問題がある。かかる問題は、特に船舶において、航行中に船内で供給可能なエネルギーが限られ、船内における設置スペースの制約を受けるため、顕出する。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、排水処理のための消費エネルギーを削減でき、排水処理タンクの容積を縮小化することができる排ガス処理装置の排水処理方法を提供することを目的とする。

本発明の排ガス処理装置の排水処理方法は、スクラバに導入された排ガス中に含まれるＳＯ_２を洗浄海水と接触させることで、排ガスを浄化して浄化ガスにし、ＳＯ_２を吸収した洗浄海水を排水として排水処理タンクに排出する浄化工程と、前記スクラバに導入される前の排ガスの流量及びＳＯ_２濃度、前記浄化ガスのＳＯ_２濃度、並びに、前記スクラバへ導入される洗浄海水の流量を測定する測定工程と、前記排水処理タンクにおいて、前記排水に空気を混入して曝気処理した曝気処理水にする処理工程と、前記処理工程後、前記排水処理タンクから排出された前記曝気処理水に、前記測定工程の測定値に応じた量のアルカリ性物質を供給して混合する供給工程と、を備えることを特徴とする。

上記排水処理方法によれば、曝気処理水をアルカリ性物質と混合させるタイミングが、排水処理タンクからの排出後となる。これにより、処理水の水質を十分に改善しつつ、排水処理タンクにアルカリ性物質を導入させなくてもよいので、排水処理タンクの容積を小さくすることができる。また、排水処理タンクで曝気処理する排水量を少なくすることができ、曝気処理のために駆動する装置の消費エネルギーを削減することができ、その処理時間を短縮化することもできる。

また、上記排水処理方法において、前記供給工程において、前記曝気処理水が導入される希釈用タンクに前記アルカリ性物質を導入し、当該アルカリ性物質と前記曝気処理水とを混合してもよい。この方法によれば、希釈用タンクでアルカリ性物質と曝気処理水とをより良く混合することができ、水質改善効果を高めることができる。

本発明によれば、曝気処理水をアルカリ性物質と混合させるタイミングが、排水処理タンクからの排出後となるので、排水処理のための消費エネルギーを削減でき、排水処理タンクの容積を縮小化することができる。

第１の実施の形態に係る排ガス処理装置の概略構成図である。排水処理方法の流れを説明するためのフロー図である。第２の実施の形態に係る排ガス処理装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態に係る排ガス処理装置の概略構成図である。なお、本実施の形態に係る排ガス処理装置としては、船舶に使用されるエンジンから排出される排ガスを浄化する装置を考える。ただし、これに限られず、本実施の形態に係る排ガス処理装置は、火力発電プラントや化学工業プラント、廃棄物焼却施設における排ガスの処理に適用可能である。

図１に示すように、排ガス処理装置は、エンジン２０からの排ガスｇ１が供給されるスクラバ１０と、スクラバ１０に洗浄海水ａ１を供給する第１海水ポンプ３０と、スクラバ１０からの排水ａ２が導入される排水処理タンク４０と、を含んで構成される。なお、本実施の形態の排ガス処理装置を各種プラント等に適用する場合には、エンジン２０に代えてボイラを用いてもよい。

エンジン２０から排出された排ガスｇ１は、排ガス管２１を通じてスクラバ１０に導入される。この排ガスｇ１には、ＳＯ_２（二酸化硫黄）、ＣＯ_２（二酸化炭素）が含まれる。また、スクラバ１０内には、第１海水ポンプ３０の駆動により、洗浄海水管３１を通じて洗浄海水ａ１が導入される。スクラバ１０内に導入された洗浄海水ａ１は、複数のノズル（不図示）によって噴霧され、スクラバ１０内を上昇する排ガスｇ１と気液接触する。

排ガスｇ１内のＳＯ_２は、下記式（１）に示すように、洗浄海水ａ１に吸収されて、水素イオン（Ｈ^＋）と亜硫酸イオン（ＨＳＯ_３ ⁻）とに解離する。また、排ガスｇ１内のＣＯ_２は、下記式（２）に示すように、洗浄海水ａ１に吸収される。水素イオンの一部は、下記式（３）に示すように、洗浄海水ａ１中の炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）と反応する。
ＳＯ_２（ｇａｓ）＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２ＳＯ_３→Ｈ^＋＋ＨＳＯ_３ ⁻・・・（１）
ＣＯ_２（ｇａｓ）→ＣＯ_２（ａｑ）・・・（２）
Ｈ^＋＋ＨＣＯ_３ ⁻→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２（ａｑ）・・・（３）

スクラバ１０において、排ガスｇ１中のＳＯ_２は、洗浄海水ａ１によって吸収されて除去される。従って、排ガスｇ１は、スクラバ１０内で浄化された浄化ガスｇ２となり、スクラバ１０の上部から大気中へ排気される。また、スクラバ１０内において、ＳＯ_２、ＣＯ_２を吸収した洗浄海水ａ１は排水ａ２となり、排水ａ２中には亜硫酸イオン（ＨＳＯ_３ ⁻）と炭酸（ＣＯ_２）とが溶解した状態となる。従って、排水ａ２のｐＨ（水素イオン指数）は３〜５程度となる。スクラバ１０内の排水ａ２は、スクラバ１０の内壁面に沿って自重で落下し、スクラバ１０下方の貯留部に貯留してから排水管１１を通じて排水処理タンク４０に排出される。

排水処理タンク４０に導入された排水ａ２は、海へ放流するために酸を中和する必要がある。そのため、排水処理タンク４０では、排水ａ２に対し、エア供給装置としてのブロア４１を介して空気を混入する曝気（エアレーション）処理が行われる。曝気処理としては、ブロア４１から供給される空気を、排水処理タンク４０内のノズル４２から細かいバブルエアとして噴出し、排水処理タンク４０内の排水ａ２に接触させることが例示できる。排水処理タンク４０における曝気処理での反応式は、下記式（４）、（５）に示すようになる。
ＨＳＯ_３ ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ^＋＋ＳＯ_４ ^２−・・・（４）
ＣＯ_２（ａｑ）→ＣＯ_２（ｇａｓ）↑・・・（５）

式（４）に示すように、排水処理タンク４０中の排水ａ２では、曝気処理によって、亜硫酸イオン（ＨＳＯ_３ ⁻）が酸化することで、水素イオン（Ｈ^＋）と硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）とに解離する。また、式（５）に示すように、曝気処理によって、排水ａ２中の溶存しているＣＯ_２が脱気され、排水処理タンク４０から大気中へ排気される。式（４）、（５）に示す反応によって、排水処理タンク４０中の排水ａ２は、曝気処理水ａ３となって排水処理タンク４０から排出される。なお、排水処理タンク４０から直接大気中へ排気される代わりに、スクラバ１０の出口側に導入されてから大気中へ排気される構成とすることもできる。

本実施の形態の排ガス処理装置は、排水処理タンク４０から放出される曝気処理水ａ３の排出経路４３に、希釈海水ａ４（アルカリ性物質）を供給する第２海水ポンプ（供給手段）５０を更に備えている。この希釈海水ａ４が排水処理タンク４０からの曝気処理水ａ３と混合されて曝気処理水ａ３が希釈される。この混合による反応式は、下記式（６）に示すようになる。
Ｈ^＋＋ＨＣＯ_３ ⁻→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２（ａｑ）・・・（６）

上記反応によって、曝気処理水ａ３が中和され、水質改善した処理水ａ５となって海への放流が可能となる。なお、処理水ａ５が流れる排出経路４３には、処理水ａ５中のｐＨを計測する計測器４４が設けられている。

続いて、本実施の形態の排ガス処理装置において、第２海水ポンプ５０による希釈海水ａ４の供給流量を制御する構成について説明する。かかる制御を行うために、排ガス処理装置は、第１〜第４測定手段６１〜６４と、制御手段６５と、を備えている。

第１測定手段６１は、排ガス管２１に設置され、スクラバ１０に導入される前の排ガスｇ１の流量を測定するマスフローメータにより構成される。第２測定手段６２は、排ガス管２１に設置され、スクラバ１０に導入される前の排ガスｇ１のＳＯ_２濃度を測定するレーザ式ガス分析計により構成される。第３測定手段６３は、スクラバ１０における浄化ガスｇ２の出口側に設置され、スクラバ１０を通過した浄化ガスｇ２のＳＯ_２濃度を測定するレーザ式ガス分析計により構成される。第４測定手段６４は、洗浄海水管３１に設置され、スクラバ１０に導入される洗浄海水ａ１の流量を測定するマスフローメータにより構成される。各測定手段６１〜６４は、測定対象の変動を連続して測定可能に構成される。なお、上記各測定手段６１〜６４の構成は一例を示すものであり、測定対象の変動を測定可能であることを前提として、任意の構成を採用することができる。

制御手段６５は、例えば、希釈海水ａ４の供給の制御に必要な各種処理を実行するプロセッサや、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などの記憶媒体を含むプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）により構成される。制御手段６５は、各測定手段６１〜６４と、第２海水ポンプ５０とに所定の信号線を介して接続されている。各測定手段６１〜６４の測定結果は、電気信号として制御手段６５に出力される。制御手段６５は、各測定手段６１〜６４から出力された計測結果に基づいて第２海水ポンプ５０による希釈海水ａ４の最適な供給流量を演算する。そして、制御手段６５は、上記演算の結果に応じた電気信号を第２海水ポンプ５０に出力し、第２海水ポンプ５０の駆動を制御する。なお、制御手段６５によって、第２海水ポンプ５０は好ましくはインバータ制御される。

次に、制御手段６５の構成について説明する。図１では、制御手段６５を機能ブロック図として示す。なお、図１に示す制御手段６５の機能ブロックは、本発明に関連する構成のみを示しており、それ以外の構成については省略している。

図１に示すように、制御手段６５は、入力部６５ａ、演算部６５ｂ及び出力部６５ｃを含んで構成されている。入力部６５ａは、第１〜第４測定手段６１〜６４の流量や濃度の測定値を電気信号として入力する。演算部６５ｂは、入力部６５ａに入力された各測定値から、適切な希釈海水ａ４の流量を演算する。出力部６５ｃは、演算部６５ｂによる流量の演算結果に応じ、第２海水ポンプ５０の駆動を制御するための電気信号を出力する。

次いで、図１及び図２を参照し、上記排ガス処理装置における排水処理方法について説明する。図２は、排水処理方法の流れを説明するためのフロー図である。図２に示すように、本実施の形態の排水処理方法では、浄化工程（ＳＴ１）、測定工程（ＳＴ２）、処理工程（ＳＴ３）及び供給工程（ＳＴ４）が行われる。

まず、浄化工程（ＳＴ１）では、エンジン２０からの排ガスｇ１が排ガス管２１を通ってスクラバ１０内に導入される。一方、第１海水ポンプ３０の駆動によってスクラバ１０内では、洗浄海水管３１を通って洗浄海水ａ１が霧状に噴射される。これにより、排ガスｇ１中に含まれるＳＯ_２、ＣＯ_２と霧状の洗浄海水ａ１とが接触して洗浄海水ａ１にＳＯ_２、ＣＯ_２が吸収され、排ガスｇ１が浄化されて浄化ガスｇ２としてスクラバ１０から排出される。ＳＯ_２、ＣＯ_２を吸収した洗浄海水ａ１は、排水ａ２としてスクラバ１０から排水処理タンク４０内に導入される。

上記浄化工程を行いながら、測定工程（ＳＴ２）が行われる。測定工程では、第１測定手段６１によって、排ガス管２１を流れてスクラバ１０に導入される前の排ガスｇ１の流量が測定され、第２測定手段６２によって、当該排ガスｇ１のＳＯ_２濃度が測定される。また、第３測定手段６３によって、スクラバ１０の浄化ガスｇ２の出口側を通過した浄化ガスｇ２のＳＯ_２濃度が測定され、第４測定手段６４によって、洗浄海水管３１を流れてスクラバ１０に導入される洗浄海水ａ１の流量が測定される。

浄化工程が行われると、処理工程（ＳＴ３）が行われる。処理工程では、排水処理タンク４０において、排水ａ２を曝気処理し、曝気処理水ａ３として排出経路４３から排出される。

処理工程が行われると、供給工程（ＳＴ４）が行われる。供給工程では、制御手段６５による第２海水ポンプ５０の制御によって、上記測定工程における測定値に応じた量の希釈海水ａ４が排出経路４３に供給される。これにより、排水処理タンク４０から排出された曝気処理水ａ３と、希釈海水ａ４とが混合され、曝気処理水ａ３が水質改善した処理水ａ５となって海水中に放流される。

以上説明したように、本実施の形態に係る排水処理方法によれば、排水処理タンク４０から排出された曝気処理水ａ３に希釈海水ａ４を混合しているので、排水処理タンク４０に希釈海水ａ４が導入しなくてよくなる。この希釈海水ａ４を導入しない分、排水処理タンク４０を小型化することができる。また、曝気処理する海水量を削減してブロア４１を駆動するための消費電力を抑制でき、曝気処理の短時間化も図ることができる。

次に、以下、本発明の第２の実施の形態について図３を参照して詳細に説明する。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その図示、説明を省略する。

図３は、第２の実施の形態に係る排ガス処理装置の概略構成図である。図３に示すように、本実施の形態に係る排ガス処理装置では、排出経路４３に希釈用タンク１００が設けられている。希釈用タンク１００には、排水処理タンク４０から排出された曝気処理水ａ３が導入されるとともに、第２海水ポンプ５０を介して希釈海水ａ４が供給される。従って、第２の実施の形態では、希釈用タンク１００の内部において、曝気処理水ａ３と希釈海水ａ４とが混合されて処理水ａ５とされる。これにより、希釈海水ａ４と曝気処理水ａ３とをより良く混合して、処理水ａ５の水質改善効果を高めることができる。なお、希釈用タンク１００の内部には、曝気処理水ａ３と希釈海水ａ４とを撹拌する撹拌装置（不図示）が好ましくは設けられる。

次に、第１の実施の形態に係る排水処理方法での省エネルギー効果、排水処理タンクの小型化を確認するために行った実験について説明する。本実験の実施例１，２及び比較例では、エンジン２０の出力を１０ＭＷとし、実施例１，２は、第１の実施の形態と同様の構成とし、比較例は、実施例１に対し、希釈海水ａ４の供給するポイントを排水処理タンク４０に変更した。実施例１及び比較例では、下記の表１における（１）〜（７）の条件にて運転を行った。

表１の（７）の条件及び（８）の結果から、実施例１は、比較例に対してエアレーション流量が半分であるにも関わらず、排ガスｇ１のＳＯ_２濃度や処理水ａ５のｐＨは同等であった。従って、曝気処理に必要なブロア４１の消費電力を削減することができる。

実施例２は、実施例１に対し、排水処理タンク容積を半分の２．５ｍ^３に変更し、且つ、エアレーション流量を変更して比較例と同じ条件にする等、下記の表２における（１）〜（７）の条件にて運転を行った。

実施例２及び比較例におけるに排水処理タンク４０の海水の流入量は、以下のようになる。
実施例２の流入量＝表２の（２）＝５００ｍ^３／ｈ
比較例の流入量＝表２の（２）＋（５）＝５００＋７８６＝１２８６ｍ^３／ｈ
従って、排水処理タンク４０の海水の流入量にあっては、比較例に比べて実施例２が半分以下となり、排水処理タンク４０の容量を半分として小型化を図ることができる。更に、排水処理タンク４０で曝気処理する海水量を削減して処理の効率化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

例えば、上記の供給工程において、希釈海水ａ４に代えて、他のアルカリ性物質を供給してもよい。アルカリ性物質の例を挙げると、海水、またはＮａＯＨ、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｃａ（ＯＨ）_２、ＣａＣＯ_３を含んだ水溶液、またはＮａＯＨ、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｃａ（ＯＨ）_２、ＣａＣＯ_３を含んだ固体或いは粉末、または電気分解によって生成したアルカリ水のうち少なくとも１つ以上である。上記アルカリ性物質を利用することで、希釈海水ａ４を供給する場合に比べ、供給流量を大幅に削減することができる。

１０スクラバ
４０排水処理タンク
５０第２海水ポンプ（供給手段）
６１第１測定手段
６２第２測定手段
６３第３測定手段
６４第４測定手段
ａ１洗浄海水
ａ２排水
ａ３曝気処理水
ａ４希釈海水（アルカリ性物質）
ａ５処理水
ｇ１排ガス
ｇ２浄化ガス

Claims

スクラバに導入された排ガス中に含まれるＳＯ_２を洗浄海水と接触させることで、排ガスを浄化して浄化ガスにし、ＳＯ_２を吸収した洗浄海水を排水として排水処理タンクに排出する浄化工程と、
前記スクラバに導入される前の排ガスの流量及びＳＯ_２濃度、前記浄化ガスのＳＯ_２濃度、並びに、前記スクラバへ導入される洗浄海水の流量を測定する測定工程と、
前記排水処理タンクにおいて、前記排水に空気を混入して曝気処理した曝気処理水にする処理工程と、
前記処理工程後、前記排水処理タンクから排出された前記曝気処理水に、前記測定工程の測定値に応じた量のアルカリ性物質を供給して混合する供給工程と、を備えることを特徴とする排ガス処理装置の排水処理方法。
前記供給工程において、前記曝気処理水が導入される希釈用タンクに前記アルカリ性物質を導入し、当該アルカリ性物質と前記曝気処理水とを混合することを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置の排水処理方法。
前記測定工程において、前記スクラバに導入される前の排ガスの流量を第１測定手段にて、当該排ガスのＳＯ _２濃度を第２測定手段にて、前記浄化ガスのＳＯ _２濃度を第３測定手段にて、前記スクラバへ導入される洗浄海水の流量を第４測定手段にて測定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排ガス処理装置の排水処理方法。
前記アルカリ性物質は海水であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の排ガス処理装置の排水処理方法。