JPH06501194A - ガス―固体接触法 - 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】 発明の名称＝ガスー固体接触法 本発明は、排気ガスストリームの処理、及び特に固体接触により排気ガスストリ ームのガス成分を除去することに関する。

ガスストリーム中の固体接触により除去され得るガス成分の一例は、アルミニウ ムの電解製法に見られる。ガス状のフッ化物及び特にフッ化水素は、精練１捏の 必然的な結果として電解槽ラインの排気ガス中に存在する。このようなガスが大 気に排気されると、このガスは、経済的見地から重要であるプロセスからの正味 損失を表す。また、フ・ン化物の解離を最低限にすることは、環境的見地から重 要である。

ガス状のフッ化物は、現在ドライスクラビング法による排フッ化物は、アルミナ 表面上に化学吸着及び／または物理吸着される。次にアルミナを、排気ガス中に はじめから含まれるどのような粒子も一緒にバッグノーウス内に収集する。

ドライスクラビング法において、アルミナと排気ガスとの間の一次接触は、２つ の型の反応器内で行われ、一方の型は輸送反応器として知られる。

輸送反応器では、−次アルミナは、分離される前にガスストリームの速度を加減 するため、低いところに導入される。

応益は、非常に簡単であるけれども、それらは比較的効果のないガス−固体接触 器であり、一般的に再循環（２０回までの）を行なって、所望のスクラビングを 達成する。多数回の再循環は、過度の処理により、結果的にアルミナ粒子をかな り消耗せしめ、粒径がアルミニウム電解槽供給量に重要なパラメータであるため に、この電解槽において、粒径が極度に微細であることによる制御の問題が起こ る。この型の反応器では、高い割合の再循環により、フッ化物の吸着に用いられ るアルミナが、高い割合でバッグハウスに移送されるため、バッグハウス中の固 体充填量が高くなる。

さらに、高い再循環率は、アルミナ上のフッ化物吸着率の予測および制御を、困 難なものにせしめる。

他の型の反応器は、市販の流動層システムを用いる。このようなシステムは、設 備投資コストが大きく、かつ流動層にわたる大きな圧力低下のために、高い運転 コストが予想される。

両方の型の反応器において、アルミナは、最終的にセルに供給され、不純物（炭 素、微量金属、及び排気ガス中の他の不純物）は電解セルに再循環される。

これらのシステムの両方を実際に用いると、フッ化物濃度を予測し得るレベルま で効果的に低減するためには、電解セルの高い率（はぼ１００％）の供給物の貯 蔵が、排気ガスストリームと接触しなければならないことがわかった。ガススト リーム中の不純物の結果として、供給物の品質が全体的に低下される。

本発明の目的は、より少量のアルミナ貯蔵物を用いて、電解層ライン中のフッ化 物レベルを低減できるように、ガス−固体接触の効率を改良することにある。

どのようなドライスクラビング操作でもその目的は、粒状材料上に排気ガススト リーム中のガス汚染物質を、高い能率で吸収または化学吸着し、この粒状材料へ の汚染物質の高い負荷能力を達成することにある。商業的見地から見れば、この ことは、ガスと固体の接触と関連づけられる操作コストを最低限にすることによ ってなされる。

気相の物質移動係数及びそれによる物質移動速度は、粒子のまわりの拡散境界層 の物質移動に対する抵抗力に、非常に高く依存する。境界層が、高い滑り速度（ 粒子とガスの間の相対速度）によって著しく減少される場合、物質移動は、粒子 表面における吸収率または化学吸着率に依存する。一般的に、この結果、物質移 動は非常に速い速度で進行する。このため、粒状材料が実質的にガス成分の飽和 限界に近付きながら、除去される前に、吸収プロセスは比較的短い残留時間の間 に平衡に達し得る。この結果として、気相内で同じ負荷を処理するためには、よ り少ない粒状材料が要求される。

粒状材料が高速の排気ガスと接触される場合、粒子表面への拡散の効果は最低限 になり、拡散の効果の吸収速度全体に対する効力は無視できる。

本発明によれば、その目的は、ガスストリームを、所定の速度で供給し、前記ガ スストリーム中に、ガス成分を吸収し得る粒状材料を導入し、ガス成分を減らす 工程、及び処理された粒状材料を回収する工程を含む、ガスストリームからガス 成分をスクラビングする方法において、粒状材料に対する所定の速度は、吸収プ ロセス及び処理された粒状材料の再生における粒状材料に対するガス成分の境界 層拡散の抵抗が、著しく減少するような大きさ及び方向であることを特徴とする 方法を提供することにある。

好ましくは、スクラビング操作の前に、実質的にすへての固体材料をガスストリ ームから取り除く。

好ましくは、粒状材料はアルミナであり、ガス状成分はガス状のフッ化物である 。

処理された微細な粒状材料（好ましくは４５μｍ以下）は、処理された粗い粒子 よりも大量の微量金属を含む。このため、より細かい粒子を処理された粗いアル ミナ粒子から分級すると、供給物として用いられる処理されたアルミナ中に含ま れる不純物の化合による影響は減少し得る。

微細な粒子は、精練所の電気分解の周辺で働く人々の職業上の健康問題を引き起 こすので、このことは、別の利益を有する。

このことから、他の見地によれば、本発明は、高速の排気ガスを、このガス成分 を吸収または化学吸着し得る粒状材料と接触する工程、 ガス成分の吸収が実質的に平衡に到達された粒状材料の粗い分級物を回収する工 程； 粒状材料の細かい分級物をガスストリームとともに移送せしめる工程、及び この細かい分級物を分離および回収する工程を含むガス成分の処理方法を提供す る。

このプロセスは、単に、細かい分級物をガスストリームと共にバッグハウスへを 移送することにより、バックフィルター上の個体負荷が低減され、及びこのよう な装置の操作コストを低減するという利点を存する。さらに、微量金属としての 高濃度の不純物を有する粒子は、システムから除去され、別に処理され得る。

処理されたアルミナにおける不純物レベルがさらに減少するとき、ガスストリー ム中の実質的に全ての固体粒状材料は、吸収する粒状材料と接触する前に除去さ れることが好ましい。

好ましくは、接触プロセスを、トロイドの反応領域を有する装置内で、排気ガス ストリームを反応の下方から導入しながら行なう。導入する排気ガスストリーム は、ガスストリームが反応領域を通って進行するとき、前記軸の周りで演習運動 をしながら与えられるように、トロイドの軸に対して傾斜する角度で、好ましく は反応領域の下方へ入いる。このようにして、高速ガスストリームは、比較的コ ンパクトな領域に受け入れられる。

ガスストリームが粒状材料に対し高速好ましくは１ｍ１ｇより大きいとき、境界 層は低減され、反応は材料表面上で迅速に行われる。このため、粒状材料が平衡 に到達するために必要な接触時間は、非常に短い。

粒状材料の処理された粗い分級物は、所定の残留時間後に引き取られ、細かい材 料はガスストリームと共に移送される。

図１は、本発明のプロセスの一実施態様を表すドライスクラビング装置の流れ図 を示す。

図２は、本発明のプロセスの一実施態様を実施するための装置の概略図を示す。

図３は、ガスストリーム及び反応領域内の粒子の相対速度を表す概略図を示す。

図４は、本発明のプロセスの一例を実行するための装置の断面透視図を示す。

図５ないし７は、滑り速度が減少する際に、粒子の周囲の拡散境界層が減少する ことを表す概略図を示す。

図８は、物質移動速度に関する滑り速度の効果及び反応速度における相対的な改 良を表すグラフを示す。

図９．１０．１１及び１２は、鉄、バナジウム、ニッケル及びガリウムが、各々 粒子の大きさの作用としてアルミナに吸収または化学吸着される量を表す図を示 す。

本発明のスクラビング方法を、アルミニウム精練からのフッ化物及び微量金属例 えばバナジウム、ニッケル、ガリウム、及び鉄の除去に関して述べる。

図１に示すプロセス全体の流れ図において、未処理のセル排気ガスは、まず固体 除去段階２にとおしてストリーム３として除去され、ンリカ、アルミナ、または 炭素等のどのような粒状材料もガスストリーム中に導入される。この段階は、サ イクロン形式またはマルチ−クローン形式または他の集塵装置であり得る。

このガスストリームは、次に、反応器４にとおされ、ここで、フッ化物及び微量 金属が、−次アルミナ５の表面上に、吸収及び化学吸着される。その後、処理さ れたアルミナの粗い分級物６は除去され、アルミニウム精練操作への供給物と混 合される。より細かい分級物は、じゃま板７をとおしてガスストリームとともに 移送され、バッグハウス８にとおされる前に、導入される粒子のうち大きいもの が分離される。細かい分級物中のより大きな粒子９は反応器に戻され、残渣１０ はガスストリームから粒子スチーム１１を分離するためのバッグハウスにとおさ れる。スチーム１１で除去された粒子は、一般的に約４５μｍ未満、好ましくは ２０μｍ１最も好ましくは約１０μｍの粒径を有する。

細かい分級物として反応器から除去される粒子の大きさを、十分に制御し続ける ことができる場合には、じゃま板システムは不必要になり得る。

図２及び４に示すように、本発明のプロセスを実施するための装置２０内では、 フッ化物含有排気ガスストリーム２１が、矢印の示す方向に導入する。トロイド の反応領域２２の下方は、多数の吸気ガイド２３を含み、このガイドは、流入す る高速排気ガスを、反応領域の入り口に対し少なくとも８０″の角度に方向付け ることにより、ガスを反応領域２２に対し実質的に円周の方向にへ移動せしめる 。このようにして、ガスは、反応領域２２の軸のまわりを反応器２０の領域の進 行領域中で渦巻き運動をする。

アルミナは、軸方向導管２４を介して反応器内へ供給され、この導管２４は、ガ スストリームかトロイドの反応領域に導入される前に、ガスストリーム中に均一 に分布された粒状材料を供給するための分岐円錐供給器２５を有する。

粒子がガスの流れと接触するとき、粒子に対応するガスストリームの渦巻き運動 及びガスストリームの速度は、以下に述べるように、拡散境界層のせん断及び破 裂を生ずる。粒子は最初に、遠心力により反応領域２２の外側に移動されるが、 粒子の多くが反応器に移動されると、反応領域はいっばいになり、処理された粒 子は反応領域の内側に押される。吸収プロセスを終え処理された粒子は、ストリ ーム２７として、導管２８を介して反応器から取り出され、精練セルまたは精練 電解槽供給物と混合される。

反応器２９の壁は、図４に示すように上方へ延び得、外側方向へ傾斜（図示せず ）して、ＩＮＩに示すようにプロセスが行われるまで、導入される微細な粒子を 保持する。

先に述べたように、アルミナ粒子が反応領域に導入されるとき、粒子速度とガス 速度との間の違いは、粒子の周囲の拡散境界層のせん断または破壊に十分なだけ 大きい。このことを図５．６、及び７に示す。

図５において、粒子の速度は、ガスの速度とおおよそ同じである。この結果、滑 り速度はゼロに近付き、輸送反応器中で行われるスクラビング操作に相応する。

図に示すように、拡散境界層は太き（、その結果、高い気相抵抗が生ずる。

図６において、滑り速度が減少して、より低い拡散境界層抵抗及びより速い気相 物質移動を生じた。この見解は、流動層に類似しており、スクラビング操作を改 良するけれども、資本及び操作コストがより高いことにより、この形式の反応器 の魅力は低くなる。

図７に示すように、ガス速度が粒子速度より大きいとき、境界層拡散抵抗は大き く低減される。ガス流れの方向に実質的にゼロ速度を有する粒子は、約１ｍ／秒 を越える滑り速度を有するもので、気相物質移動に対し実質的に低抵抗を提供し 、効果的なガススクラビングを達成する。ガスの速度は、全ての境界層を除去ま たは破壊するために十分であり、反応速度全体における粒子に対するフッ化物の 拡散の速度の効力が、大きく減少される。このように反応全体における速度測定 工程は、アルミナの表面上へのフッ化物の吸収または化学吸着にある。

フッ化物またはアルミナの間の反応が迅速に完了するとき、アルミナとの接触は 一回の処理で行われ得る。アルミニウム精練装置で作られる大量の排気ガスを処 理するために、反応器のバンクが平行に設置され得ることが好ましい。精練電解 層排気ガスからの通常のガス状フッ化物のドライスクラビング操作は、１００１ ００−４００ｐｐの濃度で、２−２−３Ｘ１０６Ｎ／時間を処理できなければな らない。

図８のグラフは、Ｘ軸が滑り速度のｍ７秒、Ｙｌ軸が物質移動のｃ＋ｎ／分、Ｙ ２軸が反応速度における相対的な改良の％対し、流動層ガススクラバーは、通常 ０．６ｍ／秒の滑り速度を存する。このため、１ｍ／秒より大きい滑り速度で操 作することにおける効果は図８から明確である。

本発明により、好ましくはトロイドの反応領域中で行われるガススクラビング操 作のために、好ましくは４ないし５ｍ／秒の滑り速度が用いられると、その結果 スクラビング効率が増加する。前述のように、トロイドの反応領域を用いること により、装置を運転して、アルミナの細かい分級物をガスストリームと共に移送 するかまたはその後の回収する。さらに、直径１ｍのトロイドの反応領域にわた る圧力降下は、１０−３０　ｍＩＩＩＨ２０であり、相応する流動層ガススクラ バーより小さい大きさのオーダーである。

本発明者らは、４５μｍ未満の細かい分級物が不均衡量の特に＠量金属を吸収ま たは化学吸着することを見出した。

図９．１０．１１及び１２は、粒子サイズ（Ｘ軸）の作用として、各々、鉄、バ ナジウム、ニッケル及びガリウムの吸収の部／百方（Ｙ軸）を示す。

アルミナ上へのアルミニウム精練セルの排気ガスからのガス状フッ化物の吸収ま たは化学吸着において、フッ化物および処理されたアルミナの両方は、精練セル への供給物として用いられ得る。ガリウム、ニッケル、鉄及びバナジウム等の微 量金属は、汚染物質と見なされ、その存在により、排気ガス中ではアルミナ上に ガス状フッ化物と同時に吸収あるいは化学吸着される。

微量金属が処理されたアルミナとともに精練セルに戻されることを防ぐために、 不均衡に高い微量金属の分級物を有する細かい分級物は回収され、精練セルへの 供給物には使用されない。図９ないし１２から、１０μｍ未満の分級物は、最高 比率の微量金属を有することが明らかであるが、４５μｍまでの細かい分級物を 分離することにより利点が得られることがわかる。

表１は、２０μｍ未満の粒径を有するアルミナと、４５μｍ未満の粒径を有する アルミナとの除去により得られる不純物レベルの減少を示す。

表　１ 成分　除去される分級物　重量％　％除去される細かい分級物の分離の利点は、 バナジウムとニッケルに関して顕著である。

本発明を、アルミナと接触することによるアルミニウムセル排気ガスからのガス フッ化物の除去に基づいて、主に説明してきたが、本発明のプロセスが、吸収ま たは化学吸着する粒子に対する拡散速度に依存する他のスクラビングまたは固体 接触の適用に、同様に適用し得ることは、当業者にたやすく理解できることであ る。例えば、煙道または製造されたガスからの脱硫等に応用し得る。二酸化硫黄 または他の酸化物の形で硫黄を含むようなガスは、排出する前にまず処理され、 放出される前に大気への有害な効果を最低限にすべきである。

一般的には、処理は、湿潤または乾燥スクラバー中で行われる。この場合、固体 接触中間体は、石灰または消石灰または酸化亜鉛を用い得る。粒子の周りの拡散 層の減少は、反応速度のレベル及び反応効率を増加する。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成５年２月３日

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．ガスストリームを所定の速度で供給し、前記ガスストリームをガス成分を吸 収または化学吸着し得る粒状材料と接触する工程、および前記処理された粒状材 料を回収する工程を含むガスストリームからガス成分をスクラビングする方法に おいて、粒状材料に対する前記所定の速度は、吸収プロセス及び処理された粒状 材料の再生における粒状材料に対するガス成分の境界層拡散の抵抗が、著しく減 少するような大きさ及び方向であることを特徴とするガスストリームからガス成 分をスクラビングする方法。
2. ２．前記粒状材料に対するガスストリームの所定の速度は、１ｍ／秒より大きい 請求項１に記載の方法。
3. ３．前記粒状材料的対するガスストリームの所定の速度は、４ｍ／秒より大きい 請求項１に記載の方法。
4. ４．前記粒状材料に対するガスストリームの所定の速度は、５ｍ／秒より小さい 請求項３に記載の方法。
5. ５．前記ガスストリームと前記粒状材料との間の接触は、トロイドの反応領域で 行われる請求項１に記載の方法。
6. ６．前記トロイドの反応領域の下方からの前記ガスストリームの導入は、実質的 に円周運動をしながら行なわれ、前記粒状材料は実質的に軸方向に反応領域へ入 る請求項５に記載の方法。
7. ７．前記粒状材料の細かい分級物は、前記ガスストリームによる粗い分級物から 分級され、前記細かい分級物は、前記ガスストリーム中に入れられ、ガスストリ ームとともに反応領域を出る請求項１または６に記載の方法。
8. ８．ガスストリームからのガス成分の前記粒状材料への吸収および化学吸着は、 粒状材料が反応領域を出る前に、実質的に平衡に達する請求項７に記載の方法。
9. ９．前記粒状材料はアルミナであり、前記ガス成分はガス状フッ化物である請求 項７に記載の方法。
10. １０．前記細かい分級物の粒径は、約４５μｍ未満である請求項９に記載の方法 。
11. １１．前記細かい分級物の粒径は、約２０μｍ未満である請求項１０に記載の方 法。
12. １２．前記細かい分級物の粒径は、約１０μｍ未満である請求項１１に記載の方 法。
13. １３．高速の排気ガスを、該ガスの成分を吸収または化学吸着し得る粒状材料と 接触する工程、ガス成分の吸着が実質的に平衡に到達せしめられた、粒状材料の 粗い分級物を回収する工程、前記粒状材料の細かい分級物をガスストリームとと もに移送せしめ、該細かい分級物を回収する工程を含む、ガス成分を含有する排 気ガスストリームの処理方法。
14. １４．前記高速ガスストリームはトロイドの反応領域で前記粒状材料に接触し、 前記排気ストリームは実質的に円周運動で前記反応領域をとおって移動し、及び 前記粒状材料は、実質的に軸方向に対向しながら反応領域内に供給される請求項 １３に記載の方法。
15. １５．前記粒状材料の速度に対し、前記排気ガスストリームの速度は約１ｍ／秒 より大きい請求項１４に記載の方法。
16. １６．前記粒状材料の速度に対し、前記排気ガスストリームの速度は約４ｍ／秒 より大きい請求項１４に記載の方法。
17. １７．前記粒状材料の速度に対し、前記排気ガスストリームの速度は約５ｍ／秒 未満である請求項１６に記載の方法。
18. １８．前記細かい分級物は、約４５μｍ未満の粒径を有する請求項１３または１ ４に記載の方法。
19. １９．前記細かい分級物は、約２０μｍ未満の粒径を有する請求項１３または１ ４に記載の方法。
20. ２０．前記細かい分級物は、約１０μｍ未満の粒径を有する請求項１３または１ ４に記載の方法。
21. ２１．前記粒状材料はアルミナであり、前記ガス成分はガス状フッ化物である請 求項１４または１４に記載の方法。
22. ２２．ガスストリームからのガス成分の前記アルミナヘの吸収は、処理されたア ルミナが反応領域を出る前に、実質的に平衝に達する請求項２１に記載の方法。