JP4841065B2 - 排煙のｓｏ３分除去装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排煙のＳＯ3分除去装置に関し、詳細には硫黄を含む燃料を使用する火炉からの排煙中の三酸化硫黄（ＳＯ3）分を除去するＳＯ3分除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
重質油等の硫黄を含む燃料を使用するボイラー等の火炉などでは、燃料中の硫黄の燃焼により排煙中に二酸化硫黄（ＳＯ2）が生成する。このため、重質油を使用する火炉などでは、排煙を大気に放出する前に脱硫装置により排煙処理を行い、ＳＯ2を除去するようにしている。
【０００３】
ところが、排煙中のＳＯ2の一部はボイラーや脱硝装置内で更に酸化して三酸化硫黄（ＳＯ3）に転換される。ＳＯ3は空気予熱器などを通過することにより排煙温度が低下して、例えば３００℃程度以下になると、排煙中の水分と反応して、ＳＯ3＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2ＳＯ4の反応によりＨ2ＳＯ4ガスを生成する。このＨ2ＳＯ4ガスは排煙温度が硫酸の露点以下になると微細な硫酸ミストを生成する。脱硫装置、特に湿式脱硫装置を使用した場合には脱硫装置通過時に排煙温度が硫酸露点温度以下に低下するため排煙中のＨ2ＳＯ4ガスは全て硫酸ミストになるが、湿式脱硫装置での硫酸ミストの除去率は低いため、重質油焚きボイラー等では、脱硫装置出口の排煙は比較的多量の硫酸ミストを含むようになる。硫酸ミストは、大気中に排出されると紫煙を生成するとともに、酸性降下物として大気汚染の原因となる。
【０００４】
排煙中の硫酸ミストを除去するものとしては、湿式電気集塵装置（以下、「湿式ＥＰ」という）が一般に使用される。湿式ＥＰは、電気集塵装置の集塵電極に水またはアルカリ液を噴霧することにより電極上に水膜を形成し、捕集した硫酸ミストを電極から洗浄、除去するようにしたものである。
また、湿式ＥＰを使用せずに排煙にＳＯ3の中和剤を投入することにより、硫酸ミストの生成を防止する装置も考案されている。
【０００５】
この種の装置としては、例えば特開２０００−３１７２６０号公報に記載されたものがある。同公報の装置は、脱硫装置上流側の比較的排煙温度が高い場所で排煙中にＳＯ3中和剤として炭酸カルシウムなどのアルカリ粉末を投入することにより、排煙中のＳＯ3を除去している。すなわち、排煙中に投入された炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）は、排煙中のＳＯ3またはＨ2ＳＯ4と反応してＣａＳＯ4を生成するため、その後排煙温度が低下してもＨ2ＳＯ4ミストは生成しない。また、炭酸カルシウムとＳＯ3との反応により生成されたＣａＣＯ3は腐食性ではないため、湿式ＥＰを用いなくとも通常の電気集塵装置で容易に捕集することができる。これにより、同公報の装置では湿式ＥＰを用いることなく硫酸ミストの大気への放出を防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ボイラー等では、負荷の変動や使用燃料中の硫黄分濃度、ボイラーの汚れなどにより排煙中のＳＯ3量は大きく変動する。このため、湿式ＥＰを用いて硫酸ミストを除去する場合には、湿式ＥＰの最大処理能力（捕集能力）は諸条件を考慮した上で最大のＳＯ3発生量に対して更に余裕をみた大きな値に設定する必要がある。また、湿式ＥＰは通常大きな設置面積を必要とするため、湿式ＥＰの処理能力を増大させると装置コスト、建設コストが大幅に増大してしまい、ボイラープラント全体のコストが上昇する問題がある。
【０００７】
また、上記特開２０００−３１７２６０号公報の装置のように、脱硫装置上流側にアルカリ粉末などのＳＯ3中和剤を投入する方法では、湿式ＥＰの処理能力増大に伴う建設コストの増大は生じないものの、結局ＳＯ3中和後のＣａＳＯ4等の粒子を除去するために集塵機が必要となる。更には、同公報の装置ではプラント運転中常に中和剤を排煙に投入する必要があり、比較的高価な中和剤の消費量が大きくなり、プラント運転コストの増大が生じる問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、湿式ＥＰの設置によるプラント建設コストの増大を生じることなく、プラント運転コストの増大を抑制可能な排煙のＳＯ3分除去装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、硫黄分を含む燃料を燃焼させる火炉からの排煙を煙突に導く排煙通路と、該排煙通路上に配置され、排煙中の二酸化硫黄（ＳＯ2）分を除去する湿式脱硫装置と、前記脱硫装置上流側の排煙通路に炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を供給する炭酸ナトリウム供給装置と、前記湿式脱硫装置上流側、かつ前記炭酸ナトリウムが供給される排煙通路部分下流側に配置され、排煙を冷却して排煙中のＳＯ3成分を液状Ｈ2ＳＯ4の形で凝縮させ、排煙から分離除去するＳＯ3分離装置と、を備え、前記炭酸ナトリウム供給装置は、炭酸水素ナトリウム粉末（ＮａＨＣＯ 3 ）を前記上流側煙道の排煙中に供給し、排煙中で炭酸水素ナトリウムを多孔質炭酸ナトリウム微粒子に転換する排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００１０】
すなわち、請求項１の発明では湿式ＥＰを使用することなく、湿式脱硫装置上流側の排煙に炭酸ナトリウムを供給することにより、排煙中のＳＯ3分（以下の説明では、ガス状のＳＯ3及びＨ2ＳＯ4、ミスト状のＨ2ＳＯ4とを総称してＳＯ3分と称する）をＮａ2ＳＯ4に転換する。後述するようにＮａ2ＳＯ4は湿式脱硫装置で容易に除去可能な粒子サイズになるため、湿式脱硫装置で除去することが可能である。しかし、排煙中のＳＯ3の全量をＮａ2ＳＯ4に転換するためには、運転中常に比較的多量の炭酸ナトリウムを排煙中に供給する必要があり、炭酸ナトリウム消費量の増大のためプラント運転コストが上昇する問題がある。
【００１１】
そこで、本発明では排煙中のＳＯ3の全量を除去するのではなく、排煙中の一部のＳＯ3のみを除去可能な程度まで炭酸ナトリウムの供給量を低減する。そして、炭酸ナトリウムの供給により除去できなかった残りのＳＯ3については、別途ＳＯ3分離装置を設けることにより排煙から除去するようにしている。本発明のＳＯ3分離装置は、排煙を冷却して排煙からＳＯ3成分を分離除去するものである。
【００１２】
前述したように排煙中のＳＯ3は温度がある程度（例えば３００℃程度）以下に低下すると排煙中の水分と反応してＨ2ＳＯ4を生成する。このＨ2ＳＯ4ガスは排煙温度が更に低下してＨ2ＳＯ4ガスの露点以下になると、凝縮して液状のＨ2ＳＯ4になる。本発明では、ＳＯ3を含む排煙を強制的に冷却することにより、排煙中のＳＯ3を液状のＨ2ＳＯ4に凝縮させて排煙から分離する。これにより、排煙中のＳＯ3をＳＯ3分離装置でＨ2ＳＯ4液の形で除去することが可能となり、湿式脱硫装置入口の排煙中のＳＯ3分が低下するようになる。
【００１３】
このため、排煙に供給する炭酸ナトリウムの供給量が低減され、プラントの運転コストが低下できる。
なお、本発明のＳＯ3分離装置は排煙を冷却することによりＳＯ3分を排煙から除去するものであるため、排煙からの熱回収器としても機能する。従って、ＳＯ3分離装置で回収した熱を再利用（例えばボイラー給水の加熱など）するようにすれば、更にプラントの運転コストを低減することが可能となる。
【００１５】
炭酸ナトリウム供給装置は炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）の粉末を排煙中に供給し、排煙中で炭酸ナトリウムの微粒子を形成する。排煙中に供給された炭酸水素ナトリウム粉末は排煙の熱により、２ＮａＨＣＯ3→Ｎａ2ＣＯ3＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏの分解反応を生じ、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）が排煙中に生成される。このＮａ2ＣＯ3粒子は、ＣＯ2、Ｈ2Ｏが抜けた部分が空孔となるため空隙率が高く比表面積の大きい多孔質構造の粒子となる。このため、生成したＮａ2ＣＯ3粒子は排煙中のＳＯ3分と効率良く反応してＳＯ3分がＮａ2ＳＯ4に転換されるようになる。
請求項２に記載の発明によれば、前記炭酸ナトリウム供給装置は、前記上流側煙道内の排煙の流れの逆向きに前記炭酸水素ナトリウム粉末を噴射して、前記炭酸水素ナトリウム粉末を前記上流側煙道の排煙中に供給する請求項１に記載の排煙のＳＯ 3 分除去装置が提供される。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、前記ＳＯ3分離装置は、冷却水と排煙とを伝熱面を介して熱交換させて排煙を冷却する熱交換器と、排煙通過中に前記伝熱面の排煙側表面に凝縮する液状Ｈ2ＳＯ4を水洗浄する洗浄装置と、を備えた請求項１または２に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項３の発明ではＳＯ3分離装置には冷却水を用いて排煙温度を低下させる熱交換器が使用される。熱交換器を用いて排煙温度を低下させることにより、Ｈ2ＳＯ4の凝縮は排煙と接触する伝熱面で生じ、生成した液体Ｈ2ＳＯ4は伝熱面に付着するようになる。伝熱面に付着した液状Ｈ2ＳＯ4は洗浄水を用いて運転中に伝熱面を洗浄することにより容易に除去可能である。これにより、本発明では簡易かつ安価に排煙中のＳＯ3分をＨ2ＳＯ4水溶液の形で除去することが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、前記湿式脱硫装置は、排煙が通過する吸収塔と、吸収塔内にＳＯ2吸収剤水溶液を噴霧して排煙中のＳＯ2を前記水溶液に吸収して回収する吸収剤循環装置とを備え、前記洗浄装置は、前記伝熱面を洗浄後のＨ2ＳＯ4を含む排水を前記吸収剤循環装置に補給水として供給する、請求項３に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項４の発明では請求項３の熱交換器の伝熱面を洗浄した後のＨ2ＳＯ4を含む洗浄水は、湿式脱硫装置の吸収剤循環装置に供給されて補給水として使用される。湿式脱硫装置の吸収塔では排煙にＳＯ2吸収剤の水溶液を噴霧することにより排煙中のＳＯ2を吸収剤中に吸収するが、この過程で排煙が水蒸気で飽和し、排煙とともにかなりの量の水が吸収塔から持去られるため、循環装置には常時水を補給する必要がある。従って、伝熱面の洗浄水を吸収剤循環装置に供給することにより、補給水の消費を低減することができる。また、洗浄水中に含まれるＨ2ＳＯ4は、ＳＯ2吸収剤と反応して中和されるため、本発明では洗浄水の処理のために別途水処理装置を設ける必要がなくなる利点がある。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、前記熱交換器は、内部を排煙が通過するケーシングと、該ケーシング内に配置され内部を冷却水が通過するチューブとを備えたシェル・アンド・チューブ式熱交換器であり、前記ケーシング内面とチューブ外面とは耐腐食性材料で構成、又は耐腐食性材料でコーティングされている、請求項４に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００２１】
すなわち、請求項５の発明ではＳＯ3分離装置に使用する熱交換器は、簡易な構成のシェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされる。また、排煙と接するケーシング内面と伝熱面としてのチューブ外面は、例えば、ステンレススチール等の耐化学薬品性を有する耐腐食性材料で構成されているか、又は例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（４フッ化エチレンパークロロアルキルビニルエーテルコポリマー）などの耐化学薬品性を有する耐腐食性材料で被覆されている。これにより、チューブ外面やケーシング内面のＨ2ＳＯ4による腐食が防止され、装置の信頼性が向上する。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、前記湿式脱硫装置は更に、排煙中に水を噴霧して前記吸収塔に流入する排煙温度を低下させる冷却塔を備え、前記ＳＯ3分離装置は前記冷却塔上部の排煙入口部分に配置され、前記洗浄装置は前記伝熱面洗浄後の排水を冷却塔内に供給し、冷却塔内に噴霧された水とともに前記吸収塔の吸収剤循環装置に補給水として供給する、請求項４または５のいずれか１項に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００２３】
すなわち、請求項６の発明では脱硫装置の吸収塔に流入する排煙の温度を低下させてＳＯ2の吸収効率を向上させるための冷却塔が設けられている。冷却塔内では排煙は冷却塔上部の排煙入口から塔内に流入し、塔内を下方に向けて流れつつ排煙内に噴霧された水の蒸発により温度が低下する。このとき、噴霧された水のかなりの量が蒸発し、排煙とともに冷却塔から持去られるため蒸発分だけの水を冷却塔に補給する必要がある。本発明では、冷却塔上部の排煙入口にＳＯ3分離装置が設けられているため、冷却塔に流入する排煙温度が低下し、冷却塔内で蒸発する水の量が低減される。また、ＳＯ3分離装置は冷却塔上部に配置されているため、伝熱面洗浄後の水は重力で冷却塔内に落下し、噴霧された水とともに冷却塔下部から吸収塔のＳＯ2吸収剤循環装置に補給される。このため、洗浄水を吸収剤循環装置に供給するための移送ポンプ等を別途設ける必要がない。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、前記熱交換器の冷却水としてボイラー給水を使用し、排煙の熱をボイラー給水に回収する、請求項３から６のいずれか１項に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００２５】
すなわち、請求項７の発明ではＳＯ3分離装置の熱交換器の冷却水としてボイラー給水が使用される。これにより、ＳＯ3を分離するために排煙から奪う熱をボイラー給水の予熱に使用することが可能となるため、炭酸ナトリウム供給装置のＮａ2ＣＯ3消費量の低減に加えて、ボイラー火炉の燃料消費量が大幅に低減されるようになり、全体としてのプラント運転コストが低減されるようになる。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、前記ＳＯ3分離装置上流側の排煙通路に、前記煙突に供給される排煙と、火炉から排出される排煙とを熱交換させるガス／ガスヒータを備え、前記炭酸ナトリウム供給装置は、空気予熱器下流側の排煙通路にＮａ2ＣＯ3を供給する、請求２に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００２７】
すなわち、請求項８の発明ではＳＯ3分離装置上流側には排煙と煙突入口（湿式脱硫装置装置通過後）の排煙とを熱交換させるガス／ガスヒータが設けられており、炭酸ナトリウム供給装置は空気予熱器下流側の排煙通路に供給される。湿式脱硫装置出口の排煙と火炉から排出される排煙とをガスヒータを用いて熱交換させることにより、煙突から放出される排煙の温度を上昇させて白煙発生を防止することができる。
【００２８】
また、排煙に炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）粉末を供給して排煙中に多孔質構造のＮａ2ＣＯ3を生成する場合には、ＮａＨＣＯ3粉末は排煙温度が高い部分に供給した方が多孔質構造のＮａ2ＣＯ3の生成が良好になる。また、Ｎａ2ＣＯ3は排煙中のガス状のＳＯ3及びＨ2ＳＯ4と反応するため、Ｎａ2ＣＯ3の供給はできるだけ排煙温度が高くミスト状のＨ2ＳＯ4が少ない部分に供給する方がＳＯ3分を除去する上で好ましい。このため、ガス／ガスヒータを設ける場合には炭酸ナトリウム供給装置から空気予熱器下流側の排煙通路に炭酸水素ナトリウム粉末を供給するようにすることにより、多孔質構造のＮａ2ＣＯ3の生成が良好になるとともに、Ｎａ2ＣＯ3による排煙中のＳＯ3分の除去が効率的に行われる。
【００２９】
請求項９に記載の発明によれば、既存の湿式脱硫装置の上流側排煙通路に、請求項１から８のいずれか１項に記載のＳＯ3分離装置と炭酸ナトリウム供給装置とを、それぞれ新たに追加設置することにより排煙のＳＯ3分除去装置を構成する、排煙のＳＯ3分除去装置の製作方法が提供される。
【００３０】
すなわち、請求項９の発明では、湿式脱硫装置を有する既存のボイラープラントを改造することにより、ＳＯ3分除去装置を製作する。請求項１から８のＳＯ3分離装置と炭酸ナトリウム供給装置とは、湿式脱硫装置であればどの形式の装置にも適用することができるため、本発明のように、既存の湿式脱硫装置を利用してＳＯ3分除去装置を製作することにより、極めて安価にＳＯ3分除去装置を製作することが可能となる。
【００３１】
請求項１０に記載の発明によれば、前記炭酸ナトリウム供給装置と前記湿式脱硫装置との間の排煙通路上に配置される機器は、排煙との接触部に可動部材を有さない機器のみで構成された、請求項１に記載のＳＯ3 分除去装置が提供される。
【００３２】
すなわち、請求項１０の発明では、炭酸ナトリウム供給装置と脱硫装置との間の排煙通路上には、ブロワー、ダンパーなどのように排煙との接触部に可動部材を有する機器を配置しない。炭酸ナトリウムとＳＯ3 分の反応性は高いので、反応により生成したＮａＨＳＯ3 の一部は更に排気中のＳＯ3 分と反応してＮａＨＳＯ4 （酸性硫酸ナトリウム）を生成する。このＮａＨＳＯ4 は極めて吸湿性が高く、ブロワーやダンパーなどのように可動部材を有する機器があると可動部に付着し、固着などの問題を生じる場合がある。そこで、本発明では、炭酸ナトリウム供給装置と湿式脱硫装置との間の排煙通路には、ブロワーやダンパーなどのような可動部材を有する機器を配置しないようにして固着などの問題が生じることを防止している。
【００３３】
請求項１１に記載の発明によれば、前記炭酸ナトリウム供給装置と前記湿式脱硫装置との間に、排煙中のＳＯ3 成分と反応後の炭酸ナトリウムを除去する炭酸ナトリウム除去装置を備え、前記炭酸ナトリウム供給装置と前記炭酸ナトリウム除去装置との間の排煙通路上に配置される機器は、排煙との接触部に可動部材を有さない機器のみで構成された、請求項１に記載のＳＯ3 分除去装置が提供される。
【００３４】
すなわち、請求項１１の発明では、炭酸ナトリウムと排気中のＳＯ3 成分との反応物を排煙から除去する炭酸ナトリウム除去装置が設けられている。これにより、除去装置通過後の排煙からは吸湿性の高いＮａＨＳＯ4 が除去されるため、排煙通路上の機器の可動部材の固着などの問題が防止される。また、この場合も、炭酸ナトリウム供給装置と炭酸ナトリウム除去装置との間の排煙通路には、固着等の問題を防止するために、ブロワーやダンパーなどのような可動部材を有する機器を配置しないようにする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明するが、その前に本発明のＳＯ3分離装置や炭酸ナトリウム供給装置を設けずに、湿式脱硫装置のみを用いて排煙処理を行った場合について説明する。
図６（Ａ）は、湿式脱硫装置のみを用いて排煙処理を行う場合の装置概略構成を説明する図である。
【００３６】
図６（Ａ）において、１はボイラー等の火炉、３はボイラー１の燃焼排煙が流れる煙道、７は排煙中のＳＯ2を除去する脱硫装置である。脱硫装置７としては一般的な公知の形式の湿式脱硫装置（例えば、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム等のＳＯ2吸収剤の水溶液と排煙とを接触させＣａＳＯ4の形で排煙中のＳＯ2を除去するもの、或いは水酸化マグネシウムや水酸化ナトリウムを使用し、排煙中のＳＯ2をＭｇＳＯ4またはＮａ2ＳＯ4の形で除去するもの）が使用される。脱硫装置７でＳＯ2を除去された排煙は、下流側の煙道９を通り、煙突１１から大気に放出される。
【００３７】
ボイラー１で重質油の燃焼により発生した燃焼ガス（排煙）は、煙道３に設けられた空気予熱器（エアヒータ）５を通過してボイラーに供給される燃焼空気と熱交換した後、脱硫ファン（図示せず）に吸引されて煙道３を流れ、脱硫装置７に供給される。
燃料として硫黄分を比較的多く（例えば２％程度以上）含む安価な重質油を使用すると、硫黄の酸化により多量のＳＯ2が生成し、その一部は更に酸化されてＳＯ3になる。ＳＯ3は、例えば空気予熱器５通過等により排煙温度が低下すると、その一部が排煙中の水分と反応して、ガス状または微細ミスト状の硫酸（Ｈ2ＳＯ4）を生成する。
【００３８】
従って、湿式脱硫装置７に供給される排煙中にはＳＯ2のみならず硫酸ガス及びミストが含まれている。湿式脱硫装置通過時には排煙温度が硫酸露点温度以下に低下するため排煙中の硫酸ガスは全て硫酸ミストになる。湿式脱硫装置７ではＳＯ2は高い効率で除去されるものの、湿式脱硫装置の硫酸ミストの除去率は低いため、通常、湿式脱硫装置７出口での排煙中の硫酸ミスト濃度は比較的高い値になる。
【００３９】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）にＩからＩＩＩで示した箇所における排煙温度と排煙中のＳＯ2濃度及びＳＯ3濃度を示している。なお、図６（Ｂ）では排煙中のＳＯ3とガス及びミスト状のＨ2ＳＯ4の合計濃度をＳＯ3濃度として表している。
図６（Ｂ）に示すように、空気予熱器５出口（ＩＩ）（すなわち湿式脱硫装置７入口）では、排煙中のＳＯ3濃度は６０ｐｐｍ程度になっており、ＳＯ2濃度は２０００ｐｐｍ程度の高い値になっている。
【００４０】
湿式脱硫装置７出口（ＩＩＩ）では、ＳＯ2の大部分が脱硫装置により除去され、ＳＯ2濃度は４０ｐｐｍ程度まで低下するが、ＳＯ3濃度はあまり低下せず、図６の例では４８ｐｐｍと比較的高い値になっている。
このように比較的高い濃度の硫酸ミストを含む排煙が煙突１１から直接大気に放出されると、煙突出口では微細な硫酸ミストが紫煙を形成し、いわゆる「紫煙がたなびく」現象が発生する。また、硫酸ミストが大気に放出されると酸性降下物となり周囲に降下する問題が生じる。
【００４１】
次に、図６（Ａ）の装置に、本発明の炭酸ナトリウム供給装置２０のみを追加した場合について説明する。
炭酸ナトリウム供給装置２０は、煙道３の空気予熱器５下流側の排煙中に炭酸水素ナトリウム（重曹、ＮａＨＣＯ3）微粉末を注入することにより、排煙中にＮａ2ＣＯ3粒子を形成するものである。
例えば、炭酸ナトリウム供給装置２０により、粒径２０ミクロンメートル程度以下の炭酸水素ナトリウム粉末を排煙中に注入すると、比較的低い排煙温度（例えば６０℃程度以上）で炭酸水素ナトリウムの分解反応、２ＮａＨＣＯ3→Ｎａ2ＣＯ3＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏを生じ、ガス状のＣＯ2とＨ2Ｏとが放出されて炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）が生成される。生成した炭酸ナトリウムは、ガスが放出された部分が空隙として残るため、粒子径は炭酸水素ナトリウム粉末からほとんど変化しないが、空隙率が大きな多孔質粒子となる。
【００４２】
このように、排煙中に空隙率の大きい多孔質粒子からなるＮａ2ＣＯ3が生成されると、排煙中のガス状ＳＯ3分（ＳＯ3及びガス状Ｈ2ＳＯ4）は粒子の細孔内に吸着されてＮａ2ＣＯ3と反応し、Ｎａ2ＣＯ3＋ＳＯ3→Ｎａ2ＳＯ4＋ＣＯ2、または、Ｎａ2ＣＯ3＋Ｈ2ＳＯ4→Ｎａ2ＳＯ4＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏにより、Ｎａ2ＳＯ4（硫酸ナトリウム）が生成される。このＮａ2ＳＯ4は、Ｎａ2ＣＯ3とほぼ同一の径を維持した粒子となるため、未反応のＮａ2ＣＯ3粒子と同様に脱硫装置７で容易に捕集される。また、Ｎａ2ＣＯ3、Ｎａ2ＳＯ4はともに水溶性であるため、脱硫装置でスケールを発生することなく容易に系外に排出することができる。また、同時に少量副生するＮａＨＳＯ4 も水溶性である。
【００４３】
図７（Ａ）は、図６（Ａ）の装置に参照符号２０で示す炭酸ナトリウム供給装置を付加した場合の装置構成を、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＩからＩＩＩの箇所における排煙温度、ＳＯ2濃度及びＳＯ3濃度を示している。図７（Ａ）のように、空気予熱器５下流側の排煙中に炭酸ナトリウム供給装置２０から炭酸水素ナトリウム粉末を供給することにより、多孔質構造のＮａ2ＣＯ3粒子の生成と、Ｎａ2ＣＯ3による排煙中のＳＯ3分の除去とが良好になる。なお、炭酸ナトリウム供給装置２０の構成については後述する。
【００４４】
一般に煙突からの紫煙の発生を防止するためには煙突１１入口での排煙中のＳＯ3濃度を２ｐｐｍ程度にまで低下させる必要がある。従って、湿式脱硫装置７におけるＳＯ3の除去効率が図６の場合と同等とすると、湿式脱硫装置７入口（図７、ＩＩ′点）におけるＳＯ3濃度（この場合には硫酸ミスト濃度）を２．５ｐｐｍ程度まで低下させる必要がある。
【００４５】
種々の条件にもよるが、このためには供給すべきＮａＨＣＯ3の量は、煙道３におけるＳＯ3分量に対して１．５から５倍当量程度のＮａ2ＣＯ3を生成するだけの量が必要となる。
これだけの量のＮａＨＣＯ3を炭酸ナトリウム供給装置２０から煙道３に供給すれば、湿式脱硫装置７入口におけるＳＯ3濃度を２．５ｐｐｍ程度まで低下させ、煙突１１から排出される排煙中のＳＯ3濃度を２ｐｐｍ程度まで低下させることが可能となる。
しかし、ＮａＨＣＯ3微粉末の価格は比較的高いため、このように多量のＮａＨＣＯ3微粉末をプラント運転中常時排煙に供給するとプラントの運転コストの上昇を招くことになる。
【００４６】
本発明は、炭酸ナトリウム供給装置２０から供給するＮａＨＣＯ3のみで排煙中のＳＯ3濃度を必要濃度まで低下させることを避けて、以下に説明するＳＯ3分離装置を用いて湿式脱硫装置７の上流側で排煙中のＳＯ3のかなりの部分を除去することにより、ＮａＨＣＯ3の消費量を低減してプラント運転コストを低減している。
【００４７】
図１は、本発明の一実施形態の構成を示す図６、７と同様な図であり、図６、７と同一の参照符号は同様な要素を示している。
図１（Ａ）に示すように、本実施形態では図７（Ａ）の炭酸ナトリウム供給装置２０に加えて空気予熱器５と湿式脱硫装置７との間の煙道にＳＯ3分離装置１０が設けられている点が、図７の場合と相違している。
【００４８】
本実施形態のＳＯ3分離装置１０の構造については後述するが、ＳＯ3分離装置１０は熱交換器を用いて排煙温度をＨ2ＳＯ4ガスの露点温度以下になるまで冷却することにより、排煙中のＳＯ3を液状のＨ2ＳＯ4の形で凝縮させるものである。排煙は熱交換器の伝熱面との接触により温度が低下するため、Ｈ2ＳＯ4の凝縮（結露）はまず伝熱面で生じ、凝縮した液状Ｈ2ＳＯ4の大部分は伝熱面に付着する。このため、伝熱面に付着したＨ2ＳＯ4を水で洗い流し排水の形で除去することにより、排煙中のＳＯ3が分離除去されるようになる。
【００４９】
図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示す各場所での排煙温度とＳＯ2濃度及びＳＯ3濃度を示している。図１（Ｂ）に示すように、本実施形態では、ＳＯ3分離装置１０入口（点ＩＩ′）の排煙の温度及びＳＯ2濃度は図６、図７と同一であるが、ＳＯ3濃度は４ｐｐｍ程度と、図７の場合に較べてかなり低くなっている。また、ＳＯ3分離装置１０出口（点ＩＩ″）では、排煙温度は１６０℃から１００℃に低下している。Ｈ2ＳＯ4ガスの露点は約１１０℃であり、ＳＯ3分離装置１０内で排煙中のＳＯ3はほぼ全量が液状のＨ2ＳＯ4の形で凝縮する。また、この凝縮はＳＯ3分離装置１０内の熱交換器の伝熱面で生じるため、凝縮したＨ2ＳＯ4の大部分が伝熱面に付着し、排煙から分離除去されるようになる。
【００５０】
このため、ＳＯ3分離装置出口では、ＳＯ3濃度は入口の４ｐｐｍから２．５ｐｐｍに低下する。
この結果、湿式脱硫装置７出口ではＳＯ3濃度は２ｐｐｍとなり、図７の場合と同等のＳＯ3濃度を維持することができる。
【００５１】
図７の場合と較べると、本実施形態では、炭酸ナトリウム供給装置２０からＮａＨＣＯ3供給後（図１、ＩＩ′点）の排煙中の残留ＳＯ3濃度は２．５ｐｐｍから４ｐｐｍに増大している。一般に、残留ＳＯ3濃度が低くなるほどＮａＨＣＯ3供給量を増大してもそれ以上ＳＯ3の濃度は低下しにくくなり、ＳＯ3濃度を１ｐｐｍ低下させるために増大しなければならないＮａＨＣＯ3の量は残留ＳＯ3濃度が低くなるほど増大する。このため、ＮａＨＣＯ3供給後のＳＯ3の許容残留濃度が２．５ｐｐｍから４ｐｐｍに増大すると、必要とされるＮａＨＣＯ3供給量は３０％程度少なくなる。
すなわち、本実施形態では、ＳＯ3分離装置１０を設けたことにより、ＮａＨＣＯ3の消費量が大幅に低減されている。
【００５２】
なお、図１の例ではＳＯ3分離装置上流側に排煙とボイラ燃焼空気とを熱交換させて燃焼空気を予熱するエアヒータ５を設けているが、エアヒータ５に加えて湿式ＥＰ８出口（または煙突１１入口）の排煙とＳＯ3分離装置上流側の排煙とを熱交換させて煙突から放出される排煙を加熱することにより、煙突での水蒸気による白煙の生成を防止するガス／ガスヒータを設けるようにしてもよい。
【００５３】
次に、本実施形態のＳＯ3分離装置１０の構成について図２を用いて説明する。
本実施形態のＳＯ3分離装置１０は、排煙が上方から下方に向けて通過するケーシング１０ａと、ケーシング１０ａ内に排煙の流れと直角に配置された、内部を冷却水が通過するチューブ１０ｂとからなるシェル・アンド・チューブ型の熱交換器１００と、チューブ１０ｂ群の上部に配置された洗浄装置１０１とを備えている。
【００５４】
洗浄装置１０１は、例えばチューブ１０ｂに平行に配置され、工業用水が供給されるヘッダー配管１０１ａと、ヘッダーからチューブ１０ｂ群上部に水平に延びる複数の枝管（図２の例では５本）１０１ｂと、各枝管からチューブ１０ｂ群に向けて水を噴射するノズル１０１ｃ、及び各枝管に設けられ、ヘッダー配管１０１ａから各枝管への水の供給を制御する開閉弁１０１ｄとを備えている。
【００５５】
本実施形態では、各枝管１０１ｂにそれぞれ２つずつ、計１０個のノズル１０１ｃが設けられており、各ノズルは図２にそれぞれのノズルを中心とした円で示す範囲に水を噴霧する。各ノズルからの噴霧円１０１ｅは隣接する噴霧円と充分に重複しており、１０個のノズルにより熱交換器１００の全部のチューブ１０ｂの外周を残すことなく洗浄可能となっている。
図２のＳＯ3分離装置１０では、ケーシング１０ａ上部から流入する排煙がケーシング１０ａ内でチューブ１０ｂと接触して、低温のチューブ１０ｂの外周上に排煙中のＳＯ3成分が液状のＨ2ＳＯ4として凝縮、付着する。チューブ１０ｂ外周のＨ2ＳＯ4付着量は時間とともに増大し、排煙中の煤塵とともにスケールを形成するが、本実施形態では洗浄装置１０１により定期的にチューブ外周を水で洗浄することにより、チューブ１０ｂの外周へのスケールの堆積によるチューブの熱交換効率の低下を防止するとともに、凝縮したＨ2ＳＯ4を排煙から分離除去している。
【００５６】
チューブ１０ｂの洗浄は、例えば排煙通過中に各枝管１０１ｃの開閉弁１０１ｄを１つずつ順番に一定時間ずつ開弁してノズル１０１ｃから水を噴霧することにより行う。これにより、チューブ１０ｂの洗浄は１度に２つのノズル１０１ｃからの水噴霧により全表面の５分の１ずつ行われる。例えば、本実施形態では１時間間隔で枝管を変えて１回あたり２分程度の水噴射を繰返すため、５時間１０分を１サイクルとして、ＳＯ3の分離を継続しながらチューブ１０ｃの全表面の洗浄が繰返される。
【００５７】
なお、チューブ１０ｂ表面及びケーシング１０ａ内面はＨ2ＳＯ4ミストと接触するため、強度の腐食環境となる。このため、本実施形態ではチューブ１０ｂ表面とケーシング１０ａ内面はすべて耐化学薬品性の高いＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（４フッ化エチレンパークロロアルキルビニルエーテルコポリマー）のコーティングを行って、チューブやケーシングの腐食を防止している。このように、ＰＴＦＥコーティングまたはＰＦＡコーティングと水洗浄とを併用することにより、熱交換器１０の腐食がほぼ完全に防止される。なお、ケーシング１０ａ、チューブ１０ｂを耐化学薬品性の高いステンレススチール等の耐腐食性材料で構成するようにしても良い。
【００５８】
更に、本実施形態ではチューブ１０ｂに供給する冷却水として、ボイラー給水を用いている。図１（Ｂ）に示すように、ＳＯ3分離装置１０の熱交換器１００では排煙の温度降下が比較的大きくなるため、この排熱を熱交換器１００でボイラー給水を加熱するために使用することにより、ボイラーの燃料消費を大幅に低減することが可能となる。また、熱交換機１００で排煙を冷却後の冷却水を用いて煙突入口の排煙を加熱し、煙突出口での白煙生成を防止することも可能である。（この場合は、煙突入口の排煙と冷却水（温水）との熱交換器を設置することになる。）
【００５９】
すなわち、本実施形態では図１に示すようにＳＯ3分離装置１０を設けることにより、炭酸ナトリウム供給装置２０からのＮａＨＣＯ3供給量を大幅に低減しつつ排煙中のＳＯ3を除去することができるため、比較的硫黄含有量の高い（例えば２％以上）安価な重質油を使用してボイラーの運転コストを低減することが可能となっているが、更にＳＯ3分離装置１０の熱交換器１００をボイラー給水を加熱するエコノマイザーとして使用することにより、上記に加えて燃料消費量を大幅に低減することが可能となっている。
【００６０】
次に、ＳＯ3分離装置１０の洗浄装置１０１でチューブ１０ｂ表面の洗浄に用いた排水の処理について説明する。チューブ１０ｂ表面洗浄後の排水は、チューブに付着していた硫酸を含んでいる。このため、洗浄後の排水はそのまま放水することはできず、硫酸の中和処理が必要となる。
【００６１】
本実施形態では、チューブ１０ｂ洗浄後の排水を湿式脱硫装置７の吸収塔に供給することにより、排水処理設備を別途設けることなく洗浄排水を中和処理するとともに、吸収塔のＳＯ2吸収剤水溶液の補給水として使用することにより、湿式脱硫装置７の水の消費量を低減することを可能としている。
【００６２】
図３は、ＳＯ3分離装置１０の洗浄排水を吸収塔の補給水として用いる場合のＳＯ3分離装置の配置を模式的に示す図である。
図３において、７１は湿式脱硫装置７の吸収塔、７５はＳＯ2吸収剤（例えば水酸化カルシウムなどのＳＯ2吸収剤水溶液の循環ポンプ、７３は吸収塔７１の上流側に配置された冷却塔である。冷却塔７３は、吸収塔７３に流入する排煙温度を低下させてＳＯ2の吸収効率を向上させるためのものである。冷却塔７３内では、排煙は冷却塔上部に設けられた入口から冷却塔内に入り、塔内を下向きに流れ、冷却塔７３下部に設けられた排煙通路７７から吸収塔７１内に流入する。
【００６３】
冷却塔７３内では、外部から供給された工業用水が冷却ノズル７３ａから排煙中に噴霧され、その一部が蒸発して排煙温度を低下させる。冷却ノズル７３ａから噴霧された水は冷却塔７３下部の水槽７３ｂに一時貯留され、水位の上昇により排煙通路７７からオーバーフローして吸収塔の吸収剤水溶液の循環水槽７１ｂに流入する。循環水槽７１ｂ内の吸収剤水溶液は循環ポンプ７５により吸収塔上部のノズル７１ａから排煙中に噴霧され、噴霧された吸収剤は吸収塔７１内を上方に流れる排煙と接触し、例えばＣａＳＯ4の形で排煙中のＳＯ2を吸収して循環水槽７１ｂに回収される。
また、吸収剤によりＳＯ2を除去された排煙は吸収塔７１上部から煙道に流出する。
【００６４】
図３に示すように、本実施形態ではＳＯ3分離装置１０は冷却塔７３上部の排煙入口に配置されている。このため、ＳＯ3分離装置１０のチューブを洗浄した後のＨ2ＳＯ4を含む排水は、冷却塔７３内を降下して下部の水槽７３ｂに入り、更にオーバーフローして吸収塔７１の循環水槽７１ｂに供給される。これにより、洗浄排水中のＨ2ＳＯ4がＳＯ2吸収剤（例えば水酸化カルシウムなど）と反応して中和されるとともに、循環水槽７１ｂへの補給水の量が低減される。
【００６５】
更に、本実施形態では冷却塔７３に流入する排煙温度は、ＳＯ3分離装置１０を通過したためにかなり低下している（図１（Ｂ）参照）。このため、冷却塔７１内で排煙を冷却する際に蒸発する水の量が減少し、冷却塔での水の消費量そのものが低減される。従って本実施形態では上述の補給水の低減と併せて湿式脱硫装置７における工業用水の消費量を大幅に低減することが可能となる。
【００６６】
なお、図４に示すように、独立した冷却塔を備えておらず、吸収塔７１入口の排煙通路７７に冷却ノズル７３ａを設けて水を噴射することにより排煙を冷却する構成においても、排煙通路７７上部にＳＯ3分離装置１０を配置することにより図３の場合と同等の工業用水の低減効果を得ることができる。
【００６７】
次に、図５を用いて本実施形態の炭酸ナトリウム供給装置２０の構成について説明する。
図５において、２０１は炭酸水素ナトリウム粉末を貯留するサイロ、２１０はサイロ２０１内に貯留されたＮａＨＣＯ3粉末を示す。サイロ２０１の出口部分には、公知の形式の粉体用定量供給装置２０６が設けられており、サイロ２０１内のＮａＨＣＯ3粉末を一定の流量で輸送配管２０８に供給している。輸送配管２０８は、煙道３に設けられた噴射ノズル３１５に接続されており、空気輸送用ブロワ２０７から供給される搬送空気により、ＮａＨＣＯ3粉末を煙道３内に噴射する。なお、ノズル３１５は煙道３内の排煙の流れ（図５、矢印Ａ）に対して逆向きにＮａＨＣＯ3を噴射する。これにより噴射されたＮａＨＣＯ3粉末は煙道内の排煙中に一様に混合するようになる。
【００６８】
サイロ２０１には、サイロ内でのＮａＨＣＯ3粉末の流動性を増大させて定量供給装置からのＮａＨＣＯ3粉末供給量が均一になるように、フリューダイズ空気が供給されている。フリューダイズ空気はフリューダイズブロワ２０４から空気配管２０５を経て、サイロ２０１下部壁面に設けた散気板２０３の多数の細孔からＮａＨＣＯ3粉末２１０内に噴射される。これにより、サイロ２０１内のＮａＨＣＯ3粉末は塊を形成することなく滑らかに流動して定量供給装置２０６に流入するようになる。フリューダイズ空気は、ＮａＨＣＯ3粉末２１０内を通過後、サイロ２０１上部に設けた、バグフィルタ２０９を通って外部に放出される。ＮａＨＣＯ3粉末の煙道３への供給量（流量）は定量供給装置２０６の作動速度を変化させることにより調節することができる。
【００６９】
本実施形態のＳＯ3分離装置１０は、湿式脱硫装置の種類を問わず、図３、図４に示すように湿式脱硫装置上に設置することが可能である。また、本実施形態の炭酸ナトリウム供給装置２０は、図５に示すように煙道３にノズル３１５を介して容易に接続することができる。このため、例えば、図６に示したように脱硫装置のみを用いて排煙処理を行っている既存の排煙処理装置においても、既設の湿式脱硫装置をそのまま使用して、簡単な改造工事でＳＯ3分離装置と炭酸ナトリウム供給装置２０との追加設置を行うことができる。このため、既設の湿式脱硫装置を利用した改造工事により本発明のＳＯ3分除去装置を製作する方法によれば、極めて安価にＳＯ3分除去装置を構成することが可能となる。
【００７０】
なお、上記実施形態では湿式脱硫装置出口に湿式ＥＰを設置しない場合を例にとって説明したが、図１の構成で、更に湿式脱硫装置７出口に湿式ＥＰを設置すれば、ＮａＨＣＯ3の消費量を更に低減可能であることは言うまでもない。また、湿式ＥＰの代りに、例えば、排煙中の硫酸ミストなどの粒子を帯電させるとともに、この帯電した粒子に水などの誘電体を噴霧し、噴霧した誘電体に直流電界を印加することにより誘電体を誘電分極させ、比較的粒径の大きい誘電体に帯電した硫酸ミストなどの微細な粒子を補足させる形式の電気集塵装置を使用することも可能である。このような電気集塵装置では、比較的大きい誘電体粒子にサブミクロンの硫酸ミスト粒子を補足させ、誘電体粒子とともに捕集することにより、サブミクロン粒子の捕集効率を大幅に向上させることが可能となり、湿式ＥＰと同じＳＯ3除去効率を維持しながら装置を小型化することが可能となる。
【００７１】
なお、上記の実施形態において、排煙中に供給された炭酸ナトリウムとＳＯ3 との反応により生成したＮａＨＳＯ3 の一部は更に排気中のＳＯ3 分と反応してＮａＨＳＯ4 （酸性硫酸ナトリウム）を生成するが、このＮａＨＳＯ4 は極めて吸湿性が高く、ブロワーやダンパーなどのように可動部材を有する機器があると可動部に付着し、固着などの問題を生じる場合がある。このため、炭酸ナトリウム供給装置と湿式脱硫装置との間の排煙通路には、ブロワーやダンパーなどのような可動部材を有する機器を配置しないようにして固着などの問題を生じることを防止することが好ましい。
【００７２】
また、炭酸ナトリウム供給装置と湿式脱硫装置との間に、例えば集塵装置などのように、炭酸ナトリウムとＳＯ3 との反応生成物を除去可能な炭酸ナトリウム除去装置を設けた場合には、炭酸ナトリウム除去装置下流側の排煙通路には、可動部材を有する機器を配置しても固着などの問題は生じない。しかし、この場合にも炭酸ナトリウム供給装置と炭酸ナトリウム除去装置との間の排煙通路には、ブロワーやダンパーなどのような可動部材を有する機器を配置しないようにして、固着などの問題の発生を防止することが好ましい。
【００７３】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、プラント運転コストの増大を招くことなく排煙中のＳＯ3を除去することが可能となる共通の効果を奏する。
更に、請求項９に記載の発明では、上記共通の効果に加えて既設の湿式脱硫装置を有する排煙処理装置を改造することにより簡易にＳＯ3分除去装置を構成することが可能となるため、更に装置コストを低減することが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は本発明のＳＯ3分除去装置の一実施形態の全体構成を模式的に示す図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の各部における排煙中のＳＯ3濃度を説明する図である。
【図２】図１のＳＯ3分除去装置に用いるＳＯ3分離装置の一実施形態の構成を説明する図である。
【図３】ＳＯ3分離装置の配置例を示す図である。
【図４】ＳＯ3分離装置の配置の別の例を示す図である。
【図５】図１のＳＯ3分除去装置に用いる炭酸ナトリウム供給装置の一実施形態の構成を説明する図である。
【図６】図６（Ａ）は湿式脱硫装置のみを用いて排煙処理を行う場合の装置構成を示す図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の各部における排煙中のＳＯ3濃度を説明する図である。
【図７】図７（Ａ）は湿式脱硫装置のみを用いて排煙処理を行う場合の装置構成を示す図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の各部における排煙中のＳＯ3濃度を説明する図である。
【符号の説明】
１…ボイラ
３…煙道
５…空気予熱器
７…湿式脱硫装置
１０…ＳＯ3分離装置
１１…煙突
２０…炭酸ナトリウム供給装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、排煙のＳＯ3分除去装置に関し、詳細には硫黄を含む燃料を使用する火炉からの排煙中の三酸化硫黄（ＳＯ3）分を除去するＳＯ3分除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
重質油等の硫黄を含む燃料を使用するボイラー等の火炉などでは、燃料中の硫黄の燃焼により排煙中に二酸化硫黄（ＳＯ2）が生成する。このため、重質油を使用する火炉などでは、排煙を大気に放出する前に脱硫装置により排煙処理を行い、ＳＯ2を除去するようにしている。
【０００３】
ところが、排煙中のＳＯ2の一部はボイラーや脱硝装置内で更に酸化して三酸化硫黄（ＳＯ3）に転換される。ＳＯ3は空気予熱器などを通過することにより排煙温度が低下して、例えば３００℃程度以下になると、排煙中の水分と反応して、ＳＯ3＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2ＳＯ4の反応によりＨ2ＳＯ4ガスを生成する。このＨ2ＳＯ4ガスは排煙温度が硫酸の露点以下になると微細な硫酸ミストを生成する。脱硫装置、特に湿式脱硫装置を使用した場合には脱硫装置通過時に排煙温度が硫酸露点温度以下に低下するため排煙中のＨ2ＳＯ4ガスは全て硫酸ミストになるが、湿式脱硫装置での硫酸ミストの除去率は低いため、重質油焚きボイラー等では、脱硫装置出口の排煙は比較的多量の硫酸ミストを含むようになる。硫酸ミストは、大気中に排出されると紫煙を生成するとともに、酸性降下物として大気汚染の原因となる。
【０００４】
排煙中の硫酸ミストを除去するものとしては、湿式電気集塵装置（以下、「湿式ＥＰ」という）が一般に使用される。湿式ＥＰは、電気集塵装置の集塵電極に水またはアルカリ液を噴霧することにより電極上に水膜を形成し、捕集した硫酸ミストを電極から洗浄、除去するようにしたものである。
また、湿式ＥＰを使用せずに排煙にＳＯ3の中和剤を投入することにより、硫酸ミストの生成を防止する装置も考案されている。
【０００５】
この種の装置としては、例えば特開２０００−３１７２６０号公報に記載されたものがある。同公報の装置は、脱硫装置上流側の比較的排煙温度が高い場所で排煙中にＳＯ3中和剤として炭酸カルシウムなどのアルカリ粉末を投入することにより、排煙中のＳＯ3を除去している。すなわち、排煙中に投入された炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）は、排煙中のＳＯ3またはＨ2ＳＯ4と反応してＣａＳＯ4を生成するため、その後排煙温度が低下してもＨ2ＳＯ4ミストは生成しない。また、炭酸カルシウムとＳＯ3との反応により生成されたＣａＣＯ3は腐食性ではないため、湿式ＥＰを用いなくとも通常の電気集塵装置で容易に捕集することができる。これにより、同公報の装置では湿式ＥＰを用いることなく硫酸ミストの大気への放出を防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ボイラー等では、負荷の変動や使用燃料中の硫黄分濃度、ボイラーの汚れなどにより排煙中のＳＯ3量は大きく変動する。このため、湿式ＥＰを用いて硫酸ミストを除去する場合には、湿式ＥＰの最大処理能力（捕集能力）は諸条件を考慮した上で最大のＳＯ3発生量に対して更に余裕をみた大きな値に設定する必要がある。また、湿式ＥＰは通常大きな設置面積を必要とするため、湿式ＥＰの処理能力を増大させると装置コスト、建設コストが大幅に増大してしまい、ボイラープラント全体のコストが上昇する問題がある。
【０００７】
また、上記特開２０００−３１７２６０号公報の装置のように、脱硫装置上流側にアルカリ粉末などのＳＯ3中和剤を投入する方法では、湿式ＥＰの処理能力増大に伴う建設コストの増大は生じないものの、結局ＳＯ3中和後のＣａＳＯ4等の粒子を除去するために集塵機が必要となる。更には、同公報の装置ではプラント運転中常に中和剤を排煙に投入する必要があり、比較的高価な中和剤の消費量が大きくなり、プラント運転コストの増大が生じる問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、湿式ＥＰの設置によるプラント建設コストの増大を生じることなく、プラント運転コストの増大を抑制可能な排煙のＳＯ3分除去装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、硫黄分を含む燃料を燃焼させる火炉からの排煙を煙突に導く排煙通路と、該排煙通路上に配置され、排煙中の二酸化硫黄（ＳＯ2）分を除去する湿式脱硫装置と、前記脱硫装置上流側の排煙通路に炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を供給する炭酸ナトリウム供給装置と、前記湿式脱硫装置上流側、かつ前記炭酸ナトリウムが供給される排煙通路部分下流側に配置され、排煙を冷却して排煙中のＳＯ3成分を液状Ｈ2ＳＯ4の形で凝縮させ、排煙から分離除去するＳＯ3分離装置と、を備え、前記炭酸ナトリウム供給装置は、炭酸水素ナトリウム粉末（ＮａＨＣＯ 3 ）を前記上流側煙道の排煙中に供給し、排煙中で炭酸水素ナトリウムを多孔質炭酸ナトリウム微粒子に転換する排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００１０】
すなわち、請求項１の発明では湿式ＥＰを使用することなく、湿式脱硫装置上流側の排煙に炭酸ナトリウムを供給することにより、排煙中のＳＯ3分（以下の説明では、ガス状のＳＯ3及びＨ2ＳＯ4、ミスト状のＨ2ＳＯ4とを総称してＳＯ3分と称する）をＮａ2ＳＯ4に転換する。後述するようにＮａ2ＳＯ4は湿式脱硫装置で容易に除去可能な粒子サイズになるため、湿式脱硫装置で除去することが可能である。しかし、排煙中のＳＯ3の全量をＮａ2ＳＯ4に転換するためには、運転中常に比較的多量の炭酸ナトリウムを排煙中に供給する必要があり、炭酸ナトリウム消費量の増大のためプラント運転コストが上昇する問題がある。
【００１１】
そこで、本発明では排煙中のＳＯ3の全量を除去するのではなく、排煙中の一部のＳＯ3のみを除去可能な程度まで炭酸ナトリウムの供給量を低減する。そして、炭酸ナトリウムの供給により除去できなかった残りのＳＯ3については、別途ＳＯ3分離装置を設けることにより排煙から除去するようにしている。本発明のＳＯ3分離装置は、排煙を冷却して排煙からＳＯ3成分を分離除去するものである。
【００１２】
前述したように排煙中のＳＯ3は温度がある程度（例えば３００℃程度）以下に低下すると排煙中の水分と反応してＨ2ＳＯ4を生成する。このＨ2ＳＯ4ガスは排煙温度が更に低下してＨ2ＳＯ4ガスの露点以下になると、凝縮して液状のＨ2ＳＯ4になる。本発明では、ＳＯ3を含む排煙を強制的に冷却することにより、排煙中のＳＯ3を液状のＨ2ＳＯ4に凝縮させて排煙から分離する。これにより、排煙中のＳＯ3をＳＯ3分離装置でＨ2ＳＯ4液の形で除去することが可能となり、湿式脱硫装置入口の排煙中のＳＯ3分が低下するようになる。
【００１３】
このため、排煙に供給する炭酸ナトリウムの供給量が低減され、プラントの運転コストが低下できる。
なお、本発明のＳＯ3分離装置は排煙を冷却することによりＳＯ3分を排煙から除去するものであるため、排煙からの熱回収器としても機能する。従って、ＳＯ3分離装置で回収した熱を再利用（例えばボイラー給水の加熱など）するようにすれば、更にプラントの運転コストを低減することが可能となる。
【００１５】
炭酸ナトリウム供給装置は炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）の粉末を排煙中に供給し、排煙中で炭酸ナトリウムの微粒子を形成する。排煙中に供給された炭酸水素ナトリウム粉末は排煙の熱により、２ＮａＨＣＯ3→Ｎａ2ＣＯ3＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏの分解反応を生じ、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）が排煙中に生成される。このＮａ2ＣＯ3粒子は、ＣＯ2、Ｈ2Ｏが抜けた部分が空孔となるため空隙率が高く比表面積の大きい多孔質構造の粒子となる。このため、生成したＮａ2ＣＯ3粒子は排煙中のＳＯ3分と効率良く反応してＳＯ3分がＮａ2ＳＯ4に転換されるようになる。
請求項２に記載の発明によれば、前記炭酸ナトリウム供給装置は、前記上流側煙道内の排煙の流れの逆向きに前記炭酸水素ナトリウム粉末を噴射して、前記炭酸水素ナトリウム粉末を前記上流側煙道の排煙中に供給する請求項１に記載の排煙のＳＯ 3 分除去装置が提供される。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、前記ＳＯ3分離装置は、冷却水と排煙とを伝熱面を介して熱交換させて排煙を冷却する熱交換器と、排煙通過中に前記伝熱面の排煙側表面に凝縮する液状Ｈ2ＳＯ4を水洗浄する洗浄装置と、を備えた請求項１または２に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項３の発明ではＳＯ3分離装置には冷却水を用いて排煙温度を低下させる熱交換器が使用される。熱交換器を用いて排煙温度を低下させることにより、Ｈ2ＳＯ4の凝縮は排煙と接触する伝熱面で生じ、生成した液体Ｈ2ＳＯ4は伝熱面に付着するようになる。伝熱面に付着した液状Ｈ2ＳＯ4は洗浄水を用いて運転中に伝熱面を洗浄することにより容易に除去可能である。これにより、本発明では簡易かつ安価に排煙中のＳＯ3分をＨ2ＳＯ4水溶液の形で除去することが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、前記湿式脱硫装置は、排煙が通過する吸収塔と、吸収塔内にＳＯ2吸収剤水溶液を噴霧して排煙中のＳＯ2を前記水溶液に吸収して回収する吸収剤循環装置とを備え、前記洗浄装置は、前記伝熱面を洗浄後のＨ2ＳＯ4を含む排水を前記吸収剤循環装置に補給水として供給する、請求項３に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項４の発明では請求項３の熱交換器の伝熱面を洗浄した後のＨ2ＳＯ4を含む洗浄水は、湿式脱硫装置の吸収剤循環装置に供給されて補給水として使用される。湿式脱硫装置の吸収塔では排煙にＳＯ2吸収剤の水溶液を噴霧することにより排煙中のＳＯ2を吸収剤中に吸収するが、この過程で排煙が水蒸気で飽和し、排煙とともにかなりの量の水が吸収塔から持去られるため、循環装置には常時水を補給する必要がある。従って、伝熱面の洗浄水を吸収剤循環装置に供給することにより、補給水の消費を低減することができる。また、洗浄水中に含まれるＨ2ＳＯ4は、ＳＯ2吸収剤と反応して中和されるため、本発明では洗浄水の処理のために別途水処理装置を設ける必要がなくなる利点がある。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、前記熱交換器は、内部を排煙が通過するケーシングと、該ケーシング内に配置され内部を冷却水が通過するチューブとを備えたシェル・アンド・チューブ式熱交換器であり、前記ケーシング内面とチューブ外面とは耐腐食性材料で構成、又は耐腐食性材料でコーティングされている、請求項４に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００２１】
すなわち、請求項５の発明ではＳＯ3分離装置に使用する熱交換器は、簡易な構成のシェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされる。また、排煙と接するケーシング内面と伝熱面としてのチューブ外面は、例えば、ステンレススチール等の耐化学薬品性を有する耐腐食性材料で構成されているか、又は例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（４フッ化エチレンパークロロアルキルビニルエーテルコポリマー）などの耐化学薬品性を有する耐腐食性材料で被覆されている。これにより、チューブ外面やケーシング内面のＨ2ＳＯ4による腐食が防止され、装置の信頼性が向上する。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、前記湿式脱硫装置は更に、排煙中に水を噴霧して前記吸収塔に流入する排煙温度を低下させる冷却塔を備え、前記ＳＯ3分離装置は前記冷却塔上部の排煙入口部分に配置され、前記洗浄装置は前記伝熱面洗浄後の排水を冷却塔内に供給し、冷却塔内に噴霧された水とともに前記吸収塔の吸収剤循環装置に補給水として供給する、請求項４または５のいずれか１項に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００２３】
すなわち、請求項６の発明では脱硫装置の吸収塔に流入する排煙の温度を低下させてＳＯ2の吸収効率を向上させるための冷却塔が設けられている。冷却塔内では排煙は冷却塔上部の排煙入口から塔内に流入し、塔内を下方に向けて流れつつ排煙内に噴霧された水の蒸発により温度が低下する。このとき、噴霧された水のかなりの量が蒸発し、排煙とともに冷却塔から持去られるため蒸発分だけの水を冷却塔に補給する必要がある。本発明では、冷却塔上部の排煙入口にＳＯ3分離装置が設けられているため、冷却塔に流入する排煙温度が低下し、冷却塔内で蒸発する水の量が低減される。また、ＳＯ3分離装置は冷却塔上部に配置されているため、伝熱面洗浄後の水は重力で冷却塔内に落下し、噴霧された水とともに冷却塔下部から吸収塔のＳＯ2吸収剤循環装置に補給される。このため、洗浄水を吸収剤循環装置に供給するための移送ポンプ等を別途設ける必要がない。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、前記熱交換器の冷却水としてボイラー給水を使用し、排煙の熱をボイラー給水に回収する、請求項３から６のいずれか１項に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００２５】
すなわち、請求項７の発明ではＳＯ3分離装置の熱交換器の冷却水としてボイラー給水が使用される。これにより、ＳＯ3を分離するために排煙から奪う熱をボイラー給水の予熱に使用することが可能となるため、炭酸ナトリウム供給装置のＮａ2ＣＯ3消費量の低減に加えて、ボイラー火炉の燃料消費量が大幅に低減されるようになり、全体としてのプラント運転コストが低減されるようになる。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、前記ＳＯ3分離装置上流側の排煙通路に、前記煙突に供給される排煙と、火炉から排出される排煙とを熱交換させるガス／ガスヒータを備え、前記炭酸ナトリウム供給装置は、空気予熱器下流側の排煙通路にＮａ2ＣＯ3を供給する、請求２に記載の排煙のＳＯ3分除去装置が提供される。
【００２７】
すなわち、請求項８の発明ではＳＯ3分離装置上流側には排煙と煙突入口（湿式脱硫装置装置通過後）の排煙とを熱交換させるガス／ガスヒータが設けられており、炭酸ナトリウム供給装置は空気予熱器下流側の排煙通路に供給される。湿式脱硫装置出口の排煙と火炉から排出される排煙とをガスヒータを用いて熱交換させることにより、煙突から放出される排煙の温度を上昇させて白煙発生を防止することができる。
【００２８】
また、排煙に炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）粉末を供給して排煙中に多孔質構造のＮａ2ＣＯ3を生成する場合には、ＮａＨＣＯ3粉末は排煙温度が高い部分に供給した方が多孔質構造のＮａ2ＣＯ3の生成が良好になる。また、Ｎａ2ＣＯ3は排煙中のガス状のＳＯ3及びＨ2ＳＯ4と反応するため、Ｎａ2ＣＯ3の供給はできるだけ排煙温度が高くミスト状のＨ2ＳＯ4が少ない部分に供給する方がＳＯ3分を除去する上で好ましい。このため、ガス／ガスヒータを設ける場合には炭酸ナトリウム供給装置から空気予熱器下流側の排煙通路に炭酸水素ナトリウム粉末を供給するようにすることにより、多孔質構造のＮａ2ＣＯ3の生成が良好になるとともに、Ｎａ2ＣＯ3による排煙中のＳＯ3分の除去が効率的に行われる。
【００２９】
請求項９に記載の発明によれば、既存の湿式脱硫装置の上流側排煙通路に、請求項１から８のいずれか１項に記載のＳＯ3分離装置と炭酸ナトリウム供給装置とを、それぞれ新たに追加設置することにより排煙のＳＯ3分除去装置を構成する、排煙のＳＯ3分除去装置の製作方法が提供される。
【００３０】
すなわち、請求項９の発明では、湿式脱硫装置を有する既存のボイラープラントを改造することにより、ＳＯ3分除去装置を製作する。請求項１から８のＳＯ3分離装置と炭酸ナトリウム供給装置とは、湿式脱硫装置であればどの形式の装置にも適用することができるため、本発明のように、既存の湿式脱硫装置を利用してＳＯ3分除去装置を製作することにより、極めて安価にＳＯ3分除去装置を製作することが可能となる。
【００３１】
請求項１０に記載の発明によれば、前記炭酸ナトリウム供給装置と前記湿式脱硫装置との間の排煙通路上に配置される機器は、排煙との接触部に可動部材を有さない機器のみで構成された、請求項１に記載のＳＯ3 分除去装置が提供される。
【００３２】
すなわち、請求項１０の発明では、炭酸ナトリウム供給装置と脱硫装置との間の排煙通路上には、ブロワー、ダンパーなどのように排煙との接触部に可動部材を有する機器を配置しない。炭酸ナトリウムとＳＯ3 分の反応性は高いので、反応により生成したＮａＨＳＯ3 の一部は更に排気中のＳＯ3 分と反応してＮａＨＳＯ4 （酸性硫酸ナトリウム）を生成する。このＮａＨＳＯ4 は極めて吸湿性が高く、ブロワーやダンパーなどのように可動部材を有する機器があると可動部に付着し、固着などの問題を生じる場合がある。そこで、本発明では、炭酸ナトリウム供給装置と湿式脱硫装置との間の排煙通路には、ブロワーやダンパーなどのような可動部材を有する機器を配置しないようにして固着などの問題が生じることを防止している。
【００３３】
請求項１１に記載の発明によれば、前記炭酸ナトリウム供給装置と前記湿式脱硫装置との間に、排煙中のＳＯ3 成分と反応後の炭酸ナトリウムを除去する炭酸ナトリウム除去装置を備え、前記炭酸ナトリウム供給装置と前記炭酸ナトリウム除去装置との間の排煙通路上に配置される機器は、排煙との接触部に可動部材を有さない機器のみで構成された、請求項１に記載のＳＯ3 分除去装置が提供される。
【００３４】
すなわち、請求項１１の発明では、炭酸ナトリウムと排気中のＳＯ3 成分との反応物を排煙から除去する炭酸ナトリウム除去装置が設けられている。これにより、除去装置通過後の排煙からは吸湿性の高いＮａＨＳＯ4 が除去されるため、排煙通路上の機器の可動部材の固着などの問題が防止される。また、この場合も、炭酸ナトリウム供給装置と炭酸ナトリウム除去装置との間の排煙通路には、固着等の問題を防止するために、ブロワーやダンパーなどのような可動部材を有する機器を配置しないようにする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明するが、その前に本発明のＳＯ3分離装置や炭酸ナトリウム供給装置を設けずに、湿式脱硫装置のみを用いて排煙処理を行った場合について説明する。
図６（Ａ）は、湿式脱硫装置のみを用いて排煙処理を行う場合の装置概略構成を説明する図である。
【００３６】
図６（Ａ）において、１はボイラー等の火炉、３はボイラー１の燃焼排煙が流れる煙道、７は排煙中のＳＯ2を除去する脱硫装置である。脱硫装置７としては一般的な公知の形式の湿式脱硫装置（例えば、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム等のＳＯ2吸収剤の水溶液と排煙とを接触させＣａＳＯ4の形で排煙中のＳＯ2を除去するもの、或いは水酸化マグネシウムや水酸化ナトリウムを使用し、排煙中のＳＯ2をＭｇＳＯ4またはＮａ2ＳＯ4の形で除去するもの）が使用される。脱硫装置７でＳＯ2を除去された排煙は、下流側の煙道９を通り、煙突１１から大気に放出される。
【００３７】
ボイラー１で重質油の燃焼により発生した燃焼ガス（排煙）は、煙道３に設けられた空気予熱器（エアヒータ）５を通過してボイラーに供給される燃焼空気と熱交換した後、脱硫ファン（図示せず）に吸引されて煙道３を流れ、脱硫装置７に供給される。
燃料として硫黄分を比較的多く（例えば２％程度以上）含む安価な重質油を使用すると、硫黄の酸化により多量のＳＯ2が生成し、その一部は更に酸化されてＳＯ3になる。ＳＯ3は、例えば空気予熱器５通過等により排煙温度が低下すると、その一部が排煙中の水分と反応して、ガス状または微細ミスト状の硫酸（Ｈ2ＳＯ4）を生成する。
【００３８】
従って、湿式脱硫装置７に供給される排煙中にはＳＯ2のみならず硫酸ガス及びミストが含まれている。湿式脱硫装置通過時には排煙温度が硫酸露点温度以下に低下するため排煙中の硫酸ガスは全て硫酸ミストになる。湿式脱硫装置７ではＳＯ2は高い効率で除去されるものの、湿式脱硫装置の硫酸ミストの除去率は低いため、通常、湿式脱硫装置７出口での排煙中の硫酸ミスト濃度は比較的高い値になる。
【００３９】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）にＩからＩＩＩで示した箇所における排煙温度と排煙中のＳＯ2濃度及びＳＯ3濃度を示している。なお、図６（Ｂ）では排煙中のＳＯ3とガス及びミスト状のＨ2ＳＯ4の合計濃度をＳＯ3濃度として表している。
図６（Ｂ）に示すように、空気予熱器５出口（ＩＩ）（すなわち湿式脱硫装置７入口）では、排煙中のＳＯ3濃度は６０ｐｐｍ程度になっており、ＳＯ2濃度は２０００ｐｐｍ程度の高い値になっている。
【００４０】
湿式脱硫装置７出口（ＩＩＩ）では、ＳＯ2の大部分が脱硫装置により除去され、ＳＯ2濃度は４０ｐｐｍ程度まで低下するが、ＳＯ3濃度はあまり低下せず、図６の例では４８ｐｐｍと比較的高い値になっている。
このように比較的高い濃度の硫酸ミストを含む排煙が煙突１１から直接大気に放出されると、煙突出口では微細な硫酸ミストが紫煙を形成し、いわゆる「紫煙がたなびく」現象が発生する。また、硫酸ミストが大気に放出されると酸性降下物となり周囲に降下する問題が生じる。
【００４１】
次に、図６（Ａ）の装置に、本発明の炭酸ナトリウム供給装置２０のみを追加した場合について説明する。
炭酸ナトリウム供給装置２０は、煙道３の空気予熱器５下流側の排煙中に炭酸水素ナトリウム（重曹、ＮａＨＣＯ3）微粉末を注入することにより、排煙中にＮａ2ＣＯ3粒子を形成するものである。
例えば、炭酸ナトリウム供給装置２０により、粒径２０ミクロンメートル程度以下の炭酸水素ナトリウム粉末を排煙中に注入すると、比較的低い排煙温度（例えば６０℃程度以上）で炭酸水素ナトリウムの分解反応、２ＮａＨＣＯ3→Ｎａ2ＣＯ3＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏを生じ、ガス状のＣＯ2とＨ2Ｏとが放出されて炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）が生成される。生成した炭酸ナトリウムは、ガスが放出された部分が空隙として残るため、粒子径は炭酸水素ナトリウム粉末からほとんど変化しないが、空隙率が大きな多孔質粒子となる。
【００４２】
このように、排煙中に空隙率の大きい多孔質粒子からなるＮａ2ＣＯ3が生成されると、排煙中のガス状ＳＯ3分（ＳＯ3及びガス状Ｈ2ＳＯ4）は粒子の細孔内に吸着されてＮａ2ＣＯ3と反応し、Ｎａ2ＣＯ3＋ＳＯ3→Ｎａ2ＳＯ4＋ＣＯ2、または、Ｎａ2ＣＯ3＋Ｈ2ＳＯ4→Ｎａ2ＳＯ4＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏにより、Ｎａ2ＳＯ4（硫酸ナトリウム）が生成される。このＮａ2ＳＯ4は、Ｎａ2ＣＯ3とほぼ同一の径を維持した粒子となるため、未反応のＮａ2ＣＯ3粒子と同様に脱硫装置７で容易に捕集される。また、Ｎａ2ＣＯ3、Ｎａ2ＳＯ4はともに水溶性であるため、脱硫装置でスケールを発生することなく容易に系外に排出することができる。また、同時に少量副生するＮａＨＳＯ4 も水溶性である。
【００４３】
図７（Ａ）は、図６（Ａ）の装置に参照符号２０で示す炭酸ナトリウム供給装置を付加した場合の装置構成を、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＩからＩＩＩの箇所における排煙温度、ＳＯ2濃度及びＳＯ3濃度を示している。図７（Ａ）のように、空気予熱器５下流側の排煙中に炭酸ナトリウム供給装置２０から炭酸水素ナトリウム粉末を供給することにより、多孔質構造のＮａ2ＣＯ3粒子の生成と、Ｎａ2ＣＯ3による排煙中のＳＯ3分の除去とが良好になる。なお、炭酸ナトリウム供給装置２０の構成については後述する。
【００４４】
一般に煙突からの紫煙の発生を防止するためには煙突１１入口での排煙中のＳＯ3濃度を２ｐｐｍ程度にまで低下させる必要がある。従って、湿式脱硫装置７におけるＳＯ3の除去効率が図６の場合と同等とすると、湿式脱硫装置７入口（図７、ＩＩ′点）におけるＳＯ3濃度（この場合には硫酸ミスト濃度）を２．５ｐｐｍ程度まで低下させる必要がある。
【００４５】
種々の条件にもよるが、このためには供給すべきＮａＨＣＯ3の量は、煙道３におけるＳＯ3分量に対して１．５から５倍当量程度のＮａ2ＣＯ3を生成するだけの量が必要となる。
これだけの量のＮａＨＣＯ3を炭酸ナトリウム供給装置２０から煙道３に供給すれば、湿式脱硫装置７入口におけるＳＯ3濃度を２．５ｐｐｍ程度まで低下させ、煙突１１から排出される排煙中のＳＯ3濃度を２ｐｐｍ程度まで低下させることが可能となる。
しかし、ＮａＨＣＯ3微粉末の価格は比較的高いため、このように多量のＮａＨＣＯ3微粉末をプラント運転中常時排煙に供給するとプラントの運転コストの上昇を招くことになる。
【００４６】
本発明は、炭酸ナトリウム供給装置２０から供給するＮａＨＣＯ3のみで排煙中のＳＯ3濃度を必要濃度まで低下させることを避けて、以下に説明するＳＯ3分離装置を用いて湿式脱硫装置７の上流側で排煙中のＳＯ3のかなりの部分を除去することにより、ＮａＨＣＯ3の消費量を低減してプラント運転コストを低減している。
【００４７】
図１は、本発明の一実施形態の構成を示す図６、７と同様な図であり、図６、７と同一の参照符号は同様な要素を示している。
図１（Ａ）に示すように、本実施形態では図７（Ａ）の炭酸ナトリウム供給装置２０に加えて空気予熱器５と湿式脱硫装置７との間の煙道にＳＯ3分離装置１０が設けられている点が、図７の場合と相違している。
【００４８】
本実施形態のＳＯ3分離装置１０の構造については後述するが、ＳＯ3分離装置１０は熱交換器を用いて排煙温度をＨ2ＳＯ4ガスの露点温度以下になるまで冷却することにより、排煙中のＳＯ3を液状のＨ2ＳＯ4の形で凝縮させるものである。排煙は熱交換器の伝熱面との接触により温度が低下するため、Ｈ2ＳＯ4の凝縮（結露）はまず伝熱面で生じ、凝縮した液状Ｈ2ＳＯ4の大部分は伝熱面に付着する。このため、伝熱面に付着したＨ2ＳＯ4を水で洗い流し排水の形で除去することにより、排煙中のＳＯ3が分離除去されるようになる。
【００４９】
図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示す各場所での排煙温度とＳＯ2濃度及びＳＯ3濃度を示している。図１（Ｂ）に示すように、本実施形態では、ＳＯ3分離装置１０入口（点ＩＩ′）の排煙の温度及びＳＯ2濃度は図６、図７と同一であるが、ＳＯ3濃度は４ｐｐｍ程度と、図７の場合に較べてかなり低くなっている。また、ＳＯ3分離装置１０出口（点ＩＩ″）では、排煙温度は１６０℃から１００℃に低下している。Ｈ2ＳＯ4ガスの露点は約１１０℃であり、ＳＯ3分離装置１０内で排煙中のＳＯ3はほぼ全量が液状のＨ2ＳＯ4の形で凝縮する。また、この凝縮はＳＯ3分離装置１０内の熱交換器の伝熱面で生じるため、凝縮したＨ2ＳＯ4の大部分が伝熱面に付着し、排煙から分離除去されるようになる。
【００５０】
このため、ＳＯ3分離装置出口では、ＳＯ3濃度は入口の４ｐｐｍから２．５ｐｐｍに低下する。
この結果、湿式脱硫装置７出口ではＳＯ3濃度は２ｐｐｍとなり、図７の場合と同等のＳＯ3濃度を維持することができる。
【００５１】
図７の場合と較べると、本実施形態では、炭酸ナトリウム供給装置２０からＮａＨＣＯ3供給後（図１、ＩＩ′点）の排煙中の残留ＳＯ3濃度は２．５ｐｐｍから４ｐｐｍに増大している。一般に、残留ＳＯ3濃度が低くなるほどＮａＨＣＯ3供給量を増大してもそれ以上ＳＯ3の濃度は低下しにくくなり、ＳＯ3濃度を１ｐｐｍ低下させるために増大しなければならないＮａＨＣＯ3の量は残留ＳＯ3濃度が低くなるほど増大する。このため、ＮａＨＣＯ3供給後のＳＯ3の許容残留濃度が２．５ｐｐｍから４ｐｐｍに増大すると、必要とされるＮａＨＣＯ3供給量は３０％程度少なくなる。
すなわち、本実施形態では、ＳＯ3分離装置１０を設けたことにより、ＮａＨＣＯ3の消費量が大幅に低減されている。
【００５２】
なお、図１の例ではＳＯ3分離装置上流側に排煙とボイラ燃焼空気とを熱交換させて燃焼空気を予熱するエアヒータ５を設けているが、エアヒータ５に加えて湿式ＥＰ８出口（または煙突１１入口）の排煙とＳＯ3分離装置上流側の排煙とを熱交換させて煙突から放出される排煙を加熱することにより、煙突での水蒸気による白煙の生成を防止するガス／ガスヒータを設けるようにしてもよい。
【００５３】
次に、本実施形態のＳＯ3分離装置１０の構成について図２を用いて説明する。
本実施形態のＳＯ3分離装置１０は、排煙が上方から下方に向けて通過するケーシング１０ａと、ケーシング１０ａ内に排煙の流れと直角に配置された、内部を冷却水が通過するチューブ１０ｂとからなるシェル・アンド・チューブ型の熱交換器１００と、チューブ１０ｂ群の上部に配置された洗浄装置１０１とを備えている。
【００５４】
洗浄装置１０１は、例えばチューブ１０ｂに平行に配置され、工業用水が供給されるヘッダー配管１０１ａと、ヘッダーからチューブ１０ｂ群上部に水平に延びる複数の枝管（図２の例では５本）１０１ｂと、各枝管からチューブ１０ｂ群に向けて水を噴射するノズル１０１ｃ、及び各枝管に設けられ、ヘッダー配管１０１ａから各枝管への水の供給を制御する開閉弁１０１ｄとを備えている。
【００５５】
本実施形態では、各枝管１０１ｂにそれぞれ２つずつ、計１０個のノズル１０１ｃが設けられており、各ノズルは図２にそれぞれのノズルを中心とした円で示す範囲に水を噴霧する。各ノズルからの噴霧円１０１ｅは隣接する噴霧円と充分に重複しており、１０個のノズルにより熱交換器１００の全部のチューブ１０ｂの外周を残すことなく洗浄可能となっている。
図２のＳＯ3分離装置１０では、ケーシング１０ａ上部から流入する排煙がケーシング１０ａ内でチューブ１０ｂと接触して、低温のチューブ１０ｂの外周上に排煙中のＳＯ3成分が液状のＨ2ＳＯ4として凝縮、付着する。チューブ１０ｂ外周のＨ2ＳＯ4付着量は時間とともに増大し、排煙中の煤塵とともにスケールを形成するが、本実施形態では洗浄装置１０１により定期的にチューブ外周を水で洗浄することにより、チューブ１０ｂの外周へのスケールの堆積によるチューブの熱交換効率の低下を防止するとともに、凝縮したＨ2ＳＯ4を排煙から分離除去している。
【００５６】
チューブ１０ｂの洗浄は、例えば排煙通過中に各枝管１０１ｃの開閉弁１０１ｄを１つずつ順番に一定時間ずつ開弁してノズル１０１ｃから水を噴霧することにより行う。これにより、チューブ１０ｂの洗浄は１度に２つのノズル１０１ｃからの水噴霧により全表面の５分の１ずつ行われる。例えば、本実施形態では１時間間隔で枝管を変えて１回あたり２分程度の水噴射を繰返すため、５時間１０分を１サイクルとして、ＳＯ3の分離を継続しながらチューブ１０ｃの全表面の洗浄が繰返される。
【００５７】
なお、チューブ１０ｂ表面及びケーシング１０ａ内面はＨ2ＳＯ4ミストと接触するため、強度の腐食環境となる。このため、本実施形態ではチューブ１０ｂ表面とケーシング１０ａ内面はすべて耐化学薬品性の高いＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（４フッ化エチレンパークロロアルキルビニルエーテルコポリマー）のコーティングを行って、チューブやケーシングの腐食を防止している。このように、ＰＴＦＥコーティングまたはＰＦＡコーティングと水洗浄とを併用することにより、熱交換器１０の腐食がほぼ完全に防止される。なお、ケーシング１０ａ、チューブ１０ｂを耐化学薬品性の高いステンレススチール等の耐腐食性材料で構成するようにしても良い。
【００５８】
更に、本実施形態ではチューブ１０ｂに供給する冷却水として、ボイラー給水を用いている。図１（Ｂ）に示すように、ＳＯ3分離装置１０の熱交換器１００では排煙の温度降下が比較的大きくなるため、この排熱を熱交換器１００でボイラー給水を加熱するために使用することにより、ボイラーの燃料消費を大幅に低減することが可能となる。また、熱交換機１００で排煙を冷却後の冷却水を用いて煙突入口の排煙を加熱し、煙突出口での白煙生成を防止することも可能である。（この場合は、煙突入口の排煙と冷却水（温水）との熱交換器を設置することになる。）
【００５９】
すなわち、本実施形態では図１に示すようにＳＯ3分離装置１０を設けることにより、炭酸ナトリウム供給装置２０からのＮａＨＣＯ3供給量を大幅に低減しつつ排煙中のＳＯ3を除去することができるため、比較的硫黄含有量の高い（例えば２％以上）安価な重質油を使用してボイラーの運転コストを低減することが可能となっているが、更にＳＯ3分離装置１０の熱交換器１００をボイラー給水を加熱するエコノマイザーとして使用することにより、上記に加えて燃料消費量を大幅に低減することが可能となっている。
【００６０】
次に、ＳＯ3分離装置１０の洗浄装置１０１でチューブ１０ｂ表面の洗浄に用いた排水の処理について説明する。チューブ１０ｂ表面洗浄後の排水は、チューブに付着していた硫酸を含んでいる。このため、洗浄後の排水はそのまま放水することはできず、硫酸の中和処理が必要となる。
【００６１】
本実施形態では、チューブ１０ｂ洗浄後の排水を湿式脱硫装置７の吸収塔に供給することにより、排水処理設備を別途設けることなく洗浄排水を中和処理するとともに、吸収塔のＳＯ2吸収剤水溶液の補給水として使用することにより、湿式脱硫装置７の水の消費量を低減することを可能としている。
【００６２】
図３は、ＳＯ3分離装置１０の洗浄排水を吸収塔の補給水として用いる場合のＳＯ3分離装置の配置を模式的に示す図である。
図３において、７１は湿式脱硫装置７の吸収塔、７５はＳＯ2吸収剤（例えば水酸化カルシウムなどのＳＯ2吸収剤水溶液の循環ポンプ、７３は吸収塔７１の上流側に配置された冷却塔である。冷却塔７３は、吸収塔７３に流入する排煙温度を低下させてＳＯ2の吸収効率を向上させるためのものである。冷却塔７３内では、排煙は冷却塔上部に設けられた入口から冷却塔内に入り、塔内を下向きに流れ、冷却塔７３下部に設けられた排煙通路７７から吸収塔７１内に流入する。
【００６３】
冷却塔７３内では、外部から供給された工業用水が冷却ノズル７３ａから排煙中に噴霧され、その一部が蒸発して排煙温度を低下させる。冷却ノズル７３ａから噴霧された水は冷却塔７３下部の水槽７３ｂに一時貯留され、水位の上昇により排煙通路７７からオーバーフローして吸収塔の吸収剤水溶液の循環水槽７１ｂに流入する。循環水槽７１ｂ内の吸収剤水溶液は循環ポンプ７５により吸収塔上部のノズル７１ａから排煙中に噴霧され、噴霧された吸収剤は吸収塔７１内を上方に流れる排煙と接触し、例えばＣａＳＯ4の形で排煙中のＳＯ2を吸収して循環水槽７１ｂに回収される。
また、吸収剤によりＳＯ2を除去された排煙は吸収塔７１上部から煙道に流出する。
【００６４】
図３に示すように、本実施形態ではＳＯ3分離装置１０は冷却塔７３上部の排煙入口に配置されている。このため、ＳＯ3分離装置１０のチューブを洗浄した後のＨ2ＳＯ4を含む排水は、冷却塔７３内を降下して下部の水槽７３ｂに入り、更にオーバーフローして吸収塔７１の循環水槽７１ｂに供給される。これにより、洗浄排水中のＨ2ＳＯ4がＳＯ2吸収剤（例えば水酸化カルシウムなど）と反応して中和されるとともに、循環水槽７１ｂへの補給水の量が低減される。
【００６５】
更に、本実施形態では冷却塔７３に流入する排煙温度は、ＳＯ3分離装置１０を通過したためにかなり低下している（図１（Ｂ）参照）。このため、冷却塔７１内で排煙を冷却する際に蒸発する水の量が減少し、冷却塔での水の消費量そのものが低減される。従って本実施形態では上述の補給水の低減と併せて湿式脱硫装置７における工業用水の消費量を大幅に低減することが可能となる。
【００６６】
なお、図４に示すように、独立した冷却塔を備えておらず、吸収塔７１入口の排煙通路７７に冷却ノズル７３ａを設けて水を噴射することにより排煙を冷却する構成においても、排煙通路７７上部にＳＯ3分離装置１０を配置することにより図３の場合と同等の工業用水の低減効果を得ることができる。
【００６７】
次に、図５を用いて本実施形態の炭酸ナトリウム供給装置２０の構成について説明する。
図５において、２０１は炭酸水素ナトリウム粉末を貯留するサイロ、２１０はサイロ２０１内に貯留されたＮａＨＣＯ3粉末を示す。サイロ２０１の出口部分には、公知の形式の粉体用定量供給装置２０６が設けられており、サイロ２０１内のＮａＨＣＯ3粉末を一定の流量で輸送配管２０８に供給している。輸送配管２０８は、煙道３に設けられた噴射ノズル３１５に接続されており、空気輸送用ブロワ２０７から供給される搬送空気により、ＮａＨＣＯ3粉末を煙道３内に噴射する。なお、ノズル３１５は煙道３内の排煙の流れ（図５、矢印Ａ）に対して逆向きにＮａＨＣＯ3を噴射する。これにより噴射されたＮａＨＣＯ3粉末は煙道内の排煙中に一様に混合するようになる。
【００６８】
サイロ２０１には、サイロ内でのＮａＨＣＯ3粉末の流動性を増大させて定量供給装置からのＮａＨＣＯ3粉末供給量が均一になるように、フリューダイズ空気が供給されている。フリューダイズ空気はフリューダイズブロワ２０４から空気配管２０５を経て、サイロ２０１下部壁面に設けた散気板２０３の多数の細孔からＮａＨＣＯ3粉末２１０内に噴射される。これにより、サイロ２０１内のＮａＨＣＯ3粉末は塊を形成することなく滑らかに流動して定量供給装置２０６に流入するようになる。フリューダイズ空気は、ＮａＨＣＯ3粉末２１０内を通過後、サイロ２０１上部に設けた、バグフィルタ２０９を通って外部に放出される。ＮａＨＣＯ3粉末の煙道３への供給量（流量）は定量供給装置２０６の作動速度を変化させることにより調節することができる。
【００６９】
本実施形態のＳＯ3分離装置１０は、湿式脱硫装置の種類を問わず、図３、図４に示すように湿式脱硫装置上に設置することが可能である。また、本実施形態の炭酸ナトリウム供給装置２０は、図５に示すように煙道３にノズル３１５を介して容易に接続することができる。このため、例えば、図６に示したように脱硫装置のみを用いて排煙処理を行っている既存の排煙処理装置においても、既設の湿式脱硫装置をそのまま使用して、簡単な改造工事でＳＯ3分離装置と炭酸ナトリウム供給装置２０との追加設置を行うことができる。このため、既設の湿式脱硫装置を利用した改造工事により本発明のＳＯ3分除去装置を製作する方法によれば、極めて安価にＳＯ3分除去装置を構成することが可能となる。
【００７０】
なお、上記実施形態では湿式脱硫装置出口に湿式ＥＰを設置しない場合を例にとって説明したが、図１の構成で、更に湿式脱硫装置７出口に湿式ＥＰを設置すれば、ＮａＨＣＯ3の消費量を更に低減可能であることは言うまでもない。また、湿式ＥＰの代りに、例えば、排煙中の硫酸ミストなどの粒子を帯電させるとともに、この帯電した粒子に水などの誘電体を噴霧し、噴霧した誘電体に直流電界を印加することにより誘電体を誘電分極させ、比較的粒径の大きい誘電体に帯電した硫酸ミストなどの微細な粒子を補足させる形式の電気集塵装置を使用することも可能である。このような電気集塵装置では、比較的大きい誘電体粒子にサブミクロンの硫酸ミスト粒子を補足させ、誘電体粒子とともに捕集することにより、サブミクロン粒子の捕集効率を大幅に向上させることが可能となり、湿式ＥＰと同じＳＯ3除去効率を維持しながら装置を小型化することが可能となる。
【００７１】
なお、上記の実施形態において、排煙中に供給された炭酸ナトリウムとＳＯ3 との反応により生成したＮａＨＳＯ3 の一部は更に排気中のＳＯ3 分と反応してＮａＨＳＯ4 （酸性硫酸ナトリウム）を生成するが、このＮａＨＳＯ4 は極めて吸湿性が高く、ブロワーやダンパーなどのように可動部材を有する機器があると可動部に付着し、固着などの問題を生じる場合がある。このため、炭酸ナトリウム供給装置と湿式脱硫装置との間の排煙通路には、ブロワーやダンパーなどのような可動部材を有する機器を配置しないようにして固着などの問題を生じることを防止することが好ましい。
【００７２】
また、炭酸ナトリウム供給装置と湿式脱硫装置との間に、例えば集塵装置などのように、炭酸ナトリウムとＳＯ3 との反応生成物を除去可能な炭酸ナトリウム除去装置を設けた場合には、炭酸ナトリウム除去装置下流側の排煙通路には、可動部材を有する機器を配置しても固着などの問題は生じない。しかし、この場合にも炭酸ナトリウム供給装置と炭酸ナトリウム除去装置との間の排煙通路には、ブロワーやダンパーなどのような可動部材を有する機器を配置しないようにして、固着などの問題の発生を防止することが好ましい。
【００７３】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、プラント運転コストの増大を招くことなく排煙中のＳＯ3を除去することが可能となる共通の効果を奏する。
更に、請求項９に記載の発明では、上記共通の効果に加えて既設の湿式脱硫装置を有する排煙処理装置を改造することにより簡易にＳＯ3分除去装置を構成することが可能となるため、更に装置コストを低減することが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は本発明のＳＯ3分除去装置の一実施形態の全体構成を模式的に示す図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の各部における排煙中のＳＯ3濃度を説明する図である。
【図２】図１のＳＯ3分除去装置に用いるＳＯ3分離装置の一実施形態の構成を説明する図である。
【図３】ＳＯ3分離装置の配置例を示す図である。
【図４】ＳＯ3分離装置の配置の別の例を示す図である。
【図５】図１のＳＯ3分除去装置に用いる炭酸ナトリウム供給装置の一実施形態の構成を説明する図である。
【図６】図６（Ａ）は湿式脱硫装置のみを用いて排煙処理を行う場合の装置構成を示す図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の各部における排煙中のＳＯ3濃度を説明する図である。
【図７】図７（Ａ）は湿式脱硫装置のみを用いて排煙処理を行う場合の装置構成を示す図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の各部における排煙中のＳＯ3濃度を説明する図である。
【符号の説明】
１…ボイラ
３…煙道
５…空気予熱器
７…湿式脱硫装置
１０…ＳＯ3分離装置
１１…煙突
２０…炭酸ナトリウム供給装置
Claims (11)
- 硫黄分を含む燃料を燃焼させる火炉からの排煙を煙突に導く排煙通路と、
該排煙通路上に配置され、排煙中の二酸化硫黄（ＳＯ2）分を除去する湿式脱硫装置と、
前記脱硫装置上流側の排煙通路に炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を供給する炭酸ナトリウム供給装置と、
前記湿式脱硫装置上流側、かつ前記炭酸ナトリウムが供給される排煙通路部分下流側に配置され、排煙を冷却して排煙中のＳＯ3成分を液状Ｈ2ＳＯ4の形で凝縮させ、排煙から分離除去するＳＯ3分離装置と、を備え、
前記炭酸ナトリウム供給装置は、炭酸水素ナトリウム粉末（ＮａＨＣＯ 3 ）を前記上流側煙道の排煙中に供給し、排煙中で炭酸水素ナトリウムを多孔質炭酸ナトリウム微粒子に転換する排煙のＳＯ3分除去装置。 - 前記炭酸ナトリウム供給装置は、前記上流側煙道内の排煙の流れの逆向きに前記炭酸水素ナトリウム粉末を噴射して、前記炭酸水素ナトリウム粉末を前記上流側煙道の排煙中に供給する請求項１に記載の排煙のＳＯ3分除去装置。
- 前記ＳＯ3分離装置は、冷却水と排煙とを伝熱面を介して熱交換させて排煙を冷却する熱交換器と、排煙通過中に前記伝熱面の排煙側表面に凝縮する液状Ｈ2ＳＯ4を水洗浄する洗浄装置と、を備えた請求項１または２に記載の排煙のＳＯ3分除去装置。
- 前記湿式脱硫装置は、排煙が通過する吸収塔と、吸収塔内にＳＯ2吸収剤水溶液を噴霧して排煙中のＳＯ2を前記水溶液に吸収して回収する吸収剤循環装置とを備え、前記洗浄装置は、前記伝熱面を洗浄後のＨ2ＳＯ4を含む排水を前記吸収剤循環装置に補給水として供給する、請求項３に記載の排煙のＳＯ3分除去装置。
- 前記熱交換器は、内部を排煙が通過するケーシングと、該ケーシング内に配置され内部を冷却水が通過するチューブとを備えたシェル・アンド・チューブ式熱交換器であり、前記ケーシング内面とチューブ外面とは耐腐食性材料で構成、又は耐腐食性材料でコーティングされている、請求項４に記載の排煙のＳＯ3分除去装置。
- 前記湿式脱硫装置は更に、排煙中に水を噴霧して前記吸収塔に流入する排煙温度を低下させる冷却塔を備え、前記ＳＯ3分離装置は前記冷却塔上部の排煙入口部分に配置され、前記洗浄装置は前記伝熱面洗浄後の排水を冷却塔内に供給し、冷却塔内に噴霧された水とともに前記吸収塔の吸収剤循環装置に補給水として供給する、請求項４または５のいずれか１項に記載の排煙のＳＯ3分除去装置。
- 前記熱交換器の冷却水としてボイラー給水を使用し、排煙の熱をボイラー給水に回収する、請求項３から６のいずれか１項に記載の排煙のＳＯ3分除去装置。
- 前記ＳＯ3分離装置上流側の排煙通路に、前記煙突に供給される排煙と、火炉から排出される排煙とを熱交換させるガス／ガスヒータを備え、前記炭酸ナトリウム供給装置は、空気予熱器下流側の排煙通路に炭酸水素ナトリウム粉末を供給する、請求項１に記載の排煙のＳＯ3分除去装置。
- 既存の湿式脱硫装置の上流側排煙通路に、請求項１から８のいずれか１項に記載のＳＯ3分離装置と炭酸ナトリウム供給装置とを、それぞれ新たに追加設置することにより排煙のＳＯ3分除去装置を構成する、排煙のＳＯ3分除去装置の製作方法。
- 前記炭酸ナトリウム供給装置と前記湿式脱硫装置との間の排煙通路上に配置される機器は、排煙との接触部に可動部材を有さない機器のみで構成された、請求項１に記載のＳＯ3分除去装置。
- 前記炭酸ナトリウム供給装置と前記湿式脱硫装置との間に、排煙中のＳＯ3成分と反応後の炭酸ナトリウムを除去する炭酸ナトリウム除去装置を備え、前記炭酸ナトリウム供給装置と前記炭酸ナトリウム除去装置との間の排煙通路上に配置される機器は、排煙との接触部に可動部材を有さない機器のみで構成された、請求項１に記載のＳＯ3分除去装置。
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