(57)【要約】【課題】脱硫装置の設備コストの低コスト化、及び、処理コストの低コスト化【解決手段】この脱硫装置１は、熱交換器２と、脱硫ファン３と、外気導入ダクト４と、ダクト開閉弁５と、冷却塔６と、吸収塔７と、濃縮処理装置８を備えている。外気導入ダクト４は脱硫ファン３の上流側の排ガスの流路に開設した外気を導入する給気管路であり、内部に外気導入ダクト４を開閉操作するダクト開閉弁５を備えている。この脱硫装置１は、炭酸カルシウムを混入する前に、排ガス中に外気を導入することにより、排ガス中の酸素の量、及び、三酸化硫黄（無水硫酸）の量を増やしている。これにより、三酸化硫黄を炭酸カルシウムと反応させることでき、吸収処理の設備だけで、硫酸カルシウムを直接生成することが、酸化処理の設備が不要又は簡素化になり、また吸収剤や中和剤の使用量を抑えることができる。【選択図】            図１
2004243282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫黄酸化物を含有する排ガスの排出流路に、吸収剤を供給して排ガス中の硫黄酸化物を吸収する脱硫装置において、吸収剤が供給される位置よりも上流側の排出流路に、酸素を供給する酸素供給手段を設けたことを特徴とする脱硫装置。
【請求項２】
前記酸素供給手段が、吸収剤が供給される位置よりも上流側の排出流路に、外気を強制的に供給するものであることを特徴とする請求項１に記載の脱硫装置。
【請求項３】
前記脱硫装置が、吸収剤を供給する位置よりも上流側に、排出流路の排ガスを強制吸引するファンを備えており、かつ、
前記酸素供給手段が、前記ファンの上流側の負圧になる部分に開設した排出流路に外気を導入するダクトと、前記ダクトの開閉を操作する弁を備えた外気導入手段であることを特徴とする請求項１に記載の脱硫装置。
【請求項４】
前記脱硫装置が、排出流路から排ガスを導入する入口と硫黄分が除去された排ガスを排出する出口を備えた塔と、前記塔内において適時に吸収剤が補給される貯水部と、前記貯水部の水を汲み上げ、吸収剤を含んだ水を塔内に供給する散水装置と、前記貯水部から硫黄分を吸収した水を抽出する抽出部を備えており、
かつ、前記塔の貯水部に微細気泡状の空気を供給するエアレータを設けたことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の脱硫装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラなどの燃焼装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物（主に、二酸化硫黄）を除去する脱硫装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電所などにおいて、化石燃料の燃焼に伴って発生する排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（主に、二酸化硫黄（ＳＯ２））は、大気汚染や酸性雨などの環境問題を生じさせる主原因の一つである。
【０００３】
このような排ガスを適切に排気するためには、排ガス中の硫黄酸化物の量を定量以下にする必要がある。このため、排ガスは、窒素酸化物を取り除く脱硝処理と硫黄酸化物を取り除く脱硫処理を行ってから排気している。
【０００４】
排ガス中の硫黄酸化物を取り除く脱硫装置は、例えば、排ガスを、吸収剤としての炭酸カルシウム（石灰石）と反応させて、硫酸カルシウム（石膏）を生成することにより、排ガスから硫黄分を吸収し、除去するものが知られている（例えば、下記特許文献１）。この方法によれば、回収した硫酸カルシウム（石膏）はセメント材料に利用することができ、濃縮処理を施してセメント製造事業者等に売却することができる。
【０００５】
図３は、本発明者らが火力発電所で従来から使用している脱硫装置の一例を示している。図３中、１０１は脱硫装置に排ガスを強制的に供給する脱硫ファン、１０２は冷却塔、１０３は吸収塔、１０４は中和処理装置、１０５は酸化処理装置、１０６は濃縮処理装置を示している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１５３７２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した脱硫装置では、回収した硫黄分を利用して、最終的に硫酸カルシウム（石膏）を生成しており、生成した硫酸カルシウムをセメントの原材料として、利用している。このため、最終的に生成する硫酸カルシウムの純度は、高ければ高いほど良い。
【０００８】
しかし、火力発電所では、ボイラ内を低酸素状態に保って、ＮＯｘの生成を抑制しており、また排ガスの排気流路は、排ガスが外部に漏れないように閉鎖流路で構成しているので、排ガス中の硫黄分は、主に二酸化硫黄（ＳＯ２）として存在している。そして、排ガス中の硫黄酸化物のうち、三酸化硫黄（ＳＯ３：無水硫酸）は、炭酸カルシウムと反応すると硫酸カルシウムになるが、排ガス中に多く含まれている二酸化硫黄（ＳＯ２）は、炭酸カルシウムと反応すると亜硫酸カルシウム（ＣａＳＯ３・ｎＨ２Ｏ）になる。このため、脱硫装置では、排ガス中の硫黄分の多くは亜硫酸カルシウムとして吸収され、一時的に多量の亜硫酸カルシウムが生成される。
【０００９】
また、排ガス中に多く含まれている二酸化硫黄（ＳＯ２）をできるだけ多く吸収するために、多量の炭酸カルシウムを投入している。しかし、投入する炭酸カルシウムが多すぎると、亜硫酸カルシウムが多く生成され易く、また、未反応の炭酸カルシウムも多く残ってしまう。
【００１０】
このため、未反応の炭酸カルシウムを中和したり、多量に発生した亜硫酸カルシウムを酸化したりする必要がある。中和処理は、吸収処理の設備と酸化処理の設備との間において、中和剤（硫酸）を供給することにより行なわれている。また、酸化処理は、亜硫酸カルシウムを含んだ水に圧縮空気を供給して撹拌することにより、時間を掛けて亜硫酸カルシウムを空気中の酸素と反応させて硫酸カルシウムにしている。
【００１１】
仮に、炭酸カルシウムを投入する吸収処理の設備のみで吸収した硫黄酸化物を充分に酸化して硫酸カルシウムを生成することができれば、酸化処理の設備が不要になる。また、吸収処理の設備で、排ガス中の硫黄酸化物が炭酸カルシウムと反応する効率を向上させることができれば、投入する炭酸カルシウムの量を減らすことができる。さらに、未反応の炭酸カルシウムを減らすことができれば、中和処理が不要となる。これにより設備コストや処理コストの低コスト化を図ることができる。
【００１２】
本発明は、斯かる着想の下に創作されたものであり、設備コスト及び処理コストの低コスト化を図ることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る脱硫装置は、硫黄酸化物を含有する排ガスの排出流路に、吸収剤を供給して排ガス中の硫黄酸化物を吸収する脱硫装置において、吸収剤が供給される位置よりも上流側の排出流路に、酸素を供給する酸素供給手段を設けたことを特徴としている。この脱硫装置によれば、排ガス中の硫黄酸化物を炭酸カルシウムと反応させる前に、排ガス中に充分な酸素を供給し、排ガス中の二酸化硫黄を酸素と反応させて三酸化硫黄にし、三酸化硫黄を炭酸カルシウムと反応させることできるので、吸収処理の設備で、硫酸カルシウムを直接生成することができる。
【００１４】
前記酸素供給手段は、排ガスの排出流路内に、圧縮空気又は酸素を強制吸入するものでもよいが、設備コストの低コスト化を図るため、例えば、脱硫装置が、吸収剤を供給する位置よりも上流側に、排出流路の排ガスを強制吸引するファンを備えている場合においては、ファンの上流側の負圧になる部分に排出流路に外気を導入するダクトを開設し、このダクトの開閉を操作する弁を設け、弁の開閉操作で外気を排出流路に導入するとよい。
【００１５】
また、脱硫装置は、排出流路から排ガスを導入する入口と硫黄分が除去された排ガスを排出する出口を備えた塔と、前記塔内において適時に吸収剤が補給される貯水部と、前記貯水部の水を汲み上げ、吸収剤を含んだ水を塔内に供給する散水装置と、前記貯水部から硫黄分を吸収した水を抽出する抽出部を備えたものにおいては、塔の貯水部に微細気泡状の空気を供給するエアレータを設けると良い。このエアレータは、空気を出来る限り小さな気泡にするものが良く、さらに、空気の噴出に合わせて、貯水部の水を吸引し、吸引した水を空気と一緒に噴出し、吸収塔の貯水部の水を撹拌する機能を兼ね備えたものを採用するのが好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る脱硫装置を図面に基づいて説明する。
【００１７】
この脱硫装置１は、図１に示すように、熱交換器２と、脱硫ファン３と、外気導入ダクト４と、ダクト開閉弁５と、冷却塔６と、吸収塔７と、濃縮処理装置８を備えている。冷却塔６と吸収塔７は、排ガス中の硫黄酸化物を吸収する設備を構成している。
【００１８】
熱交換器２は、脱硫装置１に導入された排ガスと、脱硫装置１の吸収塔７から排出される脱硫処理済みのガスとの間で熱交換を行い、脱硫装置１に導入する排ガスを冷却し、脱硫処理済みのガスを加熱するものである。
【００１９】
脱硫ファン３は、熱交換器２で冷却された排ガスを冷却塔６へ強制的に送るものである。脱硫ファン３の上流部は、排ガスが脱硫ファン３に吸引されるので、大気圧に比べてもガスの圧力が低い負圧状態になっている。
【００２０】
外気導入ダクト４は脱硫ファン３の上流側の排ガスの流路に開設した外気を導入する給気管路であり、内部に外気導入ダクト４を開閉操作するダクト開閉弁５を備えている。ダクト開閉弁５は、詳しくは、脱硫ファン３の上流側の排ガスの流路が負圧のときに開かれるように、流路の内圧に基づいてダクト開閉弁５を開閉操作する制御機構９を備えている。斯かる制御機構９は、例えば、流路に取り付けた圧力センサの信号に基づいて制御したり、脱硫ファン３の回転数に基づいて制御したり、或いは、火力発電所の発電量に基づいて制御すると良い。
【００２１】
なお、外気導入ダクト４を設けた熱交換器２の下流側、脱硫ファン３の上流側の部分は、脱硫ファン３が動いている状態では、常時、内部の気圧が大気圧より低い負圧状態になっている。このため、コンプレッサなどで強制給気することなく、外気導入ダクト４の内部に設けたダクト開閉弁５を開閉操作するだけで、外気の導入を制御することが可能であり、設備コストの低コスト化を図ることができる。また、熱交換器２の下流側の負圧部分に外気導入ダクト４を設けているのは、熱交換前の排ガス中に外気を導入すると排ガスの温度が著しく下がり、効率良く熱交換が行えないことと、熱交換後であり負圧力が最も高く、より多くの外気を吸引することができるためである。
【００２２】
冷却塔６は、排ガスを導入する入口１１と、冷却した排ガスを吸収塔７に送る出口１２と、底部に水を貯留する貯水部１３と、貯水部１３の水を汲み上げ冷却塔６の上部から散水・噴霧する散水装置１４を備えている。
【００２３】
貯水部１３は、硫酸カルシウムの堆積を防止するため、水を撹拌する撹拌装置（図示省略）を備えている。
【００２４】
散水装置１４は、貯水部１３の水を吸引するポンプ１５と、ポンプ１５で吸引した水を冷却塔６の上部に導く管路１６と、管路１６の先端に取り付けられ冷却塔６の上部から水を散水・噴霧するスプレー１７とを備えている。冷却塔６は、脱硫ファン３から送られた排ガスを二次冷却するとともに、排ガスの除塵を行うものである。なお、冷却塔６の貯水部１３に貯留される水は、後述する吸収塔７の貯水部２３から導入されており、未反応の炭酸カルシウムを含んでいる。このため、冷却塔６内でも炭酸カルシウムと硫黄酸化物の反応が生じ、排ガス中の硫黄酸化物が吸収されている。また、貯水部１３には、排ガス中の硫黄酸化物を吸収した水を抽出する抽出部１８を備えている。なお、硫黄酸化物を吸収した水を抽出する抽出部１８は、より効率良く硫酸カルシウムを抽出するため、貯水部１３の底部に抽出口を設けている。この実施形態では貯水部１３の底部に散水装置１４の管路１６の入口を設け、散水装置１４の管路１６から排ガス中の硫黄酸化物を吸収した水を取り出している。
【００２５】
冷却塔６から抽出した水は、抽出流路１９を通して濃縮処理装置８に送られる。このとき、散水装置１４のポンプ１５は、貯水部１３の水を抽出流路１９に排出するポンプの役割を兼ねている。
【００２６】
吸収塔７は、冷却塔６から排ガスを導入する入口２１と、硫黄分を吸収した後の排ガスを排気する出口２２と、底部に水を貯留する貯水部２３と、貯水部２３の水を汲み上げ吸収塔７の上部から炭酸カルシウムを含んだ水を散水・噴霧する散水装置２４を備えている。なお、吸収塔７と冷却塔６の装置構成は類似しているが、冷却塔６は排ガスの冷却および除塵を主目的とする装置であるのに対して、吸収塔７は排ガス中の硫黄酸化物を略完全に吸収することを主目的とする装置である。このため、吸収塔７は冷却塔６に比べて大きな容量を備えている。
【００２７】
貯水部２３は、貯水部２３に適時に吸収剤としての炭酸カルシウムを供給する炭酸カルシウム供給部２５と、貯水部２３の水を撹拌する撹拌装置（図示省略）を備えている。
【００２８】
散水装置２４は、貯水部２３の水（例えば、貯水部２３の上部の水）を吸引するポンプ２６と、ポンプ２６で吸引した水を吸収塔７の上部に導く管路２７と、管路２７の先端に取り付けた、冷却塔６の上部から炭酸カルシウムを含んだ水を散水・噴霧するスプレー２８とを備えている。
【００２９】
また、吸収塔７と冷却塔６の間には、吸収塔７の貯水部２３の水を一部抜き取り冷却塔６の貯水部１３に導入する導入流路２９を設けている。この導入流路２９は、吸収塔７の貯水部２３から適時に適量の水を冷却塔６の貯水部１３に導入するようになっている。
【００３０】
上述したように、火力発電所などの排ガス中の硫黄分は、多くは二酸化硫黄として存在している。この脱硫装置１は、炭酸カルシウムを混入する前に、排ガス中に外気を導入することにより、排ガス中の酸素の量、及び、三酸化硫黄（無水硫酸）の量を増やしている。但し、炭酸カルシウムを混入する前に、排ガス中に外気（酸素）を導入するだけでは、二酸化硫黄が三酸化硫黄に酸化される反応は化学的な平衡状態となるまで反応が進行するが、それ以上は進まない。しかし、冷却塔６および吸収塔７では、以下の理由により、排ガス中の二酸化硫黄の酸化が急激に進行する。
【００３１】
即ち、冷却塔６および吸収塔７内では、炭酸カルシウムを含む水が散水・噴霧されているので、排ガス中の三酸化硫黄は、水に激しく溶け込み、炭酸カルシウムと反応して硫酸カルシウムになる。三酸化硫黄が水に溶け込む反応は、二酸化硫黄が水に溶け込む反応に比べて、反応速度が非常に速く、冷却塔６および吸収塔７内では、三酸化硫黄の量が急激に減少する。この三酸化硫黄の急激な減少により、化学的な平衡状態が急激に崩れるため、二酸化硫黄と酸素が反応して三酸化硫黄が生じる反応が急激に進む。このように、この脱硫装置１では、冷却塔６および吸収塔７内で、二酸化硫黄が急激に酸化され、その酸化物である三酸化硫黄が、急激に水に溶け込み、炭酸カルシウムと反応して硫酸カルシウムになる一連の反応が連鎖的に、かつ、急激に進行するのである。
【００３２】
これを従来の脱硫装置と比較すると、従来は、二酸化硫黄を炭酸カルシウムと反応させて吸収し、この反応により生じた亜硫酸カルシウムを酸化処理装置に移し、酸化処理装置で亜硫酸カルシウムを酸化して硫酸カルシウムを得ていた。この場合、吸収塔の貯水部に外気を給気していたが、吸収塔内では、炭酸カルシウムが存在するため、二酸化硫黄と酸素が反応して三酸化硫黄が生じる反応があまり生じず、上記のように、硫酸カルシウムが劇的に生成される連鎖反応が生じていない。
【００３３】
これに対して、この脱硫装置１は、炭酸カルシウムを混入する前に、排ガス中に外気を導入しており、また脱硫ファン３の作用により、冷却塔６や吸収塔７に導入される管路内で乱流状態になっていることもあって、二酸化硫黄と酸素が反応して三酸化硫黄が生じる反応がある程度進む。このため、二酸化硫黄を三酸化硫黄（無水硫酸）にし、三酸化硫黄（無水硫酸）を炭酸カルシウムと反応させて硫酸カルシウムを得ることができる。従って、吸収塔７および冷却塔６内では亜硫酸カルシウムはほとんど生じず、吸収塔７および冷却塔６で純度の高い硫酸カルシウムを得ることができる。従って、酸化処理の設備を完全に廃止したり、又は、かなり簡素化したりすることができる。
【００３４】
また、三酸化硫黄は、水に溶け込み易い性質を備えているので、従来に比べて硫黄酸化物の吸収率が良くなる。このため、供給する炭酸カルシウムの反応率が高いので、供給する炭酸カルシウムの量を理論的に求められる量の近くまで少なくすることができ、その結果として、冷却塔６の貯水部１３から抽出した水に含まれる未反応の炭酸カルシウムの量がかなり少なくなる。
【００３５】
このため、この実施形態では、供給する炭酸カルシウムの量を理論的に求められる量の近くまで少なくして、未反応の炭酸カルシウムの量を少なくしており、中和処理を行わないで、冷却塔６の貯水部１３から抽出した水を濃縮処理装置８に直接送っている。濃縮処理装置８では、濃縮処理において脱水するときに、未反応の炭酸カルシウムを分離している。これにより、従来、未反応の炭酸カルシウムを中和するべく必要であった中和処理装置が不要になる。また、分離した未反応の炭酸カルシウムは、廃水処理で処理しても良いし、再び吸収塔に供給しても良い。
【００３６】
以上、本発明の一実施形態に係る脱硫装置を説明したが、冷却塔６及び吸収塔７の貯水部１３、２３内には、空気を散気するエアレータ３１、３２を設けると良い。エアレータ３１、３２を設置することにより、若干生じた亜硫酸カルシウムを冷却塔６及び吸収塔７の貯水部１３、２３内で酸化し、硫酸カルシウムにすることができる。エアレータ３１、３２は、亜硫酸カルシウムの酸化を促進させるため、できるだけ空気を微細な気泡（マイクロバルブ）にして散気するものが好ましい。また、貯水部１３、２３内に硫酸カルシウムが沈殿・堆積するのを防止するため、底部の水を吸引して、吹き上げて貯水部１３、２３内の水を撹拌する機能を備えたものが良い。
【００３７】
好適なエアレータの一例を図２に示す。このエアレータ４０は、一側（下部）に流体導入口４１を有し、他側（上部）に排出口４２を有する管体で構成した流体撹拌筒４３と、流体撹拌筒４３の下部に同心状に配設した気体導入ノズル４４を備えている。
【００３８】
流体撹拌筒４３は、中央部に流体導入口４１から導入される気液混合流体を、負圧部を有する旋回流に生成する変流路構成体４５を備えており、その上部内周面に生成した旋回流を衝突させて気液混合する突起４６を突設している。また、気体導入ノズル４４は、流体撹拌筒４３の内部に半径方向に植設したリブ４７を介して流体撹拌筒４３の下部に一体的に取り付けられており、ノズルを上向きした状態で流体撹拌筒４３の下部に同心状に配設されている。
【００３９】
変流路構成体４５は、詳しくは、交叉させた左右の半楕円形翼板４８の交叉部上流側（下側）縁辺間を、管体を二分する逆三角形の仕切板４９で閉鎖し、その中心軸線方向に流量制御するための円柱体５０を貫通して一体結合させた構成になっている。
【００４０】
斯かるエアレータは、旋回流体により流体を下部から吸い上げ撹拌して上部に排出する撹拌機能と、気体導入ノズルから噴出する気体を微細化させる機能を備えている。このような機能を備えたエアレータとしては、例えば、西華株式会社製「ＯＨＲ式エアレータ」がある。
【００４１】
本発明者らが行った本発明の性能試験によれば、図３に示す従来の脱硫装置では、吸収塔の貯水部の酸化率が８５．２％以上であったのに対して、図１に示す本発明の脱硫装置では、吸収塔の貯水部の酸化率は９５．６％以上であった。なお、酸化率は、冷却塔６及び吸収塔７で吸収した硫黄分のうち、酸化されて硫酸カルシウムとなって排出される割合を示すものである。この性能試験の結果、本発明の脱硫装置では、酸化処理を施さなくても、充分に酸化率が高い硫酸カルシウムを得ることができることが確認できた。また、従来に比べて、脱硫効率が良く、排ガス中に含まれる硫黄分の量を少なくすることができ、さらに排ガスを希釈化することができるので、脱硫後の排ガスを比較した場合でも、残留する硫黄酸化物の濃度をかなり減少させることができる。
【００４２】
以上、本発明の一実施形態に係る脱硫装置を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４３】
例えば、上記実施形態では、吸収処理装置として、冷却塔と吸収塔の２つの処理槽を備えたものを例示したが、本発明は、吸収処理の前に、排ガス中に酸素を供給しておくものであり、吸収処理装置の構造に限定されるものではない。
【００４４】
また、酸素供給手段として、脱硫ファン３の上流側の排ガスの排気流路に、ダクト開閉弁５を備えた外気導入ダクト４を開設し、脱硫ファン３の作動により負圧となった排気流路内に外気を自然給気するものを例示したが、酸素供給手段はこれには限定されない。例えば、排ガスの排気流路にファンを備えたダクトを開設し、ファンを作動させて外気（酸素）を強制的に導入する手段でも良い。また、ボイラには、ボイラ内に外気を強制給気するファンを備えたダクトを備えたものがあり、斯かるダクトから排ガスの排気流路に至る分岐配管を設け、排ガスの排気流路に外気を強制的に導入するようにしても良い。
【００４５】
また、上述したように、排ガスの排気流路中に外気を導入することは、排ガスの酸化を促進したり、排ガスを希釈化したりする効果があり、上述した脱硫装置だけでなく、排ガス処理の種々の用途に適用することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に係る脱硫装置は、硫黄酸化物を含有する排ガスの排出流路に、吸収剤を供給して排ガス中の硫黄酸化物を吸収する脱硫装置において、吸収剤が供給される位置よりも上流側の排出流路に、酸素を供給する酸素供給手段を設けた。このため、排ガス中の硫黄酸化物を吸収剤と反応させる前に、排ガス中に充分な酸素を供給し、排ガス中の二酸化硫黄を酸素と反応させて三酸化硫黄にし、三酸化硫黄を吸収剤と反応させることでき、吸収処理の設備だけで、硫酸カルシウムを直接生成することができる。これにより、酸化処理の設備が不要になり、設備コストの低コスト化を図ることができる。また、吸収剤や中和剤の使用量を抑えることができるので、処理コストの低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る脱硫装置を示すブロック図。
【図２】エアレータの好適な例を示す図。
【図３】従来の脱硫装置を示すブロック図。
【符号の説明】
１  脱硫装置
２  熱交換器
３  脱硫ファン
４  外気導入ダクト
５  ダクト開閉弁
６  冷却塔
７  吸収塔
８  濃縮処理装置
１３  貯水部
１４  散水装置
２３  貯水部
３１、３２    エアレータ
【図１】
2004243282.tif 000003
【図２】
2004243282.tif 000004
【図３】
2004243282.tif 000005