排ガス脱硫
プロジェクト紹介
脱硫スプレータワーの技術的利点：
1. 排煙、脱硫、窒素除去、除塵、脱水機能を統合した技術設計が同時に完了しました。構造はシンプルでコンパクト、プロセスは合理的、内部はスケールや詰まりが生じにくく、排ガスに水分が流入しない設計となっています。
2. 装置内部の有効面積利用率は100％設計されており、浄化プロセス全体を通じて煤はアルカリ水溶液に完全に溶解し、効率的な物質移動効果を実現します。
3. 高効率の外部スプラッシュ噴霧設計を採用し、摩耗部品のない装置内部設計で、最も効率的な脱硫・除塵を確保します。排気ガスとアルカリ溶液の最も十分な物質移動プロセスを形成し、最も効率的な脱硫・除塵を確保します。
5. 装置内部の排気ガス流路設計が滑らかで、排気ガスの方向に死角がなく、排気ガスの熱抵抗が低減し、設計条件下での効果を確保し、ボイラーなどの燃焼装置の動作に影響を与えません。
脱硫吸収塔の代表的なタイプ
吸収塔システムは、湿式排ガス脱硫システムの中核構成要素です。吸収塔は、その機能の違いに応じて、上から下に向かって、脱霧域（ガス域）、霧化噴霧吸収域（ガス・液混合域）、酸化域（液域）に分かれています。排ガス中のSO2の除去や脱硫生成物である亜硫酸カルシウムの酸化などの主要な化学反応は、吸収塔内で完結します。
吸収塔内部に設置される主な設備としては、一般的に、下から上に向かってスラリー混合設備、酸化空気配管網、吸収塔入口の排ガス分配装置、スラリー噴霧装置、ミスト除去装置、洗浄水システムなどが含まれます。
湿式脱硫吸収塔には多くの種類の構造があり、異なる気液接触モードに応じて、脱硫塔はスプレー塔、気泡塔、液柱塔、充填塔などに分類されます。そのうち、スプレー塔は、高効率、低抵抗、高可用性などの利点があり、石灰石 - 石膏湿式脱硫プロセスの主要な塔タイプです。
1. スプレータワー
スプレー塔は、スプレースクラバーとも呼ばれ、湿式FGD装置の主な塔型であり、通常は排ガスとスラリーの向流接触によって配置されます。吸収塔の上部には数層のノズルが配置され、脱硫スラリーは噴霧ノズルを通して液体ミストを形成します。排ガスとスラリーの霧が逆方向に完全に接触すると、SO2が吸収されます。排ガス中のCI、F-、ダストなどのほとんどの不純物も吸収塔で除去されます。石膏、ダスト、不純物を含む吸収スラリーの一部は、石膏脱水システムに排出されます。石灰石スラリーは、塔内の異なる高さに配置されたスプレー層ノズルに循環ポンプで送られます。ノズルは耐摩耗性材料で作られています。スラリーはノズルから噴霧され、分散した小さな液滴を形成して落下します。同時に、排ガスは流れに逆らって上昇し、その間にガスと液体は完全に接触して二酸化硫黄を洗い流します。
吸収塔における二酸化硫黄の吸収理論は、異なる気液接触モードに基づいて、小領域における気液相の物質移動プロセスと化学吸収プロセスを研究するものであり、主に膜理論、浸透理論、表面更新理論が含まれます。
図に示す噴霧塔には、合金トレイ層が備えられています。B&W社が開発したこの技術は、気液二相流の物質移動効率を高め、液ガス比を効果的に低減することができます。しかし、トレイの排ガス抵抗が大きく（トレイ層の抵抗は約500Pa）、国家の超低排出規制が導入される前は競争優位性が限られており、脱硫塔入口のSO2濃度が高く、脱硫効率の高いプロジェクトにのみ適用されています。近年、超低排出転換の継続的な推進に伴い、一部のプロジェクトではダブルパレット技術を採用し、既存の吸収塔への変更を最小限に抑え、液ガス比を上げずに比較的高い脱硫効率を実現しています。
トレイ設置による脱硫効率向上の原理は、流動促進板上にスラリー層を維持し、孔に沿って均一に流動させてある程度の液膜を形成し、スラリーを均一に分散させることです。液膜は、吸収塔内での排ガスとスラリーの接触時間を増加させます。排ガスがトレイを通過する際、気液接触が完全となり、トレイ上部の乱流が激しくなり、SOからスラリーへの物質移動が促進されます。形成されたスラリー泡層は、気液接触面を拡大し、吸収塔の利用率を向上させ、液ガス比と循環スラリー噴霧量を効果的に低減できます。ただし、空塔と比較して、トレイ設置型吸収塔の欠点は、吸収塔の抵抗が比較的高く、ブースターファンの消費電力が大きいことです。
ダブルトレイの気流均質化効果は、排ガスが吸収塔に入った後、まず塔内のトレイを通過し、トレイ上の液膜によって気液相の均質化を調整することです。これにより、吸収エリアの全高において、ガスとスラリーの最適な接触が実現されます。シングルトレイと比較して、ダブルトレイは液膜が1層多く、気液交換がより十分になり、ガス相の分布がより良好になり、脱相乗効果がより顕著になります。
吸収塔合金トレイには以下の機能があります。
（1）気流の均一分布。排ガスは吸収塔の入口から入り、渦流域を形成します。排ガスの流量は、合金トレイを下から上へ通過した後に減少し、吸収塔の噴霧領域を均一に通過します。噴霧塔の直径が大きいほど、機械的な手段で均一な分布を維持することが重要になります。このようなトレイを使用しないと、吸収塔の各領域の排ガスが不均一になり、吸収剤が不足する領域と吸収剤が多すぎる領域が発生します。これは、大型ユニットの脱硫にとって特に重要です。合金トレイを追加する前後の吸収塔セクションの排ガス流速分布の比較を図に示します。図（a）は、空の塔内の排ガスが吸収塔に入り、噴霧層に到達したときの流れ場分布を示しており、偏流が非常に深刻であることがわかります。図(b)は、排ガスが吸収塔に入り、スプレー層に到達するまでの段塔内の流れ場分布を示しています。排ガスは段を通過することで均一に分布するように強制され、スプレー層のスラリー分布によりよく適合します。
（2）スラリーを均一に分散させる。トレイ上にスラリーの層が維持され、穴に沿って均一に流れ落ちることで、スラリーが均一に分散されます。
（3）脱硫を強化し、吸収液の利用率を向上させる。トレイ孔の絞り効果と噴霧効果により、排ガス中のSO2スラリー液滴への物質移動速度が向上する。また、トレイ上に形成される一定高さの泡層は、スラリーの滞留時間を延長し、気液接触面積を増加させる。
ガスが通過する際、気液接触によって汚染成分の一部が吸収され、液ガス比が効果的に低減され、吸収剤の利用率が向上し、循環スラリーポンプの流量と消費電力が削減されます。研究では、単層トレイは物質移動効果を約50%向上させ、液ガス比を15%～30%低減できることが示されています。
（4）低吸収塔。優れた吸収効果により、液ガス比と噴霧層を低減し、吸収塔の高さを低く抑えることができます。低吸収塔は防食面積が小さく、重量も軽いため、吸収システム全体の投資が削減され、運転・保守コストも低くなります。
（5）スケールが発生しません。トレイは合金鋼製で強度が高く、セルフクリーニングと強力な泡効果を備えており、固形粒子をさらに除去し、強力なスラリー洗浄によりトレイにスケールが付着しません。
（6）メンテナンスが便利。吸収塔の設置段階では仮設プラットフォームとして使用でき、稼働後は噴霧層と除雲装置のメンテナンスプラットフォームとして使用できます。塔内のスラリーを空にすることなく、足場を組むことなく直接修理できるため、時間と労力を節約できます。
（7）省エネ。上記の特性に加え、多孔質トレイの最大の利点は、大幅な電力節約です。液ガス比の低下と吸収塔の高さの低さにより、循環ポンプの電力が大幅に削減され、その省エネ効果はトレイ抵抗によるファン電力の増加を相殺することができます。
（１）気流の均一な分布。トレイ設置後、吸収塔へのガス流量は良好に分散され、ほとんどのガス流量は平均流量範囲内に収まります。
（2）石灰石の溶解速度が大幅に向上しました。トレイ上のスラリーのpH値は反応槽内のpH値よりも20％以上低く、石灰石の溶解速度はスラリー中の水和水素イオン濃度[H"]に正比例します。pH4.0の[H+]はpH5.5の[H"]の31倍であるため、トレイ上の石灰石は溶解しやすくなります。
（3）排ガスとスラリーの接触時間が大幅に延長されます。従来の空塔では、排ガスとスラリーの接触時間は約3.5秒です。吸収塔では、トレイが一定の高さの液膜を維持できるため、排ガスの吸収塔内での滞留時間が長くなり、単段吸収塔におけるスラリーの滞留時間は1.8秒です。二段吸収塔では、トレイ上のスラリー滞留時間は約3.5秒で、排ガスとの接触時間は空塔の1倍長くなります。
（4）メンテナンスの利便性。トレイの設置により、吸収塔の運転・メンテナンスが容易になります。塔内部のメンテナンス作業では、塔内のスラリーをすべて排出する必要はなく、塔内に仮設のメンテナンスプラットフォームを設置するだけで済みます。運転・メンテナンス担当者は、合金トレイの上に立ったまま塔内部のメンテナンス・交換作業を行うことができ、運転中のメンテナンス時間を短縮します。
噴霧塔では、噴霧細かさを満足する条件において、ノズルの圧力損失を可能な限り低減することが求められ、液状ミストが吸収塔全体を覆い、吸収の安定性と均一性を実現します。塔底の酸化タンクでは、専用の酸化ファンによって空気がポンプで送られます。同時に、塔壁に対称的に配置された撹拌機は、スラリーの沈殿を防止し、酸化空気の均一分散効果を促進します。吸収塔の上部にはミストエリミネータが設置され、排ガス中の小さな液滴を除去します。
排ガス脱硫技術の発展において、スプレータワーは最も初期の脱硫反応装置です。その利点は、気液接触面積が大きく、システムの液ガス比が小さいことです。しかし、良好な効果を確保するためには、スラリー噴霧が均一な微細液滴を形成する必要があり、循環ポンプは十分な圧力を供給する必要があります。また、スラリー中の脱硫剤粒子のサイズが大きすぎるとノズルが詰まりやすくなります。そのため、脱硫剤は粉砕工程で一定の粒度（約250メッシュ）に達する必要があります。そのため、この装置は脱硫剤の粉砕工程と循環ポンプの性能に高い要求があります。
現在、世界で稼働している脱硫プラントの大部分は、このタイプのスプレー塔です。過去10年間の運用実績から、このプロセス技術は最も成熟しており、定期的なメンテナンスにより装置の安定した稼働を確保できます。このタイプの反応塔は、中国で導入された多くの大規模発電所の脱硫装置にも使用されています。スプレー吸収塔は、排ガス中のSO2洗浄、吸収、酸化、石膏結晶化を一体化した塔式装置であり、排ガス脱硫プラントで広く使用されています。
向流噴霧塔の入口煙道は、通常、反応槽の液面と塔本体吸収帯下部の間、つまり高温の排ガスと落下するスラリーが初めて接触する界面（一般に「乾湿界面」と呼ばれる）に設置されます。排ガスが吸収塔に入ると、断熱飽和状態となり、入口排ガスと乾湿界面に沿って大きな温度勾配が形成されます。この領域では、排ガス温度は通常120～150℃から約50℃まで急激に低下します。渦流作用や入口排ガスの不均一な分布により、落下するスラリーは入口煙道に引き込まれ、スラリーが煙道の高温壁板に接触した後に水分が蒸発し、固体沈殿物を形成します。固形物の継続的な蓄積は、入口排ガス流路面積の減少、排煙システムの抵抗増加、誘引通風機のサージ発生を引き起こし、深刻な場合には、ユニットの負荷低下運転または強制停止につながります。入口排ガス環境は、湿式排ガス脱硫システムにおいて最も腐食が激しい部位の一つであることを示しています。
乾湿界面に石膏が長期間蓄積すると、ユニットの風排煙システムの抵抗が増加します。遮蔽キャップ構造は、乾湿界面を塔内に押し込み、入口煙道壁から離すことで、入口煙道への過剰な固形物の堆積を防ぎます。あるいは、入口煙道に傾斜を付けた水平煙道を設け、塔の終端部を四角いバケツ型に接続する構造とします。
入口フランジ遷移部の構造材料には、通常、耐高温性、高濃度塩化物およびガス耐性、低pH耐腐食性、点腐食耐性、堆積物下隙間腐食耐性を有する高ニッケル合金材料（C-276合金や59合金など）が選定されます。吸収塔の入口煙道温度が100℃程度まで低下する場合は、低価格の耐高温ガラスフレーク樹脂も腐食防止に使用できます。
スプレー塔は国内外の脱硫塔の開発方向であり、石灰石・石膏・湿式脱硫装置において主要な地位を占めています。この脱硫塔は構造がシンプルで、石炭の種類やボイラー負荷の変化に強く、脱硫効果が高く、調整が容易で、メンテナンスが容易で、スケールや詰まりが発生しにくいという特徴があります。
2. バブルスプレータワー
JBR（ジェットバブトリアクター）はバブリングリアクターに属し、リアクターの中核部分はジェット沸騰リアクターです。リアクターはボイラー集塵機の後に設置されることが多く、排ガスは専用のガス分配装置を介して真下の脱硫スラリーに垂直に送り込まれます。このプロセスでは、排ガス中のSO2がスラリーと完全に接触して反応し、亜硫酸カルシウムを生成します。酸化された空気はバブリングリアクターの底部から入り、分配管を通ってスラリーに均一に分配され、亜硫酸カルシウムを硫酸カルシウムに酸化します。このプロセスは、排ガスの粉塵含有量に対する要件が低く、高粉塵濃度の条件下でも良好に動作し、高い脱硫効率を得ることができます。
内部は機能に応じてバブリングゾーン（ジェットバブルゾーン）と反応ゾーンの2つの部分に分かれています。
発泡帯（噴出気泡帯）は、連続的に生成・崩壊する多数の気泡からなる連続気泡層である。発泡帯にはガス噴出管が設けられ、原排ガスは一定の速度で噴出管を通ってスラリー液面下に入り、スラリーと激しく混合し、内部に多数の気泡を発生させる。その後、浮力の影響でジグザグに上昇し、急激に分散することで気泡層を形成する。この過程で、ガスと液体は十分に接触し、排ガス中のSO2が吸収・反応して亜硫酸カルシウムを生成する。排ガス中のフライアッシュも液膜と接触して除去される。発泡帯では気泡が大量かつ急速に生成・崩壊し、気液接触能力がさらに強化され、常に新たな接触面積が発生するとともに、反応物質を発泡帯から反応帯へ移行させ、新たな吸収剤と排ガスを接触させる。
反応ゾーンはバブリングゾーンの下にあり、石灰石スラリーは直接反応ゾーンに供給されます。反応ゾーンの底部から酸化空気が流入し、分配管を通してスラリーに均一に分配され、亜硫酸カルシウムを硫酸カルシウムに酸化します。処理後、正味の排ガスはスラリーから泡立ち、煙突に排出されます。反応ゾーンでは、空気の泡立ちと機械的な攪拌（一部のバブリングタワーには垂直攪拌装置が装備されています）により、ガスと液体が完全に混合されます。バブリングタワーのバブリングゾーンにおける気泡による液体循環は、従来のプロセスにおけるスラリー循環ポンプの役割を代替します。
3. 液体噴霧塔
液柱塔は空塔型で、塔体は角鋼構造です。液柱塔は単層母管制御構成を採用し、塔体の底部に吹付管を配置しています。循環ポンプは吸収スラリーを吹付母管に送り、各平行枝管に分散させて上方に噴霧し、脱硫塔の断面全体を覆う液柱を形成します。排ガスは脱硫塔の下部から放射状に塔内に進入し、液柱を上方通過します。上昇する過程で、排ガスはまず下流で上方に噴射されたスラリー柱と接触します。スラリー柱が最高点に達した後、分散して均一な液滴を形成し、後方に落下し、再び上から下への排ガスと向流接触します。高密度の液滴層を形成し、排ガスと吸収液の混合を改善し、気液二相を効率的に接触させ、SO2の吸収反応を促進します。
脱硫塔全体の吸収域では、液柱が上方に噴霧され、自由落下し、液滴の破砕と凝縮が常に起こり、常に新しい表面が生成されます。液柱塔の吸収面積は噴霧塔の吸収面積よりも高く、排ガス流量の低下の影響を相殺し、吸収域におけるスラリーの滞留時間を延長します。
液柱内の液滴は乱流度が高く、ガスと液体が絡み合う明らかな接触界面は見られません。吸収液滴の散乱、衝突、破砕の過程で、ガスと液体の接触界面は常に更新され、SO2の吸収を大幅に促進します。
液柱塔の特徴は、構造が簡単で内部部品が少ないこと、排ガス中の粉塵含有量に対する要求がなく、プロセス自体の粉塵処理能力が比較的高いこと、ノズルの口径が大きいため詰まりにくく、吸収エリアが空塔のためスケール付着のリスクが低いことなどです。そのため、石灰石調製設備に対する要求はそれほど高くありません。また、スラリー循環ポンプに周波数変換ポンプを採用すれば、省エネと同時にシステムの負荷調整能力が向上し、ボイラー負荷が変化した場合でも、液柱への注入高さを変えるだけで、脱硫システムの出力を適宜調整できます。
（1）吸収塔の高さが低い。吸収塔と煙道ガスが二重に接触するため、液柱塔の高さは従来の一方向流塔に比べて大幅に低くなります。特に中・高硫黄炭の場合、液柱塔の合理的でシンプルな単層吹付コンクリートパイプラインは、吹付塔の多層で複雑な吹付層レイアウトを回避し、吸収塔全体の高さを大幅に低減します。
（２）酸化タンクの容積が小さい。液柱塔のスラリー濃度は一般的に30％であり、スプレー塔の約20％よりも大きいため、酸化タンクに必要な容積ははるかに小さくなります。
（3）消費電力が低い。大口径中空軸流ノズルは、吸収塔の底部に噴霧管を配置し、ノズルとノズルが低い位置に配置されているため、従来の噴霧塔ノズルとは異なり、スラリー充填に十分な圧力をかける必要がなく、循環ポンプの揚程が大幅に低減されるため、吸収塔循環ポンプの消費電力は比較的低くなります。
（4）低コスト。噴霧管はメス型制御を採用しており、必要に応じて1台または複数の循環ポンプを設置できます。同一型式の循環ポンプを使用することで、スペアパーツから運転・メンテナンスに至るまでのコストを大幅に削減できます。
（５）二段直列、コンパクトな接続、高い脱硫効率。
（6）吸収塔は構造がシンプルでメンテナンスが容易です。吸収塔のノズルは中空構造を採用しており、詰まりにくくなっています。ノズルは格子状に単層に配置されています。
（7）ノズルには背圧がなく、循環ポンプの圧力ヘッドが低いため、エネルギー消費量が少なく、塔内の抵抗も少ない。塔内には液柱層とノズルが1層しかないため、スラリー循環ポンプの圧力ヘッドが低く、エネルギー消費量も少ない。
（８）液柱塔内の気液二相が繰り返し接触し、物質移動が十分であるため、高い脱硫効率を確保できる。
（９）吸収塔のスラリー循環システムは雌管制御を採用しており、雌管の流量には一定の制限があるため、循環スラリーポンプの台数と流量のマッチング設計により、単位負荷の変動範囲を満たし、省エネ運転を実現できる。
（１０）液柱塔は長方形の形状を採用し、吸収塔のスラリープール内の流れ場の試験データに基づいて酸化空気システムを最適化し、酸化空気の均一な分布を確保する必要がある。
液柱式脱硫技術では、石膏スラリー濃度はスプレー式脱硫技術よりも高く、最大28%～32%に達します。そのため、液柱式脱硫技術では、石膏スラリーサイクロンを設置せずに、脱水機に直接石膏スラリーを送り、脱水処理後に石膏を生成することができます。石膏スラリーサイクロンを設置しない場合は、廃水サイクロンも設置せず、ろ液から脱硫廃水を排出します。
4. グリル脱硫塔
脱硫塔の本来の充填塔はTBC（乱流層接触器）で、ポリエチレンボールまたは発泡ボールを充填物として環状に積み重ねて使用します。摩耗、腐食、耐熱性などの問題から、充填物はしばしば損傷し、スラリー輸送パイプラインを閉塞し、システムの長期安定運転を妨げることがあります。近年の湿式脱硫充填塔は、充填物として特殊なグリッドを採用しているため、グリッドタワーとも呼ばれ、通常の充填物はきれいに排出されます。
典型的な下流グリル吸収塔では、塔頂部の噴霧装置から脱硫スラリーがグリル上部に均一に噴霧され、塔頂からグリル表面に滴下した後、徐々に流下することで、比較的安定した液膜を形成します。ガスは充填材と液体の隙間を通って落下し、下流で連続的に接触することで、二酸化硫黄は継続的に溶解・吸収されます。処理された排ガスは塔底部の酸化タンクを通過し、ミストエリミネーターに入ります。
グリッド塔では、脱硫スラリーが充填材上に均一に分散され、グリッド表面での流下液膜プロセスが連続的かつ均一であることが求められます。グリッドは、比表面積が大きく、空隙率が高く、耐腐食性が強く、強度と濡れ性に優れている必要があり、価格も高すぎてはなりません。スプレー塔と同様に、格子塔でも脱硫器には一定の粒度（約250メッシュ）が必要です。現状では、充填材のスケール付着や目詰まりの問題は完全には解決されておらず、システム全体の反応が適切な状態で行われるように、高い自己制御能力を備え、スケール付着のリスクを最小限に抑える必要があります。
吸収塔の選択原則
（１）利用者の視点からは、低コストを基本に、可能な限り高い効率性と簡単な操作性を実現することが求められる。
（2）吸収塔の設計は脱硫反応の物質移動要件を満たし、副反応（二酸化炭素吸収）の抑制とポンプ負荷の低減に寄与します。撹拌機等のエネルギー消費量は、システムの制御（pH値、液ガス比、カルシウム硫黄比調整を含む）に寄与し、設計値（脱硫効率、カルシウム利用率、酸化率）を確保します。
（3）スプレー塔とグリル塔の技術は比較的成熟しているが、ノズルとフィラーに対する要求が高く、そうでなければシステムはスケールアップして詰まりやすい。一方、新型JBR反応器と液柱塔は、同様の状況の発生を回避するように設計されており、システムの制御レベルと脱硫粒子に対する要求は比較的低い。さらに、液柱塔自体も同時に除塵効果を有し、特に高塵濃度の排ガス脱硫に適しており、実際のエンジニアリングアプリケーションにおいて高効率、耐スケール性、制御容易性などの利点を示している。
（4）気液反応と反応器理論の進歩は、脱硫反応器の発展に指針を与えている。スプレー塔からグリル塔、ジェット沸騰塔、液柱塔へと続く脱硫吸収塔の発展は、気液物質移動反応理論と様々な関連工学技術の進歩を十分に反映している。
吸収塔のレイアウトとプロセス要件
石灰石および石膏湿式脱硫は200MW以上のユニットに適しているため、このプロセスを中小型ユニットに適用する場合は、2つの畝と1つの塔、または3つの畝と1つの塔を採用することができ、各ユニット間の切り替えは、排気ガスバッフルドアを介して実現されます。
吸収塔本体は鋼鉄製で、脱硫装置の中核設備であり、埋め込み部品、底部支持梁、底板、壁板、中間支持部、塔頂部などが含まれています。吸収塔本体は二つの機能を有し、一つは排ガス中の二酸化硫黄を除去すること、もう一つは脱硫生成物を適格な石膏製品に加工することです。
塔体は弱酸性スラリーと直接接触するため、防食対策を講じる必要があります。一般的には、ゴム、ガラススケール、または耐腐食性鋼板などのライニング防食処理が施されます。排ガス温度が175℃を超えると、吸収塔の防食層や機器が損傷する可能性があります。FGD装置には、吸収塔などの機器を保護し、ボイラーユニットの安全な運転を確保するために、排ガスを冷却するための緊急用スプレーが装備されています。
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