JP3868290B2 - 気液接触装置および気液接触装置用スプレーノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は湿式排煙脱硫装置に用いられる気液接触装置であって、高価な材質を使用することなくスプレーノズルの耐摩耗性などの向上が図られ、高い信頼性と経済性が実現された気液接触装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、排煙脱硫装置としては、吸収剤スラリに排煙中の亜硫酸ガスを吸収させて除去する湿式のものが広く普及しているが、この種の脱硫装置では排煙に吸収剤スラリを効率よく接触させることが重要となる。このため出願人は実開昭５９−５３８２８号公報に示されるように、気体が流通する塔本体内でスラリ溶液を上方に向って吐出させる構成とすることにより、気液接触効率の向上、必要容積の低減及び構造の簡素化などを実現した気液接触装置を提案した。図３はこの気液接触装置を使用した排煙脱硫装置の構成例（要部のみ）を示している。
【０００３】
この排煙脱硫装置は吸収塔１の底部に形成され、図示省略したスラリ供給系により例えば石灰石よりなる吸収剤スラリＳが供給されるタンク２と、このタンク２内のスラリを吸収塔１の上部に形成された塔本体３に送って排煙と接触させるための循環ポンプ４と、タンク２の天井に回転軸５により支持され、モータ６により駆動されてスラリＳ内において水平回転する攪拌棒７とを備えている。吸収塔１の塔本体３の上部とタンク２の端部上面とには、排煙の入口または出口となるダクト８またはダクト９がそれぞれ設けられ、これによりタンク２内液面上を経由して塔本体３内を排煙が流通するようになっている。
【０００４】
そして、塔本体３内には、循環ポンプ４の吐出側に接続されたヘッダパイプ１０が配設され、このヘッダパイプ１０に吸収剤スラリＳを上方に向って液柱状に吐出するスプレーノズル１１が複数形成され、これにより吸収剤スラリＳを排煙に効率よく接触させる気液接触装置が構成されている。なお上記脱硫装置における気液接触装置のヘッダパイプ１０は通常複数本設けられるが、必ずしも同一平面上に配置されない。また、従来スプレーノズル１１の液入口部は鋭角な角部を有する形状であった。さらにスプレーノズル１１の材質としては吸収剤スラリＳの液柱高さが１ｍ以下で吸収剤スラリＳ中の石膏濃度が１５％以下の場合にはＦＲＰが使用され、これ以上の厳しい条件においては、硬度が高く耐摩耗性に優れた金属材料あるいはアルミナ、ジルコニア、タングステンカーバイド、炭化ケイ素などのセラミックが通常用いられていた。
【０００５】
この装置では、例えばダクト８から未処理排煙を導き、循環ポンプ４によりスプレーノズル１１から噴射した吸収剤スラリＳに接触させて、未処理排煙中の亜硫酸ガスを吸収除去し、ダクト９から処理済排煙として排出させる。スプレーノズル１１から噴射され亜硫酸ガスを吸収しつつ流下する吸収剤スラリＳはタンク２内において攪拌棒７により攪拌されつつ、図示省略した空気供給手段により発生した多数の気泡と接触して酸化され、この場合石膏（副生品）となって取り出される。
【０００６】
この際、スプレーノズル１１から噴射される吸収剤スラリＳは液柱状となって上方に噴き上がり、吹上げ頂部で分散し降下する。降下する吸収剤スラリＳと噴き上がる吸収剤スラリＳとは相互に衝突して微細な粒子状になるので、充填式吸収塔などに比較して構造が簡単でありながら単位体積当たりの気液接触面積が大きくなる。また、ノズル近傍で排煙が吸収剤スラリＳの噴き上で流れに効果的に巻き込まれるので、吸収剤スラリと排煙とは効果的に混合し、この効果によっても気液接触効率が高くなり、高い脱硫率での排煙浄化が小容積かつ簡素な吸収塔１で可能となる。また、循環ポンプ４の吐出圧力などの設定により、スプレーノズル１１から噴射される吸収剤スラリＳの液柱高さを調整することで、気液接触効率ひいては脱硫率などを効果的に変化させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の気液接触装置では、吸収剤スラリＳの液柱高さ及び吸収剤スラリＳ中の石膏濃度が高いなどの条件によっては、摩耗などによる信頼性の低下を防止するために、スプレーノズル１１の材料費、製造費さらには組付けコストが高くなり、経済性を阻害するという問題があった。すなわち、吸収剤スラリＳの液柱高さが１ｍを超えるか、あるいは吸収剤スラリＳ中の石膏濃度が１５％を超える場合には、従来スプレーノズル１１の材質として、硬度が高く耐摩耗性に優れた金属材料やセラミックなどの高価な材質が通常用いられ、材料費、製造費がかかっていた。特に、耐食性が要求される場合にはセラミックを使用する必要があり、耐衝撃性を確保するため特殊な取付け構造とする必要が生じていた。
【０００８】
というのは、石炭焚きボイラなどの脱硫装置の場合、定常運転状態においては、反応生成物の亜硫酸カルシウム、硫酸カルシウム（石膏）、フライアッシュ（石炭灰）、石炭中に含まれる砂粒などの固形分が吸収剤スラリＳ中に存在する。そして、これら固形分が、液中高さが高ければ高いほど、激しくスプレーノズル１１内を通過するため、耐摩耗性の低いＦＲＰでは短時間で摩耗してしまう。また、石炭焚きボイラなどの脱硫装置の場合、吸収剤スラリＳ中に塩素イオンが存在することになるため、この塩素イオン濃度によっては、ステンレス鋼では孔食またはデポジットアタックなどの腐食が生じる。そして、このような腐食に耐え得る材質として、ニッケル系合金またはチタン系合金があるが、これら合金はステンレス鋼に比べ硬度が低く耐摩耗性に劣るわりに価格が高い。
【０００９】
そこで、このように高い耐摩耗性と耐食性とが要求される場合には、従来セラミックがスプレーノズル１１の材質として使用されていた。しかしセラミックは、成形が難しいので製造費用が高くなり、しかも耐衝撃性に劣り重いので、スプレーノズル１１をヘッダパイプ１０に取付ける際に壊しやすく、またその支持構造を衝撃が伝わらないような特殊な構造にしなければならなかった。
【００１０】
そこで、本発明は耐摩耗性、耐食性、耐衝撃性に優れ軽量かつ安価なスプレーノズルを備えて、信頼性及び経済性に優れる湿式排煙脱硫装置用の気液接触装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の気液接触装置は、気体が流通する塔本体内部に、スラリ溶液を上方に向かって吐出するスプレーノズルを配設してなる湿式排煙脱硫装置用の気液接触装置において、前記スプレーノズルの液入口部の形状を該スプレーノズルの液吐出口径の０．２倍以上の曲率半径を有するベル状とするとともに、前記スプレーノズルの材質をＪＩＳ−Ａ硬度が５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムまたは平均分子量１００００００〜４００００００のポリエチレンとしたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２記載の気液接触装置用スプレーノズルは、液入口部の形状を液吐出口径の０．２倍以上の曲率半径を有するベル状とするとともに、材質をＪＩＳ−Ａ硬度が５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムまたは平均分子量１００００００〜４００００００のポリエチレンとしたことを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明では、スプレーノズルの液入口部の形状を該スプレーノズルの液吐出口径の０．２倍以上の曲率半径を有するベル状としている。このため、スプレーノズルの液流入口及び吐出口におけるスラリ溶液の乱れを防止し、スプレーノズルの材質にかかわらず気泡発生による摩耗あるいはキャビテーションによる摩耗が抑制される。
【００１４】
また、スプレーノズルの材質をＪＩＳ−Ａ硬度が５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムまたは平均分子量１００００００〜４００００００のポリエチレンとした場合には、耐摩耗性、耐食性、耐衝撃性に優れ軽量で安価なスプレーノズルとなる。なお、ＪＩＳ−Ａ硬度で５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムが耐摩耗性に優れているのは、ゴム弾性によるエネルギ吸収効果によるものと考えられる。また、平均分子量１００００００〜４００００００のポリエチレンが耐摩耗性に優れているのは機械的性質が優れていることと摩擦抵抗が小さいためと考えられる。
【００１５】
【実施例】
以下、具体的な実施例により、本発明装置の効果を一層明らかにする。
【００１６】
（第１実施例）
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。まず、第１実施例の気液接触装置を使用した脱硫装置について図１，図２により説明する。なお、この実施例の脱硫装置はスプレーノズル２０の形状に特徴を有し、その他の構成は図３に示す従来の脱硫装置と同様であるので、同様な構成要素には同符号を用いてその説明を省略する。
【００１７】
スプレーノズル２０は図２に示すように、塔本体３内のヘッダパイプ１０の上面に直付けされて複数立設された筒状のもので、図１の如く基端側の液入口部２１の形状が液吐出口径ｄ（通常５０ｍｍ程度）の０．２〜０．１倍の曲率半径Ｒを有するベル状とされている。そして、この場合スプレーノズル２０はＦＲＰにより製作されている。
【００１８】
上記脱硫装置では、例えばダクト８から未処理排煙を導き、循環ポンプ４によりスプレーノズル２０から噴射した吸収剤スラリＳに接触させて、未処理排煙中の亜硫酸ガスを吸収除去し、ダクト９から処理済排煙として排出させることにより、従来同様に高い脱硫率での排煙浄化が小容積かつ簡素な吸収塔１で可能となる。そしてこの際、スプレーノズル２０の液入口部２１（図２参照）が液吐出口径ｄの０．２倍以上の曲率半径Ｒを有するベル状となっているため、スプレーノズル２０の液流入口及び吐出口におけるスラリ溶液Ｓの乱れが防止され、スプレーノズル２０の材質にかかわらず気泡発生による摩耗あるいはキャビテーションによる摩耗が抑制される。したがって、ＦＲＰのような安価かつ軽量で耐衝撃性のある材質を使用しても、耐摩耗性を確保することができ、気液接触装置ひいては脱硫装置の経済性及び信頼性を向上させることができる。
【００１９】
以下の表１は上記実施例の構成において、石膏濃度２０ｗｔ％の吸収剤スラリＳを、吐出口での流速が１５ｍ／ｓになるように調節した条件下で、ＦＲＰのスプレーノズル２０からスプレーし、連続６か月間運転後、スプレーノズル２０の摩耗状態を調べた試験結果（供試体：Ｎｏ．２〜８）を、従来のスプレーノズルで同条件で試験した結果（供試体：Ｎｏ．１）と比較して表示したものである。液入口部を液吐出口径の０．２倍以上の曲率半径Ｒを有するベル状としたこの実施例の場合には、液入口部と液吐出口とでほとんど摩耗量に差がなく、平均的に約１２ｍｍ摩耗していた。これに対し、従来の形状のスプレーノズルでは全体的に１５〜１６ｍｍ程度激しく摩耗しており、特に液入口部近傍で摩耗が激しく、肉厚２０ｍｍのスプレーノズルに貫通孔が生じている箇所が認められた。
【００２０】
【表１】

【００２１】
（第２実施例）
次に、第２実施例の気液接触装置を使用した脱硫装置について説明する。この実施例の脱硫装置はスプレーノズル２０の材質をＪＩＳ−Ａ硬度が５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムまたは平均分子量１００００００〜４００００００の超高分子量ポリエチレンとしたもので、その他の構成は上述した第１実施例の脱硫装置と同様である。このように材質を選定すると、上記材料自体の特性から、耐食性、耐衝撃性に優れ軽量で安価なスプレーノズルとなるとともに、下記表２の試験結果に示すように優れた耐摩耗性をも得られる。したがって、耐摩耗性、耐食性の点でセラミック製スプレーノズルと同様な信頼性を有しながら、支持構造が簡単（直付け可）で取付け作業がしやすく成形も安易なスプレーノズルとなり、高い経済性を実現しつつ気液接触装置の信頼性が格段に向上する効果がある。
【００２２】
以下の表２は実施例１の表１の試験と同様の条件下で、上記材質のスプレーノズル２０からスプレーし、連続６か月間運転後、スプレーノズル２０の摩耗状態を調べた試験結果（供試体：Ｎｏ．１〜１０）を表示したものである。ポリエーテル系ウレタンゴムの場合も、また超高分子量ポリエチレンの場合も、摩耗量は０．２ｍｍ以下であり、格段に耐摩耗性が向上するのが実証されている。表１と表２の対比より、ＪＩＳ−Ａ硬度が５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムまたは平均分子量１００００００〜４００００００の超高分子量ポリエチレンがＦＲＰよりも耐食性、耐衝撃性に優れていることが明らかである。
【００２３】
【表２】

【００２４】
なお、本発明の気液接触装置は、上記のようなタンク酸化方式の湿式排煙脱硫装置における吸収塔の構成として適用される場合に限らず、スラリ溶液と気体とを効率よく接触させる必要のある工程であれば各種の分野に適用できることはいうまでもない。また、湿式排煙脱硫装置における吸収塔の構成として適用される場合でも、各種態様があり得る。例えば、煙突と吸収塔とを一体化させた煙突組込式の簡易脱硫装置に対しても適用でき、その経済性及び信頼性の向上を実現できることはいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、スプレーノズルの液入口部が液吐出口径の０．２倍以上の曲率半径Ｒを有するベル状となっているため、スプレーノズルの液流入口及び吐出口におけるスラリ溶液Ｓの乱れが防止され、スプレーノズルの材質にかかわらず気泡発生による摩耗あるいはキャビテーションによる摩耗が抑制される。したがって、ＦＲＰのような安価かつ軽量で耐衝撃性のある材質を使用しても、耐摩耗性を確保することができ、気液接触装置ひいては脱硫装置の経済性及び信頼性を向上させることができる。
【００２６】
また、スプレーノズルの材質を、ＪＩＳ−Ａ硬度が５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムまたは平均分子量１００００００〜４００００００の超高分子量ポリエチレンとした場合には、材料自体の特性から、耐食性、耐衝撃性に優れ軽量で安価なスプレーノズルとなるとともに、優れた耐摩耗性をも得られる。したがって、耐摩耗性、耐食性の点でセラミック製スプレーノズルと同様な信頼性を有しながら、支持構造が簡単（直付け可）で取付け作業がしやすく成形も容易なスプレーノズルとなり、やはり高い経済性を実現しつつ気液接触装置の信頼性が格段に向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である気液接触装置の要部を示す側断面図。
【図２】本発明の一実施例である気液接触装置を使用した排煙脱硫装置の要部を示す説明図。
【図３】従来の気液接触装置を使用した排煙脱硫装置の要部を示す説明図。

Claims (2)

1. 気体が流通する塔本体内部に、スラリ溶液を上方に向かって吐出するスプレーノズルを配設してなる湿式排煙脱硫装置用の気液接触装置において、前記スプレーノズルの液入口部の形状を該スプレーノズルの液吐出口径の０．２倍以上の曲率半径を有するベル状とするとともに、前記スプレーノズルの材質をＪＩＳ−Ａ硬度が５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムまたは平均分子量１００００００〜４００００００のポリエチレンとしたことを特徴とする気液接触装置。
2. 液入口部の形状を液吐出口径の０．２倍以上の曲率半径を有するベル状とするとともに、材質をＪＩＳ−Ａ硬度が５０〜１００度のポリエーテル系ウレタンゴムまたは平均分子量１００００００〜４００００００のポリエチレンとしたことを特徴とする気液接触装置用スプレーノズル。

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