湿式脱硫システムのタワー閉塞の原因と解決策

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この投稿は、2018年9月18日14時23分に955559によって最終的に編集されました。1　湿式脱硫システムのタワー閉塞がもたらす弊害　1.1　電力消費量の増加　タワーが閉塞すると、脱硫システム全体の圧力差が上昇します。私たちの工場の半脱装置を例に取ると、運転開始時の圧力差は25mmHg程度でしたが、タワーが閉塞すると130～140mmHgにまで上昇します。また、ロータスポンプの電流も約10A増加し、モーターの負荷限界に達してしまいます。これは、1時間あたり360kwもの電力が余計に消費されることを意味し、つまり、ロータスポンプ1台分以上の電力が余分に必要になるのです。また、タワーを閉塞した後、脱硫システムのH2S指標を確保するために、多くの企業では循環量を増やすというのが一般的な対応策であり、これによって電力消費も増加することになる。合成アンモニアのコスト構成において、電力消費の割合は石炭消費に次いで高く、省エネ・コスト削減が求められる現在の窒素肥料業界にとって、これは大きな不利要因となっている。1.2 排硫効率の低下と塔の閉塞は、充填材の表面に硫黄の層が付着することを引き起こし、これにより充填材の分散効果が必ず低下する。その結果、液体が偏って流れ、気液接触面が狭まり接触時間が短縮され、排硫効率に悪影響を及ぼす。1.3 設備のメンテナンス作業が増え、点検や修理が頻繁に行われる。脱硫用のメンテナンスはもともと大変で疲れる作業であり、普段から人員の流出が深刻な問題となっている。タワーが詰まるとポンプが圧迫され、シールに使われるパッキンも簡単に飛ばされてしまう。深刻な場合には、パッキンを補充するためにも入口・出口のバルブをすべて閉じなければならない。また、脱硫効率を確保するために循環量を増やすと、出口バルブのシートや配管が激しく侵食され、これにより**ポンプの使用寿命が短くなります。一部のアンモニア合成工場では、圧力差が大きいためにシステムが停止して点検を行う必要があり、その頻度は2～3ヶ月に1回となり、**システムの連続稼働に支障をきたしています。1.4 ガスの抵抗が大きく、生産量が上がらないとタワーが詰まり、浄化工程を通るガスの輸送が滞ってしまう。これにより圧縮機の圧縮能力に影響が出、最終的には総アンモニアの生産量に影響を及ぼす。現在の合成アンモニア企業は利益率が低く、ほとんどが生産量に頼って正常な生産を維持している。同時に高い生産量を維持することも、コスト削減の一つの方法である。1.5 補助剤の消費量が多いと塔が詰まり、必然的に気速が上昇し、脱硫液が塔外に持ち出されやすくなる；また、多くのメーカーはタワーを閉塞した後、後工程のH2S濃度を保つために、脱硫液の成分を強化するという暫定的な対策を取らざるを得ず、これらはすべて補助材料の消費量を増加させます。1.6 安全上のリスクが存在する。脱硫塔が詰まることでロータス機の出口圧力が絶えず上昇し、ロータス機が停止してしまう可能性が非常に高い。もし出口をすぐに閉じなければ、ロータス機が逆回転し、深刻な場合はロータス機全体が破壊される危険がある。また、ポンプの頻繁な増減や頻繁な点検は、必然的に不安定要因を増加させ、安全な生産に支障をきたします。2 湿式脱硫システムのタワー閉塞の原因（1）脱硫システムの指標制御。（2）気温が低い時は液相で加熱する。この項目を別途挙げるのは、これが現在の窒素肥料企業における一般的な慣行であり、やむを得ない方法なのか、あるいはそのような行為の危険性にまだ気づいていないのかもしれないからです。（3）脱硫塔の内部部品の選定。（4）適切な脱硫剤が選ばれていない。（5）再生効果が悪く、貧液の硫黄含有量が高い。（6）硫回収の品質。（7）前工程の除塵効果。3 湿式脱硫システムのタワー閉塞への対応策 3.1 各種プロセス指標の厳格な管理 温度は脱硫システムが正常に稼働するための重要な要素であり、温度が低すぎると液体の粘度が上昇し脱硫効果が低下する。一方、温度が高すぎると副塩が多く生成され、H2Sの吸収にも悪影響を及ぼす。実験によると、脱硫液の温度が45℃を超えると、特にNa2S2O3とNa2SO4の生成率は直線的に上昇する。また、再生温度が高すぎると、再生槽内の気泡が多くなり、硫黄粒子の凝集や浮上が困難になるため、貧液内の懸濁硫黄濃度が徐々に上昇する。一般的に、脱硫温度は38℃〜42℃に保つのが適切で、最低でも35℃以上、最高でも45℃を超えてはならない。pH値も化学反応において重要な要素であり、脱硫反応においても再生液のpH値を厳格に制御する必要があります。一般的には8.2～8.8の範囲で管理し、製造過程ではできるだけpH値が9.0を超えないようにします。溶液のpH値が9.2を超えると、副塩の生成率も直線的に上昇する。脱硫液の主成分は、製造工程に応じて適宜調整し、同時に脱硫液中の懸濁硫黄および副塩の含有量を厳格に制御する必要がある。3.2 合理的な温度上昇手段 多くの企業、特に北部の企業では、冬場の低温時に脱硫液の温度を上げるため、通常、脱硫液に蒸気ヒーターを取り付け、蒸気を直接使用して脱硫液を加熱する方法がとられている。また、再生槽の底部に蒸気コイルを追加したり、直接蒸気を導入する企業もある。当社も当初は同じようにしていました。2010年には脱硫塔のガス導入管に蒸気ジャケットを取り付け、蒸気でガスを加熱しました。効果は良好で、熱量が不足した場合はガス管に直接蒸気を流して温度を上げることもできます。3.3 塗料塔の代わりにスプレー式空塔を使用する http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180918/14cb7f577d714b82bcf0d6c0e1d52a53.png 環境に優しい湿式酸化法による脱硫では、吸収塔としては依然として従来の填料塔が主流であり、塔の頂部に分布器を1つ設置するだけで、脱硫液は填料層を通って上から下へと流れます。塔の高さは数十メートルにも及び、さらにガスの抵抗もあるため、時間が経つと偏流が生じやすくなります。現在、多くの窒素肥料メーカーが技術改良を行い、各層の充填材の上部に再分配器を設置することで、液体の偏流を緩和し、乾燥領域の発生を防ぎ、タワーの閉塞も効果的に軽減している。現在、工業技術の進歩に伴い、霧化ノズルの霧化効果が不十分であるといった問題が解決されてきました。その結果、構造がシンプルで、タワーの利用効率が高く、気液間の物質移動効率も良く、運用コストも低いという利点を持つエアタワースプレー技術が徐々に注目されるようになりました。いくつかの関連企業での導入結果は非常に良好で、タワー内の圧力差はほぼゼロとなり、タワーの閉塞を根本的に防ぐことができています。3.4 高品質な触媒の選択 脱硫触媒の選定は、脱硫効率、補助材料の消費量、脱硫コストといった重要な指標を根本的に決定するものである。現在、国内には湿式脱硫剤の種類が多く、フタロシアニンコバルト系だけでも888、T90-2、RTS、PDS-600、TTSなどがあり、その他にDDSやNDCといった鉄系触媒も存在する。脱硫剤の選定には決まった基準はないが、既存の工程や設備の構成、さらにはガス中のH2S含有量および達成すべき脱硫目標に基づいて行わなければならない。例えば、当社の半脱離式輸入H2S濃度は2500～3500mg/m3ですが、変換には全低変方式が採用されているため、脱硫システムのH2S濃度は100mg/m3前後であることが求められます。そこで当社ではアルカリ法のタンニン樹脂と888という2種類の触媒を組み合わせて使用しており、これも業界で広く受け入れられている優れた組み合わせです。しかし現在、V2O5の安全性の問題により、生産企業の規模が次第に縮小しており、価格も高騰しています。現在、使用する過程で多くのトラブルも生じています。一部の地域では、V2O5の使用を禁止する規定がすでに制定されている。したがって、筆者は依然としてコバルトフタロシアニン系の脱硫触媒に期待を寄せている。酸素運搬能力が高く、粘度が低く、タワー洗浄に適しており、一部の有機硫黄を除去できる点がその利点である。3.5 再生装置の再生性能が悪いと、塔内でNa2CO3がH2Sを吸収して得られたNaHSがすべて酸化されずに硫黄単体となり、浮選によって泡槽に集められ、脱硫塔内に持ち込まれる。酸化反応は塔の上部で完了し、硫黄単体が生成して充填材の表面に付着する。これが脱硫塔の上部が詰まる主な原因である。噴射再生槽は「合成アンモニア」の規定に厳密に従って設計され、内側反応槽、中央貧液環槽、外側泡環槽の3つの部分に分かれている。内筒の頂端と硫黄泡用オーバーフロー堰との距離は700mmとすること、また尾管と槽底との距離は900mmとすることが推奨される。分布効果を高めるために、尾管の端部に鋸歯状の模様を切り込むこともできる。メインパイプとフラワープレートは溶接して固定することをお勧めします。点検の過程で、メインパイプとフラワープレートの接合部が著しく摩耗していることが判明したからです。ノズルはステンレス製が最適です。これも腐食しやすい部分だからです。インジェクターの取り付けは、垂直かつ同心になるように専門の設置チームに依頼するのが最善です。そうでないと、排気量に影響が出ます。生産時には、再生圧力および液面調節器を用いて泡層の厚さを厳格に制御し、液面の大幅な変動や波立ちを防ぎ、硫黄泡が正常に溢流するようにすると同時に、泡に液体が過剰に混入するのも避けなければならない。吸気室の風速や逆流の状況に基づき、ノズルやスロートに詰まりやスケールが発生していないか定期的に点検する。3.6 硫回収プロセスの改善 硫回収の良し悪しは、どれだけ多くのH2Sが除去されたかを直接的に示すものである。脱硫システムの性能がどんなに良くても、硫黄が回収できない場合、それは間違いなくタワー内に残留しており、タワーの詰まりを引き起こす危険因子となる。また、溶融硫黄の戻り液がシステムに戻ると、副塩含有量が高くなる重要な要因となります。多くの企業では連続式の硫黄溶解が採用されており、環境保護やコスト圧力が高いため、溶解した硫黄から出る返液はほとんどが冷却された後にシステムに戻されます。当社では1シフトあたりに30m3もの返液が回収されています。溶硫釜への蒸気温度は190℃に達し、溶硫釜から出る戻り液の温度も最低でも85℃である。これほど高い温度では、必然的に多くの副塩が生成される。現在、一般的な方法は返液を沈殿槽に導き、沈殿・冷却させた後に貧液槽に送り込むもので、一部の企業では冷却用ファンも設置している。しかし、この方法は返液温度を下げるのには効果的だが、副塩の冷却沈殿効果はほとんどない。筆者は実験を行い、返液の一部を常温で静置して1ヶ月間沈殿させたところ、副塩の含有量にほとんど変化が見られなかった。現在、技術改良を行っており、再生槽で浮選された硫黄の泡をまずフィルターに送り、液体の大部分を濾し取った後、濃縮された硫黄ペーストを溶融硫黄用の釜に投入しています。これにより**溶融硫黄の戻り量が減少し、副塩の生成を最大限に防ぐことができる。生の硫黄を直接販売したり、下流製品に利用したりできれば、脱硫システムの正常な運用にとってより有益となるだろう。3.7 ガスの純度の保証
周知の通り、脱硫システムに入るガスの成分は複雑で、多くの不純物や汚れを含んでいる。一度脱硫塔内に入るとこれらを外に取り出すのは非常に困難で、硫黄の固形物と混ざり合って塔の閉塞を引き起こす。一般的な充填塔は3段に分かれており、最下層の充填材の圧力差が大きいと測定された場合、それはほとんどの場合、除塵効果が不十分であることが原因です。ガス化炉出口の集塵器が正常に稼働し、定時に灰を排出できるようにする。製ガス用循環水は、できれば微渦流を発生させるのが望ましい。電気集塵装置を適切に稼働させるためには、電気フィルターの二次電圧と電流を適切に管理するだけでなく、定期的に電気フィルターを熱水洗いし、二次電圧や電流計の誤差によって集塵効果が誤って判断されることをできるだけ防ぐ必要があります。ガス洗浄塔および冷却洗浄塔の循環水を適切に管理し、条件が許せば頻繁に交換し、できれば連続して投入・排出することが望ましい。長年にわたる現場管理を通じて、筆者は脱硫作業が「良心の仕事」であることを深く実感してきました。工程や設備が決定した後、日々の細かな管理も脱硫作業をうまく行うための鍵となります。脱硫作業を行う従業員は、業務能力が高く、問題を分析し解決できるだけでなく、絶対的な責任感も持っていなければならない。常に脱硫装置の運転状況を把握し、生産過程で発生する問題を迅速に見つけ出し、即座に適切な対策を講じることができる必要がある。以上が、現場で働く技術者としてのわずかな経験に基づいたもので、主にタワーの閉塞問題に関する資料をまとめたものです。脱硫現場で奮闘しているエンジニアや技術者の皆様のお役に立てば幸いです