127- 繰り返し実施される煙ガス湿式脱硫洗浄塔用羽根板式分離器によるEDVプロセスの水滴分離器のアップグレードに関する検討

多くの精製化学企業、特に沿岸部の東南地域、華東地域、華北地域、さらには東北地域にある中国石油や中国石化系の精製化学企業では、装置にEDVプロセスパッケージおよびそれに付属する水滴分離器を導入し、煙処理塔内に含まれる塩分を含んだ液滴やほこり粒子を除去している。運用を開始してから、所有者たちは、煙突から排出される排ガスの水分や塩分含有量が高く、煙の範囲も広いこと、さらに排ガスによって「雨のような滴り」や「塩の降下」、冬季には装置の地面が凍結するといった問題が頻発していると報告しており、環境保護上の圧力や作業員の安全上のリスクに直面している。企業はそれに対して技術的なアップグレードと改造を行うことにした。

水滴分離器は、その重要な内部部品が曲面円錐型分離器と同様で、簡易な単段スパイラルプレート式分離器に属します。それは、一組のスパイラルプレートが簡易的な扇形に並列して配置されたもので、すなわち先端同士が重なり合い、後端は一定の回転角に沿って分散して配置されるシェブロン型の光板である。気流が旋回流板の内部部品を通過する際に軽度の回転が生じ、気流に含まれる重相の分散質は低い遠心係数によって移動し、気相の主流から部分的に分離される。この種のセパレーターにおける遠心係数は0.1g未満、つまり重力加速度の約十分の一であり、分離効率が低いため、気流に含まれるセグメントフローや大きな液滴のみを初期段階で分離することができる。このセパレーターは、20世紀40年代前後にシェブロンの光板用簡易セパレーターの構造を変形させたことに由来する。

この投稿は、2018年11月19日18時59分にluoli519によって最終的に編集されました。水滴分離器と曲面円錐型分離器は、本質的には同じもので、つまり旋回流板式の簡易分離器です。単に、異なる業界や用途において呼び名や表現が違うだけです。石炭鉱石破砕機において、バッグフィルターの前段に設置される予備分離装置は、一般的に「サイクロンプレート」と呼ばれています。石炭火力発電所のボイラー排ガスの一次分離に使用され、これを「旋回流管」と呼ぶ。再燃装置の煙除去システムで使用され、いくつかは「曲面円錐」「双曲円錐」と呼ばれる”；EDVプロセスパッケージでは「水滴分離器」と呼ばれており、その名の通り大きな水滴を分離するためのもので、精密な消泡には使用できず、「雨が降る」「塩が降りる」「白煙が発生する」「凍結する」といった排ガスの問題を解決することはできない。正確に言えば、EDV液滴分離器で処理された煙ガスの水分含有量は、WGS充填式消泡器よりも高く、場合によってははるかに高くなるはずです。EDV式水滴分離器を導入している精製化学企業の大部分は、華東、華南、東南、南方など、年間を通じて比較的高い気温で水資源に恵まれた地域に位置しており、煙突から排出される煙が「雨のように降る」、「塩分を含む」、「白煙となる」といった現象は、これまでは当たり前のこととされ、あまり重視されることはありませんでした。人々の環境保護意識が高まってきたことで、ここ2年ほどからようやく注目されるようになったのです。特に北方地域、中でも西北部や东北部に位置し、EDV型水滴分離器を導入している石油化学企業では、冬場の気温が氷点下まで下がるため、排ガスに含まれる塩分を含んだ液滴や泡が地面や屋根、パイプラインや計測機器に付着し、次第に厚くなって氷となります。これは、作業員の安全や設備・パイプライン・計測機器の安全性にとって大きなリスクとなり、深刻な問題となっています。したがって、北方地域でEDV式水滴分離器を導入している精製企業においては、既存の水滴分離器装置の技術改良がより一層緊急かつ重要となっている。

水滴分離器の利点は、目詰まりに強いことです。確かに、扇子の柄や円錐形の先端付近では空間的な隙間が狭いため、気流によって運ばれたゲル状物質や粒子が付着・堆積し、詰まることもあるが、柄や円錐形の先端から離れた遠方の部分では隙間が広く、詰まりにくい。

もう一つ説明しておくべき点は、この種の旋回流板セパレーターは、旋回流板という内部部品によって流体を回転させ、遠心力を生み出すことで、軽い相と重い相を分離するということです。同一の回転半径では、気流の線速度が大きいほど遠心力が大きくなり、分離がより良好になる；しかし、気流の線速度が大きくなるほど、気流と旋回流板との摩擦や、気流とセパレーターの内壁との摩擦、気流内での損失も増大し、その結果運転時の圧力降下がより大きくなり、煙ガスの排出が滞ったり「息苦しさ」が生じたりするといった問題が起こります。したがって、この種のセパレーターの分離効率と運転圧損は相反する関係にあり、常圧や低圧の条件下ではうまく両立させることが難しい。そのため、この種のセパレーターは、重質触媒ガスや火力発電所の石炭ボイラーなど、常圧・低圧の条件下でのガス処理には適していない。

この投稿は、2018年11月19日18時10分にluoli519によって最終的に編集されました。EDVプロセスは、重触媒装置の煙処理システムで利用されています。重触媒装置の煙処理におけるもう一つの主要なプロセスであるWGSプロセスと比べて、EDVプロセスの利点は、煙ガスへのスプレー洗浄の強度が高いことです。例えば、EDVプロセスでは、煙ガスが洗浄塔の入口に入るとすぐに、入口部に第1段階の急冷スプレー加湿システムが設置され、その後、煙ガスは洗浄塔の中下部に設置された4段階の高強度スプレー加湿システムによってさらに冷却され、除塵や脱硫が行われる。一方、WGSプロセスでは入口にヴェンチュリ式スプレー洗浄管が設置され、煙ガスが洗浄塔内に入り、充填材式消泡器付近まで上昇して初めて第2段のスプレーシステムが設置されるが、その強度は必ずしもスプレー洗浄の規格を満たしていない。

この投稿は最後にluoli519によって2019-7-2 15:21に編集されました。EDVプロセスの洗浄塔の排ガス入口部分の写真をご覧ください：

この投稿は最後にluoli519によって2019年7月2日15時21分に編集されました。高強度のスプレー洗浄、および大量かつ高倍率でのスプレー洗浄液の循環を実現する代わりに、EDVプロセスではフィルターモジュールを設置して、煙ガスを6回目に洗浄し、粉塵や硫黄分を除去します。下図をご覧ください：

EDVフィルターモジュールの上部にある一組のノズルが、煙の上昇方向に逆らって噴霧を行う；スプレー洗浄液は、フィルターチューブの喉元付近で上昇する気流と反対方向に向かう液滴同士が高い表面積で接触し、洗浄および脱硫反応を行う。さらに補足しておくと、フィルターモジュールの中央部には、新鮮なアルカリ液および補水用の口が特別に設けられており、補水口のアルカリ液の標準濃度は30％である。このように6段階の高強度スプレー、洗浄、除塵、脱硫を経ることで、煙ガスや粉塵、硫黄の指標を心配する必要はありません。

この投稿は最後にluoli519によって2018-11-19 18:35に編集されました。上記のような過酷でほとんど狂気的とも言える脱硫処理を経ることで、煙ガス中の粉塵や硫黄は確実に減少します。もちろん、運用時のエネルギー消費量やコストも決して低くはないでしょう。しかし、このように6回ものほとんど狂気的なスプレー洗浄が行われ、さらにフィルターチューブの喉部で気液二相が激しく混合されることにより、煙ガスが運ぶ液滴や泡、そしてそれらに溶け込んだ塩分の量は必然的に大幅に増加する。それは、後続の水滴分離器の運用に深刻な課題をもたらす。水滴分離器は使えますか？

水滴分離器が、このような高強度の煙ガス噴霧洗浄によってもたらされる高負荷な液滴・液沫の処理に耐えられるかどうかを判断するために、水滴分離器の配置図を見てみましょう。実際、これまで海外の水滴分離器の由来や構造的特徴、主な適用上の限界について議論してきた際に、すでに答えは出ています。また、前述の水滴分離器を採用した重触媒装置の所有者たちが次々と技術的なアップグレードや改造を求めていることも、答えである。とはいえ、EDV煙脱洗浄工程における水滴分離器の配置状況を見てみましょう。

この投稿は最後にluoli519によって2019-7-2 15:22に編集されました。下の図は、EDV煙脱洗浄プロセスにおける水滴分離器の配置図です：

上の図からわかるように、1、煙ガスは洗浄塔を上って水滴分離器の上部まで行き、その後下に向かって折り返し、水滴分離器の大径スパイラル板式分離筒内に入ります。2、気流は大径の旋回流板分離筒を通って回転しながら下降し、一部のセグメントフローと大きな液滴が分離されて中下部の排液口から排出される。3、煙ガスはさらに下降して水滴分離器の底部まで行き、再び反転して上昇し、煙突から排出される。4、水滴分離器の底部にたまった液体は、底部の排液口から排出される。

水滴分離器の図から、さらに次のことも分析できる。1、大量の煙ガスが数メートルに及ぶ大きなサイズの折り返し部を通過する際、特に初めて熱い煙ガスの自然な上昇方向に逆らって折り返すと「圧迫」が生じ、圧力損失は必然的に大きくなる。2、煙ガスは旋回流板によって回転し、煙ガスと旋回流板、煙ガスと筒壁、煙ガス内部の衝突による内部損失などにより、圧力損失がかなり大きい。3、水滴分離器は旋回流板によって弱い回転遠心力を生み出し、一部の大きなサイズの液滴を分離するが、回転速度が低すぎると分離効率が低下し、逆に回転速度が高すぎると運転時の圧力損失が大きくなる。したがって、この種のセパレーターの運用の柔軟性は著しく制限される。4、一部のオーナーから、水滴分離器の運転時の圧力損失が非常に高いとのフィードバックがありました。もし水滴分離器の運転圧損が高ければ、水滴分離器の底部の圧力はさらに低くなる；また、その底部からの排液は連結器の原理により圧力バランスで行われ、底部の圧力が低いと必然的により多くの液体が排液管内に留まり、高い液柱を形成して、分離器に煙が入る前の高圧力をバランスさせるのである。したがって、水滴分離器の底部では必然的に液体が完全に排出されない。水滴分離器の底部には液が溜まり、場合によってはその量も多くなります。これらの液体は、逆流する煙によって再び拡散され、煙に含まれることになります。

この投稿は、2019年7月2日14時21分にluoli519によって最終的に編集されました。では、もう一度、水滴分離器の大径サイクロン板式分離筒の上面図を見てみましょう：

この絵は、皆にどこか見覚えのある感じを与えます。はい、これはベルクEDVプロセス用水滴分離器の内部部品の抜粋図です。サイクロン式脱泡器、曲面円錐型セパレーター、サイクロン板でも見られます。 水滴分離器のサイクロンプレート内部構造図からわかるように、1、スパイラルプレートは簡易型のもので、つまりシェブロン・グロープレートであり、構造がシンプルでコストも低い。2、スイングピースは単段並列で、一定の傾きを持って扇形に配置される。3、スピンドルの中心部の隙間は狭く、一方、周辺部の隙間は非常に広い。

前述の通り、水滴分離器は旋回流分離の範疇に属し、動力学的な分離装置でもある。正確な出力となる構造パラメータを得るためには、完全な運転条件のパラメータ群を正確に入力し、精密な動力学的分離計算およびコンフィギュレーションシステムプラットフォームを用いる必要がある。例えば、スクリュープレートの配置角度、円錐形状の直径比、スクリュープレートの数、回転半径、分離筒の数やサイズなどは、正確な動力学に基づく分離計算およびコンフィギュレーションシステムを用いて正確に決定する必要があります。 国内のほとんどのセパレーター供給業者や、海外の専門的でない動力学分離技術を扱う企業には、正確な動力学分離計算や設計システムプラットフォームが存在しない。そのため、水滴分離用のスピンドルの回転角度、円錐形部分の直径比、スピンドルの数、回転半径、分離タンクの数やサイズなどは、経験や大まかな推測、あるいは単なる直感に頼って決定されることが多い。このような状況では、実際に使用した際の分離性能に大きな差が生じ、理想的な分離効果を得ることはできない。この点は、必ず設計院や発注者の技術者が重視し、専門の動力学分離技術会社に技術的なチェックを依頼しなければならない。分離器の供給業者に、経験や大まかな推測、あるいは適当な判断だけで済ませさせてはならない。

設計院や発注者の技術者に対し、専門的な動力学分離技術を持つ企業に技術的なチェックを依頼するよう促す理由は、国内の大多数のセパレーター供給業者や、海外の非専門的な動力学分離技術を持つ企業が、経験や大まかな推測、あるいは単なる直感だけで済ませてしまうことを防ぐためです。ここでは具体例を挙げて説明します。ある石油化学企業は複数の重触媒装置を保有しており、その煙処理システムではすべてEDV式湿式煙ガス洗浄プロセスの水滴分離器が使用されている。しかし、最大規模の装置と最小規模の装置の排ガス量には数倍もの差があるが、海外の非専門的な動力学分離技術を扱う企業や、国内の水滴分離器を供給する業者が提供する水滴分離器は、正確な動力学的分離計算や最適化設計プラットフォームを用いて正確な構造設計が行われていない。彼らは経験や大まかな推測、あるいは単なる直感に頼って分離器を製造・提供しているのである。水滴分離器の分離筒直径パラメータと分離筒の数を設定例としてみると、最大規模の装置と最小規模の装置の水滴分離器の分離筒直径パラメータには大きな違いはないが、それに対応する分離筒の数は、2つの装置の煙処理量とは明らかに一致しない。その結果、大型装置で稼働する水滴分離器の運転圧損は非常に高くなるが、分離効果は良好である；一方、小型装置で動作する水滴分離器の運転圧損は比較的低いものの、分離効果は非常に悪い。 ご存知の通り、同じサイクロンセパレーターにおいて、分離効率は流体の回転半径に反比例します。同一の運転条件において、水滴分離器の分離筒半径が大きくなるほど、分離効率は低下する。海外においては、旋回流分離器の精密な計算や構成設計が、数十年にわたる理論と実践の相互検証、修正、改善を経て、厳密かつ確実な計算設計システムとして確立されている。分離効率が高い順に並んだサイクロンタンクの直径は、一般的に、高い分離効率の場合は2インチおよび4インチ、中程度の分離効率の場合は6インチおよび8インチ、低い分離効率の場合は10インチ～32インチ、そして非常に低い分離効率の場合は32インチ以上となります。また、分離回転サイズが大きくなるほど、分離効率は大幅に低下するだけでなく、その操作の柔軟性も大幅に低下する。

この投稿は、2019年7月2日14時21分にluoli519によって最終的に編集されました。EDVプロセスで使用される水滴分離器を除けば、曲面コーンも熱電ボイラーの排ガスの初期分離において使用されることがあります。また、石油化学企業の火力発電所のボイラーの排ガスの初期分離においても使用されることがあります。下の図にある曲面コーン型のキーパーツである簡易スイーブプレートの画像を比較すれば、両者の分離用パーツの構造や動作方式、そして一次分離における適用場面がほぼ同じであることがわかります。曲面錐に関する詳細な説明については、海川フォーラム内で直接https://bbs.hcbbs.com/thread-2025564-1-1.htmlをクリックしてご参照ください。

再燃装置のスモークトリートメントシステムにおける専用の羽根板分離器と水滴分離器の違いを明確に説明するため、ここに分析・議論のための資料をご提供します