脱硫吸収塔の液面測定方法のいくつか

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著者：覃俊鋒（上海民航新時代空港設計研究院有限公司広州支社、広東省広州）本記事の転載には、著者の著作権を明記してください。 要約：脱硫システムにおいて吸収塔の液面高は非常に重要なパラメータであり、システム内の循環ポンプ、酸化ファン、撹拌機といった重要機器の連鎖保護条件はすべてこれと直接関連している。したがって、吸収塔の液面高測定データの正確性と安定性は、脱硫システムの安定した運転を決定するだけでなく、脱硫システムに関連する他のプロセスシステムの安全な運転にも影響を与える。 はじめに　現在、ほとんどの煙ガス脱硫システムでは石灰石－石膏式湿式脱硫技術が採用されており、その中で吸収塔が煙ガス脱硫を行うための主要な装置となっている。吸収塔の液面高は、脱硫システムが安全かつ確実に動作する上で極めて重要な役割を果たす。しかし、吸収塔自体の構造上の特異性から、現在一般的に使用されている液面計を用いて直接測定することはできない。本稿では、現在用いられている吸収塔の液面を測定するいくつかの方法について解説し、各測定方法の長所と短所を分析する。 石灰石－石膏法の脱硫システムにおける主要な装置は吸収塔であり、図1に示すように、吸収塔は主にスラリー酸化域、吸収域、噴霧層、除霧層、入口煙道、および出口煙道から構成されている。通常の容器の液面測定には、容器の上部に超音波式液面計やレーダー式液面計、フロート式液面計を設置する方法、または側壁に磁気式浮子液面計を設置して測定する方法が用いられる。温度の影響をあまり受けない液体の場合、開放型の容器であれば、容器の底に圧力変換器を取り付け、式H＝（P/ρg）+hを用いて計算することで求めることができる；密閉容器の場合は、圧力差変換器を設置する必要があり、式H＝（ΔP/ρg）＋hによって計算されます。ここで、Hは液面の高さ、Pは圧力、ΔPは圧力差、ρは液体の密度、hは圧力変換器または圧力差変換器の設置高さです。 http://www.tx7878.cn/d/file/jingyan/2019-05-30/18909498cf80c999f1c7fc11aa6ce47c.jpg 1 問題の発生 硫黄除去用吸収塔内の媒体はかなり複雑で、スラリー酸化領域では主に硫酸カルシウムスラリー、亜硫酸カルシウムスラリー、および酸化空気が存在し、吸収領域では正圧の煙ガスとスラリーの混合物がある。吸収塔のスラリープールの上部には大量のスプレーされたスラリーと煙の混合物があるため、上部に超音波式水位計やレーダー式水位計を設置して測定することはできない。石灰石－石膏スラリーには主に3つの特異性がある。 （1）脱硫効率を確保するため、スラリーの固形分含有量は20％にも達し、撹拌機によってスラリーを絶えず循環させても、タンクの上下層の密度は均一ではない。 （2）スラリー中の硫酸カルシウムは非常に粘着性が高く、計測プローブをその中に挿入すると、硫酸カルシウムが徐々にプローブの表面に付着し、計器の正常な動作を妨げて測定データが歪むことになる。 （3）スラリーには大量の酸化空気が含まれており、酸化空気用の配管は一般的にタワーの底部から約3mの高さに設置される。気泡は上昇する過程でスラリーの圧力が低下するにつれて徐々に膨張し、それによって吸収塔内のスラリーの上下層間の密度差がさらに大きくなる。スラリーの上記の特性により、吸収塔の側壁にのみ圧力変換器を設置するだけでは、正確な液面データを測定・比較することはできない。さらに、フロート式液面計や磁気タービン式液面計は、このような過酷な作業環境には全く適応できない。 2 解決策 吸収塔の液面をより正確に測定するため、現在、国内の脱硫システムでは一般的に圧力変換器を用いて吸収塔底部の圧力を測定し、スラリーの密度を測定する装置を設置して、そのデータをDCS（分散制御システム）やPLC（プログラマブルロジックコントローラ）といった制御システムに遠隔送信する。そして、H＝（P/ρg）+hという式に基づいて吸収塔の液面を計算する。密度測定法には多様なものがあり、それぞれ特徴を持ち差異も大きいため、工事のコストや測定装置の安定した稼働度、さらにはシステム運用中のメンテナンス作業量に直接的な影響を与える。吸収塔の液面は脱硫システムにおいて非常に重要なパラメータであるため、計器の数はプロセス要件に応じて冗長構成となっており、以下の各測定方法についてはここでは詳述しない。 （1）装置一――質量流量計＋圧力変換器測定回路。この方法では、まず質量流量計を用いてスラリーの密度をリアルタイムで測定し、次に圧力変換器で得られた圧力値から吸収塔の液面高さを算出する。密度測定回路は、主に石膏スラリー抽出ポンプ（1基使用、1基予備）、バルブ（抽出ポンプの入口弁、出口弁、洗浄弁、排出弁）、質量流量計、圧力計、および配管で構成されている。一方、圧力測定回路は、主に圧力変換器、バルブ、および洗浄管路で構成されている（図2）。密度測定回路を起動する際には、まず洗浄弁、排出弁、出口弁を閉じ、次に入口弁を開けます。抽出ポンプがスラリーで満たされたらポンプを起動し、起動に成功したら出口弁を開きます。そして、ポンプの出口圧力計の指示に従って出口弁を調整し、適切な圧力に保ちます。これにより、測定管内の流速が測定に適した値となり、かつ流速が過度に高くなって質量流量計が過度に摩耗し、計器の使用寿命が短くなることを防ぎます。脱硫システムが停止した場合や、質量流量計のメンテナンスが必要な場合は、まずスラリー抽出ポンプを停止し、次に入口バルブを閉じて排出バルブを開きます。測定配管内のスラリーがすべて排出されたら、洗浄バルブを開いてプロセス水で配管をきれいに洗浄した後、洗浄バルブ、排出バルブ、および出口バルブを閉じます。 http://www.tx7878.cn/d/file/jingyan/2019-05-30/767e4fb83a7cfb398e32f378064d2e2a.jpg 圧力測定計器には一体型のダイアフラム式圧力変換器が使用されており、一次検修用バルブはできるだけ吸収塔の側壁に近い位置に設置する必要があります。また、サンプリング管は側壁と約60°の角度を保つようにすることで、測定配管内にスラリーが堆積し、サンプリング管が詰まるのを防ぐことができます。また、圧力変換器のダイアフラムに近い場所に洗浄用配管を設置し、定期的に圧力変換器のダイアフラムやサンプリング管、点検用バルブを洗浄することで、計測配管の通畅を確保する必要があります。 本方法によって測定される吸収塔の液面高さは、式H=（P/ρg）+hによって計算して求められる。式において、Hは液面高さの計算値、Pは圧力、ρは質量流量計で測定されるスラリーの密度、gは重力加速度、hは圧力変換器の設置高さである。本法で使用される質量流量計は精度が高く、0.2％の精度を達成しており、脱硫システムの運用要件を十分に満たしている；直管区間の要件がなく、設置が比較的簡単；信頼性が高く、メンテナンス率が低い。スラリー抽出ポンプを用いて吸収塔内のスラリーを継続的に抽出して測定することで、測定データのリアルタイム性が確保される。 （2）装置二———音叉密度計＋圧力変換器測定回路。この方法では、吸収塔の底部側壁にそれぞれフォーク型密度計と圧力変換器を設置する。ここで、フォーク型密度計はスラリーの密度を測定するために、圧力変換器はスラリープールの底部の圧力を測定するために使用される。図3に示す通りである。計器の測定信頼性と安定性を確保するため、設置時には計器を吸収塔の側壁と約60°の角度を保つようにし、同時に洗浄用配管を設置して、定期的にサンプリングチューブおよび音叉式密度計のセンサーを洗浄する必要があります。液面高さは、式H＝（P/ρg）+hによって計算して求められます。式において、Hは液面高さの計算値、Pは圧力、ρはスラリーの密度、gは重力加速度、hは圧力変換器の設置高さである。 http://www.tx7878.cn/d/file/jingyan/2019-05-30/26b559944d7e6b45183acebb97958de7.jpg この方法を用いて測定する場合、構造がシンプルで装置の故障率が低下し、それに伴ってメンテナンスの負担も減少する。しかし、音叉式密度計のプローブは吸収塔内に挿入されるため、点検用のバルブを取り付けることができない。音叉式密度計のメンテナンスや点検が必要になった場合、脱硫システムを停止し、吸収塔内のスラリーを排出した後でなければ、それを取り外して検査に出すことはできません。したがって、本装置の信頼性を高めるために、音叉式密度計を冗長構成で設置することを推奨する。オンラインで取り外し可能なボールバルブコンポーネントもカスタマイズでき、計器の点検時にプロセスシステムの運転に影響が出ることを完全に防ぐことができます。 http://www.tx7878.cn/d/file/jingyan/2019-05-30/0ca55a177cda412c93989779c65dce29.jpg （3）装置三———差圧変換器＋圧力変換器測定回路。この装置は、差圧変換器を用いてスラリーの密度を測定し、圧力変換器を用いてスラリープールの底部の圧力を測定する。その後、図4に示すように式を用いて間接的に吸収塔の液面高さを算出する。圧力差変換器はダイアフラム式の分離構造を採用しており、2つの遠隔伝達用ダイアフラムが吸収塔の側壁の適切な位置に設置されている（高低差は一般的に3～5mに制御される）。ダイアフラムはキャピラリーを介して変換器本体と接続されている。脱硫システムが正常に動作しているとき、スラリーの密度は約1120 kg/m3前後で制御されている。したがって、吸収塔内のスラリーがプロセス水から通常の石灰石–石膏スラリーに変わると、差圧変換器の値も29.4 kPaから32.9 kPaへと上昇する（ダイアフラムの高さ差は3 mとして設計）。この変化幅はごくわずかで、約3.5 kPa程度である。もし計測器の測定範囲が50 kPaであれば、この変化幅は計測器の測定範囲の7％に過ぎない。そのため、高精度な微差圧変換器を選択する必要がある。 密度の計算方法：ρ=ΔP/（gΔH）で計算して求める。式において、ρはスラリーの密度の計算値、ΔPは圧力差、gは重力加速度、ΔHは圧力差変換器の2つのダイアフラムの高さ差である。 液面高さの計算式：H＝（P/ρg）+h で計算して求められます。式において、Hは液面高さの計算値、Pは圧力、ρは密度の計算式におけるスラリーの密度の計算値、gは重力加速度、hは圧力変換器の設置高さである。この装置を使用してスラリープールの液面を測定する場合、構造がシンプルであり、差圧変換器や圧力変換器の技術も非常に成熟しており信頼性が高く、コストも低いです。計器のダイアフラムやサンプリング配管を定期的に洗浄するために洗浄配管を設置するだけでよく、メンテナンスの負担は比較的少ないです。 3 測定装置の比較 上記の3種類の装置は、いずれも現在の脱硫システムでよく使用されている吸収塔の液面測定装置であり、それぞれ長所と短所がある。 （1）装置1に使用されている質量流量計は精度が高く、安定性に優れ、データの再現性も良好であるため、スラリーの密度値の測定信頼性が高くなり、全体の液面測定装置の総合精度が向上した。脱硫技術が国内に導入された当初は、大量に使用されていた。しかし、装置自体の構造は複雑で、専用の計測配管やポンプ、そして多数のバルブが使用されているため、故障箇所が増え、メンテナンスの負担が**増加する。 （2）装置二は装置一をベースにいくつか改良が加えられており、主に専用の密度測定配管を廃止し、密度測定計器を吸収塔の側壁に直接取り付けるようにした。密度測定には高精度な音叉式密度計が使用され、**測定装置が簡素化された。欠点は、現在、脱硫の運用条件に適した音叉式密度計の製造業者がほとんどなく、価格が比較的高いことです；さらに、それに対応するオンライン点検用バルブもなく、計器の点検時にプロセスシステムを停止しなければならないリスクがあります。 （3）装置3では、高価な質量流量計やフォーク型密度計の代わりに低コストの差圧変換器が使用されており、適切な選定と設置設計によってスラリーの密度を測定する要件を満たすことができ、その結果、いくつかの脱硫装置で利用されている。また、吸収塔内のスラリーの密度は、液面の高さや酸化空気の分布によって実際に変動するため、吸収塔のある一定の高さで測定した密度だけでは、スラリープール全体の密度を正確に反映することはできない。一方、差圧変換器の2つのダイアフラムは互いにかなり離れているため、算出される密度値はその高さ範囲内の平均値となり、理論的にはスラリープール内の実際の密度値により近くなる。また、この装置の欠点は差圧変換器の2つのダイアフラムの取り付け位置にもある。液面が高圧側のダイアフラムの下にある場合、差圧変換器はゼロを示すため、密度の計算値ρと液面の計算値Hはどちらもゼロとなり、液面の実際の状況を反映できない；液面が高圧側と低圧側のダイアフラムの間にある場合、密度の計算値ρは液面の上昇に伴って徐々に増加するが、いずれもスラリーの実際の密度値よりも小さくなるため、液面の計算値Hにも参考価値はない。液面が低圧側のダイアフラムよりも上昇した場合にのみ、本装置の計算結果は正常とみなされる。また、2つのダイアフラムの高さ差は約3mであり、高圧側のダイアフラムは塔底から約1mの位置にあるため、本装置の測定不能域は約4m程度となる。液面が監視不可能な領域にある場合は、DCSまたはPLC制御システムにおいて適切なデータ処理を行い、算出されるデータを実際の状況にできるだけ近づけるとともに、制御システムの不足を補うために人的な点検を強化することを推奨する。脱硫システムが正常に動作している際の液面は約10mであるため、本装置は脱硫システムの運用条件にも適している。 4 結語 以上のことから、各脱硫装置は、運用スタッフの技術水準や業務負荷の程度、さらに脱硫システムの停止が他のプロセスシステムに与える影響など、それぞれの状況に応じて、適切な吸収塔液位測定装置を総合的に比較検討した上で選定することで、安全かつ安定し、かつ経済的で実用的な効果を達成することができる。