144-羽根板式セパレータは、コークス炉の未処理ガス脱硫塔における電気集塵装置の入口用として専用に設計された気液分離器です
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この投稿は、2024年4月7日10時21分にluoli519によって最終的に編集されました。本稿では、コークス炉から出る未処理ガスの湿式脱硫プロセスにおける脱硫塔の吸気用電気集塵装置の入口配管や、羽根式分離器の直列接続方式について分析・検討しています。
以前の技術討論において、コークス炉ガス不足時の水素製造用PSA吸気ライン上の乾式脱硫塔入口専用のフェザーブレードセパレータの設計について、すでに分析・検討が行われている。本稿では、湿式脱硫塔の入口配管上に設置される電気集塵器と、それに直結して配置されるプリフェーススプリッターとの直列接続方式について分析・検討する。
本稿では、ある企業のランコーク製造炉設備を事例にして分析する。同社のコークスタール炉で生成された未処理ガスは、直接冷却塔や横型冷却器によって冷却された後、タールの液滴やほこり粒子を含んだ状態で電気集塵装置に送られ、ガス中の重質な不純物が除去される。電気集塵タービンから出た未処理ガスは、ファンによって圧力を上げられた後、脱硫塔に送られて硫黄が回収される。脱硫処理を経た未処理ガスは、水封タンクに送られる。
所有者はさらに、水封タンク内の荒ガスのうち、一部は直接燃料として使用され、もう一部はPSA水素製造に送られると付け加えた。PSA水素製造システムに送られる荒ガスは、ファンによってさらに圧力が上げられた後、まず乾式脱硫塔で硫黄を1ppm未満までさらに精密に除去し、その後PSA塔システムに入ります。乾式脱硫塔の入口に特別に設置されている分離器とは、以前に技術交流分析が行われたことのある、乾式脱硫塔入口用の専用羽根板分離器のことです。なぜなら、ウォーターシール式タンクに貯蔵されたガスは、システムの動作状態の変動により、多くの液滴や泡を乾式脱硫塔内に持ち込んでしまうからです。
今回、所有者が急いで解決したい問題は、電気集塵装置による未処理ガスの分離除去が不安定であるため、基準を超えたタールや粉塵粒子が脱硫塔に混入し、既存の脱硫装置がもはやガスの脱硫を効果的に行えず、硫黄が排出されてしまうことです。
荒ガス湿式脱硫塔では、脱硫液の制御パラメータが正常であっても脱硫反応の効率が低下したり、完全に機能しなくなって硫黄が生成されないことがある。その主な原因は、荒ガスが過剰なタールや粉塵を含んで脱硫塔内に入り、それらが次第に蓄積して低密度の非極性タール層を形成し、脱硫液の表面に浮かぶことである。これにより、弱アルカリ性の脱硫液と荒ガスが分離され、脱硫液と硫化水素などの酸性ガスとの間の有効な反応が進みにくくなるのである。
この湿式脱硫塔内で行われる脱硫反応および置換反応は、気相と液相の間で起こる界面反応に属し、その反応抵抗自体が大きい。一方、タールなどの炭化水素系軽質液体層は脱硫液の表面に浮かび、液相と気相の接触を遮断し、気液二相界面での反応の抵抗をさらに高める。また、粉塵粒子も硫黄泡の形成を妨げる。
では、なぜ電気集塵装置による荒ガスの分離運転が不安定になり、タールや粉塵の含有量が基準を超えてしまうのでしょうか？ 電気集塵装置の動作原理から見ると、気流中の液滴や霧、粉塵を捕捉するためにはいくつかの工程が必要である。第一に、気流中の液滴や霧、粉塵粒子に電荷を与え、つまり帯電させる必要がある；第二に、これらの帯電した液滴や液しぶき、および粉塵が持つ電荷は、分離空間内で安定して存在する必要がある；第三に、安定した強電場を生成する方法を見出さなければならない。 比較すると、第三点は比較的実現しやすい。第一に、気流中の液滴や液しぶき、および粉塵粒子に帯電を与えること、第二に、帯電した液滴や液しぶき、および粉塵粒子が分離空間内で移動しても帯電が失われないようにすることは、物質系の種類、性質、そして流体の流れの形態によって異なってくる。例えば、気流に含まれる重相の液滴やスラグ、および粒子が電解質や金属粉である場合、その帯電は困難になる。一部の気流には、重い相の液体滴やスラグ、粒子状物質が含まれており、これらは非電解質で非金属製の粉塵である。たとえ帯電に成功しても、気流と共に流れる過程で粒子同士が衝突して放電し、電荷を失ってしまう。また、運転条件が不安定で気流の速度が高すぎたり、粒子の質量が大きすぎたりすることで、帯電した粒子が電場内で偏向し、極板に到達する前に捕捉空間を離れてしまい、捕捉が失敗に終わる。
電気集塵装置によるコークス製造装置のコークス炉ガスや未処理ガスの処理において、運転条件の制御が不安定であるため、気流の流速や運動量、運動エネルギーが変動し、電気集塵装置の処理能力を超えてしまうことは、非常に起こりやすい現象です。気流中に電解質粒子を運ぶことも、高い確率で起こり得る事象です。電気集塵コークス炉ガスの高圧電極およびそれによって形成される電場は、コークス炉ガスの温度や含まれるタール粉塵の混合物に対して非常に敏感である。コークス炉ガスの温度上昇による過度な高温や、タールスラッジの堆積による電極の覆われることは、いずれも電気集塵式タール除去装置の性能に大きな影響を与える。
どのセパレータにも、その特定の適用範囲があり、適用範囲の大きさが異なるだけです。 電気集塵装置も同様です。一般的に、作動条件が不安定な気流浄化の場合、気流が運ぶ重相中の含有物の種類や運動エネルギー・運動量、流れの形態や状態が多様であるため、捕捉効果が大幅に低下してしまう。そのため、電気集塵器を単独で気液分離に使用することは適切ではない。
羽根板分離器は、電気集塵装置と直列に設置して使用することで、電気集塵装置の欠点を効果的に補うことができる。 電気集塵装置の動作原理とメカニズムは、定常的な気流を精密かつ深く分離するために「細かい粒子」を処理するのに適していることを決定づけている。気流の状態が変動しやすく、気流中の液滴や泡、粒子状物質の含有量が多い場合は、事前に設置されたフェザーブレードセパレータを用いて気流中の大部分の重相成分を除去し、その後、排出される気流中に残ったごく少量の重相成分だけを電気集塵装置に送り込んで、その長所を活かさせる必要がある。 また、脱硫塔の出口配管にも、荒ガス中に含まれる脱硫剤の液滴や泡を除去するために、羽根板式セパレータを設置する必要がある。さもなければ、荒ガスに含まれるアルカリ性脱硫剤の液滴や泡が下流の配管設備に逆流し、配管設備内に液体が溜まって電気化学的腐食を引き起こすだけでなく、脱硫液の消費量も増加し、運用コストが上昇することになる。
上記の電気集塵装置の動作原理を分析すると、本質的には電気集塵装置も羽根式分離器も動力学的な分離装置に属し、単に「電気集塵分離装置」と呼ぶことができる。なぜなら、電気集塵装置によるコークス炉ガスや荒ガス中のタールおよび粉塵の捕集効果は、気流の流速、重相に含まれる物質の物理化学的性質、気流の運動エネルギーと運動量、そして流体の形状特性にも依存するからである。
以下の具体的な運転条件の特性パラメータを例に、流体の特性を分析する。 a) 空気ガスの組成（v%）：成分 H2 CO CO2 N2 CH4 CnHm O2 合計 実測値 17.43 14.23 9.28 52.82 5.22 0.52 0.45 100
b) 電気集塵装置の配管運転圧力：-2KPa； c) 電気集塵装置の配管運転温度：45℃； d) 電気集塵タービンの入口・出口配管サイズ：￠1220mm。
b) 電気集塵装置の配管運転圧力：-2KPa； c) 電気集塵装置の配管運転温度：45℃； d) 電気集塵タービンの入口・出口配管サイズ：￠1220mm。
補足しますが、電気集塵装置が当初設計された際の粗ガスの組成（v%）は以下の通りです：成分 H2 CO CO2 N2 CH4 CnHm O2 合計 設計値 27.4 12.6 11.6 41 6.3 0.7 0.4 100。ご覧のように、実際の運転時のコークス炉ガスの組成は、電気集塵装置の設計時に想定されていた気相組成と大きく異なっています。
オーナーは、羽根式分離器が電気集塵装置と同等の効果を発揮することを望んでいる：1）分離効率を99.9％に安定して維持する； 2）羽根板セパレータの全圧損失（入口・出口のバルブによる圧力損失を含む）は5kPaを超えない。
NOVEL社は、オーナーが提供する実際の運転データをもとに、NOVELの精密な動力学分離技術を用いて計算および設計を行い、電気集塵装置の入口部分用に特化した羽根式分離器の仕様は以下の通りです。一、分離技術の種類：G50型羽根式分離器； 二、セパレーターの型式：NOVEL G50 D-BANK 138/73；三、一次プリポリマライザーの型式：G50D47；四、サイフォン防止用降液器の型式：G50LD20； 五、分離効率：4N級で5.34マイクロメートル以上のサイズの液滴および粒子状物質を分離除去； 六、全体的な運転圧力降下：0.57psi。
この投稿は、2020年3月19日17時52分にluoli519によって最終的に編集されました。下の図は、NOVELがユーザーの実際の運転データをもとに、NOVELの精密な動力学的分離技術を用いて計算・設計した、電気集塵装置の前段に設置される専用の羽根式分離器に関する数値データの一覧表です
羽葉分離器に関するより詳しい技術情報については、NOVEL分離技術専用ネットワークにアクセスしてご確認ください。
動力学分離技術装置は、実際の運用状況に基づき、正確な動力学分離技術による計算とシステムプラットフォームの構成設計を通じて「一対一」の技術方案を完成させなければならず、国内外の一部の模倣企業が外観だけを真似て、動力学分離技術について深く理解していない顧客を欺くことがあってはならない。 羽葉分離器とは、その精密な動力学的分離システムプラットフォームに基づき、異なる温度や圧力の条件下での気相の組成や平均分子量、圧縮係数、気相の粘度、気相の密度、気相の流量、さらに液相の密度、液相の粘度、液相の表面張力、および上限液相流量といった流体力学パラメータを考慮し、同プラットフォームの設計技術によって得られた設計結果および構成形態に基づいて作られるものです。 正確に言えば、具体的な運転条件に一対一で対応する動力学的分離インナー部品の基本構成案は1つしかなく、すなわちインナー部品の流路内部の幾何学的パラメータ、例えば流路長さ、流路内に含まれる反復分離ユニットの数、各分離ユニット間の流路間隔、分離ユニットの長さ、運動量変換角、運動量変換回数、液相の反射収集角、サブ流路の液相貯蔵空間サイズ、サブ流路の目詰まり防止サイズ、サブ流路の二次渦流防止のための幾何学的サイズなどが、すべて一対一で対応しているのである。一方、国内外の非専門的な分離技術会社は、内部構造の外形を模倣することにしか力を入れず、流路の幅や長さ、流路内のパラメーターはまったく考慮しない。どうせ多くの設計院や発注者も彼ら同様に動力学的な分離技術を理解していないため、外見が似ていればよく、材料費を削減してコストを下げ、安価で入札に勝つだけであり、分離器の実際の運用効果は運次第となる。 皆様に、動力学分離技術について十分な理解を持つようお願いします。そうすることで、専門的でない動力学技術を提供する業者の製品がもたらす悪影響を効果的に避けることができます。