QYD複合型タワーの高効率伝質インライン部品の延化変脱システムへの応用

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1 概要
河南晋開集団延化化工有限公司は、合成アンモニア、メタノール、尿素の生産を主とし、熱電やプラスチック製編み袋なども製造する総合化学企業である。当初は年間3000トンの合成アンモニアを生産する小規模な工場だったが、ここ数年で段階的に発展を遂げ、現在では年間28万トンのアンモニア系製品を生産している。その内訳は、メタノールが12万トン、尿素が30万トンであり、また年間2億キロワット時の電力も発電している、中規模の窒素肥料製造企業である。特にジンカイグループの持株により、会社に強力な発展の原動力がもたらされました。現在、同社の「6080」プロジェクトの承認手続きは終了し、2012年の年末には実施が可能となります。同社は長年にわたり硫化水素の除去作業を重視してきましたが、生産能力の拡大や原料石炭の変化に伴い、変換ガス中のH2S含有量が著しく増加したため、変換ガスの脱硫後のH2S管理で基準値を超過する事態が発生しています。さらに、変動する塔の負荷が増大したため、塔の詰まりが頻繁に発生し、停止して塔を分解して充填材を清掃する必要があり、生産に甚大な影響を与えている。2 技術方案の決定　現在稼働中の￠3800型変圧脱気塔の腐食が深刻であるため、会社は新しいタワーに交換することを決定した。新タワーで採用される構造形式について、同社は技術開発部、生産部、変圧・脱気工場などの部門で構成されるプロジェクト検討チームを設立し、関連する他社を詳細に視察しました。繰り返しの検討を経て、新しい変換ガス脱硫塔には、長春東獅科貿実業有限公司が独自に開発した無充填塔技術であるQYD複合型高効率伝質内部部品を採用することが決定されました。長春東獅科貿実業有限公司が提出した改修技術案に基づき、2011年末のシステム点検期間を利用して実施する。3 主要技術パラメータ
変換ガス流量：≤65000m3/h
変換塔操作圧力：0.8MPa
変換ガスのH2S含有量：≤350mg/Nm3
変換出口のH2S含有量：≤10mg/Nm3
変換塔の抵抗：≤30KPa
変換ポンプ：流量315 m3/h、揚程150メートル。4 QYD複合型伝質内件の構造と動作原理は、変換プロセスの実際の状況に基づき、入口側の硫化水素濃度が高いため、より理想的な効果を得るために、本変脱塔ではQYD内件技術と空塔スプレー技術を組み合わせた複合型タワー構造が採用されている。塔の上部には3層のQYD内部部品が設置され、下部には空塔スプレー部があり、20基の高効率ミスト噴頭が配置されている。この塔の動作原理は以下の通りです。QYD複合型内部部品は、ガス分配装置、気泡再分配装置、降液管、および組み立て後に形成される液保持部という4つの部分で構成されています。この装置におけるガスの流れ方は、まず変換ガスがタワーの底部から流入し、上方でスプレー部のノズルから噴出される霧状の脱硫液と逆方向に接触して吸収され、こうすることで変換ガスが初期段階で浄化される。次に、変換ガスが塔内の第1層のガス分散装置に入り、そこで上方から降下してくる脱硫液と、液体保持部内で泡立ちながら質量移動を起こし吸収される。このとき、ガス中の硫化水素は急速に脱硫液と泡立ち吸収反応を起こす。その後、ガスは下から上へと急速に次々と第2層、第3層の気液分布装置に入り、第1層で行われたのと同じ水素硫化物吸収反応が完了し、この時点でのガスの脱硫効率は95％以上に達している。最後に、ガスは消泡器で気泡に付着した液滴を除去された後、塔から出て次の工程へと送られる。塔内の液体の流れ方は、次のようになっている。脱硫液は塔の上部にある液体分配器から第3層の保持液層に入り、そこで気液間の泡立ち反応によってH2Sを吸収する。吸収された後、その液体は降液管を通って第2層の保持液層に送られる。さらに、吸収済みの脱硫液は再び降液管を通って外に排出され、第1層の保持液層に入り、同様の気液伝質吸収が行われる。最終的に、脱硫処理済みの液体は塔の底部から出てきて減圧され、酸化再生槽に送られる。5 技術方案の実施 2011年11月初旬、同社は年次点検の機会を利用して変圧器タワーの内部部品を取り付けました。同時に東獅社は王技師を現場に派遣し、技術指導を行いながら、設置業者と協力して￠3800変脱塔の内部部品の取り付けを行った。タワー内の設置状況は、タワーの下部に空塔スプレー部が設けられており（20基の高効率ミスト噴頭が均等に配置されている）。QYD型気液伝質装置は3層で構成され、各層の保持液セクションの高さは1メートルで、各層には￠426の降液管が2本設置されている。11月10日にシステムを起動し、塔内への変換ガス流量は55,000m3/h、H2S含有量は320～390mg/Nm3、塔出口のH2S含有量は5～10mg/Nm3であった。変成脱離塔の抵抗は約22KPaで、塔下部のスプレー段は稼働していなかった。しかし、生産負荷が増加するにつれて、塔への変換ガス流量が約65,000m3/hに達すると、塔からの排出ガス中のH2S濃度は15～20mg/Nm3となり、設計値（変換出口のH2S濃度：≤10mg/Nm3）から外れるようになった。タワー下部のスプレー段は、再生槽の排出管が小さいため、現在稼働できない。東獅社の王工と話し合った結果、現在使用されている触媒では高硫分の除去には適していないと考えられる。今年の5月の初めに触媒を交換し、約1ヶ月間の運転観察の結果、システムがフル負荷の状態でも、塔への入り口でのH2S濃度は250mg/Nm3前後、変換出口でのH2S濃度は6～8.5mg/Nm3で、塔の抵抗値は22KPa前後であった。これまで、変換システムの運用は比較的安定している。今後、石炭の硫化水素濃度が約400 mg/Nm3まで上昇することを考慮し、化学製品の生産に対応するため、同社は点検の機会を利用して再生槽の出口配管を改造するとともに、スプレー段階専用の200m3/hの脱硫ポンプを1台追加し、変動型脱硫システムの長期にわたる安定した運転を実現する計画です。6 実際の運用効果
6.1 元の充填材を使用した場合の変換塔の運用状況は下表の通りです。
6.2 QYD型複合質量伝達内装品を使用した場合の変換塔の運用状況も下表の通りです。晋開延化社では2011年11月に変換システムを稼働させて以来、比較的満足のいく結果が得られています。下表は2012年6月時点での運用状況です。
6.3 物資消費量と経済的効果
変換処理によりH2S濃度が低下したため、活性炭脱硫剤の使用期間が従来の3ヶ月から現在では1～2年に延び、年間100～200万円の節約が実現しています。さらに重要なのは、QYD複合型高効率伝質インレットの独自の設計が、タワーの閉塞をより効果的に防ぎ、システムの停止による充填材の取り外しを回避するため、企業にもたらす間接的な経済的利益は非常に大きいという点です。7 結語 まず、QYD複合型高効率伝質インライン部品の晋開延化社における適用は、かなり成功していると言える。この内部構造は、H2Sとアルカリ溶液の間で起こる迅速な化学反応のメカニズムを十分に活用しており、従来の泡塔、スポンジタワー、シートタワー、サイクロンタワー、パッキングタワーといったさまざまな物質移動用内部構造の長所を兼ね備えています。これにより気液間の物質移動がより強化され、気液がダイナミックに接触し、乱流による物質移動が促進されるため、気液の接触面積が増大し、ガスの浄化度が大幅に向上します。さらに重要なのは、それが根本的に脱硫塔の詰まり問題を解決したことです。この内部部品は既存タワーの改修に適用できるだけでなく、新規タワーの設計時に使用することで、投資コストを約30％削減できます。したがって、QYD複合型高効率伝質インラインは、現在、変換ガス脱硫塔において最も普及価値と利用価値を持つ気液伝質インラインである。