155-製油所の触媒装置における排ガス脱硝・脱硫・除塵プロジェクトにおいて、排ガス脱硫用洗浄塔には羽根式除霧器を採用し、充填材の設計を改良した

製油所の触媒装置からの排ガスによるリスクの対策は、多くの製油企業が避けて通れない問題であり、多くの企業が多大な労力と投資を費やしても十分な対策効果を得られていないのが現状です。その中で、特に顕著な問題としては、煙ガス脱硫洗浄塔の目詰まり、運転時の圧力低下、煙ガス排出の不安定さ、そして煙ガスによる「水滴の飛散」や「粉塵の発生」といった問題が挙げられます。

触媒式煙ガス脱硫洗浄除塵は、洗浄塔外のウェンチュリー洗浄脱硫除塵、塔内洗浄脱硫除塵、および分離の3つの部分から構成される。燃焼ガスは水平方向に噴射用ヴェンチュリ管に導入され、ヴェンチュリ管の上部から噴射・吸引される循環液と、ヴェンチュリの喉部で激しく混合し、脱硫反応および洗浄による除塵が行われる。また、ヴェンチュリの拡散部および曲がり部では、燃焼ガスと循環液、固体粒子が層別に流動するようになる。

初期の層流状態にある煙ガスと循環液は、接線方向から洗浄塔の煙ガス入口から内部に流入する。入口での旋回流の影響により、循環液は洗浄塔の壁付近で沈降し、塔の底部にある貯留領域に落ちる。一方、煙ガスは塔内の板や分離用パッキンを通過した後、洗浄塔の頂部にある煙突から大気中に排出される。ここに、エクソンが提供するWGSプロセスパッケージの触媒式煙ガス脱硫洗浄塔のフロー図を掲載し、皆さんの分析や議論のためにご紹介します。

触媒装置の排ガスに関するリスク対策として、洗浄による脱硫・除塵はヴェンチュリー、洗浄塔の接線方向の入口、塔板、充填材の部位で行われる。一方、排ガスの脱硫洗浄塔の閉塞、運転時の圧力上昇、排ガス排出の不安定さ、そして排ガス中の水分や粉塵の問題などは、主に排ガスが煙突に入る前の最終的な防護設備、すなわちいわゆる「充填材」に関連している。

設計院でWGSプロセスパッケージを展開した後、洗浄塔の内部部品である「充填材」に求められる主な要件は、①充填材全体の圧損が0.4kPa以下であることです。 ②充填設備から排出される煙ガス中の、粒径30μm以上の霧滴の除去率は99％以上であり、通常の運転状態においても煙突周辺の敷地で目立った「雨のような降下物」が発生しないようにしている。 ③充填材の選定により、回収された湿潤粉塵の閉塞を効果的に防ぎ、3年以上の長期間にわたる連続運転に対応し、3年間の運転期間中に圧力降下が100Paを超えないように保証する。 ④充填材の外形寸法はタワー内部への設置要件を満たす必要があり、充填材は個別に梱包されて供給される。1枚あたりがマンホールからの出入り要件を満たし、マンホールの規格は600mmである。 ⑤充填設備およびその支持部品などは、S25073または同等の材質を使用し、表面は酸洗い・不動態処理を行う必要がある。

この投稿は、2020年5月30日18時35分にluoli519によって最終的に編集されました。触媒装置の排ガス脱硫用洗浄塔の内部部品である「充填材」の設計や選定は、その運転性能や寿命に直結します。ここではまず、素材の問題について話しましょう。吸気触媒排ガスには硫黄酸化物が含まれているため、システムの前端機器やプロセス媒体と直接接触する機器の材質については、酸液に対する耐性を考慮する必要がある。そのため、排ガスと接触するヴェンチュリーや洗浄塔などの機器や配管には、S25073またはそれに同等の材質、もしくはライニング材を使用することに異論はない。しかし、洗浄塔の排ガス流路の最終段に位置する「充填材」として、依然としてS25073または同等の材料を選択すべきか？煙ガスが「フィラー」の内部部品に到達する時点で、煙ガス中の硫黄酸化物は苛性ソーダ液と何度も強力な中和反応を行い、残留した酸性物質は気体状であれ液体状であれ、その残留量はppmレベルまで非常に少なくなっている。また、「フィラー」は装置の耐圧部品ではなく単なる内部部品に過ぎないため、SS316Lを使用すれば要求を満たすことができ、わざわざ「フィラー」の材質をS25073にする必要はない。実際、これまでの洗浄塔の内部部品である「パッキン」は目詰まりのため1～2年ごとに交換が必要であり、そうである以上、「パッキン」にS25073や同等の材質を使用する必要はさらにない。

この投稿は最終的にluoli519によって2020年5月30日18時54分に編集されました。触媒装置の煙ガス脱硫用洗浄塔における「充填材」の形状については、当初は設計会社がプロセスパッケージの内容を分析した上で、EXXONなどのプロセスパッケージ提供業者の要求に従ってEF-25シリーズの充填材が選ばれ、これはアメリカの企業によって供給されました。その結果、運転後に「①充填材全体の圧損≯0.4kPa」を満たすことができなかった。②充填設備から排出される煙ガス中の、粒径30μm以上の霧滴の除去率は99％以上であり、通常の運転状態においても煙突周辺の敷地で目立った「雨のような降下物」が発生しないようにしている。③充填材の選定により、回収された湿った粉塵の閉塞を効果的に防ぎ、3年以上という長期間にわたる連続運転に対応し、3年間の運転期間中に圧力降下が100Paを超えないようにすることができる。詰まりにより分離が不安定となり、洗浄塔の充填材の実際の使用期間は2年に満たなかった。交換時には、ある海外の有名な充填剤メーカーが提供するEF-25A型の改良版を選択し直したが、実際の運用結果ではわずかに改善されたものの、依然として2年間の目詰まり防止期間を達成することはできなかった。交換時、多くのオーナーが国内のいくつかの大学や国内の充填剤供給業者がプロセス運用の要求を満たせると約束した各種の充填剤を試してみましたが、その結果、実際の運用効果は以前よりも悪くなってしまいました。

オーナーおよび設計院が提供した元のプロセスパッケージに記載されている、EF-25シリーズの充填材の新規供給時の写真を以下に示します

そして、下の2枚の写真は、その充填材が使用されてから2年も経たないうちに装置の稼働が停止し交換が行われた際に撮影された、充填材が詰まっている様子の写真です

この投稿は、2024年4月7日10時45分にluoli519によって最終的に編集されました。充填材の詰まり問題が解決されないため、ある人々が機会を見て、かつてある発電所で使用されていた「サイクロンチューブ」型の除霧器の導入を所有者や設計院に提案しました。もともと、「旋流管」は煙ガスの常圧条件下で、煙ガスの運動エネルギーや運動量が小さいため、高い分離性能が求められない一次分離にしか使用できず、かつての発電所の煙ガス排出基準が低かった状況に対応するのがやっとの状態でした。詰まりの問題は解決したが、煙ガスの除霧と除塵の基準超過の問題が再び出てきた。また改造しなければ！ 下図は、国内のある企業が顧客に提供した触媒装置洗浄塔の現場用のバルク「スパイラルチューブ」です。現場でバラバラにある動力学的分離用内部部品群は、組み立てた後の全体検査テストを受けなければならない。しかし、現場にはしばしば総合的な検査・試験の環境が整っていないため、検査・試験の工程を省略してしまい、多くの構造的性能上の欠陥や「潜在的な危険」が残されてしまう。サイクロンチューブ自体の性能上、適用範囲は精密な分離ではなく一次分離に限られるうえ、現場に残存する多くの構造的欠陥や「潜在的な危険」もあるため、再改造が不可避となった。

これは、オーナーの石油精製第1統合工場にある触媒装置の煙ガス脱硫用洗浄塔の充填材部分の運転状況です。煙ガス脱硫における煙ガス量は95400Nm3/hです。 洗浄塔/煙突の直径は3900/1900mmで、充填材設備は直径3900mmの範囲内に設置されている。 洗浄塔の運転圧力は0～1.0kPa（g）です。

該当の触媒装置における煙ガス脱硫用洗浄塔の水力学的データを確認したところ、以下の通りです。
塔径：mm 3900
充填材設備の本体高さ：Mm 2000
充填材設備の上部空間の高さ：mm 1220
充填材設備の下部空間の高さ：mm 1500
通常運転時の流量：kg/h 124499.7
液体の密度：ρL kg/m3 1080
液体の粘度：μl cP 0.45
気体の粘度：μg cP 0.0178
表面張力：dyne/cm 65.6
粒子径：d μm ≤300
塔内の気体流速：VV m/s 2.9

当該洗浄塔の充填材部分における煙ガスの運転条件パラメータは以下の通りである：1、温度 ℃ 61.5 2、圧力 KPa g 0～1.0kPa（g） 3、組成 wt% N2 57.82 CO2 17.84 H2O 20.73 O2 3.59 SO2 mg/Nm3-乾燥状態 50 NOx mg/Nm3-乾燥状態 100 颗粒状物質 mg/Nm3-乾燥状態 30～320

発注者は、既存の触媒装置の煙ガス脱硫洗浄塔の内部部品を、羽根付き除霧器を用いて技術的にアップグレードすることを要求しており、その技術要件は以下の通りです：①充填材全体の圧損≯0.4kPa。 ②充填材の性能はEF-25Aを上回らなければならず、充填設備から排出される煙気中の粒径30μm以上の霧滴の除去率は99％以上でなければならない。これにより、通常の運転状態下で煙突周辺の敷地に目立った「雨滴の落下現象」が生じないようにする。 ③充填材の選定により、回収された湿潤粉塵の閉塞を効果的に防ぎ、3年以上の長期間にわたる連続運転に対応し、3年間の運転期間中に圧力降下が100Paを超えないように保証する。 ④充填材の外形寸法はタワー内部への設置要件を満たす必要があり、充填材は個別に梱包されて供給される。1枚あたりがマンホールからの出入り要件を満たし、マンホールの規格は600mmである。 ⑤操作弾性は60％～120％です。 ⑥充填設備の使用寿命は20年以上です。

この投稿は、2020年5月31日12時29分にluoli519によって最終的に編集されました。ノウェイ・エネルギー技術社は、発注者から提供された実際の運転データをもとに、NOVEL精密動力学分離技術プラットフォームを用いて、上記の触媒装置用の煙ガス脱硫洗浄塔の目詰まり防止用として特別に設計された羽根付き除霧器の性能データを算出しました。その内容は以下の通りです：一、設計処理能力：運転時の気相の正常な流量である95400Nm3/hを設計処理能力としています。 二、分離効率の保証：通常の設計条件下において、直径7.49マイクロメートル以上のサイズの液滴に対する分離効率は99.99％に達し、セパレーターの出口ガス中に含まれる量は0.1Gal/MMSCF未満であり、発注者および設計院のMR文書で定められた要件を上回っています。 三、全体の運転圧力降下：通常の設計条件下において、セパレーターの全体の運転圧力降下は293Paを超えない。 四、運用弾力性範囲：少なくとも10％～130％を保証し、発注者および設計院のMR文書の要求を上回っている。 五、設計寿命および機械的性能保証：通常の使用条件において、P4型羽根付き内部部品の設計寿命は20年以上です。 六、ノウェイ・エナジー・テクノロジー社が提供する上記の触媒装置用煙ガス脱硫洗浄塔用の詰まり防止用羽根式除霧器は、一体型のスライドブロックとして供給され、出荷前に全体検査が行われます。現場では、その羽根式除霧器のスライドブロックを洗浄塔内に一体化して設置し、洗浄塔内に設置される羽根式除霧器の構造や性能が出荷時のものと完全に同じであることを確保します。これにより、現場で部品を組み立てた後、全体的な検査が行えない状況下で生じる可能性のある構造上の欠陥や「隠れた問題」を効果的に防ぐことができます。 さらに、当社の技術資料には、P4型羽根式除霧分離インラインが120％、100％、60％の運転負荷条件下での性能特性曲線も記載されています（すなわち、P4型高効率分離羽根インラインが120％、100％、60％の運転負荷条件下での圧力損失曲線、および同インラインの分離効率曲線）。これにより、当社が提供するP4型羽根式除霧分離インラインの先進性と信頼性がさらに証明されます。

この投稿は、2024年4月7日10時46分にluoli519によって最終的に編集されました。下の図は、ノウェイ・エナジー・テクノロジー社が、顧客の運転条件をもとに、同社の精密な動力学分離技術を用いて設計した、触媒装置の排ガス脱硫用洗浄塔の目詰まり防止用特殊な羽根付き除霧器です。「数値図表」：

ノウェイ・エナジー・テクノロジー社が提供する羽根付き除霧分離インライン部品は、従来の充填式の大雑把な分離インライン部品とは異なり、流体力学に基づくベクトル分離、遠心分離、凝集衝突、液体表面の自由エネルギーを利用した捕捉分離などを用いて、定量的かつ精密な気液分離を実現します；その構成は先進的で、主にP4特許技術による羽根付き内部部品セット、降液システム、気流シールシステム、および支持システムから構成されている。コア内部の部品は、P4特許技術による高性能な羽根付き内部部品セットです。 P4特許技術の高効率羽根内部部品セットで、羽根要素、液相収集キャビン、羽根ケースなどが含まれる。材質はステンレスS25073または同等のもので、型番はP4-D BANK-68/4-60-EDPです。 P4の特許技術である高効率な羽根状内部部品群の精密分離コンポーネントでは、隣り合う2枚の羽根の間の隙間が気流の主流路を形成しており、各羽根は4つの繰り返し分離ユニット構造からなる板部品を先端から末端まで接続して圧延溶接することによって作られている。各分離ユニットの構造は、主に先端と末端が連なった一対の波峰部と波谷部から構成されており、波峰部と波谷部にそれぞれ液体相を収集するマイクロ流路が設けられている。気流が気相の主流路に入ると、特殊な流路内で強制的に高速回転し、微小な液滴同士が効率的に衝突して凝集・成長する。そして、半径方向の遠心力、非半径方向のベクトル場、および液膜の表面張力の作用により、微小な液滴が効率的に捕捉される。その後、合力と運動量の反射作用によって液相の収集用マイクロチャネルに入り、液相収集キャビティ内に回収される。例えば、特殊な変動条件下において、気流の第1段階の分離ユニットにおける分離効率は90％で、漏れ率は10％（つまり100％－90％）です；気流が第2段階の分離ユニットを順番に通過した後の残留率は10％×10％となり、気流が第3段階の分離ユニットをさらに順番に通過した後の残留率は10％×10％×10％となり、気流が第4段階の分離ユニットを順番に通過した後の残留率は10％×10％×10％×10％となり、これを繰り返します。分離ユニットの段数が多いほど、分離効率と運用の柔軟性は高くなる。 P4型羽根付き除霧分離インナーケーションの消耗品やコストも、従来の構造のインナーケーションより高くなっている。

これはノーヴェイ・エナジー・テクノロジーズ社が上記の方案に対して供給する範囲です：1、NOVEL P4型羽根式除霧分離内部部品セット、型番4-D BANK-68/4-60-EDP、数量は12モジュールで、材質はS25073などです。 2、降液および気封システム、型番50*650、台数4組、材質はS25073など。 3、上下導流密封コンポーネント、型番DN3900、数量1個、材質はS25073など。 4、支持横梁及支耳、型番L3900、数量2個、材質はS25073など。

この投稿は、2023年9月26日16時12分にluoli519によって最終的に編集されました。ノウェイエネルギー技術社が開発した、煙ガスの脱硫処理用の洗浄塔用ノズル型除霧器は、ウーハイ石油化学工場の年間150万トン規模の重質油触媒装置の問題解決プロジェクトや、ドゥーシャンズィ石油化学工場の第2統合硫黄処理装置の排気処理改善プロジェクト、同第3統合硫黄処理装置の排気処理改善プロジェクトなどで、連続して効率的かつ安定して稼働しています。

ノウェイ・エナジー・テクノロジーズ社の触媒装置用煙ガス脱硫洗浄塔の目詰まり防止用特殊羽根式除霧器に関する詳細な技術情報については、同社のウェブサイトをご覧いただくか、直接お問い合わせいただき、協力についてご相談ください。