前端防止と末端処理を組み合わせたコークス炉排ガスのNOx排出制御技術

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前端防止と末端処理を組み合わせたコークス炉排ガス中のNOx排出抑制技術　湯 良1,2（1.ドイツ・ヴィコン・コンサルティング＆エンジニアリング社；2.長沙維康工程技術有限公司）1 序論 焦炭製造炉では、コークスを生産する過程で環境に有害な多くの汚染物質が発生し、窒素酸化物（NOx）もその一種である。GB16171-2012「コークス製造化学工業における排出基準」の施行に伴い、2015年1月1日から、既存企業および新規建設企業におけるコークス炉排ガス中のNOx濃度は500mg/m3未満でなければならず、特別排出制限が適用される地域では、NOx濃度は150mg/m3未満が求められている。この基準の実施は、我が国のコークス業界の従事者たちの間で大きな関心を呼んでいる。コークス炉からのNOx排出量をどう減らすかは、コークス製造業者にとって緊急の課題である。関係者によると、業界内で大まかな調査が行われたことがあり、通常の生産条件下で、コークス製造企業のコークス炉の煙突から排出される廃ガス中のNOx濃度を500mg/m3未満という基準に達させることは技術的に非常に困難であり、基準をクリアしている企業はごくわずかだという。特別排出限度地域においては、NOxの排出濃度を150mg/m3未満という基準に達させることは、一層困難を極めます。コークス炉の排ガス中の窒素酸化物の排出を基準値に達成させるためには、関連する技術を用いて処理する必要がある。しかし現時点では、管理技術の難易度が高く、全体的な投資コストも高額で、長期的なメンテナンスコストもかさむ。このため、本稿では当社の前端防止技術と末端処理技術を組み合わせたものを活用し、コークス炉からの窒素酸化物排出制御について説明する。業界の皆様の参考に資するものである。2 焦炉の排ガス中の窒素酸化物の発生源
焦炉で使用される燃料が燃焼室の立火道内で燃焼する過程でNOxが生成される。その主な発生源は3つある。1つ目は温度に起因する熱力型NOxである；二つ目は、コークス炉の燃焼ガスに含まれる窒素成分が燃焼することでNOxが放出されることです；三つ目は炭化水素燃料の迅速型NOx。燃焼によって生成されるNOxのうち、NOの割合は90％～95％で、NO2の割合は約5％です。したがって、成熟した前端防止技術を組み合わせて、源泉でNOx濃度を制御することで、全体の投資コストを大幅に削減することができる。3 NOxフロントエンド処理技術とその応用　ドイツのヴィコン・コンサルティング＆エンジニアリング社によるコークス炉排ガス中の窒素酸化物のフロントエンド防止技術は、2つの主要な部分で構成されている。一つ目はコークス炉温度測定システム技術、二つ目はコークス炉熱力システム調節技術です。3.1コークス炉温度測定システムの技術 3.1.1コークス炉温度測定システムの概要 図1の概略図に示すように、コークス炉温度測定システムは、測定棒、ガス管システム、温度制御ボックス、電気制御システム、分析システムなどで構成されている。そのうち、ハードウェア部分はプッシュロッドに取り付けられており、プッシュロッドが素早く出入りする際に、複数のセンサー（図1aの赤い円で示されている）を通じてカーボニゼーションチャンバ内の温度を測定し、温度制御システムおよび電子制御システムを経由してデータを送信して分析する。コンピュータによる解析モデルを用いることで、コークス炉の各カーボニゼーションチャンバの温度の詳細な値や分布状況を把握でき、壁全体の温度分布を可視化することができる；次に、炉頂のグラファイトを検査する；第三に、加熱煙道や炭化室の壁体の損傷を検出できる。検出および分析により、コークス炉の状態を総合的に把握でき、コークス炉の熱力システムの調整に必要な根拠を提供する。図2に示されているのは、温度測定システムがコンピュータ解析モデルを用いて算出した作動状態です。その中で、図2aにおいて緑色は温度が正常であることを示し、赤色は温度が高すぎることを示し、青色は温度が低いことを示します。図2bには、全焼結炉の温度状況が示されている。file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
a 温度測定システムの構造図　b 工業用装置図
1 焦炉の温度測定システム
file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.png file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.png
a 炭化室の温度分布状況　b 焦炉の実測温度状況
図2 温度測定システムの分析
3.1.2 焦炉の温度測定システムの技術的優位性
（1）焦炉の熱力システム制御技術に必要な根拠を提供し、焦炉全体のエネルギー消費を抑制する；（2）コークス炉の熱力システム調整技術に必要な根拠を提供し、排ガス中のNOxなどの濃度を抑制・低減する；（3）コークス炉の温度分析を通じて炭化プロセスを最適化し、より高品質なコークスを得る；（4）炉壁の損傷を検出し、早期の防護と修復を容易にし、コークス炉の漏れを減少させる；（5）コークス炉の耐用年数を延ばす。3.1.3 産業利用 コークス炉温度測定システムは、図1bに示すように、コークス押出し棒に直接改造して取り付けることができる。現在、ドイツ、オーストリア、インドなど70以上のコークス工場で成功裏に導入されています。3.2 コークス炉熱力システム調整技術 コークス炉温度測定システムから得られるデータに基づき、コークス炉熱力システム調整技術を用いてコークス炉排ガス中のNOx濃度を直接制御する。（1）立火道の温度を下げる。燃焼室の立火道の高温領域がNOxを発生させる直接的な原因であり、温度測定システムから得られたデータに基づき、コークスの品質を保証した上で、立火道の標準温度を下げる；（2）空気過剰係数を低下させる。燃焼補助空気と加熱用ガスの比率を調整し、ガスの燃焼に必要な空気量を減らすことで、より小さな過剰空気係数のもとでガスを燃焼させる；（3）コークス炉の熱工学制御。コークス炉の直行方向および横方向の温度均一性を調整し、局所的な過熱や低温が生じないようにして、立火道内の温度分布をできるだけ均一にする；（4）開閉器の気流量と圧力値の調整；（5）燃焼室の循環排気量の調整；（6）煙道排ガスの圧力差を調整する。3.3 前端防止技術の工業化とその効果
前端防止技術を用いることで、コークス炉から排出される排ガス中のNOx濃度を500mg/m3以下に抑えることができる。これにより、追加の装置を設置することなく、GB16171-2012「コークス製造化学工業における汚染物質排出基準」で定められている、既存企業や新規建設企業におけるコークス炉排ガス中のNOx濃度が500mg/m3未満でなければならないという基準を満たすことができる。同時に、コークス炉全体のエネルギー消費も削減できる。4 NOxの最終処理技術　規格GB16171-2012によると、特別な排出基準が適用される地域では、コークス炉から排出される排気ガス中のNOx濃度は150 mg/m3未満でなければならない。単なる前端防止技術だけでは基準を満たすことができないため、コークス炉の煙道排ガス中のNOxを効果的に処理するために、新しい技術や装置の導入が必要である。4.1 工程フロー 当社が開発したコークス炉排ガスの脱硫・除塵・脱硝を一体化した技術の工程フロー図は、図3に示されている。file:///C:/Users/TL/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg図3 焦炉排ガスの脱硫・脱硝プロセスの概略図　焦炉から出る排ガスはまずSO2を除去する脱硫処理が行われ、脱硫後の排ガスの温度は約10℃下がる。その後、集塵装置に送られ、集塵と脱硝が同時に行われる。脱硝後の煙ガスはある程度温度が上昇するため、各コークス工場の実際のニーズに応じて、熱回収工程を追加することができる。脱硫、除塵・脱窒の一体化および熱回収を経たコークス炉の排ガスは、そのまま大気中に排出される。4.2 SCR脱硝プロセスの原理は、触媒が存在する状態で、コークス炉から排出される排ガス中のNOxがNH3と還元反応を起こし、N2とH2Oが生成されることによってNOxが除去されるというものです。脱硝反応式は次の通りである：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(1) 2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O(2) NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O(3) 式（1）および式（3）が主要な反応であり、コークス炉の排ガス中のNOxの90％以上はNOの形で存在している。4.3 工程の特徴（1）脱硫工程は脱硝の前に設置され、煙ガス中のSO2濃度を30mg/m3以下まで除去し、その後の効率的な脱硝を確保する；（2）煙ガスの除塵と脱硝を一体化し、別途SCR脱硝反応塔を新設する必要がない；（3）コークス炉の排ガスを低温で脱硝することができ、排ガス温度が200～240℃の運転条件に対応し、予熱器を追加する必要はない；（4）総投資を削減し、運用コストが低く、占有面積も小さい。5 結論（1）NOxの前段階での防止技術により、NOx濃度を500mg/m3未満に抑えるという基準を満たすことができる。前端処理のコストは低く、技術も成熟しているが、NOx濃度を150 mg/m3未満に抑えるという規制要件を満たすことはできない。この場合、末端処理技術も併せて導入する必要がある。（2）フロントエンドの防止技術を活用してコークス炉の排ガス中の初期NOx濃度を500mg/m3未満に抑え、さらに脱硫・除塵・脱硝を一体化した技術を用いることで、全体の投資コストや運用・保守コストを大幅に削減することができる。 著者紹介：タン・リャン、修士。主な研究分野：コークス炉機械、環境保護技術。連絡先電話番号：13755064691　住所：湖南省長沙市経済技術開発区