DS硫泡沫専用真空濾過機について（その1）

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10年以上にわたりガス浄化脱硫分野で実績を積んできた長春東獅科技（集団）有限責任会社は、常に業界の技術最前線に立っています。長年にわたり、当社は大学や研究機関と緊密な交流と協力を続けてきており、共に科学技術プロジェクトのPR活動を行ってまいりました。業界の思いを共有し、業界が直面する課題に迅速に対応することで、業界の技術的な難問を数多く解決してきました。主な製品には、ウェット式888脱硫技術、JNTシリーズの高度脱硫技術、およびDS型硫黄泡専用真空フィルター、QYD型物質移動用内部部品などがあります。その中で、「QYD型伝質内件技術」、「湿式888脱硫技術」、「硫黄回収技術」、「副塩抽出技術」、「乾式精脱硫技術」といった製品は、すでに**特許**を取得しています。ここでは、主にDS型硫黄フォーム専用の真空濾過機について説明します。1 DS型硫黄泡用専用真空フィルターの概要
硫黄泡真空フィルターは、長春東獅科技（集団）有限責任会社が脱硫プロセスのニーズおよび硫黄泡の特性に基づき、独自に設計・開発したもので、硫黄泡の分離と脱硫液の処理を一体化したDS型の高性能フィルター装置です。2008年、DS型硫黄泡真空フィルターは、中華環境保護連合会エネルギー環境専門委員会によって「中国の省エネ・排出削減における重点的な新技術・新製品」として評価されました。2009年には、DS環境配慮型硫黄回収プロセスも中国窒素肥料工業協会によって「窒素肥料業界の振興を支える技術」として評価されました。現在、東獅社が開発した真空フィルターは、化学肥料、コークス製造、製薬、天然ガスなどの業界で広く利用されています。2 湿式脱硫におけるDS型硫黄泡専用真空フィルターの特長 2.1 蒸気消費量の削減 一般的に、再生時に得られる硫黄泡液体の含有率は約90％であり、連続式硫黄溶解法を用いる場合、1トンの硫黄を生産するたびに硫黄溶解槽から9トンの脱硫液が戻ってくる；DS型硫黄泡用専用フィルターで濾過した後のフィルタケーキの含水率は30％であり、フィルタケーキ中の固体を100％の硫黄とすると、硫黄1トンを生産するためには1.43トンのフィルタケーキ（含水率30％）が必要となる。つまり、濾過後のフィルタケーキと共に脱硫液は0.43トンのみが硫黄溶解槽に入ることになる。したがって、DS型硫黄泡用専用フィルターで濾過した後に硫黄を溶解させる方法では、直接連続して硫黄を溶解させる場合と比べて、硫黄溶解槽に投入される溶液の量が8.57トン少なくなる。この溶液は通常、硫黄溶解槽に入る前に約35℃から70～90℃まで加熱される必要があり、この温度上昇に必要な蒸気量は計算により821kgであることがわかっている。結果からわかるように、DS型硫黄フォーム専用の真空フィルターを使用して硫黄を処理すると、連続式の硫黄溶解法と比べて1トンの硫黄あたり821kgの蒸気を節約できる。60000Nm3/hの処理能力を持つコークス炉ガス脱硫システムを想定し、入口のH2S濃度を5000mg/Nm3、出口で100mg/Nm3以下に抑え、硫黄回収率を85％とした場合、1日あたり4634kgの蒸気を節約できることになる。2.2 溶液の温度上昇を抑えるために連続式の硫黄溶解装置を使用するメーカーでは、還流液を回収しないことは不可能である。なぜなら、それは多大な無駄遣いとなるだけでなく、環境保護の観点からも許されないからだ。まず冷却してからシステムに戻すのが理想的ですが、自然冷却には時間や設備、場所が必要で、溶液量の増加なども問題となります。冷却媒体を用いて冷却する場合は、運用コストが上昇するだけでなく、冷却過程で結晶化や詰まりなどの現象が起きやすくなります。そのため、特にガス量が多く、ガス中のH2S含有量が高い大規模なコークス企業では、溶硫釜からの返流水をシステムに戻す前に冷却処理を行う例はほとんどなく、ほとんどがそのままシステムに戻されています。これにより溶液の温度が過度に上昇し、特に夏場にはシステムの運用に大きな支障をもたらします。依然として、ガス量が60,000Nm3/h、ガス中のH2S濃度が5g/Nm3のコークス炉ガスの脱硫を例にとると、連続式の硫黄溶解法を用い、まずDS型の硫黄泡専用真空フィルターでろ過した後に硫黄を溶解させることで、1日あたり48.4トンものリフラックス液が余分に排出される。熱のバランス式によれば：M熱・C熱・（T2－T）＝M冷・C冷（T－T1）となる。したがって、T＝M熱×T2+M冷×T1 /（M熱+M冷）＝（48.4×10³×353＋1050×10³×308）/（48.4×10³＋1050×10³）＝310K＝37℃となる。また、T－T1＝37－35＝2℃である。ここで、M熱は溶硫釜の1日あたりの戻り液量：kgである；M冷—システム溶液総量：1000m3×1050kg/m3＝1050×103kg；C熱、C冷——それぞれリフラックス液とシステム溶液の比熱容量で、C熱＝C冷；T1—脱硫液の初期温度：k、308k；T2—溶硫釜の戻り液の温度：k、353kとする；T—混合後の脱硫液の温度：k。上記の計算からわかるように、連続的な硫黄溶解は、DS硫黄フォーム専用の真空フィルターでろ過した後に再び硫黄を溶解する場合と比べて、1日あたりの硫黄溶解タンクからの戻り液によってシステム内の溶液温度が2℃上昇することになる。絶え間なく溶融硫黄液を回収すること、特に夏場は、システムの温度が著しく上昇し、システムの正常な運転に大きな影響を及ぼし、生産を維持することさえ困難になります。DS硫黄フォームフィルターで濾過した後に硫黄を溶融する場合。溶液の温度上昇の問題はなくなります。2.3 副塩生成率の低下 温度が高すぎると副塩の生成が促進され、特に温度が50℃を超えると、Na2S2O3の生成率はほぼ直線的に上昇する。一方、硫黄溶解釜の還流液の温度はほとんどが70～90℃の間であり、釜内の溶液中の酸素は再生槽（塔）内ほど多くはないものの、再生槽から出てくる硫黄泡や液体にも一定量の酸素が溶存しており、釜内の高い温度のもとで溶液中のNa2CO3やHS﹣、あるいは単体のSと反応してNa2S2O3が生成される速度は非常に速い。私たちは、処理能力が60000Nm3/hで入口のH2S濃度が5000mg/Nm3の工場において、Na2S2O3の含有量を何度も分析しました。硫黄泡から採取したサンプルのNa2S2O3分析結果の平均値は21.3g/Lでしたが、溶融硫黄槽から出てくる清液のNa2S2O3分析結果の平均値は51.4g/Lでした。1日に5.7トンの硫黄を回収し、連続式の硫黄溶解を用いる場合、1日あたり最低51.3トンの清液が硫黄溶解槽から排出される。一方、まずDS型の硫黄泡フィルターで濾過してから硫黄溶解を行うと、1日あたり49トン少なく清液が排出される。この49トンの脱硫液は硫黄溶解時の高温で再循環されることにより、副塩であるNa2S2O3が多量に生成される：(51.4-21.3)×49t/1.05＝1405kg。システムの溶液総量は1000m3なので、DS型フィルターを使用することで、1日あたりシステム全体の溶液中のNa2S2O3濃度の上昇を1405/1000＝1.405g/L減少させることができる。また、大量の溶硫釜のリフラックス液がシステムに戻ると、短時間で局所的な温度が過度に上昇し、副反応が加速されるため、副塩の生成量が大幅に増加する。そのため、DSフィルターで濾過した後に硫黄を再溶解させることで、副塩の生成率が**低下する。2.4 アルカリ消費量の低減 近年、窒素肥料業界であれコークス製造業界であれ、脱硫においてアルカリ消費量が高くなる現象が後を絶たない。副塩の増加がアルカリ消費量の上昇を引き起こす原因、および硫黄の溶融が副塩の増加を招く理由については、ほとんどの企業の生産管理者が理解している。しかし、連続溶硫によって増加するアルカリ消費量が実際にどれほどかについては、ほとんど関心を寄せる人はいない。アルカリ消費量が高くなる現象が起きても、単に他の要因を探すだけで、結局はほとんど効果がないのが現状だ。脱硫システムの溶液内において、Na2S2O3がどのような反応によって生成されるかに関わらず、そのNa+はNa2CO3からのみ供給される。したがって、1molのNa2S2O3が生成されるごとに最終的に1molのNa2CO3が消費され、つまり1kgのNa2S2O3が生成されるたびに0.67kgのNa2CO3が消費されることになる。例えば、ガス流量が60,000 Nm3/hで、入口のH2S濃度が5,000 mg/Nm3の工場では、1日あたり5.7トンの硫黄が回収されるが、少なくとも51.3トンの清液が溶融硫黄タンクから排出されることになる。清液中のNa2S2O3は21.3g/Lから51.4g/Lに上昇し、連続した硫黄溶解によって毎日副塩が増加することで生じるアルカリ消費量は、(51.4－21.3)×51.3t/1.05×0.67＝985kgである。DS型硫黄泡フィルターで濾過した後に硫黄を再溶融する際に生成する副塩のために消費されるアルカリ量は、（51.4－21.3）×2.45t/1.05×0.67＝47kgであり、アルカリの消費量を938kg節約できる。処理能力が60,000 Nm3/hで、入口のH2S濃度が5,000 mg/Nm3の企業にとって、1日あたり938kgのNa2CO3を節約できることの意義は言うまでもありません。2.5 DS型硫黄泡用専用真空フィルターは、塩類のろ過に使用することで、**硫黄溶解工程で生成される副塩を削減でき、消費量を減らすだけでなく環境保護にも寄与します。しかし、システム溶液内には副塩が客観的に存在しており、どれだけ管理を徹底しても徐々に蓄積されてしまいます。DS型の硫黄泡専用フィルターを使用すると、フィルタリング後の副塩量はフィルタリング前に比べて大幅に減少します。いくつかのユーザーの状況から見ると、夏場は副塩量を20％～30％削減でき、冬場には40％～50％削減できます。以下は山東のあるメーカーのデータです。これによると、一部の副塩はろ過過程で硫黄ペーストに付着して持ち去られるため、溶液中の副塩を効果的にろ過することができるようです。また、同工場がDS硫黄フォーム専用の真空フィルターを導入したことで、溶液の排出量が従来の月80tから月20t減少したことも、これを裏付けている。 2.6 DS型硫黄泡用専用真空フィルターの運転コストは低く、このフィルターの運転時のエネルギー消費量は他のフィルター装置と比べて約90％以上節約できる。一方、直接連続式の硫黄溶解に比べて、そのエネルギー消費量はほとんど変わらず、わずかな電力消費の増加しか見られない。通常、このフィルターは1時間あたり0.6～1.2m3/m2・hの硫黄泡を処理する。先ほど挙げた企業を例にとると、処理能力は60,000Nm3/hで、入口のH2S濃度は5,000mg/Nm3です。この場合、DS-15型のフィルターを選択することができます。その動作電力はわずか9kwで、清掃時間も含めて1日16時間稼働すると仮定すると、1日の電力費用は9kw×16×0.76（現地の電気代）＝109元となります。つまり、1日あたり約2,000元のコスト削減が可能です。3 DS型硫黄泡用専用真空フィルターと他のフィルター装置との性能比較　比較してみると、DS型硫黄泡用専用真空フィルターは、自動化度、エネルギー消費量、ろ液の清浄度、フィルタケーキの含水率、ろ過速度のすべての面で顕著な優位性を示している。DS型硫黄泡用専用真空フィルターの他の形態のフィルターとの性能比較は以下の通りである：3.1 プレスフィルターとの比較 無硫黄化業界では広く採用されていないものの、一部の企業で使用されており、その操作は間欠式で、装填・ろ過・残渣の排出・洗浄が1つの作業サイクルとなっている。現在では自動制御も実現されており、自動プレート引き出しシステム、伸縮アーム式残渣排出補助システム、単棒式水洗システム、反転プレート式集液システム、PLCシステムなどが追加されているものもある。しかし、硫黄フォームフィルターに使用する場合、一般的な問題が見られます。それは、硫黄フォームの粘度が高いためにフィルター材同士がくっついてしまい、手作業による排出が必要となることです。また、フィルターカーテンの洗浄も非常に困難で、手作業による洗浄という問題も根本的に解決されません。これにより自動化の度合いが大幅に低下し、労働強度が**増加します。一方、DS型硫黄フォーム専用の真空フィルターは、真空力によって自動的に材料を吸い上げ、乾燥させ、排出し、逆洗を行います。一定期間使用した後は、超音波と低濃度のアルカリ液を混ぜたもので洗浄する。全体のプロセスは完全に自動化されて連続的に行われ、人の手を要しません。自動制御の程度において、DS型硫黄泡専用真空フィルターはプレート＆フレーム圧搾フィルターよりもはるかに優れている。3.2 脱硫業界における使用量は、ドラム型遠心分離機と比べてプレートフィルターの方が少ない。遠心分離機は慣性遠心力を利用して分離を行うもので、主要な部品は垂直または水平軸上で高速回転するドラムであり、ドラムの側壁には多数の小さな穴があり、内側にはフィルター布が張られている。回転ドラムの回転によって遠心力が生じ、ろ液が孔から排出され、硫黄ペーストはろ布に留まる。回転ドラムの回転速度が高いほど、分離効率は高くなる。したがって、より高い分離効率を得るためには、駆動用の高出力モーターが必要となる。WG―1500型スクレーパー式排出遠心分離機の運転動力は25～30キロワットですが、DS型の硫黄泡専用真空フィルターにすると15㎡で十分であり、その真空ポンプには2.35キロワットのモーターが2台あればよく、全体の運転動力は9キロワット以下です。したがって、電力消費量においてDS型硫黄泡専用真空フィルターは明らかな優位性を持っています。3.3 濾過媒体の比較　板框圧濾と遠心濾過はどちらも基本的にフィルター布を使用する。濾過過程において、フィルター布の目詰まりは生産性の向上を妨げる。目詰まりの原因としては、一方で硫黄粒子による機械的な塞がり、もう一方で化学反応によって生成された炭酸塩や硫酸塩がフィルター布の繊維上に堆積することがある。清掃や交換には手間がかかります。また、フィルター布のフィルター孔は変形しやすい。DS型硫泡沫専用真空フィルターは、セラミック製のフィルタープレートを採用しています。内部構造は勾配形です。フィルターの抵抗が少なく、強度が高く変形しません。微細な孔のサイズも小さく、素材には親水性があります。フィルタリングの過程で、水と親水性のあるセラミックスの間に表面張力が生じ、これにより毛細管現象が起こり、微細な孔内が常に液体で満たされます。真空を引くと、濾液は微細な孔を通って流れ出しますが、空気や硫黄粒子は通過できないため、真空損失がないという仕組みになっています。これにより、エネルギー消費や材料中の水分が大幅に削減され、濾液の固体分の含有量も低くなります。3.4 滤過効果の比較
多くのメーカーの状況を総合すると、運転条件が正常な場合、プレートフィルターと遠心分離機による濾過後のフィルケックの含水率は30～40％、濾液の固体含有量は50ppmである；一方、DS型硫黄フォーム専用の真空濾過機を使用して濾過した場合、濾過後のフィルターケーキの水分含有量は30％以下であり、濾液の固体分含有量は30ppm以下となる。3.5 処理量の比較　フィルタリング速度から見ると、DS型硫黄泡専用真空フィルターも板框圧濾機や遠心分離機を大幅に上回っており、DS型硫黄泡専用真空フィルターの硫黄泡処理量は0.6～1.2 m3/m2・hである；板框圧濾機はわずか0.4～0.5 m3／m2・hです。遠心分離機の分離効率は、回転ドラムの直径と回転速度によって決まります。ドラムの直径が大きいほど効率は高くなりますが、応力も大きくなるため、強度を保証するのが難しくなります；回転速度が上がるほど分離効率は高くなるが、一定の限界があり、さらに電力消費も増加する。したがって、生産規模が大きい企業では、システムとしてDS型の硫黄泡フィルターを選べば1台で済みますが、遠心分離機を使用する場合は2台以上が必要になります。