排煙脱硫を最適化するための高度なプロセス制御

石炭火力発電所は、高度なプロセス制御により湿式石灰岩の洗浄を大幅に改善できます。 日本の施設に導入されたある最適化システムでは、強化された規制管理、モデルベースの予測、プロセス値予測を利用して住宅負荷を削減し、年間 90 万ドルを節約しました。

国際エネルギー機関によると、石炭火力発電所は世界の電力の約 37% を生成しており、単一の発電源としては世界最大となっています。 他の発電源と比較して、石炭火力発電所は排出量が多い傾向にあるため、発電所の所有者は可能な限りあらゆる手段を使用してこれらの潜在的な汚染物質を削減することが不可欠です。

削減の主なターゲットは硫黄であり、あらゆる種類の石炭にさまざまな程度で含まれています。 排ガスから硫黄を除去する最も効率的な方法は、湿式石灰石による洗浄です。 この方法は、スプレー吸収、流動床プロセス、ドライインジェクションなどの代替方法よりもはるかに効率的です。

湿式石灰岩洗浄システムは、その効率の高さとその他の利点により、世界中の何千もの石炭火力発電所で使用されています。 しかし、これらのプラントで使用されているシステムの多くは運用に最適化されていないため、過剰なエネルギーと石灰石を使用します。

この記事では、湿式石灰岩洗浄システムの動作を改善するために広く使用されている高度なプロセス制御の方法について説明します。まずプロセスの説明から始め、次に高度なプロセス制御を使用してこれらのシステムを最適化する方法を示します。

図 1 は、典型的な湿式石灰石洗浄排ガス脱硫 (FGD) プロセスのフロー図を示しています。 排ガスに含まれる二酸化硫黄（SO2）は、吸収塔上部のヘッダーから噴霧される石灰石スラリーに吸収されます。

1. 石灰石の洗浄フロー図。 湿式石灰石洗浄は、大気中に排出される排ガス中の SO2 を除去する最も効率的な手段です。 提供：横河電機

この石灰石スラリーは、石灰石と水とを混合したものであり、石灰石スラリータンクから吸収塔に供給される。 スラリーの流れはスラリー制御バルブによって調整され、再循環ポンプが石灰石スラリーをヘッダーに移動させます。 これらの再循環ポンプは、石灰石スラリーをヘッダーに流し続け、吸収塔の上部から排ガス中に石灰石スラリーを噴霧し続けます。

ボイラーからの燃焼排ガスは、ガス間熱交換器を通過して過剰な熱を除去します。 次に、石灰石スラリーの噴霧とは逆方向に吸収装置に流れ込みます。 排ガスは湿った石灰石とともに噴霧された後、吸収装置から排出されます。 次に、ガスはガス間熱交換器を通過し、最終的に煙突を通って大気中に排出されます。

吸収塔では、排ガスに含まれるSO2と石灰石スラリーとの化学反応によりSO2が吸収されます。 この脱硫プロセスの化学反応式は次のとおりです。

CaCO3 + SO2 + 2 H2O + 1/2 O2 => CaSO4 + 2 H2O + CO2

SO2 は CaCO3 (石灰石) に吸収されるため、出口 SO2 が減少し、規制値以下に維持されます。 このプロセスでは、吸収装置内の化学反応の副産物として、少量の二酸化炭素 (CO2) とともに CaSO4 + 2 H2O (石膏) が生成されます。 この石膏は、セメント添加剤や石膏ボードなどの原料として使用されるため市場価値があります。

一般に、これらの湿式石灰石洗浄システムは非常に効率的ですが、動作中にすべてのポンプが稼働し、過剰な石灰石が吸収装置に送られることが多いため、再循環ポンプの動作に余分なエネルギーを消費することがよくあります。 したがって、この記事で説明する FGD 最適化システムの主な目的は、これらのポンプの稼働に必要な電力量を削減し、石灰石の消費量を削減することです。

最適化システムにより、プラントは出口 SO2 を制限値未満に保つために必要な最小限のポンプを使用できるようになります。 これにより、必要な石灰石スラリーの量も削減されますが、コスト削減の主な要因は、入力 SO2 値に基づいて 1 つ以上の再循環ポンプを稼働から外すことでエネルギー使用量を削減することです。