ロータリーアトマイザーを二流体スプレーノズルに交換する

噴霧乾燥吸収（SDA）の概要

従来、SDAは石炭火力発電所に設置され、副産物の燃焼として生成される煙道ガスからSOxを除去していました。このプロセスは、アルカリ性媒体、通常はスラリーの形の石灰（Ca（OH）2）を注入して、スラリーを煙道ガス内に存在する酸性ガスと反応させることによって機能します。短い滞留時間内に効率的な化学反応を起こすためには、熱と物質移動のために高い液体表面積が必要です。SDAには通常、スプレーノズルまたはロータリーアトマイザーのいずれかがあり、より大きな表面積を生成するために使用される微細なスラリー噴霧を生成します。
最も一般的なSDA設計では、ロータリーアトマイザーによるスラリー噴霧を使用します。ロータリーアトマイザーの原理は、周囲の空気またはSDAの場合は煙道ガスに対して、高い相対速度から液体の流れが小さな液滴に剪断されることに基づいています。アトマイザーには、10,000〜15,000 rpmの間で回転する回転ディスクがあり、噴霧化のためにこの高速せん断を生成します。スラリーは、回転ディスク内からノズルを通ってこの高移動空気に投げ出されます。
ロータリーアトマイザーは、信頼性が高くトラブルのない操作のために継続的に監視する必要がある多くの敏感な設計パラメーターを備えた複雑な機械です。アトマイザーホイールは完全にバランスが取れている必要があり、始動時のアトマイザーへのスラリーの初期の流れは、ホイールの不均衡を防ぐために注意深く監視する必要があります。ギアボックスアセンブリは、信頼性の高い操作のために、場合によってはメンテナンスする必要があります。アトマイザーは、スケーリングの問題のために定期的にクリーニングする必要があります。摩耗したノズルは、高いスピン速度から発生する高い応力下で崩壊する可能性があるため、注意深く監視する必要があります。

シチュエーション

有名な電力エネルギー会社は、燃料源として木材チップを使用して、石炭からバイオマスに合計3つのプラントを変換することを決定しました。この変更により、ボイラーの定格が63MWから51MWに変更されました。各プラントには、それぞれ51MWの定格の2つの同一のユニットがありました。プラントには、SOx制御用の回転式噴霧器を備えたSDAがありました。主要な燃料源が木材に変更されたため、煙道ガスにはSOxが含まれていませんでした。プラント許可には300°Fのバグハウス入口温度が必要であり、各SDAの後にバグハウスが続きます。回転式噴霧器を使用して水を噴霧し、温度をこの許容温度未満に維持しました。
プラントは、温度を300°F未満に保つことができるように、ガスを冷却するためにSDAを操作するのに苦労しました。アトマイザーにはホッパーの濡れにも問題があり、これによりボイラーの定格が複数回低下しました。彼らは、州のグリーンエネルギーの義務を満たすために、すべてのボイラーを全負荷で運転する必要があったため、システムの信頼性が非常に重要でした。
システムの信頼性を向上させるために、同社はロータリーアトマイザーを空気噴霧システムに置き換えることを決定しました。ただし、このタイプの変換は、これまで米国では行われていませんでした。そのため、空気噴霧スプレー噴射システムは、SDA容器自体に変更を加えずに設計し、故障が発生した場合に問題なくアトマイザーを再設置できるようにすることを規定しました。
空気噴霧スプレー噴射システムの主な利点は、圧縮空気を利用しながら一貫した液滴サイズを達成できることです。スプレーノズル内には可動部品がなく、スプレープルームがSDAの側壁に到達しないようにノズルの向きを変えることができます。

解決

発電所の3つのボイラーはそれぞれ同一で、木材を燃焼させている間、定格は51MWでした。各ユニットのSDA容器の直径は31フィートで、ウェル内のアトマイザーの開口部は21インチでした。

詳細なCFD研究は、SDA内の煙道ガスとスプレー液滴の相互作用を理解するために実行されました。CFD研究に基づいて、スプレーパターンを作成するために8つのツイン流体スプレーランスが選択されました。液滴と煙道ガスの間の最大の相互作用を達成するために、ランスは回​​転式噴霧器のスプレーパターンを模倣するように設計されました。二流体ランスの液滴サイズとスプレー角度も、完全に蒸発するように注意深く選択されました。回転式アトマイザースプレーに対する二重流体スプレーの主な利点の1つは、回転式アトマイザーからのスプレーが常に水平でガスの流れ方向にほぼ垂直であるときに、二重流体ノズルからのスプレー角度を操作できることです。また、二流体スプレーノズルからの液滴サイズは、圧縮空気を調整することによって非常に簡単に変更できます。したがって、

このシステムは、SDA船に変更が加えられないように設計されています。二流体スプレーノズルは、ロータリーアトマイザーの1：1の代替品として設計されました。二流体スプレーランスの液体流量を制御するために、ポンプと制御システムが追加されました。

各ステーションには2つのSDAがあるため、各SDAに水とスラリーをポンプで送って制御するために二重スキッドが設計されました。各コントロールスキッドには3つのポンプがあり、そのうち2つは稼働しており、3つ目は一般的なバックアップです。スラリースキッドには、石灰スラリーを注入するための3つのポンプもあります。このスキッドは、50％の冗長性を実現するようにも設計されています。

結果

この変更は、アトマイザーの故障に起因する計画外のシャットダウンによってかつて妨げられていたプラントの運転を増やすことによって、いくつかの利点を生み出しました。SDAのパフォーマンスは、改造後に大幅に改善されました。これで、プラントは非常に安定した出口温度で動作できるようになり、濡れの問題は発生しません。これらの出口温度の低下は、ロータリーアトマイザーでは不可能でした。
当初、プラントは275°Fの出口温度を達成するのに苦労していましたが、改造後、出口温度は簡単に230°Fに低下しました。オペレーターは、ロータリーアトマイザーを使用してボイラーの始動時にSDA出口温度を注意深く監視する必要がありました。バグハウスの安全しきい値の近くで、温度が高いものから低いものへと変動し、これによりSDA内が濡れ、バグハウスに湿気が運ばれました。新システムでは、オペレーターが出口温度を設定し、操作中ずっと温度が安定しているため、濡れが防止されます。
ガスを275°Fまで冷却するために使用された予備流量は約70gpmでしたが、現在は30〜35gpmに減少しています。元のシステムは200°F未満の灰温度を生成し、出口温度が275°Fに設定されたときに非常に湿っていました。現在、灰の温度は煙道ガスの出口温度に近いままであり、灰は非常に乾燥して反応性があります。230°Fを下回ることは可能ですが、プラントは、バッグが損傷するのを防ぐために300°F未満の温度を必要とするだけです。