リチウム電池負極材の黒鉛化のための統合型除塵、脱硫、脱硝

事例研究・産業排出ガス制御

高性能リチウムイオン電池負極材の黒鉛化製造業者が、最大20,000 mg/Nm³のSO₂と300 mg/Nm³の粒子状物質を含むAcheson炉の排ガス流から、99.85%の脱硫効率、18 mg/Nm³以下のSO₂排出量、および目に見える白色煙ゼロを達成した方法。

黒鉛化炉排ガス処理
石灰石・石膏湿式排煙脱硫装置
SNCR脱窒
磁気プルーム抑制
バッテリー負極材の排出基準適合性

99.85%
脱硫効率
SO₂ 11​​,302→<18 mg/Nm³
98.4%
粉塵除去効率
PM300→<5 mg/Nm³
100,000
Nm³/時
MPA処理排ガス量
ゼロ
目に見える白い煙
MPA磁気プルーム抑制

01 — 業界背景

電気自動車用バッテリーサプライチェーンの中核をなす黒鉛化炉排出ガス問題

負極材料はリチウムイオン電池の4つの主要原材料の1つであり、国家の優先事項に沿った戦略的な新興産業でもある。 第14次五カ年計画 そして 2035年長期目標電気自動車の普及が世界的に急速に拡大したことで、リチウム電池の負極材は世界で最も成長著しい産業サブセクターの一つとなり、2023年の出荷量は178.3万トン(前年比15.11万トン増)に達し、2030年までに800万トンに達すると予測されている。

黒鉛化は、陽極材料製造工程の中で最もエネルギー消費量が多く、排出量も最も多い工程です。アチソン社の炉では、炭素前駆体材料を64時間かけて2,500℃を超える温度まで加熱します。この過程で、石油コークスやコールタールピッチ原料に自然に含まれる硫黄化合物がSO₂として放出されます。その結果、炉の排ガス中のSO₂濃度は非常に高く、脱硫吸収塔入口で日常的に11,302 mg/Nm³に達し、ピーク時には20,000 mg/Nm³を記録しています。このため、黒鉛化炉の排ガスは、世界中のあらゆる製造業において見られるSO₂濃度が最も高い排ガスの一つとなっています。

2024年まで環境規制が強化されるにつれて 汚染物質排出許可管理規則 そして 汚染と炭素排出量の削減を加速するための行動計画そのため、黒鉛化炉の排ガスから超低排出ガスを実現する必要性が避けられなくなりました。技術的な課題は、SO₂を11,302 mg/Nm³から≤18 mg/Nm³(99.84%の削減)に削減するだけでなく、粒子状物質、NOx、HCl、HF、CO、そして違反を即座に公に示す目に見える白い煙を同時に管理しながら、それを実現することです。

高性能リチウム電池負極材の黒鉛化のための統合型除塵脱硫脱硝システムの応用事例:世界のEV電池サプライチェーンにおけるアチソン炉排ガス処理

「黒鉛化炉のSO₂濃度が11,302 mg/Nm³に達することは、ボイラーや発電所の脱硫問題ではありません。これは、硫酸製造で発生するような酸性ガス処理の問題です。粒子状物質、NOx、および目に見える白色の煙を同時に管理しながら、99.85%の除去効率を達成して出口濃度を18 mg/Nm³にするには、標準的な工業用スクラビング手法を応用するのではなく、専用に設計されたマルチテクノロジーシステムが必要です。」

— 技術概要、黒鉛化産業における粉塵除去/脱硫/脱硝プロジェクト


02 — 汚染状況

アチソン炉排ガス:電池材料製造における最もSO₂含有量の多い流れ

この施設は、新エネルギーリチウム電池の負極材および黒鉛化関連製品の研究開発、製造、販売を専門としています。国際的なハイエンド顧客にサービスを提供しており、世界トップ3の負極材サプライヤーに数えられ、1つの企業ブランドプロジェクト、2つの登録商標、19の特許を保有しています。

アチソン炉は、極めて高温の環境下で64時間サイクルで稼働する。排ガスは170℃で排出され、同時に以下の汚染物質を運ぶ。

  • FGD吸収塔入口におけるSO₂濃度は11,302 mg/Nm³であった。 (原ガス中の濃度ピークは20,000 mg/Nm³と記録されている)。これが主要な汚染物質であり、出口濃度を18 mg/Nm³以下にするために99.85%の除去率を要求することは、あらゆる産業分野において最も厳しい脱硫仕様の一つである。
  • 粒子状物質濃度300mg/Nm³ (原料ガス)は、主に炉装入物由来の黒鉛と炭素粉塵から構成される。目標排出ガス濃度:≤5 mg/Nm³ ― 全体で98.3%の削減が必要。
  • NOx濃度100mg/Nm³ 高温燃焼空気反応によるもの。目標出口濃度:上流のSNCR脱硝処理により100 mg/Nm³以下。
  • CO濃度100mg/Nm³密閉型処理工程の上流において、CO安全監視および燃焼管理が必要となる。
  • HF濃度5 mg/Nm³、HCl濃度15 mg/Nm³どちらも腐食性の酸性ガスであり、接液部すべてにおいて耐腐食性材料の仕様を定める要因となる。
  • 高温変動170℃の原料ガスは、誘引送風機の手前にある熱回収熱交換器で120℃以下に冷却され、さらにMPAユニットの入口で40℃以下に冷却される必要がある。この温度管理要件により、補助設備への多額の投資が必要となる。
  • 極端なSO₂サイクル変動アチソン炉の64時間サイクル中、SO₂濃度は約20,000 mg/Nm³でピークに達し、2~3時間高い状態が続くことがあります。脱硫システムは、最も不利な大規模排ガス、最大SO₂濃度運転条件下における最大SO₂負荷に対応できるように設計する必要があります。
パラメータ 原ガス/処理施設入口 アウトレット(デザイン) 規制制限
SO₂ 平均11,302 mg/Nm³(ピーク時20,000) ≤18 mg/Nm³ 18 mg/Nm³
粒子状物質(PM) 300 mg/Nm³ ≤5 mg/Nm³ 5 mg/Nm³
NOx 100 mg/Nm³ ≤100 mg/Nm³ 100 mg/Nm³
CO 100 mg/Nm³ ≤100 mg/Nm³ 100 mg/Nm³
HF 5 mg/Nm³ ≤5 mg/Nm³ 5 mg/Nm³
HCl 15 mg/Nm³ ≤15 mg/Nm³ 15 mg/Nm³
目に見える白い煙 現在 なし(非表示) 白い煙は見えない
排ガス量(定格値、FGD) 140,000 Nm³/h
MPA処理された体積 100,000 Nm³/h
原料ガス温度 170℃
適用規格 EU 産業排出指令 (IED 2010/75/EU) およびオランダ活動令 (Activitenbesluit milieubeheer)

03 — エンジニアリング要件

標準的な工業用脱硫手法では黒鉛化SO₂問題を解決できない理由

このプロジェクトにおける技術的な課題は、単に技術を選択することではなく、64時間周期のアチソン炉サイクル全体にわたるSO₂濃度の極端な周期的変動を管理しながら、6つの汚染パラメータすべてに同時に対処する統合された多段階システムを設計することであった。

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平均ではなく、ピーク時のSO₂負荷を考慮して設計する

FGDシステムは、最大SO₂濃度(20,000 mg/Nm³)と最大排ガス量が一致する最大SO₂シナリオにおいて、基準を満たす必要があります。平均値(11,302 mg/Nm³)に基づいて設計すると、各炉サイクルの2~3時間のピーク期間中に基準値を超えることになります。

エネルギー回収を設計の不可欠な要素として取り入れる

170℃の原料ガスには回収可能な熱エネルギーが含まれています。エネルギー変換・回収熱交換器を第一処理段階として設置し、誘引送風機の前に排ガス温度を119.46℃まで下げることで、送風機の運転条件を改善し、下流機器の熱負荷を低減するとともに、施設にとって有用な熱エネルギーを回収します。

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極めて高濃度のSO₂に対する二段階吸収

単塔式石灰石・石膏排煙脱硫装置では、1回の処理で11,302 mg/Nm³から≤18 mg/Nm³まで99.85%のSO₂除去率を達成することはできません。そのため、一次スクラバーと二次スクラバーを組み合わせた2段階吸収方式が必要であり、両塔で最適な吸収効率を継続的に維持するためには、各段階のpHモニタリングとスラリー管理が不可欠です。

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下流海洋保護区による白煙除去

2段階の排煙脱硫(FGD)後、スクラバー後のガスには水蒸気と残留酸性ミストが飽和状態で残っています。最終仕上げ段階として、磁気式プルーム抑制装置(BLCNXB-10W、100,000 Nm³/h)が設置され、ガス温度を80℃以上に上昇させて目に見える凝縮プルームの発生を防ぎます。

石膏副産物管理

石灰石・石膏排煙脱硫(FGD)プロセスでは、副産物として最大2,618 kg/hの硫酸カルシウム(石膏)が生成されます。実用的な取り扱いと廃棄のためには、石膏の水分含有量を15%未満に抑えるための脱水処理をシステムに組み込む必要があります。石膏は、廃棄物として処分するのではなく、建築資材として再利用できるよう、副産物品質基準を満たさなければなりません。

🛡️

HFおよび高SO₂環境における耐食性

11,302 mg/Nm³のSO₂と5 mg/Nm³のHFの組み合わせは、極めて腐食性の高い環境を作り出します。FGD吸収装置、石膏処理システム、およびMPAユニットのすべての接液面は、この複合酸性環境に対応した材質でなければなりません。標準的な炭素鋼や軟質ステンレス鋼は、接液部品には適していません。

🔧

NOx規制遵守のためのSNCR統合

SNCR(選択的非触媒還元)脱硝は、100 mg/Nm³のNOx排出制限に対応するため、処理工程に組み込まれています。アンモニアの漏出を防ぎ、効果的なNOx分解を実現するには、SNCR試薬の注入箇所を炉の排ガスダクト内の温度範囲(850~1,100℃)内に配置する必要があります。

🔐

安全対策:火災、爆発、一酸化炭素の危険性管理

黒鉛化炉の排ガスには、可燃性の炭素粉塵と100 mg/Nm³のCOが含まれており、これらは密閉された処理装置内で火災や爆発の危険性を生じさせます。そのため、防火、防爆、防食対策をシステムに組み込む必要があり、すべての機器のインターロックには、CO濃度監視機能と自動バイパス機能を組み込む必要があります。


04 — 治療溶液

統合型4段階処理システム:エネルギー回収 → 二塔式排煙脱硫装置 → 微粉炭処理 → クリーンスタック

この処理システムは、黒鉛化炉排ガスに含まれる特定の汚染物質に対応する、実績のある3つの技術を直列に統合したものです。各技術の相補的な強みを活かしつつ、他の工程を通じてそれぞれの技術の弱点を解消するために、この組み合わせが選ばれました。

ステージ1:エネルギー回収熱交換器(170℃ → 119.46℃)

170℃の黒鉛化炉排ガスは、まずエネルギー回収熱交換器に送られ、そこで高温ガスの熱エネルギーが設備利用のための作動媒体に伝達されます。ガス温度は誘引送風機の手前で119.46℃まで下げられ、送風機の運転条件が改善され、設備の寿命が延びます。この熱交換器は、伝熱面積934m²、設備圧力損失273Paで、85,000Nm³/hの流量を処理します。

ステージ2:誘引送風機 → 2段式石灰石・石膏排煙脱硫装置(140,000 Nm³/h)

2 基の向流式石灰石-石膏吸収塔が 140,000 Nm³/h のガス流を処理します。一次スクラバーには 2 層スクリーンミストエリミネーターが組み込まれており、二次スクラバーには 1 層スクリーンミストエリミネーターと 1 束ミストエリミネーター セットがあります。2 基の塔の間には、オンライン液面監視および pH 監視システムがあり、リアルタイムのスラリー補充と段間液面 pH 制御が可能で、手動介入なしに 64 時間の炉サイクル全体にわたってスラリー回路が最適なバランスを維持することを保証します。主な FGD パラメータ: 石灰石消費量 1,858 kg/h (最大)、石膏生産量 2,618 kg/h (最大)、石膏含水率 15% 未満、石灰石貯蔵容量 150 m³ (​​3 日の自給自足が可能)。

ステージ3:SNCR脱窒

SNCR脱硝処理は、推定除去効率50%により、NOx濃度を100mg/Nm³から排出基準値まで低減します。SNCR噴射システムは、排ガスダクトの高温領域内で作動するため、専用のSCR触媒床を必要とせず、NOx-反応剤複合体の熱分解が効果的に行われます。

ステージ4:磁気プルーム抑制(100,000 Nm³/h)

2段階の排煙脱硫(FGD)処理後、浄化されたガスは第2のエネルギー回収熱交換器(エネルギー変換・昇温装置)を通過し、ガス温度が約45℃から80℃以上に上昇します。これにより、水蒸気露点マージンが低減され、MPA(磁気式排煙装置)による排煙捕捉条件が改善されます。その後、ガスはBLCNXB-10W磁気式排煙除去装置に入り、最終的な高度浄化と白色排煙の除去が行われた後、主煙突から排出されます。

アチソン
エネルギーHX
170→119℃
イスラエル国防軍
ファン
ステージ1
FGDタワー
ステージ2
FGDタワー
気温上昇
HX →80°C
MPAユニット⭐
(BLCNXB-10W)
クリーン
スタック

高性能リチウム電池負極材の黒鉛化のための統合型除塵脱硫脱硝プロセスフロー図、アチソン炉排ガス処理(エネルギー回収熱交換器、二塔式石灰石-石膏排煙脱硫装置、SNCR脱硝および磁気プルーム抑制段階を示す)

MPAユニットの主要技術パラメータ

パラメータ 仕様
MPAユニットモデル BLCNXB-10W
レイアウトタイプ タワー外部設置型、独立型モジュール
空気の流れの方向 底部吸気、上部排気(直噴)
浄化効率 ≥95%
流入混合汚染物質濃度 100 mg/Nm³
排水口における混合汚染物質濃度 ≤5 mg/Nm³
システム抵抗 300 Pa
処理済み排ガス量 100,000 Nm³/h
入口ガス温度 (MPa) 40℃未満(排煙脱硫後);MPAの前に温度上昇式熱交換器で80℃以上に上昇
システム圧力 ±5,000 Pa設計
機器の寸法(幅×奥行) 7,900 × 7,900 mmの平面図
機器の高さ 17,000 mm
磁気エネルギー発生器 BLEMG-2K
MPA 平均消費電力 80kW
MPAランタイム負荷係数 195(運転負荷指数)

リチウム電池負極材の黒鉛化用アチソン炉向け集塵脱硫脱硝システム(エネルギー回収熱交換器、二塔式排煙脱硫装置、磁気式排煙抑制装置BLCNXB-10Wを含む)の設計立面図


05 — 主な利点

石灰石・石膏排煙脱硫装置(FGD)+SNCR+MPAが黒鉛化炉排ガス処理に最適な構造である理由


  • 石灰石・石膏排煙脱硫装置により、11,302 mg/Nm³の原料ガスから99.85%のSO₂除去を達成。 検証済みの脱硫効率99.85%(入口SO₂濃度11,302mg/Nm³から出口平均8mg/Nm³まで低減)は、通常SO₂濃度が1桁低い石炭火力発電所の排煙脱硫(FGD)の基準から見ても非常に優れた値です。この用途に石灰石-石膏プロセスが選ばれた理由は、豊富で低コストの試薬(石灰石は広く入手可能で価格も安定している)を使用し、商業的に利用可能な副産物(建設用石膏)を生成し、同等の除去効率を実現する湿式FGD化学反応の中で液気比が最も低いためです。塔内ミスト除去装置の設計と段間pHモニタリングシステムは、黒鉛化SO₂濃度レベルでこの性能を実現する具体的な技術革新です。

  • エネルギー回収は、熱廃棄物を施設資産へと転換する。 170℃の原料ガスは相当量の熱エネルギーを含んでおり、FGDシステムの手前にある上流の熱交換器でこの熱エネルギーが抽出され、温度は119.46℃まで低下します。回収されたエネルギーは有効熱として施設に戻され、エネルギー効率の向上と処理システムの正味エネルギーコストの削減につながります。FGDの下流にある2つ目の熱交換器は、MPAユニットの手前でガス温度を上昇させ、煙の除去性能をさらに最適化します。この2つの熱交換器構成により、このシステムは熱的にも環境的にも最適化されています。

  • コンピュータシミュレーションによる最適化により、低抵抗かつエネルギー効率の高い設計を実現: 高度な計算流体力学シミュレーションを用いて、排煙脱硫吸収塔内のガス速度分布を最適化し、内部抵抗を最小限に抑え、試薬とガスの均一な接触を実現した。このシミュレーション主導の設計アプローチにより、同等の容量を持つ経験的に設計された塔と比較して、消費電力が少なく、試薬利用率が高いシステムを実現し、最悪のSO₂負荷条件下でも基準を満たすことが保証される。

  • 石膏副産物により、廃棄物ゼロの操業が可能に: 排煙脱硫反応による最大生産量2,618 kg/hの石膏は廃棄物ではなく、含水率を15%以下に脱水すれば商業的に利用可能な建築資材となります。このシステムは、真空ベルトフィルターまたは同等の脱水システムを採用することでこの仕様を達成し、石膏の販売や現場での建築資材としての利用を可能にします。これにより、石膏を産業廃棄物として処理する際に発生する固形廃棄物処理費用や規制上の負担が不要になります。

  • 規制対象となる6つのパラメータすべてにおいて、コンプライアンス遵守状況を同時に検証しました。 このシステムは、脱硫効率99.85%(SO₂排出量8 mg/Nm³、基準値18mg/Nm³)、粉塵除去効率98.4%(PM排出量2.4 mg/Nm³、基準値5mg/Nm³)、脱硝効率55%、NOx排出量45 mg/Nm³(基準値100mg/Nm³)、HF排出量1 mg/Nm³(基準値5mg/Nm³)、HCl排出量3.5 mg/Nm³(基準値15mg/Nm³)、および目視可能な白色煙ゼロを達成しました。これら6つのパラメータはすべて、それぞれの基準値を大幅に下回る値となっています。

  • スラリー循環システムのワンボタン再起動機能: この設計では、計画的または緊急停止後のスラリー循環システムの自動再起動機能をボタン1つで実行できるようにしており、従来必要だった複雑な手動バルブ操作を不要にしています。これにより、オペレーターの作業負荷とシステム再起動時の人的ミスリスクが大幅に軽減されます。システム再起動は、高SO₂排煙脱硫(FGD)用途において、法令遵守違反リスクが最も高まる重要な期間です。

06 — 業務実績

検証済みコンプライアンスデータ:6つの汚染物質パラメータすべてが規制値以下

統合システムは、監視対象となるすべてのパラメータにおいて、規制値を大幅に下回るマージンを確保しつつ、すべてのコンプライアンス目標を同時に達成した。

8 / 18
mg/Nm³(実測値/制限値)
SO₂ — 55% 制限値以下
2.4 / 5
mg/Nm³(実測値/制限値)
PM — 52% 制限値以下
45 / 100
mg/Nm³(実測値/制限値)
NOx — 55% 制限値以下
1 / 5
mg/Nm³(実測値/制限値)
HF — 80% 制限値以下
3.5 / 15
mg/Nm³(実測値/制限値)
HCl — 77% 制限値以下

システム全体の最大運転負荷は 1,522.55 kW です。24 時間連続運転の場合、1 日の電気料金は 13,154.832 人民元 (0.36 人民元/kWh) です。年間 8,000 時間の運転の場合、年間の電気料金は約 4,384.944 人民元です。年間の水消費量は約 4.85 t/h です。24 時間で 5 t/h を消費し、水の単価が 2 人民元/t の場合、1 日の水料金は 240 人民元で、年間 80 人民元になります。石灰石の消費量は 1,858.632 kg/h、300 人民元/t の場合、年間の石灰石料金は 445.92 人民元になります。

高性能リチウム電池負極材の黒鉛化を行うアチソン炉施設における、集塵・脱硫・脱硝一体型システムの稼働現場写真。設置完了とクリーンな煙突排出の様子が写っている。


07 — 実施上の注意

黒鉛化炉排煙脱硫装置における重要な工学および運用上の教訓

  • ⚠️
    高SO₂含有石灰石・石膏排煙脱硫装置において、スラリー濃度管理は最も重要な運転パラメータである。 プロジェクトの文書化された運用経験では、次のことが規定されています。(1) 一次スクラバーの石灰石スラリー液面はオーバーフローレベルを超えてはならない。石灰石を添加する際に水を加える場合は、濃度を 15% ~ 20% に制御しなければならない。(2) 一次スクラバーの循環ループの pH が 4.5 を下回った場合は、スラリーを追加して pH を 4.5 ~ 5.5 に維持する。(3) 二次スクラバーの循環ループの pH が 5.5 を下回った場合は、スラリーを追加して二次スクラバーの pH を 5.5 ~ 6.5 に維持する。これらの pH 範囲を維持しないと、黒鉛化炉の排ガスに特徴的な高 SO₂ 濃度で、SO₂ 吸収効率が急速に低下し、数分以内にコンプライアンス超過が発生する。
  • ⚠️
    石膏システムの起動手順は、厳密に守らなければなりません。 (1)石膏掻き取りシステムを起動する際は、まず圧力容器の入口バルブを開け、次に電源を入れてください。(2)石膏掻き取りポンプの起動後、再起動する前に入口バルブのドアが完全に開いていることを確認してください。(3)石膏プレスの排出後、現場で圧力フィルターの出口を清掃してください。この手順から外れると、石膏の背圧が発生し、掻き取りシステムが詰まって生産中に予期せぬメンテナンスが必要になる場合があります。
  • ⚠️
    循環システムの起動には、まず給水バルブ、次に冷却水バルブの順に作動させる必要があります。 (1)循環システムを開始するときは、出口弁と冷却水弁を開始動位置に開きます。(2)1時間ごとに第1段および第2段FGDタワーのpH値を記録し、スラリー液面レベルを観察し、それらが通常の運転範囲内にあることを確認します。(3)スケジュールされた間隔(4時間ごと)で、噴霧ノズルを清掃し、ミストエリミネーターが詰まりなく正常に動作していることを確認します。(4)システム運転中は、酸化ファンを正常に運転し、石膏生成に十分な空気供給を確保します。(5)タンク液面を制御し、液面が高い場合は、排出ポンプ出口弁を開いて排水し、緊急事態への対応を容易にします。
  • ⚠️
    MPAの温度管理は、確実な煙の除去のためには不可欠である。 MPAユニットの入口温度は46~55℃に維持する必要があります(エネルギー変換昇温ユニットで制御)。エネルギー回収および昇温ユニットの出口温度は、目に見える白い煙の発生を防ぐため、80℃以上に制御する必要があります。MPAユニットへのガス入口温度が低すぎると、水蒸気露点マージンが縮小し、汚染物質濃度が基準値内であっても煙突から目に見える白い煙が再び発生します。MPA入口とエネルギー回収ユニット出口の両方の温度監視を、初期警報設定値とともにSCADA警報システムに組み込む必要があります。
  • ⚠️
    MPAの電圧と電流は、定格範囲内に管理されなければならない。 MPA磁気発生器の制御電圧は、約60kVに維持する必要があります。最大電流は1,000mAを超えてはなりません。MPAユニット周辺の温度、湿度、その他の環境要因、および電磁コイル、磁気発生器、電磁部品の動作状態に注意を払う必要があります。電流制限を超えると、磁場コイルの絶縁が劣化し、アーク放電が発生して吸収層が損傷する可能性があります。
  • ⚠️
    二酸化硫黄濃度と温度の変動は、システム不安定化の主なリスク要因である。 プロジェクトのリスク分析では、排ガス温度とSO₂の変動がシステム排出不安定の根本原因であると特定されています。これらの変動は、機器の故障ではなく、アチソン炉の固有の64時間サイクルに起因しています。システムの対応プロトコルでは、次のことが求められます。(1) 排ガス浄化システムと黒鉛化炉運転チームとの密接なコミュニケーションを維持する。変動が観測された場合は、事前に通知し、関連する措置を速やかに講じる。(2) 機器が正常に稼働するように、担当者の巡回点検を強化する。効果的な緊急対応を確保するために、安全対策と緊急時対応計画を継続的に更新する。SO₂の傾向を事前に警告するために、FGD制御システムを炉運転DCSと統合することを強く推奨します。

08 — エンジニアリングの要点

この黒鉛化炉における多汚染物質処理プロジェクトから得られた4つの教訓

  • 1
    平均濃度ではなく、SO₂負荷のピーク値に合わせて設計してください。そうしないと、炉の運転サイクルにおけるピーク時に規制に違反することになります。 アチソン炉の64時間サイクルでは、高温時にSO₂濃度が20,000 mg/Nm³のピークに達します。平均濃度11,302 mg/Nm³を基準に設計されたシステムでは、ピーク時のSO₂濃度に対して性能が不足し、サイクルごとに2~3時間、18 mg/Nm³の制限値を超えるSO₂を排出することになります。適切な設計基準は、ピーク負荷シナリオ(最大排ガス量と最大SO₂濃度が一致するシナリオ)であり、その際の平均性能によって、システムの規制上の余裕を生み出すコンプライアンスマージンが確保されます。
  • 2
    二塔二段式排煙脱硫装置は、10,000 mg/Nm³を超える濃度から99.85%のSO₂を除去するための唯一の実現可能な構造である。 単塔式石灰石・石膏排煙脱硫(FGD)システムは、2,000 mg/Nm³以下のSO₂濃度から90~95%のSO₂を除去するように設計されており、高い信頼性を誇ります。11,302 mg/Nm³から99.85%のSO₂濃度を達成するには、2段階の脱硫処理が必要となり、各段階間でpHモニタリングとスラリー補充が行われます。これは、脱硫処理において、第1段階の飽和スラリーから漏れ出した残留SO₂を捕捉するために、第2段階で新鮮で高pHのスラリー前線が必要となるためです。入口SO₂濃度が5,000 mg/Nm³を超える用途では、2段階設計が標準となります。
  • 3
    炉運転チームと排煙脱硫装置制御室とのリアルタイム通信は、運用上の必須要件であり、単なる礼儀ではない。 本プロジェクトにおけるSO₂変動リスク分析では、運転条件が変化する際には炉チームからの事前通知が必要であることが明確に示されています。この情報伝達がないと、FGDシステムはSO₂濃度の急上昇が吸収塔に流入した後に事後的に反応することになり、基準値超過が発生する前にスラリーのpHや流量を調整する時間が不足します。炉運転員が計画されている炉サイクルの位相変更の30分前にFGD室に通知するというシンプルな手順により、スラリーの事前調整に必要な警告時間を確保できます。
  • 4
    石膏副産物は、廃棄物管理の問題ではなく、収益と持続可能性のための資産である。 最大生産速度2,618 kg/h、石灰石投入コスト300人民元/tのこのシステムは、低コストの鉱物試薬を商業グレードの建築用石膏に変換し、硫酸カルシウムを固体廃棄物として処理する際に伴う廃棄コストと環境責任を排除します。FGDシステムを廃棄物処理ユニットではなく、脱硫を付加価値プロセスとする石膏生産ユニットとして捉えることで、投資評価や継続的な運用上の意思決定のためのより正確な経済モデルが構築されます。

09 — よくある質問

黒鉛化炉排出ガス制御:10の質問への回答

排出ガス制御システムのアップグレードを計画しているリチウム電池負極材の黒鉛化施設において、環境コンプライアンスエンジニア、生産管理者、技術調達チームから寄せられた質問。

Q1. 黒鉛化炉排ガスの脱硫方法として、石灰石-石膏排煙脱硫法が他の方法よりも好まれるのはなぜですか?
石灰石-石膏排煙脱硫(湿式石灰石スクラビング)は、プロジェクト仕様書に明記された 7 つの理由から選定されました。(1) エネルギー消費量が少ない。(2) プロセス技術が安定しており、成熟している。(3) 副産物(石膏)は二次汚染なく適切に処理できる。(4) 合理的なフロー設計により設置面積が小さい。(5) コンピュータシミュレーションによるガス速度の最適化により抵抗が低い。(6) 石灰石吸収材の原料が豊富で入手しやすく、低コストである。(7) 塔内部には向流噴霧装置と霧除去装置が備えられており、塔壁への堆積物を低減する。これらの利点により、石灰石-石膏は、高濃度の SO₂ を含む工業排ガス処理において世界的に主流の技術となっており、特に高濃度黒鉛化用途に適している。
Q2. 2段階FGDアーキテクチャは、11,302 mg/Nm³から99.85%のSO₂除去をどのように達成するのですか?
一次スクラバーは、制御された液気比で新鮮な石灰石スラリーとの向流吸収により、SO₂濃度を11,302 mg/Nm³から約100~200 mg/Nm³まで低減します。この時点で、高SO₂環境下ではスラリーのpHが平衡状態に達し、それ以上の吸収効率が低下するため、単段吸収は限界に達します。二次スクラバーは、新鮮で高pHのスラリーを供給され、一次スクラバー出口からのSO₂濃度を2回目の吸収パスで18 mg/Nm³未満まで低減します。2つの塔の間には、段間オンラインpHモニタリングおよびスラリー補充制御システムがあり、両方の塔のpH値を最適な運転範囲内に継続的かつ自動的に維持します。
Q3. この統合システムの年間運用コストはいくらですか?
年間運営コストは主に次の3つのカテゴリーで構成されます。(1) 電気: 最大システム負荷1,522.55 kW、1日あたりの電気料金13,154.832人民元 (0.36人民元/kWh)、年間電気料金 (8,000時間/年) 約4,384.944人民元。(2) 水: 年間水料金 約80人民元 (4.85 t/h、2人民元/t、24時間/日、年間8,000時間)。(3) 石灰石: 1,858.632 kg/hの消費量と300人民元/tの単価で、年間石灰石料金 約445.92人民元。石膏副産物の販売により、これらのコストの一部が相殺されます。年間総運転費用は、電気代と石灰石試薬費が大部分を占めており、特にこの用途における高濃度の二酸化硫黄(SO₂)入口濃度では、石灰石のコストが大きな割合を占める。
Q4. アチソン炉のサイクル中に発生する極端なSO₂濃度のピークに、システムはどのように対処しますか?
このシステムは、平均濃度ではなく、最大排ガス量と最大SO₂濃度20,000 mg/Nm³が一致するピークSO₂シナリオを想定して設計されています。つまり、吸収塔の容量、スラリー循環速度、および段間pH制御マージンは、最悪の条件下でも基準を満たすように設定されています。平均SO₂濃度(11,302 mg/Nm³)での通常運転時には、システムは十分な予備容量を備えており、より大きな基準マージンとして現れます。段間pH監視システムは、SO₂濃度の変化に応じてスラリー補充速度をリアルタイムで継続的に調整し、64時間の炉サイクル全体を通して、両方の塔のpH値を最適な吸収範囲内に維持します。
Q5. MPAユニットは、排煙脱硫後の黒鉛化炉排ガスに対して特別な構成を必要としますか?
この用途に特有の重要な構成要件は、温度管理プロトコルです。排煙脱硫後のガスは、スクラバーから約40~50℃(水蒸気露点付近)で排出されます。このガスをこの温度で直接MPAユニットに供給すると、吸収層内で目に見える凝縮が発生し、汚染物質が捕捉されても煙突からの排出ガスは目に見える白色のままになります。これを防ぐため、エネルギー変換および温度上昇用熱交換器によって、MPAユニット入口手前でガス温度を80℃以上に上昇させ、水蒸気露点マージンを縮小し、MPA磁場が水エアロゾル分子を目に見える凝縮液滴になる前に捕捉できるようにします。MPAユニット内部では、MPA入口温度を46~55℃に維持する必要があります(80℃の入口からユニット全体での温度降下は、吸収器の形状によって制御されます)。したがって、熱交換器出口とMPA入口の両方での温度監視は、運転監視において不可欠なポイントとなります。
Q6. 石膏副産物はどのような品質基準を満たしていますか?また、どのように処分または販売されますか?
石灰石-石膏排煙脱硫(FGD)プロセスで生成される石膏(最大2,618 kg/h)は、システムの真空ベルトフィルターまたは同等の脱水装置によって、含水率15%未満まで脱水されます。この品質レベルは、適用される建築材料規格に基づき、建築材料(壁板下地材、セメント添加剤、または地盤安定化剤)として再利用するのに適しています。確実な販売先が確定する前に、石膏は黒鉛化炉排ガスの特定の微量金属組成に起因する重金属含有量について特性評価を行う必要があります。微量金属含有量が建築材料規格の制限値内であれば、石膏は商業的価値があります。制限値を超える場合は、認可を受けた業者を通じて産業廃棄物として処分する必要があります。
Q7. SNCR脱硝装置は、上流の炉およびFGDシステムとどのように統合されますか?
SNCR(選択的非触媒還元)脱硝は、アンモニアスリップなしで効果的なNOx分解を行うために、850~1,100℃の特定の温度範囲内で動作します。SNCR試薬(通常は尿素溶液)の注入ポイントは、炉出口とエネルギー回収熱交換器の間の高温ガスダクト内で、ガス温度がSNCRの動作範囲内にあるこの温度範囲内に配置する必要があります。熱交換器の下流(ガス温度が119℃まで低下している場所)への注入は効果がありません。SNCRの推定NOx除去効率は50%で、SCR(80~90%)よりも低いですが、SNCRは触媒床やそれに伴う設備投資および維持費を必要としないため、必要なNOx削減量(入口100mg/Nm³から出口≤100mg/Nm³)に適した技術です。
Q8. 処理システムにはどのような配管漏れリスクが存在し、どのように管理されていますか?
プロジェクトのリスク分析では、運転中の配管漏れが、SO₂と温度変動に次ぐ二次リスクとして特定されています。スラリー再循環配管、凝縮水排出ライン、石膏移送配管はすべて、正圧下で酸性またはアルカリ性のスラリーを輸送し、固体粒子の摩耗による摩耗を受けます。対応プロトコルでは、次のことが求められます。(1) 人員による巡回点検を強化し、黒鉛化炉との密接な連絡を維持する。変動が観測された場合は、事前に通知する。(2) すべての配管およびバルブ接続部のオペレーターによる点検頻度を増やし、フランジ面と伸縮継手のベローズに特に注意を払う。(3) メンテナンス期間中に迅速に交換できるよう、重要な予備配管セクションと伸縮継手の在庫を維持する。すべてのスラリー配管には、酸性および摩耗環境に耐えるため、通常の炭素鋼よりもゴムライニング炭素鋼またはFRPが推奨されます。
Q9. このシステムは、EU指令IED 2010/75/EUおよびオランダの黒鉛化分野に関する活動規則に準拠していますか?
はい。検証済みのコンプライアンスデータにより、規制対象となるすべてのパラメータがEU IED 2010/75/EU / オランダ活動規則の制限値を下回っていることが確認されています。SO₂は8 mg/Nm³(制限値18)、PMは2.4 mg/Nm³(制限値5)、NOxは45 mg/Nm³(制限値100)、COは45 mg/Nm³(制限値100)、HFは1 mg/Nm³(制限値5)、HClは3.5 mg/Nm³(制限値15)です。すべてのパラメータは、それぞれの制限値を十分なコンプライアンスマージンで同時に下回っており、煙突からの排出物は、通常の運転条件下では目に見える白い煙を発生させないことが確認されています。
Q10. 他の黒鉛化施設に、見学用の参考設備はありますか?
はい。本事例研究で説明されている統合型除塵・脱硫・脱硝技術は、本事例研究で紹介されているプロジェクト以外にも、複数の高性能リチウム電池負極材黒鉛化施設で導入されています。適格な見込み顧客様には、検証済みのコンプライアンス監視データや運用実績に関する資料へのアクセスを含め、参考施設の見学を手配いたします。参考施設の見学手配、または同等の黒鉛化施設における独立検証済みの監視報告書のコピーをご希望の場合は、下記の連絡先リンクをご利用ください。

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本事例研究は、高性能リチウムイオン電池負極材の黒鉛化施設における、集塵、脱硫、脱硝を統合した技術の実運用事例に基づいています。技術的パラメータは、検証済みのエンジニアリング記録およびコンプライアンス監視データから抽出されています。個々のプロジェクトの結果は、現場固有のアチソン炉の運転条件、原料の硫黄含有量、および適用される規制管轄区域によって異なる場合があります。