JP2008229496A - 二酸化炭素の分離回収装置及び二酸化炭素の分離回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸収塔における気液接触領域を小さくすることが可能であり、しかも効率的かつ安価に二酸化炭素発生源から二酸化炭素を分離回収する技術を提供する。
【解決手段】二酸化炭素含有ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液３１に吸収させる吸収塔１２と、二酸化炭素含有ガスと吸収液とを効率良く接触させるために吸収塔１２内に設けられた気液接触領域１２ａと、二酸化炭素を吸収した吸収液３１に再生熱を与えて二酸化炭素を放出させる再生塔２２と、二酸化炭素の輸送媒体として吸収塔１２と再生塔２２との間を循環する吸収液３１とを具備してなり、吸収塔１２から流出された吸収液３１の一部を気液接触領域１２ａに戻す循環路１３と、循環路１３の途中に設けられて吸収液３１を冷却する熱交換器１４と、から構成されることを特徴とする二酸化炭素の分離回収装置１を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素の分離回収装置及び二酸化炭素の分離回収方法に関するものであり、特に、化学吸収法を利用した二酸化炭素の分離回収装置及び二酸化炭素の分離回収方法に関するものである。

地球温暖化問題に対して、製造段階や利用段階における省エネルギーの推進、太陽光、風力、バイオマス等新エネルギーの活用、天然ガス等低環境負荷燃料への転換を中心とした対策が強力に推進されている。また、発生した地球温暖化ガス（二酸化炭素）を分離回収して隔離、固定化しようとする研究も鋭意推進されている。例えば、火力発電所の燃焼廃ガスから、化学吸収法を用いて二酸化炭素を分離回収する方法が提案されており（例えば、非特許文献１参照）、これによれば、条件にもよるが二酸化炭素の分離回収率９０％が達成できるとしている。
清原正高、「発電用ボイラー排ガスからのＣＯ２回収試験」、エネルギー・資源、エネルギー・資源学会、１９９３年、第１４巻、第１号、ｐ．９１−９７

ところで、分離回収された二酸化炭素を地中や海洋中に隔離する場合には、経済上のメリットはなく（単純なコスト増）、化学原料などへ有効活用しようとしても、国内マーケットは小さくかつ需要を概ね満たしており、経済面での牽引力が働かないといった構造上の問題がある。従って、地球温暖化防止策を目的とする二酸化炭素の分離回収技術においては、エネルギー効率を高めつつ、コストを低減することが重要課題の一つになっている。

二酸化炭素の分離回収に用いられる化学吸収法は、例えば吸収塔において対象ガスと吸収液とを気液接触させて対象ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収工程と、再生塔において吸収液から二酸化炭素を放出させて高濃度の二酸化炭素を含むガスを回収すると同時に吸収液を再生する再生工程と、から概略構成されている。再生塔には、吸収液を循環させつつ吸収液に対して熱エネルギー（再生熱）を与えるリボイラー等の循環加熱手段が付加されている。また、吸収液には、第１級〜第３級アミン等の水溶液が用いられている。

モノエタノールアミン（Mono ethanol amine（以下、ＭＥＡという））に代表される第１級アミンは、二酸化炭素に対する吸収速度が高い反面、再生熱が大きくなるという特性がある。第１級アミンを含む吸収液を用いる場合には、二酸化炭素に対する吸収速度が高いために、吸収剤と対象ガスとを気液接触させる領域を小さくすることが可能であり、吸収塔を比較的コンパクトなサイズにすることが可能である。しかし、再生熱が大きいことから、二酸化炭素を放出させる際には吸収液に対して多量の熱エネルギーを与える必要がある。

ところで、対象ガス、特に大気圧レベルの対象ガスから二酸化炭素を分離回収しこれを地中や海中に埋設する一連のプロセスにおいて、最もエネルギー消費が大きなプロセスは、対象ガスから二酸化炭素を分離回収するプロセスであり、その中でも特に、吸収液の再生熱に係るエネルギー消費が最大になっている。従って、地球温暖化防止対策を目的して、燃焼排ガス等から二酸化炭素を回収するために、再生熱が大きな第１級アミンを使用することは、エネルギー効率の低下を招くとともに、コスト高になるという問題があった。

また、メチルジエタノールアミン（Methyl diethanol amine（以下、ＭＤＥＡという））に代表される第３級アミンは、二酸化炭素に対する吸収速度が低い反面、再生熱が小さく、吸収液に対して少量の熱エネルギーを与えることで二酸化炭素を容易に放出するという特性を持つ。第３級アミンを含む吸収液を用いた場合には、二酸化炭素に対する低い吸収速度を補うために、対象ガス中の二酸化炭素の分圧を高くするか、または吸収塔を大型化して気液接触の領域を増やす必要がある。吸収塔の大型化は設備コストの増大などの制約が多いことから、従来、第３級アミンは、概ね１０気圧以上の高圧ガス中に含まれる二酸化炭素の分離回収技術にほぼ限定されて用いられていた。具体的には、天然ガス、石油随伴ガスまたは石油精製に伴って副生される水素ガス等における二酸化炭素の分離回収に専ら用いられていた。換言すると、第３級アミンは、燃焼排ガス等の常圧ガスに対する二酸化炭素の回収技術への適用が困難な状況であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、吸収塔における気液接触領域を小さくすることが可能であり、しかも効率的かつ安価に二酸化炭素発生源から二酸化炭素を分離回収する技術を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の二酸化炭素の分離回収装置は、二酸化炭素含有ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記二酸化炭素含有ガスと前記吸収液とを効率良く接触させるために吸収塔内に設けられた気液接触領域と、二酸化炭素を吸収した吸収液に再生熱を与えて二酸化炭素を放出させるとともに吸収液を再生する再生塔と、二酸化炭素の輸送媒体として前記吸収塔と前記再生塔との間を循環する吸収液と、を具備してなる二酸化炭素の分離回収装置において、前記吸収塔から流出された前記二酸化炭素を吸収した吸収液の一部を前記気液接触領域に戻す循環路と、前記循環路の途中に設けられて前記二酸化炭素を吸収した吸収液を冷却する熱交換器と、が備えられていることを特徴とする。
また、本発明の二酸化炭素の分離回収装置においては、前記気液接触領域のうち、前記吸収液が流れる上流領域から中流領域の間のいずれかの位置に、前記循環路の出口が配置されていることが好ましい。
更に、本発明の二酸化炭素の分離回収装置においては、前記吸収液が第３級アミンを主成分とするものであることが好ましい。
更にまた、本発明の二酸化炭素の分離回収装置においては、前記吸収液がメチルジエタノールアミンを主成分とするものであることが好ましい。
また、本発明の二酸化炭素の分離回収装置は、二酸化炭素を分離回収し、回収された二酸化炭素を地中または海中に貯留する地球温暖化対策に使用されることでその特徴が最も活かされやすい。

次に、本発明の二酸化炭素の分離回収方法は、二酸化炭素含有ガスと吸収液とを気液接触領域において気液接触させて前記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収操作と、吸収後の吸収液に再生熱を加えて二酸化炭素を放出させるとともに吸収液を再生する再生操作とを行う化学吸収法による二酸化炭素の分離回収方法において、前記吸収操作において二酸化炭素を吸収させた吸収液の一部を、冷却してから前記気液接触領域に戻す循環操作を行うことを特徴とする。
また、本発明の二酸化炭素の分離回収方法においては、二酸化炭素を吸収した吸収液の一部を前記気液接触領域に戻す際に、前記気液接触領域のうち、前記吸収液が流れる上流領域から中流領域の間のいずれかの位置に、前記吸収液の一部を戻すことが好ましい。
更に、本発明の二酸化炭素の分離回収方法においては、前記吸収液が第３級アミンを主成分とするものであることが好ましい。
更にまた、本発明の二酸化炭素の分離回収方法においては、前記吸収液がメチルジエタノールアミンを主成分とするものであることが好ましい。
また、本発明の二酸化炭素の分離回収方法は、二酸化炭素を分離回収し、回収された二酸化炭素を地中または海中に貯留する地球温暖化対策に使用されることでその特徴が最も活かされやすい。

本発明の二酸化炭素の分離回収装置によれば、吸収塔の気液接触領域に吸収液の一部を戻す循環路と、循環路の途中に設けられた熱交換器とが備えられており、循環路によって気液接触領域に吸収液を戻すことで、吸収液の量を増やしたり吸収設備を大型化したりすることなく、吸収液と二酸化炭素含有ガスとの接触の機会を増やすことが可能になり、これにより二酸化炭素の吸収速度が低い吸収液であっても、二酸化炭素の吸収量を増大させることができる。
また、吸収液は二酸化炭素を吸収する際、発熱反応により吸収液の温度が上がり、それに反して吸収能力は低下してくる。そこで、循環路を流れる吸収液を熱交換器で冷却することで、二酸化炭素に対する吸収能力を高めることができるとともに、充填塔を流れる吸収液を冷却することができ、二酸化炭素に対する吸収能力をより高めることができる。
また、上記の分離回収装置によれば、吸収液の量を増やすことなく液ガス比を高めることで、二酸化炭素含有ガスにおける二酸化炭素の分圧が低くても十分な吸収能力を確保することができ、これにより、燃焼排ガスのような、１０気圧未満の所謂低圧または常圧ガス中の二酸化炭素の分離回収にも適用できる。

また、上記の分離回収装置によれば、気液接触領域の上流領域から中流領域の間のいずれかの位置に循環路の出口が配置され、循環させた吸収液（以下、循環液という）を、気液接触領域の上流領域から中流領域の間の領域に供給することが可能になり、これにより、循環液と二酸化炭素含有ガスとが気液接触する領域を十分に確保することができ、二酸化炭素の吸収量を増大させることができる。
また、上記の分離回収装置によれば、吸収液として、第３級アミンを用い、特にその中でもメチルジエタノールアミンを主成分とするものを用いるので、再生設備において吸収液に再生熱を与えて二酸化炭素を放出させる際に、再生熱の熱量を少なくすることができ、分離回収装置全体の熱効率を高めることができる。
また、上記の分離回収装置によれば、二酸化炭素の吸収速度が低いために燃焼排ガスなどの常圧ガスには適用が難しかった第３級アミンを吸収液として使用可能としたことで、従来の分離回収装置に比べて再生熱量を大幅に低下することが可能になり、これにより二酸化炭素を分離回収し、回収された二酸化炭素を地中または海中に貯留する地球温暖化対策に好適に使用できる（目的が地球温暖化防止対策である場合、特にエネルギー消費量を削減することが重要であるため）。

また、本発明の二酸化炭素の分離回収方法によれば、吸収操作において二酸化炭素を吸収させた吸収液の一部を、気液接触領域に戻す循環操作を行うので、吸収液の量を増やしたり気液接触領域を拡大したりすることなく、吸収液と二酸化炭素含有ガスとの接触の機会を増やすことが可能になり、これにより二酸化炭素の吸収速度が低い吸収液であっても、二酸化炭素の吸収量を増大させることができる。
また、循環させる吸収液を冷却することで、二酸化炭素に対する吸収能力を高めることができるとともに、気液接触領域を流れる吸収液を冷却することができ、二酸化炭素に対する吸収能力をより高めることができる。
また、上記の分離回収方法によれば、吸収液と二酸化炭素含有ガスとの接触の機会を増やして、二酸化炭素含有ガスにおける二酸化炭素の分圧が低くても十分な吸収効率を確保することができ、これにより、燃焼排ガスのような、１０気圧未満の所謂低圧または常圧ガス中の二酸化炭素の分離回収にも適用できる。

また、上記の分離回収方法によれば、気液接触領域の上流領域から中流領域の間のいずれかの位置に吸収液を戻すことで、循環液と二酸化炭素含有ガスとが気液接触する領域を十分に確保することができ、二酸化炭素の吸収量を増大させることができる。
また、上記の分離回収方法によれば、吸収液として、第３級アミンを用い、特にその中でもメチルジエタノールアミンを主成分とするものを用いるので、吸収液に再生熱を与えて二酸化炭素を放出させる際に、再生熱の熱量を少なくすることができ、吸収操作、再生操作及び循環操作を含む全体の熱効率を高めることができる。
また、上記の分離回収方法によれば、二酸化炭素の吸収速度が低いために燃焼排ガスなどの常圧ガスには適用が難しかった第３級アミンを吸収液として使用できるので、従来の分離回収方法に比べて再生熱量を大幅に低下することが可能になり、これにより二酸化炭素を分離回収し、回収された二酸化炭素を地中または海中に貯留する地球温暖化対策に好適に使用できる。

以下、本発明の実施の形態である二酸化炭素の分離回収装置及び二酸化炭素の分離回収方法について図面を参照して説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下に説明する実施形態に制限されるものでないことは言うまでもない。
図１に、本実施形態の二酸化炭素の分離回収装置の全体の模式図を示し、図２には二酸化炭素の分離回収装置の要部の模式図を示す。尚、これらの図は、二酸化炭素の分離回収装置の構成を説明するためのものであり、実際の二酸化炭素の分離回収装置と対比した場合において図示される各部の大きさや厚さや寸法等が異なる場合がある。

［二酸化炭素の分離回収装置］
図１に示す二酸化炭素の分離回収装置１（以下、分離回収装置１という）は、二酸化炭素含有ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液３１に吸収させる吸収設備１１と、二酸化炭素を吸収した吸収液３１に再生熱を与えて二酸化炭素を放出させるとともに吸収液３１を再生する再生設備２１と、二酸化炭素の輸送媒体として吸収設備１１と再生設備２１との間を循環する吸収液３１と、吸収設備１１から再生設備２１に吸収液３１を輸送する送り配管４１と、再生設備２１から吸収設備１１に吸収液３１を輸送する戻り配管４２と、を具備して概略構成されている。
そして、本実施形態の分離回収装置１は、吸収設備１１において二酸化炭素を吸収した吸収液（以下、吸収済み吸収液という）を、送り配管４１によって再生設備２１に輸送し、再生設備２１において吸収済み吸収液に再生熱を加えて吸収済み吸収液から二酸化炭素を分離させると同時に吸収液を再生し、再生済みの吸収液を戻り配管４２によって吸収設備１１に輸送する、という一連の操作を順次または同時に行うことにより、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収するものである。以下、分離回収装置１の各構成要素について順次説明する。

「吸収設備１１」
吸収設備１１は、図１に示すように、気液接触領域１２ａを備えた充填塔１２（以下、吸収塔１２という）と、吸収塔１２から流出された吸収済み吸収液の一部を吸収塔１２の気液接触領域１２ａに戻す循環路１３（以下、循環配管１３という）と、循環配管１３の途中に備えられた熱交換器１４とから概略構成されている。
また、吸収塔１２には、吸収塔１２の下部から二酸化炭素含有ガスを導入する導入管１２ｂと、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させた残りのオフガスを、吸収塔１２の上部から排出する排出管１２ｃとが接続されている。導入管１２ｂの途中には、二酸化炭素含有ガスを吸収塔１２に送入するための送風機１５が備えられている。また、吸収塔１２の上部には、戻り配管４２の終端部４２ａが接続されており、この終端部４２ａから、再生済みの吸収液を気液接触領域１２ａに流下させるように構成されている。このように、吸収塔１２の上部から吸収液３１を導入し、吸収塔１２の下部からは二酸化炭素含有ガスを導入することによって、気液接触領域１２ａにおいて吸収液３１と二酸化炭素含有ガスとを向流接触させるように構成されている。

なお、吸収塔１２の導入管１２ｂには、二酸化炭素含有ガスに窒素酸化物や硫黄酸化物等の化学吸収液劣化要因が高濃度で含有される場合に、これらを除去するための図示略の事前処理設備を設置してもよい。

循環配管１３は、送り配管４１の途中の分岐部４１ａから分岐された配管であって、送り配管４１を流れる吸収済み吸収液の一部を吸収塔１２の気液接触領域１２ａに輸送する配管である。送り配管４１の分岐部４１ａの上流側には図示略の送液ポンプが備えられており、この送液ポンプを駆動することで送り配管４１及び循環配管１３にそれぞれ、吸収済み吸収液を送出できるようになっている。循環配管１３の出口１３ａは、後述するように吸収塔１２の気液接触領域１２ａの上流領域１２Ａから中流領域１２Ｂの間の領域に配置されている。また、循環配管１３の途中には熱交換器１４が備えられており、循環配管１３を流通する吸収済み吸収液の液温を、例えば４０℃程度から３０℃程度に冷却できるように構成されている。

次に、吸収塔１２の内部構造について図２を参照して詳細に説明すると、吸収塔１２には、充填材が集積されてなる４つの充填材層１２ｄと、充填材層１２ｄの間に配置された泡鐘トレー１２ｅとが備えられている。充填材層１２ｄは、吸収塔１２の高さ方向に沿って配列されている。これら充填材層１２ｄと泡鐘トレー１２ｅとによって気液接触領域１２ａが構成されている。充填材層１２ｄを構成する充填材は、規則充填材または不規則充填材のいずれの充填材を用いてもよい。また、充填材層１２ｄの数は、２つ以上であればいくつでもよい。

気液接触領域１２ａは、大きく分けて３つの領域に分けられる。すなわち、気液接触領域１２ａの上側の１／３を占める上流領域１２Ａと、気液接触領域１２ａの中程の１／３を占める中流領域１２Ｂと、気液接触領域１２ａの下側の１／３を占める下流領域１２Ｃである。そして、気液接触領域１２ａの上方には、戻り配管４２の終端部４２ａが配置されており、この終端部４２ａから降り注がれる吸収液が、気液接触領域１２ａの上流領域１２Ａから中流領域１２Ｂを経て下流領域１２Ｃに流れるように構成されている。

また、図２に示すように、循環配管１３の出口１３ａが、気液接触領域１２ａの上流領域１２Ａから中流領域１２Ｂの間の領域に配置されている。図２においては、循環配管１３の出口１３ａが、気液接触領域１２ａのほぼ中央に位置する上から２段目の泡鐘トレー１２ｅ_１に配置されており、この２段目の泡鐘トレー１２ｅ_１に吸収済み吸収液が注ぎ込まれるようになっている。このように、吸収済み吸収液を泡鐘トレー１２ｅ_１に注ぎ込ませることによって、その下段にある充填材層１２ｄに対して吸収済み吸収液が一カ所に偏らず均等に降り注がれる。循環配管１３の出口１３ａは、気液接触領域１２ａの上流領域１２Ａから中流領域１２Ｂの間の領域に配置されることが好ましい。これにより、循環配管１３の出口１３ａを下流領域１２Ｃに配置する場合に比べて、吸収済み吸収液と二酸化炭素含有ガスとの向流接触が広い範囲で行われ、吸収液の吸収効率が高められる。なお、循環配管１３の出口１３ａは、気液接触領域１２ａの最上部１２ｆには配置しないことが好ましい。循環配管１３から供給される吸収済み吸収液は、気液接触領域１２ａの上流領域１２Ａから中流領域１２Ｂの間に供給された場合に、戻り配管４２の終端部４２ａから導入される再生済みの吸収液を冷却する効果があるが、循環配管１３の出口１３ａを気液接触領域１２ａの最上部１２ｆに配置すると、その冷却効果が損なわれるためである。なお、この冷却効果については後ほど詳細に説明する。

「再生設備２１」
再生設備２１は、図１に示すように、再生用の充填塔２２（以下、再生塔２２という）と、再生塔２２から流出された再生済み吸収液の一部を再生塔２２に戻す再生用の循環路２３（以下、再生用循環配管２３という）と、再生用循環配管２３の途中に備えられ、再生済み吸収液を加熱する再生用熱交換器２４と、から概略構成されている。
再生塔２２の上部には、吸収済み吸収液を輸送する送り配管４１の終端部４１ｂが接続されており、この終端部４１ｂから、再生塔２２の内部に吸収済み吸収液を流下させるように構成されている。また、再生塔２２の上部には、吸収済み吸収液に含まれる二酸化炭素が放出された際に発生する高濃度排ガスを排出するための排出管２２ａが接続されている。更に、再生塔２２の下部には、再生済み吸収液を吸収塔１２に輸送する戻り配管４２が接続されている。また、再生塔２２の下部には、再生用熱交換器２４によって加熱された再生済み吸収液を貯留する貯留部２２ｂが設けられている。

再生用循環配管２３は、戻り配管４２の途中の分岐部４２ｂから分岐された配管であって、戻り配管４２を流れる再生済み吸収液の一部を再生塔２２の貯留部２２ｂに戻す配管である。また、再生用循環配管２３の途中には再生用熱交換器２４が備えられている。再生用熱交換器２４には加熱媒体２４ａ（再生熱エネルギー）が導入されており、この加熱媒体２４ａによって、再生用循環配管２３を流通する再生済み吸収液を例えば１２０℃程度に加熱できるように構成されている。

また、送り配管４１と戻り配管４２との交差部には、吸収液用の熱交換器４３が設置されており、戻り配管４２を流れる比較的高温の再生済み吸収液の熱エネルギーを、送り配管４１を流れる比較的低温の吸収済み吸収液に供給できるようになっている。すなわち、吸収液用の熱交換器４３によって、送り配管４１を流れる吸収済み吸収液が再生塔２２に導入される前に予熱され、戻り配管４２を流れる再生済み吸収液が吸収塔１２に導入される前に冷却されるように構成されている。

上記の再生設備２１においては、再生塔２２の上部から予め予熱された吸収済み吸収液を流下させるとともに、再生塔２２の貯留部２２ｂに貯留された１２０℃程度の再生済み吸収液から蒸気を発生させる。そして、発生させた蒸気によって吸収済み吸収液を加熱して（再生熱を与えて）、吸収済み吸収液から二酸化炭素を放出させるとともに吸収済み吸収液を再生する。放出された二酸化炭素は、二酸化炭素濃度が９９．９％以上の高濃度排ガスとなって、再生塔２２の排出管２２ａから排出される。排出された高濃度排ガスは、その後、地中または海中に貯留される。

「吸収液３１」
吸収液３１には、第３級アミンの水溶液を用いることが好ましく、特にその中でもメチルジエタノールアミン（Methyl diethanol amine（以下、ＭＤＥＡという））を主成分とする水溶液を用いることが好ましい。第３級アミンは、二酸化炭素に対する吸収速度が低い反面、再生熱が小さく、吸収液に対して少量の熱エネルギーを与えることで二酸化炭素を容易に放出するという特性を持つ。このため、本実施形態の分離回収装置１においては、吸収塔１２に循環配管１３を取り付けて吸収液を循環させて二酸化炭素含有ガスとの気液接触の機会を増やすことで、第３級アミンの低い吸収速度を補い、吸収液３１の吸収効率を高めるという構成を採用する。これにより、二酸化炭素の分圧が低い低圧ガスまたは常圧ガスにも、第３級アミンを含む吸収液３１の適用が可能になる。

「二酸化炭素含有ガス」
上記の分離回収装置１によって処理される二酸化炭素含有ガスは、ガスの圧力が大気圧前後の常圧ガスであって、ガス温度が２０℃〜５０℃程度のガスが好適に用いられる。このようなガスとしては、例えば、製鉄所で発生する副生ガスや、火力発電所で発生する燃焼排ガスの他、燃焼や化学反応に伴って発生し二酸化炭素を数％以上含むガスなどを例示できる。
製鉄所で発生する副生ガスには例えば、製鉄所の構成によっても異なるが高炉一貫製鉄所を例に取れば、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）が挙げられるほか、ＣＯＧやＬＤＧ等の上記副生ガスを水素製造目的で改質する過程（プロセス）の中で産生されるガス（プロセスガス）も含まれる。これらの副生ガスは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を混合したミックス状態で用いてもよい。また、本実施形態では、上記副生ガスの燃焼排ガスを二酸化炭素含有ガスとして二酸化炭素の分離回収に供してもよい。

また、火力発電所で発生する燃焼排ガスには、天然ガス火力発電所や石炭火力発電所から排出される排ガスが含まれる。天然ガス火力発電所の排ガスには約３〜９％程度の二酸化炭素が含まれ、また、石炭火力発電所の排ガスには、約１２％程度の二酸化炭素が含まれる。火力発電所で発生する燃焼排ガスは、製鉄所で発生する副生ガスに比べて、二酸化炭素の濃度が低いものが多いが、上記の分離回収装置１で処理することにより、このような低濃度のガスであっても効率的に二酸化炭素を分離回収することが可能である。

［二酸化炭素の分離回収方法］
次に、上記の分離回収装置１を用いた二酸化炭素の分離回収方法（以下、分離回収方法という）について説明する。この分離回収方法は、二酸化炭素含有ガス及び吸収液を吸収塔１２の気液接触領域１２ａにおいて気液接触させて二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収操作と、再生塔２２において吸収済み吸収液に再生熱を加えて二酸化炭素を放出させるとともに吸収液を再生する再生操作とを順次または同時に行うとともに、吸収操作において吸収済み吸収液の一部を上記の熱交換器１４によって冷却してから循環配管１３を通じて気液接触領域１２ａに戻す循環操作を行うというものである。

吸収操作においては、二酸化炭素含有ガスを吸収塔１２の下部から導入し、吸収液を吸収塔１２の上部から導入して、気液接触領域１２ａにおいて気液接触させる。二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素が吸収液に吸収される反応は発熱反応であるため、二酸化炭素の吸収に伴って吸収液の液温が上昇する。また、二酸化炭素含有ガスの温度が例えば５０℃程度の比較的高温である場合には、その熱によって吸収液の液温が更に上昇する。仮に循環操作を行わないとすると、戻り配管４２の終端部４２ａから気液接触領域１２ａに流下される吸収液の液温が例えば３０℃程度の場合に、気液接触領域１２ａの中流領域１２Ｂでは液温が例えば３５℃程度になり、気液接触領域１２ａの下流領域１２Ｃでは液温が例えば４０℃程度になる。吸収液の液温の上昇に伴って、吸収液による二酸化炭素の吸収効率が低下する。

循環操作においては、気液接触領域１２ａを通過して吸収塔１２の下部から流出する吸収済み吸収液の一部を、循環配管１３によって気液接触領域１２ａに戻す。吸収済み吸収液の一部を気液接触領域１２ａに繰り返し循環して流すことにより、吸収液と二酸化炭素含有ガスとの接触の機会が増やされて、吸収液に二酸化炭素がより多く吸収される。循環配管１３から供給される吸収済み吸収液と、戻り配管４２の終端部４２ａから導入される再生済みの吸収液との流量比（吸収済み吸収液：再生済みの吸収液）は任意に設定できる。

また、循環操作においては、循環配管１３を流れる吸収済み吸収液の液温を、熱交換器１４によって例えば３０℃程度まで冷却する。吸収済み吸収液は、二酸化炭素の吸収反応（発熱反応）や二酸化炭素含有ガスとの熱交換によって、例えば４０℃程度に上昇しているが、熱交換器１４に通すことによって液温を下げられる。吸収済み吸収液の液温を低下させることで、吸収液自体の二酸化炭素の吸収速度が高められる。また、冷却された吸収済み吸収液を、気液接触領域１２ａの例えば中流領域１２Ｂに戻すことにより、吸収塔１２の上部から流下されて中流領域１２Ｂを流れる吸収液の液温を下げることができる。これにより、気液接触領域１２ａを流れる吸収液全体の温度を低下させることができ、二酸化炭素の吸収効率が更に高められる。
そして、吸収操作及び循環操作を経て二酸化炭素を吸収させた吸収済み吸収液を、送り配管４１によって再生塔２２に輸送する。

次に、再生操作においては、送り配管４１によって輸送されてきた吸収済み吸収液を、再生塔２２の上部から再生塔２２内部に流下する。なお、吸収済み吸収液には、送り配管４１の途中に備えられた吸収液用の熱交換器４３によって、戻り配管４２を流れる再生済み吸収液との間で熱交換がなされる。これにより吸収済み吸収液を予熱し、再生塔２２の上部から流下される際の吸収済み吸収液の液温を数十℃程度まで高め、二酸化炭素を放出しやすい状態にする。そして、吸収済み吸収液を再生塔２２の内部に流下する際に、再生塔２２の貯留部２２ｂにある再生済み吸収液からの水蒸気によって吸収済み吸収液を加熱させ、吸収済み吸収液から二酸化炭素が放出させる。放出された二酸化炭素は、二酸化炭素濃度が９９％以上の高濃度排ガスとなって、再生塔２２の排出管２２ａから排出される。
二酸化炭素を放出した再生済みの吸収液は、再生塔２２の貯留部２２ｂに一時的に貯留される。その後、この再生済みの吸収液の一部は、再生用循環配管２３及び再生用熱交換器２４によって１２０℃程度に加熱されて再び貯留部２２ｂに戻される。また、再生済みの吸収液の残部は、戻り配管４２によって吸収塔１２に戻す。その途中で吸収液用の熱交換器４３において、再生済み吸収液と吸収済み吸収液との間で熱交換が行われ、再生済み吸収液が二酸化炭素の吸収に適した温度にまで冷却される。

以上の操作を順次または同時に繰り返し行うことにより、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を高い効率で分離回収することが可能になる。分離回収された二酸化炭素は、高濃度排ガスとして排出され、その後、地中または海中に貯留される。

以上説明したように、上記の二酸化炭素の分離回収装置１によれば、循環配管１３によって吸収塔１２の気液接触領域１２ａに吸収済み吸収液を戻すように構成されているので、吸収液の量を増やしたり吸収塔を大型化したりすることなく、吸収液と二酸化炭素含有ガスとの接触の機会を増やすことが可能になり、これにより二酸化炭素の吸収速度が低い吸収液であっても、二酸化炭素の吸収量を増大させることができる。
また、吸収液は二酸化炭素を吸収する際、発熱反応により吸収液の温度が上がり、それに反して吸収能力は低下してくる。そこで、循環配管１３を流れる吸収済み吸収液を熱交換器１４で冷却することで、吸収液自体の二酸化炭素の吸収能力が高められ、更に冷却済みの吸収液を吸収塔１２に戻すことで吸収塔１２を流れる吸収液を冷却可能になる。これにより、吸収液の二酸化炭素に対する吸収能力をより高めることができる。
更に、上記の分離回収装置１によれば、吸収液の量を増やすことなく液ガス比を高めることで、二酸化炭素含有ガスにおける二酸化炭素の分圧が低くても十分な吸収能力を確保することができ、これにより、燃焼排ガスのような、１０気圧未満の所謂低圧または常圧ガス中の二酸化炭素の分離回収にも適用できる。

また、上記の分離回収装置１によれば、気液接触領域１２ａの上流領域１２Ａから中流領域１２Ｂの間のいずれかの位置に循環配管１３の出口１３ａが配置されるので、吸収済み吸収液を、上流領域１２Ａから中流領域１２Ｂの間の領域に供給することが可能になり、これにより、吸収済み吸収液と二酸化炭素含有ガスとが気液接触する領域を十分に確保することができ、二酸化炭素の吸収量を増大させることができる。
更に、上記の分離回収装置１によれば、吸収液として、第３級アミンを用い、特にその中でもメチルジエタノールアミンを主成分とするものを用いるので、再生設備２１において吸収液に再生熱を与えて二酸化炭素を放出させる際に、再生熱の熱量を少なくすることができ、分離回収装置１全体の熱効率を高めることができる。
更にまた、上記の分離回収装置１によれば、二酸化炭素の吸収能力が低いために燃焼排ガスなどの常圧ガスには適用が難しかった第３級アミンを吸収液として使用可能としたことで、従来の分離回収装置に比べて再生熱量を大幅に低下することが可能になり、これにより二酸化炭素を分離回収し、回収された二酸化炭素を地中または海中に貯留する地球温暖化対策に好適に使用できる。このことは、目的が地球温暖化防止対策である場合、特にエネルギー消費量を削減することが重要という観点からも有効である。

また、上記の分離回収方法によれば、吸収操作において二酸化炭素を吸収させた吸収液の一部を、気液接触領域１２ａに戻す循環操作を行うので、吸収液の量を増やしたり気液接触領域を拡大したりすることなく、吸収液と二酸化炭素含有ガスとの接触の機会を増やすことが可能になり、これにより二酸化炭素の吸収速度が低い吸収液であっても、二酸化炭素の吸収量を増大させることができる。
また、循環させる吸収済み吸収液を冷却することで、二酸化炭素に対する吸収能力を高めることができるとともに、気液接触領域１２ａを流れる吸収液を冷却することができ、二酸化炭素に対する吸収能力をより高めることができる。
また、上記の分離回収方法によれば、吸収液と二酸化炭素含有ガスとの接触の機会を増やして、二酸化炭素含有ガスにおける二酸化炭素の分圧が低くても十分な吸収効率を確保することができ、これにより、燃焼排ガスのような、１０気圧未満の所謂低圧または常圧ガス中の二酸化炭素の分離回収にも適用できる。
また、上記の分離回収方法によれば、気液接触領域１２ａの上流領域１２Ａから中流領域１２Ｂの間のいずれかの位置に吸収済み吸収液を戻すことで、吸収液と二酸化炭素含有ガスとが気液接触する領域を十分に確保することができ、二酸化炭素の吸収量を増大させることができる。

また、上記の分離回収方法によれば、吸収液として、第３級アミンを用い、特にその中でもメチルジエタノールアミンを主成分とするものを用いるので、吸収液に再生熱を与えて二酸化炭素を放出させる際に、再生熱の熱量を少なくすることができ、吸収操作、再生操作及び循環操作を含む全体の熱効率を高めることができる。
また、上記の分離回収方法によれば、二酸化炭素の吸収能力が低いために燃焼排ガスなどの低圧ガスまたは常圧ガスには適用が難しかった第３級アミンが吸収液として使用できるので、従来の分離回収方法に比べて再生熱量を大幅に低下することが可能になり、これにより二酸化炭素を分離回収し、回収された二酸化炭素を地中または海中に貯留する地球温暖化対策に好適に使用できる。このことは、目的が地球温暖化防止対策である場合、特にエネルギー消費量を削減することが重要という観点からも有効である。

上記の効果について、より具体的に説明する。例えば、図１または図２において、循環配管１３から吸収塔１２に供給される吸収済み吸収液と、戻り配管４２から吸収塔１２に導入される再生済みの吸収液との流量比（吸収済み吸収液：再生済みの吸収液）を、吸収済み吸収液：再生済みの吸収液＝１：２．５に設定するとともに、吸収液としてＭＤＥＡを含む水溶液を用いて、分離回収装置１を稼働する。この場合、吸収操作におけるＭＤＥＡの単位量に対する二酸化炭素の吸収量は、０．４０２モル／モルとなる。一方、循環配管１３による循環及び熱交換器１４による冷却を行わない場合には、ＭＤＥＡの単位量に対する二酸化炭素の吸収量は、０．３０１モル／モルとなる。このように、循環配管１３及び熱交換器１４によって吸収液を循環すると同時に冷却することで、ＭＤＥＡの単位量に対する二酸化炭素の吸収量が、大幅に増加することが明らかである。

また、吸収済み吸収液：再生済みの吸収液＝１：２．５に設定するとともに、吸収液としてＭＤＥＡを含む水溶液を用いて分離回収装置１を稼働した場合に、再生操作において吸収液を加熱して蒸気を発生させるために必要な熱エネルギーは、１．２３（ｋｇ−ｓｔｅａｍ／ｋｇ−ＣＯ_２）となる。一方、循環配管１３による循環及び熱交換器１４による冷却を行わない場合の、必要な熱エネルギーは、１．５０（ｋｇ−ｓｔｅａｍ／ｋｇ−ＣＯ_２）となる。また、吸収液としてＭＥＡの水溶液を用い、かつ循環配管１３による循環及び熱交換器１４による冷却を行わない場合の、必要な熱エネルギーは、２．０（ｋｇ−ｓｔｅａｍ／ｋｇ−ＣＯ_２）となる。
このように、吸収液としてＭＤＥＡに代表される第３級アミンを使用するとともに、循環配管１３及び熱交換器１４によって吸収液を循環すると同時に冷却することで、熱エネルギーを大幅に低下できることが明らかである。

上記の分離回収装置１及び分離回収方法は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離回収しこれを地中や海中に埋設するという地球温暖化防止対策の一連のプロセスにおいて、最もエネルギー消費が大きなプロセスに相当するものである。そして、上記の分離回収装置１及び分離回収方法によれば、吸収液の再生熱に係るエネルギー消費を低く抑えることができるので、地球温暖化防止対策を目的とする二酸化炭素の分離回収プロセス全体の熱エネルギー消費を最小限に抑制することができ、エネルギー効率を高めるとともに、コストを低下させることができる。

図１は本発明の実施形態である二酸化炭素の分離回収装置を示す模式図である。 図２は、本発明の実施形態である二酸化炭素の分離回収装置の要部を示す拡大模式図である。

符号の説明

１…分離回収装置（二酸化炭素の分離回収装置）、１２…吸収塔、１２ａ…気液接触領域、１２Ａ…気液接触領域の上流領域、１２Ｂ…気液接触領域の中流領域、１３…循環配管（循環路）、１３ａ…循環配管の出口（循環路の出口）、１４…熱交換器、２２…再生塔、３１…吸収液

Claims (10)

1. 二酸化炭素含有ガス中に含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、
   前記二酸化炭素含有ガスと前記吸収液とを効率良く接触させるために吸収塔内に設けられた気液接触領域と、
   二酸化炭素を吸収した吸収液に再生熱を与えて二酸化炭素を放出させるとともに吸収液を再生する再生塔と、
   二酸化炭素の輸送媒体として前記吸収塔と前記再生塔との間を循環する吸収液と、を具備してなる二酸化炭素の分離回収装置において、
   前記吸収塔から流出された前記二酸化炭素を吸収した吸収液の一部を前記気液接触領域に戻す循環路と、前記循環路の途中に設けられて前記二酸化炭素を吸収した吸収液を冷却する熱交換器と、が備えられていることを特徴とする二酸化炭素の分離回収装置。
2. 前記気液接触領域のうち、前記吸収液が流れる上流領域から中流領域の間のいずれかの位置に、前記循環路の出口が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素の分離回収装置。
3. 前記吸収液が第３級アミンを主成分とするものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素の分離回収装置。
4. 前記吸収液がメチルジエタノールアミンを主成分とするものであることを特徴とする請求項３に記載の二酸化炭素の分離回収装置。
5. 二酸化炭素を分離回収し、回収された二酸化炭素を地中または海中に貯留する地球温暖化対策に使用されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の二酸化炭素の分離回収装置。
6. 二酸化炭素含有ガスと吸収液とを気液接触領域において気液接触させて前記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収操作と、吸収後の吸収液に再生熱を加えて二酸化炭素を放出させるとともに吸収液を再生する再生操作とを行う化学吸収法による二酸化炭素の分離回収方法において、
   前記吸収操作において二酸化炭素を吸収させた吸収液の一部を、冷却してから前記気液接触領域に戻す循環操作を行うことを特徴とする二酸化炭素の分離回収方法。
7. 二酸化炭素を吸収した吸収液の一部を前記気液接触領域に戻す際に、前記気液接触領域のうち、前記吸収液が流れる上流領域から中流領域の間のいずれかの位置に、前記吸収液の一部を戻すことを特徴とする請求項６に記載の二酸化炭素の分離回収方法。
8. 前記吸収液が第３級アミンを主成分とするものであることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の二酸化炭素の分離回収方法。
9. 前記吸収液がメチルジエタノールアミンを主成分とするものであることを特徴とする請求項８に記載の二酸化炭素の分離回収方法。
10. 二酸化炭素を分離回収し、回収された二酸化炭素を地中または海中に貯留する地球温暖化対策に使用されることを特徴とする請求項６乃至請求項９の何れかに記載の二酸化炭素の分離回収方法。

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