JP2008296216A - アンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置及びその方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】二酸化炭素が含有された排ガスから、アンモニア水でなる吸収液を利用して、二酸化炭素を吸収及び回収するための二酸化炭素回収装置であって、排ガスから二酸化炭素を吸収するときに発生する吸収熱を放出するために高温の吸収液を回収し、これを予め設定された温度に冷却して再供給する循環クーラーが連結設置された吸収塔を含む。
【選択図】図1
Description
この中で、吸収法は吸収液を使用して排ガスに含有された二酸化炭素を吸収及び回収する方法で、通常アミン系化合物でなる吸収液を使用している。しかし、アミン系化合物を吸収液として使用するときには、アミン系化合物が高価であるため、処理費用が増加し、アミン系化合物によって、排ガスから二酸化炭素を吸収及び分離する機械装置が腐食して、多少の維持補修が必要であるという問題点があった。
このような理由で、最近には、排ガスから二酸化炭素を吸収及び回収するための吸収液として、アンモニア水が注目を引いている。これは、アンモニア水の費用が相対的に低くて、アミン系化合物に比べ、排ガスから二酸化炭素を吸収及び分離するための機械装置の腐食問題を減少させるからである。よって、アンモニア水を吸収液として使用すれば、全体的な装置の規模を減少させ、エネルギー使用量を減少させることができるなどの利点がある。
一方、特許文献1には、5重量%〜15重量%のアンモニア水溶液を20℃〜40℃で第1吸収塔の上部に供給し、第1吸収塔の下部に二酸化炭素が含有された混合ガスを導入して、混合ガスに含有された二酸化炭素をアンモニア水に吸収させ、二酸化炭素が吸収された二酸化炭素含有アンモニア水を脱去塔に送り、70〜88℃に加熱して二酸化炭素を脱去させ、二酸化炭素の脱去されたアンモニア水を熱交換器で冷却させ、さらに第1吸収塔に再循環させながら、脱去された二酸化炭素を第3吸収塔に送り、二酸化炭素に含有されたアンモニアを水で除去することにより、二酸化炭素を吸収する工程が開示されている。
そして、吸収塔と再生塔のアンモニアガスを回収するために使用される水には多量のアンモニアが含有される。このアンモニアは濃縮塔でさらに濃縮されるが、濃縮されたアンモニアが再生塔の下部に注入されるため、再生塔でアンモニア濃度を均一に維持しにくい問題点があった。また、再生塔の上部にアンモニアを含む水が流入するので、再生塔で再沸(reboiling)を行う場合、多くのエネルギーが供給されなければならない問題点があった。
また、前述した従来の方法は、アンモニアが二酸化炭素を吸収するという事実を利用して、アンモニアの二酸化炭素吸収量及び反応速度に関する基礎研究などを主に提示したもので、実験室的に実行可能なものであり、アンモニア濃度が5%〜21%まで非常に高いアンモニア水を使用しているという共通点を有する。
さらに、前述したように、アンモニア水を利用して二酸化炭素を吸収する過程でその吸収熱によって吸収塔の内部温度が上昇することになり、このような温度上昇はアンモニアの揮発現象をさらに加速化させて高濃度のアンモニア水を用いる効果をもっと低下させる。
また、本発明は、吸収塔と再生塔の上部にそれぞれ洗浄部と掃除部を一体的に備えて、排ガス中に含有されたアンモニアを回収することにより、アンモニア塩によってガス配管が詰まる現象を基本的に防止する、アンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置及び方法を提供することにさらに他の目的がある。
本発明は、二酸化炭素が含有された排ガスから、アンモニア水でなる吸収液を利用して、二酸化炭素を吸収及び回収するための二酸化炭素回収装置であって、排ガスから二酸化炭素を吸収するときに発生する吸収熱を放出するために、高温の吸収液を回収し、これを予め設定された温度に冷却して再供給する循環クーラーが連結設置された吸収塔を含む。
また、本発明は、二酸化炭素が含有された排ガスから、アンモニア水でなる吸収液を利用して、二酸化炭素を吸収及び回収するための二酸化炭素回収装置であって、吸収液によって二酸化炭素が除去された排ガスに含有されているアンモニアを洗浄して回収する洗浄部が一体的に備えられた吸収塔を含む。
図1は本発明によるアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置を概略的に示す構成図である。
図1に示すように、本発明の回収装置は、大別して、吸収塔10、再生塔30及び濃縮塔50で構成される。
前記吸収塔10は、外部から供給される排ガスが流入及び排出され、前記排ガスが通過するための第1吸収部11と第2吸収部12が上方向に向かって順次に備えられる。
前記吸収塔10の下部所定位置には、外部から供給される排ガスが流入するためのガス流入管71が備えられる。前記第1吸収部11と第2吸収部12を下側から上方に通過する排ガスに、後述する再生吸収液流入管75を介して流入して前記第1吸収部11と第2吸収部12の上側から下方に通過する吸収液が接触し、これにより、排ガスに含まれる二酸化炭素が吸収液に吸収されて除去される。
この際、前記吸収塔10に流入する吸収液はアンモニア水でなり、前記吸収塔10に流入する吸収液の温度は20℃〜40℃であることが好ましい。本発明の一実施例においては、前記吸収塔10の内部に第1吸収部11と第2吸収部12が順次に積層されているが、前記吸収塔10の内部に備えられる吸収部の数は三つ以上の多段に可変的に構成されることもできる。
前記吸収塔10の内部には、多数のトレーが一定間隔を置いて多段に設置されることができ、このようなトレーの代わりに充填物を充填する構成を採択しても良い。前記トレーとしては、篩(Sieve)またはスクリーン(Screen)などの通常に知られた構造のものが使用され、また前記充填物も通常に知られたものが使用できる。
前述したように、吸収塔10の上部で再生吸収液流入管75を介して流入した吸収液は前記トレーを通過しながら吸収塔10の下方に移動される。吸収塔10の下部でガス流入管71を介して流入した二酸化炭素を含む排ガスは、前記トレーを通過しながら吸収塔10の上部に移動される。
この際、アンモニア水が二酸化炭素と反応しながら熱を発生する。この吸収熱は、アンモニアの揮発性を増加させて二酸化炭素の吸収効率を低下させるという点は前述したようである。
これを解決するために、前記吸収塔10の所定位置、好ましくは吸収塔10内で最高温度の位置で高温の吸収液を外部に排出することができるように、冷却用吸収液吐出管76が連結設置され、この吐出管76を介して吸収塔10の外部に排出された吸収液は循環クーラー15によって冷却される。そして、前記循環クーラー15によって冷却された吸収液は前記吸収塔10の所定位置、好ましくは前記冷却用吸収液吐出管76が設置された部位より高い位置に設置された冷却吸収液流入管77を介して前記吸収塔10の内部に再供給される。
本発明による循環クーラー15の技術的効果を調べるために、次のように比較実験を行った。
まず、比較例を実行するための吸収塔の大きさは、直径50mm、高さ1500mmにし、吸収塔の内部充填材は6mmのraschig ringを利用した。そして、吸収塔は150mmを1段に区分して総10段に構成した。
試験条件において、二酸化炭素25容積%、窒素75容積%のモデルガスを利用し、吸収塔に供給されるモデルガスの流量は30000cc/minにした。また、吸収液は4重量%の濃度を有するアンモニア水を利用し、吸収液の供給流量は300cc/minにした。
このような条件で試験を行ったとき、二酸化炭素の吸収効率は70%であり、吸収塔内の温度分布は図3のようであった。
つぎに、図2に示す吸収塔を利用する本発明の方法によって二酸化炭素吸収実験を行い、これを実施例1〜実施例3にした。
実施例1の結果、吸収塔の内部温度の分布は図4のようであり、二酸化炭素の吸収効率は88%であった。
実施例2の結果、吸収塔の内部温度の分布は図5のようであり、二酸化炭素の吸収効率は91%であった。
実施例3の結果、吸収塔の内部温度の分布は図6のようであり、二酸化炭素の吸収効率は91%であった。
前述した実施例1〜3から分かるように、循環クーラーによって高温の吸収液の一部を回収して冷却させた後、さらに吸収塔の内部に供給することで、二酸化炭素の吸収効率が比較例に比べて著しく向上した。
また、本発明による循環クーラーを使用すれば、二酸化炭素の吸収効率が大きく向上するので、吸収液として4重量%以下の低濃度を有するアンモニア水を使用しても、従来の高濃度のアンモニア水を使用することと同等な効果を得ることができる。より好ましくは、吸収液としては、1重量%〜4重量%の濃度を有するアンモニア水を使用する。ここで、アンモニア水の濃度が1重量%未満の場合、十分量の二酸化炭素を吸収することができないので好ましくなく、4重量%を超過する場合は、揮発するアンモニアの量が増加するので好ましくない。
また、吸収塔から回収された吸収液は20℃〜30℃に冷却することが好ましい。あまり低い温度に冷却すれば、循環クーラーの容量を大きくしなければならないので好ましくなく、あまり高い温度に冷却すれば、冷却された吸収液が吸収塔の内部に再供給されたとき、吸収塔の内部温度が所望の程度に低下しないため、二酸化炭素の吸収効率を向上させるのに大きな役に立たない。
この放熱部14は、吸収塔内で発生する吸収熱を放出することができ、前述した循環クーラー15とともに吸収液の温度を所定温度に低下させることにより、二酸化炭素の吸収効率を向上させることができる。
本発明によれば、吸収熱を放出するために、前記放熱部14を備えないで、前記循環クーラー15のみを稼動して使用することもでき、冷却効果を高めるために、前記放熱部14の上下部に冷却吸収液流入管77と冷却用吸収液吐出管76を介して連結される吸収塔循環クーラー15を同時に備えて使用することもできる。
より詳細に説明すれば、前記第2吸収部12の上側に、それぞれの吸収部11、12を通過してから流入する排ガスを洗浄する洗浄部13が備えられる。すなわち、前記第2吸収部12の上部に、前記第1及び第2吸収部11、12を通過した後、二酸化炭素が除去された排ガス内に多量含有されているアンモニアを除去及び回収するための洗浄部13が備えられるものである。
洗浄液によって、排ガスに含有されたアンモニアまで除去された後、洗浄された排ガスは、前記洗浄部13の上部面に備えられた洗浄空気排出管79を介して外部に排出される。
前記洗浄部13の下部には、吸収液と接触することで排ガスに含有されたアンモニアを除去及び吸収した洗浄液を吐出するための洗浄液吐出管80が備えられ、この洗浄液吐出管80は前記濃縮塔50に連結される。この洗浄液吐出管80を介して濃縮塔50に流入した洗浄液は、これに含有されたアンモニアが除去された後に再使用できる。
一方、前記吸収塔10と再生塔30との間には、吸収液熱交換器16と再生吸収液クーラー17が備えられる。前記吸収液熱交換器16は、前記吸収塔10の下面に吸収液吐出管82を介して連結され、前記再生塔30の下面に再生吸収液吐出管72を介して連結され、前記再生塔30に吸収液流入管83を介して連結される。
前記吸収液熱交換器16と再生吸収液クーラー17は第1熱交換再生吸収液管73で相互に連結され、前記再生吸収液クーラー17は、前記吸収塔10の洗浄部13の下部に冷却再生吸収液管74と再生吸収液流入管75を介して連結される。
前記再生塔30は、前記吸収塔10で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を除去し、これを再使用するためのもので、脱去部31と浄化部32と精製部33とを含む。
前記脱去部31は、前記吸収塔10を介して供給される二酸化炭素が吸収された吸収液から二酸化炭素を脱去する。すなわち、前記脱去部31は、その上部が前記吸収液熱交換器16に吸収液流入管83を介して連結され、前記吸収塔10から供給される二酸化炭素を吸収した吸収液が流入し、前記吸収液流入管83を介して流入した吸収液から二酸化炭素を脱去する。
吸収液から脱去された二酸化炭素からアンモニアを回収するために、前記浄化部32には浄化液が使用され、この浄化液を浄化部32に供給するために、前記浄化部32の上部一側に洗浄液流入管84が備えられる。前記浄化部32の上端には、アンモニアが回収された二酸化炭素(CO2)を吐出するための二酸化炭素吐出管85が備えられる。
このように構成された前記浄化部32によれば、二酸化炭素内に含有されたアンモニアがすっかり除去されるので、前記二酸化炭素排出管85にアンモニア塩が生成して配管が詰まることを予め防止することができる。
前記浄化部32の下部には、再生塔30の中央部位でアンモニア塩の生成を防止し、循環アンモニア水の濃度を維持するための再生用浄化液流入管87が備えられる。
一方、前記脱去部31と浄化部32との間には、脱去部31で発生したガスからアンモニアを回収し、二酸化炭素の純度を高めるための精製部33が介設される。
そして、前記浄化部32と精製部33との間には、再生塔30の内部で発生する多量の飽和水蒸気及びこれに含有されたアンモニアを回収するための再生塔凝縮部35が備えられる。この再生塔凝縮部35は、パッキングまたはトレーで構成され、飽和水蒸気などを凝縮することにより、アンモニアを回収するようにする。
このために、前記濃縮塔50は、下部一側の濃縮塔再沸器51と上部一側の濃縮塔凝縮器52と濃縮塔凝縮液ドラム60とが備えられる。
一方、前記濃縮塔50の一側に低濃度アンモニア流入管88が備えられ、前記廃水排出管89、洗浄空気排出管79、及び二酸化炭素排出管85に消失したアンモニア水を低濃度アンモニア流入管88を介して濃縮塔50に補充する。
前記濃縮塔凝縮液ドラム60は前記濃縮塔50で濃縮されたアンモニアを再使用するためのもので、前記濃縮塔50に供給される洗浄液及び浄化液から回収された後、濃縮塔凝縮器52で凝縮したアンモニアを吸収塔10に供給して吸収液の補充液として使用するようにする。
このために、前記濃縮塔凝縮液ドラム60の一側には、補充高濃度アンモニア水管93が連結され、前記補充高濃度アンモニア水管93を介して前記吸収液の補充液が吸収塔10に供給される。
まず、前記吸収塔10に連結されたガス流入管71を介して、二酸化炭素を含む排ガスが流入し、流入した排ガスは第1吸収部11と第2吸収部12を通過して上方に移動するとともに、前記再生吸収液流入管75を介して下方に流入する吸収液に接触し、この過程で、排ガスに含有された二酸化炭素が吸収液に吸収され、前記吸収液は吸収塔10の下部に集まることになる。
吸収液が排ガスに含有された二酸化炭素と接触して吸収する過程で発生する吸収熱は、放熱部14及びこれに連結された循環クーラー15によって放出される。このように、前記放熱部14と循環クーラー15によって、吸収塔10の内部温度が上昇することを防止することができ、これにより、二酸化炭素の吸収効率が向上する。
このように、前記再生塔30に供給された吸収液に含まれている二酸化炭素が脱去部31によって脱去され、二酸化炭素が含有された吸収液は再生塔再沸器34によって循環しながら二酸化炭素がすっかり脱去される。一方、吸収液から脱去された二酸化炭素中に含有されたアンモニアは浄化部32の浄化液に接触して回収される。
そして、前記再生塔30の内部で発生する多量の飽和水蒸気は再生塔凝縮部によって凝縮し、これに含有されたアンモニアが回収される。
前記浄化部32の浄化液によってアンモニアが吸収された二酸化炭素は外部に排出されて回収され、前記吸収塔10の洗浄液吐出管80と前記再生塔30の浄化液吐出管86を介して濃縮塔50に供給される洗浄液と浄化液は濃縮塔50によってアンモニアが回収された後、全部または一部が洗浄液または浄化液として再使用される。
一方、前記洗浄液と浄化液から回収されたアンモニアは高濃度アンモニア蒸気吐出管90を介して濃縮塔凝縮液ドラム60に供給され、回収されたアンモニアは濃縮塔凝縮器52によって凝縮し、凝縮したアンモニアは吸収塔に供給される。
以下、実施例に基づいて本発明の回収装置及び方法をより詳細に説明する。以下に記述する実施例は本発明を具体的に説明するためのもので、これにより本発明の権利範囲が制限されるものではないことは明らかであろう。
吸収塔10及び再生塔30において、洗浄部13と浄化部32を作動させなかったときの排ガス中のアンモニアの濃度は0.6重量%〜1.6重量%の範囲と濃度が高かったが、水でなる少量の洗浄液と浄化液を洗浄部13及び浄化部32に供給した結果、2ppm〜10ppmにアンモニアの濃度が大幅に減少した。
また、吸収塔10での二酸化炭素除去効率は80%〜95%であって、供給される排ガスの量と吸収液の量に応じて除去効率が異に現れ、再生塔30からの二酸化炭素排出管85での二酸化炭素濃度は94〜99%と現れた。
一方、吸収塔10に循環クーラー15を使用した場合、循環クーラー15を使用しなかった場合より吸収率が10%以上増加し、再生塔30に再生塔凝縮部35を使用した場合、再生塔凝縮器35を使用しなかった場合よりアンモニア排出濃度が著しく低下することが分かる。
また、再生塔30の温度条件によって、精製部33を脱去部31とともに脱去の目的だけで使用してもかまわなかった。すなわち、吸収液流入管83を精製部33の上部に連結してもかまわない。
また、濃縮塔50から発生して廃水排出管89に排出される廃水中のアンモニア濃度を測定した結果、アンモニアの濃度が500ppm以下である。これを冷却した後、吸収塔10の洗浄部13と再生塔の浄化部32への再活用が可能であり、これにより、洗浄液及び浄化液として使用される水の追加使用量を抑制ないし減少させることができる。
11 第1吸収部
12 第2吸収部
13 洗浄部
14 放熱部
15 循環クーラー
16 吸収液熱交換器
17 再生吸収液クーラー
30 再生塔
31 脱去部
32 浄化部
33 精製部
34 再生塔再沸器
35 再生塔凝縮部
50 濃縮塔
51 濃縮塔再沸器
52 濃縮塔凝縮器
60 濃縮塔凝縮液ドラム
71 ガス流入管
72 再生吸収液吐出管
73 第1熱交換再生吸収液管
74 冷却再生吸収液管
75 再生吸収液流入管
76 冷却吸収液吐出管
77 冷却吸収液流入管
78 洗浄液流入管
79 洗浄空気排出管
80 洗浄液吐出管
81 吸収用洗浄液流入管
82 吸収液吐出管
83 吸収液流入管
84 洗浄流入管
85 二酸化炭素排出管
86 浄化液吐出管
87 再生用浄化液流入管
88 低濃度アンモニア流入管
89 廃水排出管
90 高濃度アンモニア蒸気吐出管
91 高濃度アンモニア水凝縮水管
92 還流水
93 補充高濃度アンモニア水管
94 排液管
95 凝縮液循環吐出管
96 凝縮液循環流入管
97 凝縮液循環熱交換器
Claims (15)
- 二酸化炭素が含有された排ガスから、アンモニア水でなる吸収液を利用して、二酸化炭素を吸収及び回収するための二酸化炭素回収装置であって、
排ガスから二酸化炭素を吸収するときに発生する吸収熱を放出するために、高温の吸収液を回収し、これを予め設定された温度に冷却して再供給する循環クーラーが連結設置された吸収塔を含むことを特徴とする、アンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。 - 前記吸収液は、1重量%〜4重量%の低濃度を有することを特徴とする、請求項1に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 前記高温の吸収液は、前記吸収塔に供給される量の1/6〜1/3が回収されることを特徴とする、請求項1に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 前記回収された高温の吸収液は、前記循環クーラーによって20℃〜30℃に冷却されて再供給されることを特徴とする、請求項1に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 前記冷却された吸収液は、前記高温の吸収液を回収する位置と同一であるかあるいはそれより高い位置に再供給されることを特徴とする、請求項1または4に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 二酸化炭素が含有された排ガスから、アンモニア水でなる吸収液を利用して、二酸化炭素を吸収及び回収するための二酸化炭素回収装置であって、
吸収液によって二酸化炭素が除去された排ガスに含有されているアンモニアを洗浄して回収する洗浄部が一体的に備えられた吸収塔を含むことを特徴とする、アンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。 - 前記吸収塔には、排ガスから二酸化炭素を吸収するときに発生する吸収熱を放出するために、循環クーラーが連結設置されたことを特徴とする、請求項6に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 前記吸収塔には、排ガスから二酸化炭素を吸収するときに発生する吸収熱を放出するために、循環クーラーと放熱部が一体的に備えられたことを特徴とする、請求項6に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 二酸化炭素が含有された排ガスから、アンモニア水でなる吸収液を利用して、二酸化炭素を吸収及び回収するための二酸化炭素回収装置であって、
前記吸収液から二酸化炭素を除去して吸収液を再生し、除去された二酸化炭素内に含有されたアンモニアを浄化して回収する浄化部が一体的に備えられた再生塔を含むことを特徴とする、アンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。 - 前記再生塔には、内部で発生する飽和水蒸気を凝縮させてアンモニアを回収するために、パッキングまたはトレーでなる再生塔凝縮部が備えられたことを特徴とする、請求項9に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 二酸化炭素が含有された排ガスから、アンモニア水でなる吸収液を利用して、二酸化炭素を吸収及び回収するための二酸化炭素回収装置であって、
吸収液によって二酸化炭素が除去された排ガスに含有されているアンモニアを洗浄して回収する洗浄部が一体的に備えられた吸収塔;
前記吸収液から二酸化炭素を除去して吸収液を再生し、除去された二酸化炭素内に含有されたアンモニアを浄化して回収する浄化部が一体的に備えられた再生塔;及び
前記吸収塔及び再生塔から排出される洗浄液及び浄化液からアンモニアを濃縮して回収する濃縮塔;を含むことを特徴とする、アンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。 - 前記吸収塔には、排ガスから二酸化炭素を吸収するときに発生する吸収熱を放出するために、循環クーラーが連結設置されたことを特徴とする、請求項11に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 前記吸収塔には、排ガスから二酸化炭素を吸収するときに発生する吸収熱を放出するために、循環クーラーと放熱部が一体的に備えられたことを特徴とする、請求項11に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置。
- 二酸化炭素が含有された排ガスから、アンモニア水でなる吸収液を利用して、二酸化炭素を吸収及び回収するために、吸収液によって二酸化炭素が除去された排ガスに含有されているアンモニアを洗浄して回収する洗浄部が一体的に備えられた吸収塔、前記吸収液から二酸化炭素を除去して吸収液を再生し、除去された二酸化炭素内に含有されたアンモニアを浄化して回収する浄化部が一体的に備えられた再生塔、及び前記吸収塔及び再生塔から排出される洗浄液及び浄化液からアンモニアを濃縮して回収する濃縮塔を含む、アンモニア水を利用する二酸化炭素回収装置によって二酸化炭素を回収する方法であって、
前記濃縮塔の下部に排出される廃水の一部または全部を回収して洗浄液または浄化液として再使用することを特徴とする、アンモニア水を利用する二酸化炭素回収方法。 - 前記濃縮塔から回収される高濃度のアンモニア水を吸収液として再使用するために、前記吸収塔に供給することを特徴とする、請求項14に記載のアンモニア水を利用する二酸化炭素回収方法。
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