JP2012000539A - 二酸化炭素の回収方法及び回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回収ガスからの熱回収効率が良く、費用削減が容易な二酸化炭素の回収方法及び装置を提供する。
【解決手段】 吸収塔10において二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、吸収液に二酸化炭素を吸収させ、吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液を再生塔20で加熱して二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する。吸収塔における温度、吸収塔及び再生塔から排出される各ガスの温度のうちの少なくとも１つの温度を冷却設備31,31a-31cによって調節する。冷媒の循環を通して冷媒の温度を上昇及び降下させるヒートポンプ32-35を有し、温度降下した冷媒を冷却設備に供給し、冷却設備において冷媒に与えられる熱を再生塔へ供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼ガスなどの二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離回収し、清浄なガスを大気に還元するための二酸化炭素の回収方法及び二酸化炭素の回収装置に関する。

火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備では、石炭、重油、超重質油などの燃料を多量に使用しており、燃料の燃焼によって排出される硫黄酸化物、窒素酸化物及び二酸化炭素は、大気汚染防止や地球環境保全の見地から放出に関する量的及び濃度的制限が必要とされている。近年、二酸化炭素は地球温暖化の主原因として問題視され、世界的にも排出を抑制する動きが活発化している。このため、燃焼排ガスやプロセス排ガスの二酸化炭素を大気中に放出せずに回収・貯蔵を可能とするために、様々な研究が精力的に進められ、二酸化炭素の回収方法として、例えば、ＰＳＡ（圧力スウィング）法、膜分離濃縮法や、塩基性化合物による反応吸収を利用する化学吸収法などが知られている。

化学吸収法においては、主にアルカノールアミン系の塩基性化合物を吸収剤として用い、その処理プロセスでは、概して、吸収剤を含む水性液を吸収液として、ガス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、吸収された二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程とを交互に繰り返すように吸収液を循環させる（例えば、下記特許文献１，２参照）。再生工程においては、二酸化炭素を放出させるための加熱が必要であり、また、再生後の吸収液を吸収工程において再使用するために、吸収液の冷却が必要であるので、二酸化炭素回収の操業費用を削減するには、加熱／冷却に要するエネルギーを低減することが重要である。このため、吸収工程後の吸収液と再生工程後の吸収液との間での熱交換によって、不要となった熱エネルギーを必要な部分へ供給するように構成するのが一般的であり、また、下記特許文献１，２に開示されるように、更に熱回収効率を高めるために、吸収液の循環系や再生工程から回収されるガスに対して熱交換の工夫が提案されている。

特開２００８−６２１６５号公報 特開２００９−２１４０８９号公報

しかし、循環する吸収液間における熱交換は、所望の温度へ確実に調節するには充分な手段ではないので、上記特許文献１，２のように、再生工程から吸収工程へ還流する吸収液の冷却や、再生工程から放出される回収ガスから水蒸気等を除去するための冷却などにおいては、確実に冷却するために、冷却水を用いた冷却が最終的に施される。従って、冷却水を通じて熱エネルギーの一部が系外に除去される。つまり、熱エネルギーの回収には未だ改善の余地がある。又、使用する冷却水の量も無視できず、その費用や排水による周囲への影響に関する懸念も再考する必要がある。

本発明の課題は、上述の問題を解決し、二酸化炭素の回収に投入される熱エネルギーの回収効率を改善して効率的に二酸化炭素を回収すると共に、冷却水に関係する熱エネルギー回収及び懸念される問題の解消が可能な二酸化炭素の回収方法を提供することである。

また、本発明の他の課題は、回収ガスからのエネルギー回収効率が良く、低コストで操業可能であり、周囲への影響を防止可能な二酸化炭素の回収装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、冷却水を使用する部分について、吸収液の循環系とは別系統の熱媒体循環系を構成して組み合わせることによって、より効率的に熱エネルギーの回収が可能になることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収装置は、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔と、前記吸収塔における温度、前記吸収塔及び前記再生塔から排出される各ガスの温度のうちの少なくとも１つの温度を調節する冷却設備と、冷媒の循環を通して前記冷媒の温度を上昇及び降下させ、温度降下した冷媒を前記冷却設備に供給し、前記冷却設備において前記冷媒に与えられる熱を前記再生塔へ供給するヒートポンプとを有することを要旨とする。

又、本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収方法は、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収工程と、二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程と、前記吸収工程の温度、前記吸収工程及び前記再生工程から排出される各ガスの温度のうちの少なくとも１つの温度を、冷凍サイクルの冷媒による冷却を利用して調節する冷却工程と、前記冷却工程において冷凍サイクルの冷媒に与えられる熱を前記再生工程へ供給する加熱工程とを有することを要旨とする。

本発明によれば、ガスに含まれる二酸化炭素を回収するプロセスにおいて、冷却水を用いる部分における熱エネルギーの回収を可能として熱回収効率を改善し、使用する冷却水の削減又は廃止が可能であるので、操業に要する費用を削減でき、省エネルギー及び環境保護に貢献可能な二酸化炭素の回収装置を提供できる。特殊な装備や高価な装置を必要とせず、一般的な設備を利用して簡易に実施できるので、経済的に有利である。

本発明の第１の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。 本発明の第２の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。 本発明の第３の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。 本発明の第４の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。

化学吸収法による二酸化炭素の吸収プロセスにおいては、ガスに含まれる二酸化炭素を低温の吸収液に吸収させる吸収工程と、吸収された二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する高温の再生工程との間で吸収液を循環させて、吸収工程と再生工程とを交互に繰り返す。吸収工程及び再生工程における冷却／加熱に要するエネルギーを削減するために、吸収工程後の吸収液Ａ１（温度ｔ１）と再生工程後の吸収液Ａ２（温度ｔ２）との間で熱交換（Ａ１はｔ１からｔ２’へ、Ａ２はｔ２からｔ１’へ変化［但し、ｔ１≦ｔ１’＜ｔ２’≦ｔ２］）が可能であるが、吸収工程後の吸収液Ａ１は、二酸化炭素吸収時の放熱により投入時の温度（ｔ０）より上昇し得る（ｔ０＜ｔ１）ので、再生工程後の吸収液Ａ２は熱交換によって充分に冷却されず、又、変動し得る。従って、確実な温度調節（例えば、上記ｔ１’からｔ０に調節）を必要とする冷却部においては冷却水を用いた冷却が採用されるが、本発明においては、冷却水によって排出される熱の再利用を可能とするために、冷却水を使用する代わりに、冷媒を用いた加熱／冷却の循環サイクル、つまり、冷凍サイクルを採用し、二酸化炭素の回収プロセスにおいて確実な温度調節を必要とする冷却部と、再生工程へ熱を供給する加熱部とを循環するように組み込む。つまり、本発明においては、吸収液の循環サイクルとは別途に冷媒の循環サイクルを有し、吸収液から放出される熱を冷媒によって回収して吸収液の加熱に再利用するヒートポンプを構成する。吸収液とは分離した個別の冷媒サイクルとすることによって、温度調節機能を保持しつつ熱の回収再利用を進めることができ、むしろ温度調節機能が高まり、設定温度の変更等に対する適用性が向上する。

確実な温度調節を要する流体の冷却部には、C1：吸収工程へ導入する前の二酸化炭素含有ガスの冷却、C2：再生工程から吸収工程へ還流する吸収液の冷却、C3：吸収工程で二酸化炭素を除去したガスの冷却（ガス中の水蒸気等を凝縮して系外漏出を防止）、C4：再生工程後の二酸化炭素を含有する回収ガスの冷却（回収ガス中の水蒸気等を凝縮して系外漏出を防止）、が挙げられ、一方、再生工程へ熱を供給する加熱部には、H1：吸収工程から再生工程へ供給する前の吸収液の加熱、H2：再生工程における吸収液の本加熱、が挙げられる。冷却部C1，C2の冷却は、吸収工程の温度調節、つまり、吸収液が二酸化炭素を好適に吸収し得る温度への調節を目的とし、概して１０〜５℃程度が好ましく、冷却部C3，C4の冷却は、吸収工程又は再生工程から排出されるガスの温度調節、つまり、ガス中の水蒸気及び吸収剤を良好に凝縮し得る温度への調節を目的とし、概して１０〜６０℃程度が好ましい。本発明では、冷却部C1〜C4のうちの１つ以上と、加熱部H1〜H2のうちの１つ以上とを組み合わせてこれらの間に冷凍サイクルを形成するように構成する。冷凍サイクルの冷却部及び加熱部は、必要に応じて適宜選択／変更可能であり、圧縮器及び膨張器の性能等を考慮して、上記全てを組み込んでも、或いは、一部のみを組み込んで残りは冷却水によって冷却してもよい。又、上記で挙げた以外の冷却又は加熱を要する部分を冷却部及び／又は加熱部に追加・適用してもよい。

冷凍サイクルには、蒸気圧縮型、空気冷凍型、蒸気噴射型、吸収式、吸着冷凍型など様々な方式があり、加熱／冷却の温度域や熱容量、規模、使用条件等に応じて選択される。以下の実施形態においては、冷却部及び加熱部に各々設ける熱交換器と、これらを冷媒が循環する循環流路と、冷媒が冷却部から加熱部へ向かう流路に設ける圧縮器と、加熱部から冷却部へ向かう流路に設ける膨張器（又は減圧用圧力調整弁等）とを有するヒートポンプとして、蒸気圧縮型の冷凍サイクルシステムが好適に構成される。冷媒としては、例えば、二酸化炭素、アンモニア、水、炭化水素、代替フロン類などが挙げられ、サイクル温度での安定性や効率、周囲へ与える危険性の低減等を考慮して、有機又は無機の各種単一冷媒、共沸混合冷媒及び非共沸混合冷媒から適宜選択される。圧縮器及び膨張器を同軸ロータで協働駆動するようにしてヒートポンプを構成することによって作動効率が向上する。或いは、膨張器の代わりに、減圧弁を用いてタービンと組み合わせ、冷媒の流動圧から回収される動力エネルギーを圧縮器の駆動に利用するように構成したり、エジェクタ及び気液分離器を用いて気化冷媒の圧縮及び液化冷媒の膨張を効率化するように構成してもよい。冷凍サイクルシステム（ヒートポンプ）は、上述の方式に限定されるものではなく、操業条件等に応じて適宜変更可能であり、それに応じて冷媒も適宜選択され、空気、水等の他に、吸収性液媒、固体吸着剤を用いた吸収液等の冷媒も利用し得る。

以下、本発明の二酸化炭素の回収方法及び回収装置について、図面を参照して詳細に説明する。以下の実施形態においては、上述の冷却部の一部を冷媒循環サイクルに組み込んで冷凍サイクルを形成し、各実施形態において組み込む冷却部が異なるが、組み込む冷却部の選択は必要に応じて任意に変更可能であり、上記全ての冷却部を組み込んでもよい。

図１は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第１の実施形態を示す。回収装置１は、二酸化炭素を含有するガスＧを吸収液に接触させて、吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔１０と、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱し、二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔２０とを有する。吸収塔１０及び再生塔２０は、各々、向流型気液接触装置として構成され、接触面積を大きくするための充填材１１，２１を各々内部に保持している。充填材１１，１２は、概して、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料製のものが用いられるが、特に限定されず、処理温度における耐久性及び耐腐食性を有する素材で、所望の接触面積を提供し得る形状のものを適宜選択するとよい。吸収液として、アルカノールアミン類等の二酸化炭素に親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水性液が用いられる。

二酸化炭素を含んだガスＧは、吸収塔１０の下部から供給され、吸収液は、吸収塔１０の上部から供給され、ガスＧ及び吸収液が充填材１１を通過する間に気液接触してガスＧ中の二酸化炭素が吸収液に吸収される。吸収塔１０に供給されるガスＧについて、特に制限はなく、燃焼排ガスやプロセス排ガスなどの様々なガスの取扱いが可能であるが、二酸化炭素の吸収に適した低温であることが好ましく、必要に応じてガス冷却用の前処理設備を付設するとよい。

吸収塔１０で二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、底部に貯溜され、吸収塔１０底部と再生塔２０上部とを接続する流路から再生塔２０へ、ポンプ１２によって供給される。二酸化炭素が除去されたガスＧ’は、吸収塔１０頂部から排出される。吸収液が二酸化炭素を吸収することによって発熱して液温が上昇するので、ガスＧ’には水蒸気等が含まれ得るが、冷却凝縮部１３を吸収塔１０頂部に設けて、水蒸気等を凝縮してガスＧ’から分離除去することで、塔外への漏出を抑制できる。これを更に確実にするために、吸収塔外に付設される冷却器１４と、凝縮水の一部（塔内のガスＧ’を含んでも良い）を冷却器１４との間で循環させるポンプ１５とを備え、冷却器１４で冷却されて塔頂部に供給される凝縮水等は冷却凝縮部１３を低温に維持し、冷却凝縮部１３を通過するガスＧ’を確実に冷却する。又、充填材１１に還流する凝縮水によって、塔内の吸収液の組成変動が補整される。塔外へ排出されるガスＧ’の温度は６０℃程度以下が好ましく、より好ましくは４５℃以下となるように冷却する。この実施形態の冷却器１４は水冷式であるが、前述の冷却部C3として冷媒循環サイクルに組み込むと、冷媒によってより低温、より確かに冷却可能となる（後述の第２の実施形態参照）。

吸収塔１０内の二酸化炭素を含む吸収液Ａ１は、再生塔２０の上部に供給され、充填材２１を通過して底部に貯溜される。再生塔２０の底部には、リボイラーが付設される。即ち、吸収液を塔外に循環させる循環路と、吸収液を加熱するためのスチームヒーター２２が付設され、塔底部の吸収液Ａ２の一部が循環路を通してスチームヒーター２２に供給され、高温蒸気との熱交換によって加熱された後に塔内へ還流される。この加熱によって、底部の吸収液から二酸化炭素が放出され、又、間接的に加熱される充填材２１上での気液接触間にも吸収液から二酸化炭素が放出される。

再生塔２０で二酸化炭素を放出して再生された吸収液Ａ２は、再生塔２０底部と吸収塔１０上部とを接続する流路を通じてポンプ２３によって吸収塔１０に還流され、その間に、熱交換器２４において、吸収塔１０から再生塔２０に供給される吸収液Ａ１との間で熱交換して冷却され、更に、熱交換器３１によって、二酸化炭素の吸収に適した温度まで充分に冷却される。この熱交換器３１は、前述の冷却部C2として冷媒循環サイクルに組み込みまれており、吸収液Ａ２は冷媒との熱交換によって冷却される。

再生塔２０における加熱で放出される二酸化炭素を含む回収ガスは、再生塔２０上部の凝縮部２６を通って頂部から排出され、回収ガスに含まれる水蒸気や吸収剤は、凝縮部２６における凝縮によって塔外への放出が抑制される。

再生塔２０から放出される回収ガスは、更に、冷却水を用いた冷却器２７によって充分に冷却され、含まれる水蒸気を可能な限り凝縮した後、気液分離器２８によって凝縮水を除去した後に、回収二酸化炭素Ｃを含むガスとして回収される。回収された二酸化炭素は、例えば、地中又は油田中に注入することによって、地中での炭酸ガス固定及び再有機化が可能である。気液分離器２８において分離された凝縮水は、ポンプ２９によって再生塔２０上部に還流され、凝縮部２６を冷却する。これは、吸収剤等の放出抑制に有用であり、又、塔内の吸収液の組成変動を補整できる。

この実施形態では、吸収塔１０へ還流する吸収液を冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器３１を有し、熱交換器３１において回収される熱を再生塔２０において再利用するように冷媒を循環させる冷凍サイクルが構成される。詳細には、吸収塔１０から熱交換器２４を介して再生塔２０に供給される吸収液Ａ１の流路に設けられる熱交換器３２と、再生塔２０底部の吸収液の一部を分流して再生塔外との間を循環させる循環路に設けられる熱交換器３３と、冷媒を熱交換器３１と熱交換器３２，３３との間で循環させる循環流路と、熱交換器３１から熱交換器３２，３３へ向かう流路に設けられる圧縮器３４と、熱交換器３２，３３から熱交換器３１へ向かう流路に設けられる膨張器３５とを有する。熱交換器３１において熱交換により吸収液を冷却した冷媒は、圧縮器３４において加圧圧縮されて温度上昇し、熱交換器３２，３３の各々における熱交換によって吸収液を加熱する。熱交換器３２，３３での熱交換を経て温度降下した冷媒は、膨張器３５によって減圧されて更に温度降下し、熱交換器３１に還流されて再度冷却に用いられる。熱交換器３２，３３において加熱された吸収液は、各々、再生塔２０の上部又は底部から塔内に供給される。圧縮器３４及び膨張器３５は、同軸ロータで協働駆動するようにしてヒートポンプを構成し（図示省略）、これによって作動効率が向上する。或いは、膨張器３５の代わりに圧力調整弁及びタービン等を用いて、圧力調整弁における冷媒の流動圧から動力エネルギーを回収して圧縮器の駆動に利用するように構成してもよい。

図１の回収装置において実施される回収方法について説明する。

吸収塔１０において、燃焼排ガスやプロセス排ガスなどの二酸化炭素を含有するガスＧを底部から供給し、吸収液を上部から供給すると、充填材１１上でガスＧと吸収液とが気液接触し、吸収液に二酸化炭素が吸収される。二酸化炭素は、低温において良好に吸収されるので、概して５０℃程度以下、好ましくは４０℃以下となるように吸収液の液温ｔ０又は吸収塔１０（特に充填材１１）の温度を熱交換器３１，冷却器１４を利用して調整する。吸収液は二酸化炭素の吸収によって発熱するので、これによる液温上昇を考慮し、液温やガスＧ’の温度が６０℃を超えないように配慮することが望ましい。吸収塔１０に供給されるガスＧについても、必要に応じてガス冷却用前処理を施して適正な温度に調整するとよい。吸収液として、二酸化炭素に親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水性液が用いられる。吸収剤としては、アルカノールアミン類やアルコール性水酸基を有するヒンダードアミン類などが挙げられ、具体的には、アルカノールアミンとして、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン等を例示することができ、アルコール性水酸基を有するヒンダードアミンとしては、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール（ＡＭＰ）、２−（エチルアミノ）エタノール（ＥＡＥ）、２−（メチルアミノ）エタノール（ＭＡＥ）等を例示できる。通常、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）の使用が好まれる。吸収液の吸収剤濃度は、処理対象とするガスに含まれる二酸化炭素量や処理速度等に応じて適宜設定することができ、吸収液の流動性や消耗損失抑制などの点を考慮すると、概して、１０〜５０質量％程度の濃度が適用され、例えば、二酸化炭素含有量２０％程度のガスＧの処理に対して、濃度３０質量％程度の吸収液が好適に使用される。ガスＧ及び吸収液の供給速度は、ガスに含まれる二酸化炭素量及び気液接触効率等に応じて、吸収が好適に進行するように適宜設定される。

二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、再生塔２０に供給されると、沸点近辺の高温度ｔ２に加熱されるが、再生塔２０に供給される前に熱交換器２４，３２において、再生塔２０から還流する吸収液Ａ２及び冷媒と熱交換されるので、吸収液Ａ１は、再生塔２０の温度に近い温度に昇温されて二酸化炭素を放出し易い状態で再生塔２０に投入される。更に、充填材２１上での気液接触状態において二酸化炭素の放出が促進されると共に、再生塔２０底部の加熱によって更に二酸化炭素の放出が進行する。再生塔２０底部に貯留される吸収液Ａ２は、スチームヒーター２２及び熱交換器３３への部分循環による加熱によって二酸化炭素を充分に放出して再生される。吸収液Ａ２の沸点は組成（吸収剤濃度）に依存し、液温の上限は使用する吸収液によって異なる。

吸収液は、吸収塔１０と再生塔２０との間で循環し、吸収工程と再生工程とが交互に繰り返され、再生塔２０から還流する吸収液Ａ２は、熱交換器２４において吸収液Ａ１と熱交換されるので、吸収塔１０の温度近くまで降温され（ｔ２→ｔ１’）、更に、熱交換器３１において冷媒で充分に冷却されて（→ｔ０）二酸化炭素を吸収し易い状態で吸収塔１０に投入される。冷媒は、温度ｔ０からｔ２の範囲を含む温度領域で安定して使用可能なものであればよく、概して、水、二酸化炭素、炭素数１〜４の炭化水素、代替フロン、アンモニア等が好適に用いられる。

圧縮器３４における冷媒の圧縮によって発生する圧縮熱は、熱交換器３２，３３における熱交換によって、吸収塔１０から再生塔２０へ供給される吸収液Ａ１と、再生塔２０から分流される一部の吸収液Ａ２とによって回収されて、再生塔２０の吸収液に供給される。これにより、再生塔２０での吸収液Ａ２の加熱に要するスチームヒーター２２の熱エネルギーが削減できる。熱交換器３１，３２，３３へ供給する冷媒の温度は、圧縮器３４及び膨張器３５における加圧／減圧によって調節可能であり、熱交換器３２，３３に供給する冷媒温度が吸収液の液温ｔ２又はｔ２’以上あるいは沸点近辺（１００〜２００℃程度）、熱交換器３１に供給する冷媒温度が吸収液の液温ｔ１’未満又は水温程度以下（１０〜５０℃程度）となるように圧力を調節するとよい。

図２は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第２の実施形態を示す。この回収装置２は、冷媒によって冷却する冷却部が第１の実施形態とは異なり、吸収塔外に付設される冷却器１４を熱交換器３１ａに変更し、冷凍サイクルの冷却部C3として、熱交換器３１ａを通る凝縮水を冷媒によって冷却し、凝縮水を介してガスＧ’を冷却する。第１の実施形態において再生塔２０から還流する吸収液Ａ２を冷却する熱交換器３１は、水冷式の冷却器２５に代えている。

詳細には、ポンプ１５によって塔内から循環する凝縮水（ガスＧ’を含んでも良い）は、熱交換器３１ａにおいて冷媒と熱交換して冷却され、吸収塔１０内に還流され、冷却凝縮部１３を冷却して低温に保持し、ガスＧ’を冷却する。ガスＧ’に含まれる水蒸気等が凝縮してガスＧ’から分離除去され、塔外への放出が抑制される。熱交換器３１ａにおいてガスＧ’を冷却した冷媒は、熱交換により温度上昇し、圧縮器３４の加圧圧縮による放熱で更に温度上昇し、熱交換器３２，３３の各々で熱交換して吸収液を加熱する。熱交換器３２，３３での熱交換を経た冷媒は、膨張器３５によって減圧されて温度が降下し、熱交換器３１ａに還流されて再度冷却に用いられる。従って、熱交換器３１ａにおいてガスＧ’から回収される熱は、再生塔２０に供給される。熱交換器３１ａへ供給する冷媒温度がガスＧ’の温度未満又は水温程度以下（１０〜５０℃程度）となるように膨張器３５の圧力を調節するとよい。

図２の回収装置２は、吸収工程後のガスＧ’に含まれる水蒸気及び吸収剤の除去性能が高いので、処理するガスＧの二酸化炭素濃度や温度の変動によって水蒸気等の漏出を生じ易い場合や、吸収剤の種類等に起因して漏出防止を確実にする必要がある場合などの対応に有用である。

図２の実施形態において、上記の点以外は、図１の実施形態と同様に構成されているので、説明は省略する。

図３は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第３の実施形態を示す。この回収装置３は、第１の実施形態の冷却器２７を熱交換器３１ｂに変更し、冷凍サイクルの冷却部C4として、再生工程後の回収ガスを冷媒によって冷却して、回収ガス中の水蒸気等が系外へ漏出するのを防止し、水蒸気含有量の低い回収二酸化炭素Ｃが得られる。第１の実施形態において再生塔２０から還流する吸収液Ａ２を冷却する熱交換器３１は、水冷式の冷却器２５に代えている。

詳細には、再生塔から放出される二酸化炭素を含む回収ガスは、熱交換器３１ｂにおいて冷媒と熱交換して冷却され、回収ガスに含まれる水蒸気等が凝縮する。凝縮水は、気液分離器２８において回収ガスから分離され、ポンプ２９によって再生塔２０内に還流される。凝縮水等は、凝縮部２６を冷却して低温に保持し、回収ガスから水蒸気等が分離除去され、塔外への漏出が抑制される。熱交換器３１ｂにおいて回収ガスを冷却した冷媒は温度上昇し、圧縮器３４において加圧圧縮されて熱を発生し、熱交換器３２，３３の各々において熱交換により吸収液を加熱する。熱交換器３２，３３での熱交換を経た冷媒は、膨張器３５によって減圧されて温度が降下し、熱交換器３１ｂに還流されて再度冷却に用いられる。従って、熱交換器３１ｂにおいて回収ガスから回収される熱は、再生塔２０に供給される。熱交換器３１ｂへ供給する冷媒温度が回収ガスの温度未満又は水温程度以下（１０〜５０℃程度）となるように膨張器３５の圧力を調節するとよい。

図３の回収装置３では、再生工程後の回収ガスに含まれる水蒸気及び吸収剤の除去性能の向上に有利であるので、再生工程における吸収液の再生度を高めるための加熱強化が必要な場合や、吸収剤の種類等に起因して漏出防止を確実にする必要がある場合、特に水蒸気の少ない二酸化炭素の回収が必要な場合などの対応に有用である。

図３の回収装置においても、上記の点以外は、図１の装置と同様に構成されているので、説明は省略する。

図４は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第４の実施形態を示す。この回収装置４は、二酸化炭素を含むガスＧを吸収塔１０へ供給する前に予備冷却するための冷却塔４０と、冷却塔４０で使用する冷却水を低温に維持するための熱交換器３１ｃとを有し、熱交換器３１ｃを冷却部C1として、冷媒循環サイクルの冷媒によって冷却水を冷却することで、吸収工程へ導入する前の二酸化炭素含有ガスＧを冷却し、吸収塔１０の温度がガスＧに起因して上昇するのを防止している。第１の実施形態において再生塔２０から還流する吸収液Ａ２を冷却する熱交換器３１は、この実施形態では水冷式の冷却器２５に代えている。

詳細には、冷却塔４０底部から供給されるガスＧは、塔内に保持される充填材４１を通過し、冷却塔４０の上部から供給される冷却水によって冷却された後に、吸収塔１０に供給される。ガスＧを冷却することによって温度上昇した冷却水は、ポンプ４２によって熱交換器３１ｃに送られ、冷媒との熱交換によって冷却された後、冷却塔４０に還流される。熱交換器３１ｃにおいて熱交換により温度が上昇した冷媒は、圧縮器３４において圧縮されて熱を発生し、熱交換器３２，３３の各々において熱交換により吸収液を加熱する。熱交換器３２，３３での熱交換を経た冷媒は、膨張器３５によって減圧されて温度が降下し、熱交換器３１ｃに還流されて再度冷却に用いられる。従って、熱交換器３１ｃにおいてガスＧから回収される熱は、再生塔２０に供給される。熱交換器３１ｃへ供給する冷媒温度が二酸化炭素含有ガスの温度未満又は水温程度以下（１０〜５０℃程度）となるように膨張器３５の圧力を調節するとよい。

図４の回収装置４では、回収装置外部から二酸化炭素含有ガスＧによって熱が導入される点において図１〜３の実施形態とは異なる。つまり、外部から供給される熱エネルギーが、冷媒循環による冷凍サイクルを介して再生塔２０へ供給される。従って、スチームヒーター２２から再生塔２０へ供給する熱エネルギーの削減について、図１〜３の装置より有利であり、特に、燃焼ガス等のような高温の二酸化炭素含有ガスの処理に適用する場合に、前処理として必要なガス冷却を、二酸化炭素回収プロセスの操業熱エネルギーに活用できる点において有用である。更に、スチームヒーター２２との代替が可能な程に高温の二酸化炭素含有ガスＧである場合には、冷却塔４１へ導入する前に、スチームヒーター２２の代用又は併用として再生塔２０の吸収液の加熱に用いてもよい。

図４の回収装置においても、上記の点以外は、図１の装置と同様に構成されているので、説明は省略する。

上述の第１〜第４の実施形態において、冷凍サイクルを用いて冷却する冷却部は、前述の冷却部C1〜C4（熱交換器３１ｃ，３１，３１ａ，３１ｂ）の１つに設定しているが、複数又は全てを冷却するようにヒートポンプを構成することも可能である。又、冷凍サイクルによって加熱する加熱部についても、加熱部H1,H2（熱交換器３２，３３）の一方のみ、特に熱交換器３３においてのみ加熱するように変更してもよい。更に、再生塔から放出される回収ガスを冷却する冷却器２７又は熱交換器３１ｂの前に、再生塔２０の吸収液Ａ２と熱交換するための熱交換器を設けてもよい。

吸収液は、二酸化炭素の吸収による放熱や、再生工程での加熱によって水が蒸発し吸収剤も伴う場合もある。ガスから分離回収される凝縮水は、変動する吸収液の組成を補整するために使用でき、再生塔２０から排出される回収ガスから回収される凝縮水を、再生塔２０から吸収塔１０へ還流する吸収液に供給するように変更することも可能であり、再生塔２０内の吸収液の組成変動の程度や回収凝縮水の量及び液温を考慮して適宜選択すればよい。吸収剤の消耗・漏洩等によって吸収剤の補充が必要な場合には、供給する凝縮水に添加して吸収液組成の補整に利用することができる。

本発明は、火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備から排出される二酸化炭素含有ガスの処理等において利用して、その二酸化炭素放出量や、環境に与える影響などの軽減に有用である。二酸化炭素の回収処理に要する費用が削減され、省エネルギー及び環境保護に貢献可能な二酸化炭素の回収装置を提供できる。

１０：吸収塔、 ２０：再生塔、
１１，２１：充填材、 １２，１５，２３，２９：ポンプ、
１３：冷却凝縮部、 １４，２５，２７，３４：冷却器、
２２：スチームヒーター、 ２６：凝縮部、
２４，３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２，３３：熱交換器、
３４：圧縮器、 ２８：気液分離器、 ３５：膨張器
Ｇ、Ｇ’：ガス、 Ａ１，Ａ２：吸収液、Ｃ：回収二酸化炭素

Claims (18)

1. 二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、
   二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔と、
   前記吸収塔における温度、前記吸収塔及び前記再生塔から排出される各ガスの温度のうちの少なくとも１つの温度を調節する冷却設備と、
   冷媒の循環を通して前記冷媒の温度を上昇及び降下させ、温度降下した冷媒を前記冷却設備に供給し、前記冷却設備において前記冷媒に与えられる熱を前記再生塔へ供給するヒートポンプと
   を有する二酸化炭素の回収装置。
2. 前記冷却設備は、前記吸収塔に供給される吸収液を前記冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器を有する請求項１記載の二酸化炭素の回収装置。
3. 前記冷却設備は、前記吸収塔から排出されるガスを前記冷媒を用いて冷却し、前記ガスに含まれる水蒸気を凝縮する冷却器と、凝縮した水を前記吸収塔へ還流するポンプとを有する請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
4. 前記冷却設備は、前記再生塔から排出されるガスを前記冷媒を用いて冷却し、前記ガスに含まれる水蒸気を凝縮する冷却器と、凝縮した水を前記再生塔へ還流するポンプとを有する請求項１〜３の何れかに記載の二酸化炭素の回収装置。
5. 前記冷却設備は、前記吸収塔に供給する前の二酸化炭素を含有するガスを、前記冷媒を利用して冷却する冷却塔を有する請求項１〜４の何れかに記載の二酸化炭素の回収装置。
6. 前記ヒートポンプは、前記冷却設備を経た冷媒を圧縮して温度上昇させる圧縮器と、前記再生塔へ熱を供給した後の冷媒を膨張させて温度降下させる膨張器と、温度上昇した前記冷媒との熱交換によって、前記再生塔における吸収液を加熱する加熱設備とを有する請求項１〜５の何れかに記載の二酸化炭素の回収装置。
7. 前記ヒートポンプは、前記冷却設備を経た冷媒を圧縮して温度上昇させる圧縮器と、前記再生塔へ熱を供給した後の冷媒を膨張させて温度降下させる膨張器と、温度上昇した前記冷媒との熱交換によって、前記吸収塔から前記再生塔へ供給する吸収液を加熱する加熱設備とを有する請求項１〜６の何れかに記載の二酸化炭素の回収装置。
8. 更に、前記再生塔の吸収液を前記吸収塔へ還流する還流ポンプと、前記吸収塔から前記再生塔へ供給される吸収液を、前記還流ポンプによって還流する吸収液との熱交換によって加熱する熱交換器とを有し、
   前記加熱設備は、前記熱交換器によって加熱された吸収液を加熱する請求項７に記載の二酸化炭素の回収装置。
9. 更に、前記再生塔の吸収液を前記吸収塔へ還流する還流ポンプと、
   前記還流ポンプによって還流する吸収液を、前記吸収塔から前記再生塔へ供給される吸収液との熱交換によって冷却する熱交換器とを有し、
   前記冷却設備は、熱交換器によって冷却された吸収液を冷却する請求項２記載の二酸化炭素の回収装置。
10. 二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収工程と、
    二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程と、
    前記吸収工程の温度、前記吸収工程及び前記再生工程から排出される各ガスの温度のうちの少なくとも１つの温度を、冷凍サイクルの冷媒による冷却を利用して調節する冷却工程と、
    前記冷却工程において冷凍サイクルの冷媒に与えられる熱を前記再生工程へ供給する加熱工程とを有する二酸化炭素の回収方法。
11. 前記冷却工程は、前記吸収工程に供給される吸収液を前記冷媒によって冷却する工程を有する請求項１０記載の二酸化炭素の回収方法。
12. 前記冷却工程は、前記吸収工程から排出されるガスを前記冷媒によって冷却し、前記ガスに含まれる水蒸気を凝縮する工程と、凝縮した水を前記吸収工程へ還流する工程とを有する請求項１０又は１１に記載の二酸化炭素の回収方法。
13. 前記冷却工程は、前記再生工程から排出されるガスを前記冷媒によって冷却し、前記ガスに含まれる水蒸気を凝縮する工程と、凝縮した水を前記再生工程へ還流する工程とを有する請求項１０〜１２の何れかに記載の二酸化炭素の回収方法。
14. 前記冷却工程は、前記吸収工程に供給される二酸化炭素を含有するガスを前記冷媒を用いて冷却する工程を、前記吸収工程の前に有する請求項１０〜１３の何れかに記載の二酸化炭素の回収方法。
15. 前記冷凍サイクルは、冷媒は、前記冷却工程後に圧縮されて温度上昇し、前記加熱工程後に膨張されて温度降下し、
    前記加熱工程は、温度上昇した前記冷媒との熱交換によって、前記再生工程における吸収液の一部を加熱する工程と、加熱した前記吸収液を前記再生工程に還流する工程とを有し、
    前記冷却工程は、温度降下した前記冷媒との熱交換によって冷却する請求項１０〜１４の何れかに記載の二酸化炭素の回収方法。
16. 冷凍サイクルの冷媒は、前記冷却工程後に圧縮によって温度上昇し、前記加熱工程後に膨張によって温度降下し、
    前記加熱工程は、温度上昇した前記冷媒との熱交換によって、前記吸収工程後の吸収液を前記再生工程へ供給する前に加熱する工程を有し、
    前記冷却工程は、温度降下した前記冷媒との熱交換によって冷却する工程を有する請求項１０〜１５の何れかに記載の二酸化炭素の回収方法。
17. 更に、前記再生工程後の吸収液を前記吸収工程へ還流する還流工程と、
    前記還流工程において還流する吸収液を、前記吸収工程後の吸収液と熱交換する熱交換工程とを有し、
    前記熱交換工程は、前記加熱工程の前の吸収液に対して行う請求項１６に記載の二酸化炭素の回収方法。
18. 更に、前記再生工程後の吸収液を前記吸収工程へ還流する還流工程と、
    前記還流工程において還流する吸収液を、前記吸収工程後の吸収液と熱交換する熱交換工程とを有し、
    前記冷却工程は、前記還流工程によって前記吸収工程に供給される吸収液を、前記熱交換工程後に冷却する請求項１１記載の二酸化炭素の回収方法。

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