JP2012020265A - 二酸化炭素分離回収システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸収液の流量が変動した際に、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーの増加を抑制する。
【解決手段】二酸化炭素分離回収システムは、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔３と、吸収塔３からリッチ液４ａが供給され、リッチ液４ａから蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させるとともに吸収液を再生し、放出された二酸化炭素ガス及び蒸気を含む排出ガスを排出する再生塔５と、吸収塔３と再生塔５との間に設けられ、再生塔５から吸収塔３に供給される再生された吸収液（リーン液４ｂ）を熱源として、吸収塔３から再生塔５に供給されるリッチ液４ａを加熱する複数の再生熱交換器４１、５１、６１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素分離回収システム及びその運転方法に関する。

近年、大量の化石燃料を使用する火力発電所等を対象に、燃焼排ガスとアミン系吸収液を接触させ、燃焼排ガス中の二酸化炭素を分離回収する方法、及び回収された二酸化炭素を大気へ放出することなく貯蔵する方法が研究されている。

具体的には、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素をアミン系吸収液に吸収させる吸収塔と、二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）が吸収塔から供給され、リッチ液を加熱し、リッチ液から二酸化炭素ガスを放出させて吸収液を再生する再生塔とを備え、再生した吸収液（リーン液）を吸収塔に供給して再利用する二酸化炭素回収システムが知られている（例えば特許文献１参照）。

上記のような二酸化炭素回収システムは、既設の発電設備等に付加して設置されるため、その運転コストを出来るだけ低減することが求められる。特に、再生塔における吸収液の再生工程は、リッチ液から二酸化炭素ガスを放出させるために多量の熱エネルギーが必要とされる。従って、二酸化炭素回収システムの運転コストを低減するためには、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーを低減することが重要となる。

従来の二酸化炭素回収システムは、吸収塔と再生塔との間に、再生塔から吸収塔に供給されるリーン液を熱源として、吸収塔から再生塔に供給されるリッチ液を加熱する再生熱交換器を設け、リーン液の熱を回収するように構成されている。

しかし、二酸化炭素回収システムを循環する吸収液の流量は一定ではなく、運転条件によって変動する。そのため、吸収液の流量が再生熱交換器の定格値より低くなると、再生熱交換器の熱交換性能が低下し、リッチ液の温度を十分上げることができず、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーが増加するという課題があった。

特開２００４−３２３３３９号公報

本発明は、吸収液の流量の変動に対し、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーの増加を抑制する二酸化炭素分離回収システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による二酸化炭素分離回収システムは燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、当該吸収液から蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させるとともに当該吸収液を再生し、放出された二酸化炭素ガス及び蒸気を含む排出ガスを排出する再生塔と、前記吸収塔と前記再生塔との間に設けられ、前記再生塔から前記吸収塔に供給される再生された吸収液を熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する複数の再生熱交換器と、を備え、前記複数の再生熱交換器はそれぞれ容量が異なるものである。

本発明の一態様による二酸化炭素分離回収システムの運転方法は、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、当該吸収液から蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させるとともに当該吸収液を再生し、放出された二酸化炭素ガス及び蒸気を含む排出ガスを排出する再生塔と、前記吸収塔と前記再生塔との間に設けられ、前記再生塔から前記吸収塔に供給される再生された吸収液を熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱し、互いに異なる容量を有する複数の再生熱交換器と、を備える二酸化炭素分離回収システムの運転方法であって、前記複数の再生熱交換器への吸収液流量を、前記容量の７５％以上１００％以下又は０％となるように調整するものである。

本発明によれば、吸収液の流量の変動に対し、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーの増加を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムの概略構成図である。 再生熱交換器の吸収液流量と、再生塔に供給する吸収液と再生塔運転温度との差との関係の一例を示すグラフである。 再生塔に供給する吸収液と再生塔運転温度との差と、リボイラーへの投入エネルギーとの関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に本発明の実施形態に係る二酸化炭素分離回収システムの概略構成を示す。ここで二酸化炭素分離回収システムは、二酸化炭素を吸収可能な吸収液を用いて、化石燃料の燃焼により生成された燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を回収するものである。

図１に示すように二酸化炭素分離回収システム１は、燃焼排ガス２ａに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔３と、吸収塔３から二酸化炭素を吸収した吸収液（以下、リッチ液４ａと記す）が供給され、このリッチ液４ａを加熱し、吸収液から水蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させて、二酸化炭素ガスと水蒸気とを含む排出ガス２ｄを排出し、吸収液を再生する再生塔５とを備える。

例えば、火力発電所などの発電設備において生成された燃焼排ガス２ａが、排ガス導入ライン８を介して吸収塔３の下部に供給され、吸収塔３の頂部から二酸化炭素が取り除かれた燃焼排ガス２ｂが排出されるようになっている。

吸収塔３は、吸収液が二酸化炭素を吸収することにより生成されたリッチ液４ａを貯留する吸収塔スチル（タンク）３ａを有する。同様に、再生塔５は、リッチ液４ａが二酸化炭素ガスを放出することにより再生された吸収液（以下、リーン液４ｂと記す）を貯留する再生塔スチル（タンク）５ａを有する。

ここで、二酸化炭素を吸収可能な吸収液には、例えばアミン化合物を水に溶かしたアミン化合物水溶液が使用される。

図１に示すように、再生塔５にはリボイラー６が設けられている。リボイラー６は、発電設備から供給されるプラント蒸気等を熱源として、再生塔スチル５ａに貯留されていたリーン液４ｂの一部を加熱してその温度を上昇させて蒸気を生成し、再生塔５に供給する。なお、リボイラー６においてリーン液４ｂを加熱する際、リーン液４ｂから二酸化炭素ガスが放出され、吸収液蒸気とともに再生塔５に供給される。この吸収液蒸気は、充填層５ｂを介して再生塔５内を上昇し、リッチ液４ａを加熱する。これによりリッチ液４ａから二酸化炭素ガスが放出される。充填層５ｂは、例えば、多孔構造、ハニカム構造等を有するもので構成され、充填層５ｂを通過する吸収液を撹乱する作用を有するものであればよい。

再生塔５から排出された二酸化炭素ガスと吸収液蒸気とを含む排出ガス２ｄは、ガスライン３５を通り、ガス冷却器３１によって水分凝縮した後、気液分離器３２によって二酸化炭素ガスと吸収液成分を含む還流水とに気液分離される。気液分離器３２からの二酸化炭素ガス２ｅは回収二酸化炭素導出ライン３３を介して排出され、貯蔵設備（図示せず）で貯蔵される。また、気液分離器３２からの還流水は還流ライン３４を介して再生塔５に戻される。

吸収塔３と再生塔５との間に、再生塔５から吸収塔３に供給されるリーン液４ｂを熱源として、吸収塔３から再生塔５に供給されるリッチ液４ａを加熱する３台の再生熱交換器４１、５１、６１が設けられ、リーン液４ｂの熱を回収するように構成されている。ここで、上述したように、再生塔５においてリッチ液４ａから二酸化炭素ガスを放出させる際、リッチ液４ａはリボイラー６からの高温の蒸気を熱源として加熱される。従って、再生熱交換器４１、５１、６１に供給されるリーン液４ｂの温度は比較的高く、このリーン液４ｂが熱源として用いられている。

３台の再生熱交換器４１、５１、６１は、それぞれ吸収液の流量の定格値（容量）が異なる。それぞれの定格値については後述する。

吸収塔３と再生熱交換器４１、５１、６１との間に、吸収塔タンク３ａの底部から再生熱交換器４１、５１、６１にリッチ液４ａを供給するリッチ液ライン１１が連結されている。このリッチ液ライン１１に、吸収塔３からのリッチ液４ａを再生熱交換器４１、５１、６１に送り込むリッチ液ポンプ１２が設けられている。リッチ液ライン１１は、３本のリッチ液ライン１１ａ、１１ｂ、１１ｃに分岐して、再生熱交換器４１、５１、６１に連結される。

リッチ液ライン１１ａには、リッチ液４ａの流量を計測する流量計４２と、再生熱交換器４１に供給されるリッチ液４ａの流量を調整する調整弁４３が設けられている。同様に、リッチ液ライン１１ｂには、リッチ液４ａの流量を計測する流量計５２と、再生熱交換器５１に供給されるリッチ液４ａの流量を調整する調整弁５３が設けられている。同様に、リッチ液ライン１１ｃには、リッチ液４ａの流量を計測する流量計６２と、再生熱交換器６１に供給されるリッチ液４ａの流量を調整する調整弁６３が設けられている。

再生熱交換器４１、５１、６１と再生塔５との間に、再生熱交換器４１、５１、６１から再生塔５の上部にリッチ液４ａを供給するリッチ液ライン１３が連結されている。リッチ液ライン１３は３本のリッチ液ライン１３ａ、１３ｂ、１３ｃに分岐して、再生熱交換器４１、５１、６１に連結される。

リッチ液ライン１３ａには、再生熱交換器４１にリッチ液４ａを流さない場合に再生熱交換器４１を閉切るための閉切り弁４４が設けられている。同様に、リッチ液ライン１３ｂには、再生熱交換器５１にリッチ液４ａを流さない場合に再生熱交換器５１を閉切るための閉切り弁５４が設けられている。同様に、リッチ液ライン１３ｃには、再生熱交換器６１にリッチ液４ａを流さない場合に再生熱交換器６１を閉切るための閉切り弁６４が設けられている。

再生塔５と再生熱交換器４１、５１、６１との間に、再生塔タンク５ａの底部から再生熱交換器４１、５１、６１にリーン液４ｂを供給するリーン液ライン１４が連結されている。このリーン液ライン１４に、再生塔５からのリーン液４ｂを再生熱交換器４１、５１、６１に送り込むリーン液ポンプ１５が設けられている。リーン液ポンプ１５は、再生塔タンク５ａの底部から引き抜くリーン液４ｂの流量を調節できる。リーン液ライン１４は、３本のリーン液ライン１４ａ、１４ｂ、１４ｃに分岐して、再生熱交換器４１、５１、６１に連結される。

リーン液ライン１４ａには、リーン液４ｂの流量を計測する流量計４５と、再生熱交換器４１に供給されるリーン液４ｂの流量を調整する調整弁４６が設けられている。同様に、リーン液ライン１４ｂには、リーン液４ｂの流量を計測する流量計５５と、再生熱交換器５１に供給されるリーン液４ｂの流量を調整する調整弁５６が設けられている。同様に、リーン液ライン１４ｃには、リーン液４ｂの流量を計測する流量計６５と、再生熱交換器６１に供給されるリーン液４ｂの流量を調整する調整弁６６が設けられている。

再生熱交換器４１、５１、６１からのリーン液４ｂは、緩衝タンク１０に貯留される。再生熱交換器４１、５１、６１と緩衝タンク１０との間には、再生熱交換器４１、５１、６１にリーン液４ｂを流さない場合に再生熱交換器４１、５１、６１を閉切るための閉切り弁４７、５７、６７が設けられている。

ポンプ１６は緩衝タンク１０に貯留されているリーン液４ｂを吸収塔３の上部へ送り込む。ポンプ１６と吸収塔３との間には吸収液冷却器１７が設けられている。吸収液冷却器１７は、冷却水（冷却媒体）を冷却源として、吸収塔３に供給される吸収液を冷却する。

吸収塔３の上部に供給された吸収液は、吸収塔３内において上部から吸収塔タンク３ａに向けて下降する。一方、吸収塔３に供給された燃焼排ガス２ａは、吸収塔３内において下部から頂部に向けて上昇する。そのため、二酸化炭素を含む燃焼排ガス２ａと吸収液とが充填層３ｂにおいて向流接触（直接接触）し、吸収液が燃焼排ガス２ａ中の二酸化炭素を吸収し、リッチ液４ａが生成される。二酸化炭素が取り除かれた燃焼排ガス２ｂは、吸収塔３の頂部から排出され、リッチ液４ａは吸収塔３の吸収塔タンク３ａに貯留される。充填層３ｂは、例えば、多孔構造、ハニカム構造等を有するもので構成され、充填層３ｂを通過する吸収液を撹乱する作用を有するものであればよい。

吸収塔３頂部から排出された燃焼排ガス２ｂは、ガス冷却器２１によって冷却されて水分凝縮した後、気液分離器２２によって排ガスと吸収液成分を含む還流水とに気液分離される。気液分離器２２からの排ガス２ｃは排ガス導出ライン２３を介して系外に排出され、還流水は還流ライン２４を介して吸収塔３に戻される。

さらに、二酸化炭素分離回収システムには制御部７０が設けられている。制御部７０は、流量計４２、５２、６２から計測結果を受け取り、調整弁４３、５３、６３の開度を制御し、再生熱交換器４１、５１、６１へのリッチ液４ａ供給量を調整することができる。また、制御部７０は、流量計４５、５５、６５から計測結果を受け取り、調整弁４６、５６、６６の開度を制御し、再生熱交換器４１、５１、６１へのリーン液４ｂ供給量を調整することができる。制御部７０は、排ガス導入ライン８を介して吸収塔３に供給される排ガス２ａの流量や、排ガス２ａ中の二酸化炭素濃度についての情報を取得し、これらの情報に基づいて、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量を求め、再生熱交換器４１、５１、６１へのリッチ液４ａ供給量、リーン液４ｂ供給量を算出できる。

次に、再生熱交換器における吸収液流量と熱交換性能との関係について説明する。

一般に、再生熱交換器の熱交換性能を示す総括伝熱係数Ｋ［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］は、液流量の０．８乗程度に比例する。図２に、再生熱交換器の吸収液流量Ｌと、再生塔に供給する吸収液と再生塔運転温度との差ΔＴ［Ｋ］との関係の一例を示す。再生熱交換器の吸収液流量Ｌが定格値の１００％でΔＴ＝１０［Ｋ］となっている。すなわち、再生熱交換器の流量が定格値であった場合、再生熱交換器から再生塔へ供給される吸収液の温度は、再生塔運転温度より１０［Ｋ］低いということを示す。

図２から分かるように、再生熱交換器の吸収液流量Ｌが減少すると、ΔＴが上昇する。すなわち、再生熱交換器は、流量Ｌの減少に伴い、熱交換性能が低下する。

図３は、再生塔に供給する吸収液と再生塔運転温度との差ΔＴ［Ｋ］と、リボイラーでの投入エネルギーとの関係の一例を示す。ここで投入エネルギーは、ΔＴ＝１０［Ｋ］の場合を基準（１００％）としている。図３から、ΔＴの上昇に伴い、投入エネルギーが増大することが分かる。これは、吸収液の温度を再生塔運転温度まで上げるのに必要なエネルギーが増大するためである。

一般に、二酸化炭素分離回収システムでは、運転中における、リボイラーの投入エネルギーの増加を５％以下に抑えることが求められる。従って、図３から、ΔＴを１２．３［Ｋ］以下にする必要があることがわかる。また、図２から、ΔＴを１２．３［Ｋ］以下にするためには、再生熱交換器の流量Ｌを定格値の７５％以上にする必要があることが分かる。

上述のことから、本実施形態では、再生熱交換器４１、５１、６１の各々の流量を定格値の１００％〜７５％となるように流量を調整する。

続いて、再生熱交換器４１、５１、６１の吸収液の流量の定格値について説明するにあたり、まず、流量定格値（容量）が同じ再生熱交換器が２台設けられている場合について説明する。二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量を１００、２台の再生熱交換器の流量定格値をそれぞれ５０とする。再生熱交換器の流量は定格値の１００％〜７５％の範囲とするため、１台の再生熱交換器の流量範囲は５０〜３７．５となる。

従って、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量が１００〜７５の範囲であれば、２台の再生熱交換器の流量を定格値の１００％〜７５％にして対応することができる。また、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量が５０〜３７．５の範囲であれば、２台の再生熱交換器のうち一方を閉切り、他方の流量を定格値の１００％〜７５％にして対応することができる。しかし、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量が７５〜５０の範囲や、３７．５未満である場合、このような２台の再生熱交換器の流量を定格値の１００％〜７５％にすることでは対応できない。

２台の再生熱交換器のうち、一方の流量の定格値を、他方の流量の定格値の７５％とすることで、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量の対応可能な範囲が広がる。一方の再生熱交換器の流量定格値をａ、他方を０．７５×ａとした場合、ａ＋０．７５×ａ＝１００の関係が成り立つ。従って、再生熱交換器の一方の流量定格値は５７．１、他方は４２．９となる。実用上の概ねの比率としては、５７：４３である。

しかし、このような２台の再生熱交換器を用いても、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量が３２．２未満である場合は、２台の再生熱交換器の流量を定格値の１００％〜７５％にすることでは対応できない。

通常のプラントでは、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量変動範囲は、１００から、１／４負荷の２５までであることが多い。従って、再生熱交換器には、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量１００〜２５まで連続的に対応できることが望まれる。

そこで、再生熱交換器を１台追加し、本実施形態のように３台の再生熱交換器を設けることで、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量の対応可能な範囲がさらに広がる。例えば、上述の２台の再生熱交換器の流量定格値５７．１と４２．９のうち、４２．９を２つに分割する。上述の２台の場合の対応可能な流量の最小値である３２．２に２台目の再生熱交換器の流量定格値を設定し、３台目の再生熱交換器の流量定格値はその残りの１０．７（＝４２．９−３２．２）とする。

３台の再生熱交換器をこのような容量比率にすることで、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量変動範囲１００から２４．２まで連続的に対応することができる。

従って、再生熱交換器４１、５１、６１の容量比率を、５７．１：３２．２：１０．７とすることが好ましく、実用上の概ねの比率として、（５６〜５７）：（３２〜３３）：（１０〜１１）程度とすることが好適である。

また、３台の再生熱交換器のうち、最大容量をｂ、２番目に大きい容量を０．７５×ｂ、最小容量を０．７５^２×ｂとし、ｂ＋０．７５×ｂ＋０．７５^２×ｂ＝１００の関係が成り立つようにすることで、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量の対応可能な範囲がさらに広がる。このとき、３台の再生熱交換器の容量は、４３．２、３２．４、２４．３となる。このような比率にすることで、流量変動範囲１００から１８．２まで連続的に対応することができる。

従って、再生熱交換器４１、５１、６１の容量比率を、４３．２：３２．４：２４．３とすることがさらに好ましく、実用上の概ねの比率としては、（４３〜４４）：（３２〜３３）：（２３〜２５）程度である。

上述のよう容量比率の再生熱交換器４１、５１、６１を設け、制御部７０が、各再生熱交換器の流量が定格値の１００％〜７５％、又は０％（閉切り）となるように、調整弁４３、５３、６３、４５、５５、６５を制御する。このことにより、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量が変動しても、リボイラー６の投入エネルギーの増加を５％未満に抑えることができる。

このように、本実施形態によれば、容量の異なる３台の再生熱交換器を設けることで、吸収液の流量の変動に対し、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーの増加を抑制することができる。

上記実施形態では、３台の再生熱交換器を設ける例について説明したが、４台以上設けてもよい。

また、二酸化炭素分離回収システムを循環する吸収液の流量の変動範囲１００〜３２．２に対応することで良い場合は、上述したように、容量を５７．１、４２．９とした２台の再生熱交換器を設ければよい。再生熱交換器の数を減らすことができるため、コストを削減できる。

上記実施形態では、再生熱交換器への吸収液供給量を容量（定格値）の１００％〜７５％とする例について説明したが、この範囲は、リボイラー６の投入エネルギーの許容増加範囲によって変わり、それに応じて、複数の再生熱交換器の好適な容量比率も変化する。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 二酸化炭素分離回収システム
３ 吸収塔
５ 再生塔
６ リボイラー
４１、５１、６１ 再生熱交換

Claims (6)

1. 燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、
   前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、当該吸収液から蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させるとともに当該吸収液を再生し、放出された二酸化炭素ガス及び蒸気を含む排出ガスを排出する再生塔と、
   前記吸収塔と前記再生塔との間に設けられ、前記再生塔から前記吸収塔に供給される再生された吸収液を熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する複数の再生熱交換器と、
   を備え、
   前記複数の再生熱交換器はそれぞれ容量が異なることを特徴とする二酸化炭素分離回収システム。
2. 前記再生熱交換器は２台設けられ、容量比率は５７：４３であることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素分離回収システム。
3. 前記再生熱交換器は３台設けられ、容量比率は５７：３３：１０であることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素分離回収システム。
4. 前記再生熱交換器は３台設けられ、容量比率は４３：３３：２４であることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素分離回収システム。
5. 前記複数の再生熱交換器の各々に供給される吸収液の流量を計測する流量計と、
   前記複数の再生熱交換器の各々に供給される吸収液の流量を調整する調整弁と、
   前記流量計の計測結果を用いて各再生熱交換器への吸収液供給量を算出し、算出結果に基づいて前記調整弁の開度を制御する制御部と、
   をさらに備える請求項１乃至４のいずれかに記載の二酸化炭素分離回収システム。
6. 燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、
   前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、当該吸収液から蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させるとともに当該吸収液を再生し、放出された二酸化炭素ガス及び蒸気を含む排出ガスを排出する再生塔と、
   前記吸収塔と前記再生塔との間に設けられ、前記再生塔から前記吸収塔に供給される再生された吸収液を熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱し、互いに異なる容量を有する複数の再生熱交換器と、
   を備える二酸化炭素分離回収システムの運転方法であって、
   前記複数の再生熱交換器への吸収液流量を、前記容量の７５％以上１００％以下又は０％となるように調整することを特徴とする二酸化炭素分離回収システムの運転方法。

Images