JP2012115779A - Ｃｏ２回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】リボイラの熱エネルギーをより軽減し、省エネルギー化を図るＣＯ₂回収システムを提供する。
【解決手段】冷却されたＣＯ₂を含有する排ガス１２とＣＯ₂を吸収するＣＯ₂吸収液１５とを接触させて前記排ガス１２からＣＯ₂を除去するＣＯ₂吸収塔１６と、ＣＯ₂を吸収したＣＯ₂吸収液（リッチ溶液）１７からＣＯ₂を放出させて吸収液１５を再生する吸収液再生塔１８と、吸収液再生塔１８から排出されたリーン溶液１５の熱を回収するリーン溶液降温手段５０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス中に含まれるＣＯ₂を除去する吸収液を用いたＣＯ₂回収システムに関する。

近年、地球の温暖化現象の原因の一つとして、ＣＯ₂による温室効果が指摘され、地球環境を守る上で国際的にもその対策が急務となってきた。ＣＯ₂の発生源としては化石燃料を燃焼させるあらゆる人間の活動分野に及び、その排出抑制への要求が一層強まる傾向にある。これに伴い尿素等の原料(化学用途)、原油増産、及び地球温暖化対策として、大量の化石燃料を使用する火力発電所などの動力発生設備を対象に、ボイラの燃焼排ガスをアミン系ＣＯ₂吸収液と接触させ、燃焼排ガス中のＣＯ₂を除去、回収する方法及び回収されたＣＯ₂を大気へ放出することなく貯蔵する方法が精力的に研究されている。

大量の燃焼排ガス中のＣＯ₂を回収・貯蔵する実用的な方法として、例えばアミン水溶液等のＣＯ₂吸収液と接触させる化学吸収法がある。前記のようなＣＯ₂吸収液を用い、燃焼排ガスからＣＯ₂を除去・回収する工程としては、ＣＯ₂吸収塔において燃焼排ガスとＣＯ₂吸収液とを接触させる工程、ＣＯ₂を吸収した吸収液を吸収液再生塔において加熱し、ＣＯ₂を遊離させると共に吸収液を再生して再びＣＯ₂吸収塔に循環して再使用するものが採用されている（特許文献１）。

この従来の化学吸収法によるＣＯ₂回収装置の運転は、吸収液再生塔において高温のスチーム等でアミン水溶液とＣＯ₂とを分離させているが、このスチーム（エネルギー）の消費を最小化させる必要があった。そのため、これまで、二種類以上の異なるＣＯ₂吸収液を混合して用いる方法（特許文献２、３）、ＣＯ₂吸収液を送給するプロセスを改良する方法が検討されていた（特許文献４）。

特開平７−５１５３７号公報 特開２００１−２５６２７号公報 特開２００５−２５４２１２号公報 米国特許第６８００１２０号明細書

しかしながら、上述のＣＯ₂吸収液を用いて燃焼排ガスのようなＣＯ₂を含有する排ガスからＣＯ₂を吸収除去・回収するシステムにおいては、燃焼設備に付加して設置されるため、その操業費用もできるだけ低減させる必要がある。特に吸収液を再生する吸収液再生塔においては、多量の熱エネルギーを消費するので、スチームのエネルギーをより軽減し、可能な限り省エネルギー化が可能なプロセスとする必要がある。

また、従来のＣＯ₂回収システムが大型化し、ＣＯ₂回収量が１日当たり例えば１０００ｔ以上の処理量となると、再生工程において要するリボイラの熱エネルギーも多量に消費することになるため、スチームのエネルギーをより軽減し、省エネルギー化を図る必要がある。

本発明は、前記問題に鑑み、リボイラの熱エネルギーをより軽減し、省エネルギー化を図るＣＯ₂回収システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、冷却されたＣＯ₂を含有する排ガスとＣＯ₂を吸収するＣＯ₂吸収液とを接触させて前記排ガスからＣＯ₂を除去するＣＯ₂吸収塔と、ＣＯ₂を吸収したＣＯ₂吸収液からＣＯ₂を放出させて吸収液を再生する吸収液再生塔と、吸収液再生塔から排出されたリーン溶液の熱を回収するリーン溶液降温手段とを有することを特徴とするＣＯ₂回収システムにある。

第２の発明は、第１の発明において、リーン溶液降温手段は、リーン溶液をフラッシュさせるフラッシュドラムと、このフラッシュさせた水蒸気を吸収液再生塔内に圧力をかけて供給するフラッシュ蒸気コンプレッサとを有することを特徴とするＣＯ₂回収システムにある。

第３の発明は、第１の発明において、リーン溶液降温手段は、ボイラ給水の加熱に用いるボイラ給水熱交換器からなることを特徴とするＣＯ₂回収システムにある。

本発明によれば、リボイラの熱エネルギーをより軽減し、省エネルギー化を図ることができる。

図１は、実施例１に係るＣＯ₂回収システムの概略図である。 図２は、実施例２に係るＣＯ₂回収システムの概略図である。 図３は、実施例３に係るＣＯ₂回収システムの概略図である。 図４は、従来技術に係るＣＯ₂回収システムの概略図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係るＣＯ₂回収システムについて、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係るＣＯ₂回収システムの概略図である。
図１に示すように、ＣＯ₂回収システム１０は、例えばボイラ１１やガスタービン等の産業設備から排出されたＣＯ₂を含有する排ガス１２を冷却水１３によって冷却する排ガス冷却装置１４と、冷却されたＣＯ₂を含有する排ガス１２とＣＯ₂を吸収するＣＯ₂吸収液１５とを接触させて前記排ガス１２からＣＯ₂を除去するＣＯ₂吸収塔１６と、ＣＯ₂を吸収したＣＯ₂吸収液（リッチ溶液）１７からＣＯ₂を放出させて吸収液１５を再生する吸収液再生塔１８とを有する。
このシステムでは、前記吸収液再生塔１８でＣＯ₂を除去した再生吸収液（リーン溶液）１５はＣＯ₂吸収液１５として再利用する。

このＣＯ₂回収システム１０を用いたＣＯ₂回収方法では、まずＣＯ₂を含有する排ガス１２は、排ガス送風機２０により昇圧された後、排ガス冷却装置１４に送られ、ここで冷却水１３により冷却され、ＣＯ₂吸収塔１６に送られる。
ＣＯ₂吸収塔１６は、塔内部に充填部１６Ａ、１６Ｂが設けられ、塔下部に配設される充填部１６Ａで排ガス１２とＣＯ₂吸収液１５との対向接触効率を向上させている。塔上部に配設される充填部１６Ｂでは、排ガス１２と冷却水１９との対向接触効率を向上させている。

前記ＣＯ₂吸収塔１６において、排ガス１２は例えばアミン系の吸収液１５と交向流接触し、排ガス１２中のＣＯ₂は、化学反応（Ｒ−ＮＨ₂＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂→Ｒ−ＮＨ₃ＨＣＯ₃）によりＣＯ₂吸収液１５に吸収され、ＣＯ₂が除去された浄化排ガス２１は系外に放出される。ＣＯ₂を吸収した吸収液１７は「リッチ溶液」とも呼称される。このリッチ溶液１７は、リッチ溶液ポンプ２２により昇圧され、リッチ・リーン溶液熱交換器２３において、吸収液再生塔１８でＣＯ₂を除去されることにより再生された吸収液（リーン溶液）１５との熱交換により加熱され、その後吸収液再生塔１８に供給される。

この熱交換されたリッチ溶液１７は、吸収液再生塔１８の上部から再生塔１８内部に導入され、吸収液再生塔１８内を流下する際に、水蒸気２５による吸熱反応を生じて、大部分のＣＯ₂を放出し、再生される。吸収液再生塔１８内で一部または大部分のＣＯ₂を放出した吸収液は「セミリーン溶液」と呼称される。このセミリーン溶液は、吸収液再生塔１８下部に至る頃には、ほぼ全てのＣＯ₂が除去された吸収液となる。このほぼ全てのＣＯ₂が除去されることにより再生された吸収液は「リーン溶液」と呼称される。このリーン溶液１５は再生過熱器２４で飽和水蒸気２５により間接的に加熱される。
また、吸収液再生塔１８の塔頂部からは塔内においてリッチ溶液１７及びセミリーン溶液から放出された水蒸気を伴ったＣＯ₂ガス２６が導出され、コンデンサ２７により水蒸気が凝縮され、分離ドラム２８にて水２６ｂが分離され、ＣＯ₂ガス２６ａが系外に放出されて回収される。分離ドラム２８にて分離された水２６ｂは凝縮水循環ポンプ２９にて吸収液再生塔１８の上部に供給される。
再生された吸収液（リーン溶液）１５は、前記リッチ・リーン溶液熱交換器２３にて前記リッチ溶液１７により冷却され、つづいてリーンソルベントポンプ３０にて昇圧され、さらにリーンソルベントクーラ３１にて冷却された後、再びＣＯ₂吸収塔１６に供給され、ＣＯ₂吸収液１５として再利用される。

なお、図１中、符号１１ａはボイラ１１やガスタービン等の産業設備の煙道であり、１１ｂは煙突、１８Ａ、１８Ｂは充填部、１８Ｃはミストエリミネータ、３２は水蒸気凝縮水である。前記ＣＯ₂回収システムは、既設の排ガス１２源からＣＯ₂を回収するために後付で設けられる場合と、新設排ガス１２源に同時付設される場合とがある。煙突１１ｂには開閉可能な扉を設置し、ＣＯ₂回収システムの運転時は閉止する。また排ガス１２源は稼動しているが、ＣＯ₂回収システムの運転を停止した際は開放するように設定する。

本実施例では、吸収液再生塔１８から排出されたリーン溶液１５の熱を回収するリーン溶液降温手段５０を設けており、リーン溶液１５の熱を有効利用するようにしている。
すなわち、リーン溶液１５は吸収液再生塔１８で飽和水蒸気２５により間接的に加熱された水蒸気１５ａにより過熱されているので、１２０℃程度で系外に排出され、リッチ・リーン溶液熱交換器２３に導入される。
この際、リーン溶液降温手段５０によりその熱を回収し、リーン溶液１５の温度を降下させることで、リッチ・リーン溶液熱交換器２３の熱交換容量を小さくすることができる。
これは、リッチ溶液１７の温度が５０℃でリッチ・リーン溶液熱交換器２３に導入される場合、熱交換するリーン溶液１５の温度が１２０℃と高い場合には、熱交換後のリッチ溶液１７の温度は１１０℃となるので、その温度差が６０℃となる。
これに対し、リーン溶液１５の温度を降下させることで、リッチ・リーン溶液熱交換器２３に導入されるリーン溶液１５の温度が１００℃以下となり、熱交換後のリッチ溶液１７の温度は９５℃となる。
よって、リッチ溶液１７の上昇が１５℃も少なくなるので、その分リッチ・リーン溶液熱交換器２３の熱交換容量も小さくなる。

この結果、吸収液再生塔１８に導入されるリッチ溶液１７の温度が下がるので、このリッチ溶液１７からほぼ全てのＣＯ₂を除去するためのリボイラー熱量を大幅に下げることができる。

ここで、リボイラー熱量とは、吸収液再生塔１８において、吸収液を再生させるために必要な熱容量をいう。
その内訳は、(ａ)吸収液を再生するための反応熱量Ｑ₁、（ｂ）吸収液再生塔１８から溶液として持ち出される損失熱量Ｑ₂、（ｃ）吸収液再生塔１８からＣＯ₂と共に排出される水蒸気として持ち出される損失熱量Ｑ₃の総和Ｑ_Rをいう。
本実施例によれば、リーン溶液１５の熱を回収するリーン溶液降温手段５０を設けることにより、リボイラ熱量の総和を減らすことができ、この結果リボイラ熱量が低下するので、吸収液再生塔１８側での熱使用量を大幅に低減することができる。

本発明による実施例に係るＣＯ₂回収システムについて、図面を参照して説明する。図２は、実施例２に係るＣＯ₂回収システムの概略図である。
図２に示すように、ＣＯ₂回収システム１０Ａにおけるリーン溶液降温手段５０としては、リーン溶液１５をフラッシュさせるフラッシュドラム５１と、このフラッシュさせた水蒸気を吸収液再生塔１８内に圧力をかけて供給するフラッシュ蒸気コンプレッサ５２とから構成されている。

フラッシュドラム５１でリーン溶液１５をフラッシュすることで、リーン溶液１５は１００℃となる。そして、リーン溶液ポンプ５３を介してリッチ・リーン溶液熱交換器２３に導入されるリーン溶液１５の温度は１００℃以下となる。

このように、吸収液再生塔１８から排出されるリーン溶液の温度Ｔ₁が例えば１２０℃の場合、フラッシュドラム５１でリーン溶液１５をフラッシュすることで、フラッシュの後のリーン溶液１５の温度Ｔ₂は１００℃となる。

例えばリッチ溶液１７の温度Ｔ₃が５０℃の場合、リッチ・リーン溶液熱交換器２３に導入されるリーン溶液１５の温度Ｔ₂が１００℃以下で熱交換されるので、熱交換後のリッチ溶液１７の温度Ｔ₄は９５℃となる。なお、リーン溶液１５の熱交換後の温度Ｔ₅は５５℃に低下する。なお、水蒸気として外部に排出する温度Ｔ₆は８２．５℃である。
ここで、吸収液再生塔１８の塔内は０．９ｋｇ／ｃｍ²Ｇである。

よって、吸収液再生塔１８に導入されるリッチ溶液１７の温度が従来よりも低いので、吸収液再生塔１８でのリボイラ熱量の低下を図ることができる。
ここで、吸収液再生塔１８のリボイラ熱量の内訳は、(ａ)リッチ溶液１７を再生するための反応熱量Ｑ１（４０４ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）、（ｂ）吸収液再生塔１８から溶液として持ち出される損失熱量Ｑ２（５５ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）、（ｃ）吸収液再生塔１８からＣＯ₂と共に排出される水蒸気として持ち出される損失熱量Ｑ３（８６ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）の総和（５４５ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）となる。

これに対し、従来技術のように、リーン溶液１５の熱を回収しない場合、例えばリッチ溶液１７の温度Ｔ₃が５０℃の場合、リッチ・リーン溶液熱交換器２３に導入されるリーン溶液１５の温度Ｔ₂が１２０℃で熱交換されるので、熱交換後のリッチ溶液１７の温度Ｔ₄は１１０℃となる。なお、リーン溶液１５の熱交換後の温度Ｔ₅は６０℃に低下する。なお、水蒸気として外部に排出する温度Ｔ₆は９２．５℃である。
よって、リボイラ熱量の内訳は、(ａ)吸収液を再生するための反応熱量Ｑ₁（４０４ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）、（ｂ）吸収液再生塔１８から溶液として持ち出される損失熱量Ｑ₂（１１０ｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）、（ｃ）吸収液再生塔１８からＣＯ₂と共に排出される水蒸気として持ち出される損失熱量Ｑ₃（１５１ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）の総和Ｑ_R（６６５ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）となる。

図２の本発明に係るＣＯ₂回収システム１０Ａの吸収液再生塔１８のリボイラ熱量は、５４５ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂であるのに対し、図４の従来技術に係るＣＯ₂回収システム１０Ｃの吸収液再生塔１８のリボイラ熱量は、６６５ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂であり、大幅なリボイラ熱量の低減を図ることができることが判明した。

このように、本発明によれば、表１に示すように、リーン溶液の熱を有効的に回収することで、吸収液再生塔１８側における熱量の総和を大幅に低減することができると共に、ランニングコストの大幅な低減となる。

なお従来技術における提案では、吸収液再生塔１８の塔内に供給するリッチ溶液１７の温度を上昇させて、塔内でのリボイラ熱量を下げることを主眼として検討していたが、本発明のように、塔内のみならず、（ｂ）吸収液再生塔１８から溶液（リーン溶液）として持ち出される損失熱量Ｑ₂と、（ｃ）吸収液再生塔１８からＣＯ₂と共に排出される水蒸気として持ち出される損失熱量Ｑ₃（１５１ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）とを考慮して全体として低減することとしたので、リーン溶液１５の熱を回収することで、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。

本発明による実施例に係るＣＯ₂回収システムについて、図面を参照して説明する。図３は、実施例３に係るＣＯ₂回収システムの概略図である。
図３に示すように、ＣＯ₂回収システム１０Ｂにおけるリーン溶液降温手段５０としては、ボイラ給水６１の加熱に用いるボイラ給水熱交換器６２から構成されている。
ボイラ給水６１と熱交換することで、リーン溶液１５は１００℃以下とすることができ、リッチ・リーン溶液熱交換器２３に導入されるリーン溶液１５の温度は１００℃以下となり、熱交換後のリッチ溶液１７の温度は９５℃となる。

その内訳は、(ａ)吸収液を再生するための反応熱量Ｑ₁（４０４ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）、（ｂ）吸収液再生塔１８から溶液（リーン溶液）として持ち出される損失熱量Ｑ₂（５５ｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）、（ｃ）吸収液再生塔１８から水蒸気２６ａとして持ち出される損失熱量Ｑ₃（１５５ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）の総和Ｑ_R（６１４ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂）となる。

図３の本発明に係るＣＯ₂回収システム１０Ｂの吸収液再生塔１８のリボイラ熱量は、６１４ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂であるのに対し、図４の従来技術に係るＣＯ₂回収システム１０Ｃの吸収液再生塔１８のリボイラ熱量は、６６５ｋｃａｌ／ｋｇＣＯ₂であり、大幅なリボイラ熱量の低減を図ることができることが判明した。

以上より、本発明のＣＯ₂回収システムによれば、ＣＯ₂回収量が１日当たり例えば１０００ｔ以上の処理量となる大型化した場合における吸収液再生に要するリボイラの熱エネルギーの大幅な軽減を図ることができ、システム全体の省エネルギー化を図ることができる。

以上のように、本発明に係るＣＯ₂回収システムによれば、リボイラの熱エネルギーをより軽減し、省エネルギー化を図ることができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ ＣＯ₂回収システム
１１ ボイラ
１２ 排ガス
１５ ＣＯ₂吸収液（リーン溶液）
１６ ＣＯ₂吸収塔
１７ リッチ溶液
１８ 吸収液再生塔
５０ リーン溶液降温手段
５１ フラッシュドラム
５２ フラッシュ蒸気コンプレッサ
６１ ボイラ給水
６２ ボイラ給水熱交換器

Claims (3)

1. 冷却されたＣＯ₂を含有する排ガスとＣＯ₂を吸収するＣＯ₂吸収液とを接触させて前記排ガスからＣＯ₂を除去するＣＯ₂吸収塔と、
   ＣＯ₂を吸収したＣＯ₂吸収液からＣＯ₂を放出させて吸収液を再生する吸収液再生塔と、
   吸収液再生塔から排出されたリーン溶液の熱を回収するリーン溶液降温手段とを有することを特徴とするＣＯ₂回収システム。
2. 請求項１において、
   リーン溶液降温手段は、
   リーン溶液をフラッシュさせるフラッシュドラムと、
   このフラッシュさせた水蒸気を吸収液再生塔内に圧力をかけて供給するフラッシュ蒸気コンプレッサとを有することを特徴とするＣＯ₂回収システム。
3. 請求項１において、
   リーン溶液降温手段は、
   ボイラ給水の加熱に用いるボイラ給水熱交換器からなることを特徴とするＣＯ₂回収システム。
   
   

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