JP2012192403A - Co2回収装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水蒸気量の大幅な低減を図り、エネルギー効率を一層向上させることができるCO2回収装置を提供する。
【解決手段】排出されたCO2とO2とを含有する排ガス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とを接触させて排ガス12からCO2を除去するCO2回収部16Aを有するCO2吸収塔16と、CO2を吸収したCO2吸収液17からCO2を放出させてCO2吸収液を再生する吸収液再生塔18とを有すると共に、CO2吸収塔16内の水洗部16Bで凝縮された循環洗浄水19の一部の洗浄水19aを抜き出す洗浄水抜き出しライン51と、抜き出しライン51に介装され、ボイラ排ガス煙道11a内に設けられた第1の熱交換器52と、第1の熱交換器52で熱交換された過熱された洗浄水19bを吸収液再生塔18の底部に導入する過熱洗浄液供給ライン53とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、CO2吸収液を再生する際の水蒸気量の低減を図ることができるCO2回収装置に関する。
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。また、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、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再生塔において加熱し、CO2を放出させると共に吸収液を再生して再び吸収塔に循環して再使用するものが採用されている(例えば、特許文献1参照)。
前記CO2 吸収液及び工程を用いて燃焼排ガスのようなCO2 含有ガスからCO2 を吸収除去・回収する方法においては、これらの工程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なければならない。特に前記工程の内、再生工程は多量の熱エネルギーを消費するので、可能な限り省エネルギープロセスとする必要がある。
そこで、従来では再生塔からセミリーン溶液の一部を外部へ抜き出し、リーン溶液と熱交換器で熱交換させると共に、次いでスチーム凝縮水と熱交換器で熱交換させ、抜き出し位置より下部側に戻して、再生塔の下部側に供給するセミリーン溶液の温度を上昇させ、スチーム消費量の低減を図ることが提案されている(例えば、特許文献2(実施例8、図17)参照)。
特開平7−51537号公報 特開2005−254212号公報
ところで、吸収液(例えばセミリーン溶液)を用いて熱回収の場合、熱回収に使用する吸収液温度が高いので、熱回収量が限定的であると共に、吸収液自体の熱劣化の観点から高い温度まで上げることができない、という問題がある。
また、熱回収により発生した過熱蒸気を再生過熱器に使用する提案があるが、回収した熱は再生過熱器を介して系内に伝えられるので、温度差が必要となり、熱回収量が限定的となる、という問題がある。
よって、再生工程における熱エネルギー消費の削減のために、更なる水蒸気量の削減が切望されている。
本発明は、前記問題に鑑み、水蒸気量の大幅な低減を図り、エネルギー効率を一層向上させることができるCO2回収装置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、CO2を含有するガスとCO2吸収液とを接触させてCO2を除去するCO2吸収塔と、CO2を吸収したリッチ溶液を再生過熱器により再生する吸収液再生塔と、吸収液再生塔でCO2を除去したリーン溶液をCO2吸収液としてCO2吸収塔で再利用するCO2回収装置であって、CO2吸収塔のガス流れ後流側に設置される洗浄部の洗浄水の一部を抜き出して熱交換する熱交換部と、前記熱交換部で熱交換され、過熱された洗浄液を吸収液再生塔の底部に導入する過熱洗浄液供給ラインとを具備してなることを特徴とするCO2回収装置にある。
第2の発明は、第1の発明において、前記熱交換部がボイラ排ガス煙道に設けられた第1の熱交換器、又はCO2圧縮ラインのCO2圧縮器の後流側に設けられた第2の熱交換器のいずれか一方又は両方であることを特徴とするCO2回収装置にある。
第3の発明は、第1又は2の発明において、前記吸収液再生塔が少なくとも二分割してなり、分割した吸収液再生塔の上段側からCO2を一部除去したセミリーン溶液を抜き出し、吸収液再生塔の下段側に供給するセミリーン溶液抜き出しラインと、セミリーン溶液抜き出しラインに介装され、再生過熱器からのスチーム凝縮水の余熱によりセミリーン溶液を加熱するスチーム凝縮水熱交換器とを具備してなることを特徴とするCO2回収装置にある。
第4の発明は、第3の発明において、前記セミリーン溶液抜き出しラインに、吸収液再生塔からのリーン溶液の熱によりセミリーン溶液を加熱するリーン溶液熱交換器を介装してなることを特徴とするCO2回収装置にある。
第5の発明は、第1乃至4のいずれか一つの発明において、前記CO2吸収塔からリッチ溶液を再生過熱器に供給するリッチ溶液供給ラインと、吸収液再生塔からリーン溶液をCO2吸収塔へ供給するリーン溶液供給ラインとの交差部に、リーン溶液の余熱でリッチ溶液を加熱するリッチ・リーン溶液熱交換器を介装してなることを特徴とするCO2回収装置にある。
本発明によれば、洗浄水又は還流水の一部を熱交換器により熱交換することで、温度の低い洗浄水又は還流水が例えば120℃程度に過熱される熱回収がなされる。この結果、過熱された洗浄水を吸収液再生塔の底部に供給することで、再生過熱器に供給する水蒸気の供給量の低減を図ることができる。
図1は、実施例1に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。 図2は、実施例2に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。 図3は、実施例3に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。 図4は、実施例4に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。 図5は、実施例5に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。 図6は、比較例に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。
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、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。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回収装置について、図1を参照して説明する。
図1は、実施例1に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。図1に示すように、実施例1に係るCO2回収装置10Aは、ボイラやガスタービン等の産業燃焼設備11から排出されたCO2とO2とを含有する排ガス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(以下、「吸収液」ともいう。)15とを接触させて排ガス12からCO2を除去するCO2回収部16Aを有するCO2吸収塔16と、CO2を吸収したCO2吸収液(以下、「リッチ溶液」ともいう。)17からCO2を放出させてCO2吸収液を再生する吸収液再生塔18とを有する。そして、このCO2回収装置10Aでは、再生塔18でCO2を除去した再生CO2吸収液(以下、「リーン溶液」ともいう。)15はCO2吸収塔16でCO2吸収液として再利用する。
なお、図1中、符号11bは煙突、32はスチーム凝縮水である。前記CO2回収装置は、既設の排ガス源から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回収装置の運転時は閉止する。また排ガス源は稼動しているが、CO2回収装置の運転を停止した際は開放するように設定する。
このCO2回収装置を用いたCO2回収方法では、まず、CO2を含んだボイラやガスタービン等の産業燃焼設備11からの排ガス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。
前記CO2吸収塔16において、排ガス12は例えばアミン系溶液をベースとするCO2吸収液15と向流接触し、排ガス12中のCO2は、化学反応によりCO2吸収液15に吸収される。
CO2回収部16AでCO2が除去された後のCO2除去排ガスは、CO2吸収塔16内の水洗部16Bでノズルから供給されるCO2吸収液を含む循環洗浄水19と気液接触して、CO2除去排ガスに同伴するCO2吸収液15が回収され、その後CO2が除去された排ガス21は系外に放出される。
また、CO2を吸収したCO2吸収液17であるリッチ溶液は、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、再生塔18で再生されたCO2吸収液15であるリーン溶液により加熱され、再生塔18に供給される。
再生塔18の上部から内部に放出されたリッチ溶液17は、底部から供給される水蒸気により吸熱反応を生じて、大部分のCO2を放出する。再生塔18内で一部または大部分のCO2を放出したCO2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、再生塔18の底部に至る頃には、ほぼ全てのCO2が除去されたCO2吸収液15となる。このリーン溶液はその一部が再生過熱器24で水蒸気25により過熱され、再生塔18内部に水蒸気を供給している。
一方、再生塔18の塔頂部からは、塔内においてリッチ溶液17およびセミリーン溶液から放出された水蒸気を伴ったCO2同伴ガス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にて水が分離され、CO2同伴ガス26が系外に放出されて別途圧縮器71により圧縮され、回収される。この回収されたCO2同伴ガス26は、石油増進回収法(EOR:Enhanced Oil Recovery)を用いて油田中に圧入するか、帯水層へ貯留し、温暖化対策を図っている。
CO2同伴ガスから分離ドラム28にて分離・還流された還流水29は還流水循環ポンプ33にて再生塔18の上部と循環洗浄水19側に各々供給される。
再生されたCO2吸収液(リーン溶液)15は、リッチ・リーン溶液熱交換器23にて、リッチ溶液17により冷却され、つづいてリーン溶液ポンプ30にて昇圧され、さらにリーン溶液クーラ31にて冷却された後、CO2吸収塔16内に供給される。
本実施例では、さらにCO2吸収塔16内の水洗部16Bで凝縮された循環洗浄水19の一部の洗浄水19aを抜き出す洗浄水抜き出しライン51と、抜き出しライン51に介装され、ボイラ排ガス煙道11a内に設けられた第1の熱交換器52と、第1の熱交換器52で熱交換された過熱された洗浄水19bを吸収液再生塔18の底部に導入する過熱洗浄液供給ライン53とを具備してなる。
なお、過熱洗浄液供給ライン53には、温度計54及び脱圧弁55が介装されており、排ガス12と熱交換され過熱された洗浄水(過熱蒸気)19bの熱交換の程度の調整をしている。
本実施例によれば、循環洗浄水の循環水量を除いた部分を抜き出すことで、従来では、吸収部に落下してリッチ溶液として吸収液再生塔で再生される容量が低減するので、吸収液再生塔での再生エネルギーの低減を図ると共に、さらにその抜き出した洗浄液を排ガス(ガス温度140〜200℃)12と第1の熱交換器52において熱交換することで、約50℃の洗浄水が例えば120℃程度に過熱される熱回収がなされる。この結果、過熱された洗浄水19bが過熱洗浄液供給ライン53を介して吸収液再生塔18の底部に供給されるので、再生過熱器24に供給する水蒸気25の供給量の低減を図ることができる。
特に、水洗部16Bの凝縮された洗浄水19は、その他のプロセスよりも比較的温度が低いので、熱回収量が多く、再生塔への熱回収量の最大化を図ることができる。
さらに、洗浄水19は中に含まれる吸収液の濃度が低いので、排ガス12との熱交換による熱劣化量が小さいものとなる。
さらに、吸収液再生塔18の底部に熱回収した過熱された洗浄水19bを供給するので、別途リッチ溶液17として吸収液再生塔18の上部に供給される吸収液中の吸収剤(アミン)濃度が通常よりも高くなる。その結果、系内での水バランスが同じ場合、吸収液再生塔18内で蒸発する水が減少することとなり、再生エネルギーの低減を図ることができる。
過熱される洗浄液は、CO2回収装置10AのCO2吸収塔16と吸収液再生塔18との閉鎖系内を循環する水であるので、水バランスを保つことができる。
すなわち、外部より過熱蒸気を供給する場合には、水バランスが崩れ、余剰の水を系外に排出する必要があるからである。
本発明による実施例に係るCO2回収装置について、図2を参照して説明する。なお、実施例1の構成部材と同一の部材については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
図2は、実施例2に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。図2に示すように、実施例2に係るCO2回収装置10Bは、実施例1に係るCO2回収装置10Aにおいて、さらに過熱された洗浄水19bの供給先を変更できるようにしている。
実施例1においては、吸収液再生塔18の底部に過熱された洗浄水19bを供給しているが、過熱された洗浄水の温度が低い場合には、底部に供給すると再生過熱器24で熱交換したリーン溶液の蒸気温度の低下となる。
そこで、第1の熱交換器52での熱交換温度が低い場合には、吸収液再生塔18の中段部分(第1段部18aと第2段部18bとの間)又は上段部分に過熱された洗浄水19bを供給するようにしている。
この供給先の変更は、過熱洗浄液供給ライン53に介装された温度計54の計測結果により、制御装置56からの指令を流路切替部57で切り替えるようにしている。
例えば温度計54での計測の結果、例えば120℃以上の過熱された洗浄水である場合には、吸収液再生塔18の底部に導入し、例えば100〜120℃の蒸気である場合には、吸収液再生塔18の中間部に導入し、例えば100℃未満である場合には、吸収液再生塔18の上部に導入するようにしている。
本発明による実施例に係るCO2回収装置について、図3を参照して説明する。なお、実施例1の構成部材と同一の部材については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
図3は、実施例3に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。ここで、図3は、図1の部分全体システムの吸収塔及び再生塔の要部部分としているが、その他の構成は実施例1と同様である。
図3に示すように、実施例3に係るCO2回収装置10Cは、実施例1に係るCO2回収装置10Aにおいて、吸収液再生塔18の内部を、第1段部18a、第2段部18b及び第3段部18cと3分割している。
そして、各々から抜き出したセミリーン溶液15aは、それぞれスチーム凝縮水32の余熱による第1スチーム凝縮水熱交換器61a及び第2スチーム凝縮水熱交換器61bで熱交換させると共に、その一部はそれぞれリーン溶液15の熱による第1リーン溶液熱交換器62a及び第2リーン溶液熱交換器62bで熱交換させている。
本実施例においては、再生加熱器24で使用されたスチーム凝縮水32の余熱と、リーン溶液15の熱とを有効利用することとなり、実施例1の効果に加えて、さらにこの結果再生塔18で使用するスチーム供給量を低減することができる。
なお、本実施例では、スチーム凝縮水32の余熱と、リーン溶液15の熱とを一度に有効利用しているが、別々に利用するものでもよい。
本発明による実施例に係るCO2回収装置について、図4を参照して説明する。なお、実施例1の構成部材と同一の部材については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
図4は、実施例4に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。
図4に示すように、実施例4に係るCO2回収装置10Dは、実施例1に係るCO2回収装置10Aにおいて、還流水29の一部29aを煙道11a内の熱交換部52において、熱交換して、過熱された還流水29bとしている。そして、この過熱された還流水29bを吸収液再生塔18の底部に供給している。
還流水29も洗浄水と同様に温度が低いので、熱回収量が多く、再生塔への熱回収量の最大化を図ることができる。また、還流水29中に含まれる吸収液の濃度も極めて低いので、排ガス12との熱交換による熱劣化量が小さいものとなる。
本発明による実施例に係るCO2回収装置について、図5を参照して説明する。なお、実施例1の構成部材と同一の部材については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
図5は、実施例5に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。
図5に示すように、実施例5に係るCO2回収装置10Eは、実施例1に係るCO2回収装置10Aにおいて、洗浄水19の一部をCO2圧縮ラインのCO2圧縮器71の後流側に設けられた第2の熱交換器58によりCO2圧縮ガス72と熱回収している。
CO2圧縮器71では、CO2同伴ガス26が圧縮され、約170℃の温度に加熱されるので、このガスの熱を有効利用して、洗浄水と熱交換するようにしている。
なお、本実施例では、洗浄水19aを熱交換しているが、還流水29も洗浄水と同様に熱交換するようにしてもよい。
以下、本発明の効果を示す好適な試験例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
[試験例1]
試験例1のCO2回収装置としては、実施例1のCO2回収装置10Aであり、熱媒体として水を用いて、排ガス(200℃)12から熱回収を行った。
熱回収後の過熱された洗浄水19bを吸収液再生塔18の底部に導入した場合のCO2回収熱原単位について検討を行った。熱回収後の媒体状態は、圧縮水(180℃、10kg/cm2G)である。
図6は、従来の比較例1に係るCO2回収装置の構成を示す概略図である。
図6に示すように、比較例のCO2回収装置100は、図3に示す実施例3のCO2回収装置10Cから、第1の熱交換器52及び過熱洗浄液供給ライン53を除いたものであり、この従来の装置を基準とした。
試験例1では、洗浄部16Bの洗浄水19から循環水量を除いた全量を第1の熱交換器52に供給して熱回収した。
また、試験例2では、洗浄部16Bの洗浄水19から循環水量を除いた全量の1/2を第1の熱交換器52に供給して熱回収した。
さらに、試験例3では、図4に示すCO2回収装置10Dであり、還流水29を熱交換器52で熱回収したものである。
その結果を表1に示す。
Figure 2012192403
表1に示すように、図6の比較例の再生過熱器熱量が12.99MMkcal/hであり、CO2回収熱原単位は624kcal/kg-CO2であった。
これに対し、試験例1の場合には、再生過熱器熱量が11.41MMkcal/hであり、CO2回収熱原単位は548kcal/kg-CO2であった。比較例を100とした場合、熱原単位の減少は12.2%と従来の省エネルギープロセスのシステムよりもさらに水蒸気の供給量の低減を図ることができた。
また、試験例2の場合には、再生過熱器熱量が12.13MMkcal/hであり、CO2回収熱原単位は582kcal/kg-CO2であった。比較例を100とした場合、熱原単位の減少割合は6.7%と従来の省エネルギープロセスのシステムよりもさらに水蒸気の供給量の低減を図ることができた。
さらに、試験例3の場合には、再生過熱器熱量が12.72MMkcal/hであり、CO2回収熱原単位は610kcal/kg-CO2であった。比較例を100とした場合、熱原単位の減少割合は2.1%と従来の省エネルギープロセスのシステムよりもさらに水蒸気の供給量の低減を図ることができた。
10A〜10E CO2回収装置
11 産業燃焼設備
12 排ガス
14 排ガス冷却装置
15 CO2吸収液(リーン溶液)
16 CO2吸収塔
17 CO2を吸収したCO2吸収液(リッチ溶液)
18 吸収液再生塔
19 洗浄水
19a 一部の洗浄水
19b 過熱された洗浄水
52 第1の熱交換器
58 第2の熱交換器

Claims (5)

  1. CO2を含有するガスとCO2吸収液とを接触させてCO2を除去するCO2吸収塔と、CO2を吸収したリッチ溶液を再生過熱器により再生する吸収液再生塔と、吸収液再生塔でCO2を除去したリーン溶液をCO2吸収液としてCO2吸収塔で再利用するCO2回収装置であって、
    CO2吸収塔のガス流れ後流側に設置される洗浄部の洗浄水の一部、又は吸収液再生塔から排出されるCO2同伴ガスから還流される還流水を抜き出して熱交換する熱交換部と、
    前記熱交換部で熱交換され、過熱された洗浄液を吸収液再生塔の底部に導入する過熱洗浄液供給ラインとを具備してなることを特徴とするCO2回収装置。
  2. 請求項1において、
    前記熱交換部がボイラ排ガス煙道に設けられた第1の熱交換器、又はCO2圧縮ラインのCO2圧縮器の後流側に設けられた第2の熱交換器のいずれか一方又は両方であることを特徴とするCO2回収装置。
  3. 請求項1又は2において、
    前記吸収液再生塔が少なくとも二分割してなり、
    分割した吸収液再生塔の上段側からCO2を一部除去したセミリーン溶液を抜き出し、吸収液再生塔の下段側に供給するセミリーン溶液抜き出しラインと、
    セミリーン溶液抜き出しラインに介装され、再生過熱器からのスチーム凝縮水の余熱によりセミリーン溶液を加熱するスチーム凝縮水熱交換器とを具備してなることを特徴とするCO2回収装置。
  4. 請求項3において、
    前記セミリーン溶液抜き出しラインに、吸収液再生塔からのリーン溶液の熱によりセミリーン溶液を加熱するリーン溶液熱交換器を介装してなることを特徴とするCO2回収装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか一つにおいて、
    前記CO2吸収塔からリッチ溶液を再生過熱器に供給するリッチ溶液供給ラインと、吸収液再生塔からリーン溶液をCO2吸収塔へ供給するリーン溶液供給ラインとの交差部に、
    リーン溶液の余熱でリッチ溶液を加熱するリッチ・リーン溶液熱交換器を介装してなることを特徴とするCO2回収装置。
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