JP2013188649A - 三酸化硫黄除去システム、三酸化硫黄除去方法、および二酸化炭素回収システム - Google Patents

三酸化硫黄除去システム、三酸化硫黄除去方法、および二酸化炭素回収システム Download PDF

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Abstract

【課題】三酸化硫黄除去処理における三酸化硫黄の残存量を低減することが可能な三酸化硫黄除去システム、三酸化硫黄除去方法、および二酸化炭素回収システムを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、三酸化硫黄除去システムは、三酸化硫黄を含有するガスと吸着剤を接触させて、前記ガス中の前記三酸化硫黄を除去する乾式除去部を備える。さらに、前記システムは、前記乾式除去部から排出された前記ガスと吸収液を接触させて、前記ガス中に残存する前記三酸化硫黄を除去する湿式除去部を備える。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、三酸化硫黄除去システム、三酸化硫黄除去方法、および二酸化炭素回収システムに関する。
近年、化石燃料の燃焼生成物である二酸化炭素(CO)の温室効果による地球温暖化の問題が大きくなっている。このような背景の中、大量の化石燃料を使用する火力発電所等を対象に、燃焼排ガス中の二酸化炭素をアミン系吸収液により分離・回収する方法や、回収された二酸化炭素を大気中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。
具体的には、燃焼排ガスと吸収液を接触させて、燃焼排ガス中の二酸化炭素を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を加熱して、吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔とを備える二酸化炭素回収システムが知られている。再生塔において再生された吸収液は、吸収塔に供給されて再使用される。このように、吸収液は、吸収塔と再生塔との間を循環させて使用される。
特開2004−323339号公報 米国特許5378442号公報 米国特許5648053号公報
火力発電所等の燃焼排ガスは、SO(三酸化硫黄)を含有していることが多い。この場合、二酸化炭素回収システムの吸収塔内では、燃焼排ガス中のSOがHOと反応し、HSO(硫酸)が生成される。
SO + HO → HSO ・・・(1)
生成されたHSOは、単独でまたは微粒子に吸着されてミストを形成する。そして、このミストが、吸収液から蒸発したアミンを吸着する。その結果、システム内で使用するはずのアミンが、吸収塔から排ガスと共に排出されてしまう。
吸収塔から排出される排ガス中のアミン濃度は、燃焼排ガス中のSO濃度の10倍程度になることが知られている。例えば、SO濃度が0ppm、1ppm、3ppmの燃焼排ガスに対し、モノエタノールアミンの重量含有率が30%の吸収液を使用する場合、吸収塔からの排ガス中のアミン濃度はそれぞれ0.8ppm、29.7ppm、67.5ppmとなる。
そのため、二酸化炭素を分離・回収する処理の実行前には、吸収塔からのアミン排出量を低減するために、燃焼排ガス中のSOを除去しておくことが望ましい。一般に、燃焼排ガス中のSOの除去には電気集塵機や吸着剤が用いられるが、処理後の燃焼排ガス中に1ppm程度のSOが残存してしまうという問題がある。そのため、SO残存量を低減可能なSO除去方法を案出することが求められている。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、三酸化硫黄除去処理における三酸化硫黄の残存量を低減することが可能な三酸化硫黄除去システム、三酸化硫黄除去方法、および二酸化炭素回収システムを提供することである。
一の実施形態による三酸化硫黄除去システムは、三酸化硫黄を含有するガスと吸着剤を接触させて、前記ガス中の前記三酸化硫黄を除去する乾式除去部を備える。さらに、前記システムは、前記乾式除去部から排出された前記ガスと吸収液を接触させて、前記ガス中に残存する前記三酸化硫黄を除去する湿式除去部を備える。
第1実施形態の三酸化硫黄除去システムの構成を示す概略図である。 第1実施形態の乾式SO除去部の構成を示す概略図である。 第1実施形態の湿式SO除去部の構成を示す概略図である。 第2実施形態のSO除去塔の構成を示す概略図である。 第3実施形態の硫黄成分除去槽の構成を示す概略図である。 第1実施形態の三酸化硫黄除去システムを備える二酸化炭素回収システムの構成を示す概略図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の三酸化硫黄除去システムの構成を示す概略図である。
図1の三酸化硫黄除去システムは、乾式除去部の例である乾式SO除去部1と、湿式除去部の例である湿式SO除去部2とを備えている。
乾式SO除去部1は、COとSOを含有する燃焼排ガスと、固体状のSO吸着剤を接触させる。その結果、燃焼排ガス中のSOが、SO吸着剤に吸着されて除去される。乾式SO除去部1によりSOが除去された燃焼排ガスは、乾式SO除去部1から排出され、湿式SO除去部2へと送られる。
湿式SO除去部2は、乾式SO除去部1から排出された燃焼排ガスと、SO吸収液を接触させる。その結果、燃焼排ガス中に残存するSOが、SO吸収液に吸収されて除去される。湿式SO除去部2によりSOが除去された燃焼排ガス(処理済みガス)は、湿式SO除去部2から排出され、二酸化炭素回収システムの吸収塔に送られる。
以上のように、本実施形態では、燃焼排ガス中のSOを、まず乾式SO除去部1で除去する。しかしながら、乾式SO除去部1は、燃焼排ガス中のSOを必ずしも十分に除去することができず、燃焼排ガス中に多くのSOが残存してしまう。
そこで、本実施形態では、燃焼排ガス中のSOを、次に湿式SO除去部2で除去する。これにより、燃焼排ガス中に残存するSOを除去し、燃焼排ガス中の残存SO量を十分に低減することが可能となる。
以下、図2と図3を参照し、乾式SO除去部1と湿式SO除去部2の構成について、詳細に説明する。
(1)乾式SO除去部1の構成
図2は、第1実施形態の乾式SO除去部1の構成を示す概略図である。図2(a)〜(c)は、乾式SO除去部1の3つの例を示している。
図2(a)に示す乾式SO除去部1は、粉体状のSO吸着剤3を収容する処理容器4を備えている。図2(a)では、燃焼排ガスの下降流が処理容器4内を通過することで、燃焼排ガス中のSOがSO吸着剤3に吸着される。このような構成には、燃焼排ガスの下降流によりSO吸着剤3を撹拌し、燃焼排ガスとSO吸着剤3を確実に接触させることができるという利点がある。SOを吸着した廃SO吸着剤3は、サイクロンで分離され、乾式SO除去部1から排出される(図1参照)。
SO吸着剤3の例としては、NaHCO(炭酸水素ナトリウム)、NaCO(炭酸ナトリウム)、NaOH(水酸化ナトリウム)、CaCO(炭酸カルシウム)、CaO(酸化カルシウム)、Ca(OH)(水酸化カルシウム)などが挙げられる。
本実施形態では、SO吸着剤3として、NaHCOを60℃以上で加熱して得られたNaCOを使用する。
2NaHCO → NaCO + HO + CO ・・・(2)
NaHCOを60℃以上で加熱すると、NaHCOが分解され、微細な多孔質構造を有するNaCOが生成される。多孔質構造のNaCOは、表面積が大きく、SOの吸着性能が高いという利点がある。NaCOは、SOを吸着することでNaSO(硫酸ナトリウム)に変化する。
NaCO + SO → NaSO + CO ・・・(3)
NaSOは、廃SO吸着剤3として乾式SO除去部1から排出される。
なお、処理容器4内を通過させる燃焼排ガスは、図2(b)に示すように、上昇流としてもよい。これにより、図2(b)と同様、SO吸着剤3を撹拌し、燃焼排ガスとSO吸着剤3を確実に接触させることが可能となる。
また、処理容器4内には、粉体状のSO吸着剤3を収容する代わりに、SO吸着剤3を含んだSO吸着フィルタ5を設置してもよい(図2(c))。この場合には、処理容器4との間に隙間を空けないようにSO吸着フィルタ5を設置することで、燃焼排ガスとSO吸着剤3を確実に接触させることが可能となる。
(2)湿式SO除去部2の構成
図3は、第1実施形態の湿式SO除去部2の構成を示す概略図である。
図3の湿式SO除去部2は、SO除去塔10と、ポンプ21、22と、流路切り替え部30と、冷却器40と、硫黄成分除去槽50とを備えている。また、SO除去塔10は、気液接触部11と、ジェットノズル12と、気泡生成部14と、貯液部16と、デミスタ17とを備えている。
乾式SO除去部1から排出された燃焼排ガス101は、気液接触部11内に上部から供給される。気液接触部11内には、ジェットノズル12と気泡生成部14が設置されている。
ジェットノズル12は、気泡生成部14の下方に設置されており、気泡生成部14に対しSO吸収液13を噴出する。気液生成部14は、その内部全体にSO吸収液13が拡がるよう構成されている。
よって、燃焼排ガス101は、気泡生成部14を通過する際に、SO吸収液13の層を突破するため、SO吸収液13と確実に接触する。その結果、気泡生成部14内のSO吸収液13中に燃焼排ガス101の気泡が生成され、気泡中のSOがSO吸収液13に吸収される。
なお、気泡生成部14の内部全体にSO吸収液13が拡がる構造は、例えば、気泡生成部14内に金属メッシュを設置することで実現可能である。この場合、金属メッシュの表面に、SO吸収液13の膜が形成される。また、気泡生成部14は、ジェットノズル12から噴出されたSO吸収液13が流路全面に拡がるように構成してもよい。
SOを吸収したSO吸収液13は、符号15で示すように、気泡生成部14から落下し、貯液部16に貯蔵される。一方、SOが除去された燃焼排ガス101は、デミスタ17でミストが除去された後に、SO除去塔10の上部から処理済みガス102として排出される。処理済みガス102は、二酸化炭素回収システムの吸収塔に供給される。
SOをHSOとして吸収したSO吸収液は、貯液部16からポンプ21で吸い出され、吸収液排出ライン201へと排出され、吸収液循環ライン202上の冷却器40で冷却された後、ジェットノズル12から再び噴出される。
SO吸収液中のHSO濃度が所定値を超えた場合、またはSO吸収液のpHが設定値を下回った場合、流路切り替え部30を、吸収液循環ライン202側から吸収液移送ライン203側に切り替える。これにより、SO吸収液が硫黄成分除去槽50内に供給される。
硫黄成分除去槽50では、SO吸収液に硫酸イオン沈殿剤204を加えて、硫酸成分を含有する沈殿物206を沈殿させる。沈殿剤204の例としては、Ca(OH)、CaO、Sr(OH)(水酸化ストロンチウム)などが挙げられる。例えば、沈殿剤204としてM(OH)(Mは任意の元素記号)を使用すると、沈殿物206として硫酸塩MSOが沈殿する。
SO + M(OH) → MSO + 2HO ・・・(4)
なお、硫黄成分除去槽50に供給する沈殿剤204のモル量は、SO吸収液中の硫酸イオンのモル量を下回るように制御する。
硫黄成分除去槽50内に沈殿した沈殿物206は、硫黄成分除去槽50の下部から排出される。一方、硫黄成分除去槽50の上澄み液は、処理済み吸収液205として、ポンプ22により吸収液戻しライン207経由で貯液部16に戻される。
SO吸収液の例としては、イソプロパノール水溶液が挙げられる。この場合、イソプロパノール濃度が低いと、SO吸収液が、SOだけでなくSOも吸収してしまう。よって、イソプロパノール濃度は高濃度に設定することが望ましい。例えば、イソプロパノール水溶液におけるイソパノールの体積含有率は、70〜100%に設定することが望ましい。
SO吸収液の別の例としては、3級アミン水溶液が挙げられる。この3級アミンの例としては、メチルジエタノールアミン(MDEA)や、トリエタノールアミン(TEA)が挙げられる。
例えば、SO吸収液として1級アミンを使用すると、1級アミンが亜硝酸と反応してアルコールが生成される。また、SO吸収液として2級アミンを使用すると、2級アミンが亜硝酸と反応してニトロソアミンが生成される。そのため、1級アミンや2級アミンは、SO吸収液内に亜硝酸が生成される可能性がある場合には適していない。
一方、3級アミンは、亜硝酸と反応しても亜硝酸塩を形成するだけで、分子構造の変化は生じない。よって、3級アミンは、SO吸収液内に亜硝酸が生成される可能性がある場合にも適している。
よって、本実施形態では、SO吸収液として、1級アミンや2級アミンを使用するよりも、3級アミンを使用する方が好ましい。ただし、SO吸収液内に亜硝酸が生成される可能性が少ない場合には、SO吸収液として、1級アミンや2級アミンを使用してもよい。
以上のように、本実施形態の湿式SO除去部2は、燃焼排ガス中のSOをSO吸収液に吸収させて除去する。さらに、本実施形態の湿式SO除去部2は、このSO吸収液に沈殿剤204を加えることで、SO吸収液中の硫黄成分を沈殿させ、SO吸収液を再生させる。よって、本実施形態によれば、SO吸収液によるSOの除去処理を、限られた量のSO吸収液で継続的に実行することが可能となる。
(3)第1実施形態の効果
以上のように、本実施形態では、燃焼排ガス中のSOを乾式SO除去部1で除去し、その後、この燃焼排ガス中に残存するSOを湿式SO除去部2で除去する。よって、本実施形態によれば、乾式SO除去部1で除去されなかったSOを湿式SO除去部2で除去し、燃焼排ガス中の残存SO量を低減することが可能となる。
本実施形態の構成で実際にSO除去処理を実施したところ、火力発電所からの燃焼排ガス中のSOをほぼ100%除去することができた。
(第2、第3実施形態)
図4は、第2実施形態のSO除去塔10の構成を示す概略図である。
乾式SO除去部1から排出された燃焼排ガス101は、SO除去塔10内に下部から供給される。一方、SO吸収液は、SO除去塔10内に上部から供給される。燃焼排ガス101とSO吸収液は、SO除去塔10内の充填層301を通過する際に気液接触する。その結果、燃焼排ガス101内のSOが、SO吸収液に吸収されて除去される。
SOを吸収したSO吸収液は、貯液部16に貯蔵され、SO除去塔10の塔底から排出される。一方、SOが除去された燃焼排ガス101は、SO除去塔10の塔頂から処理済みガス102として排出される。なお、SO除去塔10の塔頂には、デミスタ17を設置してもよい。
なお、図4のSO除去塔10には、図1のSO除去塔10に比べて、構成がシンプルであるという利点がある。一方、図1のSO除去塔10には、図4のSO除去塔10に比べて、SOの除去性能が高いという利点がある。
図5は、第3実施形態の硫黄成分除去槽50の構成を示す概略図である。
図5では、硫黄成分除去槽50の下部に遠心分離器302が設置されている。遠心分離器302は、沈殿物206を液体成分311と固体成分312に分離する。これにより、沈殿物206中のSO吸収液を回収することが可能となる。よって、本実施形態によれば、無駄に廃棄されるSO吸収液の量を低減することが可能となる。
以上のように、第2、第3実施形態によれば、第1実施形態とは異なる構成のSO除去塔10や硫黄成分除去槽50を提供することが可能となる。
例えば、図3の湿式SO除去部2では、SO除去塔10と硫黄成分除去槽50の一方または両方を、図4、図5の構成と置き換えてもよい。
なお、図3の湿式SO除去部2では、SO除去塔10を図3、図4以外の構成に置き換えてもよい。また、図3の湿式SO除去部2では、硫黄成分除去槽50を図3、図5以外の構成に置き換えてもよい。また、図1の乾式SO除去部1には、図2(a)〜(c)以外の構成を適用してもよい。
また、二酸化炭素回収システムは、以上の実施形態の三酸化硫黄除去システムを備えることで、吸収塔からのアミン排出量を低減することができる(図6参照)。図6は、第1実施形態の三酸化硫黄除去システムを備える二酸化炭素回収システムの構成を示す概略図である。
図6の二酸化炭素回収システムは、吸収塔411と、リッチ液移送ポンプ412と、再生熱交換器413と、再生塔414と、再生塔リボイラー415と、リーン液移送ポンプ416と、リーン液冷却器417と、リーン液緩衝タンク418と、吸収塔還流冷却器421と、吸収塔気液分離器422と、再生塔還流冷却器423と、再生塔気液分離器424と、還流液ポンプ425とを備えている。
符号401は、吸収塔411内に供給される燃焼排ガスを示す。この燃焼排ガス401は、三酸化硫黄除去システムから排出された処理済みガス102に相当する。吸収塔411は、燃焼排ガス401と吸収液を接触させて、燃焼排ガス401中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる。再生塔414は、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱して、吸収液から二酸化炭素を放出させる。再生塔414において再生された吸収液は、吸収塔411に供給されて再使用される。このように、吸収液は、吸収塔411と再生塔414との間を循環させて使用される。
吸収塔411からは、吸収塔還流冷却器421と吸収塔気液分離器422を経由して、CO除去排ガス402が排出される。再生塔414からは、再生塔還流冷却器423と再生塔気液分離器424を経由して、回収COガス403が排出される。なお、符号404は、吸収塔411から再生塔414に向かう吸収液(リッチ液)を示し、符号405は、再生塔414から吸収塔411に向かう吸収液(リーン液)を示す。
以上の少なくとも1つの実施形態によれば、三酸化硫黄除去システムにおける三酸化硫黄の残存量を低減することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1:乾式SO除去部、2:湿式SO除去部、
3:SO吸着剤、4:処理容器、5:SO吸着フィルタ、
10:SO除去塔、11:気液接触部、12:ジェットノズル、
13:SO吸収液、14:気泡生成部、15:SO吸収液、
16:貯液部、17:デミスタ、21、22:ポンプ、
30:流路切り替え部、40:冷却器、50:硫黄成分除去槽、
101:燃焼排ガス、102:処理済みガス、
201:吸収液排出ライン、202:吸収液循環ライン、
203:吸収液移送ライン、204:硫酸イオン沈殿剤、
205:処理済み吸収液、206:沈殿物、207:吸収液戻しライン、
301:充填層、302:遠心分離器、311:液体成分、312:固体成分、
401:燃焼排ガス、402:CO除去排ガス、403:回収COガス、
404:リッチ液、405:リーン液、
411:吸収塔、412:リッチ液移送ポンプ、413:再生熱交換器、
414:再生塔、415:再生塔リボイラー、416:リーン液移送ポンプ、
417:リーン液冷却器、418:リーン液緩衝タンク、
421:吸収塔還流冷却器、422:吸収塔気液分離器、
423:再生塔還流冷却器、424:再生塔気液分離器、425:還流液ポンプ

Claims (11)

  1. 三酸化硫黄を含有するガスと吸着剤を接触させて、前記ガス中の前記三酸化硫黄を除去する乾式除去部と、
    前記乾式除去部から排出された前記ガスと吸収液を接触させて、前記ガス中に残存する前記三酸化硫黄を除去する湿式除去部と、
    を備える三酸化硫黄除去システム。
  2. 前記湿式除去部は、
    前記ガスと前記吸収液を接触させて、前記ガス中の前記三酸化硫黄を前記吸収液に吸収させる三酸化硫黄除去塔と、
    前記三酸化硫黄を吸収した前記吸収液に沈殿剤を加えて、硫黄成分を含有する沈殿物を沈殿させる硫黄成分沈殿槽と、
    を備える、請求項1に記載の三酸化硫黄除去システム。
  3. 前記三酸化硫黄除去塔は、前記ガスが前記吸収液の層を突破するように前記ガスと前記吸収液を接触させて、前記吸収液中に前記ガスの気泡を生成する気泡生成部を備える、請求項2に記載の三酸化硫黄除去システム。
  4. 前記湿式除去部はさらに、前記沈殿物を液体と固体に分離する遠心分離器を備える、請求項2または3に記載の三酸化硫黄除去システム。
  5. 前記吸着剤は、多孔質構造を有する、請求項1から4のいずれか1項に記載の三酸化硫黄除去システム。
  6. 前記吸着剤は、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、および水酸化カルシウムの少なくともいずれかを含有している、請求項1から5のいずれか1項に記載の三酸化硫黄除去システム。
  7. 前記吸収液は、イソプロパノールと3級アミンの少なくともいずれかを含有している、請求項1から6のいずれか1項に記載の三酸化硫黄除去システム。
  8. 前記吸収液における前記イソプロパノールの体積含有率は、70〜100%である、請求項7に記載の三酸化硫黄除去システム。
  9. 前記3級アミンは、メチルジエタノールアミンまたはトリエタノールアミンである、請求項7に記載の三酸化硫黄除去システム。
  10. 三酸化硫黄を含有するガスと吸着剤を接触させて、前記ガス中の前記三酸化硫黄を除去し、
    前記ガスと前記吸着剤を接触させた後に、前記ガスと吸収液を接触させて、前記ガス中に残存する前記三酸化硫黄を除去する、
    三酸化硫黄除去方法。
  11. 請求項1から9のいずれか1項に記載の三酸化硫黄除去システムを備える二酸化炭素回収システム。
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