JP2013208533A - 二酸化炭素回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素吸収システムにおいて、飛散吸収剤洗浄部の洗浄液に含まれる吸収剤成分の濃度を低く保ち、かつ、吸収部又は飛散吸収剤洗浄部に戻す液量を少量にする。
【解決手段】吸収部31と、飛散吸収剤洗浄部32と、再生部15とを備えた二酸化炭素吸収システムにおいて、飛散吸収剤洗浄部32の洗浄液から吸収剤成分を除去した還流液を得るろ過部46を設け、還流液を洗浄液として飛散吸収剤洗浄部32で再利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素を吸収する吸収液を用いて、排ガス中の二酸化炭素を回収するシステムに関する。

近年、地球温暖化が地球規模の環境問題として取り上げられている。大気中の二酸化炭素濃度の増加が地球温暖化の主な要因であることが明らかにされており、二酸化炭素排出量の削減が重要になっている。

石炭火力発電所は、二酸化炭素（以下、「CO₂」ともいう。）を大量に排出するプラントであり、燃焼排ガス中のCO₂を高効率で回収する必要がある。このため、燃焼排ガス中のCO₂をアミン類の水溶液（CO₂吸収液）に吸収させることにより回収する技術が検討されている。

CO₂吸収液は、吸収塔においてCO₂を吸収することにより発熱し、温度上昇する。温度上昇すると、CO₂吸収液中のアミン成分が気化し、ガスとして下流に飛散する。ガス中のアミンは、温度低下によって凝縮し、ミスト化する。

また、CO₂とCO₂吸収液との気液接触界面におけるせん断力によっても、ミストが生じる。このようなミストも、ガスに同伴され、下流に飛散する。以下、ガスおよびミストとなって飛散したアミンを「飛散アミン」又は「飛散吸収剤」という。

飛散アミンが生じることによって、CO₂吸収液中のアミン成分は次第に少なくなる。よって、CO₂吸収液を逐次補充しながら運用する必要がある。

CO₂吸収液の補充量が多いと、運用コストが増大する。したがって、飛散アミンを抑え、CO₂吸収液の補充量を抑えることによって、運用コストを低減することが重要になる。

飛散アミンを抑える技術の例として、特許文献１には、吸収塔に設けた水洗部において洗浄水と気液接触させることより脱炭酸排ガスに同伴するアミン化合物（飛散アミン）を回収するように構成したアミン回収装置において、水洗部を複数段構成として、順次、アミン化合物の回収処理を行うようにしたものが開示されている。

また、石炭焚きボイラに適用したＣＯ_２回収装置においては、ＣＯ_２吸収液中に残存する煤塵、フライアッシュを含有する固形分をろ過し、捕集するフィルターを交換する必要がある。特許文献２には、その際のＣＯ_２吸収液の損失を抑えつつ、かつＣＯ_２吸収液の濃度を低下させないことを目的として、リーン溶液、リッチ溶液の何れか一方又は両方の溶液中に残存する固形分をフィルターによりろ過するろ過膜装置を有し、系内を循環している低濃度のＣＯ_２吸収液を用いてフィルターを洗浄し、洗浄に用いた低濃度のＣＯ_２吸収液を再度系内に戻す技術が開示されている。

特開２００２−１２６４３９号公報 特開２００９−１７９５４６号公報

特許文献１に記載されている吸収塔に設けた水洗部におけるアミン回収は、ガス中のアミン濃度と液中のアミン濃度との平衡関係に支配される。したがって、飛散アミンの回収率を上げるためには、アミン濃度の極めて低い洗浄液（洗浄水）を使用することが必要になる。

洗浄液中のアミン濃度を低くするためには、未使用の洗浄液を多く供給すればよいが、一方では、アミンを吸収した洗浄液の抜出し量が多くなる。この抜出した洗浄液は、CO₂吸収液よりもアミン濃度が低く、吸収塔に戻すとCO₂吸収液中のアミン濃度が低くなり、CO₂の吸収性能が低下する。また、吸収塔および再生塔が保有できるCO₂吸収液量には限りがあり、増大すれば保有しきれなくなる。

そこで、本発明は、二酸化炭素吸収システムにおいて、水洗部（飛散吸収剤洗浄部）の洗浄液に含まれるアミン等の吸収剤成分の濃度を低く保ち、かつ、吸収部又は飛散吸収剤洗浄部に戻す液量を少量にすることを課題とした。

本発明は、吸収部と、飛散吸収剤洗浄部と、再生部とを備えた二酸化炭素吸収システムにおいて、飛散吸収剤洗浄部の洗浄液から吸収剤成分を除去した還流液を得るろ過部を設け、還流液を洗浄液として飛散吸収剤洗浄部で再利用することを特徴とする。

本発明によれば、飛散吸収剤を吸収した洗浄液に含まれる吸収剤成分の濃度を極めて低くすることができる。また、ろ過によって得られた濃縮液を還流するため、吸収液を有効に利用することができる。

実施例の二酸化炭素吸収システムを示す構成図である。 他の実施例の二酸化炭素吸収システムを示す構成図である。

本発明は、二酸化炭素を吸収する吸収液を用いて、排ガス中の二酸化炭素を回収するシステムに関し、特に、二酸化炭素の吸収において吸収液と排ガスとが気液接触する際に生じる吸収液の気化成分あるいはミスト成分を除去する手段に関するものである。

以下、本発明の実施形態に係る二酸化炭素吸収システムについて説明する。

前記二酸化炭素吸収システムは、吸収剤成分を含む吸収液を用いて被処理ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する吸収部と、この吸収部で二酸化炭素を除去された脱炭酸ガスに含まれる飛散吸収剤を洗浄液によって除去する飛散吸収剤洗浄部と、吸収部で二酸化炭素を吸収したリッチ液から二酸化炭素を除去する再生部とを備え、洗浄液から吸収剤成分を除去した還流液を得るろ過部を設け、還流液は、洗浄液として飛散吸収剤洗浄部で再利用されることを特徴とする。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、ろ過部は、水を透過し、かつ、吸収剤成分を透過しない膜を有することが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、ろ過部は、吸収液成分の濃縮液を生成し、この濃縮液は、吸収部に導入することが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムは、さらに、制御部と、飛散吸収剤洗浄部から抜出した洗浄液の吸収液成分の液中濃度を計測する濃度計とを備え、制御部は、濃度計の計測値に基づいて飛散吸収剤洗浄部の洗浄液の抜出し量及び洗浄液の補充量を調整することが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、ろ過部は、圧力計を有し、ろ過部の濃縮液側の下流には、圧力調整バルブを設けたことが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、吸収部の下部には、吸収液液位計を設け、制御部は、吸収液液位計の計測値が一定になるように調整することが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、ろ過部の還流液側の下流には、ろ過液タンクを設け、このろ過液タンクは、洗浄液を補充可能としたことが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、ろ過部の濃縮液側の下流には、濃縮液タンクを設けたことが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、ろ過液タンクは、ろ過液タンク液位計及び洗浄液の補充量を調節可能な給液バルブを有し、ろ過液タンク液位計の計測値が一定になるように調整可能としたことが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、ろ過部の濃縮液側の下流には、濃縮液タンクを設け、濃縮液タンクは、濃縮液タンク液位計を有し、制御部は、濃縮液タンク液位計の計測値が一定になるように調整することが望ましい。

前記二酸化炭素吸収システムにおいて、濃縮液タンクは、濃縮液抜出しバルブを有し、制御部は、濃縮液タンク液位計の計測値が一定になるように調整することが望ましい。

以下、微粉炭焚きボイラシステムで発生した排ガスを、CO₂吸収液を用いたCO₂吸収システムに導入する例について説明するが、CO₂を含むガス（被処理ガス）を導入する二酸化炭素吸収システムであれば、本発明を適用することができる。

図１は、実施例の二酸化炭素吸収システムを示したものである。

本図において、微粉炭焚きボイラ1、脱硝装置2、エアーヒータ3、熱回収ガスガスヒータ4（以下、「熱回収GGH」と表記する。）、乾式電気集塵器5及び脱硫装置6は、窒素酸化物及び硫黄酸化物を除去する機能を有する微粉炭焚きボイラシステムを構成している。二酸化炭素の除去を行わない場合、脱硫装置6を出た排ガスは、白煙防止のために再加熱ガスガスヒータ7（以下、「再加熱GGH」と表記する。）にて排ガスを加熱して煙突8から排気する。

微粉炭焚きボイラ1における燃焼の結果生じた排ガスは、脱硝装置2で窒素酸化物が除去され、エアーヒータ3で燃焼用空気を加熱し、熱回収GGH 4で冷却され、乾式電気集塵器5で煤塵が除去され、脱硫装置6で硫黄酸化物が除去される。

脱硫装置6を出た排ガスは、吸収塔13に送られ、吸収液（「CO₂吸収液」ともいう。）によってCO₂が除去され、再加熱GGH 7で加熱された後、煙突8から大気中に排出される。

脱硫装置6を出た排ガス（被処理ガス）には、SOx及びSOxが酸化した硫酸ガスが微量に含まれている。SOx及び硫酸ガスは、吸収塔13の吸収液のCO₂吸収性能を低下させる。これを防止するため、脱硫装置6と吸収塔13との間に高度脱硫装置用冷却器11を有する高度脱硫装置12を設け、SOx及び硫酸ガスを除去することが好ましい。

吸収塔13において、排ガスは、CO₂吸収液と気液接触し、CO₂吸収液によってCO₂が吸収され、除去される。以下、CO₂が除去された排ガスを「脱炭酸ガス」という。

一方、吸収塔13においてCO₂を吸収したCO₂吸収液（リッチ液）は、再生塔15（「再生部」ともいう。）に導かれ、CO₂が脱離され、除去される。以下、CO₂が除去されたCO₂吸収液と「リーン液」ともいう。

CO₂の脱離には、CO₂吸収液の加熱が必要である。このため、再生塔15のCO₂吸収液の一部は、リボイラ16に導かれて加熱される。この際、CO₂吸収液の加熱源としては、例えば、蒸気タービンから抽気した蒸気20を用いる。

再生塔15において発生するガスは、CO₂及び蒸気であり、このガスを脱離ガス冷却器18に導き、蒸気を凝縮する。気液分離器19で凝縮して得られた液を除去し、CO₂を圧縮機で液化して回収する。

CO₂を除去したCO₂吸収液（リーン液）は、CO₂を吸収する温度にまで冷却した後、吸収塔13に導き、再びCO₂の吸収に用いる。リッチ液とリーン液とは、液液熱交換器14で熱交換する。リーン液は、吸収液冷却器17で更に冷却することにより、CO₂を吸収可能な温度とする。

本図においては、吸収塔13には、CO₂吸収部31及び飛散アミン洗浄部32が含まれる。しかし、飛散アミン洗浄部32を吸収塔13と分けて設置してもよい。すなわち、CO₂吸収部31（単に「吸収部」ともいう。）と、飛散アミン洗浄部32（「飛散吸収剤洗浄部」ともいう。）とを分けて設置してもよい。

CO₂吸収液としては、例えば、アルカノールアミンをベースとする水溶液が使用される。以下、アルカノールアミンを「アミン成分」又は「吸収剤成分」という。

CO₂吸収液は、CO₂を吸収することにより発熱する。これにより、CO₂吸収液の液温は上昇し、それに伴って、CO₂吸収液中のアミン成分の気化が進行する。また、排ガスとCO₂吸収液との気液接触を促進するために対向流で接触させ、さらに、CO₂吸収部31に充填物を挿入し、気液の分散を促進させる。これにより、CO₂吸収部31では、気液界面のせん断力によってCO₂吸収液のミストが生じやすくなる。したがって、脱炭酸ガス中には、アミン成分のガス及びアミン成分を含むミストが含まれ、飛散する。

このようなことから、CO₂吸収の長時間運用では、CO₂吸収液、あるいはCO₂吸収液中のアミン成分が次第に減少する。このため、補充吸収液タンク21よりCO₂吸収液を補充する運用が必要になる。

CO₂吸収液の補充液量の増加は、運用コストの増加になる。そこで、CO₂吸収液の補充量を減らす運用が必要である。CO₂吸収液の補充量を減らす方法としては、アミン成分の揮発性が少ないCO₂吸収液にする方法と、飛散したアミン成分を回収する方法とがある。本発明は、後者を対象にしている。

飛散アミン成分は、水に溶解することから、吸収塔13の上部（CO₂吸収部31の上方）に飛散アミン洗浄部32を設け、洗浄液を洗浄液循環ポンプ52で循環させている。

CO₂吸収部31の出口のガス温度は、CO₂吸収の発熱反応によって、吸収塔13の入口のガス温度より高くなる。ガス温度が低いほどガス状アミン成分の蒸気圧は低くなることから、洗浄液冷却器33によって洗浄液を冷却し、好ましくは飛散アミン洗浄部32の出口のガス温度は吸収塔13の入口ガス温度と同程度にする。

飛散アミンの洗浄液への吸収は、ガス中のアミン濃度と液中のアミン濃度との平衡関係に支配される。したがって、飛散アミンを回収し続けると、洗浄液中のアミン濃度が上がり、ガス状アミン成分は回収できなくなる。そこで、洗浄液の一部を洗浄液送液ポンプ45で抜出し、ろ過装置46（ろ過部）でろ過し、アミン成分を含まない、又は、アミン成分の濃度が極めて低い液とし、ろ過液送液ポンプ43で飛散アミン洗浄部32の上部に還流する。

以下、ろ過装置46について説明する。

抜出した洗浄液の成分は、水及びアミンである。ろ過装置46の内部には、水を透過し、かつ、吸収剤成分であるアミンを透過しない膜を設け、圧力をかけて抜出した洗浄液をろ過するようになっている。これにより、アミン成分を含まない、又は、アミン成分の濃度が極めて低い液を飛散アミン洗浄部32で再利用するようになっている。

一方、ろ過装置46の膜を透過しないアミン成分が濃縮された液（以下、「濃縮液」と表記する。）は、濃縮液送液ポンプ50を介して吸収塔13の下部に供給するようにしてある。飛散アミン洗浄部32の出口ガスは、その温度における飽和水蒸気圧分の水を含んでいる。また、気液分離器19の出口ガスも、その温度における飽和水蒸気圧分の水を含んでいる。したがって、CO₂吸収液中の水も運用によって減少する。濃縮液は、その補充液としても機能する。ここで、「濃縮液」と表記しているが、その成分である水とアミンとの比率において水が多くても問題にはならない。

つぎに、本実施例におけるろ過装置46等の制御方法について説明する。

飛散アミン洗浄部32の下部には、洗浄液の貯留部が設けてあり、その貯留部又はその貯留部と洗浄液冷却器33との間に液中アミン濃度計44を設けてある。液中アミン濃度計44の計測値が任意の濃度以上を示した場合、洗浄液送液ポンプ45によって抜出し流量を調整する。さらに、ろ過液送液ポンプ43を調整し、抜出し流量と同等量を補充するようにする。これにより、飛散アミン洗浄部32が保有する洗浄液量を一定に保持できるようにした。

ろ過装置46で得られるろ過液量は、膜によってろ過される側のアミン濃度と、ろ過された側のアミン濃度との濃度差に支配される。ここでは、ろ過液を増やすことが目的であり、ろ過される側の液を加圧してろ過液を得る。これにより、ろ過された液（膜を透過した液）は、少量で、高いアミン濃度となる。

そこで、ろ過装置46のろ過される洗浄液側に圧力計47を設け、この圧力を濃縮液送液ポンプ50の出力で制御するようにした。圧力は、使用する膜の性能、すなわち、抜出した洗浄液のアミン濃度とろ過液流量との関係の圧力依存性を事前に取得し、設定することが望ましい。抜出した洗浄液のアミン濃度は、液中アミン濃度計44で計測される値を用い、ろ過液流量は、例えば、洗浄液送液ポンプ45の直前に流量計を設け、この抜出し流量と同等の値を用いればよい。さらに、液の加圧源となる洗浄液送液ポンプ45は、ろ過装置46の加圧に適したポンプであることが望ましい。

濃縮液送液ポンプ50は、濃縮液を吸収塔13下部に供給する量にも関係する。このため、吸収塔13下部のCO₂吸収液の貯留部に吸収液液位計56を設け、この液位が一定になるようにする制御も加えている。

以上をまとめると、本実施例においては、液中アミン濃度計44の計測値は、ろ過液送液ポンプ43及び洗浄液送液ポンプ45の制御に用い、圧力計47及び吸収液液位計56の計測値は、濃縮液送液ポンプ50の制御に用いる。

これにより、吸収塔13及び再生塔15が保有するCO₂吸収液量を一定に維持できる。

本実施例においては、飛散アミン洗浄部32が保有する洗浄液量と、吸収塔13および再生塔15が保有するCO₂吸収液量とが、それぞれ一定とみなせる範囲内での運用に適用され、その範囲内で可能となる飛散アミンの回収となる。

本実施例は、実施例１の運用範囲を拡充する構成を示したものである。

以下、実施例１とは異なる点について説明する。

図２は、本実施例の二酸化炭素吸収システムを示したものである。

本図においては、ろ過装置46のろ過液（膜を透過した液）側の下流にろ過液タンク41を設け、ろ過装置46の濃縮液（膜を透過していない液）側の下流に濃縮液タンク49を設けてある。これにより、CO₂吸収停止時にろ過し、ろ過液及び濃縮水それぞれを、次回の運用で利用できるようにしてある。

ろ過液タンク41には、未使用の洗浄液を供給する給液バルブ42を設けてある。これにより、ろ過液の不足を解消する。また、ろ過液タンク41には、ろ過液タンク液位計54を設け、一定量以上の液量を給液バルブ42で確保する制御をする。

ろ過装置46と濃縮液タンク49との間には、圧力調整バルブ48を設け、ろ過装置46の圧力を調整する制御をする。濃縮液タンク49には、濃縮液タンク液位計55を設け、一定量以上の液量を確保する制御をする。一定量以上の液量がない場合には、ろ過装置46の圧力制御より優先する制御を行うことによって、吸収塔13下部に補給する液量を確保する。一方、濃縮液タンク49に濃縮液抜出しバルブ53を設け、濃縮液タンク49の容量以上の濃縮液量が生じる場合には、濃縮液抜出しバルブ53を開とし、濃縮液を廃棄し、濃縮液タンクの液位が任意の高さ以下になるように調整する制御をする。

以上をまとめると、本実施例においては、液中アミン濃度計44の計測値は、ろ過液送液ポンプ43及び洗浄液送液ポンプ45の制御に用い、圧力計47の計測値は、圧力調整バルブ48の制御に用いる。また、吸収液液位計56の計測値は、濃縮液送液ポンプ50の制御に用いる。さらに、濃縮液タンク液位計55の計測値は、圧力調整バルブ48及び濃縮液抜出しバルブ53の制御に用いる。

これにより、吸収塔13の上部及び下部に流入するCO₂吸収液量を更に安定させることができる。

なお、以上の実施例において制御を行う制御部は、１つにまとめて設置してもよいし、分散して設置してもよい。

1：微粉炭焚きボイラ、2：脱硝装置、3：エアーヒータ、4：熱回収GGH、5：乾式電気集塵器、6：脱硫装置、7：再加熱GGH、8：煙突、11：高度脱硫装置用冷却器、12：高度脱硫装置、13：吸収塔、14：液液熱交換器、15：再生塔、16：リボイラ、17：吸収液冷却器、18：脱離ガス冷却器、19：気液分離器、20：蒸気、21：補充吸収液タンク、31：CO₂吸収部、32：飛散アミン洗浄部、33：洗浄液冷却器、41：ろ過液タンク、42：給液バルブ、43：ろ過液送液ポンプ、44：液中アミン濃度計、45：洗浄液送液ポンプ、46：ろ過装置、47：圧力計、48：圧力調整バルブ、49：濃縮液タンク、50：濃縮液送液ポンプ、52：洗浄液循環ポンプ、53：濃縮液抜出しバルブ、54：ろ過液タンク液位計、55：濃縮液タンク液位計、56：吸収液液位計。

Claims (11)

1. 吸収剤成分を含む吸収液を用いて被処理ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する吸収部と、この吸収部で二酸化炭素を除去された脱炭酸ガスに含まれる飛散吸収剤を洗浄液によって除去する飛散吸収剤洗浄部と、前記吸収部で二酸化炭素を吸収したリッチ液から二酸化炭素を除去する再生部とを備えた二酸化炭素吸収システムであって、前記洗浄液から前記吸収剤成分を除去した還流液を得るろ過部を設け、前記還流液は、前記洗浄液として前記飛散吸収剤洗浄部で再利用されることを特徴とする二酸化炭素吸収システム。
2. 前記ろ過部は、水を透過し、かつ、前記吸収剤成分を透過しない膜を有することを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素吸収システム。
3. 前記ろ過部は、前記吸収液成分の濃縮液を生成し、この濃縮液は、前記吸収部に導入することを特徴とする請求項１又は２に記載の二酸化炭素吸収システム。
4. さらに、制御部と、前記飛散吸収剤洗浄部から抜出した前記洗浄液の前記吸収液成分の液中濃度を計測する濃度計とを備え、前記制御部は、前記濃度計の計測値に基づいて前記飛散吸収剤洗浄部の前記洗浄液の抜出し量及び前記洗浄液の補充量を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収システム。
5. 前記ろ過部は、圧力計を有し、前記ろ過部の前記濃縮液側の下流には、圧力調整バルブを設けたことを特徴とする請求項４記載の二酸化炭素吸収システム。
6. 前記吸収部の下部には、吸収液液位計を設け、前記制御部は、前記吸収液液位計の計測値が一定になるように調整することを特徴とする請求項４又は５に記載の二酸化炭素吸収システム。
7. 前記ろ過部の前記還流液側の下流には、ろ過液タンクを設け、このろ過液タンクは、前記洗浄液を補充可能としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の二酸化炭素吸収システム。
8. 前記ろ過部の前記濃縮液側の下流には、濃縮液タンクを設けたことを特徴とする請求項３記載の二酸化炭素吸収システム。
9. 前記ろ過液タンクは、ろ過液タンク液位計及び前記洗浄液の補充量を調節可能な給液バルブを有し、前記ろ過液タンク液位計の計測値が一定になるように調整可能としたことを特徴とする請求項７記載の二酸化炭素吸収システム。
10. 前記ろ過部の前記濃縮液側の下流には、濃縮液タンクを設け、前記濃縮液タンクは、濃縮液タンク液位計を有し、前記制御部は、前記濃縮液タンク液位計の計測値が一定になるように調整することを特徴とする請求項５記載の二酸化炭素吸収システム。
11. 前記濃縮液タンクは、濃縮液抜出しバルブを有し、前記制御部は、前記濃縮液タンク液位計の計測値が一定になるように調整することを特徴とする請求項１０記載の二酸化炭素吸収システム。

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