JP2014004525A - 二酸化炭素回収装置及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】リッチ液によるリーン液および二酸化炭素含有蒸気からの熱回収を効果的に行い、二酸化炭素の回収エネルギーを抑制する。
【解決手段】本実施形態によれば、二酸化炭素回収装置は、吸収塔101から排出される第1リッチ液を第2リッチ液及び第3リッチ液に分流する分流装置107と、放散塔102Aから排出されたリーン液を熱源として前記第2リッチ液を加熱する再生熱交換器103と、放散塔102Aから放散される二酸化炭素含有蒸気を熱源として、前記第3リッチ液を加熱する加熱部と、二酸化炭素含有蒸気を二酸化炭素と凝縮水とに分離する気液分離器132と、気液分離器132における凝縮水量を測定する測定部401と、測定部401により測定された凝縮水量の変化に基づいて、分流装置107における分流比を調整する制御部402と、を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、二酸化炭素回収装置及びその運転方法に関する。
近年、二酸化炭素の回収に関し、地球規模で懸念される地球温暖化問題に対する有効な対策として二酸化炭素回収貯留技術が注目されている。特に、火力発電所等からの排出ガスを対象に、二酸化炭素を水溶液により回収する手法が検討されている。
このような二酸化炭素回収装置として、二酸化炭素含有ガスを吸収液に吸収させてリッチ液を生成する吸収塔と、吸収塔から排出されたリッチ液を加熱することにより二酸化炭素を蒸気と共に放散させて分離し、生成されたリーン液を吸収塔に戻す放散塔と、放散塔から吸収塔に供給されるリーン液が通過する第1熱交換器と、放散塔で分離された二酸化炭素含有蒸気が通過する第2熱交換器と、吸収塔から排出されたリッチ液を第1熱交換器、第2熱交換器に分流する分流装置とを備え、第1熱交換器、第2熱交換器に導入されたリッチ液がそれぞれリーン液及び二酸化炭素含有蒸気と熱交換した後に、放散塔に供給されるようにしたものが知られている。
上述した従来の二酸化炭素回収装置では、第2熱交換器への分流量が最適値に対して少ない場合、二酸化炭素含有蒸気との熱交換が十分に行われなくなる。一方、第2熱交換器への分流量が最適値に対して多い場合、二酸化炭素含有蒸気との熱交換は十分に行われるものの、放散塔で加熱されるリッチ液の温度が低下し、二酸化炭素の放散性が劣化する。この場合、二酸化炭素が十分に放散されていないリーン液が吸収塔に送られ、吸収塔において排出ガス中の二酸化炭素を十分に吸収できなくなるという問題があった。これを回避するために、リボイラへの投入エネルギーを増加させると、結果として二酸化炭素の回収に必要なエネルギーが大きくなる。
特開2009−214089号公報
本発明が解決しようとする課題は、リッチ液によるリーン液および二酸化炭素含有蒸気からの熱回収を効果的に行い、二酸化炭素の回収エネルギーを抑制することが可能な二酸化炭素回収装置及びその運転方法を提供することである。
本実施形態によれば、二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素を吸収する吸収液を二酸化炭素含有ガス接触させ、二酸化炭素を吸収した第1リッチ液を生成して排出する吸収塔と、前記第1リッチ液を第2リッチ液及び第3リッチ液に分流する分流装置と、前記第2リッチ液及び前記第3リッチ液を加熱し、二酸化炭素含有蒸気を放散させてリーン液を生成し、前記リーン液を排出して前記吸収塔に戻す放散塔と、前記放散塔から排出された前記リーン液を熱源として前記第2リッチ液を加熱する再生熱交換器と、前記放散塔から放散される二酸化炭素含有蒸気を熱源として、前記リーン液となる前の前記第3リッチ液を加熱する加熱部と、前記第3リッチ液の加熱に用いられた前記二酸化炭素含有蒸気を、二酸化炭素と凝縮水とに分離する気液分離器と、前記気液分離器における凝縮水量を測定する測定部と、前記測定部により測定された凝縮水量の変化に基づいて、前記分流装置における分流比を調整する制御部と、を備えている。
第1の実施形態による二酸化炭素回収装置の概略構成図。 リッチ液の分流量と、二酸化炭素回収エネルギーとの関係の一例を示すグラフである。 リッチ液の分流量と、気液分離器内の単位時間当たりの凝縮水量との関係の一例を示すグラフである。 第2の実施形態による二酸化炭素回収装置の概略構成図。 実施例1におけるリッチ液の分流量と、二酸化炭素回収エネルギーとの関係を示すグラフである。 実施例1におけるリッチ液の分流量と、気液分離器内の単位時間当たりの凝縮水量との関係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。
(第1の実施形態)図1に、第1の実施形態による二酸化炭素回収装置の概略構成を示す。この二酸化炭素回収装置は、吸収塔101、再熱交換器103、気液分離器132、冷却器105、106、放散塔102A、リボイラ108、ポンプ201、202、203、分流装置107を備えている。
吸収塔101に導入された二酸化炭素含有ガス111は、二酸化炭素を吸収する吸収液と接触し、二酸化炭素が除去される。吸収液が二酸化炭素含有ガス111から二酸化炭素を吸収することでリッチ液301が生成される。
例えば、吸収塔101は、下部から供給された二酸化炭素含有ガス111を、上部から流下するリーン液319と気液接触させる向流型気液接触装置により構成されている。
吸収塔101に導入される二酸化炭素含有ガス111は特に限定されるものではないが、例えば燃焼排ガスやプロセス排ガスであり、必要に応じて冷却処理後に導入してもよい。
また、吸収液はアルカリ性を示す溶液であれば特に限定されず、例えば、モノエタノールアミン(MEA)、ジエタノールアミン(DEA)等のアミン系水溶液を用いることができる。吸収塔101で二酸化炭素が除去された脱二酸化炭素ガス112は、吸収塔101の上部から排出される。
吸収塔101から排出されたリッチ液301は、ポンプ201を介して分流装置107に与えられ、リッチ液302、303に分流される。リッチ液302は再熱交換器103において後述するリーン液316と熱交換を行うことで加熱され、加熱されたリッチ液320はポンプ202を介して放散塔102Aに供給される。また、リッチ液303は、図1に示すように、放散塔102Aの、リッチ液320が投入される箇所より上部の位置、具体的には後述する熱交換層102bに投入される。
放散塔102Aは、熱交換層102aと、熱交換層102aの下段に設けられた熱交換層102bとを有している。リッチ液303は、上段の熱交換層102bに供給されて熱交換層102bを通過して下方へ移動する。リッチ液320は熱交換層102aと熱交換層102bとの間に供給されて下段の充填層102aを通過して下方へ移動する。充填層102a、102bを上方へ向かって二酸化炭素含有蒸気が通過して熱交換が行われる。リッチ液303、320が加熱されることにより大部分の二酸化炭素が蒸気と共に放散されて分離し、放散塔102Aの上部から二酸化炭素含有蒸気310として排出され、二酸化炭素の大部分が除去された高温のリーン液316が放散塔102Aの下部から排出される。
放散塔102Aは、例えば向流型気液接触装置である。リボイラ108は、外部供給熱である高温蒸気140を用いて、放散塔102Aの貯留液を加熱する。これにより、二酸化炭素含有蒸気が放散塔102A内を上方へ向かって移動する。
放散塔102Aから排出される二酸化炭素含有蒸気310は、冷却器105へ供給され、外部から供給される冷水等の冷媒142により冷却されて気液分離器132に排出される。
冷却器105により冷却された二酸化炭素含有蒸気310は、気液分離器132において、二酸化炭素315と凝縮水314とに分離され、二酸化炭素315は排出・回収される。気液分離器132には水面計401が設けられており、凝縮水314の液面変化が測定できるようになっている。言い換えれば、気液分離器132における凝縮水量(単位時間当たりに生成される凝縮水の量)が測定される。凝縮水314は、放散塔102Aに供給することができる。
放散塔102Aから排出されたリーン液316は、再熱交換器103でリッチ液302と熱交換を行う。再熱交換器103における熱交換後のリーン液318は、冷却器106へ供給され、外部から供給される冷水等の冷媒142により冷却される。冷却器106で冷却されたリーン液319は、吸収塔101に供給され、二酸化炭素含有ガス111から二酸化炭素を吸収し、リッチ液301となる。このように、二酸化炭素回収装置では、吸収液が吸収塔101と放散塔102Aとの間を循環し、二酸化炭素が回収される。
また、二酸化炭素回収装置は、水面計401の測定結果を取得し、分流装置107におけるリッチ液302、303の分流量(分流比率)や、リボイラ108の入熱量を制御する制御部402を備えている。
このような二酸化炭素回収装置における、リッチ液303の分流量と、二酸化炭素回収エネルギーとの関係の一例を図2に示す。図2に示すように、リッチ液303の分流量をゼロから徐々に増やすと、二酸化炭素回収エネルギーは徐々に低下する。これは、放散塔102Aの上部においてリッチ液303の二酸化炭素含有蒸気からの熱回収が効果的に行われていることを示している。分流量が所定値α〜βの間は、二酸化炭素回収エネルギーは低い値を維持する。分流量が所定値βを超えると、リッチ液303の分流量の増加に伴い二酸化炭素回収エネルギーが大きく増加する。これは、リッチ液303が過剰に放散塔102Aに供給されることで放散塔102A内の温度が低下し、二酸化炭素の放散が妨げられていることを示している。従って、リッチ液303の分流量をα〜βの範囲にすることが好ましい。
図3は、リッチ液303の分流量と、気液分離器132内の単位時間当たりの凝縮水量との関係の一例を示している。図3に示すように、リッチ液303の分流量をゼロから増やしていくと、分流量の増加に伴い、単位時間当たりの凝縮水量が低下する。これは、放散塔102Aの上部においてリッチ液303の二酸化炭素含有蒸気からの熱回収が効果的に行われ、結果として気液分離器132に運ばれる水蒸気量が低下するためである。図3から、リッチ液303の分流量が所定値αを超えると、凝縮水量がほぼ一定になることが分かる。
従って、図2及び図3から、リッチ液303の分流量をゼロから徐々に増やしていき、凝縮水量がほぼ一定、すなわち水面計401により測定される気液分離器132内の凝縮水314の液面変化がほぼ一定になった時の分流量が、二酸化炭素回収エネルギーを抑えた最適な分流量となる。
このように、気液分離器132内の凝縮水314の液面変化を監視しながらリッチ液303の分流量を決定することで、リッチ液303を最適な分流量として、リッチ液302、303によるリーン液316、二酸化炭素含有蒸気からの熱回収を効果的に行い、二酸化炭素回収エネルギーを抑制することができる。
(第2の実施形態)図4に第2の実施形態による二酸化炭素回収装置の概略構成を示す。本実施形態による二酸化炭素回収装置は、図1に示す第1の実施形態と比較して、二酸化炭素発生器104及び合流装置109を備え、リッチ液303と二酸化炭素含有蒸気310との熱交換を二酸化炭素発生器104で行う点で相違する。
吸収塔101から排出されたリッチ液301は、分流装置107により、リッチ液302、303に分流される。リッチ液302は再生熱交換器103においてリーン液316と熱交換し、加熱される。一方、リッチ液303は、二酸化炭素発生器(熱交換器)104において二酸化炭素含有蒸気310と熱交換し、加熱される。二酸化炭素発生器104を通過した二酸化炭素含有蒸気311は、冷却器105へ供給される。
再生熱交換器103において加熱されたリッチ液320と、二酸化炭素発生器104において加熱されたリッチ液306は、合流装置109で合流され、放散塔102Bに供給される。
放散塔102Bに供給されたリッチ液は、充填層102aを通過して下方へ移動する。充填層102aを上方へ向かって二酸化炭素含有蒸気が通過し、リッチ液との熱交換が行われる。リッチ液が加熱されることにより大部分の二酸化炭素が蒸気と共に放散されて分離し、放散塔102Bの上部から二酸化炭素含有蒸気310として排出され、二酸化炭素の大部分が除去された高温のリーン液316が放散塔102Aの下部から排出される。
このような構成の二酸化炭素回収装置においても、上記第1の実施形態と同様に、気液分離器132内の凝縮水314の液面変化を監視しながら、リッチ液303の最適分流量を容易に決定することができる。そのため、リッチ液302、303によるリーン液316、二酸化炭素含有蒸気からの熱回収を効果的に行い、二酸化炭素回収エネルギーを抑制することができる。
上記第1、第2の実施形態では、凝縮水量がほぼ一定になるまで、リッチ液303の分流量をゼロから徐々に増やしていく方法を説明したが、リッチ液303の分流量の初期値をある程度大きな値とし、凝縮水量が過剰に増加しないこと(凝縮水量がほぼ一定であること)を確認しながら、リッチ液303の分流量を徐々に減らしていくことで、最適な分流量を得るようにしてもよい。具体的には、凝縮水量が一定範囲に収まらなくなるまで、リッチ液303の分流量を徐々に減らしていく。
また、リッチ液303の最適分流量の決定後、所望の二酸化炭素回収率を実現するために、凝縮水量が過剰に増加しないこと(凝縮水量がほぼ一定であること)を確認しながら、リボイラ108の入熱量を制御するようにしてもよい。
気液分離器132の単位時間当たりの凝縮水量の測定には、水面計401でなく質量計を用いてもよいし、流量計を用いて気液分離器132から放散塔102A、102Bに戻される凝縮水314の流量を測定し、測定した流量から凝縮水量を求めてもよい。
(実施例1)図1に示す二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素を12%含む流量100Nm/hの二酸化炭素含有ガス111を吸収塔101に供給し、アミン系吸収液と吸収塔101内で対向接触させリッチ液301を作成した。まず、リッチ液303の分流量をゼロ、リッチ液301の全量をリッチ液302とした。このとき、吸収塔101出口における二酸化炭素の回収率は80%であった。二酸化炭素の回収率が95%となるようにリボイラ140への入熱量(供給蒸気量)を増加したところ、回収エネルギーは4.0GJ/t−COとなった。このとき、気液分離器132における凝縮水量は単位時間あたり200Lであった。
次に、気液分離器132に設けた水面計401の測定結果が減少していくことを監視しながら、制御部402により分流装置107を制御してリッチ液303の分流量を増加させる。図5は、リッチ液303の分流量と、二酸化炭素回収エネルギーとの関係を示している。また、図6は、リッチ液303の分流量と、気液分離器132内の単位時間当たりの凝縮水量との関係を示している。
図6から分かるように、リッチ液303の流量がリッチ液301の5%を超えると、気液分離器132における凝縮水量は単位時間当たり20L程度に減少し、ほぼ一定となった。リッチ液303の流量がリッチ液301の5%のとき、吸収塔101出口における二酸化炭素の回収率は90%、二酸化炭素回収エネルギーは3.1GJ/t−COとなり、リッチ液301の全量をリッチ液302とした場合と比較して、二酸化炭素回収エネルギーを0.9GJ/t−CO低減できることを確認した。凝縮水量がほぼ一定になるまで、リッチ液303の分流量を所定値(例えばゼロ)から徐々に増やしていくことで、最適な分流量が得られ、リッチ液によるリーン液および二酸化炭素含有蒸気からの熱回収を効果的に行い、二酸化炭素回収エネルギーを抑制できることが確認できた。
(実施例2)図1に示す二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素を12%含む流量100Nm/hの二酸化炭素含有ガス111を吸収塔101に供給し、アミン系吸収液と吸収塔101内で対向接触させリッチ液301を作成した。まず、リッチ液303の分流量をリッチ液301の30%とし、リッチ液302の分流量をリッチ液301の70%とした。このとき、このとき、吸収塔101出口における二酸化炭素の回収率は70%であり、気液分離器132における凝縮水量は単位時間当たり10Lであった。また、二酸化炭素回収エネルギーは3.8GJ/t−COとなった。
次に、気液分離器132に設けた水面計401の測定結果が過剰に増加しない(ほぼ一定になっている)ことを監視しながら、制御部402により分流装置107を制御してリッチ液303の分流量をリッチ液301の10%程度まで減少させると、吸収塔101での二酸化炭素の回収率が増加し、90%の二酸化炭素回収率を実現することができた。このときの気液分離器132内の凝縮水量は単位時間あたり15Lであり、ほぼ一定であった。このとき、二酸化炭素回収エネルギーは3.0GJ/t−COとなり、リッチ液301の30%をリッチ液302とした場合と比較して、二酸化炭素回収エネルギーを0.8GJ/t−CO低減できることを確認した。
(実施例3)図1に示す二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素を12%含む流量100Nm/hの二酸化炭素含有ガス111を吸収塔101に供給し、アミン系吸収液と吸収塔101内で対向接触させリッチ液301を作成した。まず、リッチ液303の分流量をリッチ液301の30%とし、リッチ液302の分流量をリッチ液301の70%とした。実施例3ではリボイラへの入熱量が実施例2と比較して約5%少ないことのみが異なる。このとき、このとき、吸収塔101出口における二酸化炭素の回収率は65%であり、気液分離器132における凝縮水量は単位時間当たり15Lであった。また、二酸化炭素回収エネルギーは3.9GJ/t−COとなった。
次に、気液分離器132に設けた水面計401の測定結果が過剰に増加しない(ほぼ一定になっている)ことを監視しながら、制御部402により分流装置107を制御してリッチ液303の分流量をリッチ液301の10%程度まで減少させると、吸収塔101での二酸化炭素の回収率が増加し、85%の二酸化炭素回収率を実現することができた。
さらに、リボイラ108の入熱量を増加させたところ、二酸化炭素回収率は90%まで増加した。このとき、二酸化炭素回収エネルギーは3.0GJ/t−COとなり、二酸化炭素回収エネルギーを0.9GJ/t−CO低減できることを確認した。
(実施例4)図4に示す二酸化炭素回収装置において、二酸化炭素を12%含む流量100Nm/hの二酸化炭素含有ガス111を吸収塔101に供給し、アミン系吸収液と吸収塔101内で対向接触させリッチ液301を作成した。
まず、リッチ液303の分流量をゼロ、リッチ液301の全量をリッチ液302とした。このとき、吸収塔101出口における二酸化炭素の回収率は80%であった。二酸化炭素の回収率が95%となるようにリボイラ140への入熱量(供給蒸気量)を増加したところ、回収エネルギーは4.0GJ/t−COとなった。このとき、気液分離器132における凝縮水量は単位時間あたり200Lであった。
次に、気液分離器132に設けた水面計401の測定結果が減少していくことを監視しながら、制御部402により分流装置107を制御してリッチ液303の分流量を増加させる。リッチ液303の流量がリッチ液301の5%を超えると、気液分離器132における凝縮水量は単位時間当たり20L程度に減少し、ほぼ一定となった。リッチ液303の流量がリッチ液301の5%のとき、吸収塔101出口における二酸化炭素の回収率は90%、二酸化炭素回収エネルギーは3.1GJ/t−COとなり、リッチ液301の全量をリッチ液302とした場合と比較して、二酸化炭素回収エネルギーを0.9GJ/t−CO低減できることを確認した。凝縮水量がほぼ一定になるまで、リッチ液303の分流量をゼロから徐々に増やしていくことで、最適な分流量が得られ、リッチ液によるリーン液および二酸化炭素含有蒸気からの熱回収を効果的に行い、二酸化炭素回収エネルギーを抑制できることが確認できた。
以上説明した少なくともひとつの実施形態において、リッチ液によるリーン液および二酸化炭素含有蒸気からの熱回収を効果的に行い、二酸化炭素の回収エネルギーを抑制することができる。
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され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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
101 吸収塔
102A、102B 放散塔
103 再熱交換器
105、106 冷却器
107 分流装置
108 リボイラ
109 合流装置
132 気液分離器
140 リボイラ
201、202、203 ポンプ
401 水面計
402 制御部

Claims (9)

  1. 二酸化炭素を吸収する吸収液を二酸化炭素含有ガス接触させ、二酸化炭素を吸収した第1リッチ液を生成して排出する吸収塔と、
    前記第1リッチ液を第2リッチ液及び第3リッチ液に分流する分流装置と、
    前記第2リッチ液及び前記第3リッチ液を加熱し、二酸化炭素含有蒸気を放散させてリーン液を生成し、前記リーン液を排出して前記吸収塔に戻す放散塔と、
    前記放散塔から排出された前記リーン液を熱源として前記第2リッチ液を加熱する再生熱交換器と、
    前記放散塔から放散される二酸化炭素含有蒸気を熱源として、前記リーン液となる前の前記第3リッチ液を加熱する加熱部と、
    前記第3リッチ液の加熱に用いられた前記二酸化炭素含有蒸気を、二酸化炭素と凝縮水とに分離する気液分離器と、
    前記気液分離器における凝縮水量を測定する測定部と、
    前記測定部により測定された凝縮水量の変化に基づいて、前記分流装置における分流比を調整する制御部と、
    を備える二酸化炭素回収装置。
  2. 前記制御部は、前記測定部により測定された凝縮水量が一定となるまで、前記第3リッチ液の流量を所定値から増加させることを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素回収装置。
  3. 前記放散塔の貯留液を加熱するリボイラをさらに備え、
    前記制御部は、前記第3リッチ液の流量の決定後、前記吸収塔における二酸化炭素回収率が所定値となるように、前記リボイラへの入熱量を制御することを特徴とする請求項2に記載の二酸化炭素回収装置。
  4. 前記加熱部は、前記放散塔内に設けられた充填層であり、
    前記充填層は、前記放散塔への前記第2リッチ液の供給箇所より高い位置に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の二酸化炭素回収装置。
  5. 前記再生熱交換器により加熱された前記第2リッチ液と、前記加熱部により加熱された前記第3リッチ液とを合流させ、前記放散塔に供給する合流装置をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の二酸化炭素回収装置。
  6. 吸収塔に二酸化炭素含有ガスを導入し、二酸化炭素を吸収する吸収液と接触させ、二酸化炭素を吸収した第1リッチ液を生成して排出する工程と、
    第1リッチ液を第2リッチ液及び第3リッチ液に分流する工程と、
    リーン液を用いて前記第2リッチ液を加熱する工程と、
    二酸化炭素含有蒸気を用いて前記第3リッチ液を加熱する工程と、
    放散塔において、加熱された前記第2リッチ液及び前記第3リッチ液から、二酸化炭素を含有する蒸気を放散させて分離し、前記二酸化炭素含有蒸気及び前記リーン液を生成する工程と、
    気液分離器を用いて、前記第3リッチ液の加熱に用いられた前記二酸化炭素含有蒸気を、二酸化炭素と凝縮水とに分離する工程と、
    前記気液分離器における凝縮水量を測定する工程と、
    前記凝縮水量の変化に基づいて、第2リッチ液及び第3リッチ液の分流比を調整する工程と、
    を備える二酸化炭素回収装置の運転方法。
  7. 前記第3リッチ液の流量を所定値から増加させていき、前記第3リッチ液の流量を、凝縮水量が一定となったときの流量に設定することを特徴とする請求項6に記載の二酸化炭素回収装置の運転方法。
  8. 前記第3リッチ液の流量を所定値から減少させていき、前記第3リッチ液の流量を、凝縮水量が一定範囲に収まらなくなったときの流量に設定することを特徴とする請求項6に記載の二酸化炭素回収装置の運転方法。
  9. 前記第3リッチ液の流量の設定後、前記吸収塔における二酸化炭素回収率が所定値となるように、前記放散塔に連結されたリボイラへの入熱量を制御する工程をさらに備えることを特徴とする請求項7又は8に記載の二酸化炭素回収装置の運転方法。
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