JP2015051404A - 二酸化炭素の回収方法及び回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回収装置の寸法を可能な限り縮小して設置空間の制限を緩和し、製造コストを低減可能な二酸化炭素の回収装置及びそれを用いた回収方法を提供する。
【解決手段】 二酸化炭素の回収装置は、吸収塔、再生塔、及び、吸収塔と再生塔との間で吸収液を循環させるための循環システムを有し、吸収塔は、ガスを吸収液と気液接触させるための気液接触部と、外部から気液接触部の下方へガスを導入するための導入ラインとを有し、ガスに含まれる二酸化炭素を気液接触部に供給される吸収液に吸収させる。再生塔は、吸収液を加熱するための加熱装置と、吸収液からの二酸化炭素の放出を促進するための気液接触部とを有し、吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を放出させて再生する。循環システムが停止した状態において、吸収塔の気液接触部の下方に貯留する吸収液の液面が、導入ラインの放出口より上に位置するように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼ガスなどの二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離回収し、清浄なガスを大気に還元するための二酸化炭素の回収方法及び回収装置に関する。

火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備では、石炭、重油、超重質油などの燃料を多量に使用しており、燃料の燃焼によって排出される硫黄酸化物、窒素酸化物及び二酸化炭素は、大気汚染防止や地球環境保全の見地から放出に関する量的及び濃度的制限が必要とされている。近年、二酸化炭素は地球温暖化の主原因として問題視され、世界的にも排出を抑制する動きが活発化している。このため、燃焼排ガスやプロセス排ガスの二酸化炭素を大気中に放出せずに回収・貯蔵を可能とするために、様々な研究が精力的に進められ、二酸化炭素の回収方法として、例えば、ＰＳＡ（圧力スウィング）法、膜分離濃縮法や、塩基性化合物による反応吸収を利用する化学吸収法などが知られている。

化学吸収法においては、主にアルカノールアミン系の塩基性化合物を吸収剤として用い、その処理プロセスでは、概して、吸収剤を含む水性液を吸収液として、ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収工程と、吸収された二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程とを交互に繰り返すように吸収液を循環させる（例えば、下記特許文献１参照）。再生工程においては、二酸化炭素を放出させるために吸収液を加熱するので、二酸化炭素回収処理の操業費用を削減するために、再生工程後の高温の吸収液（リーン液）と吸収工程後の吸収液（リッチ液）との熱交換によって、熱エネルギーの回収再利用が行われる。

特許４５２３６９１号公報

上述のように、化学吸収法による二酸化炭素の回収装置における吸収液は、稼動中においては吸収工程と再生工程とを循環し、停止時には吸収塔及び再生塔の底部に貯留されるので、吸収塔及び再生塔の底部における吸収液の液面レベルは、稼動時と停止時とで大きく変動する。従って、停止時に余裕を持って吸収液を貯留可能なように吸収塔及び再生塔の底部にある程度の容積を確保するために、吸収塔及び再生塔は、高さ又は底部の寸法が大きく設計されるが、装置の設置空間に制限があると、装置全体を小さくする必要が生じるので、必要とする処理能力を実現できなかったり設置位置の限定・変更を強いられる可能性がある。又、装置の製造コストの点でも不利になる。

本発明の課題は、上述の問題を解決し、装置寸法を可能な限り縮小して設置空間の制限を緩和でき、製造コストの削減に貢献可能な二酸化炭素の回収方法及び回収装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、稼動時及び停止時において、二酸化炭素を含んだガスを吸収塔へ導入する導入ラインの放出口と、吸収塔の底部に貯留する吸収液の液面との位置関係に基づいて適正な構成を見出し、装置寸法の縮小が可能である本発明を完成するに至った。

本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収装置は、ガスを吸収液と気液接触させるための気液接触部と、外部から前記気液接触部の下方へ前記ガスを導入するための導入ラインとを有し、前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記気液接触部に供給される吸収液に吸収させる吸収塔と、吸収液を加熱するための加熱装置と、前記吸収液からの二酸化炭素の放出を促進するための気液接触部とを有し、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を放出させて再生する再生塔と、前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させるための循環システムとを有し、前記循環システムが停止した状態において、前記吸収塔の気液接触部の下方に貯留する吸収液の液面が、前記導入ラインの放出口より上に位置するように構成されることを要旨とする。

又、本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収方法は、吸収塔内の気液接触部の下方に放出口が位置する導入ラインを通じて外部からガスを導入し、前記気液接触部の上方から吸収液を供給して前記ガスを吸収液と気液接触させて前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収工程と、前記吸収工程で二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱して、気液接触部を有する再生塔において前記吸収液からの二酸化炭素の放出を促進する再生工程と、前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させて前記吸収工程と前記再生工程とを繰り返す循環工程と、前記循環工程の停止によって、前記吸収塔の底部に貯留する吸収液の液面が前記導入ラインの放出口より上に位置して前記導入ラインを遮断した時に、前記吸収塔内及び前記導入ライン内の圧力を等しくする等圧化工程とを有することを要旨とする。

本発明によれば、ガスの導入ラインの放出口と、吸収塔の底部に貯留する吸収液の液面との位置関係の適正化によって、回収装置の寸法を可能な限り縮小して設置空間の制限を緩和することができるので、製造コストの削減に貢献し得る二酸化炭素の回収装置及びそれを用いて実施される回収方法が提供され、二酸化炭素回収装置の設置・普及に寄与し、環境問題の改善に有用である。特殊な装備や高価な装置を必要とせず、一般的な設備を利用して簡易に実施できるので、経済的に有利である。

本発明の一実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。 従来の吸収塔における稼動状態（ａ）及び停止状態（ｂ）での液面レベルを示すための説明図。 本発明の吸収塔における稼動状態（ａ）及び停止状態（ｂ）での液面レベルの一例を示すための説明図。 本発明の吸収塔における稼動状態（ａ）及び停止状態（ｂ）での液面レベルの他の例を示すための説明図。

化学吸収法による二酸化炭素の回収装置においては、ガスに含まれる二酸化炭素を低温の吸収液に吸収させる吸収塔と、吸収された二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する高温の再生塔との間で吸収液を循環させて、吸収工程と再生工程とを交互に繰り返すことによって、連続的に導入されるガスから二酸化炭素を回収することが可能である。回収装置における吸収液は、停止時には吸収塔及び再生塔の底部に貯留されるが、稼動中には吸収工程と再生工程とを循環して、回収装置全体に分布する。特に、吸収塔内及び再生塔内において、吸収液は、充填材を用いて構成される気液接触部を徐々に流下するので、各塔の底部に貯留される吸収液の量は、少なくとも気液接触部を流下途中の吸収液の分量だけ減少し、吸収液の液面レベルが低下する。従って、稼動中の吸収塔及び再生塔の底部には、気液接触部と吸収液の液面との間に不用な空間が存在する。この空間が縮小するように装置構造を設計すると、稼動終了又は不具合によって吸収液の循環が停止した時に吸収塔及び再生塔の底部の液面レベルが上昇して、吸収塔へガスを導入する導入ラインより高くなるので、従来の装置構造においては、吸収液が導入ラインを遮断した時に、ガスを導入しているファンに対して負荷等の影響を与えたり、吸収塔内外での圧力バランスが乱れ易く、復帰のための煩雑な制御が必要になる場合がある。従って、吸収液の循環が停止した状態での機器への負担や取り扱いの煩雑さが問題となる。又、気液接触部の下端より吸収液の液面レベルが高くなると、液面レベルの検出に工夫が必要となる。

本発明においては、上記の点を考慮して、稼動時に不用な空間の削減によって装置寸法を縮小可能であり、停止時の取り扱いが容易な構造の二酸化炭素回収装置、及び、これを用いて実施される回収方法を提案する。これにより、回収装置の設置空間に対する制限の緩和が可能であり、又、装置の製造コストの削減も可能である。

以下に、本発明の二酸化炭素の回収方法及び回収装置について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の一実施形態を示す。回収装置１は、ガスＧに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔１０と、吸収液を加熱して二酸化炭素を放出させるための再生塔２０と、吸収塔１０及び再生塔２０の間で吸収液を循環させて吸収・再生を繰り返すための循環システムとを有し、吸収塔１０及び再生塔２０における二酸化炭素の吸収及び吸収液の再生を繰り返すことによって、ガスＧからの二酸化炭素の回収が進行する。この実施形態では、更に、吸収塔１０に導入される前のガスＧを予め冷却して、吸収塔１０における吸収処理に適した低温に調整するための前処理塔３０を有し、燃焼排ガスやプロセス排ガスなどの様々なガスの取扱いが可能である。

吸収塔１０は、ガスＧを吸収液と気液接触させてガスＧに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるための気液接触部１１と、ガスＧを外部から気液接触部１１の下方へ導入するための導入ライン１８とを有し、前処理塔３０において予め冷却されたガスＧが、導入ライン１８を通じて吸収塔１０内の気液接触部１１下方に供給される。再生塔２０は、熱源としてスチームヒーター２２を用いて構成されるリボイラーと、吸収液Ａ１からの二酸化炭素の放出を促進するための気液接触部２１とを有し、リボイラーは、吸収塔１０で二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する加熱装置として作用する。前処理塔３０は、ガスＧの冷却水Ｗによる冷却を促進するための気液接触部３１を有する。吸収塔１０、再生塔２０及び前処理塔３０は、各々、向流型気液接触装置として構成され、気液接触部１１，２１，３１は、各々、接触面積を大きくするための充填材を塔内に保持することによって構成され、充填材は、概して、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料製のものが用いられるが、特に限定されず、処理温度における耐久性及び耐腐食性を有する素材で、所望の接触面積を提供し得る形状のものを適宜選択するとよい。吸収液として、アルカノールアミン類等の二酸化炭素に親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水性液が用いられる。

前処理塔３０底部から供給されるガスＧは、気液接触部３１の充填材を通過し、前処理塔３０の上部から供給される冷却水Ｗによって冷却された後に吸収塔１０に供給される。これにより、ガスＧに起因する吸収塔１０の温度上昇が防止される。ガスＧを冷却して温度上昇した冷却水は、ポンプ３２によって水冷式の冷却器３３に送られ、冷却された後に前処理塔３０に還流される。吸収塔１０底部に接続される導入ライン１８に温度センサーを設けて、検出温度に応じてポンプ３２の駆動を制御するように構成すると、ガスＧの温度が高い時に、冷却水の流量増加によって熱交換率を上昇させてガスＧの温度を低下させることができる。尚、前処理塔３０内部を２つに区画して、硫黄酸化物をアルカリ水で吸収除去する脱硫処理機能を具備させると、回収装置１の適用性が向上し、二酸化炭素の回収処理を様々なガスに対して実施することができる。

前処理塔３０を通過した二酸化炭素を含んだガスＧは、導入ライン１８を通じて吸収塔１０の下部から気液接触部１１の下方に供給される。一方、吸収液は、吸収塔１０の上部から気液接触部１１の上方に供給され、ガスＧ及び吸収液が気液接触部１１の充填材間を通過する間に気液接触してガスＧ中の二酸化炭素が吸収液に吸収される。二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）Ａ１は、気液接触部１１の下方において吸収塔１０底部に貯溜される。吸収液を循環させるための循環システムは、吸収液を搬送するためのポンプ１２，２３と、吸収塔１０底部と再生塔２０上部とを接続する供給路１６と、再生塔２０底部と吸収塔１０上部とを接続する還流路１７とを有し、吸収塔１０底部に貯留される吸収液Ａ１は、ポンプ１２によって、吸収塔１０底部から再生塔２０上部へ供給路１６を通じて供給される。二酸化炭素が除去されたガスＧ’は、吸収塔１０頂部から排出される。

吸収液は、二酸化炭素を吸収することによって発熱して液温が上昇するので、必要に応じて、ガスＧ’に含まれ得る水蒸気等を凝縮するための冷却凝縮部１３が吸収塔１０頂部に設けられ、これにより、水蒸気等が塔外へ漏出するのをある程度抑制できる。これを更に確実にするために、吸収塔外に付設される冷却器１４及びポンプ１５を有し、冷却凝縮部１３下に貯留される凝縮水の一部（塔内のガスＧ’を含んでも良い）は、ポンプ１５によって冷却器１４との間で循環する。冷却器１４で冷却されて塔頂部に供給される凝縮水は冷却凝縮部１３を低温に維持し、冷却凝縮部１３を通過するガスＧ’を確実に冷却する。冷却凝縮部１３で凝縮する水は気液接触部１１に流下し、これにより、塔内の吸収液の組成変動が補整される。塔外へ排出されるガスＧ’の温度は６０℃程度以下が好ましく、より好ましくは４５℃以下となるように、ポンプ１５の駆動が制御される。

吸収塔１０の吸収液Ａ１は、供給路１６から再生塔２０の上部に供給され、気液接触部２１上を流下して底部に貯溜される。再生塔２０の底部に設けられるリボイラーは、熱供給源として再生塔２０外に付設されるスチームヒーター２２と、再生塔２０内の吸収液Ａ２をスチームヒーター２２を介して循環させるための循環路２２’とを有し、塔底部の吸収液Ａ２の一部が循環路２２’を通してスチームヒーター２２へ導出され、高温蒸気との熱交換によって加熱された後に塔内へ還流される。この加熱によって、底部の吸収液から二酸化炭素が放出され、又、気液接触部２１も間接的に加熱されて充填材上での気液接触による吸収液からの二酸化炭素の放出が促進される。

再生塔２０で二酸化炭素を放出して再生された吸収液（リーン液）Ａ２は、還流路１７を通じてポンプ２３によって吸収塔１０に還流される。供給路１６及び還流路１７を流れる吸収液において、熱交換器２４中での熱伝達による熱交換が行われるので、吸収塔１０から再生塔２０に供給される供給路１６の吸収液Ａ１は加熱され、還流路１７の吸収液Ａ２は冷却される。つまり、再生塔２０へ供給される供給路１６の吸収液Ａ１は、リボイラーから供給される熱によって加熱され、温度は吸収液Ａ２の温度近くに上昇する。熱交換後の還流路１７の吸収液Ａ２は、更に、冷却水を用いた冷却器２５によって、二酸化炭素の吸収に適した温度まで充分に冷却される。熱交換器には、スパイラル式、プレート式、二重管式、多重円筒式、多重円管式、渦巻管式、渦巻板式、タンクコイル式、タンクジャケット式、直接接触液液式等、様々な種類があり、本発明における熱交換器２４として何れのタイプを使用しても良いが、装置の簡素化及び清掃分解の容易さの点ではプレート式が優れている。

再生塔２０における加熱で放出される二酸化炭素を含むガスは、回収ガスＣとして再生塔２０上部の凝縮部２６を通って頂部から排出される。凝縮部２６は、ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて過度の放出を抑制し、また、吸収剤の放出も抑制する。回収ガスＣは、再生塔２０の頂部から排気管３４を通って、冷却水を用いた冷却器２７によって充分に冷却され、これによって、含まれる水蒸気等を可能な限り凝縮する。凝縮水は、気液分離器２８によって分離除去され、回収ガスＣは、圧力調節弁２９を介して放出される。回収ガスＣに含まれる二酸化炭素は、例えば、地中又は油田中に注入することによって、地中での炭酸ガス固定及び再有機化が可能である。気液分離器２８において分離された凝縮水は、ポンプ３６によって所定流量で流路３５から再生塔２０の凝縮部２６上へ供給され、これは冷却水として機能する。

図１の回収装置１は、循環システムを作動させて吸収液を循環させた稼動状態で記載されており、吸収塔１０及び再生塔２０の底部に貯留される吸収液Ａ１，Ａ２の液面レベルは低い。つまり、導入ライン１８の放出口位置及び循環路２２’の還流口を各々基準とする液面レベル（基準からの距離）を示す値Ｈ１，Ｈ２が正の値（本願においては、液面が基準より下側にある場合を正とし、基準より上側にある場合を負として表す）になるが、循環システムが停止すると、気液接触部１１，２１から吸収液が流下して下方に貯留し、底部の吸収液Ａ１，Ａ２の液面レベルが上昇する。本発明の回収装置１においては、循環システムが停止した状態において、吸収塔１０の底部に貯留する吸収液Ａ１及び再生塔２０の底部に貯留する吸収液Ａ２の液面が、ガスＧの導入ライン１８の放出口及び循環路２２’の還流口より上のレベルに位置し、値Ｈ１，Ｈ２が負の値になるように構成される。これにより、吸収塔１０における気液接触部１１より下側の容積は、停止時の吸収液貯留量とほぼ同程度又はそれ以下の大きさとなるように設計され、従来より縮小される。この点について、図２〜４を参照して以下に説明する。

図２〜４は、稼動時及び停止時の吸収塔１０底部における液面レベルを説明するための図であり、図２は従来の吸収塔１０ａの構成を、図３及び図４は本発明に係る吸収塔１０ｂ，１０ｃの構成を示し、各図において、（ａ）は稼動時の状態を、（ｂ）は停止時の状態を表す。尚、気液接触部１１へのガスＧの均一供給の観点から、ガスＧの導入ラインの放出口、つまり、ガス放出位置と、気液接触部１１の下端との距離Ｄには適正な値があり（距離Ｄは、概して、気液接触部の高さＬ１の１０％以内である）、図２〜４における導入ラインの放出口と気液接触部１１との距離は同一に設定される。

図２のように、稼動状態（ａ）及び停止状態（ｂ）の何れにおいても吸収液Ａ１の液面が、ガスＧの導入ライン１８ａの放出口より下に位置する（つまり、値Ｈ１，Ｈ１’が常に正の値になる）ように吸収塔１０ａを構成すると、気液接触部１１より下側の容積は、回収装置１に投入される吸収液を余裕を持って収容可能な大きさが必要となる。これに対し、図３（ｂ）のように、停止状態での吸収液Ａ１の液面が導入ライン１８ｂの放出口より上に位置し（つまり、値Ｈ１’が負の値になる）、液面が導入ライン１８ｂの放出口と気液接触部１１下端との間にあるように吸収塔１０ｂを構成すると、気液接触部１１より下側の容積は、図２に比べて小さくなる。更に、図４（ｂ）のように、停止状態での吸収液Ａ１の液面が、導入ライン１８ｃの放出口だけでなく、気液接触部１１の下端をも上回る（値Ｈ１’は絶対値が更に大きい負値になる）状態に吸収塔１０ｃを構成すると、気液接触部１１より下側の容積は更に小さくなる。停止状態における値Ｈ１’，Ｈ２’は、−３〜−０．３ｍとなるように構成すると好ましく、より好ましくは−２〜−０．５ｍとなるようにするとよい。

図３及び図４のように導入ライン１８ｂ，１８ｃの放出口が、停止状態での吸収液Ａ１の液面より下に位置すると、導入ライン１８ｂ，１８ｃは、吸収液Ａ１によって吸収塔１０内の雰囲気から遮断され、この場合に生じ得る問題として、圧力変動による吸収塔１０と導入ライン１８ｂ，１８ｃとの圧力バランスの崩れや、前処理塔３０への吸収液Ａ１の逆流があり、不具合により循環が停止した場合には、ガスの導入にファンを用いている場合にファンへの負荷が生じたり、吸収液中へのガスの吹き込みによる問題が生じる。これらを防止するために、本発明においては、第１に、図２及び３に示すように、導入ラインが放出口に向かって下降するように傾斜させて設置し、具体的には、１／１００程度の下り勾配であると好ましい（尚、図１ではこの特徴の描写は省略する）。第２に、導入ライン１８内と吸収塔１０内とに生じる圧力差を解消して等しくするための等圧化手段として、導入ライン１８と吸収塔１０とを接続するバイパス路４１及びバイパス弁４２を図１のように設ける。装置を稼動する際には、このバイパス弁４２を閉止してバイパス路４１を遮断し、回収処理を終了した後に、バイパス弁４２を開放することによって、導入ライン１８と吸収塔１０内との間において温度変化等に起因する圧力差が生じるのを防止でき、吸収液の逆流は回避される。又、不具合により循環が停止した時に、バイパス弁４２の開放によって上述のような問題は回避される。上述の問題は、再生塔２０においては発生しないので、再生塔２０を図３又は図４のように構成する上で支障はなく、循環システムが作動した状態において、スチームヒーター２２によって加熱された吸収液Ａ２は、再生塔２０の底部に還流されて、貯留される吸収液Ａ２の液面より上の位置に投入されるが、停止時の液面レベルは、図３又は図４と同様に、循環路２２’の投入口より高くなる。

二酸化炭素の回収装置においては、加熱時の水の気化による吸収液の濃縮を検知して水の補給により吸収液の濃度を一定に保持することが望ましい。本発明において、停止状態での液面が気液接触部１１下端に達する場合、特に、図４（ｂ）のように下端より上になる場合には、気液接触部１１を浸漬する吸収液の液面は、光学的手段による直接検出は困難である。このため、回収装置１の吸収塔１０及び再生塔２０は、各々、吸収液量の変動を検知するための手段として、液の底部と液面上雰囲気との差圧を利用した液面計４３，４４が付設される。具体的には、液の底部と液面上雰囲気との差圧を測定して液位を求める圧力式レベル計や、塔底部内と連通する液柱ゲージを利用したものなどを液面計４３，４４として使用することができる。圧力式レベル計は、その方式によって、直接式、ダイアフラムシール式、エアパージ式、投げ込み式及びメトリテープ式に分類され、直接式、ダイアフラムシール式、エアパージ式及び投げ込み式の圧力式レベル計は、差圧伝送器を用いて液位を検知し、メトリテープ式ではテープ状センサーの短絡を利用した圧力検出によって液位を検知するが、本発明では、上述の装置構成上の観点から、差圧伝送器を用いる圧力式レベル計の使用が適しており、更に、ガス処理での利用及び吸収液による影響等を考慮すると、ダイアフラムシール式の圧力式レベル計が好ましい。ダイアフラムシール式の圧力式レベル計を付設する場合、塔中央部又はそれより上の部分（つまり、停止時の吸収液の液面が到達しない位置）と塔底部とに各々ダイアフラムシールが取り付けられ、これらで受ける液体圧及び気体圧は、キャピラリーチューブを介して接続される差圧伝送器に伝達され、これらの差圧に基づいて液面レベルが決定される。他の方式のものを利用する場合も、同様に、塔中央部及び塔底部で受ける圧力が差圧伝送器に伝えられて差圧により液面を検知できるように、圧力検知部及び導圧管を設置すればよく、液柱ゲージを利用する場合も同様である。液面計４３，４４の付設により、吸収液の濃縮や漏出による液量の変動を常時検知可能であり、水の補給による吸収液量の調整や装置の補修を適切に行うことができる。

稼動状態において吸収塔１０の気液接触部１１に保持される吸収液の容量ΔＶ１は、概して、気液接触部１１の占有容積Ｐ１に対して５〜１０％程度の量であると見なすことができる。つまり、気液接触部１１に保持される吸収液の容量ΔＶ１は、気液接触部１１の占有容積Ｐ１に対する割合Ｒ（＝５〜１０％程度）を用いて概算できる［ΔＶ１＝（Ｐ１×Ｒ）］。従って、吸収塔１０の形状が、図１のように水平断面積が一定である形状、例えば略円筒形や柱状等であると、塔底部に貯留される吸収液の液面レベルにおける稼動状態と停止状態との差ΔＨ１は、気液接触部１１の高さＬ１及び割合Ｒから、ΔＨ１＝（Ｌ１×Ｒ）と想定することができ、稼動状態での吸収液の液面レベルＨ１は、停止状態での吸収液の液面レベルＨ１’よりΔＨ１だけ低い［Ｈ１＝Ｈ１’＋ΔＨ１］。再生塔２０の気液接触部２１に保持される吸収液の容量ΔＶ２についても同様に、気液接触部２１の占有容積Ｐ２及び割合Ｒから、ΔＶ２＝（Ｐ２×Ｒ）であり、再生塔２０における稼動時の液面レベルＨ２と停止時の液面レベルＨ２’との差ΔＨ２［＝Ｈ２−Ｈ２’］は、気液接触部２１の高さＬ２及び割合Ｒから、ΔＨ２＝（Ｌ２×Ｒ）、と想定される。回収装置１に投入される吸収液の全容量Ｖｔが、稼動時に気液接触部１１，２１に保持される液量（ΔＶ１＋ΔＶ２）［＝（Ｐ１＋Ｐ２）×Ｒ］以下であると、稼動状態での吸収液の貯留量［＝Ｖｔ−（ΔＶ１＋ΔＶ２）］は負になって、稼動時に塔底部に吸収液が貯留されず、ポンプによる吸収液の循環に支障を生じ易くなるので、吸収液の全容量Ｖｔは、（ΔＶ１＋ΔＶ２）より大きく設定される。

又、停止状態で吸収塔１０底部に貯留する吸収液の容量をＶ１とすると、稼動状態で吸収塔１０底部の液面レベルＨ１が正であるためには、吸収塔１０の導入ライン１８の放出口から下の部分の容積Ｂ１は、稼動状態で吸収塔１０底部に貯留する吸収液の容量［＝Ｖ１−ΔＶ１］より大きく、停止状態での液面レベルＨ１’が負であるためには、容積Ｂ１は容量Ｖ１より小さくなる［Ｖ１−ΔＶ１＜Ｂ１＜Ｖ１］ように設計される。概して、容積Ｂ１は、ΔＶ１（＝Ｐ１×Ｒ）程度以下となるように設計すると好ましく、これに基づくと、吸収塔１０における気液接触部１１より下方の容積は、２ΔＶ１程度以下となる。

図１の回収装置１において実施される回収方法について説明する。

バイパス路４１のバイパス弁４２を閉止した状態で、装置の稼動を開始する。燃焼排ガスやプロセス排ガスなどの二酸化炭素を含有するガスＧは、前処理塔３０に供給され、吸収塔１０での二酸化炭素の吸収処理に適した温度、概して５０℃程度以下、好ましくは４０℃以下に冷却された後に、導入ライン１８から吸収塔１０へ供給される。ガスＧの冷却温度は、ポンプ３２の駆動制御による冷却水の流量調節によって調整される。

吸収塔１０において、ガスＧが底部から供給され、ポンプ１２，２３の駆動により吸収液が吸収塔１０の上部から供給されると、気液接触部１１の充填材上でガスＧと吸収液とが気液接触し、吸収液に二酸化炭素が吸収される。二酸化炭素は、低温において良好に吸収されるので、概して５０℃程度以下、好ましくは４０℃以下となるように吸収液の液温又は吸収塔１０（特に気液接触部１１）の温度を調整する。吸収液は二酸化炭素の吸収によって発熱するので、これによる液温上昇を考慮し、液温が６０℃を超えないように配慮することが望ましい。吸収液として、二酸化炭素に親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水性液が用いられる。吸収剤としては、アルカノールアミン類やアルコール性水酸基を有するヒンダードアミン類などが挙げられ、具体的には、アルカノールアミンとして、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン等を例示することができ、アルコール性水酸基を有するヒンダードアミンとしては、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール（ＡＭＰ）、２−（エチルアミノ）エタノール（ＥＡＥ）、２−（メチルアミノ）エタノール（ＭＡＥ）等を例示できる。通常、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）の使用が好まれ、上記のような化合物の複数種を混合使用しても良い。吸収液の吸収剤濃度は、処理対象とするガスに含まれる二酸化炭素量や処理速度等に応じて適宜設定することができ、吸収液の流動性や消耗損失抑制などの点を考慮すると、概して、１０〜５０質量％程度の濃度が適用され、例えば、二酸化炭素含有量が２０％程度のガスＧの処理に対して、濃度が３０質量％程度の吸収液が好適に使用される。ガスＧ及び吸収液の供給速度は、ガスに含まれる二酸化炭素量及び気液接触効率等に応じて、吸収が充分に進行するように適宜設定される。

二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、塔底部から供給路１６を通じてポンプ１２，２３の駆動力によって再生塔２０に供給され、再生塔の吸収液Ａ２が吸収塔１０に供給されるが、この間に、熱交換器２４において、吸収液Ａ１は、再生塔２０から還流する吸収液Ａ２と熱交換される。熱交換器２４における吸収液Ａ１の出口温度と吸収液Ａ２の入口温度との差は１０℃未満となるように構成可能であり、吸収液Ａ１は、再生塔２０での加熱温度に近い温度に昇温される。再生塔２０における吸収液Ａ２の加熱温度は、使用する吸収液組成や再生条件によって異なるが、概して１００〜１３０℃程度に設定され、これに基づけば、熱交換において吸収液Ａ１の熱交換器出口温度は９５〜１２５℃程度に上昇し得る。

沸点近辺の高温度で再生塔２０に供給される吸収液Ａ１は、二酸化炭素を放出しながら気液接触部２１へ流下し、充填材上での気液接触によって二酸化炭素の放出が促進されると共に、再生塔２０底部での加熱によって更に昇温及び二酸化炭素の放出が進行する。底部に貯留される吸収液Ａ２は、部分循環加熱によって沸点付近に加熱され、吸収液の沸点は組成（吸収剤濃度）及び再生塔２０内の圧力に依存する。この際、吸収液から失われる水の気化潜熱及び吸収液の顕熱の供給が必要であり、加圧によって気化を抑制すると、沸点上昇により顕熱が増加するので、これらのバランスを考慮して、再生塔２０内を１００ｋＰａＧ程度に加圧して、吸収液は１２０〜１３０℃に加熱する条件設定を用いるとエネルギー効率上有効である。再生塔２０内の加圧は、排気管３４の出口に設けられる圧力調節弁２９の制御によって調整可能である。

再生塔２０の上部の温度は、投入される吸収液Ａ１の温度に近くなるため、凝縮部２６を通過した回収ガスを冷却器２７において冷却水により十分に冷却する。回収ガスＣから凝縮する水分及び吸収剤は気液分離器２８において回収ガスＣから分離され、凝縮部２６に供給することによって凝縮部２６を冷却すると共に、再生塔２０における吸収液の濃度上昇及び吸収剤の気化放散を抑制する。

このようにして、ポンプ１２，２３の駆動を継続することで、吸収液を吸収塔１０と再生塔２０との間で循環させる循環工程が行われ、吸収工程と再生工程とが交互に繰り返される。

尚、図１の回収装置では、再生塔２０の排気管３４に圧力調節弁２９が設けられ、必要に応じて再生塔２０内を加圧して圧力を調節可能なように構成されているが、大気圧に設定する場合には省略して良い。又、吸収塔１０内のガス圧力は大気圧に設定されているが、再生塔２０と同様にして圧力調節弁を用いて圧力を調節可能に構成してもよく、吸収塔１０での二酸化炭素回収率を上げる必要がある場合には、常圧を超える１２０ｋＰａＧ程度以下、好ましくは１０〜１００ｋＰａＧ程度の圧力範囲に調整するとよい。

上述の稼動状態において、吸収塔１０及び再生塔２０の底部に貯留する吸収液Ａ１，Ａ２の液面レベルの高さＨ１，Ｈ２は正の値になる。又、吸収液Ａ１，Ａ２の液面レベルは、液面計４３，４４によって検出・確認できるので、吸収液の濃縮が進行して液面が低下する場合には、吸収液に水を補給して適宜調節できる。液面計４３，４４は、吸収塔１０及び再生塔２０の少なくとも一つに設ければ吸収液の管理が可能であり、何れか１つを省略しても良い。吸収塔１０に設けられる液面計４３の方が、検出の正確さにおいて有利である。

ガスＧの供給を止めて、装置の稼動を停止すると、吸収塔１０及び再生塔２０の底部の吸収液Ａ１，Ａ２の液面は、気液接触部１１，２１から流下する吸収液の貯留によって上昇して、液面レベルの高さＨ１’，Ｈ２’は負の値になる。導入ライン１８は下り勾配に設けられているので、吸収液Ａ１が吸収塔１０から導入ライン１８へ逆流することは抑制される。停止後、バイパス路４１のバイパス弁４２を開放する等圧化工程を行うことによって、吸収塔１０内と導入ライン１８内との気体圧が等しくなるので、温度変化等によっても差圧は生じず、導入ライン１８と吸収塔１０、及び、循環路２２’と再生塔２０の圧力バランスは安定に保たれる。又、何らかの不具合により吸収液の循環が停止した場合にも、バイパス弁４２の開放によって、ガスＧを吸収塔１０上部へ回避させる対応が可能である。又、吸収液Ａ１，Ａ２の液面が気液接触部１１，２１に達した状態でも、液面レベルは液面計４３，４４によって検出できるので、吸収液の濃度及び量は容易に調整でき、又、装置の破損等による吸収液の漏出も、液面レベルの変動に基づいて容易に検知できる。

本発明は、火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備から排出される二酸化炭素含有ガスの処理等に利用して、その二酸化炭素放出量や環境に与える影響などの軽減に有用である。小型化及び製造コストの削減が可能で、吸収液の濃度や漏出の管理を支障なく行える二酸化炭素の回収装置を提供でき、環境保護に貢献可能である。

１ 回収装置、 １０，１０ａ〜１０ｃ 吸収塔、 ２０ 再生塔、
３０ 前処理塔、 １１，２１，３１ 気液接触部、
１２，１５，２３，３２，３６ ポンプ、 １３ 冷却凝縮部、
１４，２５，２７，３３ 冷却器、 １６ 供給路、 １７ 還流路、
１８，１８ａ〜１８ｃ 導入ライン、 ２２ スチームヒーター、
２２’ 循環路、 ２４ 熱交換器、 ２６ 凝縮部、
２８ 気液分離器、 ２９ 圧力調節弁、 ３４ 排気管、 ３５ 流路、
４１ バイパス路、 ４２ バイパス弁、 ４３，４４ 液面計、
Ｇ、Ｇ’ ガス、 Ａ１，Ａ２ 吸収液、 Ｃ 回収ガス、 Ｗ 冷却水。

Claims (7)

1. ガスを吸収液と気液接触させるための気液接触部と、外部から前記気液接触部の下方へ前記ガスを導入するための導入ラインとを有し、前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記気液接触部に供給される吸収液に吸収させる吸収塔と、
   吸収液を加熱するための加熱装置と、前記吸収液からの二酸化炭素の放出を促進するための気液接触部とを有し、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を放出させて再生する再生塔と、
   前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させるための循環システムと
   を有し、前記循環システムが停止した状態において、前記吸収塔の気液接触部の下方に貯留する吸収液の液面が、前記導入ラインの放出口より上に位置するように構成される二酸化炭素の回収装置。
2. 前記循環システムが停止した状態において、前記吸収塔の気液接触部の下方に貯留する吸収液の液面が前記気液接触部に達する請求項１に記載の二酸化炭素の回収装置。
3. 前記循環システムが作動する状態において、前記吸収塔の気液接触部の下方に貯留する吸収液の液面は、前記導入ラインの放出口より下に位置するように構成される請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
4. 前記導入ラインは、前記放出口に向かって下降するように傾斜して設けられる請求項１〜３の何れか１項に記載の二酸化炭素の回収装置。
5. 更に、前記循環システムが停止した状態において、前記吸収塔内及び前記導入ライン内の圧力を等しくするための等圧化手段を有する請求項１〜４の何れか１項に記載の二酸化炭素の回収装置。
6. 前記吸収塔は、貯留する吸収液の液面を検出するための液面計を有する請求項１〜５の何れか１項に記載の二酸化炭素の回収装置。
7. 吸収塔内の気液接触部の下方に放出口が位置する導入ラインを通じて外部からガスを導入し、前記気液接触部の上方から吸収液を供給して前記ガスを吸収液と気液接触させて前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収工程と、
   前記吸収工程で二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱して、気液接触部を有する再生塔において前記吸収液からの二酸化炭素の放出を促進する再生工程と、
   前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させて前記吸収工程と前記再生工程とを繰り返す循環工程と、
   前記循環工程の停止によって、前記吸収塔の底部に貯留する吸収液の液面が前記導入ラインの放出口より上に位置して前記導入ラインを遮断した時に、前記吸収塔内及び前記導入ライン内の圧力を等しくする等圧化工程と
   を有する二酸化炭素の回収方法。

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