JP2017090120A - アミン吸収液の二酸化炭素濃度分析システム、二酸化炭素回収システムおよびその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 吸収液のアミン濃度が高い場合でも低い場合でも、アミン吸収液中のＣＯ２濃度をオンラインで自動的に測定することができるアミン吸収液のＣＯ２濃度分析システム、ＣＯ２回収システムおよびその運転方法を提供する。
【解決手段】 ＣＯ２を含有する処理対象ガスと気液接触してＣＯ２を吸収する吸収塔１０と、このＣＯ２を吸収した吸収液を再生する再生塔２０との間で循環利用されているアミン吸収液について、測定装置４０で、その粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定し、制御装置５０で、これら測定した結果から、アミン吸収液のＣＯ２濃度を算出する。
【選択図】 図１
【解決手段】 ＣＯ２を含有する処理対象ガスと気液接触してＣＯ２を吸収する吸収塔１０と、このＣＯ２を吸収した吸収液を再生する再生塔２０との間で循環利用されているアミン吸収液について、測定装置４０で、その粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定し、制御装置５０で、これら測定した結果から、アミン吸収液のＣＯ２濃度を算出する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、アミン吸収液の二酸化炭素（ＣＯ２）濃度分析システム、ＣＯ２回収システムおよびその運転方法に関する。
従来より、化石燃料の燃焼排ガスなどの中に含有されるＣＯ２やＨ２Ｓ等の酸性ガスを除去、回収する方法について、様々な方法が提案されている。そのうちの一方法としては、燃焼排ガスを、アルカノールアミン水溶液などのアミン吸収液と接触させて、燃焼排ガスからＣＯ２を吸収し、このＣＯ２を吸収したアミン吸収液を加熱してＣＯ２を放散させて回収するとともに、アミン吸収液を再生して循環利用する方法がある。
このようなＣＯ２の回収システムにおいては、要求されるガス吸収性能を担保し、且つ必要なエネルギーを低減するという観点から、最適な運転条件を見出すことが必要である。そのためには、システム運転中における吸収液中のアミン濃度や、吸収液中のＣＯ２濃度を測定し、把握しておくことが重要である。特許文献１には、アミン吸収液の超音波伝播速度や電気伝導率が、アミン吸収液中のＣＯ２濃度と相関があることから、超音波伝播速度や電気伝導率を測定し、この測定値からアミン吸収液中のＣＯ２濃度を算出して、運転条件を制御することが記載されている。
また、上述したＣＯ２回収システムに関するものではないが、特許文献２には、複数（ｎ）の溶質が溶解された溶媒において、超音波伝播速度を測定するとともに、各溶質のｎ−１種類の特定物性量を検出することで、各溶質の濃度を決定することができる技術が記載されて、特許文献３には、硫酸、フッ化水素および水からなる３成分混合物において、超音波伝播速度と、電気伝導度又は粘度を測定することで、各成分の濃度を求めることが記載されている。
上述したＣＯ２回収システムでは、処理対象ガスである燃焼排ガスを発生するボイラ等の運転状況がよく変化することから、それに合わせて運転条件を変える必要があり、そのためには、アミン吸収液中のＣＯ２濃度をオンラインで測定し、監視したい。しかしながら、アミン吸収液中のＣＯ２濃度を直接測定することは、現在のところ、サンプリングして精密機械で分析、測定されている。
システム内を流れるアミン吸収液をオンラインで自動的に測定するための技術として、特許文献１があるが、アミン吸収液の超音波伝播速度と電気伝導率を測定しても、吸収液のアミン濃度によっては、測定される超音波伝播速度や電気伝導度と算出しようとするＣＯ２濃度との間で一対一の相関が成り立たない場合があり、アミン吸収液中のＣＯ２濃度を必ずしも特定することができないという問題がある。
そこで、本発明は、吸収液のアミン濃度が高い場合でも低い場合でも、アミン吸収液中のＣＯ２濃度をオンラインで自動的に測定することができるアミン吸収液のＣＯ２濃度分析システム、ＣＯ２回収システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
本発明は、その一態様として、アミン吸収液のＣＯ２濃度分析システムであって、このシステムは、少なくともＣＯ２を含有する処理対象ガスと気液接触して、ＣＯ２を吸収し、前記処理対象ガスからＣＯ２を除去するアミン吸収液について、その粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定する測定装置と、前記測定装置で測定した結果から、前記アミン吸収液の少なくともＣＯ２濃度を算出する制御装置とを備えるものである。
前記制御装置は、アミン吸収液の導電率をアミン吸収液の粘度で補正した値とアミン吸収液のＣＯ２濃度との相関に基づいて、導電率の測定値を粘度の測定値で補正することで、前記アミン吸収液のＣＯ２濃度を算出するものとしてもよい。
前記制御装置は、アミン吸収液の粘度と、導電率または超音波伝播速度と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、粘度の測定値と導電率または超音波伝播速度の測定値とから、前記アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものとしてもよい。
前記制御装置は、アミン吸収液の超音波伝播速度を粘度で補正した値と、導電率または導電率を粘度で補正した値と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、超音波伝播速度、粘度、導電率の３つの測定値から、前記アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものとしてもよい。
前記測定装置は、アミン吸収液の温度も測定できるものであってよく、前記制御装置は、アミン吸収液の粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとの測定値と、前記温度の測定値とから、前記アミン吸収液のＣＯ２濃度またはＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものとしてもよい。
前記測定装置は、ＣＯ２吸収液の温度を一定の値に調整した後に、この一定の温度のアミン吸収液の粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定することが好ましい。
本発明は、また別の態様として、ＣＯ２回収システムであって、このシステムは、少なくともＣＯ２を含有する処理対象ガスにアミン吸収液を気液接触させて、前記アミン吸収液にＣＯ２を吸収させて、前記処理対象ガスからＣＯ２を除去するＣＯ２吸収塔と、前記ＣＯ２吸収塔でＣＯ２を吸収したアミン吸収液から、ＣＯ２を放散させてアミン吸収液を再生する吸収液再生塔と、上述したアミン吸収液のＣＯ２濃度分析システムとを備えるものである。
本発明は、さらに別の態様として、ＣＯ２回収システムの運転方法であって、この方法は、上述したＣＯ２回収システムにおいて、前記アミン吸収液の粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定する工程と、前記測定した粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとの結果から、前記アミン吸収液の少なくともＣＯ２濃度を算出する工程とを含む。
このように、本発明によれば、オンラインで自動的に測定することが可能なアミン吸収液の粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定することで、吸収液のアミン濃度が高い場合でも低い場合でも、粘度の測定値を利用することで、例えば、導電率を粘度で補正した値とアミン吸収液のＣＯ２濃度とが相関することから、又はアミン吸収液の粘度と、導電率もしくは超音波伝播速度と、ＣＯ２濃度とが相関することから、又はアミン吸収液の超音波伝播速度を粘度で補正した値と、導電率もしくは導電率を粘度で補正した値と、ＣＯ２濃度とが相関することから、アミン吸収液のＣＯ２濃度を迅速に且つ精度高く算出することができる。
また、アミン吸収液の粘度、導電率、超音波伝播速度は、アミン吸収液の温度によって変化することから、必要により、これらの測定を行うアミン吸収液の温度を制御することで、又はアミン吸収液の温度も測定し、この温度の測定値で補正することで、アミン吸収液のＣＯ２濃度を迅速に且つ精度高く算出することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係るアミン吸収液のＣＯ２濃度分析システム、ＣＯ２回収システムおよびその運転方法の実施の形態について、詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１に示すように、本実施の形態のＣＯ２回収システムは、ＣＯ２を含有する処理対象ガスとアミン吸収液とを気液接触してアミン吸収液中にＣＯ２を吸収させて処理対象ガス中からＣＯ２を除去する吸収塔１０と、ＣＯ２を吸収したアミン吸収液（リッチ吸収液）からＣＯ２を放出させて、このＣＯ２を放出したアミン吸収液（リーン吸収液）をＣＯ２の吸収液として再生する再生塔２０と、アミン吸収液の導電率と粘度を測定する測定装置４０とを少なくとも備える。なお、本明細書では特に言及しないが、処理対象ガスがＣＯ２の他にＨ２Ｓ等の酸性ガスを含む場合は、これら酸性ガスもアミン吸収液に吸収される。また、図１は、本実施の形態の概要を説明するための図であり、付属する機器を一部省略している。
図１に示すように、本実施の形態のＣＯ２回収システムは、ＣＯ２を含有する処理対象ガスとアミン吸収液とを気液接触してアミン吸収液中にＣＯ２を吸収させて処理対象ガス中からＣＯ２を除去する吸収塔１０と、ＣＯ２を吸収したアミン吸収液（リッチ吸収液）からＣＯ２を放出させて、このＣＯ２を放出したアミン吸収液（リーン吸収液）をＣＯ２の吸収液として再生する再生塔２０と、アミン吸収液の導電率と粘度を測定する測定装置４０とを少なくとも備える。なお、本明細書では特に言及しないが、処理対象ガスがＣＯ２の他にＨ２Ｓ等の酸性ガスを含む場合は、これら酸性ガスもアミン吸収液に吸収される。また、図１は、本実施の形態の概要を説明するための図であり、付属する機器を一部省略している。
吸収塔１０は、その塔下部に、ＣＯ２を含有する処理対象ガスを吸収塔１０内に供給するためのラインＬ１を備えるとともに、塔頂部には、酸性ガスが除去された処理対象ガスを吸収塔１０から排出するためのラインＬ３を備える。そして、吸収塔１０は、これらラインＬ１、Ｌ３の接続位置の間に、処理対象ガスとアミン吸収液が気液接触する下部充填部１１ａと、このアミン吸収液との接触後の処理対象ガスと洗浄液とが気液接触する上部充填部１１ｂとを備える。また、吸収塔１０は、上部充填部１１ｂと下部充填部１１ａとの間に位置する水受部１１ｃを備える。この水受部１１ｃは、下方から上方へと気体を通過させるが、上方から下方へ液体を通過させない構成となっている。また、水受部１１ｃには、水受部１１ｃに溜まった液体を、上部充填部１１ｂの上方から吸収塔１０内に洗浄液として供給するためのラインＬ５が設けられている。このラインＬ５には、洗浄液を送給するためのポンプＰ５と、洗浄液を冷却するための冷却器１３と、測定装置４０に洗浄液の一部を採取して送るためのラインＬ５ａが設けられている。
吸収塔１０の底部には、ＣＯ２を吸収したアミン吸収液（リッチ吸収液）の一部を再生塔２０に送るためのラインＬ４が設けられている。このラインＬ４には、測定装置４０にアミン吸収液の一部を採取して送るためのラインＬ４ａと、アミン吸収液を送給するためのポンプＰ４と、後述するリーン吸収液との熱交換を行うための熱交換器２５とが、吸収塔１０側から順に設けられている。
再生塔２０は、リッチ吸収液が供給されるラインＬ４の位置の下方に、リッチ吸収液からＣＯ２を放出させるための下部充填部２１ａと、放出されたＣＯ２ガスを後述する還流水で洗浄するための上部充填部２１ｂとを備える。また、再生塔２０は、下部充填部２１ａの下方に、吸収液受部２１ｃを備える。この吸収液受部２１ｃは、下方から上方へと気体を通過させるが、上方から下方へ液体を通過させない構成となっている。そして、吸収液受部２１ｃには、吸収液受部２１ｃに溜まったリッチ吸収液を、吸収液受部２１ｃの下方から再生塔２０内に供給するためのラインＬ７が設けられている。このラインＬ７には、リッチ吸収液からＣＯ２を放出させるため、リッチ吸収液を加熱するリボイラ２２が設けられている。このリボイラ２２には、加熱用の飽和蒸気をリボイラ２２に供給するためのラインＬ６が設けられている。
再生塔２０の塔頂部には、リッチ吸収液から放出されたＣＯ２ガスを再生塔２０から排出するためのラインＬ１０が設けられている。このラインＬ１０には、ＣＯ２ガスを冷却するための冷却器２３と、冷却により生じた凝縮水とＣＯ２ガスとを分離するための気液分離器２４が設けられている。気液分離器２４には、分離した凝縮水を還流水として再生塔２０内の上部充填部２１の上方から供給するためのラインＬ９と、分離したＣＯ２ガスを系外へ排出するためのラインＬ１１が設けられている。還流水のラインＬ９には、測定装置４０にアミン吸収液の一部を採取して送るためのラインＬ１０ａと、還流水を送給するためのポンプＰ９が設けられている。
再生塔２０の塔底部には、リボイラ２２によって加熱、再生されたリーン吸収液を、吸収塔１０内の下部充填部１１ａの上方から供給するためのラインＬ８が設けられている。このラインＬ８には、ラインＬ４を流れるリッチ吸収液との間で熱交換する熱交換器２５と、リーン吸収液を送給するためのポンプＰ８と、リーン吸収液を冷却する冷却器１２と、測定装置４０にアミン吸収液の一部を採取して送るためのラインＬ８ａと、吸収塔１０の水受部１１ｃに溜まった洗浄液の一部を、補給水としてリーン吸収液に添加するためのラインＬ５ｂとが、再生塔２０側から順に設けられている。
また、吸収塔１０の処理対象ガスの流れ方向に対して前流側には、処理対象ガスを吸収塔１０に供給する前に、処理対象ガスを冷却するための冷却塔３０が設けられている。この冷却塔３０は、その塔下部に、冷却塔３０内に処理対象ガスを供給するためのラインＬ０を備えるとともに、塔頂部に、冷却された処理対象ガスを冷却塔３０から排出して吸収塔１０へ供給するためのラインＬ１を備える。そして、冷却塔３０は、これらラインＬ０、Ｌ１の接続位置の間に、冷却水と処理対象ガスとを接触させるための充填部３１を備える。処理対象ガスを供給するラインＬ１には、処理対象ガスを送給するためのブロワＢ１が設けられている。また、冷却塔３０の塔底部には、この塔底部に溜まった冷却水を、冷却塔３０内の充填部３１の上方へ供給するためのラインＬ２が設けられており、このラインＬ２には、冷却水を冷却するための冷却器３２が設けられている。
測定装置４０は、アミン吸収液の導電率と粘度を測定できるものであれば特に限定されず、公知の導電率計と粘度計を備えるものでよい。よって、図１では測定装置４０を１つのものとして示したが、別々の２つの装置としてもよい。また、測定装置４０では、アミン吸収液の温度も測定することができる。
また、図１では、導電率と粘度を測定するためにアミン吸収液の一部を測定装置４０に供給するラインＬ４ａ、Ｌ８ａを示したが、本発明はこれに限定されず、吸収塔１０−再生塔２０間のアミン吸収液のラインＬ４、Ｌ８内に、導電率を測定するセンサーや粘度を測定するセンサーをそれぞれ配置してもよい。また、図１では、リッチ吸収液とリーン吸収液の両方のアミン吸収液の導電率と粘度を測定するために、測定装置４０への供給ラインとして２つのラインＬ４ａ、Ｌ８ａを示したが、本発明はこれに限定されず、リッチ吸収液かリーン吸収液のどちらか一方のアミン吸収液の導電率と粘度を測定するようにしてもよい。
更に、図１では、測定装置４０で測定するリッチ吸収液の採取または対象箇所を、吸収液の温度が比較的に安定しているリッチ吸収液のラインＬ４の吸収塔１０出口側としたが、本発明はこれに限定されず、このラインＬ４の再生塔２０入口側でもよいし、吸収塔１０出口側と再生塔２０入口側の両方でもよい。また、図１では、測定装置４０で測定するリーン吸収液の採取または対象箇所を、吸収液の温度が冷却器１２等によって安定しているリーン吸収液のラインＬ８の吸収塔１０入口側としたが、本発明はこれに限定されず、このラインＬ８の再生塔２０出口側でもよいし、吸収塔１０入口側と再生塔２０出口側の両方でもよい。必要により、測定装置４０で測定するリッチ吸収液やリーン吸収液の温度を冷却または加熱するための温度調整器を配置してもよい。これにより、測定装置４０で測定する吸収液の温度を一定にすることができる。
測定装置４０は、アミン吸収液の導電率と粘度を測定するものであるが、吸収塔１０の上部充填部１１ｂで循環利用される洗浄液や、再生塔２０の上部充填部２１ｂで循環利用される還流水に対しても、その導電率と粘度を測定できる。また、図１では、これら洗浄液および還流水の一部を測定装置４０に供給するためのラインＬ５ａ、Ｌ１０ａを示したが、上述したようにラインＬ５、Ｌ１０内に導電率や粘度を測定するセンサーは配置してもよい。
測定装置４０は、制御装置５０と通信可能に構成されており、測定した結果は制御装置５０にオンラインで送られるように構成されている。
制御装置５０は、アミン吸収液の導電率を粘度で補正した値とアミン吸収液中のＣＯ２濃度との相関に基づいて、測定装置４０で測定された導電率の測定値と粘度の測定値から、アミン吸収液中のＣＯ２濃度を算出する機能を有するものである。アミン吸収液の導電率を粘度で補正した値としては、例えば、アミン吸収液の導電率と粘度の積や、アミン吸収液の導電率と粘度を底とする指数関数値の積などを用いることができる。そして、制御装置５０は、このＣＯ２濃度の算出値に基づいて、ＣＯ２回収システムの運転条件（アミン吸収液の流量、リボイラ２２への投入熱量、処理対象ガスの流量など）を変更する信号を送る機能を有する。上記相関のＣＯ２濃度の範囲は、０．５重量％〜２０重量％が好ましく、１重量％〜１５重量％がより好ましい。アミン濃度の範囲は、２０重量％〜７０重量％が好ましく、４０重量％〜６０重量％がより好ましい。
次に、以上の構成のシステムについて、その作動形態を説明することによって、本発明に係るＣＯ２回収システムの運転方法の一実施の形態を説明する。
先ず、ＣＯ２を含有する処理対象ガスをラインＬ０から冷却塔３０に供給して冷却する。なお、処理対象ガスの例としては、天然ガスや、アンモニア製造等の化学プラントにて製造されるプロセスガス、石炭ガス化ガス等の合成ガス、化石燃料の燃焼排ガスなど、少なくともＣＯ２を含むガスである。冷却塔３０では、処理対象ガスを、冷却器３２からの冷却水で充填部３１において所定の温度まで冷却した後、ブロアＢ１によりラインＬ１を経て吸収塔１０の下部に導入する。処理対象ガスは、吸収塔１０での吸収効率から、一例として３０〜４０℃に冷却することが好ましい。なお、冷却塔３０の塔底部に溜まった冷却水は、ポンプＰ２によりラインＬ２を介して冷却器３２で冷却した後、冷却塔３０に供給して、循環利用する。
続いて、吸収塔１０では、ラインＬ１から導入する処理対象ガスを、ラインＬ８より導入するアミン吸収液と下部充填部１１ａにて向流接触させ、処理対象ガス中のＣＯ２をアミン吸収液に吸収することによって、処理対象ガスからＣＯ２を除去する。これにより、ＣＯ２を処理対象ガス中から９０％以上除去することができる。アミン吸収液は、アミン化合物の水溶液であり、アミン化合物としては、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、メチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン等のアルカノールアミンを用いることができる。
ＣＯ２が除かれた処理対象ガスは、ＣＯ２吸収による発熱反応によって高温下で蒸発した水分とアミン化合物を同伴しているため、上部充填部１１ｂにて洗浄液と接触させ、ガス中の水分とアミン化合物を凝縮して洗浄液中に回収する。そして、洗浄後の処理対象ガスを、吸収塔１０の塔頂部からラインＬ３を介して排出する。水分とアミン化合物を含有する洗浄液は水受部１１ｃに溜まることから、その一部をポンプＰ５によりラインＬ５を介して冷却器１３で冷却した後、吸収塔１０の上部充填部１１ｂの上方に供給して洗浄液として循環利用するとともに、余剰分は吸収液として再利用するため、ラインＬ５ｂを介してリーン吸収液のラインＬ８に添加する。
ＣＯ２を吸収したリッチ吸収液は、吸収塔１０の塔底部に溜まり、その一部を、ラインＬ４を介して熱交換器２５で加熱した後、再生塔２０に供給する。ラインＬ４のアミン吸収液の一部は、所定の時間毎に、ラインＬ４ａを介して測定装置４０に送り、導電率と粘度を測定する。導電率と粘度の測定値は、制御装置５０へ送る。
再生塔２０に供給したリッチ吸収液は、下部充填部２１ａにて吸熱反応によりＣＯ２を放出しながら流下して吸収液受部２１ｃに溜まり、ラインＬ７を介してリボイラ２２に供給し、ラインＬ６からの高温の飽和蒸気と熱交換させて昇温し、リッチ吸収液中のＣＯ２を放散する。リボイラ２２に導入した飽和蒸気は、吸収液との熱交換により凝縮して飽和水となりリボイラ２２から排出する。ＣＯ２を放散したリーン吸収液は、再生塔２０の塔底部に溜まる。
吸収液から分離したＣＯ２ガスは、再生塔２０の上部充填部２１ｂにてラインＬ９から供給した還流水と気液接触させて同伴するアミン吸収液を除去した後、再生塔２０の塔頂部からラインＬ１０を介して排出する。そして、ＣＯ２ガスを冷却器２３にて冷却することで同伴する水蒸気を凝縮し、気液分離器２４にてＣＯ２ガスと凝縮水とに分離する。分離したＣＯ２ガスはラインＬ１１を介して排出して、純度の高いＣＯ２ガスとして回収し、凝縮水はポンプＰ９によりラインＬ９を介して再生塔２０に供給して還流水として再利用する。
再生塔２０の塔底部に溜まったリーン吸収液は、ラインＬ８を介して熱交換器２５に導入し、リッチ吸収液と熱交換させて冷却し、更に冷却器１２で冷却した後、吸収塔１０に供給し、アミン吸収液として循環利用する。ラインＬ８のアミン吸収液の一部は、所定の時間毎に、ラインＬ８ａを介して測定装置４０に送り、導電率と粘度を測定する。導電率と粘度の測定値は、制御装置５０へ送る。吸収塔１０に供給するアミン吸収液の温度は、熱交換器２５及び冷却器１２にて調整できる。このようにしてアミン吸収液は、吸収塔１０でＣＯ２を吸収し、再生塔２０でＣＯ２を放散した後、再び吸収塔１０でＣＯ２を吸収するという循環利用が行われる。
制御装置５０では、上記の所定の相関に基づいて、測定装置４０で測定された導電率の測定値と粘度の測定値から、アミン吸収液中のＣＯ２濃度を算出する。そして、制御装置５０は、このアミン吸収液中のＣＯ２濃度の算出値に基づいて、ＣＯ２回収システムの運転条件を変更するために、吸収塔１０や、再生塔２０のリボイラ２２等に信号を送る。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、測定装置４０が、アミン吸収液の粘度と、超音波伝播速度または導電率とを測定できるものである点と、制御装置５０が、アミン吸収液の粘度と、超音波伝播速度または導電率と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、粘度の測定値と超音波伝播速度または導電率の測定値とから、アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものである点を除き、第１の実施の形態と同様の構成を有するものである。本実施の形態の測定装置４０は、公知の粘度計と、公知の超音波伝播速度測定器または導電率計とを備えるものでよい。
第２の実施の形態は、測定装置４０が、アミン吸収液の粘度と、超音波伝播速度または導電率とを測定できるものである点と、制御装置５０が、アミン吸収液の粘度と、超音波伝播速度または導電率と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、粘度の測定値と超音波伝播速度または導電率の測定値とから、アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものである点を除き、第１の実施の形態と同様の構成を有するものである。本実施の形態の測定装置４０は、公知の粘度計と、公知の超音波伝播速度測定器または導電率計とを備えるものでよい。
この実施の形態によれば、測定装置４０は、アミン吸収液の粘度と、超音波伝播速度または導電率とを測定し、その測定結果を制御装置５０に送る。制御装置５０では、アミン吸収液の粘度と、超音波伝播速度または導電率と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、測定装置４０からの粘度の測定値と超音波伝播速度または導電率の測定値とから、アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出する。そして、制御装置５０は、このアミン吸収液中のＣＯ２濃度とアミン濃度の算出値に基づいて、ＣＯ２回収システムの運転条件を変更するために、吸収塔１０や、再生塔２０のリボイラ２２等に信号を送る。
また、本実施の形態では、ラインＬ５ａからの洗浄液や、ラインＬ９ａからの還流水についても、測定装置４０で洗浄水や還流水の粘度と、超音波伝播速度または導電率とを測定してもよい。この場合、制御装置５０では、アミン吸収液に代えて洗浄水や還流水の粘度と、超音波伝播速度または導電率と、アミン濃度との相関に基づいて、測定装置４０からの測定値から、洗浄水や還流水のアミン濃度を算出する。この算出値に基づいて、吸収塔１０や再生塔２０の運転条件を変更するために、信号を送る。
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、測定装置４０が、アミン吸収液の粘度と、超音波伝播速度と、導電率とを測定できるものである点と、制御装置５０が、アミン吸収液の超音波伝播速度を粘度で補正した値と、導電率または導電率を粘度で補正した値と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、超音波伝播速度、粘度、導電率の３つの測定値から、アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものである点を除き、第１の実施の形態と同様の構成を有するものである。
第３の実施の形態は、測定装置４０が、アミン吸収液の粘度と、超音波伝播速度と、導電率とを測定できるものである点と、制御装置５０が、アミン吸収液の超音波伝播速度を粘度で補正した値と、導電率または導電率を粘度で補正した値と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、超音波伝播速度、粘度、導電率の３つの測定値から、アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものである点を除き、第１の実施の形態と同様の構成を有するものである。
本実施の形態の測定装置４０は、公知の粘度計と超音波伝播速度測定器と導電率計とを備えるものでよい。また、本実施の形態の制御装置５０は、上記の相関として、例えば、導電率と、超音波伝播速度と粘度の指数関数値を乗じたもの（例えば、−１／２乗や１／２乗など）との積との相関や、導電率と粘度の積と、超音波伝播速度と粘度の指数関数値を乗じたもの（例えば、−１／２乗や１／２乗など）との積との相関を用いることができる。
この実施の形態によれば、測定装置４０は、アミン吸収液の粘度と超音波伝播速度と導電率の３つを測定し、その測定結果を制御装置５０に送る。制御装置５０では、アミン吸収液の超音波伝播速度を粘度で補正した値と、導電率または導電率を粘度で補正した値と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、測定装置４０からの３つの測定値から、アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出する。そして、制御装置５０は、この算出値に基づいて、ＣＯ２回収システムの運転条件を変更するために、吸収塔１０や、再生塔２０のリボイラ２２等に信号を送る。
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、測定装置４０が、更にアミン吸収液の温度も測定できるものである点と、制御装置５０が、このアミン吸収液の温度の測定値で上述した相関を補正して、上述した粘度等の測定値からアミン吸収液のＣＯ２濃度等を算出するものである点を除き、上述した第１から第３の各実施の形態と同様の構成を有するものである。すなわち、アミン吸収液の導電率、粘度、超音波伝播速度は、温度依存性を示し、アミン吸収液の組成が同一であっても測定温度によって異なる値を示すことから、本実施の形態では、アミン吸収液の温度が大きく変化しても、温度を測定して上記の相関を補正することで、アミン吸収液のＣＯ２濃度やアミン濃度を正確に算出することができる。
第４の実施の形態は、測定装置４０が、更にアミン吸収液の温度も測定できるものである点と、制御装置５０が、このアミン吸収液の温度の測定値で上述した相関を補正して、上述した粘度等の測定値からアミン吸収液のＣＯ２濃度等を算出するものである点を除き、上述した第１から第３の各実施の形態と同様の構成を有するものである。すなわち、アミン吸収液の導電率、粘度、超音波伝播速度は、温度依存性を示し、アミン吸収液の組成が同一であっても測定温度によって異なる値を示すことから、本実施の形態では、アミン吸収液の温度が大きく変化しても、温度を測定して上記の相関を補正することで、アミン吸収液のＣＯ２濃度やアミン濃度を正確に算出することができる。
本実施の形態の測定装置４０は、上述した計測器に加えて、公知の温度計を備えるものでよい。本実施の形態の制御装置５０は、アミン吸収液の粘度と、導電率および超音波伝播速度の少なくとも１つについて、各物性値が、アミン吸収液のＣＯ２濃度およびアミン濃度が一定の場合に、アミン吸収液の温度に対して相関するデータ（「温度相関」という）が記憶されているものである。温度相関の温度の範囲は、例えば、１０℃〜１３０℃が好ましく、２０℃〜５０℃がより好ましい。ＣＯ２濃度とアミン濃度の好ましい範囲は、それぞれ第１の実施の形態と同様である。
また、本実施の形態の制御装置５０は、上述した第１から第３の実施の形態で説明したようなＣＯ２濃度を算出するための相関（「ＣＯ２濃度相関」という）が記憶されているものである。具体的には上述した、導電率を粘度で補正した値とアミン吸収液のＣＯ２濃度との相関や、アミン吸収液の粘度と、導電率もしくは超音波伝播速度と、ＣＯ２濃度との相関、アミン吸収液の超音波伝播速度を粘度で補正した値と、導電率もしくは導電率を粘度で補正した値と、ＣＯ２濃度との相関である。このＣＯ２濃度相関が成り立つ温度（「基準温度」という）は、上記の温度相関の温度範囲内であれば特に限定されず、例えば、２０℃でよい。そして、本実施の形態の制御装置５０は、この温度相関を用いて、上述したＣＯ２濃度相関を、測定した温度において成立する相関に補正する機能を有するものである。
この実施の形態によれば、測定装置４０は、アミン吸収液の粘度と、アミン吸収液の超音波伝播速度および導電率のうちの少なくとも１つと、アミン吸収液の温度を測定し、その測定結果を制御装置５０に送る。制御装置５０では、アミン吸収液の温度の測定値から、温度相関を用いて、ＣＯ２濃度相関を、測定した温度において成立する相関に補間する（例えば、基準温度で成立する相関の粘度、導電率、超音波伝播速度の各値を、温度相関を用いて、測定した温度における値に補正し、この補正した粘度、導電率、超音波伝播速度の値を用いて、ＣＯ２濃度との相関関係をプロットし直す）。そして、この温度補正したＣＯ２濃度相関に基づいて、測定装置４０からのアミン吸収液の粘度、超音波伝播速度、導電率の測定値から、アミン吸収液のＣＯ２濃度、又はＣＯ２濃度とアミン濃度を算出する。制御装置５０は、この算出値に基づいて、ＣＯ２回収システムの運転条件を変更するために、吸収塔１０や、再生塔２０のリボイラ２２等に信号を送る。
以上のように、いずれの実施の形態においても、測定装置４０で、オンラインで自動的に測定することが可能なアミン吸収液の粘度、導電率、超音波伝播速度、必要により温度を測定し、そして、吸収液のアミン濃度が高い場合でも低い場合でも、導電率を粘度で補正した値とアミン吸収液のＣＯ２濃度とが相関することから、又はアミン吸収液の粘度と、導電率もしくは超音波伝播速度と、ＣＯ２濃度とが相関することから、又はアミン吸収液の超音波伝播速度を粘度で補正した値と、導電率もしくは導電率を粘度で補正した値と、ＣＯ２濃度とが相関することから、制御装置５０で、アミン吸収液のＣＯ２濃度を迅速に且つ精度高く算出することができる。
以下、本発明の実施例および比較例について説明する。
［実施例１］
アミン化合物の濃度が異なる４種類のアミン吸収液について、それぞれ４つのアミン吸収液に異なる量のＣＯ２を吸収させて、ＣＯ２濃度およびアミン濃度が全て異なる１６のアミン吸収液を得た。これらアミン吸収液について、導電率、粘度およびＣＯ２濃度を測定した。その結果について、導電率に対するＣＯ２濃度の関係を示すようにプロットしたものを図２に示し（比較例）、導電率と粘度の積に対するＣＯ２濃度の関係を示すようにプロットしたものを図３に示す（実施例）。なお、アミン濃度は、４０〜６０ｗｔ％の範囲内で調整し、Ａ％が一番低く、Ａ％〜Ｄ％の順で高くなっている。
アミン化合物の濃度が異なる４種類のアミン吸収液について、それぞれ４つのアミン吸収液に異なる量のＣＯ２を吸収させて、ＣＯ２濃度およびアミン濃度が全て異なる１６のアミン吸収液を得た。これらアミン吸収液について、導電率、粘度およびＣＯ２濃度を測定した。その結果について、導電率に対するＣＯ２濃度の関係を示すようにプロットしたものを図２に示し（比較例）、導電率と粘度の積に対するＣＯ２濃度の関係を示すようにプロットしたものを図３に示す（実施例）。なお、アミン濃度は、４０〜６０ｗｔ％の範囲内で調整し、Ａ％が一番低く、Ａ％〜Ｄ％の順で高くなっている。
なお、ＣＯ２濃度（ｗｔ％）については、ＮＤＩＲ検出器を備えた全有機炭素測定装置を用いて無機炭素を測定した。また、アミン濃度（ｗｔ％）については、電気伝導度検出器を備えたイオンクロマトグラフ法で測定した。導電率（ｍＳ／ｃｍ）及び粘度（Ｐａ・ｓ）は、温度依存性を示すことから、いずれの測定も同一温度（２０℃）で行った。
図２に示すグラフでは、アミン吸収液中のＣＯ２濃度が約１ｗｔ％から約５ｗｔ％まで高くなると、導電率も高くなっている。よって、このＣＯ２濃度の範囲であれば、吸収液のアミン濃度が既知の場合、導電率の測定値からＣＯ２濃度を特定することができる。しかしながら、ＣＯ２濃度が約１０ｗｔ％と更に高くなっても、アミン濃度がＢ％〜Ｄ％の吸収液では、導電率はあまり高くなっておらず、ＣＯ２濃度が約１５ｗｔ％とより高くなると、導電率は下がってしまっている。よって、導電率の測定値のみでは、吸収液のアミン濃度が既知であっても、ＣＯ２濃度を導き出すことは困難であった。
一方、図３に示すグラフでは、いずれのアミン濃度の吸収液でも、導電率と粘度の積の値が高くなる程、ＣＯ２濃度も高くなっており、高い相関を示した。よって、導電率の測定値に粘度の測定値を乗じることで、アミン吸収液のＣＯ２濃度を導き出すことができることがわかった。これは、一般に、溶媒中に溶解する電解質の量が多い程、導電率が高くなるという相関を示すものの、アミン吸収液中に溶解するＣＯ２の場合には、このような法則はそのまま当てはまらなかったが、図３に示すように導電率を粘度で補正することで高い相関を示すようになったのは、ＣＯ２の溶解量が少ない領域ではＣＯ２の溶解によって吸収液の粘度はあまり増加せず、導電率の測定値に影響を与えなかったものの、ＣＯ２の溶解量が多い領域ではＣＯ２の溶解量に応じて吸収液の粘度が顕著に増加することで電解質の移動を妨げ、これが導電率の測定値を下げていたと推測することができる。
［実施例２］
実施例１で用いた１６のアミン吸収液について、導電率、粘度、ＣＯ２濃度に加えて、超音波伝播速度（音速）も測定した。音速（ｍ／ｓ）についても温度依存性を示すことから、導電率及び粘度の測定時と同じ温度で測定した。その結果について、導電率に対する音速の関係を示すようにプロットしたものを図４に示し（比較例）、粘度に対する音速の関係を示すようにプロットしたものを図５に示し（実施例）、導電率に対する粘度の関係を示すようにプロットしたものを図６に示す（実施例）。なお、これら図の凡例中のＣＯ２濃度の値は、代表的な数値を示し、正確には図２及び図３のグラフに示す値である。
実施例１で用いた１６のアミン吸収液について、導電率、粘度、ＣＯ２濃度に加えて、超音波伝播速度（音速）も測定した。音速（ｍ／ｓ）についても温度依存性を示すことから、導電率及び粘度の測定時と同じ温度で測定した。その結果について、導電率に対する音速の関係を示すようにプロットしたものを図４に示し（比較例）、粘度に対する音速の関係を示すようにプロットしたものを図５に示し（実施例）、導電率に対する粘度の関係を示すようにプロットしたものを図６に示す（実施例）。なお、これら図の凡例中のＣＯ２濃度の値は、代表的な数値を示し、正確には図２及び図３のグラフに示す値である。
図４に示すグラフでは、アミン吸収液中のＣＯ２濃度が約１０ｗｔ％や約１４ｗｔ％の場合は、導電率と音速の２つの測定値から、アミン濃度とＣＯ２濃度がそれぞれ特定できるものの、ＣＯ２濃度が１．１ｗｔ％や５．８ｗｔ％の場合では、音速が１７４０ｍ／ｓで導電率が１．６５ｍＳ／ｃｍの付近でプロット線が捩れており、導電率と音速の２つの測定値から、アミン濃度とＣＯ２濃度をそれぞれ一義的に特定することは困難である。
一方、図５に示すグラフでは、プロット線の捩れが一切生じず、粘度と音速の２つの測定値から、アミン濃度とＣＯ２濃度をそれぞれ一義的に特定することができた。また、図６に示すグラフでも、プロット線の捩れは一切生じず、導電率と粘度の２つの測定値から、アミン濃度とＣＯ２濃度をそれぞれ一義的に特定することができた。
［実施例３］
実施例２で用いた１６のアミン吸収液の導電率、粘度、ＣＯ２濃度、超音波伝播速度（音速）の測定結果について、更に、導電率に対する音速と粘度の−１／２乗との積の関係を示すようにプロットしたものを図７に示し（実施例）、導電率と粘度の積に対する音速と粘度の−１／２乗との積の関係を示すようにプロットしたものを図８に示す（実施例）。
実施例２で用いた１６のアミン吸収液の導電率、粘度、ＣＯ２濃度、超音波伝播速度（音速）の測定結果について、更に、導電率に対する音速と粘度の−１／２乗との積の関係を示すようにプロットしたものを図７に示し（実施例）、導電率と粘度の積に対する音速と粘度の−１／２乗との積の関係を示すようにプロットしたものを図８に示す（実施例）。
図７に示すグラフでは、上述した比較例の図４と比べて、横軸を音速から、音速と粘度の−１／２乗との積に替えたことで、プロット線の捩れが解消され、導電率、粘度、音速の３つの測定値から、アミン濃度とＣＯ２濃度をそれぞれ一義的に特定することができるようになった。液体の音速は、以下の式の関係（ｃ：音速、Ｋ：体積弾性率、ρ：密度）があり、一般に、粘度が高い液体ほど、体積弾性率が大きくなるといわれている。つまり、ＣＯ２及びアミンの溶解によって、アミン吸収液の密度及び粘度が増加するため、音速は密度の増加により小さくなり、粘度（体積弾性率）の増加により大きくなる作用を受ける。導電率同様に、ＣＯ２及びアミンの溶解量に加えて粘度が音速にも影響していたと推測することができる。
また、図８に示すグラフでは、図７と比べて、縦軸を導電率から、導電率と粘度の積に替えたことで、同一アミン濃度の吸収液のカーブの湾曲が非常に緩やかになり、導電率、粘度、音速の３つの測定値から、アミン濃度とＣＯ２濃度をより容易に特定することができるようになった。これは、実施例１と同様に、アミン吸収液におけるＣＯ２の溶解量と導電率の関係が粘度によって補正されたと推測することができる。
［実施例４］
実施例１で用いた１６種類のアミン吸収液について、温度を２０℃から５０℃まで１０℃ずつ温度を上げて、これらアミン吸収液の導電率、粘度、超音波伝播速度（音速）をそれぞれ測定した。アミン濃度がＡ％の場合の各測定結果を、図９、図１０、図１１に示す。これらの図に示すように、いずれのＣＯ２濃度においても、温度が高い程、導電率の測定値は高くなり、粘度および音速の測定値は低くなるという相関を示した。なお、図に示していないが、他のアミン濃度においても同様の相関を示した。
実施例１で用いた１６種類のアミン吸収液について、温度を２０℃から５０℃まで１０℃ずつ温度を上げて、これらアミン吸収液の導電率、粘度、超音波伝播速度（音速）をそれぞれ測定した。アミン濃度がＡ％の場合の各測定結果を、図９、図１０、図１１に示す。これらの図に示すように、いずれのＣＯ２濃度においても、温度が高い程、導電率の測定値は高くなり、粘度および音速の測定値は低くなるという相関を示した。なお、図に示していないが、他のアミン濃度においても同様の相関を示した。
この温度相関のデータに基づき、図３に示した実施例１のアミン吸収液が２０℃の場合である導電率と粘度の積とＣＯ２濃度との相関を、アミン吸収液が３５℃の場合に補正した。補正した相関のグラフを図１２に示す。この図１２は、図３の導電率と粘度の各値を、図９と図１０の温度相関を用いて、３５℃の場合の値に補正し、この補正した導電率と粘度の積を計算して、ＣＯ２濃度との関係をプロットし直したものである。実際に、３５℃でのアミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を測定したところ、２０℃の場合と変わっていなかった。よって、この図１２の温度補正した導電率と粘度の積とＣＯ２濃度との相関は実際に成立した。
１０ 吸収塔
１１ａ 下部充填部
１１ｂ 上部充填部
１１ｃ 水受部
１２、１３、２３、３２ 冷却器
２０ 再生塔
２２ リボイラ
２４ 気液分離器
２５ 熱交換器
３０ 冷却塔
３１ 充填部
４０ 測定装置
５０ 制御装置
１１ａ 下部充填部
１１ｂ 上部充填部
１１ｃ 水受部
１２、１３、２３、３２ 冷却器
２０ 再生塔
２２ リボイラ
２４ 気液分離器
２５ 熱交換器
３０ 冷却塔
３１ 充填部
４０ 測定装置
５０ 制御装置
Claims (8)
- 少なくともＣＯ２を含有する処理対象ガスと気液接触して、ＣＯ２を吸収し、前記処理対象ガスからＣＯ２を除去するアミン吸収液について、その粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定する測定装置と、
前記測定装置で測定した結果から、前記アミン吸収液の少なくともＣＯ２濃度を算出する制御装置と
を備えるアミン吸収液のＣＯ２濃度分析システム。 - 前記制御装置が、アミン吸収液の導電率をアミン吸収液の粘度で補正した値とアミン吸収液のＣＯ２濃度との相関に基づいて、導電率の測定値を粘度の測定値で補正することで、前記アミン吸収液のＣＯ２濃度を算出するものである請求項１に記載のシステム。
- 前記制御装置が、アミン吸収液の粘度と、導電率または超音波伝播速度と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、粘度の測定値と導電率または超音波伝播速度の測定値とから、前記アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものである請求項１に記載のシステム。
- 前記制御装置が、アミン吸収液の超音波伝播速度を粘度で補正した値と、導電率または導電率を粘度で補正した値と、ＣＯ２濃度とアミン濃度との相関に基づいて、超音波伝播速度、粘度、導電率の３つの測定値から、前記アミン吸収液のＣＯ２濃度とアミン濃度を算出するものである請求項１に記載のシステム。
- 前記測定装置が、アミン吸収液の温度を測定し、前記制御装置が、アミン吸収液の粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとの測定値と、温度の測定値とから、前記アミン吸収液のＣＯ２濃度またはＣＯ２濃度とアミン濃度を算出する請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記測定装置が、ＣＯ２吸収液の温度を一定の値に調整した後に、この一定の温度のアミン吸収液の粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定する請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
- 少なくともＣＯ２を含有する処理対象ガスにアミン吸収液を気液接触させて、前記アミン吸収液にＣＯ２を吸収させて、前記処理対象ガスからＣＯ２を除去するＣＯ２吸収塔と、
前記ＣＯ２吸収塔でＣＯ２を吸収したアミン吸収液から、ＣＯ２を放散させてアミン吸収液を再生する吸収液再生塔と、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のアミン吸収液のＣＯ２濃度分析システムと
を備えるＣＯ２回収システム。 - 請求項７に記載のＣＯ２回収システムの運転方法であって、
前記アミン吸収液の粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとを測定する工程と、
前記測定した粘度と、導電率および超音波伝播速度から選ばれる少なくとも１つとの結果から、前記アミン吸収液の少なくともＣＯ２濃度を算出する工程と
を含むＣＯ２回収システムの運転方法。
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