JP2017165600A - 二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再生塔への熱エネルギの投入量を低減することができる二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法を提供する。【解決手段】実施の形態による二酸化炭素回収システム１は、吸収塔２０と再生塔３０との間のリッチ液４の状態を測定するリッチ液状態測定手段と、吸収塔２０と再生塔３０との間のリッチ液４の圧力を調節する圧力調節部５１と、制御部５２と、を備えている。制御部５２は、リッチ液状態測定手段により測定されたリッチ液４の状態に基づいて、圧力調節部５１を制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法に関する。

地球温暖化問題への対策として注目されている、二酸化炭素（ＣＯ_２）を回収して貯留する二酸化炭素回収貯留技術（ＣＣＳ：Carbon Dioxide Capture and Storage）として、火力発電所や製鉄所、清掃工場等で排出されるプロセス排ガス（処理対象排ガス）中の二酸化炭素を、吸収液により回収する二酸化炭素回収システムが検討されている。

二酸化炭素回収システムは、化学吸収法により二酸化炭素を回収するように構成されている。すなわち、プロセス排ガスが供給される吸収塔においてプロセス排ガスに含有されている二酸化炭素を吸収液が吸収してリッチ液となる。吸収塔からは、吸収液に二酸化炭素を吸収されて、含有する二酸化炭素量が少なくなったプロセス排ガスは吸収塔排ガスとして排出される。一方、二酸化炭素を吸収したリッチ液は吸収塔から再生塔に供給されて加熱され、再生塔においてリッチ液から二酸化炭素が放出される。再生塔からは、放出された二酸化炭素が蒸気とともに再生塔排ガスとして排出されて、二酸化炭素が分離回収される。再生塔において加熱されたリッチ液は二酸化炭素を放出してリーン液となり、吸収塔に戻される。

二酸化炭素回収システムで用いられる化学吸収法では、吸収液を加熱して再生するため、多量の熱エネルギを消費する。すなわち、上述した再生塔において吸収液を加熱するために多量の熱エネルギが再生塔に投入される。

投入される熱エネルギを低減するために、吸収塔から排出された低温のリッチ液を、再生塔から排出された高温のリーン液を用いて加熱するための熱交換器が設けられている。このことにより、吸収塔から排出されたリッチ液が予熱され、再生塔に投入されて二酸化炭素の分離に要する熱エネルギの低減を図っている。

特開２００４−３２３３３９号公報

熱交換器においてリッチ液が再生温度まで加熱されると、リッチ液から水蒸気および二酸化炭素ガスが発生して、熱交換器内でのリッチ液の流れが気液二相流となる。この場合、水蒸気の発生と二酸化炭素ガスの発生に要した熱エネルギが、リーン液から熱回収されている。この熱エネルギの回収により、再生塔への熱エネルギの投入量を低減させることができる。一方、熱交換器内でのリッチ液の流れが液体の単相流である場合には、高い伝熱効率でリッチ液を加熱することができる。このため、熱交換器内でのリッチ液の流れが、単相流から二相流に遷移する遷移点を適切な位置に調節することにより、再生塔への熱エネルギの投入量を効果的に低減させることができると考えられる。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、再生塔への熱エネルギの投入量を低減することができる二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法を提供することを目的とする。

実施の形態による二酸化炭素回収システムは、処理対象排ガスに含有される二酸化炭素を吸収液に吸収させて、吸収液をリッチ液として排出する吸収塔と、吸収塔から供給されるリッチ液を加熱して二酸化炭素を放出させて、リッチ液をリーン液として排出する再生塔と、熱交換器と、リッチ液状態測定手段と、圧力調節部と、制御部と、を備えている。熱交換器は、吸収塔から排出されたリッチ液を、リーン液を用いて加熱して排出する。リッチ液状態測定手段は、吸収塔と再生塔との間のリッチ液の状態を測定する。圧力調節部は、吸収塔と再生塔との間のリッチ液の圧力を調節する。制御部は、リッチ液状態測定手段により測定されたリッチ液の状態に基づいて圧力調節部を制御する。

また、実施の形態による二酸化炭素回収方法は、二酸化炭素吸収ステップと、吸収液再生ステップと、熱交換ステップと、リッチ液状態測定ステップと、調整ステップとを備えている。二酸化炭素吸収ステップは、処理対象排ガスに含有される二酸化炭素を吸収塔で吸収液に吸収させるとともに二酸化炭素を吸収した吸収液をリッチ液として吸収塔から排出する。吸収液再生ステップは、吸収塔から供給されるリッチ液を再生塔で加熱して二酸化炭素を放出させ、二酸化炭素を放出したリッチ液をリーン液として再生塔から排出する。熱交換ステップは、吸収塔と再生塔との間で、吸収塔から排出されたリッチ液を再生塔から排出されたリーン液と熱交換し、熱交換したリッチ液を再生塔に向けて排出する。リッチ液状態測定ステップは、吸収塔と再生塔との間のリッチ液の状態を測定する、調整ステップは、測定されたリッチ液の状態に基づいて、吸収塔と再生塔との間のリッチ液の圧力を調節する。

本発明によれば、再生塔への熱エネルギの投入量を低減することができる。

図１は、第１の実施の形態における二酸化炭素回収システムの全体構成を示す図である。 図２は、第２の実施の形態における二酸化炭素回収システムの全体構成を示す図である。 図３は、第３の実施の形態における二酸化炭素回収システムの全体構成を示す図である。 図４は、第４の実施の形態における二酸化炭素回収システムの全体構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法について説明する。

（第１の実施の形態）
まず、図１を用いて、第１の実施の形態における二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法について説明する。

図１に示すように、二酸化炭素回収システム１は、プロセス排ガス２（処理対象排ガス）に含有される二酸化炭素を吸収液に吸収させて、当該吸収液をリッチ液４として排出する吸収塔２０と、吸収塔２０から供給されるリッチ液４を加熱して二酸化炭素を放出させて、当該リッチ液４をリーン液５として排出する再生塔３０と、を備えている。このうち吸収塔２０において二酸化炭素を吸収液に吸収させたプロセス排ガス２は、吸収塔排ガス３として吸収塔２０から排出される。また、再生塔３０から二酸化炭素が蒸気と共に再生塔排ガス８として排出される。なお、吸収塔２０に供給されるプロセス排ガス２は、特に限定されるものではないが、例えば火力発電所や、製鉄所、清掃工場等で排出される排ガスとすることができる。このような排ガスは、図示しない送風機によって吸収塔２０に供給され、その際、必要に応じて冷却処理後に吸収塔２０に供給されるようにしてもよい。

吸収液は、吸収塔２０と再生塔３０とを循環し、吸収塔２０において二酸化炭素を吸収してリッチ液４となり、再生塔３０において二酸化炭素を放出してリーン液５となる。なお、吸収液には、例えば、モノエタノールアミン（monoethanolamin）、ジエタノールアミン（diethanolamin）などのアミン系水溶液を好適に用いることができるが、このようなアミンの種類に限定されるものではない。また、１種類または２種類以上のアミンを含有する水溶液で構成されていてもよい。

吸収塔２０は、吸収塔２０内に収容され、プロセス排ガス２とリーン液５とを接触させて、プロセス排ガス２に含有される二酸化炭素をリーン液５に吸収させる吸収部２０ａ（充填層またはトレイ）を有している。吸収塔２０は、下部からプロセス排ガス２を受け入れ、塔頂から吸収塔排ガス３が排出されるようになっている。吸収部２０ａは、向流型気液接触装置として構成されている。

吸収塔２０の下部に供給されたプロセス排ガス２は、吸収塔２０内を吸収部２０ａに向かって上昇する。一方、再生塔３０からのリーン液５が、分散落下して吸収部２０ａに供給される。吸収部２０ａにおいて、プロセス排ガス２とリーン液５とが気液接触して、プロセス排ガス２に含有される二酸化炭素がリーン液５に吸収されてリッチ液４が生成される。

生成されたリッチ液４は、吸収塔２０の下部に一端貯留され、吸収塔２０の底部から排出される。リーン液５と気液接触したプロセス排ガス２は、二酸化炭素が除去されて、吸収部２０ａから排出されて吸収塔２０内を上昇し、吸収塔排ガス３として吸収塔２０の塔頂から排出される。

吸収塔２０と再生塔３０との間には熱交換器７０が設けられている。本実施の形態による熱交換器７０は、第１熱交換器３１と第２熱交換器３２とを備えている。吸収塔２０と第１熱交換器３１との間にはリッチ液用ポンプ３３が設けられている。このことにより、吸収塔２０から排出されたリッチ液４は、リッチ液用ポンプ３３によって第１熱交換器３１および第２熱交換器３２をこの順に通って再生塔３０に供給される。一方、再生塔３０と第２熱交換器３２との間にはリーン液用ポンプ３４が設けられている。このことにより、再生塔３０から排出されたリーン液５は、リーン液用ポンプ３４によって第２熱交換器３２および第１熱交換器３１をこの順に通って吸収塔２０に供給される。すなわち、第１熱交換器３１および第２熱交換器３２により構成された熱交換器７０は、吸収塔２０から排出されたリッチ液４を、再生塔３０から排出されたリーン液５を用いて加熱し、加熱されたリッチ液４を再生塔３０に向けて排出する。熱交換器７０においてリッチ液４を加熱して温度が低下したリーン液５は、熱交換器７０から吸収塔２０に向けて排出される。

第１熱交換器３１は、吸収塔２０から排出されたリッチ液４を、第２熱交換器３２から排出されたリーン液５を用いて加熱し、リッチ液４とリーン液５とを熱交換させる。このことにより、第２熱交換器３２から排出されたリーン液５が熱源となって、吸収塔２０から排出されたリッチ液４が加熱される。加熱されたリッチ液４は、第１熱交換器３１から第２熱交換器３２に向けて排出され、リーン液５は、第１熱交換器３１から吸収塔２０に向けて排出される。すなわち、第１熱交換器３１は、リッチ液４を、第２熱交換器３２から排出されたリーン液５を用いて加熱し、加熱されたリッチ液４を第２熱交換器３２に向けて排出するように構成されている。

第２熱交換器３２は、第１熱交換器３１から排出されたリッチ液４を、再生塔３０から排出されたリーン液５を用いて加熱し、リッチ液４とリーン液５とを熱交換させる。このことにより、再生塔３０から排出されたリーン液５が熱源となって、第１熱交換器３１から排出されたリッチ液４が加熱される。加熱されたリッチ液４は、第２熱交換器３２から再生塔３０に向けて排出され、リーン液５は、第２熱交換器３２から第１熱交換器３１に向けて排出される。すなわち、第２熱交換器３２は、第１熱交換器３１から排出されたリッチ液４を、リーン液５を用いて加熱し、加熱に用いられたリーン液５を第１熱交換器３１に向けて排出するように構成されている。

熱交換器７０のうちの第１熱交換器３１および第２熱交換器３２に用いる熱交換器のタイプは特に限られることはなく、プレート型熱交換器や、シェルアンドチューブ型熱交換器、二重管式熱交換器など任意のタイプの熱交換器を用いることができる。なお、図１においては、一例として、プレート型熱交換器を模式的に示している。

ところで、再生塔３０は、再生塔３０内に収容され、リッチ液４から二酸化炭素を放出させる再生部３０ａ（充填層またはトレイ）を有している。この再生部３０ａは、向流型気液接触装置として構成されている。

再生塔３０には、リボイラー３５が連結されている。このリボイラー３５は、加熱媒体６によって、再生塔３０から供給されるリーン液５を加熱して蒸気７を発生させ、発生した蒸気７が再生塔３０に供給される。より具体的には、リボイラー３５には、再生塔３０の底部から排出されるリーン液５の一部が供給されるとともに、例えばボイラー（図示せず）などの外部から加熱媒体６（高温の蒸気）が供給される。すなわち、この供給された加熱媒体６からリーン液５に熱エネルギが投入され、この熱エネルギの投入量が、再生塔３０においてリッチ液４から二酸化炭素を放出させるために再生塔３０に投入される熱エネルギの投入量に相当する。リボイラー３５に供給されたリーン液５は、加熱媒体６と熱交換することによって加熱されて、リーン液５から蒸気７が生成される。この際、リーン液５から二酸化炭素も放出され得る。生成された蒸気７は二酸化炭素とともに再生塔３０の下部に供給され、再生塔３０内のリッチ液４を加熱し、リッチ液４の温度を高めている。なお、加熱媒体６は、高温の蒸気に限られることはない。

再生塔３０の下部に供給された蒸気７は、再生塔３０内を再生部３０ａに向って上昇する。一方、吸収塔２０からのリッチ液４は、分散落下して再生部３０ａに供給される。再生部３０ａにおいて、リッチ液４と蒸気７とが気液接触して、リッチ液４から二酸化炭素が放出されてリーン液５が生成される。このようにして再生塔３０において吸収液が再生されている。

生成されたリーン液５は、再生塔３０の底部から排出され、リッチ液４と気液接触した蒸気７は、更に二酸化炭素を含有した再生塔排ガス８として再生塔３０の塔頂から排出される。

第１熱交換器３１と吸収塔２０との間には、第１熱交換器３１から吸収塔２０に供給されるリーン液５を冷却するリーン液用冷却器３６が設けられている。リーン液用冷却器３６には、外部から冷却水等の冷却媒体が供給され、リーン液用冷却器３６は、第１熱交換器３１において冷却されたリーン液５を更に冷却する。

リーン液用冷却器３６において冷却されたリーン液５は、吸収塔２０の吸収部２０ａに供給される。吸収部２０ａにおいて、リーン液５はプロセス排ガス２と気液接触してプロセス排ガス２に含有される二酸化炭素がリーン液５に吸収されてリッチ液４となる。このようにして、二酸化炭素回収システム１では、吸収液がリーン液５となる状態とリッチ液４となる状態とを繰り返しながら循環するようになっている。

図１に示す二酸化炭素回収装置１は、再生塔３０の塔頂から排出された再生塔排ガス８を冷却し、蒸気を凝縮して凝縮水９を生成するガス用冷却器４０と、ガス用冷却器４０により生成された凝縮水９を再生塔排ガス８から分離する気液分離器４１と、を更に備えている。このようにして、再生塔排ガス８に含有される水分が低減されて、気液分離器４１から二酸化炭素ガス１０として排出される。排出された二酸化炭素ガス１０は、図示しない設備に供給されて貯蔵される。一方、気液分離器４１において分離された凝縮水９は、その自重（または図示しない凝縮水用ポンプ）によって再生塔３０に戻され、リッチ液４と混合する。なお、ガス用冷却器４０には、外部から、再生塔排ガス８を冷却するための冷却媒体（例えば、冷却水）が供給されるようになっている。

吸収塔２０と再生塔３０との間には、これらの間で加熱されるリッチ液４の状態を測定するリッチ液状態測定手段が設けられている。本実施の形態においては、熱交換器７０のうち第１熱交換器３１と第２熱交換器３２との間に、リッチ液状態測定手段としてのボイド率計測器５０が設けられており、熱交換器７０での（とりわけ、第１熱交換器３１と第２熱交換器３２との間の）リッチ液４の状態（本実施形態ではボイド率）が測定（計測）されている。このボイド率計測器５０は、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４のボイド率を計測する。計測されたボイド率は、後述する制御部５２に送信される。ボイド率計測器５０に用いる計測器のタイプは特に限られることはないが、例えば、電気抵抗変化や光屈折率変化を用いてボイド率を計測可能な計測器、コリオリ式流量計などを用いることができる。

第２熱交換器３２と再生塔３０との間に、圧力調節弁５１（圧力調節部）が設けられている。この圧力調節弁５１は、本実施の形態では、吸収塔２０と再生塔３０との間で加熱されるリッチ液４のうち第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４の圧力を調節する。

上述した圧力調節弁５１は、制御部５２によって、リッチ液状態測定手段により測定された、吸収塔２０と再生塔３０との間のリッチ液４の状態に基づいて制御されるようになっている。より具体的には、制御部５２は、ボイド率計測器５０により計測されたリッチ液４のボイド率が所定の目標ボイド率になるように圧力調節弁５１を制御してリッチ液４の圧力を調節する。本実施の形態においては、制御部５２は、圧力調節弁５１に開度調節指令を送信し、圧力調節弁５１の開度を調節して、リッチ液４の圧力を調節する。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用として、二酸化炭素回収方法（二酸化炭素回収システムの運転方法）について説明する。

二酸化炭素回収システム１を運転している間、プロセス排ガス２に含有される二酸化炭素は、吸収塔２０で、再生塔３０から排出されたリーン液５に吸収される。二酸化炭素を吸収したリーン液５は、リッチ液４として吸収塔２０から再生塔３０に向けて排出される。吸収塔２０から供給されたリッチ液４は、再生塔３０で加熱されて二酸化炭素を放出する。二酸化炭素を放出したリッチ液４は、リーン液５として再生塔３０から吸収塔２０に向けて排出される。

二酸化炭素回収システム１を運転している間、吸収塔２０と再生塔３０との間で、吸収塔２０から排出されたリッチ液４は、再生塔３０から排出されたリーン液５と熱交換する。より具体的には、吸収塔２０から排出されたリッチ液４は、第１熱交換器３１に供給されて、第２熱交換器３２から排出されたリーン液５を用いて加熱される。ここで、吸収塔２０から排出されるリッチ液４の温度は比較的低いため、当該リッチ液４は、液体の単相となっている。一方、第２熱交換器３２から排出されるリーン液５の温度は比較的高いため、単相のリッチ液４が第１熱交換器３１において加熱される。そして、加熱されたリッチ液４は、第１熱交換器３１から第２熱交換器３２に向けて排出される。

第１熱交換器３１から排出されたリッチ液４は、第２熱交換器３２に供給されて、再生塔３０から排出されたリーン液５を用いて加熱される。ここで、第１熱交換器３１から排出されるリッチ液４の温度は比較的低く、再生塔３０から排出されるリーン液５の温度は比較的高いため、リッチ液４が第２熱交換器３２において加熱される。そして、加熱されたリッチ液４は、第２熱交換器３２から再生塔３０に向けて排出される。このようにして、リーン液５と熱交換したリッチ液４は、再生塔３０に向けて排出される。

このように、単相流として第１熱交換器３１に流入したリッチ液４は、第１熱交換器３１および第２熱交換器３２においてリーン液５によって加熱される。このことにより、リッチ液４の温度は、第１熱交換器３１内および第２熱交換器３２内を流れ進むに従って上昇する。そして、所定の温度に達すると、リッチ液４から水蒸気と二酸化炭素ガスが発生して、リッチ液４は単相流から気液二相流に遷移する。リッチ液４が二相流に遷移する遷移点は、第１熱交換器３１内および第２熱交換器３２内のリッチ液４の流路のうちのいずれかの位置にある。このため、少なくとも第１熱交換器３１に流入する際にはリッチ液４は単相流になっているとともに、少なくとも第２熱交換器３２から流出される際には、リッチ液４は二相流になっている。

リッチ液４が二相流に遷移する際の温度は、リッチ液４の二酸化炭素濃度および圧力に依存する。このため、リッチ液４の二酸化炭素濃度および圧力に応じて、リッチ液４が二相流に遷移する遷移点の位置が変化し得る。しかしながら、本実施の形態では、この遷移点の位置が、リッチ液４の圧力を調節することにより調節される。

より具体的には、吸収塔２０と再生塔３０との間のリッチ液４の状態、すなわち第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４のボイド率が、ボイド率計測器５０により計測される。そして、計測されたリッチ液４のボイド率が所定の目標ボイド率になるように圧力調節弁５１の開度が制御部５２によって調節される。このことにより、計測されたリッチ液４のボイド率に基づいてリッチ液４の圧力が調節される。例えば、計測されたボイド率が目標ボイド率よりも小さい場合には、圧力調節弁５１の開度を大きくしてリッチ液４の圧力を低くし、計測されたボイド率が目標ボイド率よりも高い場合には、圧力調節弁５１の開度を小さくしてリッチ液４の圧力を高める。このため、リッチ液４の二酸化炭素濃度変化や圧力変化によらずに、リッチ液４のボイド率を目標ボイド率に調節することが可能になる。ここで、目標ボイド率は、リッチ液４から二酸化炭素を放出させるために再生塔３０に投入される熱エネルギの投入量が最小となるようなボイド率であることが好適である。また、リッチ液４の圧力およびボイド率の関係は、予め実験などにより求めておき、制御部５２に記憶しておくことが好ましい。このようにして記憶された関係を用いることにより、計測されたボイド率に基づいて、目標ボイド率となる目標圧力値を算出することが可能になる。

ボイド率計測器５０により計測されたリッチ液４のボイド率が目標ボイド率になると、リッチ液４の二相流への遷移点を、適切な位置、すなわち、再生塔３０に投入される熱エネルギの投入量を最小にすることが可能な位置に位置づけることができる。このことにより、高い伝熱効率でリッチ液４を加熱することができる単相流のリッチ液４の流路長を長くすることができ、リッチ液４の加熱効率を向上させることができる。また、第２熱交換器３２から排出されて再生塔３０に供給されるリッチ液４のボイド率が低下することを抑制できる。例えば、遷移点は、第１熱交換器３１のリッチ液４の出口付近や第２熱交換器３２のリッチ液４の入口付近に位置づけられることが好ましいが、再生塔３０への熱エネルギの投入量を低減可能であれば、遷移点は、第１熱交換器３１内の任意の位置に位置づけられてもよく、あるいは第２熱交換器３２内の任意の位置に位置づけられていてもよい。

このように本実施の形態によれば、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４のボイド率が、所定の目標ボイド率になるように、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４の圧力が調節される。このことにより、リッチ液４が単相流から二相流に遷移する遷移点を、リッチ液４の流路のうち適切な位置に位置づけることができる。このため、リッチ液４を高い伝熱効率で加熱することができるとともに、第２熱交換器３２から排出される際のリッチ液４のボイド率の低下を抑制できる。この結果、再生塔３０への熱エネルギの投入量を低減することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図２を用いて、本発明の第２の実施の形態における二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法について説明する。

図２に示す第２の実施の形態においては、リッチ液状態測定手段が測定するリッチ液の状態を、吸収塔と再生塔との間のリッチ液の温度および二酸化炭素濃度とし、これらの吸収塔と再生塔との間のリッチ液の温度および二酸化炭素濃度に基づいて、リッチ液の圧力が調節される点が主に異なり、他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図２において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図２に示すように、本実施の形態においては、熱交換器７０のうちの第１熱交換器３１と第２熱交換器３２との間に、リッチ液状態測定手段としての圧力計測器６０、温度計測器６１および濃度計測器６２が設けられている。図２では、圧力計測器６０、温度計測器６１および濃度計測器６２が、この順に配列されている例が示されているが、配列順はこれに限られることはない。

圧力計測器６０は、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４の圧力を計測する。計測された圧力値は、制御部５２に送信される。温度計測器６１は、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４の状態として当該リッチ液４の温度を計測する。計測された温度値は、制御部５２に送信される。濃度計測器６２は、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４の状態として当該リッチ液４の二酸化炭素濃度（以下単に「濃度」と記す）を計測する。計測された濃度値は、制御部５２に送信される。

本実施の形態における制御部５２は、温度計測器６１により計測されたリッチ液４の温度と、濃度計測器６２により計測されたリッチ液４の濃度とに基づいて、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４のボイド率を計算式などを用いて推定し、推定したボイド率が所定の目標ボイド率になるような目標圧力値を算出する。そして、制御部５２は、圧力計測器６０により計測されたリッチ液４の圧力が目標圧力値になるように、圧力調節弁５１を制御してリッチ液４の圧力を調節する。

本実施の形態においては、二酸化炭素回収システム１を運転している間、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４の圧力が圧力計測器６０により計測され、当該リッチ液４の温度が温度計測器６１により計測され、当該リッチ液４の濃度が濃度計測器６２により計測される。そして、計測されたリッチ液４の温度および濃度から、リッチ液４の目標圧力値が算出される。目標圧力値が算出されると、計測されたリッチ液４の圧力が、当該目標圧力値になるように圧力調節弁５１の開度が制御部５２によって調節される。このことにより、リッチ液４の圧力が調節される。例えば、計測された圧力が目標圧力値よりも小さい場合には、圧力調節弁５１の開度を小さくしてリッチ液４の圧力を高くし、計測された圧力が目標圧力値よりも大きい場合には、圧力調節弁５１の開度を大きくしてリッチ液４の圧力を低くする。このため、リッチ液４の濃度変化や圧力変化によらずに、リッチ液４のボイド率を目標ボイド率に調節することが可能になる。ここで、リッチ液４の圧力、温度、濃度、およびボイド率の関係は、予め実験などにより求めておき、制御部５２に記憶しておくことが好ましい。このようにして記憶された関係を用いることにより、計測された温度および濃度に基づいて、目標ボイド率となる目標圧力値を算出することが可能になる。

このように本実施の形態によれば、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４の圧力が、所定の目標圧力値になるように、第２熱交換器３２から排出されて再生塔３０に供給されるリッチ液４の圧力が調節される。このことにより、第１熱交換器３１から排出されて第２熱交換器３２に供給されるリッチ液４のボイド率を、所定の目標ボイド率にすることができ、リッチ液４が単相流から二相流に遷移する遷移点を適切な位置に位置づけることができる。このため、リッチ液４を高い伝熱効率で加熱することができるとともに、第２熱交換器３２から排出される際のリッチ液４のボイド率の低下を抑制できる。この結果、再生塔３０への熱エネルギの投入量を低減することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図３を用いて、本発明の第３の実施の形態における二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法について説明する。

図３に示す第３の実施の形態においては、吸収塔と再生塔との間の熱交換器を１台とし、この熱交換器内のリッチ液の状態をリッチ液状態測定手段により測定する点が主に異なり、他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図３において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図３に示すように、本実施の形態においては、吸収塔２０と再生塔３０との間には、図１に示すような第１熱交換器３１および第２熱交換器３２により構成された熱交換器７０ではなく、単一の熱交換器７０が設けられている。本実施の形態による熱交換器７０は、吸収塔２０から排出されたリッチ液４を、再生塔３０から排出されたリーン液５を用いて加熱し、リッチ液４とリーン液５とを熱交換させる。このことにより、リーン液５が熱源となって、リッチ液４が加熱される。加熱されたリッチ液４は、熱交換器７０から再生塔３０に向けて排出され、リーン液５は、熱交換器７０から吸収塔２０に向けて排出される。本実施の形態による熱交換器７０に用いる熱交換器のタイプは、第１熱交換器３１および第２熱交換器３２と同様に、特に限られることはない。なお、図３においては、一例として、プレート型熱交換器を模式的に示している。

本実施の形態においても、吸収塔２０と再生塔３０との間で加熱されるリッチ液４の状態を測定するリッチ液状態測定手段としてボイド率計測器５０が設けられている。図３に示すように、本実施の形態によるボイド率計測器５０は、熱交換器７０内のリッチ液４のボイド率を計測する。このボイド率計測器５０は、熱交換器７０内のリッチ液４の流路のうち、入口と出口との間の所定の位置におけるリッチ液４のボイド率を計測するようになっている。ボイド率の計測位置は、熱交換器７０のタイプや構成に応じて任意とすることができる。例えば、ボイド率計測器は、熱交換器７０内のマニホールド部に設置することが好適である。

また、本実施の形態による圧力調節弁５１は、熱交換器７０と再生塔３０との間に設けられており、熱交換器７０内のリッチ液４の圧力を調節する。

二酸化炭素回収システム１を運転している間、吸収塔２０から排出されたリッチ液４は、熱交換器７０に供給されて、再生塔３０から排出されたリーン液５を用いて加熱される。ここで、吸収塔２０から排出されるリッチ液４の温度は比較的低いため、液体の単相となっている。一方、再生塔３０から排出されるリーン液５の温度は比較的高いため、単相のリッチ液４が熱交換器７０において加熱される。そして、加熱されたリッチ液４は、熱交換器７０から再生塔３０に向けて排出される。

このように、単相流として熱交換器７０に流入したリッチ液４は、熱交換器７０においてリーン液５によって加熱される。このことにより、リッチ液４の温度は、熱交換器７０内を流れ進むに従って上昇する。そして、所定の温度に達すると、リッチ液４から水蒸気と二酸化炭素ガスが発生して、リッチ液４は単相流から気液二相流に遷移する。リッチ液４が二相流に遷移する遷移点は、熱交換器７０内のリッチ液４の流路のうちのいずれかの位置にある。このため、少なくとも熱交換器７０に流入する際にはリッチ液４は単相流になっているとともに、少なくとも熱交換器７０から流出される際には、リッチ液４は二相流になっている。

本実施の形態では、熱交換器７０内の所定の位置を流れるリッチ液４のボイド率が、ボイド率計測器５０により計測される。そして、計測されたリッチ液４のボイド率が所定の目標ボイド率になるように圧力調節弁５１の開度が制御部５２によって調節される。このことにより、熱交換器７０内のリッチ液４の圧力が調節される。例えば、計測されたボイド率が目標ボイド率よりも小さい場合には、圧力調節弁５１の開度を大きくしてリッチ液４の圧力を低くし、計測されたボイド率が目標ボイド率よりも高い場合には、圧力調節弁５１の開度を小さくしてリッチ液４の圧力を高める。このため、リッチ液４の二酸化炭素濃度変化や圧力変化によらずに、リッチ液４のボイド率を目標ボイド率に調節することが可能となる。

ボイド率計測器５０により計測されたリッチ液４のボイド率が目標ボイド率になると、リッチ液４の二相流への遷移点を、適切な位置、すなわち、再生塔３０に投入される熱エネルギの投入量を最小にすることが可能な位置に位置づけることができる。このことにより、高い伝熱効率でリッチ液４を加熱することができる単相流のリッチ液４の流路長を長くすることができ、リッチ液４の加熱効率を向上させることができる。また、熱交換器７０から排出されて再生塔３０に供給されるリッチ液４のボイド率が低下することを抑制できる。なお、熱交換器７０を１台設けた本実施の形態における遷移点の位置は、例えば、熱交換器７０のリッチ液４の入口と出口との間となるが、再生塔３０への熱エネルギの投入量を低減可能であれば、遷移点の位置は熱交換器７０のリッチ液４の入口と出口との間に限られることはなく任意である。

このように本実施の形態によれば、熱交換器７０内のリッチ液４のボイド率が、所定の目標ボイド率になるように、熱交換器７０から排出されて再生塔３０に供給されるリッチ液４の圧力が調節される。このことにより、リッチ液４が単相流から二相流に遷移する遷移点を熱交換器７０内のリッチ液４の流路のうち適切な位置に位置づけることができる。このため、リッチ液４を高い伝熱効率で加熱することができるとともに、熱交換器７０から排出される際のリッチ液４のボイド率の低下を抑制できる。この結果、再生塔３０への熱エネルギの投入量を低減することができる。

（第４の実施の形態）
次に、図４を用いて、本発明の第４の実施の形態における二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法について説明する。

図４に示す第４の実施の形態においては、リッチ液状態測定手段が測定するリッチ液の状態を、吸収塔と再生塔との間のリッチ液の温度および二酸化炭素濃度とし、これらの吸収塔と再生塔との間のリッチ液の温度および二酸化炭素濃度に基づいて、リッチ液の圧力が調節される点が主に異なり、他の構成は、図３に示す第３の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図３に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、本実施の形態における二酸化炭素回収システム１は、リッチ液状態測定手段としての、例えば、図２に示すような圧力計測器６０、温度計測器６１および濃度計測器６２を備えている。

図４に示す形態では、圧力計測器６０は、熱交換器７０内のリッチ液４の圧力を計測する。この圧力計測器６０は、熱交換器７０内のリッチ液４の流路のうち、入口と出口との間の所定の位置におけるリッチ液４の圧力を計測するようになっている。温度計測器６１は、熱交換器７０内のリッチ液４の温度を計測し、濃度計測器６２は、熱交換器７０内のリッチ液４の二酸化炭素濃度（以下単に「濃度」と記す）を計測する。これら温度計測器６１および濃度計測器６２は、熱交換器７０内のリッチ液４の流路のうち、入口と出口との間の所定の位置におけるリッチ液４の温度、濃度をそれぞれ計測するようになっている。

圧力、温度および濃度の計測位置は、熱交換器７０のタイプや構成に応じて任意とすることができる。例えば、圧力計測器、温度計測器および濃度計測器は、熱交換器７０内のマニホールド部に設置することが好適である。

本実施の形態による制御部５２は、温度計測器６１により計測されたリッチ液４の温度と、濃度計測器６２により計測されたリッチ液４の濃度とに基づいて、熱交換器７０内のリッチ液４のボイド率を計算式などを用いて推定し、推定したボイド率が所定の目標ボイド率になるような目標圧力値を算出する。そして、制御部５２は、圧力計測器６０により計測されたリッチ液４の圧力が、目標圧力値になるように、圧力調節弁５１を制御してリッチ液４の圧力を調節する。

本実施の形態においては、二酸化炭素回収システム１を運転している間、熱交換器７０内を流れるリッチ液４の圧力が圧力計測器６０により計測され、当該リッチ液４の温度が温度計測器６１により計測され、当該リッチ液４の濃度が濃度計測器６２により計測される。そして、計測されたリッチ液４の温度および濃度から、リッチ液４の目標圧力値が算出される。目標圧力値が算出されると、計測されたリッチ液４の圧力が、当該目標圧力値になるように圧力調節弁５１の開度が制御部５２によって調節される。このことにより、リッチ液４の圧力が調節される。例えば、計測された圧力が目標圧力値よりも小さい場合には、圧力調節弁５１の開度を小さくしてリッチ液４の圧力を高くし、計測された圧力が目標圧力値よりも大きい場合には、圧力調節弁５１の開度を大きくしてリッチ液４の圧力を低くする。このため、リッチ液４の濃度変化や圧力変化によらずに、リッチ液４のボイド率を目標ボイド率に調節することが可能となる。ここで、リッチ液４の圧力、温度、濃度、およびボイド率の関係は、予め実験などにより求めておき、制御部５２に記憶しておくことが好ましい。このようにして記憶された関係を用いることにより、計測された温度および濃度に基づいて、目標ボイド率となる目標圧力値を算出することが可能となる。

このように本実施の形態によれば、熱交換器７０内のリッチ液４の圧力が、所定の目標圧力値になるように、熱交換器７０から排出されて再生塔３０に供給されるリッチ液４の圧力が調節される。このことにより、熱交換器７０内のリッチ液４のボイド率を、所定の目標ボイド率にすることができ、リッチ液４が単相流から二相流に遷移する遷移点を適切な位置に位置づけることができる。このため、リッチ液４を高い伝熱効率で加熱することができるとともに、熱交換器７０から排出される際のリッチ液４のボイド率の低下を抑制できる。この結果、再生塔３０への熱エネルギの投入量を低減することができる。

以上述べた実施の形態によれば、再生塔への熱エネルギの投入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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１：二酸化炭素回収システム、４：リッチ液、５：リーン液、２０：吸収塔、３０：再生塔、３１：第１熱交換器、３２：第２熱交換器、５０：ボイド率計測器、５１：圧力調節弁、５２：制御部、６０：圧力計測器、６１：温度計測器、６２：濃度計測器、７０：熱交換器

Claims (7)

1. 処理対象排ガスに含有される二酸化炭素を吸収液に吸収させて、当該吸収液をリッチ液として排出する吸収塔と、
   前記吸収塔から供給される前記リッチ液を加熱して前記二酸化炭素を放出させて、当該リッチ液をリーン液として排出する再生塔と、
   前記吸収塔から排出された前記リッチ液を、前記リーン液を用いて加熱して排出する熱交換器と、
   前記吸収塔と前記再生塔との間の前記リッチ液の状態を測定するリッチ液状態測定手段と、
   前記吸収塔と前記再生塔との間の前記リッチ液の圧力を調節する圧力調節部と、
   前記リッチ液状態測定手段により測定された前記リッチ液の状態に基づいて前記圧力調節部を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする二酸化炭素回収システム。
2. 前記リッチ液状態測定手段は、前記リッチ液の状態としてボイド率を計測することを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素回収システム。
3. 前記リッチ液状態測定手段は、前記リッチ液の状態として前記リッチ液の温度および二酸化炭素濃度を計測することを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素回収システム。
4. 前記制御部は、前記リッチ液の前記温度および前記二酸化炭素濃度に基づいて、前記リッチ液の目標圧力値を算出することを特徴とする請求項３に記載の二酸化炭素回収システム。
5. 前記熱交換器は、第１熱交換器と第２熱交換器とを備え、
   前記第１熱交換器は、前記リッチ液を前記第２熱交換器から排出された前記リーン液を用いて加熱し、加熱された前記リッチ液を前記第２熱交換器に向けて排出するよう構成され、
   前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器から排出された前記リッチ液を前記リーン液を用いて加熱し、加熱に用いられたリーン液を前記第１熱交換器に向けて排出するよう構成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
6. 前記リッチ液状態測定手段は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間の前記リッチ液の状態を測定可能に設けられることを特徴とする請求項５に記載の二酸化炭素回収システム。
7. 処理対象排ガスに含有される二酸化炭素を吸収塔で吸収液に吸収させるとともに当該吸収液をリッチ液として前記吸収塔から排出するステップと、
   前記吸収塔から供給される前記リッチ液を再生塔で加熱して前記二酸化炭素を放出させ、前記二酸化炭素を放出した前記リッチ液をリーン液として前記再生塔から排出するステップと、
   前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収塔から排出された前記リッチ液を前記再生塔から排出された前記リーン液と熱交換し、熱交換した前記リッチ液を前記再生塔に向けて排出するステップと、
   前記吸収塔と前記再生塔との間の前記リッチ液の状態を測定するステップと、
   測定された前記リッチ液の状態に基づいて、前記吸収塔と前記再生塔との間の前記リッチ液の圧力を調節するステップと、
   を備えることを特徴とする二酸化炭素回収方法。

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