JP2019118902A - 二酸化炭素回収システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】システムのサイズを小型化することが可能な二酸化炭素回収システムおよびその運転方法を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、二酸化炭素回収システムは、二酸化炭素を含む処理対象ガスと吸収液とを接触させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液を排出する吸収塔と、前記吸収塔から排出された前記吸収液から前記二酸化炭素を放散させ、前記二酸化炭素を放散した前記吸収液を排出する再生塔とを備える。前記システムはさらに、前記吸収塔から排出された前記吸収液を、前記再生塔に移送する第１流路と、前記再生塔から排出された前記吸収液を、前記再生塔内のガスの圧力により前記吸収塔に移送する第２流路とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、二酸化炭素回収システムおよびその運転方法に関する。

近年、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（ＣＣＳ：Carbon Dioxide Capture and Storage）技術が注目されている。例えば、火力発電所、製鉄所、ごみ焼却所等で発生するプロセス排ガス（処理対象ガス）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、二酸化炭素の回収規模が少ないケースに適用することや、様々な排ガス源から二酸化炭素を回収することも検討されている。これらの多様なニーズに適した二酸化炭素回収システムを実現するため、システムを構成する機器の数を減らすなどして、システムのサイズを小型化することが望ましい。

特開２０１６−１０７２０３号公報

そこで、本発明の実施形態は、システムのサイズを小型化することが可能な二酸化炭素回収システムおよびその運転方法を提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、二酸化炭素回収システムは、二酸化炭素を含む処理対象ガスと吸収液とを接触させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液を排出する吸収塔と、前記吸収塔から排出された前記吸収液から前記二酸化炭素を放散させ、前記二酸化炭素を放散した前記吸収液を排出する再生塔とを備える。前記システムはさらに、前記吸収塔から排出された前記吸収液を、前記再生塔に移送する第１流路と、前記再生塔から排出された前記吸収液を、前記再生塔内のガスの圧力により前記吸収塔に移送する第２流路とを備える。

各実施形態によれば、システムのサイズを小型化することが可能な二酸化炭素回収システムおよびその運転方法が提供される。

第１実施形態の二酸化炭素回収システムの構成を示す模式図である。 第２実施形態の二酸化炭素回収システムの構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１および図２では、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の二酸化炭素回収システムの構成を示す模式図である。

図１の二酸化炭素回収システムは、吸収塔１と、プロセス排ガスライン２と、リッチ液ポンプ３と、再生熱交換器４と、再生塔５と、リーン液冷却器６と、制御部１１と、圧力計１２と、圧力調整弁１３と、流量計１４と、流量調整弁１５とを備えている。図１の二酸化炭素回収システムはさらに、第１流路Ｌ１と、第２流路Ｌ２とを備えている。

吸収塔１は、充填層１ａと液溜部１ｂとを備え、再生塔５は、充填層５ａと液溜部５ｂとを備えている。図１はさらに、吸収塔１に設けられた吸収液導入口Ａ１と、再生塔５に設けられた吸収液排出口Ａ２とを示している。

吸収塔１は、例えば向流型気液接触装置により構成されている。吸収塔１は、二酸化炭素を含むプロセス排ガスを導入するためのガス導入口を、充填層１ａの下方に備え、二酸化炭素を吸収するための吸収液（リーン液）を導入するための吸収液導入口Ａ１を、充填層１ａの上方に備えている。

吸収塔１は、プロセス排ガスと吸収液とを充填層１ａ内で気液接触させ、プロセス排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる。充填層１ａを通過した吸収液は、液溜部１ｂに落下する。その結果、二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）が液溜部１ｂに溜まり、吸収塔１の底部に設けられた吸収液排出口から排出される。一方、二酸化炭素が除去されたプロセス排ガスを含有する吸収塔排出ガスは、吸収塔１の頂部に設けられたガス排出口から排出される。

吸収塔１は、１つの充填層１ａを備えているが、代わりに複数の充填層を備えていてもよいし、１つ以上のその他の反応部（例えばトレイ）を備えていてもよい。また、本実施形態の二酸化炭素回収システムは、吸収塔排出ガスを洗浄する洗浄塔や、吸収塔排出ガスを冷却する冷却塔を備えていてもよい。

プロセス排ガスは、プロセス排ガスライン２を介して吸収塔１に導入される。プロセス排ガスは、処理対象ガスの一例であり、例えば火力発電所等の発電所、製鉄所等の工場、ごみ焼却所等の設備から供給される。

吸収液の例は、１種類以上のアミンを含有するアミン系水溶液である。アミンの例は、モノエタノールアミン（monoethanolamin）や、ジエタノールアミン（diethanolamin）である。吸収液は、その他のアミンを含有していてもよい。

リッチ液ポンプ３は、第１流路Ｌ１に設けられており、再生熱交換器４は、第１流路Ｌ１と第２流路Ｌ２との交点に設けられている。吸収塔１から排出された吸収液は、第１流路Ｌ１を介して移送され、具体的には、リッチ液ポンプ３により再生熱交換器４を介して再生塔５へ移送される。この際、吸収塔１から再生塔５へ向かう吸収液は、再生熱交換器４における熱交換により加熱される。第１流路Ｌ１は、配管等により構成されている。

再生塔５は、例えば向流型気液接触装置により構成されている。再生塔５は、吸収塔１から排出された吸収液（リッチ液）を導入するための吸収液導入口を、充填層５ａの上方に備えている。

再生塔５は、導入された吸収液を加熱することにより、吸収液から大部分の二酸化炭素を蒸気と共に放散させて、吸収液から二酸化炭素を分離する。再生塔５は、不図示のリボイラを備えており、リボイラに供給された高温蒸気と吸収液との熱交換を行うことにより吸収液を加熱する。再生塔５に導入された吸収液は、充填層５ａを通過して、液溜部５ｂに落下する。

その結果、二酸化炭素を放散した吸収液（リーン液）が液溜部５ｂに溜まり、再生塔５の底部に設けられた吸収液排出口Ａ２から排出される。一方、放散された二酸化炭素と蒸気とを含有する再生塔排出ガスは、再生塔５の頂部に設けられたガス排出口から排出される。再生塔排出ガスはその後、不図示のガス冷却器により冷却される。これにより、再生塔排出ガス中の蒸気が凝縮し、二酸化炭素と凝縮水とに分離される。凝縮水は、吸収液に由来するアミン成分を含有しており、再生塔５へ戻される。

再生塔５は、１つの充填層５ａを備えているが、代わりに複数の充填層を備えていてもよいし、１つ以上のその他の反応部（例えばトレイ）を備えていてもよい。また、再生塔５は、タンク内で吸収液を加熱して二酸化炭素を放散させるフラッシュドラム（フラッシュタンク）を備えていてもよい。また、本実施形態の二酸化炭素回収システムは、再生塔排出ガスを洗浄する洗浄塔、再生塔排出ガスを冷却する冷却塔、再生塔排出ガスから得られた二酸化炭素を圧縮する圧縮設備などを備えていてもよい。

リーン液冷却器６は、第２流路Ｌ２に設けられている。再生塔５から排出された吸収液は、第２流路Ｌ２を介して移送され、具体的には、再生熱交換器４と冷却器６とを介して吸収塔１へ移送される。この際、再生塔５から吸収塔１へ向かう吸収液は、再生熱交換器４における熱交換とリーン液冷却器６における冷却作用により冷却される。第２流路Ｌ２は、配管等により構成されており、再生塔５の吸収液排出口Ａ２から吸収塔１の吸収液導入口Ａ１へと吸収液を移送する。

制御部１１は、二酸化炭素回収システムの種々の動作を制御する。制御部１１の例は、プロセッサ、制御回路、コンピュータなどである。圧力計１２は、再生塔５の内圧、すなわち、再生塔５内のガスの圧力を測定し、圧力の測定結果を制御部１１に出力する。圧力調整弁１３は、再生塔排出ガスの流路に設けられており、再生塔５の内圧を調整するために使用される。流量計１４は、第２流路Ｌ２を流れる吸収液の流量を測定し、流量の測定結果を制御部１１に出力する。流量調整弁１５は、第２流路Ｌ２に設けられており、再生塔５の吸収液排出口Ａ２から排出される吸収液の流量を調整するために使用される。

本実施形態の制御部１１は、圧力計１２から出力された圧力、流量計１４から出力された流量などに基づいて、圧力調整弁１３の開度、流量調整弁１５の開度などを制御する。これにより、再生塔５の内圧や第２流路Ｌ２の流量が所望の値に調整される。制御部１１の動作の詳細については、後述する。

以下、本実施形態の第２流路Ｌ２の詳細について説明する。

上述のように、第１流路Ｌ１にはリッチ液ポンプ３が設けられている。本実施形態の二酸化炭素回収システムは、このリッチ液ポンプ３の動作により、吸収塔１から再生塔５に第１流路Ｌ１を介して吸収液を移送する。

一方、第２流路Ｌ２にはリーン液ポンプが設けられていない。本実施形態の二酸化炭素回収システムは、再生塔５の内圧により、再生塔５から吸収塔１に第２流路Ｌ２を介して吸収液を移送する。このように、本実施形態の第２流路Ｌ２は、リーン液ポンプを用いずに吸収液を移送するように構成されている。

再生塔５では、二酸化炭素や水蒸気などのガスが吸収液から放出され、これらのガスにより再生塔５の内圧が変化する。これらのガスは、再生塔排出ガスとして再生塔５から排出される。制御部１１は、再生塔排出ガスの流路に設けられた圧力調整弁１３の開度を制御することで、再生塔５の内圧を任意の圧力に保持することができる。

再生塔５の内圧が所定の値よりも大きければ、再生塔５内の吸収液が再生塔５から押し出されて、第２流路Ｌ２を介して吸収塔１に供給される。これにより、吸収液をリーン液ポンプなしで再生塔５から吸収塔１に移送することができる。よって、本実施形態の制御部１１は、圧力計１２から出力された圧力に基づいて、圧力調整弁１３の開度を制御することで、再生塔５内の内圧を所定の値よりも大きい圧力（第１圧力）に調整する。以下、第１圧力を「目標圧力」と呼ぶ。本実施形態の目標圧力は、所定の値よりも大きい一定値であるが、所定の値よりも大きい非一定値（例えば一定範囲内の値）としてもよい。

具体的には、再生塔５の内圧により押し出される吸収液の吐出圧力が、第２流路Ｌ２の圧力損失（すなわち、吸収液排出口Ａ２から吸収液導入口Ａ１までリーン液が流通する際の圧力損失）と、第２流路Ｌ２の水頭（すなわち、第２流路Ｌ２の吸収液排出口Ａ２と吸収液導入口Ａ１との高さの差）との和よりも大きくなると、吸収液をリーン液ポンプなしで再生塔５から吸収塔１に移送することができる。第２流路Ｌ２の圧力損失は、第２流路Ｌ２をリーン液が流れる際の単位時間および単位流量あたりのエネルギー損失であり、例えば、再生熱交換器４やリーン液冷却器６内の流路形状、第２流路Ｌ２に設けられる配管の径、再生熱交換器４やリーン液冷却器６の内部を含めた第２流路Ｌ２の幾何学的配置、第２流路Ｌ２を流れるリーン液の物性値などにより決定することができる。当業者であれば、実験やシミュレーションによりこの第２流路Ｌ２の圧力損失を算出することが可能である。よって、本実施形態における第２流路Ｌ２の高さの差（水頭）は、第２流路Ｌ２の圧力損失を考慮したうえで、吸収液をリーン液ポンプなしで目標圧力により吸収液排出口Ａ２から吸収液導入口Ａ１に移送可能な値に設定されている。逆に言うと、本実施形態の目標圧力は、この高さの差を克服して吸収液を移送可能な値に設定されている。

吸収液の吐出圧力が第２流路Ｌ２の水頭と圧力損失との和より大きくなった場合には、再生塔５の内圧が上昇すると、吸収液排出口Ａ２から排出される吸収液の流量が増加する。本実施形態の制御部１１は、流量計１４から出力された流量が所定の流量に達すると、圧力調整弁１３の開度を増加させ、再生塔５の内圧を目標圧力に調整する制御を開始する。

本実施形態では、再生塔５の内圧とリーン液の流量を、共に一定値に調整することが望ましい。すなわち、圧力計１２の測定圧力と流量計１４の測定流量が、共に一定値に維持されることが望ましい。

再生塔５の内圧が目標圧力よりも低い状態でリーン液の流量が所望流量に達した場合には、流量調整弁１５の開度を増加させる。これにより、再生塔５の内圧が目標圧力に達した後にも、リーン液の流量を所望流量に維持することができる。すなわち、リーン液の流量が所望流量よりも大きくなることを回避することができる。

また、本実施形態の二酸化炭素回収システムは、再生塔５の内圧が目標圧力よりも高い状態でリーン液の流量が所望流量に達しないように設計することが望ましい。このような設計は例えば、第２経路Ｌ２の揚程や、再生塔５の液位設定に着目することで実現可能である。

なお、二酸化炭素回収システムの起動時などに再生塔５の内圧が十分に上がらない場合には、再生塔５から排出された吸収液をミニフローラインなどを介して再生塔５内に再び戻してもよい。このような吸収液の循環により、再生塔５の内圧を上げていくことが可能となる。

また、本実施形態の二酸化炭素回収システムは、吸収塔１内の液溜部１ｂの液位が一定となるようにリッチ液の流量を制御可能な制御機構を備えていてもよい。このような制御機構の例は、第１流路Ｌ１に設けられた流量調整弁である。

以上のように、本実施形態の二酸化炭素回収システムは、再生塔５の内圧により、再生塔５から吸収塔１に第２流路Ｌ２を介して吸収液を移送する。よって、本実施形態によれば、リーン液ポンプなしで二酸化炭素回収システムを構成することが可能となり、二酸化炭素回収システムのサイズを小型化することが可能となる。本実施形態の二酸化炭素回収システムは、必要な運転や制御を簡易な設備構成で実現でき、これによりシステムのサイズ縮小や動力削減を実現することができる。

上述のように、再生塔５の内圧による吸収液の吐出圧力が、吸収液排出口Ａ２から吸収液導入口Ａ１までの水頭と圧力損失との和よりも大きくなると、吸収液を再生塔５から吸収塔１に移送することができる。この水頭と圧力損失との和は、吸収液排出口Ａ２と吸収液導入口Ａ１との高さの差に依存するため、この高さの差は、吸収液を目標圧力により吸収液排出口Ａ２から吸収液導入口Ａ１に移送可能な値に設定されている。そのため、この高さの差は、ある程度小さい値に設定することが求められる。本実施形態によれば、二酸化炭素回収システムのサイズを小型化できることから、この高さの差を比較的容易に小さく設定することができる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の二酸化炭素回収システムの構成を示す模式図である。

図２の二酸化炭素回収システムは、図１に示す構成要素に加えて、液位計（レベル計）１６を備えている。液位計１６は、再生塔５の液溜部５ｂに溜まった吸収液の液位を測定し、液位の測定結果を制御部１１に出力する。

本実施形態の制御部１１は、液位計１６により測定された液位に基づいて、液溜部５ｂ内の吸収液の液位を制御する。制御部１１は、液溜部５ｂ内の吸収液の液位を制御することにより、第２流路Ｌ２を流れる吸収液の流量（リーン液流量）を所望流量に調整することができる。制御部１１は例えば、リッチ液ポンプ３の回転数を変化させることで、液溜部５ｂ内の吸収液の液位を制御することができる。

リーン液流量が所望流量よりも小さい場合には、液溜部５ｂの液位を上昇させる。その結果、液溜部５ｂの水頭圧が高くなり、リーン液流量が増加する。一方、リーン液流量が所望流量よりも大きい場合には、液溜部５ｂの液位を低下させる。その結果、液溜部５ｂの水頭圧が低くなり、リーン液流量が減少する。制御部１１は、液溜部５ｂの液位をこのように制御しながら、再生塔５の内圧を圧力調整弁１３により制御する。これにより、再生塔５の内圧を所望圧力（目標圧力）に調整しながら、リーン液流量を所定流量に調整することができる。本実施形態の再生塔５は、このような制御を実現するため、図２に示すように十分なサイズの液溜部５ｂを備えている。

なお、本実施形態の二酸化炭素回収システムは、リーン液流量を液溜部５ｂの液位により調整するため、流量調整弁１５を備えていなくてもよい。ただし、流量調整弁１５を別の目的で使用する場合などには、二酸化炭素回収システムは流量調整弁１５を備えていてもよい。

また、流量計１４により測定されるリーン液流量は、理論上、液位計１６により測定される液位に１対１で対応している。よって、制御部１１は、流量計１４からの流量に基づいてリーン液流量を所望流量に調整する代わりに、液位計１６からの液位に基づいてリーン液流量を所望流量に調整することが可能である。この場合、本実施形態の二酸化炭素回収システムは、流量計１４を備えていなくてもよい。ただし、実際上は、リーン液流量と液位との対応関係に誤差が生じ得ることから、本実施形態の二酸化炭素回収システムは、液位計１６に加えて流量計１４も備えていてもよい。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、リーン液ポンプなしで二酸化炭素回収システムを構成することが可能となり、二酸化炭素回収システムのサイズを小型化することが可能となる。本実施形態の二酸化炭素回収システムは、必要な運転や制御を簡易な設備構成で実現でき、これによりシステムのサイズ縮小や動力削減を実現することができる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムおよび方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムおよび方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：吸収塔、１ａ：充填層、１ｂ：液溜部、
２：プロセス排ガスライン、３：リッチ液ポンプ、４：再生熱交換器、
５：再生塔、５ａ：充填層、５ｂ：液溜部、６：リーン液冷却器、
１１：制御部、１２：圧力計、１３：圧力調整弁、
１４：流量計、１５：流量調整弁、１６：液位計

Claims (9)

1. 二酸化炭素を含む処理対象ガスと吸収液とを接触させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液を排出する吸収塔と、
   前記吸収塔から排出された前記吸収液から前記二酸化炭素を放散させ、前記二酸化炭素を放散した前記吸収液を排出する再生塔と、
   前記吸収塔から排出された前記吸収液を、前記再生塔に移送する第１流路と、
   前記再生塔から排出された前記吸収液を、前記再生塔内のガスの圧力により前記吸収塔に移送する第２流路と、
   を備える二酸化炭素回収システム。
2. 前記再生塔からの前記吸収液の吐出圧力は、前記第２流路の水頭と前記第２流路の圧力損失との和よりも大きい第１圧力になるように構成される、請求項１に記載の二酸化炭素回収システム。
3. 前記再生塔内のガスの圧力を第１圧力に制御する制御部をさらに備える、請求項１または２に記載の二酸化炭素回収システム。
4. 前記再生塔内のガスの圧力を調整する圧力調整弁をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収システム。
5. 前記再生塔から排出される前記吸収液の流量を調整する流量調整弁をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収システム。
6. 前記再生塔の液溜部に溜まった前記吸収液の液位を測定する液位計と、
   前記液位計により測定された前記液位に基づいて、前記液位を制御する制御部と、
   をさらに備える請求項１から５のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収システム。
7. 前記制御部は、前記液位を制御することにより、前記再生塔から排出される前記吸収液の流量を制御する、請求項６に記載の二酸化炭素回収システム。
8. 前記制御部は、前記第１流路に設けられたポンプを制御することにより、前記液位を制御する、請求項６または７に記載の二酸化炭素回収システム。
9. 二酸化炭素を含む処理対象ガスと吸収液とを吸収塔内で接触させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液を前記吸収塔から排出し、
   前記吸収塔から排出された前記吸収液を、第１流路を介して再生塔に移送し、
   前記吸収塔から排出された前記吸収液から前記再生塔内で前記二酸化炭素を放散させ、前記二酸化炭素を放散した前記吸収液を前記再生塔から排出し、
   前記再生塔から排出された前記吸収液を、前記再生塔内のガスの圧力により第２流路を介して前記吸収塔に移送する、
   ことを含む二酸化炭素回収システムの運転方法。

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