JP3571672B2

JP3571672B2 - 燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法

Info

Publication number: JP3571672B2
Application number: JP2001184326A
Authority: JP
Inventors: 英明高野; 良富山下; 靖夫平井
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: JP2003001061A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、重油焚きボイラー、加熱炉等の燃焼排ガス中の炭酸ガス濃度を２０〜５０容量％に高効率で濃縮する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸ガス含有ガスからの炭酸ガスの回収方法としては、一般的には深冷分離法、吸収法、分離膜法、圧力変動吸着（ＰＳＡ）法、温度変動吸着（ＴＳＡ）法などの回収技術が知られている。
【０００３】
上記のうち、炭酸ガス濃度５〜１５容量％の燃焼排ガスから低コストで炭酸ガス濃度を２０〜５０容量％まで高めるには、プロセスが単純で、低コスト、かつ分離性、収率がある程度得られるＰＳＡ法が有利であると考えられる。ＰＳＡ法による炭酸ガス回収技術では、一般的に炭酸ガス濃度２０容量％以上の燃焼排ガスからの高純度炭酸ガス（純度９９．９容量％以上）を回収する技術が良く知られ、実用化されている。
【０００４】
例えば、ＰＳＡ法により炭酸ガス含有ガスから炭酸ガスを分離回収する方法としては、活性炭吸着剤を用いて炭酸ガス含有ガスから炭酸ガスを圧力変動吸着法により分離濃縮するに際し、脱着操作の終了後に吸着塔内に大気空気あるいは大気空気と原料ガスを送入して塔内をほぼ大気圧にした後、吸着操作を行う方法（特開昭６１−１５７３２２号公報）、燃焼排ガスを除湿した後、炭素系吸着剤またはハイドロタルサイト系吸着剤を充填した第１ＰＳＡ装置に排ガスを加圧状態で通し大気圧で再生してＣＯ_２に富むガスを得、このＣＯ_２に富むガスをゼオライト系吸着剤を充填した第２ＰＳＡ装置に常圧状態で通し減圧状態で再生して高濃度の炭酸ガスを分離回収する方法（特開平６−９１１２６号公報）、ＰＳＡ除湿装置により燃焼排ガスを除湿し乾燥ガスとする工程と、該乾燥ガス中の炭酸ガスを炭酸ガス濃縮装置により減容濃縮して炭酸ガス高濃度ガスとする工程と、該炭酸ガス高濃度ガスを炭酸ガス液化装置により凝縮液化して液化炭酸ガスを得る工程との各工程を含み、前記炭酸ガス液化装置から排出される不凝縮ガスを、前記ＰＳＡ除湿装置の再生工程にある塔に還流させ、さらに、該除湿装置からの脱着ガスを湿分凝縮器により水分を除去して乾きガスとして前記除湿装置の入口に還流させる方法（特開平６−９９０１３号公報）等が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＰＳＡ法では、燃焼排ガス中に炭酸ガスが２０容量％以上含まれていないと、高純度炭酸ガスを回収するには、精製工程が多段となり、設備が大型化してコスト的に見合わない場合が多いとされている。しかし、重油ボイラー、加熱炉等のほとんどの燃焼排ガスは、炭酸ガス濃度が５〜１５容量％であるため、高純度炭酸ガスを回収するのはコスト的に困難で、利用しないで大気中へ放出しているのが実状である。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術のように高純度炭酸ガスを回収することなく、簡素化したプロセスで、しかも高効率で、高アルカリ排水の中和に適した炭酸ガス濃度２０〜５０容量％に高めることができる燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る発明の燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法は、燃焼排ガス中の炭酸ガス濃度を圧力変動吸着法により２０〜５０容量％に高める方法であって、燃焼排ガスを活性炭を充填した吸着塔に送入して炭酸ガスを吸着せしめる吸着工程と、吸着したガスを真空引きして脱着したガスを濃縮ガスとして回収する第１脱着工程と、真空引きしながら吸着塔に大気空気を供給して第１脱着工程で脱着しなかったガスを脱着させて濃縮ガスとして回収する第２脱着工程と、第２脱着工程終了後、吸着塔に燃焼排ガスまたは吸着工程からのオフガスを供給して大気圧まで昇圧する昇圧工程とからなることを特徴とする。
【０００８】
また、本願の請求項２に係る発明の燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法は、炭酸ガス濃度５〜１５容量％の燃焼排ガスを圧力変動吸着装置の活性炭を充填した吸着塔に０．０２ＭＰａ・Ｇ以下で送入して吸着させ、真空ポンプにより吸着塔入口側から吸着塔内部を真空引きして２００Ｔｏｒｒ以下で吸着したガスを抜き出して濃縮ガスとして回収すると共に、引続き２００Ｔｏｒｒ以下に保ったままで吸着塔出口から大気空気を供給して脱着しなかったガスを抜き出して濃縮ガスとして回収して炭酸ガス濃度２０〜５０容量％の濃縮ガスとしたのち、吸着塔に燃焼排ガスまたは吸着工程からのオフガスを供給して吸着塔内を大気圧まで昇圧することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法は、アルカリ排水の中和の際に燃焼排ガス中の炭酸ガス濃度が３０容量％以上であっても、炭酸ガスの溶解効率が殆ど上がらないため、高純度にする必要がないこと、アルカリ排水中に吹き込むため濃縮ガス中に水分が含まれていてもよく、除湿の必要がない等を考慮し、炭酸ガス濃度５〜１５容量％の常温の燃焼排ガスから一段で炭酸ガス濃度２０〜５０容量％に高回収率で濃縮するものである。なお、本発明方法は、高純度炭酸ガスの回収方法の前段処理としても使用できるが、その場合には、除湿工程が別に必要となる。
【００１０】
炭酸ガス濃度２０〜５０容量％の濃縮ガスの回収は、濃縮ガスの炭酸ガス濃度に応じて脱着工程での真空度を調整する。例えば、濃縮ガスの炭酸ガス濃度２０容量％の場合は、第１脱着工程、第２脱着工程共に真空度２００Ｔｏｒｒ、炭酸ガス濃度３０容量％の場合は、第１脱着工程、第２脱着工程共に１００Ｔｏｒｒ、炭酸ガス濃度５０容量％の場合は、第１脱着工程、第２脱着工程共に５０Ｔｏｒｒとする。
【００１１】
本発明の燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法を図１に基づいて説明する。図１はこの発明の燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法の系統図である。図１において、１は燃焼排ガス２を抜き出して０．０２ＭＰａ・Ｇまで昇圧するブロアー、３は燃焼排ガス１を冷却する熱交換器、４は冷却された燃焼排ガス２中のダスト、ＳＯｘ等の水溶性不純物を除去するための水洗塔、５は燃焼排ガス２を常温まで冷却する冷却器である。燃焼排ガス２は、通常、ＣＯ_２：５〜１５容量％、Ｏ_２：１０〜１４容量％、Ｎ_２：６８〜８２容量％と共に、ＣＯ、ＳＯ_２、ＮＯｘ、水分等を含んでいる。
【００１２】
6a、6bは2塔切替方式の吸着剤として炭酸ガスを吸着する活性炭が充填された圧力変動吸着分離装置(以下PSA装置という)の吸着塔で、逐次第1脱着、第2脱着を切替え使用している。冷却器5で飽和蒸気圧以上の水分が凝縮された常温の燃焼排ガス2は、配管7により吸着塔6a、6bに導入される。8a、8bは吸着塔6a、6bへ常温の燃焼排ガス2を導入するための切替弁である。9a、9bは炭酸ガスの吸着された燃焼排ガス2を導出するための切替弁である。10a、10bは吸着塔6a、6bを200Torr以下、好ましくは100Torr以下まで減圧する真空ポンプ11と接続された切替弁で、吸着塔6a、6bから吸着された炭酸ガスを脱着するためのものある。12a、12bは吸着塔6a、6bに大気空気または冷却器5出口の常温の燃焼排ガス2を配管13を介して導入するための切替弁である。14は大気空気を配管13に供給する切替弁、15は冷却器5出口の常温の燃焼排ガス2を配管13に供給する切替弁である。16は炭酸ガス濃度が20〜30容量%に濃縮された濃縮ガスを一時貯蔵する濃縮ガスタンク、17は炭酸ガスの吸着された燃焼排ガス2を大気中に放出する配管である。
【００１３】
ブロアー１により抜き出された燃焼排ガス２は、熱交換器３で冷却されて水分がドレンとして除去され、水洗塔４で水洗浄されてダスト、ＳＯｘ等の水溶性不純物が除去されたのち、０．０２ＭＰａ・Ｇ程度に昇圧され、冷却器５でさらに常温まで冷却されて飽和蒸気圧以上の水分が凝縮する。飽和蒸気圧以上の水分が凝縮した燃焼排ガス２は、配管７、切替弁８ａ、８ｂを介して吸着塔６ａ、６ｂに導入される。
【００１４】
吸着塔６ａが昇圧、吸着工程、吸着塔６ｂが脱着工程である場合、すなわち、昇圧、吸着工程の吸着塔６ａでは、切替弁１２ａが開放、切替弁８ａ、９ａ、１０ａ、１４が閉止の状態で吸着塔６ａ内に切替弁１５、配管１３、切替弁１２ａを介して冷却器５出口の常温の燃焼排ガス２を導入し、吸着塔６ａ内部を大気圧まで昇圧して吸着準備を完了する。そして、切替弁８ａ、９ａが開放、切替弁１０ａ、１２ａ、１４、１５が閉止の状態で、吸着塔６ａ内に燃焼排ガス２が導入されて炭酸ガスの大部分が活性炭に吸着され、炭酸ガスが破過し始めた時点で切替弁８ａ、９ａを閉止して吸着工程を終了する。この吸着工程の間炭酸ガスの吸着された燃焼排ガス２は、切替弁９ａ、配管１７を介して大気中に放出される。
【００１５】
一方、脱着工程の第１脱着工程の吸着塔６ｂでは、切替弁１０ｂが開放、切替弁８ｂ、９ｂ、１２ｂ、１４、１５が閉止の状態で真空ポンプ１１を起動し、吸着塔６ｂ内部を２００Ｔｏｒｒ以下、例えば１００Ｔｏｒｒまで減圧し、活性炭に吸着された炭酸ガスを脱着させて濃縮ガスとして濃縮ガスタンク１６に回収する。第２脱着工程の吸着塔６ｂでは、切替弁１０ｂ、１２ｂ、１４が開放、切替弁８ｂ、９ｂ、１５が閉止の状態で真空ポンプ１１により吸着塔６ｂ内部を１００Ｔｏｒｒの減圧に保ちながら、配管１３を介して大気空気を吸着塔６ｂ内に導入し、第１脱着工程で脱着しなかった炭酸ガスを脱着させて濃縮ガスとして濃縮ガスタンク１６に回収する。そして、切替弁１０ｂ、１２ｂ、１４を閉止し、真空ポンプ１１を停止して第２脱着工程を終了する。
【００１６】
吸着塔６ａ、６ｂで上記昇圧、吸着操作と脱着操作を交互に繰り返すことによって、炭酸ガス濃度５〜１０％の燃焼排ガスから炭酸ガス濃度２０〜５０容量％の濃縮ガスを高効率、低コストで回収することができる。濃縮ガスタンク１６に回収された濃縮ガスは、図示しないアルカリ排水の中和槽に吹き込まれる。なお、吸着塔が２塔の場合の昇圧操作に際して吸着工程からのオフガスを供給するには、１塔が吸着工程、他方が第１脱着工程、第２脱着工程、昇圧工程のサイクルで運転することが必要である。吸着塔が４塔の場合は、各塔を吸着工程、第１脱着工程、第２脱着工程、昇圧工程とできるので、昇圧操作に際して吸着工程からのオフガスを昇圧工程の吸着塔に供給することができる。
【0017】
【実施例】
表 1に示す組成の燃焼排ガスを煙道から抜き出してブロアーで0.02MPa・Gまで昇圧した後、熱交換器で常温付近まで冷却したのち、水洗塔へ供給し、ダスト、SOx等の水溶性成分を除去し、2塔式のPSA装置として内径160mm、活性炭充填高さ2000mmの吸着塔下部から30Nm³/hrで供給し、図2、図3に示すように、吸着圧力0.015MPa・Gで吸着させて吸着塔上部から炭酸ガスが吸着されたオフガスを放出し、炭酸ガスが破過しはじめた時点で燃焼排ガスの供給とオフガスの放出を終了し、活性炭に炭酸ガスを吸着させた。
【００１８】
そして、図２、図３に示すように、第１脱着工程では、真空ポンプにより吸着塔下部から吸着塔内部を真空引きして１００Ｔｏｒｒまで減圧し、活性炭に吸着された炭酸ガスを脱着させて濃縮ガスとして抜き出し、濃縮ガスタンクへ送入した。第２脱着工程では、真空ポンプにより吸着塔下部から吸着塔内部を真空引きしたままで吸着塔上部から吸着塔内部圧力が１００Ｔｏｒｒを保つように大気空気を供給し、第１脱着工程で脱着しなかった活性炭に吸着された炭酸ガスを脱着させて濃縮ガスとして濃縮ガスタンクへ送入した。第２脱着工程終了後、真空ポンプを停止して吸着塔上部から燃焼排ガスを供給して吸着塔内を大気圧まで昇圧した。
【００１９】
第1、第2脱着工程での濃縮ガス組成は表 1に合わせて示す。また、濃縮ガス流量は、5Nm³/hr、炭酸ガス回収率は80容量%以上であった。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【発明の効果】
本発明の燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法は、簡素化されたＰＳＡ装置で、従来利用せずに大気に放出されていた炭酸ガス濃度６〜１５容量％の燃焼排ガスから、高効率、低コストで、アルカリ排水の中和に適した炭酸ガス濃度２０〜５０容量％の濃縮ガスを得ることができ、地球温暖化の防止にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法を実施するための２塔式ＰＳＡ装置の一例を示す系統図である。
【図２】実施例におけるＰＳＡ装置の操業形態図の一例である。
【図３】実施例におけるＰＳＡ装置の工程図である。
【符号の説明】
１ブロアー
２燃焼排ガス
３熱交換器
４水洗塔
５冷却器
６ａ、６ｂ吸着塔
７、１３、１７配管
８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４、１５切替弁
１１真空ポンプ
１６濃縮ガスタンク

Claims

燃焼排ガス中の炭酸ガス濃度を圧力変動吸着法により２０〜５０容量％に濃縮する方法であって、燃焼排ガスを活性炭を充填した吸着塔に送入して炭酸ガスを吸着せしめる吸着工程と、吸着した炭酸ガスを真空引きして脱着させて濃縮ガスとして回収する第１脱着工程と、真空引きしながら吸着塔に大気空気を供給して第１脱着工程で脱着しなかった炭酸ガスを脱着させて濃縮ガスとして回収する第２脱着工程と、第２脱着工程終了後、吸着塔に燃焼排ガスまたは吸着工程からのオフガスを供給して大気圧まで昇圧する昇圧工程とからなることを特徴とする燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法。
炭酸ガス濃度５〜１５容量％の燃焼排ガスを圧力変動吸着装置の活性炭を充填した吸着塔に０．０２ＭＰａ・Ｇ以下で送入して吸着させ、真空ポンプにより吸着塔入口側から吸着塔内部を真空引きして２００Ｔｏｒｒ以下で脱着したガスを抜き出して濃縮ガスとして回収すると共に、引続き２００Ｔｏｒｒ以下に保ったままで吸着塔出口から大気空気を供給して脱着しなかったガスを抜き出して回収し、炭酸ガス濃度２０〜５０容量％の濃縮ガスとしたのち、吸着塔に燃焼排ガスまたは吸着工程からのオフガスを供給して吸着塔内を大気圧まで昇圧することを特徴とする燃焼排ガス中の炭酸ガスを濃縮する方法。