JP5655593B2 - 二酸化炭素の回収方法及び回収装置 - Google Patents

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二酸化炭素の回収装置に関する。

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の加熱が必要であり、二酸化炭素回収の操業費用を削減するには、加熱／冷却に要するエネルギーを低減することが重要となる。下記特許文献１では、再生工程から回収されるガスの流路に設けられる熱交換器を用いて回収ガスから熱エネルギーを回収し、再生工程に供給するように構成している。

また、吸収液から二酸化炭素を回収する際に要するエネルギーの削減を目的として、下記特許文献２では、再生工程の吸収液を抜き出して高温スチームによって熱交換するための再生加熱器から生じるスチーム凝縮水の余熱を、吸収液の加熱に利用している。更に、下記特許文献３では、吸収された二酸化炭素の放出を促進するために、二酸化炭素を随伴するようにストリッピング用ガスを導入することを記載する。

特開２００９−２１４０８９号公報 特開２００５−２５４２１２号公報 特開２００５−２３０８０８号公報

再生工程において必要とされるエネルギーには、吸収液の温度上昇に要する顕熱、吸収液から二酸化炭素を放出する際の反応熱、及び、吸収液の水分蒸発による熱損失を補うための潜熱がある。上述の先行技術は、顕熱又は反応熱に関連する技術であり、エネルギー効率の改善には未だ余地がある。

環境保全のために二酸化炭素の回収を普及させるには、経済的観点から、可能な限りエネルギー効率を高めて回収に要する費用を削減することが望ましく、吸収液からの熱エネルギーの回収効率を高めることは省エネルギーにおいて重要であり、又、二酸化炭素の回収効率にも有効に作用し得る。

本発明の課題は、吸収液を再生するために要するエネルギーを削減して操業費用を低減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。

又、本発明の課題は、装置への負担や煩雑な作業を伴わず、吸収液を再生するために要するエネルギーを削減して二酸化炭素の回収コストを低減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、吸収液の水分を気化して得られる水蒸気を再生時の熱供給源として利用でき、吸収液の廃熱エネルギーの回収・再利用による熱エネルギー効率の向上が可能であることを見出し、吸収液の液温制御にも有用な手法として、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、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記吸収液から二酸化炭素を放出させて吸収液を再生するための再生塔と、前記吸収液が前記吸収塔から前記再生塔を経て前記吸収塔に還流するように前記吸収液を循環させる循環システムと、前記循環システムによって前記吸収塔に還流される吸収液、及び、前記吸収塔内の吸収液の各々を用いて、吸収液を再生する熱源として使用可能な水蒸気を発生させて前記再生塔に供給する水蒸気供給システムとを有す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、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を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前記吸収液から二酸化炭素を放出させて吸収液を再生するための再生工程と、前記吸収液が前記吸収工程から前記再生工程を経て前記吸収工程に還流するように前記吸収液を循環させる循環工程と、前記循環工程によって前記吸収工程に還流される吸収液、及び、前記吸収工程中の吸収液の各々を用いて、吸収液を再生する熱源として使用可能な水蒸気を発生させて前記再生工程に供給する水蒸気供給工程とを有することを要旨とする。

本発明によれば、ガスに含まれる二酸化炭素を回収するプロセスにおいて、吸収液の再生に要するエネルギー供給を低減して操業に要する費用を削減でき、吸収液による二酸化炭素の回収効率の改善にも寄与し得るので、省エネルギー及び環境保護に貢献可能な二酸化炭素の回収装置を提供できる。

本発明の第１の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。 本発明の第２の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。

一般的に、吸収液から二酸化炭素を放出させて再生するための手法として、吸収液を加熱して反応熱を供給するが、このためには、吸収液の温度上昇に要する顕熱、及び、吸収液の水分蒸発による熱損失を補うための潜熱の供給も必要となり、これらの熱源として、二酸化炭素回収装置の外部から蒸気等を供給している。

本発明では、二酸化炭素回収装置の内部の廃熱を用いて水蒸気を発生させ、吸収液の再生に要する熱エネルギーの供給源となり得る形態に調整して、つまり、吸収液の再生温度以上の高温の水蒸気として再生塔に供給する。高温の水蒸気は、供給されると上方に拡散し、熱も上方へ伝導するので、水蒸気の供給は、再生される吸収液が気液接触する領域（再生が進行する領域）の最下部に行うのが最も効率的である。更に、再生する吸収液に供給する水蒸気を、余熱を含む吸収液から発生させることにより、余熱回収と共に吸収液の冷却も可能である。水蒸気の発生によって気化熱を失った吸収液は温度が低下するので、水蒸気発生後の吸収液は、吸収工程へ還流させると好都合である。つまり、吸収工程へ還流させる直前の吸収液の冷却手段として水蒸気の発生を利用する。水蒸気発生による吸収液からの熱回収は、吸収工程途中の吸収液からも可能であり、二酸化炭素の吸収反応によって発生する熱を回収して、再生工程へ供給する水蒸気を発生することができる。

以下、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第１の実施形態を示す。回収装置１は、二酸化炭素を含有するガスＧを吸収液に接触させて、吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔１０と、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吸収液を再生する再生塔２０とを有する。吸収塔１０及び再生塔２０は、各々、向流型気液接触装置として構成され、接触面積を大きくするための充填材１１，２１を各々内部に保持している。吸収塔１０の充填材１１は、上段の充填材１１ａと下段の充填材１１ｂとを有し、二酸化炭素を吸収する間の吸収液を吸収塔１０の外部へ取り出し可能に構成される。充填材１１，１２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。

二酸化炭素を含んだガスＧは、吸収塔１０の下部から供給され、吸収液は、吸収塔１０の上部から供給され、ガスＧ及び吸収液が充填材１１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。吸収塔１０に供給されるガスＧについて、特に制限はなく、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が、二酸化炭素の吸収に適した低温であることが好ましく、必要に応じてガス冷却用の前処理設備を付設するとよい。

二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、吸収塔１０底部に貯溜され、ポンプ１２によって、吸収塔１０底部と再生塔２０上部とを接続する供給路１６を通じて再生塔２０へ供給される。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。吸収液が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除去するための冷却凝縮部１３を吸収塔１０頂部に設けることができ、これにより、水蒸気等が塔外へ漏出するのを抑制できる。これを更に確実にするためには、吸収塔外に付設される冷却器１４と、凝縮水の一部（塔内のガスＧ’を含んでも良い）を冷却器１４との間で循環させるポンプ１５とを備え、冷却器１４で冷却されて塔頂部に供給される凝縮水等は冷却凝縮部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。又、充填材１１に還流する凝縮水によって、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℃以下となるように冷却する。この実施形態の冷却器１４は水冷式であるが、他の冷却方式であって良く、冷媒による冷凍サイクルを用いて冷却確度を高めてもよい。

吸収塔１０で二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、再生塔２０の上部に供給され、充填材２１上を流下して底部に貯溜される。本発明において、回収装置１は、吸収塔１０に還流される前の吸収液Ａ２、及び、吸収塔１０の吸収液のうちの少なくとも一方（この実施形態では両方）を用いて、再生塔２０における吸収液の再生のための熱源として使用可能な水蒸気を発生させて再生塔２０に供給する水蒸気供給システム、つまり、水蒸気発生装置２２Ａ，２２Ｂを有し、水蒸気発生装置２２Ａは、吸収塔１０に還流される直前の吸収液Ａ２から水蒸気を発生させ、水蒸気発生装置２２Ｂは、吸収塔１０内の吸収液を用いて水蒸気を発生させる。再生塔２０の底部には、水蒸気発生装置２２Ａ，２２Ｂから供給される高温の蒸気が導入され（水蒸気発生の詳細については後述する）、再生塔２０底部に貯留される吸収液Ａ２の液面付近に供給され、その上方の充填材２１及びそれを伝って流下する吸収液に熱を与えて、充填材２１上での気液接触により、二酸化炭素を放出する。

再生塔２０で二酸化炭素を放出して再生された吸収液Ａ２は、還流路１７を通じてポンプ２３によって吸収塔１０に還流されるが、その間に、熱交換器２４及び水蒸気発生装置２２Ａを通過する。熱交換器２４における熱交換によって、還流路１７の吸収液Ａ２の熱は、供給路１６を流れる吸収液Ａ１に伝達されてその温度を上昇させ、還流路１７の吸収液Ａ２は冷却される。更に、還流路１７の吸収液は、水蒸気発生装置２２Ａにおいて水蒸気発生による気化熱の喪失によって更に冷却されてから吸収塔１０へ還流される。吸収塔１０に還流された吸収液Ａ２は、充填材１１を流下する際に二酸化炭素の吸収によって発熱するが、上段の充填材１１ａから滴下したところで一旦回収されて水蒸気発生装置２２Ｂに供給され、水蒸気の発生によって冷却された後に下段の充填材１１ｂの上方に戻され、更に二酸化炭素を吸収する。

再生塔２０において放出される二酸化炭素を含むガスは、回収ガスとして、再生塔２０上部の凝縮部２６を通って頂部から排出され、凝縮部２６は、回収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。回収ガスは、冷却水を用いた冷却器２７によって充分に冷却されて、含まれる水蒸気を可能な限り凝縮した後、気液分離器２８によって凝縮水を除去した後に、回収二酸化炭素Ｃを含むガスとして回収される。回収された二酸化炭素は、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２９によって再生塔２０上部に還流される。還流された凝縮水は、凝縮部２６を冷却して吸収剤等の放出を抑制するのに有用であり、塔内の吸収液の組成変動を補整できる。

以下に、本発明で用いられる水蒸気発生装置２２Ａ，２２Ｂについて詳細に説明する。

水蒸気発生装置２２Ａは、再生塔２０下流と吸収塔１０上流とを接続する還流路１７上に設けられ、熱交換器２４を経て温度が低下した吸収液Ａ２から余熱を利用して高温の水蒸気を発生させる。つまり、吸収液Ａ２の温熱を回収して水蒸気として再利用する。具体的には、水蒸気発生装置２２Ａは、吸収液Ａ２を減圧して水蒸気を発生させるためのタンク３０と、タンク３０で発生した水蒸気を圧縮して温度を上昇させる圧縮装置３１とを有し、還流路１７の吸収液は、調整弁３２を介してタンク３０の中央部に供給されてポンプ２３によってタンク３０の底部から排出されるように接続される。タンク３０頂部と接続される圧縮装置３１の駆動によってタンク３０内が負圧になると、吸収液Ａ２は、調整弁３２を介して導入されることにより減圧され、沸点温度の低下によりタンク３０内で水蒸気を発生して気化熱を失い、冷却される。タンク３０で発生する減圧状態の水蒸気は、タンク３０内の上部に設置されるデミスター３３を通ってミストが除去され、タンク３０頂部と再生塔２０底部とを接続する流路３４を通じて圧縮装置３１に送られて加圧され、圧縮熱によって温度が上昇した後、再生塔２０底部に供給される。

吸収塔１０に添設される水蒸気発生装置２２Ｂは、二酸化炭素を吸収して温度が上昇した吸収液を用いて高温の水蒸気を発生させる。つまり、吸収液の反応熱を回収して水蒸気として再利用し、同時に、吸収液は、気化熱を失って温度が低下することによって更に二酸化炭素を吸収し易くなる。具体的には、水蒸気発生装置２２Ｂは、吸収液を減圧して水蒸気を発生させるためのタンク４０と、タンク４０で発生した水蒸気を圧縮して温度を上昇させる圧縮装置４１とを有し、充填材１１ａ，１１ｂの中間に設置される液溜り５０に貯溜される吸収液が、調整弁４２を介してタンク４０の中央部に供給されてタンク４０の底部からポンプ４４によって吸収塔１０に還流されるように流路４６によって接続される。上段の充填材１１ａを流下した二酸化炭素を吸収中の吸収液が液溜り５０に溜まり、圧縮装置４１及びポンプ４４の駆動によって負圧になるタンク４０内に調整弁４２を介して導入されることにより減圧される。沸点温度の低下によりタンク４０内で水蒸気を発生した吸収液は、気化熱を失って沸点温度付近に冷却され、流路４６を通じて吸収塔１０下段の充填材１１ｂに還流され、更に二酸化炭素を吸収する。タンク４０内の減圧された吸収液から二酸化炭素は殆ど放出されないので、吸収塔１０で吸収液に吸収される二酸化炭素は、実質的に全て供給路１６から再生塔２０へ供給される。タンク４０で発生する沸点温度の水蒸気は、タンク４０内の上部に設置されるデミスター４３を通過する際にミストが除去され、タンク４０頂部と再生塔２０とを接続する流路４５を通じて圧縮装置４１に送出されて加圧され、圧縮熱によって温度が上昇した後に再生塔２０底部に供給される。タンク４０内の上部から圧縮装置４１までの領域を温熱すると、沸点温度付近の蒸気が凝縮することを防止できるので好ましい。

上記構成において、調整弁３２，４２の種類は、流量の制御が可能であれば特に制限なく、必要に応じて適宜選択することができる。タンク３０，４０は、吸収液に対して耐性を有する耐圧性のものであれば特に制限されず、蒸気発生量等に応じて適宜容量が設定される。圧縮装置３１，４１としては、狭義の圧縮機（圧縮比が２以上のもの）が使用できるが、これに限らず、所謂送風機に分類される気体圧縮装置であっても上記圧縮装置４として適正な特性を備える圧縮装置であれば適宜選択して使用できる。圧縮機には、遠心圧縮機、軸流圧縮機等のターボ圧縮機；往復圧縮機、斜板式圧縮機、ダイアフラム式圧縮機、ツインスクリュー圧縮機、シングルスクリュー圧縮機、スクロース圧縮機、ロータリー圧縮機、ロータリーピストン型圧縮機、スライドベーン型圧縮機等の容積圧縮機があり、容量や圧縮比、圧力制御の自由度等の特性において相異があるので、構成する蒸気発生装置の容量や蒸気の供給要件等に応じて適宜選択すればよい。ポンプ２３，４４についても、流体搬送に通常使用可能なものから適宜選択すればよい。デミスター３３，４３は、吸収液に耐性を有する素材で作成され、１０〜１００μｍ程度以上の粒子の通過を制止して圧縮装置の性能や耐久性の低下を抑制可能なものであれば特に制限はなく、例えば、耐蝕性金属やセラミックス等の素材で形成した、網の重層物や繊維集合体、多孔質体等を使用可能である。

回収装置１内での吸収液の循環速度の制御方法の一例を説明する。所定の流量で吸収液がライン１６を流動するようにポンプ１２の出力を制御し、再生塔２０における吸収液Ａ２の液面レベルが一定に維持されるように調整弁３２の開度を調整する。更に、タンク３０の液面レベルが一定に維持されるようにポンプ２３の出力を調整し、液溜まり５０の液面レベルが一定に維持されるように調整弁４２の開度を調整する。これらの調整によって回収装置１内での吸収液の循環速度を所望の値に設定することができる。

タンク３０，４０内において吸収液から発生する水蒸気量は、タンク３０，４０内の圧力及び吸収液の温度によって変化し、吸収液の供給速度に依存する。タンク３０への吸収液の供給速度は、回収装置１内での吸収液の循環速度に対応するので、タンク３０内の液面レベルが一定に維持されるようにポンプ２３の出力を調整すると、水蒸気の発生量は、吸収液の温度に応じて圧縮装置の出力によって圧力を調整することで調節することができる。タンク４０への吸収液の供給速度については、液溜まり５０の吸収液を全てタンク４０へ供給する場合は、上述と同様であるが、液溜まり５０の吸収液の一部を供給してもよく、その場合は、タンク４０への吸収液の供給速度を回収装置１内での吸収液の循環速度に対応させる必要はなく、調整弁４２の開度を調節して吸収液の供給速度を調整することで蒸気の発生量を調節できる。液溜まり５０の吸収液の一部をタンク４０へ供給する場合、液溜まり５０は、所定液面レベルを超えた液が下部へ流下するするように構成して、オーバーフローする液が分散して下部の充填層に滴下する構造とするとよい。再生塔２０へ供給される水蒸気の圧力は、再生塔２０の圧力と同等になる。

再生塔２０から還流される吸収液Ａ２の熱エネルギーは、熱交換器２４によって回収されて再生塔２０の上部に供給され、タンク３０，４０を有する上記構成においては、吸収液Ａ２の余熱及び二酸化炭素吸収による反応熱が気化熱としてタンク３０，４０で回収され、再生塔２０の下部つまり吸収液の下流側に供給される。

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。

吸収塔１０において、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を底部から供給し、吸収液を上部から供給すると、充填材１１ａ，１１ｂ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、反応熱により温度が上昇する。二酸化炭素は、低温において良好に吸収されるので、二酸化炭素の吸収による発熱を考慮して、吸収液の入口液温が６０℃を超えないように配慮することが望ましい。充填材が上下段一体の場合には中央付近が最も温度が高くなる傾向があるので、図１のように上下段の中間の液溜り５０において吸収液を外部へ取り出して水蒸気供給システム２２Ｂによって冷却する構造は効率的である。尚、吸収塔１０に供給されるガスＧについても、必要に応じてガス冷却用前処理を施して適正な温度に調整するとよい。但し、吸収液の熱回収によって水蒸気を発生させて再生塔に供給するため、液温度は４０℃以上と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、環状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）、環状アミン類としてはピペラジン、２−メチルピペラジン等を例示できる。通常、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）の使用が好まれ、これらを複数種混合しても良い。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２０％程度のガスＧの処理に対して、濃度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、再生塔２０に供給されると、沸点近辺の高温度、に加熱されるが、再生塔２０に供給される前に熱交換器２４において、再生塔２０から還流する吸収液Ａ２と熱交換されるので、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て二酸化炭素が放出され易い状態で再生塔２０に投入される。この実施形態では、７０〜１２０℃程度で再生塔２０に投入される。充填材２１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下部に供給される水蒸気によって更に加熱昇温され、再生塔２０底部に貯留される吸収液Ａ２の表面は、概して９０〜１３０℃程度まで加熱される。従って、水蒸気による加熱及び温度勾配に従って、二酸化炭素の放出が進行し、吸収液は再生される。水蒸気の温度は、圧縮装置３１，４１の出力によって調整できる。吸収液Ａ２の沸点は組成（吸収剤濃度）に依存するので、液温の上限は使用する吸収液によって異なる。

再生塔２０において再生された吸収液Ａ２は、熱交換器２４（向流型）によって７０℃程度に温度低下を経た後に、調整弁３２を介してタンク３０に供給されると、５〜４０ｋＰａ程度、好ましくは７〜２０ｋＰａ程度に減圧される。再生塔２０内の圧力は、−５０〜１２０ｋＰａＧ程度、好ましくは−１０〜５０ｋＰａＧ程度に設定すると好適であり、本発明の構成においては、再生塔２０内の圧力として大気圧付近の低い圧力を好適に適用することができる。タンク３０内の圧力は、圧縮装置３１及びポンプ２３の出力及び調整弁３２の開度によって調節可能である。尚、吸収塔１０については、減圧、常圧又は加圧の何れであっても良く、必要に応じて任意に設定可能である。

タンク３０内で発生した水蒸気は、圧縮装置３１によって加圧されて再生塔２０と同等の圧力に戻され、この時の圧縮熱により再生塔圧力下における沸点以上の温度に上昇する。この高温の水蒸気は、再生塔２０の吸収液Ａ２液面付近に供給されて雰囲気の水蒸気を増加させ、再生塔内で凝縮し、その凝縮熱によって吸収液が再生する。タンク３０内で水蒸気が気化した吸収液は、温度が沸点温度付近の４０〜５０℃程度に低下し得る。所定の吸収塔入口液温になるように、沸点温度を圧縮装置の出力によって制御すると良い。

吸収塔１０に還流される６０℃程度以下の吸収液Ａ２は、充填材１１ａにおける吸収反応で温度が上昇し、６０℃以上になり得るが、調整弁４２を介してタンク４０に供給されると、５〜４０ｋＰａ程度、好ましくは７〜２０ｋＰａ程度の圧力に減圧されて気化熱を失い、沸点温度付近の５０℃の温度で吸収塔１０に戻される。タンク４０で発生する５０℃程度の水蒸気は、圧縮装置４１によって加圧されて再生塔２０と同等の圧力で再生塔２０に供給される。水蒸気の温度は圧縮熱により再生塔圧力下における沸点以上に上昇する。

このようにして、吸収液は、吸収塔１０と再生塔２０との間で循環し、吸収工程と再生工程とが交互に繰り返される。再生塔２０から還流する吸収液Ａ２は、熱交換器２４を経た後に、更にタンク３０において温度が低下し、タンク３０の圧力によって吸収液の冷却温度を制御できるので、吸収塔１０の適正温度近くまで冷却することが容易であり、二酸化炭素を吸収し易い状態で吸収塔１０に投入される。尚、タンク３０，４０から吸収塔１０へ還流される吸収液は、タンク３０，４０において水分を失っているが、その量は僅かである。タンク４０から吸収塔１０の下段へ還流される吸収液の濃度は若干増加するが、これは、二酸化炭素を吸収する上でむしろ有利となる。

上記構成において、再生塔２０で吸収液の再生に使用する熱エネルギーは、熱交換器２４による交換回収熱、及び、水蒸気供給システムによる回収余熱及び回収反応熱と、圧縮装置等の駆動で消費される動力エネルギーとから得られるので、本発明における二酸化炭素の回収処理に必要なエネルギーは、回収装置の外部から供給する熱エネルギーから、圧縮装置等の駆動で消費される動力エネルギーに置き換えることができ、エネルギー量も低減可能である。

水蒸気供給システムの２つの水蒸気発生装置のうちの一方を省略してもよいが、この場合に吸収液の再生を効率的に行うには、減少する回収熱分の熱エネルギーを補充するために再生塔２０の底部にリボイラー等を付設するとよい。具体的には、吸収液を加熱するために再生塔２０外にスチームヒーターを設けて、底部の吸収液Ａ２をスチームヒーターとの熱交換によって加熱可能なように循環路を通じて循環させる。

図２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第２の実施形態を示す。この回収装置２は、第１の実施形態における水蒸気供給システムの２つの水蒸気発生装置２２Ａ’，２２Ｂ’で発生する水蒸気の圧縮を纏めて１つのルートで行い、圧縮工程を直列に配列される複数の圧縮装置で段階的に行う多段型に構成している。又、再生塔２０から排出される回収ガスからも熱回収するように変更している。

詳細には、先ず、吸収液の還流路１７における水蒸気発生装置２２Ａ’のタンク３０で発生する水蒸気を、吸収塔１０に付設される水蒸気発生装置２２Ｂ’のタンク４０で発生する水蒸気と共に１つの圧縮装置３１’によって圧縮するように、タンク４０の頂部と圧縮装置３１’とを流路４５’で接続している。圧縮装置３１’によって圧縮された水蒸気を更に圧縮するための圧縮装置５１が流路３４’に設けられ、圧縮後の高温の水蒸気をある程度冷却するための熱交換器５２，５３が圧縮装置３１’、５１の下流側に各々配設される。又、熱交換器５２による冷却が不充分な場合に更に冷却する冷却器５４が必要に応じて付設される。熱交換器５２，５３は、還流路１７から分岐して再生塔２０に接続される流路５５の吸収液と熱交換するように構成され、再生塔２０の吸収液Ａ２の一部は、還流路１７から分流して熱交換器５２，５３と順次熱交換して加熱された後に再生塔２０に戻る。従って、水蒸気の熱の一部が再生塔２０の吸収液Ａ２に供給される。この実施形態では２段階の圧縮を行っているが、３段階以上の圧縮に構成しても良い。

更に、再生塔２０から排出される回収ガスの熱を水蒸気発生装置２２Ｂ’の吸収液を用いて回収するための熱交換器６０と、熱交換器６０にタンク４０の吸収液を供給するための流路６１及びポンプ６２とが設けられており、流路６１は、タンク４０の底部から吸収液を吸収塔１０に還流する流路４６から分岐して、熱交換器６０を介してタンク４０の中部と接続される。従って、タンク４０の吸収液の一部は、ポンプ６２によって、流路４６から流路６１に分流され、熱交換器６０において再生塔２０からの回収ガスを冷却し、温度上昇した後、或いは、一部蒸気となった後に、タンク４０に還流される。これにより、冷却器２７は、主として水分凝集の確度を高めるために利用することができる。

例えば、７〜２０ｋＰａ程度の圧力のタンク３０，４０の水蒸気は、圧縮装置３１’において２００℃程度の温度に上昇し、熱交換器５２において、再生塔２０の９０〜１３０℃近辺の吸収液Ａ２と熱交換して吸収液Ａ２よりも５〜２０℃程度高い温度に低下し、必要に応じて冷却器５４によって１００℃以下に冷却される。更に、圧縮装置５１によって吸収液の温度は再度２００℃程度に上昇し、必要に応じて熱交換器５３によって吸収液Ａ２よりも５〜２０℃程度高い温度に低下して再生塔２０と同等の圧力で再生塔２０に供給される。

吸収塔１０に還流される６０℃程度以下の吸収液は、吸収反応で温度上昇し、調整弁４２を介してタンク４０に供給されると、７〜２０ｋＰａ程度の圧力に減圧され、６０℃程度以下の温度で一部は熱交換器６０へ供給され、残部は吸収塔１０に戻される。再生塔２０から排出される６０〜１００℃程度の回収ガスは、熱交換器６０及び冷却器２７を経て５０℃以下に冷却され、タンク４０から分流される６０℃以下の吸収液は、熱交換器６０を経てタンク４０に還流される。

水蒸気の圧縮を段階的に行うように構成すると、水蒸気温度を低下させて過熱を防止する機能と、再生塔２０の吸収液の温度を高める機能とを付加することができ、従って、再生塔へ供給する水蒸気の温度調整及び水蒸気熱の回収再利用が容易になる。又、比較的耐熱性が低い圧縮装置を利用する場合や、所望の水蒸気を供給するためにタンクをより低い圧力に減圧する必要がある場合に有用である。更に、圧縮を多段階に分けて行う場合、圧縮装置が消費する電力の合計は、同じ圧縮を１段階で行う場合と比べて少なくなるので、エネルギー効率が向上する。

図２の回収装置２において、回収装置２を構成する圧縮装置等の要素に求められる要件は、図１の装置１と同様であり、上記の点以外は、図１の回収装置１と同様に構成されているので、説明は省略する。

本発明において、図２の回収装置２の構成の一部を図１の回収装置１に組み込んでもよく、例えば、図１の水蒸気発生装置２２Ａ，２２Ｂの少なくとも一方を複数の圧縮装置を用いた多段階圧縮に構成したり、水蒸気発生装置２２Ａ，２２Ｂにおいて発生する水蒸気を単一の圧縮装置で一緒に圧縮するように構成できる。又、水蒸気発生装置２２Ｂにおいて再生塔２０から排出される回収ガスの回収熱を利用するように構成できる。

尚、上述の構成においては、各水蒸気発生装置２２Ａ，２２Ａ’，２２Ｂ、２２Ｂ’の水蒸気の発生について、水蒸気を多段階に発生するように構成することも可能であり、例えば、１段目のタンクの水蒸気発生後に排出される吸収液を、調整弁を介して２段目のタンクに導入し、２段目のタンクで発生する水蒸気を２段目の圧縮装置で圧縮した後に１段目の圧縮装置において１段目のタンクの水蒸気と共に圧縮するように構成することによって、２段階の発生及び圧縮が可能となる。同様にして３段階以上の構成も可能である。又、本発明の実施形態における吸収塔及び再生塔について、充填材を備える充填塔として記載しているが、多数の棚段を設けて接触面積を増加させる棚段塔などを含む他の方式のものに変更してもよい。

二酸化炭素の回収に必要なエネルギーは、二酸化炭素を吸収した吸収液の再生（二酸化炭素の放出）に要する熱エネルギーであり、再生する吸収液への水蒸気供給の有無による差を評価するためにシミュレーションによって算出すると、吸収液が３０質量％ＭＥＡ水溶液の場合、再生熱は３．９ＧＪ／ｔ-ＣＯ_２程度となる。本発明では、この再生熱の一部として、水蒸気に含まれる回収熱が利用され、外部から供給するエネルギー（圧縮装置等の駆動エネルギー）は更に削減可能である。図２の回収装置において同様のシミュレーションを行ったところ、回収装置外部から供給する熱エネルギーは、圧縮装置等を駆動する電気エネルギーに全て置き換えることができ、その電力量は１．１ＧＪ／ｔ-ＣＯ_２程度となった。

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おいて利用して、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。二酸化炭素の回収処理に要する費用が削減され、省エネルギー及び環境保護に貢献可能な二酸化炭素の回収装置を提供できる。

１，２：回収装置、 １０：吸収塔、 ２０：再生塔、 ３０，４０：減圧タンク、
２２Ａ，２２Ａ’，２２Ｂ，２２Ｂ’：水蒸気発生装置、
１１，１１ａ，１１ｂ，２１：充填材、
１２，１５，２３，２９，４４，６２：ポンプ、 １３：冷却凝縮部、
１４，２７，５４：冷却器、 １６：供給路、 １７：還流路、
３４，３４’，４５，４５’，４６，５５，６１：流路、
２４，５２，５３：熱交換器、 ２６：凝縮部、 ２８：気液分離器、
３２，４２：調整弁、 ３１，３１’，４１，５１：圧縮装置、 ５０：液溜り
Ｇ，Ｇ’：ガス、 Ａ１，Ａ２：吸収液、 Ｃ：回収二酸化炭素

Claims (14)

1. 二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、
   前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記吸収液から二酸化炭素を放出させて吸収液を再生するための再生塔と、
   前記吸収液が前記吸収塔から前記再生塔を経て前記吸収塔に還流するように前記吸収液を循環させる循環システムと、
   前記循環システムによって前記吸収塔に還流される吸収液、及び、前記吸収塔内の吸収液の各々を用いて、吸収液を再生する熱源として使用可能な水蒸気を発生させて前記再生塔に供給する水蒸気供給システムと
   を有する二酸化炭素の回収装置。
2. 前記循環システムは、前記吸収塔から前記再生塔へ供給される吸収液と、前記再生塔から前記吸収塔に還流される吸収液との間で熱交換する熱交換器を有し、前記水蒸気供給システムは、前記熱交換器による熱交換を経て前記吸収塔に還流される吸収液から前記水蒸気を発生させる水蒸気発生装置を有する請求項１に記載の二酸化炭素の回収装置。
3. 前記水蒸気供給システムは、前記吸収塔に還流される吸収液から前記水蒸気を発生させる第１の水蒸気発生装置と、前記吸収塔内の吸収液から前記水蒸気を発生させる第２の水蒸気発生装置とを有する請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
4. 前記水蒸気発生装置は、吸収液を減圧して水蒸気を発生させるタンクと、前記タンクで発生した水蒸気を圧縮して温度を吸収液の再生温度より高くする圧縮装置とを有し、前記タンクにおける水蒸気の発生によって吸収液の温度は低下する請求項２又は３に記載の二酸化炭素の回収装置。
5. 前記水蒸気供給システムは、前記吸収塔に還流される吸収液、及び、前記吸収塔内の吸収液の各々から水蒸気を発生させる２つのタンクと、前記２つのタンクで発生する両方の水蒸気を共に圧縮する圧縮装置とを有する請求項３又は４に記載の二酸化炭素の回収装置。
6. 前記圧縮装置を複数有し、前記水蒸気を段階的に圧縮するように構成される請求項４又は５に記載の二酸化炭素の回収装置。
7. 更に、前記圧縮装置によって温度が上昇した水蒸気の熱量の一部を、前記再生塔の吸収液との熱交換によって前記再生塔に供給するための熱交換器を有する請求項４〜６の何れか一項に記載の二酸化炭素の回収装置。
8. 二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を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前記吸収液から二酸化炭素を放出させて吸収液を再生するための再生工程と、
   前記吸収液が前記吸収工程から前記再生工程を経て前記吸収工程に還流するように前記吸収液を循環させる循環工程と、
   前記循環工程によって前記吸収工程に還流される吸収液、及び、前記吸収工程中の吸収液の各々を用いて、吸収液を再生する熱源として使用可能な水蒸気を発生させて前記再生工程に供給する水蒸気供給工程と
   を有する二酸化炭素の回収方法。
9. 前記循環工程は、前記吸収工程から前記再生工程へ供給される吸収液と、前記再生工程から前記吸収工程に還流される吸収液との間で熱交換する熱交換工程を有し、前記水蒸気供給工程は、前記熱交換工程の熱交換を経て前記吸収工程に還流される吸収液から前記水蒸気を発生させる水蒸気発生工程を有する請求項８に記載の二酸化炭素の回収方法。
10. 前記水蒸気供給工程は、前記吸収工程に還流される吸収液から前記水蒸気を発生させる第１の水蒸気発生工程と、前記吸収工程中の吸収液から前記水蒸気を発生させる第２の水蒸気発生工程とを有する請求項８又は９に記載の二酸化炭素の回収方法。
11. 前記水蒸気発生工程は、吸収液を減圧して水蒸気を発生させる減圧工程と、前記減圧工程で発生した水蒸気を圧縮して温度を吸収液の再生温度より高くする圧縮工程とを有し、前記減圧工程における水蒸気の発生によって吸収液の温度は低下する請求項９又は１０に記載の二酸化炭素の回収方法。
12. 前記水蒸気供給工程は、前記吸収工程に還流される吸収液、及び、前記吸収工程中の吸収液の各々から水蒸気を発生させる２つの減圧工程と、前記２つの減圧工程で発生する両方の水蒸気を共に圧縮する圧縮工程とを有する請求項１０又は１１に記載の二酸化炭素の回収方法。
13. 前記圧縮工程を複数有して、前記水蒸気を段階的に圧縮する請求項１１又は１２に記載の二酸化炭素の回収方法。
14. 更に、前記圧縮工程によって温度が上昇した水蒸気の熱量の一部を、前記再生工程の吸収液との熱交換によって前記再生工程に供給するための熱交換工程を有する請求項１１〜１３の何れか一項に記載の二酸化炭素の回収方法。

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