JP5686987B2 - 二酸化炭素化学吸収設備を備えた排ガス処理システム - Google Patents

Description

本発明は、二酸化炭素化学吸収設備を備えた排ガス処理システムに係り、特に排ガスから回収された熱を二酸化炭素（CO₂）化学吸収設備で有効に利用する排ガス処理システムに関する。

一般に、石炭焚きボイラ等から排出される排ガス中には窒素酸化物、硫黄酸化物および煤塵その他重金属などが含まれているため、前記石炭焚きボイラ等の下流側に排煙処理装置を設置し、排ガス中の前記有害物質を除去した後、クリーンなガスとして大気に放出している。

図４は、従来の排煙処理システムの一例を示す説明図である。ボイラ１から排出される燃焼排ガスは脱硝装置２で窒素酸化物を除去した後、空気予熱器３で熱交換され、例えば120〜170℃に冷却される。空気予熱器３を通過した排ガスは熱回収器４で熱媒により熱を奪われ、例えば75℃〜110℃に冷却された後、集塵装置５で排ガス中の煤塵が除去され、さらに誘引ファン６で昇圧された後、湿式脱硫装置７で硫黄酸化物が除去される。前記湿式排煙脱硫装置を通過した排ガスは、通常、40〜60℃程度まで温度が低下して水分飽和状態となっており、この排ガスをそのまま煙突から大気中へ放出すると、白煙が発生するため、再加熱器１８で露点以上に昇温され、脱硫ファン１０を介して煙突１１から排出される。この場合、熱回収器４と再加熱器１８の間には、伝熱管による熱媒循環ライン１２が設けられ、熱媒循環ポンプ１３により熱回収器４と再加熱器１８との間に伝熱管を介して熱媒が循環されるようになっている。このシステムによれば、熱回収器４で排ガス温度を低減し、排ガス中の灰にSO₃や重金属を吸着させ、集塵装置５で灰と共に除去することができ、また熱回収器４で回収された熱は、煙突１１からの白煙防止のため、湿式脱硫装置７出口の水分飽和ガスの再加熱に利用することができる特許文献１。

一方、CO₂排出量削減を目的として、近年、排煙処理システムにCO₂回収設備を設置することが計画され、研究開発が進められている。CO₂回収設備の１つとして、アルカノールアミン等のようなアミン化合物の水溶液を吸収液としてCO₂を回収するCO₂化学吸収設備が提案されている例えば、特許文献２。図５は、従来のアミン吸収液によるCO₂化学吸収設備の一例を示す説明図である。ブロワ８によって昇圧された排ガスは吸収塔２５の下部に導入され、吸収塔充填層４０において上部の吸収塔アミン供給配管４１から供給されるアミン吸収液との接触によりCO₂が除去された後、吸収塔水洗部４２で水洗水循環ライン４５から供給される水洗水により洗浄され、同時にガスに同伴される吸収液のミストが除去され、脱CO₂ガス２７として外部に排出される。吸収塔水洗部４２を流下した水洗水は、吸収塔水洗ポンプ４３により吸収塔外に抜き出され、冷却器４４を経由した後、水洗水循環ライン４５を経て吸収塔に循環される。一方、CO₂を吸収したアミン吸収液は、吸収塔２５の底部に溜められた後、吸収液循環ポンプ２８ａによりアミン熱交換器４６に導入され、例えば40℃から100℃に昇温された後、再生塔アミン供給配管４７から再生塔２６に導入される。再生塔２６では、再生塔アミン供給配管４７より供給されたCO₂をリッチに含むアミン吸収液が再生塔充填層４８に供給される。一方、充填層４８下部には、リボイラ３０から再生塔供給蒸気配管３３を通って蒸気が供給される。再生塔充填層４８では、CO₂をリッチに含むアミン吸収液が蒸気と気液接触することにより、CO₂が気相中に脱離する。脱離したCO₂ガスは上部の再生塔水洗部４９で同伴するアミン吸収液のミストが除去される。再生塔出口ガス５１は、再生塔冷却器５２にて40℃に冷却され、凝縮した水ドレンがドラム５３により分離され、再生塔水洗水ポンプ５４により再生塔水洗部の洗浄水５０として再生塔２６に供給される。一方、CO₂を脱離したCO₂リーン吸収液は再生塔下部のトレイ５５に一度溜められた後、リボイラ給液配管３５を通り、リボイラ３０下部よりリボイラ内に供給される。リボイラ３０には図に示していない伝熱管が設けられており、スチーム３２が伝熱管を通ることにより、吸収液が例えば120℃〜140℃に加熱される。加熱された吸収液は蒸気を発生し、この蒸気は再生塔供給蒸気３３として再生塔２６に供給される。また、リボイラ３０には仕切板５６が設けられており、該仕切板５６をオーバーフローした液は、再生塔給液配管５７を通って再生塔２６の底部に溜められ、アミン吸収液循環ポンプ２８ｂにより抜き出され、アミン熱交換器４６により、例えば40℃程度に減温された後、吸収塔アミン供給配管４１を通り、吸収塔充填層４０に供給される。

上記のようなアミン吸収液によるCO₂化学吸収法は、スチームなどの莫大な熱を必要とし、運転コストが非常に大きくなることが懸念され、そのため、CO₂化学吸収設備に必要な熱を低減する手段として、ボイラ装置で熱回収した熱や加熱媒体を利用し、再生塔から吸収塔へ供給するアミン吸収液を予熱する方法が提案されている例えば、特許文献３および４。

再公表特許 WO2004/023040 特開2002-126439 特許第3486220号 特開2004-292298

上記アミン吸収液によるCO₂化学吸収設備においては、アミン吸収液の再生に莫大な熱エネルギーが必要であり、運転コストが著しく大きくなるという課題がある。これを解決するため、前述のようにボイラ排ガスの熱や加熱媒体を利用し、再生塔に供給するアミン吸収液を加熱させる方法が知られているが、本発明者らの知見によれば、CO₂吸収塔から抜出したアミン吸収液を昇温し過ぎると、再生塔内でアミン吸収液が下部タンクまで落下せず、循環が困難になる現象を生じ、このため、熱の供給が制限され、ボイラ排ガスから回収した熱を効率的に利用できなくなるという問題があることが判った。

本発明の課題は、膨大な熱エネルギーが必要なCO₂化学吸収設備において、排ガスから回収した熱をCO₂化学吸収設備で何ら制限なく、効率的に利用し、CO₂化学吸収設備の運転コストを低減することができる排ガス処理システムを提供することにある。

上記課題を達成するため、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）ボイラから排出される排ガスから排熱を回収する熱回収器と、排ガスを二酸化炭素（CO₂）吸収塔内でアミン吸収液と接触させて排ガス中のCO₂を吸収し、該CO₂を吸収した吸収液を加熱してCO₂再生塔内でCO₂を放出させ、CO₂放出後の吸収液をリボイラを介して昇温したのち、CO₂吸収塔に循環するCO₂化学吸収設備とを備えた排ガス処理システムであって、前記熱回収器で回収する熱を、前記CO₂化学吸収設備のCO₂再生塔からリボイラへ送られる吸収液に与える熱交換手段を有していることを特徴とするCO₂化学吸収設備を備えた排ガス処理システム。
（２）前記熱交換手段は、CO₂再生塔からリボイラへ送られる吸収液配管に設けられる熱交換器と、該熱交換器と前記ボイラの熱回収器とを連通する熱媒の循環手段とを有する（１）に記載のシステム。
（３）前記CO₂再生塔からリボイラへ送られる吸収液を前記熱回収器で熱交換した後、リボイラに送るように吸収液配管を構成し、熱回収器で回収する熱を前記CO₂化学吸収設備のCO₂再生塔からリボイラへ送られる吸収液に与えることを特徴とする（１）に記載のシステム。

本発明によれば、ボイラから排出される排ガスの熱を回収する熱回収器を設け、その熱をアミン吸収液によるCO₂化学吸収設備へ供給し、再生塔からリボイラへ供給する再生用アミン吸収液の予熱用熱源として利用することにより、再生用アミン吸収液の温度が上昇し、リボイラへ供給するスチーム量を低減することができる。また上記熱源をCO₂吸収塔から抜出したアミン吸収液の加熱用として用いないため、再生塔内で吸収液が落下せず、液の循環が困難になる問題は生じない。リボイラでは、排ガスから回収した熱エネルギーを大幅に上回るエネルギーを必要とするため、予熱用に回収熱供給する上で制限が生じない。これにより、従来よりも熱効率の高い排ガス処理システムを構成することが可能となる。

本発明の実施例のCO₂化学吸収設備を設けた排ガス処理システムの説明図。 本発明の他の実施例のCO₂化学吸収設備を設けた排ガス処理システムの説明図。 本発明の比較例のCO₂化学吸収設備を設けた排ガス処理システムの説明図。 従来の排ガス処理システムの説明図。 従来のアミン吸収液によるCO₂化学吸収設備の説明図。

本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例において排煙処理システムとして、脱硝装置２、空気予熱器３、集塵装置５、誘引ファン６、湿式脱硫装置７、ブロワ８を備えたものを示しているが、必ずしもそれら全ての装置および配列は必須ではなく、ファンやブロワは排ガス流路上に加除されてもよく、一部の装置がバイパスされる系統を有するものでもよい。また装置の形式についても特に限定されず、例えば、湿式脱硫装置については、乾式脱硫装置等、他の形式に代えてもよい。

図１は、本発明の排ガス処理システムの一実施例を示す説明図である。図４、５に示す従来のシステムと異なる点は、リボイラ３０の給液配管３５に熱媒ヒータ３６を設け、ボイラ１の空気予熱器３出口の熱回収器４と、上記熱媒ヒータ３６との間に、熱媒が通る伝熱管が構成される熱媒循環ライン高温側１２ａ、熱媒循環ライン低温側１２ｂ、および熱媒循環ポンプ１３を設け、熱回収器４と熱媒ヒータ３６の間に伝熱管を介して熱媒を循環させるようにした点である。

このようなシステムにおいて、ボイラ１からの排ガスは脱硝装置２に導入され、窒素酸化物が除去された後、空気予熱器３でボイラ１で使用される燃焼用空気が排ガスにより加熱される。次いで空気予熱器３から排出された排ガスは熱回収器４に導入され、熱回収器内を循環している熱媒により熱を回収され、冷却される。熱回収器４から排出された排ガス中の煤塵は集塵装置５で捕集され、集塵装置５から排出された排ガスは誘引ファン６で昇圧され、湿式脱硫装置７に導入される。湿式脱硫装置７で硫黄酸化物が除去された後、排ガスはブロワ８で昇圧され、CO₂化学吸収設備に送られる。すなわち、ブロワ８によって昇圧された排ガスはCO₂化学吸収設備の吸収塔２５の下部に導入され、吸収塔充填層４０において上部の吸収塔アミン供給配管から供給されるアミン吸収液との接触によりCO₂が除去された後、吸収塔水洗部４２で水洗水循環ライン４５から供給される水洗水により洗浄され、さらにガスに同伴される吸収液のミストが除去され、脱CO₂ガス２７としてファン１０により煙突１１から排出される。吸収塔水洗部４２には、吸収塔水洗ポンプ４３によって水洗水が循環される。一方、CO₂を吸収したアミン吸収液は吸収塔２５の底部に溜められた後、吸収液循環ポンプ２８ａによりアミン熱交換器４６に導入され、例えば40℃から100℃に昇温された後、再生塔アミン供給配管４７から再生塔２６に導入される。再生塔２６では、再生塔アミン供給配管４７より供給されたCO₂をリッチに含むアミン吸収液が再生塔充填層４８に供給される。一方、再生塔充填層４８下部には、リボイラ３０から再生塔供給蒸気配管３３を通って蒸気が供給される。再生塔充填層４８では、CO₂をリッチに含むアミン吸収液が蒸気と気液接触することにより、CO₂が気相中に脱離する。脱離したCO₂ガスは、再生塔上部の水洗部４９で同伴するアミン吸収液のミストが除去される。再生塔出口ガス５１は再生塔冷却器５２で、例えば40℃に冷却され、凝縮した水ドレンがドラム５３で分離された後、再生塔水洗水ポンプ５４により再生塔水洗部４９の洗浄水として供給される。一方、CO₂を脱離したCO₂リーン吸収液は、再生塔下部のトレイ５５に一度溜められた後、リボイラ給液配管３５を通り、リボイラ下部よりリボイラ３０内部に供給される。リボイラ３０には、図に示していない伝熱管が設けられており、スチーム３２が伝熱管を通ることにより、吸収液が、例えば120℃〜140℃に加熱される。加熱された吸収液は蒸気を発生し、蒸気は再生塔供給蒸気３３として再生塔に供給される。リボイラ３０には仕切板５６が設けられており、仕切板をオーバーフローした液は再生塔給液配管５７を通って再生塔２６の底部に溜められ、アミン吸収液循環ポンプ２８ｂにより抜き出され、アミン熱交換器４６により、例えば40℃程度に減温された後、吸収塔アミン供給配管４１を通り、吸収塔充填層４０に供給される。

本実施例では、リボイラ給液配管３５に設けられた熱媒ヒータ３６と熱回収器４との間を熱媒循環ライン１２ａ、ｂを通って熱媒循環ポンプ１３により熱媒が循環され、熱回収器４で熱交換して温度上昇した熱媒により、リボイラ給液配管３５を通る再生アミン液が加熱される。このようにリボイラ３０に供給する再生アミン吸収液３５を熱回収器４の熱を回収した熱媒を使用して予熱することにより、リボイラ３０に必要なスチーム量を低減することが可能となり、運転コストが低減できる。

本発明の他の実施例を図２に示す。図２の基本構成は図１と同様であるが、図２では、ボイラ１からの排ガスで熱回収する熱回収器４に、再生塔２６の下部に設けたトレイ５５に溜められた吸収液が熱媒循環ライン低温側１２ｂに設けた再生用アミン吸収液循環ポンプ１５により熱回収器４に送られ、熱回収して高温になった吸収液が熱媒循環ライン１２ａを介してリボイラ３０に送液される構成となっている。この実施例によれば、リボイラ３０に供給する再生アミン吸収液３５を、熱回収器４の熱を使用して直接予熱することにより、リボイラ３０に必要なスチーム量を低減することができ、運転コストが低減できると共に、図１のような熱媒ヒータ３６を設ける必要がないので、装置の設置コストも低減できる。
[比較例]
図１および２の実施例に対する比較例を図３に示す。図３のシステムの基本構成は図１および図２と同様であるが、図３では、再生塔２６の塔底から抜き出されたアミン吸収液は循環ポンプ２８ｂにより、ボイラ１からの排ガスで熱回収する熱回収器４を経由した後、アミン液熱交換器４６に送られ、吸収塔２５に供給されるアミン吸収液が予熱される構成となっている。

この構成では、再生塔２６から吸収塔２５に供給するアミン吸収液を昇温し過ぎると、このアミン吸収液で熱交換している吸収塔２５から再生塔２６へ供給するアミン吸収液を90℃から100℃程度の適温に保持することができず、再生塔２６に供給した高温のアミン吸収液は下部タンクへ落下せず、循環が困難になるといった現象が発生することから、熱回収器４でのアミン吸収液の予熱に制限を設ける必要があり、ボイラ排ガスからの熱を効率的に利用できないという不都合を生じる。

しかし、本発明の図１、図２の実施例では、再生塔２６からリボイラ３０に供給する再生アミン吸収液３５を予熱することから、再生塔２６に供給するアミン吸収液の温度に影響を与えないため、熱回収器４でのアミン吸収液の予熱に制限を設ける必要がなく、ボイラ排ガスからの熱を効率的に利用することができる。

本発明によれば、排ガスからの回収熱をCO₂回収設備およびシステムに効率的に利用することが可能となるため、C O₂回収に必要な莫大な熱エネルギーを削減することができ、運用コストを削減することが可能である。

１‥ボイラ、２‥脱硝装置、３‥空気予熱器、４‥熱回収器、５‥集塵装置、６‥誘引ファン、７‥湿式脱硫装置、１２a‥熱媒循環ライン（高温側）、１２ｂ‥ 熱媒循環ライン（低温側）、１５‥再生用アミン吸収液循環ポンプ、２５‥吸収塔、２６‥再生塔、３０‥リボイラ、３６‥熱媒ヒータ、４６‥アミン熱交換器、５７‥再生塔給液配管

Claims (3)

1. ボイラから排出される排ガスから排熱を回収する熱回収器と、
   排ガスをアミン吸収液と接触させて排ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアミン吸収液に吸収させるCO ₂ 吸収塔と、
   該CO₂を吸収したアミン吸収液を加熱してCO₂を放出させるCO ₂ 再生塔と、
   CO₂放出後のアミン吸収液を昇温するスチーム加熱式リボイラと、
   CO ₂ 放出後のアミン吸収液をCO₂吸収塔に循環させる手段と、
   前記熱回収器で回収された熱を、CO₂再生塔からスチーム加熱式リボイラへ送られるアミン吸収液に与える熱交換手段と
   を有する、CO₂化学吸収設備を備えた排ガス処理システム。
2. 前記熱交換手段は、
   アミン吸収液を前記CO₂再生塔からスチーム加熱式リボイラへ送るための配管に設けられる熱交換器と、
   該熱交換器と前記熱回収器とを連通する熱媒の循環手段と
   を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記熱交換手段は、
   アミン吸収液を、前記CO₂再生塔から前記熱回収器へ送って熱交換させ、次いで該熱回収器からスチーム加熱式リボイラへ送るための配管
   を有する、請求項１に記載のシステム。

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