JP5968450B2 - Ｃｏ２回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸収液にＣＯ_２を吸収させて排ガスに含まれるＣＯ_２を除去し、かつ、ＣＯ_２を吸収した吸収液からＣＯ_２を放出させつつ吸収液を再生するＣＯ_２回収装置に関するものである。

ＣＯ_２回収装置は、火力発電所等で化石燃料を燃焼したときに発生する二酸化炭素（ＣＯ_２）を回収する。ＣＯ_２回収装置は、アミン化合物の水溶液（以下「吸収液」という。）をボイラから排出された燃焼排ガスと接触させ、燃焼排ガスに含まれるＣＯ_２を除去し、大気に放出することなく貯蔵する。
ＣＯ_２回収装置は、燃焼排ガスと吸収液を接触させる吸収塔と、ＣＯ_２を吸収した吸収液を加熱し、ＣＯ_２を放出すると共に、吸収液を再生する再生塔とを備える。再生された吸収液は、吸収塔に搬送されて、再使用される。

日本国特開２００７−２８４２７３号公報（段落［００３６］〜［００３９］など）

ＣＯ_２回収装置の再生塔には、ＣＯ_２が吸収された吸収液（以下「リッチ吸収液」という。）を降下させる液分散部と、液分散部から降下する吸収液を蒸気と対向流接触させて加熱する充填層と、ＣＯ_２が除去された吸収液（以下「リーン吸収液」という。）を一部含む吸収液（以下「セミリーン吸収液」という。）を貯留するトレイ部とを有する再生部が内蔵される。

再生部は、再生塔内に複数段（例えば、２段又は３段等）設置される場合がある。上側の再生部のトレイ部に貯留された吸収液は、熱交換器を通過して加熱された後、下側の再生部に液分散部を介して供給される。これにより、吸収液を効率良く再生させることができる。特許文献１では、再生塔内で充填層が３段で構成され、例えば、再生塔内でＣＯ_２を一部除去したセミリーン溶液を再生塔の上流側から抜き出して下流側に戻す還流ラインが設けられ、還流ライン中のセミリーン溶液を加熱する熱交換器を備えることが記載されている。

従来、上側の再生部のトレイ部に貯留された吸収液を下側の再生部に搬送する際、ポンプによる昇圧や、流量調整弁による流量の調節を行っていた。しかし、この場合、ポンプや流量調整弁の設置するため、ＣＯ_２回収装置の構成が複雑になり設備費がかかる上に、動力（ポンプの駆動）による電力消費によってコストも上昇する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、再生部の吸収液の搬送において、設備費を低減しつつ、動力を低減することが可能なＣＯ_２回収装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のＣＯ_２回収装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るＣＯ_２回収装置は、排ガス中のＣＯ_２を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔においてＣＯ_２を吸収した吸収液からＣＯ_２を放出させる再生塔とを有し、前記再生塔でＣＯ_２を放出した吸収液を前記吸収塔で再使用するＣＯ_２回収装置であって、前記再生塔は、前記吸収液を貯留するトレイ部を有する第１再生部と、前記第１再生部の下方に設けられ、前記吸収液を供給する液分散部を有する第２再生部と、前記トレイ部と前記液分散部を結び、前記トレイ部に貯留された前記吸収液を前記液分散部に供給する供給管とを備え、前記供給管は、前記吸収液を加熱する加熱部が設けられ、前記加熱部の前流の前記吸収液及び後流の前記吸収液の密度差を駆動力として前記吸収液を循環させる。

この構成によれば、再生塔に第１再生部と第２再生部が高さ方向に連なって設けられており、吸収液は、供給管を通じて、第１再生部の下部に設置されたトレイ部から第２再生部の上部に設置された液分散部に導かれる。供給管を通過する吸収液は、加熱部で加熱されることから、吸収液中の一部のＣＯ_２がガス状となり、加熱部の前後で密度差が生じ、サーモサイホン効果が得られる。その結果、加熱部で圧力損失が生じたり、又は、高い位置にある配管に吸収液を搬送したりするなどして水頭差がある場合でも、ポンプ等の圧送装置を設けることなく吸収液を供給できる。加熱部は、例えば熱交換器である。

上記発明において、前記供給管には、前記吸収液を圧送する圧送装置又は前記吸収液の流量を制御する制御部を設けないことが好ましい。この構成によれば、熱回収システムの構成が単純化し、設備費がかからず、動力（ポンプの駆動）による電力消費も低減する。

上記発明において、前記第２再生部の液分散部に対する前記配管及び前記加熱部における圧力損失で発生する水頭差が、前記トレイ部と前記液分散部との高さの差以上でもよい。

液分散部に対する配管及び加熱部における圧力損失で発生する水頭差が、トレイ部と液分散部との高さの差よりも小さい場合、吸収液は、高低差によって、配管を通じて、トレイ部から液分散部に導かれる。一方、液分散部に対する配管及び加熱部における圧力損失で発生する水頭差が、トレイ部と液分散部との高さの差以上であるとき、吸収液が加熱部によって加熱されていない場合、高低差では、吸収液をトレイ部から液分散部に導くことはできない。この構成によれば、供給管を通過する吸収液は、加熱部によって吸収液中の一部のＣＯ_２がガス状となり、加熱部の前後で密度差が生じ、サーモサイホン効果が得られることから、液分散部に対する配管及び加熱部における圧力損失で発生する水頭差が、トレイ部と液分散部との高さの差以上であっても、ポンプ等の圧送装置を設けることなく、液分散部に吸収液を供給できる。

上記発明において、前記加熱部で前記吸収液から発生したガス状のＣＯ_２及び水蒸気によって、前記吸収液の循環の駆動力を生じさせてもよい。
この構成によれば、吸収液の循環の駆動力は、加熱部で吸収液から発生したガス状のＣＯ_２及び水蒸気によって生じる。

上記発明において、前記供給管は、ガスが溜まる区間を有さないことが望ましい。
この構成によれば、供給管にはガスが溜まる区間が設けられないことから、吸収液は、溜まったガスによって妨げられることなく、トレイ部から液分散部までスムーズに導かれる。

本発明によれば、供給管を通過する吸収液は、加熱部で加熱される際、吸収液中の一部のＣＯ_２がガス状となり、加熱部の前後で密度差が生じ、サーモサイホン効果が得られる。その結果、吸収液を圧送する圧送装置が設けられることなく、吸収液を搬送することができるため、設備費を低減しつつ、動力を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るＣＯ_２回収装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るＣＯ_２回収装置の再生塔を示す概略図である。 従来のＣＯ_２回収装置の再生塔を示す概略図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るＣＯ_２（二酸化炭素）回収装置１について、図面を参照して説明する。
まず、本実施形態に係るＣＯ２回収装置の構成及び動作について、図２を参照して説明する。
ＣＯ_２回収装置１は、火力発電所等で化石燃料を燃焼したときに発生する二酸化炭素（ＣＯ_２）を回収する。ＣＯ_２回収装置１は、アミン化合物の水溶液（以下「吸収液」という。）をボイラやガスタービン（図示せず。）等から排出された排ガス６０と接触させ、排ガス６０に含まれるＣＯ_２を除去し、大気に放出することなく貯蔵する。
ＣＯ_２回収装置１は、排ガス６０と吸収液を接触させる吸収塔４と、ＣＯ_２を吸収した吸収液を加熱し、ＣＯ_２を放出すると共に、吸収液を再生する再生塔７とを備える。再生された吸収液は、吸収塔４に搬送されて、再使用される。

ＣＯ_２回収装置１では、例えば火力発電所等に設置されたボイラやガスタービン（図示せず。）等から排出されたＣＯ_２を含有する排ガス６０が、ブロワ（図示せず。）によって冷却塔２へと供給されている。冷却塔２へと供給された排ガス６０は、循環冷却水６１によって冷却される。排ガス６０を冷却するのに用いられた循環冷却水６１は、ポンプ３１によって、冷却器３２を通り再び冷却塔２へと供給されて塔内で噴射されている。なお、冷却器３２では、冷却塔２へと供給される循環冷却水６１を冷やすための冷却水６２が用いられる。

冷却されたＣＯ_２を含有する排ガス６０は、排ガスライン３を介して吸収塔４の下部に供給される。吸収液は、吸収塔４の上部から供給されて下部の充填層２０へと供給されている。吸収塔４において、吸収液は、充填層２０を通過する間に排ガス６０と対向流接触される。これによって、排ガス６０中のＣＯ_２は、吸収液に吸収され、排ガス６０からＣＯ_２が除去される。ここで、ＣＯ_２が除去された排ガス６０を浄化ガス５０という。この、ＣＯ_２が除去された浄化ガス５０は、吸収塔４の塔頂部４ａから排出される。

吸収液にＣＯ_２が吸収されることによって、吸収液は発熱して液温が上昇するため、浄化ガス５０には水蒸気等が含まれ得る。浄化ガス５０中の水蒸気は、吸収塔４上部の充填層２０上で冷却水と対向流接触で冷却されることで凝縮する。ミストエリミネータ２１は、充填層２０の上方に設けられ、浄化ガス５０中のミストを捕集する。吸収塔４外には、冷却器２２と、凝縮水の一部を冷却器２２と吸収塔４内との間で循環させるポンプ２３とが設けられている。

吸収塔４でＣＯ_２を吸収した吸収液（以下「リッチ吸収液」という。）は、塔底部４ｂに貯溜される。そして、リッチ吸収液は、吸収塔４の塔底部４ｂと再生塔７の上部とを接続する送液ラインＬ_１を介して再生塔７へポンプ６によって供給される。再生塔７内で、リッチ吸収液は、充填層４１へ向けて噴射される。

送液ラインＬ_１には、送液ラインＬ_２との交差部分において、リッチ吸収液と、再生塔７でＣＯ_２が除去された吸収液（以下「リーン吸収液」という。）とを熱交換する熱交換器９が設けられている。熱交換器９において、送液ラインＬ_１を流れるリッチ吸収液は加熱され、送液ラインＬ_２を流れるリーン吸収液は冷却される。

再生塔７において、リッチ吸収液は、充填層４１，４２を通過する間に高温の蒸気と対向流接触し、吸熱反応によってＣＯ_２が放出される。吸収液は、再生塔７の塔底部７ｂに到達するまでに、大部分のＣＯ_２が除去され、リーン吸収液として再生される。再生されたリーン吸収液は、送液ラインＬ_２を通じてポンプ８によって圧送され、熱交換器９と冷却器５を通過して冷却される。これにより、リーン吸収液は、吸収塔４でのＣＯ_２の吸収に適した温度まで充分に冷却される。そして、リーン吸収液は、再び吸収塔４の下段の充填層２０の上部に供給され、再利用される。

ＣＯ_２排出ラインＬ_３は、再生塔７の塔頂部７ａと気液分離器１１とを結ぶ。再生塔７で吸収液から放出されたＣＯ_２は、ＣＯ_２排出ラインＬ_３を通過して、冷却水６２を用いた冷却器１５を介して充分に冷却された後、気液分離器１１へと送られる。気液分離器１１に送られるＣＯ_２は、水分を含んでおり、気液分離器１１にてＣＯ_２と凝縮水とに分離される。水分が分離されたＣＯ_２は、ＣＯ_２圧縮装置（図示せず。）へ供給される。その後、回収されたＣＯ_２は、ＣＯ_２圧縮装置によって圧縮されて、高圧ＣＯ_２となる。気液分離器１１で集められた凝縮水は、ポンプ１２によって再生塔７上部に還流される。還流された凝縮水は、再生塔７内部に設けられた凝縮部４３を冷却する。これにより、再生塔７からの吸収液等の放出が抑制される。

再生塔７の塔底部７ｂには、リーン吸収液を塔外に循環させる循環ラインＬ_４が設けられ、循環ラインＬ_４には、リボイラ３０が設置される。リボイラ３０は、蒸気管３３によって供給される高温蒸気によって、リーン吸収液を加熱する。塔底部７ｂの吸収液の一部は、循環ラインＬ_４を介してリボイラ３０に供給され、高温蒸気との熱交換によって加熱された後、再生塔７内へ還流される。この加熱によって、塔底部７ｂの吸収液からＣＯ_２が放出される。また、再生塔７が高温化することから、充填層４１，４２が間接的に加熱され、吸収液からのＣＯ_２の放出が促進される。

次に、図１を参照して、本実施形態に係るＣＯ_２回収装置１の再生塔７の構成及び動作について説明する。
再生塔７のうち吸収液が加熱されて再生される部分は、上部再生部５１と、下部再生部５２とに分割される。

上部再生部５１は、液分散部４４と、充填層４１と、トレイ部４５とを有する。液分散部４４は、充填層４１の上方に設けられ、リッチ吸収液を充填層４１へ供給する。トレイ部４５は、充填層４１の下方に設けられ、例えば、チムニートレイとシールパンなどからなる。

上部再生部５１の液分散部４４から導入されたリッチ吸収液は、充填層４１を流下している過程で、下方から上昇してくる高温の蒸気と接触して、吸熱反応によってＣＯ_２を放出する。ＣＯ_２が放出された吸収液は、トレイ部４５のチムニートレイ上に落下し、その後シールパンに集められ貯留される。トレイ部４５のシールパンに貯留された吸収液は、供給ラインＬ_５へ供給される。

下部再生部５２は、上部再生部５１と同様に、液分散部４６と、充填層４２と、トレイ部４７とを有する。液分散部４６は、充填層４２の上方に設けられ、供給ラインＬ_５から導入された吸収液を充填層４２へ供給する。トレイ部４７は、充填層４２の下方に設けられ、例えば、チムニートレイとシールパンなどからなる。

下部再生部５２の液分散部４６から導入されたセミリーン吸収液は、充填層４２を流下している過程で、下方から上昇してくる高温の蒸気と接触して、吸熱反応によってＣＯ_２を放出する。ＣＯ_２が放出された吸収液は、トレイ部４７のチムニートレイ上に落下し、その後シールパンに集められ貯留される。トレイ部４７のシールパンに貯留されたリーン吸収液の一部は、上述した循環ラインＬ_４へ供給される。

循環ラインＬ_４へ供給されたリーン吸収液は、リボイラ３０で加熱された後、再生塔７の下部再生部５２のトレイ部４７よりも下方に導入され、再生塔７の塔底部７ｂに貯留される。また、吸収液は、加熱によって蒸気を発生し、発生した蒸気はトレイ部４７，４５のチムニートレイを通り抜けて、再生塔７内を上昇する。

次に、再生塔７に設けられた吸収液の供給ラインＬ_５について説明する。
供給ラインＬ_５は、一端が上部再生部５１のトレイ部４５に接続され、他端が下部再生部５２の液分散部４６に接続される。供給ラインＬ_５には、熱交換器５３が設置される。熱交換器５３は、加熱源の流体が供給されて、加熱源の流体と供給ラインＬ_５を流れる吸収液とが熱交換する。その結果、供給ラインＬ_５を流れる吸収液が加熱される。熱交換器５３を通過する加熱源の流体には、ＣＯ_２回収装置１におけるリーン吸収液、蒸気凝縮水、排ガス、ＣＯ_２等がある。

供給ラインＬ_５は、上部再生部５１のトレイ部４５との接続口、下部再生部５２の液分散部４６の開口以外は密閉された半密閉空間である。下部再生部５２の液分散部４６は、上部再生部５１のトレイ部４５との接続口よりも低い位置にある。また、供給ラインＬ_５の配管又は熱交換器５３には、トレイ部４５のシールパンに貯留された吸収液の液面よりも高い位置に配置された部分がある。すなわち、下部再生部５２の液分散部４６に対する配管及び熱交換器５３における圧力損失で発生する水頭差が、トレイ部４５と液分散部４６との高さの差以上である。

供給ラインＬ_５では、熱交換器５３によって加熱される部分が、再生塔７側に比べて高温で維持される。上部再生部５１のトレイ部４５のシールパンに貯留された吸収液は、供給ラインＬ_５へ供給され、熱交換器５３にて加熱される。吸収液は、熱交換器５３で温度が上昇すると、ＣＯ_２が一部ガス状となる。したがって、加熱された吸収液は、熱交換器５３を通過する前である加熱前の状態に比べて密度が小さくなり、熱交換器５３を出ると、供給ラインＬ_５内において熱交換器５３よりも高い位置に上昇する。その後、供給ラインＬ_５の管路に従って吸収液は、下部再生部５２の液分散部４６へ供給される。

以上、本実施形態によれば、熱交換器５３で吸収液が加熱され、加熱されることによって吸収液中のＣＯ_２の一部がガス状となり、熱交換器５３の上流側と下流側とで密度差が生じる。したがって、供給ラインＬ_５における配管又は熱交換器５３において、再生塔７の上部再生部５１の抜き出し位置よりも高い部分がある場合でも、供給ラインＬ_５は、ポンプを用いることなく吸収液を高い位置へ供給でき、最終的に再生塔７の下部再生部５２の液分散部４６に吸収液を導入できる。

よって、本実施形態では、図３に示すような従来のＣＯ２回収装置と異なり、吸収液を昇圧するポンプ７１や、昇圧された吸収液の流量を調整する流量調節弁７３が不要となり、設備費や動力による電力量を低減できる。

従来、上部再生部５１のトレイ部４５と下部再生部５２の液分散部４６を結ぶ供給ラインＬ_６において、吸収液を熱交換器７２に通過させ、かつ、吸収液を高い位置にある配管に搬送するためには、圧力損失や水頭を考慮して、ポンプ７１が必要であると考えられていた。ところが、ＣＯ_２回収装置を実運転させたところ、再生塔７の上部再生部５１のトレイ部４５と下部再生部５２の液分散部４６を結ぶ供給ラインは、動力なしで吸収液を搬送できるという知見が得られた。このように動力なしでＣＯ_２を搬送できる理由は、熱交換器５３による加熱によって吸収液中の一部のＣＯ_２がガス状となり、熱交換器５３の前後で密度差が生じ、サーモサイホン効果が得られるためである。そこで、本実施形態では、熱交換器５３を介して上部再生部５１のトレイ部４５から下部再生部５２の液分散部４６に吸収液を供給する際、ポンプ７１を設けることなく、吸収液を供給することとした。

熱交換器５３で加熱された後、供給ラインＬ_５において搬送される吸収液は、ガス状となったＣＯ_２が含まれるため、管路で高さ方向にポケット形状の伸縮曲げ管又はスイベル継手等が形成されていると、ガスが溜まるおそれがある。本実施形態の供給ラインＬ_５では、ガスが溜まる区間を有さないように管路が形成される。例えば、水平方向にポケット形状の管路を形成したり、ポケット形状の管路を形成せずに配管の伸縮を吸収できる構造、又は配管の伸縮の吸収が不要な管路としたりすることで、配管内にガスを溜まらせない。その結果、吸収液は、溜まったガスによって妨げられることなく、トレイ部４５から液分散部４６までスムーズに導かれる。

なお、本実施形態では、再生部が２分割される場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、再生部が上部再生部、中部再生部、下部再生部といったように３分割されてもよいし、４分割以上されてもよい。この場合でも、上述した供給ラインＬ_５は、上下に隣接する再生部間に設置することが可能である。

１ ＣＯ_２回収装置
４ 吸収塔
７ 再生塔
１１ 気液分離器
２０ 充填層
２１ ミストエリミネータ
３０ リボイラ
４１，４２ 充填層
４３ 凝縮部
４４，４６ 液分散部
４５，４７ トレイ部
５１ 上部再生部（第１再生部）
５２ 下部再生部（第２再生部）
５３ 熱交換器（加熱部）
７１ ポンプ
７２ 熱交換器
７３ 流量調節弁
Ｌ_１，Ｌ_２ 送液ライン
Ｌ_３ ＣＯ_２排出ライン
Ｌ_４ 循環ライン
Ｌ_５ 供給ライン（供給管）
Ｌ_６ 供給ライン

Claims (4)

1. 排ガス中のＣＯ_２を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔においてＣＯ_２を吸収した吸収液からＣＯ_２を放出させる再生塔とを有し、前記再生塔でＣＯ_２を放出した吸収液を前記吸収塔で再使用するＣＯ_２回収装置であって、
   前記再生塔は、
   前記吸収液を貯留する第１トレイ部を有する第１再生部と、
   前記第１再生部の下方に設けられ、前記吸収液を供給する液分散部及び前記吸収液を貯留する第２トレイ部を有する第２再生部と、
   前記第１トレイ部と前記液分散部を結び、前記第１トレイ部に貯留された前記吸収液を前記液分散部に供給する第１供給管と、
   前記第２トレイ部と前記第２トレイ部よりも下方部を結び、前記第２トレイ部に貯留された前記吸収液を前記下方部に供給する第２供給管と、
   前記第２供給管に設けられ、前記吸収液を加熱して水蒸気を生成するリボイラと、
   を備え、
   前記第１供給管は、前記吸収液を加熱する加熱部が設けられ、前記加熱部の前流の前記吸収液及び後流の前記吸収液の密度差を駆動力として前記吸収液を循環させ、
   前記加熱部で前記吸収液から発生したガス状のＣＯ _２ 及び水蒸気によって、前記吸収液の循環の駆動力を生じさせるＣＯ_２回収装置。
2. 前記第１供給管には、前記吸収液を圧送する圧送装置又は前記吸収液の流量を制御する制御部を設けない請求項１に記載のＣＯ_２回収装置。
3. 前記第２再生部の液分散部に対する前記第１供給管及び前記加熱部における圧力損失で発生する水頭差が、前記第１トレイ部と前記液分散部との高さの差以上である請求項１に記載のＣＯ_２回収装置。
4. 前記第１供給管は、ガスが溜まる区間を有さない請求項１に記載のＣＯ_２回収装置。

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