JP6216150B2 - 二酸化炭素回収システムおよびその運転方法 - Google Patents

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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、化石燃料の燃焼生成物である二酸化炭素(CO)の温室効果による地球温暖化の問題が大きくなっている。このような背景の中、大量の化石燃料を使用する火力発電所等を対象に、燃焼排ガスとアミン系吸収液を接触させ、燃焼排ガス中の二酸化炭素を分離回収する方法や、回収された二酸化炭素を大気へ放出することなく貯蔵する方法が、精力的に研究されている。
具体的には、燃焼排ガスと吸収液とを接触させて、燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱して、吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔とを備える二酸化炭素回収システムが知られている。再生塔にて再生された吸収液は、再度吸収塔に循環されて再使用される。
しかしながら、本システム内でアミン系吸収液を長期間使用すると、アミン成分が熱や燃焼排ガス中の酸素により徐々に分解されてしまう。また、処理済みの燃焼排ガスが吸収塔から放出される際、アミン成分の一部がこの燃焼排ガスと共に大気へ飛散してしまう。その結果、吸収液中のアミン成分が減少し、システムの性能低下が起こる。そのため、本システムでは一般に、定期的にアミンの補給や吸収液の入れ替えを行う必要がある。
吸収液用に使用されるアミンには、常温で液体のアミン(以下「液体アミン」と呼ぶ)と、常温で固体のアミン(以下「固体アミン」と呼ぶ)とがある。液体アミンは、システム内の吸収液への補給が容易である。一方、固体アミンは、水に溶かすために長時間の撹拌や加熱が必要となるため、システム内の吸収液への補給が困難である。さらに、この水が新たにシステム内の吸収液に加えられるため、吸収液のアミン濃度が低下し、プラント性能が低下する恐れがある。そのため、吸収液に高濃度アミンを調整して補給したり、システム内の過剰な水分を除去して吸収液のアミン濃度を調整する必要がある。しかしながら、本システムでは液体アミンだけでなく固体アミンを使用するニーズも存在するため、システム内の吸収液のアミン濃度の低下を抑制しつつ液体アミンも固体アミンも容易に補給可能な方法を提案することが望まれる。
特開2004−323339号公報 特開2008−307519号公報 特開2008−168184号公報 特開2008−56642号公報
そこで、本発明が解決しようとする課題は、システム内の吸収液のアミン濃度の低下を抑制しつつ、常温で固体または液体のアミンを吸収液に容易に補給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である。
一の実施形態による二酸化炭素回収システムは、二酸化炭素を吸収液に吸収させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液であるリッチ液を排出する吸収塔と、前記リッチ液から前記二酸化炭素と水蒸気を放出させ、前記リッチ液よりも二酸化炭素溶存濃度が低下した前記吸収液であるリーン液と、前記二酸化炭素と前記水蒸気とを含む再生塔排出ガスとを排出する再生塔とを備える。さらに、前記システムは、前記再生塔排出ガスを前記二酸化炭素と凝縮水とに分離する凝縮部と、前記凝縮水と補給アミンとを混合し、前記補給アミンが溶解した補給アミン水溶液を生成する混合部とを備える。さらに、前記システムは、前記補給アミン水溶液を前記吸収液に混入させることにより、前記吸収液に前記補給アミンを補給する補給部を備える。
第1実施形態の二酸化炭素回収システムの構成を示す概略図である。 第2実施形態の二酸化炭素回収システムの構成を示す概略図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
(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概略図である。
図1の二酸化炭素回収システムは、吸収塔11と、リッチ液ポンプ12と、再生熱交換器13と、再生塔14と、リボイラー15と、リーン液ポンプ16と、リーン液冷却器17と、緩衝タンク18と、冷却器21と、凝縮器22と、ポンプ23と、切り替え弁24と、混合器25とを備えている。
吸収塔11は、二酸化炭素を含有する吸収塔入口ガス1と吸収液とを接触させて、二酸化炭素を吸収液に吸収させる。吸収塔入口ガス1の例としては、火力発電所等で発生した燃焼排ガスが挙げられる。吸収液の例としては、アミン系吸収液が挙げられる。
そして、吸収塔11は、吸収塔入口ガス1から二酸化炭素が除去されたガスである吸収塔排出ガス2と、二酸化炭素を吸収した吸収液であるリッチ吸収液(以下「リッチ液」と呼ぶ)4とを排出する。
吸収塔11から排出されたリッチ液4は、リッチ液ポンプ12により再生熱交換器13を介して再生塔14へと移送され、再生塔14内に上部から導入され、再生塔14内を流下する。
リボイラー15は、再生塔14の下部から排出された吸収液を加熱し、吸収液から水蒸気と二酸化炭素を発生させ、これらのガスを吸収液と共に再生塔14に戻す。これらのガスは、再生塔14内を上昇しながら、再生塔14内を流下するリッチ液4と接触する。
その結果、リッチ液4から二酸化炭素と水蒸気が放出され、再生塔14は、放出された二酸化炭素と水蒸気とを含む再生塔排出ガス5と、リッチ液4よりも二酸化炭素溶存濃度が低下した吸収液であるリーン吸収液(以下「リーン液」と呼ぶ)3とを排出する。
再生塔14から排出されたリーン液3は、リーン液ポンプ16により再生熱交換器13とリーン液冷却器17とを介して緩衝タンク18へと移送され、さらに緩衝タンク18から吸収塔11へと移送され、吸収塔11内に導入される。
なお、再生熱交換器13は、吸収塔11から再生塔14へと移送されるリッチ液4を、再生塔14から吸収塔11へと移送されるリーン液3の熱で加熱する。また、緩衝タンク18は、リーン液3を、吸収塔11に供給するために溜めておくためのタンクである。
図1の二酸化炭素回収システムは、吸収塔11における二酸化炭素の吸収と、再生塔14における二酸化炭素の放出(吸収液の再生)とを繰り返すことにより、吸収塔入口ガス1中の二酸化炭素を分離回収する。
次に、引き続き図1を参照し、再生塔排出ガス5の処理について説明する。
冷却器21は、再生塔14から排出された再生塔排出ガス5を冷却する。その結果、再生塔排出ガス5中の水蒸気が凝縮して水に戻る。この凝縮水と二酸化炭素とを含む混合流体は、凝縮器22に供給される。
凝縮器22は、この混合流体を二酸化炭素6と凝縮水7とに分離する。こうして、再生塔排出ガス5から二酸化炭素6が回収される。冷却器21および凝縮器22は、本開示の凝縮部の例である。
凝縮器22から排出された凝縮水7は、ポンプ23により切り替え弁24を介して移送される。切り替え弁24は、ライン31とライン32に接続されており、これらのライン31、32の切り替え用に使用される。
通常運転時には、凝縮水7は、ライン31を介して再生塔14に戻される。また、通常運転時において吸収液中の水分量が多すぎる場合には、凝縮水7は再生塔14に戻さなくてもよい。
一方、吸収液中のアミン濃度が低下してアミン補給が必要となった場合には、切り替え弁24をライン31側からライン32側に切り替える。その結果、凝縮水7が、ライン32を介して混合器25内に導入される。
混合器25は、凝縮水7と補給アミン8とを混合し、補給アミン8が凝縮水7に溶解した補給アミン水溶液9を生成する。混合器25は、本開示の混合部の例である。
図1の二酸化炭素回収システムは、混合器25から排出された補給アミン水溶液9を、ライン33を介してシステム中の吸収液に混入させる。具体的には、補給アミン水溶液9を、緩衝タンク18中のリーン液3に混入させる。その結果、システム中の吸収液に補給アミン8が補給される。ライン33は、本開示の補給部の例である。
図1の二酸化炭素回収システムでは、このようなアミン補給により、吸収液中のアミン濃度を所定の濃度に調整する。
(1)第1実施形態のアミン補給の詳細
次に、引き続き図1を参照し、第1実施形態のアミン補給の詳細について説明する。
本実施形態では、補給アミン8として、常温で固体のアミン(以下「固体アミン」と呼ぶ)を使用する。このような補給アミン8の例としては、ピペラジン、2−メチルピペラジン、2,5−ジメチルピペラジン、2,6−ジメチルピペラジン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO)、N,N−ジメチル−4−アミノピリジン(DMAP)、2−アミノ−2−メチル−1−プロパノール等が挙げられる。補給アミン8は、これらの固体アミンのうちの1種類以上を含む混合物でもよい。
一般に、固体アミンは、水に溶かすために長時間の撹拌や加熱が必要となるため、吸収液への補給が困難である。
一方、凝縮水7は、凝縮器22で分離されずに残った二酸化炭素を含有している。一般に、アミンの溶媒として使用する水中に二酸化炭素が存在していると、アミンが吸収反応によりイオン化されるため、アミンの水への溶解性が向上する。
そこで、本実施形態では、補給アミン8の溶媒として、二酸化炭素が溶解した凝縮水7を使用する。よって、本実施形態によれば、補給アミン8を溶かすための撹拌時間や加熱時間を短縮し、補給アミン8を迅速に吸収液に補給することが可能となる。
また、本実施形態では、補給アミン8の溶媒として、二酸化炭素を含有する水を新たに用意するのではなく、システム内に存在する凝縮水7を有効利用する。よって、本実施形態によれば、システム内の吸収液のアミン濃度の低下を抑制しつつ、補給アミン8をシステムに容易に補給することが可能となる。
さらに、本実施形態によれば、水に二酸化炭素を溶解させる処理が不要となるなど、吸収液中のアミン濃度の調製が容易となる。また、本実施形態によれば、凝縮水7を有効利用することで、使用する水の量の削減も可能となる。
なお、凝縮水7は一般に、飽和濃度に達する量の二酸化炭素を含有している。よって、本実施形態によれば、このような凝縮水7を溶媒として使用することで、より二酸化炭素濃度の低い溶媒を使用する場合に比べて、補給アミン8の溶解性をさらに向上させることが可能となる。
(2)第1実施形態の変形例
次に、引き続き図1を参照し、第1実施形態の変形例について説明する。
本実施形態では、補給アミン水溶液9をリーン液3に混入させているが、補給アミン水溶液9はリッチ液4に混入させてもよい。ただし、補給アミン水溶液9をリッチ液4に混入させると、リッチ液4中の二酸化炭素溶存濃度が補給アミン水溶液9により低下し、再生塔14での再生効率が低下してしまう。よって、このような再生効率の低下を避けたい場合には、補給アミン水溶液9はリーン液3に混入させる方が好ましい。
また、本実施形態では、補給アミン水溶液9を、緩衝タンク18以外の任意の場所でリーン液3に混入させてもよい。なお、補給アミン水溶液9を緩衝タンク18中のリーン液3に混入させることには、例えば、吸収液中のアミン濃度を均一に調整しやすいという利点がある。
また、本実施形態では、再生熱交換器13を通過前のリーン液3に補給アミン水溶液9を混入させてもよいし、再生熱交換器13を通過後のリーン液3に補給アミン水溶液9を混入させてもよい。ただし、本実施形態では、リーン液3の熱をより有効に再生熱交換器13で活用するために、再生熱交換器13を通過後のリーン液3に補給アミン水溶液9を混入させている。
また、本実施形態では、混合器25内の補給アミン水溶液9を排出するタイミングは、補給アミン8が凝縮水7に溶解している状態であれば、どのようなタイミングでもよい。
また、本実施形態では、凝縮水7をあらかじめ混合器25内に貯蔵しておき、アミン補給が必要になった際に、貯蔵しておいた凝縮水7を補給アミン8と混合してもよい。ただし、凝縮水7中の二酸化炭素量は時間が経つに従い低下するため、凝縮水7は、アミン補給のタイミングを考慮して貯蔵することが好ましい。
また、本実施形態の混合器25は、凝縮水7と固体アミンとを混合して補給アミン水溶液9を生成する際に、これらの混合物にさらに別のアミンを混合してもよい。このアミンは、固体アミンでもよいし、液体アミン(常温で液体のアミン)でもよい。
本実施形態では、吸収液として、液体アミンと固体アミンの両方が溶解した水溶液を使用することがあると考えられる。この場合、吸収液中の固体アミン成分だけでなく液体アミン成分も減少している状況が発生する可能性がある。この場合、本実施形態の混合器25は、凝縮水7と固体アミンと液体アミンとを混合して補給アミン水溶液9を生成することで、吸収液にこれら両方のアミンを同時に補給することができる。また、この吸収液中の液体アミン成分だけが減少している場合には、本実施形態の混合器25を用いて、吸収液に液体アミンのみを補給してもよい。
以上のように、本実施形態では、凝縮水7と補給アミン8とを混合して補給アミン水溶液9を生成し、補給アミン水溶液9を吸収液に混入させることにより吸収液に補給アミン8を補給する。よって、本実施形態によれば、システム内の吸収液のアミン濃度の低下を抑制しつつ、常温で固体または液体のアミンを吸収液に容易に補給することが可能となる。
(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概略図である。
図2の二酸化炭素回収システムは、リーン液冷却器17から排出されたリーン液3を流通させるためのライン34、35を備えている。ライン34は、リーン液3を緩衝タンク18へと供給し、ライン35は、リーン液3を混合器25へと供給する。
混合器25は、補給アミン水溶液9を、凝縮水7と補給アミン8とリーン液3とを混合して生成する。混合器25は、凝縮水7、補給アミン8、リーン液3を同時に混合してもよいし、凝縮水7と補給アミン8の混合後に、これらの混合物とリーン液3とを混合してもよい。また、混合器25は、補給アミン水溶液9を生成する際に、リーン液冷却器17から排出されたリーン液3の一部のみをライン35から導入してもよいし、リーン液冷却器17から排出されたリーン液3の全部をライン35から導入してもよい。
図2の二酸化炭素回収システムは、混合器25から排出された補給アミン水溶液9を、ライン36を介してシステム中の吸収液に混入させる。具体的には、補給アミン水溶液9を、吸収塔11内の吸収液(リーン液3でもリッチ液4でもよいが、リーン液3の方が好ましい)に混入させる。その結果、システム中の吸収液に補給アミン8が補給される。ライン36は、本開示の補給部の例である。なお、本実施形態の補給アミン水溶液9は、第1実施形態と同様に、再生塔14と吸収塔11との間のリーン液3に混入させてもよい。
なお、本実施形態の混合器25は、補給アミン水溶液9を、凝縮水7と補給アミン8とリッチ液4とを混合して生成してもよい。また、本実施形態の混合器25で使用するリーン液3やリッチ液4は、システム内の任意の場所から取得してもよい。また、本実施形態では、ライン34上、ライン35上、またはこれらのライン34、35の分岐地点の少なくともいずれかに弁を設置してもよい。
以上のように、本実施形態では、混合器25内で吸収液を混合してから補給アミン水溶液9を排出し、この補給アミン水溶液9を吸収液に混入させることにより吸収液に補給アミン8を補給する。よって、本実施形態によれば、補給アミン水溶液9の混入による吸収液内のアミン濃度の急激な変化を緩和することが可能となる。よって、本実施形態によれば、気液や熱のバランスを一定に維持した運転を行うことが容易となる。
[実施例および比較例]
以下、第1および第2実施形態の凝縮水7の効果を説明するために、凝縮水7と同様の条件の溶媒(水)を再現して試験を行った実施例と、その比較例について説明する。
[実施例1]
CO含有率が99%のガスを流速100ml/minで20℃の水100mlに吹き込み、出口ガス流量が入口ガス流量と同等になるのを確認した後、水にピペラジン10gを加え、20℃でスターラーによりピペラジンが溶解するまで撹拌した。その結果、ピペラジンが10分で完全に溶解した。
[実施例2]
ピペラジン15gを使用した以外は実施例1と同様に試験を行った。その結果、ピペラジンが15分で完全に溶解した。
[実施例3]
DABCO45gを使用した以外は実施例1と同様に試験を行った。その結果、DABCOは10分で完全に溶解した。
[実施例4]
DMAP10gを使用した以外は実施例1と同様に試験を行った。その結果、DMAPが5分で完全に溶解した。
[実施例5]
実施例5では、図1のシステムの凝縮水7を使用した。具体的には、25℃になるよう冷却した凝縮水100mlを取り出し20℃に冷却した後、凝縮水にピペラジン10gを加え、20℃でスターラーによりピペラジンが溶解するまで撹拌した。その結果、ピペラジンが10分で完全に溶解した。
[比較例1]
20℃の水100mlにピペラジン10gを加え、スターラーによりピペラジンが溶解するまで撹拌した。その結果、ピペラジンが15分で完全に溶解した。
[比較例2]
ピペラジン15gを使用した以外は比較例1と同様に試験を行った。その結果、ピペラジンは20分で完全に溶解した。
[比較例3]
DABCO45gを使用した以外は比較例1と同様に試験を行った。その結果、DABCOは20分で完全に溶解した。
[比較例4]
DMAP10gを使用した以外は比較例1と同様に試験を行った。その結果、DMAPが10分で完全に溶解した。
以上述べた少なくとも1つの実施形態の二酸化炭素回収システムおよびその運転方法によれば、システム内の吸収液のアミン濃度の低下を抑制しつつ、常温で固体または液体のアミンを吸収液に容易に補給することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1:吸収塔入口ガス、2:吸収塔排出ガス、3:リーン吸収液(リーン液)、
4:リッチ吸収液(リッチ液)、5:再生塔排出ガス、6:二酸化炭素、
7:凝縮水、8:補給アミン、9:補給アミン水溶液、
11:吸収塔、12:リッチ液ポンプ、13:再生熱交換器、
14:再生塔、15:リボイラー、16:リーン液ポンプ、
17:リーン液冷却器、18:緩衝タンク、
21:冷却器、22:凝縮器、23:ポンプ、24:切り替え弁、25:混合器、
31〜36:ライン

Claims (8)

  1. 二酸化炭素を吸収液に吸収させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液であるリッチ液を排出する吸収塔と、
    前記リッチ液から前記二酸化炭素と水蒸気を放出させ、前記リッチ液よりも二酸化炭素溶存濃度が低下した前記吸収液であるリーン液と、前記二酸化炭素と前記水蒸気とを含む再生塔排出ガスとを排出する再生塔と、
    を備える二酸化炭素回収システムであって、
    前記再生塔排出ガスを前記二酸化炭素と凝縮水とに分離する凝縮部と、
    前記凝縮水と、前記二酸化炭素回収システム外から供給され、水で希釈されていない補給アミンとを混合し、前記補給アミンが溶解した補給アミン水溶液を生成する混合部と、
    前記補給アミン水溶液を前記吸収液に混入させることにより、前記吸収液に前記補給アミンを補給する補給部と、
    をさらに備え
    前記補給アミンは、5℃から35℃の温度範囲において固体である、二酸化炭素回収システム。
  2. 二酸化炭素を吸収液に吸収させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液であるリッチ液を排出する吸収塔と、
    前記リッチ液から前記二酸化炭素と水蒸気を放出させ、前記リッチ液よりも二酸化炭素溶存濃度が低下した前記吸収液であるリーン液と、前記二酸化炭素と前記水蒸気とを含む再生塔排出ガスとを排出する再生塔と、
    を備える二酸化炭素回収システムであって、
    前記再生塔排出ガスを前記二酸化炭素と凝縮水とに分離する凝縮部と、
    前記凝縮水と、前記二酸化炭素回収システム外から供給され、水で希釈されていない補給アミンとを混合し、前記補給アミンが溶解した補給アミン水溶液を生成する混合部と、
    前記補給アミン水溶液を前記吸収液に混入させることにより、前記吸収液に前記補給アミンを補給する補給部と、
    をさらに備え
    前記補給アミンは、ピペラジン、2−メチルピペラジン、2,5−ジメチルピペラジン、2,6−ジメチルピペラジン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン、N,N−ジメチル−4−アミノピリジン、2−アミノ−2−メチル−1−プロパノールのうちの少なくともいずれか1つを含む、二酸化炭素回収システム。
  3. 前記補給部は、前記補給アミン水溶液を前記リーン液に混入させる、請求項1または2に記載の二酸化炭素回収システム。
  4. さらに、前記再生塔から排出された前記リーン液を、前記吸収塔に供給するために溜めておくための緩衝タンクを備え、
    前記補給部は、前記補給アミン水溶液を、前記緩衝タンク中の前記リーン液に混入させる、請求項に記載の二酸化炭素回収システム。
  5. さらに、前記吸収塔から前記再生塔へと移送される前記リッチ液を、前記再生塔から前記吸収塔へと移送される前記リーン液の熱で加熱する再生熱交換器を備え、
    前記補給部は、前記補給アミン水溶液を、前記再生熱交換器を通過後の前記リーン液に混入させる、請求項またはに記載の二酸化炭素回収システム。
  6. 前記混合部は、前記補給アミン水溶液を、前記凝縮水と前記補給アミンと前記吸収液とを混合して生成する、請求項1からのいずれか1項に記載の二酸化炭素回収システム。
  7. 二酸化炭素を吸収液に吸収させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液であるリッチ液を排出する吸収塔と、
    前記リッチ液から前記二酸化炭素と水蒸気を放出させ、前記リッチ液よりも二酸化炭素溶存濃度が低下した前記吸収液であるリーン液と、前記二酸化炭素と前記水蒸気とを含む再生塔排出ガスとを排出する再生塔と、
    を備える二酸化炭素回収システムの運転方法であって、
    前記再生塔排出ガスを前記二酸化炭素と凝縮水とに分離し、
    前記凝縮水と、前記二酸化炭素回収システム外から供給され、水で希釈されていない補給アミンとを混合し、前記補給アミンが溶解した補給アミン水溶液を生成し、
    前記補給アミン水溶液を前記吸収液に混入させることにより、前記吸収液に前記補給アミンを補給する、
    ことを含み、
    前記補給アミンは、5℃から35℃の温度範囲において固体である、二酸化炭素回収システムの運転方法。
  8. 二酸化炭素を吸収液に吸収させ、前記二酸化炭素を吸収した前記吸収液であるリッチ液を排出する吸収塔と、
    前記リッチ液から前記二酸化炭素と水蒸気を放出させ、前記リッチ液よりも二酸化炭素溶存濃度が低下した前記吸収液であるリーン液と、前記二酸化炭素と前記水蒸気とを含む再生塔排出ガスとを排出する再生塔と、
    を備える二酸化炭素回収システムの運転方法であって、
    前記再生塔排出ガスを前記二酸化炭素と凝縮水とに分離し、
    前記凝縮水と、前記二酸化炭素回収システム外から供給され、水で希釈されていない補給アミンとを混合し、前記補給アミンが溶解した補給アミン水溶液を生成し、
    前記補給アミン水溶液を前記吸収液に混入させることにより、前記吸収液に前記補給アミンを補給する、
    ことを含み、
    前記補給アミンは、ピペラジン、2−メチルピペラジン、2,5−ジメチルピペラジン、2,6−ジメチルピペラジン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン、N,N−ジメチル−4−アミノピリジン、2−アミノ−2−メチル−1−プロパノールのうちの少なくともいずれか1つを含む、二酸化炭素回収システムの運転方法。
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