JP6225574B2 - Carbon dioxide recovery method and recovery apparatus - Google Patents
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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回収装置に関する。 The present invention relates to a carbon dioxide recovery method and recovery device for separating and recovering carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide such as combustion gas and reducing clean gas to the atmosphere.
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。 Facilities such as thermal power plants, steelworks, and boilers use large amounts of fuel such as coal, heavy oil, and super heavy oil. Sulfur oxides, nitrogen oxides, and carbon dioxide emitted by the combustion of fuel are There is a need for quantitative and concentration restrictions on emissions from the perspective of air pollution prevention and global environmental protection. In recent years, carbon dioxide has been seen as a major cause of global warming, and movements to suppress emissions have become active worldwide. For this reason, in order to enable the recovery and storage of carbon dioxide from combustion exhaust gases and process exhaust gases without releasing them into the atmosphere, various researches have been vigorously advanced. As a carbon dioxide recovery method, for example, PSA ( Known are pressure swinging), membrane separation and concentration, and chemical absorption using reaction absorption by basic compounds.
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に吸収液を加熱するので、二酸化炭素回収処理の操業費用を削減するために、再生工程後の高温の吸収液(リーン液)と吸収工程後の吸収液(リッチ液)との熱交換によって、熱エネルギーの回収再利用が行われる。
In the chemical absorption method, mainly alkanolamine-based basic compounds are used as the absorbent. In the treatment process, an aqueous liquid containing the absorbent is generally used as the absorbent, and carbon dioxide contained in the gas is absorbed into the absorbent. The absorbing solution is circulated so as to alternately repeat the absorbing step to be performed and the regeneration step of regenerating the absorbing solution by releasing the absorbed carbon dioxide from the absorbing solution (see, for example,
上述のように、化学吸収法による二酸化炭素の回収装置における吸収液は、稼動中においては吸収工程と再生工程とを循環し、停止時には吸収塔及び再生塔の底部に貯留されるので、吸収塔及び再生塔の底部における吸収液の液面レベルは、稼動時と停止時とで大きく変動する。従って、停止時に余裕を持って吸収液を貯留可能なように吸収塔及び再生塔の底部にある程度の容積を確保するために、吸収塔及び再生塔は、高さ又は底部の寸法が大きく設計されるが、装置の設置空間に制限があると、装置全体を小さくする必要が生じるので、必要とする処理能力を実現できなかったり設置位置の限定・変更を強いられる可能性がある。又、装置の製造コストの点でも不利になる。 As described above, the absorption liquid in the carbon dioxide recovery apparatus by the chemical absorption method circulates between the absorption process and the regeneration process during operation and is stored at the bottom of the absorption tower and the regeneration tower when stopped. In addition, the liquid level of the absorbing liquid at the bottom of the regeneration tower varies greatly between operation and stop. Therefore, in order to ensure a certain volume at the bottom of the absorption tower and the regeneration tower so that the absorption liquid can be stored with a margin when stopped, the absorption tower and the regeneration tower are designed with a large height or bottom dimension. However, if the installation space of the apparatus is limited, it is necessary to make the entire apparatus small, so that it may not be possible to realize the required processing capacity or be forced to limit or change the installation position. In addition, the manufacturing cost of the apparatus is disadvantageous.
本発明の課題は、上述の問題を解決し、装置寸法を可能な限り縮小して設置空間の制限を緩和でき、製造コストの削減に貢献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。 An object of the present invention is to provide a carbon dioxide recovery method and a recovery apparatus that can solve the above-described problems, reduce the size of the apparatus as much as possible, relax the restriction on the installation space, and contribute to the reduction of manufacturing costs. It is.
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、稼動時及び停止時において、二酸化炭素を含んだガスを吸収塔へ導入する導入ラインの放出口と、吸収塔の底部に貯留する吸収液の液面との位置関係に基づいて適正な構成を見出し、装置寸法の縮小が可能である本発明を完成するに至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive research, and as a result, at the time of operation and at the time of stoppage, the inlet of the introduction line for introducing the gas containing carbon dioxide into the absorption tower, and the absorption tower Based on the positional relationship with the liquid level of the absorbing liquid stored in the bottom, the present inventors have found an appropriate configuration and completed the present invention capable of reducing the size of the apparatus.
本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収装置は、ガスを吸収液と気液接触させるための気液接触部と、外部から前記気液接触部の下方へ前記ガスを導入するための導入ラインとを有し、前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記気液接触部に供給される吸収液に吸収させる吸収塔と、吸収液を加熱するための加熱装置と、前記吸収液からの二酸化炭素の放出を促進するための気液接触部とを有し、前記吸収塔で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再生する再生塔と、前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させるための循環システムと、前記循環システムが停止した状態において、前記吸収塔内及び前記導入ライン内の圧力を等しくするための等圧化手段とを有し、前記循環システムが停止した状態において、前記吸収塔の気液接触部の下方に貯留する吸収液の液面が、前記導入ラインの放出口より上に位置するように構成されることを要旨とする。
According to one aspect of the present invention, a carbon dioxide recovery device includes a gas-liquid contact portion for bringing a gas into gas-liquid contact with an absorption liquid, and a gas introduction device for introducing the gas from the outside to the lower side of the gas-liquid contact portion. An absorption line that absorbs carbon dioxide contained in the gas into the absorption liquid supplied to the gas-liquid contact portion, a heating device for heating the absorption liquid, and carbon dioxide from the absorption liquid. A regenerating tower having a gas-liquid contact portion for promoting carbon emission, and regenerating by releasing carbon dioxide from an absorbing solution that has absorbed carbon dioxide in the absorbing tower, and the absorbing tower and the regenerating tower. A circulation system for circulating the absorption liquid between them, and an equal pressure means for equalizing the pressure in the absorption tower and the introduction line when the circulation system is stopped, and the circulation When the system is stopped The liquid level of the absorbing liquid stored in the lower part of the gas-liquid contact portion of the absorption tower, and summarized in that is configured to be located above the outlet of the inlet line.
又、本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収方法は、吸収塔内の気液接触部の下方に放出口が位置する導入ラインを通じて外部からガスを導入し、前記気液接触部の上方から吸収液を供給して前記ガスを吸収液と気液接触させて前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記吸収液に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吸収液を加熱して、気液接触部を有する再生塔において前記吸収液からの二酸化炭素の放出を促進する再生工程と、前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させて前記吸収工程と前記再生工程とを繰り返す循環工程と、前記循環工程の停止によって、前記吸収塔の底部に貯留する吸収液の液面が前記導入ラインの放出口より上に位置して前記導入ラインを遮断した時に、前記吸収塔内及び前記導入ライン内の圧力を等しくする等圧化工程とを有することを要旨とする。 Further, according to one aspect of the present invention, a method for recovering carbon dioxide includes introducing gas from the outside through an introduction line in which a discharge port is located below the gas-liquid contact portion in the absorption tower, and the gas-liquid contact portion. An absorption step of supplying an absorption liquid from above and bringing the gas into gas-liquid contact with the absorption liquid to absorb the carbon dioxide contained in the gas into the absorption liquid; and heating the absorption liquid that has absorbed carbon dioxide in the absorption step A regeneration step for promoting the release of carbon dioxide from the absorption liquid in a regeneration tower having a gas-liquid contact portion; and the absorption step by circulating the absorption liquid between the absorption tower and the regeneration tower; When the circulation step that repeats the regeneration step, and the suspension of the circulation step, the level of the absorbent stored in the bottom of the absorption tower is located above the discharge port of the introduction line and the introduction line is shut off. In and before the absorption tower And summarized in that and a pressure equalizing step of equalizing the pressure of the introduction in the line.
本発明によれば、ガスの導入ラインの放出口と、吸収塔の底部に貯留する吸収液の液面との位置関係の適正化によって、回収装置の寸法を可能な限り縮小して設置空間の制限を緩和することができるので、製造コストの削減に貢献し得る二酸化炭素の回収装置及びそれを用いて実施される回収方法が提供され、二酸化炭素回収装置の設置・普及に寄与し、環境問題の改善に有用である。特殊な装備や高価な装置を必要とせず、一般的な設備を利用して簡易に実施できるので、経済的に有利である。 According to the present invention, the size of the recovery device can be reduced as much as possible by optimizing the positional relationship between the outlet of the gas introduction line and the liquid level of the absorbent stored in the bottom of the absorption tower. Since the restrictions can be relaxed, a carbon dioxide recovery device that can contribute to the reduction of manufacturing costs and a recovery method implemented using the carbon dioxide recovery device are provided, contributing to the installation and spread of the carbon dioxide recovery device, and environmental issues It is useful for improvement. It is economically advantageous because it can be carried out easily using general equipment without requiring special equipment or expensive equipment.
化学吸収法による二酸化炭素の回収装置においては、ガスに含まれる二酸化炭素を低温の吸収液に吸収させる吸収塔と、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高温の再生塔との間で吸収液を循環させて、吸収工程と再生工程とを交互に繰り返すことによって、連続的に導入されるガスから二酸化炭素を回収することが可能である。回収装置における吸収液は、停止時には吸収塔及び再生塔の底部に貯留されるが、稼動中には吸収工程と再生工程とを循環して、回収装置全体に分布する。特に、吸収塔内及び再生塔内において、吸収液は、充填材を用いて構成される気液接触部を徐々に流下するので、各塔の底部に貯留される吸収液の量は、少なくとも気液接触部を流下途中の吸収液の分量だけ減少し、吸収液の液面レベルが低下する。従って、稼動中の吸収塔及び再生塔の底部には、気液接触部と吸収液の液面との間に不用な空間が存在する。この空間が縮小するように装置構造を設計すると、稼動終了又は不具合によって吸収液の循環が停止した時に吸収塔及び再生塔の底部の液面レベルが上昇して、吸収塔へガスを導入する導入ラインより高くなるので、従来の装置構造においては、吸収液が導入ラインを遮断した時に、ガスを導入しているファンに対して負荷等の影響を与えたり、吸収塔内外での圧力バランスが乱れ易く、復帰のための煩雑な制御が必要になる場合がある。従って、吸収液の循環が停止した状態での機器への負担や取り扱いの煩雑さが問題となる。又、気液接触部の下端より吸収液の液面レベルが高くなると、液面レベルの検出に工夫が必要となる。 In the carbon dioxide recovery device using the chemical absorption method, an absorption tower that absorbs carbon dioxide contained in the gas into a low-temperature absorption liquid and a high-temperature regeneration that releases the absorbed carbon dioxide from the absorption liquid and regenerates the absorption liquid It is possible to recover carbon dioxide from the continuously introduced gas by circulating the absorption liquid between the towers and alternately repeating the absorption process and the regeneration process. The absorption liquid in the recovery apparatus is stored at the bottom of the absorption tower and the regeneration tower when stopped, but is circulated through the absorption process and the regeneration process during operation, and is distributed throughout the recovery apparatus. In particular, in the absorption tower and the regeneration tower, the absorption liquid gradually flows down the gas-liquid contact portion constituted by using the filler, so that the amount of the absorption liquid stored at the bottom of each tower is at least gas. The liquid contact portion is reduced by the amount of the absorbing liquid halfway down, and the liquid level of the absorbing liquid is lowered. Therefore, an unnecessary space exists between the gas-liquid contact portion and the liquid level of the absorbing liquid at the bottom of the operating absorption tower and the regeneration tower. When the device structure is designed so that this space is reduced, when the circulation of the absorption liquid stops due to the end of operation or malfunction, the liquid level at the bottom of the absorption tower and the regeneration tower rises, and gas is introduced into the absorption tower. In the conventional device structure, when the absorption liquid shuts off the introduction line, the fan that introduces the gas has an influence on the load and the pressure balance inside and outside the absorption tower is disturbed. It may be easy and complicated control for returning may be required. Therefore, the burden on the equipment and the complexity of handling in a state where the circulation of the absorbing liquid is stopped become a problem. Further, when the liquid level of the absorbing liquid becomes higher than the lower end of the gas-liquid contact portion, it is necessary to devise for detecting the liquid level.
本発明においては、上記の点を考慮して、稼動時に不用な空間の削減によって装置寸法を縮小可能であり、停止時の取り扱いが容易な構造の二酸化炭素回収装置、及び、これを用いて実施される回収方法を提案する。これにより、回収装置の設置空間に対する制限の緩和が可能であり、又、装置の製造コストの削減も可能である。 In the present invention, in consideration of the above points, the apparatus size can be reduced by reducing unnecessary space during operation, and a carbon dioxide recovery apparatus having a structure that is easy to handle at the time of stoppage, and using this, Proposed recovery method. As a result, restrictions on the installation space of the recovery device can be relaxed, and the manufacturing cost of the device can be reduced.
以下に、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。 The carbon dioxide recovery method and recovery apparatus of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
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一実施形態を示す。回収装置1は、ガスGに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔10と、吸収液を加熱して二酸化炭素を放出させるための再生塔20と、吸収塔10及び再生塔20の間で吸収液を循環させて吸収・再生を繰り返すための循環システムとを有し、吸収塔10及び再生塔20における二酸化炭素の吸収及び吸収液の再生を繰り返すことによって、ガスGからの二酸化炭素の回収が進行する。この実施形態では、更に、吸収塔10に導入される前のガスGを予め冷却して、吸収塔10における吸収処理に適した低温に調整するための前処理塔30を有し、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。
FIG. 1 shows an embodiment of the carbon dioxide recovery method and the recovery apparatus for carrying out the same according to the present invention. The
吸収塔10は、ガスGを吸収液と気液接触させてガスGに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるための気液接触部11と、ガスGを外部から気液接触部11の下方へ導入するための導入ライン18とを有し、前処理塔30において予め冷却されたガスGが、導入ライン18を通じて吸収塔10内の気液接触部11下方に供給される。再生塔20は、熱源としてスチームヒーター22を用いて構成されるリボイラーと、吸収液A1からの二酸化炭素の放出を促進するための気液接触部21とを有し、リボイラーは、吸収塔10で二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する加熱装置として作用する。前処理塔30は、ガスGの冷却水Wによる冷却を促進するための気液接触部31を有する。吸収塔10、再生塔20及び前処理塔30は、各々、向流型気液接触装置として構成され、気液接触部11,21,31は、各々、接触面積を大きくするための充填材を塔内に保持することによって構成され、充填材は、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。
The
前処理塔30底部から供給されるガスGは、気液接触部31の充填材を通過し、前処理塔30の上部から供給される冷却水Wによって冷却された後に吸収塔10に供給される。これにより、ガスGに起因する吸収塔10の温度上昇が防止される。ガスGを冷却して温度上昇した冷却水は、ポンプ32によって水冷式の冷却器33に送られ、冷却された後に前処理塔30に還流される。吸収塔10底部に接続される導入ライン18に温度センサーを設けて、検出温度に応じてポンプ32の駆動を制御するように構成すると、ガスGの温度が高い時に、冷却水の流量増加によって熱交換率を上昇させてガスGの温度を低下させることができる。尚、前処理塔30内部を2つに区画して、硫黄酸化物をアルカリ水で吸収除去する脱硫処理機能を具備させると、回収装置1の適用性が向上し、二酸化炭素の回収処理を様々なガスに対して実施することができる。
The gas G supplied from the bottom of the
前処理塔30を通過した二酸化炭素を含んだガスGは、導入ライン18を通じて吸収塔10の下部から気液接触部11の下方に供給される。一方、吸収液は、吸収塔10の上部から気液接触部11の上方に供給され、ガスG及び吸収液が気液接触部11の充填材間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。二酸化炭素を吸収した吸収液(リッチ液)A1は、気液接触部11の下方において吸収塔10底部に貯溜される。吸収液を循環させるための循環システムは、吸収液を搬送するためのポンプ12,23と、吸収塔10底部と再生塔20上部とを接続する供給路16と、再生塔20底部と吸収塔10上部とを接続する還流路17とを有し、吸収塔10底部に貯留される吸収液A1は、ポンプ12によって、吸収塔10底部から再生塔20上部へ供給路16を通じて供給される。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。
The gas G containing carbon dioxide that has passed through the
吸収液は、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凝縮するための冷却凝縮部13が吸収塔10頂部に設けられ、これにより、水蒸気等が塔外へ漏出するのをある程度抑制できる。これを更に確実にするために、吸収塔外に付設される冷却器14及びポンプ15を有し、冷却凝縮部13下に貯留される凝縮水の一部(塔内のガスG’を含んでも良い)は、ポンプ15によって冷却器14との間で循環する。冷却器14で冷却されて塔頂部に供給される凝縮水は冷却凝縮部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。冷却凝縮部13で凝縮する水は気液接触部11に流下し、これにより、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、ポンプ15の駆動が制御される。
The absorbing liquid generates heat by absorbing carbon dioxide and the liquid temperature rises. Therefore, if necessary, a
吸収塔10の吸収液A1は、供給路16から再生塔20の上部に供給され、気液接触部21上を流下して底部に貯溜される。再生塔20の底部に設けられるリボイラーは、熱供給源として再生塔20外に付設されるスチームヒーター22と、再生塔20内の吸収液A2をスチームヒーター22を介して循環させるための循環路22’とを有し、塔底部の吸収液A2の一部が循環路22’を通してスチームヒーター22へ導出され、高温蒸気との熱交換によって加熱された後に塔内へ還流される。この加熱によって、底部の吸収液から二酸化炭素が放出され、又、気液接触部21も間接的に加熱されて充填材上での気液接触による吸収液からの二酸化炭素の放出が促進される。
The absorption liquid A1 of the
再生塔20で二酸化炭素を放出して再生された吸収液(リーン液)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。供給路16及び還流路17を流れる吸収液において、熱交換器24中での熱伝達による熱交換が行われるので、吸収塔10から再生塔20に供給される供給路16の吸収液A1は加熱され、還流路17の吸収液A2は冷却される。つまり、再生塔20へ供給される供給路16の吸収液A1は、リボイラーから供給される熱によって加熱され、温度は吸収液A2の温度近くに上昇する。熱交換後の還流路17の吸収液A2は、更に、冷却水を用いた冷却器25によって、二酸化炭素の吸収に適した温度まで充分に冷却される。熱交換器には、スパイラル式、プレート式、二重管式、多重円筒式、多重円管式、渦巻管式、渦巻板式、タンクコイル式、タンクジャケット式、直接接触液液式等、様々な種類があり、本発明における熱交換器24として何れのタイプを使用しても良いが、装置の簡素化及び清掃分解の容易さの点ではプレート式が優れている。
The absorption liquid (lean liquid) A2 regenerated by releasing carbon dioxide in the
再生塔20における加熱で放出される二酸化炭素を含むガスは、回収ガスC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る。凝縮部26は、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Cは、再生塔20の頂部から排気管34を通って、冷却水を用いた冷却器27によって充分に冷却され、これによって、含まれる水蒸気等を可能な限り凝縮する。凝縮水は、気液分離器28によって分離除去され、回収ガスCは、圧力調節弁29を介して放出される。回収ガスCに含まれる二酸化炭素は、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36によって所定流量で流路35から再生塔20の凝縮部26上へ供給され、これは冷却水として機能する。
The gas containing carbon dioxide released by heating in the
図1の回収装置1は、循環システムを作動させて吸収液を循環させた稼動状態で記載されており、吸収塔10及び再生塔20の底部に貯留される吸収液A1,A2の液面レベルは低い。つまり、導入ライン18の放出口位置及び循環路22’の還流口を各々基準とする液面レベル(基準からの距離)を示す値H1,H2が正の値(本願においては、液面が基準より下側にある場合を正とし、基準より上側にある場合を負として表す)になるが、循環システムが停止すると、気液接触部11,21から吸収液が流下して下方に貯留し、底部の吸収液A1,A2の液面レベルが上昇する。本発明の回収装置1においては、循環システムが停止した状態において、吸収塔10の底部に貯留する吸収液A1及び再生塔20の底部に貯留する吸収液A2の液面が、ガスGの導入ライン18の放出口及び循環路22’の還流口より上のレベルに位置し、値H1,H2が負の値になるように構成される。これにより、吸収塔10における気液接触部11より下側の容積は、停止時の吸収液貯留量とほぼ同程度又はそれ以下の大きさとなるように設計され、従来より縮小される。この点について、図2〜4を参照して以下に説明する。
The
図2〜4は、稼動時及び停止時の吸収塔10底部における液面レベルを説明するための図であり、図2は従来の吸収塔10aの構成を、図3及び図4は本発明に係る吸収塔10b,10cの構成を示し、各図において、(a)は稼動時の状態を、(b)は停止時の状態を表す。尚、気液接触部11へのガスGの均一供給の観点から、ガスGの導入ラインの放出口、つまり、ガス放出位置と、気液接触部11の下端との距離Dには適正な値があり(距離Dは、概して、気液接触部の高さL1の10%以内である)、図2〜4における導入ラインの放出口と気液接触部11との距離は同一に設定される。
2 to 4 are diagrams for explaining the liquid level at the bottom of the
図2のように、稼動状態(a)及び停止状態(b)の何れにおいても吸収液A1の液面が、ガスGの導入ライン18aの放出口より下に位置する(つまり、値H1,H1’が常に正の値になる)ように吸収塔10aを構成すると、気液接触部11より下側の容積は、回収装置1に投入される吸収液を余裕を持って収容可能な大きさが必要となる。これに対し、図3(b)のように、停止状態での吸収液A1の液面が導入ライン18bの放出口より上に位置し(つまり、値H1’が負の値になる)、液面が導入ライン18bの放出口と気液接触部11下端との間にあるように吸収塔10bを構成すると、気液接触部11より下側の容積は、図2に比べて小さくなる。更に、図4(b)のように、停止状態での吸収液A1の液面が、導入ライン18cの放出口だけでなく、気液接触部11の下端をも上回る(値H1’は絶対値が更に大きい負値になる)状態に吸収塔10cを構成すると、気液接触部11より下側の容積は更に小さくなる。停止状態における値H1’,H2’は、−3〜−0.3mとなるように構成すると好ましく、より好ましくは−2〜−0.5mとなるようにするとよい。
As shown in FIG. 2, the liquid level of the absorbing liquid A1 is located below the discharge port of the gas
図3及び図4のように導入ライン18b,18cの放出口が、停止状態での吸収液A1の液面より下に位置すると、導入ライン18b,18cは、吸収液A1によって吸収塔10内の雰囲気から遮断され、この場合に生じ得る問題として、圧力変動による吸収塔10と導入ライン18b,18cとの圧力バランスの崩れや、前処理塔30への吸収液A1の逆流があり、不具合により循環が停止した場合には、ガスの導入にファンを用いている場合にファンへの負荷が生じたり、吸収液中へのガスの吹き込みによる問題が生じる。これらを防止するために、本発明においては、第1に、図2及び3に示すように、導入ラインが放出口に向かって下降するように傾斜させて設置し、具体的には、1/100程度の下り勾配であると好ましい(尚、図1ではこの特徴の描写は省略する)。第2に、導入ライン18内と吸収塔10内とに生じる圧力差を解消して等しくするための等圧化手段として、導入ライン18と吸収塔10とを接続するバイパス路41及びバイパス弁42を図1のように設ける。装置を稼動する際には、このバイパス弁42を閉止してバイパス路41を遮断し、回収処理を終了した後に、バイパス弁42を開放することによって、導入ライン18と吸収塔10内との間において温度変化等に起因する圧力差が生じるのを防止でき、吸収液の逆流は回避される。又、不具合により循環が停止した時に、バイパス弁42の開放によって上述のような問題は回避される。上述の問題は、再生塔20においては発生しないので、再生塔20を図3又は図4のように構成する上で支障はなく、循環システムが作動した状態において、スチームヒーター22によって加熱された吸収液A2は、再生塔20の底部に還流されて、貯留される吸収液A2の液面より上の位置に投入されるが、停止時の液面レベルは、図3又は図4と同様に、循環路22’の投入口より高くなる。
When the discharge ports of the introduction lines 18b and 18c are located below the liquid level of the absorption liquid A1 in the stopped state as shown in FIGS. 3 and 4, the introduction lines 18b and 18c are introduced into the
二酸化炭素の回収装置においては、加熱時の水の気化による吸収液の濃縮を検知して水の補給により吸収液の濃度を一定に保持することが望ましい。本発明において、停止状態での液面が気液接触部11下端に達する場合、特に、図4(b)のように下端より上になる場合には、気液接触部11を浸漬する吸収液の液面は、光学的手段による直接検出は困難である。このため、回収装置1の吸収塔10及び再生塔20は、各々、吸収液量の変動を検知するための手段として、液の底部と液面上雰囲気との差圧を利用した液面計43,44が付設される。具体的には、液の底部と液面上雰囲気との差圧を測定して液位を求める圧力式レベル計や、塔底部内と連通する液柱ゲージを利用したものなどを液面計43,44として使用することができる。圧力式レベル計は、その方式によって、直接式、ダイアフラムシール式、エアパージ式、投げ込み式及びメトリテープ式に分類され、直接式、ダイアフラムシール式、エアパージ式及び投げ込み式の圧力式レベル計は、差圧伝送器を用いて液位を検知し、メトリテープ式ではテープ状センサーの短絡を利用した圧力検出によって液位を検知するが、本発明では、上述の装置構成上の観点から、差圧伝送器を用いる圧力式レベル計の使用が適しており、更に、ガス処理での利用及び吸収液による影響等を考慮すると、ダイアフラムシール式の圧力式レベル計が好ましい。ダイアフラムシール式の圧力式レベル計を付設する場合、塔中央部又はそれより上の部分(つまり、停止時の吸収液の液面が到達しない位置)と塔底部とに各々ダイアフラムシールが取り付けられ、これらで受ける液体圧及び気体圧は、キャピラリーチューブを介して接続される差圧伝送器に伝達され、これらの差圧に基づいて液面レベルが決定される。他の方式のものを利用する場合も、同様に、塔中央部及び塔底部で受ける圧力が差圧伝送器に伝えられて差圧により液面を検知できるように、圧力検知部及び導圧管を設置すればよく、液柱ゲージを利用する場合も同様である。液面計43,44の付設により、吸収液の濃縮や漏出による液量の変動を常時検知可能であり、水の補給による吸収液量の調整や装置の補修を適切に行うことができる。
In the carbon dioxide recovery device, it is desirable to detect the concentration of the absorbing solution due to vaporization of water during heating and to keep the concentration of the absorbing solution constant by replenishing water. In the present invention, when the liquid level in the stopped state reaches the lower end of the gas-
稼動状態において吸収塔10の気液接触部11に保持される吸収液の容量ΔV1は、概して、気液接触部11の占有容積P1に対して5〜10%程度の量であると見なすことができる。つまり、気液接触部11に保持される吸収液の容量ΔV1は、気液接触部11の占有容積P1に対する割合R(=5〜10%程度)を用いて概算できる[ΔV1=(P1×R)]。従って、吸収塔10の形状が、図1のように水平断面積が一定である形状、例えば略円筒形や柱状等であると、塔底部に貯留される吸収液の液面レベルにおける稼動状態と停止状態との差ΔH1は、気液接触部11の高さL1及び割合Rから、ΔH1=(L1×R)と想定することができ、稼動状態での吸収液の液面レベルH1は、停止状態での吸収液の液面レベルH1’よりΔH1だけ低い[H1=H1’+ΔH1]。再生塔20の気液接触部21に保持される吸収液の容量ΔV2についても同様に、気液接触部21の占有容積P2及び割合Rから、ΔV2=(P2×R)であり、再生塔20における稼動時の液面レベルH2と停止時の液面レベルH2’との差ΔH2[=H2−H2’]は、気液接触部21の高さL2及び割合Rから、ΔH2=(L2×R)、と想定される。回収装置1に投入される吸収液の全容量Vtが、稼動時に気液接触部11,21に保持される液量(ΔV1+ΔV2)[=(P1+P2)×R]以下であると、稼動状態での吸収液の貯留量[=Vt−(ΔV1+ΔV2)]は負になって、稼動時に塔底部に吸収液が貯留されず、ポンプによる吸収液の循環に支障を生じ易くなるので、吸収液の全容量Vtは、(ΔV1+ΔV2)より大きく設定される。
The capacity [Delta] V1 of the absorbing liquid held in the gas-
又、停止状態で吸収塔10底部に貯留する吸収液の容量をV1とすると、稼動状態で吸収塔10底部の液面レベルH1が正であるためには、吸収塔10の導入ライン18の放出口から下の部分の容積B1は、稼動状態で吸収塔10底部に貯留する吸収液の容量[=V1−ΔV1]より大きく、停止状態での液面レベルH1’が負であるためには、容積B1は容量V1より小さくなる[V1−ΔV1<B1<V1]ように設計される。概して、容積B1は、ΔV1(=P1×R)程度以下となるように設計すると好ましく、これに基づくと、吸収塔10における気液接触部11より下方の容積は、2ΔV1程度以下となる。
If the capacity of the absorbing liquid stored at the bottom of the
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。
A collection method implemented in the
バイパス路41のバイパス弁42を閉止した状態で、装置の稼動を開始する。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は、前処理塔30に供給され、吸収塔10での二酸化炭素の吸収処理に適した温度、概して50℃程度以下、好ましくは40℃以下に冷却された後に、導入ライン18から吸収塔10へ供給される。ガスGの冷却温度は、ポンプ32の駆動制御による冷却水の流量調節によって調整される。
The operation of the apparatus is started with the
吸収塔10において、ガスGが底部から供給され、ポンプ12,23の駆動により吸収液が吸収塔10の上部から供給されると、気液接触部11の充填材上でガス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る。二酸化炭素は、低温において良好に吸収されるので、概して50℃程度以下、好ましくは40℃以下となるように吸収液の液温又は吸収塔10(特に気液接触部11)の温度を調整する。吸収液は二酸化炭素の吸収によって発熱するので、これによる液温上昇を考慮し、液温が60℃を超えないように配慮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)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、上記のような化合物の複数種を混合使用しても良い。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、二酸化炭素含有量が20%程度のガスGの処理に対して、濃度が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。
In the
二酸化炭素を吸収した吸収液A1は、塔底部から供給路16を通じてポンプ12,23の駆動力によって再生塔20に供給され、再生塔の吸収液A2が吸収塔10に供給されるが、この間に、熱交換器24において、吸収液A1は、再生塔20から還流する吸収液A2と熱交換される。熱交換器24における吸収液A1の出口温度と吸収液A2の入口温度との差は10℃未満となるように構成可能であり、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る。再生塔20における吸収液A2の加熱温度は、使用する吸収液組成や再生条件によって異なるが、概して100〜130℃程度に設定され、これに基づけば、熱交換において吸収液A1の熱交換器出口温度は95〜125℃程度に上昇し得る。
The absorption liquid A1 that has absorbed carbon dioxide is supplied to the
沸点近辺の高温度で再生塔20に供給される吸収液A1は、二酸化炭素を放出しながら気液接触部21へ流下し、充填材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底部での加熱によって更に昇温及び二酸化炭素の放出が進行する。底部に貯留される吸収液A2は、部分循環加熱によって沸点付近に加熱され、吸収液の沸点は組成(吸収剤濃度)及び再生塔20内の圧力に依存する。この際、吸収液から失われる水の気化潜熱及び吸収液の顕熱の供給が必要であり、加圧によって気化を抑制すると、沸点上昇により顕熱が増加するので、これらのバランスを考慮して、再生塔20内を100kPaG程度に加圧して、吸収液は120〜130℃に加熱する条件設定を用いるとエネルギー効率上有効である。再生塔20内の加圧は、排気管34の出口に設けられる圧力調節弁29の制御によって調整可能である。
The absorbing liquid A1 supplied to the
再生塔20の上部の温度は、投入される吸収液A1の温度に近くなるため、凝縮部26を通過した回収ガスを冷却器27において冷却水により十分に冷却する。回収ガスCから凝縮する水分及び吸収剤は気液分離器28において回収ガスCから分離され、凝縮部26に供給することによって凝縮部26を冷却すると共に、再生塔20における吸収液の濃度上昇及び吸収剤の気化放散を抑制する。
Since the temperature of the upper part of the
このようにして、ポンプ12,23の駆動を継続することで、吸収液を吸収塔10と再生塔20との間で循環させる循環工程が行われ、吸収工程と再生工程とが交互に繰り返される。
In this way, by continuing to drive the
尚、図1の回収装置では、再生塔20の排気管34に圧力調節弁29が設けられ、必要に応じて再生塔20内を加圧して圧力を調節可能なように構成されているが、大気圧に設定する場合には省略して良い。又、吸収塔10内のガス圧力は大気圧に設定されているが、再生塔20と同様にして圧力調節弁を用いて圧力を調節可能に構成してもよく、吸収塔10での二酸化炭素回収率を上げる必要がある場合には、常圧を超える120kPaG程度以下、好ましくは10〜100kPaG程度の圧力範囲に調整するとよい。
1, the
上述の稼動状態において、吸収塔10及び再生塔20の底部に貯留する吸収液A1,A2の液面レベルの高さH1,H2は正の値になる。又、吸収液A1,A2の液面レベルは、液面計43,44によって検出・確認できるので、吸収液の濃縮が進行して液面が低下する場合には、吸収液に水を補給して適宜調節できる。液面計43,44は、吸収塔10及び再生塔20の少なくとも一つに設ければ吸収液の管理が可能であり、何れか1つを省略しても良い。吸収塔10に設けられる液面計43の方が、検出の正確さにおいて有利である。
In the operation state described above, the heights H1 and H2 of the liquid level of the absorbing liquids A1 and A2 stored at the bottoms of the
ガスGの供給を止めて、装置の稼動を停止すると、吸収塔10及び再生塔20の底部の吸収液A1,A2の液面は、気液接触部11,21から流下する吸収液の貯留によって上昇して、液面レベルの高さH1’,H2’は負の値になる。導入ライン18は下り勾配に設けられているので、吸収液A1が吸収塔10から導入ライン18へ逆流することは抑制される。停止後、バイパス路41のバイパス弁42を開放する等圧化工程を行うことによって、吸収塔10内と導入ライン18内との気体圧が等しくなるので、温度変化等によっても差圧は生じず、導入ライン18と吸収塔10、及び、循環路22’と再生塔20の圧力バランスは安定に保たれる。又、何らかの不具合により吸収液の循環が停止した場合にも、バイパス弁42の開放によって、ガスGを吸収塔10上部へ回避させる対応が可能である。又、吸収液A1,A2の液面が気液接触部11,21に達した状態でも、液面レベルは液面計43,44によって検出できるので、吸収液の濃度及び量は容易に調整でき、又、装置の破損等による吸収液の漏出も、液面レベルの変動に基づいて容易に検知できる。
When the supply of the gas G is stopped and the operation of the apparatus is stopped, the liquid levels of the absorption liquids A1 and A2 at the bottom of the
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。小型化及び製造コストの削減が可能で、吸収液の濃度や漏出の管理を支障なく行える二酸化炭素の回収装置を提供でき、環境保護に貢献可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for reducing the amount of carbon dioxide released and its influence on the environment by using it for the treatment of carbon dioxide-containing gas discharged from facilities such as thermal power plants, ironworks, and boilers. It is possible to provide a carbon dioxide recovery device that can reduce the size and reduce the manufacturing cost, and can manage the concentration and leakage of the absorbing solution without hindrance, thereby contributing to environmental protection.
1 回収装置、 10,10a〜10c 吸収塔、 20 再生塔、
30 前処理塔、 11,21,31 気液接触部、
12,15,23,32,36 ポンプ、 13 冷却凝縮部、
14,25,27,33 冷却器、 16 供給路、 17 還流路、
18,18a〜18c 導入ライン、 22 スチームヒーター、
22’ 循環路、 24 熱交換器、 26 凝縮部、
28 気液分離器、 29 圧力調節弁、 34 排気管、 35 流路、
41 バイパス路、 42 バイパス弁、 43,44 液面計、
G、G’ ガス、 A1,A2 吸収液、 C 回収ガス、 W 冷却水。
1 recovery device, 10, 10a to 10c absorption tower, 20 regeneration tower,
30 Pretreatment tower, 11, 21, 31 Gas-liquid contact part,
12, 15, 23, 32, 36 pump, 13 cooling condensing part,
14, 25, 27, 33 Cooler, 16 supply path, 17 reflux path,
18, 18a-18c introduction line, 22 steam heater,
22 'circuit, 24 heat exchanger, 26 condenser,
28 gas-liquid separator, 29 pressure control valve, 34 exhaust pipe, 35 flow path,
41 Bypass path, 42 Bypass valve, 43,44 Level gauge,
G, G ′ gas, A1, A2 absorbent, C recovered gas, W cooling water.
Claims (6)
吸収液を加熱するための加熱装置と、前記吸収液からの二酸化炭素の放出を促進するための気液接触部とを有し、前記吸収塔で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再生する再生塔と、
前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させるための循環システムと、
前記循環システムが停止した状態において、前記吸収塔内及び前記導入ライン内の圧力を等しくするための等圧化手段と
を有し、前記循環システムが停止した状態において、前記吸収塔の気液接触部の下方に貯留する吸収液の液面が、前記導入ラインの放出口より上に位置するように構成される二酸化炭素の回収装置。 A gas-liquid contact part for bringing the gas into gas-liquid contact with the absorbing liquid; and an introduction line for introducing the gas from outside to the lower side of the gas-liquid contact part, wherein carbon dioxide contained in the gas is An absorption tower to be absorbed by the absorption liquid supplied to the gas-liquid contact section;
It has a heating device for heating the absorption liquid and a gas-liquid contact part for promoting the release of carbon dioxide from the absorption liquid, and releases carbon dioxide from the absorption liquid that has absorbed carbon dioxide in the absorption tower. A regeneration tower to regenerate and
A circulation system for circulating the absorption liquid between the absorption tower and the regeneration tower ;
Pressure equalization means for equalizing the pressure in the absorption tower and the introduction line when the circulation system is stopped, and the gas-liquid contact of the absorption tower when the circulation system is stopped An apparatus for recovering carbon dioxide configured such that the liquid level of the absorbing liquid stored below the unit is located above the discharge port of the introduction line.
前記吸収工程で二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱して、気液接触部を有する再生塔において前記吸収液からの二酸化炭素の放出を促進する再生工程と、
前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させて前記吸収工程と前記再生工程とを繰り返す循環工程と、
前記循環工程の停止によって、前記吸収塔の底部に貯留する吸収液の液面が前記導入ラインの放出口より上に位置して前記導入ラインを遮断した時に、前記吸収塔内及び前記導入ライン内の圧力を等しくする等圧化工程と
を有する二酸化炭素の回収方法。 Gas is introduced from the outside through an introduction line in which a discharge port is located below the gas-liquid contact portion in the absorption tower, and the absorption liquid is supplied from above the gas-liquid contact portion to bring the gas into gas-liquid contact with the absorption liquid. An absorption step of absorbing carbon dioxide contained in the gas into the absorption liquid;
A regeneration step of heating the absorption liquid that has absorbed carbon dioxide in the absorption step, and promoting the release of carbon dioxide from the absorption liquid in a regeneration tower having a gas-liquid contact portion;
A circulation step of circulating the absorption liquid between the absorption tower and the regeneration tower and repeating the absorption step and the regeneration step;
When the level of the absorbent stored in the bottom of the absorption tower is located above the discharge port of the introduction line and shuts off the introduction line by stopping the circulation step, the absorption tower and the introduction line And a pressure equalization process for equalizing the pressure of carbon dioxide.
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