JP6274866B2 - 二酸化炭素ガス回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、二酸化炭素化学吸収分離法を用いて二酸化炭素ガスを回収する二酸化炭素ガス回収装置に関する。

従来、二酸化炭素ガス回収装置として、例えば下記特許文献１に示されるような構成のものが知られている。
この二酸化炭素ガス回収装置は、二酸化炭素ガスを含有する処理対象ガスと吸収液とを接触させて、処理対象ガス中の二酸化炭素ガスを吸収液に吸収させる吸収塔と、吸収塔から供給される吸収液を加熱して吸収液から二酸化炭素ガスを分離させて吸収液を再生する再生塔とを備える。

また、この二酸化炭素ガス回収装置では、吸収塔で二酸化炭素を吸収したリッチ吸収液（ここでは、二酸化炭素ガスを吸収した二酸化炭素ガス含有率が高い吸収液をリッチ吸収液、二酸化炭素ガスを分離した二酸化炭素ガス含有率が低い吸収液をリーン吸収液という場合がある）を吸収塔から再生塔へ移送する第１吸収液供給路と、再生塔で再生されて二酸化炭素を分離したリーン吸収液を再生塔から吸収塔へ移送する第２の吸収液移送路と交差部分に介在される吸収液熱交換器を備え、この吸収液熱交換器によって、第１吸収液供給路を流れるリッチ吸収液と第２吸収液供給路を流れるリーン吸収液との間の熱交換を行なうことにより熱回収を図っている。

特開２０１１−２１３４９４号公報

ところで、この種の二酸化炭素ガス回収装置において、第１吸収液供給路と第２吸収液供給路との間に吸収液熱交換器を介在させて熱回収を行なっているものの、熱の回収率を所定値以上にまで上げることが難しく、省エネルギー化が叫ばれているなか、その改善が望まれていた。

一方、前記特許文献１でも記載されているように、二酸化炭素ガス回収装置中にヒートポンプを組み入れ、吸収塔で吸収液が二酸化炭素ガスを吸収するときの発熱反応で生じた熱を、再生塔で吸収液から二酸化炭素ガスが分離するときの吸熱反応の熱源として利用することにより熱の有効利用を図ったものも知られている。

しかしながら、このような二酸化炭素ガス回収装置では、第１吸収塔供給路を流れるリッチ吸収液と第２の吸収塔供給路を流れるリーン吸収液との間で熱交換を行なう吸収液熱交換器のほかに、ヒートポンプも備えており、装置の全体構成が複雑になるため、コスト高を招く問題があった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、外部からの入熱量を抑制して省エネルギー化を図ることができ、しかも構成の簡素が図れて設備コストの低減を図ることができる二酸化炭素ガス回収装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る二酸化炭素ガス回収装置は、二酸化炭素ガスを含有する処理対象ガスと吸収液とを接触させ、前記処理対象ガス中の前記二酸化炭素ガスを前記吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔から前記供給される前記吸収液を加熱して前記吸収液から前記二酸化炭素ガスを分離させて前記吸収液を再生する再生塔と、を備えた二酸化炭素ガス回収装置において、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液を前記吸収塔から前記再生塔へ移送する第１吸収液供給路と前記再生塔で再生されて二酸化炭素を分離した吸収液を前記再生塔から前記吸収塔へ移送する第２吸収液供給路との交差部分に介在されて、それら吸収液同士の熱交換を行なう吸収液熱交換器を有さず、代わりに、前記第２吸収液供給路を流れる吸収液の熱を熱媒体を介して移動させて、その熱を前記第１吸収液供給路を流れる吸収液を加熱する熱源として利用するヒートポンプを備え、前記ヒートポンプは、前記吸収塔において吸収液を冷却するインタークーラで生じる熱を利用して前記第２吸収液供給路を流れる吸収液の熱とともに、前記第１吸収液供給路を流れる吸収液を加熱することを特徴とする。

この発明によれば、吸収液熱交換器を有さず、代わりに、第２吸収液供給路を流れる吸収液の熱を熱媒体を介して移動させて、その熱を前記第１吸収液供給路を流れる吸収液を加熱する熱源として利用するヒートポンプを備える。このように、ヒートポンプ系統のみで熱回収を行なうので、装置構成の簡素化を図ることができ、この結果、設備コストの低減を図ることができる。
また、ヒートポンプを用いて熱回収を行なうので、単に熱交換器のみを用いて熱回収を行なう場合に比べて効率良く熱回収を行なうことができ、従前のものに比べて省エネルギー化を図ることができる。

また、インタークーラにより、吸収塔の吸収液を冷却した後に吸収塔内に再導入することが可能になり、吸収液を適宜冷却できるので吸収塔での吸収液による二酸化炭素ガスの吸収を促進することができる。
また、インタークーラで生じる熱を、第１吸収液供給路を流れる吸収液を加熱する熱源として利用することができ、吸収塔の発熱反応で生じて吸収液に受け渡された熱が、外部に漏出するのを抑制することが可能になり、更なる省エネルギー化を図ることができる。

また、前記ヒートポンプは、前記吸収塔において吸収液を冷却する前記インタークーラで生じる熱を利用して熱媒体を加熱し、該加熱した熱媒体を、前記第２吸収液供給路を流れる吸収液の熱を利用してさらに加熱する構成、つまり熱媒体を段階的に加熱する構成にしてもよい。

この場合、ヒートポンプに用いられる熱媒体を、まず、インタークーラで生じる熱を利用して加熱し、次に、第２吸収液供給路を流れる吸収液の熱を利用して加熱している。ここで、第２吸収液供給路を流れる吸収液の温度は、インタークーラで利用できる吸収液の温度よりも高い。このように、ヒートポンプに用いられる熱媒体をまず低温熱源で加熱し続いて高温熱源で加熱するので、熱媒体を効率良く加熱することができる。この結果、更なる省エネルギー化を図ることができる。

前記ヒートポンプは、熱媒体を圧縮する圧縮機、前記第１吸収液供給路中に介在された熱媒加熱式熱交換器、圧縮された熱媒体を膨張する熱媒膨張弁、前記インタークーラ、前記第２吸収液供給路中に介在された熱媒冷却式熱交換器を、前記熱媒体が順次通過する熱媒体循環路を備える構成にしてもよい。

この場合、圧縮機で圧縮された熱媒体は、第１吸収液供給路中に介在された熱媒加熱式熱交換器を通過する際に、リッチ吸収液を加熱する。続いて、熱媒体は、熱媒膨張弁を通過する際に膨張されて温度が下がる。温度が下がった熱媒体は、インタークーラと接触して、インタークーラ内の吸収液の温度を下げ、逆にこの吸収液から吸熱して温度が上がる。続いて、熱媒体は、前記第２吸収液供給路中に介在された熱媒冷却式熱交換器を通過する際に、リーン吸収液の温度を下げ、逆にこのリーン吸収液から吸熱してさらに温度が上がる。その後、圧縮機に戻される。
熱媒体は、このサイクルを繰り返し、第１吸収液供給路中のリッチ吸収液を加熱し、インタークーラ内の吸収液を冷却するとともに、第２吸収液供給路中のリーン吸収液を冷却する。

前記吸収液には、ＩＰＡＥ（イソプロピルアミノエタノール）の水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨ（テトラメチルジアミノヘキサン）の混合水溶液が用いられ、前記ヒートポンプの前記熱媒体として２種類以上の炭化水素系の物質を混合した混合熱媒体が用いられる。

この場合、吸収液に、ＩＰＡＥの水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨの混合水溶液を用いる。このような吸収液は、７０℃以上の二酸化炭素分離工程での加熱温度領域（吸収液再生温度領域）において、温度が高くなるに従い温度変化に対する二酸化炭素吸収量の変化率が漸次低くなる特性を有し、この特性を利用することにより二酸化炭素分離時のリーン吸収液の温度を９５℃前後に設定した、いわゆる低温領域での二酸化炭素ガス回収運転でも、二酸化炭素ガスの回収量を所定値以上例えば９０パーセントに高く維持することが可能になる。この結果、再生塔で吸収液を加熱するにあたり、工場内に配置される蒸気配管のスチームを介した排熱利用が行なることとなり、大幅な省エネルギー化を図ることができる。
また、前記ヒートポンプの前記熱媒体として２種類以上の炭化水素系の物質を混合した混合熱媒体を用いており、それら熱媒体の混合割合を適宜設定することにより、前述の特定アミン水溶液を用いた低温領域での二酸化炭素ガス回収運転におけるヒートポンプの運転、つまり、例えば、吸熱が２５℃前後、発熱が１１０℃前後のヒートポンプの運転が可能となる。
これにより、当該二酸化炭素ガス回収装置において外部からの入熱量を抑えることが可能になり、省エネルギー化を図ることができる。

請求項１に係る発明によれば、このように、ヒートポンプ系統のみで熱回収を行なうので、装置構成の簡素化を図ることができ、この結果、設備コストの低減を図ることができる。また、ヒートポンプを用いて熱回収を行なうので、単に熱交換器のみを用いて熱回収を行なう場合に比べて効率良く熱回収をすることができ、従前のものに比べて省エネルギー化を図ることができる。

請求項２に係る発明によれば、インタークーラにより、吸収液を適宜冷却できるので吸収塔での吸収液による二酸化炭素ガスの吸収を促進することができる。また、吸収塔の発熱反応で生じて吸収液に受け渡された熱が、外部に漏出するのを抑制することが可能になり、更なる省エネルギー化を図ることができる。

請求項３に係る発明によれば、ヒートポンプに用いられる熱媒体を、まずインタークーラの低温熱源で加熱し、続いて第２吸収液供給路を流れる吸収液の高温熱源で加熱するので、効率のよい加熱が行なえ、この結果、更なる省エネルギー化を図ることができる。

請求項４に係る発明によれば、熱媒体が、所定のサイクルを繰り返すこととなり、第１吸収液供給路中のリッチ吸収液を加熱し、インタークーラ内の吸収液を冷却するとともに、第２吸収液供給路中のリーン吸収液を冷却する運転が可能になる。

請求項５に係る発明によれば、熱媒冷却式循環クーラにより、吸収液を適宜冷却できるので吸収塔での吸収液による二酸化炭素ガスの吸収を促進することができる。また、吸収塔の発熱反応で生じて吸収液に受け渡された熱が、外部に漏出するのを抑制することが可能になり、更なる省エネルギー化を図ることができる。

請求項６に係る発明によれば、二酸化炭素ガス吸収時のリッチ吸収液の温度を３５℃〜７０℃とし、二酸化炭素分離時のリーン吸収液の温度を９５℃前後に設定した、いわゆる低温領域での二酸化炭素ガス回収運転でも、二酸化炭素ガスの回収量を所定値以上例えば９０パーセントに高く維持することが可能になり、この結果、再生塔で吸収液を加熱するにあたり、工場内に配置される蒸気配管のスチームを介した排熱利用が行なることとなり、大幅な省エネルギー化を図ることができる。
また、前述の特定アミン水溶液を用いた低温領域での二酸化炭素ガス回収運転におけるヒートポンプの運転、つまり、例えば、吸熱が２５℃前後、発熱が１１０℃前後のヒートポンプの運転が可能となり、二酸化炭素ガス回収装置において外部からの入熱量を抑えて、省エネルギー化をより一層図ることができる。

本発明に係る二酸化炭素ガス回収装置の第１実施形態の概略図である。 本発明に係る二酸化炭素ガス回収装置の第２実施形態の概略図である。 本発明に係る二酸化炭素ガス回収装置の第３実施形態の概略図である。 本発明に係る二酸化炭素ガス回収装置の第４実施形態の概略図である。

〈第１実施形態〉
以下、図１を参照しながら本発明の実施形態に係る二酸化炭素ガス回収装置を説明する。
この二酸化炭素ガス回収装置は、二酸化炭素ガスを含有する処理対象ガスから二酸化炭素ガスを二酸化炭素化学吸収分離法によって吸収分離することで回収し、処理対象ガスから二酸化炭素ガスが分離されてなる脱炭酸ガスを生成する。この二酸化炭素化学吸収分離法には、二酸化炭素ガスを吸収可能な吸収液を用いる。この吸収液としては、例えば、７０℃以上の二酸化炭素分離工程での加熱温度領域（吸収液再生温度領域）において、温度が高くなるに従い温度変化に対する二酸化炭素吸収量の変化率が漸次低くなる特性を有する性質のもの、具体的にはＩＰＡＥの水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨの混合水溶液を用いる。

図１に示すように、二酸化炭素ガス回収装置１は、処理対象ガスと二酸化炭素ガスを吸収可能なリーン吸収液とを接触させ、処理対象ガス中の二酸化炭素ガスをリーン吸収液に吸収させてリッチ吸収液を生成する吸収塔２と、吸収塔２からリッチ吸収液が供給されるとともに、リッチ吸収液を加熱して二酸化炭素ガスを分離させることによりリッチ吸収液を再生してリーン吸収液とする再生塔３と、吸収塔２で二酸化炭素を吸収したリッチ吸収液を吸収塔２から再生塔３へ移送するリッチ供給路（第１吸収液供給路）４と、再生塔３で再生されて二酸化炭素を分離したリーン吸収液を再生塔３から吸収塔２へ移送するリーン供給路（第２吸収液供給路）５と、リーン供給路５を流れるリーン吸収液の熱を熱媒体を介して移動させて、その熱をリッチ供給路４を流れるリッチ吸収液を加熱する熱源として利用するヒートポンプ６とを備えている。

吸収塔２の塔底部２ａには、処理対象ガスを吸収塔２内に導入する導入路２ｄが設けられている。また、吸収塔２の塔頂部２ｂ内には、下方に向けてリーン吸収液を供給する第１ノズル７が配設されている。そして、吸収塔２における塔頂部２ｂと塔底部２ａとの間の塔中間部２ｃ内には、表面でリーン吸収液と処理対象ガスとを接触させる吸収塔充填物８が上下方向に間隔をあけて多段配設されている。

また吸収塔２の塔中間部２ｃには、吸収液を抜き出した後、この吸収液を再び吸収塔２内に戻す配管９が接続されており、この配管９には外部の冷熱を利用して吸収液を冷却するインタークーラ１０が設けられている。なお、図１ではインタークーラ１０が１つしか記載されていないが、インタークーラ１０は複数段配設される場合もある。
吸収塔２には、吸収塔２の塔頂部２ｂから脱炭酸ガスを導出する導出路１１Ａが設けられている。導出路１１Ａには脱炭酸ガスに含まれる吸収液を回収するため脱炭酸ガスを冷却する熱交換器１１Ｂが介在されている。

リッチ供給路４は、吸収塔２の塔底部２ａと、再生塔３の塔頂部３ｂ内に配設されて再生塔３内において下方に向けてリッチ吸収液を供給する第２ノズル１２と、を接続している。リッチ供給路４には、吸収塔２の塔底部２ａから第２ノズル１２にリッチ供給路４を通してリッチ吸収液を移送する図示せぬリッチ吸収液移送用ポンプが設けられている。

再生塔３における塔頂部３ｂと塔底部３ａとの間の塔中間部３ｃ内には、再生塔充填物１４が上下方向に間隔をあけて複数段（この実施形態では２段）配設されている。この再生塔充填物１４の表面を流下する吸収液は、再生塔３内を上昇する吸収液の溶質および溶媒（例えば、水）の蒸気分や、この蒸気分と二酸化炭素ガスとの混合ガスと気液接触する。

また再生塔３には、再生塔３から吸収液を導出して加熱し、再生塔３に再導入するリボイラー系統１５と、混合ガスを再生塔３から導出して冷却し、前記溶質および溶媒の蒸気分を凝縮させて凝縮液を再生塔３に再導入するとともに、未凝縮の二酸化炭素ガスを回収する混合ガス冷却系統１６と、が設けられている。

リボイラー系統１５は、再生塔３の塔底部３ａから延びる配管１８を備えており、この配管１８には吸収液を移送するための図示せぬポンプ、及び外部から供給される熱を熱源として吸収液を加熱するリボイラー本体１９がそれぞれ介在されている。リボイラー系統１５は、リボイラー本体１９で加熱された吸収液を、再生塔３の塔底部３ａへ再導入する。このとき、加熱された吸収液の一部がフラッシュし、吸収液の溶質および溶媒それぞれの一部が蒸気となる。

混合ガス冷却系統１６は、再生塔３の塔頂部３ｂから延びる配管２１を備える。配管２１には、再生塔３から導出される混合ガスを圧縮することで温度上昇させて昇温混合ガスとする図示せぬ混合ガスコンプレッサーと、昇温混合ガスを冷却させた後膨張させることで温度低下させる減圧・熱媒膨張弁と、混合ガスを温度低下させたときに生成される凝縮液と二酸化炭素ガスとを分離する気液分離器２２とを備える。気液分離器２２で分離された液は、配管２３を介して、塔頂部３ｂに配置された第３ノズル２４に戻される。また、気液分離器２２で分離された二酸化炭素ガスは配管２５を介して回収される。

リーン供給路５は、再生塔３の塔底部３ａと吸収塔２内の前記第１ノズル７とを接続しており、このリーン供給路５には、再生塔３の塔底部３ａから第１ノズル７にリーン供給路５を通してリーン吸収液を移送する図示せぬリーン吸収液移送用ポンプが設けられている。

前記ヒートポンプ６について説明すると、リッチ供給路４には熱媒加熱式熱交換器３０が介在されている。熱媒加熱式熱交換器３０は、リッチ供給路４中のリッチ吸収液と、圧縮させられて温度上昇した熱媒体との間で熱交換を行なうものである。リーン供給路５には熱媒冷却式熱交換器３１が介在されている。熱媒冷却式熱交換器３１は、リーン供給路５中のリーン吸収液と、膨張させられて温度降下した熱媒体との間で熱交換を行なうものである。

熱媒加熱式熱交換器３０と熱媒冷却式熱交換器３１とは、熱媒体を循環させる熱媒体循環路３２により接続されている。熱媒体循環路３２には、熱媒体を圧縮することで温度上昇させる熱媒コンプレッサー（圧縮機）３３、圧縮された熱媒体を膨張させることで温度低下させる熱媒膨張弁３４がそれぞれ介在されている。
熱媒体循環路３２内を流れる熱媒体は、熱媒コンプレッサー３３、熱媒加熱式熱交換器３０、熱媒膨張弁３４、熱媒冷却式熱交換器３１を順次通過するように繰り返し流れる。

ヒートポンプ６で用いられる熱媒体としては、例えば、再生塔３でリーン吸収液を再生させたときに残る熱を、熱媒冷却式熱交換器３１内で蒸発することにより蒸発潜熱として回収するとともに、熱媒加熱式熱交換器３０内で凝縮することにより凝縮熱を発生させ、この凝縮熱をリッチ供給路４中のリッチ吸収液を加熱するための熱源とすることが可能な流体、具体的には２種類以上の物質を混合した混合熱媒体が用いられる。この熱媒体には、２種類以上の炭化水素系の物質が混合されてなるものを用いることが好ましく、例えば、ペンタン、ブタン、ヘキサンのうち２種、あるいは３種が混合されてなるものが用いられる。

次に、以上のように構成された二酸化炭素ガス回収装置１の作用について説明する。
はじめに、吸収液の流れについて、吸収塔２を起点として説明する。
まず、吸収塔２では、塔底部２ａに供給された処理対象ガスが吸収塔内を上昇するとともに、塔頂部２ｂ内の第１ノズル７から供給されたリーン吸収液が内部を下降する。この過程で、処理対象ガスとリーン供給路５から供給されるリーン吸収液とが接触し、処理対象ガス中の二酸化炭素ガスがリーン吸収液に吸収されて発熱反応が生じる。

ここで、本実施形態では、吸収塔２の塔中間部２ｃ内に吸収塔充填物８が配設されている。この吸収塔充填物８は、例えば、多数の狭い隙間を持つフィン構成で、容積あたりのフィン表面積が大きく、また、その隙間は規則的に流路の角度が変化するように構成され、意図的に流れの乱れが起きるようになっている。吸収塔充填物８の表面では、吸収液がフィン上に濡れ壁をなして流下し、吸収塔２内を上昇する処理対象ガスと気液接触がなされる。また吸収塔充填物８は、濡れ壁の隙間が狭くかつ一定ピッチで進行角度が変化することで気液の流れを乱し、気液接触を効率化できる構造になっている。したがって、吸収塔充填物８の表面では、上昇する処理対象ガスと下降する吸収液とが接触し易く、吸収液による二酸化炭素ガスの吸収が促進される。

リーン吸収液が吸収塔２内を下降する際に、処理対象ガス中の二酸化炭素ガスを吸収するのに伴い発熱反応が生じ、該リーン吸収液の温度が上昇する。リーン吸収液は、吸収塔２の中央上部においてインタークーラ１０により温度が下げられる。
これにより、吸収塔２においてリッチ吸収液および脱炭酸ガスが生成される。これらのうち、脱炭酸ガスは、吸収塔２の塔頂部２ｂに向けて上昇し、導出路１１Ａを通して外部に導出される。

一方、脱炭酸ガスとともに生成されたリッチ吸収液は、吸収塔２内を下降して塔底部２ａに貯留される。そして、ここに貯留されたリッチ吸収液はリッチ供給路４を通して再生塔３の塔頂部３ｂ内の第２ノズル１２に供給される。
ここで本実施形態では、リッチ供給路４に熱媒加熱式熱交換器３０が介在しており、この熱媒加熱式熱交換器３０によってリッチ吸収液は、圧縮された熱媒体との間で熱交換されて適宜温度まで加熱される。

再生塔３内では、第２ノズル１２から供給されたリッチ吸収液が内部を下降するとともに、リボイラー系統１５によって加熱された吸収液が塔底部３ａから再導入される。このとき、加熱された吸収液の一部が蒸気発生部分でフラッシュし、吸収液の溶質および溶媒それぞれの一部が蒸気となり、また、再生された二酸化炭素がガスとなり、再生塔３内部を上昇する。この過程で、リッチ吸収液と前記溶質および溶媒の蒸気分とが接触し、前記溶質および溶媒の蒸気分の凝縮熱を熱源として、脱離再生の吸熱反応が起こり、リッチ吸収液から二酸化炭素ガスが分離される。

ここで、本実施形態では、再生塔３の塔中間部３ｃ内に再生塔充填物１４が配設されている。この再生塔充填物１４は、例えば、多数の狭い隙間を持つフィン構成で、容積あたりのフィン表面積が大きく、また、その隙間は規則的に流路の角度が変化するように構成され、意図的に流れの乱れが起きるようになっている。再生塔充填物１４の表面では、吸収液がフィン上に濡れ壁をなして流下し、再生塔３内を上昇する前記溶質および溶媒の蒸気分と接触し、表面積の大きさや流れの乱れによって効率的に気液接触がなされ、二酸化炭素の分離・放散が促進される。

これにより、リッチ吸収液が、リーン吸収液と二酸化炭素ガスとに分離される。これらのうち、二酸化炭素ガスは、前記溶質および溶媒の蒸気分と混合され混合ガスとなり、再生塔３内を上昇する。

この混合ガスは、再生塔３の塔頂から混合ガス冷却系統１６の配管２１に導入された後、この配管２１を通る過程で、まず図示せぬ混合ガスコンプレッサーによって圧縮されて温度上昇させられ昇温混合ガスとなる。その後、昇温混合ガスは、図示せぬ凝縮熱交換器で熱交換されることで冷却された後、減圧・熱媒膨張弁によって膨張させられて温度低下させられる。

そして、昇温混合ガス中の前記溶質および溶媒の蒸気分が凝縮されて凝縮液となり、この凝縮液と、二酸化炭素ガスを主体とした未凝縮の二酸化炭素主体ガスとが、気液分離器２２により分離される。そして凝縮液は、第３ノズル２４から再生塔３に再導入されるとともに、未凝縮の二酸化炭素主体ガスは、配管２５を通して回収される。

一方、再生塔３内を下降する吸収液は塔底部３ａに貯留された後、分離再生されたリーン吸収液として再生塔３から導出され、リーン供給路５を通して吸収塔２の塔頂部２ｂ内の前記第１ノズル７に供給される。このとき、リーン吸収液は、前記熱媒冷却式熱交換器３１で、膨張された熱媒体との間で熱交換されて適宜温度まで降下する。

ここで、本実施形態では、吸収液として、ＩＰＡＥの水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨの混合水溶液を用いている。そして、二酸化炭素ガス吸収時のリッチ吸収液の温度を３５℃プラスα（例えば）３５℃〜７０℃とし、二酸化炭素分離時のリーン吸収液の温度を９５℃前後に設定している。このように、吸収液として特殊なアミン水溶液を用いているため、この二酸化炭素ガス回収運転方法を、上述したような吸収液を３５℃〜７０℃として二酸化炭素ガスを吸収させ、同吸収液を９５℃前後として二酸化炭素ガスを分離させる、いわゆる低温度領域での二酸化炭素ガス回収運転でも、二酸化炭素ガスの回収量を所定値以上例えば９０パーセントに高く維持することが可能になる。

なお、図１に示すように、リーン供給路５を通して吸収塔２に導入されるリーン吸収液の温度は例えば３５℃、吸収塔２からリッチ供給路を通して払い出されるリッチ吸収液の温度は例えば３５℃〜７０℃に設定される。また、吸収塔２からインタークーラ１０へ導出される吸収液の温度は例えば３５℃〜７０℃、インタークーラ１０から吸収塔２内へ再導入される吸収液の温度は例えば３５℃に設定される。

また、リッチ供給路４を通して熱媒加熱式熱交換器３０に導入されるリッチ吸収液の温度は例えば３５℃〜７０℃、熱媒加熱式熱交換器３０からリッチ供給路４へ導出されるリッチ吸収液の温度は例えば９５℃に設定される。リーン供給路５を通して熱媒冷却式熱交換器３１に導入されるリーン吸収液の温度は例えば９５℃、熱媒冷却式熱交換器３１からリーン供給路５へ導出されるリーン吸収液の温度は例えば３５℃に設定される。

次に、ヒートポンプ６での熱媒体の流れについて、熱媒膨張弁３４を起点として説明する。
熱媒膨張弁３４で膨張させられて例えば２５℃まで温度降下した熱媒体は、熱媒冷却式熱交換器３１を移動しながら、リーン吸収液と熱交換することで、リーン吸収液を冷却しつつ、該リーン吸収液が二酸化炭素を分離するときに加熱されたときの残熱を受け取って蒸発して気化する。このときの温度は例えば８５℃になる。その後、熱媒体は熱媒コンプレッサー３３によって圧縮されて例えば気相の状態で１０５℃以上の所定温度まで上昇する。

そして温度上昇した熱媒体は、熱媒加熱式熱交換器３０を移動しながら、リッチ吸収液と熱交換することで、リッチ供給路４中のリッチ吸収液を９５℃になるまで加熱しつつ、その熱を奪われることで例えば１０５℃の液相へ変化する。
冷却された熱媒体は、再び熱媒膨張弁３４に至る。以上の経路を経て、熱媒体は熱媒体循環路３２内を循環し、リーン吸収液を適宜温度まで冷却しつつ、リッチ吸収液を適宜温度になるまで加熱する。

以上説明したように、本実施形態に係る二酸化炭素ガス回収装置１によれば、吸収液熱交換器を取り除き、代わりに、リーン供給路５中を流れるリーン吸収液の熱を熱媒体を介して移動させて、その熱をリッチ供給路４中を流れるリッチ吸収液を加熱する熱源として利用するヒートポンプ６を備える。このように、ヒートポンプ６の系統のみで熱回収を行なうので、装置構成の簡素化を図ることができ、この結果、設備コストの低減を図ることができる。
また、ヒートポンプを用いて熱回収を行なうので、単に熱交換器のみを用いて熱回収を行なう場合に比べて効率良く熱回収をすることができ、従前のものに比べて省エネルギー化を図ることができる。

加えて、本実施形態では、吸収液に、ＩＰＡＥの水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨの混合水溶液を用いており、このような吸収液は、温度変化に対する二酸化炭素吸収量の変化率が、７０℃以上の二酸化炭素分離工程での加熱温度領域（吸収液再生温度領域）において温度が高くなるに従い漸次低くなる特性を有し、この特性を利用することにより、二酸化炭素ガス吸収時のリッチ吸収液の温度を３５℃〜７０℃とし、二酸化炭素分離時のリーン吸収液の温度を９５℃前後に設定した、いわゆる低温領域での二酸化炭素ガス回収運転でも、二酸化炭素ガスの回収量を所定値以上例えば９０パーセントに高く維持することが可能になる。この結果、再生塔で吸収液を加熱するにあたり、工場内に配置される蒸気配管のスチームを介した排熱利用が行なることとなり、大幅な省エネルギー化を図ることができる。

加えて、前記ヒートポンプ６の熱媒体として２種類以上の炭化水素系の物質を混合した混合熱媒体を用いており、それら熱媒体の混合割合を適宜設定することにより、前述の特定アミン水溶液を用いた低温領域での二酸化炭素ガス回収運転におけるヒートポンプの運転、つまり、例えば、吸熱が２５℃前後、発熱が１０５℃以上（例えば１１０℃前後）のヒートポンプ運転が可能となる。
これにより、当該二酸化炭素ガス回収装置において外部からの入熱量を抑えることが可能になり、省エネルギー化を図ることができる。

〈第２実施形態〉
図２は本発明の二酸化炭素ガス回収装置の第２実施形態の概略図である。なお、説明の便宜上、この第２実施形態において前記第１実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。
第２実施形態の二酸化炭素ガス回収装置４０が前述した第１実施形態の二酸化炭素ガス回収装置と異なるところは、吸収塔２内において吸収液を冷却するインタークーラ１０で生じる熱を利用してリーン供給路５中を流れるリーン吸収液の残熱とともに、リッチ供給路４中を流れるリッチ吸収液を加熱する点である。

すなわち、この二酸化炭素ガス回収装置４０において、ヒートポンプ４３の熱媒体循環路４４は、熱媒体の流れを基準にして熱媒膨張弁３４の後段側で２系統に分岐される。それら２つ分岐路のうち一つの分岐路４４Ａはインタークーラ１０に接続され、残りの分岐路４４Ｂは熱媒冷却式熱交換器３１に接続される。その後、それら分岐路４４Ａ、４４Ｂは、熱媒コンプレッサー３３に至る前段階で一つの経路に統合され、それら分岐路中を流れる熱媒体が集合された状態で熱媒コンプレッサー３３に供給される。
なお、分岐路は、インタークーラ１０の数が増加する場合には、それに応じて増加する。

第２実施形態の二酸化炭素ガス回収装置４０によれば、熱媒膨張弁３４で膨張させられて例えば２５℃まで温度降下した熱媒体は、分岐路４４Ａ、４４Ｂを介して２つに分岐される。そのうちの一つの分岐路４４Ａを通過する熱媒体は、インタークーラ１０を移動しながらこのインタークーラ１０を流れるリーン吸収液と熱交換することで、リーン吸収液を３５℃〜７０℃から３５℃まで温度降下させ、熱媒体自体は２５℃〜６０℃まで温度上昇する。また、残りの分岐路４４Ｂを通過する熱媒体は、熱媒冷却式熱交換器３１を移動しながらリーン供給路５中を流れるリーン吸収液と熱交換することで、リーン吸収液を９５℃から３５℃まで温度降下させ、熱媒体自体は８５℃まで温度上昇する。

その後、それぞれ温度上昇された熱媒体は一つの配管に統合され、集合された状態で熱媒コンプレッサー３３に至り、圧縮されて１０５℃以上例えば１１０℃まで温度上昇する。そして温度上昇した熱媒体は、熱媒加熱式熱交換器３０を移動しながら、リッチ吸収液と熱交換することで、リッチ供給路４中のリッチ吸収液を９５℃になるまで加熱しつつ、その熱を奪われることで例えば１０５℃にまで冷却される。

冷却された熱媒体は、再び熱媒膨張弁３４に至る。以上の経路を経て、熱媒体は熱媒体循環路３２内を循環し、リーン吸収液を適宜温度まで冷却しつつ、リッチ吸収液を適宜温度になるまで加熱する。

この第２実施形態では、インタークーラ１０により、吸収塔２の吸収液を冷却した後に吸収塔２内に再導入することが可能になり、ヒートポンプ４３を介して、リッチ供給路４中のリッチ吸収液の冷熱を利用して吸収塔２内の吸収液を適宜冷却できるので、吸収塔２での吸収液による二酸化炭素ガスの吸収を促進することができるのは勿論のこと、インタークーラ１０で生じる熱を利用して、リッチ供給路４中を流れる吸収液を加熱することができ、吸収塔２の発熱反応で生じて吸収液に受け渡された熱が、外部に漏出するのを抑制することが可能になり、更なる省エネルギー化を図ることができる。

〈第３実施形態〉
図３は本発明の二酸化炭素ガス回収装置の第３実施形態の概略図である。なお、説明の便宜上、この第３実施形態において前記第１実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

第３実施形態の二酸化炭素ガス回収装置５０が前述した第２実施形態の二酸化炭素ガス回収装置４０と異なるところは、インタークーラ１０で生じる熱を利用して熱媒体を加熱し、この加熱した熱媒体を、リーン供給路５中を流れるリーン吸収液の熱を利用してさらに加熱する点、並びにリーン供給路５の吸収液の流れを基準にした熱媒冷却式熱交換器３１の後段側にリーンアミンクーラ５１を配設した点である。

すなわち、この二酸化炭素ガス回収装置５０において、ヒートポンプ５３の熱媒体循環路５４はインタークーラ１０に接続され、その後、熱媒冷却式熱交換器３１に接続される。
また、インタークーラ１０が多段になる場合には、熱媒膨張弁３４の後段側で複数系統に分岐され、それぞれがインタークーラに接続される。その後、熱媒冷却式熱交換器３１に至る前段階で一つの系統に統合される。

また、リーン供給路５における熱媒冷却式熱交換器３１より吸収塔２側に配設されたリーンアミンクーラ５１によって、熱媒冷却式熱交換器３１で冷却されたリーン吸収液の温度をさらに適宜温度まで降下させることが可能となる。

第３実施形態の二酸化炭素ガス回収装置５０によれば、熱媒膨張弁３４で膨張させられて例えば２５℃まで温度降下した熱媒体はインタークーラ１０を移動しながらこのインタークーラ１０を流れるリーン吸収液と熱交換することで、リーン吸収液を３５℃〜７０℃から３５℃まで温度降下させ、熱媒体自体は２５℃〜６０℃まで温度上昇する。

その後、温度上昇した熱媒体は熱媒冷却式熱交換器３１に致り、この熱媒冷却式熱交換器３１を移動しならリーン供給路５中を流れるリーン吸収液と熱交換することで、リーン吸収液を９５℃から３５℃〜７０℃まで温度降下させ、熱媒体自体は８５℃まで温度上昇する。

また、リーン供給路５中を流れるリーン吸収液は、熱媒冷却式熱交換器３１を移動する際前記熱媒体によって９５℃から３５℃〜７０℃まで温度降下させられ、ここからさらにリーンアミンクーラ５１まで移動し、このリーンアミンクーラ５１を移動する際に、さらに３５℃まで温度降下させられる。

この第３実施形態では、ヒートポンプ５３に用いられる熱媒体を、まず、インタークーラ１０で生じる熱を利用して加熱し、次に、リーン供給路５を流れるリーン吸収液の熱を利用して加熱している。ここで、リーン供給路５を流れるリーン吸収液の温度は、インタークーラ１０で利用できる吸収液の温度よりも高い。このように、ヒートポンプに用いられる熱媒体をまずインタークーラ１０の低温熱源で加熱し、続いて熱媒冷却式熱交換器３１の高温熱源で加熱するので、熱媒体を効率良く加熱することができる。この結果、更なる省エネルギー化を図ることができる。
なお、リーン供給路５を流れるリーン吸収液は熱媒冷却式熱交換器３１によって熱交換されたときに比較的高い温度までしか温度降下しないものの、その後、リーンアミンクーラ５１によって３５℃まで冷却されるのでなんら不具合が生じない。

〈第４実施形態〉
図４は本発明の二酸化炭素ガス回収装置の第４実施形態の概略図である。なお、説明の便宜上、この第４実施形態において前記第１実施形態および第３実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

第４実施形態の二酸化炭素ガス回収装置６０が前述した第３実施形態の二酸化炭素ガス回収装置５０と異なるところは、インタークーラ１０に代わり、吸収塔２内の吸収液を冷却する熱媒冷却式循環クーラ６１を備える点である。

すなわち、この二酸化炭素ガス回収装置６０において、吸収塔２から再生塔３へリッチ吸収液を供給（移送）するリッチ供給路４は熱媒加熱式熱交換器３０の手前で分岐されている。分岐された分岐配管４Ａは、熱媒冷却式循環クーラ６１を経由して、吸収塔２の高さ方向中央部に配設された、下方に向けてリーン吸収液を供給する第１ノズル６２に接続されている。ヒートポンプ６３の熱媒体循環路３２は、熱媒膨張弁３４と熱媒冷却式熱交換器３１との間で前記熱媒冷却式循環クーラ６１に接続されている。

第４実施形態の二酸化炭素ガス回収装置６０によれば、熱媒膨張弁３４で膨張させられて例えば２５℃まで温度降下した熱媒体は、熱媒冷却式循環クーラ６１を移動しながらこの熱媒冷却式循環クーラ６１を流れるリッチ吸収液と熱交換することで、リッチ吸収液を３５℃〜７０℃から３５℃まで温度降下させ、熱媒体自体は２５℃〜６０℃まで温度上昇する。このように温度上昇した熱媒体は、続いて熱媒冷却式熱交換器３１に至り、この熱媒冷却式熱交換器３１を移動しならリーン供給路５中を流れるリーン吸収液と熱交換することで、リーン吸収液を９５℃から３５℃〜７０℃まで温度降下させ、熱媒体自体は２５℃〜６０℃から８５℃まで温度上昇する。

また、リーン供給路５中を流れるリーン吸収液は、熱媒冷却式熱交換器３１を移動する際前記熱媒体によって９５℃から３５℃〜７０℃まで温度降下されるが、ここからリーンアミンクーラ５１に移動し、このリーンアミンクーラ５１を移動する際さらに３５℃まで温度降下する。

この第４実施形態では、ヒートポンプ６３に用いられる熱媒体を、熱媒冷却式循環クーラ６１を介して、吸収塔２の吸収液を冷却させた後に吸収塔２内に再導入することが可能になり、吸収液を適宜冷却できるので吸収塔２での吸収液による二酸化炭素ガスの吸収を促進することができる。
また、熱媒冷却式循環クーラ６１で生じる熱を、リッチ供給路４を流れるリッチ吸収液を加熱する熱源として利用することができ、吸収塔２の発熱反応で生じて吸収液に受け渡された熱が、外部に漏出するのを抑制することが可能になり、更なる省エネルギー化を図ることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
本実施形態では、この二酸化炭素ガスを吸収させる吸収液として、例えば、ＩＰＡＥの水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨの混合水溶液を用いているが、これに限られることなく、１級アミン水溶液あるいは２級アミン水溶液を用いても良い。

１ 二酸化炭素ガス回収装置
２ 吸収塔
３ 再生塔
４ リッチ供給路（第１吸収液供給路）
５ リーン供給路（第２吸収液供給路）
６ ヒートポンプ
３０ 熱媒加熱式熱交換器
３１ 熱媒冷却式熱交換器
３２ 熱媒体循環路
３３ 熱媒コンプレッサー（圧縮機）
３４ 熱媒膨張弁
４０ 二酸化炭素ガス回収装置
４３ ヒートポンプ
４４ 熱媒体循環路
５０ 二酸化炭素ガス回収装置
５１ リーンアミンクーラ
５３ ヒートポンプ
５４ 熱媒体循環路
６０ 二酸化炭素ガス回収装置
６１ 熱媒冷却式循環クーラ
６３ ヒートポンプ

Claims (4)

1. 二酸化炭素ガスを含有する処理対象ガスと吸収液とを接触させ、前記処理対象ガス中の前記二酸化炭素ガスを前記吸収液に吸収させる吸収塔と、
   前記吸収塔から前記供給される前記吸収液を加熱して前記吸収液から前記二酸化炭素ガスを分離させて前記吸収液を再生する再生塔と、
   を備えた二酸化炭素ガス回収装置において、
   前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液を前記吸収塔から前記再生塔へ移送する第１吸収液供給路と前記再生塔で再生されて二酸化炭素を分離した吸収液を前記再生塔から前記吸収塔へ移送する第２吸収液供給路との交差部分に介在されて、それら吸収液同士の熱交換を行なう吸収液熱交換器を有さず、
   代わりに、前記第２吸収液供給路を流れる吸収液の熱を熱媒体を介して移動させて、その熱を前記第１吸収液供給路を流れる吸収液を加熱する熱源として利用するヒートポンプを備え、
   前記ヒートポンプは、前記吸収塔において吸収液を冷却するインタークーラで生じる熱を利用して前記第２吸収液供給路を流れる吸収液の熱とともに、前記第１吸収液供給路を流れる吸収液を加熱することを特徴とする二酸化炭素ガス回収装置。
2. 前記ヒートポンプは、前記吸収塔において吸収液を冷却する前記インタークーラで生じる熱を利用して熱媒体を加熱し、該加熱した熱媒体を、前記第２吸収液供給路を流れる吸収液の熱を利用してさらに加熱することを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素ガス回収装置。
3. 前記ヒートポンプは、熱媒体を圧縮する圧縮機、前記第１吸収液供給路中に介在された熱媒加熱式熱交換器、圧縮された熱媒体を膨張する熱媒膨張弁、前記インタークーラ、前記第２吸収液供給路中に介在された熱媒冷却式熱交換器を、前記熱媒体が順次通過する熱媒体循環路を備えることを特徴とする請求項２に記載の二酸化炭素ガス回収装置。
4. 前記吸収液には、ＩＰＡＥの水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨの混合水溶液が用いられ、
   前記ヒートポンプの前記熱媒体として２種類以上の炭化水素系の物質を混合した混合熱媒体が用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二酸化炭素ガス回収装置。

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