JP6307279B2 - 二酸化炭素ガス回収装置及び回収方法 - 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及び回収方法に関する。

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、熱媒体を介して移動させ、再生塔でリッチ吸収液（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）から二酸化炭素ガスを分離させるときの吸熱反応の熱源として利用するヒートポンプを備え、このヒートポンプによって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効率良く運転するには、処理対象ガスからの二酸化炭素ガスの回収量を極力多くし、かつ熱エネルギー原単位を下げることが必要となる。このため、当該二酸化炭素ガス回収装置を実際に運転するには、使用する例えばアミン水溶液等の吸収液の特性を考慮し、二酸化炭素ガス吸収時のリーン吸収液の温度を６０℃前後とし、二酸化炭素分離時のリッチ吸収液の温度を１２０℃前後とするのが一般的であった。

しかしながら、リッチ吸収液の温度が１２０℃の場合、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えず、省エネルギー化を図る上で、リッチ吸収液の温度を下げて運転する要望があった。
なお、当該二酸化炭素ガス回収装置に組み込まれたヒートポンプを利用して熱回収することも考えられるが、ヒートポンプのみを用いて、リッチ吸収液を１２０℃まで上昇させることは困難であった。

発明者等は、鋭意研究した結果、特定のアミン水溶液が特有な特性、つまり、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することを見い出した。そして、この特定アミン水溶液を二酸化炭素ガスの吸収液として利用することにより、二酸化炭素ガス吸収時のリーン吸収液の温度を３５℃〜７０℃前後とし、二酸化炭素分離時のリッチ吸収液の温度を９０℃前後に設定しても、二酸化炭素ガスの回収量を所定値以上に高く維持することが可能になった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、二酸化炭素ガス吸収時のリーン吸収液の温度並びに二酸化炭素分離時のリッチ吸収液の温度を、従前のものよりそれぞれ低く設定した、いわゆる低温領域での二酸化炭素ガス回収運転において、外部からの入熱量を抑制してさらなる省エネルギー化を図ることができる二酸化炭素ガス回収装置及び回収方法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、前記吸収塔で前記吸収液が前記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、熱媒体を介して移動させ、前記再生塔でリッチ吸収液から前記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ヒートポンプと、を備えた二酸化炭素ガス回収装置であって、前記吸収液には、温度変化に対する二酸化炭素吸収量の変化率が、前記再生塔で前記吸収液から前記二酸化炭素ガスが分離する工程での７０℃以上の加熱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する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２０ｍｏｌ％のｎ―ブタンと８０ｍｏｌ％のｎ―ペンタンとを混合した混合熱媒体が用いられることを特徴とする。

また、本発明に係る二酸化炭素ガス回収方法は、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二酸化炭素ガス吸収工程と、前記二酸化炭素ガスを吸収させた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る二酸化炭素ガス分離工程と、前記二酸化炭素吸収工程で前記吸収液が前記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、前記二酸化炭素分離工程で前記吸収液から前記二酸化炭素ガスを分離させるときの吸熱反応の熱源として利用する熱回収工程と、を備える二酸化炭素ガス回収方法であって、前記吸収液として、温度変化に対する二酸化炭素吸収量の変化率が、７０℃以上の前記二酸化炭素ガス分離工程での加熱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するＩＰＡＥの水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨの混合水溶液を用い、前記ヒートポンプの前記熱媒体として２０ｍｏｌ％のｎ―ブタンと８０ｍｏｌ％のｎ―ペンタンとを混合した混合熱媒体を用いることを特徴とする。

この発明によれば、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いる。このような吸収液は、前述に紹介した特定のアミン水溶液であって、このアミン水溶液を用いることにより、二酸化炭素ガス吸収時のリッチ吸収液の温度を３５℃〜７０℃前後とし、二酸化炭素分離時のリーン吸収液の温度を９０℃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。
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℃〜６０℃、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。

また、この場合、熱媒体は炭化水素系の物質であって、入手が容易であり、しかも性能が安定しているので、ヒートポンプ用熱媒体として用いて好適である。

また、この場合、ペンタンとブタンいずれも、気体から液体あるいは液体から気体への相変化が円滑に行なわれるので、ヒートポンプ用熱媒体として用いて好適である。

前記吸収塔から前記再生塔に前記吸収液を供給する吸収液供給路を備え、前記吸収液供給路と前記ヒートポンプとの間には、前記吸収液と、膨張させられて温度低下した前記熱媒体との間で熱交換する第１熱交換器が介在していても良い。

この場合、吸収液供給路とヒートポンプとの間に、第１熱交換器が介在しているので、吸収液供給路側のリッチ吸収液と、ヒートポンプ側の熱媒体と、で熱交換することで、吸収塔の発熱反応で生じてリッチ吸収液に受け渡されたリッチ吸収液の熱を、熱媒体に受け取らせて熱媒体を加熱することができる。

前記吸収塔には、前記吸収塔における塔頂部と塔底部との間の塔中間部から前記吸収液を導出して冷却した後、前記塔中間部へ再導入するインタークーラ系統が設けられ、前記インタークーラ系統と前記ヒートポンプとの間には、前記吸収液と、膨張させられて温度低下した前記熱媒体との間で熱交換する第２熱交換器が介在していてもよい。

この場合、吸収塔にインタークーラ系統が設けられているので、塔中間部の吸収液を冷却した後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、インタークーラ系統とヒートポンプとの間に、第２熱交換器が介在しているので、インタークーラ系統側の吸収液と、ヒートポンプ側の熱媒体と、で熱交換することで、吸収液を冷却しつつ、熱媒体を加熱することができる。
これにより、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。

前記再生塔には、前記再生塔から吸収液を導出して加熱し、前記再生塔に再導入するリボイラー系統を備え、前記リボイラー系統と前記ヒートポンプとの間には、前記吸収液と、圧縮させられて温度上昇した前記熱媒体との間で熱交換する第３熱交換器が介在していてもよい。

この場合、リボイラー系統とヒートポンプとの間に、第３熱交換器が介在しているので、リボイラー系統側の吸収液と、ヒートポンプ側の熱媒体と、で熱交換することで、熱媒体の熱を、吸収液に受け取らせて吸収液を加熱することができる。
これにより、リボイラー系統での外部からの入熱量をより抑え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１に係る発明及び請求項７に係る発明によれば、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る。

請求項２に係る発明によれば、熱媒体は炭化水素系の物質であって、入手が容易であり、しかも性能が安定しているので、ヒートポンプ用熱媒体として好適な熱媒体を得ることができる。

請求項３に係る発明によれば、ペンタンとブタンいずれも、相変化が円滑に行なわれるので、ヒートポンプ用熱媒体として好適な熱媒体を得ることができる。

請求項４に係る発明によれば、吸収液供給路側のリッチ吸収液と、ヒートポンプ側の熱媒体と、で熱交換することで、吸収塔の発熱反応で生じてリッチ吸収液に受け渡されたリッチ吸収液の熱を、熱媒体に受け取らせて熱媒体を加熱することができ、外部からの入熱量を抑制して更なる省エネルギー化を図ることができる。

請求項５に係る発明によれば、塔中間部の吸収液を冷却した後に再導入することが可能になり、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、インタークーラ系統とヒートポンプとの間に、第２熱交換器が介在しているので、インタークーラ系統側の吸収液と、ヒートポンプ側の熱媒体と、で熱交換することで、吸収液を冷却しつつ、熱媒体を加熱することができる。これにより、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、リボイラー系統側の吸収液と、ヒートポンプ側の熱媒体と、で熱交換することで、熱媒体の熱を、吸収液に受け取らせて吸収液を加熱することができる。これにより、リボイラー系統での外部からの入熱量をより抑え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。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る。

本発明の実施形態に係る二酸化炭素ガス回収装置の概略図である。 ２０ｍｏｌ％のｎ―ブタンと８０ｍｏｌ％のｎ―ペンタンを混合した熱媒体の特性図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る二酸化炭素ガス回収装置及び二酸化炭素ガス回収方法を説明する。
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、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の混合水溶液を採用する。

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ーン吸収液を再生する再生塔３と、吸収塔２から再生塔３にリッチ吸収液を供給するリッチ供給路４と、再生塔３から吸収塔２にリーン吸収液を供給するリーン供給路５と、吸収塔２でリーン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熱媒体を介して移動させ、再生塔３でリッチ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。
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９が設けられている。導出路９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１０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から再導入する。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・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。
また、リーン供給路５とリッチ供給路４との間には、リーン吸収液とリッチ吸収液とで熱交換するアミン熱交換器２６が介在されている。
また、リーン供給路５におけるアミン熱交換器２６より吸収塔２側には、アミン熱交換器で冷却されたリーン吸収液の温度をさらに下降させるためのリーンアミンクーラ２７が配設されている。

ヒートポンプ６について説明すると、リッチ供給路４におけるアミン熱交換器２６より吸収塔２側にはリッチアミン熱交換器（第１熱交換器）２９が配設されている。
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１内に戻す配管３０が接続されており、この配管３０には、熱媒体を用いて吸収液を冷却する熱媒冷却式のインタークーラ（第２熱交換器）３１が設けられている。
なお、インタークーラ３１は２段以上取り付けられる場合もある。その場合、熱媒膨張弁４５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３１に接続される。その後、熱媒冷却式熱交換器４２に至る前で一つの経路に統合される。

配管３０及びインタークーラ３１は、吸収塔２内の吸収液を導出して冷却した後、吸収塔２へ再導入するインタークーラ系統３４を構成する。
一方、前記リボイラー系統１５の配管１８には、リボイラー本体１９を通過した後の吸収液をさらに加熱するための熱媒加熱式熱交換器（第３熱交換器）３６が設けられている。

ここで、前記リッチアミン熱交換器２９は、前記吸収塔２から払い出されたリッチ吸収液と、膨張させられて温度低下した熱媒体との間で熱交換を行なう。
前記インタークーラ３１は、吸収塔２から導出された吸収液と、膨張させられて温度低下した前記熱媒体との間で熱交換を行なう。
また、熱媒加熱式熱交換器３６は、再生塔から導出された吸収液と、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。

前記リッチアミン熱交換器２９、インタークーラ３１は、それぞれ分岐配管４０ａ、４０ｂに介在され、分岐配管４０ａ、４０ｂは配管４１に接続されている。配管４１には、熱媒体を加熱するための熱媒ヒータ４２、並びに熱媒ヒータ４２の熱媒体移送方向下流側に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４３がそれぞれ介在されている。熱媒ヒータ４２は、熱媒コンプレッサー４３により圧縮される熱媒体の温度が所定温度例えば１１０℃となるよう、圧縮される前の熱媒体を予め加熱する。

配管４１には、熱媒コンプレッサー４３より熱媒体移送方向下流側に前記熱媒加熱式熱交換器３６が介在されている。
また、配管４１には、熱媒加熱式熱交換器３６よりさらに熱媒体移送方向下流側に熱媒クーラ４４が介在され、熱媒クーラ４４より熱媒体移送方向下流側に配管４１内の熱媒体を膨張させることで温度低下させる熱媒膨張弁４５が介在されている。
熱媒クーラ４４は、熱媒膨張弁４５により膨張される熱媒体の温度が所定温度例えば２０℃〜３０℃となるよう、膨張される前の熱媒体を予め冷却するものである。
なお、熱媒膨張弁４５が介在された配管４１の熱媒体移送方向下流側は、前記分岐配管４０ａ、４０ｂに分岐している。

ヒートポンプ６で用いられる熱媒体としては、例えば、吸収塔２での発熱反応で生じる熱を、リッチアミン熱交換器２９、インタークーラ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３６内で凝縮することにより凝縮熱を発生させ、この凝縮熱を再生塔３での吸熱反応の熱源とさせ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。
具体的な熱媒体例としては、２０ｍｏｌ％のｎ―ブタンと８０ｍｏｌ％のｎ―ペンタンを混合したものが挙げられる。この熱媒体の特性を図２に示す。

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。
これにより、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９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に貯留された後、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、リーン供給路５とリッチ供給路４との間にアミン熱交換器２６が介在しており、リッチ吸収液は、リーン供給路５側の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・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、前記アミン熱交換器２６で、リッチ供給路４側のリッチ吸収液と熱交換することで、リッチ吸収液を予熱しつつ冷却される。このことにより、再生塔３側から見た場合、リーン吸収液が外部に持ち出す熱を、外部から供給されるリッチ吸収液の予熱として、熱回収することができる。

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℃〜７０℃とし、二酸化炭素分離時のリーン吸収液の温度を９０℃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９０℃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℃、吸収塔２からインタークーラ系統３４へ導出される吸収液の温度は例えば３５℃〜７０℃、インタークーラ系統３４から吸収塔２内へ導入される吸収液の温度は例えば３５℃に設定される。
また、リーン供給路５を通してアミン熱交換器２６に導入されるリーン吸収液の温度は例えば４５℃、アミン熱交換器２６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９０℃、リッチ供給路４を通してリッチアミン熱交換器２９を経てアミン熱交換器２６に導入されるリッチ吸収液の温度は例えば３５℃、アミン熱交換器２６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８０℃に設定される。
また、再生塔３から配管１８を通して導出される吸収液の温度は例えば９０℃、リボイラー本体１９及び熱媒加熱式熱交換器３６を経て配管１８を通して再生塔３へ再び導入される吸収液の温度は例えば１００℃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４５を起点として説明する。熱媒体としては、前述した２０ｍｏｌ％のｎ―ブタンと８０ｍｏｌ％のｎ―ペンタンを混合したものを用いるものとする。
熱媒膨張弁４５で圧力を１００〜３００ｋＰａＡまで減圧することで、熱媒体は膨張させられて例えば２５℃〜６０℃まで温度低下する。そして、この温度低下した熱媒体は、配管４１から分岐した分岐配管４０ａ、４０ｂを通過する際に、リッチアミン熱交換器（第１熱交換器）２９、インタークーラ３１内をそれぞれ移動しながら、吸収液と熱交換することで、潜熱を利用して３５℃〜７０℃の吸収液を冷却しつつ、吸収液が二酸化炭素を化学吸収する際に発生する発熱反応の熱を受け取り蒸発して気化する。その後、熱媒体は、再び配管４１に集合し、この配管４１を通って熱媒ヒータ４２によりさらに加熱される。次いで、熱媒体は熱媒コンプレッサー４３によって例えば１０００ｋＰａＡまで圧縮されて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３６内を移動しながら、吸収液と熱交換することで、リボイラー本体１９により例えば９５℃まで加熱された吸収液を、潜熱を利用してさらに１００℃になるまで加熱しつつ、その熱を吸熱反応の熱源として消費させることで例えば１００℃にまで冷却される。
冷却された熱媒体は、熱媒クーラ４４によってさらに冷却された後、再び熱媒膨張弁４５に至り、該熱膨張弁４５で１００〜３００ｋＰａＡまで減圧されることで、２５℃〜６０℃まで温度が下げられる。以上の経路を経て、熱媒体は配管４１内を循環し、吸収塔２にて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熱媒体を介して移動させて、その熱を再生塔３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している。

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、上述したように吸収液を３５℃〜７０℃として二酸化炭素ガスを吸収させ、同吸収液を９０℃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において、ヒートポンプ６の熱媒体として２種類以上の物質を混合した混合熱媒体を用いているため、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℃〜６０℃、発熱が１１０℃前後のヒートポンプの運転が可能となり、結果的に、省エネルギー化を図ることができる。

また、ヒートポンプ６の混合熱媒体として、２種類以上の炭化水素系の物質を混合したものを用いる場合、個々の熱媒体は、入手が容易であり、しかも性能が安定しているので、ヒートポンプ用熱媒体として用いて好適である。
また、ヒートポンプ６の混合熱媒体として、ペンタンとブタンとが混合されてなるものを用いる場合、ペンタンとブタンいずれも、相変化が円滑に行なわれるので、ヒートポンプ用熱媒体として用いて好適である。

また、本実施形態の場合、吸収塔２から再生塔３にリッチ吸収液を供給するリッチ供給路４を備え、リッチ供給路４とヒートポンプ６との間に、吸収液と、膨張させられて温度低下した熱媒体との間で熱交換するリッチアミン熱交換器２９を介在させているので、リッチ供給路４側のリッチ吸収液と、ヒートポンプ６側の熱媒体とで熱交換することで、吸収塔２の発熱反応で生じてリッチ吸収液に受け渡されたリッチ吸収液の熱を、熱媒体に受け取らせて熱媒体を加熱することができる。

また、吸収塔２に、吸収塔２における塔中間部２ｃから吸収液を導出して冷却した後、塔中間部へ再導入するインタークーラ系統３４を設けているので、塔中間部２ｃの吸収液を冷却した後に再導入することが可能になり、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。
これらインタークーラ系統３４とヒートポンプ６との間にインタークーラ３１を設けているので、インタークーラ系統３４側の吸収液と、ヒートポンプ６側の熱媒体とで熱交換させることで、吸収液を冷却しつつ、熱媒体を加熱することができる。
これにより、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、再生塔３に、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を備え、リボイラー系統１５とヒートポンプ６との間に、吸収液と、圧縮させられて温度上昇した前記熱媒体との間で熱交換する熱媒加熱式熱交換器３６を介在しているので、リボイラー系統１５側の吸収液と、ヒートポンプ６側の熱媒体と、で熱交換することで、熱媒体の熱を、吸収液に受け取らせて吸収液を加熱することができる。
これにより、リボイラー系統１５での外部からの入熱量をより抑え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、吸収塔２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ヒートポンプ６の熱媒体を介して熱回収するときに、リッチアミン熱交換器２９、インタークーラ３１の熱交換器を用いているが、これら熱交換器は必ずしも必要ではなく、熱交換器のうち少なくとも一つあれば足りる。

また、本実施形態では、吸収塔２での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３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例として、リボイラー系統１５に設けた熱媒加熱式熱交換器３６を利用しているが、これに限られることなく、リボイラー系統１５とは別系統で再生塔３内の吸収液を加熱する加熱系統を設け、この加熱系統によって再生塔３内の吸収液を加熱してもよい。

１ 二酸化炭素ガス回収装置
２ 吸収塔
２ａ 塔底部
２ｂ 塔頂部
２ｃ 塔中間部
３ 再生塔
４ リッチ供給路（吸収液供給路）
５ リーン供給路（吸収液供給路）
６ ヒートポンプ
１２ 第２ノズル
１５ リボイラー系統
１９ リボイラー本体
２４ 第３ノズル
２６ アミン熱交換器
２９ リッチアミン熱交換器（第１熱交換器）
３１ インタークーラ（第２熱交換器）
３６ 熱媒加熱式熱交換器（第３熱交換器）
４２ 熱媒ヒータ
４３ 熱媒コンプレッサー
４４ 熱媒クーラ
４５ 熱媒膨張弁

Claims (5)

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、
   前記吸収塔で前記吸収液が前記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熱媒体を介して移動させて、その熱を前記再生塔で吸収液から前記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ヒートポンプと、
   を備えた二酸化炭素ガス回収装置であって、
   前記吸収液には、温度変化に対する二酸化炭素吸収量の変化率が、前記再生塔で前記吸収液から前記二酸化炭素ガスが分離する工程での７０℃以上の加熱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する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２０ｍｏｌ％のｎ―ブタンと８０ｍｏｌ％のｎ―ペンタンとを混合した混合熱媒体が用いられることを特徴とする二酸化炭素ガス回収装置。
2. 前記吸収塔から前記再生塔に前記吸収液を供給する吸収液供給路を備え、
   前記吸収液供給路と前記ヒートポンプとの間には、前記吸収液と、膨張させられて温度低下した前記熱媒体との間で熱交換する第１熱交換器が介在してい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. 前記吸収塔には、前記吸収塔における塔頂部と塔底部との間の塔中間部から前記吸収液を導出して冷却した後、前記塔中間部へ再導入するインタークーラ系統が設けられ、
   前記インタークーラ系統と前記ヒートポンプとの間には、前記吸収液と、膨張させられて温度低下した前記熱媒体との間で熱交換する第２熱交換器が介在していることを特徴とする請求項１または２に記載の二酸化炭素ガス回収装置。
4. 前記再生塔には、前記再生塔から吸収液を導出して加熱し、前記再生塔に再導入するリボイラー系統を備え、
   前記リボイラー系統と前記ヒートポンプとの間には、前記吸収液と、圧縮させられて温度上昇した前記熱媒体との間で熱交換する第３熱交換器が介在していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の二酸化炭素ガス回収装置。
5. 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二酸化炭素ガス吸収工程と、
   前記二酸化炭素ガスを吸収させた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る二酸化炭素ガス分離工程と、
   前記二酸化炭素吸収工程で前記吸収液が前記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、前記二酸化炭素分離工程で前記吸収液から前記二酸化炭素ガスを分離させるときの吸熱反応の熱源として利用するヒートポンプを用いた熱回収工程と、
   を備える二酸化炭素ガス回収方法であって、
   前記吸収液として、温度変化に対する二酸化炭素吸収量の変化率が、７０℃以上の前記二酸化炭素ガス分離工程での加熱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するＩＰＡＥの水溶液またはＩＰＡＥとＴＭＤＡＨの混合水溶液を用い、
   前記ヒートポンプの前記熱媒体として２０ｍｏｌ％のｎ―ブタンと８０ｍｏｌ％のｎ―ペンタンとを混合した混合熱媒体を用いることを特徴とする二酸化炭素の回収方法。

Images