JP6830413B2 - 二酸化炭素の回収設備、及び、二酸化炭素の回収方法 - Google Patents

Description

本開示は、二酸化炭素の回収設備、及び、二酸化炭素の回収方法に関する。

高炉ガス、ボイラ排ガス、天然ガス等から二酸化炭素を回収する技術として化学吸収法が知られている。化学吸収法では、吸収塔においてアミン水溶液と混合ガスとを接触させて、アミン水溶液中に二酸化炭素を吸収させる。この二酸化炭素を吸収したアミン水溶液を再生塔で加熱して二酸化炭素を放出させ、二酸化炭素とアミン水溶液とを分離する。二酸化炭素を分離することによって再生されたアミン水溶液は循環使用される。（例えば、特許文献１参照）

このように、化学吸収法では、アミン水溶液の加熱及び冷却によってガスに含まれる二酸化炭素を回収する。このため、二酸化炭素の回収設備では、加熱のための熱源としてボイラで発生した水蒸気（スチーム）が使用され、冷却のために冷却水が使用される。

特許第５２７２０９９号公報

化学吸収法による二酸化炭素の回収設備は、アミン水溶液等の流体を熱交換器等の冷却器で冷却するために多量の冷却水を用いる。冷却水は、水の有効利用を図るため、冷却塔などで冷却して循環使用することが考えられる。ここで、通常の開放型の冷却塔を用いると、冷却の際に水の一部が蒸発する。また、循環使用する場合、冷却水の水質維持のために、循環水の一部を排出し補給水で置換する必要がある。しかしながら、特に水資源に乏しい地域では、補給水の確保に制約が生じることが懸念される。

そこで、本発明は、一つの側面において、冷却水の補給量を十分に低減することが可能な二酸化炭素の回収設備を提供する。本発明は、別の側面において、冷却水の補給量を十分に低減することが可能な二酸化炭素の回収方法を提供する。

本発明は、一つの側面において、二酸化炭素を含むガスを吸収液に吸収させる吸収装置と、吸収液を水蒸気との熱交換で加熱する加熱器を有し、吸収液を再生して二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生装置と、を備える二酸化炭素の回収設備であって、再生した吸収液及び処理ガスの少なくとも一方を冷却する冷却器と、冷却器からの冷却水と再生装置の加熱器からの凝縮水とを回収し、回収した冷却水及び凝縮水を循環水として冷却器に供給する水循環装置を備え、水循環装置は、冷却塔と、冷却塔で冷却された循環水の少なくとも一部を浄水と濃縮水とに分離して浄水を循環水とする浄水器と、加熱器からの凝縮水を濃縮水で冷却する第１熱交換器と、を備える。

吸収装置及び再生装置の冷却器で熱交換した冷却水は、熱交換前に比べて高い温度を有する。このため、熱交換後の冷却水は冷却塔で冷却する必要がある。ここで、冷却塔での冷却の際、水分の蒸発によって不純物が濃縮する傾向にある。また、加熱器からの凝縮水は、通常、熱交換後の冷却水よりも高い温度を有するため、凝縮水を循環すると、冷却塔の負荷が増大し、不純物の濃縮が一層進行する傾向にある。そこで、上記水循環装置では、冷却塔で冷却された冷却水を浄水と濃縮水とに分離する浄水器と、凝縮水を濃縮水で冷却する第１熱交換器とを備える。浄水器で分離された浄水を循環水にするとともに不純物が濃縮された濃縮水で凝縮水を冷却することによって、循環水の水質を維持しつつ、冷却塔の負荷を軽減することができる。したがって、冷却塔での水分の蒸発量を低減することが可能となり、その結果、水循環装置への補給水量を十分に低減することができる。

上述の水循環装置は、再生装置の下流側において処理ガスから分離される分離水を回収し、分離水を循環水として冷却器に供給するように構成されることが好ましい。これによって、分離水を循環水として再利用することが可能となり、水循環装置への補給水量を一層低減することができる。

上述の二酸化炭素の回収設備は、処理ガスに含まれる不純物を低減し、処理ガスよりも不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る精製装置を備えていてもよい。この場合、水循環装置は、再生装置と精製装置の間において処理ガスから分離される分離水と、精製装置において二酸化炭素ガスから分離される分離水とを回収し、それぞれの分離水を循環水として冷却器に供給するように構成されることが好ましい。これによって、それぞれの分離水を循環水として再利用することが可能となり、水循環装置への補給水量をより一層低減することができる。また、純度の高い二酸化炭素ガスを回収することができる。

水循環装置は、加熱器からの凝縮水を分離水で冷却する第２熱交換器を備えることが好ましい。上記第２熱交換器を備えることによって、加熱器からの凝縮水の温度が一層低減され、冷却塔の負荷を一層軽減することができる。また、処理ガス及び二酸化炭素ガスから分離される分離水は、循環水よりも二酸化炭素の溶解量が高い。このような分離水が第２熱交換器で加熱されることから、分離水に溶解する二酸化炭素が低減される。したがって、第２熱交換器よりも下流側の配管の炭酸腐食を抑制することができる。

浄水器は逆浸透膜及びイオン交換膜の少なくとも一方を有していてもよい。逆浸透膜を有する浄水器であれば、補給水及び循環水の不純物濃度が高くても当該不純物の濃度を十分に低減することができる。また、ランニングコストを低減することができる。イオン交換膜を有する浄水器であれば、不純物イオンを十分に低減することができる。逆浸透膜及びイオン交換膜の両方を備える浄水器であれば、上述の効果を全て享受することができる。

上述の二酸化炭素の回収設備は、二酸化炭素を含むガスを吸収装置に導入する前に当該ガスとアルカリ水溶液とを接触させる脱硫塔と、脱硫塔の塔底液を冷却する第３熱交換器と、を備えていてもよい。第３熱交換器には、脱硫塔からの脱硫排水及び濃縮水の少なくとも一方を含む冷却液を導入してもよい。このような回収設備であれば、水循環装置への補給水量をより一層低減することができる。

本発明は、別の側面において、二酸化炭素を含むガスを吸収液に吸収させる吸収装置と、吸収液を水蒸気との熱交換で加熱する加熱器を有し、吸収液を再生して二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生装置と、を用いる二酸化炭素の回収方法であって、再生した吸収液及び処理ガスの少なくとも一方を冷却する冷却器からの冷却水と再生装置の加熱器からの凝縮水とを回収し、回収した冷却水及び凝縮水を循環水として冷却器に供給する水循環工程を備え、水循環工程は、循環水を冷却塔で冷却することと、冷却塔で冷却された冷却水の少なくとも一部を浄化して浄水と濃縮水とに分離し、浄水を循環水として用いることと、加熱器からの凝縮水を濃縮水で冷却することと、を有する、二酸化炭素の回収方法を提供する。

上記水循環工程では、冷却塔で冷却された循環水の少なくとも一部を浄化して浄水と濃縮水とに分離し、浄水を循環水として用いるとともに、凝縮水を濃縮水で冷却する。これによって、循環される循環水（冷却水）の水質を維持しつつ、冷却塔の負荷を軽減することができる。したがって、冷却塔での水分の蒸発量を低減することが可能となり、その結果、水循環装置への補給水量を十分に低減することができる。

本発明は、一つの側面において、冷却水の補給量を十分に低減することが可能な二酸化炭素の回収設備を提供することができる。本発明は、別の側面において、冷却水の補給量を十分に低減することが可能な二酸化炭素の回収方法を提供することができる。

一実施形態に係る二酸化炭素の回収設備を模式的に示す図である。 図１の二酸化炭素の回収設備における脱硫装置、吸収装置、再生装置及び精製装置の構成の一例を示す図である。 別の実施形態に係る二酸化炭素の回収設備を模式的に示す図である。 さらに別の実施形態に係る二酸化炭素の回収設備を模式的に示す図である。 図４の二酸化炭素の回収設備における脱硫装置、吸収装置、再生装置及び精製装置の構成の一例を示す図である。

以下、場合により図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態の二酸化炭素の回収設備１００を模式的に示す図である。回収設備１００の内容、及び回収設備１００を用いた二酸化炭素の回収方法を以下に説明する。

回収設備１００は、ボイラ等で発生する二酸化炭素を含む排ガスの脱硫を行う脱硫装置１５と、脱硫装置１５で脱硫された排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収装置２０と、吸収液を水蒸気との熱交換で加熱する加熱器３１を有し、吸収液を再生して二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生装置３０と、処理ガスに含まれる不純物を低減し、処理ガスよりも不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る精製装置４０と、水循環装置５０とを備える。

水循環装置５０は、吸収装置２０と再生装置３０の間、再生装置３０、精製装置４０、並びに、再生装置３０及び精製装置４０の間に、それぞれに設けられた冷却器６１，３５，６２，４５に冷却水ＣＷをそれぞれ供給するとともに、当該冷却器で使用された冷却水を回収して冷却し、冷却した循環水（冷却水）を冷却器６１，３５，６２，４５に再び供給する。すなわち、水循環装置５０は、冷却器６１，３５，６２，４５で用いられる冷却水を、循環供給する装置である。冷却器６１，３５，６２，４５で用いられた冷却水は、流路５０ａによって回収される。

水循環装置５０は、再生装置３０の加熱器３１からの凝縮水、再生装置３０と精製装置４０の間における冷却器６２の下流側において処理ガスから分離される第１分離水、及び、精製装置４０で二酸化炭素ガスから分離される第２分離水を、流路５３，６７，５９を介して回収し、各冷却器に循環供給可能なように構成される。このような水循環装置５０によって水循環工程を行うことができる。

再生装置３０の加熱器３１からの凝縮水は、流路５３を介して第２熱交換器５２及び第１熱交換器５１に導入される。一方、第１分離水及び第２分離水は、流路６７及び流路５９をそれぞれ流通した後、合流し、第２熱交換器５２に導入される。合流する前の第１分離水の温度は例えば３０〜５０℃であり、第２分離水の温度は例えば１０〜２０℃である。第１分離水と第２分離水の重量比は、例えば、第１分離水：第２分離水＝５：０．５〜２である。第２熱交換器５２の上流側において、凝縮水は、例えば９５〜１００℃の温度を有する。一方、第２熱交換器５２の上流側において、第１分離水及び第２分離水の合流水は、例えば３０〜４０℃の温度を有する。

凝縮水は、第２熱交換器５２において、第１分離水及び第２分離水の合流水との熱交換によって、例えば９０〜９９℃に冷却される（第１熱交換工程）。一方、第１分離水及び第２分離水の合流水は、第２熱交換器５２において、凝縮水との熱交換によって、例えば５０〜７０℃に加熱される。このような熱交換によって、合流水に溶解する炭酸ガスの溶解量を低減し、第２熱交換器５２よりも下流側の流路の炭酸腐食を低減することができる。表１に、各流体の温度の一例と、当該温度における炭酸ガスの溶解量を示す。

第２熱交換器５２における熱交換量は、合流水と凝縮水の重量比、及び合流水と凝縮水の第２熱交換器５２への供給温度によって変化する。合流水と凝縮水の重量比は、例えば、合流水：凝縮水＝１：１０〜２０である。

第２熱交換器５２において冷却された凝縮水は、続いて第１熱交換器５１に導入される。凝縮水は、第１熱交換器５１において、浄水器５６からの濃縮水との熱交換によって、例えば５５〜７０℃に冷却される（第２熱交換工程）。第１熱交換器５１における熱交換量は、凝縮水と濃縮水との重量比、及び凝縮水と濃縮水の第１熱交換器５１への供給温度によって変化する。凝縮水と濃縮水の重量比は、例えば、凝縮水：濃縮水＝１：０．５〜４である。

第２熱交換器５２及び第１熱交換器５１において、合流水及び濃縮水との熱交換によって冷却された凝縮水は、冷却塔５４に供給される。凝縮液は、冷却塔５４に供給される前に十分に冷却されていることから、凝縮液を回収することによる冷却塔５４の負荷の上昇を十分に抑制できる。そして、冷却塔５４において、水の蒸発を十分に低減することができる。したがって、冷却水（循環水）における不純物の濃縮が抑制されるとともに、水循環装置５０への補給水量を十分に低減することができる。

本実施形態では、凝縮水の流通方向でみたときに、第２熱交換器５２の方が第１熱交換器５１よりも上流側に設けられているが、これに限定されない。例えば、濃縮水によって冷却する第１熱交換器５１を、合流水によって冷却する第２熱交換器５２よりも上流側に設けてもよい。また、第２熱交換器５２では、第１分離水と第２分離水の両方を用いて凝縮水を冷却しているが、これに限定されない。第２熱交換器５２では、第１分離水と第２分離水のどちらか一方によって凝縮水を冷却してもよい。また、熱交換器を増設し、第１分離水と第２分離水のそれぞれと、凝縮水とを熱交換できるようにしてもよい。

第１熱交換器５１で冷却された凝縮水は、第２熱交換器５２で熱交換し、炭酸ガスの溶解量が低減された合流水とともに、例えば４５〜５５℃の温度で冷却塔５４に供給され、冷却される（冷却工程）。流路５０ａで回収された冷却水も、冷却塔５４に供給される。冷却塔５４としては、通常の開放型の冷却塔が挙げられる。冷却塔５４で例えば２０〜４０℃に冷却された循環水の一部は、流路５５を流通して浄水器５６に供給される。一方、循環水の他部は、脱硫装置１５、吸収装置２０、再生装置３０及び精製装置４０に備えられる冷却器６１，３５，６２，４５に供給され冷却水（循環水）として利用される。

浄水器５６は、循環水を浄化して、循環水よりも不純物が低減された浄水と、循環水よりも不純物が濃縮された濃縮水とに分離する。浄水は、流路５８を流通して冷却塔５４に回収され循環水として利用される。なお、浄水の温度は例えば２０〜４０℃であることから、別の幾つかの実施形態では、流路５８にポンプを設けて、浄水をそのまま冷却器６１，３５，６２，４５の少なくとも一つに供給してもよい。浄水及び濃縮水の不純物濃度、及び、浄水と濃縮水の分離割合に特に制限はなく、補給水及び循環水の水質、循環水の循環量に応じて調整してもよい。不純物としては、Ｋ^＋、Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｆｅ^３＋、Ａｌ^３＋などの陽イオン、及び、ＨＣＯ_３ ⁻，ＳＯ_４ ^２−、Ｃｌ⁻、ＮＯ_３ ^−、ＳｉＯ_３ ⁻等の陰イオンが挙げられる。

浄水器５６としては、通常の逆浸透膜を有するもの、及び／又は、イオン交換膜を有するものが挙げられる。逆浸透膜を有する浄水器であれば、補給水及び循環する冷却水の不純物濃度が高くても当該不純物の濃度を十分に低減することができる。また、ランニングコストを低減することができる。イオン交換膜を有する浄水器であれば、不純物イオンを十分に低減することができる。逆浸透膜及びイオン交換膜の両方を備える浄水器であれば、イニシャルコストが高くなる傾向にあるものの上述の効果を全て享受することができる。

浄水器５６で不純物が濃縮された２０〜４０℃の濃縮水は、流路５７を流通して第１熱交換器５１に導入される。第１熱交換器５１では、再生装置３０の加熱器３１からの凝縮水との熱交換によって、濃縮水は例えば５０〜７０℃に加熱される。その後、濃縮水は水循環装置５０の外部に排出される。

二酸化炭素の回収設備１００における水循環装置５０は、加熱器３１からの凝縮水を第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２で冷却して回収するとともに、第１分離水及び第２分離水も回収し、冷却器６１，３５，６２，４５に循環供給可能に構成されている。そして、水循環装置５０は、冷却塔５４で冷却された循環水の一部を浄水と濃縮水とに分離して浄水を循環水とする浄水器５６を備えることによって、冷却水ＣＷ（循環水）に不純物が濃縮することを抑制できる。

また、浄水器５６からの濃縮水、第１分離水及び第２分離水によって凝縮水を冷却していることから、冷却塔５４の負荷の増大を抑制するとともに、冷却塔５４における冷却水の蒸発量を低減することができる。したがって、水循環装置５０への補給水量を低減することができる。二酸化炭素の回収設備１００は、補給水量を０にすることも可能であることから、水資源に乏しい地域において特に有用である。

図１の二酸化炭素の回収設備１００を用いて、一実施形態に係る二酸化炭素の回収方法を行うことができる。すなわち、一実施形態に係る二酸化炭素の回収方法は、二酸化炭素を含むガスを脱硫する脱硫装置１５と、二酸化炭素を含むガスを吸収液に吸収させる吸収装置２０と、吸収液を加熱器３１で水蒸気との熱交換で加熱して吸収液を再生し二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生装置３０と、処理ガスよりも不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る精製装置４０を用いる。

この二酸化炭素の回収方法は、吸収装置２０と再生装置３０の間、再生装置３０、精製装置４０、並びに、再生装置３０及び精製装置４０の間に、それぞれに設けられた冷却器６１，３５，４５，６２からの冷却水と、再生装置３０の加熱器３１からの凝縮水とを回収し、回収した冷却水及び凝縮水を循環水として冷却器６１，３５，４５，６２に供給する水循環工程を備える。

水循環工程は、水循環装置５０によって行われる。水循環工程は、循環水を冷却塔５４で冷却することと（冷却工程）、冷却塔５４で冷却された循環水の少なくとも一部を浄化して浄水と濃縮水とに分離して、浄水を循環水として用いることと（浄水工程）、加熱器３１からの凝縮水を合流水で冷却することと（第１熱交換工程）、上記凝縮水を濃縮水で冷却することと（第２熱交換工程）を有する。これらの各工程は、上述の二酸化炭素の回収設備１００の説明内容に基づいて行うことができる。このような二酸化炭素の回収方法によれば、冷却に用いる補給水量を十分に低減することができる。

図２は、図１の二酸化炭素の回収設備１００における脱硫装置１５、吸収装置２０、再生装置３０及び精製装置４０の構成の一例を示す図である。

ボイラ等で生じる排ガスは、脱硫装置１５に導入される。脱硫装置１５において排ガスとアルカリ水溶液とが気液接触してアルカリ水溶液に硫黄酸化物等が吸収される。アルカリ水溶液の例としては、炭酸カルシウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化マグネシウム水溶液及びアンモニア水などが挙げられる。硫黄酸化物の吸収性能の観点から、水酸化ナトリウム水溶液を好ましく用いることができる。

脱硫装置１５には、脱硫塔内の温度を調節するために、水循環装置５０から冷却水ＣＷが供給されてもよい。この場合、脱硫装置１５で使用された冷却水ＣＷは、図１の流路５０ａを流通して水循環装置５０に回収されてもよい。

脱硫装置１５の下部からは、硫黄酸化物等を吸収したアルカリ水溶液が排出される。排出される脱硫排水中には、硫黄化合物及びアルカリに由来するイオンが多く含まれている。水質を維持する観点から、この排水は水循環装置５０に回収しないことが好ましい。

脱硫装置１５で処理された排ガスは、流路１８を流通して吸収装置２０に供給される。吸収装置２０及び再生装置３０は、化学吸収法によって二酸化炭素を回収する。吸収装置２０における吸収塔２０ａでは、排ガスと二酸化炭素を吸収する吸収液とを接触させて、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる。

流路１８は、吸収塔２０ａの下部に接続されている。一方、吸収塔２０ａの上部には、再生装置３０で二酸化炭素の含有量が十分に低減された吸収液を吸収塔２０ａ内に供給する流路３６ｃが接続されている。吸収液は、流路３６ｃを流通して、吸収塔２０ａ内に供給される。吸収液は、二酸化炭素を吸収する液体であり、例えばアミン水溶液である。アミン水溶液としては、例えば、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）、ＥＡＥ（エチルアミノエタノール）、ＩＰＡＥ（イソプロパアミノエタノール）、及びＴＭＤＡＨ（テトラメチルジアミノヘキサン）等の水溶液が挙げられる。

吸収塔２０ａでは、吸収液が降下するとともに排ガスが上昇する。これによって、吸収液と排ガスが向流接触して、排ガスに含まれる二酸化炭素が吸収液に吸収される。吸収液による二酸化炭素の吸収量は温度に依存する。このため、吸収塔２０ａ内の温度を調節することによって、吸収液による二酸化炭素の吸収量を調整することができる。吸収塔２０ａは、排ガスと吸収液との接触効率を高くする充填層を有していてもよい。充填層には、例えば、ラシヒリング等の充填物が充填される。複数の充填層の間には、図示しないトレイが設置されていてもよい。

吸収塔２０ａ内において、吸収液は排ガスと気液接触しながら降下して、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する。吸収塔２０ａ内の温度は、例えば吸収液の種類に応じて設定することが可能であり、例えば３０〜４０℃である。吸収塔２０ａ内の圧力は例えば０〜１．０ＭＰａである。

吸収塔２０ａにおいて、二酸化炭素が低減又は除去されたガス（オフガス）は、吸収塔２０ａの塔頂部に接続された流路２２によって、吸収塔２０ａから排出される。このガスは、流路２２を流通して洗浄塔８０に導入される。洗浄塔８０には、図示しない流路によって水が供給される。洗浄塔８０では、ガスと水とを接触させることによって、ガスに含まれる微量成分が除去される。洗浄塔８０で洗浄されたガスは、流路８２を通過した後、大気に放出されてもよいし、含有成分に応じて種々の用途に用いられてもよい。

吸収塔２０ａで二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）は、吸収塔２０ａの塔底部に溜められ、当該塔底部に接続された流路２４ａによって、吸収塔２０ａから３０〜４０℃で排出される。吸収塔２０ａから排出される吸収液は、ポンプを経由して熱交換器６５に導入される。ここで、再生塔３０ａから流路３６ａによって排出される吸収液（リーン液）と熱交換して例えば８０〜９０℃に加熱される。熱交換器６５で加熱された吸収液は、流路２４ｂを流通して再生塔３０ａに導入される。流路２４ｂは、再生塔３０ａの上部に接続されている。

再生装置３０は、吸収装置２０で得られた、二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）から二酸化炭素を分離して、吸収液を再生する。再生装置３０における再生塔３０ａは、液体と気体との分離を効率よく行うために充填層を備えていてもよい。充填層は、例えば、ラシヒリング等の充填物が充填されている。

再生塔３０ａに導入された吸収液は、再生塔３０ａ内を流下して、再生塔３０ａの塔底部又は塔底部付近に設けられたトレイ上に滞留する。再生塔３０ａの外部には、再生塔３０ａの塔底部又は塔底部付近に滞留する吸収液を加熱する加熱器３１が設けられている。吸収液は、流路３４ａを流通して加熱器３１に導入され、熱媒である水蒸気と熱交換して加熱される。吸収液は、加熱器３１によって、例えば８０〜１３０℃に加熱される。加熱器３１で加熱された吸収液は、流路３４ｂ又は流路３４ｃを流通して再生塔３０ａ内に戻る。

加熱器３１は、熱交換器であり、熱媒である水蒸気との熱交換を行うことによって吸収液を加熱する。水蒸気は、流路１６を流通して加熱器３１に供給される。水蒸気は、加熱器３１において熱交換によって冷却され凝縮水となる。凝縮水は、図１の流路５３によって水循環装置５０に回収される。

吸収液から分離された二酸化炭素を含むガスは、再生塔３０ａ内を上昇する。当該ガスは、処理ガスとして、再生塔３０ａの塔頂に接続された流路３２ａによって再生塔３０ａの外部に排出される。このようにして、原料ガスに含まれていた二酸化炭素が吸収液から分離され、吸収液が再生される。流路３２ａから排出される処理ガス中における二酸化炭素の濃度は、例えば９９体積％以上であり、好ましくは９９．９体積％以上である。

再生塔３０ａの塔底部には、二酸化炭素が低減された吸収液（リーン液）を再生塔３０ａから排出する流路３６ａが接続されている。吸収液（リーン液）は、流路３６ａを流通して熱交換器６５に導入され、吸収装置２０からの吸収液（リッチ液）との熱交換によって冷却される。その後、熱交換器６５で冷却された吸収液（リーン液）は、冷却器６１に導入され、例えば３０〜４０℃に冷却される。その後、吸収液（リーン液）は、流路３６ｃを流通して、吸収塔２０ａの上部に供給される。このように、吸収液は吸収塔２０ａと再生塔３０ａとの間を循環しながら使用される。

冷却器６１には、図１の水循環装置５０から冷却水ＣＷが供給される。冷却器６１では、冷却水ＣＷとの熱交換によって吸収液（リーン液）が冷却される。冷却器６１で吸収液（リーン液）を冷却した冷却水ＣＷは、図１の流路５０ａによって水循環装置５０に回収される。

処理ガスは、例えば８５〜９５℃の温度で再生塔３０ａの塔頂部から排出され、流路３２ａを流通して冷却器３５に導入される。冷却器３５は、図１の水循環装置５０から供給される冷却水ＣＷとの熱交換によって、処理ガスを例えば３０〜５０℃に冷却する。冷却器３５での冷却によって、処理ガスの一部は凝縮してもよい。ここで生じた凝縮液は、ポンプによって流路３２ｂを流通して、再生塔３０ａでリフラックスとして用いられる。冷却器３５で処理ガスを冷却した冷却水ＣＷは、図１の流路５０ａによって水循環装置５０に回収される。

冷却器３５で冷却された処理ガスの残部は流路３２ｃを流通して圧縮機６０に導入され、０．８〜１ＭＰａに昇圧されるとともに１００〜１５０℃に昇温される。圧縮機６０の下流側に設けられた冷却器６２では、冷却器６２に導入される冷却水ＣＷとの熱交換によって、圧縮機６０で昇圧及び昇温した処理ガスが例えば３０〜５０℃に冷却される。冷却器６２で処理ガスを冷却した冷却水ＣＷは、流路６７によって水循環装置５０に回収される。冷却器６２の冷却水ＣＷは、水循環装置５０から供給される。

冷却器６２での冷却に伴って、処理ガスに含まれる水分が凝縮する。処理ガスに同伴される水分は、分離器６６等を用いて処理ガスから分離される。このようにして分離された水（第１分離水）は、図１の流路５０ａによって、水循環装置５０に回収される。

冷却器６２で冷却された処理ガスは、熱交換器６３において、精製装置４０における不純物除去塔４２で得られた二酸化炭素ガスと熱交換して例えば１３０〜１５０℃に加熱される。熱交換器６３で加熱された処理ガスは、熱交換器６４で水蒸気と熱交換して、不純物除去塔４２での処理に適した温度（例えば１５０〜１７０℃）に加熱される。熱交換器６４で用いる熱媒は、水蒸気であってもよいし、熱媒油であってもよい。熱媒として水蒸気を用いる場合、熱交換によって生じる凝縮水は、図１の水循環装置５０に回収されてもよい。

熱交換器６４で加熱された処理ガスは、不純物除去塔４２に導入される。不純物除去塔４２では、処理ガスに含まれる不純物が除去される。不純物の例としては、ＮＯ_ｘ等の酸化物及び酸素が挙げられる。不純物除去塔４２の例としては、還元触媒が収容された触媒塔、及び、活性炭等の吸着剤が収容された吸着塔等が挙げられる。

不純物除去塔４２が触媒塔の場合、処理ガスが、水素雰囲気下で還元触媒と接触することで、処理ガスに含まれる不純物が低減され、二酸化炭素の純度が向上する。触媒塔で用いられる還元触媒としては、公知の脱酸素触媒を使用できる。例えば、担体に貴金属を担持させた触媒が挙げられる。担体の例としては、酸化アルミニウム及び酸化マグネシウムが挙げられる。貴金属の例としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及びこれらの合金が挙げられる。担体及び貴金属は、上述の一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせてもよい。

一方、不純物除去塔４２が吸着塔の場合、処理ガスが吸着剤と接触することで、処理ガスに含まれる不純物が低減され、二酸化炭素の純度が向上する。精製装置４０は、触媒塔及び吸着塔のどちらか一方を備えていてもよいし、両者を組み合わせて備えていてもよい。

不純物除去塔４２において、処理ガスから不純物が除去されて、二酸化炭素ガスが得られる。二酸化炭素ガスの純度は、例えば９９．９体積％以上である。なお、本明細書における「二酸化炭素ガス」は、処理ガスよりも二酸化炭素の純度が高ければよく、不純物を含んでいてもよい。本明細書における「体積％」は、標準状態（２５℃、１ｂａｒ）における体積比率である。

不純物除去塔４２で得られた二酸化炭素ガスは、流路４２ａを流通して、１５０〜１７０℃の温度で熱交換器６３に導入される。二酸化炭素ガスは、熱交換器６３で処理ガスと熱交換して例えば１３０〜１５０℃に冷却される。熱交換器６３で冷却された二酸化炭素ガスは、冷却器４５に導入される。二酸化炭素ガスは、冷却器４５において図１の水循環装置５０から供給される冷却水ＣＷと熱交換して例えば２０〜４０℃に冷却される。冷却器４５で二酸化炭素ガスを冷却した冷却水ＣＷは、図１の流路５０ａによって水循環装置５０に回収される。

冷却器４５において冷却された二酸化炭素ガスは、脱湿機４４に導入される。脱湿機４４には、ゼオライト等の吸着剤が収容されている。脱湿機４４では、二酸化炭素ガスが吸着剤に接触し、二酸化炭素ガスに含まれる水分等が低減される。脱湿機の温度又は圧力を調節することによって、吸着剤に一旦吸着された水は吸着剤から脱離される。これによって、二酸化炭素ガスに含まれる水を分離することができる。このようにして分離した水（第２分離水）は、流路５９によって、水循環装置５０に回収される。

脱湿機４４で脱湿された二酸化炭素ガスは、脱湿機４４において水分等が低減された後、脱臭塔４６に導入される。脱臭塔４６には、活性炭が収容されている。脱臭塔４６では、二酸化炭素ガスが活性炭に接触し、二酸化炭素ガスに含まれる臭気成分が低減される。臭気成分としては、例えば、不純物除去塔４２で生じる硫化水素、及び炭化水素等が挙げられる。

脱臭塔４６で脱臭された二酸化炭素ガスは、タンク等に移送されて保管される。このようにして得られる二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）は、不純物濃度が十分に低減されており、その純度は、例えば９９．９５体積％以上である。このような高純度の二酸化炭素ガスは、例えば飲料又は食料の用途にも好適に用いることができる。

表２に、水循環装置５０に補給される補給水と、浄水器５６で濃縮して排出される濃縮水と、脱硫装置１５で生じる排水（脱硫排水）の性状の一例を示す。

表２に示すとおり、濃縮水の不純物は補給水に対して３倍に濃縮される。このように浄水器５６で濃縮された濃縮水を排出することによって、循環水における不純物濃度が高くなることを抑制することができる。なお、濃縮の倍率は３倍に限定されず、例えば２〜５倍であってもよい。加熱器３１からの凝縮水は熱源として用いられた水蒸気に由来し、合流水（第１分離水＋第２分離水）は処理ガスに含まれる水分に由来するため、これらは補給水と同等の水質を有する。このため、凝縮水及び合流水を水循環装置５０に回収しても、循環水の水質を十分良好に維持することができる。

一方、脱硫排水は、アルカリ及び硫黄分を含有するため、補給水に比べて不純物濃度が高い。このため、本実施形態では、脱硫排水を水循環装置５０に回収することなく、排出している。これによって、濃縮水の排水量を低減して水循環装置５０への補給水をなくしても、循環水の水質を良好に維持することができる。このような観点から、水循環装置５０に回収される水の性状は、表２に示す陽イオンの合計及び陰イオンの合計が、それぞれ５００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。

以上、図２を参照しながら、二酸化炭素の回収設備１００における脱硫装置１５、吸収装置２０、再生装置３０及び精製装置４０の構成の一例を説明したが、各装置の構成は上述の実施形態に限定されない。例えば、脱硫装置１５、精製装置４０及び洗浄塔８０はなくてもよい。水循環装置５０は、冷却器６１，３５，６２，４５の全てに冷却水を供給し、回収することは必須ではなく、一部の冷却器には、別系統の水循環装置が冷却水を供給するとともに回収してもよい。また、一部の冷却器で用いた冷却水は回収せずに排出されてもよく、少なくとも一つの冷却器で用いた冷却水が回収されればよい。脱硫装置１５及び吸収装置２０が冷却器を備える場合、水循環装置５０から当該冷却器に冷却水を供給して回収してもよい。

図３は、別の実施形態に係る二酸化炭素の回収設備１０２を模式的に示す図である。回収設備１０２は、圧縮機６０から下流側の設備、すなわち、圧縮機６０、冷却器６２、分離器６６、精製装置４０及び第２熱交換器５２を備えない点で、回収設備１００と異なっている。回収設備１０２のその他の構成は、回収設備１００と同一であり、回収設備１００の説明内容を適用できる。回収設備１０２では、排ガスから、排ガスよりも高い二酸化炭素濃度を有する処理ガスが得られる。

二酸化炭素の回収設備１０２における水循環装置５０Ａは、加熱器３１からの凝縮水を第１熱交換器５１で冷却して回収し、冷却器６１，３５に循環供給可能に構成されている。そして、水循環装置５０Ａは、冷却塔５４で冷却された冷却水を浄水と濃縮水とに分離する浄水器５６を備えることによって、冷却水（循環水）に不純物が濃縮することを抑制できる。

第１熱交換器５１において、浄水器５６からの濃縮水によって凝縮水を冷却していることから、冷却塔５４の負荷の増大を抑制するとともに、冷却塔５４における冷却水の蒸発量を低減することができる。したがって、水循環装置５０Ａへの補給水量を低減することができる。二酸化炭素の回収設備１０２も、補給水量を０にすることができる。したがって、水資源に乏しい地域において特に有用である。

二酸化炭素の回収設備１０２を用いる二酸化炭素の回収方法は、第１熱交換工程を行わないこと以外は、二酸化炭素の回収設備１００を用いる二酸化炭素の回収方法と同様である。このときの水循環工程は、水循環装置５０Ａによって行うことができる。

図４は、さらに別の実施形態に係る二酸化炭素の回収設備を模式的に示す図である。図４の回収設備１０４は、脱硫装置１５Ａで得られる脱硫排水で加熱器３１からの凝縮水を冷却している点、及び、この脱硫排水と浄水器５６で得られる不純物が濃縮された濃縮水とを、脱硫装置１５Ａにおいて冷却液として用いる点で、回収設備１００と異なっている。回収設備１０４のその他の構成は、回収設備１００と同一である。

回収設備１０４では、脱硫装置１５Ａで得られる脱硫排水は流路１９Ａを流通して、流路５７を流通する濃縮水と合流する。脱硫排水の温度は例えば通常３５〜４５℃であり、濃縮水の温度は例えば２５〜３５℃である。合流した脱硫排水と濃縮水は、第１熱交換器５１に導入され、第２熱交換器５２で冷却された加熱器３１からの凝縮水をさらに冷却する。第１熱交換器５１で凝縮水を冷却した脱硫排水及び濃縮液は、流路７２を流通して脱硫装置１５Ａに冷却液として導入される。

回収設備１０４では、濃縮水及び脱硫排水を、脱硫装置１５Ａの冷却液として有効利用している。このため、脱硫装置１５Ａで冷却水ＣＷを用いて冷却し、当該冷却水ＣＷを水循環装置５０に回収する場合、冷却水ＣＷの使用量を低減することができる。したがって、水循環装置５０への補給水量を一層低減することができる。

回収設備１０４では、濃縮水と脱硫排水の両方を脱硫装置１５Ａの冷却液として用いているが、両方を冷却液として用いることは必須ではなく、どちらか一方のみを冷却液として脱硫装置１５Ａに導入してもよい。また、濃縮水と脱硫排水の合流位置は、第１熱交換器５１の上流側でなくてもよい。例えば、加熱器３１からの凝縮水の冷却よりも脱硫装置１５Ａにおける冷却を優先する場合は、第１熱交換器５１を流通した濃縮水に脱硫排水を合流させてもよい。濃縮水と脱硫排水とが合流する際の両者の重量比は、例えば、濃縮水：脱硫排水＝１：０．５〜２である。

二酸化炭素の回収設備１０４を用いる二酸化炭素の回収方法では、上記第２熱交換工程において、加熱器３１からの凝縮水を濃縮水及び脱硫排水の少なくとも一方を含む冷却液で冷却する。また、濃縮液及び脱硫排水の少なくとも一方を含む冷却液で脱硫装置における脱硫塔の塔底液を冷却する冷却工程を有する。これら以外の工程は、二酸化炭素の回収設備１００を用いる二酸化炭素の回収方法と同様である。この回収方法によれば、冷却水の消費量を低減することが可能になることから、水循環装置５０への補給水量を一層低減することができる。

図５は、図４における二酸化炭素の回収設備１０４における脱硫装置１５Ａ、吸収装置２０、再生装置３０及び精製装置４０の構成の一例を示す図である。図５の例は、脱硫装置１５Ａの点で図２の例と異なっている。すなわち、脱硫装置１５Ａ以外の構成は、図３の例と同一であり、図３の説明内容を適用できる。

脱硫装置１５Ａは、脱硫塔１５ａと、脱硫塔１５ａの塔底液の一部を循環させながら冷却する第３熱交換器７４と、塔底液の他部と空気又は酸素とを接触させる反応槽１７とを備える。脱硫塔１５ａには、アルカリ水溶液が図示しない流路によって供給される。脱硫塔１５ａにおいてアルカリ水溶液と排ガスが接触して、排ガス中の硫黄酸化物がアルカリ水溶液中に吸収され、塔底液として脱硫塔１５ａから排出される。アルカリ水溶液の例は上述したとおりである。

例えば４５〜５５℃の温度を有する塔底液の一部は、脱硫塔１５ａの内部の温度を所定の範囲に維持するために、第３熱交換器７４において３５〜４０℃に冷却される。冷却された塔底液は、脱硫塔１５ａの上部又は中央部に供給される。このように塔底液の一部を循環して冷却液として使用することによって、脱硫装置１５Ａに供給される排ガスの温度が高温（例えば１００〜１６０℃）であっても、脱硫装置１５Ａ内の温度を所定範囲に維持することができる。

塔底液の他部は、反応槽１７において空気又は酸素と接触する。空気は例えばブロアによって反応槽１７に供給されてもよい。反応槽１７では、例えば、亜硫酸塩が酸化されて相対的に環境負荷（ＣＯＤ）が低い硫酸塩となる。アルカリ水溶液が水酸化ナトリウム水溶液である場合、反応槽１７では、Ｎａ_２ＳＯ_３が酸化されてＮａ_２ＳＯ_４になる。このような塩を含む塔底液、すなわち脱硫排水は、流路１９を流通して図４の流路５７を流通する濃縮水と合流する。合流した濃縮水と脱硫排水を含む冷却液は、第３熱交換器７４に導入され、塔底液の一部を冷却する。第３熱交換器７４で塔底液の一部を冷却した冷却液は、硫酸塩を含む３５〜４５℃程度の廃液として系外に排出することができる。

第３熱交換器７４を設けた場合、水循環装置５０からの冷却水ＣＷのみで脱硫塔１５ａの温度を調整する場合に比べて、冷却塔５４への補給水量を約１０％低減することができる。濃縮水と脱硫排水を含む冷却液は硫酸塩等を含むため、第３熱交換器７４は、メンテナンスを容易にする観点から、プレート式熱交換器であることが好ましい。脱硫装置１７Ａは、塔底液の流通方向でみたときに、第３熱交換器７４に加えて、水循環装置５０からの冷却水で塔底液の一部を冷却する冷却器を第３熱交換器７４の上流側又は下流側に備えていてもよい。

以上、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、二酸化炭素の回収設備では、ボイラ等からの排ガスだけではなく、高炉ガス又は天然ガスから二酸化炭素を回収してもよい。二酸化炭素を含むガスの性状に応じて、脱硫装置を省略してもよい。また、図１又は図３の二酸化炭素の回収設備１００又は１０２が図５に示す脱硫装置１５Ａを備えていてもよい。

冷却水の補給量を十分に低減することが可能な二酸化炭素の回収設備及び二酸化炭素の回収方法が提供される。

１５，１５Ａ…脱硫装置、１５ａ…脱硫塔、１６，１８，１９，２２，２４ａ，２４ｂ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３６ａ，３６ｃ，４２ａ，５０ａ，５３，５５，５７，５８，５９，６７，７２，８２…流路、１７…反応槽、３５，４５，６１，６２…冷却器、２０…吸収装置、２０ａ…吸収塔、３０…再生装置、３０ａ…再生塔，３１…加熱器、４０…精製装置、４２…不純物除去塔、４４…脱湿機、４６…脱臭塔、５０，５０Ａ…水循環装置、５１…第１熱交換器、５２…第２熱交換器、５４…冷却塔、５６…浄水器、６０…圧縮機、６３，６４，６５…熱交換器、６６…分離器、７４…第３熱交換器、８０…洗浄塔、１００，１０２，１０４…回収設備。

Claims (7)

1. 二酸化炭素を含むガスを吸収液に吸収させる吸収装置と、前記吸収液を水蒸気との熱交換で加熱する加熱器を有し、前記吸収液を再生して前記二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生装置と、を備える二酸化炭素の回収設備であって、
   再生した前記吸収液及び前記処理ガスの少なくとも一方を冷却する冷却器からの冷却水と前記再生装置の前記加熱器からの凝縮水とを回収し、回収した前記冷却水及び前記凝縮水を循環水として前記冷却器に供給する水循環装置を備え、
   前記水循環装置は、冷却塔と、前記冷却塔で冷却された前記循環水の少なくとも一部を浄水と濃縮水とに分離して前記浄水を前記循環水とする浄水器と、前記加熱器からの前記凝縮水を前記濃縮水で冷却する第１熱交換器と、を備える、二酸化炭素の回収設備。
2. 前記水循環装置は、前記再生装置の下流側において前記処理ガスから分離される分離水を回収し、前記分離水を前記循環水として前記冷却器に供給するように構成される、請求項１に記載の二酸化炭素の回収設備。
3. 前記処理ガスに含まれる不純物を低減し、前記処理ガスよりも前記不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る精製装置を備え、
   前記水循環装置は、前記再生装置と前記精製装置の間において前記処理ガスから分離される分離水と、前記精製装置において前記二酸化炭素ガスから分離される分離水とを回収し、それぞれの前記分離水を前記循環水として前記冷却器に供給するように構成される、請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収設備。
4. 前記水循環装置は、前記加熱器からの前記凝縮水を前記分離水で冷却する第２熱交換器を備える、請求項２又は３に記載の二酸化炭素の回収設備。
5. 前記浄水器は逆浸透膜及びイオン交換膜の少なくとも一方を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の二酸化炭素の回収設備。
6. 二酸化炭素を含む前記ガスを前記吸収装置に導入する前に当該ガスとアルカリ水溶液とを接触させる脱硫塔と、前記脱硫塔の塔底液を冷却する第３熱交換器と、を備え、
   前記第３熱交換器には、前記脱硫塔からの脱硫排水及び前記濃縮水の少なくとも一方を含む冷却液を導入する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の二酸化炭素の回収設備。
7. 二酸化炭素を含むガスを吸収液に吸収させる吸収装置と、前記吸収液を水蒸気との熱交換で加熱する加熱器を有し、前記吸収液を再生して前記二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生装置と、を用いる二酸化炭素の回収方法であって、
   再生した前記吸収液及び前記処理ガスの少なくとも一方を冷却する冷却器からの冷却水と前記再生装置の前記加熱器からの凝縮水とを回収し、回収した前記冷却水及び前記凝縮水を循環水として前記冷却器に供給する水循環工程を備え、
   前記水循環工程は、
   前記循環水を冷却塔で冷却することと、
   前記冷却塔で冷却された前記循環水の少なくとも一部を浄化して浄水と濃縮水とに分離し、前記浄水を前記循環水として用いることと、
   前記加熱器からの前記凝縮水を前記濃縮水で冷却することと、を有する、二酸化炭素の回収方法。

Images