JPWO2014091590A1 - Co2回収装置及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
本発明によるCO2回収装置は、固体のCO2捕捉材を充填した捕捉材容器(1)、CO2捕捉材を加熱及び冷却する伝熱部(4)、捕捉材容器(1)にCO2含有ガスを導入する第1の配管(2a)、CO2捕捉材からCO2を脱離させるために伝熱部(4)に水蒸気を導入する第3の配管(2d)、伝熱部(4)に冷却水を導入する第5の配管(2e)、伝熱部(4)に水蒸気を導入した際に発生する凝縮水を伝熱部(4)から排出する第6の配管(2g)、及び第6の配管(2g)に流れる凝縮水の流量を制御する第1の弁(3g)を備えるCO2捕捉ユニット(6)と、伝熱部(4)から排出された凝縮水を貯留する貯留容器(5)と、貯留容器(5)から凝縮水を排出する第8の配管(2i)と、第8の配管(2i)に流れる凝縮水の流量を制御する第2の弁(3i)と、第8の配管(2i)を流れる凝縮水の流量を計測する流量計(9)とを備える。
Description
本発明は、CO2を含むガスから固体のCO2捕捉材を用いてCO2を回収するCO2回収装置とその運転方法に関する。
温室効果ガスの排出による地球温暖化が世界的な問題となっている。温室効果ガスには、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)、及びフロン類(CFCs)等がある。これらの中で地球温暖化に最も影響が大きいものはCO2であり、その排出量の削減が緊急の課題となっている。上記課題の解決策としては、化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、吸着分離法、及び深冷分離法などによるCO2分離回収技術がある。その他のCO2分離回収技術として、固体のCO2捕捉材を用いたCO2分離回収法が挙げられる。
CO2捕捉材を用いたCO2分離回収システムでは、CO2捕捉材を充填した捕捉材容器にCO2を含むガス(CO2含有ガス)を導入し、CO2捕捉材とCO2含有ガスとを接触させることでCO2を捕捉して除去する。その後、CO2捕捉材を加熱することで、捕捉したCO2を脱離させて回収する。CO2を脱離したCO2捕捉材は、冷却後にCO2含有ガスと接触させられ、CO2の捕捉除去に再び使用される。
特許文献1には、固体のCO2捕捉材を用いてCO2を除去する装置の例が記載されている。特許文献1に記載された炭酸ガス除去装置は、ゼオライトをCO2吸着剤とし、CO2吸着剤に除湿したCO2含有ガスを接触させることでCO2を吸着させた後、大気圧以上の凝縮水または水蒸気を用いて間接的にCO2吸着材を加熱してCO2を脱離させ、その後冷却水を流通させてCO2吸着材を冷却する。
特許文献1に記載されているような従来の固体CO2捕捉材を用いたCO2回収装置では、水蒸気または凝縮水をCO2捕捉材(CO2吸着剤)そのものや伝熱部に接触させ、CO2捕捉材を加熱している。これらのCO2回収装置では、CO2捕捉材の温度は加熱や冷却により変化し、それに伴って水蒸気をCO2捕捉材に接触させた際に発生する凝縮水の量や温度も変化する。
固体CO2捕捉材を用いて火力発電所のボイラ排ガスのCO2を除去・回収する場合には、CO2捕捉材の加熱にボイラで気化した水蒸気の一部を利用し、この際に発生した凝縮水をボイラに戻して循環させる方法が考えられる。しかし、前述の通り、固体のCO2捕捉材を用いたCO2回収装置では、発生する凝縮水の量や温度が変化するため、凝縮水をボイラに戻して循環させた場合には、ボイラの負荷が変動し、結果として火力発電所の出力が不安定になる恐れがある。
本発明は、排出する凝縮水の量の時間変化を低減できるCO2回収装置と、その運転方法を提供することを目的とする。
本発明によるCO2回収装置は、以下のような特徴を備える。
CO2含有ガスからCO2を除去する固体のCO2捕捉材を充填した捕捉材容器、前記捕捉材容器に設けられ、前記CO2捕捉材を加熱及び冷却する伝熱部、前記捕捉材容器に接続され、前記捕捉材容器にCO2含有ガスを導入する第1の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記CO2含有ガスからCO2が除去されたガスを前記捕捉材容器から排出する第2の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記CO2捕捉材からCO2を脱離させるために前記伝熱部に水蒸気を導入する第3の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記CO2捕捉材から脱離したCO2を含むガスを前記捕捉材容器から排出する第4の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部に冷却水を導入する第5の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部に水蒸気を導入した際に発生する凝縮水を前記伝熱部から排出する第6の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部から冷却水を排出する第7の配管、及び前記第6の配管に設けられ、前記第6の配管に流れる凝縮水の流量を制御する第1の弁を備えるCO2捕捉ユニットと、前記第6の配管に接続され、前記伝熱部から排出された凝縮水を貯留する貯留容器と、前記貯留容器に接続され、前記貯留容器から凝縮水を排出する第8の配管と、前記貯留容器に接続され、前記貯留容器から水蒸気を排出する第9の配管と、前記第8の配管に設けられ、第8の配管に流れる凝縮水の流量を制御する第2の弁と、前記第8の配管の前記第2の弁の下流側に設けられ、前記第8の配管を流れる凝縮水の流量を計測する流量計とを備える。
本発明によれば、排出する凝縮水の量の時間変化を低減できるCO2回収装置と、その運転方法を提供することができる。
本発明者らは、上記課題を鋭意検討した結果、CO2を含むガス(CO2含有ガス)からCO2を除去する固体のCO2捕捉材を充填した捕捉材容器、前記捕捉材容器に設けられ、前記CO2捕捉材を加熱及び冷却する伝熱部、前記捕捉材容器に接続され、前記捕捉材容器にCO2含有ガスを導入する第1の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記CO2含有ガスからCO2が除去されたガスを前記捕捉材容器から排出する第2の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記CO2捕捉材からCO2を脱離させるために前記伝熱部に水蒸気を導入する第3の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記CO2捕捉材から脱離したCO2を含むガスを前記捕捉材容器から排出する第4の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部に冷却水を導入する第5の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部に水蒸気を導入した際に発生する凝縮水を前記伝熱部から排出する第6の配管、前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部から冷却水を排出する第7の配管、及び前記第6の配管に設けられ、前記第6の配管に流れる凝縮水の流量を制御する第1の弁を備えるCO2捕捉ユニットと、前記第6の配管に接続され、前記伝熱部から排出された凝縮水を貯留する貯留容器と、前記貯留容器に接続され、前記貯留容器から凝縮水を排出する第8の配管と、前記貯留容器に接続され、前記貯留容器から水蒸気を排出する第9の配管と、前記第8の配管に設けられ、第8の配管に流れる凝縮水の流量を制御する第2の弁と、前記第8の配管の前記第2の弁の下流側に設けられ、前記第8の配管を流れる凝縮水の流量を計測する流量計とを備えるCO2回収装置により、凝縮水の流量の変動を低減できると考えた。
CO2捕捉材を加熱するために伝熱部に水蒸気を導入した際に発生する凝縮水の量は、CO2捕捉材の温度により変化する。しかし、本発明によるCO2回収装置では、発生した凝縮水の量に時間変動が生じても、凝縮水を貯留容器に貯留して排出する凝縮水の量を制御するため、凝縮水の排出量の時間変化を低減でき、凝縮水の排出量を一定にすることも可能である。
本発明によるCO2回収装置に使用するCO2捕捉材は、どのような物質でも構わないが、例えば、NaやKなどのアルカリ金属の酸化物または炭酸塩、MgやCaなどのアルカリ土類金属の酸化物または炭酸塩、YやCeなどの希土類金属の酸化物または炭酸塩、Zr酸化物、及びSiやAlの酸化物などを用いることができる。
これらの中で、特にCe、La、Pr、Nd、及びGdからなる群から選ばれた少なくとも1つの希土類元素の酸化物は、CO2の捕捉量が多く、300℃以下の低い温度でCO2を脱離できることから、CO2捕捉材として好ましい特性を有する。
本発明によるCO2回収装置の運転方法の例としては、CO2含有ガスを捕捉材容器に導入してCO2含有ガスからCO2を捕捉する捕捉工程と、伝熱部に水蒸気を導入してCO2捕捉材を加熱することでCO2を脱離回収する再生工程と、伝熱部に冷却水を導入してCO2捕捉材を冷却する冷却工程の3工程を1サイクルとし、このサイクルを繰り返してCO2を回収する方法が挙げられる。
以下に、本発明によるCO2回収装置の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の図面において、同一の要素には同一の符号を付け、それらの繰り返しの説明は省略する場合がある。
図1Aは、本実施例によるCO2回収装置の構成を模式的に示す概略図である。図1Aに示す構成により、CO2回収装置から排出される凝縮水の流量の時間変化を低減できる。本実施例によるCO2回収装置は、捕捉材容器1、配管2a、配管2b、配管2c、伝熱部4、配管2d、配管2e、配管2f、貯留容器5、配管2g、配管2h、配管2i、及び弁3a〜3iを備える。さらに、配管2iは、弁3iの下流側に流量計9を備える。配管2a〜2fは、捕捉材容器1に接続され、配管2gは、捕捉材容器1と貯留容器5とに接続され、配管2h及び2iは、貯留容器5に接続される。弁3a〜3iは、それぞれ配管2a〜2iに設けられる。
捕捉材容器1には、CO2含有ガスからCO2を除去する固体のCO2捕捉材(図示せず)が充填されている。配管2aは、CO2含有ガスを捕捉材容器1に導入する。配管2bは、CO2含有ガスからCO2が除去されたガスを捕捉材容器1から排出する。配管2cは、CO2捕捉材から脱離したCO2を含むガスを捕捉材容器1から排出する。伝熱部4は、捕捉材容器1に設けられ、熱交換によりCO2捕捉材を加熱及び冷却する。伝熱部4の構造は、例えば、CO2捕捉材の周囲に水蒸気及び冷却水を流すような配管を持つ構造とする。配管2dは、CO2捕捉材からCO2を脱離させるために、水蒸気を伝熱部4に導入する。配管2eは、冷却水を伝熱部4に導入する。配管2fは、伝熱部4から冷却水を排出する。貯留容器5は、伝熱部4から排出した凝縮水を貯留する。配管2gは、捕捉材容器1と貯留容器5を接続し、伝熱部4に水蒸気を導入した際に発生する凝縮水を伝熱部4から排出し、貯留容器5に導入する。配管2hは、貯留容器5から水蒸気を排出する。配管2iは、貯留容器5から凝縮水を排出する。
弁3aは、配管2aに流れるCO2含有ガスの流量を制御する。弁3bは、配管2bに流れるCO2を除去したガスの流量を制御する。弁3cは、配管2cに流れる、脱離したCO2を含むガスの流量を制御する。弁3dは、配管2dに流れる水蒸気の流量を制御する。弁3eは、配管2eに流れる冷却水の流量を制御する。弁3fは、配管2fに流れる冷却水の流量を制御する。弁3gは、配管2gに流れる凝縮水の流量を制御する。弁3hは、配管2hに流れる水蒸気の流量を制御する。弁3iは、配管2iに流れる凝縮水の流量を制御する。弁3hは、貯留容器5内の水蒸気の圧力も制御する。
流量計9は、配管2iを流れる凝縮水の流量を計測する。
捕捉材容器1、配管2a、配管2b、配管2c、伝熱部4、配管2d、配管2e、配管2f、配管2g、弁3a、弁3b、弁3c、弁3d、弁3e、弁3f、及び弁3gからなる構成要素を、CO2捕捉ユニットと称する。
図1Bは、本実施例によるCO2回収装置を用いて、CO2含有ガスからCO2を捕捉する捕捉工程のフローの例を示す図である。捕捉工程では、弁3a及び3bを開き、弁3c、3d、3e、3f、3g、3h及び3iを閉止する。CO2含有ガスは、配管2aを通って捕捉材容器1に導入される。CO2含有ガスは、捕捉材容器1内のCO2捕捉材と接触して、CO2捕捉材がCO2を捕捉することにより、CO2が除去される。CO2が除去されたガス(CO2除去ガス)は、配管2bを通って捕捉材容器1から排出される。
図1Cは、本実施例によるCO2回収装置を用いて、CO2を捕捉したCO2捕捉材から加熱によりCO2を脱離させて回収する再生工程のフローの例を示す図である。再生工程では、弁3c、3d、3g、3h及び3iを開き、弁3a、3b、3e及び3fを閉止する。伝熱部4には、配管2dを通して水蒸気が導入される。水蒸気は、伝熱部4を通った後、一部は凝縮水となり貯留容器5に一時的に貯留され、残りは配管2hを通って排出される。貯留容器5に貯留された凝縮水は、あらかじめ定めた一定量に達したら、弁3iにより流量が制御されて配管2iを流れて、貯留容器5から排出される。弁3iは、配管2iに設けられた流量計9の計測値に応じて開度が変更され、配管2iを流れる凝縮水の流量を一定にする制御を行う。
伝熱部4は、水蒸気が導入されると加熱され、熱交換によりCO2捕捉材を加熱する。CO2捕捉材は、加熱されると捕捉したCO2を脱離する。脱離したCO2を含むガスは、配管2cを通って捕捉材容器1から排出され、回収される。
図1Dは、本実施例によるCO2回収装置を用いて、加熱によりCO2を脱離したCO2捕捉材を、CO2捕捉可能な温度まで冷却する冷却工程のフローの例を示す図である。冷却工程では、弁3e及び3fを開き、弁3a、3b、3c、3d、3g、3h及び3iを閉止する。伝熱部4には、配管2eを通して冷却水が導入される。伝熱部4は、冷却水が導入されると冷却され、熱交換によりCO2捕捉材を冷却する。伝熱部4に導入された冷却水は、配管2fを通って伝熱部4から排出される。冷却水は、CO2捕捉材がCO2捕捉可能な温度に冷却されるまで、伝熱部4に導入される。
(比較例)
図2は、比較例によるCO2回収装置の構成を模式的に示す概略図である。比較例によるCO2回収装置は、図1Aに示した実施例1のCO2回収装置から、貯留容器5、配管2g、2h及び2iと、弁3g、3h及び3iを省いたCO2回収装置である。比較例によるCO2回収装置は、再生工程では、伝熱部4に導入された水蒸気は、伝熱部4を通って凝縮水となった後、配管2fを通って排出される。
図2は、比較例によるCO2回収装置の構成を模式的に示す概略図である。比較例によるCO2回収装置は、図1Aに示した実施例1のCO2回収装置から、貯留容器5、配管2g、2h及び2iと、弁3g、3h及び3iを省いたCO2回収装置である。比較例によるCO2回収装置は、再生工程では、伝熱部4に導入された水蒸気は、伝熱部4を通って凝縮水となった後、配管2fを通って排出される。
(比較結果)
図3は、実施例1によるCO2回収装置と比較例によるCO2回収装置について、再生工程での凝縮水の排出量を比べた図である。再生工程では、水蒸気により伝熱部4が加熱されてCO2捕捉材も加熱されるが、CO2捕捉材の温度上昇に伴って水蒸気の凝縮速度が遅くなる。
図3は、実施例1によるCO2回収装置と比較例によるCO2回収装置について、再生工程での凝縮水の排出量を比べた図である。再生工程では、水蒸気により伝熱部4が加熱されてCO2捕捉材も加熱されるが、CO2捕捉材の温度上昇に伴って水蒸気の凝縮速度が遅くなる。
実施例1によるCO2回収装置では、凝縮水は、貯留容器5に一時的に貯留した後、弁3iと流量計9により流量が制御されて貯留容器5から排出される。従って、実施例1によるCO2回収装置では、図3に示すように、凝縮水の排出量の時間変化を低減し、凝縮水の排出量を一定にすることができる。一方、比較例によるCO2回収装置では、発生した凝縮水を貯留することなくそのまま排出するので、凝縮水の排出量は、再生工程が進むほど低減して一定にはならない。
図4は、実施例1によるCO2回収装置の運転方法の例を示す図である。上述した捕捉工程、再生工程、及び冷却工程を1サイクルとし、このサイクルを繰り返すことでCO2を連続して回収することができる。
CO2を回収するのに、実施例1に示したCO2回収装置を1つだけ用いても構わないが、複数のCO2回収装置を用いてもよい。本実施例では、複数のCO2回収装置を用いてCO2を回収する場合の、CO2回収装置の運転方法の例を示す。
本実施例では、一例として、実施例1のCO2回収装置を3つ設置し、各CO2回収装置を回収装置A、B、及びCと呼ぶ。回収装置A、B、及びCは、捕捉工程、再生工程、及び冷却工程の実行時間が、各回収装置間と各工程間で互いに同じになるように設定する。回収装置A、B、及びCの各工程は、実施例1で述べたように弁の開閉を切り替えることにより、切り替えるものとする。
表1に、回収装置A、B、及びCの捕捉工程、再生工程、及び冷却工程を切り替える運転方法の例を示す。なお、各工程における弁の開閉手順は実施例1と同様であり、回収装置A、B、及びCは、捕捉工程、再生工程、及び冷却工程を繰り返す。表1に示すように、回収装置Aが捕捉工程を実行しているとき、回収装置Bは再生工程を実行し、回収装置Cは冷却工程を実行する。回収装置Aが再生工程を実行しているとき、回収装置Bは冷却工程を、回収装置Cは捕捉工程をそれぞれ実行し、回収装置Aが冷却工程を実行しているとき、回収装置Bは捕捉工程を、回収装置Cは再生工程をそれぞれ実行する。
なお、CO2回収装置を4つ以上設置した場合には、少なくとも1つのCO2回収装置が捕捉工程を実行しているとき、他の少なくとも1つのCO2回収装置が再生工程を実行し、さらに他の少なくとも1つのCO2回収装置が冷却工程を実行するように、それぞれのCO2回収装置を運転する。
本実施例では、複数のCO2回収装置の運転中に、少なくとも1つのCO2回収装置が捕捉工程を実行するため、CO2を連続的に回収できる。
CO2回収装置が1つのみである場合には、再生工程から冷却工程に切り替える際に伝熱部4への水蒸気の導入を止める必要があり、水蒸気の流量の変動が大きくなる。この水蒸気はボイラで気化した水蒸気であるため、水蒸気の流量の変動が大きくなるとボイラの負荷も大きく変動して好ましくない。
しかし、本実施例のように複数のCO2回収装置を用いてCO2を回収する方法では、再生工程を実施するCO2回収装置が常に少なくとも1つ存在するため、伝熱部4への水蒸気の導入を止める必要がなく、水蒸気の流量の変動が抑えられ、ボイラの負荷の変動も抑制することができる。さらに、同様の理由から、冷却工程において使用する冷却水の流量の変動も抑えられる。従って、本実施例に示すCO2回収装置の運転方法では、凝縮水の排出量と水蒸気の流量と冷却水の流量の時間変化を低減することができるとともに、ボイラの負荷の変動をさらに抑制することができる。
実施例1で説明したように、CO2回収装置の伝熱部4に水蒸気を導入する工程は、再生工程のみである。このため、実施例2のように複数のCO2回収装置を用いる場合には、ある時間において伝熱部4に水蒸気が導入されていない捕捉材容器1も存在する。従って、1つの捕捉材容器1につき、必ずしも1つの貯留容器5を設置する必要はない。例えば、3つの捕捉材容器1に対して1つの貯留容器5を設置し、各捕捉材容器1の伝熱部4と貯留容器5の間のそれぞれに弁3g(例えば、図1Aを参照)を設置し、弁3gの開閉を切り替えることにより貯留容器5に凝縮水を排出する伝熱部4を選択する構成をとることができる。このような構成は、貯留容器5の設置数を低減できるため、コスト低減の観点から好ましい。
本実施例では、複数の捕捉材容器1に対して1つの貯留容器5が設置されるCO2回収装置の例を示す。なお、本実施例では、一例として、3つの捕捉材容器1に対して1つの貯留容器5が設置されるCO2回収装置の例を示す。
図5は、実施例1で示したCO2回収装置(図1A)のCO2捕捉ユニット6を示す図である。実施例1で述べたように、CO2捕捉ユニット6は、捕捉材容器1、伝熱部4、配管2a〜2g、及び弁3a〜3gからなる。すなわち、CO2捕捉ユニット6は、実施例1のCO2回収装置(図1A)から、貯留容器5、配管2i、配管2h、弁3i、及び弁3hを省略した装置要素である。
図6は、図5に示した3つのCO2捕捉ユニット6(6a、6b、6c)と、1つの貯留容器5を組み合わせたCO2回収装置の構成を模式的に示す概略図である。本実施例によるCO2回収装置は、3つのCO2捕捉ユニット6a、6b、及び6cを備え、各CO2捕捉ユニットの配管2gが1点で合流する。そして、この合流点の後段に、弁3j、凝縮水を貯留する貯留容器5、貯留容器5から凝縮水を排出する配管2i、配管2iの凝縮水の流量を制御する弁3i、貯留容器5から水蒸気を排出する配管2h、及び配管2hの水蒸気の流量を制御する弁3hをさらに備える。
貯留容器5は、CO2捕捉ユニット6a、6b、及び6cからの凝縮水を貯留する。CO2捕捉ユニット6a、6b、及び6cのそれぞれの弁3gの開閉を切り替えることにより、貯留容器5へ凝縮水を排出するCO2捕捉ユニットを切り替えることができる。
図7は、図6に示したCO2回収装置の運転例を示す図である。CO2捕捉ユニット6aは図1Bに示した捕捉工程、CO2捕捉ユニット6bは図1Cに示した再生工程、CO2捕捉ユニット6cは図1Dに示した冷却工程をそれぞれ実施している。CO2捕捉ユニット6a、6b及び6cは、実施例2のように、捕捉工程、再生工程、及び冷却工程の実行時間が、各CO2捕捉ユニット間と各工程間で互いに同じになるように設定する。弁の開閉については、CO2捕捉ユニット6a、6b及び6cの工程に関わらず弁3g、3j、及び3hが開いている以外は、実施例1と同様である。貯留容器5に貯留された凝縮水は、弁3iと流量計9により流量が制御されて、貯留容器5から排出される。
本実施例によるCO2回収装置でも、実施例1で述べたような弁の開閉により捕捉工程、再生工程、及び冷却工程を切り替え、これらの3工程を1サイクルとして繰り返すことにより、CO2を連続的に回収できる。さらに、実施例2と同様に、凝縮水の排出量と水蒸気の流量と冷却水の流量の時間変化を低減することができるとともに、ボイラの負荷の変動をさらに抑制することができる。また、貯留容器5の設置数を低減できるため、コストを低減することができる。
本実施例では、再生工程で貯留容器5から排出された水蒸気を別のCO2回収装置の再生工程で使用するCO2回収装置の構成について説明する。本実施例で説明する構成は、以下の知見を基にして得られた。
伝熱部4に導入する水蒸気の流量は特に指定しないが、水蒸気の流量に対して水蒸気の凝縮速度が速い場合には、伝熱部4において水蒸気の圧力が大幅に低下することが考えられる。この場合には、発生する凝縮水の温度が大きく変化するため、凝縮水をボイラに戻すとボイラの負荷が大きく変動して好ましくない。凝縮水の温度の時間変化を低減するためには、水蒸気の最低流量を全ての水蒸気が凝縮しない程度の流量とするのが好ましい。
本発明によるCO2回収装置では、凝縮しなかった水蒸気が貯留容器5に流れるため、この水蒸気を排出する必要がある。貯留容器5から排出された水蒸気は、凝縮熱を有しているため、未利用のまま排出するとエネルギーロスが大きいので利用するのが好ましい。貯留容器5から排出された水蒸気の利用方法には様々なものがあり、例えば、この水蒸気を他のCO2回収装置に利用する方法が考えられる。
再生工程においては、再生工程の前半ではCO2捕捉材の温度が低く、伝熱部4での水蒸気の凝縮量が多いが、再生工程の後半ではCO2捕捉材の温度が高くなり、伝熱部4での水蒸気の凝縮量が少なくなる。従って、もし水蒸気の流量を時間的に一定とした場合には、再生工程の時間が進むほど、水蒸気は、伝熱部4での凝縮量が少なくなって貯留容器5から排出される量が多くなる。
図8は、上記の知見を基にして得られた、再生工程で貯留容器5から排出された水蒸気を別のCO2回収装置の再生工程で使用するCO2回収装置の構成例を示す図である。本実施例によるCO2回収装置は、実施例3で図6に示したCO2回収装置が2つ接続されたCO2回収装置である。すなわち、CO2捕捉ユニット6a〜6c、貯留容器5a、配管2i、配管2h−1、弁3j−1、弁3i、及び弁3h−1を備えるCO2回収装置と、CO2捕捉ユニット6d〜6f、貯留容器5b、配管2i、配管2h−2、弁3j−2、弁3i、及び弁3h−2を備えるCO2回収装置とが接続されたCO2回収装置である。CO2捕捉ユニット6d〜6fは図6のCO2捕捉ユニット6a〜6cに対応し、配管2h−1と配管2h−2は図6の配管2hに対応し、弁3j−1と弁3j−2は図6の弁3jに対応し、弁3h−1と弁3h−2は図6の弁3hに対応する。
さらに、本実施例によるCO2回収装置では、貯留容器5aから水蒸気を排出するための配管2h−1と、配管2h−1から分岐してCO2捕捉ユニット6d〜6fに水蒸気を導入するための配管2d−2とを備える。また、貯留容器5bから水蒸気を排出するための配管2h−2と、配管2h−2から分岐してCO2捕捉ユニット6a〜6cに水蒸気を導入するための配管2d−1とを備える。配管2d−2は、CO2捕捉ユニット6d〜6fのそれぞれの伝熱部4に水蒸気を導入し、配管2d−1は、CO2捕捉ユニット6a〜6cのそれぞれの伝熱部4に水蒸気を導入する。
表2に、本実施例によるCO2回収装置の運転方法の例を示す。CO2捕捉ユニット6a〜6fは、捕捉工程、再生工程、及び冷却工程の実行時間が、CO2捕捉ユニット6a〜6f間と各工程間で互いに同じである。また、各工程を、実行時間が等しい前半の工程と後半の工程に分ける。上述したように、再生工程の前半では、伝熱部4での水蒸気の凝縮量が多く、貯留容器5から排出される水蒸気の量が少ない。再生工程の後半では、伝熱部4での水蒸気の凝縮量が少なく、貯留容器5から排出される水蒸気の量が多い。表2では、各工程の前半には「A」の文字を、後半には「B」の文字を付けている。以下では、各工程の前半と後半をそれぞれ1つの工程とみなす。例えば、再生工程の前半(表2の「再生A」)が1つの工程であり、再生工程の後半(表2の「再生B」)が1つの工程である。
表2に示すように、CO2捕捉ユニット6a〜6fは、「捕捉A」、「捕捉B」、「再生A」、「再生B」、「冷却A」、及び「冷却B」の順に、各工程を繰り返す。CO2捕捉ユニット6aを基準とすると、CO2捕捉ユニット6bは2工程、CO2捕捉ユニット6cは4工程、CO2捕捉ユニット6dは5工程、CO2捕捉ユニット6eは3工程、及びCO2捕捉ユニット6fは1工程遅れている。本運転方法によれば、CO2捕捉ユニット6a〜6cのうち1つのCO2捕捉ユニットと、CO2捕捉ユニット6d〜6fのうち1つのCO2捕捉ユニットが、再生工程を実施している。このうち、必ず1つのCO2捕捉ユニットは再生工程の前半(再生A)を、残りの1つは再生工程の後半(再生B)を実施している。このため、再生工程の後半(再生B)で貯留容器5から排出された水蒸気を、再生工程の前半(再生A)に連続的に使用できる。このような運転方法により、再生工程で使用する水蒸気の量を低減でき、かつ使用する水蒸気の量の時間変動も低減できる。
使用した冷却水を火力プラントの給水加熱器に導入して利用するシステムでは、給水加熱器に一定温度の水を供給するのが望ましい。しかし、冷却工程において伝熱部4から排出された冷却水の温度は、冷却工程の前半では高く後半では低いため、一定ではない。そこで、このような冷却水の温度変化に対して、例えば、冷却工程において伝熱部4から排出された冷却水を貯留する容器を設置すれば、冷却水の温度の時間変化を低減できる。本実施例では、伝熱部4から排出された冷却水を貯留する容器を備えるCO2回収装置について説明する。
図9は、伝熱部4から排出された冷却水を貯留する貯留容器7を備えるCO2回収装置の構成を模式的に示す概略図である。本実施例のCO2回収装置は、実施例1のCO2回収装置(図1Aを参照)において、配管2fに接続される貯留容器7と、貯留容器7に接続される配管2pと、配管2pの流量を制御する弁3pをさらに備える。
貯留容器7は、配管2eから伝熱部4に導入され、CO2捕捉材を冷却して伝熱部4から排出された冷却水を貯留する。貯留容器7に貯留された冷却水は、温度が平均化され、あらかじめ定めた一定温度になって弁3pが開くと、配管2pから排出される。
本実施例によるCO2回収装置は、貯留容器7で温度が平均化された冷却水を排出するため、排出する冷却水の温度の時間変化を低減でき、給水加熱器に一定温度の冷却水を供給することができる。
冷却工程において伝熱部4から排出された冷却水の温度変化を低減する方法としては、実施例5で述べた方法の他に、冷却工程において排出される冷却水を、再生工程において排出される凝縮水と混合させて温度を調整してから、CO2回収装置から排出する方法がある。このような運転方法を実現するCO2回収装置の構成としては、実施例3で述べたCO2回収装置のCO2捕捉ユニット6(図5参照)を複数設置し、任意の1つのCO2捕捉ユニットの冷却工程で排出される冷却水の一部と、他のCO2捕捉ユニットの再生工程で排出される凝縮水の一部とを混合させる。
図10は、CO2回収装置のCO2捕捉ユニット6を複数設置し、任意の1つのCO2捕捉ユニットの冷却工程で排出される冷却水の一部と、他のCO2捕捉ユニットの再生工程で排出される凝縮水の一部とを混合させるCO2回収装置の構成を模式的に示す概略図である。図10では、一例として、実施例1で図1Aに示したCO2回収装置が2つ接続され、CO2捕捉ユニットを2つ(CO2捕捉ユニット6g、6h)備えるCO2回収装置を示している。
図10に示したCO2回収装置は、CO2捕捉ユニット6gに接続された貯留容器5から凝縮水を排出する配管2i−1と、配管2i−1から凝縮水の一部を抜き出すための配管2k−1と、CO2捕捉ユニット6gの伝熱部4から冷却水を排出する配管2f−1と、配管2f−1から冷却水の一部を抜き出すための配管2l−1と、CO2捕捉ユニット6hに接続された貯留容器5から凝縮水を排出する配管2i−2と、配管2i−2から凝縮水の一部を抜き出すための配管2k−2と、CO2捕捉ユニット6hの伝熱部4から冷却水を排出する配管2f−2と、配管2f−2から冷却水の一部を抜き出すための配管2l−2と、配管2k−1及び2k−2の凝縮水の流量をそれぞれ制御する弁3k−1及び3k−2と、配管2l−1及び2l−2の冷却水の流量をそれぞれ制御する弁3l−1及び3l−2とを備え、配管2k−1と配管2l−2とが接続され、配管2l−1と配管2k−2とが接続されている。
配管2f−1を流れる冷却水の一部は、配管2l−1を通り、配管2i−2から抜き出されて配管2k−2を流れる凝縮水と混合する。また、配管2f−2を流れる冷却水の一部は、配管2l−2を通り、配管2i−1から抜き出されて配管2k−1を流れる凝縮水と混合する。このように、本実施例のCO2回収装置では、2つのCO2捕捉ユニット6g、6hのうち、任意の一方の冷却工程で排出される冷却水の一部と、他方の再生工程で排出される凝縮水の一部とを混合させることができる。
本実施例のCO2回収装置では、弁3l−1と弁3k−2の開度、及び弁3l−2と弁3k−1の開度を制御することで、CO2回収装置から排出する冷却水の温度変化を低減できる。例えば、配管2l−1を流れる冷却水の温度が低い場合には、弁3k−2の開度を制御して配管2k−2に流れる凝縮水の流量を増加させることで、CO2回収装置から排出する冷却水の温度変化を低減できる。
再生工程において捕捉材容器1内でCO2の分圧が高まり、CO2捕捉材からのCO2の脱離が阻害される場合には、捕捉材容器1にCO2以外のガスを導入し、CO2の分圧を下げることが好ましい。捕捉材容器1に導入するCO2以外のガスは、温度変化などでCO2から容易に分離できることが好ましく、このようなガスの例として水蒸気が挙げられる。以下では、水蒸気を捕捉材容器1に導入する例について説明する。
図11は、捕捉材容器1に水蒸気を導入する配管を設置したCO2回収装置の構成を模式的に示す概略図である。図11では、一例として、実施例1のCO2回収装置(図1A参照)に対して、水蒸気を導入する配管を設置している。本実施例によるCO2回収装置は、実施例1のCO2回収装置の構成の他に、捕捉材容器1に水蒸気を流すための配管2mと、配管2mを流れる水蒸気の流量を制御するための弁3mと、配管2cに接続されて配管2cを流れるガス中の水蒸気を凝縮させる凝縮器8と、凝縮器8から凝縮水を排出する配管2nと、配管2nを流れる凝縮水の流量を制御する弁3nと、脱離したCO2を含むガスを凝縮器8から排出するための配管2oと、配管2oを流れるガスの流量を制御する弁3oとを備える。
本実施例によるCO2回収装置では、再生工程において、捕捉材容器1内でCO2の分圧が高まった場合には、配管2mを通して捕捉材容器1に水蒸気を導入し、CO2の分圧を下げることができる。従って、捕捉材容器1内でCO2の分圧が高まっても、CO2の分圧を低減して、CO2捕捉材からのCO2の脱離を促進できる。
捕捉材容器1に導入された水蒸気は、捕捉材容器1から排出されて凝縮器8に導入されて凝縮し、凝縮水として配管2nから排出される。CO2捕捉材から脱離したCO2は、捕捉材容器1から排出され、凝縮器8と配管2oを通って排出される。
本発明によるCO2回収装置に流通させるCO2含有ガス、水蒸気、及び冷却水の発生源は任意の装置とすることができるので、本発明によるCO2回収装置は、任意のプラントやシステムに適用できる。本実施例では、本発明によるCO2回収装置を火力発電プラントに適用した例を説明する。
図12は、本発明によるCO2回収装置を火力発電プラントに適用した場合の装置構成例を示す図である。本実施例のCO2回収装置10は、一例として、実施例1(図1A参照)に示したものとし、火力発電プラントで発生するCO2を回収する。火力発電プラントは、燃焼設備、蒸気タービン12、復水器13、給水加熱器A14、給水加熱器B15、排気設備16、及びCO2回収装置10を備える。
本実施例では、燃焼設備11がボイラ11である場合を例に挙げている。燃焼設備11であるボイラ11は、燃料を燃焼する際に燃焼排ガスとしてCO2含有ガスを発生させ、燃焼熱で水を気化させて水蒸気を発生させる。蒸気タービン12は、この水蒸気を利用して発電する。蒸気タービン12が利用した水蒸気は、一部がCO2回収装置10に導入され、残りは復水器13で凝縮されて冷却水として使用される。
CO2含有ガスをCO2回収装置10に導入する配管2aは、ボイラ11に接続され、ボイラ11の燃焼排ガスをCO2回収装置10に導入する。水蒸気をCO2回収装置10に導入する配管2dは、蒸気タービン12に接続され、蒸気タービン12からの水蒸気をCO2回収装置10に導入する。冷却水をCO2回収装置10に導入する配管2eは、復水器13に接続され、復水器13からの冷却水をCO2回収装置10に導入する。
CO2を除去したガスをCO2回収装置10から排出する配管2bは、排気設備16に接続される。CO2回収装置10から冷却水を排出する配管2fは、給水加熱器A14に接続される。CO2回収装置10から凝縮水を排出する配管2iは、給水加熱器B15に接続される。CO2回収装置10から水蒸気を排出する配管2hは、復水器13へ水蒸気を導入する。
捕捉工程では、ボイラ11から排出された燃焼排ガスの一部または全部は、CO2回収装置10の配管2aを流れ、CO2が除去された後、配管2bを通って排気設備16へ流れる。
再生工程では、蒸気タービン12から水蒸気の一部を抽出して配管2dに流す。配管2dを流れた水蒸気は、CO2回収装置10のCO2捕捉材を加熱して、CO2捕捉材からCO2を脱離させる。CO2捕捉材から脱離したCO2を含むガスは、配管2cを流れて回収される。CO2は、例えば、加圧されて液化CO2として回収される。再生工程において水蒸気の凝縮により発生した凝縮水は、配管2iを流れて、給水加熱器B15の凝縮水側に送られる。CO2回収装置10で凝縮しなかった水蒸気は、蒸気タービン12または復水器13に送られる。図12に示した例では、この水蒸気は、配管2hを流れて、復水器13に送られる。
冷却工程では、復水器13から排出された凝縮水を、配管2eに流してCO2回収装置10のCO2捕捉材を冷却する。冷却工程で排出される冷却水は、配管2fを流れて給水加熱器A14に送られる。給水加熱器A14に送られた冷却水は、給水加熱器B15に送られる。
給水加熱器B15に送られた水(凝縮水と冷却水)は、ボイラ11に供給される。再生工程でCO2回収装置10から排出された凝縮水と、冷却工程でCO2回収装置10から排出された冷却水とでは、再生工程で排出された凝縮水の方が高温になるため、給水加熱器B15は、給水加熱器A14よりも温度設定を高くする方がよい。
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。
1…捕捉材容器、2a〜2i,2m〜2p,2d−1,2d−2,2f−1,2f−2,2h−1,2h−2,2i−1,2i−2,2k−1,2k−2,2l−1,2l−2…配管、3a〜3j,3m〜3p,3h−1,3h−2,3j−1,3j−2,3k−1,3k−2,3l−1,3l−2…弁、4…伝熱部、5,5a,5b…凝縮水を貯留する貯留容器、6,6a〜6h…CO2回収装置のCO2捕捉ユニット、7…冷却水を貯留する貯留容器、8…凝縮器、9…流量計、10…CO2回収装置、11…ボイラ、12…蒸気タービン、13…復水器、14…給水加熱器A、15…給水加熱器B、16…排気設備。
Claims (15)
- CO2含有ガスからCO2を除去する固体のCO2捕捉材を充填した捕捉材容器、
前記捕捉材容器に設けられ、前記CO2捕捉材を加熱及び冷却する伝熱部、
前記捕捉材容器に接続され、前記捕捉材容器にCO2含有ガスを導入する第1の配管、
前記捕捉材容器に接続され、前記CO2含有ガスからCO2が除去されたガスを前記捕捉材容器から排出する第2の配管、
前記捕捉材容器に接続され、前記CO2捕捉材からCO2を脱離させるために前記伝熱部に水蒸気を導入する第3の配管、
前記捕捉材容器に接続され、前記CO2捕捉材から脱離したCO2を含むガスを前記捕捉材容器から排出する第4の配管、
前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部に冷却水を導入する第5の配管、
前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部に水蒸気を導入した際に発生する凝縮水を前記伝熱部から排出する第6の配管、
前記捕捉材容器に接続され、前記伝熱部から冷却水を排出する第7の配管、及び
前記第6の配管に設けられ、前記第6の配管に流れる凝縮水の流量を制御する第1の弁を備えるCO2捕捉ユニットと、
前記第6の配管に接続され、前記伝熱部から排出された凝縮水を貯留する貯留容器と、
前記貯留容器に接続され、前記貯留容器から凝縮水を排出する第8の配管と、
前記貯留容器に接続され、前記貯留容器から水蒸気を排出する第9の配管と、
前記第8の配管に設けられ、第8の配管に流れる凝縮水の流量を制御する第2の弁と、
前記第8の配管の前記第2の弁の下流側に設けられ、前記第8の配管を流れる凝縮水の流量を計測する流量計と、を備えることを特徴とするCO2回収装置。 - 前記CO2捕捉ユニットを複数備える請求項1記載のCO2回収装置。
- 前記CO2捕捉ユニットを複数備え、
前記貯留容器は、複数の前記CO2捕捉ユニットの前記第6の配管が接続され、複数の前記CO2捕捉ユニットの前記伝熱部から排出された凝縮水を貯留する請求項1記載のCO2回収装置。 - 請求項2または3記載のCO2回収装置を2つ備え、
少なくとも一方の前記CO2回収装置の前記第9の配管は、他方の前記CO2回収装置のそれぞれの前記第3の配管に接続され、少なくとも前記一方のCO2回収装置の前記貯留容器から排出された水蒸気が、前記他方のCO2回収装置のそれぞれの前記捕捉材容器の前記伝熱部に導入される請求項2または3記載のCO2回収装置。 - 前記第7の配管に接続され、前記伝熱部から排出された冷却水を貯留する貯留容器をさらに備える請求項1記載のCO2回収装置。
- 請求項1記載のCO2回収装置を2つ備え、
少なくとも一方の前記CO2回収装置の第8の配管は、他方の前記CO2回収装置の第7の配管と接続され、少なくとも前記一方のCO2回収装置の前記貯留容器から排出された凝縮水と、前記他方のCO2回収装置の前記伝熱部から排出された冷却水とが混合される請求項1記載のCO2回収装置。 - 前記捕捉材容器に接続され、前記捕捉材容器に水蒸気を導入する第10の配管と、
前記第4の配管に接続され、前記捕捉材容器から排出されたガス中の水蒸気を凝縮させる凝縮器と、をさらに備える請求項1記載のCO2回収装置。 - 前記第1の配管が導入する前記CO2含有ガスは、燃焼設備の燃焼排ガスである請求項1記載のCO2回収装置。
- 前記第3の配管が導入する前記水蒸気は、燃焼設備で水を気化させて発生した水蒸気である請求項1記載のCO2回収装置。
- 前記第5の配管が導入する前記冷却水は、水蒸気を復水器で凝縮した水である請求項1記載のCO2回収装置。
- 前記第7の配管が排出した冷却水と、前記第8の配管が排出した凝縮水は、燃焼設備に供給される請求項1記載のCO2回収装置。
- 前記CO2捕捉材は、Ce、La、Pr、Nd、及びGdからなる群から選ばれた少なくとも1つの元素の酸化物を含む請求項1記載のCO2回収装置。
- CO2含有ガスを前記捕捉材容器に導入することで、前記CO2捕捉材がCO2を捕捉し、前記CO2含有ガスからCO2を除去する捕捉工程と、
前記伝熱部に水蒸気を導入して前記CO2捕捉材を加熱することで、前記CO2捕捉材からCO2を脱離させる再生工程と、
前記伝熱部に冷却水を導入して前記CO2捕捉材を冷却する冷却工程とを有し、
前記捕捉工程、前記再生工程、及び前記冷却工程を繰り返すことを特徴とする請求項1記載のCO2回収装置の運転方法。 - 請求項1記載のCO2回収装置を3つ以上備え、
少なくとも1つの前記CO2回収装置が前記捕捉工程を実行しているとき、他の少なくとも1つの前記CO2回収装置が前記再生工程を実行し、さらに他の少なくとも1つの前記CO2回収装置が前記冷却工程を実行する請求項13記載のCO2回収装置の運転方法。 - 前記捕捉工程、前記再生工程、及び前記冷却工程の実行時間が互いに同じである請求項14記載のCO2回収装置の運転方法。
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