JPWO2019240028A1 - ガス吸収精製装置 - Google Patents
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Abstract
処理対象ガス中から特定のガス成分を吸収液によって選択的に吸収して精製するガス吸収精製装置において、吸収液や残ガスをその後のプロセスに移送するためのポンプ等の機器やその動力を削減できるガス吸収精製装置を提供する。本発明に係るガス吸収精製装置１は、被吸収ガスと濃吸収液を接触させると共に昇圧して前記被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に吸収させて希吸収液とするインジェクタ３と、インジェクタ３で昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて気液分離する気液分離器５と、気液分離器５で分離された希吸収液の供給を受けて該希吸収液を濃吸収液に再生する再生塔７と、再生塔７で再生された濃吸収液をインジェクタ３に供給する濃吸収液供給ライン９と、濃吸収液供給ライン９に設けられて供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整弁１１とを備えてなる。
Description
本発明は処理対象ガス中から二酸化炭素等の特定のガス成分を吸収液によって選択的に吸収して精製するガス吸収精製装置に関するものである。
本明細書において、被吸収ガス中の特定のガス成分を吸収液に化学反応により吸収する方法を化学吸収法といい、被吸収ガス中の特定のガス成分を吸収液に物理的に溶解させて吸収させる方法を物理吸収法という。
また、化学吸収法、物理吸収法のいずれの場合においても、原液の吸収液に被吸収ガス中の特定のガス成分を吸収させることで原液の濃度が相対的に薄くなった状態を希吸収液といい、希吸収液から被吸収ガス中の特定のガス成分を分離することで希吸収液よりも原液の濃度が相対的に濃くなった状態を濃吸収液という。
本明細書において、被吸収ガス中の特定のガス成分を吸収液に化学反応により吸収する方法を化学吸収法といい、被吸収ガス中の特定のガス成分を吸収液に物理的に溶解させて吸収させる方法を物理吸収法という。
また、化学吸収法、物理吸収法のいずれの場合においても、原液の吸収液に被吸収ガス中の特定のガス成分を吸収させることで原液の濃度が相対的に薄くなった状態を希吸収液といい、希吸収液から被吸収ガス中の特定のガス成分を分離することで希吸収液よりも原液の濃度が相対的に濃くなった状態を濃吸収液という。
二酸化炭素などの特定のガス成分を吸収液で吸収分離する装置が、例えば特許文献１、２に開示されている。
特許文献１に開示された「二酸化炭素回収システム」では、吸収塔において二酸化炭素を含む処理対象ガスを吸収液と接触させて吸収し、吸収塔から排出された吸収液をリッチ液ポンプによって再生塔に移送し、再生塔にて当該溶液を加熱することにより二酸化炭素を放散するようにしている。
特許文献１に開示された「二酸化炭素回収システム」では、吸収塔において二酸化炭素を含む処理対象ガスを吸収液と接触させて吸収し、吸収塔から排出された吸収液をリッチ液ポンプによって再生塔に移送し、再生塔にて当該溶液を加熱することにより二酸化炭素を放散するようにしている。
また、特許文献２に開示された「酸性ガスを除去するためのシステム」では、ガス混合物（処理対象ガス）と吸収剤を、エジェクターベンチュリノズルを介して吸収接触器に供給するようにしている。このため、ガス混合物を吸収接触器に供給するためのファン／ブロアー（及びその動力）が不要となるとしている。
特許文献１に開示のものでは、特定のガス成分としての二酸化炭素を吸収した吸収液は、その後のプロセスに移送されるが、その移送のための機器（ポンプ）としてリッチ液ポンプが必要とされ、またこのリッチ液ポンプを駆動するための動力を要する。
また、特定のガス成分を吸収した後の残ガスがある場合には、この残ガスについても、その後のプロセスに移送するための機器（ブロワーやコンプレッサ）および動力を要する。
また、特定のガス成分を吸収した後の残ガスがある場合には、この残ガスについても、その後のプロセスに移送するための機器（ブロワーやコンプレッサ）および動力を要する。
他方、特許文献２に開示の技術では、エジェクターベンチュリノズルを用いることにより、ガス混合物を供給する動力は低減されるが、そのエネルギー源としては吸収剤の供給圧力が使用されている。そのため、吸収剤を所定の圧力まで高めるためにはやはり動力が必要となる。また、吸収接触器（吸収塔）の圧力は吸収剤の供給圧力より低くなっており、吸収剤を昇圧するために消費された動力を、吸収後の吸収液や残ガスの移送のために利用することはできない。そのため、特許文献１と同様に、吸収液や残ガスの移送のためのポンプは該ポンプの動力を要する。
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、処理対象ガス中から特定のガス成分を吸収液によって選択的に吸収して精製するガス吸収精製装置において、吸収液や残ガスをその後のプロセスに移送するためのポンプ等の機器やその動力を削減できるガス吸収精製装置を提供することを目的としている。
発明者は上記の課題を解決するため鋭意検討した結果、ガス吸収精製装置の吸収器としてインジェクタを適用することを考えた。一般に、インジェクタは、蒸気と水との直接接触により蒸気を凝縮（復水）しつつ、蒸気の保有するエネルギーで混合水を昇圧して吐出することができる装置である。このようなインジェクタは、蒸気を被吸収ガスに、水を吸収液にそれぞれ置換しても機能することから、インジェクタを吸収器として使用することで、昇圧された吸収液を得ることができ、ポンプ等の機器やその動力が不要又は削減できる。さらに混合水中に気体が残存していても機能することから、インジェクタ下流側に気液分離器を配設することにより、昇圧された吸収液と残存ガスを分離することが可能となる。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。
（１）本発明に係るガス吸収精製装置は、被吸収ガスと濃吸収液を接触させると共に昇圧して前記被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に吸収させて希吸収液とするインジェクタと、該インジェクタで昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて気液分離する気液分離器と、該気液分離器で分離された希吸収液の供給を受けて該希吸収液を加熱して前記特定のガス成分を分離することにより濃吸収液に再生する再生塔と、該再生塔で再生された濃吸収液を前記インジェクタに供給する濃吸収液供給ラインと、該濃吸収液供給ラインに設けられて供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整弁とを備えてなることを特徴とするものである。
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記再生塔に供給する前記希吸収液と前記再生塔で再生され前記インジェクタに供給する濃吸収液との間で熱交換して前記濃吸収液を冷却する熱交換器を備えたことを特徴とするものである。
（３）また、本発明に係るガス吸収精製装置は、被吸収ガスと濃吸収液を接触させると共に昇圧して前記被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に吸収させて希吸収液とするインジェクタと、該インジェクタで昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて気液分離する気液分離器と、該気液分離器で分離された希吸収液の供給を受けて該希吸収液を減圧して前記特定のガス成分を分離することにより濃吸収液に再生する再生塔と、該再生塔で再生された濃吸収液を前記インジェクタに供給する濃吸収液供給ラインと、該濃吸収液供給ラインに設けられて供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整装置とを備えてなることを特徴とするものである。
（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記インジェクタを並列に複数設置したことを特徴とするものである。
本発明に係るガス吸収精製装置は、被吸収ガスと濃吸収液を接触させると共に昇圧して前記被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に吸収させて希吸収液とするインジェクタと、該インジェクタで昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて気液分離する気液分離器と、該気液分離器で分離された希吸収液の供給を受けて該希吸収液を加熱して前記特定のガス成分を分離することにより濃吸収液に再生する再生塔と、該再生塔で再生された濃吸収液を前記インジェクタに供給する濃吸収液供給ラインと、該濃吸収液供給ラインに設けられて供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整弁とを備えてなることにより、インジェクタの出側で昇圧された希吸収液を気液分離器に供給することができる。このため、気液分離器において気液分離された希吸収液や残ガスを後工程に移送するためのポンプやブロワ等を削減もしくは不要とすることができる。
［実施の形態１］
本実施の形態に係るガス吸収精製装置１は、図１に示すように、被吸収ガスと濃吸収液を接触させて被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に化学的に反応させて吸収させて希吸収液とし、該希吸収液と残ガスを昇圧するインジェクタ３と、インジェクタ３で昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて気液分離する気液分離器５と、気液分離器５で分離された希吸収液の供給を受けて該希吸収液を加熱して被吸収ガス中の特定のガス成分を分離することにより濃吸収液に再生する再生塔７と、再生塔７で再生された濃吸収液をインジェクタ３に供給する濃吸収液供給ライン９と、濃吸収液供給ライン９に設けられて供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整弁１１とを備えてなるものである。
以下、各構成を詳細に説明する。
本実施の形態に係るガス吸収精製装置１は、図１に示すように、被吸収ガスと濃吸収液を接触させて被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に化学的に反応させて吸収させて希吸収液とし、該希吸収液と残ガスを昇圧するインジェクタ３と、インジェクタ３で昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて気液分離する気液分離器５と、気液分離器５で分離された希吸収液の供給を受けて該希吸収液を加熱して被吸収ガス中の特定のガス成分を分離することにより濃吸収液に再生する再生塔７と、再生塔７で再生された濃吸収液をインジェクタ３に供給する濃吸収液供給ライン９と、濃吸収液供給ライン９に設けられて供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整弁１１とを備えてなるものである。
以下、各構成を詳細に説明する。
＜被吸収ガス＞
被吸収ガスは、例えば火力発電所や製鉄所などで発生するプロセス排ガス等であり、特定のガス成分として二酸化炭素を含むガスである。以下、特定のガス成分として二酸化炭素を例に挙げて説明する。
被吸収ガスは、例えば火力発電所や製鉄所などで発生するプロセス排ガス等であり、特定のガス成分として二酸化炭素を含むガスである。以下、特定のガス成分として二酸化炭素を例に挙げて説明する。
＜濃吸収液＞
モノエタノールアミン（monoethanolamin）やジエタノールアミン（diethanolamin）などのアミン系水溶液、アルカリ性水溶液、イオン液体やその水溶液などであるが、これらに限定されるものではない。
モノエタノールアミン（monoethanolamin）やジエタノールアミン（diethanolamin）などのアミン系水溶液、アルカリ性水溶液、イオン液体やその水溶液などであるが、これらに限定されるものではない。
＜インジェクタ＞
インジェクタ３は、被吸収ガスと濃吸収液を接触させて被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に化学的に反応させて吸収させて希吸収液とすると共に希吸収液と残ガスを昇圧する機能を有している。
インジェクタ３の基本構成と作動原理を、図２に基づいて説明する。
インジェクタ３は、被吸収ガスと濃吸収液を接触させて被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に化学的に反応させて吸収させて希吸収液とすると共に希吸収液と残ガスを昇圧する機能を有している。
インジェクタ３の基本構成と作動原理を、図２に基づいて説明する。
インジェクタ３は、濃吸収液が供給される筒状の濃吸収液供給部１３と、濃吸収液供給部１３を覆うように設けられ、被吸収ガスが供給される被吸収ガス供給部１５と、濃吸収液と被吸収ガスが混合される混合部１７と、混合部１７の下流側で縮径されたスロート部１９と、スロート部１９の下流側で拡径されたディフューザ部２１とを備えている。
上記のように構成されたインジェクタ３において、濃吸収液供給部１３に濃吸収液を、被吸収ガス供給部１５に被吸収ガスをそれぞれ供給すると、混合部１７において被吸収ガスと濃吸収液が接触して、被吸収ガス中の二酸化炭素が濃吸収液に吸収される。被吸収ガスが吸収されることによってインジェクタ３の内部（混合部１７）の圧力が低下することにより、濃吸収液と被吸収ガスを吸引する作用が発生する。
被吸収ガスが吸引される際に高速流となり、この運動エネルギーが、被吸収ガス中の二酸化炭素が吸収される際に濃吸収液に受け渡され、希吸収液を加速する。この希吸収液がスロート部１９を通過後に拡径されたディフューザ部２１において流速が低下し、これによって圧力回復されて、希吸収液は昇圧されて吐出される。また、希吸収液中に気体が残存していても機能することから、吸収液で吸収されない残ガスも希吸収液と一緒に昇圧されて吐出される。
なお、上述したインジェクタ３は、被吸収ガス供給部１５が濃吸収液供給部１３を覆うように設けられているが、これに限定されるものではなく、供給された濃吸収液と被吸収ガスが互いに接触しながら同一方向に流出する構造となっていればよい。例えば、上述したものとは逆に、濃吸収液供給部１３が筒状の被吸収ガス供給部１５を覆うように設けても良い。
また、インジェクタ３の起動時に内部の流体を流出しやすくするために、スロート部１９またはその上流側にドレン管２２を設け、ドレン管２２にインジェクタ３から流出する方向のみに流体を流すような開閉弁、例えば逆止弁２４を設けるようにしてもよい。このようにすることで、インジェクタ３の起動を容易にする効果が得られる。
また、インジェクタ３の起動時に内部の流体を流出しやすくするために、スロート部１９またはその上流側にドレン管２２を設け、ドレン管２２にインジェクタ３から流出する方向のみに流体を流すような開閉弁、例えば逆止弁２４を設けるようにしてもよい。このようにすることで、インジェクタ３の起動を容易にする効果が得られる。
本実施の形態では、インジェクタ３を吸収器として機能させているが、吸収器は圧損が小さいほうが望ましいので、インジェクタ３を並列に複数設置するのが好ましい。インジェクタ３を並列に複数設置することにより、吸収器としての圧力損失を削減しつつ移送するための機器動力の削減効果を得ることができる。
＜気液分離器＞
気液分離器５は、インジェクタ３で昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて、残ガスと希吸収液とに気液分離する。
気液分離器５は、インジェクタ３で昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて、残ガスと希吸収液とに気液分離する。
＜再生塔＞
再生塔７は、導入された希吸収液を加熱装置２５によって加熱することにより、希吸収液中に化学的に反応させて吸収している大部分の二酸化炭素を蒸発放散させて、希吸収液から二酸化炭素を分離する。
再生塔７は、その上部から、放散された二酸化炭素を含む再生ガスを排出し、その下部から、希吸収液から二酸化炭素が放散されて再生された濃吸収液を排出する。
再生塔７は、導入された希吸収液を加熱装置２５によって加熱することにより、希吸収液中に化学的に反応させて吸収している大部分の二酸化炭素を蒸発放散させて、希吸収液から二酸化炭素を分離する。
再生塔７は、その上部から、放散された二酸化炭素を含む再生ガスを排出し、その下部から、希吸収液から二酸化炭素が放散されて再生された濃吸収液を排出する。
再生塔７から排出された濃吸収液は、濃吸収液供給ライン９を通じてインジェクタ３に送液される。前述したように、インジェクタ３は運転中には吸引作用を発生するので、送液ポンプを別途設ける必要がない場合もある。
＜濃吸収液供給ライン＞
濃吸収液供給ライン９は、再生塔７で再生された濃吸収液をインジェクタ３に供給するラインである。
濃吸収液供給ライン９は、再生塔７で再生された濃吸収液をインジェクタ３に供給するラインである。
＜流量調整弁＞
流量調整弁１１は、濃吸収液供給ライン９に設けられてインジェクタ３に供給する濃吸収液の流量を調整する。インジェクタ３の作動には、濃吸収液で被吸収ガス中の二酸化炭素を吸収させることが前提となるため、濃吸収液と被吸収ガスの流量条件が重要となる。この点、本実施の形態では、濃吸収液供給ライン９に流量調整弁１１を設けると共に、残ガス中の二酸化炭素濃度を計測する特定ガス濃度計２７を設け、特定ガス濃度計２７の計測値を制御装置２９に入力して、制御装置２９によって流量調整弁１１を調整して、供給する濃吸収液の量を適切な量に調整するようにしている。例えば、気液分離器５から排出される残ガス中の二酸化炭素濃度を計測し、その濃度が一定値以下となるようにインジェクタ３に供給する濃吸収液の流量を流量調整弁１１により調整するとよい。
また、インジェクタ３にドレン管２２が備えられている場合には、インジェクタ３から流出する方向のみに開く逆止弁２４を介して、その流出端をインジェクタ３の吐出側配管に接続するようにする。
流量調整弁１１は、濃吸収液供給ライン９に設けられてインジェクタ３に供給する濃吸収液の流量を調整する。インジェクタ３の作動には、濃吸収液で被吸収ガス中の二酸化炭素を吸収させることが前提となるため、濃吸収液と被吸収ガスの流量条件が重要となる。この点、本実施の形態では、濃吸収液供給ライン９に流量調整弁１１を設けると共に、残ガス中の二酸化炭素濃度を計測する特定ガス濃度計２７を設け、特定ガス濃度計２７の計測値を制御装置２９に入力して、制御装置２９によって流量調整弁１１を調整して、供給する濃吸収液の量を適切な量に調整するようにしている。例えば、気液分離器５から排出される残ガス中の二酸化炭素濃度を計測し、その濃度が一定値以下となるようにインジェクタ３に供給する濃吸収液の流量を流量調整弁１１により調整するとよい。
また、インジェクタ３にドレン管２２が備えられている場合には、インジェクタ３から流出する方向のみに開く逆止弁２４を介して、その流出端をインジェクタ３の吐出側配管に接続するようにする。
以上のように構成された本実施の形態においては、被吸収ガスと濃吸収液がインジェクタ３に供給され、インジェクタ３において被吸収ガス中の二酸化炭素が濃吸収液に吸収される。被吸収ガス中の二酸化炭素を吸収した濃吸収液は希吸収液となって昇圧され、気液分離器５に供給される。気液分離器５では、被吸収ガスのうち吸収されなかったガスが分離され、残ガスとして排出される。また、気液分離器５で残ガスが分離された希吸収液は再生塔７に送液される。
インジェクタ３から排出される希吸収液及び残ガスは高圧であるため、気液分離器５は内圧が高く、この内圧によって残ガス及び希吸収液の後工程への送り出しが可能となり、送液ポンプやブロア等を省略又は削減することができる。
インジェクタ３から排出される希吸収液及び残ガスは高圧であるため、気液分離器５は内圧が高く、この内圧によって残ガス及び希吸収液の後工程への送り出しが可能となり、送液ポンプやブロア等を省略又は削減することができる。
なお、本実施の形態は、濃吸収液を用いて被吸収ガス中の二酸化炭素を化学反応により吸収する化学吸収法にインジェクタを用いる例であるが、化学反応の平衡状態は状態変数が変化すると、その変化を相殺する方向へ平衡は移動する。
したがって、圧力が上昇すると、化学反応は圧力上昇を打ち消す方向、すなわちガス吸収を促進させる方向に反応が進む。このため、本実施の形態のように、ガス吸収装置としてインジェクタを用いることで、インジェクタの昇圧作用にはポンプ動力の低減の他、ガス吸収量を増大させる効果も期待できる。
したがって、圧力が上昇すると、化学反応は圧力上昇を打ち消す方向、すなわちガス吸収を促進させる方向に反応が進む。このため、本実施の形態のように、ガス吸収装置としてインジェクタを用いることで、インジェクタの昇圧作用にはポンプ動力の低減の他、ガス吸収量を増大させる効果も期待できる。
なお、インジェクタ３による昇圧では圧力が不足する場合には、インジェクタ３から再生塔７への送液ラインに補助ポンプを設置するようにしてもよい。補助ポンプを設置する場合であっても、本発明のようにインジェクタ３を吸収器として用いることで、インジェクタ３による昇圧を利用して、補助ポンプの動力の削減ができるので、全体として動力削減効果が得られる。
なお、被吸収ガス中の二酸化炭素を濃吸収液に吸収させる際には、濃吸収液の温度が低い方が効率がよい。そこで、図３に示すように、濃吸収液供給ライン９に熱交換器３１を設け、気液分離器５から再生塔７に送液される希吸収液と再生塔７からインジェクタ３に送液される濃吸収液との間で熱交換させて、濃吸収液を冷却するようにしてもよい。
なお、本技術で化学吸収の対象となる特定のガス成分は、二酸化炭素に限定されるわけではなく、例えばアンモニアやH2Sなど硫黄化合物などが特定のガス成分である場合にも本技術は適用可能である。従って、被吸収ガスについても例示したプロセス排ガスに限定されるものではない。また、吸収液もその特定のガス成分の特性に合わせて選定されることになり、例えばH2Sの場合はアミン系水溶液などが吸収液として選定可能である。
なお、本技術で化学吸収の対象となる特定のガス成分は、二酸化炭素に限定されるわけではなく、例えばアンモニアやH2Sなど硫黄化合物などが特定のガス成分である場合にも本技術は適用可能である。従って、被吸収ガスについても例示したプロセス排ガスに限定されるものではない。また、吸収液もその特定のガス成分の特性に合わせて選定されることになり、例えばH2Sの場合はアミン系水溶液などが吸収液として選定可能である。
［実施の形態２］
実施の形態１においては、濃吸収液を用いて被吸収ガス中の特定のガス成分を化学反応により吸収する化学吸収法にインジェクタを用いる例を示したが、本実施の形態は、被吸収ガス中の特定のガス成分を濃吸収液に吸収する方法として、濃吸収液を用いて被吸収ガス中の特定のガス成分を濃吸収液に物理的に溶解させて吸収させる物理吸収法にインジェクタを用いるものである。
実施の形態１においては、濃吸収液を用いて被吸収ガス中の特定のガス成分を化学反応により吸収する化学吸収法にインジェクタを用いる例を示したが、本実施の形態は、被吸収ガス中の特定のガス成分を濃吸収液に吸収する方法として、濃吸収液を用いて被吸収ガス中の特定のガス成分を濃吸収液に物理的に溶解させて吸収させる物理吸収法にインジェクタを用いるものである。
イオン液体を主成分とした濃吸収液を用いて被吸収ガス中の特定のガス成分を濃吸収液に吸収させる物理吸収法については、例えば、特開２００８−２９６２１１号公報には「ガス分離精製ならびに回収方法及びその装置」が開示されている。
しかし上記の従来方法は、混合ガスおよびイオン液体等からなる吸収液を、それぞれコンプレッサーやポンプによって個別に所定圧力まで昇圧させた後、混合器において両者を接触さるため、混合ガスや吸収液の昇圧に大きな動力を要する。
また、混合ガスと吸収液の接触方法は、混合ガス中に吸収液を分散させる方法と吸収液中に混合ガスを分散させる方法とが知られているが、前者は混合器での気液接触の効率が低いため大型化しやすく、後者は、混合器はコンパクトになるものの、気液二相流を形成する流れ領域の圧力損失が大きくなるため、混合ガスや吸収液のより大きな昇圧が必要となり、エネルギー消費が大きくなる。
また、混合ガスと吸収液の接触方法は、混合ガス中に吸収液を分散させる方法と吸収液中に混合ガスを分散させる方法とが知られているが、前者は混合器での気液接触の効率が低いため大型化しやすく、後者は、混合器はコンパクトになるものの、気液二相流を形成する流れ領域の圧力損失が大きくなるため、混合ガスや吸収液のより大きな昇圧が必要となり、エネルギー消費が大きくなる。
そこで、本実施の形態では、インジェクタを物理吸収法における混合器（吸収器）に適用することにより、物理吸収させるために必要な昇圧に係るエネルギー消費を低減すると共に、装置をコンパクトにすることを目的としている。
本実施の形態に係るガス吸収精製装置３２を、図４に基づいて説明する。なお、図４において、図１と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、濃吸収液が被吸収ガス中の特定のガス成分を物理吸収するものであること、再生塔７に希吸収液を導入するラインに減圧弁３３を設けている点、及び再生塔において実施の形態１で必要とされた加熱装置２５が不要である点、さらに濃吸収液供給ライン９に濃吸収液の供給量を調整する流量調整装置としてポンプ３５を設けている点である。
以下、本実施の形態に係るガス吸収精製装置３２について、実施の形態１と異なる点を主として説明する。なお、本実施の形態においても実施の形態１と同様に特定のガス成分として二酸化炭素を例に挙げて説明する。
本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、濃吸収液が被吸収ガス中の特定のガス成分を物理吸収するものであること、再生塔７に希吸収液を導入するラインに減圧弁３３を設けている点、及び再生塔において実施の形態１で必要とされた加熱装置２５が不要である点、さらに濃吸収液供給ライン９に濃吸収液の供給量を調整する流量調整装置としてポンプ３５を設けている点である。
以下、本実施の形態に係るガス吸収精製装置３２について、実施の形態１と異なる点を主として説明する。なお、本実施の形態においても実施の形態１と同様に特定のガス成分として二酸化炭素を例に挙げて説明する。
＜濃吸収液＞
本実施の形態の濃吸収液は、例えばイオン液体（イミダゾリウム系、ジグライム系など）、アルコール類（メタノール、ポリエチレングリコールジメチルエーテルなど）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
物理吸収は、高圧で二酸化炭素を吸収し、減圧して二酸化炭素を回収するものであり、被吸収ガスが高圧である場合（例：ガス田自噴ガス、発電所排ガス）に有利である。
また、物理吸収の場合、濃吸収液から二酸化炭素を取り出す際に、化学吸収のように加熱する必要がなく、消費エネルギーの低減効果がある。
本実施の形態の濃吸収液は、例えばイオン液体（イミダゾリウム系、ジグライム系など）、アルコール類（メタノール、ポリエチレングリコールジメチルエーテルなど）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
物理吸収は、高圧で二酸化炭素を吸収し、減圧して二酸化炭素を回収するものであり、被吸収ガスが高圧である場合（例：ガス田自噴ガス、発電所排ガス）に有利である。
また、物理吸収の場合、濃吸収液から二酸化炭素を取り出す際に、化学吸収のように加熱する必要がなく、消費エネルギーの低減効果がある。
被吸収ガスの圧力と、濃吸収液への溶解量の関係について説明する。
例えば濃吸収液がジグライムの場合、二酸化炭素圧力6MPaのときにジグライム１L当たり10molの二酸化炭素が溶解し、圧力2MPaのときにジグライム１L当たり3molの二酸化炭素が溶解する。
従って、6MPaで二酸化炭素を溶解し2MPaまで減圧して二酸化炭素を分離回収するシステムでは、ジグライム１L当たり7molの二酸化炭素が分離回収することができる。
例えば濃吸収液がジグライムの場合、二酸化炭素圧力6MPaのときにジグライム１L当たり10molの二酸化炭素が溶解し、圧力2MPaのときにジグライム１L当たり3molの二酸化炭素が溶解する。
従って、6MPaで二酸化炭素を溶解し2MPaまで減圧して二酸化炭素を分離回収するシステムでは、ジグライム１L当たり7molの二酸化炭素が分離回収することができる。
＜インジェクタ＞
上述したように、インジェクタ３は、蒸気を水との直接接触により凝縮しつつ、蒸気の保有するエネルギーで混合水（水と蒸気復水）を水の圧力より昇圧して吐出することができる装置である。
物理吸収で用いられる濃吸収液（イオン液体等）の溶解度は、被吸収ガスの圧力に比例する特性がある。このため、従来では、被吸収ガスおよび濃吸収液をそれぞれ個別に昇圧した後、混合器や吸収塔で両者を接触させていた。
この点、本実施の形態では、インジェクタ３を混合器（吸収器）として適用することにより、被吸収ガスと濃吸収液を低圧でインジェクタ３に導入し、インジェクタ３内部の作用により被吸収ガスと濃吸収液をインジェクタ流入部から昇圧させ、濃吸収液に被吸収ガス中の二酸化炭素を溶解させることができる。
上述したように、インジェクタ３は、蒸気を水との直接接触により凝縮しつつ、蒸気の保有するエネルギーで混合水（水と蒸気復水）を水の圧力より昇圧して吐出することができる装置である。
物理吸収で用いられる濃吸収液（イオン液体等）の溶解度は、被吸収ガスの圧力に比例する特性がある。このため、従来では、被吸収ガスおよび濃吸収液をそれぞれ個別に昇圧した後、混合器や吸収塔で両者を接触させていた。
この点、本実施の形態では、インジェクタ３を混合器（吸収器）として適用することにより、被吸収ガスと濃吸収液を低圧でインジェクタ３に導入し、インジェクタ３内部の作用により被吸収ガスと濃吸収液をインジェクタ流入部から昇圧させ、濃吸収液に被吸収ガス中の二酸化炭素を溶解させることができる。
＜再生塔＞
再生塔７は、希吸収液を減圧弁３３で減圧することにより、希吸収液中に溶解している大部分の二酸化炭素を蒸発放散させて、希吸収液から二酸化炭素を分離する。
減圧弁３３は、再生塔７に設けられた圧力計３７の検知圧力に基づいてコントローラ３９によって再生塔７の内部の圧力が予め設定した一定の圧力になるように調整される。
再生塔７は、実施の形態１と同様に、その上部から、放散された二酸化炭素を含む再生ガスを排出し、その下部から、希吸収液から二酸化炭素が放散されて再生された濃吸収液を排出する。
再生塔７は、希吸収液を減圧弁３３で減圧することにより、希吸収液中に溶解している大部分の二酸化炭素を蒸発放散させて、希吸収液から二酸化炭素を分離する。
減圧弁３３は、再生塔７に設けられた圧力計３７の検知圧力に基づいてコントローラ３９によって再生塔７の内部の圧力が予め設定した一定の圧力になるように調整される。
再生塔７は、実施の形態１と同様に、その上部から、放散された二酸化炭素を含む再生ガスを排出し、その下部から、希吸収液から二酸化炭素が放散されて再生された濃吸収液を排出する。
＜ポンプ＞
ポンプ３５は、濃吸収液供給ライン９に設けられてインジェクタ３に供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整装置として機能する。実施の形態１では、再生塔７の圧力が高いので、濃吸収液をインジェクタ３に供給するために別途ポンプ等を設ける必要がなかったが、本実施の形態では減圧弁３３による減圧によって再生塔７の圧力が低下していることから、ポンプ３５によって送液するようにしている。
ポンプ３５はインバータ制御によって送液量が調整されるものであり、特定ガス濃度計２７の計測値を制御装置２９に入力して、制御装置２９によってインバータ制御され、インジェクタ３へ供給する濃吸収液の量を適切な量に調整するようにしている。
ポンプ３５は、濃吸収液供給ライン９に設けられてインジェクタ３に供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整装置として機能する。実施の形態１では、再生塔７の圧力が高いので、濃吸収液をインジェクタ３に供給するために別途ポンプ等を設ける必要がなかったが、本実施の形態では減圧弁３３による減圧によって再生塔７の圧力が低下していることから、ポンプ３５によって送液するようにしている。
ポンプ３５はインバータ制御によって送液量が調整されるものであり、特定ガス濃度計２７の計測値を制御装置２９に入力して、制御装置２９によってインバータ制御され、インジェクタ３へ供給する濃吸収液の量を適切な量に調整するようにしている。
上記のように構成された本実施の形態の作用について、図４、図２に基づいて説明する。
濃吸収液供給部１３から濃吸収液を、被吸収ガス供給部１５から被吸収ガスを、それぞれ所定の圧力・温度で導入する（図２参照）。
インジェクタ３における混合部１７で被吸収ガスは濃吸収液に溶解し、混合部１７の圧力が低下する。混合部１７の圧力低下により、混合部１７に流入する被吸収ガスは音速レベルの高速な流れとなる。
混合部１７の圧力において、溶解しきれなかった被吸収ガス中の二酸化炭素は濃吸収液と高速な二相流を形成し、混合部１７とディフューザ部２１を分けるスロート部１９に達する。
濃吸収液供給部１３から濃吸収液を、被吸収ガス供給部１５から被吸収ガスを、それぞれ所定の圧力・温度で導入する（図２参照）。
インジェクタ３における混合部１７で被吸収ガスは濃吸収液に溶解し、混合部１７の圧力が低下する。混合部１７の圧力低下により、混合部１７に流入する被吸収ガスは音速レベルの高速な流れとなる。
混合部１７の圧力において、溶解しきれなかった被吸収ガス中の二酸化炭素は濃吸収液と高速な二相流を形成し、混合部１７とディフューザ部２１を分けるスロート部１９に達する。
ディフューザ部２１においては、溶解しきれなかった被吸収ガス中の二酸化炭素と濃吸収液の二相流に急激な圧力上昇が生じ、この急激な圧力上昇によって、混合部１７で溶解しきれなかった被吸収ガス中の二酸化炭素は、その圧力の溶解度まで濃吸収液に溶解する。なお、この圧力はインジェクタ３の流入部における濃吸収液や被吸収ガスの圧力よりも高圧である。
以上のように、インジェクタ３を物理吸収によるガス吸収精製装置３２の混合器（吸収器）に適用することにより、以下の効果を奏することができる。すなわち、被吸収ガス中の二酸化炭素を濃吸収液に物理吸収させるために必要な昇圧に係るエネルギー消費を低減でき、また、インジェクタ３内部の流れは高速であるため混合が促進されるため混合器（吸収器）の気液接触は高効率となり、装置をコンパクトにできる。
なお、上記の説明では、再生塔７の圧力が低くなるため、ポンプ３５を設けるようにしたが、再生塔７における減圧があまり大きくなく、再生塔７の圧力によって濃吸収液をインジェクタ３に送液できる場合には、ポンプ３５を設けることなく、図５に示すように、流量調整装置として流量調整弁１１を設けるようにしてもよい。
また、図４、図５に示したものは、再生塔７の圧力を一定にして再生するため、再生される濃吸収液の濃度が一定となる例であり、この場合には、インジェクタ３への濃吸収液の供給量をポンプ３５又は流量調整弁１１で調整するようにしていた。
しかし、物理吸収の場合には、再生塔７の圧力を調整することで、希吸収液から分離回収される二酸化炭素の量が変わり、濃吸収液の濃度を変えることができる。このため、図６に示すように、特定ガス濃度計２７の計測値を制御装置２９に入力して、制御装置２９によって減圧弁３３を調整することで、濃吸収液の濃度を調整し、インジェクタ３への供給量は定流量を送液するポンプ４１によって一定流量となるようにしてもよい。
しかし、物理吸収の場合には、再生塔７の圧力を調整することで、希吸収液から分離回収される二酸化炭素の量が変わり、濃吸収液の濃度を変えることができる。このため、図６に示すように、特定ガス濃度計２７の計測値を制御装置２９に入力して、制御装置２９によって減圧弁３３を調整することで、濃吸収液の濃度を調整し、インジェクタ３への供給量は定流量を送液するポンプ４１によって一定流量となるようにしてもよい。
なお、本技術で物理吸収の対象となる特定のガス成分は、二酸化炭素に限定されるわけではなく、例えばアンモニアやH2Sなど硫黄化合物などが特定のガス成分である場合にも本技術は適用可能である。従って、被吸収ガスについても例示したプロセス排ガスに限定されるものではない。また、吸収液もその特定のガス成分の特性に合わせて選定されることになり、例えばアンモニアの場合は水やイオン液体などが吸収液として選定可能である。
また、例えば吸収液が化学吸収機能を有するイオン液体と物理吸収機能を有するイオン液体の混合液のように、化学反応と物理的な溶解の両方の方法で被吸収ガス中の特定のガス成分を吸収する場合は、希吸収液から特定のガス成分を分離し濃吸収液に再生する再生塔に希吸収液の加熱と減圧の両方の手段を備えることで、ガス吸収精製装置として機能させることができる。
１ ガス吸収精製装置（実施の形態１）
３ インジェクタ
５ 気液分離器
７ 再生塔
９ 濃吸収液供給ライン
１１ 流量調整弁
１３ 濃吸収液供給部
１５ 被吸収ガス供給部
１７ 混合部
１９ スロート部
２１ ディフューザ部
２２ ドレン管
２４ 逆止弁
２５ 加熱装置
２７ 特定ガス濃度計
２９ 制御装置
３１ 熱交換器
３２ ガス吸収精製装置（実施の形態２）
３３ 減圧弁
３５ ポンプ
３７ 圧力計
３９ コントローラ
４１ 定流量ポンプ
３ インジェクタ
５ 気液分離器
７ 再生塔
９ 濃吸収液供給ライン
１１ 流量調整弁
１３ 濃吸収液供給部
１５ 被吸収ガス供給部
１７ 混合部
１９ スロート部
２１ ディフューザ部
２２ ドレン管
２４ 逆止弁
２５ 加熱装置
２７ 特定ガス濃度計
２９ 制御装置
３１ 熱交換器
３２ ガス吸収精製装置（実施の形態２）
３３ 減圧弁
３５ ポンプ
３７ 圧力計
３９ コントローラ
４１ 定流量ポンプ
Claims (4)
- 被吸収ガスと濃吸収液を接触させると共に昇圧して前記被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に吸収させて希吸収液とするインジェクタと、該インジェクタで昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて気液分離する気液分離器と、該気液分離器で分離された希吸収液の供給を受けて該希吸収液を加熱して前記特定のガス成分を分離することにより濃吸収液に再生する再生塔と、該再生塔で再生された濃吸収液を前記インジェクタに供給する濃吸収液供給ラインと、該濃吸収液供給ラインに設けられて供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整弁とを備えてなることを特徴とするガス吸収精製装置。
- 前記再生塔に供給する前記希吸収液と前記再生塔で再生され前記インジェクタに供給する濃吸収液との間で熱交換して前記濃吸収液を冷却する熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１記載のガス吸収精製装置。
- 被吸収ガスと濃吸収液を接触させると共に昇圧して前記被吸収ガス中の特定のガス成分を前記濃吸収液に吸収させて希吸収液とするインジェクタと、該インジェクタで昇圧された希吸収液及び残ガスの供給を受けて気液分離する気液分離器と、該気液分離器で分離された希吸収液の供給を受けて該希吸収液を減圧して前記特定のガス成分を分離することにより濃吸収液に再生する再生塔と、該再生塔で再生された濃吸収液を前記インジェクタに供給する濃吸収液供給ラインと、該濃吸収液供給ラインに設けられて供給する濃吸収液の流量を調整する流量調整装置とを備えてなることを特徴とするガス吸収精製装置。
- 前記インジェクタを並列に複数設置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス吸収精製装置。
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