二酸化炭素の回収方法及び回収装置
【課題】吸収液の再生における熱効率を改善し、費用削減が可能な二酸化炭素の回収方法及び装置を提供する。
【解決手段】吸収塔において、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて二酸化炭素を吸収させ、再生塔において、吸収液を加熱して二酸化炭素を放出させて吸収液を再生する。再生塔で再生される吸収液を、減圧タンクにおいて再生塔より低圧に減圧して吸収液から水蒸気を発生させ、減圧タンクで発生する水蒸気を圧縮器によって再生塔と同等圧に加圧して再生塔へ供給する。
【解決手段】吸収塔において、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて二酸化炭素を吸収させ、再生塔において、吸収液を加熱して二酸化炭素を放出させて吸収液を再生する。再生塔で再生される吸収液を、減圧タンクにおいて再生塔より低圧に減圧して吸収液から水蒸気を発生させ、減圧タンクで発生する水蒸気を圧縮器によって再生塔と同等圧に加圧して再生塔へ供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガスなどの二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離回収し、清浄なガスを大気に還元するための二酸化炭素の回収方法及び二酸化炭素の回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備では、石炭、重油、超重質油などの燃料を多量に使用しており、燃料の燃焼によって排出される硫黄酸化物、窒素酸化物及び二酸化炭素は、大気汚染防止や地球環境保全の見地から放出に関する量的及び濃度的制限が必要とされている。近年、二酸化炭素は地球温暖化の主原因として問題視され、世界的にも排出を抑制する動きが活発化している。このため、燃焼排ガスやプロセス排ガスの二酸化炭素を大気中に放出せずに回収・貯蔵を可能とするために、様々な研究が精力的に進められ、二酸化炭素の回収方法として、例えば、ＰＳＡ（圧力スウィング）法、膜分離濃縮法や、塩基性化合物による反応吸収を利用する化学吸収法などが知られている。
【０００３】
化学吸収法においては、主にアルカノールアミン系の塩基性化合物を吸収剤として用い、その処理プロセスでは、概して、吸収剤を含む水性液を吸収液として、ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収工程と、吸収された二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程とを交互に繰り返すように吸収液を循環させる（例えば、下記特許文献１参照）。再生工程においては、二酸化炭素を放出させるための加熱が必要であり、二酸化炭素回収の操業費用を削減するには、加熱／冷却に要するエネルギーを低減することが重要となる。下記特許文献１では、再生工程から回収されるガスの流路に設けられる熱交換器を用いて回収ガスから熱エネルギーを回収し、再生工程に供給するように構成している。
【０００４】
また、吸収液から二酸化炭素を回収する際に要するエネルギーの削減を目的として、下記特許文献２では、再生工程の吸収液を抜き出して高温スチームによって熱交換するための再生加熱器から生じるスチーム凝縮水の余熱を、吸収液の加熱に利用している。更に、下記特許文献３では、吸収された二酸化炭素の放出を促進するために、二酸化炭素を随伴するようにストリッピング用ガスを導入することを記載する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１４０８９号公報
【特許文献２】特開２００５−２５４２１２号公報
【特許文献３】特開２００５−２３０８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
再生工程において必要とされるエネルギーには、吸収液の温度上昇に要する顕熱、吸収液から二酸化炭素を放出する際の反応熱、及び、吸収液の水分蒸発による熱損失を補うための潜熱がある。上述の先行技術は、顕熱又は反応熱に関連する技術である。
【０００７】
本発明の課題は、吸収液を再生するために要するエネルギーを削減して操業費用を低減可能な二酸化炭素の回収方法及び回収装置を提供することである。
【０００８】
又、本発明の課題は、装置への負担や煩雑な作業を伴わず、吸収液を再生するために要するエネルギーを削減して二酸化炭素の回収コストを低減可能な二酸化炭素の回収方法及び回収装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、再生工程への水蒸気供給を利用して、吸収液の水分蒸発に関する潜熱の供給を低減可能な手法を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収装置は、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔と、前記再生塔で再生される吸収液を、前記再生塔より低圧に減圧して前記吸収液から水蒸気を発生させる減圧タンクと、前記減圧タンクにおいて発生する水蒸気を前記再生塔と同等圧に加圧して前記再生塔へ供給する圧縮器とを有することを要旨とする。
【００１１】
又、本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収方法は、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収工程と、前記吸収工程で二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程と、前記再生工程で再生される吸収液を、前記再生工程より低圧に減圧して前記吸収液から水蒸気を発生させる減圧工程と、前記減圧工程において発生する水蒸気を前記再生塔工程と同等圧に加圧して前記再生工程へ供給する加圧工程とを有することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガスに含まれる二酸化炭素を回収するプロセスにおいて、吸収液の再生に要するエネルギー供給を低減して操業に要する費用を削減でき、又、装置にかかる負担も低減可能であり、省エネルギー及び環境保護に貢献可能な二酸化炭素の回収装置を提供できる。二酸化炭素の回収方法において特殊な装備や高価な装置を必要とせず、一般的な設備を利用して簡易に実施できるので、経済的に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
一般的に、吸収液から二酸化炭素を放出させて再生するための手法として、吸収液を加熱して反応熱を供給するが、このためには、吸収液の温度上昇に要する顕熱、及び、吸収液の水分蒸発による熱損失を補うための潜熱の供給も必要となる。これらの軽減を目的として、吸収液の水分蒸発を抑制することは、加圧して吸収液の沸点を上昇させることで可能であるが、これによって、吸収液から二酸化炭素を放出するための加熱温度も高まり、吸収液の劣化や装置の負担が増加するので好ましくない。
【００１５】
本発明では、再生工程において吸収液の液面付近に水蒸気を供給することによって、吸収液からの水の気化を抑制して潜熱ロスを低減させる。この際、供給する水蒸気は、再生された吸収液の一部を用いて発生させ、水蒸気発生後の吸収液は、吸収工程へ還流させる。つまり、再生工程から吸収工程へ還流させる吸収液を利用して水蒸気を供給し、水蒸気の発生によって吸収液の温度は低下するので、吸収工程への還流にとっても好都合である。
【００１６】
以下、本発明の二酸化炭素の回収方法及び回収装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第１の実施形態を示す。回収装置１は、二酸化炭素を含有するガスＧを吸収液に接触させて、吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔１０と、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱し、二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔２０とを有する。吸収塔１０及び再生塔２０は、各々、向流型気液接触装置として構成され、接触面積を大きくするための充填材１１，２１を各々内部に保持している。充填材１１，１２は、概して、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料製のものが用いられるが、特に限定されず、処理温度における耐久性及び耐腐食性を有する素材で、所望の接触面積を提供し得る形状のものを適宜選択するとよい。吸収液として、アルカノールアミン類等の二酸化炭素に親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水性液が用いられる。
【００１８】
二酸化炭素を含んだガスＧは、吸収塔１０の下部から供給され、吸収液は、吸収塔１０の上部から供給され、ガスＧ及び吸収液が充填材１１を通過する間に気液接触してガスＧ中の二酸化炭素が吸収液に吸収される。吸収塔１０に供給されるガスＧについて、特に制限はなく、燃焼排ガスやプロセス排ガスなどの様々なガスの取扱いが可能であるが、二酸化炭素の吸収に適した低温であることが好ましく、必要に応じてガス冷却用の前処理設備を付設するとよい。
【００１９】
二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、吸収塔１０底部に貯溜され、ポンプ１２によって、吸収塔１０底部と再生塔２０上部とを接続する供給路１６を通じて再生塔２０へ供給される。二酸化炭素が除去されたガスＧ’は、吸収塔１０頂部から排出される。吸収液が二酸化炭素を吸収することによって発熱して液温が上昇するので、必要に応じて、ガスＧ’に含まれ得る水蒸気等を除去するための冷却凝縮部１３を吸収塔１０頂部に設けることができ、これにより、水蒸気等が塔外へ漏出するのを抑制できる。これを更に確実にするためには、吸収塔外に付設される冷却器１４と、凝縮水の一部（塔内のガスＧ’を含んでも良い）を冷却器１４との間で循環させるポンプ１５とを備え、冷却器１４で冷却されて塔頂部に供給される凝縮水等は冷却凝縮部１３を低温に維持し、冷却凝縮部１３を通過するガスＧ’を確実に冷却する。又、充填材１１に還流する凝縮水によって、塔内の吸収液の組成変動が補整される。塔外へ排出されるガスＧ’の温度は６０℃程度以下が好ましく、より好ましくは４５℃以下となるように冷却する。この実施形態の冷却器１４は水冷式であるが、他の冷却方式であって良く、冷媒による冷凍サイクルを用いて冷却確度を高めてもよい。
【００２０】
吸収塔１０の吸収液Ａ１は、再生塔２０の上部に供給され、充填材２１上を流下して底部に貯溜される。再生塔２０の底部には、リボイラーが付設される。即ち、吸収液を加熱するために再生塔２０外に付設されるスチームヒーター２２と、吸収液をスチームヒーター２２を介して循環させる循環路２２’とが付設され、塔底部の吸収液Ａ２の一部が循環路２２’を通してスチームヒーター２２に分岐され、高温蒸気との熱交換によって加熱された後に塔内へ還流される。この加熱によって、底部の吸収液から二酸化炭素が放出され、又、充填材２１も間接的に加熱されて充填材２１上での気液接触による二酸化炭素の放出が促進される。
【００２１】
再生塔２０で二酸化炭素を放出して再生された吸収液Ａ２は、還流路１７を通じてポンプ２３によって吸収塔１０に還流され、その間に、熱交換器２４において、吸収塔１０から再生塔２０に供給される吸収液Ａ１との間で熱交換して冷却され、更に、冷却水を用いた冷却器２５によって、二酸化炭素の吸収に適した温度まで充分に冷却される。
【００２２】
再生塔２０における加熱で放出される二酸化炭素を含むガスは、回収ガスとして、再生塔２０上部の凝縮部２６を通って頂部から排出され、凝縮部２６は、回収ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて過度の放出を抑制し、また、吸収剤の放出も抑制する。
【００２３】
回収ガスは、冷却水を用いた冷却器２７によって充分に冷却されて、含まれる水蒸気を可能な限り凝縮した後、気液分離器２８によって凝縮水を除去した後に、回収二酸化炭素Ｃを含むガスとして回収される。回収された二酸化炭素は、例えば、地中又は油田中に注入することによって、地中での炭酸ガス固定及び再有機化が可能である。気液分離器２８において分離された凝縮水は、ポンプ２９によって再生塔２０上部に還流される。還流された凝縮水は、凝縮部２６を冷却して吸収剤等の放出を抑制するのに有用であり、塔内の吸収液の組成変動を補整できる。
【００２４】
本発明においては、再生塔２０底部と吸収塔１０上部とを接続する還流路１７上に減圧タンク３０が設けられる。減圧タンク３０は、耐圧性のものであれば特に限定されず、ポンプ等（図示略）によって減圧される。再生塔２０から排出される吸収液Ａ２は、調整弁３１を介して減圧タンク３０に供給される。減圧タンク３０内の圧力低下によって、吸収液Ａ２の水分が主として気化するが、吸収剤及び二酸化炭素を含み得る。減圧タンク３０の頂部には、圧縮器３２を介する流路３３が接続され、減圧タンク３０で気化した水蒸気は、圧縮器３２によって加圧されて圧縮熱によって温度が上昇した後、流路３３から再生塔２０底部に供給されて吸収液Ａ２液面付近の雰囲気中に放出される。一方、減圧タンク３０内部の吸収液Ａ２は、気化熱を失って温度が低下し、還流路１７を通じてポンプ２３によりタンク底部から吸収塔１０へ供給される。還流路１７において、吸収塔１０へ還流される吸収液Ａ２の熱エネルギーが熱交換器２４によって回収され、これは供給路１６の吸収液Ａ１の温度を上昇させて再生塔２０の上部に供給される。
【００２５】
減圧タンク３０内において吸収液Ａ２から発生する水蒸気量及び失われる気化熱量は、減圧タンク３０内の圧力及び気相容積に基づいて調整可能であり、減圧タンク３０内の圧力及び液面レベルを一定に維持して、再生塔２０へ供給する水蒸気量、及び、減圧タンク３０から還流される吸収液Ａ２の温度が所定値に保たれる。減圧タンク３０内の液面レベルは、調整弁３１の開度を調節して吸収液の供給速度を調整することによって制御できる。
【００２６】
再生塔２０から還流される吸収液Ａ２の熱エネルギーは、熱交換器２４によって回収されて再生塔２０の上部に供給されるが、減圧タンク３０を有する上記構成においては、吸収液Ａ２の熱エネルギーの一部が減圧タンク３０において気化熱として回収され、再生塔２０の下部に供給される。この構成は、再生塔２０下部における水の気化を抑制して吸収液の潜熱ロスを減少させるのに有効である点が重要であると共に、再生塔２０内に温度勾配を設定し易い利点がある。つまり、再生塔２０の下部の温度低下を抑制しつつ上部の温度を低くすることによって、吸収液の二酸化炭素放出を減退させずに、再生塔２０上部から外部へ水蒸気が放出されるのを抑制できる効果がある。再生塔２０から吸収塔１０へ送られる吸収液の温度も低くなるので、冷却器２５の負担も軽くなる。
【００２７】
図１の回収装置１において実施される回収方法について説明する。
【００２８】
吸収塔１０において、燃焼排ガスやプロセス排ガスなどの二酸化炭素を含有するガスＧを底部から供給し、吸収液を上部から供給すると、充填材１１上でガスＧと吸収液とが気液接触し、吸収液に二酸化炭素が吸収される。二酸化炭素は、低温において良好に吸収されるので、概して５０℃程度以下、好ましくは４０℃以下となるように吸収液の液温又は吸収塔１０（特に充填材１１）の温度を調整する。吸収液は二酸化炭素の吸収によって発熱するので、これによる液温上昇を考慮し、液温が６０℃を超えないように配慮することが望ましい。吸収塔１０に供給されるガスＧについても、必要に応じてガス冷却用前処理を施して適正な温度に調整するとよい。吸収液として、二酸化炭素に親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水性液が用いられる。吸収剤としては、アルカノールアミン類やアルコール性水酸基を有するヒンダードアミン類などが挙げられ、具体的には、アルカノールアミンとして、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン等を例示することができ、アルコール性水酸基を有するヒンダードアミンとしては、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール（ＡＭＰ）、２−（エチルアミノ）エタノール（ＥＡＥ）、２−（メチルアミノ）エタノール（ＭＡＥ）等を例示できる。通常、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）の使用が好まれ、これらを複数種混合しても良い。吸収液の吸収剤濃度は、処理対象とするガスに含まれる二酸化炭素量や処理速度等に応じて適宜設定することができ、吸収液の流動性や消耗損失抑制などの点を考慮すると、概して、１０〜５０質量％程度の濃度が適用され、例えば、二酸化炭素含有量２０％程度のガスＧの処理に対して、濃度３０質量％程度の吸収液が好適に使用される。ガスＧ及び吸収液の供給速度は、ガスに含まれる二酸化炭素量及び気液接触効率等に応じて、吸収が充分に進行するように適宜設定される。
【００２９】
二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、再生塔２０に供給されると、沸点近辺の高温度、に加熱されるが、再生塔２０に供給される前に熱交換器２４において、再生塔２０から還流する吸収液Ａ２と熱交換されるので、吸収液Ａ１は、再生塔２０での加熱温度に近い温度に昇温されて二酸化炭素が放出され易い状態で再生塔２０に投入される。この実施形態では、７０〜９０℃程度で再生塔２０に投入される。更に、充填材２１上での気液接触によって二酸化炭素の放出が促進されると共に、再生塔２０底部で加熱されて更に昇温及び二酸化炭素の放出が進行する。再生塔２０底部に貯留される吸収液Ａ２は、部分循環加熱によって概して１００〜１３０℃程度に加熱されて二酸化炭素を充分に放出し、再生される。吸収液Ａ２の沸点は組成（吸収剤濃度）に依存するので、液温の上限は使用する吸収液によって異なる。
【００３０】
再生塔２０において再生された吸収液Ａ２は、調整弁３１を介して減圧タンク３０に供給されると、再生塔２０内の圧力より低い圧力、好ましくは２０〜１２０ｋＰａ程度低い圧力、より好ましくは５０〜１００ｋＰａ程度低い圧力に減圧される。再生塔２０内の圧力は、常圧から１２０ｋＰａＧ程度、好ましくは５０〜１００ｋＰａＧ程度に設定すると好適であり、減圧タンク３０内は−５０〜５０ｋＰａＧ程度、好ましくは−２０〜２０ｋＰａＧ程度に調節するとよい。尚、吸収塔１０については、減圧、常圧又は加圧の何れであっても良く、必要に応じて任意に設定可能である。
【００３１】
減圧タンク３０内で発生した水蒸気は、圧縮器３２によって加圧されて再生塔２０と同等の圧力に戻り、この時の圧縮熱により１４０〜１５０℃程度の温度に上昇する。この高温の水蒸気は再生塔２０の吸収液Ａ２液面付近に供給されて雰囲気の水蒸気を増加させるので、再生塔２０内の吸収液Ａ２は水分の気化による熱損失が抑制される。従って、再生塔２０の吸収液Ａ２の加熱に要するスチームヒーター２２のエネルギーを削減できる。
【００３２】
減圧タンク３０内で水蒸気が気化した吸収液は、温度が８０〜１１０℃程度に低下し、熱交換器２４において、供給路１６の吸収液Ａ１との熱交換（向流型）によって４０〜５０℃程度に低下する。この時、供給路１６の吸収液Ａ１の温度は、７０〜９０℃程度に上昇して再生塔２０に供給される。この吸収液Ａ１の温度は、再生塔２０上部から放出される回収ガスの温度を低くすることが可能であり、概して６０〜８０℃程度となるので、二酸化炭素と共に放出される水蒸気を減少させるのに有利であり、回収ガスに含まれる水蒸気の冷却器２７による凝縮分離が容易になる。凝縮した水は、気液分離器３５によって分離し、再生塔２０に戻される。
【００３３】
このようにして、吸収液は、吸収塔１０と再生塔２０との間で循環し、吸収工程と再生工程とが交互に繰り返される。再生塔２０から還流する吸収液Ａ２は、減圧タンク３０において温度が低下するので、熱交換器２４を経た吸収液を冷却器２５において吸収塔１０の温度近くまで降温するのは容易になり、二酸化炭素を吸収し易い状態で吸収塔１０に投入される。尚、減圧タンク３０から吸収塔１０へ還流される吸収液は、減圧タンク３０において水分を失っているが、その量は僅かであり、しかも、その水分は水蒸気として再生塔の吸収液Ａ２に還流され、再生塔２０内の吸収液Ａ２の水分蒸発が抑制される分と相殺されるので、減圧タンク３０から吸収塔１０へ還流される吸収液の濃度は、原理的には吸収塔１０内の吸収液Ａ１と同じである。
【００３４】
図２は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第２の実施形態を示す。この回収装置２は、圧縮器３２によって加圧された高温の水蒸気と、スチームヒーター２２で加熱した吸収液Ａ２との間で熱交換する熱交換器３４を有する点が第１の実施形態とは異なり、再生塔２０に供給される水蒸気の過熱を防止することができる。
【００３５】
詳細には、減圧タンク３０から再生塔２０に水蒸気を供給する流路３３と、スチームヒーター２２で加熱した吸収液Ａ２を還流させる循環路２２’との間で熱交換する熱交換器３４を有し、圧縮器３２を経た後の水蒸気は、直接再生塔２０に供給されるのではなく、流路３３を通って熱交換器３４における熱交換を経た後に再生塔２０へ供給されるように構成され、水蒸気の熱エネルギーが循環路２２’の吸収液Ａ２に供給される。従って、流路３３の水蒸気温度と循環路２２’の吸収液Ａ２の温度との差が大きい場合に、水蒸気温度を低下させて吸収液Ａ２と近づける作用をし、気相に含まれる吸収剤が過熱水蒸気によって分解するのを防止でき、又、スチームヒーター２２による熱供給の削減にも利用できる。
【００３６】
例えば、圧縮器３２によって１４０〜１５０℃程度の温度に上昇した水蒸気は、スチームヒーター２２によって１００〜１３０℃程度に加熱された吸収液との熱交換（並流型）によって、１３０℃近くの温度に低下し、吸収液の温度も１３０℃近くに上昇する。従って、図２の回収装置２は、吸収剤の安定性や吸収液組成の安定性等の点において吸収液の加熱温度の調節及び維持が重要である場合に有用である。
【００３７】
第２の実施形態において、上記の点以外は、第１の実施形態と同様に構成されているので、説明は省略する。
【００３８】
本発明における二酸化炭素の再生熱を評価するために、第２の実施形態に基づいて、減圧タンク３０を用いた水蒸気供給の有無による差をシミュレーションによって算出すると、水蒸気の供給がない状態では、二酸化炭素の再生熱が４．０ＧＪ／ｔ-ＣＯ２程度となり、そのうちの１．２ＧＪ／ｔ-ＣＯ２程度が吸収液Ａ２から失われる蒸気潜熱に相当するが、減圧タンク３０から水蒸気を供給する状態では、失われる蒸気潜熱が０．５ＧＪ／ｔ-ＣＯ２程度となり、二酸化炭素の再生熱は３．２ＧＪ／ｔ-ＣＯ２程度に軽減できる。従って、二酸化炭素の回収に要する熱エネルギーの削減に有用である。
【００３９】
図３は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第３の実施形態を示す。この回収装置３は、図１の回収装置１における供給路１６を、熱交換器２４から再生塔２０へ直接接続せずに、流路３３の熱交換器３５を介して再生塔２０に接続するように構成し、熱交換器３５においては、圧縮器３２から流出する高温の蒸気と熱交換する。この実施形態は、吸収塔１０から再生塔２０へ供給する吸収液Ａ１の温度を高める必要がある場合に有用である。
【００４０】
詳細には、減圧タンク３０から再生塔２０に水蒸気を供給する流路３３と、熱交換器２４で熱交換した吸収液Ａ１を再生塔２０に送る供給路１６との間で熱交換する熱交換器３５を有し、圧縮器３２を経た後の水蒸気は、直接再生塔２０に供給されるのではなく、流路３３において熱交換器３５による熱交換を経た後に再生塔２０へ供給されるように構成され、水蒸気の熱エネルギーが供給路１６の吸収液Ａ１に移動する。従って、吸収塔１０から再生塔２０に供給される吸収液Ａ１の温度は、第１及び第２の実施例の場合より高くなる。
【００４１】
例えば、圧縮器３２によって１４０〜１５０℃程度の温度に上昇した水蒸気は、熱交換器２４において７０〜９０℃程度に上昇した供給路１６の吸収液Ａ１との熱交換（並流型）によって１３０℃近くの温度に低下し、供給路１６の吸収液Ａ１の温度も１００〜１３０℃程度に上昇する。従って、図３の回収装置３は、再生塔２０内の吸収液の温度が比較的高く維持されるので、吸収液の再生を強化する上で有利である。熱交換後の水蒸気及び吸収液Ａ１の温度は、熱交換器３５の熱交換効率によって変更可能であり、熱交換前の水蒸気温度と吸収液温度との間の比較的広い温度範囲において調整可能である。再生塔２０の気相に含まれる吸収剤が過熱水蒸気によって分解することも防止できる。
【００４２】
図３の回収装置３においても、上記の点以外は、図１の回収装置１と同様に構成されているので、説明は省略する。
【００４３】
図４は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第４の実施形態を示す。この回収装置４は、第２の実施形態及び第３の実施形態を併合したものに相当し、圧縮器３２によって加圧された高温の水蒸気を再生塔２０に供給する流路３３上に、熱交換器３４及び熱交換器３５の両方が設けられる。
【００４４】
詳細には、流路３３を通じて圧縮器３４から再生塔２０に供給される水蒸気は、先ず、熱交換器３４において、循環路２２’のスチームヒーター２２で加熱した吸収液Ａ２と熱交換され、次いで、熱交換器３５において、供給路１６の吸収液Ａ１と熱交換される。従って、水蒸気温度を低下させて過熱を防止する機能と、再生塔２０へ供給する吸収液Ａ１の温度を高める機能とを備える。
【００４５】
例えば、圧縮器３２によって１４０〜１５０℃程度の温度に上昇した水蒸気は、熱交換器３４において、スチームヒーター２２によって１００〜１３０℃程度に加熱された吸収液Ａ２と熱交換して１３０〜１４０℃程度の温度に低下し、吸収液Ａ２の温度は１３０℃近くに上昇する。この後、流路３３の水蒸気は、熱交換器３５において供給路１６の吸収液Ａ１と熱交換して１３０℃近くの温度に低下し、供給路１６の吸収液Ａ１の温度も、７０〜９０℃程度から１３０℃近くに上昇する。
【００４６】
図４の回収装置４においても、上記の点以外は、図１の回収装置１と同様に構成されているので、説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備から排出される二酸化炭素含有ガスの処理等において利用して、その二酸化炭素放出量や、環境に与える影響などの軽減に有用である。二酸化炭素の回収処理に要する費用が削減され、省エネルギー及び環境保護に貢献可能な二酸化炭素の回収装置を提供できる。
【符号の説明】
【００４８】
１，２，３，４：回収装置、 １０：吸収塔、 ２０：再生塔、
３０：減圧タンク、 １１，２１：充填材、 １２，１５，２３，２９：ポンプ、
１３：冷却凝縮部、 １４，２５，２７：冷却器、
１６：供給路、 １７：還流路、 ３３：流路、 ２２：スチームヒーター、
２２’：循環路、 ２４，３４，３５：熱交換器、
２６：凝縮部、 ２８：気液分離器、 ３１：調整弁、 ３２：圧縮器、
Ｇ、Ｇ’：ガス、 Ａ１，Ａ２：吸収液、 Ｃ：回収二酸化炭素
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガスなどの二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離回収し、清浄なガスを大気に還元するための二酸化炭素の回収方法及び二酸化炭素の回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備では、石炭、重油、超重質油などの燃料を多量に使用しており、燃料の燃焼によって排出される硫黄酸化物、窒素酸化物及び二酸化炭素は、大気汚染防止や地球環境保全の見地から放出に関する量的及び濃度的制限が必要とされている。近年、二酸化炭素は地球温暖化の主原因として問題視され、世界的にも排出を抑制する動きが活発化している。このため、燃焼排ガスやプロセス排ガスの二酸化炭素を大気中に放出せずに回収・貯蔵を可能とするために、様々な研究が精力的に進められ、二酸化炭素の回収方法として、例えば、ＰＳＡ（圧力スウィング）法、膜分離濃縮法や、塩基性化合物による反応吸収を利用する化学吸収法などが知られている。
【０００３】
化学吸収法においては、主にアルカノールアミン系の塩基性化合物を吸収剤として用い、その処理プロセスでは、概して、吸収剤を含む水性液を吸収液として、ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収工程と、吸収された二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程とを交互に繰り返すように吸収液を循環させる（例えば、下記特許文献１参照）。再生工程においては、二酸化炭素を放出させるための加熱が必要であり、二酸化炭素回収の操業費用を削減するには、加熱／冷却に要するエネルギーを低減することが重要となる。下記特許文献１では、再生工程から回収されるガスの流路に設けられる熱交換器を用いて回収ガスから熱エネルギーを回収し、再生工程に供給するように構成している。
【０００４】
また、吸収液から二酸化炭素を回収する際に要するエネルギーの削減を目的として、下記特許文献２では、再生工程の吸収液を抜き出して高温スチームによって熱交換するための再生加熱器から生じるスチーム凝縮水の余熱を、吸収液の加熱に利用している。更に、下記特許文献３では、吸収された二酸化炭素の放出を促進するために、二酸化炭素を随伴するようにストリッピング用ガスを導入することを記載する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１４０８９号公報
【特許文献２】特開２００５−２５４２１２号公報
【特許文献３】特開２００５−２３０８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
再生工程において必要とされるエネルギーには、吸収液の温度上昇に要する顕熱、吸収液から二酸化炭素を放出する際の反応熱、及び、吸収液の水分蒸発による熱損失を補うための潜熱がある。上述の先行技術は、顕熱又は反応熱に関連する技術である。
【０００７】
本発明の課題は、吸収液を再生するために要するエネルギーを削減して操業費用を低減可能な二酸化炭素の回収方法及び回収装置を提供することである。
【０００８】
又、本発明の課題は、装置への負担や煩雑な作業を伴わず、吸収液を再生するために要するエネルギーを削減して二酸化炭素の回収コストを低減可能な二酸化炭素の回収方法及び回収装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、再生工程への水蒸気供給を利用して、吸収液の水分蒸発に関する潜熱の供給を低減可能な手法を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収装置は、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔と、前記再生塔で再生される吸収液を、前記再生塔より低圧に減圧して前記吸収液から水蒸気を発生させる減圧タンクと、前記減圧タンクにおいて発生する水蒸気を前記再生塔と同等圧に加圧して前記再生塔へ供給する圧縮器とを有することを要旨とする。
【００１１】
又、本発明の一態様によれば、二酸化炭素の回収方法は、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収工程と、前記吸収工程で二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程と、前記再生工程で再生される吸収液を、前記再生工程より低圧に減圧して前記吸収液から水蒸気を発生させる減圧工程と、前記減圧工程において発生する水蒸気を前記再生塔工程と同等圧に加圧して前記再生工程へ供給する加圧工程とを有することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガスに含まれる二酸化炭素を回収するプロセスにおいて、吸収液の再生に要するエネルギー供給を低減して操業に要する費用を削減でき、又、装置にかかる負担も低減可能であり、省エネルギー及び環境保護に貢献可能な二酸化炭素の回収装置を提供できる。二酸化炭素の回収方法において特殊な装備や高価な装置を必要とせず、一般的な設備を利用して簡易に実施できるので、経済的に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
一般的に、吸収液から二酸化炭素を放出させて再生するための手法として、吸収液を加熱して反応熱を供給するが、このためには、吸収液の温度上昇に要する顕熱、及び、吸収液の水分蒸発による熱損失を補うための潜熱の供給も必要となる。これらの軽減を目的として、吸収液の水分蒸発を抑制することは、加圧して吸収液の沸点を上昇させることで可能であるが、これによって、吸収液から二酸化炭素を放出するための加熱温度も高まり、吸収液の劣化や装置の負担が増加するので好ましくない。
【００１５】
本発明では、再生工程において吸収液の液面付近に水蒸気を供給することによって、吸収液からの水の気化を抑制して潜熱ロスを低減させる。この際、供給する水蒸気は、再生された吸収液の一部を用いて発生させ、水蒸気発生後の吸収液は、吸収工程へ還流させる。つまり、再生工程から吸収工程へ還流させる吸収液を利用して水蒸気を供給し、水蒸気の発生によって吸収液の温度は低下するので、吸収工程への還流にとっても好都合である。
【００１６】
以下、本発明の二酸化炭素の回収方法及び回収装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第１の実施形態を示す。回収装置１は、二酸化炭素を含有するガスＧを吸収液に接触させて、吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔１０と、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱し、二酸化炭素を吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔２０とを有する。吸収塔１０及び再生塔２０は、各々、向流型気液接触装置として構成され、接触面積を大きくするための充填材１１，２１を各々内部に保持している。充填材１１，１２は、概して、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料製のものが用いられるが、特に限定されず、処理温度における耐久性及び耐腐食性を有する素材で、所望の接触面積を提供し得る形状のものを適宜選択するとよい。吸収液として、アルカノールアミン類等の二酸化炭素に親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水性液が用いられる。
【００１８】
二酸化炭素を含んだガスＧは、吸収塔１０の下部から供給され、吸収液は、吸収塔１０の上部から供給され、ガスＧ及び吸収液が充填材１１を通過する間に気液接触してガスＧ中の二酸化炭素が吸収液に吸収される。吸収塔１０に供給されるガスＧについて、特に制限はなく、燃焼排ガスやプロセス排ガスなどの様々なガスの取扱いが可能であるが、二酸化炭素の吸収に適した低温であることが好ましく、必要に応じてガス冷却用の前処理設備を付設するとよい。
【００１９】
二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、吸収塔１０底部に貯溜され、ポンプ１２によって、吸収塔１０底部と再生塔２０上部とを接続する供給路１６を通じて再生塔２０へ供給される。二酸化炭素が除去されたガスＧ’は、吸収塔１０頂部から排出される。吸収液が二酸化炭素を吸収することによって発熱して液温が上昇するので、必要に応じて、ガスＧ’に含まれ得る水蒸気等を除去するための冷却凝縮部１３を吸収塔１０頂部に設けることができ、これにより、水蒸気等が塔外へ漏出するのを抑制できる。これを更に確実にするためには、吸収塔外に付設される冷却器１４と、凝縮水の一部（塔内のガスＧ’を含んでも良い）を冷却器１４との間で循環させるポンプ１５とを備え、冷却器１４で冷却されて塔頂部に供給される凝縮水等は冷却凝縮部１３を低温に維持し、冷却凝縮部１３を通過するガスＧ’を確実に冷却する。又、充填材１１に還流する凝縮水によって、塔内の吸収液の組成変動が補整される。塔外へ排出されるガスＧ’の温度は６０℃程度以下が好ましく、より好ましくは４５℃以下となるように冷却する。この実施形態の冷却器１４は水冷式であるが、他の冷却方式であって良く、冷媒による冷凍サイクルを用いて冷却確度を高めてもよい。
【００２０】
吸収塔１０の吸収液Ａ１は、再生塔２０の上部に供給され、充填材２１上を流下して底部に貯溜される。再生塔２０の底部には、リボイラーが付設される。即ち、吸収液を加熱するために再生塔２０外に付設されるスチームヒーター２２と、吸収液をスチームヒーター２２を介して循環させる循環路２２’とが付設され、塔底部の吸収液Ａ２の一部が循環路２２’を通してスチームヒーター２２に分岐され、高温蒸気との熱交換によって加熱された後に塔内へ還流される。この加熱によって、底部の吸収液から二酸化炭素が放出され、又、充填材２１も間接的に加熱されて充填材２１上での気液接触による二酸化炭素の放出が促進される。
【００２１】
再生塔２０で二酸化炭素を放出して再生された吸収液Ａ２は、還流路１７を通じてポンプ２３によって吸収塔１０に還流され、その間に、熱交換器２４において、吸収塔１０から再生塔２０に供給される吸収液Ａ１との間で熱交換して冷却され、更に、冷却水を用いた冷却器２５によって、二酸化炭素の吸収に適した温度まで充分に冷却される。
【００２２】
再生塔２０における加熱で放出される二酸化炭素を含むガスは、回収ガスとして、再生塔２０上部の凝縮部２６を通って頂部から排出され、凝縮部２６は、回収ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて過度の放出を抑制し、また、吸収剤の放出も抑制する。
【００２３】
回収ガスは、冷却水を用いた冷却器２７によって充分に冷却されて、含まれる水蒸気を可能な限り凝縮した後、気液分離器２８によって凝縮水を除去した後に、回収二酸化炭素Ｃを含むガスとして回収される。回収された二酸化炭素は、例えば、地中又は油田中に注入することによって、地中での炭酸ガス固定及び再有機化が可能である。気液分離器２８において分離された凝縮水は、ポンプ２９によって再生塔２０上部に還流される。還流された凝縮水は、凝縮部２６を冷却して吸収剤等の放出を抑制するのに有用であり、塔内の吸収液の組成変動を補整できる。
【００２４】
本発明においては、再生塔２０底部と吸収塔１０上部とを接続する還流路１７上に減圧タンク３０が設けられる。減圧タンク３０は、耐圧性のものであれば特に限定されず、ポンプ等（図示略）によって減圧される。再生塔２０から排出される吸収液Ａ２は、調整弁３１を介して減圧タンク３０に供給される。減圧タンク３０内の圧力低下によって、吸収液Ａ２の水分が主として気化するが、吸収剤及び二酸化炭素を含み得る。減圧タンク３０の頂部には、圧縮器３２を介する流路３３が接続され、減圧タンク３０で気化した水蒸気は、圧縮器３２によって加圧されて圧縮熱によって温度が上昇した後、流路３３から再生塔２０底部に供給されて吸収液Ａ２液面付近の雰囲気中に放出される。一方、減圧タンク３０内部の吸収液Ａ２は、気化熱を失って温度が低下し、還流路１７を通じてポンプ２３によりタンク底部から吸収塔１０へ供給される。還流路１７において、吸収塔１０へ還流される吸収液Ａ２の熱エネルギーが熱交換器２４によって回収され、これは供給路１６の吸収液Ａ１の温度を上昇させて再生塔２０の上部に供給される。
【００２５】
減圧タンク３０内において吸収液Ａ２から発生する水蒸気量及び失われる気化熱量は、減圧タンク３０内の圧力及び気相容積に基づいて調整可能であり、減圧タンク３０内の圧力及び液面レベルを一定に維持して、再生塔２０へ供給する水蒸気量、及び、減圧タンク３０から還流される吸収液Ａ２の温度が所定値に保たれる。減圧タンク３０内の液面レベルは、調整弁３１の開度を調節して吸収液の供給速度を調整することによって制御できる。
【００２６】
再生塔２０から還流される吸収液Ａ２の熱エネルギーは、熱交換器２４によって回収されて再生塔２０の上部に供給されるが、減圧タンク３０を有する上記構成においては、吸収液Ａ２の熱エネルギーの一部が減圧タンク３０において気化熱として回収され、再生塔２０の下部に供給される。この構成は、再生塔２０下部における水の気化を抑制して吸収液の潜熱ロスを減少させるのに有効である点が重要であると共に、再生塔２０内に温度勾配を設定し易い利点がある。つまり、再生塔２０の下部の温度低下を抑制しつつ上部の温度を低くすることによって、吸収液の二酸化炭素放出を減退させずに、再生塔２０上部から外部へ水蒸気が放出されるのを抑制できる効果がある。再生塔２０から吸収塔１０へ送られる吸収液の温度も低くなるので、冷却器２５の負担も軽くなる。
【００２７】
図１の回収装置１において実施される回収方法について説明する。
【００２８】
吸収塔１０において、燃焼排ガスやプロセス排ガスなどの二酸化炭素を含有するガスＧを底部から供給し、吸収液を上部から供給すると、充填材１１上でガスＧと吸収液とが気液接触し、吸収液に二酸化炭素が吸収される。二酸化炭素は、低温において良好に吸収されるので、概して５０℃程度以下、好ましくは４０℃以下となるように吸収液の液温又は吸収塔１０（特に充填材１１）の温度を調整する。吸収液は二酸化炭素の吸収によって発熱するので、これによる液温上昇を考慮し、液温が６０℃を超えないように配慮することが望ましい。吸収塔１０に供給されるガスＧについても、必要に応じてガス冷却用前処理を施して適正な温度に調整するとよい。吸収液として、二酸化炭素に親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水性液が用いられる。吸収剤としては、アルカノールアミン類やアルコール性水酸基を有するヒンダードアミン類などが挙げられ、具体的には、アルカノールアミンとして、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン等を例示することができ、アルコール性水酸基を有するヒンダードアミンとしては、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール（ＡＭＰ）、２−（エチルアミノ）エタノール（ＥＡＥ）、２−（メチルアミノ）エタノール（ＭＡＥ）等を例示できる。通常、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）の使用が好まれ、これらを複数種混合しても良い。吸収液の吸収剤濃度は、処理対象とするガスに含まれる二酸化炭素量や処理速度等に応じて適宜設定することができ、吸収液の流動性や消耗損失抑制などの点を考慮すると、概して、１０〜５０質量％程度の濃度が適用され、例えば、二酸化炭素含有量２０％程度のガスＧの処理に対して、濃度３０質量％程度の吸収液が好適に使用される。ガスＧ及び吸収液の供給速度は、ガスに含まれる二酸化炭素量及び気液接触効率等に応じて、吸収が充分に進行するように適宜設定される。
【００２９】
二酸化炭素を吸収した吸収液Ａ１は、再生塔２０に供給されると、沸点近辺の高温度、に加熱されるが、再生塔２０に供給される前に熱交換器２４において、再生塔２０から還流する吸収液Ａ２と熱交換されるので、吸収液Ａ１は、再生塔２０での加熱温度に近い温度に昇温されて二酸化炭素が放出され易い状態で再生塔２０に投入される。この実施形態では、７０〜９０℃程度で再生塔２０に投入される。更に、充填材２１上での気液接触によって二酸化炭素の放出が促進されると共に、再生塔２０底部で加熱されて更に昇温及び二酸化炭素の放出が進行する。再生塔２０底部に貯留される吸収液Ａ２は、部分循環加熱によって概して１００〜１３０℃程度に加熱されて二酸化炭素を充分に放出し、再生される。吸収液Ａ２の沸点は組成（吸収剤濃度）に依存するので、液温の上限は使用する吸収液によって異なる。
【００３０】
再生塔２０において再生された吸収液Ａ２は、調整弁３１を介して減圧タンク３０に供給されると、再生塔２０内の圧力より低い圧力、好ましくは２０〜１２０ｋＰａ程度低い圧力、より好ましくは５０〜１００ｋＰａ程度低い圧力に減圧される。再生塔２０内の圧力は、常圧から１２０ｋＰａＧ程度、好ましくは５０〜１００ｋＰａＧ程度に設定すると好適であり、減圧タンク３０内は−５０〜５０ｋＰａＧ程度、好ましくは−２０〜２０ｋＰａＧ程度に調節するとよい。尚、吸収塔１０については、減圧、常圧又は加圧の何れであっても良く、必要に応じて任意に設定可能である。
【００３１】
減圧タンク３０内で発生した水蒸気は、圧縮器３２によって加圧されて再生塔２０と同等の圧力に戻り、この時の圧縮熱により１４０〜１５０℃程度の温度に上昇する。この高温の水蒸気は再生塔２０の吸収液Ａ２液面付近に供給されて雰囲気の水蒸気を増加させるので、再生塔２０内の吸収液Ａ２は水分の気化による熱損失が抑制される。従って、再生塔２０の吸収液Ａ２の加熱に要するスチームヒーター２２のエネルギーを削減できる。
【００３２】
減圧タンク３０内で水蒸気が気化した吸収液は、温度が８０〜１１０℃程度に低下し、熱交換器２４において、供給路１６の吸収液Ａ１との熱交換（向流型）によって４０〜５０℃程度に低下する。この時、供給路１６の吸収液Ａ１の温度は、７０〜９０℃程度に上昇して再生塔２０に供給される。この吸収液Ａ１の温度は、再生塔２０上部から放出される回収ガスの温度を低くすることが可能であり、概して６０〜８０℃程度となるので、二酸化炭素と共に放出される水蒸気を減少させるのに有利であり、回収ガスに含まれる水蒸気の冷却器２７による凝縮分離が容易になる。凝縮した水は、気液分離器３５によって分離し、再生塔２０に戻される。
【００３３】
このようにして、吸収液は、吸収塔１０と再生塔２０との間で循環し、吸収工程と再生工程とが交互に繰り返される。再生塔２０から還流する吸収液Ａ２は、減圧タンク３０において温度が低下するので、熱交換器２４を経た吸収液を冷却器２５において吸収塔１０の温度近くまで降温するのは容易になり、二酸化炭素を吸収し易い状態で吸収塔１０に投入される。尚、減圧タンク３０から吸収塔１０へ還流される吸収液は、減圧タンク３０において水分を失っているが、その量は僅かであり、しかも、その水分は水蒸気として再生塔の吸収液Ａ２に還流され、再生塔２０内の吸収液Ａ２の水分蒸発が抑制される分と相殺されるので、減圧タンク３０から吸収塔１０へ還流される吸収液の濃度は、原理的には吸収塔１０内の吸収液Ａ１と同じである。
【００３４】
図２は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第２の実施形態を示す。この回収装置２は、圧縮器３２によって加圧された高温の水蒸気と、スチームヒーター２２で加熱した吸収液Ａ２との間で熱交換する熱交換器３４を有する点が第１の実施形態とは異なり、再生塔２０に供給される水蒸気の過熱を防止することができる。
【００３５】
詳細には、減圧タンク３０から再生塔２０に水蒸気を供給する流路３３と、スチームヒーター２２で加熱した吸収液Ａ２を還流させる循環路２２’との間で熱交換する熱交換器３４を有し、圧縮器３２を経た後の水蒸気は、直接再生塔２０に供給されるのではなく、流路３３を通って熱交換器３４における熱交換を経た後に再生塔２０へ供給されるように構成され、水蒸気の熱エネルギーが循環路２２’の吸収液Ａ２に供給される。従って、流路３３の水蒸気温度と循環路２２’の吸収液Ａ２の温度との差が大きい場合に、水蒸気温度を低下させて吸収液Ａ２と近づける作用をし、気相に含まれる吸収剤が過熱水蒸気によって分解するのを防止でき、又、スチームヒーター２２による熱供給の削減にも利用できる。
【００３６】
例えば、圧縮器３２によって１４０〜１５０℃程度の温度に上昇した水蒸気は、スチームヒーター２２によって１００〜１３０℃程度に加熱された吸収液との熱交換（並流型）によって、１３０℃近くの温度に低下し、吸収液の温度も１３０℃近くに上昇する。従って、図２の回収装置２は、吸収剤の安定性や吸収液組成の安定性等の点において吸収液の加熱温度の調節及び維持が重要である場合に有用である。
【００３７】
第２の実施形態において、上記の点以外は、第１の実施形態と同様に構成されているので、説明は省略する。
【００３８】
本発明における二酸化炭素の再生熱を評価するために、第２の実施形態に基づいて、減圧タンク３０を用いた水蒸気供給の有無による差をシミュレーションによって算出すると、水蒸気の供給がない状態では、二酸化炭素の再生熱が４．０ＧＪ／ｔ-ＣＯ２程度となり、そのうちの１．２ＧＪ／ｔ-ＣＯ２程度が吸収液Ａ２から失われる蒸気潜熱に相当するが、減圧タンク３０から水蒸気を供給する状態では、失われる蒸気潜熱が０．５ＧＪ／ｔ-ＣＯ２程度となり、二酸化炭素の再生熱は３．２ＧＪ／ｔ-ＣＯ２程度に軽減できる。従って、二酸化炭素の回収に要する熱エネルギーの削減に有用である。
【００３９】
図３は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第３の実施形態を示す。この回収装置３は、図１の回収装置１における供給路１６を、熱交換器２４から再生塔２０へ直接接続せずに、流路３３の熱交換器３５を介して再生塔２０に接続するように構成し、熱交換器３５においては、圧縮器３２から流出する高温の蒸気と熱交換する。この実施形態は、吸収塔１０から再生塔２０へ供給する吸収液Ａ１の温度を高める必要がある場合に有用である。
【００４０】
詳細には、減圧タンク３０から再生塔２０に水蒸気を供給する流路３３と、熱交換器２４で熱交換した吸収液Ａ１を再生塔２０に送る供給路１６との間で熱交換する熱交換器３５を有し、圧縮器３２を経た後の水蒸気は、直接再生塔２０に供給されるのではなく、流路３３において熱交換器３５による熱交換を経た後に再生塔２０へ供給されるように構成され、水蒸気の熱エネルギーが供給路１６の吸収液Ａ１に移動する。従って、吸収塔１０から再生塔２０に供給される吸収液Ａ１の温度は、第１及び第２の実施例の場合より高くなる。
【００４１】
例えば、圧縮器３２によって１４０〜１５０℃程度の温度に上昇した水蒸気は、熱交換器２４において７０〜９０℃程度に上昇した供給路１６の吸収液Ａ１との熱交換（並流型）によって１３０℃近くの温度に低下し、供給路１６の吸収液Ａ１の温度も１００〜１３０℃程度に上昇する。従って、図３の回収装置３は、再生塔２０内の吸収液の温度が比較的高く維持されるので、吸収液の再生を強化する上で有利である。熱交換後の水蒸気及び吸収液Ａ１の温度は、熱交換器３５の熱交換効率によって変更可能であり、熱交換前の水蒸気温度と吸収液温度との間の比較的広い温度範囲において調整可能である。再生塔２０の気相に含まれる吸収剤が過熱水蒸気によって分解することも防止できる。
【００４２】
図３の回収装置３においても、上記の点以外は、図１の回収装置１と同様に構成されているので、説明は省略する。
【００４３】
図４は、本発明の二酸化炭素の回収方法及びそれを実施する回収装置の第４の実施形態を示す。この回収装置４は、第２の実施形態及び第３の実施形態を併合したものに相当し、圧縮器３２によって加圧された高温の水蒸気を再生塔２０に供給する流路３３上に、熱交換器３４及び熱交換器３５の両方が設けられる。
【００４４】
詳細には、流路３３を通じて圧縮器３４から再生塔２０に供給される水蒸気は、先ず、熱交換器３４において、循環路２２’のスチームヒーター２２で加熱した吸収液Ａ２と熱交換され、次いで、熱交換器３５において、供給路１６の吸収液Ａ１と熱交換される。従って、水蒸気温度を低下させて過熱を防止する機能と、再生塔２０へ供給する吸収液Ａ１の温度を高める機能とを備える。
【００４５】
例えば、圧縮器３２によって１４０〜１５０℃程度の温度に上昇した水蒸気は、熱交換器３４において、スチームヒーター２２によって１００〜１３０℃程度に加熱された吸収液Ａ２と熱交換して１３０〜１４０℃程度の温度に低下し、吸収液Ａ２の温度は１３０℃近くに上昇する。この後、流路３３の水蒸気は、熱交換器３５において供給路１６の吸収液Ａ１と熱交換して１３０℃近くの温度に低下し、供給路１６の吸収液Ａ１の温度も、７０〜９０℃程度から１３０℃近くに上昇する。
【００４６】
図４の回収装置４においても、上記の点以外は、図１の回収装置１と同様に構成されているので、説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、火力発電所や製鉄所、ボイラーなどの設備から排出される二酸化炭素含有ガスの処理等において利用して、その二酸化炭素放出量や、環境に与える影響などの軽減に有用である。二酸化炭素の回収処理に要する費用が削減され、省エネルギー及び環境保護に貢献可能な二酸化炭素の回収装置を提供できる。
【符号の説明】
【００４８】
１，２，３，４：回収装置、 １０：吸収塔、 ２０：再生塔、
３０：減圧タンク、 １１，２１：充填材、 １２，１５，２３，２９：ポンプ、
１３：冷却凝縮部、 １４，２５，２７：冷却器、
１６：供給路、 １７：還流路、 ３３：流路、 ２２：スチームヒーター、
２２’：循環路、 ２４，３４，３５：熱交換器、
２６：凝縮部、 ２８：気液分離器、 ３１：調整弁、 ３２：圧縮器、
Ｇ、Ｇ’：ガス、 Ａ１，Ａ２：吸収液、 Ｃ：回収二酸化炭素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、
前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔と、
前記再生塔で再生される吸収液を、前記再生塔より低圧に減圧して前記吸収液から水蒸気を発生させる減圧タンクと、
前記減圧タンクにおいて発生する水蒸気を前記再生塔と同等圧に加圧して前記再生塔へ供給する圧縮器と
を有する二酸化炭素の回収装置。
【請求項２】
更に、前記吸収塔から前記再生塔に吸収液を供給する供給路と、前記減圧タンクから前記吸収塔へ吸収液を還流する還流路と、前記還流路の吸収液と前記供給路の吸収液との間で熱交換を行う熱交換器とを有する請求項１に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項３】
更に、前記圧縮器から前記再生塔へ水蒸気を供給する流路と、前記再生塔の吸収液を分岐させて再生塔外との間を循環させる循環路と、前記流路の水蒸気と前記循環路の吸収液との間で熱交換を行う熱交換器とを有する請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項４】
更に、前記圧縮器から前記再生塔へ水蒸気を供給する流路路と、前記供給路の吸収液と前記流路の水蒸気との間で熱交換を行う熱交換器とを有する請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項５】
更に、前記圧縮器から前記再生塔へ水蒸気を供給する流路と、前記再生塔の吸収液を再生塔外との間で循環させる循環路と、前記供給路の吸収液と前記流路の水蒸気との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、前記流路の水蒸気と前記循環路の吸収液との間で熱交換を行う第２の熱交換器とを有する請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項６】
前記循環路は、吸収液を加熱するヒーターを有する請求項３又は５に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項７】
二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収工程と、
前記吸収工程で二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程と、
前記再生工程で再生される吸収液を、前記再生工程より低圧に減圧して前記吸収液から水蒸気を発生させる減圧工程と、
前記減圧工程において発生する水蒸気を前記再生塔工程と同等圧に加圧して前記再生工程へ供給する加圧工程と
を有する二酸化炭素の回収方法。
【請求項８】
更に、前記減圧工程を経た吸収液を前記吸収工程へ還流する還流工程と、
前記吸収工程から前記再生工程に供給する吸収液と、前記減圧工程から前記吸収工程へ還流される吸収液との間で熱交換を行う熱交換工程と
を有する請求項７に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項９】
更に、前記再生工程の吸収液を分岐させて循環させる循環工程と、
前記加圧工程から前記再生工程へ供給される水蒸気と前記循環工程の吸収液との間で熱交換を行う熱交換工程と
を有する請求項７又は８に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項１０】
更に、前記加圧工程から前記再生工程へ供給される水蒸気と前記供給路の吸収液との間で熱交換を行う熱交換工程を有する請求項７又は８に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項１１】
更に、前記再生工程の吸収液を分岐して循環させる循環工程と、
前記加圧工程から前記再生工程へ供給される水蒸気と前記供給工程の吸収液との間で熱交換を行う第１の熱交換工程と、
前記加圧工程から前記再生工程へ供給される水蒸気と前記循環工程の吸収液との間で熱交換を行う第２の熱交換工程と
を有する請求項７又は８に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項１２】
前記循環工程において吸収液を加熱する請求項９又は１１に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項１】
二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、
前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生塔と、
前記再生塔で再生される吸収液を、前記再生塔より低圧に減圧して前記吸収液から水蒸気を発生させる減圧タンクと、
前記減圧タンクにおいて発生する水蒸気を前記再生塔と同等圧に加圧して前記再生塔へ供給する圧縮器と
を有する二酸化炭素の回収装置。
【請求項２】
更に、前記吸収塔から前記再生塔に吸収液を供給する供給路と、前記減圧タンクから前記吸収塔へ吸収液を還流する還流路と、前記還流路の吸収液と前記供給路の吸収液との間で熱交換を行う熱交換器とを有する請求項１に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項３】
更に、前記圧縮器から前記再生塔へ水蒸気を供給する流路と、前記再生塔の吸収液を分岐させて再生塔外との間を循環させる循環路と、前記流路の水蒸気と前記循環路の吸収液との間で熱交換を行う熱交換器とを有する請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項４】
更に、前記圧縮器から前記再生塔へ水蒸気を供給する流路路と、前記供給路の吸収液と前記流路の水蒸気との間で熱交換を行う熱交換器とを有する請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項５】
更に、前記圧縮器から前記再生塔へ水蒸気を供給する流路と、前記再生塔の吸収液を再生塔外との間で循環させる循環路と、前記供給路の吸収液と前記流路の水蒸気との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、前記流路の水蒸気と前記循環路の吸収液との間で熱交換を行う第２の熱交換器とを有する請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項６】
前記循環路は、吸収液を加熱するヒーターを有する請求項３又は５に記載の二酸化炭素の回収装置。
【請求項７】
二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、前記吸収液に二酸化炭素を吸収させる吸収工程と、
前記吸収工程で二酸化炭素を吸収した前記吸収液を加熱して二酸化炭素を前記吸収液から放出させて吸収液を再生する再生工程と、
前記再生工程で再生される吸収液を、前記再生工程より低圧に減圧して前記吸収液から水蒸気を発生させる減圧工程と、
前記減圧工程において発生する水蒸気を前記再生塔工程と同等圧に加圧して前記再生工程へ供給する加圧工程と
を有する二酸化炭素の回収方法。
【請求項８】
更に、前記減圧工程を経た吸収液を前記吸収工程へ還流する還流工程と、
前記吸収工程から前記再生工程に供給する吸収液と、前記減圧工程から前記吸収工程へ還流される吸収液との間で熱交換を行う熱交換工程と
を有する請求項７に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項９】
更に、前記再生工程の吸収液を分岐させて循環させる循環工程と、
前記加圧工程から前記再生工程へ供給される水蒸気と前記循環工程の吸収液との間で熱交換を行う熱交換工程と
を有する請求項７又は８に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項１０】
更に、前記加圧工程から前記再生工程へ供給される水蒸気と前記供給路の吸収液との間で熱交換を行う熱交換工程を有する請求項７又は８に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項１１】
更に、前記再生工程の吸収液を分岐して循環させる循環工程と、
前記加圧工程から前記再生工程へ供給される水蒸気と前記供給工程の吸収液との間で熱交換を行う第１の熱交換工程と、
前記加圧工程から前記再生工程へ供給される水蒸気と前記循環工程の吸収液との間で熱交換を行う第２の熱交換工程と
を有する請求項７又は８に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項１２】
前記循環工程において吸収液を加熱する請求項９又は１１に記載の二酸化炭素の回収方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１１０８０５（Ｐ２０１２−１１０８０５Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６００９３（Ｐ２０１０−２６００９３）
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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