JP4523691B2 - 脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火力発電設備やボイラー設備では、多量の石炭、重油あるいは超重質油を燃料に用いており、大気汚染防止及び地球環境の清浄化の見地から、二酸化硫黄を主とする硫黄酸化物、窒素酸化物、二酸化炭素等の放出に関する量的、濃度的抑制が問題になっている。また、二酸化炭素については、フロンガスやメタンガスと共に地球の温暖化の見地から、排出の抑制が検討されている。そのため、例えば、ＰＳＡ（圧力スィング）法、膜分離濃縮法及び塩基性化合物による反応吸収等の方法が検討されている。米国特許５，３１８，７５８号には、アミン化合物（以下、アミンと略称）を吸収液として脱炭酸を行う方法が提案されている。この方法では、燃焼排ガス中の水分が脱炭酸設備に流入する量と、吸収液中の水分がガスと共に脱炭酸設備から流出する量とのバランスが崩れたり、吸収液中のアミンが脱炭酸設備から流出したりすると、吸収液中のアミン濃度が変動し易い。アミン濃度が変動すると、二酸化炭素の吸収率や再生塔における蒸気消費量の変動を引き起こすという問題を生じる。
【０００３】
従来、アミン濃度を一定にするために、再生塔の塔頂ドラムよりアミンを含んだ水を抜き出したり、運転員が吸収塔入口又は出口ガス温度を手作業で調整し、水バランスをコントロールしていた。したがって、運転員の負荷が大きく、排水処理設備に対するコスト負担も過大なものとなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に対して、水バランスを自動的にコントロールし、アミン濃度を自動的に適正に保つようにした脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御方法において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段により、上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段を制御し、上記アミン回収部への循環水戻り温度を調節し、循環アミン溶液中の水分量のうち、上記吸収塔の出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するようにしたことを特徴とする。本発明において、塔底液面調節手段は、一般的には、塔底液面調節計である。上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段は、一般的には、アミン回収部への循環水戻り温度調節計であり、塔底液面調節手段からの制御信号を受け、温度セット値を変化させ、温度検出器からの温度情報を検知しながら制御弁を制御して流量を調節するためのものである。
【０００６】
また、本発明は、別の形態で、アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御方法において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段により、排ガスを冷却するための冷却塔への循環水戻り温度調節手段を制御し、上記冷却塔への循環水戻り温度を調節し、上記吸収塔の入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するようにしたことを特徴とする。上記冷却塔循環水戻り温度調節手段は、一般的には、冷却塔循環水戻り温度調節計であり、塔底液面調節手段からの制御信号を受け、温度セット値を変化させ、温度検出器からの温度情報を検知しながら制御弁を制御して流量を調節するためのものである。本発明では、上記塔底液面調節手段による制御方法を、サンプルＰＩ制御とすることが好適である。この場合、操作した結果に遅れがあっても適切に制御することができる。
【０００７】
さらに、本発明は、別の側面として、アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御装置であり、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段とを備え、上記アミン回収部への循環水戻り温度を調節し、循環アミン溶液中の水分量のうち、上記吸収塔の出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するよう構成されていることを特徴とする。かかる制御装置は、別の形態で、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される排ガスを冷却するための冷却塔への循環水戻り温度調節手段とを備え、上記冷却塔への循環水戻り温度を調節し、上記吸収塔の入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するよう構成されていることを特徴とする。
かかる制御装置は、さらに別の形態において、塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御されるアミン回収部への循環水戻り温度調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される冷却塔循環水戻り温度調節手段とを含み、アミン回収部への循環水戻り温度調節系と冷却塔循環水戻り温度調節系とを交互に切り換えて作動させることができる。
【０００８】
本発明では、水バランスを自動的にコントロールし、アミン濃度を自動的に適正に保つようにしている。水洗部循環水戻り温度を制御する形態では、循環アミン溶液中の水分量のうち出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによりアミン濃度を制御するといった特徴がある。また、冷却塔循環水戻り温度を制御する形態では、循環アミン溶液中の水分量を決める要因の一つである入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによりアミン濃度を制御するといった特徴がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
本発明で脱炭酸処理する二酸化炭素含有ガス（処理ガスという）としては、燃料用のガス、燃焼排ガス等が挙げられる。処理ガスは水分や酸素、ＳＯx、ＮＯx、ＣＯＳあるいはその他の酸性ガスを含んでいても良い。ガスの圧力は加圧、常圧、減圧のいずれであってもよく、温度は低温であっても、高温であってもよく、特に制限はない。好ましくは、常圧の燃焼排ガスである。処理ガス中の二酸化炭素濃度は１〜７５容量％であり、好ましくは５〜２０容量％である。
【００１０】
本発明において使用するアミン化合物（アミンと略称する）は、モノエタノールアミン、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノールのようなアルコール性水酸基含有１級アミン類、ジエタノールアミン、２−メチルアミノエタノールのようなアルコール性水酸基含有２級アミン類、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミンのようなアルコール性水酸基含有３級アミン類、エチレンジアミン、トリエチレンジアミン、ジエチレントリアミンのようなポリエチレンポリアミン類、ピペラジン類、ピペリジン類、ピロリジン類のような環状アミン類、キシリレンジアミンのようなポリアミン類、メチルアミノカルボン酸のようなアミノ酸類等及びこれらの混合物が挙げられる。これらのアミン類は通常１０〜７０重量％の水溶液として、吸収時は０〜１００℃で、再生時は５０〜１５０℃で使用される。また吸収液には、二酸化炭素吸収促進剤、あるいは塩基性炭酸銅のような腐食防止剤を、さらには、その他の媒体としてメタノール、ポリエチレングリコール、スルフォラン等を加えることができる。
【００１１】
次に、図１は、脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び該方法を実施するための装置について、具体的な一実施の形態を示す。
まず、図１に示すように、処理ガス１は、必要により冷却塔内２での水との気液接触により所定の温度まで冷却される。熱交換器１４は、熱交換水によって冷却水を冷却するためのものである。所定の温度に冷却された処理ガス１は、二酸化炭素吸収塔（吸収塔と略す）３の底部に供給されて、二酸化炭素吸収部４とアミン回収部５を持つ塔内を上昇し、熱交換器１６を経た吸収液３１と気液接触されて二酸化炭素を吸収され、アミン回収部５で排ガスに同伴するアミンが水洗により回収された後、処理後排ガス３３が塔頂より排出される。二酸化炭素吸収塔３における気液接触比（Ｌ／Ｇ；単位リットル／Ｎ−ｍ3）は０．５〜２０であり、二酸化炭素の吸収率は５０〜１００％である。二酸化炭素吸収塔３の二酸化炭素吸収部４とアミン回収部５は、充填塔であっても、棚段塔であっても良い。また、二酸化炭素吸収部とアミン回収部には、適当な位置に液の分散板を設けることができる。
【００１２】
アミン回収部５は、二酸化炭素吸収塔３から処理後排ガス３３に同伴するアミンの量を少なくするために、再生塔塔頂凝縮水３７の一部であるアミン回収用水３２が供給される。また、その下部からは回収されたアミン含有水３９が熱交換器１５によって熱交換された後アミン回収部５の上部へ循環される。
【００１３】
二酸化炭素を吸収した吸収液（負荷吸収液という）３４は、吸収塔３の底部から排出されて再生塔９に供給され、再生されて再生吸収液３５となる。吸収塔３と再生塔９の間には熱交換器８を設けて、高温の再生吸収液３５により低温の負荷吸収液３４が加熱されて熱の有効利用が行われるようにすることができる。負荷吸収液３４は、再生塔９の中間部に供給されて二酸化炭素３６が水蒸気と共に塔頂から留出される。再生塔９の中間部より上には、アミンの同伴を抑制するための回収段が設けられる。再生は常圧でも、加圧でも減圧でも行うことができる。必要により、再生塔９には再生吸収液を加熱循環させるための加熱装置、又はリボイラー１７が設けられる。リボイラー１７は蒸気により加熱される。再生塔９の上部から留出した二酸化炭素３６と水蒸気は、コンデンサ１０において水が凝縮され、分離器１１において水が分離されて高純度二酸化炭素３８が系外に排出される。凝縮、分離された水（凝縮水３７）は、再生塔９の回収段に供給され、残りはアミン回収用水３２としてアミン回収部５に戻される。そして、前記したように凝縮水３７の一部がアミン回収用水３２として使用される。
【００１４】
なお、流量調節計５６は、再生塔液面を所定値に保つように液面調節計６０からの訂正信号（流量設定信号）を負荷吸収液流量が等しくなるように制御弁５７を制御し吸収液流量を操作する働きを行う。また、流量調節計５８は、制御弁５９を制御して吸収液の流量を所定値にする働きを行う。
【００１５】
ついで、図１の実施の形態で、アミン溶液の濃度を一定に保つための制御方法について説明する。この実施の形態では、塔底液面調節計５１でアミン回収部への循環水戻り温度調節計５２をサンプルＰＩ制御し、アミン濃度を一定に保つこととしている。その流れを図１に加え、図２、図３を参照しながら説明する。まず、吸収塔３の塔底液面が上昇する場合を想定すると、この場合にはアミン溶液の濃度が低下している。この原因としては、吸収塔３の入口ガス中の水分量の増加、吸収塔３の出口ガス中の水分量低下、外部からのアミン溶液系への水の注入といった原因がある（図２）。
【００１６】
ここで、図２に示すように、液面検出器５３からの液面情報を受けている塔底液面調節計５１がこの状態を関知すると、塔底液面調節計５１は、アミン回収部への循環水戻り温度調節計５２に対し、制御信号を送り、その温度セット値をある操作温度量上昇させる。ここで、温度検出器５４からの温度情報を検知しながら制御弁５５を制御して温度を上昇させる。これによって、アミン回収部への循環水戻り温度が上昇し、吸収塔３の出口ガス３３の温度が上昇し、出口ガスに同伴する水分量が増加する。そして、循環アミン溶液中の水分量が低下し、吸収塔３の塔底液面が低下し、アミン濃度が上昇する。
【００１７】
そして、図２のフローの最後の部分でこの状態を判断し、未だに液面が高ければ、さらに温度セット値をある操作温度量上昇させる。正常であれば、その状態を維持する。このようにして、正常な稼動状態が維持される。
【００１８】
ここで、上記のように、本実施の形態では、温度セット値をある操作温度量上昇させて行う制御を前記したようにサンプルＰＩ制御で行っている。
図４の動作図を参照して、その手法を示す。サンプル周期（ＳＴ）の始めの制御時間（ＳＷ）だけＰＩ制御を行い、制御時間を過ぎると操作量（温度セット値の上昇させた分の温度、すなわち上記した操作温度量）を保持（出力ホールド）する。すなわち、サンプル周期ごとの短い時間だけ制御動作を行うこととしている。ここでＰとは、比例動作であり、Ｉとは積分動作であり、これらによって比例＋積分動作（ＰＩ動作）が規定される。
【００１９】
サンプル周期、制御時間は、装置の試験運転等によって適宜設定する。目安としては、以下の通りである。
ＳＴ＝（Ｌ＋Ｔ0）×（２〜３）
ＳＷ＝ＳＴ／１０
Ｌ：むだ時間
Ｔ0：遅れ時定数
なお、オーバーシュートを少なくする立ち上がり特性の観点からはサンプル周期（ＳＴ）が長い方が良い。しかし、プロセスに加えられる主要外乱の最短周期ＴNがＳＴより小さい場合には、この外乱を制御できなくなる。そこで、ＳＴ≦ＴN／５が好適な設定である。
【００２０】
本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法では、操作結果（温度設定の変更）がすぐ測定値に現れないむだ時間の長いプロセスである。これについて、最適な手法を獲得すべく、本発明者らは、鋭意検討を重ねた。その結果、このようなサンプルＰＩ制御を実施して初めて、塔底液面調節計５１でアミン回収部への循環水戻り温度調節計５２を自動制御できることを見出した。
【００２１】
次に、吸収塔３の塔底液面が下降する場合を想定すると、この場合にはアミン溶液の濃度が上昇している。この原因としては、吸収塔３の入口ガス中の水分量の低下、吸収塔３の出口ガス中の水分量の増加、といった原因がある（図３）。ここで、図３に示すように、液面検出器５３からの液面情報を受けている塔底液面調節計５１がこの状態を関知すると、塔底液面調節計５１は、アミン回収部への循環水戻り温度調節計５２に対し、制御信号を送り、その温度セット値をある操作温度量下降させる。ここで、温度検出器５４からの温度情報を検知しながら制御弁５５を制御して温度を下降させる。これによって、アミン回収部への循環水戻り温度が下降し、吸収塔３の出口ガス温度が下降し、出口ガスに同伴する水分量が減少する。そして、循環アミン溶液中の水分量が増加し、吸収塔３の塔底液面が上昇し、アミン濃度が低下する。そして、図３のフローの最後の部分でこの状態を判断し、未だに液面が低ければ、さらに温度セット値をある操作温度量下降させる。正常であれば、その状態を維持する。このようにして、正常な稼動状態が維持される。
【００２２】
ここでも、上記のように、本実施の形態では、温度セット値をある操作温度量下降させて行う制御を前記したようにサンプルＰＩ制御で行っている。この原理は、図４について既に説明した内容と同様である。
【００２３】
図５に、脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び該方法を実施するための装置について、具体的な他の実施の形態を示す。この実施の形態において、図１と同一の参照番号を付した構成要素は、図１と同様の構成であり、かつ同様の機能を備える。そこで、各々について説明を省略し、図２の実施の形態で、アミン溶液の濃度を一定に保つための制御方法について説明する。
この実施の形態では、塔底液面調節計５１で冷却塔循環水戻り温度調節計６１をサンプルＰＩ制御し、アミン濃度を一定に保つこととしている。その流れを図５に加え、図６、図７を参照しながら説明する。
【００２４】
まず、吸収塔３の塔底液面が上昇する場合を想定すると、この場合にはアミン溶液の濃度が低下している。この原因としては、吸収塔３の入口ガス中の水分量の増加、吸収塔３の出口ガス中の水分量低下、外部からのアミン溶液系への水の注入といった原因がある（図６）。
【００２５】
ここで、図６に示すように、液面検出器５３からの液面情報を受けている塔底液面調節計５１がこの状態を関知すると、塔底液面調節計５１は、冷却塔循環水戻り温度調節計６１に対し、制御信号を送り、その温度セット値をある操作温度量下降させる。ここで、温度検出器６２からの温度情報を検知しながら制御弁６３を制御して温度を下降させる。これによって、冷却塔循環水戻り温度が下降し、吸収塔３の入口ガス温度が下降し、入口ガスに同伴する水分量が減少する。そして、循環アミン溶液中の水分量が低下し、吸収塔３の塔底液面が低下し、アミン濃度が上昇する。
【００２６】
そして、図６のフローの最後の部分でこの状態を判断し、未だに液面が高ければ、さらに温度セット値をある操作温度量下降させる。正常であれば、その状態を維持する。このようにして、正常な稼動状態が維持される。
【００２７】
ここで、上記のように、本実施の形態では、温度セット値をある操作温度量下降させて行う制御を前記したようにサンプルＰＩ制御で行っている。この手法は、図４について説明した、図１の実施の形態と全く同様である。
【００２８】
図５の実施の形態にかかる方法も、操作結果（温度設定の変更）がすぐ測定値に現れないむだ時間の長いプロセスである。これについて、最適な手法を獲得すべく、本発明者らは、鋭意検討を重ねた。その結果、このようなサンプルＰＩ制御を実施して初めて、塔底液面調節計５１で吸収塔循環水戻り温度調節計６１を自動制御できることを見出した。
【００２９】
次に、吸収塔３の塔底液面が下降する場合を想定すると、この場合にはアミン溶液の濃度が上昇している。この原因としては、吸収塔３の入口ガス中の水分量の低下、吸収塔３の出口ガス中の水分量の増加、といった原因がある（図７）。
ここで、図７に示すように、液面検出器５３からの液面情報を受けている塔底液面調節計５１がこの状態を関知すると、塔底液面調節計５１は、冷却塔循環水戻り温度調節計６１に対し、制御信号を送り、その温度セット値をある操作温度量上昇させる。ここで、温度検出器６２からの温度情報を検知しながら制御弁６３を制御して温度を上昇させる。これによって、吸収塔循環水戻り温度が上昇し、吸収塔３の入口ガス温度が上昇し、入口ガスに同伴する水分量が増加する。そして、循環アミン溶液中の水分量が増加し、吸収塔３の塔底液面が上昇し、アミン濃度が低下する。
【００３０】
そして、図７のフローの最後の部分でこの状態を判断し、未だに液面が低ければ、さらに温度セット値をある操作温度量上昇させる。正常であれば、その状態を維持する。このようにして、正常な稼動状態が維持される。
ここでも、上記のように、本実施の形態では、温度セット値をある操作温度量上昇させて行う制御を前記したようにサンプルＰＩ制御で行っている。この原理は、図４について既に説明した内容と同様である。
【００３１】
他の実施の形態等
本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び該方法を実施するための装置は、前記した実施の形態に制限されることなく、当業者にとって自明な範囲での修飾・変更・付加は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。図１について説明した実施の形態では、塔底液面調節計５１でアミン回収部への循環水戻り温度調節計をサンプルＰＩ制御し、アミン濃度を一定に保つこととしている。また、図５について説明した実施の形態では、塔底液面調節計５１で冷却塔循環水戻り温度調節計をサンプルＰＩ制御し、アミン濃度を一定に保つこととしている。これらの実施の形態で用いているサンプルＰＩ制御のシステムは、両方を兼備することも可能である。この場合、装置の稼動目的に応じて、いずれか一方を切り換えて作動させることができるという利点を備える。さらに、これらの図１、図５のような単独制御方式に加えて、片方の制御に制限がかかった際、自動的に他方の制御方式に切り替わる等のようにした両方式を組み合わせた吸収塔制御も本発明の範囲に含まれる。
【００３２】
上記実施の形態で用いた液面検出器５３等の液面を検出する手段の方式は、差圧式、浮力式、静電容量式、超音波式等の当業者にとって公知のものを採用することができる。
また、制御信号に応じて流量を調節する制御弁５５等の調節弁としては、ボール弁、玉型弁、ベンチュリー弁、複座弁等の当業者にとって公知のものを採用することができる。
さらに、流量調節計５６等の流量調節手段のために流量を検出する手段としては、オリフィス、抵抗体式、流体振動式、浮き子式、翼車式、電磁式、超音波式等の当業者にとって公知のものを採用することができる。
【００３３】
【実施例】
実施例１
図１の実施の形態にかかる装置を使用して、以下の条件のもとで、サンプルＰＩ制御により脱炭酸設備の吸収液の制御試験を行った。
条件：
処理ガス量：４６，０００Ｎｍ3／Ｈ
ＣＯ2回収量：１６０Ｔｏｎ／日
吸収液：ＫＳ−１溶液（アミン系溶液）
結果：図８に示されるように安定した吸収塔液面の自動制御運転が行われた。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明によれば、水バランスを自動的にコントロールし、アミン濃度を自動的に適正に保つようにした脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置の一実施の形態を説明する概念図である。
【図２】図１の実施の形態において、アミン濃度を調節するフローを説明する流れ図である。
【図３】図１の実施の形態において、アミン濃度を調節するフローを説明する別の流れ図である。
【図４】サンプルＰＩ制御のしくみを説明する動作図である。
【図５】本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置の他の実施の形態を説明する概念図である。
【図６】図５の実施の形態において、アミン濃度を調節するフローを説明する流れ図である。
【図７】図５の実施の形態において、アミン濃度を調節するフローを説明する別の流れ図である。
【図８】実施例１の本発明にかかる脱炭酸設備の稼動結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 処理ガス
２ 冷却塔
３ 二酸化炭素吸収塔
４ 二酸化炭素吸収部
５ アミン回収部
８ 熱交換器
１５、１６ 熱交換器
３１ 吸収液
３２ アミン回収用水
３３ 処理後排ガス
３４ 吸収液
３５ 再生吸収液
３６ 二酸化炭素
３７ 再生塔塔頂凝縮水
３８ 高純度二酸化炭素
３９ アミン含有水
５１ 塔底液面調節計
５２ アミン回収部への循環水戻り温度調節計
５３ 液面調節器
５４ 温度検出器
５５ 制御弁
５６、５８ 流量調節計
５７、５９ 制御弁
６０ 液面調節計
６１ 冷却塔循環水戻り温度調節計
６２ 温度検出器
６３ 制御弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火力発電設備やボイラー設備では、多量の石炭、重油あるいは超重質油を燃料に用いており、大気汚染防止及び地球環境の清浄化の見地から、二酸化硫黄を主とする硫黄酸化物、窒素酸化物、二酸化炭素等の放出に関する量的、濃度的抑制が問題になっている。また、二酸化炭素については、フロンガスやメタンガスと共に地球の温暖化の見地から、排出の抑制が検討されている。そのため、例えば、ＰＳＡ（圧力スィング）法、膜分離濃縮法及び塩基性化合物による反応吸収等の方法が検討されている。米国特許５，３１８，７５８号には、アミン化合物（以下、アミンと略称）を吸収液として脱炭酸を行う方法が提案されている。この方法では、燃焼排ガス中の水分が脱炭酸設備に流入する量と、吸収液中の水分がガスと共に脱炭酸設備から流出する量とのバランスが崩れたり、吸収液中のアミンが脱炭酸設備から流出したりすると、吸収液中のアミン濃度が変動し易い。アミン濃度が変動すると、二酸化炭素の吸収率や再生塔における蒸気消費量の変動を引き起こすという問題を生じる。
【０００３】
従来、アミン濃度を一定にするために、再生塔の塔頂ドラムよりアミンを含んだ水を抜き出したり、運転員が吸収塔入口又は出口ガス温度を手作業で調整し、水バランスをコントロールしていた。したがって、運転員の負荷が大きく、排水処理設備に対するコスト負担も過大なものとなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に対して、水バランスを自動的にコントロールし、アミン濃度を自動的に適正に保つようにした脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御方法において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段により、上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段を制御し、上記アミン回収部への循環水戻り温度を調節し、循環アミン溶液中の水分量のうち、上記吸収塔の出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するようにしたことを特徴とする。本発明において、塔底液面調節手段は、一般的には、塔底液面調節計である。上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段は、一般的には、アミン回収部への循環水戻り温度調節計であり、塔底液面調節手段からの制御信号を受け、温度セット値を変化させ、温度検出器からの温度情報を検知しながら制御弁を制御して流量を調節するためのものである。
【０００６】
また、本発明は、別の形態で、アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御方法において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段により、排ガスを冷却するための冷却塔への循環水戻り温度調節手段を制御し、上記冷却塔への循環水戻り温度を調節し、上記吸収塔の入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するようにしたことを特徴とする。上記冷却塔循環水戻り温度調節手段は、一般的には、冷却塔循環水戻り温度調節計であり、塔底液面調節手段からの制御信号を受け、温度セット値を変化させ、温度検出器からの温度情報を検知しながら制御弁を制御して流量を調節するためのものである。本発明では、上記塔底液面調節手段による制御方法を、サンプルＰＩ制御とすることが好適である。この場合、操作した結果に遅れがあっても適切に制御することができる。
【０００７】
さらに、本発明は、別の側面として、アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御装置であり、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段とを備え、上記アミン回収部への循環水戻り温度を調節し、循環アミン溶液中の水分量のうち、上記吸収塔の出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するよう構成されていることを特徴とする。かかる制御装置は、別の形態で、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される排ガスを冷却するための冷却塔への循環水戻り温度調節手段とを備え、上記冷却塔への循環水戻り温度を調節し、上記吸収塔の入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するよう構成されていることを特徴とする。
かかる制御装置は、さらに別の形態において、塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御されるアミン回収部への循環水戻り温度調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される冷却塔循環水戻り温度調節手段とを含み、アミン回収部への循環水戻り温度調節系と冷却塔循環水戻り温度調節系とを交互に切り換えて作動させることができる。
【０００８】
本発明では、水バランスを自動的にコントロールし、アミン濃度を自動的に適正に保つようにしている。水洗部循環水戻り温度を制御する形態では、循環アミン溶液中の水分量のうち出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによりアミン濃度を制御するといった特徴がある。また、冷却塔循環水戻り温度を制御する形態では、循環アミン溶液中の水分量を決める要因の一つである入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによりアミン濃度を制御するといった特徴がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
本発明で脱炭酸処理する二酸化炭素含有ガス（処理ガスという）としては、燃料用のガス、燃焼排ガス等が挙げられる。処理ガスは水分や酸素、ＳＯx、ＮＯx、ＣＯＳあるいはその他の酸性ガスを含んでいても良い。ガスの圧力は加圧、常圧、減圧のいずれであってもよく、温度は低温であっても、高温であってもよく、特に制限はない。好ましくは、常圧の燃焼排ガスである。処理ガス中の二酸化炭素濃度は１〜７５容量％であり、好ましくは５〜２０容量％である。
【００１０】
本発明において使用するアミン化合物（アミンと略称する）は、モノエタノールアミン、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノールのようなアルコール性水酸基含有１級アミン類、ジエタノールアミン、２−メチルアミノエタノールのようなアルコール性水酸基含有２級アミン類、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミンのようなアルコール性水酸基含有３級アミン類、エチレンジアミン、トリエチレンジアミン、ジエチレントリアミンのようなポリエチレンポリアミン類、ピペラジン類、ピペリジン類、ピロリジン類のような環状アミン類、キシリレンジアミンのようなポリアミン類、メチルアミノカルボン酸のようなアミノ酸類等及びこれらの混合物が挙げられる。これらのアミン類は通常１０〜７０重量％の水溶液として、吸収時は０〜１００℃で、再生時は５０〜１５０℃で使用される。また吸収液には、二酸化炭素吸収促進剤、あるいは塩基性炭酸銅のような腐食防止剤を、さらには、その他の媒体としてメタノール、ポリエチレングリコール、スルフォラン等を加えることができる。
【００１１】
次に、図１は、脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び該方法を実施するための装置について、具体的な一実施の形態を示す。
まず、図１に示すように、処理ガス１は、必要により冷却塔内２での水との気液接触により所定の温度まで冷却される。熱交換器１４は、熱交換水によって冷却水を冷却するためのものである。所定の温度に冷却された処理ガス１は、二酸化炭素吸収塔（吸収塔と略す）３の底部に供給されて、二酸化炭素吸収部４とアミン回収部５を持つ塔内を上昇し、熱交換器１６を経た吸収液３１と気液接触されて二酸化炭素を吸収され、アミン回収部５で排ガスに同伴するアミンが水洗により回収された後、処理後排ガス３３が塔頂より排出される。二酸化炭素吸収塔３における気液接触比（Ｌ／Ｇ；単位リットル／Ｎ−ｍ3）は０．５〜２０であり、二酸化炭素の吸収率は５０〜１００％である。二酸化炭素吸収塔３の二酸化炭素吸収部４とアミン回収部５は、充填塔であっても、棚段塔であっても良い。また、二酸化炭素吸収部とアミン回収部には、適当な位置に液の分散板を設けることができる。
【００１２】
アミン回収部５は、二酸化炭素吸収塔３から処理後排ガス３３に同伴するアミンの量を少なくするために、再生塔塔頂凝縮水３７の一部であるアミン回収用水３２が供給される。また、その下部からは回収されたアミン含有水３９が熱交換器１５によって熱交換された後アミン回収部５の上部へ循環される。
【００１３】
二酸化炭素を吸収した吸収液（負荷吸収液という）３４は、吸収塔３の底部から排出されて再生塔９に供給され、再生されて再生吸収液３５となる。吸収塔３と再生塔９の間には熱交換器８を設けて、高温の再生吸収液３５により低温の負荷吸収液３４が加熱されて熱の有効利用が行われるようにすることができる。負荷吸収液３４は、再生塔９の中間部に供給されて二酸化炭素３６が水蒸気と共に塔頂から留出される。再生塔９の中間部より上には、アミンの同伴を抑制するための回収段が設けられる。再生は常圧でも、加圧でも減圧でも行うことができる。必要により、再生塔９には再生吸収液を加熱循環させるための加熱装置、又はリボイラー１７が設けられる。リボイラー１７は蒸気により加熱される。再生塔９の上部から留出した二酸化炭素３６と水蒸気は、コンデンサ１０において水が凝縮され、分離器１１において水が分離されて高純度二酸化炭素３８が系外に排出される。凝縮、分離された水（凝縮水３７）は、再生塔９の回収段に供給され、残りはアミン回収用水３２としてアミン回収部５に戻される。そして、前記したように凝縮水３７の一部がアミン回収用水３２として使用される。
【００１４】
なお、流量調節計５６は、再生塔液面を所定値に保つように液面調節計６０からの訂正信号（流量設定信号）を負荷吸収液流量が等しくなるように制御弁５７を制御し吸収液流量を操作する働きを行う。また、流量調節計５８は、制御弁５９を制御して吸収液の流量を所定値にする働きを行う。
【００１５】
ついで、図１の実施の形態で、アミン溶液の濃度を一定に保つための制御方法について説明する。この実施の形態では、塔底液面調節計５１でアミン回収部への循環水戻り温度調節計５２をサンプルＰＩ制御し、アミン濃度を一定に保つこととしている。その流れを図１に加え、図２、図３を参照しながら説明する。まず、吸収塔３の塔底液面が上昇する場合を想定すると、この場合にはアミン溶液の濃度が低下している。この原因としては、吸収塔３の入口ガス中の水分量の増加、吸収塔３の出口ガス中の水分量低下、外部からのアミン溶液系への水の注入といった原因がある（図２）。
【００１６】
ここで、図２に示すように、液面検出器５３からの液面情報を受けている塔底液面調節計５１がこの状態を関知すると、塔底液面調節計５１は、アミン回収部への循環水戻り温度調節計５２に対し、制御信号を送り、その温度セット値をある操作温度量上昇させる。ここで、温度検出器５４からの温度情報を検知しながら制御弁５５を制御して温度を上昇させる。これによって、アミン回収部への循環水戻り温度が上昇し、吸収塔３の出口ガス３３の温度が上昇し、出口ガスに同伴する水分量が増加する。そして、循環アミン溶液中の水分量が低下し、吸収塔３の塔底液面が低下し、アミン濃度が上昇する。
【００１７】
そして、図２のフローの最後の部分でこの状態を判断し、未だに液面が高ければ、さらに温度セット値をある操作温度量上昇させる。正常であれば、その状態を維持する。このようにして、正常な稼動状態が維持される。
【００１８】
ここで、上記のように、本実施の形態では、温度セット値をある操作温度量上昇させて行う制御を前記したようにサンプルＰＩ制御で行っている。
図４の動作図を参照して、その手法を示す。サンプル周期（ＳＴ）の始めの制御時間（ＳＷ）だけＰＩ制御を行い、制御時間を過ぎると操作量（温度セット値の上昇させた分の温度、すなわち上記した操作温度量）を保持（出力ホールド）する。すなわち、サンプル周期ごとの短い時間だけ制御動作を行うこととしている。ここでＰとは、比例動作であり、Ｉとは積分動作であり、これらによって比例＋積分動作（ＰＩ動作）が規定される。
【００１９】
サンプル周期、制御時間は、装置の試験運転等によって適宜設定する。目安としては、以下の通りである。
ＳＴ＝（Ｌ＋Ｔ0）×（２〜３）
ＳＷ＝ＳＴ／１０
Ｌ：むだ時間
Ｔ0：遅れ時定数
なお、オーバーシュートを少なくする立ち上がり特性の観点からはサンプル周期（ＳＴ）が長い方が良い。しかし、プロセスに加えられる主要外乱の最短周期ＴNがＳＴより小さい場合には、この外乱を制御できなくなる。そこで、ＳＴ≦ＴN／５が好適な設定である。
【００２０】
本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法では、操作結果（温度設定の変更）がすぐ測定値に現れないむだ時間の長いプロセスである。これについて、最適な手法を獲得すべく、本発明者らは、鋭意検討を重ねた。その結果、このようなサンプルＰＩ制御を実施して初めて、塔底液面調節計５１でアミン回収部への循環水戻り温度調節計５２を自動制御できることを見出した。
【００２１】
次に、吸収塔３の塔底液面が下降する場合を想定すると、この場合にはアミン溶液の濃度が上昇している。この原因としては、吸収塔３の入口ガス中の水分量の低下、吸収塔３の出口ガス中の水分量の増加、といった原因がある（図３）。ここで、図３に示すように、液面検出器５３からの液面情報を受けている塔底液面調節計５１がこの状態を関知すると、塔底液面調節計５１は、アミン回収部への循環水戻り温度調節計５２に対し、制御信号を送り、その温度セット値をある操作温度量下降させる。ここで、温度検出器５４からの温度情報を検知しながら制御弁５５を制御して温度を下降させる。これによって、アミン回収部への循環水戻り温度が下降し、吸収塔３の出口ガス温度が下降し、出口ガスに同伴する水分量が減少する。そして、循環アミン溶液中の水分量が増加し、吸収塔３の塔底液面が上昇し、アミン濃度が低下する。そして、図３のフローの最後の部分でこの状態を判断し、未だに液面が低ければ、さらに温度セット値をある操作温度量下降させる。正常であれば、その状態を維持する。このようにして、正常な稼動状態が維持される。
【００２２】
ここでも、上記のように、本実施の形態では、温度セット値をある操作温度量下降させて行う制御を前記したようにサンプルＰＩ制御で行っている。この原理は、図４について既に説明した内容と同様である。
【００２３】
図５に、脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び該方法を実施するための装置について、具体的な他の実施の形態を示す。この実施の形態において、図１と同一の参照番号を付した構成要素は、図１と同様の構成であり、かつ同様の機能を備える。そこで、各々について説明を省略し、図２の実施の形態で、アミン溶液の濃度を一定に保つための制御方法について説明する。
この実施の形態では、塔底液面調節計５１で冷却塔循環水戻り温度調節計６１をサンプルＰＩ制御し、アミン濃度を一定に保つこととしている。その流れを図５に加え、図６、図７を参照しながら説明する。
【００２４】
まず、吸収塔３の塔底液面が上昇する場合を想定すると、この場合にはアミン溶液の濃度が低下している。この原因としては、吸収塔３の入口ガス中の水分量の増加、吸収塔３の出口ガス中の水分量低下、外部からのアミン溶液系への水の注入といった原因がある（図６）。
【００２５】
ここで、図６に示すように、液面検出器５３からの液面情報を受けている塔底液面調節計５１がこの状態を関知すると、塔底液面調節計５１は、冷却塔循環水戻り温度調節計６１に対し、制御信号を送り、その温度セット値をある操作温度量下降させる。ここで、温度検出器６２からの温度情報を検知しながら制御弁６３を制御して温度を下降させる。これによって、冷却塔循環水戻り温度が下降し、吸収塔３の入口ガス温度が下降し、入口ガスに同伴する水分量が減少する。そして、循環アミン溶液中の水分量が低下し、吸収塔３の塔底液面が低下し、アミン濃度が上昇する。
【００２６】
そして、図６のフローの最後の部分でこの状態を判断し、未だに液面が高ければ、さらに温度セット値をある操作温度量下降させる。正常であれば、その状態を維持する。このようにして、正常な稼動状態が維持される。
【００２７】
ここで、上記のように、本実施の形態では、温度セット値をある操作温度量下降させて行う制御を前記したようにサンプルＰＩ制御で行っている。この手法は、図４について説明した、図１の実施の形態と全く同様である。
【００２８】
図５の実施の形態にかかる方法も、操作結果（温度設定の変更）がすぐ測定値に現れないむだ時間の長いプロセスである。これについて、最適な手法を獲得すべく、本発明者らは、鋭意検討を重ねた。その結果、このようなサンプルＰＩ制御を実施して初めて、塔底液面調節計５１で吸収塔循環水戻り温度調節計６１を自動制御できることを見出した。
【００２９】
次に、吸収塔３の塔底液面が下降する場合を想定すると、この場合にはアミン溶液の濃度が上昇している。この原因としては、吸収塔３の入口ガス中の水分量の低下、吸収塔３の出口ガス中の水分量の増加、といった原因がある（図７）。
ここで、図７に示すように、液面検出器５３からの液面情報を受けている塔底液面調節計５１がこの状態を関知すると、塔底液面調節計５１は、冷却塔循環水戻り温度調節計６１に対し、制御信号を送り、その温度セット値をある操作温度量上昇させる。ここで、温度検出器６２からの温度情報を検知しながら制御弁６３を制御して温度を上昇させる。これによって、吸収塔循環水戻り温度が上昇し、吸収塔３の入口ガス温度が上昇し、入口ガスに同伴する水分量が増加する。そして、循環アミン溶液中の水分量が増加し、吸収塔３の塔底液面が上昇し、アミン濃度が低下する。
【００３０】
そして、図７のフローの最後の部分でこの状態を判断し、未だに液面が低ければ、さらに温度セット値をある操作温度量上昇させる。正常であれば、その状態を維持する。このようにして、正常な稼動状態が維持される。
ここでも、上記のように、本実施の形態では、温度セット値をある操作温度量上昇させて行う制御を前記したようにサンプルＰＩ制御で行っている。この原理は、図４について既に説明した内容と同様である。
【００３１】
他の実施の形態等
本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び該方法を実施するための装置は、前記した実施の形態に制限されることなく、当業者にとって自明な範囲での修飾・変更・付加は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。図１について説明した実施の形態では、塔底液面調節計５１でアミン回収部への循環水戻り温度調節計をサンプルＰＩ制御し、アミン濃度を一定に保つこととしている。また、図５について説明した実施の形態では、塔底液面調節計５１で冷却塔循環水戻り温度調節計をサンプルＰＩ制御し、アミン濃度を一定に保つこととしている。これらの実施の形態で用いているサンプルＰＩ制御のシステムは、両方を兼備することも可能である。この場合、装置の稼動目的に応じて、いずれか一方を切り換えて作動させることができるという利点を備える。さらに、これらの図１、図５のような単独制御方式に加えて、片方の制御に制限がかかった際、自動的に他方の制御方式に切り替わる等のようにした両方式を組み合わせた吸収塔制御も本発明の範囲に含まれる。
【００３２】
上記実施の形態で用いた液面検出器５３等の液面を検出する手段の方式は、差圧式、浮力式、静電容量式、超音波式等の当業者にとって公知のものを採用することができる。
また、制御信号に応じて流量を調節する制御弁５５等の調節弁としては、ボール弁、玉型弁、ベンチュリー弁、複座弁等の当業者にとって公知のものを採用することができる。
さらに、流量調節計５６等の流量調節手段のために流量を検出する手段としては、オリフィス、抵抗体式、流体振動式、浮き子式、翼車式、電磁式、超音波式等の当業者にとって公知のものを採用することができる。
【００３３】
【実施例】
実施例１
図１の実施の形態にかかる装置を使用して、以下の条件のもとで、サンプルＰＩ制御により脱炭酸設備の吸収液の制御試験を行った。
条件：
処理ガス量：４６，０００Ｎｍ3／Ｈ
ＣＯ2回収量：１６０Ｔｏｎ／日
吸収液：ＫＳ−１溶液（アミン系溶液）
結果：図８に示されるように安定した吸収塔液面の自動制御運転が行われた。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明によれば、水バランスを自動的にコントロールし、アミン濃度を自動的に適正に保つようにした脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置の一実施の形態を説明する概念図である。
【図２】図１の実施の形態において、アミン濃度を調節するフローを説明する流れ図である。
【図３】図１の実施の形態において、アミン濃度を調節するフローを説明する別の流れ図である。
【図４】サンプルＰＩ制御のしくみを説明する動作図である。
【図５】本発明にかかる脱炭酸設備の吸収液の制御方法及び装置の他の実施の形態を説明する概念図である。
【図６】図５の実施の形態において、アミン濃度を調節するフローを説明する流れ図である。
【図７】図５の実施の形態において、アミン濃度を調節するフローを説明する別の流れ図である。
【図８】実施例１の本発明にかかる脱炭酸設備の稼動結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 処理ガス
２ 冷却塔
３ 二酸化炭素吸収塔
４ 二酸化炭素吸収部
５ アミン回収部
８ 熱交換器
１５、１６ 熱交換器
３１ 吸収液
３２ アミン回収用水
３３ 処理後排ガス
３４ 吸収液
３５ 再生吸収液
３６ 二酸化炭素
３７ 再生塔塔頂凝縮水
３８ 高純度二酸化炭素
３９ アミン含有水
５１ 塔底液面調節計
５２ アミン回収部への循環水戻り温度調節計
５３ 液面調節器
５４ 温度検出器
５５ 制御弁
５６、５８ 流量調節計
５７、５９ 制御弁
６０ 液面調節計
６１ 冷却塔循環水戻り温度調節計
６２ 温度検出器
６３ 制御弁
Claims (6)
- アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御方法において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段により、上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段を制御し、上記アミン回収部への循環水戻り温度を調節し、循環アミン溶液中の水分量のうち、上記吸収塔の出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するようにしたことを特徴とする脱炭酸設備の吸収液の制御方法。
- アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御方法において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段により、排ガスを冷却するための冷却塔への循環水戻り温度調節手段を制御し、上記冷却塔への循環水戻り温度を調節し、上記吸収塔の入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するようにしたことを特徴とする脱炭酸設備の吸収液の制御方法。
- 上記した塔底液面調節手段による制御方法が、サンプルＰＩ制御であることを特徴とする請求項１又は２の脱炭酸設備の吸収液の制御方法。
- アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御装置において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段とを備え、上記アミン回収部への循環水戻り温度を調節し、循環アミン溶液中の水分量のうち、上記吸収塔の出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するよう構成されていることを特徴とする脱炭酸設備の吸収液の制御装置。
- アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御装置において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される排ガスを冷却するための冷却塔への循環水戻り温度調節手段とを備え、上記冷却塔への循環水戻り温度を調節し、上記吸収塔の入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するよう構成されていることを特徴とする脱炭酸設備の吸収液の制御装置。
- アミン回収部を有する吸収塔と再生塔を有する脱炭酸設備の吸収液の制御装置において、液面検出器からの液面情報を受け、温度調節手段に制御信号を送るための、上記吸収塔の塔底液面調節手段と、該塔底液面調節手段によって制御される上記アミン回収部への循環水戻り温度調節手段とを備え、上記アミン回収部への循環水戻り温度を調節し、循環アミン溶液中の水分量のうち、上記吸収塔の出口ガスに同伴して失われる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するよう構成され、かつ上記塔底液面調節手段によって制御される排ガスを冷却するための冷却塔への循環水戻り温度調節手段をさらに備え、上記冷却塔への循環水戻り温度を調節し、上記吸収塔の入口ガスに同伴して加わる水分量を操作することによって、上記吸収液中のアミン濃度を調整するよう構成されていることを特徴とする脱炭酸設備の吸収液の制御装置。
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