JP5597260B2 - 燃焼排ガス中の二酸化炭素除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼排ガス中の二酸化炭素（CO_２）除去装置および方法に関し、特にCO_２吸収液としてアミン化合物の水溶液を用いたCO_２吸収装置からのアミン化合物の放出を防止したCO_２除去装置および方法に関する。

近年、地球の温暖化現象の原因の一つとして、二酸化炭素（CO_２）による温室効果が指摘され、地球環境を守る上で、国際的にもその対策が急務となってきている。CO_２の発生源としては、化石燃料を燃焼させるあらゆる人間の活動分野に及び、その排出規制が今後一層強化される傾向にある。これに伴い、大量の化石燃料を使用する火力発電所などの動力発生設備を対象に、例えばPSA（圧力スウィング）法、膜分離法、および塩基性化合物による反応吸収などのCO_２除去方法が検討されている。

これらのうち、塩基性化合物によるCO_２の除去方法の例として、特許文献１には、アミン化合物の水溶液をCO_２の吸収剤として用いることにより、脱炭酸を行うという方法が提案されている。この方法においては、CO_２とアミン化合物との反応が発熱反応であるため、CO_２吸収部における吸収液温度が上昇してアミン化合物の蒸気圧が高くなる。即ち、温度上昇によって多くの吸収液が蒸発することから、脱炭酸ガスに同伴するアミン化合物の量が増加する。このため、吸収塔に水洗部を設け、この水洗部において、脱炭酸ガスと、アミン化合物水溶液の再生塔後流側に位置する冷却器からの還流水の一部を洗浄水として、気液接触させることにより、脱炭酸ガスに同伴するアミン化合物を液相に回収していた。さらにアミンの回収効率の向上を図って、特許文献２では、上記水洗部を多段構造にする方法が提案されている。

図２は、このような従来のCO₂除去装置の一例を示すもので、この装置は、燃焼排ガスとアミン化合物の水溶液を向流接触させる接触部（充填部）２で、燃焼排ガス中に含まれる二酸化炭素（CO₂）を除去する脱炭酸塔１と、該脱炭酸塔１から排出されたアミン化合物の水溶液を加熱してアミン化合物の水溶液を再生する再生塔１３と、該再生塔１３後流側に位置する冷却器からの還流水を前記脱炭酸塔１に供給するための手段（還流水供給ライン）２１とを備えている。なお、図中、３は燃焼排ガス供給ライン、４は脱CO₂燃焼排ガス、５はアミン化合物水溶液供給ライン、６、９、１４、２０はノズル、７は水循環ポンプ、８は冷却器、１０はCO₂吸収アミン化合物抜出ライン、１１は被処理ガス、１２はブロワ、１５は再生塔の下部充填部、１６はポンプ、１７はCO₂分離器、１８は排出CO₂、２２は熱交換器、２３はリボイラ、２４は水洗部、２５は再生塔の上部充填部をそれぞれ示す。

特開平５−１８４８６６号公報 特開２００７−１９０５５３号公報

上記の従来技術においては、アミン水溶液の再生塔１３の後流側に位置する冷却器１９からの還流水にアミン化合物が含まれており、その濃度の調整がなされない場合は、脱炭酸塔の水洗部２４でアミン化合物を吸収する際に、脱炭酸ガスに含まれるアミン化合物濃度との関係によっては、洗浄の効果が小さい場合が起こった。

上記の課題を解決するため、本願で特許請求される発明は、以下のとおりである。
（１） 燃焼排ガスとアミン化合物の水溶液を向流接触させる接触部で、燃焼排ガスから二酸化炭素（CO₂）を除去する脱炭酸塔、該脱炭酸塔から排出されたアミン化合物水溶液を加熱してCO ₂ を放出させる再生塔、該再生塔の後流側に設置された第一還流水を得るための第一段冷却器、第一段冷却器の後流側に設置された第二還流水を得るための第二段冷却器、前記脱炭酸塔の後流側に設置された第一還流水と前記脱炭酸塔からのCO ₂ が除去された燃焼排ガスとを向流接触させるための第一段水洗部、および第一段水洗部の後流側に設置された第二還流水と第一段水洗部からのCO ₂ が除去された燃焼排ガスとを向流接触させるための第二段水洗部を備える燃焼排ガス中の二酸化炭素除去装置。
（２） 燃焼排ガスの温度が、脱炭酸塔入口と出口とで可及的に同一となるように、前記第一段および第二段冷却器から第一段および第二段水洗部に供給される第一および第二還流水の量を調節することを特徴とする（１）記載の装置を用いた燃焼排ガス中の二酸化炭素除去方法。

本発明によれば、アミン再生塔上部の冷却器からの還流水を吸収塔上部のアミン除去に効率よく使用でき、脱CO_２塔から放出されるアミン濃度を低減できる。

本発明の一実施例を示すCO_２除去装置の説明図。 従来のCO_２除去装置の説明図。

本発明において、CO_２吸収液に用いるアミン化合物としては、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。また、吸収液には二酸化炭素吸収促進剤或いは腐食防止剤、更には、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。

また、脱CO_２塔１、水洗部２４の出口にデミスタを設置し、脱CO_２塔１に供給される吸収液ミストの一部や水洗部２４に供給される洗浄水ミストの一部が脱CO_２排ガスとともに塔外に放出されて、水分やアミン化合物が損失するのを防止してもよい。また、水洗部２４は充填塔であっても、棚段塔であってもよい。

また、二段目の水洗部の洗浄水に含まれるアミン濃度が一定の値を越えた場合は、その一部を一段目の洗浄部に供給してもよい。さらに、一段目の洗浄部の洗浄水に含まれるアミン濃度が別の一定値を越えた場合は、その一部を再生塔から供給されるアミン化合物水溶液に供給してもよい。
また、脱炭酸処理の対象となる二酸化炭素含有ガスの圧力は加圧であっても、常圧であってもよく、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。

図１は、本発明の一実施例を示す二酸化炭素除去装置の説明図である。図２に示した従来装置と異なる点は、再生塔１３の後流側の冷却器１９を二段構造とし、一段目の冷却器からの還流水をポンプ１６およびライン２１Ａを介して脱炭酸塔１の水洗部２４の一段目に、また二段目の冷却器からの還流水をライン２１Ｂを介して脱炭酸塔１の水洗部２４の二段目にそれぞれ供給するようにしたことである。すなわち、脱CO_２塔後流側の水洗部が複数段に分かれている場合、後段側ほど脱CO_２燃焼排ガス中のアミン濃度は低下する。脱CO_２されたアミン化合物蒸気を含む燃焼排ガスの、再生塔１３の出口での温度は約100℃であり、その飽和蒸気圧のアミン化合物を含む。一段目および二段目の冷却器１９入口ではガス温度はそれぞれ約100℃，約70℃であり、冷却器からの凝縮水に含まれるアミン化合物濃度は、一段目は二段目の５倍以上となる。脱炭酸塔の水洗部でのアミン化合物は、脱CO_２燃焼排ガス中のアミン濃度が高い程、また水中のアミン濃度が低い程、その回収効率が高くなる。一方、脱CO_２燃焼排ガス中のアミン濃度が低く、水中のアミン濃度が高いと、水からガスへアミンが移動し、逆の効果となる可能性もある。本発明は、脱CO_２燃焼排ガス中のアミン濃度の高い水洗部前段側に一段目の冷却器からのアミン濃度の高い方の水を供給し、脱CO_２燃焼排ガス中のアミン濃度の低い水洗部後段側に二段目の冷却器からのアミン濃度の低い方の水を供給し、脱炭酸塔水洗部でのアミン除去効率を向上させようとするものである。

図１の装置において、燃焼排ガス１１はブロワ１２により脱CO_２塔１に供給され、ノズル６から供給される一定濃度のアミン化合物の水溶液と接触部（充填部）２で向流接触させられ、燃焼排ガス中のCO_２はアミン化合物の水溶液により吸収除去され、脱CO_２された燃焼排ガスは水洗部２４へと向う。脱CO_２塔１に供給されるアミン化合物の水溶液はCO_２を吸収し、その吸収による反応熱のため、供給口３における温度よりも高温となり、熱交換器２２に送られ、加熱されて再生塔１３へと導かれる。本発明においては、脱CO_２塔１に供給されるアミン化合物の水溶液の温度を調節することによって、CO_２の吸収による反応熱のほとんどを再生塔１３に供給されるアミン化合物の水溶液によって脱CO_２塔１の外に運び去ることが望ましい。脱CO_２塔１に供給されるアミン化合物の水溶液の温度調節は、冷却器１９あるいは必要に応じて該冷却器１９とアミン化合物の水溶液供給口６の間に設けられる熱交換器２２により行うことができる。系内が定常状態になった後は、通常、脱CO_２塔１内のアミン化合物の水溶液の温度も一定となる。これにより燃焼排ガスの温度は反応熱によっても殆ど上昇せず、燃焼排ガス供給口３の供給温度とほぼ同一温度で脱CO_２塔１を上昇して排出されることとなる。なお、ここで同一とは厳密な意味ではなく、多少の温度差が生じても後述の脱CO_２塔１の水バランスが保たれる状態においては実質的に同一の範囲に含まれる。

燃焼排ガス温度が脱CO_２塔１の入口と出口で同一となるように、アミン化合物の水溶液供給口６より供給されるアミン化合物の水溶液の温度を調節することにより、脱CO_２塔１、さらには図１の系全体の水バランスが保たれることとなる。また脱CO_２塔１から排出される燃焼排ガスの温度が高くても、後述のように再生塔１３からの還流水を脱CO_２塔１に用いる本発明の装置および方法により、アミン化合物の系外への放散を有効に防止することができる。

再生塔１３では、リボイラ２３による加熱でアミン化合物の水溶液が再生され、塔底から抜き出されて熱交換器２２により冷却された後、脱CO_２塔１へ戻される。再生塔１３の上部において、アミン化合物の水溶液から分離されたCO_２は、ノズル２０より供給される還流水と接触し、塔頂を出てさらに再生塔還流冷却器１９により冷却された後、CO_２分離器１７にてCO_２に同伴した水蒸気が凝縮した還流水と分離され、ライン１８よりCO_２回収工程へ導かれる。還流水の一部は還流水ポンプ１６で再生塔１３へ還流される。

この還流水の一部は、前述のように再生塔還流水供給ライン２１Ａによりノズル９を介して脱CO_２塔１へ供給されるが、本発明では、再生塔１３の後流側の冷却器１９を二段構造とし、一段目の冷却器からの還流水をポンプ１６およびライン２１Ａを介して脱炭酸塔１の水洗部２４の一段目に、また二段目の冷却器からの還流水をライン２１Ｂを介して脱炭酸塔１の水洗部２４の二段目にそれぞれ供給するようにしている。脱CO_２されたアミン化合物蒸気を含む燃焼排ガスは、前記還流水と上記充填部またはトレイ２４で構成された部分で向流接触させることにより、燃焼排ガス中のアミン化合物蒸気を殆どゼロまで下げることができると共に、前述のように脱CO_２された燃焼排ガス中のアミン濃度の高い水洗部前段側に一段目の冷却器からのアミン濃度の高い方の水を供給し、脱CO_２された燃焼排ガス中のアミン濃度の低い水洗部後段側に二段目の冷却器からのアミン濃度の低い方の水を供給することにより、脱炭酸塔水洗部でのアミン除去効率を格段に向上させることができる。

以下、本発明の実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[実施例１]
図１の装置を用い、CO_２を10％含む燃焼排ガス30Nm^３/hを脱炭酸塔１の接触部に供給し、吸収液としてアルコール性水酸基含有２級アミンの水溶液（吸収液）と向流接触させて二酸化炭素を吸収した。残りの脱炭酸排ガスを前記接触部出口から、一段目の水洗部にて洗浄水と液／ガス比2L/Nm^３で向流接触させた。更に、二段目の水洗部にて脱CO_２排ガスを洗浄水と液／ガス比2L/Nm^３で向流接触させ、二段水洗部出口のデミスタを通過させた後に系外へ放出した。この際、再生塔１３の後流側の冷却器１９は二段構成とし、一段目、二段目の冷却器入口温度はそれぞれ100℃，70℃であり、一段目の冷却器からの凝縮水を0.5L/hで一段目の水洗部に供給し、二段目の冷却器からの凝縮水を0.6L/hで二段目の水洗部に供給した。このとき、一段目の水洗部出口ガス温度及び二段目の水洗部出口ガス温度が共に42℃なるように運転した。その結果、吸収塔から系外に放出された脱CO_２排ガス中のアミン化合物濃度は8ppmであった。
[比較例１]
実施例１において、再生塔の後流側の冷却器を一段構成とし、凝縮水1.1L/hを二段目の水洗部に供給した以外は実施例１と同様にして運転した結果、吸収塔から系外に放出された脱CO_２ガス中のアミン濃度は12ppmであった。

１…脱CO_２塔、２…接触部（充填部）、３…燃焼排ガス供給口（ライン）、４…脱CO_２燃焼排ガス、５…アミン化合物水溶液供給口、６…ノズル、７…水循環ポンプ、８…冷却器、９…ノズル、１０…CO_２吸収アミン化合物抜出ライン、１１…被処理ガス、１２…ブロワ、１３…再生塔、１４…ノズル、１５…下部充填部、１６…ポンプ、１７…CO_２分離器、１８…排出CO_２ライン、１９…冷却器、２０…ノズル、２１…還流水供給ライン、２２…熱交換器、２３…リボイラ、２４…水洗部、２５…上部充填部。

Claims (2)

1. 燃焼排ガスとアミン化合物の水溶液を向流接触させる接触部で、燃焼排ガスから二酸化炭素（CO₂）を除去する脱炭酸塔、該脱炭酸塔から排出されたアミン化合物水溶液を加熱してCO ₂ を放出させる再生塔、該再生塔の後流側に設置された第一還流水を得るための第一段冷却器、第一段冷却器の後流側に設置された第二還流水を得るための第二段冷却器、前記脱炭酸塔の後流側に設置された第一還流水と前記脱炭酸塔からのCO ₂ が除去された燃焼排ガスとを向流接触させるための第一段水洗部、および第一段水洗部の後流側に設置された第二還流水と第一段水洗部からのCO ₂ が除去された燃焼排ガスとを向流接触させるための第二段水洗部を備える燃焼排ガス中の二酸化炭素除去装置。
2. 燃焼排ガスの温度が、脱炭酸塔入口と出口とで可及的に同一となるように、前記第一段および第二段冷却器から第一段および第二段水洗部に供給される第一および第二還流水の量を調節することを特徴とする請求項１記載の装置を用いた燃焼排ガス中の二酸化炭素除去方法。

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