JP5652905B2

JP5652905B2 - 物理吸収法によるガス分離方法

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Publication number: JP5652905B2
Application number: JP2010126195A
Authority: JP
Inventors: 井田　博之; 博之井田; 剛志水上; 金久保　光央; 光央金久保; 南條　弘; 弘南條
Original assignee: JFE Steel Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: JFE Steel Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: JP2011251240A

Description

この発明は、物理吸収法により混合ガスから二酸化炭素を分離するためのガス分離方法に関するもので、特に吸収液としてイオン液体を用いる場合に好適な方法である。

混合ガス中から二酸化炭素を分離する技術としては、化学吸収法、物理吸着法などが実用化されている。このうち物理吸収法は、二酸化炭素を含有する高圧の混合ガス、例えばガス田から自噴する井戸元ガスやＩＧＣＣ（石炭ガス化複合発電）の排ガスなどに含まれる二酸化炭素の分離に適用されている。
また、この物理吸収法に関しては、イオン液体を用いた物理吸収法が近年注目を集めている（例えば、特許文献１）。イオン液体は、室温付近以下に融点をもつ溶融塩であり、広い温度範囲で液体状態を維持し、加圧下における単位体積当りの酸性ガス（二酸化炭素など）の吸収量がメタノールやメチルジエチルアミン等よりも多く、且つ非酸性ガス（Ｈ_２、Ｎ_２など）に対して溶解度が非常に小さいという特性を有している。

このイオン液体を用いた物理吸収法は、特に、圧縮状態にある高圧ガスを対象としたガス分離に好適であると考えられてきた。このためイオン液体を用いた物理吸収法による二酸化炭素の分離技術は、これまで、主に数ＭＰaＧレベルの高圧の混合ガスを対象として研究開発がなされており、製鉄所で発生する副生ガス（高炉ガスなど）や火力発電所で発生する排ガスなどのようなガス圧力が数百ｋＰaＧレベル或いはそれ以下の混合ガスについては、主たる研究対象にはされていなかった。
これに対して特許文献３、４には、イオン液体を用いた物理吸収法において、ガス圧力が数百ｋＰaＧ〜１ＭＰaＧ程度の混合ガスを対象とすることが示されている。

特開２００６-３０５５４４号公報特開２００６-０３６９５０号公報特開２００８-２９６２１１号公報特開２００９-１０６９０９号公報

従来、イオン液体を用いた物理吸収法により混合ガスから二酸化炭素を分離する場合、二酸化炭素の分圧の高い高圧ガスへの適用が考えられてきたが、本発明者が検討した結果では、ガス圧力の違いは二酸化炭素の吸収率には、大きな影響を与えないことが判った。したがって、特許文献３、４にも示されるように、イオン液体を用いた物理吸収法は低圧ガスに対しても適用可能であるが、課題は二酸化炭素単位重量当りの処理コストをいかに低減できるかという点にある。
したがって本発明の目的は、物理吸収法により低圧の混合ガスから低コストに二酸化炭素を分離回収することができるガス分離方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、３００ｋＰaＧ以下の低圧混合ガスを対象とし、混合ガスに対する吸収液の割合を低くし且つ二酸化炭素回収率を低目にすることにより、ランニングコストを効果的に低減できることを見出した。また、このようなランニングコストの低減効果は、イオン液体を主成分とする吸収液を用いた場合に特に顕著であることが判った。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。

［1］吸収液としてイオン液体を主成分とする吸収液を用い、二酸化炭素を含む混合ガスを吸収塔に導入して吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させることにより、混合ガスから二酸化炭素の一部を分離回収するに際し、
ガス圧力が３００ｋＰaＧ以下の混合ガスを、混合ガスに対する吸収液の割合１５０vol％以下の条件で吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素の４０〜６０vol％を分離回収することを特徴とする物理吸収法によるガス分離方法。
［2］吸収液としてポリエチレングリコール、グライムの中から選ばれる１種以上を用い、二酸化炭素を含む混合ガスを吸収塔に導入して吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させることにより、混合ガスから二酸化炭素の一部を分離回収するに際し、
ガス圧力が３００ｋＰaＧ以下の混合ガスを、混合ガスに対する吸収液の割合１００vol％以下の条件で吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素の５０〜７０vol％を分離回収することを特徴とする物理吸収法によるガス分離方法。
［3］上記［1］又は［2］のガス分離方法において、混合ガスが高炉ガスであることを特徴とする物理吸収法によるガス分離方法。

［4］上記［3］のガス分離方法において、高炉から排出された高炉ガスを、炉頂ガスタービンを経由させることなく吸収塔に導入し、吸収液と接触させることを特徴とする物理吸収法によるガス分離方法。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかのガス分離方法において、吸収塔を通過した混合ガスを動力回収装置に導き、エネルギー回収することを特徴とする物理吸収法によるガス分離方法。
［6］上記［1］〜［5］のいずれかのガス分離方法において、吸収塔から排出された吸収液を動力回収装置に導き、エネルギー回収した後、吸収液から二酸化炭素を回収することを特徴とする物理吸収法によるガス分離方法。

本発明によれば、物理吸収法により混合ガスから二酸化炭素を分離回収するに際し、ある限定的な範囲の混合ガス圧力（低圧領域）、混合ガスに対する吸収液の割合及び二酸化炭素回収率で操業を行うことにより、ランニングコストを効果的に低減することができる。また、イオン液体を主成分とする吸収液を用いた場合に、特に顕著なランニングコストの低減効果を得ることができる。

本発明によるガス分離プロセスの一実施形態の概要を示す説明図図１に示すようなガス分離プロセスで、吸収液としてイオン液体を用いて高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する場合において、二酸化炭素回収率とランニングコストとの関係を示すグラフ図１に示すようなガス分離プロセスで、吸収液として非イオン液体を用いて高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する場合において、二酸化炭素回収率とランニングコストとの関係を示すグラフ

図１は、本発明によるガス分離プロセスの一実施形態の概要を示すもので、高炉ガス（混合ガス）から二酸化炭素を分離回収する例を示している。図において、１は吸収塔、２は減圧塔、３は圧縮機、４は吸収液の循環管路、５はこの循環管路４に設けられるポンプ、６は膨張タービンなどの動力回収装置、７は前記減圧塔２に設けられるハイドローリックタービンなどの動力回収装置、８は同じく気液分離器である。なお、図１に示されている高炉ガス及び吸収液の圧力は、一操業例での圧力である。

ガス分離設備に供給された高炉ガスは、圧縮機３で所定の圧力（２００ｋＰaＧ）に昇圧されて吸収塔１に導入され、この吸収塔１で吸収液と接触することで二酸化炭素が吸収される。吸収塔１を通過した高炉ガスは、動力回収装置６を駆動してエネルギーを回収された後、設備外に排出される。一方、二酸化炭素を吸収した吸収液は、吸収塔１から減圧塔２に導かれ、ここで、動力回収装置７を駆動してエネルギーを回収された後、気液分離器８において減圧されることで吸収液から二酸化炭素が放出され、二酸化炭素が回収ガスとして取り出される。減圧塔２を通過した吸収液は循環管路４とポンプ５により吸収塔１に返送され、循環使用される。

以上のようなガス分離プロセスにおいて、圧縮機３とポンプ５に使われる動力をそれぞれP1，P2とし、動力回収装置６と動力回収装置７でそれぞれ回収される動力をP3，P4とすると、プロセス全体で投入が必要な動力は以下のようになる。
必要動力＝（P1＋P2）−（P3＋P4）
物理吸収法によるガス分離方法では、圧縮機３でガス圧を高めるのに大きな動力が使われ、また、ガス圧を高めると、吸収液をそれに見合う液圧にする必要があるため、ポンプ５でも相応の動力が使われることになり、これらの動力の大きさによってランニングコストが大きく左右される。したがって、圧縮機３による高炉ガスの昇圧レベルを低く抑えれば（例えば、数百ｋＰaＧ）、それだけランニングコストを低減することができるが、二酸化炭素吸収量の低減などを考慮すると、必ずしも十分なコスト軽減にはならない。これに対して本発明者らは、ある限定的な範囲の混合ガス圧力（低圧領域）、混合ガスに対する吸収液の割合及び二酸化炭素回収率で操業を行うことにより、ランニングコストを大きく低減できることを見出した。また、このようなランニングコストの低減効果は、イオン液体を主成分とする吸収液を用いた場合に特に顕著である。

すなわち、本発明のガス分離方法では、ガス圧力が３００ｋＰaＧ以下の混合ガスを、混合ガスに対する吸収液の割合３００vol％以下の条件で吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素の７０vol％以下を分離回収する。したがって、例えば、図１のガス分離プロセスの例では、混合ガスに対する吸収液の割合３００vol％以下の条件で吸収塔１に吸収液を供給し、高炉ガスを圧縮機３で３００ｋＰaＧ以下の圧力に昇圧して、吸収塔１に導入し、高炉ガスからの二酸化炭素回収率を７０vol％以下とする。
混合ガス圧力の下限は特に規定しないが、二酸化炭素の吸収量低下を防ぐためには、２０ｋＰaＧ以上とすることが好ましい。また、混合ガスに対する吸収液の割合の下限も特に規定しないが、同様に二酸化炭素の吸収量低下を防ぐため、１vol％以上とすることが好ましい。また、二酸化炭素回収率の下限も特に規定しないが、二酸化炭素の回収量の観点から４０vol％以上とすることが好ましい。

吸収液としては、イオン液体、非イオン液体のいずれを用いてもよいが、上記のようにイオン液体を主成分とする吸収液を用いた場合に、ランニングコストの低減効果が特に顕著である。
イオン液体としては、特許文献１〜４に示されているようなアニオンとカチオンからなる液体の塩であれば良い、例えば、１-ｎ-ブチル-３-メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、１-ブチル-３-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラートなどが挙げられ、これらの１種以上を用いることができる。
また、非イオン液体としては、ポリエチレングリコール、グライムの中から選ばれる１種以上が好適である。

ランニングコスト低減の観点から本発明の特に好ましい条件は、イオン液体を主成分とする吸収液を用いる場合、混合ガスに対する吸収液の割合１５０vol％以下の条件で混合ガスを吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素回収率を４０〜６０vol％とすることである。また、ポリエチレングリコール、グライムの中から選ばれる１種以上の吸収液を用いる場合、混合ガスに対する吸収液の割合１００vol％以下の条件で混合ガスを吸収液と接触させ、二酸化炭素回収率を５０〜７０vol％とすることである。
対象とする混合ガスの二酸化炭素濃度は特に制限はないが、処理効率などの観点から、通常は二酸化炭素濃度が１０vol％以上の混合ガスを対象とするのが好ましい。具体的には、高炉ガスなどのような製鉄所で発生する副生ガス、火力発電所で発生する排ガス、その他の工場排ガスなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

図１に示すようなガス分離プロセスで、吸収液としてイオン液体を用いて高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する場合において、ガス圧力、混合ガスに対する吸収液の割合及び二酸化炭素回収率とランニングコスト（二酸化炭素回収量１ｔ当たりのランニングコスト）との関係を調べた結果を表１〜表４に示す。このうち、表１はガス圧力Ｐ：１．９ＭＰaＧ（吸収温度Ｔ：５０°）、表２はガス圧力Ｐ：５００ｋＰaＧ（吸収温度Ｔ：５０°）、表３はガス圧力Ｐ：３００ｋＰaＧ（吸収温度Ｔ：５０°）、表４はガス圧力Ｐ：２００ｋＰaＧ（吸収温度Ｔ：５０°）の各場合の結果を示している。また、図２に、表１と表３の結果について、二酸化炭素回収率とランニングコストとの関係を示す。

また、図１に示すようなガス分離プロセスで、吸収液として非イオン液体（グライム）を用いて高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する場合において、ガス圧力、混合ガスに対する吸収液の割合及び二酸化炭素回収率とランニングコスト（二酸化炭素回収量１ｔ当たりのランニングコスト）との関係を調べた結果を表５〜表８に示す。このうち、表５はガス圧力１．９ＭＰaＧ（吸収温度Ｔ：５０°）、表６はガス圧力５００ｋＰaＧ（吸収温度Ｔ：５０°）、表７はガス圧力３００ｋＰaＧ（吸収温度Ｔ：５０°）、表８はガス圧力２００ｋＰaＧ（吸収温度Ｔ：５０°）の各場合の結果を示している。また、図３に、表５と表７の結果について、二酸化炭素回収率とランニングコストとの関係を示す。

表１〜表８と図２及び図３に示されるように、混合ガス圧力：３００ｋＰaＧ以下、混合ガスに対する吸収液の割合：３００vol％以下、二酸化炭素回収率：７０vol％以下という限定的な操業範囲において、ランニングコストが効果的に低減している。また、イオン液体を主成分とする吸収液を用いる場合、混合ガスに対する吸収液の割合：１５０vol％以下、二酸化炭素回収率：４０〜６０vol％の範囲において、また、ポリエチレングリコール、グライムの中から選ばれる１種以上の吸収液を用いる場合、混合ガスに対する吸収液の割合：１００vol％以下、二酸化炭素回収率：５０〜７０vol％の範囲において、特にランニングコストが効果的に低減している。なかでも、イオン液体を主成分とする吸収液を用いる場合に、特に顕著なランニングコスト低減効果が得られている。

また、混合ガスが高炉ガスの場合には、一般に高炉の炉頂から排出された高炉ガスは３００ｋＰaＧ前後の圧力を有するため、この高炉ガスを炉頂ガスタービンを経由させることなく、そのまま或いは若干昇圧して吸収塔に導入するようにしてもよい。この方法によれば、高炉ガスを昇圧することなく或いは少しの昇圧で吸収塔に導入できるので、ガス分離プロセスでのランニングコストをより低減することができる。
また、図１に示すように、（i）吸収塔１を通過した混合ガスを膨張タービンなどの動力回収装置６に導いてエネルギー（動力）回収すること、（ii）吸収塔１から排出された吸収液をハイドローリックタービンなどの動力回収装置７に導いてエネルギー（動力）回収すること、によってもランニングコストをより低減することができるので好ましい。

１吸収塔
２減圧塔
３圧縮機
４循環管路
５ポンプ
６動力回収装置
７動力回収装置
８気液分離器

Claims

吸収液としてイオン液体を主成分とする吸収液を用い、二酸化炭素を含む混合ガスを吸収塔に導入して吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させることにより、混合ガスから二酸化炭素の一部を分離回収するに際し、
ガス圧力が３００ｋＰaＧ以下の混合ガスを、混合ガスに対する吸収液の割合１５０vol％以下の条件で吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素の４０〜６０vol％を分離回収することを特徴とする物理吸収法によるガス分離方法。
吸収液としてポリエチレングリコール、グライムの中から選ばれる１種以上を用い、二酸化炭素を含む混合ガスを吸収塔に導入して吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させることにより、混合ガスから二酸化炭素の一部を分離回収するに際し、
ガス圧力が３００ｋＰaＧ以下の混合ガスを、混合ガスに対する吸収液の割合１００vol％以下の条件で吸収液と接触させ、混合ガス中の二酸化炭素の５０〜７０vol％を分離回収することを特徴とする物理吸収法によるガス分離方法。
混合ガスが高炉ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の物理吸収法によるガス分離方法。
高炉から排出された高炉ガスを、炉頂ガスタービンを経由させることなく吸収塔に導入し、吸収液と接触させることを特徴とする請求項３に記載の物理吸収法によるガス分離方法。
吸収塔を通過した混合ガスを動力回収装置に導き、エネルギー回収することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の物理吸収法によるガス分離方法。
吸収塔から排出された吸収液を動力回収装置に導き、エネルギー回収した後、吸収液から二酸化炭素を回収することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の物理吸収法によるガス分離方法。