JP5636306B2

JP5636306B2 - Ｃｏ２化学吸収システムの制御方法

Info

Publication number: JP5636306B2
Application number: JP2011028770A
Authority: JP
Inventors: 島村　潤; 潤島村
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: CA2826750A1; EP2684595B1; JP2012166139A; PL2684595T3; EP2684595A4; WO2012111648A1; US20130315809A1; EP2684595A1; ES2671579T3; CA2826750C

Description

本発明は、二酸化炭素（CO₂）化学吸収システムの制御方法に係り、特に蒸留式リクレーマを設置した場合に、CO₂回収設備の水バランスを崩すことなく、補給水を最小限にしてシステムの運用を可能にする同システムの制御方法に関するものである。

近年、火力発電設備やボイラ設備では、多量の石炭及び重油等を燃料として用いており、大気汚染、地球温暖化の見地から、CO₂の大気への大量排出が問題になっており、CO₂排出抑制について世界的に検討されている。CO₂の分離回収技術のひとつとして、アルカノールアミンのようなアミン化合物を用いた化学吸収法が広く知られている。

従来のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントの一例を図３に示す。この発電プラントは、主にボイラ1、脱硝装置2、エアヒータ3、電気集塵装置4、湿式脱硫装置5、プレスクラバー10、CO₂吸収塔20、再生塔40、リボイラ60等から構成される。石炭等の化石燃料の燃焼することでボイラ1から排出される燃焼排ガスは脱硝装置2で窒素酸化物が除去された後、エアヒータ3で熱交換され、例えば120〜170℃に冷却される。エアヒータ3を通過した排ガスは電気集塵機4で排ガス中のばいじんが除去され、さらに誘引ファンで昇圧した後、湿式脱硫装置5で硫黄酸化物(SO₂)が除去される。湿式脱硫装置5出口ガス中には数十ppm程度のSO₂が残存するのが通例であるが、該残存SO₂によりCO₂吸収塔20内のCO₂吸収液の劣化を防止するため、CO₂化学吸収設備の前処理設備としてプレスクラバー10が設置され、ここで残存SO₂が極力低減(例えば1ppm以下)される。

CO₂吸収塔20は、主にCO₂吸収部である充填層21、吸収液スプレ部22、水洗部24、水洗スプレ部25、デミスタ26、水洗水溜め部27、冷却器28、及び水洗ポンプ29で構成される。排ガス中に含まれるCO₂は、充填層21において、CO₂吸収塔20上部のCO₂吸収液噴霧部から供給されるCO₂吸収液との気液接触により、CO₂吸収液中へ吸収される。水洗部24では、吸収反応時の発熱により温度が上昇した脱CO₂ガス23の冷却及びガスに同伴するミストを除去される。また、冷却器28によって冷却された水洗水は、水洗ポンプ29によって循環使用される。水洗部24上部にはデミスタ26が設置され、ガス中に同伴されたミストを除去した後、処理ガス37(脱CO₂ガス)として系外に排出される。

CO₂を吸収した吸収液は、吸収塔20下部の液溜めから吸収塔抜出しポンプ33により抜き出され、熱交換器34によって昇温後、再生塔40に送液される。再生塔40内では、スプレ部42から噴霧されたCO₂をリッチに含む吸収液が充填層41に供給される。一方、再生塔40底部には、リボイラ60から蒸気供給配管65を介して蒸気が供給される。充填層41において、 CO₂をリッチに含む吸収液が底部より上昇してくる蒸気と気液接触することにより、吸収液中から気相中へ脱気される。脱気したCO₂ガス中には、一部吸収液ミストが同伴されるが、水洗部43で該ミストが除去される。水洗部43上部にはデミスタ45が設置され、水洗部43等からガス中に同伴されたミストを除去した後、CO₂ガス46として再生塔40上部より排出される。その後、CO₂ガスは冷却器47によって約40℃に冷却され、CO₂分離器48でガスと凝縮水に分離され、分離したCO₂ガスはCO₂液化設備（図示せず）へ導入され、凝縮した水は配管49を経てドレンポンプ50によって再生塔40の水洗スプレ部44に供給される。

一方、CO₂を脱気したCO₂吸収液は、再生塔液溜め部51に溜められた後、リボイラ液供給配管52を通ってリボイラ60に送液される。リボイラ60内部には伝熱管等が設置されており、CO₂吸収液が蒸気供給配管を介して供給される蒸気62で間接加熱されることによりリボイラ60内部では蒸気が発生し、該蒸気が蒸気供給配管65を通って、再生塔に供給される。リボイラ60にて使用した蒸気62は伝熱管中でドレンとなり回収される。再生塔40底部の液溜め部に溜められたCO₂吸収液は、再生塔液抜出し配管66を介して、熱交換器34及び冷却器29によって減温された後、CO₂吸収塔に戻される。

一方、吸収塔20に供給される排ガスに僅かに混入するSO₂のほとんどはCO₂吸収液と反応し、熱安定性塩（Heat Stable Salt; HSSと略す）を形成する。HSSは吸収液に溶存するが、この反応は不可逆であるため、CO₂吸収液とCO₂との反応性が失われる。したがって、HSS濃度が上昇すればするほど、アミンとCO₂の平衡関係が崩れるため、CO₂再生エネルギーが増加していく。そこで、このHSSを除去するため、側流再生蒸留器（リクレーマと称することがある）94が設けられる。リクレーマ94は、熱安定性塩がある程度蓄積した吸収液の一部を抜き出し、無機アルカリ塩添加ラインを通して炭酸ナトリウム（Na₂CO₃）、炭酸カリウムなどの無機アルカリ塩を添加し、それぞれの硫酸塩として吸収液から除去するものである。リクレーマ94の操作は以下のように実施する。まず、CO₂吸収設備20の運用を止める。CO₂を脱気したCO₂吸収液は、ポンプ93によりリクレーマ94に投入される液量を監視する流量計92と遮断弁91を介してリクレーマ94へ供給される。CO₂吸収液は、リクレーマ94に設置されているレベル発信機95で水位を監視し、満水になるまで供給し、満水になると遮断弁91を閉じる。リクレーマ94には、予めNa₂CO₃などのNa系のアルカリ溶液を供給しておくことにより、アミン液中のHSSがアルカリ溶液と反応、すなわちアミンと結合していたSが解離し、Na₂SO₄となる。次に遮断弁98を開放、蒸気供給配管96を介し高温蒸気を供給することによりCO₂吸収液を沸騰、蒸発させる。リクレーマ94に供給する蒸気供給配管96の蒸気は、アミンを沸騰、蒸発させることによりNa₂SO₄と分離させるため、通常、リボイラ60で使用される、アミンの熱分解を避けるために設定した蒸気温度より高温のものが使用される。蒸発したCO₂吸収液は、アミン蒸気配管97を通り、再生塔40へ戻される。再生塔40を上昇したアミン吸収液は水洗部43で冷却され、さらに冷却器47で40℃程度に冷却されることで液化し、CO₂分離器48、ドレンポンプ50を介した後、再生塔40へ戻される。一方、リクレーマ94内では次第にNa₂SO₄が濃縮していくが、アミン等が蒸発し、指定レベルまで水位が低下した時点でリクレーマ94への蒸気供給を終了する。遮断弁98を閉め、廃アミン配管99に設置された遮断弁100を開け、Na₂SO₄を含んだ廃アミン液が廃アミンタンク101へ排出される。

リクレーマでは、例えばNa₂CO₃等の塩基を投入し、アミンとNa₂SO₄に分離し、Na₂SO₄は系外に排出し、アミン吸収液は吸収塔に戻す。この場合、Na₂CO₃等は粉体のため、工学上定量供給が難しいので、バッファタンク等で一旦水に溶かした後、水溶液として系に投入される。

一方、CO₂回収設備の水バランスは一般的には入口ガスが40℃で飽和、吸収塔出口、再生塔出口も同じ40℃で飽和となっているため、供給水がほとんどない。具体的には約100t/dのCO₂回収プラントで約50kg/hの補給水しか足すことが出来ない。リクレーマーの処理速度は一般的にアミン循環液量の1%に満たない量で循環させるが、0.5%に設定したときで、系内のHSS濃度が2wt%のとき、約10kg/hのNa₂CO₃が必要となる。これを水に溶かすには約3倍の重量、すなわち30kg/hの水が必要である。アミン補給や水洗部24で使用する水洗水中のアミン濃縮防止の観点からこれ以上系内に補給水を追加することは厳しい。

上述の従来技術においては、回収設備の水バランスは一般的には入口ガスが40℃で飽和、吸収塔出口、再生塔出口も同じ40℃で飽和となっているため、供給可能な補給水量がほとんどないという問題があった。またアミン補給や水洗部24で使用する水洗水中のアミン濃縮防止の観点から、これ以上系内に補給水を追加することは厳しいという問題もあった。したがって、このような状況下でリクレーマを運用するためには、CO₂吸収設備の水バランスを無視せざるを得ない、あるいは水バランスを保つため出口ガス温度を変え、放出する水分量を上昇させるを得ないという問題点があった。水バランスを変え、アミン濃度を低下させることは、余剰の水分を再生塔で加熱することになり、蒸気62の量が上昇し、用益費増加につながるため、望ましくない。

本発明の課題は、従来のリクレーマを設けたCO₂吸収システムにおいて、問題となっていたリクレーマの運用に伴う水バランスの問題を解決し、系外からの水供給を最小限にして、CO₂吸収システムを最適な条件に保持することにある。

上記課題は、図３の従来システムにおいて、 CO₂分離器48で分離した凝縮水をドレン配管49、ドレンポンプ50を介し、本来再生塔40に水洗スプレ部44を介して戻すはずのドレン水の一部を分岐して調整タンク83に貯留し、流量調整弁81により調整タンク83の液レベルを調整し、重量監視が可能なフィーダー84を通じてNa₂CO₃等の固体塩基を投入して、Na₂CO₃溶液濃度を調整し、吸収液中のHSS量にあわせて適量のNa₂CO₃溶液をリクレーマ94またはその上流のアミン供給ライン102へ供給することによって解決される。

すなわち、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）化石燃料の燃焼装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を排煙脱硫装置で除去した後、二酸化炭素（CO₂）吸収塔内でアミン吸収液と接触させて排ガス中のCO₂を吸収し、次いで該CO₂を吸収した吸収液を再生塔内で加熱してCO₂を離脱させ、該CO₂離脱後の排ガスを冷却して凝縮水を分離し、分離した凝縮水を前記再生塔に循環させる一方、該CO₂離脱後の吸収液をリボイラを介して昇温した後、再生塔に循環すると共に、再生塔から抜き出したアミン吸収液を該再生塔に供給するアミン吸収液と熱交換した後、前記吸収塔に循環するCO₂化学吸収設備と、該再生塔からアミン吸収液を抜き出し、該アミン吸収液中に蓄積した熱安定性塩を蒸留法によって除去した後、発生したアミン吸収液の蒸気を前記再生塔に供給する吸収液再生装置とを有するCO₂化学吸収システムの制御方法であって、前記再生塔でCO₂離脱後の排ガスを冷却して得られた凝縮水の一部を分岐し、前記蒸留法においてアミン吸収液中に蓄積した熱安定性塩を除去するために前記吸収液再生装置に添加する無機アルカリ塩溶液の溶剤とすることを特徴とするCO₂化学吸収システムの制御方法。
（２）前記分岐した凝縮水を一旦調整タンク内に貯留し、これに無機アルカリを添加して該無機アルカリの濃度及び液レベルを調整した後、前記吸収液再生装置に供給される吸収液中の熱安定性塩の濃度に応じて、前記調整タンクの無機アルカリ塩溶液の量を調整し、前記吸収液再生装置に添加することを特徴とする（１）に記載の方法。
（３）前記無機アルカリ溶液の添加が、前記吸収液再生装置への吸収液供給配管への注入によって行なわれる（２）に記載の方法。

本発明によれば、水バランスを崩す要因となる、系外からの水供給がないため、リクレーマを運転していないときと同様に、システム内の水バランスを一定に保つことができ、したがって、CO₂吸収システムを安定に稼動させることができる。

本発明の一実施例を示すCO₂吸収システムの説明図。本発明の他の実施例を示すCO₂吸収システムの説明図。従来のCO₂吸収システムを示す説明図。

図１は、本発明の一実施例を示すCO₂吸収システムの説明図である。図３の従来のシステムとの相違点は、外部から供給する水の代わりにCO₂分離器48で分離した配管49のドレン水の一部を貯留タンク83の液レベルに応じてドレン水を貯留し、Na₂CO₃等の固体塩基をタンク83へ投入し、吸収液中のHSS量にあわせてNa₂CO₃溶液をリクレーマ94へ供給するようにしたことである。

CO₂分離器48で分離したドレン水は、ドレン配管49を介し、再生塔40の水洗スプレ部44を介して戻すドレン水の一部を流量調整弁81にて貯留タンク83の液レベルに応じてドレン水を貯留する。その貯留タンク83へ重量監視が可能なフィーダー84を介して無機アルカリ塩（例えばNa₂CO₃）を投入する。ドレン水の流量は通常は流量計82にて監視するが、代わりにレベル計85を使用して管理することも可能である。ドレン水の流量とNa₂CO₃の投入とにより、吸収液中のNa₂CO₃濃度が調整されるが、サンプリングにより濃度を測定して調整してもよい。吸収液中のHSS量にあわせて、供給ポンプ85を介し、流量計87にて投入量を監視しながらHHS量が一定レベル以下になるように適量のNa₂CO₃溶液をリクレーマ94へ供給する

図２は、本発明の他の実施例を示したもので、投入位置が図１の実施例と異なる点は、Na₂CO₃溶液の投入位置がリクレーマ94ではなく、その上流のリクレーマ94へのアミン供給配管102としたことである。

図１及び図２のCO₂吸収システムによれば、図３の従来のシステムで問題となっていたリクレーマの運用に伴う水バランスの問題を解決し、系外からの水供給がなくてもCO₂吸収システムを最適な条件で運用することができる。

1‥ボイラ、2‥脱硝装置、3‥エアヒーター、4‥乾式電気集塵装置、5‥湿式脱硫装置、6‥脱硫出口排ガス、10‥プレスクラバー、11‥吸収剤、12‥液溜め、14‥ 循環ポンプ、15‥冷却器、16‥スプレ部、17‥冷却水、18‥プレスクラバー出口ガス、20‥吸収塔、21‥充填層、22‥吸収液スプレ部、23‥脱CO₂ガス、24‥水洗部、25‥水洗スプレ部、26‥デミスタ、27‥吸収塔水洗水溜め部、28‥冷却器、29‥水洗ポンプ、30‥冷却水、31‥冷却器、32‥ボイラ水、33‥吸収塔抜出しポンプ、34‥熱交換器、35‥再生塔液供給配管、36‥水洗水抜出し配管、37‥処理ガス、40‥ 再生塔、41‥充填層、42‥スプレ部、43‥水洗部、44‥水洗スプレ部、45‥デミスタ、46‥CO₂ガス、47‥冷却器、48‥CO₂分離器、49‥ドレン配管、50‥ドレンポンプ、51‥再生塔液溜め部、52‥リボイラ液供給配管、53‥冷却水、60‥リボイラ、61‥蒸気供給配管、62‥蒸気、63‥リボイラ液溜め部、64‥リボイラ液抜出し配管、65‥蒸気供給配管、66‥再生塔液抜出し配管、67‥凝縮水ドラム、68‥バイパス弁、69‥凝縮水ポンプ、70‥伝熱管、71‥凝縮水戻り配管、81‥流量調整弁、82‥流量計、83‥調整タンク、84‥フィーダ、85‥供給ポンプ、86‥流量計、91‥遮断弁、92‥流量計、93‥ポンプ、94‥リクレーマ、95‥レベル検出器、96‥蒸気供給配管、97‥アミン蒸気配管、98‥遮断弁、99‥廃アミン配管、100‥遮断弁、101‥廃アミンタンク、102‥アミン供給配管

Claims

化石燃料の燃焼装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を排煙脱硫装置で除去した後、二酸化炭素（CO₂）吸収塔内でアミン吸収液と接触させて排ガス中のCO₂を吸収し、次いで該CO₂を吸収した吸収液を再生塔内で加熱してCO₂を離脱させ、該CO₂離脱後の排ガスを冷却して凝縮水を分離し、分離した凝縮水を前記再生塔に循環させる一方、該CO₂離脱後の吸収液をリボイラを介して昇温した後、再生塔に循環すると共に、再生塔から抜き出したアミン吸収液を該再生塔に供給するアミン吸収液と熱交換した後、前記吸収塔に循環するCO₂化学吸収設備と、該再生塔からアミン吸収液を抜き出し、該アミン吸収液中に蓄積した熱安定性塩を蒸留法によって除去した後、発生したアミン吸収液の蒸気を前記再生塔に供給する吸収液再生装置とを有するCO₂化学吸収システムの制御方法であって、前記再生塔でCO₂離脱後の排ガスを冷却して得られた凝縮水の一部を分岐し、前記蒸留法においてアミン吸収液中に蓄積した熱安定性塩を除去するために前記吸収液再生装置に添加する無機アルカリ塩溶液の溶剤とすることを特徴とするCO₂化学吸収システムの制御方法。
前記分岐した凝縮水を一旦調整タンク内に貯留し、これに無機アルカリを添加して該無機アルカリの濃度及び液レベルを調整した後、前記吸収液再生装置に供給される吸収液中の熱安定性塩の濃度に応じて、前記調整タンクの無機アルカリ塩溶液の量を調整し、前記吸収液再生装置に添加することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記無機アルカリ溶液の添加が、前記吸収液再生装置への吸収液供給配管への注入によって行なわれる請求項２に記載の方法。