JP5855130B2 - 蒸気再圧縮設備を設置した二酸化炭素化学吸収システム - Google Patents

Description

本発明は蒸気再圧縮設備を設置した二酸化炭素（CO₂）化学吸収システムに関する。より詳細に、本発明は、再生塔から抜き出される吸収液の一部をフラッシュ蒸発させて成る蒸気を再圧縮することによって再生塔の熱源として利用するとともに、該蒸気の温度を所定範囲（例えば110〜120℃）に調節して吸収液の過熱による劣化を抑制することができる、蒸気再圧縮設備を設置した二酸化炭素（CO₂）化学吸収システムおよびそれを有する排ガス処理システムに関する。

火力発電設備やボイラ設備では石炭及び重油等の燃料を燃やすので大量の二酸化炭素が発生する。近年、大気汚染及び地球温暖化の見地から、二酸化炭素(CO₂)の大気への放出量を規制する動きが世界的に起きている。CO₂の分離回収技術のひとつとして、アルカノールアミン等のアミン化合物を含有してなる吸収液で二酸化炭素を吸収する方法、いわゆるCO₂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８に示す。この発電プラントは、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などから構成される。石炭等の化石燃料を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る。その後、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る。次いで誘引ファンで昇圧され、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の出口ガスには数十ppm程度のSO₂が残存する場合があるので、CO₂化学吸収設備の手前に設置したプレスクラバー10で残存SO₂を極力低減（例えば10ppm以下に）して、残存SO₂によるCO₂吸収塔20内を循環する吸収液の劣化を防止する。

CO₂吸収塔20は、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、水洗水ポンプ29などで構成される。排ガス中に含まれるCO₂は、充填層21における、CO₂吸収塔20上部の吸収液噴霧部から供給される吸収液との気液接触により、該吸収液に吸収される。CO₂が除去された排ガス（脱CO₂ガス）は、吸収反応時の発熱により温度が高くなっており、またミストが同伴しているので、水洗部24において冷却及びミスト除去が行われ、さらに水洗部24上部に設置されたデミスタ26においてミストのさらなる除去が行われ、そして処理ガス37(脱CO₂ガス)として放出される。なお、冷却器28によって冷却された水洗水は、水洗水ポンプ29によって循環使用される。

CO₂を吸収した吸収液（リッチ液）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によって昇温され、その後、再生塔40に送られる。再生塔40内のスプレ部42からリッチ液が噴霧され充填層41に供給される。一方、再生塔40下部に設置したリボイラ60で発生した蒸気が充填層41に供給される。充填層41においてリッチ液と蒸気とを気液接触させて、リッチ液からCO₂ガスを脱離させる。脱離したCO₂ガスには吸収液ミストが同伴するので、水洗部43および水洗部43上部に設置されたデミスタ45においてミスト除去が行われ、そして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でガスとドレン水に分離され、CO₂ガスは(図に示していない)CO₂液化設備へ導入され、ドレン水はドレンポンプ50によって水洗スプレ部に供給される。

一方、CO₂が脱離した吸収液（リーン液）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、水蒸気供給配管を通して伝熱管に供給される水蒸気62でリーン液を加熱する。リボイラ60内部で蒸気が発生し、該蒸気が蒸気供給配管65を通って、再生塔40に供給される。リボイラ60にて使用した水蒸気62は伝熱管中で水となり回収される。再生塔40下部の液溜め部に溜められた吸収液は、再生塔液抜出し配管66を通してフラッシュタンク91へ供給される。フラッシュタンク91において吸収液はフラッシュ蒸発によって蒸気に変換される。この蒸気を圧縮機92によって再圧縮して再生塔40へ供給し、熱源として再利用する。フラッシュタンク91の液相側は、ポンプ93により昇圧され、熱交換器34及び冷却器29によって温度が下げられ、次いでCO₂吸収塔20に供給される。

上述の従来技術では、圧縮機92によって再圧縮された蒸気を、再生塔40へ供給し、熱源として再利用するという有利な点があるが、再生塔に供給された蒸気によって再生塔内の温度が上昇し、吸収液を過熱して、吸収液が劣化損失するという不利な点があった。

再生塔40内の温度制御の一つの方法として、圧縮機などを有してなる蒸気再圧縮設備から発生する蒸気の再生塔40への供給量自体を制御する方法が挙げられるが、該蒸気発生量は、フラッシュタンク91内における吸収液の気相／液相の比率に依存する。フラッシュタンクの底に溜まった吸収液（液相）はCO₂吸収塔20へ一定量で連続的に供給する必要があるため、蒸気発生量を変えるために気相／液相の比率を変えると、フラッシュタンク91内における物質収支が崩れ、CO₂吸収塔20への吸収液（液相）の供給が不安定になったり、または余剰蒸気が発生したりして、効率的な熱源利用方法とは言い難い。

本発明の課題は、再生塔から抜き出される吸収液の一部をフラッシュ蒸発させて成る蒸気を再圧縮することによって再生塔の熱源として利用するとともに、該蒸気の温度を所定範囲（例えば110〜120℃）に調節して吸収液の過熱による劣化を抑制することができる、蒸気再圧縮設備を設置した二酸化炭素（CO₂）化学吸収システムおよびそれを有する排ガス処理システムを提供することにある。

本発明者らは上記の課題を解決するために検討した結果、圧縮機92で再圧縮された蒸気の温度を、再生塔40に供給する手前で、温度制御装置にて所定範囲に調節することによって、蒸気の有効利用と吸収液の劣化抑制とを両立できることを見出し、その知見に基づいて以下の態様の本発明を完成するに至った。

〔１〕燃焼装置から排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアミン化合物を主成分とする吸収液によって吸収するための吸収塔およびCO₂を吸収した吸収液からCO₂を脱離して吸収液を再生するための再生塔を有するCO₂化学吸収設備と、 再生塔の下部から抜き出される吸収液を減圧してフラッシュ蒸発させるためのフラッシュタンクと、 フラッシュタンクで発生した蒸気を圧縮するための蒸気再圧縮設備と、 蒸気再圧縮設備で圧縮された蒸気を所定温度に調節するための温度制御装置と、 温度制御装置にて所定温度に調節された蒸気を再生塔に供給するための配管と
を有する、排ガス処理システム。

〔２〕温度制御装置は、CO₂化学吸収設備内を循環する液の一部を冷媒として用いて、圧縮された蒸気の温度を調節する、〔１〕に記載の排ガス処理システム。
〔３〕温度制御装置は、蒸気再圧縮設備で圧縮された蒸気に冷媒を直接噴霧して該蒸気を冷却することができる冷却器、または蒸気再圧縮設備で圧縮された蒸気と、冷媒との間での熱交換によって該蒸気を冷却することができる熱交換器を有する、〔１〕または〔２〕に記載の排ガス処理システム。
〔４〕CO₂化学吸収設備内を循環する吸収液の一部を冷媒として温度制御装置に供給する配管を有する、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の排ガス処理システム。

〔５〕再生塔の下部から抜き出される吸収液の一部を冷媒として温度制御装置に供給する配管を有する、〔１〕〜〔３〕のいずれかひとつに記載の排ガス処理システム。
〔６〕吸収塔へ供給する吸収液の一部を冷媒として温度制御装置に供給する配管を有する、〔１〕〜〔３〕のいずれかひとつに記載の排ガス処理システム。
〔７〕再生塔の水洗スプレ部に供給する吸収液（ドレン水）の一部を冷媒として温度制御装置に供給する配管を有する、〔１〕〜〔３〕のいずれかひとつに記載の排ガス処理システム。

〔８〕二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアミン化合物を主成分とする吸収液によって吸収するための吸収塔およびCO₂を吸収した吸収液からCO₂を脱離して吸収液を再生するための再生塔を有するCO₂化学吸収設備と、 再生塔の下部から抜き出される吸収液を減圧してフラッシュ蒸発させるためのフラッシュタンクと、 フラッシュタンクで発生した蒸気を圧縮するための蒸気再圧縮設備と、 蒸気再圧縮設備で圧縮された蒸気を所定温度に調節するための温度制御装置と、 温度制御装置にて所定温度に調節された蒸気を再生塔に供給するための配管とを有する、二酸化炭素化学吸収システム。

本発明の蒸気再圧縮設備を設置した二酸化炭素（CO₂）化学吸収システムおよびそれを有する排ガス処理システムは、再生塔から抜き出される吸収液の一部をフラッシュ蒸発させて成る蒸気を再圧縮することによって再生塔の熱源として利用することができるので、リボイラ60に供給する水蒸気供給量を減らしてプラント熱効率を向上させることができる。また、温度制御装置によって再圧縮された蒸気の温度を所定値（例えば110〜120℃）に調節しているので、フラッシュタンク内の物質収支を崩さずに、吸収液の過熱による劣化を抑制することができる。

本発明に係る実施形態１のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントを示す図である。 本発明に係る実施形態２のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントを示す図である。 本発明に係る実施形態３のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントを示す図である。 本発明に係る実施形態４のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントを示す図である。 本発明に係る実施形態５のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントを示す図である。 本発明に係る実施形態６のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントを示す図である。 本発明の動作原理を説明するためのＨ−Ｓ線図である。 従来技術のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントを示す図である。

再生塔40内の吸収液の劣化による損失を避けるためには、再生塔40内（主に充填層下部）を所定の温度（例えば、110〜120℃）に維持する必要があるが、本発明では、蒸気再圧縮設備で発生する蒸気を温度制御装置によって所定温度範囲内に制御することで、再生塔40内の温度が(局部的を含め)上昇することを防止することが可能となる。温度制御装置では冷媒が用いられる。冷媒としては、CO₂化学吸収設備内を循環する液の一部が好ましく用いられる。CO₂化学吸収設備内を循環する液としては、プラント水（冷却水）や吸収液などが挙げられる。これらのうち、CO₂化学吸収設備内を循環する吸収液の一部を冷媒として用いることが好ましく、再生塔の下部から抜き出される吸収液の一部、吸収塔へ供給する吸収液の一部、または再生塔の水洗スプレ部に供給する吸収液（ドレン水）の一部を用いることがより好ましい。温度制御装置としては、特に制限されない。温度制御装置には、例えば、冷媒を蒸気配管97にスプレノズル等を用いて噴霧し直接的に該蒸気に接触させる冷却器や、冷媒を熱交換機等を用いて間接的に該蒸気に接触させて該蒸気を減温する熱交換器などを有する。

また、CO₂化学吸収設備内を循環する吸収液の一部を冷媒として用いた場合、前記蒸気再圧縮設備で発生する蒸気の減温に利用された熱エネルギーは、吸収液側に移行するだけなので、該蒸気の減温による熱エネルギーの損失は該系内において原則存在しない。つまり、該蒸気の温度制御を再生塔40供給前に実施することにより、該蒸気の減温に用いた熱量を吸収液を介して効率よく再生塔40内に返送できることとなる。

本発明に係る実施形態１を図１に示し、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る実施形態１と図８に示す従来技術に係る実施形態との相違点は、再生塔40から抜き出された吸収液の一部を、フラッシュタンク91で発生させ且つ圧縮機92等で再圧縮してなる蒸気を冷やすための冷媒として使用し、再生塔40に供給される蒸気を最適な温度（例えば110〜120℃）に制御するようにしたことである。すなわち、図１に示すように、再生塔40からフラッシュタンク91への吸収液抜き出し配管66から吸収液を一部抜き出すための分岐配管98を設置する。圧縮蒸気配管97に冷却器94aを設置する。該冷却器94aで吸収液をスプレノズル98等を用いて噴霧し、再圧縮された蒸気に直接接触させて該蒸気の減温に用いる。さらに冷却器94aに供給する吸収液量を圧縮蒸気配管97に設置した温度検知器95からの温度信号に基づいて制御弁99を用いて制御し再生塔40へ供給する蒸気の温度が所定の範囲内となるようにする。

フラッシュタンク91から吸収液供給ポンプ93によってCO₂吸収塔20に供給される吸収液は、CO₂吸収性能を維持するため、一定量を連続的に供給することが必要である。そのため、フラッシュタンク91内に供給する吸収液量を制御弁100によって一定にすると共に、該フラッシュタンク91内の圧力が一定となるように制御する。これにより、フラッシュタンク91内の気−液のバランスが一定に保たれ、一定量の蒸気を再生塔におよび一定量の吸収液を吸収塔に供給できる。なお、外部からプラント水などの冷却媒体を噴霧する場合に比べ、CO₂化学吸収設備内を循環する吸収液を使用すると、システム全体の水バランスを崩すことなく、圧縮機92出口すべての熱量を再生塔40へ戻すことが可能であるため有利である。

図７は、本発明の基本原理をＨ−Ｓ線図で説明するものである。図中、Ａは再生塔40の内部条件、Ｂはフラッシュタンク91の内部条件、Ｃは再生塔40供給前の蒸気条件を示す。再生塔40内(図７中のＡ)は、吸収液からのCO₂離脱及びリボイラ60を介した加熱により、やや加圧条件下にある。Ａ→Ｂの過程がフラッシュタンク91内での減圧フラッシュ操作を表し、ここで蒸気生成がなされる。Ｂ→Ｃの過程は、フラッシュタンク91で生成された蒸気の加圧(断熱圧縮)を表す。本発明中では、圧縮機92を用いており、ここで蒸気が加圧・加温される。Ｃ→Ａの過程が再生塔40で蒸気が熱源として使用される過程を表す。本発明においては、該過程中に蒸気温度を制御して再生塔40へ供給することとなる。

本発明に係る実施形態２〜６を図２〜図６にそれぞれ示す。

図２に示す実施形態２は、圧縮蒸気配管97に設置した冷却器94aを熱交換器94bに変更した以外は実施形態１と同じである。CO₂抜き出し配管66から分岐した配管98から熱交換器94bに供給する吸収液は、圧縮蒸気配管97中の蒸気を冷却する冷媒として利用される。実施形態２では、熱交換のための伝熱管を介して間接的に冷媒と蒸気が接触する。熱交換器94bに供給する吸収液の量は、図１に示す実施形態１による制御方法と同様に、圧縮蒸気配管97に設置した温度検知器95からの温度信号に基づいて制御弁99を用いて制御し、再生塔40へ供給する蒸気の温度が所定の範囲内（例えば110〜120℃）となるようにする。蒸気を冷却するための冷媒として利用した吸収液は、再生塔40へ戻される。なお、外部からの媒体、例えば冷却水など、を冷媒として使用する場合に比べ、吸収液を使用すると、損失無く熱量を再生塔40へ戻すことが可能であるため有利である。

図３に示す実施形態３は、再生塔40から抜き出された吸収液の代わりに、フラッシュタンク91におけるフラッシュ操作後の吸収液を、圧縮蒸気配管97に供給する冷媒として、使用した以外は実施形態１と同じものである。すなわち、CO₂吸収塔20へ吸収液を供給する配管96から分岐する配管98を設置し、圧縮蒸気配管97に設置した冷却器94a内にて吸収液をスプレノズル98等を用いて噴霧し、圧縮蒸気に直接接触させて冷却に用いる。冷却器94aに供給する吸収液の量は、圧縮蒸気配管97に設置した温度検知器95からの温度信号に基づいて制御弁99を用いて制御し、再生塔40へ供給する蒸気の温度が所定の範囲内（例えば110〜120℃）となるようにする。なお、外部からプラント水などの冷却媒体を噴霧する場合に比べ、CO₂化学吸収設備内を循環する吸収液を使用すると、システム全体の水バランスを崩すことなく、圧縮機92出口すべての熱量を再生塔40へ戻すことが可能であるため有利である。

図４に示す実施形態４は、圧縮蒸気配管97に設置した冷却器94aを熱交換器94bに変更した以外は実施形態３と同じである。CO₂吸収塔20への吸収液供給配管96から分岐した配管98を通して供給される吸収液は、熱交換器94bにて間接的に冷媒と接触する。熱交換器94bに供給される吸収液量は、前述と同様に圧縮蒸気配管97に設置した温度検知器95からの温度信号に基づいて制御弁99を用いて制御し、再生塔40へ供給する蒸気の温度が所定の範囲内（例えば110〜120℃）となるようにする。蒸気を冷却するための冷媒として利用した吸収液は、再生塔40へ戻される。なお、外部からの媒体、例えば冷却水など、を冷媒として使用する場合に比べ、吸収液を使用すると、損失無く熱量を再生塔40へ戻すことが可能であるため有利である。

図５に示す実施形態５は、再生塔40から抜き出された吸収液の代わりに、再生塔の水洗スプレ部に供給する吸収液（ドレン水）を、圧縮蒸気配管97に供給する冷媒として、使用した以外は実施形態１と同じである。ドレン管から一部分岐する配管98を設置し、圧縮蒸気配管97に設置した冷却器94a内にドレン水をスプレノズル98等を用いて直接噴霧する。CO₂分離器48のドレン水はアミン濃度が低いため、スプレノズル98等を用いて蒸気配管97へ冷媒として直接噴霧した場合に、再生塔40から抜き出された吸収液に比べて気化し易い。したがって、噴霧した冷媒が蒸発せずに再生塔40へ戻る量が減り、相対的に噴霧量を低減でき、設備費が低減できるという利点がある。なお、外部からプラント水などの冷却媒体を噴霧する場合に比べ、CO₂化学吸収設備内を循環する吸収液を使用すると、システム全体の水バランスを崩すことなく、圧縮機92出口すべての熱量を再生塔40へ戻すことが可能であるため有利である。

図６に示す実施形態６は、圧縮蒸気配管97に設置した冷却器94aを熱交換器94bに変更した以外は実施形態５と同じである。CO₂吸収塔20への吸収液供給配管96から分岐した配管98を通して供給される吸収液は、熱交換器94bにて間接的に冷媒と接触する。熱交換器94bに供給される吸収液量は、前述と同様に圧縮蒸気配管97に設置した温度検知器95からの温度信号に基づいて制御弁99を用いて制御し、再生塔40へ供給する蒸気温度が所定の範囲内（例えば110〜120℃）となるようにする。蒸気を冷却するための冷媒として利用した吸収液は、再生塔40へ戻される。なお、外部からの媒体、例えば冷却水など、を冷媒として使用する場合に比べ、吸収液を使用すると、損失無く熱量を再生塔40へ戻すことが可能であるため有利である。

1 ボイラ
2 脱硝装置
3 エアヒータ
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（CO₂吸収部）
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 水洗水ポンプ
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（CO₂脱離部）
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 水蒸気供給配管
62 水蒸気
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
91 フラッシュタンク
92 圧縮機
93 ポンプ
94a 冷却器
94b 熱交換器
95 温度検出器
96 吸収液供給配管
97 蒸気配管
98 配管
99 制御弁
100 制御弁
101 圧力計

Claims (8)

1. 燃焼装置から排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアミン化合物を主成分とする吸収液によって吸収するための吸収塔およびCO₂を吸収した吸収液からCO₂を脱離して吸収液を再生するための再生塔を有するCO₂化学吸収設備と、
   再生塔の下部から抜き出される吸収液を減圧してフラッシュ蒸発させるためのフラッシュタンクと、
   フラッシュタンクで発生した蒸気を圧縮するための蒸気再圧縮設備と、
   蒸気再圧縮設備で圧縮された蒸気を所定温度に調節するための温度制御装置と、
   温度制御装置にて所定温度に調節された蒸気を再生塔に供給するための配管と
   を有する、排ガス処理システム。
2. 温度制御装置は、CO₂化学吸収設備内を循環する液の一部を冷媒として用いて、圧縮された蒸気の温度を調節する、請求項１に記載の排ガス処理システム。
3. 温度制御装置は、蒸気再圧縮設備で圧縮された蒸気に冷媒を直接噴霧して該蒸気を冷却することができる冷却器、または蒸気再圧縮設備で圧縮された蒸気と、冷媒との間での熱交換によって該蒸気を冷却することができる熱交換器を有する、請求項１または２に記載の排ガス処理システム。
4. CO₂化学吸収設備内を循環する吸収液の一部を冷媒として温度制御装置に供給する配管を有する、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の排ガス処理システム。
5. 再生塔の下部から抜き出される吸収液の一部を冷媒として温度制御装置に供給する配管を有する、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の排ガス処理システム。
6. 吸収塔へ供給する吸収液の一部を冷媒として温度制御装置に供給する配管を有する、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の排ガス処理システム。
7. 再生塔の水洗スプレ部に供給する吸収液の一部を冷媒として温度制御装置に供給する配管を有する、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の排ガス処理システム。
8. 二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアミン化合物を主成分とする吸収液によって吸収するための吸収塔およびCO₂を吸収した吸収液からCO₂を脱離して吸収液を再生するための再生塔を有するCO₂化学吸収設備と、
   再生塔の下部から抜き出される吸収液を減圧してフラッシュ蒸発させるためのフラッシュタンクと、
   フラッシュタンクで発生した蒸気を圧縮するための蒸気再圧縮設備と、
   蒸気再圧縮設備で圧縮された蒸気を所定温度に調節するための温度制御装置と、
   温度制御装置にて所定温度に調節された蒸気を再生塔に供給するための配管と
   を有する二酸化炭素化学吸収システム。

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