JP5959882B2 - 燃焼排ガス中の二酸化炭素化学吸収システム - Google Patents

Description

本発明は、ボイラなどの燃焼装置から発生する燃焼排ガスからの二酸化炭素（CO₂）化学吸収システムに係り、特にCO₂化学吸収システムの再生塔の構造及び再生塔周辺機器の系統構成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、二酸化炭素(以下CO₂と略す)の大気への大量排出が問題になっている。CO₂の分離回収技術のひとつとして、アルカノールアミン水溶液をCO₂吸収液に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、脱硫装置5、プレスクラバー10、CO₂吸収塔20、再生塔40およびリボイラ60から構成される。ボイラ1から排出される石炭等の燃焼排ガスは、脱硝装置2で窒素酸化物を除去した後、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除去され、脱硫装置5で硫黄酸化物(SO₂)が除去される。脱硫装置5出口排ガス中には数十ppm程度のSO₂が残存するのが通例であり、 CO₂吸収塔20内のCO₂吸収液が該残存SO₂により劣化するのを防止するため、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、残存SO₂が極力低減(例えば10ppm以下)される。

CO₂吸収塔20は、主に充填層21、吸収液供給部22、水洗部24、水洗水供給部25、ミストエリミネータ26、水洗水溜め部27、冷却器28および水洗ポンプ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上部の吸収液供給部22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ガスの冷却及びガスに同伴するミストが除去される。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上部に設置されたミストエリミネータ26により、ガス中に同伴されたミストを再度除去されたガスは、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、CO₂をリッチに含む吸収液が供給部42から充填層41に供給される。一方、再生塔40底部には、リボイラ60から吸収液蒸気供給配管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CO₂が脱気される。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且つガスが冷却される。水洗部43上部にはミストエリミネータ45が設置され、ガス中に同伴されたミストを再度除去した後、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によって冷却され、還流水ドラム48でガスと凝縮水（還流水）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、凝縮した水（還流水）はドレンポンプ50によって水洗水供給部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内部では吸収液蒸気が発生し、該吸収液蒸気が吸収液蒸気供給配管65を通って、再生塔40に供給される。リボイラ60にて使用した蒸気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30によって減温された後、CO₂吸収塔に供給される。

従来の再生塔40では、CO₂分離ドラム（還流水ドラム）48から再生塔40に戻される還流水は水洗部43にてガスと直接接触した後、充填層41に滴下し、リボイラ60から供給される蒸気の一部を凝縮させているが、このことにより本来加熱する必要の無い還流水まで不必要に加熱されるという問題があった。

上記従来技術では、ガスを冷却した後の還流水が充填層においてリボイラから供給される蒸気と直接接触することで、本来CO₂離脱反応に使われるべきリボイラからの熱エネルギーの一部を還流水加熱に使っていた。

本発明の課題は、上記還流水の持つガス冷却能力とアミンミスト除去能力を維持しつつ、リボイラから供給される蒸気を有効利用し、CO₂化学吸収システム全体としてのエネルギー消費量を削減することにある。

上記課題を達成するため、本願で特許請求される発明は、以下のとおりである。
（１）燃焼排ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアルカノールアミン水溶液を主成分とするCO₂吸収液により吸収、分離するCO₂吸収塔、およびリボイラ付きの再生塔を備えたCO₂化学吸収システムであって、再生塔塔頂から排出されるCO₂ガスに同伴される水蒸気を凝縮させて得られる還流水の一部または全部を、再生塔塔頂部から水洗部充填材上に撒布し、水蒸気を含むCO₂ガスとの直接接触によりガス温度を低下させ、かつアミンミストを除去したのち、前記撒布した還流水を水洗部充填材下部に設置された還流水回収盤上に回収し、次いで前記再生塔のリボイラのリーン吸収液出口から前記吸収塔のリーン吸収液入口までのリーン吸収液の系統のいずれかの箇所で前記回収した還流水を合流させる配管系統を設けたことを特徴とするCO₂化学吸収システム。
（２）燃焼排ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアルカノールアミン水溶液を主成分とするCO₂吸収液により吸収、分離するCO₂吸収塔、およびリボイラ付きの再生塔を備えたCO₂化学吸収システムであって、再生塔塔頂から排出されるCO₂ガスに同伴される水蒸気を凝縮させて得られる還流水の一部を、CO₂離脱用充填材上部の温度が所定値となるように、再生塔塔頂部から水洗部充填材上に撒布し、水蒸気を含むCO₂ガスとの直接接触によりガス温度を低下させ、かつアミンミストを除去し、残りの還流水を前記再生塔のリボイラのリーン吸収液出口から前記吸収塔のリーン吸収液入口までのリーン吸収液の系統のいずれかの箇所で前記回収した還流水を吸収液と合流させる配管系統を設けたことを特徴とするCO₂化学吸収システム。

本発明によれば、リボイラ40から再生塔20へ供給する必要のある吸収液蒸気を低減できるため、結果として発電所蒸気系統からリボイラへ供給する蒸気量を低減することができる。すなわち、CO₂離脱用の充填層への還流水滴下量を低減することにより、リボイラから供給される吸収液蒸気の熱量がCO₂リッチの吸収液にのみ与えられることになり、結果として従来まで還流液を加熱していた分の熱量を削減することができる。そのため、CO₂化学吸収システムを設置した場合の発電所全体としてのエネルギーロスを低減することができる。

本発明の一実施例を示すCO₂化学吸収システムの装置系統図。 本発明の他の実施例を示すCO₂化学吸収システムの装置系統図。 従来のCO₂化学吸収システムの構成を示す装置系統図。

本発明によるシステムの実施例を図１に示す。図３の従来システムと異なる点は、再生塔40内の水洗部充填材43の直下に還流水回収盤70を設け、ここで回収した液を再生塔40から吸収塔20への配管66に戻すようにしたことである。

リボイラ60から供給された吸収液蒸気は吸収液回収盤51を通過し、充填層41においてCO₂リッチの吸収液と直接接触しCO₂を放出する。放出されたCO₂ガスと同伴された水蒸気は還流水回収盤70を通過して水洗部43に供給され、冷却され、アミンミストを除かれた後、ミストエリミネータ45にてさらにミスト除去され、再生塔40から排出される。排出されたガスは冷却器47にて冷却され、ガスと凝縮水に分離された後、還流水ドラム48にてCO₂はシステム外に送られ、凝縮水（還流水）はシステム内に戻される。還流水ドラム48にて分離された還流水はポンプ50を経て再生塔内の水洗水供給部44から撒布され、水洗部43にてガス冷却およびアミンミスト除去に使われた後、還流水回収盤70にて回収される。回収された還流水は冷却器30手前の配管66で吸収液と合流されることで、システム全体の水バランスは維持される。ここで、還流水回収盤70から吸収液との合流部間の配管71には必要に応じてポンプ73および弁74などの抵抗体および液溜めドラムが設置される。なお本実施例では、還流水と吸収液を冷却器30手前で合流させているが、吸収液と合流させる場所はリボイラ60出口から吸収塔20入口までのリーン吸収液のラインの何れの箇所とすることもできる。

本発明による他の実施例を図２に示す。図３の従来のシステムと異なる点は、CO₂回収ドラム48からの還流水の供給配管について、水洗部充填材43への供給ラインのほかに、充填層41を通過せずに、冷却器30の手前の配管66に供給するライン73が設置され、また充填層41上部に温度計72が設置され、該温度計の温度が所定値になるように、バルブ74、75を調整し、ライン73への還流水の供給量を調整するようにしたことである。

リボイラ60から供給された吸収液蒸気は吸収液回収盤51を通過し、充填層41においてCO₂リッチの吸収液と直接接触しCO₂を放出する。抄出されたCO₂ガスと同伴された水蒸気は水洗部43に供給され、冷却され、アミンミストを除かれた後、ミストエリミネータ45にてさらにミスト除去され、再生塔40から排出される。排出されたガスは冷却器47にて冷却され、ガス凝縮水に分離された後、還流水ドラム48にてCO₂はシステム外に送られ、凝縮水（還流水）はシステム内に戻される。このとき、充填層41上部に設けられた温度計72において液温度が測定され、この温度が例えば100℃となるように水洗水供給部44から撒布される還流水量を制御し、余剰分の還流水は充填層41を通過せずにライン73を経由して吸収液ライン66に戻されることで、システム全体の水バランスは維持される。ここで、還流水ドラム48から水洗水供給部44への配管および吸収液との合流部間の配管には必要に応じて弁などの抵抗体および液溜めドラムが設置される。なお本実施例では、還流水と吸収液を冷却器30手前で合流させているが、吸収液と合流させる場所はリボイラ60出口から吸収塔20入口までのリーン吸収液のラインの何れの箇所とすることもできる。

20‥吸収液
30‥冷却器
40‥再生塔、41‥充填層、43‥水洗部充填材
51‥吸収液回収盤、
60‥リボイラ、
70‥還流水回収盤、72‥温度計、74、75‥バルブ

Claims (2)

1. 燃焼排ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアルカノールアミン水溶液を主成分とするCO₂吸収液により吸収、分離するCO₂吸収塔、およびリボイラ付きの再生塔を備えたCO₂化学吸収システムであって、再生塔塔頂から排出されるCO₂ガスに同伴される水蒸気を凝縮させて得られる還流水の一部または全部を、再生塔塔頂部から水洗部充填材上に撒布し、水蒸気を含むCO₂ガスとの直接接触によりガス温度を低下させ、かつアミンミストを除去したのち、前記撒布した還流水を水洗部充填材下部に設置された還流水回収盤上に回収し、次いで前記再生塔のリボイラのリーン吸収液出口から前記吸収塔のリーン吸収液入口までのリーン吸収液の系統のいずれかの箇所で前記回収した還流水を吸収液と合流させる配管系統を設けたことを特徴とするCO₂化学吸収システム。
2. 燃焼排ガス中の二酸化炭素（CO₂）をアルカノールアミン水溶液を主成分とするCO₂吸収液により吸収、分離するCO₂吸収塔、およびリボイラ付きの再生塔を備えたCO₂化学吸収システムであって、再生塔塔頂から排出されるCO₂ガスに同伴される水蒸気を凝縮させて得られる還流水の一部を、CO₂離脱用充填材上部の温度が所定値となるように、再生塔塔頂部から水洗部充填材上に撒布し、水蒸気を含むCO₂ガスとの直接接触によりガス温度を低下させ、かつアミンミストを除去し、残りの還流水を前記再生塔のリボイラのリーン吸収液出口から前記吸収塔のリーン吸収液入口までのリーン吸収液の系統のいずれかの箇所で前記回収した還流水を吸収液と合流させる配管系統を設けたことを特徴とするCO₂化学吸収システム。

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