JP2010240629A

JP2010240629A - 二酸化炭素回収システム

Info

Publication number: JP2010240629A
Application number: JP2009095678A
Authority: JP
Inventors: Kiyohiko Iwaasa; 浅清彦岩; Masatoshi Hodozuka; 塚正敏程; Manabu Sakurai; 井学桜; Kazuya Yamada; 田和矢山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】二酸化炭素回収システムにおいて吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーを低減する。
【解決手段】燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔３と、吸収塔から供給された吸収液を再生し、放出された二酸化炭素ガス及び蒸気を含む排出ガスを排出する再生塔５との間に、再生塔から吸収塔に供給される再生された吸収液を熱源として吸収塔から再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する再生熱交換器７および吸収塔と再生熱交換器との間又は再生熱交換器と再生塔との間に再生塔から排出される排出ガスを熱源として吸収塔から再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する熱交換器２０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素回収システムに関するものである。

近年、地球温暖化の原因の１つとして、化石燃料を燃焼させる際に生成される燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素の温室効果が指摘されている。この問題に対処するため、気候変動に関する国際連合枠組条約の京都議定書に応じて、各国は、温室効果ガスの排出量削減に取り組んでいる。

このような状況の下、多量の化石燃料を使用する火力発電所等において、化石燃料を燃焼して生成された燃焼排ガスをアミン系吸収液と接触させ、燃焼排ガスから二酸化炭素を分離して回収し、この回収された二酸化炭素を大気中へ放出することなく貯蔵する方法が研究されている。

具体的には、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素をアミン系吸収液に吸収させる吸収塔と、二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）が吸収塔から供給され、リッチ液を加熱し、リッチ液から二酸化炭素ガスを放出させるとともに、吸収液を再生する再生塔と、を備えた二酸化炭素回収システムが知られている（例えば特許文献１参照）。再生塔には、熱源を供給するリボイラーが連結されている。再生塔において再生された吸収液（リーン液）は吸収塔に供給され、このシステム内で吸収液が循環するようになっている。

上記のような二酸化炭素回収システムは、既設の発電設備等に付加して設置されるため、その運転コストを出来るだけ低減することが求められる。特に、前記再生塔における吸収液の再生工程は、リッチ液から二酸化炭素ガスを放出させるために多量の熱エネルギーが必要とされる。従って、二酸化炭素回収システムの運転コストを低減するためには、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーを低減することが重要となる。

特開２００５−２５４２１２号公報

本発明は、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーを低減し、運転コストを低減した二酸化炭素回収システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様による二酸化炭素回収システムは、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、当該吸収液から蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させるとともに当該吸収液を再生し、放出された二酸化炭素ガス及び蒸気を含む排出ガスを排出する再生塔と、前記吸収塔と前記再生塔との間に設けられ、前記再生塔から前記吸収塔に供給される再生された吸収液を熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する再生熱交換器と、前記吸収塔と前記再生熱交換器との間、又は前記再生熱交換器と前記再生塔との間に設けられ、前記再生塔から排出される前記排出ガスを熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する熱交換器と、を備えるものである。

本発明によれば、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーを低減し、二酸化炭素回収システムの運転コストを低減できる。

本発明の第１の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成図である。変形例による二酸化炭素回収システムの概略構成図である。本発明の第２の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成図である。本発明の第３の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成図である。本発明の第４の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成図である。本発明の第５の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成図である。本発明の第６の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成を示す。ここで二酸化炭素回収システムは、二酸化炭素を吸収可能な吸収液を用いて、化石燃料の燃焼により生成された燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を回収するものである。

図１に示すように二酸化炭素回収システム１は、燃焼排ガス２ａに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔３と、吸収塔３から二酸化炭素を吸収した吸収液（以下、リッチ液４ａと記す）が供給され、このリッチ液４ａを加熱し、吸収液から蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させて、二酸化炭素ガスと蒸気とを含む排出ガス２ｃを排出するとともに吸収液を再生する再生塔５とを備える。例えば、火力発電所などの発電設備において生成された燃焼排ガス２ａが吸収塔３の下部に供給され、吸収塔３の頂部から二酸化炭素が取り除かれた燃焼排ガス２ｂが排出されるようになっている。

吸収塔３は、吸収液が二酸化炭素を吸収することにより生成されたリッチ液４ａを貯留する吸収塔タンク３ａを有する。同様に、再生塔５は、リッチ液４ａが二酸化炭素ガスを放出することにより再生された吸収液（以下、リーン液４ｂと記す）を貯留する再生塔タンク５ａを有する。

ここで、二酸化炭素を吸収可能な吸収液には、例えばアミン化合物を水に溶かしたアミン化合物水溶液が使用される。

図１に示すように、再生塔５にはリボイラー６が設けられている。リボイラー６は、発電設備から供給されるプラント蒸気等を熱源として、再生塔タンク５ａに貯留されていたリーン液４ｂの一部を加熱してその温度を上昇させて蒸気を生成し、再生塔５に供給する。なお、リボイラー６においてリーン液４ｂを加熱する際、リーン液４ｂから微量の二酸化炭素ガスが放出され、蒸気とともに再生塔５に供給される。そして、この蒸気により、再生塔５においてリッチ液４ａが加熱されて二酸化炭素ガスが放出される。

吸収塔３と再生塔５との間に、再生塔５から吸収塔３に供給されるリーン液４ｂを熱源として、吸収塔３から再生塔５に供給されるリッチ液４ａを加熱する再生熱交換器７が設けられ、リーン液４ｂの熱を回収するように構成されている。ここで、上述したように、再生塔５においてリッチ液４ａから二酸化炭素ガスを放出させる際、リッチ液４ａはリボイラー６からの高温の蒸気を熱源として加熱される。従って、再生熱交換器７に供給されるリーン液４ｂの温度は比較的高く、このリーン液４ｂが熱源として用いられている。

吸収塔３と再生熱交換器７との間に、吸収塔タンク３ａの底部から再生熱交換器７にリッチ液４ａを供給する第１リッチ液ライン８が連結されている。この第１リッチ液ライン８に、吸収塔３からのリッチ液４ａを再生熱交換器７に送り込むリッチ液ポンプ９が設けられている。

再生熱交換器７と再生塔５との間に、再生熱交換器７から再生塔５の上部にリッチ液４ａを供給する第２リッチ液ライン１０が連結されている。

再生塔５と再生熱交換器７との間に、再生塔タンク５ａの底部から再生熱交換器７にリーン液４ｂを供給する第１リーン液ライン１１が連結されている。

再生熱交換器７からのリーン液４ｂは、リーン液ポンプ１２により吸収塔３の上部に供給される。なお、リーン液４ｂは、吸収塔３に供給される前に、吸収液冷却器１３により冷却される。吸収液冷却器１３は、冷却水（冷却媒体）を冷却源としている。

吸収塔３の上部に供給されたリーン液４ｂは、吸収塔３内において上部から吸収塔タンク３ａに向けて下降する。一方、吸収塔３に供給された燃焼排ガス２ａは、吸収塔３内において下部から頂部に向けて上昇する。そのため、二酸化炭素を含む燃焼排ガス２ａとリーン液４ｂが向流接触（直接接触）し、燃焼排ガス２ａから二酸化炭素が取り除かれてリーン液４ｂに吸収され、リッチ液４ａが生成される。二酸化炭素が取り除かれた燃焼排ガス２ｂは、吸収塔３の頂部から排出されるとともに、リッチ液４ａは吸収塔３の吸収塔タンク３ａに貯留される。

再生塔５から排出された二酸化炭素ガスと蒸気とを含む排出ガス２ｃは、第２リッチ液ライン１０に設けられた熱交換器２０を介して気液分離器２１へ送られる。排出ガス２ｃとリッチ液４ａとが熱交換器２０で交流熱交換する。これにより、リッチ液４ａは、再生塔５に供給される前に加熱されることになる。

気液分離器２１では排出ガス２ｃがガス（二酸化炭素）２３と液体（水）２４に分離される。気液分離器２１の頂部から放出されたガス２３は、ガス冷却器１４で冷却され、気液分離器１５に供給される。気液分離器１５は、ガス２３を凝縮（冷却）して、二酸化炭素ガス（気相成分）と生成された凝縮液（液相成分）とを分離する。気液分離器１５から排出された二酸化炭素ガス２ｄは、貯蔵設備（図示せず）で貯蔵される。ガス冷却器１４は、冷却水（冷却媒体）を用いてガス２３を冷却する
気液分離器１５内の凝縮液１６は、凝縮液ポンプ１７によって、再生塔５の上部に供給される。

気液分離器２１内の液体（水）２４は、気液分離器２１の底部から排出され、ポンプ２２によって第２リッチ液ライン１０へ送られる。液体２４により、リッチ液４ａはさらに加熱され得る。

再生塔５で吸収液が加熱されるとき、吸収液中の水が蒸発する。従って、リボイラー６によって供給された熱エネルギーの一部が水の蒸発潜熱として消費される。すなわち、リボイラー６によって供給された熱エネルギーの一部が、吸収液中の二酸化炭素の解離に使用されないことになる。

そこで、本実施形態では、水が持つ蒸発潜熱を利用して、再生塔５からの排出ガス２ｃとリッチ液４ａとを交流熱交換し、リッチ液４ａを加熱する。これにより、再生熱交換器７で加熱されたリッチ液４ａをさらに加熱することができ、リボイラー６で必要な熱エネルギーを低減できる。

例えば、リッチ液４ａは、再生熱交換器７で加熱されて約１００℃になり、熱交換器２０によってさらに加熱され約１０５℃になる。リッチ液４ａが５℃上昇した分だけ、リボイラー６で必要な熱エネルギーを低減できる。

本実施形態に係る二酸化炭素回収システムは、排出ガス２ｃの余熱を利用してリッチ液４ａを加熱するため、再生塔５からの排出ガス２ｃをガス冷却器１４へ直接送る場合よりも、リボイラー６で必要な熱エネルギーが小さくなる。

本実施形態では、再生塔５からの排出ガス２ｃをガス冷却器１４へ送る場合と比較して、気液分離器２１内の液体（水）２４を第２リッチ液ライン１０へ送るポンプ２２の運転コストが余分にかかるが、これはリボイラー６で必要な熱エネルギーを低減できる分より小さく、二酸化炭素回収システム全体としての運転コストを低減できる。

このように、再生塔５からの排出ガス２ｃの熱を利用してリッチ液４ａを加熱することで、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーを低減し、二酸化炭素回収システムの運転コストを低減できる。

上記第１の実施形態では、図１に示すように、熱交換器２０を再生熱交換器７と再生塔５との間（第２リッチ液ライン１０）に設けていたが、図２に示すように、吸収塔３と再生熱交換器７との間（第１リッチ液ライン８）に設けてもよい。このような構成にしても、同様の効果を得ることができる。

また、上記第１の実施形態において、気液分離器２１を設けず、熱交換器２０を通過した排出ガス２ｃをガス冷却器１４へ直接送るようにしてもよい。

また、気液分離器２１が高い気液分離性能を有する場合は、気液分離器１５を設けず、ガス冷却器１４を通過したガス（二酸化炭素ガス）２３を排出し、貯蔵設備（図示せず）で貯蔵するようにしてもよい。

（第２の実施形態）図３に本発明の第２の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成を示す。本実施形態では、リッチ液４ａが気液分離器２０１で気相成分（二酸化炭素）と液相成分に分離され、気相成分がガス冷却器１４へ送られ、液相成分がポンプ２２により再生塔５に供給されており、他の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様となっている。図３において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

気液分離器２０１により、リッチ液４ａに含まれる二酸化炭素の一部が放出され、ガス冷却器１４へ送られる。すなわち、気液分離器２０１の下部から排出される液相成分は、リッチ液４ａから二酸化炭素が一部放出されたものとなる。

本実施形態では、上記第１の実施形態と比較して、再生塔５に供給されるリッチ液中の二酸化炭素量を低減できる。従って、再生塔５において、吸収液から放出させる二酸化炭素量を減らせるため、再生塔５内での二酸化炭素の吸収液への再吸収を減らせることで、必要とされるリボイラー６の熱エネルギーをさらに低減できる。

このように、再生塔５からの排出ガス２ｃの熱を利用してリッチ液４ａを加熱し、加熱後のリッチ液４ａ中の二酸化炭素の一部を気液分離器２０１で分離、放出させることで、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーをさらに低減し、二酸化炭素回収システムの運転コストをさらに低減できる。

（第３の実施形態）図４に本発明の第３の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成を示す。本実施形態では、気液分離器２１内の液体（水）２４が、ポンプ２２によってリボイラー６へ送られており、他の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様となっている。図４において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

液体２４は、リボイラー６に供給され、液体２４に溶存する二酸化炭素の放出が行われる。これにより、再生塔５における加熱により放出された二酸化炭素が、再生塔５に供給された液体２４に再吸収されることを防止することができ、必要とされるリボイラー６の熱エネルギーをさらに低減できる。

本実施形態では、上記第１の実施形態と同様に、再生塔５からの排出ガス２ｃの熱を利用してリッチ液４ａを加熱することで、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーを低減し、二酸化炭素回収システムの運転コストを低減できる。

また、再生塔５に供給された液体２４への二酸化炭素の再吸収を防止し、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーをさらに低減し、二酸化炭素回収システムの運転コストをさらに低減できる。

また、本実施形態では、気液分離器２１が高い気液分離性能を有する場合は、気液分離器１５を設けず、ガス冷却器１４を通過したガス（二酸化炭素ガス）２３を排出し、貯蔵設備（図示せず）で貯蔵するようにしてもよい。

（第４の実施形態）図５に本発明の第４の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成を示す。本実施形態では、リッチ液４ａが気液分離器４０１で気相成分（二酸化炭素）と液相成分に分離され、気相成分がガス冷却器１４へ送られ、液相成分がポンプ４０２により再生塔５に供給されており、他の構成は、図４に示す第３の実施形態と同様となっている。図５において、図４に示す第３の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

気液分離器４０１により、リッチ液４ａに含まれる二酸化炭素の一部が放出され、ガス冷却器１４へ送られる。すなわち、気液分離器４０１の下部から排出される液相成分は、リッチ液４ａから二酸化炭素が一部放出されたものとなる。

本実施形態では、上記第３の実施形態と比較して、再生塔５に供給されるリッチ液中の二酸化炭素量を低減できる。従って、再生塔５において、吸収液から放出させる二酸化炭素量を減らせるため、再生塔５内での二酸化炭素の吸収液への再吸収を減らせることで、必要とされるリボイラー６の熱エネルギーをさらに低減できる。

このように、再生塔５からの排出ガス２ｃの熱を利用してリッチ液４ａを加熱し、加熱後のリッチ液４ａ中の二酸化炭素の一部を気液分離器４０１で分離、放出させ、気液分離器２１中の液体２４をリボイラー６へ供給することで、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーをさらに低減し、二酸化炭素回収システムの運転コストをさらに低減できる。

（第５の実施形態）図６に本発明の第５の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成を示す。本実施形態では、気液分離器２１内の液体２４がポンプ２２により第１リッチ液ライン８に設けられた熱交換器５０１に送られ、他の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様となっている。図６において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

気液分離器２１中の液体２４は高温であり、この液体２４を熱源とし、水が持つ顕熱を利用して、熱交換器５０１においてリッチ液４ａが加熱される。リッチ液４ａを加熱した後の液体２４は、気液分離器１５へ供給され、還流液として再利用される。このような構成にすることで、再生塔５からの排出ガス２ｃの熱を最大限に回収できるようになり、必要とされるリボイラー６の熱エネルギーをさらに低減できる。

さらに、気液分離器２１中の液体２４の顕熱を利用してリッチ液４ａをさらに加熱することで、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーを低減し、二酸化炭素回収システムの運転コストを低減できる。

（第６の実施形態）図７に本発明の第６の実施形態に係る二酸化炭素回収システムの概略構成を示す。本実施形態では、リッチ液４ａが気液分離器６０１で気相成分（二酸化炭素）と液相成分に分離され、気相成分がガス冷却器１４へ送られ、液相成分がポンプ６０２により再生塔５に供給されており、他の構成は、図６に示す第５の実施形態と同様となっている。図７において、図６に示す第５の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

気液分離器６０１により、リッチ液４ａに含まれる二酸化炭素の一部が放出され、ガス冷却器１４へ送られる。すなわち、気液分離器６０１の下部から排出される液相成分は、リッチ液４ａから二酸化炭素が一部放出されたものとなる。

本実施形態では、上記第５の実施形態と比較して、再生塔５に供給されるリッチ液中の二酸化炭素量を低減できる。従って、再生塔５において、吸収液から放出させる二酸化炭素量を減らせるため、再生塔５内での二酸化炭素の吸収液への再吸収を減らせることで、必要とされるリボイラー６の熱エネルギーをさらに低減できる。

このように、再生塔５からの排出ガス２ｃの熱を利用してリッチ液４ａを加熱し、加熱後のリッチ液４ａ中の二酸化炭素の一部を気液分離器６０１で分離、放出させ、気液分離器２１中の液体２４でリッチ液４ａを加熱することで、吸収液の再生工程で必要となる熱エネルギーをさらに低減し、二酸化炭素回収システムの運転コストをさらに低減できる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１二酸化炭素回収システム
３吸収塔
５再生塔
６リボイラー
７再生熱交換器
１３吸収液冷却器
１４ガス冷却器
１５、２１気液分離器
２０熱交換器

Claims

燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、
前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、当該吸収液から蒸気を含む二酸化炭素ガスを放出させるとともに当該吸収液を再生し、放出された二酸化炭素ガス及び蒸気を含む排出ガスを排出する再生塔と、
前記吸収塔と前記再生塔との間に設けられ、前記再生塔から前記吸収塔に供給される再生された吸収液を熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する再生熱交換器と、
前記吸収塔と前記再生熱交換器との間、又は前記再生熱交換器と前記再生塔との間に設けられ、前記再生塔から排出される前記排出ガスを熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する熱交換器と、
を備える二酸化炭素回収システム。
前記熱交換器を通過した前記排出ガスを液相成分と気相成分とに分離する気液分離器と、
前記液相成分を前記再生塔へ供給するポンプと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素回収システム。
前記気相成分を凝縮し、生成された凝縮液を分離する第２の気液分離器と、
前記再生熱交換器及び前記熱交換器を通過した前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を液相成分と気相成分とに分離する第３の気液分離器と、
をさらに備え、
前記第３の気液分離器で分離された気相成分は前記第２の気液分離器へ供給され、前記第３の気液分離器で分離された液相成分は前記ポンプにより前記再生塔へ供給されることを特徴とする請求項２に記載の二酸化炭素回収システム。
前記再生塔内の吸収液を加熱するリボイラーと、
前記熱交換器を通過した前記排出ガスを液相成分と気相成分とに分離する気液分離器と、
前記液相成分を前記リボイラーへ供給するポンプと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素回収システム。
前記気相成分を凝縮し、生成された凝縮液を分離する第２の気液分離器と、
前記再生熱交換器及び前記熱交換器を通過した前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を液相成分と気相成分とに分離する第３の気液分離器と、
前記第３の気液分離器で分離された液相成分を前記再生塔へ供給する第２のポンプと、
をさらに備え、
前記第３の気液分離器で分離された気相成分は前記第２の気液分離器へ供給されることを特徴とする請求項４に記載の二酸化炭素回収システム。
前記熱交換器を通過した前記排出ガスを液相成分と気相成分とに分離する第１の気液分離器と、
前記気相成分を凝縮し、生成された凝縮液を分離する第２の気液分離器と、
前記吸収塔と前記再生熱交換器との間、又は前記再生熱交換器と前記再生塔との間に設けられ、前記液相成分を熱源として、前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱する第２の熱交換器と、
前記第１の気液分離器からの前記液相成分を前記第２の熱交換器へ供給するポンプと、
をさらに備え、
前記第２の熱交換器を通過した前記液相成分は前記第２の気液分離器へ供給されることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素回収システム。
前記再生熱交換器、前記熱交換器、及び前記第２の熱交換器を通過した前記吸収塔から前記再生塔に供給される二酸化炭素を吸収した吸収液を液相成分と気相成分とに分離する第３の気液分離器と、
前記第３の気液分離器で分離された液相成分を前記再生塔へ供給する第２のポンプと、
をさらに備え、
前記第３の気液分離器で分離された気相成分は前記第２の気液分離器へ供給されることを特徴とする請求項６に記載の二酸化炭素回収システム。