特許 6043171 二酸化炭素回収装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6043171

(24)【登録日】2016年11月18日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】二酸化炭素回収装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/14 20060101AFI20161206BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20161206BHJP

   C01B 31/20 20060101ALI20161206BHJP

【ＦＩ】

   B01D53/14 220

   B01D53/62ZAB

   C01B31/20 B

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-264018(P2012-264018)

(22)【出願日】2012年12月3日

(65)【公開番号】特開2014-108909(P2014-108909A)

(43)【公開日】2014年6月12日

【審査請求日】2015年7月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西山 裕一

(72)【発明者】

【氏名】村本 知哉

(72)【発明者】

【氏名】中村 至高

(72)【発明者】

【氏名】奥野 真也

(72)【発明者】

【氏名】松澤 克明

(72)【発明者】

【氏名】堤 敦司

【審査官】 小久保 勝伊

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１２−５０４４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８８９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３５３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０００５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１２５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３９０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００７４６９５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／０２−５３／１２

Ｂ０１Ｄ ５３／３４−５３／８５

Ｃ０１Ｂ ３１／００−３１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、該吸収液に二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素含有吸収液を生成する吸収部と、
前記二酸化炭素含有吸収液を加熱し、当該二酸化炭素含有吸収液から二酸化炭素を放出させて、吸収液、二酸化炭素、および水蒸気の気液混合流体を生成する加熱部と、
前記気液混合流体を、吸収液と、二酸化炭素および水蒸気を含有する回収ガスとに分離する第１の気液分離部と、
前記第１の気液分離部において分離された前記回収ガスが通過する通過ラインと、
前記通過ラインに設けられ、前記回収ガスを圧縮する圧縮部と、
前記圧縮部の下流側において該圧縮部における前記回収ガスの圧縮に伴って発生する熱を回収し、前記加熱部によって加熱される前の前記二酸化炭素含有吸収液を加熱する第１の熱交換部と、
前記通過ラインに設けられ、前記第１の熱交換部によって熱が回収されることで凝縮した水を回収ガスから分離する第２の気液分離部と、
前記第２の気液分離部の下流側において該第２の気液分離部によって分離された回収ガスの熱を回収し、前記第１の熱交換部によって加熱される前の前記二酸化炭素含有吸収液を加熱する第２の熱交換部と、
を備えたことを特徴とする二酸化炭素回収装置。

【請求項2】

前記第１の気液分離部において分離された吸収液の熱を回収し、前記第２の熱交換部によって加熱される前の前記二酸化炭素含有吸収液を予熱する第３の熱交換部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素回収装置。

【請求項3】

前記通過ラインに設けられ、前記第２の熱交換部によって熱が回収されることで凝縮した水を回収ガスから分離する第３の気液分離部と、
前記第１の気液分離部と、前記吸収部とに接続され、該第１の気液分離部において分離された吸収液が流通する返送ラインと、
前記第３の気液分離部において分離された、凝縮した水を、前記返送ラインにおける前記第３の熱交換部の下流側に導入する第１の凝縮水導入部と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の二酸化炭素回収装置。

【請求項4】

前記第２の気液分離部において分離された、凝縮した水を、前記第１の気液分離部によって分離された吸収液に導入する第２の凝縮水導入部を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の二酸化炭素回収装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃焼に伴う排気ガス等の二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を分離して回収する二酸化炭素回収装置に関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電所、製鉄所、ボイラー等のプラントにおいては、大量の化石燃料（例えば、石炭、重油、超重質油）を燃焼させている。したがって、化石燃料の燃焼に伴って、二酸化炭素（ＣＯ_２）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排気ガスが上記プラントから排出されることとなる。排気ガスに含まれる物質の中で、二酸化炭素は、地球温暖化の要因となっており、気候変動に関する国際連合枠組条約等において大気への排出量が規制されている。

【0003】

そこで、燃焼に伴う排気ガスや、プロセスに伴う排気ガス等の二酸化炭素を含む排気ガスから二酸化炭素を分離して回収し、その後、二酸化炭素が取り除かれた排気ガスを大気へ排出する技術（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）が開発されている。ＣＣＳを利用した二酸化炭素回収装置は、吸収液（二酸化炭素を吸収していない吸収液、以下、リーン吸収液と称する）と排気ガスとを接触させて、排気ガスに含まれる二酸化炭素をリーン吸収液に吸収させることで、排気ガスから二酸化炭素を除去する吸収塔と、二酸化炭素を吸収した吸収液（以下、リッチ吸収液と称する）から二酸化炭素を放出させてリーン吸収液に再生する再生塔とを備え、再生塔で再生されたリーン吸収液は、吸収塔で再利用される。そして、再生塔で放出された二酸化炭素は、圧縮機で圧縮された後、大気に排出されずに、地下の帯水層や地中の油田に貯留されたり、海洋や河川に溶解させられたりする。

【0004】

再生塔において、リッチ吸収液から二酸化炭素を放出するためには、リッチ吸収液を加熱する必要がある。そこで、再生塔の下部においてリボイラで加熱することで、リッチ吸収液から、二酸化炭素と水蒸気を含む回収ガスを放出させ、再生塔の塔頂から回収ガスを排出し、排出した回収ガスを冷却器（コンデンサ）で冷却して水蒸気を凝縮させ、得られた凝縮水を再度再生塔に返送する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

【0005】

しかし、特許文献１の技術では、リッチ吸収液から水を蒸発させるために利用された潜熱が、冷却器で回収されて捨てられてしまうことになっていた。

【0006】

そこで、再生塔の下流側に１台の圧縮機を備えておき、再生塔から排出された回収ガスを圧縮機で圧縮する際に生じる熱を回収し、回収した熱を再生塔で利用する構成が考えられる。しかし、１台の圧縮機で、再生塔において必要な熱エネルギーを回収できる程度に回収ガスを圧縮すると、圧縮後の回収ガスの温度が２００℃を超えてしまう。そうすると、圧縮機のインペラ等の部材を、２００℃を上回っても耐えられる程度の耐熱性を有する特別な材料で構成する必要があり、圧縮機自体のコストが増大していた。

【0007】

そこで、再生塔の下流側に複数の圧縮機を直列に備えておき、再生塔から排出された回収ガスを圧縮機で圧縮する際に生じる熱を回収し、回収した熱を再生塔で再利用する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１０−２２９８６号公報

【特許文献2】特開２０１２−５３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし、上述した特許文献２の技術では、複数の圧縮機が必要となるため、圧縮機にかかる初期費用が増加してしまう。また、複数の圧縮機を設置するための占有体積を確保する必要があった。

【0010】

そこで本発明は、このような課題に鑑み、リッチ吸収液からリーン吸収液へ再生する構成を工夫することで、圧縮部が１つであっても、吸収液の再生に要する熱エネルギーを効率よく回収することが可能な二酸化炭素回収装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明の二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素を含有するガスを吸収液に接触させて、該吸収液に二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素含有吸収液を生成する吸収部と、前記二酸化炭素含有吸収液を加熱し、当該二酸化炭素含有吸収液から二酸化炭素を放出させて、吸収液、二酸化炭素、および水蒸気の気液混合流体を生成する加熱部と、前記気液混合流体を、吸収液と、二酸化炭素および水蒸気を含有する回収ガスとに分離する第１の気液分離部と、前記第１の気液分離部において分離された前記回収ガスが通過する通過ラインと、前記通過ラインに設けられ、前記回収ガスを圧縮する圧縮部と、前記圧縮部の下流側において該圧縮部における前記回収ガスの圧縮に伴って発生する熱を回収し、前記加熱部によって加熱される前の前記二酸化炭素含有吸収液を加熱する第１の熱交換部と、前記通過ラインに設けられ、前記第１の熱交換部によって熱が回収されることで凝縮した水を回収ガスから分離する第２の気液分離部と、前記第２の気液分離部の下流側において該第２の気液分離部によって分離された回収ガスの熱を回収し、前記第１の熱交換部によって加熱される前の前記二酸化炭素含有吸収液を加熱する第２の熱交換部と、を備えたことを特徴とする。

【0012】

また、前記第１の気液分離部において分離された吸収液の熱を回収し、前記第２の熱交換部によって加熱される前の前記二酸化炭素含有吸収液を予熱する第３の熱交換部を備えるとしてもよい。

【0013】

また、前記通過ラインに設けられ、前記第２の熱交換部によって熱が回収されることで凝縮した水を回収ガスから分離する第３の気液分離部と、前記第１の気液分離部と、前記吸収部とに接続され、該第１の気液分離部において分離された吸収液が流通する返送ラインと、前記第３の気液分離部において分離された、凝縮した水を、前記返送ラインにおける前記第３の熱交換部の下流側に導入する第１の凝縮水導入部と、を備えるとしてもよい。

【0014】

また、前記第２の気液分離部において分離された、凝縮した水を、前記第１の気液分離部によって分離された吸収液に導入する第２の凝縮水導入部を備えるとしてもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、リッチ吸収液からリーン吸収液へ再生する構成を工夫することで、圧縮部が１つであっても、吸収液の再生に要する熱エネルギーを効率よく回収することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】二酸化炭素回収装置の構成を説明するための図である。

【図2】第１の熱交換部と、第２の熱交換部および第３の熱交換部との温度（Ｔ）−熱量（Ｑ）線を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0018】

（二酸化炭素回収装置１００）
図１は、本実施形態にかかる二酸化炭素回収装置１００の構成を説明するための図である。図１に示すように、二酸化炭素回収装置１００は、二酸化炭素分離回収ユニット１１０と、二酸化炭素圧縮ユニット２００とを含んで構成される。

【0019】

二酸化炭素分離回収ユニット１１０は、二酸化炭素を含有するガスＧから二酸化炭素を分離し、二酸化炭素圧縮ユニット２００は、二酸化炭素分離回収ユニット１１０において分離された二酸化炭素を圧縮する。以下、二酸化炭素分離回収ユニット１１０および二酸化炭素圧縮ユニット２００の具体的な構成について説明する。

【0020】

（二酸化炭素分離回収ユニット１１０）
吸収部（吸収塔）１２０は、例えば、向流型気液接触装置で構成され、二酸化炭素を含有するガスＧを吸収液（以下、リーン吸収液Ｌと称する）に接触させて、リーン吸収液Ｌに二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素含有吸収液（以下、リッチ吸収液Ｒと称する）を生成する。

【0021】

ここで、ガスＧは、例えば、燃焼に伴う排気ガスや、プロセスに伴う排気ガスであるが、吸収部１２０においてリーン吸収液Ｌに二酸化炭素を効率よく吸収させるために適した温度（例えば、４０℃）であるとよい。なお、燃焼やプロセスに伴う排気ガスが、高温である場合には、別途の冷却装置で冷却した後に吸収部１２０に導入するとしてもよい。リーン吸収液Ｌは、例えば、アルカノールアミン類等の二酸化炭素に対して親和性を有する化合物を吸収剤として含有する水溶液で構成される。

【0022】

また、吸収部１２０は、その内部に、リーン吸収液ＬとガスＧとの接触面積を大きくするための充填材１２２が設けられている。充填材１２２は、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料で構成される。

【0023】

本実施形態において、ガスＧは吸収部１２０の下部から導入され、リーン吸収液Ｌは吸収部１２０の上部から導入される。そうすると、ガスＧが吸収部１２０の下部から上部へ通過し、かつ、リーン吸収液Ｌが吸収部１２０の上部から下部へ通過する間、すなわち、ガスＧおよびリーン吸収液Ｌが充填材１２２を通過する間に気液接触することで、ガスＧ中の二酸化炭素がリーン吸収液Ｌに吸収される。二酸化炭素が除去されたガスＣは、吸収部１２０の頂部から排出される。なお、リーン吸収液Ｌが二酸化炭素を吸収することによって発熱してリッチ吸収液Ｒの液温が上昇することで、ガスＣに含まれ得る水蒸気等を除去するための冷却凝縮部１２４を吸収部１２０の上部に設けてもよい。

【0024】

送出ライン１３０は、吸収部１２０の下部と、後述する第１の気液分離部１４０とを接続するライン（配管）である。

【0025】

第３の熱交換部１３２は、後述する返送ライン１６０を流通するリーン吸収液Ｌ（第１の気液分離部１４０から送出されたリーン吸収液Ｌおよび後述する第２の気液分離部２３０から送出された凝縮水の混合物、以下、単に混合リーン吸収液Ｌと称する）が有する熱（顕熱）を回収し、送出ライン１３０を流通するリッチ吸収液Ｒを加熱する。例えば、混合リーン吸収液Ｌ（例えば、１２０℃）は、第３の熱交換部１３２によって６０℃まで冷却される。これに伴い、送出ライン１３０を流通するリッチ吸収液Ｒが加熱される。

【0026】

第３の熱交換部１３２を備える構成により、吸収部１２０で利用するために冷却が必要な混合リーン吸収液Ｌを冷却するとともに、二酸化炭素の放出のために加熱が必要なリッチ吸収液Ｒを加熱することが可能となる。

【0027】

また、第３の熱交換部１３２によって加熱されたリッチ吸収液Ｒは、送出ライン１３０において、後述する第２の熱交換部３１０によって、さらに加熱される。例えば、第３の熱交換部１３２および第２の熱交換部３１０の双方による熱交換によって、５０℃のリッチ吸収液Ｒは、１１０℃に加熱される。

【0028】

また、第２の熱交換部３１０によって加熱されたリッチ吸収液Ｒ（１１０℃）は、送出ライン１３０において、後述する第１の熱交換部３２０によってさらに加熱（１２０℃）される。第２の熱交換部３１０、第１の熱交換部３２０による加熱処理については、後に詳述する。

【0029】

加熱部１３４は、スチームヒータ、電気ヒータ等で構成され、第１の熱交換部３２０によって加熱されたリッチ吸収液Ｒを加熱して、気液混合流体を生成する。ここで、加熱部１３４は、リッチ吸収液Ｒに対して潜熱を与えることになるため、気液混合流体の温度は、１２０℃に維持されることとなる。

【0030】

第１の気液分離部１４０は、加熱部１３４によって加熱されることで生成された気液混合流体を、液体（リーン吸収液Ｌ）と、気体（二酸化炭素および水蒸気を含有する回収ガスＸ）とに分離する。

【0031】

循環ライン１４２は、第１の気液分離部１４０の底部、および、送出ライン１３０における第１の熱交換部３２０によって加熱される箇所と、加熱部１３４によって加熱される箇所との間を接続するライン（配管）である。循環ライン１４２を備えることにより、第１の気液分離部１４０から、送出ライン１３０における第１の熱交換部３２０によって加熱される箇所と、加熱部１３４によって加熱される箇所との間に、リーン吸収液Ｌおよびリッチ吸収液Ｒの混合液（以下、リーン吸収液Ｌおよびリッチ吸収液Ｒの混合液を単に混合液と称する）を導入することができ、混合液を、加熱部１３４に循環させることが可能となる。

【0032】

したがって、加熱部１３４は、第１の熱交換部３２０によって加熱されたリッチ吸収液Ｒに加えて、第１の気液分離部１４０から送出された混合液を加熱することが可能となる。

【0033】

返送ライン１６０は、第１の気液分離部１４０の底部と吸収部１２０の上部とを接続するライン（配管）である。

【0034】

（吸収液の流れ）
続いて、二酸化炭素分離回収ユニット１１０における吸収液の流れについて説明する。吸収部１２０において生成され、吸収部１２０の底部に貯留されたリッチ吸収液Ｒは、ポンプ１７０ａによって、送出ライン１３０を通じて、第１の気液分離部１４０へ送出される。リッチ吸収液Ｒは、送出ライン１３０を通過する間、第３の熱交換部１３２、第２の熱交換部３１０、第１の熱交換部３２０、加熱部１３４によって加熱され、第１の気液分離部１４０において気液分離されることで、リーン吸収液Ｌに再生される。リッチ吸収液Ｒからリーン吸収液Ｌへの再生（以下、単に吸収液の再生と称する）については、後に詳述する。

【0035】

第１の気液分離部１４０において分離されたリーン吸収液Ｌは、ポンプ１７０ｂにより、返送ライン１６０を通じて、吸収部１２０の上部に返送される。こうして、吸収液は、吸収部１２０と第１の気液分離部１４０とを循環することになる。なお、リーン吸収液Ｌは、返送ライン１６０を通過する間に、第３の熱交換部１３２、冷却部１６２によって、吸収部１２０における二酸化炭素の吸収に適した温度まで冷却される。

【0036】

一方、第１の気液分離部１４０において分離された回収ガスＸは、二酸化炭素圧縮ユニット２００に排出されることとなる。

【0037】

（吸収液の再生）
リッチ吸収液Ｒは、送出ライン１３０を通過する間、まず、第３の熱交換部１３２および第２の熱交換部３１０によって加熱される。そして、リッチ吸収液Ｒは、第１の熱交換部３２０によってさらに加熱されることにより、リッチ吸収液Ｒ中で吸収剤と二酸化炭素との結合が解除される。すなわち、吸収剤と二酸化炭素との化合物が、吸収剤と、二酸化炭素とに分解される。

【0038】

そして、リッチ吸収液Ｒは、加熱部１３４によってさらに加熱されることにより、リッチ吸収液Ｒから二酸化炭素が放出されるとともに、水が蒸発して水蒸気が生成されて、リーン吸収液Ｌと、回収ガスＸとを含む気液混合流体となる。

【0039】

気液混合流体は、第１の気液分離部１４０に導入され、リーン吸収液Ｌと回収ガスＸとに気液分離される。こうして、吸収液の再生が行われることとなる。

【0040】

つまり、第３の熱交換部１３２、第２の熱交換部３１０、第１の熱交換部３２０、加熱部１３４、第１の気液分離部１４０が、リッチ吸収液Ｒからリーン吸収液Ｌへの再生を行う機能を有する。

【0041】

従来は、充填塔を利用して、吸収液の再生を行っていたため、（１）吸収剤と二酸化炭素との化合物の分解、（２）吸収液からの二酸化炭素の放出、および吸収液からの水の蒸発、（３）再生されたリーン吸収液Ｌと、回収ガスＸとの分離の３つのプロセスを１つの充填塔で行っていた。

【0042】

しかし、本実施形態では、第１の熱交換部３２０が（１）吸収剤と二酸化炭素との化合物の分解を、加熱部１３４が（２）吸収液からの二酸化炭素の放出、および吸収液からの水の蒸発を、第１の気液分離部１４０が（３）再生されたリーン吸収液Ｌと、回収ガスＸとの分離を行う構成としたため、高価な充填塔が不要となり、充填塔にかかるコストを低減することが可能となる。

【0043】

また、このような構成とすることで、充填塔で吸収液を再生する構成と比較して、回収ガスＸ中における二酸化炭素に対する水蒸気の比率を大きくすることができる。したがって、二酸化炭素圧縮ユニット２００において、低い圧縮率でも、回収ガスＸの温度を上昇させることができる。したがって、圧縮部を複数段にせずとも、すなわち１の圧縮部であっても、吸収液の再生に必要な熱量を回収することができる。かかる構成については、後述する。

【0044】

また、加熱部１３４がリッチ吸収液Ｒに与える熱量によっては、加熱部１３４によって一度加熱されただけでは、リッチ吸収液Ｒに吸収された二酸化炭素を実質的にすべて放出するのは困難であることもある。そこで、循環ライン１４２を備えることで、第１の気液分離部１４０で分離された混合液が加熱部１３４を循環することになるため、実質的にすべての二酸化炭素をリッチ吸収液Ｒから放出させることが可能となる。

【0045】

（二酸化炭素圧縮ユニット２００）
通過ライン２１０は、二酸化炭素分離回収ユニット１１０を構成する第１の気液分離部１４０から排出された回収ガスＸ（二酸化炭素および水蒸気）が通過するライン（配管）である。なお、ここでは、第１の気液分離部１４０から排出された回収ガスＸの温度は、例えば、１２０℃である。

【0046】

圧縮部２２０は、通過ライン２１０に設けられ、第１の気液分離部１４０から排出された回収ガスＸを、例えば、２４０ｋＰａ（Ｇ）に圧縮する。なお、Ｐａ（Ｇ）は、大気圧をゼロとしたゲージ圧を示す。そうすると、圧縮後の回収ガスの温度は、例えば、１９０℃になる。

【0047】

第１の熱交換部３２０は、圧縮部２２０の下流側において、圧縮部２２０による回収ガスＸの圧縮に伴って発生する熱（潜熱）を回収して、上述した二酸化炭素分離回収ユニット１１０を構成する送出ライン１３０を流通するリッチ吸収液Ｒであって、第３の熱交換部１３２および第２の熱交換部３１０で加熱されたリッチ吸収液Ｒをさらに加熱する。

【0048】

例えば、圧縮部２２０の下流側の回収ガスＸ（例えば、１９０℃）は、第１の熱交換部３２０によって１２０℃まで冷却される。これに伴い、第２の熱交換部３１０によって１１０℃に加熱されたリッチ吸収液Ｒは、第１の熱交換部３２０によって１２０℃まで加熱される。なお、ここで、第１の熱交換部３２０が加熱してもリッチ吸収液Ｒの温度の上昇が緩慢であるのは、リッチ吸収液Ｒ中において、水が蒸発する際に熱が消費されるためである。

【0049】

ここで、第１の気液分離部１４０から排出された回収ガスＸは、圧縮部２２０によって圧縮され、第１の熱交換部３２０によって熱が回収されると、回収ガスＸ中の水蒸気が凝縮して水となる。そこで、圧縮部２２０の下流側であり、第１の熱交換部３２０の下流側に、第２の気液分離部２３０を設ける。

【0050】

第２の気液分離部２３０は、圧縮部２２０の下流側に設けられ、第１の熱交換部３２０によって熱（潜熱）が回収されることによって、回収ガスＸにおいて凝縮した水（凝縮水）を回収ガスＸから分離する。

【0051】

第２の熱交換部３１０は、第２の気液分離部２３０において、凝縮水が分離された回収ガスＸの熱（顕熱）を回収して、上述した送出ライン１３０を流通するリッチ吸収液Ｒであって、第３の熱交換部１３２に加熱されたリッチ吸収液Ｒを加熱する。

【0052】

例えば、第１の熱交換部３２０によって冷却され、第２の気液分離部２３０によって凝縮水が分離された回収ガスＸ（例えば、１２０℃）は、第２の熱交換部３１０によって６０℃まで冷却される。これに伴い、第３の熱交換部１３２によって加熱されたリッチ吸収液Ｒは、第２の熱交換部３１０によって１１０℃まで加熱される。

【0053】

上述したように、本実施形態にかかる第１の気液分離部１４０で分離された回収ガスＸは、充填塔で吸収液を再生する構成と比較して、回収ガスＸ中における二酸化炭素に対する水蒸気の比率が大きい。したがって、圧縮部２２０によって、圧縮された後の回収ガスＸの温度が２００℃程度となるような低い圧力に回収ガスＸを圧縮したとしても、第１の熱交換部３２０は、多量の水蒸気の潜熱を回収することができる。つまり、１の圧縮部であっても、吸収液の再生に必要な熱量を回収することが可能となる。

【0054】

また、圧縮部２２０は、圧縮された後の回収ガスＸの温度が２００℃程度にしかならないため、圧縮部２２０を構成するインペラ等の部材を、安価な材料で構成することができ、圧縮部２２０のコストを低減することが可能となる。また、インペラ等の部材の耐熱温度が２００℃程度の圧縮機が、一般的に広く流通しているため、このような圧縮機を、圧縮部２２０に容易に利用することができる。

【0055】

第３の気液分離部２５０は、第２の熱交換部３１０によって熱（顕熱）が回収されることによって、回収ガスＸにおいて凝縮した水（凝縮水）を回収ガスＸから分離する。

【0056】

第１の凝縮水導入部２６０は、凝縮水導入ライン２６２と、圧力調整弁２６４とを含んで構成される。凝縮水導入ライン２６２は、第３の気液分離部２５０の底部と、上述した返送ライン１６０におけるポンプ１７０ｂと冷却部１６２との間を接続するライン（配管）である。凝縮水導入ライン２６２には、圧力調整弁２６４が設けられており、第３の気液分離部２５０において分離された凝縮水（６０℃）は、圧力調整弁２６４によって圧力が調整されて、凝縮水導入ライン２６２を通じて、上述した返送ライン１６０におけるポンプ１７０ｂと冷却部１６２との間に導入される。

【0057】

第２の凝縮水導入部２７０は、凝縮水導入ライン２７２と、圧力調整弁２７４とを含んで構成される。凝縮水導入ライン２７２は、第２の気液分離部２３０の底部と、上述した返送ライン１６０における第３の熱交換部１３２の上流側とを接続するライン（配管）である。凝縮水導入ライン２７２には、圧力調整弁２７４が設けられており、第２の気液分離部２３０において分離された凝縮水（１２０℃）は、圧力調整弁２７４によって圧力が調整されて、凝縮水導入ライン２７２を通じて、上述した返送ライン１６０における第３の熱交換部１３２の上流側に導入される。

【0058】

上述したように、加熱部１３４において、リッチ吸収液Ｒから二酸化炭素を放出するために加熱を行うと、二酸化炭素とともに水（水蒸気）がリッチ吸収液Ｒから放出される。そうすると、第１の気液分離部１４０で分離されるリーン吸収液Ｌ中の水の量が低下し、吸収剤の濃度が上昇することとなる。そこで、第１の気液分離部１４０から排出された回収ガスＸに含まれる水蒸気由来の凝縮水（第２の気液分離部２３０および第３の気液分離部２５０で分離された凝縮水）を、第１の気液分離部１４０で分離されたリーン吸収液Ｌに混合することで、吸収部１２０で利用するリーン吸収液Ｌの吸収剤の濃度を最適にすることができる。

【0059】

第２の気液分離部２３０で分離された凝縮水は、温度が１２０℃と高いため、返送ライン１６０における第３の熱交換部１３２の上流側に導入する。こうすることで、第３の熱交換部１３２は、第１の気液分離部１４０から分離されたリーン吸収液Ｌの顕熱のみならず、凝縮水の顕熱を回収することが可能となる。なお、第２の気液分離部２３０で分離された凝縮水は、返送ライン１６０ではなく、第１の気液分離部１４０に導入してもよい。

【0060】

ここで、第３の気液分離部２５０で分離された凝縮水も、返送ライン１６０における第３の熱交換部１３２の上流側に導入する構成が考えられるが、第３の気液分離部２５０で分離された凝縮水の温度は、第１の気液分離部１４０におけるリーン吸収液Ｌ（またはリッチ吸収液Ｒ）の温度よりも極めて低温（６０℃）である。したがって、第３の気液分離部２５０で分離された凝縮水を返送ライン１６０における第３の熱交換部１３２の上流側に導入すると、第３の熱交換部１３２において回収できる熱量が低下してしまう。

【0061】

そこで、第３の気液分離部２５０において分離された凝縮水を、返送ライン１６０における第３の熱交換部１３２の下流側に導入することで、第３の熱交換部１３２が回収する熱エネルギーの損失を抑制しつつ、リーン吸収液Ｌを最適な濃度に維持することが可能となる。

【0062】

（第１の熱交換部３２０と、第２の熱交換部３１０および第３の熱交換部１３２とによる熱交換効率）
図２は、第１の熱交換部３２０と、第２の熱交換部３１０および第３の熱交換部１３２との温度（Ｔ）−熱量（Ｑ）線を説明するための図である。図２中、第１の熱交換部３２０のＴＱ線を実線で示し、第３の熱交換部１３２および第２の熱交換部３１０のＴＱ線を破線で示す。

【0063】

図２に示すように、吸収部１２０から送出されたリッチ吸収液Ｒは、（Ａ）→（Ｂ）に示す順で加熱され、第１の気液分離部１４０でリーン吸収液Ｌと回収ガスＸに分離された後、回収ガスＸは、（Ｃ）→（Ｄ）に示す順で冷却される。

【0064】

具体的に説明すると、第２の気液分離部２３０によって凝縮水が分離された回収ガスＸの顕熱は、第２の熱交換部３１０によって回収され、吸収部１２０から送出されたリッチ吸収液Ｒが加熱される。これにより、１２０℃の回収ガスＸは、６０℃に冷却される（Ｄ）とともに、第２の気液分離部２３０による加熱に加えて、第３の熱交換部１３２によって、４０℃のリッチ吸収液Ｒは、１１０℃に加熱される（Ａ）。

【0065】

一方、第１の気液分離部１４０で分離され、圧縮部２２０によって圧縮された回収ガスＸの潜熱は、第１の熱交換部３２０によって回収され、第３の熱交換部１３２および第２の熱交換部３１０で加熱されたリッチ吸収液Ｒがさらに加熱される。これにより、２００℃の回収ガスＸは、１２０℃に冷却される（Ｃ）とともに、第１の熱交換部３２０によって、１１０℃のリッチ吸収液Ｒは、１２０℃に加熱される（Ｂ）。

【0066】

ここで、（Ａ）における温度上昇および（Ｄ）における温度低下と、（Ｂ）における温度上昇および（Ｃ）における温度低下とを比較すると、（Ａ）における温度上昇および（Ｄ）における温度低下の方が、傾きが大きいことが分かる。これは、（Ａ）および（Ｄ）において、リッチ吸収液Ｒや回収ガスＸに顕熱を与えたり、顕熱を回収したりしており、（Ｂ）および（Ｃ）において、リッチ吸収液Ｒや回収ガスＸの潜熱を与えたり、潜熱を回収したりしているためである。

【0067】

なお、熱付与におけるＴＱ線（Ａ）、（Ｂ）と、熱回収におけるＴＱ線（Ｃ）、（Ｄ）との差分が小さいほど熱交換効率が高いといえるが、図２中、（Ｅ）で示す領域においては、熱付与におけるＴＱ線（Ｂ）と、熱回収におけるＴＱ線（Ｃ）との差分が急激に大きくなっており、熱交換効率が低いことが分かる。これは、圧縮部２２０によって回収ガスＸがスーパーヒートされたためであると考えられる。この現象は、圧縮部２２０の下流側では必ず生じる現象である。したがって、圧縮部の数が多ければ多いほど、熱交換効率が低い箇所が増加することになる。

【0068】

しかし、本実施形態にかかる二酸化炭素回収装置１００では、圧縮部２２０が１つであっても、吸収液の再生に必要な熱量を回収することができるため、熱交換効率が低い箇所を最低限（１箇所）に抑えることが可能となる。

【0069】

（実施例）
二酸化炭素回収装置１００による吸収液の再生（実施例）と、充填塔を利用した吸収液の再生（比較例）との消費エネルギーの比較を行った結果を表１に示す。比較例においては、圧縮部を設けず、充填塔から排出された回収ガスの熱を回収していない。

【表1】

【0070】

表１に示すように、実施例において、加熱部で消費するエネルギーは６２１ｋＷであり、これに対し、比較例において、加熱部で消費するエネルギーは９７５ｋＷであった。また、実施例では圧縮部によって回収ガスＸを圧縮するための動力に６１ｋＷを要した。

【0071】

したがって、消費した総エネルギーは、実施例において６８２ｋＷであり、比較例において９７５ｋＷであった。これにより、実施例では、比較例と比較して、消費エネルギーを３０％程度削減できることが分かった。

【0072】

以上、説明したように、本実施形態にかかる二酸化炭素回収装置１００によれば、リッチ吸収液Ｒからリーン吸収液Ｌへ再生する構成を工夫することで、圧縮部２２０が１つであっても、吸収液の再生に要する熱エネルギーを効率よく回収することが可能となる。

【0073】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0074】

例えば、上述した実施形態において、加熱部１３４において一度加熱しただけで、リッチ吸収液Ｒに吸収された二酸化炭素を実質的にすべて放出することができる程度の熱量を、加熱部１３４がリッチ吸収液Ｒに与えることができれば、循環ライン１４２を設けずともよい。

【0075】

また、吸収部１２０において、リーン吸収液Ｌが二酸化炭素を吸収することによって得られる熱（反応熱）を回収して、送出ライン１３０における第２の熱交換部３１０の下流側のリッチ吸収液Ｒを加熱してもよい。

【0076】

また、充填材１２２を、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系金属材料で構成する場合を例に挙げて説明したが、リーン吸収液Ｌやリッチ吸収液Ｒの処理温度における耐久性や耐腐食性を有する材料であって、所望する接触面積を提供し得る形状のものを適宜選択してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明は、燃焼に伴う排気ガス等の二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を分離して回収する二酸化炭素回収装置に利用することができる。

【符号の説明】

【0078】

１００ …二酸化炭素回収装置
１２０ …吸収部
１３０ …送出ライン
１３２ …第３の熱交換部
１３４ …加熱部
１４０ …第１の気液分離部
１６０ …返送ライン
２１０ …通過ライン
２２０ …圧縮部
２３０ …第２の気液分離部
２５０ …第３の気液分離部
２６０ …第１の凝縮水導入部
２７０ …第２の凝縮水導入部
３１０ …第２の熱交換部
３２０ …第１の熱交換部

【図1】

【図2】