特開 2024-142093 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】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024142093

(43)【公開日】2024-10-10

(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 20060101AFI20241003BHJP

   B01D 53/62 20060101ALI20241003BHJP

   B01D 53/78 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

B01D53/14 220

B01D53/62 ZAB

B01D53/78

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054088

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000000240

【氏名又は名称】太平洋セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】福永 蘭

(72)【発明者】

【氏名】川之上 太志

(72)【発明者】

【氏名】一坪 幸輝

【テーマコード（参考）】

4D002

4D020

【Ｆターム（参考）】

4D002AA02

4D002AA09

4D002AA12

4D002AC05

4D002BA02

4D002BA14

4D002CA07

4D002DA31

4D002EA08

4D002GA01

4D002GA02

4D002GA03

4D002GB01

4D002GB02

4D002GB11

4D002HA08

4D020AA03

4D020AA05

4D020AA06

4D020BA16

4D020BC01

4D020CB08

4D020CC09

4D020CC10

4D020CD02

4D020DA01

4D020DA02

4D020DA03

4D020DB01

4D020DB03

4D020DB06

(57)【要約】

【課題】二酸化炭素を高い回収率で安定的に回収することが可能な二酸化炭素回収装置を提供する。
【解決手段】二酸化炭素回収装置１００は、導入される二酸化炭素を含有する排ガスＧ１から二酸化炭素を吸収する吸収液Ｌが貯留されている吸収塔３０と、加熱により二酸化炭素が分離される吸収液Ｌが貯留されている再生塔４０と、吸収塔３０から再生塔４０に導入される吸収液Ｌと再生塔４０から吸収塔３０に導入される吸収液Ｌとの間で熱交換を行う熱交換器５０と、排ガスＧ１の二酸化炭素の濃度を測定する排ガス分析計２３と、高濃度の二酸化炭素を含有するガスＧ３を吸収塔３０に導入する流量調整弁７５と、測定した二酸化炭素の濃度が所定の濃度Ｍ未満である場合、吸収塔３０に導入される排ガスＧ１の二酸化炭素の濃度が濃度Ｍ以上となるように、流量制御弁７５を制御して、吸収塔３０にガスＧ３を導入させる制御部９０とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導入される二酸化炭素を含有する排ガスから二酸化炭素を吸収する吸収液が貯留されている吸収塔と、
加熱により二酸化炭素が分離される吸収液が貯留されている再生塔と、
前記吸収塔から前記再生塔に導入される吸収液と前記再生塔から前記吸収塔に導入される吸収液との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、
前記排ガスの二酸化炭素の濃度を測定する濃度測定器と、
前記排ガスの二酸化炭素の濃度よりも高い濃度の二酸化炭素を含有するガスを前記吸収塔に導入する二酸化炭素ガス導入手段と、
前記濃度測定器が測定した二酸化炭素の濃度が所定の濃度未満である場合、前記吸収塔に導入される排ガスの二酸化炭素の濃度が前記所定の濃度以上となるように、前記二酸化炭素ガス導入手段を制御して、前記吸収塔に前記ガスを導入させる制御部とを備えることを特徴とする二酸化炭素回収装置。

【請求項2】

前記再生塔で分離された二酸化炭素を圧縮して貯蔵する二酸化炭素貯蔵手段を備え、
前記二酸化炭素ガス導入手段は、前記二酸化炭素貯蔵手段から前記ガスを前記吸収塔に導入する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】

前記第１の熱交換器から前記吸収塔に導入される吸収液と前記二酸化炭素貯蔵手段から前記吸収塔に導入される前記ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器を備える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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二酸化炭素回収装置に関する。

【背景技術】

【0002】

温室効果ガスの１つである二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスの削減はセメント業界にとっても喫緊の課題である。二酸化炭素ガスを回収する有力な技術として化学吸収法（アミン法）がある。化学吸収法は、アミン系吸収液の二酸化炭素の吸収、脱離の特性を利用した二酸化炭素分離回収技術であり、他方式に比べ大容量・低圧ガスに適合し、既存のセメント製造プロセスに影響を及ぼさないという利点がある。

【0003】

化学吸収法を用いた二酸化炭素回収装置においては、導入された二酸化炭素を含有するガスが吸収塔内の吸収液と気液接触して吸収され、二酸化炭素を吸収した吸収液が吸収塔から熱交換器により加熱された後、再生塔内に供給され、再生塔に貯留された吸収液が加熱器によって加熱され、これにより、吸収液中の二酸化炭素が再生塔内に二酸化炭素ガスとして放出され、高純度の二酸化炭素含有ガスとして回収される。吸収液と接触するガスに含有される二酸化炭素の濃度が高いほど、多くの二酸化炭素を安定的に回収することができる。

【0004】

例えば、特許文献１には、測定した排ガスの流量及び排ガス中の二酸化炭素濃度から吸収塔に導入される排ガス中の二酸化炭素流量を定め、吸収塔に供給する吸収液流量の二酸化炭素流量に対する比率を一定に調節すると共に、再生液を加熱する加熱器のスチーム流量の吸収液流量に対する比率を一定に調節することが開示されている。これにより、二酸化炭素の回収率を一定に維持すると共に、再生液の過剰な加熱を抑制することが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１０－１６５７６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術においては、吸収塔に導入される排ガス中の二酸化炭素濃度が低い場合、二酸化炭素を高い回収率で回収することができない。

【0007】

本発明は、二酸化炭素を高い回収率で安定的に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する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の二酸化炭素回収装置は、導入される二酸化炭素を含有する排ガスから二酸化炭素を吸収する吸収液が貯留されている吸収塔と、加熱により二酸化炭素が分離される吸収液が貯留されている再生塔と、前記吸収塔から前記再生塔に導入される吸収液と前記再生塔から前記吸収塔に導入される吸収液との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、前記排ガスの二酸化炭素の濃度を測定する濃度測定器と、前記排ガスの二酸化炭素の濃度よりも高い濃度の二酸化炭素を含有するガスを前記吸収塔に導入する二酸化炭素ガス導入手段と、前記濃度測定器が測定した二酸化炭素の濃度が所定の濃度未満である場合、前記吸収塔に導入される排ガスの二酸化炭素の濃度が前記所定の濃度以上となるように、前記二酸化炭素ガス導入手段を制御して、前記吸収塔に前記ガスを導入させる制御部とを備えることを特徴とする。

【0009】

本発明の二酸化炭素回収装置によれば、吸引塔に常に所定の濃度以上の二酸化炭素を含有するガスが導入される。そのため、二酸化炭素を高い回収率で安定的に回収することが可能となる。

【0010】

本発明の二酸化炭素回収装置において、前記再生塔で分離された二酸化炭素を圧縮して貯蔵する二酸化炭素貯蔵手段を備え、前記二酸化炭素ガス導入手段は、前記二酸化炭素貯蔵手段から前記ガスを前記吸収塔に導入することが好ましい。

【0011】

この場合、吸収塔に導入する高濃度の二酸化炭素を含有するガスのガス源として、外部のガス源を追加して設置する必要がない。

【0012】

また、本発明の二酸化炭素回収装置において、前記第１の熱交換器から前記吸収塔に導入される吸収液と前記二酸化炭素貯蔵手段から前記吸収塔に導入される前記ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器を備えることが好ましい。

【0013】

この場合、吸収塔に戻される吸収液を、冷却水などを用いて冷却することなく、二酸化炭素を吸収するに適した温度に冷却することが可能となる。また、吸収塔に導入されるガスを、別個の加熱装置を追加することなく、そのガスに含有される二酸化炭素が吸収液で吸収されるに適した温度に加熱することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る二酸化炭素回収装置１００を示す模式図。

【図2】本発明の実施形態の変形に係る二酸化炭素回収装置２００を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の実施形態に係る二酸化炭素回収装置１００を、図面を参照して説明する。二酸化炭素回収装置１００は、セメント原料粉末Ｐを焼成するセメント焼成装置１０に付設されている。

【0016】

セメント焼成装置１０は、予備加熱機１１、仮焼炉１２、及びセメントキルン１３などから構成されている。

【0017】

予備加熱機１１は、多段、ここでは４段のサイクロン１１ａ～１１ｄが配列されてなるプレヒータである。セメント原料粉末Ｐは、図示しないセメント原料粉末生成設備から最上段のサイクロン１１ａに供給され、サイクロン１１ａ～１１ｃを下方に順次移動しながら予備加熱され、サイクロン１１ｃから仮焼炉１２に供給され、最終的にサイクロン１１ｄに供給される。予備加熱機１１は、誘引ファン１４で吸引されて上昇する高温の排ガスＧとの熱交換により、セメント原料粉末Ｐを予備加熱する。

【0018】

仮焼炉１２は、予備加熱機１１の下部に備わり、バーナなどを備えている。仮焼炉１２は、その型式は限定されないが、例えば、流動床式、流動層式、噴流層式などの型式であってもよい。なお、仮焼炉１２を省略して、予備加熱機１１からセメントキルン１３にセメント原料粉末Ｐを直接的に供給してもよい。

【0019】

セメントキルン１３は、バーナ１３ａを備えており、仮焼炉１２にて仮焼されたセメント原料粉末Ｐを１３５０℃～１４５０℃で焼成してセメントクリンカＣを生成する。セメントキルン１３は、その型式は限定されないが、例えば、ロータリー式である。

【0020】

セメントキルン１３にて得られたセメントクリンカＣは、排出口から落下して、クリンカクーラ１５に投入され、１００℃程度に冷却される。冷却されたセメントクリンカＣはクリンカクーラ１５の取出口から外部へ取り出される。なお、クリンカクーラ１５でセメントクリンカＣを冷却して高温となった排ガスＧの一部は、仮焼炉１２に流入する。

【0021】

二酸化炭素回収装置１００は、洗浄塔（前処理塔）２０、吸収塔３０、再生塔４０、２つの熱交換器５０，６０、二酸化炭素貯蔵タンク７０、冷却水タンク８０、及び制御部９０などから構成されている。二酸化炭素回収装置１００において二酸化炭素を化学吸収法にて吸収する吸収液Ｌは、ＭＥＡ、ＭＤＥＡ、ＡＭＰ、ＰＺ／ＰＩＰＡなどのアミン系吸収液である。なお、熱交換器５０は本発明の第１の熱交換器に、二酸化炭素貯蔵タンク７０は本発明の二酸化炭素貯蔵手段に、熱交換器６０は本発明の第２の熱交換器に、それぞれ相当する。

【0022】

洗浄塔２０内に、二酸化炭素（ＣＯ_２）を含有する排ガスＧ１が、誘引ファン２１で吸引されて配管２２を介して導入される。この排ガスＧ１は、図示しないが、セメント原料からセメント原料粉末Ｐを生成してセメント焼成装置１０に供給するセメント原料粉末生成設備から排出され、電気集塵機などの集塵手段を介して、煙突から大気に放出される手前から抽出したものである。洗浄塔２０内に導入された排ガスＧ１は、その内部の洗浄液により硫黄酸化物（ＳＯｘ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）などの不純物が除去される。洗浄塔２０に導入される排ガスＧ１は、配管２２に設置された排ガス分析計２３により、排ガスＧ１を構成する各種成分の濃度が測定される。その測定結果を示すデータは制御部９０に送信される。なお、排ガス分析計２３は本発明の濃度測定器に相当する。

【0023】

洗浄塔２０から排出された排ガスＧ１は、誘引ファン３１で吸引されて配管３２を介して吸収塔３０内に導入される。この排ガスＧ１は吸収塔３０内の吸収液Ｌと気液接触して、排ガスＧ１中の二酸化炭素が吸収液Ｌに吸収される。吸収液Ｌの温度は、例えば、約３０℃～約４０℃である。吸収塔３０に導入される排ガスＧ１は、配管３２に設置された排ガス分析計３３により、排ガスＧ１を構成する各種成分の濃度が測定される。その測定結果を示すデータは制御部９０に送信される。

【0024】

吸収塔３０内で二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）Ｌは、ポンプ５１により熱交換器５０に送られ、例えば、約１００℃～約１１０℃に加熱された後、再生塔４０内に供給される。

【0025】

この吸収液Ｌは、再生塔４０の下部に貯留され、ボイラーや蒸気などを用いた加熱器４１によって加熱され、約１２０℃～約１２５℃に昇温する。これにより、吸収液Ｌ中の二酸化炭素が再生塔４０内に二酸化炭素ガスとして放出される。

【0026】

この二酸化炭素を含有するガスＧ２は再生塔４０内を上昇して上部から排出され、遠心式圧縮機などの圧縮機７１で圧縮され、ドライヤ７２で乾燥されて水分が除去された後、二酸化炭素貯蔵タンク７０に高濃度の二酸化炭素を含有するガスＧ３として貯蔵される。二酸化炭素貯蔵タンク７０に貯蔵されたガスＧ３は、後述するように配管３２に戻されるものを除いて、大部分がＣＣＳ（Carbon dioxide Capture and Storage）、ＣＣＵ（Carbon dioxide Capture and Utilization）、ＣＣＵＳ（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage）などに利用される。

【0027】

一方、二酸化炭素が除去されて再生された高温の吸収液（リーン液）Ｌは、ポンプ５２により熱交換器５０に送られ、吸収塔３０から送られた二酸化炭素を吸収した吸収液Ｌと熱交換され、約５０℃～約６０℃に冷却される。

【0028】

そして、吸収液Ｌは、ポンプ６１により熱交換器６０に送られ、冷却水タンク８０からポンプ６２により送られた、例えば約２５℃～約３０℃の冷却水Ｗと熱交換して、約４０℃～約４５℃にとさらに冷却された後、吸収塔３０内に上部から供給され、再び、排ガスＧ１から二酸化炭素を吸収する。二酸化炭素が除去された排ガスＧ４は吸収塔３０内を上昇し、セメント焼成装置１０にセメント原料粉末Ｐを供給する図示しないセメント原料粉末生成設備に導入される。

【0029】

二酸化炭素貯蔵タンク７０と吸収塔３０の排ガスＧ１の導入口の上流とを接続する配管７３が設けられている。この配管７３には、二酸化炭素貯蔵タンク７０から配管７３を介して供給される高濃度の二酸化炭素を含有するガスＧ３を減圧する減圧弁７４、減圧されたガスＧ３の流量を調整する流量調整弁７５、及び、流量が調整されたガスＧ３の流量を測定する流量計７６が設置されている。減圧弁７４及び流量調整弁７５は制御部９０により制御され、流量計７６の測定結果を示すデータは制御部９０に送信される。なお、流量調整弁７５は本発明の高濃度二酸化炭素ガス導入手段に相当する。

【0030】

次に、制御部９０による減圧弁７４及び流量調整弁７５の制御について説明する。なお、制御部９０は、ＣＰＵや記憶装置等を有するコンピュータなどである。

【0031】

制御部９０は、排ガス分析計２３が測定した排ガスＧ１に含有される二酸化炭素の濃度が、予め設定された所定の濃度Ｍ、例えば、１６vol％～２０vol％などの範囲内の予め設定された濃度Ｍ未満であると判断した場合、減圧弁７４及び流量調整弁７５を制御して、吸収塔３０に排ガスＧ１に二酸化炭素貯蔵タンク７０から高濃度の二酸化炭素を含有するガスＧ３を加えて混合して導入させる。

【0032】

ガスＧ３の導入量は、吸収塔３０に導入される排ガスＧ１とガスＧ３との混合ガス（Ｇ１＋Ｇ３）に含有される二酸化炭素の濃度が濃度Ｍ以上となるように、制御部９０にて定められる。なお、この際の目標濃度は、濃度Ｍであっても、濃度Ｍよりも高い所定の濃度であってもよい。

【0033】

そして、制御部９０は、流量計７６の測定結果を示すデータからガスＧ３の導入量が定めた導入量であるか確認する。また、制御部９０は、排ガス分析計３３の測定結果を示すデータから吸収塔３０に導入される混合ガス（Ｇ１＋Ｇ３）に含有される二酸化炭素の濃度が濃度Ｍ以上であるか確認する。そして、制御部９０は、これらの結果に基づいて、減圧弁７４及び流量調整弁７５をフィードバック制御する。

【0034】

これにより、吸引塔３０に常に濃度Ｍ以上の二酸化炭素を含有する排ガスＧ１又は混合ガス（Ｇ１＋Ｇ３）が導入される。そのため、二酸化炭素を高い回収率で安定的に回収することが可能となる。

【0035】

次に、本発明の実施形態の変形に係る二酸化炭素回収装置２００について、図２を参照して説明する。

【0036】

二酸化炭素回収装置２００においては、二酸化炭素貯蔵タンク７０から供給される高濃度の二酸化炭素を含有するガスＧ３は、熱交換器１１０に送られ、熱交換器５０からポンプ１１１を介して熱交換器１１０に供給される吸収液Ｌと熱交換された後、配管７３を通って、減圧弁７４、流量調整弁７５、及び流量計７６を介して配管３２を経て吸収塔３０に導入される。

【0037】

二酸化炭素貯蔵タンク７０に貯蔵されているガスＧ３の温度は、室温、例えば２０℃程度であり、一方、熱交換器５０から熱交換器１１０に供給される吸収液Ｌの温度は、前述したように、例えば約５０℃～約６０℃である。そこで、これらの熱交換が熱交換器１１０で行われることによって、吸収塔３０には例えば約４０℃～約４５℃の温度の吸収液Ｌが供給され、配管３２には例えば約４０℃～約４５℃の温度のガスＧ３が供給される。

【0038】

これにより、吸収塔３０に戻される吸収液Ｌを、冷却水Ｗにて冷却することなく、二酸化炭素を吸収するに適した温度に冷却することが可能となる。また、吸収塔３０に導入されるガスＧ３が適温に加熱されるので、吸収塔３０に導入される混合ガス（Ｇ１＋Ｇ３）の温度を二酸化炭素が吸収液Ｌで吸収されるに適した温度とすることが可能となる。

【0039】

ただし、二酸化炭素貯蔵タンク７０からガスＧ３が熱交換器１１０に供給されるのは、は、排ガスＧ１に含有される二酸化炭素の濃度が濃度Ｍ未満であると制御部９０が判断した場合のみである。そこで、それ以外の場合は、熱交換器５０から熱交換器１１０を供給された吸収液Ｌは、熱交換器１１０で熱交換されることなく、熱交換器６０に供給され、冷却水Ｗと熱交換されて冷却された後に、吸収塔３０に戻される。

【0040】

なお、排ガスＧ１に含有される二酸化炭素の濃度が所定の濃度Ｍ未満であると制御部９０が判断した場合であっても、ガスＧ３の供給量が十分でなく、吸収液Ｌが熱交換器１１０にて十分に冷却されないときは、熱交換器６０にて冷却水Ｗと熱交換させて冷却した後に、吸収塔３０に戻せばよい。

【0041】

本発明は、上述した実施形態に具体的に記載した二酸化炭素回収装置１００，２００に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内であれば適宜変更することができる。

【0042】

例えば、高濃度の二酸化炭素を含有するガスＧ３は、二酸化炭素貯蔵タンク７０から配管７３に導入されるものに限定されない。例えば、市販の二酸化炭素ガスボンベなどから高濃度の二酸化炭素を含むガスＧ３を配管７３に導入してもよい。

【符号の説明】

【0043】

１０…セメント焼成装置、 １１…予備加熱機、 １１ａ～１１ｄ…サイクロン、 １２…仮焼炉、 １３…セメントキルン、 １３ａ…バーナ、 １４…誘引ファン、 １５…クリンカクーラ、 ２０…洗浄塔、 ２１…誘引ファン、 ２２…配管、 ２３…排ガス分析計（濃度測定器）、 ３０…吸収塔、 ３１…誘引ファン、 ３２…配管、 ３３…排ガス分析計、 ４０…再生塔、 ４１…加熱器、 ５０…熱交換器（第１の熱交換器）、 ６０…熱交換器（第２の熱交換器）、 ５１，５２，６１，６２…ポンプ、 ７０…二酸化炭素貯蔵タンク（二酸化炭素貯蔵手段）、 ７１…圧縮機、 ７２…ドライヤ、 ７３…配管、 ７４…減圧弁、 ７５…流量調整弁（高濃度二酸化炭素ガス導入手段）、 ７６…流量計、 ８０…冷却水タンク、 ９０…制御部、 １００，２００…二酸化炭素回収装置、 １１０…熱交換器（第２の熱交換器）、 １１１…ポンプ、 Ｃ…セメントクリンカ、 Ｇ…排ガス、 Ｇ１，Ｇ２…二酸化炭素を含有する排ガス、 Ｇ３…高濃度の二酸化炭素を含有するガス、 Ｇ４…二酸化炭素が除去された排ガス、 Ｌ…吸収液、 Ｐ…セメント原料粉末、 Ｗ…冷却水。

【図1】

【図2】