JP6239519B2 - 脱硫装置およびそこで発生した凝縮水の使用方法 - Google Patents
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Description
本発明は、脱硫装置およびこの脱硫装置で発生した凝縮水の使用方法に関する。
地球温暖化現象の原因の一つとして、ＣＯ２による温室効果が指摘されており、そのため、ＣＯ２を大気へ放出することを防ぐ又は抑える技術について多くの研究、開発が行われている。ＣＯ２の発生源は主に化石燃料の燃焼によるものである。よって、化石燃料の燃焼排ガスは、ガス中からＣＯ２を減少または除去した後、大気へ排出することが望まれる。
特開２００８−１２６１５４号公報には、化石燃料の燃焼排ガスを、先ず、脱硫吸収液と接触させてガス中の硫黄酸化物を吸収、除去した後、この脱硫ガスを塩基性アミン化合物などのＣＯ２吸収液と接触させてガス中のＣＯ２を吸収、除去し、このＣＯ２を吸収した吸収液から、ＣＯ２を分離、回収するとともに、吸収液を再生する、脱硫脱炭酸方法が記載されている。この公報には、脱硫ガスを、ＣＯ２吸収液と接触させる前に冷却しておくことが記載されている。また、この脱硫ガスの冷却の際に発生する凝縮水の一部を、脱硫吸収液に添加することが記載されている。
このような構成の脱硫装置では、脱硫ガスの冷却の際に発生する凝縮水は、その一部が再利用されているものの、大部分が系外に排出されることから、排水量が非常に多いという問題がある。
そこで、本発明の目的は、脱硫ガスの冷却の際に発生する凝縮水を有効に利用し、系外に排出される排水量を大幅に抑えることができる脱硫装置およびそこで発生した凝縮水の使用方法を提供することである。
本発明は、その一態様として、脱硫装置で発生する凝縮水の使用方法であって、硫黄酸化物を含有する処理対象ガスと脱硫吸収液を接触させて、処理対象ガスから硫黄酸化物を吸収、除去するステップと、硫黄酸化物を除去した脱硫ガスを冷却し、脱硫ガスから凝縮水を得るステップと、前記凝縮水で前記脱硫装置を洗浄するステップとを含む。
前記脱硫装置の洗浄ステップは、前記処理対象ガスを前記脱硫装置に導入するための入口を前記凝縮水で洗浄することを含んでもよい。前記脱硫ガスの冷却ステップの前に、ミストエリミネータで、前記脱硫ガスから同伴する脱硫吸収液を除去するステップを更に含んでもよい。この場合、前記脱硫装置の洗浄ステップは、前記ミストエリミネータを凝縮水で洗浄することを含んでもよい。前記脱硫装置の洗浄ステップは、前記ガス入口と前記ミストエリミネータとの両方を前記凝縮水で洗浄することを更に含んでもよい。
本発明の方法は、前記凝縮水を、前記脱硫吸収液の補給水として再利用するステップを更に含んでもよい。また、前記凝縮水を、前記脱硫ガスの冷却ステップで前記脱硫ガスを冷却する冷却液として再利用するステップを更に含んでもよい。
本発明は、別の態様として、脱硫装置であって、硫黄酸化物を含有する処理対象ガスと脱硫吸収液を接触させて、処理対象ガスから硫黄酸化物を吸収、除去する脱硫部と、前記脱硫部で硫黄酸化物を除去した脱硫ガスを冷却し、脱硫ガスから凝縮水を得る過冷却部と、前記凝縮水で前記脱硫装置を洗浄するために、前記過冷却部から前記凝縮水を洗浄箇所に供給するための凝縮水ラインとを備える。
前記洗浄箇所は、前記処理対象ガスを前記脱硫装置に導入するためのガス入口であってもよい。前記脱硫部と前記過冷却部との間に、前記脱硫ガスから同伴する脱硫吸収液を除去するためのミストエリミネータを更に備えてもよい。この場合、前記洗浄箇所は、前記ミストエリミネータであってもよい。前記洗浄箇所は、前記ガス入口と前記ミストエリミネータの両方であってもよい。
本発明の装置は、前記凝縮水を補給水として前記脱硫吸収液に添加するために、前記過冷却部から前記凝縮水を供給する補給水ラインを更に備えてもよい。また、前記過冷却部で得た前記凝縮水を、前記過冷却部で前記脱硫ガスを冷却する冷却液として再利用するために前記凝縮水を循環供給するラインを更に備えてもよい。
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。
図１に示すように、本実施の形態のＣＯ２回収システムは、化石燃料の燃焼排ガスなどの硫黄酸化物や二酸化炭素を含有する処理対象ガスに対し、ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫塔１０と、この脱硫塔で硫黄酸化物が除去された脱硫ガスから、ＣＯ２吸収液を用いてＣＯ２を除去するＣＯ２吸収塔２０と、ＣＯ２を吸収したＣＯ２吸収液（リッチ吸収液という）からＣＯ２を脱離してＣＯ２吸収液を再生する（リーン吸収液という）再生塔３０とを主に備える。
脱硫塔１０は、塔の中央部に設けたチムニートレイ１６を境に、塔の下部に、処理対象ガス中の硫黄酸化物を高度に除去する脱硫部１１を備え、塔の上部に、この脱硫部を通過した脱硫ガスを冷却する脱硫ガス過冷却部１２を備える。なお、この脱硫塔は、高度脱硫冷却塔とも呼ばれる。この脱硫塔１０のより詳細な構成について、図２に示す。
図２に示すように、脱硫塔１０は、塔底部に位置し、脱硫吸収液を貯留するための吸収液槽１４と、脱硫部１１とチムニートレイ１６との間に位置し、通過するガスに同伴する液滴を除去する第１のミストエリミネータ１５と、過冷却部１２の更に塔頂側に位置し、通過するガスに同伴する液滴を除去する第２のミストエリミネータ１８とを更に備える。第１のミストエリミネータ１５は樹脂、もしくは金属の折れ板構造を有する。第２のミストエリミネータ１８は、金属線または樹脂線が三次元的に網状に織られた構造物である。
さらに、脱硫塔１０は、塔内に処理対象ガスを導入するために、脱硫部１１の下側に設けられたガス導入口１９と、吸収液槽１４内の脱硫吸収液を脱硫部１１に供給するための吸収液供給ライン６１と、チムニートレイ１６に溜まった冷却液および凝縮水を過冷却部１２に循環供給するために、過冷却部１２の上下側をつなぐ冷却液循環ライン５１と、この冷却液循環ラインによって供給される冷却液を過冷却部１２に噴霧する複数の冷却液ノズル１７と、脱硫部１１および過冷却部１２を通過した脱硫ガスを塔外に排出するために、塔頂部に設けられたガス排出ライン１３とを備える。
吸収液供給ライン６１には、脱硫吸収液を圧送するためのポンプ６２を設ける。また、この吸収液供給ライン６１には、ライン内の脱硫吸収液の一部を空気と混合し、吸収液槽１４内の脱硫吸収液に吹き込むための吹き込みノズル６３を設ける。
脱硫部１１で使用される脱硫吸収液としては、例えば、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ナトリウムなどのうちの１つの化合物または２つ以上の化合物の混合物を含むものが好ましい。脱硫吸収液における当該化合物の濃度は、例えば、０．１〜３０重量％が好ましい。
冷却液循環ライン５１には、冷却液を流すためのポンプ５２と、冷却剤との熱交換によって冷却液を冷却する冷却器５３とを設ける。なお、冷却液循環ライン５１には、冷却器５３を迂回して冷却液をチムニートレイ１６から冷却液ノズル１７へ流すためのバイパスライン５４を設け、このバイパスラインには、バイパスラインを流れる冷却液の流量を調節するためのバルブ５５を設ける。
さらに、脱硫塔１０は、チムニートレイ１６に溜まった冷却液を、脱硫塔１０内の洗浄液として再利用するための凝縮水再利用ライン５６を備える。この凝縮水再利用ライン５６は、図２に示すように、冷却液循環ライン５１から、洗浄箇所である処理対象ガスのガス導入口１９に冷却液を供給する第１の凝縮水再利用ライン５６Ａと、洗浄箇所である第１のミストエリミネータ１５に冷却液を供給する第２の凝縮水再利用ライン５６Ｂとに分岐する。また、脱硫塔１０は、チムニートレイ１６に溜まった冷却液を、塔底部の吸収液槽１４内に補給水として再利用するための補給水ライン５７を備える。さらに、凝縮水再利用ライン５６には、凝縮水を系外へ排出するための凝縮水排水ライン５８を設ける。
ＣＯ２吸収塔２０は、塔の下部にＣＯ２吸収部２１を備え、塔の上部に水洗部２２を備える。洗浄部は複数段あってもよい。また、ＣＯ２吸収塔２０は、ＣＯ２吸収部２１および水洗部２２の間には、チムニートレイを備えるとともに、各水洗部２２の塔頂側には、通過するガスに同伴する液滴を除去するミストエリミネータを備える。ＣＯ２吸収部２１の下側には、塔内に脱硫ガスを導入するためのガス導入排出ライン１３が接続する。
さらに、ＣＯ２吸収塔２０は、ＣＯ２吸収液をＣＯ２吸収部２１に供給するために、ＣＯ２吸収部２１の上側に設けられたリーン吸収液ライン４０と、ＣＯ２を吸収したリッチ吸収液を排出するために、塔底部に設けられたリッチ吸収液ライン２５とを備える。さらに、ＣＯ２吸収塔２０は、各チムニートレイに溜まった洗浄水を各水洗部２２に循環供給するために、各水洗部２２の上下側をつなぐ洗浄水循環ライン２５２７と、ＣＯ２吸収部２１および水洗部２２を通過したガスを塔外に排出するために、塔頂部に設けられたガス排出ライン２４とを備える。洗浄水循環ライン２５２７には、循環供給する洗浄水を冷却する冷却器２６を設ける。
ＣＯ２吸収液としては、特に限定されないが、塩基性アミン化合物を主成分とするＣＯ２吸収液が好ましい。塩基性アミン化合物としては、例えば、モノエタノールアミン、２−アミノ−２−メチン−１−プロパノールなどのアルコール性水酸基含有１級アミン類、ジエタノールアミン、２−メチルアミノエタノール、２−エチルアミノエタノールなどのアルコール性水酸基含有２級アミン類、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、２−ジメチルアミノエタノール、２−ジエチルアミノエタノールなどのアルコール性水酸基含有３級アミン類、エチレンジアミン、トリエチレンジアミン、ジエチレントリアミンなどのポリエチレンポリアミン類、ピペラジン類、ピペリジン類、ピロリジン類などの環状アミン類、キシリレンジアミンなどのポリアミン類、メチルアミリカルポン酸などのアミノ酸類がある。ＣＯ２吸収液は、これらの１つの化合物または複数の化合物を含有してもよい。塩基性アミン化合物の濃度は１０〜７０重量％としてもよい。ＣＯ２吸収液は、二酸化炭素吸収促進剤や、腐食防止剤を含有してもよく、また、その他の媒体として、メタノール、ポリエチレングリコール、スルフォラン等を含有してもよい。
再生塔３０は、塔の中央部から下部にかけてＣＯ２脱離部３１を備え、このＣＯ２脱離部の上方に水洗部３２を備える。再生塔３０には、ＣＯ２吸収塔２０でＣＯ２を吸収したリッチ吸収液を再生塔３０に導入するためのリッチ吸収液ライン２５が、ＣＯ２脱離部３１と水洗部３２との間に接続している。また、再生塔３０には、再生処理されたリーン吸収液をＣＯ２吸収塔２０に供給するためのリーン吸収液ライン４０が、塔底部に設けられている。そして、リッチ吸収液ライン２５とリーン吸収液ライン４０との間で熱交換を行う熱交換器４１が設けられている。さらに、リーン吸収液ライン４０には、熱交換器４１とＣＯ２吸収塔２０との間にリーン吸収液の熱を更に回収するための熱交換器４２が設けられている。
再生塔３０は、チムニートレイの上方から吸収液の一部を抜き出して塔底部に供給する吸収液再生ライン３８を備え、この吸収液再生ライン３８には吸収液を加熱するリボイラ３９を備える。また、再生塔３０は、リッチ吸収液から脱離したＣＯ２ガスを塔頂部から排出するＣＯ２ガス排出ライン３３を備え、このＣＯ２ガス排出ライン３３には、ＣＯ２ガスに同伴する水蒸気を凝縮するコンデンサ３４と、これにより生じた凝縮水をガスから分離する分離ドラム３５とを備える。コンデンサ３４では、例えば、冷却水を用いてガスを冷却してもよい。分離ドラム３５には、分離した凝縮水を再生塔３０の水洗部３２の洗浄水として供給するための凝縮水返送ライン３７が設けられている。
分離ドラム３５には、分離したＣＯ２ガスをＣＯ２ガス圧縮系（図示省略）へ供給するためのＣＯ２ガスライン３６を設け、このＣＯ２ガスライン３６には、ＣＯ２ガスの流量を調整するバルブを設ける。ＣＯ２ガス圧縮系は、図示省略したが、複数のコンプレッサによってＣＯ２ガスを所定の圧力まで圧縮する装置である。
このような構成によれば、先ず、硫黄酸化物および二酸化炭素を含有する処理対象ガスを、ガス導入口１９を介して脱硫塔１０に導入する。塔内の脱硫部１１では、このガスを脱硫吸収液に気液接触させてガス中の硫黄酸化物を吸収して除去することで、硫黄酸化物の濃度を５ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下になるように高度脱硫処理することができる。ガス中の硫黄酸化物濃度が５ｐｐｍを超えると、ＣＯ２吸収塔２０で使用するＣＯ２吸収液に硫黄酸化物が蓄積し、ＣＯ２吸収液をリクレーミングする頻度が増加するという問題があるためである。
なお、脱硫部１１には、吸収液供給ライン６１を介して吸収液槽１４内の脱硫吸収液を供給し、処理対象ガスに対して噴射する。また、吸収液槽１４内の脱硫吸収液には、吹き込みノズル６３を介して空気を吹き込み、脱硫吸収液に吸収された硫黄酸化物を、脱硫吸収液と反応させ、更に酸化させて石膏などの副生物を生成させる。
脱硫ガスは、第１のミストエリミネータ１５を通過することで、同伴する液滴（主に、脱硫吸収液）が除去された後、チムニートレイ１６を超えて、塔上部の過冷却部１２に流れる。過冷却部１２では、複数の冷却液ノズル１７から冷却液が噴霧され、脱硫ガスの温度を５０℃以下、好ましくは４５℃以下、より好ましくは３０〜４５℃の範囲に冷却する。ガス温度が５０℃を超えると、その後のＣＯ２吸収塔２０にて、ガスに同伴するＣＯ２吸収液の主成分である塩基性アミン化合物の量が増加し、塩基性アミン化合物が無駄に消費されるという問題があるからである。
冷却された脱硫ガスは、第２のミストエリミネータ１８で同伴する液滴（主に、冷却液）が除去された後、塔頂部のガス排出ライン１３からＣＯ２吸収塔２０へと送る。このように、ＣＯ２吸収塔２０の処理対象ガスの前流側に高度脱硫冷却装置を設置することで、ＣＯ２吸収塔２０にて容易に且つ低コストでガス中のＣＯ２を除去、回収することができる。
一方、過冷却部１２では、脱硫ガス中の水分が冷却によって凝縮することから、噴霧された冷却液とともに凝縮水がチムニートレイ１６に溜まる。この冷却液および凝縮水は、過冷却部１２で再利用するために、冷却液循環ライン５１を介して冷却器５３で冷却した後、冷却液として冷却液ノズル１７から噴霧する。なお、過冷却部１２で所定の温度に脱硫ガスを冷却するために、バイパスライン５４に流れる冷却液の流量と、冷却器５３に流れる冷却液の流量との比を、バルブ５５を介して調節、制御することができる。
このように循環利用される一定の量の冷却液に加え、チムニートレイ１６では、脱硫ガスから多量の凝縮水が回収される。よって、この凝縮水を、凝縮水再利用ライン５６を介して脱硫塔１０の洗浄液として再利用したり、補給水ライン５７を介して塔底部の吸収液槽１４内に補給水として再利用したりすることができる。
凝縮水の再利用として、先ず、第１の凝縮水再利用ライン５６Ａを介してガス導入口１９に供給し、ガス導入口１９の洗浄水として使用することができる。ガス導入口１９は、硫黄酸化物を含有する処理対象ガスが通過するため、そのダクト部分等に、反応によって生成する石膏などが付着する。よって、このような付着物を洗浄するため、チムニートレイ１６で回収した凝縮水を再利用する。ガス導入口１９の洗浄は、脱硫塔１０の運転中、連続的に行ってもよいし、間欠的に行ってもよい。
凝縮水の再利用として、次に、第２の凝縮水再利用ライン５６Ｂを介して第１のミストエリミネータ１５に供給し、第１のミストエリミネータ１５の洗浄水として使用することができる。第１のミストエリミネータ１５は、脱硫吸収液を同伴する脱硫ガスが通過することから、その折れ板構造部分に石膏などが付着する。よって、このような付着物を洗浄するため、チムニートレイ１６で回収した凝縮水を再利用する。第１のミストエリミネータ１５の洗浄は、脱硫塔１０の運転中、連続的に行ってもよいし、間欠的に行ってもよい。
凝縮水の再利用として、さらに、補給水ライン５７を介して塔底の吸収液槽１４に供給し、脱硫部１１の脱硫吸収液に添加する補給水として使用することができる。脱硫部１１では、処理対象ガスに対して噴射された脱硫吸収液が塔底の吸収液槽１４へ落下することから、脱硫部１１内で脱硫吸収液が循環して再利用されるが、高温の処理対象ガスと接触することで、一部は蒸発して脱硫ガスとともに脱硫部１１から排出される。よって、吸収液槽１４の脱硫吸収液には補給水を加える必要がある。補給水の添加は、脱硫塔１０の運転中、連続的に行ってもよいし、間欠的に行ってもよい。
過剰の凝縮水は、凝縮水排水ライン５８を介して系外へ排出する。排出した凝縮水は、別途、再利用することもできるし、必要な処理をして廃棄することもできる。
次に、ガス排出ライン１３を介して脱硫塔１０からＣＯ２吸収塔２０に導入された脱硫ガスは、ＣＯ２吸収部２１においてＣＯ２吸収液と気液接触させ、脱硫ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸収液に吸収し、除去する。ＣＯ２が除去されたガスは、チムニートレイを超えて第一の水洗部２２へ流れ、洗浄水で洗浄する。そして、洗浄部２２で洗浄された脱炭酸ガスは、ミストエリミネータを通過して、塔頂部のガス排出ライン２４から排出する。水洗部２２で使用された洗浄水は、各チムニートレイに溜まり、ＣＯ２吸収部２１へは流下しない。溜まった洗浄水は、洗浄水液循環ライン２７を介して水洗部２２で洗浄水として循環利用する。
ＣＯ２吸収塔２０でＣＯ２を吸収したリッチ吸収液は、塔底からリッチ吸収液ライン２５を介して排出し、熱交換器４１で加熱した後、再生塔３０へ送る。再生塔３０では、ＣＯ２脱離部３１にこのリッチ吸収液を散布する。リッチ吸収液は、ＣＯ２脱離部３１内を加熱されながら流下する。そして、大部分のＣＯ２を放出して塔底付近のチムニートレイまで流下する。チムニートレイに溜まった吸収液は、吸収液再生ライン３８を介してリボイラ３９でスチームによって加熱し、残ったＣＯ２を放出して吸収液を再生し、再生塔３０の塔底に戻す。再生したリーン吸収液は、塔底のリーン吸収液ライン４０を介して、熱交換器４１でリッチ吸収液を加熱し、熱交換器４２で更に熱を回収した後、ＣＯ２吸収塔２０へ供給する。
リッチ吸収液から脱離したＣＯ２ガスは、チムニートレイおよびＣＯ２脱離部３１を通過して水洗部３２へと上昇する。水洗部３２では、凝縮水返送ライン３７から洗浄水を散布し、ＣＯ２ガスに同伴するＣＯ２吸収液を除去する。水洗部３２で洗浄したＣＯ２ガスは、再生塔の塔頂のＣＯ２ガス排出ライン３３から排出する。再生塔３０から排出されたＣＯ２ガスは、同伴する水蒸気をコンデンサ３４で凝縮し、さらに分離ドラム３５でこの凝縮水を分離する。凝縮水を除いたＣＯ２ガスは、ＣＯ２ガスライン３６を介してＣＯ２ガス圧縮系（図示省略）へ供給し、所定の圧力まで圧縮して回収する。
なお、本発明は図１の実施の形態に限定されず、例えば、高度脱硫冷却塔である脱硫塔１０の前流側に、過冷却部のない脱硫部のみの脱硫塔を設置してもよい。
図２に示す高度脱硫冷却塔において、凝縮水の発生量と、その再利用量とを計算した。１５０ＭＷの脱硫塔の場合、発生する凝縮水は７８８ｔｏｎ／日であった。一方、ガス入口のダクト洗浄水量は５１ｔｏｎ／日、ミストエリミネータの洗浄水量は１７７ｔｏｎ／日、吸収液の補給水量は２１６ｔｏｎ／日であった。よって、凝縮水の排水量は３４４ｔｏｎ／日であり、排水量を大幅に削減することができた。
また、図２に示す高度脱硫冷却塔の前流側に、過冷却部のない脱硫部のみの脱硫塔を設置した場合についても、凝縮水の発生量と、その再利用量とを計算した。１５０ＭＷの高度脱硫冷却塔の場合、その入口ガス温度が８０℃の条件で、発生する凝縮水は５９９ｔｏｎ／日であった。一方、ガス入口のダクト洗浄水量は１９ｔｏｎ／日、ミストエリミネータの洗浄水量は１７７ｔｏｎ／日、吸収液の補給水量は８１ｔｏｎ／日であった。よって、凝縮水の排水量は３２３ｔｏｎ／日であり、排水量を大幅に削減することができた。
以上、本発明を好ましい実施の形態を用いて説明してきたが、本発明の範囲を既述した特定の形態に限定することを意図したものでなく、それどころか、添付の特許請求の範囲で規定する本発明の精神および範囲を逸脱することなく種々の変形例、改変例および均等例が行い得ることを意図するものである。
Claims (3)
- 脱硫装置で発生する凝縮水の使用方法であって、
硫黄酸化物を含有する処理対象ガスと脱硫吸収液を接触させて、処理対象ガスから硫黄酸化物を吸収、除去するステップと、
硫黄酸化物を除去した脱硫ガスに同伴する脱硫吸収液を、ミストエリミネータで除去するステップと、
前記ミストエリミネータで脱硫ガスに同伴する脱硫吸収液を除去した脱硫ガスを冷却し、脱硫ガスから凝縮水を得るステップと、
前記凝縮水で前記脱硫装置を洗浄するステップと
を含み、
前記脱硫装置の洗浄ステップが、前記ミストエリミネータを前記凝縮水で洗浄することを含むとともに、前記処理対象ガスを前記脱硫装置に導入するための入口であって、前記処理対象ガスが通過している入口を、前記凝縮水で洗浄することを更に含む方法。 - 前記凝縮水を、前記脱硫吸収液の補給水として再利用するステップを更に含む請求項１に記載の方法。
- 前記凝縮水を、前記脱硫ガスの冷却ステップで前記脱硫ガスを冷却する冷却液として再利用するステップを更に含む請求項１に記載の方法。
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