摘 要：碳捕获与封存（CCS）技术和碳捕集与利用（CCU）技术作为应对全球变暖的措施备受关注，其中，CCS将化石燃料、生物质、废弃物等燃烧产生的废气中的二氧化碳（CO2）分离回收并将其隔离、储存在地下，而CCU可以有效利用CO2。东芝能源系统株式会社正在推进CO2分离回收技术的开发，并在株式会社西格玛电力有明的三川发电厂内安装了采用化学吸收法的中试装置（pilot plant）以验证其性能，并对其运行性、应用性、维护性进行了评估。基于积累的技术经验，建设并运行了全球首个（注1）从生物质发电厂的废气中分离回收CO2的大型设备，并证实了该大型设备能够以600t/天以上的速度稳定回收CO2并进一步削减吸收液中胺成分的排放量。
关键字：大型CO2分离回收设备、CO2分离回收技术、CCS、CCU、中试装置、化学吸收法、实证设备
1、前言
CCS技术能够将火力发电厂和工业领域产生的废气中所含的CO2分离回收并隔离、存储在地下，因此期待其作为应对全球变暖的措施之一早日实现。最近，有效利用CO2的CCU技术也备受关注。
东芝能源系统正在推进从废气中分离并回收CO2的技术的开发与实用化，该技术在CCS和CCU中发挥重要作用。本文将介绍CO2分离回收技术的开发和作为日本环境省委托项目“环保型CCS实证项目”的一环被实施的CO2分离回收实证设备的建设与运行结果。
2、CO2分离回收技术的开发
以火力发电厂为对象的CO2分离回收方式大致分为三种，即燃烧后回收方式、氧气燃烧方式和燃烧前回收方式。东芝能源系统采用从烟囱前的废气中回收CO2的燃烧后回收方式。该方式具有许多优点，例如：①既适用于新设的废气发生源的设备也适用于现有设备；②不仅适用于火力发电，还可广泛应用于工业领域；③可灵活运用，例如仅回收废气中的部分CO2。
2.1 采用化学吸收法的燃烧后回收方式
燃烧后回收方式有多种，该公司采用了化学吸收法，这种方法适用于从CO2浓度低且处于常压的废气中回收CO2，主要使用与CO2选择性反应以吸收CO2的胺基吸收液。
图1（a）示出化学吸收法的CO2分离回收流程。从吸收塔的底部导入含有CO2的废气，并从顶部供给吸收液。两者在吸收塔内以逆流方式接触，CO2被在低温下吸收CO2的胺基吸收液吸收并转变为液相。含有CO2的吸收液在中途经再生热交换器加热，输送至再生塔。
在再生塔中，由于胺基吸收液在高温下会发生释放反应，因此CO2被释放并转变为气相（图1（b））。由于该反应是吸热反应，因此需要蒸汽等热源来持续供给反应热，通过被称为“重沸器”的热交换器将热量从蒸汽传递到吸收液。释放出CO2的吸收液经再生热交换器冷却后送入吸收塔。
图1. 采用化学吸收法的CO2分离回收流程与胺基吸收液的特性
吸收液在CO2分离回收系统内循环，吸收塔内连续发生CO2吸收反应，再生塔内连续发生CO2释放反应，以进行CO2的分离回收。
如上，吸收液在装置内循环，连续进行CO2的分离回收。回收的CO2从再生塔上部送出后冷却，所含水分凝结，并由分离器分离。
2.2 开发、验证与应用流程
对于CO2分离回收设备，有低能耗、设备小型化、低成本化等要求。CO2分离回收设备主要有四个部分构成：吸收塔、再生塔、再生热交换器和重沸器。通过优化四个主要构成部分及工艺设计，并提高吸收液性能来满足这些要求。
图2示出CO2分离回收技术的开发、验证与应用流程。在适当利用工艺模拟和数值流体分析的同时，从实验室规模扩大到小试规模，再进一步扩大到中试规模，并反映所获得的知识来设计实机规模的设备。其中，最重要的是在西格玛电力有明的三川发电厂（福冈县大牟田市）（输出50MW）内