JP2010069371A

JP2010069371A - 火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置、及び二酸化炭素回収方法

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Publication number: JP2010069371A
Application number: JP2008237494A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Kiso; 文彦木曽; Makoto Shimoda; 下田　　誠; Tsuyoshi Shibata; 強柴田; Tomoko Akiyama; 朋子穐山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】本発明の目的は、石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素を回収する際に、二酸化炭素を化学吸収する吸収液の劣化を抑制し、火力発電プラントの発電効率の低下を抑制する火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置を提供する。
【解決手段】本発明の化石燃料を燃料とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置は、石炭ボイラから排出した排ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫装置を設置し、脱硫装置の下流側に排ガスを吸収液に接触させて排ガス中の二酸化炭素をこの吸収液で吸収させて回収する二酸化炭素吸収塔を直列に設置し、各二酸化炭素吸収塔の吸収液に吸収された二酸化炭素を分離して吸収液を再生し、再生した吸収液を各二酸化炭素吸収塔に循環するように供給する再生塔をそれぞれ設置し、各再生塔で分離された二酸化炭素を圧縮させる酸化炭素圧縮機を再生塔の下流側に設置して構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素による地球温暖化防止に寄与する技術に係わり、化石燃料を燃料とする火力発電プラントの石炭ボイラから排出される排ガスに含まれた二酸化炭素を回収する、発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置、及び二酸化炭素回収方法に関する。

石炭や天然ガスなどの化石燃料は、火力発電プラントのボイラの燃料として利用される。火力発電プラントにおいてボイラを用いて化石燃料を燃焼させる場合には、ボイラに空気を供給して化石燃料を燃焼させて発生させた熱量を高温、高圧の蒸気にして回収し、ボイラからこの蒸気を供給して蒸気タービンを駆動させ、蒸気タービンに連結した発電機によって発電する。

ボイラで燃焼させる化石燃料の主成分は炭素と水素であり、化石燃料を燃焼すると炭素と酸素が結びついて二酸化炭素が発生する。二酸化炭素は、地球温暖化の原因物質であることから、二酸化炭素の排出量を削減することが望まれている。

ボイラから排出されるボイラ排ガスから二酸化炭素の排出量を削減する方法としては、石炭ボイラの効率を向上する方法と、石炭ボイラの排ガスから二酸化炭素を回収する方法がある。このうち、石炭ボイラの排ガスから二酸化炭素を回収する方法は、各種技術が開示されている。

例えば特開平７−２４１４４０号公報には、石炭ボイラの排ガスを、アルカノールアミン水溶液に接触させ、化学吸収を用いて排ガスから二酸化炭素を吸着させて回収する技術が開示されている。

化学吸収によって排ガスから二酸化炭素を吸着させた吸収液から二酸化炭素を分離するためには、吸収液の温度を昇温させる必要があり、この吸収液の昇温に要する熱エレルギーが発電プラントの発電効率を低下させる要因となる。そこで、吸収液自体の特性を改善する技術や、特開２００６−２３２５９６号公報及び特開２００７−２８４２７３号公報に記載されているようにプロセスを改善することで、化学吸収を用いて排ガスから二酸化炭素を回収する方式のエネルギー効率を向上させる技術が開示されている。

ところで、特開２００７−１３７７２５号公報では、前記特開平７−２４１４４０号公報、特開２００６−２３２５９６号公報、及び特開２００７−２８４２７３号公報に記載されたようなアミン系の吸収液を用いる方法では、二酸化炭素を化学吸収する吸収液に排ガス中に含まれる酸素が吸収されて溶解するので、この酸素によって吸収液が劣化して二酸化炭素の吸収が阻害される。

そこで、特開２００７−１３７７２５号公報では、酸素による吸収液の劣化に対処するために吸収液に溶解している酸素を除去して吸収液の劣化を防止する技術をが開示している。

また、米国公開２００８／００７２７６２号公報では、特開２００７−１３７７２５号公報で指摘されたアミン系吸収液の酸素による劣化の問題に対処するために吸収液としてアンモニアを用い、酸素による劣化の問題を解決する技術が開示されている。これは、アンモニアが酸素と反応しない性質に着目した技術である。

特開平７−２４１４４０号公報特開２００６−２３２５９６号公報特開２００７−２８４２７３号公報特開２００７−１３７７２５号公報米国公開２００８／００７２７６２号公報

特開平７−２４１４４０号公報、特開２００６−２３２５９６号公報、及び特開２００７−２８４２７３号公報に記載されたような石炭ボイラの排ガスから化学吸収を用いて二酸化炭素を回収するためにアミン系吸収液を用いる方法では、排ガス中に含まれる酸素が二酸化炭素を化学吸収する吸収液に吸収されて溶解することにより、吸収液が劣化するという課題がある。

この課題を克服する方法として考案された特開２００７−１３７７２５号公報の方法は、二酸化炭素を化学吸収する吸収液を減圧された酸素除去装置内に噴出して微粒化し、吸収液に溶存している酸素を放出させる技術が開示されている。しかし、吸収液に吸収された酸素の一部はアミンと反応する。例えばメチルジエタノールアミンは酸素と下記の式（１）のように反応する。

ＣＨ３Ｎ（Ｃ２Ｈ４ＯＨ）２＋Ｏ２→ＨＮ（Ｃ２Ｈ４ＯＨ）２＋ＨＣＯＯＨ・・・（１）
酸素による吸収液の劣化を防止するためには、式（１）のような反応が進む前に酸素を除去する必要がある。

しかしながら、特開２００７−１３７７２５号公報に開示された方法は、二酸化炭素を化学吸収する吸収液中の酸素を除去する方法であり、酸素の一部はすでに式（１）のような反応で吸収液を劣化させている。また、気体分子の形態で溶液に溶解する気体分子の量は、気体中のその分子の分圧に比例する。

このため、特開２００７−１３７７２５号公報の方法では、吸収液を減圧することで吸収液中の酸素を吸収液中から追い出すことはできるが、吸収液を減圧するためのエネルギーが必要である。この吸収液を減圧するエネルギーのロスによる火力発電プラントの発電効率への影響を小さくするためには、０．５倍レベルの減圧が現実的であり、そうすると気体分子として吸収液に溶存している酸素の最大でも半分程度しか除去することができず、吸収液の劣化の抑制が不十分であるという課題がある。

米国公開２００８／００７２７６２号公報に示された方法では、二酸化炭素を化学吸収する吸収液としてアンモニアを用いる。アンモニアは酸素と反応しないため吸収液の劣化を防止できる。アンモニアを吸収液として二酸化炭素を吸収させる場合には、吸収液の温度は１０℃以下にする必要がある。

ところで、排ガスと吸収液を１０℃以下の温度にするためには冷却水だけでは不十分であり、冷凍機が必要となる。アミン系吸収液を用いる場合は冷凍機は不要であったが、アンモニアを吸収液とする場合には冷凍機が必要となり、この冷凍機の動力は冷却水を循環する動力と比べて格段に大きいことから、アンモニアを吸収液とする場合の火力発電プラントにおける発電効率の低下は、アミン系吸収液を用いる場合よりも大きくなる。

また、二酸化炭素を化学吸収する吸収液として使用したアンモニアから二酸化炭素を分離するためには、温度を１００℃以上に上げるだけでなく、圧力を１ＭＰａ以上に上げる必要がある。圧力を上げずに温度を上げると、二酸化炭素だけでなく、アンモニアも気体となるからである。アミン系吸収液を用いる場合は圧力を上げる必要はなく、温度を上げるだけで良いので、この点からも、アンモニアを吸収液に用いる場合は、アミン系吸収液を用いる場合よりも火力発電プラントの発電効率の低下が大きくなるという課題がある。

以上説明したように、石炭ボイラの排ガスから二酸化炭素を回収するために、二酸化炭素を化学吸収するアミン系吸収液を用いる方法では、吸収液から溶解した酸素を除去して吸収液の劣化を抑制する方法は、吸収液の劣化の抑制が不十分であるという課題があった。

また、アンモニアを二酸化炭素を化学吸収する吸収液として用いて吸収液の酸素による劣化を解決する方法では、吸収液の劣化は防止できるものの、アミンを吸収液として用いる方法に比べて火力発電プラントの発電効率の低下が大きくなるという課題があった。

本発明の目的は、火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスに含まれた二酸化炭素を回収する際に、二酸化炭素を化学吸収する吸収液の劣化を抑制すると共に、火力発電プラントの発電効率の低下を抑制し得る火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置、及び二酸化炭素回収方法を提供することにある。

本発明の化石燃料を燃料とする石炭ボイラと、この石炭ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンと、この蒸気タービンで駆動されて発電する発電機を備えた火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置は、
前記石炭ボイラから排出した排ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫装置を設置し、前記脱硫装置の下流側に該脱硫装置から流下した排ガスを吸収液に接触させて排ガス中の二酸化炭素をこの吸収液で吸収させて回収する二酸化炭素吸収塔を上流側と下流側とに直列に複数塔設置し、前記上流側と下流側とに設置された各二酸化炭素吸収塔の吸収液に吸収された二酸化炭素を分離してこの吸収液を再生し、再生した吸収液を前記各二酸化炭素吸収塔に循環するように供給する再生塔を前記各二酸化炭素吸収塔にそれぞれ設置し、前記各再生塔で分離された二酸化炭素を圧縮させる酸化炭素圧縮機を前記再生塔の下流側に設置したことを特徴とする。

本発明の化石燃料を燃料とする石炭ボイラと、この石炭ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンと、この蒸気タービンで駆動されて発電する発電機を備えた火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法は、
前記石炭ボイラから排出した排ガス中の硫黄化合物を脱硫装置によって除去し、前記脱硫装置から流下した排ガスを上流側と下流側とに直列に複数塔設置された二酸化炭素吸収塔に流下させてこれらの二酸化炭素吸収塔で吸収液に接触させて排ガス中の二酸化炭素をこの吸着液で吸収させて回収し、前記各二酸化炭素吸収塔にそれぞれ設置した再生塔によって前記上流側と下流側とに設置された各二酸化炭素吸収塔の吸収液に吸収された二酸化炭素を分離させてこの吸収液を再生し、再生した吸収液を前記各二酸化炭素吸収塔に循環するようにそれぞれ供給し、前記再生塔の下流側に設置した酸化炭素圧縮機によって前記各再生塔で分離された二酸化炭素を圧縮するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスに含まれた二酸化炭素を回収する際に、二酸化炭素を化学吸収する吸収液の劣化を抑制すると共に、火力発電プラントの発電効率の低下を抑制し得る発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置、及び二酸化炭素回収方法が実現できる。

次に、本発明の一実施例である火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置について図面を参照して以下に説明する。

本発明の一実施例である火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置では、化石燃料として石炭を用いた石炭ボイラを備えた火力発電プラントについて、図１を用いてボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置を説明する。

図１において火力発電プラントは、化石燃料の石炭１と燃焼用の空気１ａとを燃焼して高温の燃焼ガスを生成させる石炭ボイラ２０と、この石炭ボイラ２０で生成した高温の燃焼ガスを加熱源として該石炭ボイラ２０に設置された熱交換器５１に供給される給水を加熱して高温高圧の蒸気を発生させ、発生した蒸気の流量を加減弁５２で調節して導入し駆動される蒸気タービン５３と、蒸気タービン５３と連結されて駆動され発電する発電機５４とを備えて構成されている。

そして蒸気タービン５３を流下した蒸気は復水器５５で冷却されて復水となり、復水ポンプ５６で昇圧されて前記熱交換器５１に供給されて蒸気となり、前述したように蒸気タービン５３に再度供給されるように循環している。

前記した火力発電プラントにおいて、石炭１と空気１ａを石炭ボイラ２０に供給して燃焼させ、石炭ボイラ２０内に高温の燃焼ガスを発生させる。この高温の燃焼ガスの熱源によって石炭ボイラ２０に設置した熱交換器５１に供給された給水を加熱して高温高圧の蒸気を発生させて回収し、この高温高圧の蒸気の流量を加減弁５２で調節して蒸気タービン５３に供給して前記蒸気タービン５３を駆動し、この蒸気タービン５３に連結した発電機５４を回転させて発電する。

次に前記石炭ボイラ２０を流下した燃焼ガスの排ガス１７は石炭ボイラ２０の下流側に設置された脱塵装置２１に導かれ、この脱塵装置２１によって排ガス１７中に含まれる石炭灰２等の微粒子を分離して除去する。

前記脱塵装置２１によって排ガス中の微粒子を脱塵した後の排ガス１７は、脱塵装置２１の下流側に設置された脱硫装置２４にファン２２、ガスガス熱交換器２３を順次経由して導かれ、この脱硫装置２４にて前記排ガス１７をこの脱硫装置２４に別途供給される石灰石スラリー３と接触させることによって、排ガス１７に含まれた硫黄化合物を除去する。

前記脱硫装置２４によって排ガス１７から除去された硫黄化合物は、この脱硫装置２４にて石灰石スラリー３と、水と、酸素に反応して石膏となる。石灰石スラリー３中の石膏４は、脱硫装置２４の下流側に設置された石膏分離器２５で分離して除去され、この石膏４を除去された石灰石スラリー３は前記脱硫装置２４に供給されて循環するように構成されている。

前記脱硫装置２４によって前記排ガス１７から硫黄化合物を脱硫した後の排ガス１４は、二酸化炭素回収設備に導かれる。本実施例の二酸化炭素回収設備では、少なくとも２塔以上の二酸化炭素吸収塔を直列に設置して構成されており、図１に示した実施例においては、二酸化炭素吸収塔を第１二酸化炭素吸収塔３０と第２二酸化炭素吸収塔３４との２塔を直列に設置した場合を示す。

脱硫装置２４で脱硫された後の排ガス１４は、脱硫装置２４から流路１４ａを通じて、まず、第１二酸化炭素吸収塔３０に導かれ、この第１二酸化炭素吸収塔３０にてアミン系吸収液と排ガス１４とを接触させて、排ガス１４中の二酸化炭素の一部を吸収液に吸収させて回収する。

第１二酸化炭素吸収塔３０を出た排ガス１４は、続いて流路１４ｂを通じて第１二酸化炭素吸収塔３０からその下流側に設置された第２二酸化炭素吸収塔３４に導かれ、この第２二酸化炭素吸収塔３４にて再びアミン系吸収液と排ガス１４とを接触させて、排ガス１４中に残存する二酸化炭素を吸収液に吸収させて回収し、排ガス１４中の二酸化炭素濃度を目標とする値以下となるように減少させる。

第２二酸化炭素吸収塔３４によって二酸化炭素濃度を目標の値以下に減少させた排ガス１５は、第２二酸化炭素吸収塔３４から流路１５ａを通じてガスガス熱交換２３に供給され、脱硫装置２４に供給される前の排ガス１７と、このガスガス熱交換２３によって熱交換して昇温させた後に、流路１５ｂを通じて煙突２６から大気中に放出される。

第１二酸化炭素吸収塔３０で排ガス１４中の二酸化炭素を吸収した第１二酸化炭素吸収塔リッチ液５は、この第１二酸化炭素吸収塔３０の下流側に設置された第１再生塔３１に供給され、前記第１再生塔３１によって第１二酸化炭素吸収塔リッチ液５に吸収された二酸化炭素を分離して、再び二酸化炭素の吸収に使用できる吸収液となる第１再生塔リーン吸収液６を再生する。

吸収液を再生するためには１００℃以上の昇温が必要なので、第１二酸化炭素吸収塔リッチ液５は、前記第１再生塔３１で再生した第１再生塔リーン吸収液６と前記第１二酸化炭素吸収塔３０と前記第１再生塔３１との間に配設した熱回収熱交換器３２によって熱交換させて昇温し、さらに前記第１再生塔３１の下流側に設置した蒸気を熱源とする蒸気加熱器３３によって第１二酸化炭素吸収塔リッチ液５を１００℃以上に昇温した後に前記第１再生塔３１に供給するように構成している。

なお、リッチ液は二酸化炭素を吸収した状態の吸収液のことであり、リーン吸収液は二酸化炭素を脱離した状態の吸収液のことである。

第２二酸化炭素吸収塔３４で排ガス１４中の残存する二酸化炭素を吸収した第２二酸化炭素吸収塔リッチ液７も、第１二酸化炭素吸収塔３０の第１二酸化炭素吸収塔リッチ液５と同様に、再生処理する必要がある。

第２二酸化炭素吸収塔リッチ液７の再生方法は第１二酸化炭素吸収塔リッチ液５と同じであり、まず、第２再生塔３５で再生された第２再生塔リーン吸収液８と前記第２二酸化炭素吸収塔３４と前記第２再生塔３５との間に配設した熱回収熱交換器３６によって熱交換させて昇温し、さらに第２再生塔３５の下流側に設置した、蒸気を熱源とする蒸気加熱器３７によって第２二酸化炭素吸収塔リッチ液７を１００℃以上に昇温した後に第２再生塔３７に供給するように構成している。

そして前記第１再生塔３１によって二酸化炭素を吸収した第１二酸化炭素吸収塔リッチ液５から分離された二酸化炭素、及び前記第２再生塔３５によって二酸化炭素を吸収した第２二酸化炭素吸収塔リッチ液７から分離された二酸化炭素は、前記第１再生塔３１及び第２再生塔３５の下流側に設置された二酸化炭素圧縮機３８によって圧縮して液化され、この二酸化炭素圧縮機３８で圧縮して液化された二酸化炭素９を所定の保管場所、例えば海底、岩盤、または地中に移送して貯蔵する。

ここで、第１二酸化炭素吸収塔３０と第１再生塔３１とで循環利用する吸収液と、第２二酸化炭素吸収塔３４と第２再生塔３５とで循環利用する吸収液は、それぞれ個別に循環利用し、他方の二酸化炭素吸収塔と再生塔へ供給することはない。このため、それぞれ異なる好適な特性を持つ吸収液を使用することが可能である。

このプロセス上の特性を活用し、吸収液交換によるランニングコストの増加を抑える運用を行う。具体的には第１二酸化炭素吸収塔３０と第１再生塔３１とで循環利用する吸収液は低価格の製品を用い、第２二酸化炭素吸収塔３４と第２再生塔３５とで循環利用する吸収液は、価格が高くても吸収液から二酸化炭素を分離する再生エネルギーの小さい製品を用いる。

このように吸収液を選定するのは、以下の理由による。すなわち、上流側の第１二酸化炭素吸収塔３０で排ガス１４と接触する吸収液は、排ガス１４中に酸素が含まれるために劣化しやすく、交換頻度が高いため、低価格の製品を利用することで、ランニングコストの上昇を抑える。

一方、下流側の第２二酸化炭素吸収塔３４では、上流側の第１二酸化炭素吸収塔３０で酸素が吸収されているために排ガス１４中の酸素が少なく、吸収液の酸素による劣化は少ないので交換頻度は少なくてすむ。そこで、価格が高くても吸収液から二酸化炭素を分離する再生エネルギーの小さい製品を用い、発電効率の低下を抑えることができるようにする。

即ち、第２再生塔３５で吸収液を再生する際に必要な加熱源として利用される火力発電プラントから抽気する蒸気の使用量が低減できるので、火力発電プラントの発電効率の低下を抑制できる。

二酸化炭素回収設備として二酸化炭素吸収塔が一塔しか設置されていない場合は二酸化炭素吸収性能を維持するために早目に吸収液を交換する必要があるが、本実施例のように二酸化炭素回収設備として二酸化炭素吸収塔が２塔以上設置されている場合、第１二酸化炭素吸収塔３０の下流側に設置した第２二酸化炭素吸収塔３４によって最終的な二酸化炭素回収率の性能保証をするので、二酸化炭素吸収塔が一塔しか設置されていない場合よりも吸収液が劣化した状態でも二酸化炭素回収設備の運転が可能であり、吸収液の交換頻度を減らすことが可能になる。

二酸化炭素回収設備における全体としての二酸化炭素回収率目標の達成に余裕を持たせるためには、第１二酸化炭素吸収塔３０よりも、下流側に設置した第２二酸化炭素吸収塔３４の容量を大きくすることが望ましい。

本実施例によれば、火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスに含まれた二酸化炭素を回収する際に、二酸化炭素を化学吸収する吸収液の劣化を抑制すると共に、火力発電プラントの発電効率の低下を抑制し得る発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置、及び二酸化炭素回収方法が実現できる。

次に本発明の他の実施例である火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置について、図２を用いて説明する。

図２に示した本実施例の火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置は、図１に示した先の実施例の火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図２に示した本実施例において、脱硫装置２４によって脱硫した脱硫後の排ガス１４は、数％の酸素を含んでいる。そこで、脱硫後の排ガス１４を脱硫装置２４の下流側に設置された酸素除去装置に導き、排ガス１４に含まれた酸素の一部を除去する。

具体的には脱硫装置２４で脱硫後の排ガス１４を酸素除去装置を構成する並列に配設された酸素吸着塔４０ａ、又は酸素吸着塔４０ｂのどちらか一方に導く。酸素吸着塔４０ａ及び酸素吸着塔４０ｂの内部には排ガス中の酸素を吸着する固体の吸着剤がそれぞれ装填されている。吸着剤としては、ゼオライトや、特開２００４−３５８３４６号公報に示されているアミン及びセルロースから誘導された炭素前駆体などを用いることができる。

酸素吸着塔４０ａ及び酸素吸着塔４０ｂは２塔が並列に設置されており、例えば、バルブ４２ｂを閉弁し、開弁したバルブ４２ａを通じて脱硫装置２４で脱硫後の排ガス１４を一方の酸素吸着塔４０ａに導いて前記酸素吸着塔４０ａの吸着剤によって排ガス１４中の酸素の一部を吸着させる。この場合、バルブ４２ｂは閉弁しているので脱硫後の排ガス１４が他方の酸素吸着塔４０ｂに導入されることはない。

酸素吸着塔４０ａ及び酸素吸着塔４０ｂに装填されて排ガス１４中の酸素を吸着する吸着剤は、その吸着性能が低下した場合に吸着性能を回復させるために吸着剤を再生させる必要がある。

この吸着剤の再生には吸着剤を高温にする必要があるため、再生対象の吸着剤を装填した酸素吸着塔４０ａ又は酸素吸着塔４０ｂを高温の再生ガス１０によって加熱することになる。例えば他方の酸素吸着塔４０ｂに装填された吸着剤を再生する場合には、高温の再生ガス１０を開弁したバルブ４１ｂを経由して他方の酸素吸着塔４０ｂに供給して装填された吸着剤を加熱し、吸着剤に吸着された酸素を脱離させることにより吸着剤を再生させる。この場合、バルブ４１ａは閉弁しているので高温の再生ガス１０が一方の酸素吸着塔４０ａに導入されることはない。

また、この他方の酸素吸着塔４０ｂに供給されて吸着剤を加熱した高温の再生ガス１０が前記酸素吸着塔４０ｂから排出された再生排ガス１１は高温なので、バルブ４４ａ或いはバルブ４４ｂを通じて酸素吸着塔４０ａ又は酸素吸着塔４０ｂから排出された再生排ガス１１を、前記酸素吸着塔４０ａ及び酸素吸着塔４０ｂの下流側に設置された熱回収熱交換器４５を導き、この再生排ガス１１の熱を使って酸素吸着塔４０ａ又は酸素吸着塔４０ｂに供給する再生ガス１０を加熱する。

そして酸素吸着塔４０ａ又は酸素吸着塔４０ｂの吸着剤によって排ガス中の酸素の一部が吸着された排ガス１４は、バルブ４３ａ或いはバルブ４３ｂを通じて酸素吸着塔４０ａ及び酸素吸着塔４０ｂの下流側に設置された二酸化炭素吸収塔に供給される。

尚、酸素除去装置として酸素吸着塔４０ａ及び酸素吸着塔４０ｂの２塔を設置した場合でも、排ガス１４中の酸素全量を排ガス中から除去することは困難であるので、酸素吸着塔４０ａ及び酸素吸着塔４０ｂの下流側に設置された二酸化炭素吸収塔は２塔以上を直列で接続して配設することが望ましい。この二酸化炭素を吸収する設備とそのプロセスは図１に示した実施例と同様である。

次に本発明の更に他の実施例である火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置について、図３を用いて説明する。

図３に示した本実施例の火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置は、図１に示した先の実施例の火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図３に示した本実施例においては、脱硫装置２４によって脱硫した脱硫後の排ガス１４を脱硫装置２４の下流側に設置された酸素吸収塔５０に導いて排ガス１４に含まれた酸素の一部を除去する。

具体的には脱硫装置２４で脱硫後の排ガス１４を該脱硫装置２４の下流側に設置された酸素吸収塔５０に導き、この酸素吸収塔５０を循環している吸収液によって排ガス１４中の酸素を吸収する吸収液に接触させることによって、排ガス１４に含まれた酸素をこの吸収液に吸収させて除去する。排ガス１４中の酸素を吸収する吸収液としては、特開平９−１５１１９２公報に示されているコバルトシップ塩基錯体などを用いることができる。

酸素吸収塔５０にて排ガス１４に含まれた酸素を吸収した酸素吸収塔リッチ吸収液１２は、該酸素吸収塔５０の下流側に設置された再生塔５１で再生された再生塔リーン吸収液１３と、前記酸素吸収塔５０と再生塔５１との間に設置された熱回収熱交換器５２によって熱交換して昇温し、さらにこの熱回収熱交換器５２と再生塔５１との間に設置された蒸気加熱器５３によって加熱されて再生塔５１に供給される。

前記再生塔５１では酸素を吸収した酸素吸収塔リッチ吸収液１２中の酸素を分離して再生塔５１からこの分離した酸素１６を排出する。そして前記再生塔５１で酸素を分離して再生した吸収液の再生塔リーン吸収液１３を、この再生塔５１から前記酸素吸収塔５０に供給することで、酸素吸収塔５０に再び排ガス１４中から酸素の吸収を行うことが可能となる。

尚、酸素除去装置として酸素吸収塔５０及び再生塔５２を設置した場合でも、排ガス１４中の酸素全量を排ガス中から除去することは困難であるので、酸素吸収塔５０及び再生塔５２の下流側に設置された二酸化炭素吸収塔は２塔以上を直列で接続して配設することが望ましい。この二酸化炭素を吸収する設備とそのプロセスは図１に示した実施例と同様である。

次に本発明の更に他の実施例である火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置について、図４を用いて説明する。

図４に示した本実施例の火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置に適用される吸収液交換の判定装置は、前記した図１、図２又は図３に示した先の各実施例の火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置に適用される吸収液交換の判定装置である。

前記した図１、図２又は図３に示した先の各実施例の火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置については説明は省略して吸収液交換の判定装置についてのみ以下に説明する。

図４に示した本実施例の火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置に適用される吸収液交換の判定装置においては、第１二酸化炭素吸収塔３０の入口に脱硫装置２４から脱硫された後の排ガス１４を供給する配管１４ａに排ガス１４の組成を測定するガス組成分析計６１を設置し、このガス組成分析計６１によって脱硫装置２４から供給される排ガス１４に含まれている少なくとも酸素濃度Ｏ２＿１と、二酸化炭素濃度ＣＯ２＿１とを測定する。

また、第１二酸化炭素吸収塔３０の出口の排ガスを第２二酸化炭素吸収塔３４に供給する配管にも同様にガス組成分析計６２を設置し、このガス組成分析計６２によって第１二酸化炭素吸収塔３０から供給された排ガス１４に含まれている少なくとも酸素濃度Ｏ２＿２と、二酸化炭素濃度ＣＯ２＿２とを測定する。

さらに、第２二酸化炭素吸収塔３４から二酸化炭素回収後の排ガス１５をガスガス熱交換２３に送出する配管にも同様にガス組成分析計６３を設置し、このガス組成分析計６３によって第２二酸化炭素吸収塔３４から供給された二酸化炭素回収後の排ガス１５に含まれている少なくとも酸素濃度Ｏ２＿３と、二酸化炭素濃度ＣＯ２＿３とを測定する。

前記ガス組成分析計６１、６２、６３によるガス組成の測定には、例えばガスクロマトグラフィーを用いることができる。

これらのガス組成分析計６１、６２、６３で測定した二酸化炭素濃度の値から、第１二酸化炭素吸収塔３０での二酸化炭素回収率ＲＣ１、第２二酸化炭素吸収塔３４での二酸化炭素回収率ＲＣ２、及び二酸化炭素回収装置のプラント全体での二酸化炭素回収率ＲＣ３を式（２）、式（３）、式（４）に基づいて順次算出する。

ＲＣ１＝（ＣＯ２＿１×Ｆ１ − ＣＯ２＿２×Ｆ２）／ＣＯ２＿１×Ｆ１×１００・・（２）
ＲＣ２＝（ＣＯ２＿２×Ｆ２ − ＣＯ２＿３×Ｆ３）／ＣＯ２＿２×Ｆ２×１００・・（３）
ＲＣ３＝（ＣＯ２＿１×Ｆ１ − ＣＯ２＿３×Ｆ３）／ＣＯ２＿１×Ｆ１×１００・・（４）
また、第１二酸化炭素吸収塔３０での酸素吸収率ＲＯ１を式（５）に基づいて算出する。

ＲＯ１＝（Ｏ２＿１×Ｆ１ − Ｏ２＿２×Ｆ２）／Ｏ２＿１×Ｆ１×１００・・（５）
ここで、Ｆ１は第１二酸化炭素吸収塔３０の入口に導入されるの排ガス１４の流量、Ｆ２は第１二酸化炭素吸収塔３０から第２二酸化炭素吸収塔３４に送出される排ガス１４の流量、Ｆ３は第２二酸化炭素吸収塔３４から送出される排ガス１５の流量であり、原料供給条件や、ガス組成分析結果などから推定する。

本実施例では更に、第１再生塔３１で再生された第１再生塔リーン吸収液６を、第１再生塔３１から第１二酸化炭素吸収塔３０に送出する配管に吸収液の組成を測定する吸収液組成分析計６４を設置し、第１再生塔リーン吸収液６中の蟻酸、酢酸、シュウ酸の濃度、あるいは他の監視物質の濃度を測定して分析する。他の監視物質としては、チオ硫酸、硫酸、塩酸、オキサゾリドンなどがある。

同様に、第１再生塔３５で再生された第２再生塔リーン吸収液８を、第１再生塔３５から第２二酸化炭素吸収塔３４に送出する配管にも吸収液組成分析計６５を設置し、第２再生塔リーン吸収液８中の蟻酸、酢酸、シュウ酸の濃度、あるいは監視物質の濃度を測定して分析する。

第１二酸化炭素吸収塔３０と第１再生塔３１で循環利用する吸収液に対する吸収液交換要否判定は、以下の手順で実施する。まず、吸収液劣化判定装置７１によって吸収液の劣化判定を実施する。吸収液劣化判定は、第１再生塔リーン吸収液６の性状を吸収液組成分析計６４で分析した結果を用い、蟻酸などの濃度や他の監視物質の濃度が規定値以上となった場合に吸収液劣化判定装置７１で吸収液が劣化していると判定する。

吸収液が劣化していると判定された場合に、次に、ＣＯ２回収率判定、及びＯ２吸収率判定装置７２によって以下の条件Ａで示されるＣＯ２回収率判定と、条件Ｂで示される酸素吸収率判定を実施する。

そして吸収液交換要否判定装置７３によってこの条件Ａ、条件Ｂのいずれかが成立し、運用の改善によって条件Ａ、条件Ｂが解消されなかった場合に吸収液を交換する判定を行い、吸収液を交換する。

（条件Ａ）ＲＣ１が規定値以下、かつＲＣ２が規定値以上、かつＲＣ３が規定値以下
（条件Ｂ）ＲＯ１が規定値以下、かつＯ２＿２が規定値以上
前記吸収液交換要否判定装置７３による第２二酸化炭素吸収塔３４と第２再生塔３５で循環利用する吸収液に対する吸収液交換要否判定は、以下の手順で実施する。まず、吸収液劣化判定装置７１によって吸収液劣化判定を実施する。吸収液劣化判定は、第２再生塔リーン吸収液８の性状を吸収液組成分析計６５で分析した結果を用い、蟻酸などの濃度や他の監視物質の濃度が規定値以上となった場合に吸収液劣化判定装置７１で吸収液が劣化していると判定する。

吸収液が劣化していると判定された場合に、次に、ＣＯ２回収率判定、及びＯ２吸収率判定装置７２によって以下の条件Ｃで示されるＣＯ２回収率判定を実施する。

そして前記吸収液交換要否判定装置７３によってこの条件Ｃが成立し、運用の改善によって条件Ｃが解消されなかった場合に吸収液を交換する判定を行い、吸収液の交換を行う。

（条件Ｃ）ＲＣ２が規定値以下、かつＲＣ３が規定値以下
本実施例で説明したように、二酸化炭素吸収塔を２塔以上設置し、それぞれ個別に吸収液を循環させ、この吸収液の交換要否を判定して吸収液を交換するように運用することで、二酸化炭素吸収塔で使用する吸収液の交換量を削減することができ、ランニングコストを低減することが可能になる。

本発明は、火力発電プラントの石炭ボイラから排出される排ガスに含まれた二酸化炭素を回収する火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置、及び二酸化炭素回収方法に適用可能である。

本発明の一実施例である火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置の構成を示す全体系統図。本発明の他の実施例である火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置の構成を示す全体系統図。本発明の更に他の実施例である火力発電プラントの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置の構成を示す全体系統図。本発明の別の実施例である火力発電プランの石炭ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置に適用される吸収液交換の判定装置の構成図。

符号の説明

１：石炭、１ａ：空気、２：石炭灰、３：石灰石スラリー、４：石膏、５：第１二酸化炭素吸収塔リッチ吸収液、６：第１再生塔リーン吸収液、７：第１二酸化炭素吸収塔リッチ吸収液、８：第１再生塔リーン吸収液、９：二酸化炭素、１０：再生ガス、１１：再生排ガス、１２：酸素吸収塔リッチ吸収液、１３：再生塔リーン吸収液、１４：脱硫後排ガス、１５：二酸化炭素回収後排ガス、２０：石炭ボイラ、２１：脱塵装置、２２：ファン、２３：ガスガス熱交換器、２４：脱硫装置、２５：石膏分離器、２６：煙突、３０：第１二酸化炭素吸収塔、３１：第１再生塔、３２：第１熱回収熱交換器、３３：第１上記加熱器、３４：第２二酸化炭素吸収塔、３５：第２再生塔、３６：第２熱回収熱交換器、３７：第２上記加熱器、３８：二酸化炭素圧縮機、４０：酸素吸着塔、４１〜４４：バルブ、４５：熱回収熱交換器、５０：酸素吸収塔、５１：再生塔、５２：熱回収熱交換器、５３：蒸気加熱器、６１、６２、６３：ガス組成分析計、６４、６５：吸収液組成分析計。

Claims

化石燃料を燃料とする石炭ボイラと、この石炭ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンと、この蒸気タービンで駆動されて発電する発電機を備えた火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置において、
前記石炭ボイラから排出した排ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫装置を設置し、前記脱硫装置の下流側に該脱硫装置から流下した排ガスを吸収液に接触させて排ガス中の二酸化炭素をこの吸収液で吸収させて回収する二酸化炭素吸収塔を上流側と下流側とに直列に複数塔設置し、
前記上流側と下流側とに設置された各二酸化炭素吸収塔の吸収液に吸収された二酸化炭素を分離してこの吸収液を再生し、再生した吸収液を前記各二酸化炭素吸収塔に循環するように供給する再生塔を前記各二酸化炭素吸収塔にそれぞれ設置し、
前記各再生塔で分離された二酸化炭素を圧縮させる酸化炭素圧縮機を前記再生塔の下流側に設置したことを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置。
請求項１に記載の火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置において、
脱硫装置の下流側に該脱硫装置から排出した排ガス中の酸素を吸着する吸着剤を装填した複数の酸素吸着塔を並列に設置し、これら複数の酸素吸着塔に吸着剤の再生に使用する加熱用の再生ガスを切り替えて供給するバルブを備えた流路を配設して一方の酸素吸着塔で排ガス中の酸素を吸着する際に他方の酸素吸着塔で吸着剤を再生するように構成し、
前記酸素吸着塔から流下した排ガスを該酸素吸着塔の下流側に設置した二酸化炭素吸収塔に供給することを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置。
請求項１に記載の火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置において、
前記脱硫装置の下流側に脱硫装置から流下した排ガスを吸収液に接触させて排ガス中の酸素をこの吸収液に吸収させる酸素吸収塔と、この酸素吸収塔で吸収液に吸収された酸素を分離して再生した吸収液を前記酸素吸収塔に循環するように供給する別の再生塔とを設置し、
酸素吸着塔から流下した排ガスを該酸素吸着塔の下流側に設置した前記二酸化炭素吸収塔に供給することを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置において、
前記脱硫装置から前記上流側に設置された二酸化炭素吸収塔に流入する排ガスの組成を測定する第１のガス組成分析器と、前記上流側に設置された二酸化炭素吸収塔から前記下流側に設置された二酸化炭素吸収塔に流入する排ガスの組成を測定する第２のガス組成分析器と、前記下流側に設置された二酸化炭素吸収塔から排出される排ガスの組成を測定する第３のガス組成分析器とを設置し、
前記上流側の二酸化炭素吸収塔に再生器で再生されて供給された吸収液の組成を測定する第１の吸収液組成分析器と、前記下流側の二酸化炭素吸収塔に再生器で再生されて供給された吸収液の組成を測定する第２の吸収液組成分析器とを設置し、
前記ガス組成分析器の検出値に基づいて前記二酸化炭素吸収塔による二酸化炭素回収率及び酸素回収率を判定する第１の判定装置と、前記吸収液組成分析器の検出値に基づいて前記二酸化炭素吸収塔で使用する吸収液の劣化を判定する第２の判定装置と、前記第１の判定装置及び第２の判定装置の判定結果に基づいて前記二酸化炭素吸収塔で使用する吸収液の交換要否を判定する第３の判定装置とを設置したことを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置。
請求項１に記載の火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置において、
直列に複数塔設置した二酸化炭素吸収塔のうち、上流側に設置した二酸化炭素吸収塔とその再生塔に循環利用する吸収液と、下流側に設置した二酸化炭素吸収塔とその再生塔に循環利用する吸収液とに、性質の異なる吸収液をそれぞれ用いたことを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置。
請求項１に記載の火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置において、
直列に複数塔設置した二酸化炭素吸収塔のうち、下流側に設置した二酸化炭素吸収塔の容量を、上流側に設置した二酸化炭素吸収塔の容量よりも大きな容量にしたことを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収装置。
化石燃料を燃料とする石炭ボイラと、この石炭ボイラで発生した蒸気で駆動される蒸気タービンと、この蒸気タービンで駆動されて発電する発電機を備えた火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法において、
前記石炭ボイラから排出した排ガス中の硫黄化合物を脱硫装置によって除去し、
前記脱硫装置から流下した排ガスを上流側と下流側とに直列に複数塔設置された二酸化炭素吸収塔に流下させてこれらの二酸化炭素吸収塔で吸収液に接触させて排ガス中の二酸化炭素をこの吸着液で吸収させて回収し、
前記各二酸化炭素吸収塔にそれぞれ設置した再生塔によって前記上流側と下流側とに設置された各二酸化炭素吸収塔の吸収液に吸収された二酸化炭素を分離させてこの吸収液を再生し、再生した吸収液を前記各二酸化炭素吸収塔に循環するようにそれぞれ供給し、
前記再生塔の下流側に設置した酸化炭素圧縮機によって前記各再生塔で分離された二酸化炭素を圧縮するようにしたことを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法。
請求項７に記載の火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法において、
排ガス中の酸素を吸着する吸着剤を装填した並列に設置された複数の酸素吸着塔に前記脱硫装置から排出した排ガスを流下させ、これら複数の酸素吸着塔に吸着剤の再生に使用する加熱用の再生ガスを切り替えて供給して一方の酸素吸着塔で排ガス中の酸素を吸着する際に他方の酸素吸着塔で吸着剤を再生させ、
前記酸素吸着塔から流下した排ガスをこれらの酸素吸着塔の下流側に設置した前記二酸化炭素吸収塔に供給することを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法。
請求項７に記載の火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法において、
前記脱硫装置から流下した排ガスを酸素吸収塔に流下させてこの酸素吸収塔で吸収液に接触させて排ガス中の酸素をこの吸収液に吸収させ、この酸素吸収塔で吸収液に吸収された酸素を別の再生塔で分離して吸収液を再生し、再生した吸収液を前記酸素吸収塔に循環するように供給し、
酸素吸着塔から流下した排ガスを該酸素吸着塔の下流側に設置した前記二酸化炭素吸収塔に供給することを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法。
請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法において、
前記脱硫装置から前記上流側の二酸化炭素吸収塔に流入する排ガスの組成と、前記上流側の二酸化炭素吸収塔から前記下流側の二酸化炭素吸収塔に流入する排ガスの組成と、前記下流側の二酸化炭素吸収塔から排出される排ガスの組成とをガス組成分析器によってそれぞれ測定し、
前記上流側の二酸化炭素吸収塔に再生器で再生されて供給された吸収液の組成と、前記下流側の二酸化炭素吸収塔に再生器で再生されて供給された吸収液の組成とを吸収液組成分析器によってそれぞれ測定し、
前記測定した排ガスの組成の検出値に基づいて前記二酸化炭素吸収塔による二酸化炭素回収率及び酸素回収率を判定し、前記測定した吸収液の検出値に基づいて前記二酸化炭素吸収塔で使用する吸収液の劣化を判定し、前記各判定結果に基づいて前記二酸化炭素吸収塔で使用する吸収液の交換要否を判定することを特徴とする火力発電プラントにおける石炭ボイラ排ガス中の二酸化炭素回収方法。