JP2010516606A - Ｃ０２捕獲ユニットと合体した発電所での加圧ｃ０２流の製造方法 - Google Patents

Abstract

熱回収水蒸気発生器ユニットと、吸収器及び再生器付きのＣＯ_２ガス捕獲ユニットとに連結したガスタービンを少なくとも１つ備える、ＣＯ_２捕獲ユニットと合体した発電所での加圧ＣＯ_２流の製造法において、（ａ）ガスタービンを出る熱排気ガスを熱回収水蒸気発生器ユニットに導入して第一量の水蒸気と、二酸化炭素含有煙道ガス流とを生成する工程、（ｂ）該煙道ガス流を吸収器中で吸収性液体と接触させて二酸化炭素に富む吸収性液体及び精製煙道ガスとし、こうして二酸化炭素含有煙道ガス流から二酸化炭素を除去する工程、（ｃ）該二酸化炭素に富む吸収性液体を再生器中、高温でストリッピングガスと接触させて再生吸収性液体、及び二酸化炭素に富むガス流を得る工程、（ｄ）ＣＯ_２圧縮機を使用して該二酸化炭素に富むガス流を加圧する工程を含み、熱回収水蒸気発生器ユニットで生じた水蒸気の第一部分をＣＯ_２圧縮機の駆動に使用することを特徴とする該方法。
【選択図】図１

Description

本発明は二酸化炭素（Ｃ０_２）捕獲ユニットと合体した発電所において加圧Ｃ０_２流を製造する方法に関する。

世界のエネルギー供給のかなりの部分は、発電所における燃料、特に天然ガス又は合成ガスの燃焼により行われている。一般に燃料は、１つ以上のガスタービン中で燃焼させ、得られたガスは、水蒸気の製造に使用される。次に水蒸気は、電力（ｐｏｗｅｒ）の発生に使用される。燃料の燃焼によりＣＯ_２が生成するが、これは処分する必要がある。過去数十年来、大気中へのＣＯ_２の放出量は、ほぼ地球規模で増加してきた。京都議定書に従って、天候の不要な変化を阻止又は阻害するため、ＣＯ_２放出量を減少させなければならない。したがって、生成したＣＯ_２の除去及び処分は必要である。ガスタービンの煙道ガス中のＣＯ_２濃度は、燃料や利用する燃焼法及び熱回収法にもよるが、一般に比較的低く、通常、３〜１５％の範囲である。したがって、全体の煙道ガスを圧縮し、堆積させるには費用がかかりすぎるので、ＣＯ_２の放出量減少には、排気ガスからＣＯ_２を分離することが望ましい。このため、煙道ガスからＣＯ_２を除去し、これによりどこか他の所で利用可能な濃縮加圧ＣＯ_２流を発生させるには、専用のＣＯ_２捕獲ユニットを用いるのが有利である。

加圧ＣＯ_２流の製造方法は、例えば米国特許第６，８８３，３２７号に記載されている。この特許では、吸収器及び再生器付きのＣＯ_２捕獲ユニットを使用している。ＣＯ_２再生器を出るＣＯ_２に富む流れは圧縮機で圧縮される。この圧縮機は、電源として背圧タービンを用いて駆動される。

水蒸気駆動ＣＯ_２圧縮機を用いて加圧ＣＯ_２流を製造でき、こうしてＣＯ_２圧縮機の駆動用電力を発生させるための追加装置を使用する必要がないことが今回見出された。

この目的のため、本発明は、熱回収水蒸気発生器ユニットと、吸収器及び再生器付きのＣＯ_２ガス捕獲ユニットとに連結したガスタービンを少なくとも１つ備える、ＣＯ_２捕獲ユニットと合体した発電所で加圧ＣＯ_２流を製造する方法において、
（ａ）ガスタービンを出る熱排気ガスを熱回収水蒸気発生器ユニットに導入して、第一量の水蒸気と、ＣＯ_２含有煙道ガス流とを生成する工程、
（ｂ）該煙道ガス流を吸収器中で吸収性液体と接触させて、ＣＯ_２に富む吸収性液体及び精製煙道ガスとし、これによりＣＯ_２含有煙道ガス流からＣＯ_２を除去する工程、
（ｃ）該ＣＯ_２に富む吸収性液体を、再生器中、高温でストリッピングガスと接触させて、再生吸収性液体、及びＣＯ_２に富むガス流を得る工程、
（ｄ）ＣＯ_２圧縮機を使用して該ＣＯ_２に富むガス流を加圧する工程、
を含み、該熱回収水蒸気発生器ユニットで生成した水蒸気の第一部分を該ＣＯ_２圧縮機の駆動に使用することを特徴とする該方法を提供する。

本方法ではＣＯ_２圧縮機は、熱回収水蒸気発生器ユニットからの高圧水蒸気を用いて駆動される。したがって、ＣＯ_２圧縮機を駆動するための電力の発生に別個の装置は必要としない。

本方法では、１つ以上のガスタービンを備えた発電所が使用される。通常、燃料及び酸素含有ガスはガスタービンの燃焼部に導入される。ガスタービンの燃焼部では、燃料が燃焼し、燃焼熱ガスを発生する。この燃焼熱ガスは、通常、数列に並んだ一連の膨張器羽根によりガスタービン中で膨張し、発電機により電力を発生させるのに使用される。ガスタービン中で燃焼させる好適な燃料としては、天然ガス及び合成ガスが挙げられる。

工程（ａ）では、ガスタービンを出る熱排気ガスは、熱回収水蒸気発生器ユニットに導入され、ここで熱排気ガスの熱は、水蒸気の第一量を生成するのに使用される。
熱回収水蒸気発生器ユニットは、熱排気ガスから熱を回収すると共に、この熱を水蒸気に変換するための手段を備えたユニットである。例えば熱回収水蒸気発生器ユニットは、層状に載せた複数の管を備えることができる。水をポンプ送りし、管中を循環させ、高温高圧下に保持できる。熱排気ガスは管を加熱して、水蒸気を生成するのに使用される。

好適には熱回収水蒸気発生器ユニットは、１種、２種又は３種の水蒸気、即ち、高圧水蒸気、中圧水蒸気及び低圧水蒸気を生成するように設計できる。高圧水蒸気は、電力発生に使用できるので、水蒸気発生器は少なくとも特定量の高圧水蒸気を生成するように設計することが好ましい。高圧水蒸気の圧力は、好適には９０〜１５０バール（絶対圧）、好ましくは９０〜１２５バール（絶対圧）、更に好ましくは１００〜１１５バール（絶対圧）の範囲である。低圧水蒸気も生成することが好ましく、低圧水蒸気の圧力は好ましくは２〜１０バール（絶対圧）、更に好ましくは〜８バール（絶対圧）、なお更に好ましくは４〜６バール（絶対圧）の範囲である。この低圧水蒸気は、ＣＯ_２を含有する吸収性液体の再生に使用される。

熱回収水蒸気発生器ユニットは、ＣＯ_２を含有する煙道ガスを放出する。煙道ガスの組成は、特にガスタービンに使用される燃料の種類による。煙道ガスは、ＣＯ_２を好適には０．２５〜３０％（ｖ／ｖ）、好ましくは１〜２０％（ｖ／ｖ）の範囲で含有する。煙道ガスは、通常、酸素も好ましくは０．２５〜２０％（ｖ／ｖ）、更に好ましくは５〜１５％（ｖ／ｖ）、なお更に好ましくは１〜１０％（ｖ／ｖ）の範囲で含有する。

工程（ｂ）では、煙道ガスを吸収器中、吸収性液体と好適な圧力で接触させると、ＣＯ_２は除去される。吸収性液体は、酸素及び比較的低濃度のＣＯ_２を含む煙道ガス流からＣＯ_２を除去できるいかなる好適な吸収性液体であってもよい。このような吸収性液体としては、化学溶剤、物理溶剤又はそれらの組み合わせが挙げられる。

煙道ガスが少量、好適には１〜２０％（ｖ／ｖ）の範囲の酸素を含有する場合、吸収性液体に腐蝕防止剤を添加することが好ましい。好適な腐蝕防止剤は例えば米国特許第６，０３６，８８８号に記載されている。

好適な物理溶剤としてはポリエチレングリコールのジメチルエーテル化合物が挙げられる。
好適な化学溶剤としてはアンモニア及びアミン化合物が挙げられる。
一実施態様では、吸収性液体は、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、ジグリコールアミン（ＤＧＡ）、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）及びトリエタノールアミン（ＴＥＡ）の群から選ばれた１種以上のアミンを含む。ＭＥＡは、ＣＯ_２を比較的高い割合（ＭＥＡ １容量当たりＣＯ_２容量）で吸収する能力を有するため、特に好ましいアミンである。したがって、ＭＥＡを含む吸収性液体は、低濃度、通常、３〜１０容量％のＣＯ_２を有する煙道ガスからＣＯ_２を除去するのに好適である。

他の一実施態様では、吸収性液体は、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）、トリエタノールアミン（ＴＥＡ）、Ｎ，Ｎ’−ジ（ヒドロキシアルキル）ピペラジン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’Ｎ’−テトラキス（ヒドロキシアルキル）−１，６−ヘキサンジアミン及びｔ−アルキルアミンスルホン酸化合物の群から選ばれた１種以上のアミンを含む。

Ｎ，Ｎ’−ジ（ヒドロキシアルキル）ピペラジンは、好ましくはＮ，Ｎ’−ジ（２−ヒドロキシエチル）ピペラジン及び／又はＮ，Ｎ’−ジ（３−ヒドロキシプロピル）ピペラジンである。
Ｎ，Ｎ，Ｎ’Ｎ’−テトラキス（ヒドロキシアルキル）−１，６−ヘキサンジアミンは、好ましくはＮ，Ｎ，Ｎ’Ｎ’−テトラキス（２−ヒドロキシエチル）−１，６−ヘキサンジアミン及び／又はＮ，Ｎ，Ｎ’Ｎ’−テトラキス（２−ヒドロキシプロピル）−１，６−ヘキサンジアミンである。

ｔ−アルキルアミンスルホン酸化合物は、好ましくは４−（２−ヒドロキシエチル）−１−ピペラジンエタンスルホン酸、４−（２−ヒドロキシエチル）−１−ピペラジンプロパンスルホン酸、４−（２−ヒドロキシエチル）ピペラジン−１−（２−ヒドロキシプロパンスルホン酸）及び１，４−ピペラジンジ（スルホン酸）の群から選ばれる。
更に他の一実施態様では吸収性液体はＮ−エチルジエタノールアミン（ＥＤＥＡ）を含む。
特に好ましい実施態様では、吸収性液体はアンモニアを含む。

特にアミンを含む吸収性液体を使用すると、吸収を比較的低温で、かつ高圧で行った場合、一層良好なＣＯ_２の吸収が達成される。煙道ガスの圧力は一般に低いので、煙道ガスは、吸収器に入れる前に加圧することが好ましい。煙道ガスの温度は一般に高いので、煙道ガスは、吸収器に入れる前に冷却することが好ましい。

工程（ｃ）ではＣＯ_２に富む吸収性液体は、再生器中、高温でストリッピングガスとの接触により、再生吸収性液体、及び二酸化炭素に富むガス流が得られる。二酸化炭素に富むガス流の再生工程（ｃ）を更に含むことが好ましい。再生に使用される条件は、特に吸収性液体の種類及び吸収工程で使用した条件によることは理解されよう。好適には再生は、吸収とは異なる温度及び／又は異なる圧力で行う。吸収性液体がアミンを含む場合、好ましい再生温度は１００〜２００℃の範囲である。吸収性液体が水性アミンを含む場合、再生は１〜５バール（絶対圧）の範囲で行うことが好ましい。

吸収性液体がアンモニアを含む場合、吸収工程は好適には周囲温度未満、好ましくは０〜１０℃、更に好ましくは２〜８℃の範囲で行われる。再生工程は好適には吸収工程の場合よりも高い温度で行われる。アンモニアを含む吸収性液体を用いる場合、再生器を出るＣＯ_２に富むガス流は高温である。ＣＯ_２に富むガス流の圧力は好適には５〜８バール（絶対圧）、好ましくは６〜８バール（絶対圧）の範囲である。ＣＯ_２に富むガス流を高圧で使用する必要がある用途、例えば地下の地層に注入する場合、ＣＯ_２に富むガス流は、既に高温であるという利点がある。普通、ＣＯ_２に富むガス流を所望の圧力に加圧するには、一連の圧縮機を必要とする。既に高圧にあるＣＯ_２に富むガス流を更に加圧するのは一層容易である。

工程（ｄ）では、ＣＯ_２圧縮機を使用して二酸化炭素に富むガス流は加圧され、加圧ＣＯ_２流が得られる。熱回収水蒸気発生器ユニットで生成した水蒸気の第一部分は、ＣＯ_２圧縮機の駆動に使用される。好ましい実施態様では、熱回収水蒸気発生器ユニットで生成した水蒸気の第一部分は、例えばシャフトによりＣＯ_２圧縮機に連結した膨張器に案内される。こうして膨張器は、まずＣＯ_２圧縮機を駆動するための電力の発生を必要とすることなく、ＣＯ_２圧縮機を駆動する。特に好ましい実施態様では、膨張器の排出物（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）は、低圧流を含有し、この低圧流は再生器で必要な熱の少なくとも一部を供給するのに使用される。こうしてＣＯ_２捕獲ユニットの熱／電力需要割当て量（ｒａｔｉｏｎ）、高圧水蒸気の圧力に依存して、熱回収水蒸気発生器ユニットで或る量の燃料を燃焼させ、第二量の水蒸気を生成すれば、再生工程の熱要件は、少なくとも部分的に満たされる。この加圧ＣＯ_２流は、好ましくは４０〜３００バール（絶対圧）、更に好ましくは５０〜３００バール（絶対圧）の範囲の圧力を有する。このような好ましい範囲の圧力を有するＣＯ_２流は、多くの目的、特に石油や石炭床メタンの回収増進又は地下の地層での隔離に使用できる。特に加圧ＣＯ_２流を地下の地層に注入する目的には、高圧が必要である。好ましい実施態様では、加圧ＣＯ_２流は石油の回収増進に使用される。ＣＯ_２を油層に注入すれば、石油の回収速度は増大できる。通常、加圧ＣＯ_２流は油層に注入され、ここに存在する石油の若干量と混合される。このＣＯ_２と石油との混合物は、慣用の注入法では置換（ｄｉｓｐｌａｃｅ）できない石油を置換させる。

特に好ましい実施態様では、本方法は、或る量の燃料を熱回収水蒸気発生ユニット中で燃焼させて、第二量の水蒸気を生成する追加工程（ｅ）を更に含む。ここで燃料の量は、水蒸気の第二量が吸収性液体の再生に必要な熱の８０％以上供給するのに充分であるような量である。好ましくは水蒸気の第二量は、吸収性液体の再生に必要な熱の９０％以上供給するのに充分な量である。熱回収水蒸気発生器ユニットから加熱用水蒸気をＣＯ_２捕獲ユニットに搬送するため、低圧水蒸気配管を使用することが好ましい。好適には低圧水蒸気配管は、プロセス熱交換器で使用される水蒸気から電力の発生に使用される生成水蒸気を隔離するため閉ループ中に配置される。熱回収水蒸気発生器ユニットで或る量の燃料を燃焼させると、発電所の合計電力出力は、ＣＯ_２捕獲ユニットが操作中であるか、ないかに関係ないという利点がある。再生するための熱要件に備えるための燃料の必要量は、例えば熱回収水蒸気発生器ユニットで発生した電力をモニターし、発生した電力量に従って、熱回収水蒸気発生器ユニットへの燃料の導入量を調節すれば、決定できる。前述のように熱回収水蒸気発生器ユニットでは、水蒸気タービン中で好ましくは高圧の水蒸気が生成し、この高圧水蒸気は、例えば水蒸気タービンに連結した発電機により電力に変換される。水蒸気タービンに連結した発電機の電力出力は、ＣＯ_２捕獲ユニットの操作中は、ＣＯ_２捕獲ユニットの再生器の加熱に必要な熱回収水蒸気発生器ユニットからの水蒸気の抽出量のため、低下する。熱回収水蒸気発生器ユニットの水蒸気タービンに連結した発電機の電力出力をモニターすれば、熱回収水蒸気発生器ユニットでの燃料の燃焼量を調節できる。出力が低下する場合は、燃料の燃焼量を増加できる。水蒸気タービンに連結した発電機の電力出力を余り落とさずにＣＯ_２捕獲ユニットの再生器の熱要件を満足できるようにするため、燃料の燃焼量を予備設定することが好ましい。ＣＯ_２捕獲ユニットを操作していない時は、水蒸気タービンに連結した発電機の電力出力を基本ケースとみなし、次いで、同じ出力を得るために、燃料の燃焼量が決められる。
熱回収水蒸気発生器ユニットでの燃焼に好適な燃料としては、天然ガス及び合成ガスが挙げられる。

熱回収水蒸気発生器ユニットで或る量の燃料を燃焼させるには、酸素の存在が必要である。この酸素は熱回収水蒸気発生器ユニットに供給できるが、熱排気ガスは酸素を含有し、この酸素の少なくとも一部を工程（ｄ）において燃料の燃焼に使用することが好ましい。熱排気ガスからの酸素を使用する結果、熱回収水蒸気発生器ユニットを出る煙道ガス中の酸素の量は減少する。これは、特にアミン系吸収性液体を用いた場合のＣＯ_２吸収プロセスに好ましい。酸素はアミンの分解を誘引すると共に、吸収性液体中に分解生成物を形成できる。したがって、煙道ガス中の酸素含有量が少ないと、アミンの分解は減少する。
以下に本発明を添付の図１を参照して、単に例示により説明する。

図１に、ガスタービン（１）、熱回収水蒸気発生器ユニット（２）及びＣＯ_２捕獲ユニット（３）を備えた発電所を示す。ガスタービンでは、酸素含有ガスがライン４経由で圧縮機５に供給される。燃焼器７には燃料がライン６経由で供給され、圧縮酸素含有ガスの存在下で燃焼する。得られた燃焼ガスは第一膨張器８中で膨張し、発電機９での発電に使用される。ＣＯ_２及び酸素を含む残りの排気ガスは、ライン１０経由で熱回収水蒸気発生器ユニット２に案内される。熱回収水蒸気発生器ユニットでは、加熱部１１中の熱排気ガスにより水が加熱され、水蒸気を発生する。この水蒸気の第一部分はライン１２経由で第二膨張器１３に案内される。前記水蒸気の第二部分はライン１４経由で発電機１６に連結した水蒸気タービン１５に案内され、追加の電力を生成する。任意に或る量の燃料が熱回収水蒸気発生器ユニットに案内され（図示せず）、排気ガスからの酸素を用いて燃焼し、追加の水蒸気を生成する。ＣＯ_２及び酸素を含有する熱煙道ガスは、ライン１７経由でアミン系吸収器１８に案内される。熱煙道ガスは、まず冷却器（図示せず）で冷却し、次いで、この冷却煙道ガスは、アミン系吸収器に入れる前にブロワー（図示せず）を用いて加圧することが好ましい。アミン吸収器１８内でＣＯ_２は、煙道ガスからアミン系吸収器に含まれるアミン液に高圧で移行する。二酸化炭素が欠乏した精製煙道ガスは、アミン系吸収器１８からライン１９経由で案内される。ＣＯ_２に富むアミン液はアミン吸収器からライン２０経由で再生器２１に案内される。再生器ではＣＯ_２に富むアミン液は、脱圧され、高温でストリッピングガスと接触し、これによりＣＯ_２をアミン液からストリッピングガスに移行させ、再生アミン液と、ＣＯ_２に富むガス流とが得られる。再生アミン液は再生器からライン２２経由でアミン系吸収器１８に案内される。ＣＯ_２に富むガス流は、再生器からライン２３経由でＣＯ_２圧縮機２４に案内される。膨張器１３からの高圧水蒸気は、シャフト２５経由でＣＯ_２圧縮機２４に案内され、このＣＯ_２圧縮機を駆動するのに使用される。低圧水蒸気は、膨張器１３からライン２６経由で再生器に案内され、再生器の加熱に必要な熱の少なくとも一部を供給する。再生器の熱要件の残部は、第二水蒸気タービンからライン２７経由で再生器に案内された低圧水蒸気を用いて満たされる。

ガスタービン、熱回収水蒸気発生器ユニット及びＣＯ_２捕獲ユニットを備えた発電所を示す。

１ ガスタービン
２ 熱回収水蒸気発生器ユニット
３ ＣＯ_２捕獲ユニット
５ 圧縮機
７ 燃焼器
８ 第一膨張器
９ 発電機
１３ 第二膨張器
１５ 水蒸気タービン
１６ 発電機
１８ アミン系吸収器
２１ 再生器
２４ ＣＯ_２圧縮機
２５ シャフト

米国特許第６，８８３，３２７号 米国特許第６，０３６，８８８号

Claims (10)

1. 熱回収水蒸気発生器ユニットと、吸収器及び再生器付きのＣＯ_２捕獲ユニットとに連結したガスタービンを少なくとも１つ備える、ＣＯ_２捕獲ユニットと合体した発電所で加圧ＣＯ_２流を製造する方法において、
   （ａ）ガスタービンを出る熱排気ガスを熱回収水蒸気発生器ユニットに導入して、第一量の水蒸気と、ＣＯ_２含有煙道ガス流とを生成する工程、
   （ｂ）該煙道ガス流を吸収器中で吸収性液体と接触させて、ＣＯ_２に富む吸収性液体及び精製煙道ガスとし、これによりＣＯ_２含有煙道ガス流からＣＯ_２を除去する工程、
   （ｃ）該ＣＯ_２に富む吸収性液体を、再生器中、高温でストリッピングガスと接触させて、再生吸収性液体、及びＣＯ_２に富むガス流を得る工程、
   （ｄ）ＣＯ_２圧縮機を使用して該ＣＯ_２に富むガス流を加圧する工程、
   を含み、該熱回収水蒸気発生器ユニットで生成した水蒸気の第一部分を該ＣＯ_２圧縮機の駆動に使用することを特徴とする該方法。
2. 前記熱回収水蒸気発生器ユニットで生成した水蒸気の一部が、ＣＯ_２圧縮機に連結した膨張器に案内される請求項１に記載の方法。
3. 前記熱回収水蒸気発生器ユニットで生成した水蒸気の他の一部を、電力を発生する発電機に連結した水蒸気タービンに案内して、電力を発生させる請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記膨張器が低圧水蒸気を排出し、該低圧水蒸気が前記吸収性液体の再生に必要な熱の少なくとも一部を供給するのに使用される請求項２又は３に記載の方法。
5. （ｅ）第二量の水蒸気を生成するため、前記熱回収水蒸気発生器ユニット中で或る量の燃料を燃焼させる工程であって、該燃料の量は、前記吸収性液体の再生に必要な量の８０％以上を供給するのに充分であるような量である該工程を更に含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記高圧流が９０〜１２５バール（絶対圧）、更に好ましくは１００〜１１５バール（絶対圧）の範囲の圧力を有する、及び／又は前記低圧流が３〜８バール（絶対圧）、更に好ましくは４〜６バール（絶対圧）の範囲の圧力を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ＣＯ_２に富む加圧ガス流は、４０〜３００バール（絶対圧）、更に好ましくは５０〜３００バール（絶対圧）の範囲の圧力を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記吸収性液体が、アミン、好ましくはモノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、ジグリコールアミン、（ＤＧＡ）、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）、トリエタノールアミン（ＴＥＡ）、Ｎ−エチルジエタノールアミン（ＥＤＥＡ）、Ｎ，Ｎ’−ジ（ヒドロキシアルキル）ピペラジン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラキス（ヒドロキシアルキル）−１，６−ヘキサンジアミン及びｔ−アルキルアミンスルホン酸化合物よりなる群から選ばれた１種以上のアミンである請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記吸収性液体が物理溶剤、好ましくはポリエチレングリコールのジメチルエーテルを含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記吸収性液体がアンモニアを含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。