JP2011240321A - 二酸化炭素除去装置を有する排ガス処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】CO₂除去設備でのボイラ蒸気冷却に新たな設備ならびに方法を採ることにより、発電システム全体の蒸気バランスを維持するとともに、ボイラ熱を効率的に利用することにより、CO₂除去設備、ひいては発電システム全体の効率を向上することにある。
【解決手段】ボイラから排出される排ガスを二酸化炭素（CO₂）吸収塔内でアミン吸収液と接触させて排ガス中のCO₂を吸収し、該CO₂を吸収した吸収液を加熱してCO₂再生塔内でCO₂を離脱させ、CO₂離脱後の吸収液を再生塔抜出し配管を介して抜き出し、その途中に設けられた、熱交換器および冷却器で冷却した後、CO₂吸収塔に循環するCO₂化学吸収設備とを備えた排ガス処理システムであって、前記CO₂離脱後の吸収液の一部を昇温するためにリボイラを設け、該リボイラは、加熱用の蒸気が供給される伝熱管と、該伝熱管を出た蒸気を凝縮させ、蒸気ドレンとして回収する凝縮水ドラム装置とを有する排ガス処理システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二酸化炭素除去装置を有する排ガス処理システムに係り、さらに詳しくはアミン類の水溶液を二酸化炭素の吸収剤として使用する、燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去する排ガス処理システムに関するものである。

近年、火力発電設備やボイラ設備では、多量の石炭及び重油等を燃料として用いており、大気汚染、地球温暖化の見地から、二酸化炭素（以下、CO₂と記す）の大気への大量排出が問題になっており、CO₂排出抑制について世界的に検討されている。CO₂の分離回収技術のひとつとして、アルカノールアミンのようなアミン類の水溶液（以下、アミン吸収液という）を用いてCO₂を吸収除去する化学吸収法が広く知られている。
従来のCO₂除去設備の一例を図３に示す。該脱CO₂設備は、ボイラ1からの排ガス流路に沿って順次設けられた脱硝装置2、エアヒータ3、電気集塵装置4、湿式脱硫装置5、プレスクラバー10、CO₂吸収塔20、再生塔40およびリボイラ60等から構成される。ボイラ1で石炭等を燃焼することにより発生した排ガスは、脱硝装置2に導入され、ガスに含まれるNOx（窒素酸化物）が分解除去された後、エアヒータ3で200〜160℃に温度調整された後、電気集塵装置4で煤塵が除去され、さらに湿式脱硫装置5でSO₂を除去後、プレスクラバー10で残りのSO₂がガス中濃度が1ppm以下になるように高効率脱硫を行う。プレスクラバーは、系内に供給する吸収剤11、吸収液を循環する循環ポンプ14、循環する吸収液を冷却する冷却器15、吸収液を排ガスと向流接触するようにスプレするスプレ部16から構成されている。プレスクラバーでは湿式脱硫装置出口排ガスに含まれるSO₂が40ppm〜80ppm程度含まれているが、アミン吸収液の劣化要因であるSO₂を極力除去（プレスクラバー出口で1〜数ppm程度）したガスを、プレスクラバー出口ガス18を吸収塔20に導入するものである。吸収塔20内には、排ガス中のCO₂をアミン吸収液に吸収する反応がおこる充填層21と吸収塔をスプレする吸収液スプレ部22により排ガス中のCO₂をアミン吸収液に吸収された際、CO₂を吸収して発熱反応により温度が上昇した脱CO₂ガス23を冷却、水洗する目的で排ガス中に同伴するアミン吸収液を洗浄する水洗部24と水洗スプレ部25と、水洗した水を溜める水洗水溜め部27と循環する水洗水を冷却する冷却器28と、水洗水を循環する水洗ポンプ29で構成される。また、水洗部上部にはデミスタ26が設置されて、水洗部をくぐり抜けた吸収液のミストを除去する。吸収塔出口から排出される処理ガス37は、図には示していない煙突から排出するために煙突入口ダクトに導入される。

また、CO₂を吸収したアミン吸収液は、吸収塔20下部の液溜めから吸収塔抜出しポンプ33により再生塔液供給配管35を通り、再生塔40に送液されて再生塔中間部にある充填層４１の上部においてスプレ部42から噴霧される吸収液が下部から上昇する蒸気と気液接触することにより、アミン吸収液に含まれたCO₂が脱気される。次いで、脱気したCO₂ガスは水洗部43によりガスに同伴され、水洗部をすり抜けたミストをデミスタ45で捕集し、CO₂ガス46として再生塔上部より排出される。また、CO₂ガスは冷却器47によって冷却されてCO₂分離器48でガスと凝縮した水に分離され、CO₂ガスは図に示していないCO₂液化設備へ導入され、凝縮した水はドレンポンプ50によって水洗スプレ部に供給される。一方、CO₂を脱気したアミン液は、再生塔液溜め部51に溜められた後、リボイラ液供給配管52を通ってリボイラ60に送液される。リボイラ60内部には、伝熱管等が設置されており、アミン液が蒸気供給配管61によって供給される蒸気62で間接加熱することにより、リボイラ60内部で発生した蒸気が蒸気供給配管65を通って、再生塔に供給される。また、再生塔下部の液溜めから抜出された吸収液は、再生塔液抜出し配管66を通り、熱交換器34および冷却器31で冷却された後、吸収塔に導入される。リボイラ60にて使用した蒸気62は伝熱管中で蒸気ドレンとなり、凝縮水ドラム67へと排出され、噴霧冷却水68と混合され100℃未満に十分冷却される。戻り配管中でのフラッシングの恐れのなくなった蒸気ドレンは凝縮水ポンプ69にてボイラ1へと返送される。

上記従来技術では、凝縮水ドラム67において上記で述べた蒸気62のドレンを冷却するために蒸気量に匹敵する噴霧冷却水68が必要であった。具体的には、約140℃の蒸気62のドレン1t/hを85〜90℃まで冷却するのに必要な約30℃の噴霧冷却水68の量は以下のようになる。
（140 kcal/kg -85 kcal/kg）/(85 kcal/kg - 30 kcal/kg) x 1 = 1 t/h
したがって発電システム全体での蒸気バランスを保つため、冷却された蒸気ドレンの一部を廃棄しなければならず、ボイラ水ならびに熱の効率的な利用につき考慮されていなかった。したがって、廃水処理設備を大型化せざるを得ない上に、ボイラ熱を排水とともに廃棄せざるを得なかった。

本発明の課題は、CO₂除去設備でのボイラ蒸気冷却に新たな設備ならびに方法を採ることにより、発電システム全体の蒸気バランスを維持するとともに、ボイラ熱を効率的に利用することにより、CO₂除去設備、ひいては発電システム全体の効率を向上することにある。

上記課題を達成するため、本発明者は、凝縮水ドラム67のドレンを冷却するために再生塔40に供給されるアミン吸収液を冷媒として使用することにより、発電システム全体の蒸気バランスを維持することを考えた。さらに、上記システムでは、熱交換器34出口のアミン吸収液の温度が上昇することに鑑み、再生塔抜出し配管66の冷却器31の冷却水として、ボイラ1に付設したスチームタービン設備の復水器出口のボイラ水を使用することにより、上記熱交換器34の熱回収の問題も解決した。すなわち、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）ボイラから排出される排ガスを二酸化炭素（CO₂）吸収塔内でアミン吸収液と接触させて排ガス中のCO₂を吸収し、該CO₂を吸収した吸収液を加熱してCO₂再生塔内でCO₂を離脱させ、CO₂離脱後の吸収液を再生塔抜出し配管を介して抜き出し、その途中に設けられた、熱交換器および冷却器で冷却した後、CO₂吸収塔に循環するCO₂化学吸収設備とを備えた排ガス処理システムであって、前記CO₂離脱後の吸収液の一部を昇温するためにリボイラを設け、該リボイラは、加熱用の蒸気が供給される伝熱管と、該伝熱管を出た蒸気を凝縮させ、蒸気ドレンとして回収する凝縮水ドラム装置とを有することを特徴とする排ガス処理システム。
（２）凝縮水ドラム内に冷媒を循環させる伝熱管と、該伝熱管を通る吸収液の流量調節弁とをさらに設けたことを特徴とする（１）に記載のシステム。
（３）前記冷媒が前記CO₂吸収塔から抜き出されたアミン吸収液であることを特徴とする（２）に記載のシステム。
（４）前記熱交換器の前後にバイパス配管およびバイパス弁を設け、前記吸収塔に循環されるアミン吸収液の流量を調節する流量調節弁を設けたことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のシステム。
（５）前記ボイラはスチームタービン設備およびその復水器を有し、前記CO₂吸収塔に循環する吸収液を冷却する冷却器の冷媒として、前記復水器出口のボイラ水を使用することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のシステム。

本発明によれば、CO₂除去設備を含む発電システムの蒸気バランスが維持されて安定に運転することができ、また、リボイラに使用する蒸気ドレンを冷却する冷媒に吸収塔から排出されるアミン吸収液を使用すれば、再生塔内のアミン吸収液の顕熱を上昇させることができ、CO₂除去設備へ供給する蒸気量を低減させる効果がある。また脱CO₂設備のリボイラに使用する蒸気ドレンの冷却器冷媒に、吸収塔から排出されるアミン吸収液を使用する構成に加え、再生塔から吸収塔へ供給するアミン吸収液の冷却水に、復水器出口のボイラ水を使用することにより、アミン吸収液冷却のための冷却水が不要となると同時に、ボイラに供給する給水の温度を上昇させることが可能となるため、タービン出力の向上を図ることができる。

本発明の一実施例を示すCO₂除去設備を含む、排ガス処理システムの説明図。 本発明の第２の実施例を示す排ガス処理システムの説明図。 従来のCO₂除去設備を含む、排ガス処理システムの説明図。

図１は、本発明の一実施例を示すCO₂除去設備を含む、排ガス処理システムの説明図である。このシステムは、ボイラ1の排ガス流路に沿って順次設けられた脱硝装置2、エアヒータ3、電気集塵装置4、湿式脱硫装置5、プレスクラバー10およびCO₂吸収塔20、CO₂吸収塔で吸収したCO₂を脱離すると共にアミン吸収液を再生する再生塔40、および再生塔40に付設されたリボイラ60から主として構成される。ボイラ1で石炭等を燃焼することにより生成した排ガスは、脱硝装置2に導入され、ガスに含まれるNOx（窒素酸化物）が分解除去される。該脱硝装置2から排出されたガスはエアヒータ3で200〜160℃に温度調整された後、電気集塵装置4で煤塵を除去される。除塵されたガスは、湿式脱硫装置5に供給されてSO₂が除去され、プレスクラバー10で残りのSO₂を極力除去した後、CO₂吸収塔20に導入される。

プレスクラバー10は、湿式脱硫装置出口排ガスに40ppm〜80ppm程度含まれ、アミン吸収液の劣化要因となるSO₂をプレスクラバー出口で1〜数ppm程度になるように極力除去するもので、系内に供給する吸収液11と、吸収液を循環する循環ポンプ14と、循環する吸収液を冷却する冷却器15と、吸収液を排ガスと向流接触するようにスプレするスプレ部16とから構成される。
吸収塔20内には、排ガス中のCO₂をアミン吸収液に吸収する充填層21と、吸収液をスプレする吸収液スプレ部22と、吸収液により排ガス中のCO₂が吸収された際、発熱反応により温度が上昇した脱CO₂ガス23を冷却、水洗すると共に、排ガス中に同伴するアミン吸収液を洗浄する水洗部24および水洗スプレ部25と、水洗した水を溜める水洗水溜め部27と、循環する水洗水を冷却する冷却器28と、水洗水を循環する水洗ポンプ29とで構成される。また、水洗スプレ部上部にはデミスタ26が設置され、水洗部24をくぐり抜けた吸収液のミストが除去される。吸収塔20の塔頂から排出される処理ガス37は、図には示していない煙突から系外に排出される。

CO₂を吸収したアミン吸収液は、吸収塔20下部の液溜めから吸収塔抜出しポンプ33により抜き出され、その一部が熱交換器34に入る前に、分岐した伝熱管70により、凝縮水ドラム67へ送られ、該伝熱管70を介して蒸気62のドレンと熱交換した後、戻りの伝熱管70を通って元の配管に戻される。凝縮水ドラム67へ送られるアミン吸収液流量は、ドレン出口温度計71を制御するため、流量調整弁72によって制御される。次いでアミン吸収液は、再生塔液供給配管35に合流した後、熱交換器34を通り、再生塔40に導入され、充填層41上部のスプレ部42から噴霧され、充填層41の下部から上昇する蒸気と気液接触することにより、アミン吸収液に含まれるCO₂が脱気される。次いで、脱気したCO₂ガスは水洗部43によりガスに同伴され、水洗部をすり抜けたアミンを含むミストがデミスタ45で捕集され、CO₂ガス46として再生塔上部より排出される。また、CO₂ガスは冷却器47によって冷却されてCO₂分離器48でガスと凝縮した水に分離され、CO₂ガスは図に示していないCO₂液化設備へ導入され、凝縮した水はドレンポンプ50によって水洗スプレ部44に供給される。一方、CO₂を脱気したアミン吸収液は、再生塔液溜め部51に溜められた後、リボイラ液供給配管52を通ってリボイラ60に送液される。リボイラ60内には、蒸気供給配管61が伝熱管として配置されており、その中を通る蒸気によりアミン吸収液を間接加熱することにより、リボイラから吸収液が再生塔40に供給される。また、再生塔40下部の液溜めから抜き出された吸収液は、再生塔液抜出し配管66を通り、熱交換器34および冷却器31で冷却された後、吸収塔20に導入される。

リボイラ60内の蒸気は、伝熱管中で蒸気ドレン62となり、凝縮水ドラム67へと排出される。そこで蒸気ドレンは伝熱管70内を通るアミン吸収液と熱交換することにより、100℃未満に十分冷却される。冷却後、フラッシングの恐れのなくなった蒸気ドレン71は凝縮水ポンプ69により、戻り配管（図示せず）を通ってボイラ1へと返送される。
上記伝熱管70の吸収液の流量は、アミン流量調節弁A72およびアミン流量調節弁B73により調節することができ、例えばドレン温度をドレン出口温度計71で検出し、所定の温度になるように、前記流量調節弁72および73を調節することができる。熱交換器34の入口配管を分岐して伝熱管70とし、この伝熱管70を再生塔40の凝縮水ドラム67のドレン水との熱交換用配管とした後、元の熱交換器34の入口に戻す戻り配管としたことにより、再生塔40に導入されるアミン吸収液の温度を高め、再生塔に供給する蒸気量を低減することができる。

上記実施例によれば、 凝縮水ドラム67に伝熱管70を設置し、その中に冷媒を通すことにより、蒸気62のドレンを噴霧冷却水68なしで冷却することが可能になり、蒸気ドレンを廃棄する必要がなくなり、また冷媒に吸収塔20（吸収塔抜き出しポンプ33）から排出されるアミンを吸収液使用することにより、再生塔40におけるアミン吸収溶液の温度上昇に寄与することができる。これはまたリボイラ60から供給する熱量を減らすことにもなり、CO₂システムの熱量低減につながる。具体的には、約140℃の蒸気62のドレンを吸収塔20（吸収塔抜き出しポンプ33）から排出される約50〜60℃のアミンを冷媒として冷却し、約85〜90℃にすることで、噴霧冷却水68を0にするとともに、回収した熱量を再生塔40に供給することができる。

上記の本発明の第１においては、発電システム全体の蒸気バランスが維持されることにより安定な運転が可能となるものの、熱交換器34出口のアミン吸収液の温度が上昇するため、熱交換器及びその冷却水量が増加するという問題があった。一方、このような脱CO₂設備の設置における不可避の問題として、ボイラに付設したタービン設備における多量の蒸気の抽気、及び脱CO₂設備による所要動力の増加、といったことによるプラント効率の低下があり、そのため、脱CO₂設備の導入後も、プラント効率を設置以前の水準に極力近づけるようにすることが望ましい。

図２は、このような要望に適応した本発明の第２の実施例を示す排ガス処理システムの説明図である。図１のシステムと異なる点は、熱交換器34、再生アミン液の配管66にバイパス配管及びバイパス弁68を設け、熱交換器34を流れる再生アミン液（リーンアミン液）の流量を制御し、熱交換量の調整を行うようにしたこと、および吸収塔20のアミン液供給配管66に設けられた冷却器31の冷却水として、ボイラ１に付設されたタービン設備の復水器82の出口ボイラ水32を利用したことである。このタービン設備は、図１の破線の枠内に示されるように、ボイラ1に接続された蒸気タービン81および発電機90と、復水器82と、復水ポンプ83と、給水加熱器84とからなり、復水器82の出口ボイラ水は符号32で示される。なお、85は海水、86、87は抽気蒸気、88は復水、89は給水をそれぞれ示す。上記のように冷却器31の冷却水としてボイラ1の復水器82出口のボイラ水を使用することにより、冷却器31における冷却水が不要となる。同時に、蒸気ドレン廃熱なしで冷却器31にボイラ水を利用した場合に比べ、冷却器31入口のアミン液温度が高くなっているため、ボイラ水の温度を上昇させることが可能となり、タービン出力の向上を図ることができる。

具体的には、熱交換器34に流入するアミン吸収液の流量を制御して交換熱量を調整することにより、再生塔20に供給されるアミン吸収液を安定した状態で流下させることが可能な100℃以下の温度に制御することができる。また冷却器31の冷却水として復水器82の出口はボイラ水を用いることにより、温度が上昇したボイラ水32は、給水加熱器84の後流に戻され、ボイラに供給される。具体的な効果としては、図２の冷却器31の冷却水は5℃の温度上昇(35℃→40℃)であったが、図１の本実施例においては約8℃の上昇(35℃→43℃)となリ、この温度上昇分をボイラ給水の温度上昇とすることが可能であるため、タービン出力の向上が期待できる。

１‥ボイラ、２０‥吸収塔、４０‥再生塔、６０‥リボイラ、６１‥蒸気供給配管、６２‥蒸気、６４‥リボイラ液抜出し配管、６５‥蒸気供給配管、６６‥再生塔液抜出し配管、６７‥凝縮水ドラム、７０‥伝熱管、７１‥ドレン出口温度計、７２‥アミン流量調整弁A、７３‥アミン流量調整弁B

Claims (5)

1. ボイラから排出される排ガスを二酸化炭素（CO₂）吸収塔内でアミン吸収液と接触させて排ガス中のCO₂を吸収し、該CO₂を吸収した吸収液を加熱してCO₂再生塔内でCO₂を離脱させ、CO₂離脱後の吸収液を再生塔抜出し配管を介して抜き出し、その途中に設けられた、熱交換器および冷却器で冷却した後、CO₂吸収塔に循環するCO₂化学吸収設備とを備えた排ガス処理システムであって、前記CO₂離脱後の吸収液の一部を昇温するためにリボイラを設け、該リボイラは、加熱用の蒸気が供給される伝熱管と、該伝熱管を出た蒸気を凝縮させ、蒸気ドレンとして回収する凝縮水ドラム装置とを有することを特徴とする排ガス処理システム。
2. 凝縮水ドラム内に冷媒を循環させる伝熱管と、該伝熱管を通る吸収液の流量調節弁とをさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記冷媒が前記CO₂吸収塔から抜き出されたアミン吸収液であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記熱交換器の前後にバイパス配管およびバイパス弁を設け、前記吸収塔に循環されるアミン吸収液の流量を調節する流量調節弁を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記ボイラはスチームタービン設備およびその復水器を有し、前記CO₂吸収塔に循環する吸収液を冷却する冷却器の冷媒として、前記復水器出口のボイラ水を使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。

Images