JP2012031029A - 二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な吸収液および二酸化炭素回収装置に適用することができるとともに、負荷変動運転にも柔軟に対応することのできる二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムおよびその運転方法を提供することを可能にする。
【解決手段】蒸気を発生するボイラ１１と、このボイラから発生された蒸気により駆動される複数の蒸気タービンを有する蒸気タービン装置１３、１５、１７と、ボイラから排出される二酸化炭素含有排ガスから二酸化炭素を分離回収し、吸収液加熱用のリボイラを含む二酸化炭素回収装置３０と、この二酸化炭素回収装置の上流に設けられ、蒸気タービン装置１３、１５、１７の排気が供給され、リボイラに対して排気蒸気を供給し、複数の排気流路を有する第１背圧タービン２３と、第１背圧タービンの排気の圧力を調整する第１圧力調整部と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発生する排ガス等から二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムおよびその運転方法に関する。

化石資源の急激な消費量増大により、産業革命以前には280ppmであった大気中二酸化炭素濃度は、近年では約380ppmにまで上昇している。この二酸化炭素濃度の上昇は、近年顕在化している地球温暖化の主要な要因である可能性が高いことが最近の研究により明らかになりつつある。この問題に対処するため、気候変動に関する国際連合枠組条約の京都議定書に応じて、各国は、温室効果ガスの排出量削減に取り組んでいる。

このような状況の下、多量の化石燃料を使用する火力発電所や、製鉄プラント等において、排ガスをアミン系吸収液と接触させ、二酸化炭素を分離し、回収する方法が研究されている。これを実現するシステムとしては、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、吸収塔から供給された二酸化炭素吸収後の吸収液（リッチ液）を加熱し、リッチ液から二酸化炭素ガスを放出させるとともに、吸収液を再生する再生塔とを備えた二酸化炭素回収装置が知られている（例えば特許文献1参照）。この再生塔には、熱源としてのリボイラが連結されている。再生塔において再生された吸収液（リーン液）は吸収塔に供給され、このシステム内で吸収液が循環するようになっている。例えば、蒸気タービンを含む発電システムにおいては、その大きな凝縮潜熱を利用できることから典型的にはシステム内を循環する蒸気の一部がリボイラに供給される。蒸気の抜き出し点に関して、例えば非特許文献1において検討されている。この非特許文献１においては、中圧タービンの排気から抽気する例が示されている。しかし、この抽気圧力はリボイラに供給する蒸気の圧力よりも一般に高いので、リボイラの前段に設置した背圧タービンによりエネルギーを回収する手法が検討されている。この中圧タービンの排気からの抽気は、特に抜き出し蒸気量が多い場合には低圧タービンの途中から抽気するよりも、タービン性能に与える影響を比較的小さくすることが可能であり、既設発電所にも適用可能な手法として広く知られている。

ところが、このような背圧タービンを用いたシステムにおいて、例えば100%負荷運転の場合においては、抽気蒸気量によりリボイラに供給される蒸気圧力が固定されてしまう。このため、従来とは再生温度や使用蒸気量が異なる新規な吸収液を適用しようとした場合、供給される蒸気圧力と飽和温度が、必要とする蒸気性状とは異なる可能性が生じるという問題がある。供給される蒸気圧力が必要とする圧力より低い場合は勿論不具合が生じる。しかし、逆の場合においてもバルブ等を介して減圧させる必要があり、この場合は、エネルギーを回収せずに無駄に圧力を下げることになってしまう。

特開2005-254212号公報

RITE 二酸化炭素固定化、有効利用技術等対策事業 H18成果報告書(第III編3章)

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、様々な吸収液および二酸化炭素回収装置に適用することが可能で、かつ負荷変動運転にも柔軟に対応可能な、二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムは、蒸気を発生するボイラと、このボイラから発生された蒸気により駆動される複数の蒸気タービンを有する蒸気タービン装置と、前記ボイラから排出される二酸化炭素含有排ガスから二酸化炭素を分離回収し、吸収液加熱用のリボイラを含む二酸化炭素回収装置と、この二酸化炭素回収装置の上流に設けられ、前記蒸気タービン装置の排気が供給され、前記リボイラに対して排気蒸気を供給し、複数の排気流路を有する第１背圧タービンと、前記第１背圧タービンの排気の圧力を調整する第１圧力調整部と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムは、蒸気を発生するボイラと、このボイラから発生された蒸気により駆動される高圧タービン、中圧タービン、および低圧タービンを含む蒸気タービン装置と、前記ボイラから排出される二酸化炭素含有排ガスから二酸化炭素を分離回収し、前記中圧タービンの排気の一部が供給されて動作する吸収液加熱用のリボイラを含む二酸化炭素回収装置と、前記中圧タービンと前記低圧タービンとの間に設けられ、前記中圧タービンの排気の一部が流入すると共に、流出する排気を前記低圧タービンに供給する複数の排気流路を有する第１背圧タービンと、前記第１背圧タービンの排気の圧力を調整する第１圧力調整部と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、様々な吸収液および二酸化炭素回収装置に適用することが可能で、かつ負荷変動運転にも柔軟に対応可能である。

第１実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムを示すブロック図。 第１実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムに用いる背圧タービンの第１具体例を示す図。 第１実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムに用いる背圧タービンの第２具体例を示す図。 比較例による背圧タービンを示す図。 第１実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムに用いられる二酸化炭素回収装置の一具体例を示す図。 第２実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムを示すブロック図。 第３実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムを示すブロック図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。また、図１乃至図７において、符号が同じものは同じものを示しており、重複した説明は省略する。

（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム（以下、蒸気タービンシステムともいう）を示す。本実施形態においては、主として微粉炭燃焼の石炭火力発電所に用いられる二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムを示しているが、これに限らず例えば天然ガス等のコンバインドサイクル等にも適用可能である。

本実施形態の蒸気タービンシステム１は、ボイラ１１と、高圧タービン１３と、中圧タービン１５と、低圧タービン１７と、発電機１９と、復水器２１と、背圧タービン２３と、二酸化炭素回収装置３０と、ポンプ４１、４３とを備えている。高圧タービン１３、中圧タービン１５、低圧タービン１７はタンデムに接続されて蒸気タービン装置を構成し、この蒸気タービン装置によって発電機１９は駆動される。なお、これらは必ずしもタンデムである必要はなく、例えば高圧タービン１３と中圧タービン１５のみを同軸にし、低圧タービン１７はこれらと別軸にすることも可能である。

ボイラ１１で加熱されて気化された蒸気は、高圧タービン１３を駆動した後、ボイラ１１で再熱された後に中圧タービン１５を駆動する。そして、中圧タービン１５の排気の一部が低圧タービン１７に送られ、中圧タービン１５の排気の残りは、背圧タービン２３に供給され、背圧タービン２３を駆動する。なお、図１においては図示されていないが、背圧タービン２３には、発電機や、回収した二酸化炭素を圧縮するための圧縮機を結合することが可能である。

低圧タービン１７に送られた中圧タービン１５の排気の一部は低圧タービン１７を駆動した後に復水器２１にて凝縮される。そしてこの凝縮された蒸気は、ポンプ４１を介して再びボイラ１１に供給される。 なお、ボイラ１１からの排ガス１２は二酸化炭素回収装置３０に送られ、後述するようにボイラ１１からの排ガス１２中の二酸化酸素は二酸化炭素回収装置３０において分離回収される。

また、背圧タービン２３の排気側には、複数の排気流路２４ａ、２４ｂが設けられている。そして、圧力調整部による調整により、背圧タービン２３からの排気位置、すなわち排気圧力を可変にすることができる。例えば図２に示すように、背圧タービン２３は、同軸上に設置された複数の背圧タービン要素２３ａ、２３ｂを有し、それぞれの排気側には、２個の排気流路２４ａ、２４ｂが設けられている場合に、排気流路２４ａが分岐した先に切り替えバルブ２５ａを設け、この切り替えバルブ２５ａの開閉状態を切り替えることにより、背圧タービン２３からの排気圧力を可変にすることができる。なお、排気流路２４ａ、２４ｂは一つにまとめられて二酸化炭素回収装置３０の流路となるように構成されている。すなわち、切り替えバルブ２５ａ、２５ｂが圧力調整部を構成する。なお、この例においては、背圧タービン要素が２個の場合を示したが、タービン要素の個数は必ずしもこれに限定されるわけではなく、３個以上とすることができる。この場合、排気圧力のよりきめ細かな調整が可能になる。

また、例えば図３に示すように、背圧タービン２３が、同軸上に設置された複数の背圧タービン要素２３ａ、２３ｂを有し、隣接する背圧タービン要素２３ａ、２３ｂ間に回転軸の切り離し機構（以下、クラッチともいう）２３１が設けられ、背圧タービン要素２３ａの排気によって背圧タービン要素２３ｂが駆動されている場合を考える。この場合には、背圧タービン要素２３ａの排気流路２４ａが分岐した先の、背圧タービン要素２３ｂの入口側に切り替えバルブ２５ａを設け、もう一方に切り替えバルブ２５ｂを設けることにより、背圧タービン２３からの排気圧力を可変にすることができる。この場合、例えば排気流路２４ａから蒸気を排気するときには、切り替えバルブ２５ａの操作に加えてクラッチ２３１の切り離し操作を行うことより、背圧タービン要素２３ｂを回転させる必要がなくなり、これの冷却用蒸気を供給する必要がなくなる。この図３においても、排気流路２４ａ、２４ｂは一つにまとめられて二酸化炭素回収装置３０の流路となるように構成されている。この図３に示す場合も、切り替えバルブ２５ａ、２５ｂが圧力調整部を構成する。なお、この場合にも、図２に示す場合と同様に、背圧タービン要素の個数は３個以上とすることができる。

従来、背圧タービンからの排気は、必要ならば水スプレーにより飽和蒸気化させた後、二酸化炭素回収装置のリボイラに供給される。この場合、例えば二酸化炭素回収装置３０における使用蒸気量が従来の場合より少ない吸収液を使用するときには、低圧タービンを通過する蒸気量が増えて中圧タービンの出口圧力が増加する。このため、図４に示す比較例のように排気流路２４０が一つしかない背圧タービン２３０を用いた場合には、背圧タービン２３０の通過流量が減少することと相まって背圧タービン２３０の出口圧力が高くなり、吸収液性状によっては再生に必要な最適蒸気温度と実際の供給蒸気温度が乖離してしまう。

これに対し、本実施形態のように、例えば図２または図３に示すように、背圧タービンの排気圧力を変更可能な蒸気タービンシステムの場合は、例えば背圧タービン２３の排気出口を排気流路２４ａから排気流路２４ｂに変更することにより、背圧タービン２３の出口圧力を下げることができる。また、このような蒸気タービンシステムは、部分負荷運転時において、背圧タービン２３の出口圧力を所望の値近傍に調整することも可能にする。なお、圧力や流量の制御を補助するために、公知のバルブによる調整を本実施形態において併用することも可能である。この場合でも、制御をバルブのみで行う場合に比べて、バルブにおける損失分を低減することが可能である。

次に、本実施形態の蒸気タービンシステムに用いられる二酸化炭素回収装置３０の一具体例を、図５を参照して説明する。この具体例の二酸化炭素回収装置３０は、気液分離器３０２と、吸収塔３０６と、ガス冷却器３０８と、熱交換器３１２と、リボイラ３２０と、再生塔３２２と、ガス冷却器３２４と、気液分離器３２６とを備えている。

ボイラ１１からの排ガスは、排ガス導入ライン１２を通じて吸収塔３０６の下部に導入され、一方、再生塔３２２から、熱交換器３１２、リーン液ライン３１４を通じて移送されるリーン液、すなわち再生され、二酸化炭素含有量が低下した吸収液が、吸収塔３０６に導入され、気液接触の効率を高めるための充填材が充填された吸収塔３０６の内部を流下する。吸収液としては、例えばアミン化合物と水との混合物が好適に用いられる。導入された排ガスに含まれる二酸化炭素は、その大部分が吸収液に吸収され、処理後の排ガスが吸収塔３０６の塔頂から排出される。排出された排ガスはガス冷却器３０８によって冷却され、気液分離器３０２によって気体と凝縮した液体とに分離され、液体は吸収塔還流ライン３０４を通じて吸収塔３０６に、気体は排ガス導出ライン３１６を通じて系外に放出される。なお、吸収塔３０６に導入される排ガス中の水分によって循環系内の水分量が徐々に増加するので、この還流する液体の一部を系外に排出することも可能である。

吸収塔の下部から排出される、二酸化炭素を吸収した吸収液、すなわちリッチ液は、リッチ液ライン３１０を通じて熱交換器３１２に導入される。そして熱交換器３１２において、再生塔３２２から流出した高温のリーン液と熱交換を行って昇温された後に再生塔３２２に導入され、再生塔３２２の内部を流下する。また、リボイラ３２０に循環供給されている、再生塔３２２の底部の吸収液は、外部から供給される蒸気と、リボイラ３２０において熱交換することによって、一部が気化した流れとして再生塔３２２の下部より再び導入され、再生塔３２２内を上昇する間に凝縮熱によって吸収液を加温し、かつ二酸化炭素の放出反応（吸熱反応）の反応熱を供給する。再生塔３２２の塔頂からは、二酸化炭素を含む排出ガスがガス冷却器３２４によって冷却される。この冷却された排出ガスは、気液分離器によって気体と凝縮した液体とに分離され、液体は再生塔還流ライン３２８を通じて再生塔３２２に、気体、すなわち二酸化炭素は、回収二酸化炭素ライン３３０を通じて回収される。なお、前述のように吸収塔３０６に導入される排ガス中の水分によって循環系内の水分量が徐々に増加するので、この還流する液体の一部を系外に排出することも可能である。再生塔３２２から流出するリーン液は、前述の熱交換器３１２により降温され、必要ならばリーン液冷却器（図示せず）により更に冷却され、吸収塔３０６に導入される。

以上説明したように、本実施形態によれば、背圧タービン２３の排気圧力を調整することが可能となるので、様々な吸収液および二酸化炭素回収装置に適用することができるとともに、負荷変動運転にも柔軟に対応することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムを図６に示す。 本実施形態の蒸気タービンシステム１Ａは、図１に示す第１実施形態の蒸気タービンシステム１において、複数の排気流路２８ａ、２８ｂを有する背圧タービン２７を、中圧タービン１５と低圧タービン１７との間に新たに設けた構成となっている。この背圧タービン２７は、第１実施形態で説明した図２または図３に示すものと同じとすることが可能である。この背圧タービン２７を設けたことにより、例えば既設の発電所に二酸化炭素回収装置を設置する場合においても、中圧タービンの出口圧力を、背圧タービン２７を設けない場合と同様にして中圧タービン１５の効率を上げることが可能になる。ここで、背圧タービン２７が図４に示す比較例の構成と同じ構成を有している場合は、例えば二酸化炭素回収装置における使用蒸気量が吸収液変更等により少なくなるときに、中圧タービン１５の出口圧力が増加してしまい、中圧タービン１５の効率低下を招いてしまう。

これに対して、本実施形態のように、背圧タービン２７として、図２または図３に示すような排気位置（排気圧力）を可変にすることができる背圧タービンを使用する場合は、例えば背圧タービン２７の排気出口を排気流路２８ｂから排気流路２８ａに変更することにより、中圧タービン１５の出口圧力を設計点近傍にまで下げることができる。この場合、背圧タービン２３の出口圧力は、二酸化炭素回収装置における従来の使用蒸気量において背圧タービン２７を使用しない場合よりも大きくなるが、排気位置を変更することにより、これを新規の吸収液に適した圧力に調整することが可能である。また、このような蒸気タービンシステムは、部分負荷運転時において、中圧タービンの出口圧力や背圧タービン２３の出口圧力を所望の値近傍に調整することも可能にする。

以上説明したように、本実施形態によれば、背圧タービン２３、２７の排気圧力を調整することが可能となるので、様々な吸収液および二酸化炭素回収装置に適用することができるとともに、負荷変動運転にも柔軟に対応することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムを図７に示す。 本実施形態の蒸気タービンシステム１Ｂは、図６に示す第２実施形態の蒸気タービンシステム１Ａにおいて、背圧タービン２３を削除し、中圧タービン１５の排気の一部を二酸化炭素回収装置３０に直接供給した構成となっている。

このように構成された本実施形態の蒸気タービンシステムにおいては、中圧タービン１５の出口圧力がリボイラに供給する蒸気の圧力とさほど変わらない場合には、中圧タービン１５の排気の一部を直接に二酸化炭素回収装置３０に供給することが可能である。

この第３実施形態も、背圧タービン２７の排気圧力を調整することが可能となるので、様々な吸収液および二酸化炭素回収装置に適用することができるとともに、負荷変動運転にも柔軟に対応することができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明した。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。上記の実施形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、本発明の実施形態が備える各要素およびその配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

また、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１ 二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム
１Ａ 二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム
１Ｂ 二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム
１１ ボイラ
１３ 高圧タービン
１５ 中圧タービン
１７ 低圧タービン
１９ 発電機
２１ 復水器
２３ 背圧タービン
２７ 背圧タービン
２３ａ 背圧タービン要素
２３ｂ 背圧タービン要素
２４ａ 排気流路
２４ｂ 排気流路
２５ａ 切り替えバルブ
２５ｂ 切り替えバルブ
２６ 二酸化炭素回収装置への供給蒸気
３０ 二酸化炭素回収装置
３２ 二酸化炭素回収装置のドレイン水
４１ ポンプ
４３ ポンプ
２３１ クラッチ

Claims (7)

1. 蒸気を発生するボイラと、
   このボイラから発生された蒸気により駆動される複数の蒸気タービンを有する蒸気タービン装置と、
   前記ボイラから排出される二酸化炭素含有排ガスから二酸化炭素を分離回収し、吸収液加熱用のリボイラを含む二酸化炭素回収装置と、
   この二酸化炭素回収装置の上流に設けられ、前記蒸気タービン装置の排気が供給され、前記リボイラに対して排気蒸気を供給し、複数の排気流路を有する第１背圧タービンと、
   前記第１背圧タービンの排気の圧力を調整する第１圧力調整部と、
   を備えていることを特徴とする二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム。
2. 前記蒸気タービン装置は、高圧タービンと、中圧タービンと、低圧タービンとを含み、前記中圧タービンの排気の一部が、前記第１背圧タービンに供給されることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム。
3. 前記中圧タービンと前記低圧タービンとの間に設置され、前記中圧タービンの排気の一部が流入すると共に、流出する排気を前記低圧タービンに供給し、複数の排気流路を有する第２背圧タービンと、
   前記第２背圧タービンの排気の圧力を調整する第２圧力調整部と、
   を備えていることを特徴とする請求項２記載の二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム。
4. 蒸気を発生するボイラと、
   このボイラから発生された蒸気により駆動される高圧タービン、中圧タービン、および低圧タービンを含む蒸気タービン装置と、
   前記ボイラから排出される二酸化炭素含有排ガスから二酸化炭素を分離回収し、前記中圧タービンの排気の一部が供給されて動作する吸収液加熱用のリボイラを含む二酸化炭素回収装置と、
   前記中圧タービンと前記低圧タービンとの間に設けられ、前記中圧タービンの排気の一部が流入すると共に、流出する排気を前記低圧タービンに供給する複数の排気流路を有する第１背圧タービンと、
   前記第１背圧タービンの排気の圧力を調整する第１圧力調整部と、
   を備えていることを特徴とする二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム。
5. 前記第１背圧タービンあるいは前記第２背圧タービンのそれぞれが、回転軸の切り離し機構を介して同軸上に接続された複数の背圧タービン要素を有し、前記第１圧力調整部あるいは前記第２圧力調整部の動作は前記切り離し機構の動作と連動することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の二酸化炭素回収型蒸気タービンシステム。
6. ボイラで蒸気を発生させ、
   前記ボイラから発生された蒸気により蒸気タービンが駆動され、
   前記蒸気タービンの排気が第１背圧タービンに供給され、
   前記第１背圧タービンから供給される排気蒸気および前記ボイラから排出される二酸化炭素含有排ガスから二酸化炭素を分離回収し、
   前記第１背圧タービンの排気の圧力を調整する
   ことを特徴とする二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムの運転方法。
7. ボイラで蒸気を発生させ、
   前記ボイラから発生された蒸気により高圧タービン、中圧タービン、および低圧タービンが駆動され、
   前記中圧タービンの排気の一部が第１背圧タービンに供給され、
   前記第１背圧タービンの排気が前記低圧タービンに供給され、
   前記中圧タービンの排気の一部および前記ボイラから排出される二酸化炭素含有排ガスから二酸化炭素を分離回収し、
   前記第１背圧タービンの排気の圧力を調整する
   ことを特徴とする二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムの運転方法。

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