JP2014531969A - 煙道ガスから二酸化炭素を除去する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、化石燃料（２）で稼働する発電所によって放出される煙道ガス（３）から二酸化炭素を除去する方法およびシステムに関する。前記方法およびシステムでは、二酸化炭素は、洗浄液（１４）を使用する吸収プロセス（１６）によって煙道ガス（３）から除去される。二酸化炭素を含む液体（１２）が、脱離プロセス（１１）において再生される。再生プロセスに必要なエネルギーの少なくとも幾分かは、低圧蒸気タービン（６）に入る前の発電所の蒸気−水回路から引き出される低圧蒸気を使用して供給される。低圧蒸気は、中間蒸気タービン（９）に供給される。低圧蒸気は、３．５バール未満の排出圧力まで膨張し、その後、脱離プロセス（１１）に供給される。本発明によれば、脱離プロセス（１１）用の圧力は、中間蒸気タービン（９）からの排出圧力に従って調節装置によって調節される。

Description

本発明は、化石燃料で稼働する発電所の煙道ガスから二酸化炭素を除去する方法およびシステムであって、二酸化炭素が、洗浄液を使用して吸収プロセスによって煙道ガスから除去され、二酸化炭素を含む洗浄液が脱離プロセスで再生され、再生のために必要なエネルギーの少なくとも一部が、低圧蒸気タービンに入る前に発電所の蒸気／水回路から引き出される低圧蒸気を介して送られ、低圧蒸気が、低圧蒸気が３．５バール未満の出口圧力まで膨張するトップ蒸気タービンに送られ、その後、蒸気のエネルギーが脱離プロセスに送られる、方法およびシステムに関する。

二酸化炭素は、温室効果ガスとして気候温暖化の一因となっている。したがって、発電所において化石燃料の燃焼中に放出される二酸化炭素を低減する集中的な取組みがなされている。燃焼後のＣＯ_２の分離は、燃焼後回収（ｐｏｓｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）技術と呼ばれている。１０年に及ぶ運用経験のために、煙道ガス洗浄に基づく燃焼後回収技術は、特に、二酸化炭素の分離において特に成功している。

煙道ガスは、発電所において大気圧で化石燃料の燃焼中に発生する。ＣＯ_２含有量は、この場合、３容量％〜１３容量％に達する。したがって、わずか０．０３バール〜０．１３バールのＣＯ_２分圧が得られる。こうした低ＣＯ_２分圧では、可能な限り吸収能力が高い洗浄液が必要である。したがって、好ましくは、化学吸収によって煙道ガスから二酸化炭素を除去する洗浄液が採用される。この目的で、たとえば、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）またはメチルジエタノールアミン（ＭＥＤＡ）を使用することができる。

ＣＯ_２を含む洗浄液は、熱エネルギーが与えられることによって二酸化炭素が追い出される脱離プロセスにおいて再生される。この目的で、洗浄液は沸騰温度まで加熱される。沸騰温度は、脱離プロセスが行われる圧力によって決まる。

その後、再生された洗浄液は、再び吸収プロセスに送られる。脱離プロセスにおいて放出される二酸化炭素は、貯留されるために送られる。貯留は、岩の地下層に隔離として行うことができる。化学吸収による燃焼後回収分離技術の主な利点は、従来の発電所に、それほどの支出なしに洗練されかつ成功した技術を追加設置することができる、ということである。この方法の不都合は、洗浄液を再生するためのエネルギーに関する高い支出である。したがって、石炭火力発電所では、後続するＣＯ_２除去のために約１３パーセント点の効率損失が予測される。この効率損失に著しい低下がある場合にのみ、その方法を採用することは経済的に採算がとれる。

追加のエネルギー需要を低下させる措置の一つは、ＣＯ_２分離プロセスを発電所の水／蒸気回路に一体化するというものである。蒸気ボイラによって発生する蒸気は、蒸気タービンユニットに送られる。このユニットは、高圧タービンおよび低圧タービンを備えている。高圧タービンと低圧タービンとの間に中圧タービンを接続することも可能である。タービンは、独立した機械であり得るか、または高圧部、中圧部および低圧部に細分される機械であり得る。

洗浄液を再生するために必要なエネルギーの少なくとも一部は、発電所の蒸気／水回路から引き出される低圧蒸気を介して送られる。低圧蒸気は、発電所の低圧蒸気タービンに入る前に引き出される蒸気を意味するものと理解される。低圧蒸気は、通例、５バール〜６バールの圧力を有している。低圧蒸気を、以下、ＬＰ蒸気とも呼ぶ。

ＬＰ蒸気は、脱離塔の液溜めに接続される凝縮熱交換器に送られる。ＬＰ蒸気は、凝縮して、熱エネルギーを脱離塔内の洗浄液に伝達する。熱伝達に対する十分に高い温度差を確実にするために、脱離塔は、約２バールの圧力で運転される。この圧力では、洗浄液の沸騰温度は約１２０℃に達する。

国際公開第２００９／０７６５７５Ａ２号パンフレットは、蒸気が、タービンカスケード内に導入され、低圧ブース蒸気の上流で分岐し、トップ（ｔｏｐｐｉｎｇ）タービンに送られる方法を開示している。トップタービンから現れる蒸気を使用して吸収剤が再生され、それを用いて、排気ガス流から酸性ガスが分離されている。さらに、欧州特許第２２８６８９４Ａ１号明細書は、複数のタービンが直列に接続され、蒸気が低圧タービンの上流で分岐する方法を開示している。分岐した蒸気は、トップタービンに送られ、そこで、１．５バール〜２０バールの圧力でトップタービンから現れた蒸気を使用して、酸性ガスを含む吸収剤が処理される。欧州特許第２２８６８９４Ａ１号明細書によれば、トップタービンから出る蒸気の出口圧力を安定化する検査装置が設けられている。しかしながら、従来技術から既知である方法および装置の効率は、改善する必要がある。

本発明の目的は、後続するＣＯ_２洗浄による発電所の効率損失を低下させることである。

本発明の目的およびこの目的を達成する解決法は、最初に言及したタイプの方法であって、トップタービンの出口圧力に応じて脱離プロセスの圧力を設定する調節装置を有することを特徴とする方法である。

本発明によれば、低圧蒸気はトップ蒸気タービンに送られ、そこで、３．５バール未満の出口圧力まで膨張する。蒸気のエネルギーは、その後、脱離プロセスに送られる。

本発明によれば、本方法は、トップ蒸気タービンを含む。従来の方法とは対照的に、低圧蒸気は、脱離プロセスに直接導かれるのではなく、代りに、最初にこのトップ蒸気タービンに送られ、そこで、３．５バール未満の出口圧力までの膨張が発生する。本方法の有利な変形形態では、３バール未満、好ましくは２．５バール未満、特に２バール未満の出口圧力への膨張が発生する。蒸気が１．５バール未満の圧力でトップ蒸気タービンを出る場合、特に有益であることが分かる。

本発明の特に有利な変形例では、トップ蒸気タービンは、低圧蒸気タービンとして設計される。このさらなる低圧蒸気タービンを発電所のタービン部に組み込むことができる。トップ蒸気タービンを含むすべてのタービンが、共通の発電機を駆動する共通シャフトを回転させる。

別の変形形態では、トップ蒸気タービンは独立した機械として設計される。この場合、トップ蒸気タービンは、専用の発電機または機械を駆動する専用のシャフトを回転させる。たとえば、トップ蒸気タービンによって圧縮機またはポンプを駆動することができる。

膨張後、蒸気は脱離塔のリボイラに送られる。本発明の文脈におけるリボイラは、脱離塔の液溜めに接続される凝縮熱交換器であるものと理解されるべきである。蒸気は、凝縮して、ＣＯ_２を含む洗浄液に熱を伝達する。

トップ蒸気タービンにおけるＬＰ蒸気の膨張の結果として、電流がさらに発生する。蒸気は、従来の方法と比較して、トップ蒸気タービンの下流において低圧であり、したがって低温であるため、脱離塔における温度もまた、有効な熱伝達を確実にするために低下する。これにより、駆動温度勾配が十分に高いことが確実になる。温度は、脱離塔が運転される圧力を低減することによって低下する。

本発明によれば、脱離塔における圧力は、トップ蒸気タービンの出口圧力に応じて、調節装置によって自動的に設定される。この目的で、たとえばＰＩＤコントローラを使用することができる。

トップ蒸気タービンの出口圧力に応じて、脱離塔における圧力が適合される。洗浄液の沸騰温度、したがって脱離塔の液溜めを加熱しなければならない温度は、脱離塔における圧力に従って設定される。以下の表は、プロセスパラメータの割当てを例として示す。

トップ蒸気タービンにおける蒸気が膨張するほど、より大量の電気エネルギーが発生する。洗浄液の沸騰温度が低いほど、脱離塔を加熱するために必要な熱エネルギーが小さくなる。

電気エネルギーがさらに回収されることと同様に、かつ脱離塔を加熱するために必要な熱エネルギーが小さくなることと同様に、本発明による方法は、後続するＣＯ_２洗浄によってもたらされる効率損失を低下させるプラスのエネルギー効果を提供する。したがって、二酸化炭素の脱離熱は、沸騰温度の低下によって低下する。脱離熱は、洗浄液の再生においてエネルギー需要の最大の部分を占めている。これは、以下の例によって論証される。

例１
モノエタノールアミン（ＭＥＡ）の再生用のエネルギー、
− １２０℃では、１１０ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ_２が必要であり、
− ４０℃では、８５ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ_２のみが必要である。

第三級アミンの場合、この差は、以下の例に示すようにさらに大きくなる。

例２
メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）の再生用のエネルギー、
− １２０℃では、１１０ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ_２が必要であり、
− ４０℃では、７０ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ_２のみが必要である。

同じことが、以下の炭酸カリウム溶液に同様に当てはまる。

例３
炭酸カリウム溶液の再生用のエネルギー、
− １２０℃では、５０ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ_２が必要であり、
− ４０℃では、２７ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ_２のみが必要である。

３つのすべての例において、洗浄液を再生するエネルギー需要は低下する。

本発明による方法では、凝縮熱交換器において放出される凝縮熱が圧力の低下によって上昇するという、さらなるプラスのエネルギー効果が得られる。

従来の方法では、５．５バールのＬＰ蒸気がリボイラにおいて凝縮される。この場合、２０９７ｋＪ／ｋｇの所定の凝縮熱が放出される。トップ蒸気タービンが使用される場合にＬＰ蒸気は２．５バールの出口圧力まで低下する場合、この圧力では、所定の凝縮熱は２２２５ｋＪ／ｋｇに達する。それにより、６％の蒸気節約が得られる。

二酸化炭素の吸収のために、再度、再生された洗浄液が使用される。吸収プロセスは低温で行われる。したがって、再生された洗浄液は冷却されなければならない。

対照的に、ＣＯ_２を含む洗浄液は、脱離塔における再生のために加熱されなければならない。この目的で、熱交換器が使用され、熱交換器は、高温の再生された洗浄液から低温のＣＯ_２を含む洗浄液に熱を伝達する。本発明による方法では、洗浄液における沸騰温度が低くなるため、高温の再生された洗浄液から低温のＣＯ_２を含む洗浄液に伝達されなければならない熱の量は比較的わずかであってよい。熱交換に必要な交換面は、したがって著しく小さくなり、その結果、より小型かつより費用効率が高い熱交換器を採用することができる。

洗浄液から追い出される二酸化炭素は、たとえば隔離に関連して、その後続する貯留のために圧縮される。本発明による方法の結果として、二酸化炭素が脱離塔から出る際の圧力が低下する。これには、圧縮に関連するさらなる支出が必要となる。しかしながら、圧縮に関するさらなる支出は、上述したエネルギー節約効果に比較して著しく低くなる。

本発明の目的はまた、上述した方法を実施する請求項８において請求されているようなシステムである。本システムの有利な洗練形態は、請求項９〜請求項１１に記載されている。

本発明のさらなる特徴および利点は、図面によって例示的な実施形態の説明からかつその図面から収集されよう。

図１は、石炭火力発電所の煙道ガスからＣＯ_２を除去する方法およびシステムの図を示す。

図に、石炭火力発電所が概略的に示されている。矢印２によって示すように、空気および石炭がボイラ１に送られる。二酸化炭素を含む煙道ガス３がボイラ１から出る。ボイラ１において蒸気が発生する。発電所の水／蒸気回路は、高圧蒸気タービン４と、２つの中圧蒸気タービン５と、４つの低圧蒸気タービン６とを備えている。タービンセクションの最後に、発電機７が配置されている。

低圧蒸気タービン６の上流で、低圧蒸気の副流８が分岐する。低圧蒸気は、圧力が５．５バールである。低圧蒸気の副流８は、トップ蒸気タービン９で１．５バールの圧力まで膨張する。膨張した蒸気は、リボイラとして設計された凝縮熱交換器１０に送られる。凝縮熱交換器１０において、蒸気は１．５バールで凝縮する。

例示的な実施形態では、トップ蒸気タービン９は、独立した機械として設計されている。トップ蒸気タービン９は、専用のアセンブリ１９を駆動する専用のシャフトを回転させる。アセンブリ１９は、例示的な実施形態では発電機である。

凝縮熱交換器１０は、脱離ユニット１１の液溜めを加熱する。例示的な実施形態では、脱離ユニット１１は脱離塔である。ＣＯ_２を含む洗浄液１２の流れが、脱離ユニット１１に送られる。二酸化炭素は、脱離ユニット１１において追い出され、ライン１３において塔の頭部において排出される。排出されたＣＯ_２は、圧縮のために送られる。

再生された洗浄液１４は、塔の底部で排出され、熱交換器１５を介して導かれる。高温の再生された洗浄液１４は、塔として設計された吸収ユニット１６の底部で引き出される、ＣＯ_２を含む低温の洗浄液１２に熱を放出する。

煙道ガス３は、煙道ガス処理部１７を通過した後、吸収ユニット１６に送られる。吸収ユニット１６では、二酸化炭素が、洗浄液１４によって煙道ガスから洗い落される。ＣＯ_２が浄化された煙道ガス１８は、吸収ユニット１６の頭部で放出される。

ＬＰ蒸気の副流８は、中間タービンにおいて５．５バールの圧力から１．５バールの出口圧力まで膨張する。この圧力で、蒸気は、凝縮熱交換器１０において凝縮する。凝縮熱交換器１０における熱伝達に対する十分に高い温度勾配を確実にするために、脱離ユニット１１において１バールの圧力が設定されている。したがって、脱離ユニット１１の液溜めにおいて、９５℃の洗浄液の沸騰温度が設定されている。

追加のトップ蒸気タービン９を介する、５．５バールから１．５バールまでのＬＰ蒸気の膨張と、脱離ユニット１１の凝縮熱交換器１０における１．５バールでの後続する凝縮（脱離ユニット１１は１バールの絶対圧力で運転している）とにより、従来技術による方法と比較して、約２７％の電流発生の損失の低下がもたらされる。この場合、除去されたＣＯ_２の３４００ｋＪ／ｋｇの所定エネルギー支出でのＣＯ_２除去が計算された。これは、３０重量％のモノエタノールアミンを含むＭＥＡ溶液に対する所定のエネルギー消費値である。この場合、脱離温度が低下し脱離熱が低下したことによる節約はまだ考慮されていない。

本発明による方法では、脱離塔において２バールの圧力が設定される従来技術による方法とは対照的に、脱離ユニット１１は１バールの圧力で運転される。追い出されたＣＯ_２のガスの１バール〜２バールの圧力の追加の圧縮は、２７％の節約に対してすでに計算の可能性に含まれている。

Claims (11)

1. 化石燃料で稼働する発電所の煙道ガス（３）から二酸化炭素を除去する方法であって、二酸化炭素が、洗浄液（１４）を使用して吸収プロセス（１６）によって前記煙道ガス（３）から除去され、二酸化炭素を含む洗浄液（１２）が脱離プロセス（１１）で再生され、再生のために必要なエネルギーの少なくとも一部が、低圧蒸気タービン（６）に入る前に前記発電所の蒸気／水回路から引き出される低圧蒸気を介して送られ、前記低圧蒸気が、前記低圧蒸気が３．５バール未満の出口圧力まで膨張するトップ蒸気タービン（９）に送られ、その後、前記蒸気のエネルギーが前記脱離プロセス（１１）に送られる、方法において、前記トップ蒸気タービン（９）の出口圧力に応じて前記脱離プロセス（１１）の圧力を設定する調節装置を有することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記トップ蒸気タービン（９）における前記低圧蒸気が、３バール未満、好ましくは２．５バール未満、特に２バール未満の出口圧力まで膨張することを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、前記トップ蒸気タービン（９）で膨張した前記蒸気が凝縮熱交換器（１０）に送られ、前記凝縮熱交換器（１０）によって、エネルギーが前記脱離プロセス（１１）に伝達されることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法において、前記トップ蒸気タービン（９）が前記発電所のタービン部に組み込まれ、前記トップ蒸気タービン（９）が、前記発電所の蒸気タービン（４、５、６）とともに共通の発電機（７）を駆動することを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法において、前記トップ蒸気タービン（９）が専用の発電機（１９）または機械を駆動することを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法において、前記脱離プロセス（１１）の温度が調節パラメータとして採用されることを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、脱離塔（１１）の液溜めにおける温度が調節パラメータとして採用されることを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法を実行するシステムであって、
   − 洗浄液（１４）を使用して前記煙道ガス（３）から二酸化炭素を除去することができる吸収ユニット（１６）と、
   − 前記二酸化炭素を含む洗浄液（１２）を再生する脱離ユニット（１１）と、
   を備え、再生に必要なエネルギーの少なくとも一部が、低圧蒸気タービン（６）に入る前の前記発電所の蒸気／水回路から引き出される低圧蒸気を介して送られることが可能であり、前記システムが、前記脱離ユニット（１１）の上流に配置されたトップ蒸気タービン（９）を有し、前記トップ蒸気タービン（９）において、前記引き出された低圧蒸気を３．５バール未満の出口圧力まで膨張させることができ、前記蒸気のエネルギーを前記脱離ユニット（１１）に送る装置が提供されるシステムにおいて、前記トップ蒸気タービン（９）の出口圧力に応じて前記脱離プロセス（１１）の圧力を設定する調節装置を具備することを特徴とするシステム。
9. 請求項８に記載のシステムにおいて、前記トップ蒸気タービン（９）において膨張した前記蒸気を、前記脱離ユニット（１１）にエネルギーを伝達するために、凝縮熱交換器（１０）に送ることができることを特徴とするシステム。
10. 請求項８または９に記載のシステムにおいて、前記トップ蒸気タービン（９）が、前記発電所のタービン部に組み込まれており、前記トップ蒸気タービン（９）が、前記発電所の蒸気タービン（４、５、６）とともに共通の主発電機（７）を駆動することを特徴とするシステム。
11. 請求項８または９に記載のシステムにおいて、前記トップ蒸気タービン（９）が専用の発電機（１９）または機械を駆動することを特徴とするシステム。

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