JP5525992B2

JP5525992B2 - 二酸化炭素吸収装置を備えた火力発電プラント

Info

Publication number: JP5525992B2
Application number: JP2010238674A
Authority: JP
Inventors: 利文向井
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-10-25
Also published as: JP2012091083A

Description

本発明は、二酸化炭素吸収装置を備えた火力発電プラントに係り、特に化石燃料焚のボイラから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する火力発電プラントに関する。

石炭、石油、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ている。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、燃料の構成元素である炭素や水素は空気によって酸化され、二酸化炭素が発生する。この二酸化炭素は、地球温暖化の原因物質であることが知られており、二酸化炭素の排出削減が望まれている。

ボイラ排ガスからの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が、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として、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（特許文献１）。

化学吸収によって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、化学吸収による二酸化炭素の回収方法のエネルギー効率を向上させる技術が開発されている（特許文献２および３）。

図３は、従来技術である火力発電プラントの化石燃料焚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説明したものである。このプラントは、化石燃料焚ボイラ１と、該ボイラ１で得られた蒸気で駆動される蒸気タービン１３と、その動力によって発電する発電機１４と、該ボイラから発生した燃焼排ガス中に還元剤を注入して排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置２と、ダストを除去するための集塵機３と、硫黄酸化物を除去するための脱硫装置４と、二酸化炭素をアルカノールアミン水溶液に代表されるアミン吸収液（以下、アミン吸収液と称する）で吸収させて回収する吸収塔５及び再生塔６から成る二酸化炭素吸収装置とから主として構成される。

二酸化炭素吸収塔５によって二酸化炭素を吸収除去した後の排ガスは、微量のアミンガスを含んだまま白煙防止用のガスガス熱交換器２８により昇温され煙突８から排気される。この場合は排ガス中の微量のアミンガスが大気に放出され二次汚染を引き起こすことが懸念される。

特開平７−２４１４４０号公報特開２００６−２３２５９６号公報特開２００７−２８４２７３号公報

前記化石燃料焚ボイラの排ガスからアミン吸収液を用いて二酸化炭素を吸収する方法では、排ガス中のアミンミストを完全に除去したとしても、排ガスが吸収液を通過した後に飽和蒸気相当のアミンガスが含まれることになる。これが大気に放出されると二次的な環境汚染を引き起こすことが懸念される。

この排ガス中のアミン蒸気を除去する方法としては、例えば触媒による分解法が提案されているが、触媒がはたらく温度まで触媒を予熱する必要があり、このエネルギの削減が大きな課題である。また、エネルギを削減する方法として希薄アミンガスを濃縮してガス量を低減する方法もあるが、最終的には分解のための予熱エネルギが必要であり、その分解設備も必要となる。

本発明の課題は、火力発電プラントの排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する際に、二酸化炭素を吸収した後の排ガス中に含まれるアミンガスの排出量を削減し、二次的な環境汚染を防止するとともに、火力発電プラントの発電効率低下を抑制しうる火力発電プラントを提供することである。

上記課題を達成するため、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）化石燃料焚ボイラと、該ボイラで得られた蒸気で駆動される蒸気タービンと、その動力によって発電する発電機と、該ボイラから発生した燃焼排ガス中に還元剤を注入して排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置と、排ガス中のダストを除去するための集塵機と、硫黄酸化物を除去するための脱硫装置と、二酸化炭素をアミン系吸収液で吸収させて回収する吸収塔及び再生塔から成る二酸化炭素吸収装置とを有する火力発電プラントにおいて、前記二酸化炭素吸収塔により二酸化炭素を吸収除去した後の、アミンを含む排ガスからアミンを吸着し、吸着されたアミンをアミン濃縮ガスに脱着濃縮するアミン濃縮装置と、該アミン濃縮装置で脱着濃縮されたアミン濃縮ガスを前記脱硝装置の還元剤と共に排ガス中に注入する手段を設けたことを特徴とする火力発電プラント。
（２）化石燃料焚ボイラと、該ボイラで得られた蒸気で駆動される蒸気タービンと、その動力によって発電する発電機と、該ボイラから発生した燃焼排ガス中に還元剤を注入して排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置と、排ガス中のダストを除去するための集塵機と、硫黄酸化物を除去するための脱硫装置と、二酸化炭素をアミン系吸収液で吸収させて回収する吸収塔及び再生塔から成る二酸化炭素吸収装置とを有する火力発電プラントにおいて、前記二酸化炭素吸収塔により二酸化炭素を吸収除去した後の、アミンを含む排ガスからアミンを吸着し、吸着されたアミンをアミン濃縮ガスに脱着濃縮するアミン濃縮装置と、該アミン濃縮装置で脱着濃縮されたアミン濃縮ガスを前記ボイラの火炉に直接注入し、炉内燃焼排ガスの脱硝用還元剤として使用する手段とを設けたことを特徴とする火力発電プラント。

本発明によれば、火力発電プラントのボイラ排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する際に、二酸化炭素回収後の排ガスに含まれるアミンガスを濃縮し、該アミンガスを脱硝装置の上流側に注入するか、または該アミンガスを火炉の内部に注入することにより、アミンによる二次汚染を防止し、なおかつボイラ効率の低下を抑制することができる。また、濃縮アミンを脱硝装置の還元剤あるいは炉内脱硝用の還元剤として有効活用することができる。

本発明の一実施例を示す、火力発電プラントの化石燃料焚ボイラ排ガスから二酸化炭素を回収する装置を備えた火力発電プラントの構成を示す説明図。本発明の他の実施例である火力発電プラントの構成を示す説明図。従来技術の火力発電プラントの構成を示す説明図。

図１において、本発明の火力発電プラントは、化石燃料の石炭９と燃焼用の空気１０とを燃焼して高温の燃焼ガスを生成させる石炭ボイラ１と、この石炭ボイラ１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１に設置された熱交換器１１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蒸気加減弁１２で調節して導入し、駆動される蒸気タービン１３と、蒸気タービン１３と連結されて駆動する発電機１４とを備え、蒸気タービン１３は、流下した蒸気が復水器１５で冷却されて復水となり、給水ポンプ１６で昇圧されて再び前記熱交換器１１に供給されて蒸気となり、前述したように蒸気タービン１３に再度供給されるような循環系路を有している。次に前記石炭ボイラ１を流下した燃焼ガスの排ガス１７は石炭ボイラ１の下流側に設置された排煙脱硝装置２に導かれ、排ガス１７中に含まれる窒素酸化物が還元剤（アンモニア等）によって窒素ガスと水蒸気に還元される。前記排煙脱硝装置２によって排ガス１７中に含まれる窒素酸化物を分解した後の排ガスは、その下流側に位置する脱塵装置３に導かれ、排ガス中に含まれる石炭灰１９等の微粒子が分離して除去される。脱塵装置３によって排ガス中の微粒子を脱塵した後の排ガスは、脱塵装置３の下流側に設置されたガスガス熱交換器２８を介して脱硫装置４に導かれ、この脱硫装置４に別途供給される石灰石スラリー２０と接触させることによって、排ガスに含まれた硫黄化合物が除去される。前記脱硫装置４によって排ガスから除去された硫黄化合物は、この脱硫装置４によって石灰石スラリー２０と、水と、酸素とが反応して石膏となる。石灰石スラリー中の石膏は、脱硫装置４の下流側に設置された石膏分離器２１で分離して除去され、この石膏２２を除去された石灰石スラリー２０は前記脱硫装置４に供給され、循環される。

前記脱硫装置４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２３は、ブロア２４により二酸化炭素回収設備の二酸化炭素吸収塔５内に導かれ、ここでアミン吸収液２５と排ガス２３とを接触させて、排ガス２３中の二酸化炭素が吸収液に吸収される。二酸化炭素吸収塔５を通過した排ガスにはアミンミストが含まれており、このアミンミストをデミスタ等で除去した後、二酸化炭素吸収塔５から排気される。この排ガス２６には吸収液由来のアミンの飽和蒸気が含まれている。

二酸化炭素を除去した後の微量のアミンガスを含んだ排ガス２６は、アミン吸着材を内蔵した回転式濃縮装置７へと導かれ、該吸着材を通過する間にアミンガスが吸着除去され、窒素酸化物、ダスト、硫黄酸化物、二酸化炭素及び二酸化炭素吸収液由来のアミンガスを除去した排ガス２７となる。排ガス２７は、その後、排ガスの白煙対策としてガスガス熱交換器２８を介して加熱され、煙突８から排気される。この排ガスは、ボイラ排ガスから窒素酸化物、ダスト、硫黄酸化物、二酸化炭素及び二酸化炭素吸収液由来のアミンガスを除去したガスである。

一方、回転式濃縮器７に吸着されたアミンガスは、熱交換器３９で加熱された空気によって脱着濃縮され、脱硝装置２に供給される還元剤１８の希釈空気（キャリアガス）源に利用されるとともに、脱硝用の還元剤としても有効に利用される。回転式濃縮器７の脱着後の吸着剤は、温度が上昇しており、再度吸着できる環境に戻すために、ブロア３８により取り込まれた空気により冷却される。一方、吸着材を冷却することによって昇温された空気は、熱交換器３９に送り込まれ、アミンの脱着用空気として利用される。

また、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収塔リッチ液は、ポンプ３０及び熱交換器３１を介して昇温され、さらに加熱器３２により100〜120℃まで昇温された後、二酸化炭素再生塔６に供給される。分離された二酸化炭素を主成分とするガスは、凝縮器３６によって含有する水分と微量のアミンガスが凝縮除去された後、二酸化炭素３７として回収される。一方、二酸化炭素吸収塔リッチ液から二酸化炭素が分離されることにより、再び二酸化炭素の吸収に使用できる吸収液になる。この再生された吸収液はポンプ３４によって熱交換器３１を経て冷却器３５に送られ、40〜50℃まで冷却された後、再び吸収塔５内に導入され、吸収塔５内で排ガスと接触されることになる。

ここで提案した電力プラントの技術ポイントの一つは、微量のアミンガスを含有する排ガスからアミンガスを吸着濃縮することである。アミン濃縮装置としては、前述したようにプラント運用を考慮して連続的に濃縮脱着を繰り返すことができるハニカム回転式濃縮装置が適している（石黒編集、「最新防脱臭技術集成」、（株）エヌ・ティー・エス（1997年9月））。この装置の基本部となるのは、アミン吸着剤を担持したハニカムロータであり、吸着剤ロータの回転により、排ガスが通過する吸着期間と脱着用の温風が通過する脱着期間と、脱着後に再び吸着可能とするための冷却期間が順番に繰り返され、アミンを除去した排ガスとアミン濃縮ガスを連続的に分離排出することができる。アミン吸着剤としては、特開平7-100327に開示されているモルデナイト系の吸着剤等が適用でき、吸着剤において濃縮されたアミンの重合反応を抑制するものが好適である。また濃縮倍率としては、100〜1000倍が望ましく、そのためには濃縮器を１段だけでなく数段設けることも有効な方法である。

もう一つの技術ポイントは、濃縮したアミン含有ガスを脱硝用還元剤の希釈空気源として用いることと、含有するアミンを脱硝用還元剤として利用することである。このシステムによって、アミンをオフガスとして単独処理するのではなく、アミンを脱硝の還元剤として有効活用することができ、特別な処理設備が不要となる。また、従来、必要であった脱硝用還元剤のアンモニアの希釈用空気用ファンが不要となる。

次に図２は、本発明の他の実施例を示す火力発電プラントの説明図である。図１に示したプラントとの相違点は、回転式濃縮器７で加熱空気により脱着濃縮されたアミンガスをボイラ１の火炉に注入するようにしたことである。すなわち、回転式濃縮器７で吸着されたアミンガスは、熱交換器３９で加熱された空気によって脱着濃縮され、ボイラ１の火炉内の排ガス温度が900〜1,000℃の領域に注入される。これにより、アミンガスによる炉内脱硝反応が生じ、炉内の窒素酸化物が低減されることになる。このシステムの技術ポイントは、濃縮したアミンガスを炉内脱硝用の還元剤として利用することである。

このシステムによってアミンをオフガスとして単独処理するのではなく、アミンを脱硝の還元剤として有効活用することであり、特別な設備が不要となる。

本発明は、火力発電プラントの化石燃料焚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。

１：ボイラ、２：排煙脱硝装置、３：集塵機、４：排煙脱硫装置、５：二酸化炭素吸収塔、６：二酸化炭素再生塔、７：回転式アミン濃縮器、８：煙突、９：化石燃料、１０：空気、１１：熱交換器、１２：蒸気加減弁、１３：蒸気タービン、１４：発電機、１５：復水器、１６：給水ポンプ、１７：排ガス、１８：アンモニア、１９：灰、２０：石灰石スラリー、２１：石膏分離器、２２：石膏、２３：脱硝脱塵脱硫後の排ガス、２４：ブロア、２５：アミン系吸収液、２６：二酸化炭素除去排ガス、２７：二酸化炭素とアミンガスを除去した該ガス、２８：ガスガス熱交換器、２９：排ガス、３０：ポンプ、３１：熱交換器、３２：加熱器、３３：二酸化炭素吸収後のアミン吸収液、３４：ポンプ、３５：冷却器、３６：二酸化炭素排ガス冷却濃縮器、３７：二酸化炭素、３８：アミン脱離用空気、３９：加熱用熱交換器、４０：アミン濃縮ガス

Claims

化石燃料焚ボイラと、該ボイラで得られた蒸気で駆動される蒸気タービンと、その動力によって発電する発電機と、該ボイラから発生した燃焼排ガス中に還元剤を注入して排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置と、排ガス中のダストを除去するための集塵機と、硫黄酸化物を除去するための脱硫装置と、二酸化炭素をアミン系吸収液で吸収させて回収する吸収塔及び再生塔から成る二酸化炭素吸収装置とを有する火力発電プラントにおいて、前記二酸化炭素吸収塔により二酸化炭素を吸収除去した後の、アミンを含む排ガスからアミンを吸着し、吸着されたアミンをアミン濃縮ガスに脱着濃縮するアミン濃縮装置と、該アミン濃縮装置で脱着濃縮されたアミン濃縮ガスを前記脱硝装置の還元剤と共に排ガス中に注入する手段を設けたことを特徴とする火力発電プラント。
化石燃料焚ボイラと、該ボイラで得られた蒸気で駆動される蒸気タービンと、その動力によって発電する発電機と、該ボイラから発生した燃焼排ガス中に還元剤を注入して排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置と、排ガス中のダストを除去するための集塵機と、硫黄酸化物を除去するための脱硫装置と、二酸化炭素をアミン系吸収液で吸収させて回収する吸収塔及び再生塔から成る二酸化炭素吸収装置とを有する火力発電プラントにおいて、前記二酸化炭素吸収塔により二酸化炭素を吸収除去した後の、アミンを含む排ガスからアミンを吸着し、吸着されたアミンをアミン濃縮ガスに脱着濃縮するアミン濃縮装置と、該アミン濃縮装置で脱着濃縮されたアミン濃縮ガスを前記ボイラの火炉に直接注入し、炉内燃焼排ガスの脱硝用還元剤として使用する手段とを設けたことを特徴とする火力発電プラント。