JP5738045B2 - 二酸化炭素の回収システム及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発電システムのボイラやスチームタービンの運転負荷変動があった場合においても、二酸化炭素吸収液の再生を確実に行うことができる二酸化炭素の回収システム及び方法に関する。
近年、地球の温暖化現象の原因の一つとして、ＣＯ2による温室効果が指摘され、地球環境を守る上で国際的にもその対策が急務となってきた。ＣＯ2の発生源としては化石燃料を燃焼させるあらゆる人間の活動分野に及び、その排出抑制への要求が一層強まる傾向にある。これに伴い大量の化石燃料を使用する火力発電所などの動力発生設備を対象に、ボイラの燃焼排ガスをアミン系ＣＯ2吸収液と接触させ、燃焼排ガス中のＣＯ2を除去、回収する方法及び回収されたＣＯ2を大気へ放出することなく貯蔵する方法が精力的に研究されている。また、前記のようなＣＯ2吸収液を用い、燃焼排ガスからＣＯ2を除去・回収する工程としては、吸収塔において燃焼排ガスとＣＯ2吸収液とを接触させる工程、ＣＯ2を吸収した吸収液を再生塔において加熱し、ＣＯ2を遊離させると共に吸収液を再生して再び吸収塔に循環して再使用する二酸化炭素の回収システムが採用されている。
この二酸化炭素の回収システムにおいては、吸収塔においてガス中に存在する二酸化炭素を吸収液に吸収させ、その後再生塔で加熱することで吸収液から二酸化炭素を分離し、分離した二酸化炭素は別途回収すると共に、再生された吸収液は再度吸収塔で循環利用するものである。
ここで、前記再生塔にて二酸化炭素を分離・回収するためには、再生過熱器にて吸収液を加熱する必要があり、加熱用の所定圧力の蒸気を供給する必要がある。現実の発電プラント排ガスからＣＯ2を回収する場合、吸収液の再生用に多量の蒸気を必要とする、という問題がある。
この蒸気を供給するために、発電システム蒸気タービンから蒸気を抽気したり、高圧タービン（ＨＰ）と中圧タービン（ＭＰ）又は中圧タービン（ＭＰ）と低圧タービン（ＬＰ間の各ヘッダから蒸気を抽気したり、抽気した蒸気から蒸気タービンにより動力を回収して）排気をＣＯ2回収システムの再生過熱器に供給する方法が提案されている（特許文献２参照）。
特開平３−１９３１１６号公報 特開２００４−３２３３３９号公報
ところで、前述した方法では、既設の発電システムにおいては、大幅な蒸気システムの変更やタービンの設置を伴うだけではなく、新設・既設共に、発電設備の負荷変化やＣＯ2回収システムで用いる蒸気や使用量の変化に伴い、蒸気圧力が大幅に変化し、一方でＣＯ2回収システムでは一定の圧力の蒸気を使用することから、これら状況に対応するために、かなり複雑なシステムコントロールが要求されている。
また、これらシステムの場合、ＣＯ2回収用の再生過熱器用の蒸気圧力においては、過熱蒸気であるため、再生過熱器に入る前に水にて減温して用いるために、エネルギー損失が伴うという問題がある。
本発明は、前記問題に鑑み、ボイラ・蒸気タービン設備に負荷かかけることなく、二酸化炭素吸収液の再生を確実に行うことができる二酸化炭素の回収システム及び方法を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンと、これらを駆動する蒸気を発生させるためのボイラと、該ボイラから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を二酸化炭素吸収液により吸収除去する二酸化炭素吸収塔と、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収液を再生過熱器により再生し、再生二酸化炭素吸収液とする吸収液再生塔とからなる二酸化炭素回収装置と、前記ボイラからの高温・高圧蒸気を、高圧タービンに導入する前で抜き出す高温・高圧蒸気抜き出しラインと、抜き出された高温・高圧蒸気により動力を回収する補助タービンと、該補助タービンから排出される排出蒸気を用いて、前記二酸化炭素再生塔の再生過熱器に加熱源として供給する蒸気送給ラインと、を具備すると共に、さらに、前記補助タービンを、抜き出された高温・高圧蒸気により動力を回収する高圧補助タービンと、低圧補助タービンとし、前記高圧タービンからの排気をボイラで再熱して中圧蒸気とし、前記中圧蒸気を前記中圧タービンに導入する前で抜き出すと共に、該再熱された中圧蒸気により前記高圧補助タービンからの排気を熱交換器で熱交換することを特徴とする二酸化炭素の回収システムにある。
第２の発明は、第１の発明において、前記高圧補助タービンからの排気をボイラで再熱し、前記低圧補助タービンに導入することを特徴とする二酸化炭素の回収システムにある。
第３の発明は、第１又は２の二酸化炭素の回収システムを用いて前記二酸化炭素吸収液中に吸収された二酸化炭素を回収することを特徴とする二酸化炭素の回収方法にある。
本発明によれば、前記高圧タービンに供給する前において、抜き出しラインを介してボイラからの高温・高圧の蒸気を抜き出し、抜出した蒸気を用いて補助タービンで動力を回収し、補助タービンから排出蒸気を再生過熱器に供給しているので、発電システムのボイラやスチームタービンの運転負荷変動があった場合においても、安定した再生過熱器用の蒸気を供給することができ、吸収液の再生を確実に行うことができ、この結果、安定した二酸化炭素の回収を行うことができる。
図１は、実施例１に係る二酸化炭素の回収システムの概略図である。 図２は、実施例２に係る二酸化炭素の回収システムの概略図である。 図３は、実施例２に係る他の二酸化炭素の回収システムの概略図である。 図４は、従来技術に係る二酸化炭素の回収システムの概略図である。
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
本発明による実施例１に係る二酸化炭素の回収システムについて、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係る二酸化炭素の回収システムの概略図である。
図１に示すように、二酸化炭素の回収システム１０Ａは、高圧タービン１１、中圧タービン１２及び低圧タービン１３と、これらを駆動する蒸気１４を発生させるためのボイラ１５と、該ボイラ１５から排出される燃焼排ガス（排ガス）Ｇ中の二酸化炭素を二酸化炭素吸収液により吸収除去する二酸化炭素吸収塔（ＣＯ2吸収塔）２１と、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収液を再生過熱器２２により再生し、再生二酸化炭素吸収液とする吸収液再生塔２３とからなる二酸化炭素回収装置（ＣＯ2回収装置）２４と、前記ボイラ１５からの高温・高圧蒸気１４を、高圧タービン１１に導入する前で抜き出す高温・高圧蒸気抜き出しラインＬ11と、抜き出された高温・高圧蒸気１４により動力を回収する補助タービン３２と、該補助タービン３２から排出される排出蒸気３３を用いて、前記吸収液素再生塔２３の再生過熱器２２に加熱源として供給する蒸気送給ラインＬ12とを具備するものである。
符号１７は復水器、１７ａ、２２ａは凝縮水、Ｌ1は高温・高圧蒸気１４の供給ライン、Ｌ2〜Ｌ5は蒸気ライン、Ｌ6は凝縮水１７ａの供給ライン、Ｌ13は凝縮水２２ａの供給ラインである。
ここで、前記二酸化炭素吸収液は、ＣＯ2吸収塔２１で二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収液（リッチ溶液）２５Ａと、再生塔２３において再生過熱器２２で二酸化炭素を放出して再生された再生二酸化炭素吸収液（リーン溶液）２５Ｂとから構成されており、吸収塔２１と再生塔２３とを循環再利用するようにしている。
また、吸収液再生塔２３から放出される水蒸気を伴うＣＯ2ガス２６はＣＯ2圧縮機２７により圧縮ＣＯ2２８とされている。
一方、ボイラ１５により発生し、加熱された高圧、高温の蒸気１４は高圧タービン１１を駆動した後、高圧タービン排気としてボイラ１５中の再過熱器（図示せず）により再過熱され、再過熱された中圧蒸気として中圧タービン１２、続いて低圧タービン１３に送られる。
低圧タービン１３からの排気は復水器１７にて凝縮され、凝縮水１７ａはボイラ給水としてボイラに送られる。
なお、ＣＯ2を吸収する二酸化炭素吸収液としては、例えばアミン系吸収液を例示することができ、具体的にはアルカノールアミンとしてはモノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミンなど、更にはヒンダードアミン類が例示され、これらの各単独水溶液、あるいはこれらの二以上の混合水溶液をあげることができるが、通常モノエタノールアミン水溶液が好んで用いられる。
本発明では、前記高圧タービン１１に供給する前において、抜き出しラインＬ11を介してボイラ１５からの高温・高圧の蒸気１４を抜きだし、抜出した蒸気を用いて補助タービン３２で動力を回収する。次いで、補助タービン３２から排出される排出蒸気３３を用いて、前記二酸化炭素再生塔２３において二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収液２５Ａを再生する際に用いる再生過熱器２２に加熱源として蒸気送給ラインＬ12を介して供給する。
この補助タービン３２では、本実施例では、ＣＯ2圧縮機２７を駆動して、吸収液再生塔２３から排出される水蒸気を伴ったＣＯ2ガス２６を圧縮し、圧縮ＣＯ2としている。
なお、ＣＯ2圧縮機２７に供給する代わりに、発電機を駆動し、排気蒸気３３をＣＯ2回収装置２４の再生過熱器２２に導入するようにしてもよい。
この結果、ボイラ１５及びスチームタービン（高圧タービン１１、中圧タービン１２、低圧タービン１３）の負荷変動（１００％〜５０％）があっても、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンはその負荷変動に応じて変化して発電をするので、発電システムに影響を与えることがなく、しかもＣＯ2回収装置での再生過熱器２２には安定した蒸気が抜き出した高温高圧の蒸気１４による補助タービン３２から供給されることとなり、ＣＯ2回収を安定して行うことができる。
［試験例］
図４は、従来技術に係る二酸化炭素の回収システムの概略図である。図４に示すように、従来技術に係る二酸化炭素の回収システム１００であり、中圧タービン１２と低圧タービン１３との中間部分から蒸気を抽気し、この蒸気を用いて動力を回収する補助タービン１８を設けている。そして、この補助タービン１８から排出される排出蒸気１９を用いて、前記二酸化炭素再生塔２３の再生過熱器２２の加熱源としている。
例えば石炭焚１，０００ＭＷの火力発電所における排ガス中のＣＯ2の回収について検討した。
石炭焚１，０００ＭＷの火力発電所の超超臨界圧ボイラのスチーム量は２，８３６トン（Ｔ）／時間（Ｈ）であり、ボイラ排ガスからのＣＯ2発生量は７３３Ｔ／Ｈである。
ＣＯ2回収量を９０％回収するとした場合、６６０Ｔ／Ｈ（１５，８４０Ｔ／Ｄ）となる。
このＣＯ2回収に係るＣＯ2回収装置２４の必要蒸気量は７９２Ｔ／（３ｋｇＧ飽和水蒸気換算）となる。
この結果を表１に示す。
表２では、スチームタービン出力８８０ＭＷの場合における、ＣＯ2圧縮機動力他で９５ＭＷが消費され、総出力が７８５ＭＷとなり、全体として約２１．５％の出力減少となることが確認された。
本発明のシステムにおいても、表３に示すように、従来と同様である。
よって、従来の補助タービンを用いた場合と、本発明のシステムを用いた場合における出力減少は同等であり、発電設備の負荷変動を考慮した場合には、本発明のボイラから高温・高圧蒸気抜き出しラインでもって抜き出された高温・高圧蒸気により補助タービンを動かす場合のほうが、システムを安定して運転することができることが確認された。
Figure 0005738045
Figure 0005738045
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本発明による実施例２に係る二酸化炭素の回収システムについて、図面を参照して説明する。図２は、実施例２に係る二酸化炭素の回収システムの概略図である。図３は、実施例２に係る他の二酸化炭素の回収システムの概略図である。
図２に示すように、実施例２に係る二酸化炭素の回収システム１０Ｂは、実施例１のる二酸化炭素の回収システム１０Ａにおいて、さらに蒸気タービンを２台設け、その内の一台を高圧補助タービン３２Ｈとすると共に他の一台を低圧補助タービン３２Ｌとしている。
前記高圧タービン１１からの排気をボイラ１５で再熱した中圧蒸気１４を、中圧タービン１２に導入する前で抜き出しラインＬ21で抜き出すと共に、該抜き出しラインＬ21に熱交換器３６を介装している。そして、高圧補助タービン３２Ｈからの排気を送給する送給ラインＬ14に熱交換器３６を設け、ここで再過熱された中圧蒸気と排気とを熱交換している。これにより、低圧補助タービン３２Ｌに供給される排気１４が再熱される。
この結果、ボイラ１５の再熱器を用いずとも、補助タービンの排気を再熱することができる。
また、図３に示すように、二酸化炭素の回収システム１０Ｃでは、高圧タービン３２Ｈの排気を、ボイラ１５にて再熱して、低圧タービン３２Ｌに用いるようにしている。
１０Ａ、１０Ｂ 二酸化炭素の回収システム
１１ 高圧タービン
１２ 中圧タービン
１３ 低圧タービン
１４ 蒸気
１５ ボイラ
Ｇ 燃焼排ガス
２１ 二酸化炭素吸収塔（吸収塔）
２２ 再生過熱器
２３ 吸収液再生塔（再生塔）
２４ 二酸化炭素回収装置
３１ 蒸気
３２ 補助タービン
３２Ｈ 高圧補助タービン
３２Ｌ 低圧補助タービン
３３ 排出排気

Claims (3)

  1. 高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンと、
    これらを駆動する蒸気を発生させるためのボイラと、
    該ボイラから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を二酸化炭素吸収液により吸収除去する二酸化炭素吸収塔と、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収液を再生過熱器により再生し、再生二酸化炭素吸収液とする吸収液再生塔とからなる二酸化炭素回収装置と、
    前記ボイラからの高温・高圧蒸気を、高圧タービンに導入する前で抜き出す高温・高圧蒸気抜き出しラインと、
    抜き出された高温・高圧蒸気により動力を回収する補助タービンと、
    該補助タービンから排出される排出蒸気を用いて、前記二酸化炭素再生塔の再生過熱器に加熱源として供給する蒸気送給ラインと、を具備すると共に、
    さらに、前記補助タービンを、抜き出された高温・高圧蒸気により動力を回収する高圧補助タービンと、低圧補助タービンとし、
    前記高圧タービンからの排気をボイラで再熱して中圧蒸気とし、前記中圧蒸気を前記中圧タービンに導入する前で抜き出すと共に、該再熱された中圧蒸気により前記高圧補助タービンからの排気を熱交換器で熱交換することを特徴とする二酸化炭素の回収システム。
  2. 請求項１において、
    前記高圧補助タービンからの排気をボイラで再熱し、前記低圧補助タービンに導入することを特徴とする二酸化炭素の回収システム。
  3. 請求項１又は２の二酸化炭素の回収システムを用いて前記二酸化炭素吸収液中に吸収された二酸化炭素を回収することを特徴とする二酸化炭素の回収方法。
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