JPWO2015136678A1

JPWO2015136678A1 - 低質炭を用いた発電システム

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Publication number: JPWO2015136678A1
Application number: JP2016507214A
Authority: JP
Inventors: 隆仁米川; 本城　新太郎; 新太郎本城; 洲崎　誠; 洲崎　　誠
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: AU2018202315B2; CN106062482A; WO2015136678A1; CA2941843A1; CA2941843C; AU2018202315A1; JP6278576B2; DE112014006458B4; AU2014386062A1; DE112014006458T5

Abstract

この低質炭を用いた発電システム（Ａ）は、低質炭（２）を加熱して高質炭（４）に改質する低質炭改質設備（３）と、低質炭改質設備（３）で低質炭（２）を改質することによって発生する水蒸気（８）を利用しつつ、低質炭改質設備（３）で低質炭（２）を改質することによって発生する排ガス（７）からＣＯ２を回収するＣＯ２回収設備（６）と、低質炭改質設備（３）で低質炭（２）を改質して得た高質炭（４）を燃料として発電を行う発電設備（５）とを備える。

Description

本発明は、例えば、亜瀝青炭や褐炭などの低質炭を用いた発電システムに関する。

例えば、亜瀝青炭や褐炭等の低質炭は、一般に、水分が多く、炭化度が低く、燃焼時の発熱量が低い。そして、このような低質炭を石炭火力発電所などの発電設備（発電プラント）の燃料としてそのまま使用すると、発電効率が低下するとともに、単位発電量当たりのＣＯ_２排出量が大幅に増加する。このため、例えば、予め乾燥し改質した低質炭をボイラに供給するようにしたり、発電設備内において、燃焼前に乾燥工程を設け、発熱量を増加させる改質を行うなどして、低質炭を発電設備の燃料として使用している（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−０８２９９１号公報

しかしながら、低質炭を改質する際には、低質炭を乾燥させるための熱源を、低質炭自身の燃焼によって得たり、別の燃料を燃焼することで得る必要がある。このため、労力、コストをかけて低質炭を改質しても、ＣＯ_２の排出量を例えば２〜３％程度の数％しか低減させることができない。

また、石炭火力発電所などの発電設備では、ボイラ等から排出される排ガスからＣＯ_２を回収除去するためのＣＯ_２回収設備（ＣＯ_２回収装置）が提案されている。このＣＯ_２回収設備は、例えば、アミン系のＣＯ_２吸収液を排ガスに接触させ、このＣＯ_２吸収液に排ガス中のＣＯ_２を吸収させる吸収塔と、吸収塔でＣＯ_２を吸収したＣＯ_２吸収液を水蒸気で加熱することによりＣＯ_２を解離させて回収し、アミン系のＣＯ_２吸収液を再生する再生塔とを備えている。

そして、このようなＣＯ_２回収設備を石炭火力発電所などの発電設備内に適用した場合には、ボイラで発生した水蒸気を再生塔でのＣＯ_２吸収液の再生に用いることになり、タービン効率の低下、ひいては、例えば２０〜３０％の発電量の低下を招く可能性がある。さらに、燃料として低質炭を用いた場合には、ＣＯ_２の回収効率の低下や発電量の低下を招く可能性がある。

また、石炭火力発電所にＣＯ_２回収装置を適用する場合には、大容量の排ガスを処理する必要があるため、設備コストが大きく、発電コストの大幅な増加を招く可能性がある。

本発明の第１の態様によれば、低質炭を用いた発電システムは、低質炭をボイラの燃料として用いて発電を行う発電システムであって、前記低質炭を加熱して高質炭に改質する低質炭改質設備と、前記低質炭改質設備で前記低質炭を改質することによって発生する水蒸気を利用しつつ、前記低質炭改質設備で前記低質炭を改質することによって発生する排ガスからＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収設備と、前記低質炭改質設備で前記低質炭を改質して得た高質炭を燃料として発電を行う発電設備とを備える。

前記低質炭を用いた発電システムにおいては、前記ＣＯ_２回収設備で回収されたＣＯ_２を石油産出プラントに給送するためのＣＯ_２輸送設備を備えていてもよい。

前記低質炭を用いた発電システムにおいては、前記低質炭改質設備が前記低質炭を産出する炭鉱近傍に設けられていてもよい。

前記低質炭を用いた発電システムにおいては、前記ＣＯ_２輸送設備が、前記低質炭改質設備と前記ＣＯ_２回収設備を繋ぐパイプラインであってもよい。

上記した低質炭を用いた発電システムにおいては、発電設備とは別に設けられた低質炭改質設備で低質炭を改質することで、発熱量を向上することができ、ひいては石炭火力発電所の発電効率を向上させることが可能になる。

また、発電設備とは別に設けられたＣＯ_２回収設備によって、低質炭改質設備で低質炭を改質することによって排出される排ガスを処理することで、ボイラ燃料として使用した際の排ガス量を低減させることが可能になるとともに、ＣＯ_２をはじめ、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、Ｈｇ等の環境汚染物質の排出量を低減させることができる。これにより、環境汚染物質の排出防止対策に要するコスト、排出防止設備の運転コストを低減することも可能になる。

本発明の一実施形態に係る発電システムを示す図である。

以下、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る低質炭を用いた発電システムについて説明する。

本実施形態の低質炭を用いた発電システムＡは、図１に示すように、鉱山１で産出した例えば亜瀝青炭や褐炭などの低質炭（低質な石炭）２を改質する低質炭改質設備３と、低質炭改質設備３で低質炭２を改質して得た高質炭（高質な石炭）４を燃料として発電を行う発電設備５と、低質炭改質設備３で発生したＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収設備６と、を備える。

低質炭改質設備３は、低質炭２を加熱処理して高質炭４に改質する設備であり、例えば、低質炭２を加熱して水分を蒸発させる乾燥処理、又は乾留処理を行う乾燥／乾留装置を備えている。

発電設備５は、石炭を燃料にして蒸気を生成するボイラと、ボイラで発生した蒸気によって駆動するタービンとを備えた石炭火力発電設備である。また、この発電設備５は、例えば、ボイラで発生した高圧、高温の蒸気によって高圧タービンが駆動し、高圧タービンの排気をボイラの再過熱器で過熱し、この再過熱された中圧蒸気によって中圧タービンが駆動し、さらにその排気を用いて低圧タービンが駆動して、発電を行うように構成されている。なお、発電設備５は、その他に復水器、脱硫装置、煙突などの排ガス処理設備を備えている。

ＣＯ_２回収設備６は、低質炭改質設備３で低質炭２を加熱することで発生する排ガス７、水蒸気８を受け入れ、排ガス７とＣＯ_２吸収液を接触させることにより排ガス７中からＣＯ_２を吸収して除去するための吸収塔と、吸収塔でＣＯ_２を吸収したＣＯ_２吸収液を受け入れて、ＣＯ_２吸収液に吸収したＣＯ_２を分離し回収するための再生塔とを備えている。

吸収塔には、ＣＯ_２吸収液をミスト状にして噴霧する吸収液スクラバーが内部に設けられている。吸収塔は、この吸収液スクラバーから噴霧したＣＯ_２吸収液と、排ガス７とを接触させる。この排ガス７は、連絡ダクトを通じて低質炭改質設備３から吸収塔の内部に導入され、吸収塔の下部側から上部へ流通する。これにより、排ガス７中のＣＯ_２がＣＯ_２吸収液に溶け込んで吸収され、ＣＯ_２が除去された処理後の排ガスが吸収塔の上部から外部に放出される。また、ＣＯ_２を吸収したＣＯ_２吸収液は、吸収塔の下部に溜まる。

なお、吸収塔は、内部の吸収液スクラバーよりも上方に、冷却水をミスト状にして噴霧するスクラバーやデミスタを設け、ＣＯ_２吸収液で吸収されなかった排ガス７中のガス状の物質や粒子状物質を冷却水で捕捉して除去するように構成されていることが望ましい。

また、ＣＯ_２吸収液として、例えば、アミン系吸収液を採用することができる。具体的には、ＣＯ_２吸収液としては、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のアルカノールアミンを採用することができる。また、ヒンダードアミン類を採用することもできる。また、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ＣＯ_２吸収液として用いることができる。

再生塔は、吸収塔でＣＯ_２等を吸収したＣＯ_２吸収液からＣＯ_２を分離して回収する。再生塔の上部側には、吸収塔からＣＯ_２吸収液を導入するための吸収液送液管が接続されている。そして、この吸収液送液管の送液ポンプを駆動することで吸収塔の下部に溜まったＣＯ_２吸収液が再生塔の内部に上部側から噴霧して供給される。また、再生塔の下部側から高温の水蒸気が供給され、噴霧したＣＯ_２吸収液が加熱されることにより、このＣＯ_２吸収液からＣＯ_２が解離してガス化する。そして、再生塔の上部からガス化したＣＯ_２が外部に導出される。また、導出したＣＯ_２は冷却処理されるとともに、圧縮機で圧縮され、圧縮ＣＯ_２として回収される。

このとき、本実施形態では、低質炭改質設備３で低質炭２を加熱して高質炭４に改質する際に発生する水蒸気８を再生塔に取り込み、この低質炭改質設備３で発生した水蒸気８を用いてＣＯ_２吸収液を加熱する。このため、再生塔に別途ボイラ等で生成した水蒸気を供給しなくてもよい。

また、このようにＣＯ_２が解離して除去されたＣＯ_２吸収液は、再生塔の下部に溜まり、吸収液供給管に設けられた返送ポンプを駆動し、さらに冷却器で冷却されて吸収塔に送られる。すなわち、本実施形態では、吸収塔からＣＯ_２等を吸収したＣＯ_２吸収液が吸収液送液管を通じて再生塔に送られ、再生塔でＣＯ_２が回収されたＣＯ_２吸収液が、再生塔から吸収液供給管を通じて再び吸収塔に返送され、ＣＯ_２吸収液を吸収塔と再生塔の間で循環させることによって、ＣＯ_２の回収を行うように構成されている。

ここで、本実施形態の低質炭を用いた発電システムＡに関するシミュレーション結果について説明する。まず、低質炭改質設備３は、例えば、発熱量が８０００Ｂｔｕ／ｌｂの低質炭２を３０８ｔｏｎ／ｈの割合で処理することにより、発熱量が１１３４０Ｂｔｕ／ｌｂの高質炭４を１７８ｔｔｏｎ／ｈの割合で生産する。これにより、高質炭４を石炭火力発電設備５のボイラの燃料として使用する際に少ない量で高発熱量を得ることが可能になり、発電効率が２％上昇することが確認された。また、このように低質炭改質設備３で低質炭２を高質炭４に改質すると、２７７８ｔｐｄのＣＯ_２（１０％−ｗｅｔ）、５８６８３５Ｎｍ^３／ｈの排ガス７が発生する。

また、低質炭改質設備３で改質した高質炭４を石炭火力発電設備５のボイラの燃料として使用すると、低質炭２を使用した場合のＣＯ_２の排出量が９７０３ｔｐｄであるのに対し、９２４６ｔｐｄのＣＯ_２排出量に低減する。また、低質炭改質設備３から排出された排ガス７を上記のように構成したＣＯ_２回収設備６で処理すると、排ガス７中のＣＯ_２を９０％の回収率で回収することができ、２５００ｔｐｄのＣＯ_２が回収される。

そして、本実施形態の低質炭を用いた発電システムＡによれば、低質炭２をそのまま使用する場合と比較し、総ＣＯ_２排出割合が９４０ｔｏｎ／ＧＷｈから８８１ｔｏｎ／ＧＷｈとなり、約６％低減できることが確認された。

ここで、石油産出プラントでは、一次採取法による採取量が減衰してきた際に、油層に人工的な排油エネルギーを付与することで、油の採取量を増進させ、油の回収率を高めるようにしている。そして、この石油（原油）増進回収技術（ＥＯＲ：Enhanced Oil Recovery）には、水を圧入する水攻法、天然ガスやＣＯ_２などを圧入する方法、熱攻法、ケミカル法などの方法がある。

例えば、低質炭改質設備３を、低質炭２を産出する炭鉱１近傍に設け、さらに、ＣＯ_２回収設備６を、低質炭改質設備３の近傍に設け、そして、ＣＯ_２回収設備６で回収したＣＯ_２を石油産出プラントに輸送するＣＯ_２輸送設備を設け、このＣＯ_２輸送設備がＣＯ_２回収設備６と石油産出プラントを繋ぐパイプラインを備えて発電システムＡを構成する。このように構成すると、炭鉱１で産出した低質炭２を低質炭改質設備３で、効率的（早期）に改質して高質炭４を製造することができるとともに、低質炭改質設備３で低質炭２を改質することによって発生する排ガス７をＣＯ_２回収設備６で効率的（早期）に処理することができる。

また、ＣＯ_２回収設備６で回収したＣＯ_２を石油産出プラントに輸送するパイプラインなどのＣＯ_２輸送設備が設けられていると、ＣＯ_２回収設備６で回収した圧縮ＣＯ_２を石油産出プラントに供給し、ＥＯＲ用のＣＯ_２として使用することができる。なお、ＣＯ_２回収設備６で回収したＣＯ_２が大気に放出され、地球温暖化の原因となることを防ぐために、地下深部に貯留するようにしてもよい。

したがって、本実施形態の低質炭を用いた発電システムＡにおいては、低質炭２を改質することで、発熱量を向上することができ、ひいては石炭火力発電所５の発電効率を向上させることが可能になる。また、低質炭２をボイラの燃料として用いる際に粉砕する必要があるが、低質炭２が改質されていることで、ミル動力を低減することも可能になる。さらに、タービン容量に余裕がある場合には、低質炭２の使用量（改質した低質炭の供給量）を増加させ、発電量を増加させて、発電収益の増加を図ることも可能になる。

また、低質炭２を改質することで、ボイラ燃料として使用した際の排ガス量を低減させることが可能になるとともに、ＣＯ_２をはじめ、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、Ｈｇ等の環境汚染物質の排出量を低減させることができる。これにより、環境汚染物質の排出防止対策に要するコスト、排出防止設備の運転コストを低減することも可能になる。

さらに、低質炭改質設備３からの排ガス７をＣＯ_２回収設備６で処理することにより、ＣＯ_２をはじめ、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、Ｈｇ等の環境汚染物質も除去することが可能になり、これら環境汚染物質の排出低減対策コストを低減することが可能になる。

また、低質炭改質設備３からの排ガス７中のＣＯ_２を発電設備５とは別に設けられたＣＯ_２回収設備６で処理することで、ＣＯ_２の排出量を低減することが可能になるとともに、回収したＣＯ_２を例えばＥＯＲに利用することが可能になる。

また、発電設備５で低質炭２をそのまま使用した場合と比較し、低質炭改質設備３で低質炭２を改質した場合の方が排ガス量を少なくすることができるため、既設の改造も小さくでき、設備コストを大幅に低減することが可能になる。

さらに、低質炭改質設備３で発生した水蒸気８をＣＯ_２回収設備６で利用することにより、パワーペナルティーを低減することができ、効率的な低質炭を用いた発電システムを構築することが可能になる。

以上、本発明に係る低質炭を用いた発電システムの一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

上記した低質炭を用いた発電システムにおいては、発電設備とは別に設けられた低質炭改質設備で低質炭を改質することで、発熱量を向上することができ、ひいては石炭火力発電所の発電効率を向上させることが可能になる。
また、発電設備とは別に設けられたＣＯ_２回収設備によって、低質炭改質設備で低質炭を改質することによって排出される排ガスを処理することで、ボイラ燃料として使用した際の排ガス量を低減させることが可能になるとともに、ＣＯ_２をはじめ、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ、Ｈｇ等の環境汚染物質の排出量を低減させることができる。これにより、環境汚染物質の排出防止対策に要するコスト、排出防止設備の運転コストを低減することも可能になる。

１鉱山（炭鉱）
２低質炭
３低質炭改質設備
４高質炭
５発電設備
６ＣＯ_２回収設備
７排ガス
８水蒸気
Ａ低質炭を用いた発電システム

Claims

低質炭をボイラの燃料として用いて発電を行う発電システムであって、
前記低質炭を加熱して高質炭に改質する低質炭改質設備と、
前記低質炭改質設備で前記低質炭を改質することによって発生する水蒸気を利用しつつ、前記低質炭改質設備で前記低質炭を改質することによって発生する排ガスからＣＯ_２を回収するＣＯ_２回収設備と、
前記低質炭改質設備で前記低質炭を改質して得た高質炭を燃料として発電を行う発電設備と、を備える
発電システム。
請求項１に記載の低質炭を用いた発電システムであって、
前記ＣＯ_２回収設備で回収されたＣＯ_２を石油産出プラントに給送するためのＣＯ_２輸送設備をさらに備える
発電システム。
請求項１に記載の低質炭を用いた発電システムであって、
前記低質炭改質設備が、前記低質炭を産出する炭鉱近傍に設けられる
発電システム。
請求項２に記載の低質炭を用いた発電システムであって、
前記低質炭改質設備が、前記低質炭を産出する炭鉱近傍に設けられる
発電システム。
請求項２に記載の低質炭を用いた発電システムであって、
前記ＣＯ_２輸送設備が、前記低質炭改質設備と前記ＣＯ_２回収設備を繋ぐパイプラインである
発電システム。
請求項３に記載の低質炭を用いた発電システムであって、
前記ＣＯ_２輸送設備が、前記低質炭改質設備と前記ＣＯ_２回収設備を繋ぐパイプラインである
発電システム。
請求項４に記載の低質炭を用いた発電システムであって、
前記ＣＯ_２輸送設備が、前記低質炭改質設備と前記ＣＯ_２回収設備を繋ぐパイプラインである
発電システム。