JPWO2018074443A1 - 二酸化炭素回収システム、火力発電設備、及び、二酸化炭素回収方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この点、特許文献1には、排ガス発生設備からの排ガス流量の変動へ対応しながら、排ガスを処理することについては開示されていない。
燃焼装置を含む設備で発生した排ガスから二酸化炭素を回収するためのシステムであって、
前記二酸化炭素を含む前記排ガスが流れる第1排ガス流路と、
アノードと、前記第1排ガス流路上に設けられて前記第1排ガス流路からの前記排ガスが供給されるカソードと、前記第1排ガス流路からの前記排ガス中に含まれる二酸化炭素由来の炭酸イオンを前記カソードから前記アノードに移動させるように構成された電解質と、を含む燃料電池と、
前記カソードをバイパスするように、前記カソードの上流側において前記第1排ガス流路から分岐して設けられる第2排ガス流路と、を備え、
前記排ガスの一部を前記第2排ガス流路に導くように構成される。
この点、上記(1)の構成によれば、第1排ガス流路に燃料電池のカソードを設け、第1排ガス流路から分岐した第2排ガス流路に排ガスの一部を導いて燃料電池(カソード)をバイパスさせるようにしたので、燃焼装置を含む設備からの排ガスのうち、燃料電池で適切に処理可能な範囲の流量を燃料電池に供給するとともに、排ガスのうち残りの部分を、第2排ガス流路に導いて利用したり処理したりすることができる。よって、排ガス発生設備の負荷変動に伴う排ガス流量の変化に対応しつつ、プラント全体としてのエネルギー効率の低下を抑制しながら二酸化炭素を回収することができる。
前記燃料電池の定格運転時における前記排ガスの処理流量は、前記設備の定格運転時における前記排ガスの全流量よりも小さい。
この点、上記(2)の構成によれば、前記設備の定格負荷時における排ガスの全流量を処理するのに必要な容量よりも低容量の定格出力の燃料電池を用いることで、前記設備の部分負荷運転時においても、燃料電池の安定運転を維持したまま排ガス流量の減少に対応しやすくなる。
前記燃料電池の定格運転時における前記排ガスの処理流量FFC_RATEDは、前記燃焼装置を含む前記設備の30%負荷での運転時における前記排ガスの全流量をF* minとし、前記設備の80%負荷での運転時における前記排ガスの全流量をF* maxとしたとき、
F* min≦FFC_RATED≦F* max
の関係を満たす。
前記第1排ガス流路を介して前記カソードに供給される前記排ガスの第1流量を調節するための流量調節部をさらに備える。
前記流量調節部を制御するための制御部を備え、
前記制御部は、前記燃焼装置を含む前記設備の少なくとも一部の負荷範囲において、前記設備の負荷の大きさによらず、前記第1流量が前記燃料電池の定格流量で一定となるよう前記流量調節部を制御するように構成される。
この点、上記(5)の構成によれば、少なくとも一部の負荷範囲での前記設備の運転時、前記設備の負荷の大きさによらず第1流量を定格流量で一定に維持することができる。よって、前記設備の負荷が変動しても、燃料電池の安定運転を維持することができる。
前記流量調節部は、前記第1排ガス流路又は前記第2排ガス流路に設けられたダンパを含み、
前記第1排ガス流路及び前記第2排ガス流路は、少なくとも前記ダンパの設置位置の上流側において、互いに独立して設けられる。
前記燃料電池の前記カソードは、前記設備としてのガスタービンの下流側、且つ、前記ガスタービンの排熱を回収するための第1排熱回収ボイラの上流側に設けられ、
前記第2排ガス流路は、前記カソードをバイパスして、前記ガスタービンの排熱を回収するための第2排熱回収ボイラに接続され、
少なくとも前記ガスタービンの定格運転時において、前記ガスタービンの排ガスの一部を前記第2排ガス流路を介して前記第2排熱回収ボイラに導くように構成される。
前記第2排熱回収ボイラの下流側において前記第2排ガス流路上に設けられ、前記第2排熱回収ボイラからの前記排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるための化学吸収塔をさらに備え、
前記第1排ガス流路及び前記第2排ガス流路は、前記第1排ガス流路を流れる前記排ガスが、前記第1排熱回収ボイラの下流側において、前記第2排熱回収ボイラから前記化学吸収塔へと前記第2排ガス流路を流れる前記排ガスと混合しないように、互いに独立して設けられる。
前記第1排熱回収ボイラ内において最も上流側に位置する第1熱交換器は、前記第2排熱回収ボイラ内において最も上流側に位置する第2熱交換器よりも高温の熱媒体を熱交換により得るように構成される。
前記第1排ガス流路を介して前記カソードに供給される前記排ガスの第1流量を調節するための流量調節部を備え、
前記第1排熱回収ボイラおよび前記第2排熱回収ボイラは、
共通の煙道と、
前記共通の煙道のうち少なくとも上流側領域を、前記第1排ガス流路を少なくとも部分的に形成する第1部分と、前記第2排ガス流路を少なくとも部分的に形成する第2部分とに隔てるように前記共通の煙道内に設けられる隔壁と、
を含み、
前記流量調節部は、前記共通の煙道のうち前記第1部分又は前記第2部分の何れかに設けられるダンパを含む。
前記第2排ガス流路上に設けられ、前記第2排ガス流路を流れる前記排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるための化学吸収塔と、
前記第1排熱回収ボイラ又は前記第2排熱回収ボイラにおいて前記排ガスから回収した熱エネルギーを利用して生成した蒸気により、前記吸収液を加熱して再生するように構成された再生塔と、
をさらに備える。
少なくとも前記燃料電池により前記アノード側に回収された前記二酸化炭素を圧縮するためのコンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動するための蒸気タービンをさらに備え、
前記蒸気タービンは、前記第1排熱回収ボイラ又は前記第2排熱回収ボイラにおいて前記排ガスから回収した熱エネルギーを利用して生成した蒸気により駆動されるように構成される。
前記二酸化炭素回収システムは、
前記第2排ガス流路に設けられ、前記第2排ガス流路から供給される前記排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるための化学吸収塔をさらに備える。
このような化学吸収塔によるCO2回収技術は、例えば吸収液の循環量を調節することで排ガス流入量の変動に対応可能である一方、吸収液からCO2を再生するには多くのエネルギーを必要とし、プラント全体としてのエネルギー効率の低下を招く。これに対し、燃料電池は、CO2を回収しながら発電することができるので、プラント全体としてのエネルギー効率の低下を抑制できる一方、排ガス流量の変動への対応が困難である。
この点、上記(13)の構成によれば、第1排ガス流路に燃料電池のカソードを設け、第1排ガス流路から分岐した第2排ガス流路に化学吸収塔を設けることで、燃料電池と化学吸収塔とが並列配置されることになる。このため、排ガスを化学吸収塔と燃料電池とに分配して両者を併用することで、排ガス流量の変動に対応しつつ、プラント全体としてのエネルギー効率の低下を抑制することができる。
前記二酸化炭素回収システムは、
前記第1排ガス流路における前記カソードの入口側の前記排ガスと、前記第1排ガス流路における前記カソードの出口側の前記排ガスと、を熱交換するための熱交換器をさらに備える。
前記二酸化炭素回収システムは、
前記第1排ガス流路からの前記第2排ガス流路の分岐点の上流側において前記第1排ガス流路に設けられ、前記排ガスに含まれる硫黄分を除去するように構成された脱硫装置をさらに備える。
前記二酸化炭素回収システムは、
前記第1排ガス流路からの前記第2排ガス流路の分岐点の下流側且つ前記カソードの上流側において前記第1排ガス流路に設けられ、前記カソードに供給される前記排ガス中の煤塵を除去するための除塵装置をさらに備える。
燃焼装置を含む設備である火力発電装置と、
前記火力発電装置からの排ガスに含まれる二酸化炭素を回収するように構成された前記(1)乃至(17)の何れかの二酸化炭素回収システムと、
を備える。
燃焼装置を含む設備で発生した排ガスから二酸化炭素を回収するための方法であって、
前記二酸化炭素を含む前記排ガスを燃料電池のカソードに供給するステップと、
前記燃料電池の電解質内において、前記排ガス中の前記二酸化炭素由来の炭酸イオンを前記カソードから前記燃料電池のアノードに移動させるステップと、
前記設備の前記排ガスの一部が前記カソードをバイパスするように前記排ガスの前記一部を導くステップと、
を備える。
前記燃料電池の定格運転時における前記排ガスの処理流量は、前記設備の定格運転時における前記排ガスの全流量よりも小さい。
前記燃料電池の定格運転時における前記排ガスの処理流量FFC_RATEDは、前記設備としての火力発電装置の30%負荷での運転時における前記排ガスの全流量をF* minとし、前記火力発電装置の80%負荷での運転時における前記排ガスの全流量をF* maxとしたとき、
F* min≦FFC_RATED≦F* max
の関係を満たす。
前記設備の少なくとも一部の負荷範囲において、前記設備の負荷の大きさによらず、前記カソードに供給される前記排ガスの第1流量を前記燃料電池の定格流量で一定となるように維持するステップをさらに備える。
この点、上記(22)の方法によれば、少なくとも一部の負荷範囲での前記設備の運転時、前記設備の負荷の大きさによらず第1流量を定格流量で一定に維持することができる。よって、前記設備の負荷が変動しても、燃料電池の安定運転を維持することができる。
前記設備としてのガスタービンからの排ガスのうち前記燃料電池のカソードを通過した第1排ガスを第1排熱回収ボイラに導き、該第1排熱回収ボイラにおいて排熱を回収するステップと、
少なくとも前記ガスタービンの定格運転時において、前記ガスタービンの前記排ガスのうち前記カソードをバイパスした第2排ガスを第2排熱回収ボイラに導き、該第2排熱回収ボイラにおいて排熱を回収するステップと、
をさらに備える。
前記第2排熱回収ボイラからの前記第2排ガスを化学吸収塔に導き、該化学吸収塔において前記第2排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるステップをさらに備え、
前記化学吸収塔に導かれる前記第2排ガスに前記第1排ガスが混合しないように、前記第1排ガス及び前記第2排ガスを、それぞれ、互いに独立して設けられた第1排ガス流路及び第2排ガス流路により導く。
前記二酸化炭素を含む前記排ガスの一部を前記燃料電池の前記カソードに供給するステップと、
前記排ガスの残部を化学吸収塔に導くステップと、
前記化学吸収塔において、前記排ガス中の前記二酸化炭素を吸収液に吸収させるステップと、
を備える。
前記カソードの入口側の前記排ガスと、前記カソードの出口側の前記排ガスとを熱交換するステップをさらに備える。
前記排ガスの一部と前記排ガスの残部とに前記排ガスを分流するステップと、
分流前における前記排ガスに含まれる硫黄分を除去するステップと、
をさらに備える。
前記カソードの上流側において、前記カソードに供給される前記排ガスの前記一部に含まれる煤塵を除去するステップをさらに備える。
図6、図10〜12、図16〜図19及び図20〜図25に係る火力発電設備1も、同様の構成を有している。
なお、図6、図10〜12、図16〜図19及び図20〜図25において明示されていない場合であっても、これらの図に示す実施形態において、火力発電装置2は上述のガスタービン100を含んでいてもよい。
燃焼器104には、燃料貯留部20からの燃料(天然ガス等)が燃料供給流路22を介して供給されるようになっている。また、燃焼器104には圧縮機102で圧縮された空気が送り込まれるようになっており、この圧縮空気は、燃焼器104において燃料が燃焼する際の酸化剤としての役割を有する。
タービン106には回転シャフト103を介して発電機108が連結されており、タービン106の回転エネルギーによって発電機108が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン106で仕事を終えた燃焼ガスは、排ガスとしてタービン106から排出されるようになっている。
また、図1以外の図に示すガスタービン100も、基本的には同様の構成を有している。
図1に示す例示的な実施形態では、二酸化炭素回収システム4は、火力発電装置2で発生した排ガスから二酸化炭素を回収するように構成される。すなわち、図1に示す二酸化炭素回収システム4は、火力発電装置2において、ガスタービン100における燃料の燃焼で生じた燃焼ガスを含み、ガスタービン100から排出された排ガスから二酸化炭素を回収するように構成される。
第2排ガス流路は、燃料電池10のカソード12をバイパスするように、カソード12の上流側において第1排ガス流路6から分岐して設けられる。したがって、火力発電装置2からの排ガスは、分岐点から第1排ガス流路6を介して燃料電池10のカソード12に供給できるようになっているとともに、分岐点から第2排ガス流路8に導くことができるようになっている。
このように、火力発電装置2からの排ガスの一部を、燃料電池10(カソード12)をバイパスさせて第2排ガス流路8に導くことで、火力発電装置2からの排ガスのうち、燃料電池10で適切に処理可能な範囲の流量を燃料電池10のカソード12に供給するとともに、排ガスのうち残りの部分を、第2排ガス流路8に導いて利用したり処理したりすることができる。よって、火力発電装置2の負荷変動に伴う排ガス流量の変化に対応しつつ、プラント全体としてのエネルギー効率の低下を抑制しながら二酸化炭素を回収することができる。
燃料電池10は、電解質14として炭酸塩を用いた、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)であってもよい。電解質14として用いられる炭酸塩は、例えば、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、又は炭酸カリウム等であってもよく、又は、これらの混合物であってもよい。
一方、燃料電池10のアノード16には、アノード入口側流路15から水素(H2)を含む燃料ガスが供給されるようになっている。アノード16では、アノード入口側流路15からの水素(H2)と、電解質14を移動してきた炭酸イオン(CO3 2−)とが反応して、水(H2O)、CO2及び電子が生成される。
このようにして、第1排ガス流路6からカソード12に供給されたCO2は、炭酸イオンの形で電解質14をカソード12からアノード16に移動し、アノード16での反応によりCO2となる。
例えば、図1に示す例示的な実施形態では、燃料供給流路22に設けられた予備改質器26及び燃料電池10に設けられた改質部18において、燃料が改質されて水素(H2)が生成される。そして、このように燃料の改質により生成した水素がアノード入口側流路15からアノード16に供給されるようになっている。
また、図1に示すように、アノード出口側流路17には、分離器36及び圧縮機34の上流側に、COシフト反応を行うためのCO変成器30及び混合ガスを冷却してH2Oを分離するための冷却器32が設けられていてもよい。
溶融炭酸塩型燃料電池は、約600℃〜700℃程度の高温で動作し、アノード16から流出するガスも同程度の高温を有する。よって、上述の熱交換器28によれば、燃料電池10で生じる反応熱を有効利用しながら燃料の改質反応を行うことができる。
通常、燃料電池10の動作温度は約600℃〜700℃程度であり、燃料電池10の適正な運転状態を維持するためには、燃料電池10に供給されるガスの温度がある程度高いことが望ましい。そこで、カソード12よりも上流側に設けた燃焼器24によってカソード入口側の排ガスを適温まで昇温させることにより、燃料電池10を適切に作動させることができる。
この場合、煙突46は、第1排熱回収ボイラ44Aの下流側において第1排ガス流路6に接続され、第1排熱回収ボイラ44Aからの排ガスが煙突46から排出されるようになっていてもよい。
一方、再生塔50でCO2が除去されて再生された吸収液は化学吸収塔48に返送され、再度、第2排熱回収ボイラ44Bからの排ガスに含まれるCO2を吸収するために用いられる。
アミンを含む吸収液は、例えば、アルカノールアミン(例えばモノエタノールアミン等)の水溶液であってもよい。
この場合、第1排熱回収ボイラ44Aの下流側において、第1排ガス流路6におけるカソードを通過後のCO2欠乏排ガスと、第2排ガス流路8から化学吸収塔48へと導入される第2排ガス流路におけるCO2リッチ排ガスとの混合が防止されるので、化学吸収塔48における二酸化炭素分離効率を向上させることができる。
例えば、図1に示すように、排熱回収ボイラ44(第1排熱回収ボイラ44A又は第2排熱回収ボイラ44B)で生成された蒸気を、蒸気供給路51を介して再生塔50に供給し、再生塔50にて該蒸気を用いて吸収液を加熱するようにしてもよい。
例えば、図1に示すように、排熱回収ボイラ44(第1排熱回収ボイラ44A又は第2排熱回収ボイラ44B)で生成された蒸気が、蒸気供給路51を介して蒸気タービン42に供給され、このように供給された蒸気によって蒸気タービン42が駆動されるようになっていてもよい。
この場合、火力発電装置2(ガスタービン100)の負荷の変動時等、排ガスの総流量の変動時においても、流量調節部7によって第1流量を適切に調節することで、燃料電池の適正な運転状態(例えば温度)を維持することができる。また、燃料電池10の劣化に起因した電圧低下に伴いアノード−カソード間の電流を減少させる必要が生じた場合、カソード12への排ガス供給量(第1流量)を減少させることで燃料電池10を適正温度範囲に維持することができる。
例えば、図1に示す実施形態では、流量調節部7は、第2排ガス流路8において、第2排ガス流路8が第1排ガス流路6から分岐する分岐点の下流側かつ第2排熱回収ボイラ44Bの上流側に設けられている。
他の実施形態では、流量調節部7は、例えば、第2排ガス流路8において、第2排熱回収ボイラ44Bの下流側かつ化学吸収塔48の上流側に設けられていてもよく、あるいは、第1排ガス流路6において、上述の分岐点よりも下流側かつカソード12の上流側、又は、カソード12の下流側かつ煙突46の上流側に設けられていてもよい。あるいは、流量調節部7は、第1排ガス流路6又は第2排ガス流路8に設けられる機器(例えば、第1排熱回収ボイラ44A又は第2排熱回収ボイラ44B)の内部に設けられていてもよい(後で説明する図4又は図5参照)。
また、少なくともダンパ(流量調節部7)の設置位置よりも上流側において、第1排ガス流路6及び第2排ガス流路8は、互いに独立して設けられる。この場合、ダンパの開度調整によって、第1排ガス流路6と第2排ガス流路8とで排ガスを適切に分配することができる。
特に、図1に示す実施形態では、第1排熱回収ボイラ44Aを通過する前の比較的高温(例えば600〜650度)のガスタービン100の排ガスを燃料電池10に導くことで、燃料電池10を適正温度にて安定運転することができる。また、ガスタービン100の排ガスの一部を第2排ガス流路8によりカソード12をバイパスして第2排熱回収ボイラ44Bに直接導くようにしたので、負荷変動に伴い排ガス流量が変化しても、燃料電池10の安定運転を維持しやすくなる。
よって、火力発電装置2(ガスタービン100)の負荷変動に伴う排ガス流量の変化に対応しつつ、プラント全体としてのエネルギー効率の低下を抑制しながら二酸化炭素を回収することができる。
上述したように、第1排ガス流路6を介してカソード12に供給される排ガスの流量(第1流量)は、流量調節部7によって調節されてもよい。ここで、カソード12をバイパスして第2排ガス流路8に分配される排ガスの流量(図1及び図2に示す例では、第2排熱回収ボイラ44Bに供給される排ガスの流量)を第2流量とすれば、第1流量と第2流量との和が、火力発電装置2からの排ガスの全流量である。
図2に示す例では、燃料電池10は、「FC−1」〜「FC−n」のn台の燃料電池ユニット10aが互いに並列配置された構成を有する。そして、複数台の燃料電池ユニット10aにより構成される燃料電池10のカソード12(即ち複数台の燃料電池ユニット10aのそれぞれのカソード)に対して、全体として第1流量の排ガスが供給されるようになっている。
図3のグラフの横軸は火力発電装置2(ガスタービン100)の負荷(横軸)を示し、負荷100%は、火力発電装置2(ガスタービン100)の定格負荷を意味する。また、図3のグラフにおいて、縦軸は排ガス流量を示し、第1排ガス流路6を介して燃料電池10のカソード12に供給される排ガスの第1流量、及び、火力発電装置2からの排ガスの全流量(第1流量と、第2排ガス流路8に分配される第2流量の和)が示されている。
なお、FT_RATEDは、ガスタービン100の定格運転時(負荷:100%)における火力発電装置2からの排ガス流量の全量(全流量)を示し、FFC_RATEDは、燃料電池10の定格運転時における排ガスの処理流量を示す。また、図4のグラフにおいて、領域S1は、排ガス全流量のうち第1流量の占める部分を示し、領域S2は、排ガス全流量のうち第2流量の占める部分を示す。
この場合、運転しない燃料電池ユニット10aの設備コストや、一部の燃料電池ユニット10aの運転停止に伴う発電量の低下に伴う逸失利益を考慮すれば、経済性の面で問題がある。
なお、図3のグラフでは、火力発電装置2の負荷L2(ただしL1<L2<L3)での運転時における排ガスの全流量が、燃料電池10の定格運転時における排ガス処理流量FFC_RATEDとして設定されている。例えば、火力発電装置2の負荷L2は50%であってもよい。
例えば、図3のグラフに示す例では、火力発電装置2の負荷範囲が50%以上100%以下の負荷範囲(比較的負荷が高い高負荷帯)において、負荷の大きさによらず第1流量が燃料電池10の定格流量FFC_RATEDで一定となるように、第1流量が調節される。
例えば、燃料電池10が劣化して、燃料電池10の劣化に起因した電圧低下に伴いアノード‐カソード間の電流を減少させる必要が生じた場合、上述の高負荷帯での燃料電池10への排ガス供給量(第1流量)が上述の定格流量(FFC_RATED)よりも小さい流量で一定となるように、第1流量の一定値を設定するようにしてもよい。
このように、上述の高負荷帯における第1流量の一定値は、燃料電池10の劣化等の状態変化を考慮して、定格流量(FFC_RATED)から変化させた値に設定してもよい。
例えば、火力発電装置2の負荷がL1であるときの排ガス全流量(図3のF* min)以上の第1流量が確保できれば燃料電池10の安定運転が維持できる場合、図3に示す例のように、火力発電装置2の負荷がL1以上L2未満の負荷範囲である時に、火力発電装置2からの排ガスの全流量を、第1流量として燃料電池10に供給するようにしてもよい。
図4は、一実施形態に係る二酸化炭素回収システム4の構成の一例を示す図であり、特に、排熱回収ボイラ44(第1排熱回収ボイラ44A及び第2排熱回収ボイラ44B)の構成の一例を説明するための図である。
なお、図4に示すガスタービン100を含む火力発電装置2は、図1に示す火力発電装置2と同様の構成を有する。
排熱回収ボイラ44は、第1排ガス流路6から導かれる排ガスから熱を回収するための第1排熱回収ボイラ44Aであるとともに、第2排ガス流路8から導かれる排ガスから熱を回収するための第2排熱回収ボイラ44Bである。
そして、隔壁52よりも下流側において、燃料電池10のカソード12を経由した第1部分からの排ガスと、カソード12を経由せずにバイパスした第2部分からの排ガスとが合流するようになっている。
すなわち、第1部分56におけるカソード12の下流側の排ガスは、燃料電池10における反応熱により、ガスタービン100からの排ガスよりも高温になる。このため、燃料電池10のカソード12通過後の排ガスが流入する第1排熱回収ボイラ44A(煙道54の第1部分56及び隔壁52の下流側)は、カソード12をバイパスした排ガスが流入する第2排熱回収ボイラ(煙道54第2部分58及び隔壁52の下流側)に比べて入口温度が高い。
図4に示す実施形態では、流量調節部7としてのダンパは、第2部分58に設けられている。燃料電池10のカソード12を経由していない排ガスが流れる第2部分58の温度は、カソード12を経由した排ガスが流れる第1部分56に比べて低い。よって、図4に示すように第2部分58にダンパを設けることで、ダンパの寿命低下を抑制しながら、第1流量を適切に調節することができる。
幾つかの実施形態では、図5に示すように、流量調節部7(ダンパ)は、複数の熱交換器の間(図5では、熱交換器70cと熱交換器70bとの間)に設けられていてもよい。
このように、ダンパは、複数の熱交換器の間に設けることができるので、煙道54内におけるダンパの設置位置を柔軟に選択することができる。
図6に示す例示的な実施形態に係る二酸化炭素回収システム4は、火力発電装置2からの排ガスが流れる第1排ガス流路6と、第1排ガス流路6から分岐する第2排ガス流路8と、第1排ガス流路6に設けられたカソード12を含む燃料電池10と、第2排ガス流路8に設けられた化学吸収塔120と、を備える。
第2排ガス流路8は、燃料電池10のカソード12の上流側において第1排ガス流路6から分岐して設けられる。したがって、火力発電装置2からの排ガスは、分岐点において第1排ガス流路6と第2排ガス流路8とに分岐されて、燃料電池10のカソード12及び化学吸収塔120のそれぞれに供給できるようになっている。
例えば、図6に示す例示的な実施形態では、燃料供給流路150に設けられた予備改質器132及び燃料電池10に設けられた改質部18において、燃料が改質されて水素(H2)が生成される。そして、このように燃料の改質により生成した水素がアノード入口側流路146からアノード16に供給されるようになっている。
燃料の改質反応は吸熱反応であり、通常、外部から熱を加える必要がある。一方、溶融炭酸塩型燃料電池は、約600℃〜700℃程度の高温で動作し、アノード16から流出するガスも同程度の高温を有する。そこで、アノード16から流出するガスの熱で燃料供給流路150を流れる燃料を熱交換器134において昇温させることによって、燃料電池で生じる反応熱を有効利用しながら燃料の改質反応を行うことができる。
火力発電装置2からの排ガス(カソード入口12a側の排ガス)は、通常、燃料電池10の動作温度(約600℃〜700℃程度)に比べて低い。一方、カソード12から流出する排ガス(カソード出口12b側の排ガス)は、燃料電池で生じる反応熱により高温となっている。そこで、比較的低温のカソード入口12a側の排ガスを、比較的高温を有するカソード出口12b側の排ガスとの熱交換によって昇温した後にカソード12に供給することにより、燃料電池10で発生した熱エネルギーを有効活用しながら、燃料電池10の適正温度を維持して安定運転を行うことができる。
例えば、燃料電池10の起動時等には、燃料電池10での反応熱があまり発生しておらず、カソード出口12b側の排ガスの温度があまり高くなっていない場合がある。このような場合、熱交換器124による熱交換だけでは、カソード入口12a側の排ガス温度を、燃料電池10での反応に必要な温度まで十分に昇温できないことがある。そこで、燃焼器130によってカソード入口12a側の排ガスを適温まで昇温させることにより、燃料電池10を適切に作動させることができる。
一実施形態に係る化学吸収塔120では、吸収液と、第2排ガス流路8からの排ガスとを接触させることにより、排ガスに含まれるCO2が吸収液に取り込まれるようになっている。これにより、排ガスからCO2が除去される。CO2が除去された排ガスは、処理済排ガスとして化学吸収塔120の出口120aから排出される。
一方、吸収液再生塔122でCO2が除去されて再生された吸収液は化学吸収塔120に返送され、再度、第2排ガス流路8からの排ガスに含まれるCO2を吸収するために用いられる。
アミンを含む吸収液は、例えば、アルカノールアミン(例えばモノエタノールアミン等)の水溶液であってもよい。
幾つかの実施形態では、図7に示すように、第1排ガス流路6からの第2排ガス流路8の分岐点の上流側において、第1排ガス流路6に脱硫装置142が設けられる。脱硫装置142は、第1排ガス流路6を流れる排ガスに含まれる硫黄分を除去するように構成される。
SO2が含まれる排ガスが化学吸収塔120に供給されると、化学吸収塔120において排ガス中のSO2が吸収液に吸収されることがある。この場合、吸収液再生塔122(図6参照)においてSO2が吸収液から放散されずに吸収液内に蓄積され、吸収液のCO2吸収性能が低下する要因となる可能性がある。
また、燃料電池10には、カソード12(図6参照)に直接排ガスが供給されるようになっている。このため、第1排ガス流路6からの排ガスに硫黄分等の不純物が含まれると、カソード12に不純物が導入されてしまい、燃料電池10の発電性能が低下する要因となる可能性がある。
よって、燃料電池10と化学吸収塔120のそれぞれについて別個の脱硫装置を設ける場合に比べて脱硫装置の設置コストを削減しながら、排ガス中における硫黄分に起因した燃料電池10または化学吸収塔120の性能低下を抑制することができる。
このように、分岐点の下流側かつ燃料電池10のカソード12の上流側に設けた除塵装置144によって排ガスを処理することにより、煤塵が除去された排ガスをカソード12に供給することができ、排ガス中の煤塵に起因した燃料電池10の性能劣化を抑制することができる。
しかしながら、排ガスに含まれる煤塵の性能劣化等への影響は、吸収液にCO2を吸収させる化学吸収塔120よりも、排ガスが直接カソード12に供給される燃料電池10において、より大きいと考えられる。
この点、図7に示すように、分岐点の下流側かつカソード12(燃料電池10)の上流側に除塵装置144を設ける場合、分岐点の上流側に除塵装置144を設ける場合に比べて、処理対象となる排ガスの流量が低減される。よって、除塵装置144を小型化することができ、あるいは、除塵装置144を駆動するための動力を低減することができる。
流量調節部7によって、燃料電池10を運転するうえで適切な流量(第1流量)の排ガスをカソード12に供給することにより、燃料電池10の適正な運転状態(例えば温度)を維持することができる。また、燃料電池10の劣化に起因した電圧低下に伴いアノード−カソード間の電流を減少させる必要が生じた場合、カソード12への排ガス供給量(第1流量)を減少させることで燃料電池10を適正温度範囲に維持することができる。
例えば、流量調節部7は、第1排ガス流路6において、図6に示すように上述の分岐点とカソード入口12aとの間に設けられていてもよく、又は、カソード出口12bと煙突126との間に設けられていてもよい。あるいは、流量調節部7は、第2排ガス流路8において、上述の分岐点と化学吸収塔120の入口との間に設けられていてもよい。
以下、制御部5による排ガスの流量調節の考え方についてより具体的に説明する。
上述したように、第1排ガス流路6を介してカソード12に供給される排ガスの流量(第1流量)は、流量調節部7によって調節される。ここで、第2排ガス流路8を介して化学吸収塔120に供給される排ガスの流量を第3流量とすれば、第1流量と第3流量との和が、火力発電装置2からの排ガスの総流量である。
図8に示す例では、燃料電池10は、「FC−1」〜「FC−n」のn台の燃料電池ユニット10aが互いに並列配置された構成を有する。そして、複数台の燃料電池ユニット10aにより構成される燃料電池10のカソード12(即ち複数台の燃料電池ユニット10aのそれぞれのカソード)に対して、全体として第1流量の排ガスが供給されるようになっている。
図9のグラフの横軸は火力発電装置2の負荷(横軸)を示し、負荷100%は、火力発電装置2の定格負荷を意味する。また、図9のグラフにおいて、縦軸は排ガス流量を示し、燃料電池10のカソード12に供給される第1流量、及び、火力発電装置2からの総流量(第1流量と、化学吸収塔120に供給される第3流量の和)について、火力発電装置2の定格運転時(定格負荷での運転時)における排ガス総流量を1としたときの割合が示されている。なお、図9のグラフにおいて、領域S1は、排ガス総流量のうち第1流量の占める部分を示し、領域S2は、排ガス総流量のうち第3流量の占める部分を示す。
例えば、図9のグラフに示すように、火力発電装置2の負荷が、閾値L2以上100%(定格負荷)以下の負荷範囲に含まれるとき、火力発電装置2の負荷の大きさによらず、第1流量が燃料電池10の定格負荷に対応する定格流量FR1_ratedで一定となるように、制御部5が流量調節部7を制御するようにしてもよい。
この点、制御部5で流量調節部7を適切に制御することにより、少なくとも一部の負荷範囲での排ガス発生設備(火力発電装置2)の運転時、排ガス発生設備(火力発電装置2)の負荷の大きさによらず第1流量を一定に維持することができる。よって、排ガス発生設備(火力発電装置2)の負荷が変動しても、燃料電池10の安定運転を維持することができる。
例えば、図9のグラフに示す例のように、少なくとも排ガス発生設備(火力発電装置2)の高負荷帯(閾値L2以上定格負荷(100%)以下)において、燃料電池10を定格負荷で運転することで、燃料電池10の安定運転を維持しながら、プラント全体としてのエネルギー効率の低下を抑制できる。
例えば、燃料電池10が劣化して、燃料電池10の劣化に起因した電圧低下に伴いアノード‐カソード間の電流を減少させる必要が生じた場合、上述の高負荷帯での燃料電池10への排ガス供給量(第1流量)が上述の定格流量(FR1_rated)よりも小さい流量で一定となるように、第1流量の一定値を設定するようにしてもよい。
このように、上述の高負荷帯における第1流量の一定値は、燃料電池10の劣化等の状態変化を考慮して、定格流量(FR1_rated)から変化させた値に設定してもよい。
よって、例えば、火力発電装置2(排ガス発生設備)の負荷の変動に応じて、燃料電池10の一部(複数台の燃料電池ユニット10aのうちの一部)を一時的に運転停止及び再起動する場合に比べて、燃料電池10の稼働率を向上させることができ、プラント全体として発電コストの増大を抑制することができる。
幾つかの実施形態に係る二酸化炭素回収システム4の設置方法は、火力発電装置2からの排ガスが流れる第1排ガス流路6を設置するステップと、第1排ガス流路6上に燃料電池10のカソード12が配置されるように燃料電池10を設置するステップと、カソード12の上流側において第1排ガス流路6から分岐して第2排ガス流路8を設置するステップと、第2排ガス流路8に、二酸化炭素を吸収液に吸収させるための化学吸収塔120を設置するステップと、を備える。
図10〜図12に示す例示的な実施形態では、火力発電装置2は、ガスタービン100と、ガスタービン100からの排ガスの熱を回収するための排熱回収ボイラ110と、を含むガスタービン複合発電装置である。これらの実施形態では、二酸化炭素回収システム4は、排熱回収ボイラ110からの排ガスに含まれるCO2を回収するように構成される。
また、図13〜図15に示す例示的な実施形態では、火力発電装置2は、ガスタービン100を含む火力発電装置である。これらの実施形態では、二酸化炭素回収システム4は、ガスタービン100からの排ガスに含まれるCO2を回収するように構成される。
燃焼器104には、燃料貯留部222から燃料(天然ガス等)が供給されるようになっている。また、燃焼器104には圧縮機102で圧縮された空気が送り込まれるようになっており、この圧縮空気は、燃焼器104において燃料が燃焼する際の酸化剤としての役割を有する。
タービン106には回転シャフト103を介して発電機108が連結されており、タービン106の回転エネルギーによって発電機108が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン106で仕事を終えた燃焼ガスは、排ガスとしてタービン106から排出されるようになっている。
排熱回収ボイラ110のダクト内を流れて熱交換器を通過した排ガスは、ダクト出口を介して排熱回収ボイラから排出されるようになっている。
図10〜図15に示す例示的な実施形態に係る二酸化炭素回収システム4は、火力発電装置2又は排熱回収ボイラ110からの排ガスが流れるカソード入口側流路270と、カソード入口側流路270から分岐して設けられたバイパス流路278と、を含む。火力発電装置2又は排熱回収ボイラ110からの排ガスは、分岐点においてカソード入口側流路270とバイパス流路278とに分岐されて、燃料電池10のカソード12及び後述する化学吸収塔230のそれぞれに供給できるようになっている。
すなわち、第3の態様におけるカソード入口側流路270及びバイパス流路278は、第1及の態様における第1排ガス流路6及び第2排ガス流路8にそれぞれ相当する。
火力発電装置2からの排ガス中に含まれる二酸化炭素は、以下に説明するように、燃料電池10及びCO2リッチガスライン228を介して回収されるようになっている。
例えば、図10〜図15に示す例示的な実施形態では、燃料供給流路274に設けられた予備改質器224及び燃料電池10に設けられた改質部18において、燃料が改質されて水素(H2)が生成される。そして、このように燃料の改質により生成した水素がアノード入口側流路276を介してアノード16に供給されるようになっている。
この点、上述した二酸化炭素回収システム4では、アノード16の出口ガス由来のCO2リッチガスの一部をカソード12の入口側にリサイクルすることにより、比較的少ないリサイクルガス量であっても、カソード12の入口におけるCO2濃度を高めることができる。よって、燃料電池10の運転に適切なCO2濃度を得ることができる。また、カソード12の入口のCO2濃度が上昇することで、燃料電池10の起電力を増大させて、燃料電池10の発電効率を向上させることができる。
溶融炭酸塩型燃料電池は、約600℃〜700℃程度の高温で動作し、アノード16から流出するガスも同程度の高温を有する。よって、上述の熱交換器226によれば、燃料電池10で生じる反応熱を有効利用しながら燃料の改質反応を行うことができる。
そこで、幾つかの実施形態では、カソード12よりも上流側に設けた熱交換器280(図10〜図12参照)又は燃焼器(例えば後述する燃焼器250等;図11〜図14参照)により、カソード12に供給される排ガス(カソード12の入口ガス)を昇温させるようになっていてもよい。
このように、カソード12の入口ガスとカソード12の出口ガスとを熱交換する熱交換器280を用いることにより、燃料電池10で発生した熱エネルギーを有効活用しながら、燃料電池10の適正温度を維持して安定運転を行うことができる。
COシフト反応器220によってCOを変成させることにより、COシフト反応器220よりも下流側のCO2リッチガスライン228のCO2濃度を、COシフト反応器220の上流側に比べて高めることができる。これにより、より高純度の二酸化炭素を回収することができる。
ガス分離ユニット236は、該ガス分離ユニット236に供給されるCO2リッチガスからCO2を分離するように構成されていてもよい。ガス分離ユニット236によりCO2リッチガスからCO2を分離することにより、ガス分離ユニット236よりも下流側のCO2リッチガスライン228のCO2濃度を、ガス分離ユニット236の上流側に比べて高めることができる。これにより、より高純度の二酸化炭素を回収することができる。
幾つかの実施形態では、ガス分離ユニット236は、深冷分離法によってCO2リッチガスからCO2を分離するように構成されていてもよい。
また、図10〜図15に示すように、CO2リッチガスライン228において、ガス分離ユニット236の上流側には、CO2リッチガスを、ガス分離ユニット236で採用される分離手法に適した圧力に昇圧するための圧縮機234が設けられていてもよい。
例えば、図10〜図15に示す例示的な実施形態では、排ガスに含まれるCO2を吸収液に吸収させるための化学吸収塔230と、化学吸収塔230でCO2を吸収した吸収液からCO2を分離するように構成された再生塔232と、を用いて排ガスからCO2を回収するようになっている。
図12〜図15に示す実施形態では、排熱回収ボイラ110のダクト内を流れて熱交換器を通過した排ガスは、ダクト出口を介して排熱回収ボイラから排出され、化学吸収塔230に導かれるようになっている。
アミンを含む吸収液は、例えば、アルカノールアミン(例えばモノエタノールアミン等)の水溶液であってもよい。
燃焼器250には、CO2リッチガスライン228からリサイクルライン252を介してカソード12の入口側に戻されたCO2リッチガスが導入され、燃焼器250によって該CO2リッチガスが燃焼されるようになっている。
なお、燃焼器250で燃焼されたCO2リッチガスは、カソード入口側流路270を流れる排ガスと合流し、カソード12に供給される。
燃焼器250としてバーナを用いることにより、簡素な構成で、CO2リッチガス中に含まれる未燃成分を燃焼させて、カソード入口のCO2濃度をさらに上昇させることができる。
燃焼器250として酸化触媒を含む触媒反応器を用いることにより、CO2リッチガス中に含まれる未燃成分を燃焼させて、カソード入口のCO2濃度をさらに上昇させることができる。
この場合、燃焼器250で生じるH2の燃焼熱を利用して、カソード12に流入するカソード入口ガスの温度を効果的に高めることができる。これにより、燃料電池10の適正温度を維持して安定運転を行うことができる。
このように、リサイクルライン252を介してCOシフト反応器220の上流側のCO2リッチガスをカソード12の入口側に戻すことにより、COシフト反応器220で処理対象となるCO2リッチガスの量を低減することができる。これにより、COシフト反応にかかるコストを低減しながら、カソード入口におけるCO2濃度を高めることができる。
この場合、COシフト反応器220を通過後のより高濃度のCO2を含むCO2リッチガスがリサイクルライン252を介してカソード12の入口側に戻されるので、カソード入口のCO2濃度をより効果的に上昇させることができる。
この場合、分離膜237を通過後のさらに高濃度のCO2を含むCO2リッチガスがリサイクルライン252を介してカソード12の入口側に戻される。よって、カソード入口のCO2濃度をより効果的に上昇させることができる。
図16及び図17に示す例示的な実施形態では、火力発電装置2は、ガスタービン100と、ガスタービン100からの排ガスの熱を回収するための排熱回収ボイラ110と、を含むガスタービン複合発電装置である。これらの実施形態では、二酸化炭素回収システム4は、排熱回収ボイラ110からの排ガスに含まれるCO2を回収するように構成される。
また、図18及び図19に示す例示的な実施形態では、火力発電装置2は、ガスタービン100を含む火力発電装置である。これらの実施形態では、二酸化炭素回収システム4は、ガスタービン100からの排ガスに含まれるCO2を回収するように構成される。
燃焼器104には、燃料貯留部222から燃料(天然ガス等)が供給されるようになっている。また、燃焼器104には圧縮機102で圧縮された空気が送り込まれるようになっており、この圧縮空気は、燃焼器104において燃料が燃焼する際の酸化剤としての役割を有する。
タービン106には回転シャフト103を介して発電機108が連結されており、タービン106の回転エネルギーによって発電機108が駆動されて電力が生成されるようになっている。タービン106で仕事を終えた燃焼ガスは、排ガスとしてタービン106から排出されるようになっている。
排熱回収ボイラ110のダクト内を流れて熱交換器を通過した排ガスは、ダクト出口を介して排熱回収ボイラから排出されるようになっている。
図16、図8及び図19に示す例示的な実施形態に係る二酸化炭素回収システム4は、火力発電装置2又は排熱回収ボイラ110からの排ガスが流れるカソード入口側流路270と、カソード入口側流路270から分岐して設けられたバイパス流路278と、を含む。火力発電装置2又は排熱回収ボイラ110からの排ガスは、分岐点においてカソード入口側流路270とバイパス流路278とに分岐されて、燃料電池10のカソード12及び後述する化学吸収塔230のそれぞれに供給できるようになっている。
すなわち、第4の態様におけるカソード入口側流路270及びバイパス流路278は、第1の態様における第1排ガス流路6及び第2排ガス流路8にそれぞれ相当する。
例えば、図16〜図19に示す例示的な実施形態では、燃料供給流路274に設けられた予備改質器224及び燃料電池10に設けられた改質部18において、燃料が改質されて水素(H2)が生成される。そして、このように燃料の改質により生成した水素がアノード入口側流路276を介してアノード16に供給されるようになっている。
溶融炭酸塩型燃料電池は、約600℃〜700℃程度の高温で動作し、アノード16から流出するガスも同程度の高温を有する。よって、上述の熱交換器226によれば、燃料電池10で生じる反応熱を有効利用しながら燃料の改質反応を行うことができる。
そこで、幾つかの実施形態では、カソード12よりも上流側に設けた燃焼器19や熱交換器(364,280)等により、カソード12に供給される排ガス(カソード12の入口ガス)を昇温させるようになっていてもよい。
このように、カソード12の入口ガスとカソード12の出口ガスとを熱交換する熱交換器280を用いることにより、燃料電池10で発生した熱エネルギーを有効活用しながら、燃料電池10の適正温度を維持して安定運転を行うことができる。
このように、カソード12の入口ガスと、酸化反応ユニット354を通過後のCO2リッチガスとを熱交換する熱交換器364を用いることにより、酸化反応ユニット354で発生した反応熱を有効活用しながら、燃料電池10の適正温度を維持して安定運転を行うことができる。
酸素供給部350でCO2リッチガスに酸素を供給するとともに、酸化反応ユニット354でCO2リッチガス中のH2又はCOの少なくとも一方と酸素とを反応させることにより、腐食の原因となり得るH2又はCOの含有量を低減し、高純度の二酸化炭素を得ることができる。
酸化反応ユニット354では、CO2リッチガスに含まれるH2又はCOの酸化反応により、水(H2O)及び/又はCO2が生成される。よって、酸化反応ユニット354を通過後のCO2リッチガスは、酸化反応ユニット354の上流側に比べて、H2濃度及び/又はCO濃度は低く、CO2濃度は高い。
酸素製造装置352は、例えば、水の電気分解により酸素を製造するように構成されていてもよい。あるいは、酸素製造装置352は、空気から酸素を分離することにより酸素を製造するように構成されていてもよい。空気から酸素を分離する手法としては、例えば、空気に含まれる成分の沸点の違いを利用するASU(Air Separation Unit)方式、ゼオライト等の吸着剤を用いるPSA(Pressure Swing Adsorption)方式、又は、膜分離法等を用いることができる。
酸素供給部350から純酸素をCO2リッチガスライン228に供給することにより、酸化反応ユニット354により得られる二酸化炭素の純度をさらに向上させることができる。
CO2リッチガスラインへの酸素供給量が完全酸化当量以下に制限されることにより、酸化反応ユニット354における酸化反応において酸素の全量が消費されやすくなり、酸化反応ユニット354の下流側におけるCO2リッチガスの酸素含有量を低減することができる。これにより、酸化反応ユニット354の下流側における配管等の腐食を抑制することができる。
また、CO2リッチガスライン228において、分離器336の上流側には、アノード16の出口ガス(CO2リッチガス)を、分離器336で採用される分離手法に適した圧力に昇圧するための圧縮機234が設けられていてもよい。
このように生成された蒸気は様々な用途に適用することができ、例えば、圧縮機又は発電機に接続されたタービンを駆動するために該タービンに供給してもよく、燃料の改質に用いるために予備改質器224等に供給してもよい。あるいは、熱交換器362で生成された蒸気は、図16及び図19に示すように、以下に説明する化学吸収塔230で用いられる吸収液を再生するための再生塔232に供給されるようになっていてもよい。
例えば、図16、図18及び図19に示す例示的な実施形態では、排ガスに含まれるCO2を吸収液に吸収させるための化学吸収塔230と、化学吸収塔230でCO2を吸収した吸収液からCO2を分離するように構成された再生塔232と、を用いて排ガスからCO2を回収するようになっている。
図18及び図19に示す実施形態では、排熱回収ボイラ110のダクト内を流れて熱交換器を通過した排ガスは、ダクト出口を介して排熱回収ボイラから排出され、化学吸収塔230に導かれるようになっている。
ここで、上述したように、図16及び図19に示す実施形態では、吸収液を再生するための蒸気として、CO2リッチガスライン228において酸化反応ユニット354よりも下流側に設けられた熱交換器362で生成された蒸気が再生塔232に供給されるようになっている。また、図18に示す実施形態では、吸収液を再生するための蒸気として、排熱回収ボイラ240で生成された蒸気の少なくとも一部が再生塔232に供給されるようになっている。
アミンを含む吸収液は、例えば、アルカノールアミン(例えばモノエタノールアミン等)の水溶液であってもよい。
図20、図21、図24、及び図25に示す実施形態では、火力発電装置2は、ガスタービン100を含む。ガスタービン100は、基本的には第1の態様におけるガスタービンと同様の構成を有するが、
燃焼器104には、燃料貯留部222(図24及び図25において図示略)から燃料(天然ガス等)が供給されるようになっている。
図20〜図24に示す例示的な実施形態に係る二酸化炭素回収システム4は、火力発電装置2からの排ガスが流れるカソード入口側流路410と、カソード入口側流路410から分岐して設けられたバイパス流路420と、を含む。火力発電装置2からの排ガスは、分岐点においてカソード入口側流路410とバイパス流路428とに分岐されて、燃料電池10のカソード12及び後述する排熱回収ボイラ240又は化学吸収塔230のそれぞれに供給できるようになっている。
すなわち、第5の態様におけるカソード入口側流路410及びバイパス流路428は、第1の態様における第1排ガス流路6及び第2排ガス流路8にそれぞれ相当する。
二酸化炭素分離ユニット405で分離されたCO2は、例えば圧縮機409(図24及び図25において図示略)で圧縮されて、回収されるようになっている。
例えば、図20〜図23に示す例示的な実施形態では、燃料供給流路418に設けられた予備改質器224及び燃料電池10に設けられた改質部18において、燃料が改質されて水素(H2)が生成される。そして、このように燃料の改質により生成した水素がアノード入口側流路414を介してアノード16に供給されるようになっている。
あるいは、幾つかの実施形態では、分離器336は、深冷分離法によってアノード16の出口ガスからCO2を分離するように構成されていてもよい。
また、アノード出口側流路416において、分離器336の上流側には、アノード16の出口ガスを、分離器336で採用される分離手法に適した圧力に昇圧するための圧縮機234が設けられていてもよい。
溶融炭酸塩型燃料電池は、約600℃〜700℃程度の高温で動作し、アノード16から流出するガスも同程度の高温を有する。よって、上述の熱交換器226によれば、燃料電池10で生じる反応熱を有効利用しながら燃料の改質反応を行うことができる。
アミンを含む吸収液は、例えば、アルカノールアミン(例えばモノエタノールアミン等)の水溶液であってもよい。
そして、図20に示すように、排熱回収ボイラ240を経由して化学吸収塔230に導かれる排ガスは、カソード12の出口ガスであってもよく、又は、バイパス流路420から導かれる排ガスであってもよく、あるいは、これらの両方であってもよい。
図20〜図24に示すように、流量調節部438は、カソード入口側流路410とバイパス流路(420,421)との分岐点の下流側に設けられていてもよい。また、流量調節部438は、図24に示すように、排熱回収ボイラ240のダクト53内に設けられていてもよい。
流量調節部438は、カソード入口側流路410、バイパス流路(420,421)、又は排熱回収ボイラ240のダクト53内に設けられたダンパであってもよい。
排熱回収ボイラ240は、カソード入口側流路410及び/又はバイパス流路420に接続されるダクト53を有し、ダクト53の内部を排ガスが流通するようになっている。
そして、隔壁52よりも下流側において、燃料電池10のカソード12を経由した第1部分56からの排ガスと、カソード12を経由せずにバイパスした第2部分58からの排ガスとが合流するようになっている。
なお、上述の熱交換器(68、70a〜70f、72a〜72f、74a〜74b)は、例えば、節炭器、蒸発器、過熱器、又は再熱器等であってもよい。
例えば、図24及び図25に示す実施形態では、ダクト53内において燃料電池10のカソード12よりも下流側に設けられた熱交換器のうち少なくとも1つが第1熱交換器406である。図24に示す実施形態では、カソード12よりも下流側に設けられた熱交換器(68、70a〜70e、72a〜72e、74a〜74b)のうち少なくとも1つが第1熱交換器406である。また、図25に示す実施形態では、カソード12よりも下流側に設けられた熱交換器(68、70a〜70c、70e、72a〜72c、72e、74a〜74b)のうち少なくとも1つが第1熱交換器406である。
例えば、図24及び図25に示す実施形態では、低圧蒸気が流れる低圧蒸気流路73から分岐して蒸気供給ライン442が設けられている。そして、第1熱交換器406としての熱交換器(68、70a〜70f、72a〜72f、74a〜74b)で生成された蒸気が、蒸気供給ライン442を介して上述の再生塔232に(二酸化炭素分離ユニット405)に供給されるようになっている。
このように、蒸気タービン(高圧タービン60、中圧タービン62、又は低圧タービン64)を駆動後のタービン駆動用蒸気を二酸化炭素分離ユニット405に供給してCO2分離に利用することで、プラント全体としてエネルギーを有効活用することができる。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
2 火力発電装置
4 二酸化炭素回収システム
5 制御部
6 第1排ガス流路
7 流量調節部
8 第2排ガス流路
9 排出ライン
10 燃料電池
10a 燃料電池ユニット
12 カソード
12a カソード入口
12b カソード出口
14 電解質
15 アノード入口側流路
16 アノード
17 アノード出口側流路
18 改質部
19 燃焼器
20 燃料貯留部
22 燃料供給流路
24 燃焼器
26 予備改質器
28 熱交換器
30 CO変成器
32 冷却器
34 圧縮機
36 分離器
40 コンプレッサ
42 蒸気タービン
44 排熱回収ボイラ
44A 第1排熱回収ボイラ
44B 第2排熱回収ボイラ
46 煙突
48 化学吸収塔
48a 出口
50 再生塔
51 蒸気供給路
52 隔壁
53 ダクト
54 煙道
55 ダクト壁
56 第1部分
58 第2部分
60 高圧タービン
61 発電機
62 中圧タービン
63 発電機
64 低圧タービン
65 発電機
66 復水器
68 熱交換器
69 高圧蒸気流路
70a〜70f 熱交換器
71 中圧蒸気流路
72a〜72f 熱交換器
73 低圧蒸気流路
74a,74b 熱交換器
76 伝熱管
80 再生熱交換器
82 熱交換器
84 第2熱交換器
86 熱交換器
90 流路
92 第3蒸気供給ライン
94 第4蒸気供給ライン
96 蒸気供給ライン
98 流路
100 ガスタービン
102 圧縮機
103 回転シャフト
104 燃焼器
106 タービン
108 発電機
110 排熱回収ボイラ
112 蒸気タービン
114 発電機
120 化学吸収塔
120a 出口
122 吸収液再生塔
124 熱交換器
126 煙突
128 燃料貯留部
130 燃焼器
132 予備改質器
134 熱交換器
136 圧縮機
138 分離器
140 圧縮機
142 脱硫装置
144 除塵装置
146 アノード入口側流路
148 アノード出口側流路
150 燃料供給流路
152 燃料供給流路
209 圧縮機
220 COシフト反応器
222 燃料貯留部
224 予備改質器
226 熱交換器
228 CO2リッチガスライン
230 化学吸収塔
230a 出口
232 再生塔
233 排出ライン
234 圧縮機
236 ガス分離ユニット
237 分離膜
239 煙突
240 排熱回収ボイラ
242 蒸気タービン
244 発電機
250 燃焼器
252 リサイクルライン
254 H2リッチガスライン
270 カソード入口側流路
272 カソード出口側流路
274 燃料供給流路
276 アノード入口側流路
278 バイパス流路
280 熱交換器
336 分離器
337 CO2分離膜
350 酸素供給部
352 酸素製造装置
354 酸化反応ユニット
356 流量調節弁
358 濃度センサ
360 コントローラ
362 熱交換器
364 熱交換器
404 燃料電池ユニット
405 二酸化炭素分離ユニット
406 第1熱交換器
407 第1蒸気供給ライン
408 第2蒸気供給ライン
409 圧縮機
438 流量調節部
442 蒸気供給ライン
410 カソード入口側流路
412 カソード出口側流路
414 アノード入口側流路
416 アノード出口側流路
418 燃料供給流路
420 バイパス流路
421 バイパス流路
Claims (29)
- 燃焼装置を含む設備で発生した排ガスから二酸化炭素を回収するためのシステムであって、
前記二酸化炭素を含む前記排ガスが流れる第1排ガス流路と、
アノードと、前記第1排ガス流路上に設けられて前記第1排ガス流路からの前記排ガスが供給されるカソードと、前記第1排ガス流路からの前記排ガス中に含まれる二酸化炭素由来の炭酸イオンを前記カソードから前記アノードに移動させるように構成された電解質と、を含む燃料電池と、
前記カソードをバイパスするように、前記カソードの上流側において前記第1排ガス流路から分岐して設けられる第2排ガス流路と、を備え、
前記排ガスの一部を前記第2排ガス流路に導くように構成された二酸化炭素回収システム。 - 前記燃料電池の定格運転時における前記排ガスの処理流量は、前記設備の定格運転時における前記排ガスの全流量よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素回収システム。
- 前記燃料電池の定格運転時における前記排ガスの処理流量FFC_RATEDは、前記燃焼装置を含む前記設備の30%負荷での運転時における前記排ガスの全流量をF* minとし、前記設備の80%負荷での運転時における前記排ガスの全流量をF* maxとしたとき、
F* min≦FFC_RATED≦F* max
の関係を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の二酸化炭素回収システム。 - 前記第1排ガス流路を介して前記カソードに供給される前記排ガスの第1流量を調節するための流量調節部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
- 前記流量調節部を制御するための制御部を備え、
前記制御部は、前記燃焼装置を含む前記設備の少なくとも一部の負荷範囲において、前記設備の負荷の大きさによらず、前記第1流量が前記燃料電池の定格流量で一定となるよう前記流量調節部を制御するように構成されたことを特徴とする請求項4に記載の二酸化炭素回収システム。 - 前記流量調節部は、前記第1排ガス流路又は前記第2排ガス流路に設けられたダンパを含み、
前記第1排ガス流路及び前記第2排ガス流路は、少なくとも前記ダンパの設置位置の上流側において、互いに独立して設けられることを特徴とする請求項4又は5に記載の二酸化炭素回収システム。 - 前記燃料電池の前記カソードは、前記設備としてのガスタービンの下流側、且つ、前記ガスタービンの排熱を回収するための第1排熱回収ボイラの上流側に設けられ、
前記第2排ガス流路は、前記カソードをバイパスして、前記ガスタービンの排熱を回収するための第2排熱回収ボイラに接続され、
少なくとも前記ガスタービンの定格運転時において、前記ガスタービンの排ガスの一部を前記第2排ガス流路を介して前記第2排熱回収ボイラに導くように構成されたことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。 - 前記第2排熱回収ボイラの下流側において前記第2排ガス流路上に設けられ、前記第2排熱回収ボイラからの前記排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるための化学吸収塔をさらに備え、
前記第1排ガス流路及び前記第2排ガス流路は、前記第1排ガス流路を流れる前記排ガスが、前記第1排熱回収ボイラの下流側において、前記第2排熱回収ボイラから前記化学吸収塔へと前記第2排ガス流路を流れる前記排ガスと混合しないように、互いに独立して設けられることを特徴とする請求項7に記載の二酸化炭素回収システム。 - 前記第1排熱回収ボイラ内において最も上流側に位置する第1熱交換器は、前記第2排熱回収ボイラ内において最も上流側に位置する第2熱交換器よりも高温の熱媒体を熱交換により得るように構成されたことを特徴とする請求項7又は8に記載の二酸化炭素回収システム。
- 前記第1排ガス流路を介して前記カソードに供給される前記排ガスの第1流量を調節するための流量調節部を備え、
前記第1排熱回収ボイラおよび前記第2排熱回収ボイラは、
共通の煙道と、
前記共通の煙道のうち少なくとも上流側領域を、前記第1排ガス流路を少なくとも部分的に形成する第1部分と、前記第2排ガス流路を少なくとも部分的に形成する第2部分とに隔てるように前記共通の煙道内に設けられる隔壁と、
を含み、
前記流量調節部は、前記共通の煙道のうち前記第1部分又は前記第2部分の何れかに設けられるダンパを含むことを特徴とする請求項7乃至9の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。 - 前記第2排ガス流路上に設けられ、前記第2排ガス流路を流れる前記排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるための化学吸収塔と、
前記第1排熱回収ボイラ又は前記第2排熱回収ボイラにおいて前記排ガスから回収した熱エネルギーを利用して生成した蒸気により、前記吸収液を加熱して再生するように構成された再生塔と、
をさらに備えることを特徴とする請求項7乃至10の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。 - 少なくとも前記燃料電池により前記アノード側に回収された前記二酸化炭素を圧縮するためのコンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動するための蒸気タービンをさらに備え、
前記蒸気タービンは、前記第1排熱回収ボイラ又は前記第2排熱回収ボイラにおいて前記排ガスから回収した熱エネルギーを利用して生成した蒸気により駆動されるように構成されたことを特徴とする請求項7乃至11の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。 - 前記第2排ガス流路に設けられ、前記第2排ガス流路から供給される前記排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるための化学吸収塔をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
- 前記吸収液は、アミンを含むことを特徴とする請求項13に記載の二酸化炭素回収システム。
- 前記第1排ガス流路における前記カソードの入口側の前記排ガスと、前記第1排ガス流路における前記カソードの出口側の前記排ガスと、を熱交換するための熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至14の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
- 前記第1排ガス流路からの前記第2排ガス流路の分岐点の上流側において前記第1排ガス流路に設けられ、前記排ガスに含まれる硫黄分を除去するように構成された脱硫装置をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至15の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
- 前記第1排ガス流路からの前記第2排ガス流路の分岐点の下流側且つ前記カソードの上流側において前記第1排ガス流路に設けられ、前記カソードに供給される前記排ガス中の煤塵を除去するための除塵装置をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至16の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システム。
- 燃焼装置を含む設備である火力発電装置と、
前記火力発電装置からの排ガスに含まれる二酸化炭素を回収するように構成された請求項1乃至17の何れか一項に記載の二酸化炭素回収システムと、
を備えることを特徴とする火力発電設備。 - 燃焼装置を含む設備で発生した排ガスから二酸化炭素を回収するための方法であって、
前記二酸化炭素を含む前記排ガスを燃料電池のカソードに供給するステップと、
前記燃料電池の電解質内において、前記排ガス中の前記二酸化炭素由来の炭酸イオンを前記カソードから前記燃料電池のアノードに移動させるステップと、
前記設備の前記排ガスの一部が前記カソードをバイパスするように前記排ガスの前記一部を導くステップと、
を備えることを特徴とする二酸化炭素回収方法。 - 前記燃料電池の定格運転時における前記排ガスの処理流量は、前記設備の定格運転時における前記排ガスの全流量よりも小さいことを特徴とする請求項19に記載の二酸化炭素回収方法。
- 前記燃料電池の定格運転時における前記排ガスの処理流量FFC_RATEDは、前記設備としての火力発電装置の30%負荷での運転時における前記排ガスの全流量をF* minとし、前記火力発電装置の80%負荷での運転時における前記排ガスの全流量をF* maxとしたとき、
F* min≦FFC_RATED≦F* max
の関係を満たすことを特徴とする請求項19又は20に記載の二酸化炭素回収方法。 - 前記設備の少なくとも一部の負荷範囲において、前記設備の負荷の大きさによらず、前記カソードに供給される前記排ガスの第1流量を前記燃料電池の定格流量で一定となるように維持するステップをさらに備えることを特徴とする請求項19乃至21の何れか一項に記載の二酸化炭素回収方法。
- 前記設備としてのガスタービンからの排ガスのうち前記燃料電池の前記カソードを通過した第1排ガスを第1排熱回収ボイラに導き、該第1排熱回収ボイラにおいて排熱を回収するステップと、
少なくとも前記ガスタービンの定格運転時において、前記ガスタービンの前記排ガスのうち前記カソードをバイパスした第2排ガスを第2排熱回収ボイラに導き、該第2排熱回収ボイラにおいて排熱を回収するステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項19乃至22の何れか一項に記載の二酸化炭素回収方法。 - 前記第2排熱回収ボイラからの前記第2排ガスを化学吸収塔に導き、該化学吸収塔において前記第2排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させるステップをさらに備え、
前記化学吸収塔に導かれる前記第2排ガスに前記第1排ガスが混合しないように、前記第1排ガス及び前記第2排ガスを、それぞれ、互いに独立して設けられた第1排ガス流路及び第2排ガス流路により導くことを特徴とする請求項23に記載の二酸化炭素回収方法。 - 前記二酸化炭素を含む前記排ガスの一部を前記燃料電池の前記カソードに供給するステップと、
前記排ガスの残部を化学吸収塔に導くステップと、
前記化学吸収塔において、前記排ガス中の前記二酸化炭素を吸収液に吸収させるステップと、
を備えることを特徴とする請求項19乃至22の何れか一項に記載の二酸化炭素回収方法。 - 前記吸収液は、アミンを含むことを特徴とする請求項25に記載の二酸化炭素回収方法。
- 前記カソードの入口側の前記排ガスと、前記カソードの出口側の前記排ガスとを熱交換するステップをさらに備えることを特徴とする請求項19乃至26の何れか一項に記載の二酸化炭素回収方法。
- 前記排ガスの一部と前記排ガスの残部とに前記排ガスを分流するステップと、
分流前における前記排ガスに含まれる硫黄分を除去するステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項19乃至27の何れか一項に記載の二酸化炭素回収方法。 - 前記カソードの上流側において、前記カソードに供給される前記排ガスの前記一部に含まれる煤塵を除去するステップをさらに備えることを特徴とする請求項19乃至28の何れか一項に記載の二酸化炭素回収方法。
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