JP2010235395A - 二酸化炭素回収装置および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、吸収液の再生に外部から供給する熱エネルギーの低減が可能な二酸化炭素回収装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の二酸化炭素回収装置は、排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を解離させて吸収液を再生する再生塔とを備え、吸収塔と再生塔との間で吸収液を循環する配管系統と、二酸化炭素を含むガスを再生塔から吸入して圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出したガスを吸収液と熱交換する熱交換器と、熱交換器でガスを冷却して生じた凝縮水を分離する分離器を備え、再生塔が保有する吸収液を再生塔から熱交換器に供給する第１の配管経路を備え、熱交換器で二酸化炭素を含むガスとの熱交換で加熱された吸収液を熱交換器から再生塔に戻す第２の配管経路を備え、分離器で分離した凝縮水を分離器から再生塔に戻す第３の配管経路を備えた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素回収装置および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムに関する。

地球温暖化防止の観点から、二酸化炭素排出量の削減が国際的に求められている。化石燃料の燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を分離、回収することは、二酸化炭素排出量の削減のための有効な手段の一つである。

特開２００５−２５４２１２号公報には、二酸化炭素を含んだ燃焼排ガスと二酸化炭素の吸収液を気液接触させ、二酸化炭素を吸収液中に化学吸収して燃焼排ガスから分離する手段が開示されている。ここでは、吸収液としてアミン系溶液が提案されており、二酸化炭素を吸収した吸収液を再生塔で加熱し、二酸化炭素を吸収液から放散させて分離回収する技術が開示されている。

前記特開２００５−２５４２１２号公報に記載された技術では、吸収液中に吸収した二酸化炭素を吸収液から解離させて除去する（吸収液の再生）には、吸収液を１２０℃前後に加熱する必要がある。

一方、特開２００８−２９９７６号公報には、二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を放散させて吸収液を再生する再生塔内部を真空引き装置で吸引して低圧状態とし、５５℃から７０℃という比較的低温な条件で吸収液を再生する技術が開示されている。

特開２００５−２５４２１２号公報 特開２００８−２９９７６号公報

再生塔で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を解離させて除去して吸収液を再生する（再生）には、二酸化炭素の解離反応に必要な化学反応のエネルギーだけでなく、吸収液と水蒸気を気液接触させて二酸化炭素の解離を促進させるための、水蒸気の生成エネルギーが必要になり、トータルでは化学反応で必要なエネルギーの２倍以上の熱エネルギーが必要となる。

前記特開２００５−２５４２１２号公報、及び特開２００８−２９９７６号公報に記載された技術では、必要な温度レベルの差異はあるものの、大量の熱エネルギーを必要としていることから、火力発電システムの二酸化炭素除去装置として前記構成の再生塔を使用した場合、火力発電システムの熱エネルギーを消費して利用できる排熱が減少するため、火力発電システムの発電効率が低下する要因となる。

本発明の目的は、吸収液の再生に使用する熱エネルギーとして外部から供給する熱エネルギーの低減が可能な二酸化炭素回収装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、吸収液の再生に使用する熱エネルギーを外部から供給する二酸化炭素回収装置を備えた場合でも発電システムの発電効率低下の抑制が可能な二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムを提供することにある。

本発明の二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素を含む排ガスと二酸化炭素の吸収液を気液接触させて排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を解離させてこの吸収液を再生する再生塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液を該吸収塔から再生塔に供給すると共に前記再生塔で再生した吸収液を該再生塔から該吸収塔に供給するように前記吸収液を循環させる配管系統を有する二酸化炭素回収装置において、前記再生塔で解離した二酸化炭素を含むガスを該再生塔から吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した二酸化炭素を含むガスを吸収液と熱交換する熱交換器と、前記熱交換器で二酸化炭素を含むガスを吸収液で冷却して生じた凝縮水を分離する分離器を備え、前記再生塔が保有する吸収液を該再生塔から前記熱交換器に供給する第１の配管経路を備えて該熱交換器にて二酸化炭素を含むガスと熱交換させ、前記熱交換器で二酸化炭素を含むガスとの熱交換で加熱された吸収液を該熱交換器から前記再生塔に戻す第２の配管経路を備え、前記分離器で分離した凝縮水を該分離器から前記再生塔に戻す第３の配管経路を備えていることを特徴とする。

また、本発明の二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムは、二酸化炭素を含む排ガスと二酸化炭素の吸収液を気液接触させて排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を解離させてこの吸収液を再生する再生塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液を該吸収塔から再生塔に供給すると共に前記再生塔で再生した吸収液を該再生塔から該吸収塔に供給するように前記吸収液を循環させる配管系統を有する二酸化炭素回収装置は、前記再生塔で解離した二酸化炭素を含むガスを該再生塔から吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した二酸化炭素を含むガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器で二酸化炭素を含むガスを冷却して生じた凝縮水を分離する分離器を備え、前記再生塔が保有する吸収液を該再生塔から前記熱交換器に供給する第１の配管経路を備えて該熱交換器にて二酸化炭素を含むガスと熱交換させ、前記熱交換器で二酸化炭素を含むガスとの熱交換で加熱された吸収液を該熱交換器から前記再生塔に戻す第２の配管経路を備え、前記分離器で分離した凝縮水を該分離器から前記再生塔に戻す第３の配管経路を備えることによって構成し、
二酸化炭素を含む排ガスと二酸化炭素の吸収液を気液接触させて排ガス中の二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記吸収液から二酸化炭素を解離させてこの吸収液を再生する再生塔と、前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液を再生塔に供給すると共に該再生塔で再生した吸収液を該吸収塔に供給して吸収液を循環させる配管系統を有する火力発電システムは、圧縮機と、圧縮機で圧縮した空気と燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成した燃焼ガスで駆動されるタービンと、タービンによって駆動されて発電する発電機と、タービンを駆動して該タービンから排出された排ガスから熱を回収して蒸気を生成する排熱回収ボイラとを備え、前記排熱回収ボイラから前記二酸化炭素回収装置に導く二酸化炭素を含む排ガスを冷却する冷却器をこの前記二酸化炭素回収装置の入口に配設したことを特徴とする。

本発明によれば、二酸化炭素を含む燃焼排ガスから二酸化炭素を分離回収する場合に、吸収液の再生に使用する熱エネルギーとして外部から供給する熱エネルギーの低減が可能な二酸化炭素回収装置が実現できる。

また、本発明によれば、吸収液の再生に使用する熱エネルギーを外部から供給する二酸化炭素回収装置を備えた場合でも、発電システムの発電効率低下の抑制が可能な二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムが実現できる。

本発明の一実施例による二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムを示す概略系統図。 図１に示した本発明の一実施例の二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムにおける二酸化炭素回収装置の再生塔における各種状態量の状況図。 本発明の一実施例による二酸化炭素回収装置の圧縮機における各種状態量の状況図。 本発明の一実施例による二酸化炭素回収装置の吸収液再加熱器における各種状態量の状況図。 本発明の一実施例による二酸化炭素回収装置の各機器における各種状態量の状況図。 本発明の他の実施例による二酸化炭素回収装置を示す概略系統図。 図６に示した本発明の他の実施例の二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムにおける二酸化炭素回収装置の各機器における各種状態量の状況図。 本発明の更に他の実施例の二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムにおける二酸化炭素回収装置を示す概略系統図。

次に本発明の実施例である二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムについて図面を参照して以下に説明する。

本発明の一実施例である二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムについて図１を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例である二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムの概略系統図である。本実施例の火力発電システムは、ガスタービン装置と蒸気タービン装置を組み合わせたコンバインドサイクルである。

ガスタービン装置は、空気３を圧縮して吐出する圧縮機２と、圧縮機２から吐出した空気と燃料（図示せず）とを混合燃焼する燃焼器４と、燃焼器４での燃焼で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービン１が主要な機器である。圧縮機２とタービン１の軸は図示しない減速機を介してタービン１によって回転する発電機２１に接続されており、発電機２１で発電した電力を系統に送電可能となっている。

タービン１の排ガス５は、排ガスダクトを経由して排熱回収蒸気発生器１２に熱源として導かれ、排熱回収蒸気発生器１２にて排ガスとの熱交換によって発生した蒸気は、配管６を経由して蒸気タービン１３に供給され、この蒸気タービン１３を駆動する。

蒸気タービン１３は発電機２２を回転して発電し、発電機２２で発電した電力を系統に送電可能となっている。また、蒸気タービン１３から排出された蒸気は復水器１４で冷却して復水となり、復水ポンプ１５によって昇圧した復水が配管７を通じて排熱回収蒸気発生器１２に戻る構成となっている。

一方、排熱回収蒸気発生器１２から排出される排ガス５は、排ガスダクト５３を経由して排熱回収蒸気発生器１２の下流側に設置された二酸化炭素回収装置１０に導かれる構成となっている。

本実施例の火力発電システムに備えられた二酸化炭素回収装置１０の主要構成要素は、二酸化炭素の吸収液である炭酸カリウム水溶液（以下、吸収液と称する）とタービン１から排出され排熱回収蒸気発生器１２を経由して排ガスダクト５３を通じて供給された排ガス５とを気液接触させて排ガス５に含まれた二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔８１と、この吸収塔８１の下流側で前記吸収塔８１にて排ガス５中の二酸化炭素を吸収した吸収液（以下、リッチ溶液と称する）と配管３８を通じて供給された水蒸気とを気液接触させて吸収液に吸収された二酸化炭素を解離させる再生塔８２が設置されている。

前記再生塔８２にて吸収液から解離した二酸化炭素と水蒸気の混合ガス（以下、ＣＯ２リッチガス）は配管３２を通じて該再生塔８２から吸引され、前記ＣＯ２リッチガスを圧縮する複数の圧縮機６０ａ、６０ｂに供給される。

これらの圧縮機６０ａ、６０ｂで圧縮されたＣＯ２リッチガスは配管３３ａ、３３ｂを通じて吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂに順次供給され、前記吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂでの熱交換によって冷却される。

前記吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂを経たＣＯ２リッチガスはＣＯ２リッチガスをさらに低温まで冷却する冷却器８５ｃで冷却される。

吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂ及び冷却器８５ｃによる冷却によってＣＯ２リッチガスに含まれた湿分は凝縮する。そこで、前記吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂ及び冷却器８５ｃで凝縮した凝縮水を含んだＣＯ２リッチガスは、吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂ及び冷却器８５ｃの下流側にそれぞれ設置した分離器６１ａ、６１ｂ、６１ｃに供給して、凝縮水をＣＯ２リッチガスから分離させる。

前記分離器６１ａ、６１ｂ、でＣＯ２リッチガスから分離した凝縮水は配管３６ａ、３６ｂを通じて集められ、配管３８に合流して再生塔８２に供給される。

また、前記分離器６１ｃでＣＯ２リッチガスから分離した凝縮水は、配管３６ｃを通じて流下し、配管３７ｂを経由して配管３８に合流して再生塔８２に供給されるものと、配管３７ｃを経由して冷却器８５ａを経てから配管３８に合流して再生塔８２に供給されるものとに分かれる。

前記吸収塔８１の上流側の排ガスダクト５３は、タービン１から排出され排熱回収蒸気発生器１２を経由した排ガス５を流下させて吸収塔８１に供給するが、前記排ガスダクト５３には吸収塔８１に供給される排ガス５を冷却する冷却器８５ａが設置されている。

また、前記吸収塔８１の下流側に設置された前記再生塔８２にて二酸化炭素を放出させた後の吸収液（以下、リーン溶液と称する）を前記吸収塔８１に供給する配管３０には、該リーン溶液を冷却する冷却器８５ｂが設置されている。

吸収塔８１は、上部空間に散布ノズル（図示せず）が設置され、吸収塔８１の内部を流動する排ガス５に対して吸収液を散布可能な構造となっている。吸収塔８１は、内蔵する充填物の表面で排ガス５と吸収液を気液接触させることにより、排ガス５中の二酸化炭素を吸収液中に吸収する機能を有する。

吸収塔８１の下部は、吸収液を貯蔵可能な容器となっており、この容器部分はポンプ９２を備えた配管３１によって前記吸収塔８１の下流側に設置された再生塔８２の充填物の上部の散布ノズル（図示せず）に接続され、前記吸収塔８１の下部に貯蔵された吸収液を配管３１を通じて再生塔８２に供給している。吸収塔８１の上部空間は、排ガスダクト５４によりスタック（図示せず）に接続されている。

再生塔８２には、充填物が内蔵されており、充填物の表面でリッチ溶液と水蒸気を気液接触させることにより、リッチ溶液中の二酸化炭素を解離させる機能を有している。

再生塔８２の下部空間は、ポンプ９０と冷却器８５ｂとを直列に配置した配管３０が接続されており、冷却器８５ｂの下流側となる配管３０によって吸収塔８１の上部空間の散布ノズル（図示せず）に接続され、前記再生塔８２の下部に貯蔵されたリッチ溶液を配管３０を通じて吸収塔８１に供給している。

さらに、再生塔８２の下部空間は、配管によりポンプ９１を備えた配管に接続され、該ポンプ９１の出口配管は、並列に配設された配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃに分岐され、それぞれの配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃは吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂ、冷却器８５ｄの被加熱側流体流路にそれぞれ接続されている。

さらに、冷却器８５ｄの下流側の配管３７ｃは前記冷却器８５ａに接続されており、また、前記吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂ、冷却器８５ａの被加熱側流体流路の各出口配管は配管３８にそれぞれ接続されて合流し、この配管３８は再生塔８２の下部空間に接続された構成となっている。

次に図１を用いて、本実施例による二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムの動作を説明する。

図１において、吸気ダクト３から吸い込まれた空気は、図示しない吸気フィルタによって煤塵などを除去されたあと、圧縮機２によって圧縮される。圧縮機２から吐出される圧縮空気は、燃焼器４に供給される。

燃焼器４では、燃料とともに空気を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。この高温の燃焼ガスは、タービン１に供給され、このタービン１の内部の図示しない静翼と動翼とを通過することにより、ブレイトンサイクルの膨張過程を経て、熱エネルギーが回転運動エネルギーに変換される。

前記回転運動エネルギーは、タービン１の軸に連結された圧縮機２を駆動することに消費されるとともに、発電機２１を駆動することにより、電気エネルギーとして取り出される。

タービン１を駆動して該タービン１から排出された排ガス５は、排熱回収ボイラ１２に流入し、該排熱回収ボイラ１２にて復水器１４から配管７を経由して供給された復水を加熱することにより水蒸気を発生する。

排熱回収ボイラ１２で発生した水蒸気は、配管６により蒸気タービン１３に供給され、蒸気タービン１３を回転させ、発電機２２により電気エネルギーとして取り出される。

蒸気タービン１３を経た水蒸気は、復水器１４で凝縮して復水となり、復水ポンプ１５により配管７を経由して排熱回収ボイラ１２に給水として供給される。

一方、排熱回収ボイラ１２によって熱を回収された排ガス５は、約１００℃まで温度低下し、排熱回収ボイラ１２から排ガスダクト５３を経由して二酸化炭素回収装置１０の冷却器８５ａに流入する。

冷却器８５ａでは、リッチ溶液と排ガス５との熱交換によって排ガス５が約５０℃まで冷却されるとともに、被加熱側流体であるリッチ溶液が約８０℃まで加熱される。

冷却器８５ａで約５０℃まで冷却された排ガス５は、二酸化炭素回収装置１０を構成する吸収塔８１に導入され、塔内の充填物表面で上方の散布ノズルから散布される温度約５０℃の吸収液と気液接触する。吸収塔８１の内部圧力は大気圧に近く約１００ｋＰａである。

本実施例の二酸化炭素回収装置１０では、吸収塔８１で排ガス５中の二酸化炭素を吸収する吸収液として炭酸カリウム水溶液を想定しており、排ガス５に含まれる約３体積パーセントの二酸化炭素は、大部分が吸収液に吸収される。この吸収液によって二酸化炭素が吸収されて除去された排ガス５は、吸収塔８１から排ガスダクト５４を通じて流下し、スタック（図示せず）を経由して大気中に排出される。

吸収塔８１の下部容器に収集された吸収液（リッチ溶液）は、排ガス５中の二酸化炭素を吸収する際の反応熱により温度が約６０℃となり、ポンプ９２で昇圧されて配管３１を経由して吸収塔８１の下流側に設置された再生塔８２の充填物の上方空間に供給される。

再生塔８２は、該再生塔８２と配管３２を通じて連通した圧縮機６０ａの作用により、大気圧よりも低い約３０ｋＰａに調整されている。再生塔８２では、容器の下部に収集されたリーン溶液の一部が、ポンプ９１で昇圧されて配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃを通じて吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂ、冷却器８５ｄと冷却器８５ａにそれぞれ供給されている。

吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂには圧縮機６０ａ、６０ｂから高温のＣＯ２リッチガスが配管３３ａ、３３ｂを通じてそれぞれ供給されるので、前記吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂでは、圧縮機６０ａ、６０ｂから吐出される高温のＣＯ２リッチガスとリーン溶液との熱交換により、リーン溶液は約８０℃まで加熱される。

配管３７ｃに配設された冷却器８５ｄでは、配管３７ｃを流れるリーン溶液は冷却水により４０℃まで冷却されるが、該冷却器８５ｄの下流側に配設された冷却器８５ａで排ガス５と熱交換して前記リーン溶液は約８０℃まで加熱される。

吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂ、および冷却器８５ａで約８０℃まで加熱されたリーン溶液は、配管３８で合流してから再生塔８２の下部に戻される。

この時、再生塔８２の圧力に対応する水蒸気の飽和温度は約７０℃であり、配管３８から戻されるリーン溶液の一部は再生塔８２の内部で蒸発し、蒸発した蒸気は再生塔８２の内部を上向きに流れ、上方から落下するリッチ溶液と充填物の表面で気液接触する。

この気液接触によってリッチ溶液は加熱され、リッチ溶液に吸収された二酸化炭素が解離するための熱エネルギーとなり、再生塔８２内部で二酸化炭素が解離される。

二酸化炭素が解離したリッチ溶液はリーン溶液に変化して再生塔８２の下部に収集される。再生塔８２の下部に収集されたリーン溶液の一部は、再びポンプ９１によって昇圧され、配管３７ａ、３７ｂを通じて吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂに供給され、配管３７ｄを通じて冷却器８５ｄと冷却器８５ａに供給される。

一方、再生塔８２の下部に収集されたリーン溶液の別の一部は、ポンプ９０によって昇圧され、配管３０を通じて冷却器８５ｂに供給され、冷却水と熱交換して約５０℃に冷却される。そして５０℃に冷却されたリーン溶液は、配管３０を通じて吸収塔８１の上部空間の散布ノズルに供給され、再び排ガス５中の二酸化炭素を吸収して二酸化炭素と水蒸気が混合したＣＯ２リッチガスとなる。

再生塔８２の上部に到達した、二酸化炭素と水蒸気を主成分とするＣＯ２リッチガスは、配管３２を通じて供給された圧縮機６０ａによって圧力３０ｋＰａから約１７０ｋＰａまで昇圧する一方、温度は約６０℃から約１９０℃まで昇温する。

約１９０℃のＣＯ２リッチガスは、圧縮機６０ａから配管３３ａを通じて吸収液再加熱器８３ａに供給され、リーン溶液と熱交換して約７０℃まで温度低下するとともに、リーン溶液を約８０℃まで加熱する。

吸収液再加熱器８３ａで約７０℃まで冷却されたＣＯ２リッチガスは、水蒸気の約７０％が凝縮するので、吸収液再加熱器８３ａの下流側に設置した分離器６１ａにより凝縮水を分離捕集する。

分離器６１ａにより分離捕集された凝縮水は、配管３６ａと配管３８を経由して再生塔８２の下部へ戻される。残りのＣＯ２リッチガスは、分離器６１ａの下流側に設置された圧縮機６０ｂに吸入され、圧力約１７０ｋＰａから約１０００ｋＰａまで昇圧する一方、温度は約７０℃から約２００℃まで昇温する。

ここでＣＯ２リッチガスを約１０００ｋＰａまで昇圧する理由は、水蒸気の露点温度を高くして、湿分を分離しやすくするためと、後に続く二酸化炭素の液化工程（図示せず）へ供給する圧力条件として適しているためである。

約２００℃のＣＯ２リッチガスは、圧縮機６０ｂから配管３３ｂを通じて吸収液再加熱器８３ｂに供給され、リーン溶液と熱交換して約７０℃まで温度低下するとともに、リーン溶液を約８０℃まで加熱する。

吸収液再加熱器８３ｂで約７０℃まで冷却されたＣＯ２リッチガスは、水蒸気の９０％以上が凝縮するので、吸収液再加熱器８３ｂの下流側に設置した分離器６１ｂにより凝縮水を分離捕集する。

分離器６１ｂにより分離捕集された凝縮水は、配管３６ｂと配管３８を経由して再生塔８２の下部へ戻される。残りのＣＯ２リッチガスは分離器６１ｂの下流側に設置された冷却器８５ｃにより約４０℃まで冷却され、冷却器８５ｃの下流側に設置した分離器６１ｃにより凝縮水を分離捕集する。

分離器６１ｃにより分離捕集された凝縮水は、配管３６ｃを経由して配管３７ｂに合流し、吸収液再加熱器８３ｂに供給され、約８０℃まで加熱されてから配管３８を経由して再生塔８２の下部へ戻される。

分離器６１ｃにより凝縮水を分離した後のＣＯ２リッチガスは、二酸化炭素濃度が約９９％となり、後に続く二酸化炭素の液化工程（図示せず）へ送出される。

次に、図２から図５を用いて、吸収液の再生に必要な熱利用の観点から、本実施例の二酸化炭素回収装置１０の利点を説明する。これらの図２から図５は、再生塔８２の塔内圧力を変化させた場合の、各機器における温度や圧力などの状態量を比較して示している。

再生塔８２の塔内圧力を変化させた場合、圧縮機６０ａの入口圧力も変化するが、圧縮機６０ｂ出口の圧力が常に約１０００ｋＰａとなるように、圧縮機６０ａと圧縮機６０ｂの圧力比を連動させて計算した。

図２は再生塔８２における各種状態量の状況を示したものであり、図２（ａ）は、再生塔８２の塔内圧力に対応する水蒸気の飽和温度の変化を示してある。同図に示すように、吸収液の温度は飽和温度より約８℃低く設定して運転しておき、吸収液再加熱器８３によって飽和温度よりも高温に吸収液を加熱して、再生塔８２の内部で水を蒸発させる計画とした。

この時、再生塔８２内では、水蒸気の分圧は吸収液の温度の飽和圧力となり、水蒸気の分圧と二酸化炭素の分圧の状況は図２（ｂ）に示したようになる。このような分圧のＣＯ２リッチガスを再生塔８２から圧縮機６０ａに吸い込む場合、二酸化炭素の質量あたりの水蒸気の蒸発量は、図２（ｃ）に示したようになる。

図３は圧縮機６０ａと６０ｂにおける各種状態量の状況を示したものであり、図３（ａ）に示すように、圧縮機６０ｂ出口の圧力が常に約１０００ｋＰａとなるように、圧縮機６０ａと６０ｂの圧力比を変化させる。これらの圧縮機の圧力比は、必ずしも同一である必要は無いが、本実施例では圧縮機６０ａと６０ｂの圧力比が同一になると仮定した。また、圧縮機６０ａおよび６０ｂが吸入する流量は、二酸化炭素の質量あたりに換算すると図３（ｂ）のようになる。

圧縮機６０ａの流量変化は、前記図２（ｃ）の蒸発量を反映しており、再生塔８２の塔内圧力が低いほど流量が少なくなっている。一方、下流側の圧縮機６０ｂの流量は、圧縮機６０ａの流量から図４（ｃ）に後述する流量吸収液再加熱器８３ａの凝縮量を差し引いたものであり、圧縮機６０ａの場合と同様、塔内圧力が低いほどの圧縮機６０ｂの流量が少なくなっている。

これら圧縮機６０ａおよび６０ｂの動力は、圧縮する流体の流量と圧力比に応じて決まるので、図３（ｃ）に示すように、圧縮機６０ａも６０ｂも、塔内圧力が低いほど圧力比が大きいことから、低圧力領域で動力が大きくなっている。

図４は吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂにおける各種状態量の状況を示したものであり、図４（ａ）には、吸収液再加熱器８３ａのガス出入り口温度を示してある。入口ガス温度は、再生塔８２内部のガス温度と圧縮機６０ａの圧力比によって決まり、塔内圧力が低い方が高温となっている。一方、吸収液再加熱器８３ａの出口ガス温度は、吸収液再加熱器８３ａの被加熱側流体である再生塔８２の吸収液の温度によって決まる。

図４（ｂ）は、同様に吸収液再加熱器８３ｂのガス出入り口温度を示してある。入口ガス温度は、圧縮機６０ｂの圧力比の影響により、塔内圧力が低い方が高温となっている。出口ガス温度は、同様に吸収液再加熱器８３ｂの被加熱側流体である再生塔８２の吸収液の温度によって決まる。

図４（ａ）、（ｂ）の吸収液再加熱器８３ａと８３ｂのガス出口温度と、前記図２（ｃ）の蒸発量から、吸収液再加熱器８３ａと８３ｂにおける水蒸気の凝縮量は図４（ｃ）のようになる。

再生塔８２の塔内圧力が低い場合、塔内での水蒸気の蒸発量は少ないが、吸収液再加熱器８３ａの出口ガス温度が低くなる。一方、塔内圧力が高い場合、水蒸気の蒸発量は増加するが、吸収液再加熱器８３ａの出口ガス温度は高くなる。これらの相乗効果により、吸収液再加熱器８３ａでの凝縮量は、塔内圧力によらずほぼ一定となった。

一方、蒸発量から吸収液再加熱器８３ａでの凝縮量を差し引いたものが、吸収液再加熱器８３ｂへ流入する水蒸気量であるので、塔内圧力が高いほど吸収液再加熱器８３ｂへ流入する蒸気量は多くなる。

さらに、吸収液再加熱器８３ｂでは圧力が上昇して露点温度が上昇しているため、流入した水蒸気の大部分が凝縮し、塔内圧力が高い場合に吸収液再加熱器８３ｂの凝縮量が増加する。冷却器８５ｃでは、残りの水蒸気が蒸発する。

図５は再生塔８２、吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂ及び冷却器８５ａにおける各種熱量及び排ガス温度の状況を示したものであり、再生塔８２で吸収液から二酸化炭素を放出させ、吸収液を再生するために必要な熱量を図５（ａ）に示す。吸収液から二酸化炭素を解離させる化学反応のエネルギーと、再生塔８２内で水蒸気を蒸発させるために必要なエネルギーに大別され、化学反応に必要なエネルギーは塔内圧力に依存しないが、蒸発エネルギーは前記図２（ｃ）の蒸発量に比例して変化する。

一方、図５（ｂ）には、吸収液再加熱器８３ａ、８３ｂでＣＯ２リッチガスを冷却、凝縮させて回収できる熱量と、冷却器８５ａで排ガスから回収できる熱量を示した。ＣＯ２リッチガスが冷却される過程の潜熱と顕熱の大きさを比較すると、水蒸気の凝縮で放出される潜熱が圧倒的に大きく、吸収液再加熱器８３ａおよび８３ｂで回収できる熱量は、前記図４（ｃ）で説明した水蒸気の凝縮量にほぼ対応している。

図５（ｂ）に、吸収液の再生に必要な熱利用を全てまかなうために必要な、冷却器８５ａでの回収熱量を併記した。冷却器８５ａで、これだけの熱量を回収するためには、図５（ｃ）で示した温度の排ガスを冷却器８５ａに供給する必要がある。

再生塔８２の塔内圧力が高い場合には、圧縮機で発生する熱量が少ないため、必要な排ガス温度がより高温となっている。しかし、火力発電システムから、１１０℃程度の排ガスを取り出して利用することは比較的容易であり、本実施例により外部からの熱源なしに再生塔８２において吸収液を再生することが可能となる。

なお、本実施例では、吸収塔８１あるいは再生塔８２として充填物式を例示したが、これらの機器で必要な基本作用は気液接触であり、棚段式、スプレイ式など一般に知られた方式式から任意に選定可能である。

また、冷却器８５ａあるいは吸収液再加熱器８３として、それぞれ単独の熱交換器により被加熱側流体と加熱側流体の熱交換を想定したが、水などの中間媒体を利用した二次ループを構成して熱交換する方式も可能である。

さらに、本実施例では吸収液として炭酸カリウム水溶液を想定したが、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）水溶液など、他の吸収液でも実施可能である。吸収液の種類により、吸収あるいは再生に必要な温度条件、必要な熱量などが異なるので、選定した吸収液に合わせてシステム運転条件を設計すればよい。その場合、圧縮機動力を最小化する再生塔８２の塔内圧力も、本実施例とは異なることは言うまでも無い。

また、本実施例では、二酸化炭素回収装置１０を備える火力発電システムとして、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクルを例示したが、ガスタービンと増湿塔、再生熱交換器などを組み合わせたＨＡＴサイクルでも実施可能である。その場合、ガスタービンの排ガスが約２０％の湿分を含んでおり、排ガスの保有する潜熱エネルギーが多いことから、冷却器８５ａで回収できる熱量が多くなり、吸収液の再生がさらに容易になる利点がある。

本実施例によれば、二酸化炭素を含む燃焼排ガスから二酸化炭素を分離回収する場合に、吸収液の再生に使用する熱エネルギーとして外部から供給する熱エネルギーの低減が可能な二酸化炭素回収装置が実現できる。

また、本実施例によれば、吸収液の再生に使用する熱エネルギーを外部から供給する二酸化炭素回収装置を備えた場合でも、発電システムの発電効率低下の抑制が可能な二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムが実現できる。

次に本発明の他の実施例である二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムについて図６を参照して説明する。

図６に示した本実施例の二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムは、図１に示した先の実施例の二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムと基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ下記に説明する。

図６において、本実施例の火力発電システムに備えられた二酸化炭素回収装置では、二酸化炭素回収装置１０における再生塔８２からのＣＯ２リッチガスを圧縮する圧縮機が、圧縮機６０ａのみである点が先の実施例のものとは相違している。

本実施例における二酸化炭素回収装置１０の圧縮機６０ａの圧力比と圧縮動力をそれぞれ図７（ａ）および図７（ｂ）に示す。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示したように、途中の冷却なしに圧縮機６０ａによって約１０００ｋＰａまで圧縮しているために、圧縮機６０ａの圧縮動力は前記実施例の圧縮機６０ａの約１．６倍から約２倍となっている。また、再生塔８２で必要な排熱を賄うための、冷却器８５ａの入口排ガス温度を図７（ｃ）に示す。

図７（ｃ）に示したように、圧縮機６０ａでの昇圧に伴い発生する熱が大きいため、冷却器８５ａの入口排ガス温度は図５（ｃ）に示した前記実施例の冷却器８５ａの入口排ガス温度よりも数℃程度、低温となっている。

排ガス温度が数℃変化するよりも、圧縮機動力が約１．６倍から約２倍変化する方が、プラント熱効率への影響が大きいため、二酸化炭素回収装置のプラント熱効率としては前記実施例１よりも低くなる。しかし、圧縮機や熱交換器の数を削減でき、二酸化炭素回収装置のプラント建設費の低減の観点からは先の実施例の二酸化炭素回収装置よりも低減できる利点がある。

本実施例によれば、二酸化炭素を含む燃焼排ガスから二酸化炭素を分離回収する場合に、吸収液の再生に使用する熱エネルギーとして外部から供給する熱エネルギーの低減が可能な二酸化炭素回収装置が実現できる。

また、本実施例によれば、吸収液の再生に使用する熱エネルギーを外部から供給する二酸化炭素回収装置を備えた場合でも、発電システムの発電効率低下の抑制が可能な二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムが実現できる。

次に本発明の更に他の実施例である二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムについて図８を参照して説明する。

図８に示した本実施例の二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムは、図１に示した先の実施例の二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムと基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ下記に説明する。

図８において、本実施例の火力発電システムに備えられた二酸化炭素回収装置１０では、二酸化炭素回収装置１０の入口に設置され、ガスタービンの排ガス５を冷却する冷却器８５ａの被加熱側流体として、河川水５６などの冷却水を利用するように構成している点が先の実施例のものとは相違している。

そして前記冷却器８５ａに河川水５６などの冷却水を利用することに伴って、再生塔８２からリーン溶液の一部を分岐して冷却器８５ａに供給する配管３７ｃと、この分岐した配管３７ｃに設置された冷却器８５ｄとが設置されていない点で先の実施例のものとは相違している。

更に、本実施例の二酸化炭素回収装置１０では、再生塔８２からリーン溶液を昇圧して供給する配管３７ｃから新たに分岐して配管３８に至る配管３７ｄを配設し、この配管３７ｄに吸収液再加熱器８３ｃを設置して、前記吸収液再加熱器８３ｃにて配管３７ｃ、配管３７ｄを通じて再生塔８２から導入したリーン溶液を、排熱回収ボイラなどから抽気した水蒸気５５によって加熱するように構成した点でも先の実施例のものとは相違している。

本実施例の二酸化炭素回収装置１０では、冷却器８５ａの冷却水として比較的温度が安定した外部の冷却水５６を利用して排ガスダクト５３から流下する排ガス５を冷却するため、吸収塔８１の運転条件がより安定となる。

外部の冷却水５６としては、河川水、海水と熱交換した冷却水、またはクーリングタワーで冷却した冷却水が用いられる。

一方、図示しない排熱回収ボイラ１２などから抽気した水蒸気５５を前記吸収液再加熱器８３ｃの加熱源として消費するため、プラント熱効率としては前記実施例１のものよりは低くなる。

上記した構成の本実施例では、熱交換器の数を更に低減できるので、火力発電システムの設備コストを低減することが可能となる。

本実施例によれば、二酸化炭素を含む燃焼排ガスから二酸化炭素を分離回収する場合に、吸収液の再生に使用する熱エネルギーとして外部から供給する熱エネルギーの低減が可能な二酸化炭素回収装置が実現できる。

また、本実施例によれば、吸収液の再生に使用する熱エネルギーを外部から供給する二酸化炭素回収装置を備えた場合でも、発電システムの発電効率低下の抑制が可能な二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムが実現できる。

本発明は二酸化炭素回収装置、および二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムに利用できる。

１：タービン、２：圧縮機、３：吸気ダクト、４：燃焼器、５：排ガス、１０：二酸化炭素回収装置、１２：排熱回収ボイラ、１３：蒸気タービン、１４：復水器、１５：ポンプ、２１、２２：発電機、３０、３１、３２、３３ａ、３３ｂ、３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３８：配管、５３、５３：排ガスダクト、５５：水蒸気、５６：外部の冷却水、８１：吸収塔、８２：再生塔、８３ａ、８３ｂ、８３ｃ：吸収液再加熱器、８５ａ、８５ｂ：冷却器、９０、９１、９２：ポンプ。

Claims (8)

1. 二酸化炭素を含む排ガスと二酸化炭素の吸収液を気液接触させて排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を解離させてこの吸収液を再生する再生塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液を該吸収塔から再生塔に供給すると共に前記再生塔で再生した吸収液を該再生塔から該吸収塔に供給するように前記吸収液を循環させる配管系統を有する二酸化炭素回収装置において、
   前記再生塔で解離した二酸化炭素を含むガスを該再生塔から吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した二酸化炭素を含むガスを吸収液と熱交換する熱交換器と、前記熱交換器で二酸化炭素を含むガスを吸収液で冷却して生じた凝縮水を分離する分離器を備え、
   前記再生塔が保有する吸収液を該再生塔から前記熱交換器に供給する第１の配管経路を備えて該熱交換器にて二酸化炭素を含むガスと熱交換させ、前記熱交換器で二酸化炭素を含むガスとの熱交換で加熱された吸収液を該熱交換器から前記再生塔に戻す第２の配管経路を備え、前記分離器で分離した凝縮水を該分離器から前記再生塔に戻す第３の配管経路を備えていることを特徴とする二酸化炭素回収装置。
2. 請求項１に記載された二酸化炭素回収装置において、
   前記圧縮機は直列に配設された複数の圧縮機によって構成され、前記熱交換器は前記複数の圧縮機の下流側にそれぞれ配設されて該圧縮機から吐出した二酸化炭素を含むガスを冷却する複数の熱交換器によって構成され、前記分離器は前記複数の熱交換器の下流側にそれぞれ配設されて該熱交換器で二酸化炭素を含むガスを冷却して生じた凝縮水を分離する複数の分離器によって構成され、前記第１の配管経路は前記再生塔が保有する吸収液を前記複数の熱交換器に順次供給するように分岐して配設されており、前記第２の配管経路は前記複数の熱交換器で二酸化炭素を含むガスと熱交換して加熱された吸収液を前記再生塔に戻すように配設されており、前記第３の配管経路は前記分離器で分離した凝縮水を該分離器から前記再生塔に戻すように配設されていることを特徴とする二酸化炭素回収装置。
3. 請求項１に記載された二酸化炭素回収装置において、
   前記第１の配管経路から分岐して吸収液を前記第２の配管経路に供給する第４の配管経路が配設され、この第４の配管経路に別の熱交換器を設置して該第４の配管経路を流下する吸収液を更に加熱するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収装置。
4. 請求項１に記載された二酸化炭素回収装置において、
   前記二酸化炭素回収装置の入口に配設された冷却器に冷却媒体として河川水を供給するように構成し、前記第４の配管経路に設置された別の熱交換器の加熱源として前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収装置。
5. 二酸化炭素を含む排ガスと二酸化炭素の吸収液を気液接触させて排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液から二酸化炭素を解離させてこの吸収液を再生する再生塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した吸収液を該吸収塔から再生塔に供給すると共に前記再生塔で再生した吸収液を該再生塔から該吸収塔に供給するように前記吸収液を循環させる配管系統を有する二酸化炭素回収装置は、前記再生塔で解離した二酸化炭素を含むガスを該再生塔から吸入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した二酸化炭素を含むガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器で二酸化炭素を含むガスを冷却して生じた凝縮水を分離する分離器を備え、前記再生塔が保有する吸収液を該再生塔から前記熱交換器に供給する第１の配管経路を備えて該熱交換器にて二酸化炭素を含むガスと熱交換させ、前記熱交換器で二酸化炭素を含むガスとの熱交換で加熱された吸収液を該熱交換器から前記再生塔に戻す第２の配管経路を備え、前記分離器で分離した凝縮水を該分離器から前記再生塔に戻す第３の配管経路を備えることによって構成し、
   二酸化炭素を含む排ガスと二酸化炭素の吸収液を気液接触させて排ガス中の二酸化炭素を前記吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記吸収液から二酸化炭素を解離させてこの吸収液を再生する再生塔と、前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液を再生塔に供給すると共に該再生塔で再生した吸収液を該吸収塔に供給して吸収液を循環させる配管系統を有する火力発電システムは、圧縮機と、圧縮機で圧縮した空気と燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成した燃焼ガスで駆動されるタービンと、タービンによって駆動されて発電する発電機と、タービンを駆動して該タービンから排出された排ガスから熱を回収して蒸気を生成する排熱回収ボイラとを備え、前記排熱回収ボイラから前記二酸化炭素回収装置に導く二酸化炭素を含む排ガスを冷却する冷却器を前記二酸化炭素回収装置の入口に配設したことを特徴とする二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システム。
6. 請求項５に記載された二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムにおいて、
   前記圧縮機は直列に配設された複数の圧縮機によって構成され、前記熱交換器は前記複数の圧縮機の下流側にそれぞれ配設されて該圧縮機から吐出した二酸化炭素を含むガスを冷却する複数の熱交換器によって構成され、前記分離器は前記複数の熱交換器の下流側にそれぞれ配設されて該熱交換器で二酸化炭素を含むガスを冷却して生じた凝縮水を分離する複数の分離器によって構成され、前記第１の配管経路は前記再生塔が保有する吸収液を前記複数の熱交換器に順次供給するように分岐して配設されており、前記第２の配管経路は前記複数の熱交換器で二酸化炭素を含むガスと熱交換して加熱された吸収液を前記再生塔に戻すように配設されており、前記第３の配管経路は前記分離器で分離した凝縮水を該分離器から前記再生塔に戻すように配設されていることを特徴とする二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システム。
7. 請求項５に記載された二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムにおいて、
   前記第１の配管経路から分岐して吸収液を前記第２の配管経路に供給する第４の配管経路が配設され、この第４の配管経路に別の熱交換器を設置して該第４の配管経路を流下する吸収液を更に加熱するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システム。
8. 請求項５に記載された二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システムにおいて、
   前記二酸化炭素回収装置の入口に配設された冷却器に冷却媒体として外部の冷却水を供給するように構成し、前記第４の配管経路に設置された別の熱交換器の加熱源として前記排熱回収ボイラで生成した蒸気を供給するように構成したことを特徴とする二酸化炭素回収装置を備えた火力発電システム。

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