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JP4274846B2 - 二酸化炭素の回収方法及びそのシステム - Google Patents

二酸化炭素の回収方法及びそのシステム Download PDF

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JP4274846B2 JP2003124652A JP2003124652A JP4274846B2 JP 4274846 B2 JP4274846 B2 JP 4274846B2 JP 2003124652 A JP2003124652 A JP 2003124652A JP 2003124652 A JP2003124652 A JP 2003124652A JP 4274846 B2 JP4274846 B2 JP 4274846B2
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由則 小林
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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、火力発電所において、ボイラの燃焼排ガス中に含まれる二酸化炭素を除去回収する二酸化炭素の回収方法及びそのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大量の化石燃料を使用する火力発電所の動力発生設備において、地球の温暖化現象の原因の一つである二酸化炭素（ＣＯ2）を除去回収する方法として、アミン吸収法が採用されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、アミン吸収法では、ＣＯ2を吸収した吸収液を再生するために、多大な低圧蒸気（例えば、約０．３ＭＰａ）による熱エネルギーを必要とするという問題がある。一方、回収したＣＯ2を地中の帯水層に圧入して固定化する技術や、油田にＣＯ2を圧入して原油の生産量を増大させる技術、また、深部の炭層にCO2を圧入し炭層中のメタンを回収する技術などが開発されている。しかし、ＣＯ2を圧入するにはＣＯ2を高圧に圧縮（例えば、約１４０ｋｇ／ｃｍ2Ｇ）する必要があり、このような圧縮の動力源を確保するためには、発電所の膨大な出力低下が避けられないという問題がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２５７３５５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記の問題点を鑑み、二酸化炭素吸収液を再生するための熱エネルギーと、回収した二酸化炭素を圧縮する動力とを供給するとともに、高い熱効率を有する二酸化炭素の回収方法及びそのシステムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る二酸化炭素の回収方法は、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンを駆動する蒸気を発生させるボイラの燃焼排ガスから二酸化炭素吸収液によって二酸化炭素を吸収除去する工程と、除去された二酸化炭素をコンプレッサにより圧縮する工程と、該コンプレッサ用のタービンを該高圧タービンの排出蒸気の一部により駆動する工程と、補機用のタービンを該中圧タービンの排出蒸気の一部により駆動する工程と、該コンプレッサ用タービン及び該補機用タービンの排出蒸気により二酸化炭素を吸収した該二酸化炭素吸収液を加熱して再生する工程と含んでなることを特徴とする。
【０００６】
なお、本明細書において、高圧タービンとは、ボイラから排出された蒸気が最初に仕事をするタービンをいう。低圧タービンとは、蒸気の流れにおいて最後に仕事をするタービンをいい、排気は復水器に導入される。中圧タービンとは、蒸気の流れにおいて高圧タービンと中圧タービンの間に位置する１又は２以上のタービンをいい、例えば、再加熱器で再加熱された高圧タービンの排出蒸気により駆動するタービン等がある。また、補機とは、復水器で凝縮された凝縮水や二酸化炭素吸収液などの圧送するためのポンプや、ボイラの燃焼排ガスを送風するためのブロアなどをいう。
【０００７】
本発明に係る二酸化炭素の回収方法は、上記圧縮された二酸化炭素を油田、炭層又は帯水層へ圧入する工程をさらに含むことができる。
【０００８】
また、本発明は、別の側面として、二酸化炭素の回収システムであって、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、該ボイラの燃焼排ガスから二酸化炭素を吸収除去するための二酸化炭素吸収液を備える二酸化炭素吸収塔と、二酸化炭素を吸収した該二酸化炭素吸収液を再生するための再生塔と、除去された二酸化炭素を圧縮するためのコンプレッサと、該高圧タービンの排出蒸気の一部により駆動する該コンプレッサ用のタービンと、該中圧タービンの排出蒸気の一部により駆動する補機用タービンと、該コンプレッサ用タービン及び該補機用タービンの排出蒸気を該再生塔のリボイラに加熱源として供給するための供給管と含んでなることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る二酸化炭素の回収システムは、上記圧縮された二酸化炭素を油田、炭層又は帯水層へ圧入するための排出管をさらに含むことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る二酸化炭素の回収システムの一実施の形態を示す概要図である。なお、図１では主要設備のみ示し、付属設備は省略した。必要により、タンク類、バルブ類、ポンプ類、熱交換器類などが設けられている。また、低圧、中圧および高圧タービンは通常２機を対にして設置されるが、これも単独の記号で表し、それらに取り付けられている発電機も省略している。
【００１１】
図１に示すように、本発明に係る二酸化炭素（ＣＯ2）の回収システムは、再加熱器５を有するボイラ１と、ボイラ１の蒸気により駆動する高圧タービン３と、再加熱器５により加熱された高圧タービン３の排出蒸気により駆動する中圧タービン７と、中圧タービン７の排出蒸気で駆動する低圧タービン８とを備える。低圧タービン８の排気側は、排気を凝縮する復水器１０と、凝縮水と回収されたＣＯ2とで熱交換を行うためのオーバヘッドコンデンサ２５とを介して、ボイラ１につながっている。
【００１２】
また、ボイラ１の燃焼排ガス出口側には、燃焼排ガスを昇圧する送風ブロワ１４と、燃焼排ガスを冷却する冷却器１５と、燃焼排ガスからＣＯ2を吸収除去するＣＯ2吸収液が充填されたＣＯ2吸収塔１８とを、ボイラ側から順に設けている。なお、ＣＯ2吸収液としては、例えば、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等のアルカノールアミンが好ましく、これらのいずれか１つの水溶液又はこれらの２以上を混合した水溶液を使用することができる。
【００１３】
また、ＣＯ2吸収塔１８は、ＣＯ2を吸収した吸収液を再生する再生塔２４を併設しており、これらは、ＣＯ2を吸収した吸収液を再生塔２４に供給するライン２０と、再生した吸収液をＣＯ2吸収塔１８に供給するライン１９とでつながれている。ライン２０とライン１９には、これらの間で熱交換を行うためのリッチ／リーンソルベント熱交換器２３を設けている。また、ライン１９のＣＯ2吸収塔１８と熱交換器２３の間には、再生された吸収液をさらに冷却するリーンソルベントクーラ３３を設けている。再生塔２４は、その下部に、ＣＯ2を吸収した吸収液を加熱するためのリボイラ３０を併設している。
【００１４】
一方、再生塔２４の塔頂部に設けられたＣＯ2出口側には、ＣＯ2と凝縮水とで熱交換を行うためのオーバヘッドコンデンサ２５と、ＣＯ2を冷却するためのオーバヘッドクーラ２６と、ＣＯ2から水を分離する分離器２７と、分離されたＣＯ2を圧縮するコンプレッサ４２とを、再生塔２４側から順に設けている。コンプレッサ４２は、圧縮されたＣＯ2を油田、炭層又は帯水層（図示省略）に供給するためのライン４３をさらに備えている。
【００１５】
また、コンプレッサ４２は、コンプレッサ４２の動力源としてコンプレッサ用背圧タービン４１を併設している。コンプレッサ用背圧タービン４１は、高圧タービン３の排出蒸気の一部を導入するためのライン４０と、コンプレッサ用背圧タービン４１の排出蒸気をリボイラ３０に供給するためのライン４５とを備えている。
【００１６】
さらに、本実施の形態では、送風ブロワ１４を駆動するための補機用背圧タービン５１と、凝縮水を昇圧するためのポンプ１２を駆動するための補機用背圧タービン５２を設けている。これらの補機用背圧タービン５１及び５２は、中圧タービン７の排出蒸気の一部を導入するためのライン５０と、補機用背圧タービン５１及び５２の排出蒸気をリボイラ３０へ供給するためのライン５５とを備えている。
【００１７】
なお、このような中圧タービン７の排出蒸気の一部により駆動して、その排出蒸気をリボイラ３０へ供給する補機用背圧タービンは、ブロワ１４用及びポンプ１２用である上記の２基に限定されず、ＣＯ2を吸収した吸収液を昇圧するリッチソルベントポンプ２０用や、再生した吸収液を昇圧するリーンソルベントポンプ３１用、リボイラ３０にて凝縮された復水を昇圧するリボイラ復水ポンプ３２用などのその他の補機用を加えて、３基以上にすることもできるし、逆に１基にすることもできる。すなわち、補機用背圧タービンの基数は、リボイラ３０が必要とする熱エネルギーに応じて増減することができる。
【００１８】
このような構成によれば、ボイラ１から排出されたＣＯ2を含有するボイラ燃焼排ガスは、先ず、送風ブロワ１４により昇圧された後、冷却器１５に送られて冷却水１６により冷却される。冷却された燃焼排ガスはＣＯ2吸収塔１８に送られ、冷却排水１７は系外に放出される。
【００１９】
ＣＯ2吸収塔１８において、燃焼排ガスはアルカノールアミンをベースとするＣＯ2吸収液と交流接触し、燃焼排ガス中のＣＯ2は化学反応によりＣＯ2吸収液に吸収される。ＣＯ2が除去された燃焼排ガス２１は系外へ放出される。ＣＯ2を吸収した吸収液は、ライン２０を介して、リッチソルベントポンプ２２により昇圧され、リッチ／リーンソルベント熱交換器２３にて加熱された後、再生塔２４に供給される。
【００２０】
再生塔２４の下部において、ＣＯ2を吸収した吸収液は、リボイラ３０によって加熱され、吸収液からＣＯ2が分離される。分離されたＣＯ2は、水蒸気を伴って再生塔２４の塔頂部から排出され、オーバヘッドコンデンサ２５に導入される。
【００２１】
水蒸気を伴ったＣＯ2は、オーバヘッドコンデンサ２５にて、ライン１０のボイラ給水を予熱し、さらにオーバヘッドクーラ２６にて冷され、これにより凝縮した水が分離器２７にて除去される。水が除去されたＣＯ2は、ライン２８を介してコンプレッサ４２に導入され、高圧に圧縮される（約１４０ｋｇ／ｃｍ2Ｇ）。圧縮されたＣＯ2は、ライン４３を通って油田又は帯水層（図示省略）へ供給する。分離器２７により分離された水は、凝縮水循環ポンプ２９により再生塔２４に送られる。
【００２２】
再生塔２４にて再生した吸収液は、リーンソルベントポンプ３１にて昇圧され、リッチ／リーンソルベント熱交換器２３にてＣＯ2を吸収した吸収液により冷却され、加えてリーンソルベントクーラ３３にてさらに冷却された後、ＣＯ2吸収塔１８に供給される。
【００２３】
一方、ボイラ１により発生し、加熱された高圧高温の蒸気（約３００ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、約６００℃）は、ライン２を介して高圧タービン３に導入され、高圧タービン３を駆動する。高圧タービンの排出蒸気（約４０ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、約３００℃）は、一部はライン４０を介してコンプレッサ用背圧タービン４１に導入され、コンプレッサ用背圧タービン４１を駆動し、残りはライン４を介してボイラ１中の再加熱器５で加熱される。排出蒸気のライン４０への使用割合は、プロセス全体の熱効率を最適化するように設定されるが、通常１５〜２０％の範囲である。
【００２４】
再加熱された高圧タービンの排出蒸気（約６００℃）は、ライン６を介して中圧タービン７に導入され、中圧タービン７を駆動する。中圧タービンの排出蒸気（約１０ｋｇ／ｃｍ2Ｇ）は、一部はライン５０を介して補機用背圧タービン５１及び５２に導入され、補機用背圧タービン５１及び５２を駆動し、残りは低圧タービン８に導入され、低圧タービン８を駆動する。排出蒸気のライン５０への使用割合は、プロセス全体の熱効率を最適化するように設定されるが、通常５〜１０％の範囲である。
【００２５】
低圧タービン８の排気はライン９を介して復水器１０に導入され、復水器１０にて凝縮される。凝縮水は、ボイラ給水ポンプ１２によりライン１１を通り、オーバヘッドコンデンサ２５を経て予熱された後、ボイラ給水としてボイラ１に送られる。
【００２６】
また、コンプレッサ用背圧タービン４１の排出蒸気（約３ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、約１４０℃）は、ライン４５を介してリボイラ３０に供給される。同様に、補機用背圧タービン５１及び５２の排出蒸気（約３ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、約２５０℃）も、ライン５５を介してリボイラ３０に供給される。これらの排出蒸気は、リボイラ３０にて凝縮された後、リボイラ復水ポンプ３２にて昇圧され、ボイラ給水と混合されることによりボイラ給水を昇温してボイラ１へ送られる。
【００２７】
このように、高圧タービン３の排出蒸気は比較的に高い圧力を有するので、高圧タービン３の排出蒸気の一部によってコンプレッサ用背圧タービン４１を駆動させることで、回収したＣＯ2を高圧に圧縮するのに必要な動力を、少ない蒸気量で得ることができる。また、コンプレッサ用背圧タービン４１の排出蒸気は、約３ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力を持たせることができるとともに、温度も約１４０℃と、ＣＯ2吸収液の再生温度である１２０℃より著しく高い温度ではない。したがって、コンプレッサ用背圧タービン４１の排出蒸気をリボイラ３０の加熱蒸気源に直接用いることができるので、冷却等の必要がなく、熱エネルギーを効率良く利用することができる。
【００２８】
また、コンプレッサ用背圧タービン４１は高圧タービン３の排出蒸気の一部を用いるので、コンプレッサ用背圧タービン４１の排出蒸気だけではリボイラ３０の加熱に必要な蒸気量が不足する。したがって、補機用背圧タービン５１、５２の排出蒸気を、コンプレッサ用背圧タービン４１の排出蒸気に加えて、リボイラ３０の加熱蒸気源として使用する。補機用背圧タービン５１、５２には中圧タービン７の排出蒸気の一部を用いるので、エネルギーバランスを維持でき、発電効率の低下を抑えることができる。
【００２９】
なお、補機用背圧タービン５１、５２の排出蒸気に代えて、低圧タービン８から抽気してリボイラ３０に供給する方法も考えられる。しかし、リボイラ３０が必要とする熱エネルギーを補うためには、抽気する蒸気量が多大になるため、低圧タービン自体の構造を再設計する必要がある。一方、本発明によれば、抽気によらず、中圧タービン８の排出蒸気の一部を用いるので、発電効率の低下を抑えることができるとともに、既存のタービンを使用することができるので、設備費等の低コスト化を図ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によれば、二酸化炭素吸収液を再生するための熱エネルギーと、回収した二酸化炭素を圧縮する動力とを供給するとともに、高い熱効率を有する二酸化炭素の回収方法及びそのシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二酸化炭素の回収システムの一実施の形態を示した概要図である。
【符号の説明】
１ ボイラ
２、４、６、９、１１ ライン
３ 高圧タービン
５ 再加熱器
７ 中圧タービン
８ 低圧タービン
１０ 復水器
１２ ボイラ給水ポンプ
１４ 送風ブロワ
１５ 冷却器
１６ 冷却水
１７ 冷却排水
１８ ＣＯ2吸収塔
１９、２０ ライン
２１ 燃焼排ガス
２２ リッチソルベントポンプ
２３ リッチ／リーンソルベント熱交換器
２４ 再生塔
２５ オーバヘッドコンデンサ
２６ オーバヘッドクーラ
２７ 分離器
２８ ライン
２９ 凝縮水循環ポンプ
３０ リボイラ
３１ リーンソルベントポンプ
３２ リボイラ復水ポンプ
３３ リーンソルベントクーラ
４０、４３、４５、５０、５５ ライン
４１ コンプレッサ用背圧タービン
４２ コンプレッサ
５１、５２ 補機用背圧タービン

Claims (4)

  1. 高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンを駆動する蒸気を発生させるボイラの燃焼排ガスから二酸化炭素吸収液によって二酸化炭素を吸収除去する工程と、除去された二酸化炭素をコンプレッサにより圧縮する工程と、該コンプレッサ用のタービンを該高圧タービンの排出蒸気の一部により駆動する工程と、補機用タービンを該中圧タービンの排出蒸気の一部により駆動する工程と、該コンプレッサ用タービン及び該補機用タービンの排出蒸気により二酸化炭素を吸収した該二酸化炭素吸収液を加熱して再生する工程と含んでなることを特徴とする二酸化炭素の回収方法。
  2. 上記圧縮された二酸化炭素を油田、炭層又は帯水層へ圧入する工程をさらに含んでなることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素の回収方法。
  3. 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、該ボイラの燃焼排ガスから二酸化炭素を吸収除去するための二酸化炭素吸収液を備える二酸化炭素吸収塔と、二酸化炭素を吸収した該二酸化炭素吸収液を再生するための再生塔と、除去された二酸化炭素を圧縮するためのコンプレッサと、該高圧タービンの排出蒸気の一部により駆動する該コンプレッサ用のタービンと、該中圧タービンの排出蒸気の一部により駆動する補機用タービンと、該コンプレッサ用タービン及び該補機用タービンの排出蒸気を該再生塔のリボイラに加熱源として供給するための供給管と含んでなることを特徴とする二酸化炭素の回収システム。
  4. 上記圧縮された二酸化炭素を油田、炭層又は帯水層へ圧入するための排出管をさらに含んでなることを特徴とする請求項３に記載の二酸化炭素の回収システム。
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