System and method for recovering carbon dioxide

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、ＣＯ ₂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。 ＣＯ ₂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ＣＯ ₂吸収液と接触させ、燃焼排ガス中のＣＯ ₂を除去、回収する方法及び回収されたＣＯ ₂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ＣＯ ₂吸収液を用い、燃焼排ガスからＣＯ ₂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ＣＯ ₂吸収液とを接触させる工程、ＣＯ ₂を吸収した吸収液を再生塔において加熱し、ＣＯ ₂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ＣＯ ₂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ＣＯ ₂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）。

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ＣＯ ₂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ＣＯ ₂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、ＣＯ ₂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、及び蒸気タービン設備に負荷をかけることなく、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主ボイラと、該主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加熱し、吸収液再生塔により二酸化炭素吸収液を再生する二酸化炭素回収装置と、前記吸収液再生塔の再生過熱器に供給する飽和水蒸気、又は飽和に近い水蒸気を発生させる補助ボイラ、補助ボイラからの蒸気により駆動する蒸気タービンとを具備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、前記補助ボイラからの蒸気を用いて蒸気タービンを駆動し、蒸気タービンにより吸収液再生塔から排出されるＣＯ ₂を圧縮するＣＯ ₂圧縮機を駆動すると共に、蒸気タービンから排出されるタービン排気の飽和水蒸気、又は飽和に近い水蒸気を再生過熱器に供給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の発明において、前記補助ボイラからの蒸気を用いて蒸気タービンを駆動し、蒸気タービンにより発電機を駆動して発電し、蒸気タービンから排出されるタービン排気の飽和水蒸気、又は飽和に近い水蒸気を再生過熱器に供給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４の発明は、第１乃至３のいずれか一つ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、独立した補助ボイラを設け、これにより吸収液再生塔の再生過熱器に供給しているので、発電システムの主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３に係る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主ボイラ１５と、該主ボイラ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（ＣＯ ₂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（ＣＯ ₂回収装置）２４と、前記吸収液再生塔２３の再生過熱器２２に供給する飽和水蒸気３１を発生させる補助ボイラ３０と、補助ボイラ３０からの蒸気により駆動する蒸気タービン３２とを具備するものである。
符号１７は復水器、１７ａ、２２ａは凝縮水である。

一方、主ボイラ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主ボイラ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、ＣＯ ₂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。

ここで、前記二酸化炭素吸収液は、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１８と再生塔１９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ＣＯ ₂ガス２６はＣＯ ₂圧縮機２７により圧縮ＣＯ ₂ ２８とされている。

本発明では、発電システム等の主ボイラ１５やガスタービン排ガスからＣＯ ₂を回収する場合、補助ボイラ３０を設け、ここで発生する高温高圧の蒸気３１を用い、蒸気タービン３２によりＣＯ ₂圧縮機２７を駆動した後、タービン排気３３をＣＯ ₂回収装置２４の再生過熱器２２に導入するようにしている。
なお、ＣＯ ₂圧縮機２７に供給する代わりに、発電機を駆動し、タービン排気３３をＣＯ ₂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。

このシステムにおいては、ＣＯ ₂圧縮機２７が発電機駆動タービン出口蒸気を飽和に近い状態でのシステムが構成でき、蒸気を減温する必要がなく、エネルギーロスが低減される。

この結果、本発明においては、既設の発電設備の場合、蒸気システムの変更を必要としないので、発電設備の発電負荷変動があっても、ＣＯ ₂回収装置での再生過熱器２２には安定した蒸気が補助ボイラ３０から供給されることとなり、ＣＯ ₂回収を安定して行うことができる。

さらに、既設の発電設備以外に、新設の発電設備においても、負荷変動への対応が容易となる。

また、独立して設けた補助ボイラ３０からの高温高圧の飽和に近い蒸気３１をＣＯ ₂回収装置の再生過熱器２２に導くことができ、エネルギー供給ロスが少なくなる。

さらに、補助ボイラ３０から発生する排ガスのＣＯ ₂も回収でき、ＣＯ ₂回収率の低下がないものとなる。

［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５０を設けている。 そして、この補助タービン５０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ＣＯ ₂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ＣＯ ₂発生量は７３３Ｔ／Ｈである。
ＣＯ ₂回収量を９０％回収するとした場合、６６０Ｔ／Ｈ（１５，８４０Ｔ／Ｄ）となる。
このＣＯ ₂回収に係るＣＯ ₂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、ＣＯ ₂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。

これに対し、表３に示すように、例えば３９０ＭＷ相当の補助ボイラ３０を設けた場合、スチーム量は主ボイラ１５と併せて１，１０６Ｔ／Ｈとなる。
主ボイラ１５でのＣＯ ₂回収量を９０％回収するとした場合、６６０Ｔ／Ｈ（１５，８４０Ｔ／Ｄ）となり、同様に補助ボイラでのＣＯ ₂回収量２５７．４Ｔ／Ｈとすると、合計で２２，０１８Ｔ／Ｄとなる。
補助ボイラを設けた場合、発電出力は１，０００ＭＷ＋２３３ＭＷ＝１，２２３ＭＷとなる。
ＣＯ ₂圧縮機動力他で１３２ＭＷが消費され、総出力が１，０９１ＭＷ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。

よって、従来の補助タービンを用いた場合と、補助ボイラ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、本発明の補助ボイラを別途独立して設けた場合のほうが、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。

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蒸気タービン３２Ｈと低圧蒸気タービン３２Ｌとを併設している。

これにより、２台の蒸気タービン３２Ｈ及び３２ＬでＣＯ ₂圧縮機又は発電機（図示せず）を駆動するようにしている。

本発明による実施例３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３は、実施例３に係る二酸化炭素の回収システムの概略図である。
図３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１０Ｃ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３２−１、３２−２設け、第１のタービン３２−１にＣＯ ₂圧縮機を設けると共に、第２のタービン３２−２にブロアポンプを設け、それらを駆動するようにしている。

これにより、２台の蒸気タービン３２−１、３２−２でＣＯ ₂圧縮機又は発電機（図示せず）、ブロアポンプ等を駆動するようにしている。

１０Ａ〜１０Ｃ 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 主ボイラ Ｇ 燃焼排ガス ２１ 二酸化炭素吸収塔（吸収塔）
２３ 吸収液再生塔（再生塔）
２４ 二酸化炭素回収装置 ３０ 補助ボイラ ３１ 蒸気 ３２ 蒸気タービン ３３ タービン排気