JP5637808B2 - 二酸化炭素回収方法及び二酸化炭素回収型汽力発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、二酸化炭素回収方法及び二酸化炭素回収型汽力発電システムに関する。
大量の化石燃料を使用する火力発電所等の発電システムでは、地球の温暖化現象の原因の１つである二酸化炭素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、二酸化炭素を吸収した吸収液を再生するために、多大な低圧（例えば約０．３ＭＰａ）蒸気による熱エネルギーを必要とする。
この熱エネルギーを補償するために、タービン復水系統から分岐させた復水を、回収された二酸化炭素が持つ熱量及び二酸化炭素を地中に圧入するために高圧（例えば約８ＭＰａ）に圧縮することによって発生する熱量と熱交換して、脱気器に合流させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかし、二酸化炭素の有する全熱量を回収しようとすると、復水量が不足するという問題があった。また、結果的に、低圧ヒータに流れる復水量が減少し、タービンからの抽気量が減少して復水器へ捨てられる熱が増え、従来持っている再生サイクル効果が減るために、回収した熱量に対してタービン出力がさほど増えないという問題があった。
また、回収した二酸化炭素を地中に圧入するにあたり、二酸化炭素を高圧に圧縮する必要があるが、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かった。
特開平８−２５７３５５号公報 特開２００４−３２３３３９号公報
本発明は、二酸化炭素を地中に圧入する過程で発生する熱エネルギーを効率良く回収し、高い熱効率を有する二酸化炭素回収方法及び二酸化炭素回収型汽力発電システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様による二酸化炭素回収型汽力発電システムは、燃料を燃焼して蒸気を生成し排ガスを発生させるボイラーと、前記ボイラーから前記排ガスが供給され、この排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、この吸収液から二酸化炭素ガスを放出させ、この二酸化炭素ガスを排出する再生塔と、前記再生塔からの吸収液を加熱し、発生させた蒸気を前記再生塔に供給するリボイラーと、前記ボイラーから蒸気が供給されて回転駆動するタービンと、前記タービンからの排気蒸気を冷却して復水を生成する復水器と、前記復水をラインへ送り出す復水ポンプと、前記ラインに設けられ、前記ボイラーへの給水を行う給水ポンプと、前記二酸化炭素ガスを圧縮するコンプレッサと、前記復水の一部が供給され、この復水を冷却水として、前記コンプレッサにより圧縮された二酸化炭素ガスを冷却する冷却器と、を備え、前記リボイラーは、前記タービンからの蒸気と、前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気とが供給されることを特徴とするものである。
本発明の一態様による二酸化炭素回収方法は、ボイラーが、タービンを駆動する蒸気を生成すると共に排ガスを発生させる工程と、吸収塔において、前記ボイラーから排出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工程と、再生塔において、二酸化炭素を吸収した前記吸収液から二酸化炭素ガスを放出させ、この二酸化炭素ガスを排出する工程と、リボイラーが、前記再生塔からの吸収液を加熱し、発生させた蒸気を前記再生塔に供給する工程と、前記タービンからの蒸気を減温して前記リボイラーに供給する工程と、復水器が前記タービンからの排気蒸気を冷却して復水を生成する工程と、コンプレッサが前記二酸化炭素ガスを圧縮する工程と、冷却器が、前記復水の一部を冷却水として、圧縮された二酸化炭素ガスを冷却する工程と、前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気を前記リボイラーに供給する工程と、を備えるものである。
本発明によれば、二酸化炭素を地中に圧入する過程で発生する熱エネルギーを効率良く回収し、高い熱効率を有する二酸化炭素回収方法及び二酸化炭素回収型汽力発電システムを提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る二酸化炭素回収型汽力発電システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る二酸化炭素回収型汽力発電システムの概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る二酸化炭素回収型汽力発電システムの概略構成図である。 変形例による二酸化炭素回収型汽力発電システムの概略構成図である。 変形例による二酸化炭素回収型汽力発電システムの概略構成図である。 変形例による二酸化炭素回収型汽力発電システムの概略構成図である。
（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る二酸化炭素回収型汽力発電システムの全体構成を示す。二酸化炭素回収型汽力発電システム１は、燃料を燃焼してタービン蒸気４を生成し、タービンを回転駆動させて発電を行う汽力発電プラント１ａと、ボイラー６において生成された排ガス５から、この排ガス５に含まれる二酸化炭素を吸収する吸収液を用いて二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収プラント１ｂとから構成されている。
ボイラー６には燃料及び燃焼用空気が供給され、火炉において燃料が燃焼し、タービン蒸気４が生成されるとともに、排ガス５が発生する。ボイラー６は、火炉における燃焼によりタービン蒸気４を加熱し主蒸気を発生させる過熱器９と、過熱器９に隣接して設けられ、過熱器９から後述する高圧蒸気タービン２１を介して供給されるタービン蒸気４を再加熱して再熱蒸気とする再熱器１０とを有する。
汽力発電プラント１ａは、ボイラー６の過熱器９から供給されるタービン蒸気４（主蒸気）により回転駆動する高圧蒸気タービン（高圧タービン）２１と、この高圧タービン２１にタービン軸２０を介して連結され、高圧タービン２１からボイラー６の再熱器１０を介して供給されるタービン蒸気４（再熱蒸気）により回転駆動する中圧蒸気タービン（中圧タービン）２２とを有している。また、この中圧タービン２２にタービン軸２０を介して低圧蒸気タービン（低圧タービン）２３が連結され、この低圧タービン２３は中圧タービン２２から供給されるタービン蒸気４（中圧タービン２２からの排気蒸気（中圧排気蒸気））により回転駆動するように構成されている。さらに、タービン軸２０に、タービン軸２０の回転により発電を行う発電機２４が連結されている。
なお、本実施形態では、高圧タービン２１、中圧タービン２２、低圧タービン２３、及び発電機２４の回転軸が連結されて１つのタービン軸２０を構成する形としているが、このような構成に限定されず、それぞれ少なくとも１つの蒸気タービンを備える２軸以上のタービン軸と、各タービン軸に連結された複数の発電機により汽力発電プラント１ａを構成してもよい。
低圧タービン２３の下部に、低圧タービン２３から排出されるタービン蒸気（低圧タービン２３からの排気蒸気（低圧排気蒸気））を冷却し凝縮させて復水２７とする復水器２６が設けられている。復水器２６から排出された復水２７は、復水ポンプ３１によりライン２８の下流側へ送られ、給水ポンプ３４によりライン３３を介してボイラー６へ送られる。
図１に示すように、二酸化炭素回収プラント１ｂには、ボイラー６から排ガス５が供給され、この排ガス５に含まれる二酸化炭素を分離して回収する二酸化炭素分離回収装置４０が設けられている。二酸化炭素分離回収装置４０は、排ガス５に含まれる二酸化炭素を二酸化炭素吸収液に吸収させる吸収塔（図示せず）と、吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）が供給され、リッチ液から二酸化炭素ガスを放出させて水蒸気を含む二酸化炭素ガス４２を排出するとともに、吸収液を再生する再生塔（図示せず）とを備える。再生塔において再生された吸収液は、吸収塔に供給される。
二酸化炭素を吸収するために用いる吸収液は、アミン化合物を水に溶かしたアミン化合物水溶液を用いることができる。
再生塔にはリボイラー４１が設けられている。リボイラー４１は、再生塔に貯留されているリーン液（二酸化炭素の含有量の少ない再生された吸収液）の一部を加熱してその温度を上昇させて蒸気を生成し、再生塔に供給する。リボイラー４１においてリーン液を加熱する際、リーン液から二酸化炭素ガスが放出され、吸収液蒸気とともに再生塔に供給される。この吸収液蒸気は、再生塔内を上昇し、リッチ液を加熱する。これによりリッチ液から二酸化炭素ガスが放出される。リボイラー４１の熱源については後述する。
再生塔の頂部から排出される水蒸気含有二酸化炭素ガス４２はＣＯ２コンデンサ（凝縮器）５１へ供給される。ＣＯ２コンデンサ５１によって凝縮された水蒸気４３は、二酸化炭素分離回収装置４０の再生塔へ戻される。
ＣＯ２コンデンサ５１により純度が高められた二酸化炭素５２は、コンプレッサ５３、５４により、地中への圧入に適した高圧状態（例えば約８ＭＰａ）に圧縮される。コンプレッサ５３により圧縮された二酸化炭素５２は中間冷却器５５により冷却された後、コンプレッサ５４により圧縮される。また、コンプレッサ５４に圧縮された二酸化炭素５２は出口冷却器５６により冷却される。このように、中間冷却器５５、出口冷却器５６を設けることで、圧縮効率の向上を図ると共に、圧縮に伴い昇温した二酸化炭素５２から熱を回収することができる。
次に、リボイラー４１の熱源について説明する。図１に示すように、リボイラー４１には、高圧タービン２１、中圧タービン２２、又は低圧タービン２３の抽気蒸気又は排気蒸気が、減温器４４により二酸化炭素吸収液を加温するのに適切な温度まで減温されて、供給される。高圧タービン２１、中圧タービン２２、低圧タービン２３のうち、いずれからの蒸気を用いるかは、弁３７〜３９により切り替えることができる。
また、復水ポンプ３１の下流側においてライン２８から分岐させた冷却水（復水２７）が、出口冷却器５６及び中間冷却器５５にて二酸化炭素５２の熱を回収することで蒸気６０となり、この蒸気６０がリボイラー４１に供給される。例えば、コンプレッサ５３により圧縮された２００℃〜２５０℃の二酸化炭素５２が、中間冷却器５５において４０℃程度に冷却され、コンプレッサ５４により圧縮された２５０℃程度の二酸化炭素５２が出口冷却器５６において４０℃程度に冷却される。冷却水（復水２７）は、出口冷却器５６及び中間冷却器５５にて二酸化炭素５２の熱を回収することで１２０℃〜１３０℃の蒸気６０となる。
従って、リボイラー４１は、汽力発電プラント１ａ側（高圧タービン２１、中圧タービン２２、又は低圧タービン２３）から供給される蒸気と、復水２７の一部に二酸化炭素５２の圧縮に伴う熱を回収させることで生成される蒸気６０とを熱源としている。
リボイラー４１から排出された蒸気は、ドレンとして復水ポンプ３１と給水ポンプ３４との間におけるライン２８の適切な位置に合流される。
このように、本実施形態は、復水２７の一部を用いて出口冷却器５６及び中間冷却器５５にて二酸化炭素５２の熱を回収し、生成された蒸気６０をリボイラー４１の熱源としている。従って、二酸化炭素回収型汽力発電システム１は、二酸化炭素５２を地中に圧入する過程で発生する熱エネルギーを効率良く回収し、高い熱効率を実現することができる。
（第２の実施形態）図２に本発明の第２の実施形態に係る二酸化炭素回収型汽力発電システムの概略構成を示す。本実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、蒸気６０の一部を低圧タービン２３に供給する点が異なる。図２において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
冷却水（復水２７）が出口冷却器５６及び中間冷却器５５にて二酸化炭素５２の熱を回収することで生成された蒸気６０のうち、低圧タービン２３に供給された蒸気は、低圧タービン２３の駆動用蒸気として利用される。
このように、本実施形態では、二酸化炭素５２を地中に圧入する過程で発生する熱エネルギーを低圧タービン２３の駆動エネルギーに利用することで、汽力発電プラント１ａの出力を増加させることができる。従って、二酸化炭素回収型汽力発電システム１は、二酸化炭素５２を地中に圧入する過程で発生する熱エネルギーを効率良く回収し、高い熱効率を実現することができる。
（第３の実施形態）図３に本発明の第３の実施形態に係る二酸化炭素回収型汽力発電システムの概略構成を示す。本実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、蒸気６０の一部を、コンプレッサ５３、５４を駆動するタービン７０へ供給する点が異なる。図３において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
タービン７０は、コンプレッサ５３、５４と同軸上に接続され、コンプレッサ５３、５４を駆動する。
冷却水（復水２７）が出口冷却器５６及び中間冷却器５５にて二酸化炭素５２の熱を回収することで生成された蒸気６０のうち、タービン７０に供給された蒸気は、タービン７０の駆動用蒸気として利用される。タービン７０から排出される蒸気は、復水ポンプ３１と給水ポンプ３４との間におけるライン２８の適切な位置に合流される。
このように、本実施形態では、二酸化炭素５２を地中に圧入する過程で発生する熱エネルギーを、コンプレッサ５３、５４を駆動するタービン７０の駆動エネルギーに利用することで二酸化炭素圧縮の動力源とし、汽力発電プラント１ａの出力低下を防止することができる。従って、二酸化炭素回収型汽力発電システム１は、二酸化炭素５２を地中に圧入する過程で発生する熱エネルギーを効率良く回収し、高い熱効率を実現することができる。
上記第１〜第３の実施形態では、リボイラー４１で必要とされる蒸気の温度に基づいて、ライン２８から分岐して出口冷却器５６及び中間冷却器５５に供給される復水２７の流量を調整できるようにしてもよい。
上記第１〜第３の実施形態では、ライン２８から分岐した復水２７の一部が、出口冷却器５６及び中間冷却器５５において、二酸化炭素５２の熱を回収する構成を示したが、これとは別にライン２８から分岐した復水２７の一部が、ＣＯ２コンデンサ５１において水蒸気含有二酸化炭素ガス４２の熱を回収するようにしてもよい。ＣＯ２コンデンサ５１において二酸化炭素ガスの熱を回収した復水２７は、復水ポンプ３１と給水ポンプ３４との間におけるライン２８の適切な位置に戻される。図１〜図３に示す二酸化炭素回収型汽力発電システム１に、このような構成を適用した例を図４〜図６に示す。ＣＯ２コンデンサ５１に供給される水蒸気含有二酸化炭素ガス４２は１１０℃程度あるため、この熱を回収することで、二酸化炭素回収型汽力発電システムの熱効率をさらに高めることができる。
上記実施形態では、二酸化炭素を圧縮するコンプレッサ及び圧縮された二酸化炭素を冷却する冷却器をそれぞれ２つ設ける構成を示したが、これらはそれぞれ１つでも良いし、３つ以上でもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１ 二酸化炭素回収型汽力発電システム
１ａ 汽力発電プラント
１ｂ 二酸化炭素回収プラント
４ タービン蒸気
５ 排ガス
６ ボイラー
９ 過熱器
１０ 再熱器
２０ タービン軸
２１ 高圧タービン
２２ 中圧タービン
２３ 低圧タービン
２４ 発電機
２６ 復水器
２７ 復水
３１ 復水ポンプ
３４ 給水ポンプ
３７〜３９ 弁
４０ 二酸化炭素分離回収装置
４１ リボイラー
４２ 水蒸気含有二酸化炭素ガス
４４ 減温器
５１ ＣＯ２コンデンサ
５２ 二酸化炭素
５３、５４ コンプレッサ
５５ 中間冷却器
５６ 出口冷却器
６０ 蒸気
７０ タービン

Claims (11)

  1. 燃料を燃焼して蒸気を生成して排ガスを発生させるボイラーと、
    前記ボイラーから前記排ガスが供給され、この排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、
    前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、この吸収液から二酸化炭素ガスを放出させ、この二酸化炭素ガスを排出する再生塔と、
    前記再生塔からの吸収液を加熱し、発生させた蒸気を前記再生塔に供給するリボイラーと、
    前記ボイラーから蒸気が供給されて回転駆動するタービンと、
    前記タービンからの排気蒸気を冷却して復水を生成する復水器と、
    前記復水をラインへ送り出す復水ポンプと、
    前記ラインに設けられ、前記ボイラーへの給水を行う給水ポンプと、
    前記二酸化炭素ガスを圧縮するコンプレッサと、
    前記復水の一部が供給され、この復水を冷却水として、前記コンプレッサにより圧縮された二酸化炭素ガスを冷却する冷却器と、
    を備え、
    前記リボイラーは、前記タービンからの蒸気と、前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気とが供給され、
    前記ボイラーは主蒸気を発生させる過熱器及び再熱蒸気を発生させる再熱器を有し、
    前記タービンは、前記主蒸気が供給されて回転駆動する高圧タービン、前記再熱蒸気が供給されて回転駆動する中圧タービン、及び前記中圧タービンからの排気蒸気が供給されて回転駆動する低圧タービンを有し、
    前記リボイラーは、前記高圧タービン、前記中圧タービン、又は前記低圧タービンからの蒸気が減温されて供給され、
    前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気の一部が前記低圧タービンに供給されることを特徴とする二酸化炭素回収型汽力発電システム。
  2. 前記コンプレッサを駆動する駆動タービンをさらに備え、
    前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気の一部が前記駆動タービンに供給されることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素回収型汽力発電システム。
  3. 前記冷却器により冷却された二酸化炭素ガスを圧縮する第２コンプレッサと、
    前記復水の一部が供給され、この復水を冷却水として、前記第２コンプレッサにより圧縮された二酸化炭素ガスを冷却する第２冷却器と、
    をさらに備え、
    前記復水の一部が前記第２冷却器において二酸化炭素ガスを冷却した後、前記冷却器において二酸化炭素ガスを冷却することで生成される蒸気が前記リボイラーに供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の二酸化炭素回収型汽力発電システム。
  4. 前記リボイラーの排出蒸気は、前記復水ポンプと前記給水ポンプとの間で前記復水に合流することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の二酸化炭素回収型汽力発電システム。
  5. 燃料を燃焼して蒸気を生成して排ガスを発生させるボイラーと、
    前記ボイラーから前記排ガスが供給され、この排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、
    前記吸収塔から二酸化炭素を吸収した吸収液が供給され、この吸収液から二酸化炭素ガスを放出させ、この二酸化炭素ガスを排出する再生塔と、
    前記再生塔からの吸収液を加熱し、発生させた蒸気を前記再生塔に供給するリボイラーと、
    前記ボイラーから蒸気が供給されて回転駆動するタービンと、
    前記タービンからの排気蒸気を冷却して復水を生成する復水器と、
    前記復水をラインへ送り出す復水ポンプと、
    前記ラインに設けられ、前記ボイラーへの給水を行う給水ポンプと、
    前記二酸化炭素ガスを圧縮するコンプレッサと、
    前記復水の一部が供給され、この復水を冷却水として、前記コンプレッサにより圧縮された二酸化炭素ガスを冷却する冷却器と、
    前記コンプレッサを駆動する駆動タービンと、
    を備え、
    前記リボイラーは、前記タービンからの蒸気と、前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気とが供給され、
    前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気の一部が前記駆動タービンに供給されることを特徴とする二酸化炭素回収型汽力発電システム。
  6. 前記ボイラーは主蒸気を発生させる過熱器及び再熱蒸気を発生させる再熱器を有し、
    前記タービンは、前記主蒸気が供給されて回転駆動する高圧タービン、前記再熱蒸気が供給されて回転駆動する中圧タービン、及び前記中圧タービンからの排気蒸気が供給されて回転駆動する低圧タービンを有し、
    前記リボイラーは、前記高圧タービン、前記中圧タービン、又は前記低圧タービンからの蒸気が減温されて供給されることを特徴とする請求項５に記載の二酸化炭素回収型気力発電システム。
  7. 前記冷却器により冷却された二酸化炭素ガスを圧縮する第２コンプレッサと、
    前記復水の一部が供給され、この復水を冷却水として、前記第２コンプレッサにより圧縮された二酸化炭素ガスを冷却する第２冷却器と、
    をさらに備え、
    前記復水の一部が前記第２冷却器において二酸化炭素ガスを冷却した後、前記冷却器において二酸化炭素ガスを冷却することで生成される蒸気が前記リボイラーに供給されることを特徴とする請求項５または６に記載の二酸化炭素回収型汽力発電システム。
  8. 前記リボイラーの排出蒸気は、前記復水ポンプと前記給水ポンプとの間で前記復水に合流することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の二酸化炭素回収型汽力発電システム。
  9. ボイラーが、タービンを駆動する蒸気を生成すると共に排ガスを発生させる工程と、
    吸収塔において、前記ボイラーから排出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工程と、
    再生塔において、二酸化炭素を吸収した前記吸収液から二酸化炭素ガスを放出させ、この二酸化炭素ガスを排出する工程と、
    リボイラーが、前記再生塔からの吸収液を加熱し、発生させた蒸気を前記再生塔に供給する工程と、
    前記タービンからの蒸気を減温して前記リボイラーに供給する工程と、
    復水器が前記タービンからの排気蒸気を冷却して復水を生成する工程と、
    コンプレッサが前記二酸化炭素ガスを圧縮する工程と、
    冷却器が、前記復水の一部を冷却水として、圧縮された二酸化炭素ガスを冷却する工程と、
    前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気を前記リボイラーに供給する工程と、
    前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気の一部を前記タービンに供給する工程と、
    を備えることを特徴とする二酸化炭素回収方法。
  10. 前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気の一部を、前記コンプレッサを駆動する駆動タービンに供給する工程をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の二酸化炭素回収方法。
  11. ボイラーが、タービンを駆動する蒸気を生成すると共に排ガスを発生させる工程と、
    吸収塔において、前記ボイラーから排出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工程と、
    再生塔において、二酸化炭素を吸収した前記吸収液から二酸化炭素ガスを放出させ、この二酸化炭素ガスを排出する工程と、
    リボイラーが、前記再生塔からの吸収液を加熱し、発生させた蒸気を前記再生塔に供給する工程と、
    前記タービンからの蒸気を減温して前記リボイラーに供給する工程と、
    復水器が前記タービンからの排気蒸気を冷却して復水を生成する工程と、
    コンプレッサが前記二酸化炭素ガスを圧縮する工程と、
    冷却器が、前記復水の一部を冷却水として、圧縮された二酸化炭素ガスを冷却する工程と、
    前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気を前記リボイラーに供給する工程と、
    前記冷却器における二酸化炭素ガスの冷却により生成される蒸気の一部を、前記コンプレッサを駆動する駆動タービンに供給する工程と、
    を備えることを特徴とする二酸化炭素回収方法。
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