JP5762253B2

JP5762253B2 - Ｃｏ２化学吸収システムの制御方法

Info

Publication number: JP5762253B2
Application number: JP2011245399A
Authority: JP
Inventors: 秀昭東; 島村　潤; 潤島村; 正治倉本
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: JP2013099727A

Description

本発明は、CO₂化学吸収システムの制御方法に係り、特に蒸留式リクレーマを運用する場合に、蒸留式リクレーマの運転開始・停止及びリボイラ運転を連動させる制御方法に関するものである。

近年、火力発電設備やボイラ設備では、多量の石炭及び重油等を燃料として用いており、大気汚染、地球温暖化の見地から、これらの燃料を燃焼させたときに発生する二酸化炭素(CO₂)の大気への大量排出が問題になっており、CO₂排出抑制について世界的に検討されている。排ガス中のCO₂の分離回収技術のひとつとして、アルカノールアミン水溶液をCO₂の吸収液に用いる化学吸収法が広く知られている。

従来のCO₂化学吸収システムを含む発電プラントの一例を図３に示す。この発電プラントは、主にボイラ1、脱硝装置2、エアヒータ3、電気集塵装置4、脱硫装置5、プレスクラバー10、CO₂吸収塔20、再生塔40、リボイラ60等から構成される。ボイラ１から排出される、石炭等の化石燃料の燃焼排ガスは脱硝装置２で窒素酸化物を除去した後、エアヒータ３で熱交換され、例えば120〜170℃に冷却される。エアヒータ３を通過した排ガスは電気集塵機４で排ガス中のばいじん除去され、さらに脱硫装置５で硫黄酸化物(SO₂)が除去される。脱硫装置５出口排ガス中には数十ppm程度のSO₂が残存するのが通例であるが、残存SO₂によりCO₂吸収塔20内のCO₂吸収液が劣化するのを防止するため、CO₂化学吸収設備の前処理設備としてプレスクラバー10が設置され、残存SO₂を極力低減(例えば10ppm以下)するのが一般的である。

CO₂吸収塔20は、主に充填層21と吸収液供給部22、水洗部24、水洗水供給部25、デミスタ26、水洗水溜め部27、冷却器28、水洗ポンプ29で構成される。排ガス中に含まれるCO₂は、充填層21において、CO₂吸収塔20上部の吸収液供給部22から供給されるCO₂吸収液との気液接触により、CO₂吸収液中へ吸収される。水洗部24では、吸収反応時の発熱により温度が上昇した脱CO₂ガスの冷却及びガスに同伴するミストを除去する。また、冷却器28によって冷却された水洗水は、水洗ポンプ29によって循環使用される。水洗部24上部に設置されたデミスタ26により、ガス中に同伴されたミストを再度除去されたガスは、処理ガス37(脱CO₂ガス)として排出される。

CO₂を吸収した吸収液は、吸収塔20下部の液溜めから吸収塔抜出しポンプ33により抜き出され、熱交換器34によって昇温後、再生塔40に送液される。再生塔40内では、供給部42からCO₂をリッチに含む吸収液が、充填層41に供給される。一方、再生塔40底部には、リボイラ60から吸収液蒸気供給配管65を介して蒸気が供給される。充填層41において、CO₂をリッチに含む吸収液が底部より上昇してくる蒸気と気液接触することにより、吸収液中から気相中へCO₂が脱気される。脱気したCO₂ガス中には、一部吸収液ミストが同伴されるが、水洗部43で該ミストが除去される。水洗部43上部にはデミスタ45が設置され、ガス中に同伴されたミストを再度除去した後、CO₂ガス46として再生塔40上部より排出される。その後、CO₂ガスは冷却器47によって冷却され、CO₂分離器48でガスと凝縮水に分離され、CO₂ガスは(図に示していない)CO₂液化設備へ導入され、凝縮した水はドレンポンプ50によって水洗スプレ部44に供給される。

一方、CO₂を脱気したCO₂吸収液は、再生塔液溜め部51に溜められた後、リボイラ液供給配管52を通ってリボイラ60に送液される。リボイラ60内部には伝熱管等が設置されており、CO₂吸収液が蒸気供給配管を介して供給される蒸気62で間接加熱されることにより、リボイラ60内部では吸収液蒸気が発生し、該吸収液蒸気が吸収液蒸気供給配管65を通って、再生塔40に供給される。リボイラ60にて使用した蒸気は伝熱管中でドレンとなり回収される。再生塔40底部の液溜め部に溜められたCO₂吸収液は、再生塔液抜出し配管66を介して、熱交換器34及び冷却器30によって減温された後、CO₂吸収塔22に供給される。

一方、吸収塔20に供給される排ガスに僅かに混入するSO₂のほとんどはCO₂吸収液と反応し、熱安定性塩（Heat Stable Salt、以下 HSSと略す）を形成する。HSSは吸収液に溶存するが、これにより吸収液のCO₂との反応性が失われ、かつこの反応は不可逆である。したがって、HSSの濃度が上昇すればするほどアミンとCO₂の平衡関係が崩れるため、CO₂再生エネルギーが増加していく。そこで、このHSSを除去するため、リクレーマシステムが使用される。例えば蒸留式リクレーマを設置する場合、HSSを含んだCO₂吸収液の一部はリクレーマ70に供給され、その過程において中和剤を添加することでHSSはアミンと中和塩に分離される。さらに蒸気73の供給に伴う加熱により、再生されたCO₂吸収液は蒸発し、再生塔40へ戻され、残余物はタンク81に排出される。

従来のリクレーマ70の運転は、例えばCO₂吸収液循環ライン67に設けられた計測座90においてHSS濃度を測定し、その濃度が基準値（例えばSO₄ ^2-が2wt%）以上となった場合、リボイラ60とは別にリクレーマ70に蒸気を供給することで運転開始していた。またリクレーマ70の停止も同様にHSS濃度が基準値（例えばSO₄ ^2-が1wt%）以下となった場合に停止していた。

上記従来技術では、CO₂吸収液中のHSS濃度の低減のためリクレーマを運転する際、リボイラへの蒸気供給とは別にリクレーマに追加的に蒸気を供給しており、プラント全体の蒸気使用量が増大するため、結果としてプラントのエネルギー損失を増大させていた。

本発明の課題は、上記従来技術の問題を解決し、リクレーマ運転のための追加的な蒸気消費量を削減するCO₂化学吸収システムの制御方法を提供することである。

上述した課題は、上記CO₂化学吸収システムにおけるリクレーマ運転と連動してリボイラへの蒸気供給量を調節することで、蒸気消費量の増減を抑えることによって達成される。すなわち、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）化石燃料の燃焼装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を排煙脱硫装置で除去した後、二酸化炭素（CO₂）吸収塔内でCO₂吸収液と接触させて排ガス中のCO₂を吸収し、次いで該CO₂を吸収したCO ₂吸収液を再生塔内で加熱してCO₂を離脱させ、該CO₂離脱後の排ガスを冷却して凝縮水を分離し、分離した凝縮水を前記再生塔に循環させる一方、該CO₂離脱後のCO ₂吸収液をリボイラを介して昇温した後、再生塔に循環すると共に、再生塔から抜き出したCO₂吸収液を該再生塔に供給するCO₂吸収液と熱交換した後、前記吸収塔に循環するCO₂化学吸収設備と、該再生塔からCO₂吸収液を抜き出し、該CO₂吸収液中に蓄積した熱安定性塩（HSS）を蒸留法によって除去した後、発生したCO₂吸収液の蒸気を前記再生塔に供給する伝熱面を有した蒸気式リクレーマとを有するCO₂化学吸収システムの制御方法であって、
前記再生塔から抜き出されたCO₂吸収液中のHSS濃度を測定し、該濃度が所定値を越えたときに、前記蒸気式リクレーマへのCO ₂吸収液の供給を開始し、
前記蒸気式リクレーマの伝熱面がCO ₂ 吸収液に含浸されていることを確認後に、蒸気供給ラインから前記蒸気式リクレーマ内への蒸気供給を開始し、
次いで蒸気式リクレーマでのCO ₂ 吸収液の蒸発を確認後に、CO₂吸収液蒸気出口ラインから前記再生塔へCO ₂ 吸収液蒸気を供給し、
これに伴い蒸気式リクレーマから再生塔への供給熱量を基準とした分、リボイラから再生塔への供給熱量を低下させるように、リボイラへの供給蒸気量を減少させる
ことを特徴とするCO₂化学吸収システムの制御方法。
（２）蒸気式リクレーマでのCO₂吸収液の蒸発の確認を、蒸気式リクレーマから再生塔へのラインに設けられた圧力計の指示値が再生塔内圧力と同じになることで検知し、
CO ₂ 吸収液蒸気の再生塔への供給を、蒸気式リクレーマから再生塔へのラインに設けられた弁の開度で調整し、且つ
リボイラへの供給蒸気量の減少を、蒸気式リクレーマから再生塔への吸収液蒸気供給量が定常的になった時に、リボイラおよび蒸気式リクレーマから再生塔への供給熱量がバランスするように、リボイラへの蒸気配管に設けられた弁の開度を調整することにより行う
ことを特徴とする（１）に記載の方法。
（３）CO₂吸収液中のHSS濃度が所定値以下になったときに、リボイラへの蒸気配管に設けられた弁の開度を大きくすることにより、リボイラへの供給蒸気量を蒸気式リクレーマ運転前の状態まで回復させ、
これに伴い蒸気式リクレーマへの蒸気供給ラインの弁を閉止し、蒸気式リクレーマへのCO₂吸収液供給ラインの弁を閉止する
ことを特徴とする（１）または（２）に記載の方法。

本発明では、CO₂吸収液中のHSS濃度が一定以上となった場合、リクレーマへCO₂吸収液および蒸気の供給が開始され、これに連動してリボイラへの蒸気供給量を低減することで、リクレーマ運転の際のCO₂化学吸収設備全体としての追加的蒸気消費量を低減する。また、CO₂吸収液中のHSS濃度が一定以下となった場合、リクレーマへのCO₂吸収液および蒸気の供給が停止され、これに連動してリボイラへの蒸気供給量を回復させる。以上の作用によりリクレーマの運転中のCO₂化学吸収設備全体としての蒸気消費量について、本発明実施後は、実施前より低減可能である。

本発明によれば、リクレーマ運転に伴うCO₂化学吸収システムへの蒸気供給量の増大を抑制することができ、エネルギー消費量削減につながる。またCO₂化学吸収設備への蒸気供給元であるボイラ・タービン・発電システムの負荷変動を抑えることができるため、結果としてプラントの安定的な運転に寄与する。また、pH計測によってリクレーマの運転開始及び停止に伴う一連のシステム制御を自動で行うことができるため、労働力の削減に伴う人件費削減が図れ、さらにHSS濃度の連続的な監視に伴うHSS濃度過剰を防ぐことによる性能信頼性向上の効果がある。

本発明の実施例を示すCO₂化学吸収システムの系統図。本発明の他の実施例を示すCO₂化学吸収システムの系統図。従来のCO₂化学吸収システムの系統図。 CO₂化学吸収システム設備運転時間の経過に伴う、CO₂吸収液中のHSS濃度と、CO₂吸収液中のpHの挙動を表した図。本発明を実施した場合の、リボイラから再生塔への吸収液蒸気の供給量と、リクレーマから再生塔への吸収液蒸気の供給量の時間的変化を模式的に表した図。

本発明による実施例を図１に示す。本発明は、システム構成としては従来技術と同様であるが、リクレーマ70およびリボイラ60の制御を連動させていることが従来技術と異なる。

CO₂吸収液循環ライン67に設けられた計測座90においてHSS濃度を測定し、CO₂吸収液中のHSS濃度が基準値（例えば2wt%等）以上に達すると制御盤93のスイッチを作動させる。制御盤93からの信号により、リクレーマ70へのCO₂吸収液供給ライン71の弁74が開放され、リクレーマ70に吸収液が供給される。次にリクレーマ70内の液位がリクレーマ伝熱面を十分に含浸させる位置以上になったとき、液位計76の信号により蒸気供給ライン73の弁77が開き、蒸気がリクレーマ70に供給され、加熱が開始される。CO₂吸収液の蒸発によりリクレーマ70から再生塔40へのライン72に設けられた圧力計80の指示値が再生塔40内圧力と同じになったとき、リクレーマ70から再生塔40へのラインに設けられた弁79の開度が調整され、吸収液蒸気が再生塔40に供給される。次に図５に示すように、リクレーマ70から再生塔40への吸収液蒸気供給量が定常的になった時には、リボイラ60とリクレーマ70から再生塔40への供給熱量がバランスするように、リボイラ60への蒸気配管62に設けられた弁91の開度を調整してリボイラへの蒸気供給量を低下させることにより、リボイラ60から再生塔40への吸収液蒸気供給量を制御する。

リクレーマ70の運転によりCO₂吸収液中のHSS濃度が低下して一定値（例えば1wt％等）に達すると、制御盤93からの信号により、弁91の開度を大きくすることにより、リボイラ60への蒸気供給量をリクレーマ70運転前の状態まで回復させる。これに伴い、リクレーマ70への蒸気供給ライン73の弁77が閉まり、またリクレーマ70へのCO₂吸収液供給ライン71の弁74が閉まる。またリクレーマ70に設けられた温度計82の指示値が例えば60℃以下になると、リクレーマ70から再生塔40への供給ライン72に設けられた弁79が閉まる。

本発明による他の実施例を図２に示す。
図２に示した実施例は、図１に示した本発明の実施例と比較して、pH測定器94をCO₂吸収液循環ライン67に設置しており、図４に示すようなCO₂吸収液中のHSS濃度とpHの関係性を利用してHSS濃度を把握し、このpH値を制御盤93に送信することでリクレーマ70およびリボイラ60の運転を自動的に行うようにしたものである。pH測定は、システム内のCO₂吸収液のどの部分で実施してもかまわない。

1 ボイラ
2 脱硝装置
3 エアヒータ
4 電気集塵装置
5 脱硫装置
10 プレスクラバー
20 CO₂吸収塔
34 熱交換器
40 再生塔
60 リボイラ
70 リクレーマ
72 リクレーマから再生塔への吸収液蒸気供給ライン
73 リクレーマへの水蒸気供給ライン

Claims

化石燃料の燃焼装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を排煙脱硫装置で除去した後、二酸化炭素（CO₂）吸収塔内でCO₂吸収液と接触させて排ガス中のCO₂を吸収し、次いで該CO₂を吸収したCO ₂吸収液を再生塔内で加熱してCO₂を離脱させ、該CO₂離脱後の排ガスを冷却して凝縮水を分離し、分離した凝縮水を前記再生塔に循環させる一方、該CO₂離脱後のCO ₂吸収液をリボイラを介して昇温した後、再生塔に循環すると共に、再生塔から抜き出したCO₂吸収液を該再生塔に供給するCO₂吸収液と熱交換した後、前記吸収塔に循環するCO₂化学吸収設備と、該再生塔からCO₂吸収液を抜き出し、該CO₂吸収液中に蓄積した熱安定性塩（HSS）を蒸留法によって除去した後、発生したCO₂吸収液の蒸気を前記再生塔に供給する伝熱面を有した蒸気式リクレーマとを有するCO₂化学吸収システムの制御方法であって、
前記再生塔から抜き出されたCO₂吸収液中のHSS濃度を測定し、該濃度が所定値を越えたときに、前記蒸気式リクレーマへのCO ₂吸収液の供給を開始し、
前記蒸気式リクレーマの伝熱面がCO ₂ 吸収液に含浸されていることを確認後に、蒸気供給ラインから前記蒸気式リクレーマ内への蒸気供給を開始し、
次いで蒸気式リクレーマでのCO ₂ 吸収液の蒸発を確認後に、CO₂吸収液蒸気出口ラインから前記再生塔へCO ₂ 吸収液蒸気を供給し、
これに伴い蒸気式リクレーマから再生塔への供給熱量を基準とした分、リボイラから再生塔への供給熱量を低下させるように、リボイラへの供給蒸気量を減少させる
ことを特徴とするCO₂化学吸収システムの制御方法。
蒸気式リクレーマでのCO₂吸収液の蒸発の確認を、蒸気式リクレーマから再生塔へのラインに設けられた圧力計の指示値が再生塔内圧力と同じになることで検知し、
CO ₂ 吸収液蒸気の再生塔への供給を、蒸気式リクレーマから再生塔へのラインに設けられた弁の開度で調整し、且つ
リボイラへの供給蒸気量の減少を、蒸気式リクレーマから再生塔への吸収液蒸気供給量が定常的になった時に、リボイラおよび蒸気式リクレーマから再生塔への供給熱量がバランスするように、リボイラへの蒸気配管に設けられた弁の開度を調整することにより行う
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
CO₂吸収液中のHSS濃度が所定値以下になったときに、リボイラへの蒸気配管に設けられた弁の開度を大きくすることにより、リボイラへの供給蒸気量を蒸気式リクレーマ運転前の状態まで回復させ、
これに伴い蒸気式リクレーマへの蒸気供給ラインの弁を閉止し、蒸気式リクレーマへのCO₂吸収液供給ラインの弁を閉止する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。