JPWO2014058007A1 - 二酸化炭素回収システム - Google Patents

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Abstract

発電所の負荷変動が生じた場合でも、圧縮機に安定した動力を供給することを目的とする。CO回収システム(10)は、CO回収装置(11)によって除去された回収COを圧縮するCO圧縮機(12)と、CO圧縮機(12)に動力を与える蒸気タービン(13)と、蒸気タービン(13)による動力が不足した場合に不足動力分をCO圧縮機に与える補助モータ(14)とを備える。

Description

本発明は、火力発電所等、ボイラやガスタービン等を備えた設備で生じる排ガス中から二酸化炭素(CO)を回収する二酸化炭素回収システムに関するものである。
地球温暖化の抑制のため、COの発生を抑制することが望まれている。これに伴い、火力発電所等、燃料を燃焼させるボイラやガスタービン等を備えた設備においても、設備の稼動時に発生する排ガスにCOが含まれるため、その排出量抑制が強く要請されている。
このような設備においてCOの排出量を抑制するため、例えば、燃料を燃焼させるボイラやガスタービン等からの排ガスを、アミン系の吸収液(以下、「CO吸収液」という。)に接触させることによって、排ガス中に含まれるCOを吸収するアミン吸収法が用いられている。さらに、近年では、排ガスからCOを吸収した後のCO吸収液からCOを回収し、回収したCOを地中等に圧入して貯蔵する方法等が提案されている。
CO吸収液から回収したCOを圧縮する方法として、例えば、発電所で発電に用いられた排出蒸気を用いて蒸気タービンを回転させ、この蒸気タービンの回転動力により圧縮機を駆動して、COを圧縮する方法が知られている(特許文献1,2参照)。
特許第2792777号公報 特許第4274846号公報
圧縮機を駆動するための蒸気タービンに用いられる排出蒸気は、発電所内で発電に用いられる高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービンの排出蒸気であり、これらの排出蒸気の圧力は、発電所の負荷変動によって変化する。
従って、負荷変動により排出蒸気の圧力が低下した場合には、上記蒸気タービンの動力が低下し、圧縮機の動力不足が生ずるおそれがあった。圧縮機の動力不足が発生すると、圧縮機の回転数が低下してしまう。これにより、例えば、CO吸収液から回収した全てのCOを圧縮機で圧縮することができず、せっかく回収したCOの一部を大気に放出しなければならなかった。または、圧縮機の動力に合わせて発電用蒸気タービンから排出蒸気を供給した場合、圧縮機の蒸気タービンより排出される低圧蒸気はCO回収システムにおいて必要な低圧蒸気量より多くなり、余った低圧蒸気を凝縮する為の冷却機が必要となり、且つCO回収・圧縮したことによる発電所の発電出力低下が大きくなる。
本発明は、発電所の負荷変動が生じた場合でも、圧縮機に安定且つ経済的に動力を供給することのできる二酸化炭素回収システムを提供することを目的とする。
本発明の第1態様は、発電に用いられる発電用蒸気タービンと、発電所内で発生した排ガス中のCOを吸収除去するCO回収装置と、前記CO回収装置によって除去された回収COを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を駆動するための圧縮機用蒸気タービンと、前記圧縮機用蒸気タービンによる前記圧縮機の動力をアシストする補助モータと、前記補助モータを制御するモータ制御部と、前記圧縮機の回転数を計測する回転数センサとを具備し、前記圧縮機用蒸気タービンは、前記発電用蒸気タービンから排出された排出蒸気により駆動され、前記モータ制御部は、前記回転数センサによって計測される回転数が所定の回転数で一定となるように、前記補助モータを制御する二酸化炭素回収システムである。
本発明によれば、発電所の負荷変動が生じた場合でも、CO吸収液から回収した全てのCOを経済的に圧縮機で圧縮することができるという効果を奏する。
本発明の第1実施形態に係るCO回収システムが適用される蒸気発電システムの概略構成を示した図である。 本発明の第1実施形態に係るCO回収システムの概略構成を示した図である。 図2に示したCO回収装置の一構成例を示した図である。 発電所負荷、蒸気タービンに供給される蒸気圧力、蒸気タービンによって得られる動力、CO圧縮機の要求動力、補助モータの要求動力、およびCO回収装置におけるCO回収量の時間的推移の一例を示した図である。 本発明の第2実施形態に係るCO回収システムの概略構成を示した図である。 本発明の第3実施形態に係るCO回収システムの概略構成を示した図である。
以下、本発明の各実施形態に係る二酸化炭素回収システム(以下「CO回収システム」という。)について、図を用いて説明する。
〔第1実施形態〕
図1は本発明の第1実施形態に係るCO回収システムが適用される発電システムの概略構成を示した図である。
図1に示すように、発電システム1は、排ガスボイラ(HRSG:Heat Recovery Steam Generator)2、高圧蒸気タービン3、低圧蒸気タービン4、復水器5、低圧給水加熱器6、脱気器7、高圧給水加熱器8、及び二酸化炭素回収システム10を主な構成として備えている。
このような発電システム1において、排ガスボイラ2には図示しないガスタービン設備などからの排ガスが供給され、この排ガスの熱を利用して蒸気が発生させられる。排ガスボイラ2において発生した蒸気は、高圧蒸気タービン3に供給され、発電に用いられる。高圧蒸気タービン3を駆動した排出蒸気は、低圧蒸気タービン4に供給され、発電に用いられた後、復水器5に送られる。復水器5において凝縮された復水は、低圧給水加熱器6、脱気器7、高圧給水加熱器8を経由して、排ガスボイラ2に送られる。
高圧蒸気タービン3から低圧蒸気タービン4へ蒸気を送るための蒸気配管L1には、蒸気の一部をボイラ給水ポンプ駆動用タービン(BFPT:Boiler Feed Pump Turbine)9に送るための蒸気配管L2、蒸気の一部をCO回収システム10に送るための蒸気配管L3が接続されている。
CO回収システム10は、図2に示すように、CO回収装置11、CO圧縮機12、CO圧縮機12を駆動するための蒸気タービン13、CO圧縮機12の駆動を補助するための補助モータ14、及び補助モータ14を制御するためのモータ制御部15を主な構成として備えている。
蒸気配管L3を経由してCO回収システム10に供給される蒸気は、蒸気タービン13に送られ、蒸気タービン13の駆動源として用いられる。蒸気タービン13で仕事をした後の蒸気は、蒸気配管L7を通じてCO回収装置11内へ送られ、後述するリボイラ45(図3参照)における熱交換に用いられる。
CO回収装置11は、図3に示すように、排ガスを冷却する冷却塔21と、CO吸収液により排ガス中からCOを吸収して回収する吸収塔22と、COを吸収したCO吸収液からCOを取り出すとともに、CO吸収液を再生する再生塔23とを備えている。
CO回収装置11において、冷却塔21には、例えば、排ガスボイラ2や図示しないガスタービン設備等から排出された、COを含有する排ガスが供給される。冷却塔21へ供給された排ガスは、ノズル31から噴射された冷却水によって冷却される。冷却塔21において冷却された、COを含有する排ガスは、冷却塔21の頂部32から吸収塔22の塔底部33に、排ガスラインG1を介して送られる。
吸収塔22では、CO吸収液が、吸収塔22の上部に設けられたノズル34に供給され、このノズル34から吸収塔22内の下方に向けて噴射されている。CO吸収液としては、例えば、アルカノールアミンをベースとするアミン溶液が用いられる。このCO吸収液は、吸収塔22においてノズル34の下方空間に設けられた充填剤S1を通過する間に、塔底部33から上昇してくる排ガスと対向流接触される。これにより排ガス中のCOはCO吸収液に吸収される。これにより、排ガスからCOが除去される。ここで、COが除去された排ガスを浄化ガスと言う。浄化ガスは、吸収塔22の塔頂部35から排出される。
ここで、CO吸収液は、COが吸収されることによって発熱して液温が上昇するため、浄化ガスには水蒸気等が含まれ得る。吸収塔22の上部には、ミストエリミネータ36が設けられており、このミストエリミネータ36により、浄化ガスに含まれる水蒸気等を凝縮して浄化ガスから分離除去することで、吸収塔22外部への漏出が抑制されている。
吸収塔22の充填剤S1を上方から下方に向けて通過する間にCOを吸収したCO吸収液(以下、「リッチ溶液」という)は、塔底部33に貯留される。貯留されたリッチ溶液は、ポンプ37により、吸収塔22の塔底部33と再生塔23の上部とを接続する送液ラインL5を通して、再生塔23へと送られる。送液ラインL5には、熱交換器38が設けられている。この熱交換器38においては、後述の再生塔23で再生されて冷却されたCO吸収液(以下、「リーン溶液」という。)と熱交換することで、吸収塔22から再生塔23に送られるリッチ溶液が加熱されるようになっている。
再生塔23内には、その上部にノズル39が設けられ、このノズル39から、熱交換器38で加熱されたリッチ溶液が下方に向けて噴射される。
ノズル39の下方には、充填剤S2が設けられており、リッチ溶液は、再生塔23において、加熱された充填剤S2を通過する間の対向流接触による吸熱反応によりCOが放出される。リッチ溶液が、再生塔23の塔底部40に至る頃には、大部分のCOが除去され、リーン溶液として再生される。
また、再生塔23の塔底部40には、リーン溶液の一部を塔底部40の上方に循環させる循環路L6が設けられている。循環路L6には、リボイラ45が付設されている。このリボイラ45には、リーン溶液を加熱するための蒸気配管L7が備えられている。
塔底部40のリーン溶液の一部は、循環路L6を通してリボイラ45に供給され、蒸気配管L7内を通る高温蒸気との熱交換によって加熱された後に再生塔23内へ還流される。ここで、蒸気配管L7により供給される高温蒸気は、図2に示した蒸気タービン13において仕事をした後の蒸気である。すなわち、蒸気タービン13から排出された蒸気は、蒸気配管L7によりリボイラ45に送られ、ここでリーン溶液と熱交換を行うことにより、リーン溶液を加熱する。
加熱後のリーン溶液の熱エネルギーによって、塔底部40のリーン溶液からCOガスがさらに放出される。また、リーン溶液の加熱により、充填剤S2も間接的に加熱され、上述したように、この充填剤S2での気液接触の間にリッチ溶液からCOガスが放出される。
このようにして、再生塔23でCOガスを放出して再生されたリーン溶液は、再生塔23の塔底部40と吸収塔22の上部とを接続する送液ラインL8を通じてポンプ41によって吸収塔22に還流される。
送液ラインL8には、熱交換器38と、水冷式冷却器42とが設けられている。送液ラインL8を通るリーン溶液は、熱交換器38において、吸収塔22から再生塔23に供給されるリッチ溶液との間で熱交換して冷却され、更に、水冷式冷却器42によって、冷水との熱交換により、COの吸収に適した温度まで充分に冷却される。
再生塔23の塔頂部47には、CO送出配管L10が接続されている。再生塔23においてリッチ溶液から放出されたCO(以下、「回収CO」という。)は、CO送出配管L10を通じて、図2に示したCO圧縮機12へ送られる。
また、CO送出配管L10には、図示しない冷却器、気液分離器等が設けられており、気液分離器において回収CO中の凝縮水が分離され、分離された凝縮水は再生塔23に還流される。これにより、凝縮水が分離された回収COがCO圧縮機12に送られることとなる。
CO圧縮機12では、回収COが圧縮される。圧縮された回収COは、例えば、CO送出配管L11により貯留工程へと送出される。
CO回収システム10においては、図2に示すように、蒸気配管L3にガバナ(調速装置)19aが、蒸気配管L7に流量制御弁19bが設けられている。また、蒸気配管L3には、蒸気の圧力を計測するための圧力センサ18aが、蒸気配管L7にはリボイラ45に供給される蒸気流量F1を計測するための流量センサ18bが設けられている。
圧力センサ18aの計測圧力P1は、ガバナ制御部16に入力される。ガバナ制御部16は、計測圧力P1が予め設定された所定の目標圧力となるようにガバナ19aの開度を制御する。例えば、CO回収装置11に供給される蒸気量が一定の場合には、低圧蒸気タービン入口の蒸気圧が上昇するに伴って、ガバナ開度は閉じる方向に制御される。
流量センサ18bの計測流量F1は、流量制御部17に入力される。流量制御部17は、計測流量F1が予め設定された所定の目標流量となるように流量制御弁19bの開度を制御する。流量制御部17は、CO回収装置11に供給される蒸気量に基づいて流量制御弁19bの開度を制御する。
流量制御弁19bの開度が流量制御部17によって調整されることにより、CO回収装置11のリボイラ45に供給される低圧蒸気の流量が調整される。これにより、CO回収装置11におけるCO分解量が調整され、CO回収装置11からCO送出配管L10を通じて排出される回収COの流量が調整されることとなる。
また、CO回収装置11からCO圧縮機12へ回収COを送出するCO送出配管L10には、回収COの圧力P2を計測するための圧力センサ18cが設けられている。また、CO圧縮機12には、回転数R1を検出するための回転数センサ18dが設けられている。
例えば、モータ制御部15は、計測回転数R1が所定の目標回転数になるように、補助モータ14を制御する。また、モータ制御部15は、計測回転数R1が所定の目標回転数よりも大きい場合には、計測圧力P2が所定の目標圧力になるように補助モータ14を制御し、計測回転数R1が所定の目標回転数以下の場合には、計測回転数R1が所定の目標回転数になるように補助モータ14を制御することとしてもよい。或いは、モータ制御部15は、計測圧力P2が所定の目標圧力になるように、補助モータ14を制御することとしてもよい。
このような構成を備えるCO回収システム10においては、蒸気配管L1を通じて低圧蒸気タービン4(図1参照)へ供給される低圧蒸気(例えば、約4kg/cmG以上50kg/cmG以下)の一部が蒸気配管L3に分岐され、更に、ガバナ19aの開度がガバナ制御部16によって制御されることにより、蒸気タービン13に導かれる蒸気圧力及び蒸気量が調整される。このような低圧蒸気が蒸気タービン13に供給されることで、蒸気タービン13が回転させられ、この動力がCO圧縮機12へ伝達されることでCO圧縮機12が回転する。
蒸気タービン13駆動後の低圧蒸気(例えば、約3kg/cmG、約140℃)は、蒸気配管L7を介してCO回収装置11のリボイラ45に供給される。
これらの低圧蒸気は、リボイラ45にて凝縮された後、例えば、リボイラ復水ポンプ(図示略)によって昇圧され、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排ガスボイラ2(図1参照)に供給される。
一方、CO回収装置11で発生した回収COは、CO送出配管L10を介してCO圧縮機12に送られ、CO圧縮機12により圧縮される。
このとき、CO送出配管L10を流れる回収COの計測圧力P2及びCO圧縮機12の計測回転数に基づいて、CO圧縮機12の回転数が一定となるように、モータ制御部15により補助モータ14が制御される。
具体的には、CO圧縮機12の回転数R1が所定の回転数よりも低い場合、例えば、負荷変動などにより蒸気タービン13に供給される排出蒸気の圧力が低下し、蒸気タービン13の回転動力が、CO圧縮機12を所定の回転数で回転させるのに必要とされる動力未満となった場合には、モータ制御部15は、その動力不足分が補助モータ14からの動力で補われるように、補助モータ14を制御する。これにより、CO圧縮機12の回転数R1を一定に保つことが可能となる。
また、CO圧縮機12の回転数が所定の回転数で回転している場合、すなわち、蒸気タービン13の回転動力が、CO圧縮機12を一定回転数で回転させるのに必要とされる動力以上である場合には、モータ制御部15は補助モータ14を駆動させることなく、蒸気タービン13の動力のみでCO圧縮機12を駆動させる。
このような制御を行うことにより、排出蒸気のエネルギーを最大限に使用することができる。
CO圧縮機12により圧縮された回収COは、例えば、CO送出配管L11を通じて貯留工程へと送出される。
図4は、発電所負荷P、蒸気タービン13に供給される蒸気圧力S、蒸気タービン13によって得られる動力ST、CO圧縮機12の要求動力C、補助モータ14の要求動力M、およびCO回収装置11におけるCO回収量Aの時間的推移の一例を示した図である。
図4に示すように、発電所負荷Pが上昇している領域αでは、発電所負荷Pと同様に蒸気圧力S、CO回収量Aも増加する。
一方、蒸気タービン13の動力STは発電所負荷P等の増加に追従して徐々に増加する。また、CO圧縮機12の要求動力Cは、サージラインを回避するための最小要求動力で一定とされ、発電所負荷Pの上昇に応じてCO回収量Aが増加してくると、そのCO回収量Aに応じて徐々に増加する。そして、補助モータ14の要求動力Mは、CO圧縮機12の要求動力Cから蒸気タービン13の動力STを差し引いた値となる。
発電所負荷Pが最大負荷で一定となる領域βにおいては、同様に、蒸気圧力S、CO回収量Aも一定となる。また、これに伴い、蒸気タービン13の動力ST、CO圧縮機12の要求動力C、及び補助モータ14の要求動力Mも一定となる。
また、発電所負荷P等が最大負荷から降下する領域γにおいては、同様に、蒸気圧力S、CO回収量Aも低下する。また、蒸気タービン13の動力STは、蒸気圧力Sの低下に追従して徐々に低下する。CO圧縮機12の要求動力Cは、CO回収量Aの低下に伴い徐々に低下し、サージラインを回避するための最小要求動力に達すると、この値で一定となる。そして、このCO圧縮機12の要求動力Cに対する蒸気タービン13の動力不足分が補助モータ14からの動力により補われる。
以上説明したように、本実施形態に係るCO回収システム10によれば、発電所の負荷変動によって蒸気タービン13に供給される排出蒸気の圧力が低下することにより、CO圧縮機12の動力が不足した場合であっても、その不足分が補助モータ14の動力によりアシストされる。したがって、負荷変動が生じた場合でも、負荷変動に追従して補助モータ14が駆動されることにより、CO圧縮機12の動力不足を回避することができ、CO圧縮機12を一定の回転数で回転させることができる。これにより、CO回収装置11において発生した全ての回収COをCO圧縮機12において圧縮することが可能となる。
更に、本実施形態に係るCO回収システム10によれば、蒸気タービン13は、発電用に設けられた高圧蒸気タービン3(図1参照)から排出された排出蒸気を用いて駆動されるので、排出蒸気を効果的に利用することができる。更に、蒸気タービン13で用いられた排出蒸気を更にCO回収装置11におけるリボイラ45で利用することにより、更に、排出蒸気を効果的に利用することができる。
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態に係るCO回収システムについて図を参照して説明する。本実施形態に係るCO回収システムは、図5に示すように、図2に示したCO回収システムに対して、CO圧縮機にCOの吸い込み量を調節する流量調節弁51を更に備える構成とされている。本実施形態において、流量制御部52は、圧力センサ18cによる計測圧力P2が所定の目標圧力になるように流量調節弁51の弁開度を制御する。
〔第3実施形態〕
次に、本発明の第3実施形態に係るCO回収システムについて図を参照して説明する。本実施形態に係るCO回収システムは、図6に示すように、CO圧縮機12から出力される圧縮回収COの圧力P3を計測する圧力センサ18eを更に有する点、モータ制御部15´が圧力センサ18eによって計測された計測圧力P3を考慮して補助モータ14の制御を行う点で、上述した第2実施形態に係るCO回収システムと異なる。
本実施形態において、モータ制御部15´は、圧力センサ18eからの計測圧力P3が所定の目標圧力になるように、補助モータ14を制御する。
なお、本発明のCO回収システムが適用される発電所の構成は、図1に示したものに限るものではなく、適宜他の構成による発電所にも広く適用することができる。また、CO回収装置11の構成についても図3に示した構成に限られることなく、適宜他の構成に変更することが可能である。
これ以外にも、本発明の主旨の範囲内であれば、上記実施形態で挙げた構成を適宜変更、省略することが可能である。
1 発電システム
2 排ガスボイラ
3 高圧蒸気タービン
4 低圧蒸気タービン
5 復水器
10 CO回収システム
11 CO回収装置
12 CO圧縮機
13 蒸気タービン
14 補助モータ
15、15´ モータ制御部
16 ガバナ制御部
17 流量制御部
18a、18c、18e 圧力センサ
18b 流量センサ
18d 回転数センサ
19a ガバナ
19b 流量制御弁
21 冷却塔
22 吸収塔
23 再生塔
45 リボイラ
51 流量調整弁
52 抽気量制御部
L1、L3、L7 蒸気配管
L10、L11 CO送出配管
本発明の第1態様は、排ガス中のCOを吸収除去するCO回収装置と、前記CO回収装置によって除去されたCOを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を駆動するための蒸気タービンと、前記蒸気タービンに蒸気を供給する第1蒸気配管と、前記蒸気タービンから排出された蒸気を前記CO 回収装置に供給する第2蒸気配管と、前記蒸気タービンから前記CO 回収装置に供給される蒸気の圧力が所定の目標値となるように蒸気圧力を制御する圧力制御部と、前記蒸気タービンから前記CO 回収装置に供給される蒸気の流量が所定の目標値となるように蒸気流量を制御する流量制御部と、記蒸気タービンによる前記圧縮機の動力をアシストする補助モータと、前記補助モータを制御するモータ制御部と、前記圧縮機の回転数を計測する回転数センサと具備し前記モータ制御部は、前記回転数センサによって計測される回転数が予め設定されている目標回転数以下である場合に、該回転数が前記目標回転数に一致するように前記補助モータを制御する二酸化炭素回収システムである。

Claims (5)

  1. 発電用に用いられる発電用蒸気タービンと、
    発電所内で発生した排ガス中のCOを吸収除去するCO回収装置と、
    前記CO回収装置によって除去されたCOを圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機を駆動するための圧縮機用蒸気タービンと、
    前記圧縮機用蒸気タービンによる前記圧縮機の動力をアシストする補助モータと、
    前記補助モータを制御するモータ制御部と、
    前記圧縮機の回転数を計測する回転数センサと
    を具備し、
    前記圧縮機用蒸気タービンは、前記発電用蒸気タービンから排出された排出蒸気により駆動され、
    前記モータ制御部は、前記回転数センサによって計測される回転数が予め設定されている目標回転数以下であった場合に、該回転数が前記目標回転数に一致するように前記補助モータを制御する二酸化炭素回収システム。
  2. 前記モータ制御部は、前記回転数センサによって計測される回転数が前記目標回転数以上であった場合に、前記CO回収装置から出力されるCOの圧力が予め設定された所定の目標圧力となるように、前記補助モータを制御する請求項1に記載の二酸化炭素回収システム。
  3. 前記圧縮機のCO吸い込み量を調節する流量調節弁と、
    前記CO回収装置から出力されるCOの圧力が予め設定された所定の目標圧力となるように、前記流量調節弁の弁開度を制御する流量制御部と
    を具備する請求項1に記載の二酸化炭素回収システム。
  4. 前記モータ制御部は、前記圧縮機から出力される圧縮回収COの圧力が予め設定されている所定の目標圧力となるように、前記補助モータを制御する請求項1に記載の二酸化炭素回収システム。
  5. 前記圧縮機用蒸気タービンに供給される排出蒸気の圧力は、約4kg/cmG以上50kg/cmG以下である請求項1に記載の二酸化炭素回収システム。
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