(57)【要約】【課題】  発電出力の低下を抑えつつ石炭焚きボイラーからの燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去する方法を提供する。【解決手段】  湿式処理された燃焼排ガスの少なくとも一部を吸収液に接触させることによって、当該少なくとも一部の燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収液に化学吸収させて除去する方法であって、湿式処理前の燃焼排ガスの熱を利用して二酸化炭素を化学吸収した吸収液を再生すると共に、再生された吸収液の熱を利用して湿式処理後の燃焼排ガスを再加熱している。湿式処理前の燃焼排ガスの熱は、化学吸収した吸収液の昇温に利用しても良いし、化学吸収した吸収液の再生用ストリッピングスチームの生成に利用しても良い。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿式処理された燃焼排ガスの少なくとも一部を吸収液に接触させることによって、当該少なくとも一部の燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収液に化学吸収させて除去する方法であって、湿式処理前の燃焼排ガスの熱を利用して二酸化炭素を化学吸収した吸収液を再生すると共に、再生された吸収液の熱を利用して湿式処理後の燃焼排ガスを再加熱することを特徴とする二酸化炭素の除去方法。
【請求項２】
前記湿式処理前の燃焼排ガスの熱を、化学吸収した吸収液の昇温に利用することを特徴とする、請求項１に記載の二酸化炭素の除去方法。
【請求項３】
前記湿式処理前の燃焼排ガスの熱を、化学吸収した吸収液の再生用ストリッピングスチームの生成に利用することを特徴とする、請求項１に記載の二酸化炭素の除去方法。
【請求項４】
前記燃焼排ガスからの二酸化炭素の除去量を、前記湿式処理前の燃焼排ガスが有する熱量に応じて定めることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の二酸化炭素の除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭焚きボイラーなどの燃焼装置の排ガスに含まれている二酸化炭素を除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素などの温室効果ガスによる地球温暖化が大きな問題となっている。火力発電所では、ボイラーなどの燃焼工程から大量の二酸化炭素が排出しているため、その燃料を石炭から二酸化炭素の生成量の少ない天然ガスに切り替える燃料転換の必要性が叫ばれている。しかしながら、石炭は可採埋蔵量が豊富なうえ安価に調達できることから依然として大量に使用されており、二酸化炭素排出量の削減が十分に進んでいないのが現状である。
【０００３】
そこで、燃焼工程で生成された二酸化炭素を選択的に除去することによって、発電所からの二酸化炭素排出量を削減する方法が検討されている。例えば、特許文献１には、アミン水溶液などの化学吸収液を燃焼排ガスに接触させて二酸化炭素を除去する方法が提案されている。この方法は、天然ガスや石油精製などのガス処理分野において古くから実用化されており、火力発電所の燃焼排ガス処理においても実用化されることが期待されている。
【０００４】
また、非特許文献１には、アミノ酸系の化学吸収液を用いて燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去する方法が提案されている。この方法は、アミン水溶液に比べて腐食性が少ないアミノ酸系の化学吸収液を使用しており、より低いコストで二酸化炭素を除去し得る方法として期待されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３２５９９６号公報
【非特許文献１】Jacco  van  Holst,  et  al.,“CO2  capture  from  flue  gas  using  amino  acid  salt  solutions,”  8th  International  Conference  on  Greenhouse  Gas  Control  Technologies  (GHGT-8),  19-22  June  2006,  Trondheim,  Norway
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、二酸化炭素を化学吸収した吸収液から二酸化炭素を放散して吸収液を再生するには多くの熱量を必要とし、例えば、２８重量％モノエタノールアミン（ＭＥＡ）水溶液の場合は、約１２００ｋｃａｌ／ｋｇ−ＣＯ２の熱量、即ち、吸収液に吸収されている１ｋｇの二酸化炭素の放散に約１２００ｋｃａｌの熱量が必要である。このため、ボイラーから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させることにより所定のレベルまで除去できたとしても、当該吸収液の再生にボイラーで生成した蒸気を大量に消費してしまうため、結果的に発電出力が著しく低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、発電出力の低下を抑えつつボイラーから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明が提供する二酸化炭素の除去方法は、湿式処理された燃焼排ガスの少なくとも一部を吸収液に接触させることによって、当該少なくとも一部の燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収液に化学吸収させて除去する方法であって、湿式処理前の燃焼排ガスの熱を利用して二酸化炭素を化学吸収した吸収液を再生すると共に、再生された吸収液の熱を利用して湿式処理後の燃焼排ガスを再加熱することを特徴としている。
【０００９】
また、上記本発明が提供する二酸化炭素の除去方法においては、湿式処理前の燃焼排ガスの熱を、化学吸収した吸収液の昇温に利用しても良い。更に、上記本発明が提供する二酸化炭素の除去方法においては、湿式処理前の燃焼排ガスの熱を、化学吸収した吸収液の再生用ストリッピングスチームの生成に利用しても良い。また、上記本発明が提供する二酸化炭素の除去方法においては、燃焼排ガスからの二酸化炭素の除去量を、前記湿式処理前の燃焼排ガスが有する熱量に応じて定めることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、湿式処理前の燃焼排ガスの熱を利用して二酸化炭素を化学吸収した吸収液を再生すると共に、再生された吸収液の熱を利用して湿式処理後の燃焼排ガスを再加熱するため、湿式処理前後での燃焼排ガスのガスガス熱交換を良好に行いつつ、発電出力の低下を抑えながら燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明による二酸化炭素の除去装置の一具体例を、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、石炭などの化石燃料を利用するボイラー２から排出された高温の燃焼排ガスは、煙道を介して排ガス冷却器１２に導かれ、ここで所定の温度まで冷却される。冷却された燃焼排ガスは湿式処理装置３に導かれ、ここで湿式処理により亜硫酸ガスや煤塵が除去される。湿式処理装置３で湿式処理された燃焼排ガスは、煙道を介して排ガス再加熱器１６に導かれ、ここで白煙化を防止するために過熱された後、煙突４から排出される。
【００１２】
湿式処理装置３から排ガス再加熱器１６に至る煙道にはバイパスが設けられており、湿式処理装置３で処理された燃焼排ガスの少なくとも一部は、ここでバイパスガスとして抜き出されて除去装置１の吸収塔１０の塔底部に供給される。吸収塔１０の塔底部から塔内に入った該バイパスガスは、吸収塔１０の塔頂部から供給される吸収液（以降においてリーン溶液とも称する）と向流接触しながら塔内を上昇していく。塔内には充填物や棚段が設けられており、ここで効率良く気液接触が行われてバイパスガス中の二酸化炭素がリーン溶液に化学吸収される。
【００１３】
吸収液の種類は、特に限定するものではないが、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、トリエタノールアミン（ＴＥＡ）、ジイソプロパノールアミン（ＤＩＰＡ）、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）などのアミンの水溶液またはその混合物や、アミノ酸系の水溶液などの化学吸収液を用いるのが好ましい。
【００１４】
煙道の燃焼排ガスからバイパスガスとして抜き出すガス抜出量は、吸収塔１０での二酸化炭素除去率を一定とした場合、燃焼排ガスからの二酸化炭素の除去量に比例する。このガス抜出量は任意に定めても良いが、高温の燃焼排ガスが有する熱量に基づいて適宜定めることが好ましい。なぜなら、ガス抜出量に応じて吸収塔１０に供給するリーン溶液の供給量が定まるため、ガス抜出量が多くなりすぎると、吸収液の再生に必要な熱量が著しく増加し、後述する吸収液の再生に利用する高温の燃焼排ガスの有する熱量に制限があるので、リボイラーで消費される蒸気量が増大し、発電出力が大きく低下するからである。
【００１５】
吸収塔１０内で所定のレベルまで二酸化炭素が除去されたバイパスガスは、吸収塔１０の塔頂部を出た後、再び煙道に戻り、バイパスガスとして取り出されなかった他のガスと合流する。尚、吸収塔１０内の塔頂部分若しくは塔頂を出て煙道に至るまでの位置に、二酸化炭素が除去されたバイパスガスに同伴する吸収液を回収するための水洗処理装置を設けても良い。
【００１６】
吸収塔１０の塔内を下降するリーン溶液は、バイパスガス中の二酸化炭素を化学吸収していくに従って、吸収熱によって徐々に昇温し、塔頂部に供給されるときの温度に比べて数十℃高い温度となって塔底部から抜き出される。塔底部から抜き出された吸収液（以降においてリッチ溶液とも称する）は、リーン・リッチ熱交換器１１及び排ガス冷却器１２に順次送られて加熱される。
【００１７】
排ガス冷却器１２を出たリッチ溶液は再生塔１３の上部に送られる。再生塔１３の上部から塔内に入ったリッチ溶液は、塔底から上昇するストリッピングスチームと向流接触しながら下降する。塔内には充填物や棚段が設けられており、ここでリッチ溶液とストリッピングスチームが効率良く気液接触して、リッチ溶液から二酸化炭素が徐々に放散していく。
【００１８】
再生がほぼ完了した吸収液は、再生塔１３の塔底部から抜き出されてリボイラー１４に送られる。リボイラー１４において、当該吸収液は、蒸気などの加熱媒体によって加熱され、一部がストリッピングスチームとなって再生塔１３の塔底部に導かれ、残りはリーン溶液としてリボイラー１４から抜き出される。
【００１９】
一方、リッチ液から放散した二酸化炭素は、再生塔１３の塔頂部に設けられた凝縮器１５にストリッピングスチームと共に送られる。ここでストリッピングスチームは凝縮されて還流液となる一方、二酸化炭素は冷却されるものの凝縮されることなく気相のまま凝縮器１５を出る。還流液は、再生塔１３の上部で前述したリッチ溶液と合流し、再生塔１３の塔内を下降する。
【００２０】
凝縮器１５を出た二酸化炭素は、図示しない液化設備やＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｉｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）等によって固定化される。尚、図１では、再生塔１３の塔頂部に凝縮器１５を設けたが、再生塔１３の塔頂部を出た位置に凝縮器１５を設けても良い。また、リフラックスドラムやリフラックスポンプを凝縮器１５の後段に設けても良い。
【００２１】
リボイラー１４を出たリーン溶液は、排ガス再加熱器１６及びリーン・リッチ熱交換器１１に順次送られて冷却され、更にリーン冷却器１７で冷却水などの冷媒によって所定の温度に冷却された後、吸収塔１０の塔頂部に送られる。尚、上記具体例ではリーン・リッチ熱交換器１１を設けてリッチ溶液とリーン溶液との熱交換を行ったが、排ガス冷却器１２及び排ガス再加熱器１６の各入口出口温度を適切に設定することによってリーン・リッチ熱交換器１１を省くことも可能である。
【００２２】
このように、本発明の除去装置１の一具体例においては、再生塔１３に供給される前のリッチ溶液を、ボイラー２を出た高温の燃焼排ガスと熱交換して昇温することによって、リッチ溶液の再生に必要な熱量を削減することができる。これにより、リボイラー１４の蒸気消費量を削減することが可能となり、発電所の出力低下を抑制することができる。
【００２３】
即ち、リボイラー１４の熱源には、ボイラー２において生成した蒸気タービン用の蒸気を抽気した蒸気を用いているため、リボイラー１４での所要蒸気量を削減することによって、発電所の出力低下を抑制することができる。また、蒸気タービン用の蒸気からの抽気量が減ることによって、蒸気タービンの運転への影響を少なくすることが可能となる。
【００２４】
ところで、燃焼排ガスの湿式処理設備には、前述したように湿式処理前の燃焼排ガスと湿式処理後の燃焼排ガスとを互いに熱交換させるガスガス熱交換器が設けられおり、このガスガス熱交換器では、ガス同士の直接的な熱交換を行う場合と、水などの熱交換媒体を介して熱交換を行う場合がある。
【００２５】
この内、水などの熱交換媒体を介したガスガス熱交換器を有する既設の火力発電所に本発明の二酸化炭素除去装置を適用する場合は、煙道の一部にバイパスを設けたうえ、ガスガス熱交換器に沿って除去装置１を設置し、ガスガス熱交換器の熱交換媒体を水から吸収液に代えるだけで良い。これにより、既存のガスガス熱交換器の機能を維持させたまま、発電所の出力低下を抑えつつ燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去することが可能となり、工期及びコストの面において極めて有利になる。
【００２６】
次に、本発明による二酸化炭素の除去装置の他の具体例を、図２を参照しながら説明する。図２においては、図１に示す機器と同様のものには同じ符号を付している。図２から分かるように、この具体例においても、図１と同様に、湿式処理装置３から排出される燃焼排ガスの少なくとも一部に含まれる二酸化炭素を吸収塔１０で吸収して除去し、二酸化炭素を吸収した吸収液を再生塔１３で再生しているが、この具体例においては、排ガス冷却器１２で加熱する吸収液を取り出す位置が図１と異なっている。
【００２７】
具体的には、この具体例では、吸収塔１０の塔底部を出たリッチ溶液は、リーン・リッチ熱交換器１１に送られて熱交換した後、図１の除去装置と異なって排ガス冷却器１２を通ることなく、そのまま再生塔１３に送られる。
【００２８】
再生のほぼ完了した吸収液は、再生塔１３の塔底部から抜き出されて気液分離ドラム１４ａに送られる。気液分離ドラム１４ａに送られた当該吸収液は、更に排ガス冷却器１２に導かれ、ここで高温の燃焼排ガスによって加熱されて一部が蒸発して二相流となる。この二相流は気液分離ドラム１４ａに戻されて気液分離し、気相側はストリッピングスチームとなって再生塔１３の塔底部に導かれる。一方、気液分離した液相側は、排ガス冷却器１２に導かれなかった気液分離ドラム１４ａ内の吸収液と合流してリーン溶液となって気液分離ドラム１４ａから抜き出される。
【００２９】
このように、本発明の除去装置１の他の具体例においては、リボイラー１４用の熱源にボイラー２を出た高温の燃焼排ガスを利用しているため、蒸気タービン用の蒸気から抽気してリボイラー１４に供給する必要がなくなる。よって、発電所の出力低下を抑制することができるうえ、蒸気タービンの運転をより安定化させることが可能となる。
【００３０】
尚、図１に示す除去装置と同様、煙道の燃焼排ガスからのガス抜出量は、高温の燃焼排ガスが有する熱量に基づいて適宜定めることが好ましい。なぜなら、ガス抜出量に応じて吸収塔１０に供給するリーン溶液の供給量が定まるため、ガス抜出量が多くなりすぎると、ストリッピングスチームの生成に必要な熱量が高温の燃焼排ガスが有する熱量を超過し、蒸気タービン用の蒸気から抽気して利用する必要が生じるからである。
【実施例】
【００３１】
［実施例］
出力１０００ＭＷの火力発電所における石炭焚きボイラーから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素の一部を、図１に示す二酸化炭素の除去装置によって除去する場合のプロセス設計を行った。吸収液は３０重量％ＭＥＡとし、その再生に必要な熱量は１１００ｋｃａｌ／ｋｇ−ＣＯ２とした。再生に必要な熱量のうち、リッチ溶液の昇温に湿式処理前の燃焼排ガスの有する熱量の５０％を利用し、リボイラーでのストリッピングスチーム生成用に、石炭焚きボイラーで生成する蒸気を利用した。また、吸収塔では、煙道から抜き出したバイパスガスに含まれる二酸化炭素の９０％を除去することにした。
【００３２】
これらの条件の下、先ず、排ガス冷却器でのリッチ溶液の昇温を３５℃として吸収液の循環量を求め、この循環量の吸収液で処理可能なバイパスガス流量（煙道の燃焼排ガスからのガス抜出量）を計算した。これら循環量及びバイパスガス流量に基づいて、その他のストリームの熱収支及び物質収支計算を行った。
【００３３】
このようにして計算した結果を、下記の表１及び表２に示す。尚、表１は燃焼排ガスについての熱収支及び物質収支をまとめたものであり、表２は吸収液についての熱収支及び物質収支をまとめたものである。また、ストリーム番号は図１に示した符号に対応している。
【００３４】
【表１】
2009247932.tif 000003
【００３５】
【表２】
2009247932.tif 000004
【００３６】
この結果から、吸収液を熱交換媒体として湿式処理前後の燃焼排ガスのガスガス熱交換を行いつつ、湿式処理後の燃焼排ガス中の二酸化炭素の８.０％を除去できることが分かった。また、このときの電力の出力低下は、１.１％であることが分かった。この出力低下は、電力単価を１５円／ｋＷとすると、年間（７０００時間）で約１１億円の電力販売損失に相当する。
【００３７】
［比較例］
ボイラーから排出される高温の燃焼排ガスの有する熱量を吸収液の再生に使用しなかった以外は実施例と同様にして、電力の出力低下を計算した。尚、湿式処理前後の燃焼排ガスのガスガス熱交換には、水を熱交換媒体とする従来の方式を採用した。
【００３８】
その結果、実施例と同様に湿式処理後の燃焼排ガス中の二酸化炭素の８.０％を除去するためには、出力低下が実施例の約２倍の２.１％となることが分かった。この出力低下は、電力単価を１５円／ｋＷとすると、年間（７０００時間）で約２２億円の電力販売損失に相当し、実施例に比べて損失が約１１億円多くなることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による二酸化炭素の除去装置の一具体例を示す概要図である。
【図２】本発明による二酸化炭素の除去装置の他の具体例を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４０】
１      除去装置
２      石炭焚きボイラー
３      排煙脱硫装置
４      煙突
１０    吸収塔
１１    リーン・リッチ熱交換器
１２    排ガス冷却器
１３    再生塔
１４    リボイラー
１４ａ  気液分離ドラム
１５    凝縮器
１６    排ガス再加熱器
１７    リーン冷却器
【図１】
2009247932.tif 000005
【図２】
2009247932.tif 000006