三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015) 新製品・新技術特集

技 術 論 文24

石炭焚き火力発電所用
世界最大 CO2 回収装置の受注への取組み
Deployment of the World’s Largest Post-Combustion Carbon Capture Plant
for Coal-fired Power Plant

上 條 孝 *1

米 川 隆 仁 *2

Takashi Kamijo

Takahito Yonekawa

正 幸 *3平 田 琢 也 *4

Masayuki Inui

Takuya Hirata

辻 内 達 也 *5

宮 本 修 *6

Tatsuya Tsujiuchi

Osamu Miyamoto

乾火力発電所からの CO2 排出削減技術として、CO2 回収・貯留（CCS）が期待されている。当社は米国 Southern Company と共同で石炭火力発電所排ガスの CO2 回収・輸送・貯留一貫実証試験に参画し，2013 年 10 月に累計 10000 時間の稼働時間及び 10 万トン以上の CO2 貯留を達成した。さらに，2014 年７月には，NRG Energy Inc.と JX 日鉱日石開発(株)が中心となって推進している原油増進回収（EOR）プロジェクト向けに，世界最大となる CO2 回収装置（CO2 回収規模：4776トン/日）を受注した。本報では CO2 回収・貯留実証試験の結果と今後の取組みについて紹介する。

|1. はじめに当社は，関西電力(株)とともに共同して開発した独自アミン吸収液 KS-1TM を用いた CO2 回収プロセス KM CDR Process®(注)を採用している(1)。図１に当社 CO2 回収装置の概略フローを示す。
天然ガス焚き排ガスや重油焚き排ガスを対象に，CO2 回収技術を実用化しており，1999 年に初の商用機を納入し，現在までに 11 基の商用機が稼働している。回収した CO2 は，肥料増産用他として納入しており，2014 年に納入したカタール向け CO2 回収装置（500 トン/日）は，メタノール増産用として運転を開始した。
化石燃料の燃焼排ガスからの CO2 回収技術は，地球温暖化対策技術としても注目されている。国際エネルギー機関（IEA）が発表した最新の Energy Technology Perspectives においては，現状のままエネルギー消費が続くと 2035 年には年間 40G トン，2050 年には年間 50G トン以上のCO2 排出量となり，平均気温が 3.6～5.3℃上昇すると見込まれている。2050 年までの温度上昇を２℃に抑えるためには CO2 排出量の低減が急務であり，CO2 回収・貯留（CCS）技術の普及により，2050 年までに全 CO2 排出低減量の 14％の貢献が期待されている(2)。特に，火力発電部門からの CO2 排出量は，全 CO2 排出量の 39％（2011 年）を占めており，例えば，米国では火力発電所からの CO2 排出に規制を行う計画が進められている。
当社は，米国の大手電力会社 Southern Company，米国電力研究所（Electric Power ResearchInstitute：EPRI）と共同で，米国アラバマ州に 500 トン/日規模の石炭焚き排ガスからの CO2 回収*1 エネルギー・環境ドメイン 化学プラント・社会インフラ事業部 化学プラントプロジェクト管理部 主席プロジェクト統括*2 米国三菱重工業 環境システム・化学プラント事業部*3 米国三菱重工業 環境システム・化学プラント事業部 博士*4 技術統括本部 広島研究所*5 エネルギー・環境ドメイン 化学プラント・社会インフラ事業部 計画部*6 MHI ソリューションテクノロジーズ(株)三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)25

実証プラントを建設し，CO2 回収・貯留技術の実証試験を行った。
(注) KM CDR Process®は，当社が関西電力(株)とともに共同開発した CO2 回収プロセスの日本，米国，欧州共同体（CTM），ノルウェー，オーストラリア及び中国における登録商標です。

図１ 三菱重工の CO2 回収プロセス（KM CDR Process®）フロー|2. CO2 回収・貯留一貫プロセス実証プロジェクト(1) プロジェクト概要
当社が Southern Company と共同で建設及び実施した CO2 回収実証プロジェクトは，世界で初めての石炭焚き火力発電所排ガスからの CO2 回収・圧縮・輸送・貯留一貫プロジェクトとして実施された。表１に Southern Company 向け CO2 回収実証機の概要を，図２に実証機外観を示す。CO2 輸送・貯留は，米エネルギー省（DOE）の Regional Carbon Sequestration Partnership
Phase III Program の一環として行われ，南部 11 州政府のパートナーシップ Southeast Regional
Carbon Sequestration Partnership（SECARB）が担当している。
表１ 米国 Southern Company 向けCO2 回収実証機概要
項目内容

プラント場所Mobile County （米国アラバマ州）

プラントオーナー

Alabama Power(Southern Company の子会社)

プロセス

KM CDR Process®

吸収液

KS-1TM 吸収液

プラント規模25MW 相当

排ガス量

116 800 Nm3/h

CO2 回収率90％

CO2 回収量

500 トン/日 (150 000 トン/年)

CO2 濃度10.1 mol％-wet

図２ 米国 Southern Company 向け CO2 回収実証機外観(2) 運転状況
本実証機は，2011 年６月に CO2 回収装置の運転を開始し，2012 年８月から回収した CO2 の地中貯留を開始した。CO2 回収装置は，計画通り CO2 回収量 500 トン/日，CO2 回収率 90％を達成しており，主要な運転パラメータを変化させた試験において，CO2 回収に必要なスチーム

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消費量が 1.0 トン/トン-CO2 以下の省エネ性能を確認している(1)。図３には運転開始から 2013年 10 月末までの CO2 回収・貯留実績のトレンドを示す。2013 年 10 月末までに累計 10000 時間の安定運転を達成し，この期間に回収した CO2 は約 20 万トンになる。また，CO2 貯留の総量は 2013 年 10 月に 10 万トンに到達し，計画時の目標貯留量を達成した。
(3) アミンエミッション低減技術の実証試験
CO2 を除去された排ガスが CO2 吸収塔から排出される際，吸収液成分であるアミンの一部が排ガスに含まれるため，大気に放出されて吸収液の損失となる。当社は，2010 年に当社研究所内のパイロット試験装置において，石炭焚き排ガスに含まれる SO3 ミストがアミンエミッションを増加させる現象を見出し，他社に先行してアミンエミッション低減技術の開発を行ってきた。
米国での実証プロジェクトでは，開発したアミンエミッション低減技術の実証を行った。実証試
験結果を図４に示す。アミンエミッション低減技術は，当社従来プロセスに比べて，アミンエミッションを約 1/10 に低減できることを確認した。

図３ 運転実績トレンド

図４ アミンエミッション低減技術実証試験結果(4) 負荷追従制御システムの実証試験
石炭火力発電所では，日々の電力需要に応じて運転負荷が調整される。ボイラの運転状態は常時変化し，排ガス中の CO2 濃度などガス性状も変動するため，CO2 回収装置を常に最適な運転状態に保つためには，自動負荷追従制御システムが有効である。そこで，CO2 回収装置の最適運転制御システムを開発し，米国実証プロジェクトにおいて制御システムの検証試験を行った。図５に制御システムを適用せずに運転した場合の運転トレンドを，図６に制御システムを用いて運転した場合の運転トレンドを示す。図５，６ともに左図に CO2 回収量と CO2 回収率を，右図に排ガス中の CO2 濃度と排ガス流量を示す。図５では，排ガス条件の変動に伴い，CO2 回収量及び CO2 回収率の変動が見られているが，図６では，排ガス性状の変化によらず，CO2 回収量及び CO2 回収率を一定に維持できており，制御システムが安定運転に有効なシス三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)

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テムであることを検証した。
(5) 今後の取り組み
2013 年 10 月の 10 万トン貯留達成の期間までに，上記で紹介した実証試験の他にも各種評価・検証試験を実施し，石炭焚き排ガスに対する CO2 回収装置の運転や大型 CO2 回収装置の実用化に向けた知見を得ることができた。現在も，米国 CO2 回収実証プラントを新規技術の開発・検証に用いている。2014 年から 2015 年にかけては， DOE の実証プログラムの一環として，CO2 回収技術を適用した際の発電効率低下を緩和させるための発電システムとのインテグレーションプロジェクトを推進中である。図７に実証プロジェクトのブロックフローを示す。この実証プログラムでは，当社高性能排煙処理システム（HES）(3)による既設排ガスからの余熱回収と CO2 回収装置からの余熱回収による２段ヒートインテグレーションで既設ボイラ水を加熱する。当社プロセスに HES を導入することにより，排ガス中の CO2 を 90％回収するケースにおいては，従来の他社技術と比較して 30％以上の発電効率改善が期待される。また，HES 導入により，問題となる SO3等の排ガス中の不純物を更に除去することができ，CO2 回収装置への負荷低減が可能となる。

図５ 運転トレンド（負荷追従制御システム：OFF）

図６ 運転トレンド（負荷追従制御システム：ON）

図７ インテグレーションプロジェクトのブロックフロー

三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)28|3. CO2 回収装置大型化に向けた取組み
当社は関西電力(株)と共同で同社南港発電所に２トン/日のパイロット試験装置を 1990 年に稼働させて以来，各種排ガスからの CO2 回収試験を行い，性能向上を行ってきた。上述の通りこれまでに 11 基の商用機を稼働させるとともに，石炭焚き排ガスに対しては，１トン/日のパイロット試験装置（当社広島研究所内），10 トン/日の実証試験装置（電源開発(株)松島火力発電所内）を用いて，運転ノウハウを積み重ねてきた。CCS や CO2-EOR 向けには，数千トン/日規模の大型CO2 回収装置の適用が必要であり，更なるスケールアップが求められている。当社はこれまでの各スケールでの実証試験の知見に加え，湿式排煙脱硫設備（現 三菱日立パワーシステムズ(株)の製品）の実用化の際に得たスケールアップに関する知見を活用することで，信頼性の高い数千トン/日規模のプラント建設が可能となった。
2014 年７月には，NRG Energy Inc.と JX 日鉱日石開発(株)が中心となって推進している EORプロジェクト向けに，世界最大となる CO2 回収装置（CO2 回収規模：4 776 トン/日）を受注した。プラントの概要を表２に，プラント完成時のイメージ図を図８に示す。この CO2 回収貯留プロジェクト
は，米国 DOE のクリーンコールパワーイニチアチブ（CCPI）の補助金を受けており，2016 年第４四半期頃運開予定である。240MW に相当する排ガスから CO2 回収を行い，発電所から約 130km離れた油田に CO2 を圧入することで，CO2 EOR の効果により一日当たり 500 バレルから 15000バレルへの原油増産が見込まれている。
表２ 米国テキサス州 EOR プロジェクト向け CO2 回収装置概要
項目内容

プラント場所Thompsons（米国テキサス州）

プロジェクトオーナー
ガス源

Petra Nova 社※※ NRG Energy Inc.及び JX 日鉱日石開発(株)の合弁会社
NRG WA Parish 発電所
610MW 石炭焚火力発電設備

プロセス

KM CDR Process®

吸収液

KS-1TM 吸収液

プラント規模240MW 相当

CO2 回収率90％

CO2 回収量

4 776 トン/日

図８ 米国テキサス州 EOR プロジェクト向け CO2 回収装置完成イメージ図

この CO2 回収装置及びその周辺設備のプロセス構成を図９(4)に示す。CO2 回収装置の運転に必要なスチーム及び電気は，付帯するガスタービン及び廃熱回収ボイラから供給することで，既設発電設備の発電出力を低下させることなく CO2 回収を可能としている。
今後，発電所や化学プラントからの CO2 回収と EOR を組み合わせた CO2 EOR が普及し，CO2 回収装置の市場が拡大していくことが見込まれる。当社は，CO2 回収装置の技術開発を進め，
CO2 EOR や CCS 市場に適した大型 CO2 回収装置の商用機拡大を進めていく。

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図９ 米国テキサス州 EOR プロジェクト向け CO2 回収プロセス構成|4. まとめ
当社は Southern Company とともに，米国アラバマ州 Mobile County に位置する Alabama Powerの Barry 発電所 に建設した 500 トン/日の CO2 回収実証試験装置の運転を行い，累計 10 万トンの CO2 地中貯留を達成した。実証機は，石炭焚き排ガスからの CO2 回収において，KM CDRProcess®が商用規模で利用可能であることを実証するだけでなく，アミンエミッション低減技術をはじめとする各種新規技術の検証を行うことができた。これらの検証結果は，大型 CO2 回収装置にも反映しており，より信頼性の高い装置となっている。今後も引き続き技術開発を行い，CO2 回収装置の信頼性向上や CO2 回収装置普及に向けた取組みを進めていく。

参考文献
(1)
(2)
(3)
(4)

上條孝ほか，三菱重工技報 Vol.50, No.1 (2013) p.27-32
The Global Status of CCS 2014, Global CCS Institute, (2014) p.20-27
土屋喜重ほか，三菱重工技報 Vol.34,No.3 (1997) p.158-161
U.S. Department of Energy “W.A. Parish Post-Combustion CO2 Capture and Sequestration Project
Final Environmental Impact Statement Volume I” (Feb, 2013), DOE/EIS-0473