JP2012143699A

JP2012143699A - 排ガス処理システム

Info

Publication number: JP2012143699A
Application number: JP2011003360A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Imada; 典幸今田; Naoki Oda; 直己尾田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】簡単な構成で、かつ設備費用を抑えつつ、脱硫装置の脱硫性能及び水銀の除去特性の低下を抑制すること。
【解決手段】富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラ１と、ボイラ１から排出される排ガスが流れる第１の煙道１３に配設された集塵機５と、集塵機５の下流側の煙道を流れる排ガスを導入して脱硫処理する湿式の脱硫装置７と、集塵機５の下流側の煙道を分岐して該煙道から抜き出した排ガスの一部をボイラ１に導く排ガス再循環ダクト１７と、脱硫装置７の下流側の煙道を流れる排ガスを圧縮して二酸化炭素を分離するＣＯ_２分離手段９を備える。ＣＯ_２分離手段９の排ガスを圧縮する過程で分離された水分を、脱硫装置７内で循環して使用される吸収液に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス処理システムに係り、特に、富酸素ガスと循環排ガスを混合した燃焼用ガスを用いて燃料を燃焼させるボイラを備えたプラントの排ガス処理技術に関する。

近年、地球温暖化の原因の一つとされる二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を低減する技術として、酸素燃焼方式のボイラ（以下、ボイラと略す）を用いた酸素燃焼システムが注目されている。このシステムでは、酸化剤である富酸素、つまり高濃度の酸素ガス（以下、酸素と略す）が石炭等の化石燃料とともにボイラに供給されるので、ボイラから排出される排ガスは水と二酸化炭素が主成分となる。このため、排ガスを直接圧縮することにより、二酸化炭素を容易に排ガスから分離することができる。

酸素燃焼システムのボイラから排出された排ガスは、ボイラの下流側の煙道に設置された熱交換器によりガス温度が下げられた後、集塵機に導かれて煤塵成分が除去される。集塵機を通過した排ガスは、脱硫装置に導かれてＳＯ_２が除去された後、ＣＯ_２分離手段に導かれて圧縮されることにより、液状の二酸化炭素が排ガス中から分離される。

一方、ボイラにて燃料を酸素で燃焼させる場合、燃焼温度が非常に高くなることから、集塵機の後流側の煙道を分岐して抜き出した排ガスの一部をボイラに導く循環ラインを設け、この循環ラインを流れる循環排ガスを酸素とともにボイラに供給することで、燃焼温度を下げる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、酸素燃焼システムで使用される脱硫装置としては、吸収塔内を上昇する排ガスの流れに向けてスプレーノズルから吸収液を噴霧し、排ガス中のＳＯ_２や水銀を吸収液に吸収させることで、排ガスから分離する湿式の脱硫装置が広く採用されている。この種の脱硫装置では、吸収塔底部に貯留された吸収液をポンプで汲み上げて再びスプレーノズルから噴霧する循環方式が採用されている。

特開２００９−２７０７５３号公報

このような酸素燃焼システムにおいて、脱硫装置に排ガスが導入されると、その排ガスの熱（例えば９０℃〜２００℃）によって、吸収液の水分が蒸発するため、吸収塔内を流れる排ガスは、熱が奪われて減温される。ところが、吸収塔内には一般に熱を外に逃がす手段がないため、吸収塔に導入される排ガスの水分濃度によって吸収塔内を流れる排ガスの温度が変化する。例えば、通常の空気燃焼運転時では、吸収塔に導入される排ガスの水分濃度が約１０％と低いため、吸収塔内を流れる排ガスの温度はおよそ５５℃まで減温されるのに対し、酸素燃焼運転時では、吸収塔に導入される排ガスに空気中の窒素が含まれず、水分濃度が３０〜３５％と高くなるため、吸収塔内を流れる排ガスの温度はおよそ７０℃までしか減温されてない。

このように、吸収塔内での排ガス温度が高くなると、噴霧された吸収液と排ガスが接触する脱硫領域の温度、及び、吸収液の温度が上昇し、脱硫装置の脱硫性能及び水銀の除去特性が低下することになる。このような現象を回避するためには、脱硫装置を大型化し、或いは、脱硫装置の後流側に水銀除去装置等を別途設ける方法が考えられるが、設備費用が高くなるという問題がある。

一方、酸素燃焼システムで使用されるＣＯ_２分離手段としては、排ガスを加圧した後に熱交換器で除熱することで排ガス中の水分を除去し、さらに水分が分離された排ガスを加圧して除熱することで液状の二酸化炭素を分離する方法が採用されている。このため、熱交換器からは大量の水分、つまりドレン水が発生するが、脱硫装置で処理された排ガスには、少量のＳＯ_２が残存しているため、ドレン水にも少量のＳＯ_２が含まれている。このため、排水処理が必要となることから、システムが複雑化し、設備費用が高くなるという問題がある。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、かつ設備費用を抑えつつ、脱硫装置の脱硫性能及び水銀の除去特性の低下を抑制できる排ガス処理システムを提供することを課題とする。

図４は、酸素燃焼運転中のボイラから排ガスを脱硫装置に導入したときに、吸収塔内における脱硫領域の温度と排ガス中のＳＯ_２除去率との関係を示す図である。ここで、脱硫領域とは、噴霧された吸収液と排ガスとが接触する領域を意味する。この図から、脱硫領域の温度が高くなるに従い、ＳＯ_２除去率が低下することが分かる。これは、温度の上昇により、吸収液へのＳＯ_２の溶解度が低下するためと考えられる。

また、図５は、酸素燃焼運転中のボイラから排ガスを脱硫装置に導入したときに、吸収塔内における脱硫領域の温度と排ガス中の水銀除去率との関係を調査した結果を示す。この図から、脱硫領域の温度が高くなるに従い、水銀の除去率が低下することが分かる。これは、吸収塔で一度吸収液に吸収された酸化水銀が吸収液の液滴内で金属水銀に還元され、排ガス中に再放出される割合が増加したためと考えられる。

そこで、本発明の排ガス処理システムでは、上記課題を解決するため、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道を流れる排ガスを導入して脱硫処理する湿式脱硫装置と、除塵装置の下流側の煙道を分岐してこの煙道から抜き出した排ガスの一部をボイラに導く排ガス循環流路と、脱硫装置の下流側の煙道を流れる排ガスを圧縮して二酸化炭素を分離するＣＯ_２分離手段とを備えた排ガス処理システムにおいて、ＣＯ_２分離手段の排ガスを圧縮する過程で分離された水分を、湿式脱硫装置内で循環して使用される吸収液に供給することを特徴としている。

すなわち、酸素燃焼方式のボイラから発生する排ガス中には、空気燃焼方式のボイラから発生する排ガスよりも多くの水分が含まれているため、ＣＯ_２分離手段ではより多くの水分が回収される。ここで、ＣＯ_２分離手段において回収される水分は、排ガス中の水蒸気が凝縮することで生じるドレン水であり、このドレン水の温度は分離手段に導入された排ガスの温度よりも低く、例えば常温で回収される。したがって、このようなドレン水を湿式脱硫装置内の吸収液に供給することで、吸収液の温度を下げ、脱硫装置内の温度、つまり脱硫領域の温度を低く保つことができる。これにより、脱硫装置を大型化することなく、脱硫性能及び水銀除去率の低下を抑制することができる。また、このようにＣＯ_２分離手段で回収されたドレン水を脱硫装置内の吸収液に供給することで、ドレン水に残存して溶け込んでいるＳＯ_２を脱硫装置内で分離することができる。これにより、脱硫性能の低下が抑制され、しかも、ドレン水の排水処理設備が不要となるため、システムの簡単化を図ることができ、設備費用を低減することができる。

より具体的には、湿式脱硫装置は、吸収塔内を上昇する排ガスに向けて吸収液を噴霧するスプレーノズルと、このスプレーノズルから噴霧された吸収液を回収して貯留する吸収塔底部と、この吸収塔底部に貯留された吸収液をスプレーノズルに供給する循環ポンプとを備え、ＣＯ_２分離手段で分離された水分が吸収塔底部に供給されるように構成されてなるものとする。

また、ＣＯ_２分離手段で分離された水分を吸収塔底部に供給することに代えて、該水分をスプレーノズルの上方に配置された他のスプレーノズルに供給し、他のスプレーノズルから水分が噴霧されるように構成してもよい。

すなわち、吸収液からの水銀の再放出は、吸収液中の水銀が液滴として吸収塔内を飛行する過程で発生する。このため、水銀を含まず、分離手段で分離された水分を上方のスプレーノズルから排ガスに向けて噴き込むことにより、吸収液の液滴から水銀が再放出するのを抑制することができ、水銀の除去率の低下を抑制することができる。

本発明の排ガス処理システムによれば、酸素燃焼運転時において、排ガス中の水分量が高い場合でも、簡単な構成で、かつ設備費用を抑えつつ、脱硫装置の脱硫性能及び水銀の除去特性の低下を抑制することができる。

本発明を適用してなる排ガス処理システムの概略系統図である。本発明を適用してなる排ガス処理システムにおける脱硫塔の構成図である。本発明を適用してなる排ガス処理システムにおける分離手段の概略系統図である。脱硫装置の吸収塔における脱硫領域の温度と排ガス中のＳＯ_２除去率との関係を示す図である。脱硫装置の吸収塔における脱硫領域の温度と排ガス中の水銀除去率との関係を示す図である。本発明を適用してなる排ガス処理システムの他の実施形態の概略系統図である。

以下、本発明を適用してなる排ガス処理システムの実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、本実施形態の排ガス処理システムでは、ボイラで燃焼させる化石燃料として微粉炭を用いる例を説明するが、この例に限定されるものではない。

本実施形態の排ガス処理システムは、ボイラ１と、熱交換器３と、集塵機５と、脱硫装置７と、ＣＯ_２分離手段９を備えて構成される。ボイラ１には、図示しないバーナが設けられており、このバーナには、微粉炭燃料を供給するための燃料供給経路１１が接続されている。ボイラ１の出口には、排ガスが通流する第１の煙道１３が接続されており、第１の煙道１３の途中には、上流側から、熱交換器３、集塵機５、脱硫装置７、ＣＯ_２分離手段９が順に配設されている。

集塵機５と脱硫装置７を接続する第１の煙道１３には、分配器１５が設けられている。この分配器１５には、第１の煙道１３を流れる排ガスの一部を抜き出す排ガス再循環ダクト１７の一端が接続されている。排ガス再循環ダクト１７は、熱交換器３を経由して、バーナと連通する燃料供給経路１１に設けられた排ガス混合器１９に他端が接続されている。排ガス再循環ダクト１７の分配器１５と熱交換器３との間には、排ガス再循環ダクト１７を流れる循環排ガスの流量を調節するための循環用ファン２１が設けられており、例えば、ファン回転数を調節して循環排ガスの循環量を排ガス量全体の７〜８割とすることで、空気燃焼運転時と同等のガス温度に調節することが可能になっている。なお、排ガス再循環ダクト１７は脱硫装置７の後流側の第１の煙道１３を分岐させて接続するようにしてもよい。

燃料供給経路１１には、図示しない石炭粉砕ミル等によって所定の粒度に粉砕された微粉炭が搬送用ガスに同伴されて供給されるようになっている。燃料供給経路１１の排ガス混合器１９の上流側には、酸素の供給経路が接続される酸素混合器２３が設けられており、酸素混合器２３には、空気から分離された高濃度の酸素が供給されて微粉炭燃料と酸素が混合されるようになっている。排ガス混合器１９には、排ガス再循環ダクト１７を流れる循環排ガスが供給され、ここで微粉炭燃料と酸素及び循環排ガスが混合されるようになっている。

熱交換器３は、ボイラ１から排出された排ガスと排ガス再循環ダクト１７を通流する循環排ガスとを熱交換するようになっている。これにより、排ガス再循環ダクト１７を通流する循環排ガスは、ボイラ１から排出された排ガスと熱交換して所定温度まで加熱される。

脱硫装置７は、図２に示すように、吸収塔２５の下方に排ガスの導入口が設けられ、この導入口に第１の煙道１３ａが接続される一方、吸収塔２５の頂部に排ガスの排出口が設けられ、この排出口に第１の煙道１３ｂが接続されている。導入口と排出口の間の高さ領域には、吸収塔２５内を上昇する排ガスに対して上から吸収液を噴き付けるスプレーノズル２７が複数段で配設されている。導入口よりも低い位置には、スプレーノズル２７から噴霧された吸収液を回収して貯留する底部２９が形成されている。底部２９に貯留された吸収液３１は、循環ポンプ３３によって汲み上げられて各スプレーノズル２７に供給されるようになっている。

ＣＯ_２分離手段９は、第１の圧縮機３５と、熱交換器３７と、第２の圧縮機３９が順に配管で接続され、排ガスを圧縮する過程で水分と二酸化炭素が順次分離されるようになっている。熱交換器３７は、排ガスが導入される容器４１内に冷却水が通流する伝熱管４３を配設して構成される。熱交換器３７の容器４１には、排ガスから分離された水分を容器４１内から抜き出す排水供給用ダクト４５の一端が接続され、その他端は、脱硫装置７の底部２９に接続されている。また、排水供給用ダクト４５には、循環ポンプ４７が設けられている。

次に、このようにして構成される排ガス処理システムの動作を説明する。

ボイラ１には、微粉炭と酸素と循環排ガスが供給されて微粉炭が燃焼され、この燃焼熱により、図示しない蒸気発生器から高温高圧の蒸気が発生する。この蒸気は、図示しない蒸気タービン発電設備等に供給されて発電される。

一方、ボイラ１から排出された排ガスは、第１の煙道１３を通り、熱交換器３に導かれて減温（例えば、約１６０℃〜２００℃）される。熱交換器３を出た排ガスは、集塵機５に導かれて排ガスに含まれる煤塵成分が除去される。

集塵機５を出た排ガスは、脱硫装置７の吸収塔２５に導入され、吸収塔２５内を上昇する際にスプレーノズル２７から噴霧された吸収液と接触する。これにより、排ガスに含まれるＳＯ_２と水銀は、吸収液に吸収された状態で吸収塔２５の底部２９に貯留される。ここで、吸収液に吸収されたＳＯ_２は、Ｈ_２ＳＯ_３となり、さらに吸収液中のＣａＣＯ_３と反応してＣａＳＯ_３となる。そして、底部２９に溜められた吸収液３１中に酸化用空気が供給されることで、ＣａＳＯ_３が酸化されてＣａＳＯ_４となり、吸収液３１から分離される。一方、吸収液に吸収された水銀は、吸収液中で酸化水銀となり、底部２９に溜められた吸収液３１から分離される。これにより、ＣａＳＯ_４と酸化水銀が分離された底部２９の吸収液３１は、循環ポンプ３３で汲み上げられてスプレーノズル２７に供給され、再び吸収塔２５内に噴霧される。

続いて、脱硫装置７を出た排ガスは、ＣＯ_２分離手段９に導かれる。この分離装置９では、まず、排ガスが第１の圧縮機３５で圧縮（例えば、約１．５ＭＰａで加圧）され、その圧縮により発生した熱が、熱交換器３７の伝熱管４３で除熱される。この除熱により、排ガスが常温程度まで冷却されるとともに排ガスに含まれる水分の殆どが凝縮して液化され、ドレン水となって分離される。水分が分離された排ガスは、さらに第２の圧縮機３９で圧縮されることで液化した二酸化炭素が分離される。分離された液状の二酸化炭素は、図示しない二酸化炭素貯蔵器に貯蔵される。なお、ＣＯ_２分離手段９を出た排ガスは、図示しない煙突から大気中へ放出される。

ところで、吸収塔２５に導入された排ガスは、その熱で吸収液の水分が蒸発するときに熱が奪われるため、所定の温度に減温される。一方、吸収塔２５内には熱を外に逃がす手段がないことから、吸収塔２５に導入される排ガスの水分濃度によって、吸収塔２５内の排ガス温度が変化する。例えば、通常の空気燃焼運転時では、ボイラから排出される排ガスの水分濃度が約１０％と低いため、吸収塔２５内で、約５５℃まで減温される。これに対し、酸素燃焼運転時では、ボイラから排出される排ガスは、窒素を含まず水分濃度が３０〜３５％と高いため、吸収塔２５内で、約７０℃までしか減温されない。このように、吸収塔２５内の排ガス温度が上昇すると、スプレーノズル２７から噴霧された吸収液と排ガスが接触する脱硫領域の温度、及び、吸収液の温度が上昇し、その結果、脱硫装置７の脱硫性能及び水銀の除去特性が低下するおそれがある（図４、５）。

これに対し、本実施形態では、ＣＯ_２分離手段９で分離されたドレン水を循環ポンプ４７によって熱交換器３７から抜き出し、排水供給用ダクト４５を介して吸収塔２５の底部２９に供給するようにしている。ここで、ドレン水はおよそ２０℃の状態で回収されるため、この２０℃のドレン水を吸収塔２５の底部２９に貯留される吸収液３１に供給することで、吸収塔２５内を循環する吸収液の温度を下げることができる。そして、吸収液の温度が下がることで、吸収塔２５内を流れる排ガスが減温されるため、脱硫領域の温度を例えば５０℃まで下げることが可能となる。よって、本実施形態によれば、酸素燃焼運転時のボイラから発生する排ガスのように、排ガス中の水分濃度が高い場合でも、脱硫装置７の脱硫性能や水銀除去性能を空気燃焼運転時と同等程度に維持することができる。なお、吸収塔２５内にドレン水が供給されることで吸収液の濃度が次第に減少するが、この点については、例えば、吸収液の濃度を所定の範囲に保持するように吸収液中に薬剤を定期的に添加することで、濃度を一定に保つことができる。

また、本実施形態では、ＣＯ_２分離手段９で分離されたドレン水を吸収塔２５に供給することにより、ドレン水に溶け込んでいるＳＯ_２等を吸収塔２５内で分離することができる。これにより、凝縮水の排水処理設備が不要となるため、システムの簡単化を図ることができ、設備費用の低減が可能となる。

また、本実施形態では、既設の排ガス処理システムにおいて、ＣＯ_２分離手段９で分離されたドレン水を吸収塔２５の底部２９に供給する排水供給用ダクト４５を増設するだけでよいため、設備の増設費用を少なく抑えることができる。

また、本実施形態では、ＣＯ_２分離手段９で分離されたドレン水を吸収塔２５の底部２９に供給しているが、ドレン水の供給先は、この例に限られるものではなく、例えば、図６に示すように、吸収塔２５内のスプレーノズル２７の上方に設置されたドレン水専用のスプレーノズル４９に供給するようにしてもよい。

図６の脱硫装置７は、導入口と排出口の間の高さ領域に、吸収塔２５内を上昇する排ガスに対して上から吸収液を噴き付けるスプレーノズル２７と、このスプレーノズル２７の上方に配置され、排ガスに対して上からドレン水を噴き付けるスプレーノズル４９が設けられている。スプレーノズル４９にはドレン水のみが供給されるようになっている。スプレーノズル２７、４９は、それぞれ複数段で設けられていてもよいが、スプレーノズル４９は常にスプレーノズル２７の上方に配置されているものとする。

このように構成しても、吸収塔２５内を流れる排ガスは、スプレーノズル４９から噴き込まれたドレン水によって減温され、脱硫領域の温度が例えば５０℃まで減温されるため、脱硫装置７における脱硫性能を空気燃焼運転時と同等以上とすることができる。また、水銀を含まないドレン水をスプレーノズル４９から噴き込んでいるため、スプレーノズル２７から噴き込まれた吸収液の液滴が浮遊する領域をドレン水の液滴で包囲することができる。これにより、水銀を含んだ吸収液の液滴から水銀が再放出するのを抑制できるため、水銀の除去率を空気燃焼運転時と同等以上とすることができる。

１ボイラ
３熱交換器
５集塵機
７脱硫装置
９ＣＯ_２分離手段
１３第１の煙道
１７排ガス再循環ダクト
２１循環用ファン
２５吸収塔
２７、４９スプレーノズル
２９底部
３１吸収液
３３、４７循環ポンプ
３５第１の圧縮機
３７熱交換器
３９第２の圧縮機
４５排水供給用ダクト

Claims

富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、前記除塵装置の下流側の煙道を流れる排ガスを導入して脱硫処理する湿式脱硫装置と、前記除塵装置の下流側の煙道を分岐して該煙道から抜き出した排ガスの一部を前記ボイラに導く排ガス循環流路と、前記脱硫装置の下流側の煙道を流れる排ガスを圧縮して二酸化炭素を分離するＣＯ_２分離手段とを備えた排ガス処理システムにおいて、前記ＣＯ_２分離手段の前記排ガスを圧縮する過程で分離された水分を、前記湿式脱硫装置内で循環して使用される吸収液に供給することを特徴とする排ガス処理システム。
前記湿式脱硫装置は、吸収塔内を上昇する排ガスに向けて吸収液を噴霧するスプレーノズルと、該スプレーノズルから噴霧された前記吸収液を回収して貯留する吸収塔底部と、該吸収塔底部に貯留された前記吸収液を前記スプレーノズルに供給する循環ポンプとを備え、
前記ＣＯ_２分離手段で分離された水分が前記吸収塔底部に供給されるように構成されてなる請求項１に記載の排ガス処理システム。
前記湿式脱硫装置は、吸収塔内を上昇する排ガスに向けて吸収液を噴霧するスプレーノズルと、該スプレーノズルから噴霧された前記吸収液を回収して貯留する吸収塔底部と、該吸収塔底部に貯留された前記吸収液を前記スプレーノズルに供給する循環ポンプとを備え、
前記ＣＯ_２分離手段で分離された水分が前記スプレーノズルの上方に配置された他のスプレーノズルから噴霧されるように構成されてなる請求項１に記載の排ガス処理システム。