全球首个处理生物质发电厂废气的大型CO2分离回收设备

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摘   要：碳捕获与封存（CCS）技术和碳捕集与利用（CCU）技术作为应对全球变暖的措施备受关注，其中，CCS将化石燃料、生物质、废弃物等燃烧产生的废气中的二氧化碳（CO₂）分离回收并将其隔离、储存在地下，而CCU可以有效利用CO₂。东芝能源系统株式会社正在推进CO₂分离回收技术的开发，并在株式会社西格玛电力有明的三川发电厂内安装了采用化学吸收法的中试装置（pilot plant）以验证其性能，并对其运行性、应用性、维护性进行了评估。基于积累的技术经验，建设并运行了全球首个^（注1）从生物质发电厂的废气中分离回收CO₂的大型设备，并证实了该大型设备能够以600t/天以上的速度稳定回收CO₂并进一步削减吸收液中胺成分的排放量。

关键字：大型CO₂分离回收设备、CO₂分离回收技术、CCS、CCU、中试装置、化学吸收法、实证设备

1前言

CCS技术能够将火力发电厂和工业领域产生的废气中所含的CO₂分离回收并隔离、存储在地下，因此期待其作为应对全球变暖的措施之一早日实现。最近，有效利用CO₂的CCU技术也备受关注。

东芝能源系统正在推进从废气中分离并回收CO₂的技术的开发与实用化，该技术在CCS和CCU中发挥重要作用。本文将介绍CO₂分离回收技术的开发和作为日本环境省委托项目“环保型CCS实证项目”的一环被实施的CO₂分离回收实证设备的建设与运行结果。

2CO₂分离回收技术的开发

以火力发电厂为对象的CO₂分离回收方式大致分为三种，即燃烧后回收方式、氧气燃烧方式和燃烧前回收方式。东芝能源系统采用从烟囱前的废气中回收CO₂的燃烧后回收方式。该方式具有许多优点，例如：①既适用于新设的废气发生源的设备也适用于现有设备；②不仅适用于火力发电，还可广泛应用于工业领域；③可灵活运用，例如仅回收废气中的部分CO₂。

2.1 采用化学吸收法的燃烧后回收方式

燃烧后回收方式有多种，该公司采用了化学吸收法，这种方法适用于从CO₂浓度低且处于常压的废气中回收CO₂，主要使用与CO₂选择性反应以吸收CO₂的胺基吸收液。

图1（a）示出化学吸收法的CO₂分离回收流程。从吸收塔的底部导入含有CO₂的废气，并从顶部供给吸收液。两者在吸收塔内以逆流方式接触，CO₂被在低温下吸收CO₂的胺基吸收液吸收并转变为液相。含有CO₂的吸收液在中途经再生热交换器加热，输送至再生塔。

在再生塔中，由于胺基吸收液在高温下会发生释放反应，因此CO₂被释放并转变为气相（图1（b））。由于该反应是吸热反应，因此需要蒸汽等热源来持续供给反应热，通过被称为“重沸器”的热交换器将热量从蒸汽传递到吸收液。释放出CO₂的吸收液经再生热交换器冷却后送入吸收塔。

图1. 采用化学吸收法的CO₂分离回收流程与胺基吸收液的特性

吸收液在CO₂分离回收系统内循环，吸收塔内连续发生CO₂吸收反应，再生塔内连续发生CO₂释放反应，以进行CO₂的分离回收。

如上，吸收液在装置内循环，连续进行CO₂的分离回收。回收的CO₂从再生塔上部送出后冷却，所含水分凝结，并由分离器分离。

2.2 开发、验证与应用流程

对于CO₂分离回收设备，有低能耗、设备小型化、低成本化等要求。CO₂分离回收设备主要有四个部分构成：吸收塔、再生塔、再生热交换器和重沸器。通过优化四个主要构成部分及工艺设计，并提高吸收液性能来满足这些要求。

图2示出CO₂分离回收技术的开发、验证与应用流程。在适当利用工艺模拟和数值流体分析的同时，从实验室规模扩大到小试规模，再进一步扩大到中试规模，并反映所获得的知识来设计实机规模的设备。其中，最重要的是在西格玛电力有明的三川发电厂（福冈县大牟田市）（输出50MW）内安装的中试装置上的验证。

图2.CO₂分离回收技术的开发、验证与应用流程

在充分利用工艺模拟和数值流体分析的同时扩大规模，通过在三川中试装置上的验证，将开发的技术应用至实机规模的装置设计中。

该中试装置于2009年被安装，具有处理发电厂的一部分废气并以10t/天的速度分离回收CO₂的能力。使用该中试装置，对系统性能、实际废气状态及所含杂质对吸收液性能的影响、运行性、应用性和维护性等进行验证，并将其结果应用于实机规模的装置中^⑴。

例如，为了供给再生塔内反应所需的热量，一般会抽取一部分发电用蒸汽作为热源，但是在被处理的废气量巨大的情况下，所需的供给热量也非常大，因此会导致发电效率降低。为了防止这种情况，需要在开发反应热较小的吸收液的同时，采用热回收工艺并优化再生热交换器的设计，从而增加装置内的回收热量。

另外，在使用胺基吸收液的化学吸收法中，由吸收塔排放到大气中的CO₂回收后的废气中含有微量来自吸收液的胺成分，这可能会对环境造成影响。因此，也正在进行这种废气的实地调查和削减胺成分排放量的技术开发。

3CO₂分离回收实证设备

东芝能源系统在三川发电厂的附近建造了一个从该发电厂的废气中分离回收CO₂的大型实证设备（图3）。2018年2月开工后，开始进行设备交付与安装，经试运行后于2020年10月正式投入使用^（2）。图4示出该实证设备与三川发电厂的关系。

图3.CO₂分离回收实证设备

全球首个从生物质火力发电厂的废气中分离回收CO₂的大型设备。

CO₂分离回收实证设备的建设与运行作为环境省“环保型CCS实证项目”的一环被实施，该项目被以瑞穗信息综研株式会社（现为瑞穗研究＆科技株式会社）等多家公司采用。另外，由东芝能源系统负责CO₂分离回收实证设备的设计、建造和运行。

图4.三川发电厂和CO₂分离回收实证设备的整体流程

该发电厂的废气和蒸汽将供应到安装在三川发电厂附近的CO₂分离回收实证设备中。

该实证设备的特征如下：

（1）CO₂回收量占火力发电厂CO₂排放量的50%以上，是全球少有的高值。当以如此高的回收率对CO₂进行分离回收时，必然会以相当大的比例抽取用于发电的蒸汽，这对火力发电系统的影响很大。

（2）三川发电厂以棕榈核壳（Palm Kernel Shell）为燃料进行生物质发电，是全球首个从生物质火力发电厂的废气中分离回收CO₂的大型设备。

分离回收并储存伴随煤炭等化石燃料的燃烧而产生的CO₂是指，存在于地下的碳成分通过燃烧暂时转变为气相后，对其进行回收并将其储存于地下的过程，因此从碳循环的观点来看是“碳中和”。

但是，如果燃烧通过光合作用固定大气中CO₂的生物质，再分离回收并储存伴随其燃烧产生的CO₂，则大气中存在的碳成分将被隔离在地下，实现消除过去排放的CO₂的“负排放”。这种方法被称为生物能源与碳捕获和储存（BECCS）。在政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的第五次评估报告书中，BECCS被定位为能够在控制全球变暖方面发挥重要作用的技术之一。

该实证设备的设计充分反映了2.2节中所述的由三川中试装置等获得的知识。

3.1. 运行结果（CO₂的稳定回收）

图5示出该实证设备运行时的CO₂回收量和CO₂回收效率的48小时变化情况。CO₂回收量根据在再生塔出口（图4的A点）获得的测量数据计算得出。另外，根据吸收塔入口（图4的B点）的测量数据计算流入实证设备的废气中的CO₂量，并通过式（1）计算CO₂回收效率。

图5. CO₂回收量及CO₂回收效率的变化

经证实，在48小时的运行时间内，从三川发电厂的废气中能以平均640t/天的速度稳定回收CO₂，回收效率达95%。

每个圆圈都是一个小时的平均值，例如，如果回收量为600t/天，则表示每小时回收25t的CO₂。经证实，在这48小时内，能以平均640t/天的速度从三川发电厂的废气中稳定回收CO₂，回收效率平均达到95%。相对于上述三川中试装置和东芝能源系统向佐贺市清扫工厂提供的CO₂分离回收设备^（3）的10t/天的回收量，实现了约60倍的规模提升。

此外，通过式（2）计算得出的CO₂回收率平均为54%，实现了回收火力发电厂CO₂排放量的50%以上的初始目标。

此处，式（2）中发电厂废气中的CO₂量根据在图4的C点获得的测量数据计算得出。

3.2. 运行结果（减少胺成分排放量）

如2.2节所述，从吸收塔向大气排放的CO₂回收后的废气中含有微量来自吸收液的胺成分，这可能会对环境造成影响。为了减少该微量胺成分，一般在吸收塔的出口处安装一个净化装置，如图4所示。

在该实证项目中，还开发了减少胺成分排放量的技术，并将其应用于实证设备的净化装置。图6示出运行结果与三川中试装置的运行结果的比较。经证实，在三川中试装置中，当废气通过净化装置时，胺成分浓度仅降低到入口的60%左右，而实证设备则降低到10%以下。

图6. 净化装置的性能比较

经证实，与三川中试装置相比，实证设备排放到大气中的胺成分浓度大幅降低。

4结语

以在环境省委托项目中建造的实证设备为例，阐述了关于CO₂分离回收技术实用化的举措。近年来，分离和回收火力发电厂排放的CO₂以及对其他工业领域排放的CO₂采取措施的必要性得到广泛认可⁽⁴⁾。

今后，为了早日实现抑制全球变暖的CCS和CCU技术，东芝能源系统计划将利用化学吸收法的CO₂分离回收技术应用于这些CO₂排放源，并进一步推动技术开发及实证。

参考文献：

（1）北村 英夫等。从燃煤电厂废气中分离回收CO₂的中试装置实验。东芝评测。2010，65，8，p. 31-34。

（2）东芝能源系统“关于大型二氧化碳分离回收实证设备的运行开始——世界首个面向生物质发电厂并为负排放做出贡献的设备——”。<https://www.toshiba-energy. com/info/info2020_1031.htm>，（参照2021-01-21）。

（3）北村英夫。可应对各种废气源的CO₂分离回收技术。东芝评测。2019，74，3，p. 35-39。<https://www.global.toshiba/ content/dam/toshiba/migration/corp/techReviewAssets/tech/review/2019/03/74_03pdf/a09.pdf>，（参照2021-03-25）。

（4）Global CCS Institute, 2020. The Global Status of CCS: 2020.Australia, 2020, 80p. <https://www.globalccsinstitute.com/resources/global-status-report/>, (accessed 2021-01-21).

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翻译：李释云

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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