JP2009113994A - 二酸化炭素捕捉システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電プラントからのＣＯ２の分離、捕捉をより容易に、より経済的なものにする新規なＣＯ２分離のためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】二酸化炭素含有流体１４を導くための第一の流路１２、洗い出し流体１８を導くための第二の流路１６、該第一および第二の流路１２，１６を隔て、それらの間の二酸化炭素輸送を促進するための二酸化炭素選択透過性をもつ材料からなるセパレータ２０、および輸送されてきた二酸化炭素２４を洗い出し流体１８から分離するための、該第二の流路１６と流体連通している二酸化炭素分離装置２２を包含する二酸化炭素分離システム１０から成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には炭素の捕捉、より特定的には二酸化炭素捕捉のための方法およびシステムに関する。

本出願は、２００６年７月１７日提出の合衆国特許出願第１１／４５７，８４０号の部分継続出願であり、この出願を引用によりここに挿入する。

二酸化炭素（ＣＯ_２）を発電プラントその他の点源から隔離せしめるためには、その前にそれを比較的純粋な形で捕捉しなければならない。質量基準では、ＣＯ_２は、合衆国では１９番目の大型化学産品であり、合成アンモニア製造、水素（Ｈ_２）製造、石灰石のか焼などの産業プロセスの副生物として日常的に分離、捕捉されている。

しかし、現存するＣＯ_２捕捉技術は、発電プラントからのＣＯ_２の隔離との関連で考えるときには、費用に対して効果の高いものではない。ほとんどの発電プラントおよび他の大型点源は、空気で燃焼させる燃焼器を使用しているが、これは窒素で希釈されたＣＯ_２を排出するプロセスである。効率的な炭素隔離のためには、これらの排気ガス中のＣＯ_２を分離、濃縮しなければならない。

現在、ＣＯ_２は、たとえばアミン吸収器および極低温冷却器を用いて、燃焼排気ガスから分離されている。しかし、現行技術を用いてＣＯ_２を捕捉する費用は、トン当り１５０ドルにもなりうるが、これは炭素放出低減のために適用するにはあまりにも高額である。さらに、二酸化炭素の捕捉は、通常、炭素の捕捉、貯蔵、輸送および隔離システムの総費用の４分の３に相当すると推定される。

したがって、発電プラントからのＣＯ_２の分離、捕捉をより容易に、より経済的なものにする新規なＣＯ_２分離のためのシステムおよび方法が必要とされる。

二酸化炭素分離システムは、二酸化炭素含有流体をその中を通して導くための第一の流路、洗い出し流体をその中を通して導くための第二の流路ならびに第一および第二の流路を隔て、それらの間の二酸化炭素輸送を促進するための二酸化炭素選択透過性をもつ材料からなるセパレータを包含する。二酸化炭素分離装置が、輸送されてきた二酸化炭素を洗い出し流体から分離するために前記第二の流路に流体連通している。

本発明のこれらの特徴、様相および利点は、図面を通じて同じ符合は同様な部分を表わしている添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってよりよく理解されるであろう。

二酸化炭素分離システム１０は、第１図に示すように、二酸化炭素含有流体１４をその中を通して導くための第一の流路１２および洗い出し流体１８をその中を通して導くための第二の流路１６ならびに前記第一および第二の流路（１２，１６）を隔て、それらの間の二酸化炭素輸送（矢印の経路に沿った）を促進するためのセパレータ２０、たとえば膜を包含する。

一具体化態様では、セパレータ２０は、二酸化炭素の選択的透過性を可能にする材料または構造を含む。当該材料が運転条件下で安定であり、それらの条件下で必要な耐久性および選択性を有する限り、任意の適当な材料をセパレータ２０に使用できる。ＣＯ_２に対して選択的であることが既知の材料としては、たとえば、ある種の無機および重合体材料が挙げられる。無機材料としては、微孔性アルミナ、微孔性炭素、微孔性シリカ、微孔性ペロブスカイト、ゼオライトおよびハイドロタルサイト材料が挙げられる。

特別な理論によって限定されるものではないが、微孔性材料におけるＣＯ_２選択性の機構としては、表面拡散および毛管凝縮が挙げられる。流れの中での他の気体と比較してＣＯ_２に対して親和性をもつ材料は、ＣＯ_２の好ましい吸着および表面拡散を示すであろう。さらに、吸着されたＣＯ_２分子の存在が、毛管凝縮を介して、より弱く吸着する気体から孔を効果的に遮断して、それらの輸送を阻害するであろう。与えられた運転条件下でのかかる無機膜の性能は、当業者ならば、表面を変性・修飾し、細孔の大きさを変え、あるいは膜の組成を変化させることによって、向上させることができる。重合体マトリックス中に無機粒子を配合した複合膜は、高度の運転条件下で増強されたＣＯ_２選択性を示すことができる。重合体マトリックス中にゼオライトや炭素などの吸着性無機粒子を配合した混合マトリックス膜も、高度の運転条件下で増強された特性を示すことができる。本発明は、特定の膜材料あるいは膜タイプに限定されることなく、適当なレベルの透過性および選択性をもたらすことのできる任意の材料からなる任意の膜を包含するものである。それとしては、たとえば、混合マトリックス膜類、促進輸送膜類、イオン性液体膜類および重合イオン性液体膜類が挙げられる。実際には、セパレータ２０は、支持層上に設けられた分離層からなることが多い。

非対称無機膜の場合、多孔性支持体は、分離層とは異なる材料からなっていてよい。非対称無機膜用の支持体材料としては、多孔性のアルミナ、チタニア、コージエライト、炭素および金属類が挙げられる。一具体化態様では、支持体材料が多孔性金属であり、分離層が、該金属基体の表面というよりは該金属の細孔中に設けられる。選択的層として適当なほとんどの材料は、熱輸送性の低い無機、セラミック、重合体材料またはそれらの組合せである。一具体化態様では、その構造は、効果的熱伝達をもたらす高伝導性金属粒子の連結多孔性網目ならびに選択的物質輸送をもたらす細孔内分離層とともに、熱伝達と選択的物質移動との複合機能を効果的にもたらす。

セパレータ２０は、第一の流路１２と第二の流路１６とを物理的に隔て、それらの間の二酸化炭素輸送を促進する。二酸化炭素分離装置２２が、第二の流路１６と流れの上で連通しており、洗い出し流体１８およびＣＯ_２を受取って、その中に含まれている二酸化炭素２６を単離する。二酸化炭素２６は、単離、除去後に、隔離され、貯蔵され、再循環され、追加プロセスのために使用され、あるいは他の方法で利用される。

一具体化態様では、二酸化炭素を含有する流体１４は排気ガス、たとえば約３０℃〜約７００℃の範囲内の温度をもつ排気ガスである。さらに、本発明は、広い温度範囲にわたる二酸化炭素含有流体１４に対して利用することができる。本システムは、任意の排気ガス、たとえば炉や窯からの排気ガス、熱酸化器、金属加工または他の任意の産業プロセスのための広い範囲のシステムにわたって利用できる。実際、適当なセパレータ２０および洗い出し流体１８を選択して、外界温度で二酸化炭素含有流体１４を処理することができる。

一具体化態様では、洗い出し流体１８は、たとえば水蒸気などの凝縮可能な流体である。他の一具体化態様では、洗い出し流体１８は以下の１種以上であってよい：冷媒類；エタノールなどのアルコール類；ブタンなどの炭化水素類；フッ素化または非フッ素化炭化水素類、ケトン類、エステル類およびエーテル類；およびシロキサン類。さらに、本発明をＣＯ_２捕捉システムに関連して論じているが、排気ガス流中の他の成分、たとえばＣＯ、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）あるいは硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）、塩酸（ＨＣｌ）などの酸性の気体類あるいはその他の汚染物質または種に対して選択的な材料を用いて、同様にして、それらの他の成分を捕捉することもできる。さらに、酸素に対して選択的な材料を、ここに記載しているのと同様にして用いて、空気分離装置（ＡＳＵ）の必要なプラントにおけるＯ_２ストリッピングを助けることができる。

再び図１を参照するが、一実施例では、ＣＯ_２含有排気ガス１４を第一の流路１２に沿って導き、洗い出し水蒸気流１８を第二の流路１６に沿って導く。セパレータ２０はＣＯ_２に対して選択的であり、洗い出し水蒸気流１８はＣＯ_２含有排気ガス１４のそれよりも有意に低いＣＯ_２分圧をもっているので、ＣＯ_２はセパレータ２０を通して洗い出し水蒸気流１８中へ引込まれる。その結果、第一の流路１２から流出する流れは低ＣＯ_２含量流２６であり、それは再循環するか大気へ放出することができ、第二の流路１６から流出する流れは高ＣＯ_２含量流２８であり、これは、ＣＯ_２２４の分離、単離のために二酸化炭素分離装置２２へ導かれる。セパレータ２２は、たとえば沸点、化学的吸収または吸着、分子サイズ、密度などの原理によってＣＯ_２選択的である。膜の材料および形状に応じて、気体温度は、本書で特定し、論じている通り、約３０℃〜約１５００℃であってよい。

本発明の他の一具体化態様では、図２に示したように、システム１００がさらに、発電機１０４を介して発電し、低圧水蒸気からなる洗い出し流１１８（たとえば約０．０３バール〜約１０バールの範囲内の圧をもつ）を発生させるための蒸気タービン１０２を包含する。第二の流路１６から流出する流れは、高ＣＯ_２含量の水蒸気流１２８であり、これは、ＣＯ_２２４の分離、単離のために二酸化炭素分離装置２２へ導かれる。一具体化態様では、二酸化炭素分離装置２２は、容易な分離のために水蒸気を凝縮させ、非凝縮性のＣＯ_２を単離する凝縮器１２２である。凝縮した水蒸気（今や水）は、つぎに、多くの場合ポンプ１２９を介して、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１３０へと導かれて、水蒸気１３２（たとえば、約２０〜約１３０バールの間の圧力、約３００℃〜約７００℃の間の温度をもつ）を発生し、これは蒸気タービン１０２へ導入される。低圧水蒸気からなる洗い出し流１１８（たとえば、約２０℃〜約２００℃の間の温度をもつ）は、たとえば第一の流路１２を介して導入された二酸化炭素含有流体１４が高温排気ガスであるならば、この流体１４を冷却するために使用することもできる。この具体化態様は、典型的には蒸気タービンの出口に関連した低圧を利用することによって、ＣＯ_２の除去に必要な大きい駆動力を得ることができ、かくしてより効率的なＣＯ_２除去をもたらすことができるゆえに、とくに有利である。水蒸気サイクルと本発明のＣＯ_２除去システムとの統合は、水蒸気サイクルが典型的にはＣＯ_２含有排気流に隣接して並置されているから、実行可能である。

本発明の他の一具体化態様によれば、図３に示したように、システム２００は、さらに、発電機２０４を介して追加の発電をするための第二の蒸気タービン２０２を包含する。上述のとおり、ＣＯ_２はセパレータ２０を横切って、洗い出し流１１８中へと流入する。それゆえ、洗い出し流１１８（たとえば、約１〜約４０バールの間の圧力、約１００℃〜約４５０℃の間の温度をもち、多くの場合、約１５〜約３０バールの間の圧力、約２００℃〜約３５０℃の間の温度をもつ）は、ＣＯ_２の追加によって体積が増す。さらに、洗い出し流１１８を二酸化炭素含有流体１４、たとえば排気ガスの冷却のためにも使用するならば、第二の流路に存在する高ＣＯ_２含量の水蒸気流１２８も高められた温度（たとえば約４００℃〜約６００℃の範囲内の）をもつであろう。このより大体積で高温の高ＣＯ_２含量水蒸気流１２８は、第二の蒸気タービン２０２中へ導かれ、発電機２０４を介して追加の電力を発生する。さらに、低圧蒸気の後流２４０をＨＲＳＧ１３０から第二の蒸気タービン２０２へ導いて、高ＣＯ_２含量の水蒸気流１２８が第二の蒸気タービン２０２に入るときに、それの流れを増大させ、ＨＲＳＧ１３０での熱をより効率よく回収することができる。この特別な具体化態様は、ＣＯ_２除去プロセスと再加熱段階の両者を水蒸気サイクル内で組合せるので、有利である。さらに、高ＣＯ_２含量の水蒸気流１２８と低圧水蒸気の後流２４０との複合効果によって、第二の蒸気タービン２０２中でより激しい流れが達成される。さらに、再加熱段階の効率が寸法増大とともに上昇し、同様に、所与の膜分離効率の割にはＣＯ_２捕捉性能が向上するであろうことに注目すべきである。発電プラントの効率という観点からは、より多くのＣＯ_２が捕捉されるゆえの効率向上が本発明に特有のものであって、実際、ほとんどのＣＯ_２捕捉方法では、より多くのＣＯ_２を除去するにつれて、効率が（典型的には急激に）低下する。

システム２００は、凝縮器１２２から流出してきた水がＨＲＳＧ１３０へ入る前にその水から何らかの溶存ＣＯ_２を除去するための追加のＣＯ_２除去装置２４２を随意に包含していてよい。水から溶存ＣＯ_２を除去するための一つの選択肢は、たとえば凝縮器１２２から流出してきた水を気体流、たとえば水蒸気または空気（図示されていない）と接触させてのストリッピングである。さらに、ストリッピング過程で実現されるよりも低いレベルまで炭素イオンを除去するために、さらなる化学的処理を適用してもよい。

本発明の他の一具体化態様３００では、図４に示したように、有機ランキンサイクル３０２を水蒸気ランキンサイクル３０４と組合せる。この具体化態様では、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）タービン３０６が有機蒸気３０８を受取り、この蒸気を膨張させ、発電機３１０を動かせて、発電する一方、有機洗い出し流３１２を製出し、これは第二の流路１６に沿って導かれる。上記したと同様に、ＣＯ_２は二酸化炭素含有流体１４、たとえば排気ガスから、セパレータ２０を通って有機洗い出し流３１２へと移行し、高ＣＯ_２含量流３１４を製出する。この高ＣＯ_２含量流３１４は、有機流体凝縮器３１６へ導かれ、そこで有機流体担体が凝縮されて、有機流体３１８（たとえば、約０．０３〜約１０バールの間の圧力、約１５℃〜約４０℃の間の温度をもつ）となり、非凝縮性のＣＯ_２３２０が分離される。

有機流体３１８は、典型的にはポンプ３２２を介して、有機蒸気発生器３２４へと導かれ、そこで、有機流体３１８に熱が加えられ、有機流体３１８が相変化を受けて、有機蒸気３０８となる。この有機蒸気３０８は、つぎに、ＯＲＣタービン３０６へと導かれる。

一具体化態様では、有機蒸気発生器３２４で有機流体３１８（たとえば、約５〜約５０バールの間の圧のもとにある）に加えられる熱が、低圧水蒸気流３２６（たとえば、約０．５〜約１０バールの間の圧のもとにある）によって与えられる。低圧水蒸気流３２６は、有機蒸気発生器３２４へと導かれ、凝縮して、水の流れ３２８（たとえば、約７０℃〜約１７０℃の温度をもつ）を製出する。その熱は、低圧水蒸気流３２６から有機液体３１８へと伝達され、それによって、相互接続された２つの系においてそれぞれ有機蒸気（たとえば、約６５℃〜約１６５℃の温度をもつ）および水流３２８が製出される。

水流３２８は、典型的にはポンプ３３０を介して、ＨＲＳＧ３３２へ導かれ、そこで、その水が高温水蒸気流３３４（たとえば、約２０〜約１５０バールの間の圧力、約３００℃〜約７００℃の間の温度をもつ）に転化される。高温水蒸気流３３４は、蒸気タービン３３６中で膨張させられ、発電機３３８を介して発電し、低圧水蒸気流３２６を生じる。この具体化態様は、当を得た有機流体はその中に液体としての溶解ＣＯ_２を含有しないので、なんらの追加の水処理工程をももつ必要がない。

本発明の他の一具体化態様４００では、図５に示したように、ガスタービン系４０３が包含される。圧縮区画４０２において空気４０１が圧縮され、つぎに燃料４０４と混合され、燃焼器４０６で燃焼される。生じた高温気体４０８は、タービン区画４１０で膨張させられて、発電機４１２を介して発電し、排気ガス４１４を生じる。排気ガス４１４はＨＲＳＧ４１６へ導かれ、そこで、排気ガス４１４からの熱が用いられて、水蒸気サイクルまたは他のボトミングサイクル（図示されていない）において追加の電力が発生され、温度の低下した排気ガス４１８（たとえば、約５０℃〜約１００℃の温度をもつ）が生じる。温度の低下した排気ガス４１８の第一の部分４２０は、随意に、再循環させて、圧縮器区画４０２に導入される空気４０１と混合して、温度の低下した排気ガス４１８中の全ＣＯ_２含量を高め、システム４００の抽出効率を改善することができる。理想的には、温度の低下した排気ガス４１８のＣＯ_２含量は、二酸化炭素抽出システムを通じての抽出効率改善のために、約８体積％〜約１５体積％の範囲内にあるべきである。これらのＣＯ_２レベルを達成するために、排気ガス再循環などの技術を採用することができる。

温度の低下した排気ガス４１８の第二の部分４２２は、二酸化炭素分離システム４２６の第一の流路４２４中へ導入される。洗い出し流体４２８が第二の流路４２６に沿って導かれる。セパレータ２０、たとえば膜が、第一および第二の流路４２４，４２６の間に配置されて、該第一および第二の流路４２４，４２６を隔てており、それらの間の二酸化炭素輸送（矢印の経路に沿っての）を促進する。低ＣＯ_２含量流４２７が第一の流路４２４から導き出されて、再循環されるかまたは大気中へ放出され、高ＣＯ_２含量流４３０が二酸化炭素分離装置４３２へ導かれて、ＣＯ_２４３４が分離、単離される。

他の一具体化態様では、図６に示したように、排気ガス４１４が、中間ＨＲＳＧを通してよりもむしろ、二酸化炭素分離システム４２６の第一の流路４２４へ導入される。この二酸化炭素分離システム４２６のいくつかの具体化態様では、セパレータ２０は、高温、たとえば５００℃を超える温度に対して適合できる。

本発明の他の一具体化態様５００においては、図７に示したように、ガスタービンシステム５０２が包含される。空気５０４が圧縮区画５０６において圧縮されたのち、燃料５０８と混合され、燃焼器５１０（たとえば、約１０〜約６０バールの間の圧力、しばしば約１５〜約４５バールの圧力をもつ）において燃焼される。生じた高温気体５１２（たとえば、約１０００℃〜約１６００℃の温度をもつ）はタービン区画５１４において膨張させられ、発電機５１６を介して電力を発生し、排気ガス５１８を生じる。

燃焼器５１０は、少なくとも部分的にセパレータ２０によって範囲を規定されている。空気５０４と燃料５０８とが燃焼器５１０内で燃焼するとき、ＣＯ_２が生成される。燃焼器５１０内の高圧とセパレータ２０（燃焼器５１０の外部の）に隣接する洗い出し流５２０中に存在するＣＯ_２の低い分圧とのために、ＣＯ_２はセパレータ２０を横切って洗い出し流５２０中へ移行し、それによって高ＣＯ_２含量流５２２を生じ、これは二酸化炭素分離装置５２４へ導かれて、ＣＯ_２５２６が分離、単離される。したがって、排気ガス５１８は有意に低下したＣＯ_２濃度を有する。

ここでは、本発明のいくつかの様相・特徴を説明、記述しただけであるが、当業者ならば多くの修飾、変更を思い浮かべるであろう。それゆえ、添付の請求項は、本発明の真の精神・意図に含まれるごとき修飾、変更を包含することを意図しているものであることを了解されたい。

本発明の一具体化態様の概要図である。 本発明の一具体化態様の他の概要図である。 本発明の一具体化態様の他の概要図である。 本発明の一具体化態様の他の概要図である。 本発明の一具体化態様の他の概要図である。 本発明の一具体化態様の他の概要図である。 本発明の一具体化態様の他の概要図である。

符号の説明

１０ 二酸化炭素分離システム
１２ 第一の流路
１４ 二酸化炭素含有流体
１６ 第二の流路
１８ 洗い出し流体
２０ セパレータ
２２ 二酸化炭素分離装置

Claims (10)

1. その中を通して二酸化炭素含有流体（１４）を導くための第一の流路（１２）；
   その中を通して洗い出し流体（１８）を導くための第二の流路（１６）；
   該第一および第二の流路（１２，１６）を隔て、それらの間の二酸化炭素輸送を促進するための二酸化炭素選択透過性を持つ材料からなるセパレータ（２０）；および
   輸送されてきた二酸化炭素（２４）を洗い出し流体（１８）から分離するための、該第二の流路（１６）と流体連通している二酸化炭素分離装置（２２）
   を包含する二酸化炭素分離システム（１０）。
2. 該流体（１４）が排気ガスである請求項１に記載の二酸化炭素分離システム（１０）。
3. 該洗い出し流体（１８）が凝縮性流体である請求項１に記載の二酸化炭素分離システム（１０）。
4. 該洗い出し流体（１８）が有機化合物である請求項１に記載の二酸化炭素分離システム（１０）。
5. 該洗い出し流体が、冷媒類；アルコール類；フッ素化および非フッ素化炭化水素類、ケトン類、エステル類およびエーテル類；シロキサン類ならびにこれらの組合せからなる群から選ばれたものである請求項４に記載の二酸化炭素分離システム。
6. 該セパレータ（２０）が、微孔性炭素、微孔性シリカ、微孔性チタノケイ酸塩、微孔性混合酸化物ならびにゼオライト材料類、複合膜類、混合マトリックス膜類、促進輸送膜類、イオン性液体膜類および重合イオン性液体膜類からなる群から選ばれた材料からなる請求項１に記載の二酸化炭素分離システム（１０）。
7. 前記洗い出し流を生成し発電する蒸気タービンをさらに含み、該洗い出し流体（１８）が水蒸気である請求項１に記載の二酸化炭素分離システム。
8. 該洗い出し流体を製出するための有機ランキンサイクルをさらに包含する請求項４に記載の二酸化炭素分離システム。
9. 該有機ランキンサイクルに対して熱を受付けない水蒸気凝縮器をさらに包含する請求項８に記載の二酸化炭素分離システム。
10. 該排気ガスが、ガスタービン、炉・窯、熱酸化装置、金属加工システムまたは産業プロセスの少なくとも一つから生じたものである請求項２に記載の二酸化炭素分離システム。

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