JP2011515210A - 触媒の使用を介して混合ガスストリームからのｃｏ２の除去を増進させたシステム及び方法 - Google Patents

触媒の使用を介して混合ガスストリームからのｃｏ２の除去を増進させたシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、煙道ガスストリームからCO2を除去するための溶媒系煙道ガス処理システムに係る。煙道ガスストリームからのCO2の捕捉又は溶媒の再生における溶媒の効率を増大させるために触媒を使用する。

Description

この出願は、2008年３月２１日出願の米国特許仮出願第61/038,467号（発明の名称：触媒の使用を介して混合ガスストリームからのCO2の除去を増進させたシステム及び方法）の優先権を主張するものであり、その記載のすべてを参照することにより本書に含める。
本発明は、二酸化炭素及び二酸化イオウを含有するプロセスガスストリームから二酸化炭素（CO2）を除去するためのシステム及び方法に係る。さらに詳しくは、本発明は、煙道ガスストリームからのCO2の捕捉又は溶媒の再生における溶媒の効率を増大させるために触媒を使用する、煙道ガスストリームからCO2を除去するための溶媒系煙道ガス処理システムに係る。
発電プラントに水蒸気を提供するためのボイラーシステムと一体化したもののような燃焼プラントにおける、燃料、例えば、石炭、石油、ピート、廃棄物等の燃焼では、熱いプロセスガス（又は煙道ガス）が発生される。このような煙道ガスは、しばしば、他の成分の中でも二酸化炭素（CO2）を含有する。二酸化炭素を大気中に放出することによる環境に対するマイナスの影響は広く認められており、その結果、上述の燃料の燃焼において発生される熱いプロセスガスから二酸化炭素を除去するために採用される方法が開発されている。このようなシステム及び方法の１つは既に開示されており、燃焼後煙道ガスストリームから二酸化炭素（CO2）を除去するための一段階式チルドアンモニア系システム及び方法を対象とするものである。
アンモニア系システム及び方法（CAP）のような公知の溶媒系CO2捕捉システムは、例えば、燃焼後煙道ガスストリームのようなガスストリームからCO2を捕捉／除去するための比較的低コストの手段を提供する。このようなシステム及び方法は、出願中の特許出願PCT/US2005/012794（国際公開番号：WO2006/022885；発明者：Eli Gal；2005年４月１２日出願；発明の名称：CO2の除去を含む燃焼ガスの超浄化）において既に開示されている。この方法では、チルドアンモニアイオン性アンモニア溶液（又はスラリー）を、CO2を含有する煙道ガスと接触させることによって、CO2の煙道ガスストリームからの吸収が達成される。
図１Aは、例えば、発電プラントの蒸気発生器システムにおいて使用されるボイラーシステム26の燃焼チャンバーによって放出された煙道ガスストリームFGからの各種汚染物の除去において使用される煙道ガス処理システム15を一般的に示す図である。このシステムは、浄化された煙道ガスストリームを排気筒90から放出する（又は別法として、追加の処理を行う）前に、煙道ガスストリームFGからCO2を除去するように設定されているCO2除去システム70を含む。CO2除去システムは、煙道ガスストリームFGから除去されたCO2を出力するようにも設定されている。CO2除去システムの詳細は、図1Bに一般的に表わされている。
図1Bを参照すると、CO2除去システム70は、煙道ガスストリームFGからCO2を捕捉／除去するための捕捉システム72及び煙道ガスストリームFG からCO2を除去するために使用したイオン性アンモニア溶液を再生するための再生システム74を含んでいる。捕捉システム72の詳細は、図1Cに一般的に表わされている。
図１C及び図１Ｄを参照すると、CO2捕捉システム70（図１Ａ）の捕捉システム72が一般的に表わされている。このシステムでは、捕捉システム72は、溶媒系CO2捕捉システムである。さらに詳しくは、この例では、使用される溶媒はチルドアンモニアである。CO2除去のためのチルドアンモニア（CPA）系システム／方法では、吸収剤のイオン性アンモニア溶液（イオン性アンモニア溶液）が、CO2を含有する煙道ガスストリーム（FG）と接触される吸収器が設けられている。イオン性溶液は代表的には水性であり、例えば、水及びアンモニウムイオン、炭酸水素イオン、炭酸イオン及び／又はカルバミン酸イオンを含有してなる。公知のCAP CO2除去システムの例が、図１C及び図１Ｄに一般的に表わされている。
図１Cを参照すると、吸収器170は、例えば、化石燃料燃焼式ボイラー26（図１Ａ参照）の燃焼チャンバーから発生される煙道ガスストリーム（FG）を受け取るように設定されている。また、再生システム74（図１Ｂ参照）からの希薄イオン性アンモニア溶液の供給を受けるように設定されている。希薄イオン性アンモニア溶液は、液分配システム121を介して容器170に導入され、その間に、煙道ガスストリームFGも、煙道ガス入口76を介して吸収器によって受け入れられる。
イオン性アンモニア溶液は、ガス−液接触装置（以下、「物質移動装置（MTD）」と表示することがある）111（煙道ガスストリームを溶媒と接触させるために使用され、吸収器170内であって、煙道ガスストリームが、入口76を介する導入から容器の出口77まで移動する通路内に設置されている）を介して煙道ガスストリームと接触される。ガス−液接触装置111は、例えば、１以上の周知のように構成された又はランダムの充填剤又はこれらの組み合わせである。
煙道ガスストリームと接触すると、イオン性アンモニア溶液は煙道ガスストリームからCO2を吸収するように作用し、このようにして、CO2を富有するイオン性アンモニア溶液（リッチ溶液）を生成する。リッチイオン性アンモニア溶液は、物質移動装置内を通って、流下を続け、ついで、吸収器170の底部78において集められる。ついで、リッチイオン性アンモニア溶液は、再生システム74（図１Ｂ参照）を介して再生され、イオン性アンモニア溶液によって煙道ガスストリームから吸収されたCO2を放出する。イオン性アンモニア溶液から放出されたCO2は、ついで、貯蔵又は他の所定の用途／目的のために出力される。CO2がイオン性アンモニア溶液から放出されると、イオン性アンモニア溶液は、「希薄」になったと称される。ついで、希薄イオン性アンモニア溶液は煙道ガスストリームからCO2を吸収するために準備され、液分配システム121に戻され、これによって、吸収器170に再導入される。再生システム74の詳細は、図１Eに表わされている。システム74は再生器195を含む。再生器195は、捕捉システム72からのリッチ溶液の供給を受け取り、CO2がリッチ溶液から分離された後に、希薄溶液を捕捉システム72に戻すように設定されている。
再生処理では、リッチイオン性アンモニア溶液は加熱され、溶液中に含有されるCO2がチルドアンモニア溶液から分離される。CO2が分離されると、アンモニア（アンモニアスリップ）は捕捉システムに戻され、ガスストリームからCO2を捕捉するために使用される。
これらの現在知られている溶媒形CO2捕捉技術は、代表的には、CO2捕捉処理が効果的に行われるように、発電システムによって発生された電力の約２０〜３０％を消費している。さらに、これらの技術は、しばしば、煙道ガスストリームからのCO2の捕捉における再使用を目的としてアミン溶液を再生するために、ボイラー／リボイラー機能によって発生される熱エネルギー（リボイラー負荷）の大部分を必要とする。要するに、煙道ガスストリームからCO2を捕捉する公知の方法は存在するが、これらは、良好に機能するためには、多量のエネルギーを必要とするものである。さらに、煙道ガスがアミンと接触する時間を最大／最適化するためには、代表的なシステムにおける吸収器及び／又は再生器のタンクの物理的サイズは非常に大きなものでなければならない。さらに、現場において、これら容器に適合するよう求められる物理的空間は大きい。現場で空間が制限されるところでは、可能であれば、限られた空間に容器／システムを設置するための追加の対策をとる必要がある。
本発明の具体例は、化石燃料燃焼式ボイラーと共に使用される煙道ガス処理システムを提供する。簡潔に記述すると、構造において、システムの１具体例は、中でも、二酸化炭素を含有する混合ガスストリームを受け取り、これを溶媒と接触させるように設定された吸収塔を含む煙道ガス処理システムとして提供されるものであって、吸収塔は、触媒で被覆された充填剤を含んでなる。
本発明の具体例は、混合ガスストリームを処理する方法であって、該方法は、ボイラーの燃焼チャンバーから煙道ガスストリームを受け取り；煙道ガスストリームを溶媒と接触させ；及び溶媒を触媒と接触させる工程を含んでなる混合ガスストリームの処理法を提供するものとしても考えられる。
本発明の他のシステム、方法、特徴及び利点は、下記の図面及び詳細な説明を検討する際に、当業者には明白になるであろう。このような更なるシステム、方法、特徴及び利点は、いずれも、この記載内に含まれるものであり、本発明の範囲内にあり、特許請求の範囲によって保護されるものである。
以下の図面を参照することによって、本発明は良好に理解され、また、その多数の態様は当業者にとって明白になるであろう。
CO2除去機能を備えた代表的な煙道ガス処理システム15を一般的に示す図である。 充填剤の壁／表面上に触媒が不動化されている充填剤物質315の例を一般的に示す図である。 吸収器110及び再生器330に、それぞれ、触媒で被覆された充填剤物質315及び335が充填されているアミン系又はアンモニア系CO2捕捉システム70の関連する部分を一般的に示す図である。 触媒425が溶媒供給195（図４Ａ）に添加されるか、又は、溶媒供給フィードに直接添加されるアミン系又はアンモニア系CO2捕捉システム70の関連する部分を一般的に示す図である。 触媒425が溶媒供給フィードに直接添加されるアミン系又はアンモニア系CO2捕捉システム70の関連する部分を一般的に示す図である。
本発明は、例えば、煙道ガスストリームの処理において使用される溶媒系捕捉システムにおけるCO2捕捉効率を増大させることを目的とするものである。本発明は、また、CO2を捕捉するために使用された溶媒を効率的に再生することを目的とするものである。
本発明の１具体例において、触媒は、アミン又はアンモニア系CO2捕捉システム70の吸収塔110に配置された充填剤物質315の１以上の表面に被覆（又は不動化）されている。図２Ａ−図２Ｃは、触媒425によって被覆された充填物質315を一般的に示す図である。図２Ｂ及び２Ｃは、充填剤物質315が、例えば、相互に接近して配置された一連のコルゲート状支持構造体320によって構成されて、一連の通路（この通路を通って、吸収塔110に入る煙道ガスが流れる）を形成することを示している。触媒425は、各コルゲート状支持構造体320の1以上の表面に被覆される。コルゲート状のトラフ334は、ガスが充填剤物質315を通過し、これによって、触媒層425と接触させる通路を形成する。
触媒425は、均一系及び／又は不均一系触媒である。均一系触媒としては、例えば、遷移金属及び無機／有機リガンド（例えば、ビピラジン、芳香族炭化水素、ハロゲン等）を含んでなる有機金属錯体が含まれる。遷移金属錯体の形成は、不活性分子を活性化する最も強力かつ普遍的な方法の１つである。配位の結果、リガンドの反応性の変化が生じ、リガンド相互作用にとって好ましい立体条件を創生する。配位を介するこの活性化によって、遷移金属化合物の影響下において、多くの触媒反応を行うことが可能になる。使用できる触媒の他の例としては、例えば、ハロゲンタイプの錯体、Ni(bpy)3Cl2（bpy：ビピリジン）のような有機金属錯体触媒がある（ただし、これらに限定されない）。
不均一系触媒としては、例えば、金属又はその化合物、例えば、酸化物（例えば、MgO）、塩化物（MgCl2）等がある（酸化物は、好ましくは、硫化物イオン及び塩化物イオンを含まない）。金属は、相互に独立して、高BET表面積の固状物質（例えば、重合体、金属酸化物、SiO2、モレキュラーシーブ、塩基−及び／又は酸−変性クレー等）の上に、好ましくは均等に分散される。
触媒425は、CO2と、アミン又はチルドアンモニアのような溶媒との反応を促進するために使用され、このようにして、単位時間当たり、より多くのCO2を溶媒が捕捉できるようになる（すなわち、アミン系CO2捕捉効率が増大される）。
再生塔内の充填剤上の触媒
本発明の１具体例では、アミン又はアンモニア系CO2捕捉システムの再生塔内の充填剤の１以上の表面上に、触媒を被覆又は不動化させる。触媒は均一系及び／又は不均一系触媒である。触媒は、溶媒がCO2と反応／相互作用した後、溶媒（例えば、アミン又はアンモニア）の再生を促進する。触媒は選択され、CO2とアミンとの間の相互作用／反応から形成された生成物の分解を促進するように提供され、これによって、単位時間当たり、より効率的に、アミンがリッチアミン溶液から再生されるようになる（すなわち、アミン系CO2捕捉効率が増大される）。この具体例は、図３において、一般的に示されている。
他の具体例では、触媒は、例えば、アミン又はアンモニアのような、煙道ガスストリームからCO2を捕捉するために使用される溶媒に添加される。触媒は、CO2と反応した後の溶媒の再生を促進するためにも使用される。この具体例では、均一系触媒が使用される。この具体例は、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、一般的に示されている。図４Ａは、触媒425が、どのようにして溶媒供給タンク510に直接供給されるかを図示している。図４Ｂは、触媒425が、どのようにして液体分散システム121に供給される溶媒供給と合わされるかを図示している。
触媒425が、吸収塔110及び再生塔330の両方の中にある充填剤315の上に被覆／不動化／層状化されている煙道ガス処理システム15において、吸収塔110及び再生塔330の両方において使用される触媒425は、同一の触媒又は異なる触媒である。捕捉及び再生の両方に関連して、必ずしも、同じ触媒を使用する必要はない。
触媒425を、例えば、100−1000 m2/gのような高BET表面積をもつ固状物質上に、例えば、湿式含浸法を介して分散／層状化／被覆し、続いて、例えば、吸収塔110及び／又は再生塔／ストリッパー330内に配置された充填剤315の上に被覆／不動化する。これは、例えば、公知のウォッシュコーティング技術（例えば、工業用触媒調製法において使用されているような方法）を介して達成される。これらの固状物質は充填剤又はその一部を構成するように使用される。
別法として、触媒（有機金属錯体、遷移金属及びその塩）を、充填剤315（図２Ａ−図２Ｃ参照）の上に直接被覆して、触媒膜（又は層）を形成することができる。これは、例えば、工業用の半導体の調製法又は自己組織化法又は電解被覆法において使用されている技術のような公知の被覆技術を介して達成される。使用される触媒のいくつかの例としては、例えば、ハロゲンタイプの錯体、Ni(bpy)3Cl2（bpy：ビピリジン）及び遷移金属系無機触媒のような、例えば、有機金属錯体触媒がある（ただし、これらに限定されない）。
CO2捕捉操作では、触媒425の表面に吸着されたCO2を活性化し、均一法及び／又は不均一法を介するCO2によるアミンの炭酸化／炭酸水素化及びカーボメーションに対して触媒作用を発揮するように使用される。また、これらの触媒は、溶媒（例えば、アミン股はアンモニア）の再生において、CO2によるアミンの炭酸化／炭酸水素化及びカーボメーションから形成された生成物の分解に対して触媒作用を発揮するように使用される。
本発明を各種の例示的具体例を参照して記述したが、本発明の精神を逸脱することなく、多くの変形が加えられること及びその要素を均等物によって置換できることは、当業者によって理解されるであろう。さらに、その必須の範囲を逸脱することなく、本発明の教示に特別な状況又は物質を適合するように多くの変更をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示した特別の具体例に限定されず、本発明は、特許請求の範囲内に属する全ての具体例を包含するものである。さらに、用語「第１」、「第２」等は、順序又は重要性を表わすものではなく、むしろ、１つの要素を他の要素から区別するために使用している。

Claims (19)

  1. 二酸化炭素を含有する混合ガスストリームを受け取り、溶媒と接触させるように設定された吸収塔を含んでなる煙道ガス処理システムであって、前記吸収塔が、触媒で被覆された充填剤を含んでなるものである、煙道ガス処理システム。
  2. 触媒が均一系触媒である、請求項１記載のシステム。
  3. 触媒が不均一系触媒である、請求項１記載のシステム。
  4. 煙道ガス処理システムがアミン系煙道ガス処理システムである、請求項１記載のシステム。
  5. 触媒が、アミンによる煙道ガスストリーム中の二酸化炭素の捕捉を促進するために使用されている、請求項４記載のシステム。
  6. 混合処理ガスシステムが、アンモニア系混合ガス処理システムである、請求項１記載のシステム。
  7. 二酸化炭素リッチアミンストリームを受け取るように設定された再生塔を含んでなる混合ガス処理システムであって、再生塔が、触媒が被覆／不動化された充填剤を含んでなるものである、混合ガス処理システム。
  8. 触媒が均一系触媒である、請求項７記載のシステム。
  9. 触媒が不均一系触媒である、請求項７記載のシステム。
  10. 二酸化炭素リッチアンモニアストリームを受け取るように設定された再生塔を含んでなる混合ガス処理システムであって、再生塔が、触媒が被覆／不動化された充填剤を含んでなるものである、混合ガス処理システム。
  11. 触媒が均一系触媒である、請求項１０記載のシステム。
  12. 触媒が不均一系触媒である、請求項１０記載のシステム。
  13. 煙道ガスストリーム及び触媒を含有するアミン供給フィードを受け取るように設定された吸収塔を含んでなる混合ガス処理システム。
  14. 吸収塔が、煙道ガスストリームを、アミン供給フィードからのアミン／触媒と接触させるように設定されている、請求項１３記載のシステム。
  15. 混合ガスストリームを受け取るように設定された吸収塔を含んでなる混合ガス処理システムであって、前記吸収塔が、表面上に吸着されたCO2を活性化し、CO2によるアミンの炭酸化／炭酸水素化及びカーボメーションに対して触媒作用を発揮するために使用される触媒が被覆／不動化されている充填剤を含んでなるものである、混合ガス処理システム。
  16. 二酸化炭素リッチアミンストリームを受け取るように設定された再生塔を含んでなる混合ガス処理システムであって、再生塔が、CO2によるアミンの炭酸化／炭酸水素化及びカーボメーションから形成された生成物の分解に対して触媒作用を発揮するために使用される触媒が被覆／不動化されている充填剤を含んでなるものである、混合ガス処理システム。
  17. 二酸化炭素リッチアンモニアストリームを受け取るように設定された再生塔を含んでなる混合ガス処理システムであって、再生塔が、CO2によるアンモニアの反応／相互作用から形成された生成物の分解に対して触媒作用を発揮するために使用される触媒が被覆／不動化されている充填剤を含んでなるものである、混合ガス処理システム。
  18. 煙道ガスストリーム及び、アミン／アンモニアを使用する低温でのCO2の捕捉及び高温でのアンモニアとCO2との反応／相互作用に対して触媒作用を発揮するために使用される触媒を含むアミン供給フィードを受け取るように設定された吸収塔を含んでなる、混合ガス処理システム。
  19. 混合ガスストリームを処理する方法であって、二酸化炭素を含む煙道ガスストリームを受け取り；煙道ガスストリームを溶媒と接触させ；及び溶媒を触媒と接触させることを含んでなる、混合ガスストリームの処理法。
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