JP2012522637A - 改善されたストリッパー性能をもつｃｏ２捕捉法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスストリームからガス状汚染物を除去するシステム及び方法に係る。特に、本発明は、ガスストリームからガス状汚染物を除去する方法であって、ガスストリームを洗浄溶液と接触させて、洗浄溶液への吸収によって、ガスストリームからガス状汚染物を除去し；及び使用済み洗浄溶液を再生して、使用済み洗浄溶液からガス状汚染物を除去し、これによって、再生済み洗浄溶液及び除去された汚染物を含んでなるガスを提供することを含んでなり、第１の再生ステージにおいて、除去された汚染物を含んでなるガスを冷却して、再生工程からの水蒸気の損失を最小にするガス状汚染物の除去法に係る。

Description

本願は、米国仮特許出願第61/164,944号（2009年３月３１日出願）の利益を享受するものであり、該米国仮特許出願の内容は、参照することにより、本明細書に組み込まれる。

本発明は、ガスストリームからガス状汚染物を除去する方法及びシステムに係る。

ガスの浄化のための一般的な工業的技術では、H₂S、CO₂及び／又はCOSのような不純物は、液体溶液、例えば、アミン化合物を含んでなる液体溶液への吸収によって、煙道ガス、天然ガス、合成ガス又は他のガスストリームのようなガスストリームから除去される。

続いて、再生塔において、代表的にはスチームとの向流接触によって、使用済みの液体溶液を再生して、溶液中に含まれる不純物を放出させる。再生に必要なスチームは、一般的には、再生塔の底部に配置されたリボイラーにおいて、再生した液体溶液をリボイリングすることによって生成される。さらに、リボイリングは液体溶液中に含まれる不純物の更なる放出を提供できる。

上述のように、一般的な吸収−再生法では、再生され、リボイリングされた液体溶液は、代表的には、他の吸収サイクルにおいて再使用される。しかし、リボイリングされた溶液は、100−150℃程度の高い温度を有する。効果的な吸収を可能にするためには、アミン化合物系の液体溶液を、一般的には、他のラウンドの吸収に送られる前に、冷却することが必要とされる。冷却は、一般に、吸収からの使用済み液体溶液との熱交換によって行われていた。

リボイラーによって生成されるエネルギーは、再生に必要であるだけでなく、吸収−再生法における他の部位でも必要である。一般に、従来のガス浄化プロセスのエネルギー要求は３つのタイプ：すなわち、結合エネルギー、ストリッピングエネルギー及び顕熱である。結合エネルギーは、不純物と液体溶液との間で形成された化学結合を破壊するために要求され、ストリッピングエネルギーは、液体溶液から不純物を放出するために必要なスチームの生成に要求される。顕熱は、再生前における液体溶液の加熱に要求される。一般的なシステム及び方法では、生成されたエネルギーの一部は、例えば、吸収器入口の近くに配置された、吸収器に洗浄溶液を戻す前に、この戻り洗浄溶液を冷却するための冷却器のようなシステム冷却器（システムにおける特定の位置で温度を低下させる）において失われる。さらに、吸収器、再生器等のトップに配置された凝縮器において、主に再生器のトップ（ここでは、精製されたCO₂ガス中に水蒸気が存在する）においてプロセスから出る水蒸気の形で失われる。

このように、ガスの除去、及び特に再生は、エネルギー大量消費のプロセスである。ガス浄化プロセスの各種部分でのエネルギー要求の低減は、プロセスによって要求される総エネルギーを潜在的に低減させることができる。

米国特許第4,152,217号には、総熱エネルギー要求が低減された吸収−再生プロセスが開示されている。プロセスは、吸収から生ずる使用済みの不純物富有溶液が２つのストリームに分割されるスプリット−フローアレンジメントを含んでなる。第１のストリームは、加熱されることなく、再生塔の頂部に案内される。第２のストリームは、再生塔の底部からの熱いリーンストリームとの熱交換によって加熱された後、再生塔における下方、中間部位に供給される。

国際特許出願公開WO 09/112518には、再生塔に供給する前に、CO₂を富有する吸収液を熱交換によって加熱する、CO₂の除去法が開示されている。熱交換に供する前に、吸収液が２つのストリームに分割される。第１のストリームは、再生された液との熱交換によって加熱され、第２のストリームは、再生塔の頂部からのCO₂を富有するストリッピングガスとの熱交換によって加熱される。

ヨーロッパ特許第1 759 756号には、CO₂リッチの溶液を、加熱メンバーを含んでなる再生塔において再生する、CO₂回収法が開示されている。加熱メンバーは、再生塔において、リッチ溶液を再生塔において再生する際に発生されるスチームにてリッチ溶液を加熱する。

一般的なガス精製技術の各種の改良が知られているが、これらの技術を、特にエネルギー消費に関して、さらに改良することについての普遍の要求がある。

従来技術の上記欠点及び欠陥は、ガスストリームからガス状汚染物を除去する方法であって、ガスストリームを洗浄溶液と接触させて、洗浄溶液への吸収によって、ガスストリームからガス状汚染物を除去すること；及び使用済み洗浄溶液を再生して、使用済み洗浄溶液からガス状汚染物を除去し、これによって、再生済み洗浄溶液及び除去された汚染物を含んでなるガスを提供することを含んでなり、第１の再生ステージにおいて、除去された汚染物を含んでなるガスを冷却して、再生工程からの水蒸気の損失を最小にするガス状汚染物の除去法によって克服又は軽減される。

この明細書では、用語「加熱された」及び「冷却された」は、ガス浄化プロセス又はシステムにおける液体、溶液又はストリームの相対的な温度を意味する。例えば、液体について、加熱工程後であれば、加熱前の液体の温度と比べて及び／又は加熱工程を含まないプロセスにおいて、相当する位置での液体、溶液又はストリームの温度を比べて、相対的に「加熱された」液体と呼ばれる。用語「冷却された」は、対応して、冷却以前の液体、溶液又はストリームと比べて又は冷却工程を含まないプロセスにおいて、相当する位置での液体、溶液又はストリームと比べて、冷却工程後の液体、溶液又はストリームの相対的な温度に係る。

ここで使用するように、「熱交換」は、熱が意図的に１つの媒体から他の媒体に移動されるプロセス工程を意味する。熱交換の結果、プロセス工程から放出される１つの媒体は工程前よりも冷たくなり、プロセス工程から放出される他の媒体は工程前よりも温かくなる。熱交換は、２つの媒体が物理的に接触する直接的、又は、媒体が、例えば、熱移動可能な固体壁によって分離されている間接的である。

ここで使用するように、「再生ステージ」は、平衡ステージを意味するものでなく、再生プロセスにおける１ステージを意味する。

上述のように、ここでは、冷却とは、一般的なプロセスにおける同様の操作の温度と比べて冷たいことを意味する。このように、第１の再生ステージにおける使用済み洗浄溶液から除去された汚染物を含んでなるガスを冷却するとは、一般的はプロセスにおける場合と比べて、より低い温度を有するガスを提供することを意味する。再生器の上方部分におけるような、第１の再生工程におけるこのような冷却によって、再生からの水蒸気の損失は最小となる。換言すれば、水蒸気は再生工程から放出される前に凝縮され、その結果、ストリッピングエネルギーが最小となる。しかし、冷却は、除去された汚染物の少量の洗浄溶液への再吸収につながることがある。第１の再生ステージにおける使用済み洗浄溶液は汚染物を富有しているため、再吸収の程度は低い。しかし、除去された汚染物を含んでなるガスの温度は、再吸収の程度及び凝縮の程度を平衡化するために適合される。

１具体例では、使用済み溶液は、再生に送られる前に冷却される。このように、使用済み洗浄溶液は、一般的なプロセスにおける使用済み洗浄溶液の温度と比べて冷却されている。一例として、使用済み洗浄溶液は、115℃以下の温度を有することができる。このようにして、冷却される使用済み洗浄溶液は、第１の再生ステージにおいて、汚染物を含んでなるガスの冷却を提供できる。

他の態様では、ガスからCO₂のようなガス状汚染物を除去する方法であって、
ａ）ガス性汚染物を含んでなるガスストリームを洗浄溶液と接触させて、洗浄溶液への吸収によって、ガスストリームからガス状汚染物を除去すること；
ｂ）工程ａ）から生じた使用済み洗浄溶液を再生に送ること；
ｃ）使用済み洗浄溶液からガス状汚染物を除去することによって、使用済み洗浄溶液を再生して、再生済み洗浄溶液及び除去された汚染物を含んでなるガスを提供すること（ここで、再生は、任意に、１セットの連続する再生ステージを含んでなる）；
ｄ）再生済み洗浄溶液をリボイリングに送ること；
ｅ）洗浄溶液から更にガス状汚染物を除去するために再生済み洗浄溶液をリボイリングして、リボイリング済み洗浄溶液を提供すること；
ｆ）リボイリング済み洗浄溶液を工程ａ）に戻すこと
を含んでなり、ここで、工程ｆ）の間に、戻り洗浄溶液を、第１の熱交換工程において、工程ｄ）の再生済み洗浄溶液との熱交換に供して、再生済み洗浄溶液を加熱し；及び第２の熱交換工程において、工程ｂ）の使用済み洗浄溶液と熱交換して、使用済み洗浄溶液を加熱する、ガス状汚染物の除去法が提供される。

工程ｅ）のリボイリングに続いて、リボイリングした溶液を吸収工程に戻し、ここで、この溶液（戻り洗浄溶液と呼ぶ）を、再度、ガス状汚染物を含んでなるガスストリームと接触させる。戻りの間に、戻り洗浄溶液を、２つの連続する熱交換工程において熱交換させる。初めに、リボイリングからの戻り洗浄溶液と再生済み洗浄溶液との間で、工程ｄ）の熱交換によって熱の移動を行う。このようにして、冷却された戻り洗浄溶液及び加熱された再生済み洗浄溶液が提供される。この第１の熱交換によって、リボイリングによってプロセスに提供された熱エネルギーは、プロセスの熱い領域、すなわち、リボイリング領域において、より大きい程度で保存される。この結果、再生済み洗浄溶液用のリボイリング工程において要求される加熱量を低減できる。さらに、戻り洗浄溶液は、より冷たい状態で熱い領域から放出され、その結果、次のプロセスサイクルにおいて、溶液を、ガス状汚染物を含んでなるガスストリームと接触させる前に要求される冷却を低減できる。

第２の熱交換工程では、冷却された洗浄溶液を、吸収工程から生じた使用済み洗浄溶液と熱交換させる。これにより、使用済み洗浄溶液と戻り洗浄溶液との間の熱移動を可能にして、工程ａ）における次の吸収以前に、戻り洗浄溶液を冷却する。第２の熱交換から生じた使用済み洗浄溶液は加熱されるが、一般的なプロセスにおけるよりも低い程度までである。この結果、多少加熱された使用済み洗浄溶液は、一般的な再生温度と比べて、再生のための温度を低下させる。特に、代表的には再生器のオーバーヘッドにおける再生の開始時の温度が低下される。これは、例えば、再生工程から散逸する水蒸気の量を最少にすることによって、再生の間におけるストリッピングエネルギーの損失を低減することに役立つ。

ここに説明のために例示する具体例によれば、第１の再生ステージにおいて、使用済み洗浄溶液が、除去された汚染物を含んでなるガスを冷却して、水蒸気の損失を最小とする方法が提供される。このような冷却は、再生からの水蒸気の損失の低減を提供する。これは、ストリッピング熱の、凝縮された水の形での、再生及びリボイリング工程への再循環を可能にする。より大きい程度のストリッピング熱の再循環は、プロセスのより熱い領域へのより大きいエネルギーを提供し、リボイラーの総負荷を低減させる。全体として、再生工程の開始時と終了時との温度差は、一般的なプロセスと比べて増大され、水蒸気の損失が限定されると共に、ストリッピング工程を改善できる。

ここで説明する実施例によれば、第１及び第２の熱交換工程の間に第３の熱交換工程を含んでなる方法が提供される。特に、このような方法は、さらに、第２の熱交換工程から生じた使用済み洗浄溶液の第１の部分を取り出し；第１及び第２の熱交換工程の間で、第３の熱交換工程において、戻り洗浄溶液を、使用済み洗浄溶液の取り出した第１の部分との熱交換に供して、使用済み洗浄溶液を加熱する工程を含んでなる。取り出される部分は、例えば、第２の熱交換工程から生じた使用済み洗浄溶液の１０−９０％、例えば、５０−９０％、又は７５−９０％である。使用済み洗浄溶液が好適な数の部分に分けられることが理解される。

ガス状汚染物の除去方法の１具体例では、第１の部分の取り出した後の残りの使用済み洗浄溶液を再生に送る。より少ない量の使用済み洗浄溶液を再生へ送ることにより、再生における溶液の流量を低下させることができ、これにより、補助エネルギーの消費、すなわち、ポンプ、弁等に伴うエネルギーの消費を低減できる。

上述のような第３の熱交換工程は、さらに、戻り洗浄溶液の冷却を可能にする。これは、第２の熱交換工程に影響を及ぼし、結果として、従来の方法と比較して少ない加熱された使用済み洗浄溶液を提供する。その結果、再生に送られる使用済み洗浄溶液の部分（第２の部分又は残りの部分と称される）は、さらに、再生工程、例えば、第１の再生工程における温度を低下させることができる。特に、再生から放出されるガス混合物の温度は、さらに低下され、再生工程からの水蒸気の損失をさらに低減できる。このようにして、ストリッピングエネルギーもさらに低減される。

ここで説明する方法の他の実施例によれば、さらに、第３の熱交換工程から生じた使用済み洗浄溶液の第１の部分をリボイリングに送ること；及び使用済み洗浄溶液からガス状汚染物質を除去するために、使用済み洗浄溶液の第１の部分をリボイリングして、リボイリング済み洗浄溶液を提供することを含んでなる方法が提供される。このようにして加熱された使用済み洗浄溶液の第１の部分をリボイリングに送り、ここで、ガス状汚染物及び水蒸気を溶液から放出する。リボイリング工程に入る洗浄溶液の温度が比較的高いことにより、方法のリボイラー領域からのガス状汚染物の除去が増大される。

リボイリングに送る間に、洗浄溶液の第１の部分を、工程ｂ）の再生済み洗浄溶液と合わせることができる。このようにして、使用済み洗浄溶液の第１の部分は、例えば、再生済み洗浄溶液と混合される、続いて、第１の熱交換工程での熱交換に供される。これにより、第１の熱交換工程は、使用済み洗浄溶液の第１の部分及び再生済み洗浄溶液を含んでなる加熱された混合物が提供される。続いて、混合物を、混合物からのガス状汚染物の除去及びスチームの生成のためにリボイリングに供する。

別法では、使用済み洗浄溶液の第１の部分を、上述のように第３の熱交換工程において加熱した後、再生に送り、ここで、第１の部分はガス状汚染物の除去のために再生されて、再生済み洗浄溶液を提供する。使用済み洗浄溶液の第１の部分は、例えば、使用済み洗浄溶液の第２の部分が送られる再生ステージの下流の再生ステージに送られる。特に、使用済み洗浄溶液の第１の部分は、再生のより下方及びより熱い部分に相当する１以上の再生ステージにおいて再生される。

上述の態様に関する特徴は、後述の態様にも当てはまる。

ここで説明する他の態様によれば、ガスストリームからCO₂のようなガス状汚染物を除去するためのガス浄化システムであって、
ガス状汚染物を含んでなるガスストリームを受け取り、ガスストリームを洗浄溶液と接触させる吸収器；
洗浄溶液からガス状汚染物を放出させることによって、使用済み洗浄溶液を再生するための再生器；
再生済み洗浄溶液をリボイリングして、洗浄溶液からガス状汚染物を放出させと共に、スチームを生成するリボイラー；
リボイリング済み洗浄溶液と再生済み洗浄溶液との間の熱移動のための第１の熱交換器であって、リボイラーからリボイリング済み洗浄溶液を受け取ると共に、再生器から再生済み洗浄溶液を受け取るように設定された第１の熱交換器；及び
第１の熱交換器からのリボイリング済み洗浄溶液と吸収器からの使用済み洗浄溶液との間の熱移動のための第２の熱交換器であって、吸収器から使用済み洗浄溶液を受け取ると共に、第１の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取るように設定された第２の熱交換器
を含んでなり、前記吸収器は、第２の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取るように設定されており、前記リボイラーは、第１の熱交換器から再生済み洗浄溶液を受け取るように設定されており、及び前記再生器は、第２の熱交換器から使用済み洗浄溶液を受け取るように設定されているガス浄化システムが提供される。

第１の熱交換器では、リボイリング済み洗浄溶液（戻り洗浄溶液とも言う）と再生済み洗浄溶液との間のための熱移動が提供される。第２の熱交換器では、第１の熱交換器からのリボイリング済み洗浄溶液が、再度、熱交換される。このように、第２の熱交換器は、第１の熱交換器からのリボイリング済み洗浄溶液と吸収器からの使用済み洗浄溶液との間の熱交換を提供する。第１の熱交換器では、リボイリング済みの戻り洗浄溶液が、再生済み洗浄溶液に熱を付与し、第２の熱交換器では、リボイリング済みの戻り洗浄溶液が使用済み洗浄溶液に熱を付与する。これにより、熱いリボイリング済み洗浄溶液から熱を回収でき、同時に、再生器において、蒸気から熱を回収できる。このように、熱がシステムの熱い領域に保持され、システム全体の熱要求が低減される。

さらに、再生器は、第２の熱交換器から使用済み洗浄溶液を受け取る。洗浄溶液は熱交換器から加熱されるが、従来のシステムと比較して、加熱の度合は小さい。そのため、従来のシステムの再生器温度と比較して低下された再生器温度となる。再生器は、例えば、再生器の上部で使用済み洗浄溶液を受け取るように設定され、このようにして、特に、再生器の上部の温度は、再生器のオーバーヘッドの温度を制御するために低下される。

ガス浄化システムの１具体例では、システムは、さらに、第１の熱交換器からのリボイリング済み洗浄溶液と第２の熱交換器からの使用済み洗浄溶液との間の熱移動のための第３の熱交換器を含んでなり、第３の熱交換器は、第１の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取ると共に、第２の熱交換器から使用済み洗浄溶液の第１の部分を受け取るように設定されている。このようなシステムは、例えば、使用済み洗浄溶液を、２つ、３つ又はそれ以上の数の部分に分けるためのフロースプリッターを包含することができる。第１の部分は第３の熱交換器によって受け取られ、残りの使用済み洗浄溶液は再生器によって受け取られる。使用済み洗浄溶液の一部分のみを再生器に送ることによって、再生器によって受け取られる総容積が低減され、これにより、再生器における流量、加えて、再生器のサイズが低減される。しかし、リボイラーのサイズにもいくらかの影響を有するであろう。

上述のように第３の熱交換器を包含するシステムでは、第２の熱交換器は、第３の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取るように設定され、第１の熱交換器は、第３の熱交換器から使用済み洗浄溶液の第１の部分を受け取るように設定される。このようなシステムは、さらに、第３の熱交換器からの使用済み洗浄溶液の第１の部分を再生済み洗浄溶液と混合して、混合溶液を提供するためのミキサーを包含できる。この混合された洗浄溶液を、続いて、第１の熱交換器に導くことができるが、この場合、第１の熱交換器はミキサーから混合溶液を受け取るように設定される。既に述べたように第１の熱交換器における熱移動の後、混合物を、ガス状汚染物の除去及び再生器を駆動するためのスチームの生成のため、リボイラーにおけるリボイリングに送ることができる。

ガス浄化システムの他の具体例では、再生器は、第３の熱交換器から使用済み溶液の一部を受け取るように設定され、第２の熱交換器は、第３の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取るように設定される。この場合、再生器は、残りの使用済み洗浄溶液と共に、使用済み洗浄溶液の第１の部分の両方を受け取る。１具体例では、残りの洗浄溶液（１つ又はそれ以上の部分）を、再生器の上部で受け取り、第１の部分を再生器の下部で受け取る。

上記の及び他の特徴を、図面及び詳細な説明によって例示する。

ガスストリームからCO₂を除去するための一般的なアミン系システムを一般的に表すダイアグラムである。 ここに記載するようにガスストリームからCO₂を除去するためのシステムの１具体例を一般的に表すダイアグラムである。 ここに記載するようにガスストリームからCO₂を除去するためのシステムの１具体例を一般的に表すダイアグラムである。 ここに記載するようにガスストリームからCO₂を除去するためのシステムの１具体例を一般的に表すダイアグラムである。

図１は、ガスストリームからCO₂を除去するため一般的なシステムを示す。このシステムは、吸収器（図示していない）を含んでなり、ここで、CO₂を含有するガスストリームが、アミン系洗浄溶液のような洗浄溶液と、例えば、向流様式で接触される。吸収器では、ガスストリームからCO₂が洗浄溶液に吸収される。CO₂を富有する使用済み洗浄溶液（CO₂リッチ洗浄溶液）は、ライン101を介して吸収器から放出される。CO₂リッチ洗浄溶液は熱交換器109及びライン102を介して再生器103に送られ、ここで、CO₂と溶液との間の化学結合を破壊することによって、使用済み洗浄溶液からCO₂がストリッピングされる。再生された洗浄溶液（再生済み洗浄溶液）は、ライン104を介して再生器の底部から放出される。除去されたCO₂及び水蒸気は、ライン105を介して、再生器の頂部から放出される。さらに、水蒸気がプロセスから散逸することを防止するため、再生器の頂部に凝縮器が設置される。

再生済み洗浄溶液はライン104を介してリボイラー106に送られる。再生器の底部に設置されたリボイラーでは、再生済み洗浄溶液を沸騰させて蒸気107を発生させ、洗浄溶液からのCO₂の分離を行うために再生器に戻す。さらに、リボイリングは、再生済み洗浄溶液からの更なるCO₂の分離を提供できる。

リボイリングの後、リボイリングされ、このようにして加熱された洗浄溶液を、吸収器からの使用済み洗浄溶液との熱交換のために、ライン108を介して熱交換器109に送る。熱交換により、溶液間で熱移動が行われ、これにより、冷却されたリボイリング済み洗浄溶液及び加熱された使用済み洗浄溶液が生ずる。その後、リボイリングされ且つ熱交換された洗浄溶液を、吸収器における次の吸収処理に送る。吸収器に供給される前に、洗浄溶液110を、吸収に適する温度に冷却することができる。従って、吸収器の溶媒入口（図示していない）の近くに冷却器が設置される。

ここに説明する具体例によれば、ガス状汚染物を含んでなるガスストリームは、天然ガスストリーム又は煙道ガスストリームである。ここに記載する方法及びシステムの他の具体例では、ガス状汚染物はCO₂、H₂Sのような酸性の汚染物である。

ガス状汚染物の除去に使用される洗浄溶液は、例えば、モノエタノールアミン（MEA）、ジエタノールアミン（DEA）、メチルジエタノールアミン（MDEA）、ジイソプロピルアミン（DIPA）及びアミノエトキシエタノール（ジグリコールアミン）（DGA）のようなアミン化合物を含む（ただし、これらに限定されない）。工業的プラントにおいて最も一般的に使用されるアミンは、アルカノールアミンのMEA、DEA、MDEA及び一般的なアミンのプロモーター、インヒビター等とのいくつかのブレンドである。しかし、ここに開示するシステム及び方法は、吸収／再生スキームを含む方法において含まれる各種の溶液に適用される。

図２は、ここに記載するガスストリームからCO₂を除去するためのシステムの概略図である。システムは、CO₂を含んでなるガスストリームを受け取り、このガスストリームを洗浄溶液と接触させるための吸収器（図示していない）含んでなる。洗浄溶液への吸収によって、CO₂をガスストリームから除去する。続いて、使用した（使用済みの）洗浄溶液を、ライン201を介して熱交換器209に送る。

ここに開示するシステム及び方法において２つの溶液間の熱移動のために使用する熱交換器は、例えば、向流熱交換器である。熱交換器の例としては、管形熱交換器及びプレートアンドフレーム熱交換器が含まれる（ただし、これらに限定されない）。

熱交換器から、使用済み洗浄溶液を、ライン202を介して再生器203に送る。上述のように、再生器において、使用済み洗浄溶液からCO₂をストリッピングし、除去されたCO₂は、ライン205を介して再生器から放出される。再生器は、例えば、充填床塔又はトレーを含んでなる塔のような塔である。

再生された（再生済みの）洗浄溶液を、ライン204を介して再生器の底部から放出し、熱交換器211を介してリボイリングに送る。熱交換器では、再生済み洗浄溶液を、リボイラー206からのリボイリング済み洗浄溶液と熱交換させる。このようにして、熱交換により、洗浄溶液208の温度に匹敵するように冷却されたリボイリング済み洗浄溶液が提供される。さらに、熱交換器211における熱交換により、再生器から来る再生済み洗浄溶液の204の温度に匹敵するように加熱された再生済み洗浄溶液が提供され、該洗浄溶液をリボイラー206におけるリボイリングに送る。このようにして、熱エネルギーが、システムの熱い領域、すなわち、リボイラー及び再生器の下方部分に保存される。

熱交換器211における熱交換の後、再生済み洗浄溶液を、ライン212を介してリボイリングに送る。リボイラー206では、再生済み洗浄溶液を沸騰させて、再生器203における分離プロセスを行うための蒸気207を生成する。ここに開示するシステムでは、各種のタイプのリボイラーが使用されることが理解されなければならない。リボイラーの例としては、水平型／竪型サーモサイホンタイプのリボイラー及びケトルタイプのリボイラーが含まれる（ただし、これらに限定されない）。

第１の熱交換の後、リボイリングされた（リボイリング済み）洗浄溶液を、第２の熱交換器209を介して吸収器に戻す。上述のものと同様に、戻り洗浄溶液213を、この熱交換器において、使用済み洗浄溶液201と熱交換させる。２つの連続する熱交換により、図１において吸収器に再循環される戻り洗浄溶液と比べて、吸収器に再循環される戻り洗浄溶液の温度が低下される。戻り洗浄溶液213の温度がより低いため、図１における対応する熱交換器109における熱交換と比べて、熱交換器209においてより効果的な熱交換を提供できる。例えば、戻り洗浄溶液を、ポンプ輸送によって、次の吸収処理に再循環する場合には、冷却された戻り洗浄溶液により、ポンプ輸送の間のキャビテーションの危険が低減される。

第２の熱交換におけるより効果的な熱交換の結果、使用済み洗浄溶液102と比べて、より低い温度をもつ使用済み洗浄溶液202が生ずる。使用済み洗浄溶液202の温度が低いため、結果として、再生器203における温度を低減できる。この結果、熱交換器209の下流の温度は、熱交換器109の下流の温度と比べて低く、これにより、吸収器の溶媒入口近くに設置される冷却器における冷却負荷を低減できる。

図３は、ここに記載するガスストリームからCO₂を除去するシステムの概略図である。図２におけるものと同じ部材を、対応する符号で示し、説明を省略する。２つの図（すなわち、図２、図３）に存在する同様の符号は同じ部材を示す。

この場合、再生に送られる間に、フロースプリッター314において、洗浄溶液は２つの部分に分割される。使用済み洗浄溶液の第１の部分315は、第１の熱交換器311と第２の熱交換器309との間に配置された第３の熱交換器316に送られる。第３の熱交換器では、戻り洗浄溶液313を、使用済み洗浄溶液の第１の部分315との熱交換に供して、戻り洗浄溶液を冷却する。使用済み洗浄溶液の第１の部分は、第２の熱交換器から生ずる使用済み洗浄溶液の容量の１０−９０％、例えば、５０−９０％又は７５−９０％の量である。

第３の熱交換器における熱交換に続いて、戻り洗浄溶液を、吸収器からの使用済み洗浄溶液301との熱交換のために、ライン317を介して、第２の熱交換器309に送る。このように、戻り洗浄溶液は３つの連続する熱交換工程に供され、戻り洗浄溶液から熱が回収される。加えて、ここに記載する特徴を持たないシステムにおけるよりも冷たい第２の熱交換器からの使用済み洗浄溶液302の温度は影響を受ける。

使用済み洗浄溶液の第２の部分318は再生器に送られ、ここで、一般的なシステムと比べて温度が低いため、再生器303から放出されるガス混合物305の温度を低下させる。その結果、再生器から放出される水蒸気の量は、水が凝縮し、排水が再生器303の底部に戻されるため低減される。このようにして、ストリッピング熱が、凝縮した水の形で、再生器303及びリボイラー306に再循環される。システムのより熱い部分（再生器及びリボイラー）により多いエネルギー量が再循環される場合には、リボイラーの総負荷が低減される。

さらに、再生器に入る洗浄溶液の第２の部分の流量は、第２の部分のサイズ、すなわち、スプリッター314における溶液の分割比に応じて低減される。少量部分が再生に送られる場合には、再生器のサイズは明らかに低減される。この場合、熱交換を通って、多量部分の使用済み洗浄溶液がリボイリングに送られることになり、リボイラーを通過する流量が増大するため、リボイラーのサイズは増大する。

CO₂が除去された再生済み洗浄溶液は、ライン304を介して再生器から放出される。ここで説明するシステムの１具体例では、再生済み洗浄溶液を、第３の熱交換器316からの使用済み洗浄溶液の第１の部分319と合わせる。併合は、例えば、ミキサー320で行われ、生じた混合物を、続いて、ライン321を介して、第１の熱交換器311に送る。第１の熱交換器では、混合物をリボイリング済みの洗浄溶液308との熱交換に供し、その後、加熱された混合物312をリボイリングのためリボイラー306に供給する。リボイラーでは、更なるCO₂の除去を行うことができる。加えて、再生を駆動するための蒸気307が生成される。

図４は、ここに記載するガスストリームからCO2を除去するシステムの概略図である。この場合も、既に述べたものと同じ部材を、対応する符号で示す。

第３の熱交換器416において、使用済み洗浄溶液の第１の部分415を、第１の熱交換器411からの戻り洗浄溶液にて熱交換する。第３の熱交換器における熱交換によって、熱交換前よりも冷たい熱交換器からの戻り洗浄溶液から熱を回収できる。

第３の熱交換器416では、使用済み洗浄溶液の第１の部分422から熱が回収される。この洗浄溶液の部分を再生器403に供給する。使用済み洗浄溶液の加熱された部分を、再生器の中央部分又は底部部分で再生器に供給できる。再生器が、例えば、多数のトレーを含んでなる塔である場合には、使用済み洗浄溶液の部分は、例えば、システムの最も熱い領域である下方のトレーに供給される。再生器の最適供給レベル、又は好適な再生ステージは、使用済み洗浄溶液の分割比に左右されることが理解される。第１の部分（この例では、再生器に送られる部分）は、使用済み溶液の大部分、例えば、使用済み洗浄溶液の７５−９０％を含んでなる。

本発明を各種の例示として示す具体例を参照して記載したが、当業者であれば、各種の変更をなし、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を均等物にて置換できることは理解できるであろう。さらに、その本質的な範囲を逸脱することなく、本発明の教示に特殊な状況又は物を適合するように幾多の変形をなすことができる。従って、本発明は、本発明の実施の最良の形態として開示する特別な具体例に限定されず、本発明は、特許請求の範囲の範囲に入る全ての具体例を含むものであることが理解されなければならない。

下記の実施例では、エネルギー消費を、ここに開示する異なるCO₂除去法のシミュレーションについて算定し、シミュレートして従来のCO₂除去法についてのエネルギー消費と比較した。全てのシミュレーションについて、下記の条件を使用した：
洗浄溶液 MDEA系
再生器圧力 ５０psi
熱交換器のアプローチ温度（冷たいストリーム入口と熱いストリーム出口の間の温度差）
５℃
リーン負荷（吸収器入口／リボイラー出口） 0.088モル／モル
リッチ負荷（吸収器出口） ０.３モル／モル

従来の方法についてのエネルギー要求
この例では、CO₂のMDEA系溶液への吸収、CO₂富有溶液（リッチ溶液）の再生、再生済み溶液のリボイリング、及び吸収工程への再循環前の熱交換器におけるリボイリング済み溶液（リーン溶液）の冷却の一般的工程を含んでなる従来法をシミュレートした。

従来のCO₂除去法は、約３−４GJ／トン（除去されたCO₂）の固有の効率を有する。この方法によって要求されるエネルギーは、再生器の底部に配置されたリボイラーによってほとんど提供される。従来の方法についてのエネルギー要求の分布は、下記の表に示すとおりである。

この従来の方法について、再生器に送られた使用済みMDEA系溶液は、約115℃の温度を保持していた。洗浄溶液の温度は、再生器の頂部の温度に影響を及ぼす。

第１の実施例の方法についてのエネルギー要求
この第１の具体例では、図２に概略して示すものと同様のCO₂除去法をシミュレートした。このようにシミュレートして方法は、熱いリボイリング済みの戻り溶液から熱を回収するために、第１及び第２の熱交換器を含んでなる。２つの熱交換器を含むこのスキームも、再生器の頂部に達するリッチMDEA系溶液の温度に影響を及ぼした。再生器の頂部におけるリッチ溶液の温度は、上述の従来法における対応する位置のリッチ溶液と比べてより低い。

上述の従来法と比べて、リボイラー負荷は2.18 GJ／トン（除去されたCO₂）にて低減された。エネルギー要求の分布は、下記のとおりであった。

この実施例では、上述の従来法と比べて、リボイラー負荷が低減され、エネルギー要求は再分布された。結合エネルギー（すなわち、CO₂と洗浄溶液との間の化学結合を破壊するために要求されるエネルギー）がリボイラー負荷の大部分を要求した。

第２の実施例の方法についてのエネルギー要求
第２の具体例では、図３に概略して示すものと同様の方法をシミュレートした。第１の実施例の方法と比べて、第２の実施例の方法は、第１の熱交換器と第２の熱交換器との間に第３の熱交換器も含んでなる。この第３の熱交換器は、戻りリーン溶液からの更なる熱の回収を可能にした。このように、第２の熱交換器における熱交換に供された戻りリーン溶液は、上述の従来法の対応する戻りリーン溶液よりも冷たい。その結果、再生器の頂部に達する加熱されたリッチ溶液は、従来法の対応する溶液と比べて冷たい。

第２の実施例の方法は、さらに、リッチ溶液を２つの部分に分けるスプリッターを含んでなる。リッチ溶液の約９０％が上述のように第３の熱交換器に送られ、１０％未満が再生器に供給される。第３の熱交換器において熱交換されたリッチ溶液の部分は、さらに、再生済み洗浄溶液との混合及び第１の熱交換器での熱交換の後、リボイラーに供給される。

上述の従来法と比べて、リボイラー負荷は2.11 GJ／トン（除去されたCO₂）にて低減された。エネルギー要求の分布は、下記のとおりであった。

再生器の頂部において、低い流量の冷たい洗浄溶液を、CO₂を富有するガス混合物と接触させた。これにより、再生器の頂部においてCO₂のわずかな吸収が生ずる。しかし、使用済み洗浄溶液は既にCO₂を富有しており、溶液の流量が低いため、再吸収されるCO₂の量は限られる。このように、この方法は、顕著な総CO₂吸収が可能である。さらに、再吸収されたCO₂は、その結合エネルギー（発熱反応）を放出し、このエネルギーは、再生器及びリボイラーを流動する溶液に含有される顕熱の形で捕捉される。このように、このエネルギーは周囲に失われることはなく、さらに、リボイラーの要求を低減する。

第３の実施例の方法についてのエネルギー要求
第３の具体例では、図４に概略して示すものと同様の方法をシミュレートした。第３の実施例の方法は、第３の熱交換器において熱交換に供したリッチ溶液の部分を再生器の底部に供給した点で、第２の実施例の方法とは異なる。ここでは、リッチ溶液の１０％未満が再生器の頂部に導かれ、残りの９０％が、熱交換に続いて、再生器の底部に供給される。

上述の従来法と比べて、この方法のリボイラー負荷は1.82 GJ／トン（除去されたCO₂）にて低減され、エネルギー要求の分布は、下記のとおりであった。

この最後の実施例の方法は、結合エネルギーが総リボイラー負荷の約８０％であることを示した。このような配置により、再生器の頂部の温度は約５７℃に劇的に低下され、これは吸収器から来るリッチ溶液の温度よりも約２１℃高く、ストリッピングのエネルギー要求をさらに低減する。

高圧再生器についてシミュレーションを行ったが、低圧の再生器による方法についても同様の結果が期待される。また、温度アプローチは、上記エネルギー分布パターンに対して重大な影響を及ぼすことなく、おそらく妥当な値まで増大されるであろう。

Claims (21)

1. ガスストリームからガス状汚染物を除去する方法であって、
   ガスストリームを洗浄溶液と接触させて、洗浄溶液への吸収によって、ガスストリームからガス状汚染物を除去すること；及び
   使用済み洗浄溶液を再生して、使用済み洗浄溶液からガス状汚染物を除去し、再生済み洗浄溶液及び除去された汚染物を含んでなるガスを提供すること
   を含んでなり、第１の再生ステージにおいて、除去された汚染物を含んでなるガスを冷却して、再生工程からの水蒸気の損失を減少させ、これによって、ストリッピングエネルギーを低減する、ガス状汚染物の除去法。
2. さらに、使用済み洗浄溶液を再生に送る前に、使用済み洗浄溶液を冷却することを含んでなる、請求項１記載の方法。
3. 第１の再生ステージにおいて、冷却した使用済み洗浄溶液が汚染物を含んでなるガスを冷却する、請求項２記載の方法。
4. 除去された汚染物を含んでなるガスを、再生工程からの水蒸気の損失を低減すると共に、第１の再生ステージにおいて、除去された汚染物の再生済み洗浄溶液への再吸収の量を最少にするように選択された温度に冷却する、請求項１記載の方法。
5. ガスストリームからガス状汚染物を除去する方法であって、
   ａ）ガス状汚染物を含んでなるガスストリームを洗浄溶液と接触させて、洗浄溶液への吸収によって、ガスストリームからガス状汚染物を除去すること；
   ｂ）工程ａ）から生じた使用済み洗浄溶液を再生に送ること；
   ｃ）洗浄溶液からガス状汚染物を除去することによって、使用済み洗浄溶液を再生して、再生済み洗浄溶液及び除去された汚染物を含んでなるガスを提供すること（ここで、再生は、任意に、１セットの連続する再生ステージを含んでなる）；
   ｄ）再生済み洗浄溶液をリボイリングに送ること；
   ｅ）洗浄溶液から更にガス状汚染物を除去するために再生済み洗浄溶液をリボイリングして、リボイリング済み洗浄溶液を提供すること；
   ｆ）リボイリング済み洗浄溶液を工程ａ）に戻すこと
   を含んでなり、工程ｆ）の間に、戻り洗浄溶液を、第１の熱交換工程において、工程ｄ）の再生済み洗浄溶液との熱交換に供して、再生済み洗浄溶液を加熱し；及び第２の熱交換工程において、工程ｂ）の使用済み洗浄溶液と熱交換して、使用済み洗浄溶液を加熱する、ガス状汚染物の除去法。
6. 第１の再生ステージにおいて、使用済み洗浄溶液が、除去された汚染物を含んでなるガスを冷却して、水蒸気の損失を最少とする、請求項５記載の方法。
7. さらに、
   第２の熱交換工程から生じた使用済み洗浄溶液の第１の部分を取り出すこと；及び
   第１及び第２の熱交換工程の間に、第３の熱交換工程において、戻り洗浄溶液を、使用済み洗浄溶液の取り出された部分との熱交換に供して、使用済み洗浄溶液を加熱すること
   を含んでなる、請求項５記載の方法。
8. さらに、
   第３の熱交換工程から生じた使用済み洗浄溶液の第１の部分をリボイリングに送ること；及び
   使用済み洗浄溶液からガス状汚染物を除去するために使用済み洗浄溶液の部分をリボイリングして、リボイリング済み洗浄溶液を提供すること
   を含んでなる請求項７記載の方法。
9. リボイリングに送る間に、使用済み洗浄溶液の第１の部分を、工程ｄ）の再生済み洗浄溶液と合わせる、請求項８記載の方法。
10. さらに、
    第３の熱交換工程から生じた使用済み洗浄溶液の第１の部分を再生に送ること；及び
    使用済み洗浄溶液からガス状汚染物を除去するために使用済み洗浄溶液の第１の部分を再生して、再生済み洗浄溶液を提供すること
    を含んでなる、請求項７記載の方法。
11. 再生が１セットの連続する再生ステージを含んでなり、使用済み洗浄溶液の部分を、工程ｃ）の使用済み洗浄溶液が再生に供されるステージの下流の再生ステージにおいて、再生に供する、請求項１０記載の方法。
12. ガスストリームが、天然ガスストリーム又は煙道ガスストリームである、請求項５記載の方法。
13. ガス状汚染物がCO₂のような酸性ガスである、請求項５記載の方法。
14. 洗浄溶液がアミン系洗浄溶液である、請求項５記載の方法。
15. ガスストリームからCO₂のようなガス状汚染物を除去するためのガス浄化システムであって、
    ガス状汚染物を含んでなるガスストリームを受け取り、ガスストリームを洗浄溶液と接触させる吸収器；
    洗浄溶液からガス状汚染物を放出させることによって、使用済み洗浄溶液を再生するための再生器；
    再生済み洗浄溶液をリボイリングして、洗浄溶液からガス状汚染物を放出させと共に、スチームを生成するリボイラー；
    リボイリング済み洗浄溶液と再生済み洗浄溶液との間の熱移動のための第１の熱交換器であって、リボイラーからリボイリング済み洗浄溶液を受け取ると共に、再生器から再生済み洗浄溶液を受け取るように設定された第１の熱交換器；及び
    第１の熱交換器からのリボイリング済み洗浄溶液と吸収器からの使用済み洗浄溶液との間の熱移動のための第２の熱交換器であって、吸収器から使用済み洗浄溶液を受け取ると共に、第１の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取るように設定された第２の熱交換器
    を含んでなり、吸収器は、第２の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取るように設定されており、リボイラーは、第１の熱交換器から再生済み洗浄溶液を受け取るように設定されており、及び再生器は、第２の熱交換器から使用済み洗浄溶液を受け取るように設定されている、ガス浄化システム
16. 再生器が、再生器の上方部分で使用済み洗浄溶液を受け取るように設定されている、請求項１５記載のガス浄化システム。
17. さらに、第１の熱交換器からのリボイシング済み洗浄溶液と第２の熱交換器からの使用済み洗浄溶液の第１の部分との間の熱移動のための第３の熱交換器であって、第１の熱交換器からリボイシング済み洗浄溶液を受け取ると共に、第２の熱交換器からの使用済み洗浄溶液の第１の部分を受け取るように設定されている第３の熱交換器を含んでなる、請求項１５記載のガス浄化システム。
18. 使用済み洗浄溶液の第１の部分が、第２の熱交換器から生じた使用済み洗浄溶液の１０−９０％、例えば、５０−９０％、又は７５−９０％である、請求項１７記載のガス浄化システム。
19. 第２の熱交換器が、第３の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取るように設定されており、及び第１の熱交換器が、第３の熱交換器から使用済み洗浄溶液の第１の部分を受け取るように設定されている、請求項１７記載のガス浄化システム。
20. 再生器が、第３の熱交換器から使用済み洗浄溶液の第１の部分を受け取るように設定されており、及び第２の熱交換器が、第３の熱交換器からリボイリング済み洗浄溶液を受け取るように設定されている、請求項１７記載のガス浄化システム。
21. 再生器が、第３の熱交換器から生じた使用済み洗浄溶液の部分を、再生器の底部部分で受け取るように設定されている、請求項２０記載のガス浄化システム。

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