JP2013248608A - Ｃｏ２分離システムのための統合ｃｏ２相変化吸収剤 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスストリームからＣＯ2分離の効率を著しく増大させる相変化吸収剤材料を使用して、ＣＯ2を分離および捕捉するための統合方法およびシステムを提供する。
【解決手段】排ガスを吸収装置２５内のリーンアミノ−シリコーン吸収剤と接触させるステップであって、吸収剤は、排ガス中に存在する二酸化炭素の相当な部分と反応するのに量および濃度が十分であるステップと、未反応アミノ−シリコーン吸収剤および吸収剤と二酸化炭素との反応から生じる固体カルバメートを含む液体／固体スラリーを形成するステップと、カルバメートから二酸化炭素を効果的にストリップするのに十分な温度に、脱離装置４０内のスラリーを加熱するステップと、吸収装置に戻るリサイクルストリームとしてリーンアミノ−シリコーン吸収剤を再生するステップと、脱離した二酸化炭素ガスを隔離するステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄物成分の混合物を含有する排ガスストリームから二酸化炭素（ＣＯ₂）を捕捉するためのプロセス、特に、ＣＯ₂分離の効率を著しく増大させる相変化吸収剤（ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ）材料を使用して、二酸化炭素ガス排出物を分離および捕捉するための統合方法およびシステムに関する。

化石燃料を利用する発電所などの工業源からの大気中への二酸化炭素および一酸化炭素の排出は、地球温暖化の一因となっている「温室効果」の主原因と考えられている。結果として、近年、特に工業用途におけるＣＯ₂排出を低減する取り組みにおいて、様々なプロセスが提案されている。排ガスストリームからＣＯ₂を除去するためのいくつかの公知のプロセスとしては、化学吸収、無機膜透過（他の廃棄物成分からＣＯ₂を物理的に分離するように設計されたもの）、分子篩、深冷分離、および、ＣＯ₂と反応する吸収剤またはＣＯ₂に対する物理的親和性を有する吸収剤を使用して化学廃棄物ストリームを「スクラブする」プロセスが挙げられる。

燃焼排ガスストリーム、特に石炭火力発電所によって生成される排ガスからＣＯ₂を除去するための実行可能な方法として最近関心を受けている１つの吸収技法は、吸収／ストリッピング再生プロセスにおける溶媒として、水性モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、および／またはメチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）などの「ヒンダード」アミン、ならびに２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール（ＡＭＰ）の使用によるものである。ＭＥＡプロセスの一例は、本出願人に関連する米国特許第８，００７，５７０号（名称「溶剤を用いたＣＯ₂捕捉のためのシステム、方法及び装置（Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ＣＯ₂，ｕｓｉｎｇ ａ ｓｏｌｖｅｎｔ）」）において見出すことができる。最近、ＭＥＡおよび／またはヒンダードアミン系の吸収プロセスは、ＣＯ₂に富む環境中でのアミン吸収剤の潜在的に期待される分離効率のために、より普及してきている。しかし、公知のアミン吸収技術がより広く採用された状態になることを妨げる、いくつかの固有の欠陥が、ＭＥＡ系プロセスにおいて存在することが見出されている。

例えば、ＭＥＡプロセスは、常に、長期間使用した後に液体吸収剤の粘度が著しく増大し、多くの場合、流体輸送システムおよび／またはプロセス装置の主要部分の目詰まりをもたらす。経時的に、分離効率が実際的および潜在的に低減すると、特に長期間稼動した後に、全体のＣＯ₂分離に悪影響を及ぼす。目詰まり問題を回避するために、ＭＥＡの濃度は、相対的に低いレベルに、例えば、約３０重量パーセント以下に維持されなければならない。濃度がより低いと、吸収剤の理論的な能力と比較した場合、システムの吸収能力が低減する。ＭＥＡ濃度が相対的に低いと、プロセスコストおよび装置コストもはるかに高くなり、全体的なＣＯ₂処理効率も著しく低下する。

ＭＥＡ系プロセスで消費されるエネルギー量も、分離および再生プロセスの一部として要求される有効な溶媒担体（通常、水）が必要なために、法外に高くなる傾向にある。ＭＥＡ／水吸収剤は、ＭＥＡを効率的に分離および回収するために、加熱および蒸発にかけなければならない。ほとんどの再生プロセスでは、燃焼燃料を使用して混合物を加熱することによって水担体が回収される。公知のＭＥＡ再生プロセスはまた、経時的にプロセス装置を腐食および劣化させる潜在性が高い。耐食性材料および阻害剤は、腐食を低減することができるが、これらは、元手コストおよび運用コストを増大させることが多い。ＭＥＡを使用する多くの公知の吸収システムはまた、特に再生温度が約１２０℃に近付く環境または約１２０℃を超える環境中における、酸素の存在下でのＭＥＡの長期間熱安定性に悩まされる。ヒンダードＭＥＡシステムはまた、システム内に存在する他の溶媒を酸性化する傾向を呈し、これはひいては、ＣＯ₂捕捉に利用可能なこれらのアルカリ度を減少させる。

ＭＥＡ系システムの別の制限は、商業的および工業的発電所、石炭プラント、またはガスタービン機関によって生成されるＣＯ排出物およびＣＯ₂排出物を含有する大量の燃焼排ガスの処理に関係する。一般的に、燃焼排ガスストリームは、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｏ₂、Ｎ₂、アルゴン、ＣＨ₄、ＣＯ、ＳＯ_X、ＮＯ_X、Ｃ₂Ｈ₆、および場合により微量の他の炭化水素を含む。ＭＥＡ系ＣＯ₂捕捉システムをこのようなプラントに要求されるサイズに拡大すると、プラントのための全体的な電気コストが著しく増大し、ＭＥＡ系ＣＯ₂捕捉が、大規模商業化にとって見込みのない選択肢になる。このように、ＭＥＡを使用して工業排ガスストリームからＣＯ₂を効率的に除去するためのこれまでの試みは、構築し稼働するのに法外に高価であり、プロセス工学の観点からは、わずかに有効であるにすぎないことが判明した。

米国特許出願公開第２０１１／０１００２１７号公報

したがって、低減された量のアミン系担体吸収剤を使用して高い正味のＣＯ₂の除去効率を達成し、それによって、より低い元手コストおよび操業コストをもたらす方法の必要性が依然として存在する。好ましくは、このような技術は、先行技術のＭＥＡシステムよりもより低い反応熱を利用し、吸収剤からＣＯ₂を放出するためのエネルギーをより少なくすることが望ましい。処理されるガスのあらゆる捕捉前圧縮の必要性を排除し、その結果、高い正味のＣＯ₂容量をより低いＣＯ₂分圧で達成することができ、捕捉に要求されるエネルギーを低減することも好ましい。いずれの許容されるアミン系技術も、呈する腐食のレベルが低いことが望ましく、著しい冷却をしなくても、要求される正味のＣＯ₂ローディングを達成するように稼動することが望ましい。最後に、商業的に実行可能であるために、この技術は、従来のシステムよりコストが低いことが望ましく、低い揮発度、高い熱安定性、およびＣＯ₂を除去する高い正味の能力を有する材料を利用することが望ましい。

以下に詳述するように、本発明によるＣＯ₂捕捉システムは、アミン系プロセスの稼働効率を改善する一方で、上記目的の多くを達成し、ＣＯ₂除去のコストを著しく下げる。本質的に、このプロセスは、はるかに低いコストでＣＯ₂除去の効率を最大にする様式で、アミン吸収装置、脱離装置（ｄｅｓｏｒｂｅｒ）、熱交換器、ポンプ、およびリサイクルループを統合したものである。この新規プロセスはまた、広範囲のプロセス条件下で、様々な異なる排ガスストリーム（「廃棄物」ガスストリームとして特徴づけることができる排ガスストリームを含む）から、より効率的にＣＯ₂を除去することができるリーン（ｌｅａｎ）およびリッチアミノ−シリコーン溶媒（本明細書では「アミノ−シリコーン吸収剤」と呼ぶ）の組合せを使用する。このシステムはまた、統合ＣＯ₂除去システムの上流または下流の発電プロセスに悪影響しない。したがって、本発明は、石炭ボイラー、排ガス再循環（「ＥＧＲ」）を伴わない天然ガス複合サイクルプラント、ＥＧＲを伴う天然ガス複合サイクルプラント、ならびに他の工業用途からの燃料排ガス組成物を処理するのに使用することができる。

以下に詳述するように、本発明は、排ガスストリームから二酸化炭素を除去するための方法であって、主要なプロセス構成要素が、再生されるアミン系担体吸収剤の必要量を著しく低減する様式で統合されている方法を提供する。この新規プロセスは、吸収剤からＣＯ₂を捕捉し放出するのに要求されるエネルギーがより少ないので、システム全体の元手コストおよび操業コストを低減する熱効率ももたらす。

典型的な方法は、二酸化炭素を含有する排ガスストリーム（ガスタービン排ガスなど）を、吸収装置に供給されるリーンアミノ−シリコーン吸収剤と接触させる第１のステップを含む。アミノ−シリコーン吸収剤は、二酸化炭素の相当部分と反応して固体カルバメート粒子を形成するのに量および濃度が十分であり、この固体粒子を含有し、ポンプ搬送することができるスラリーを形成する液体画分を通常含む。したがって、このプロセスは、未反応アミノ−シリコーン吸収剤および粒子化された（ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｚｅｄ）固体カルバメートを含むスラリーを形成するステップと、吸収装置から二酸化炭素を含まない「クリーンな」排ガスを放出するステップと、脱離装置内で未反応吸収剤ストリームおよび粒子化されたカルバメートを加熱することによって、カルバメートから二酸化炭素を熱的にストリップするステップと、リーンアミノ−シリコーン吸収剤を再生するステップと、脱離された二酸化炭素ガスを捕捉し放出するステップとを含む。

典型的な排ガスストリームからＣＯ₂を捕捉するためのプロセス装置の主要部分およびフロー構成を示す、本発明の第１の典型的な実施形態を表すプロセスフローダイヤグラムである。 排ガスストリームからＣＯ₂を捕捉するためのプロセス装置の主要部分およびフロー構成をやはり表す、本発明の第１の別の実施形態を表すプロセスフローダイヤグラムである。 プロセス装置の主要部分および改変されたフロー構成をやはり示す、本発明の第３の実施形態を表すプロセスフローダイヤグラムである。 天然ガスプラントおよび排ガス再循環（ＥＧＲ）ループとともに統合された典型的なＣＯ₂分離ユニットおよび相変化吸収剤を含む、装置の主要部分およびフロー構成を表す全般的なプロセスフローダイヤグラムである。 粉炭プラントから排出される燃焼後ストリームを処理するための従来の先行技術のモノエタノールアミン（ＭＥＡ）プロセスを使用する、９０％の炭素捕捉および隔離システムについて、エネルギー損失を（「ウォーターフォール型」棒グラフの形態で）示すグラフである。 本明細書に記載される統合アミノ−シリコーン吸収剤（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｍｉｎｏ−ｓｉｌｉｃｏｎｅ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ）およびプロセスフロー構成を使用する本発明の典型的な実施形態について、エネルギー差により節約されたコストを（これもまた、比較によるウォーターフォールチャートの形態で）表すチャートである。エネルギーコストの低減

図１から図６は一連となって、本発明による典型的なＣＯ₂分離ユニットが、より効率的で費用効果的にアミノ−シリコーン吸収剤を再生しながら、プロセス装置の主要部分の熱統合を使用してＣＯ₂を単離し回収する場合の様式を示す。すなわち、吸収装置、脱離装置、ポンプ、および熱交換器が、プロセスの効率を最大にし、先行技術のシステムにおいて起こるエネルギー損失を最小にし、および／または斯かる損失を全体で回避するように最適様式で配置されている。

典型的な統合ＣＯ₂分離ユニットは、種々の相変化ＣＯ₂吸収剤を使用することができるので、これらは、例えば、（１）天然ガスおよび炭化水素燃料ベースの発電所の燃焼排ガス中のＣＯ成分およびＣＯ₂成分の分離、（２）ガス化装置から排出される合成ガス中のＣＯ₂の単離、（３）天然ガス井戸および油田井戸から放出される排ガスストリームからのＣＯ₂の分離、（４）ガスタービン機関排ガス中の燃焼排ガスからのＣＯ₂の除去、または（５）原油の増進回収システム中の排ガスストリームからのＣＯ₂の分離などのいくつかの異なる用途において使用することができる。本発明による熱的に統合されたＣＯ₂分離ユニットは、排ガス再循環（ＥＧＲ）を伴って、またはこれを伴わずに使用することができる。

以下に記載される様々な実施形態では、ＣＯ₂分離ユニットは、吸収剤が加熱回収され、ＣＯ₂が放出隔離される吸収装置中において、ＣＯ₂の相当な画分を捕捉する。このＣＯ₂分離も、吸収装置ユニットおよび脱離装置ユニットが、関連する熱交換器ユニット、および吸収装置から脱離装置に移動し吸収装置に再び戻る吸収剤の輸送システムと、効果的に合わさり統合されていることを利用している。それによって、吸収装置サブシステムおよび脱離装置サブシステムは、熱的に統合される。以下に記載される別の実施形態では、リーン吸収剤の一部を、リッチ吸収剤ストリームの対応部分と合わせ、それによってＣＯ₂分離プロセス全体の全体的な熱効率を改善することができる。

上述したように、図１は、本発明の第１の典型的な実施形態を表すプロセスフローダイヤグラムであり、プロセス排ガスストリームからＣＯ₂を捕捉および除去するためのプロセス装置の主要部分およびフロー構成を示す。統合ＣＯ₂分離システム２０では、ＣＯ₂を含有する排ガスストリームは、ＣＯ₂の実質的にすべてが、４つの熱的に統合されたプロセス、すなわち、ＣＯ₂吸収、ＣＯ₂脱離、吸収剤ハンドリング、およびＣＯ₂圧縮を使用して捕捉されるように処理される。燃焼排ガス２１（例えば、発電所またはガスタービン機関からの排ガス）は、直接接触冷却器２２（プロセスポイント１を参照）内に供給され、これにより、燃焼排ガス温度が約９０°Ｆに下がる。直接接触冷却器２２、その後、吸収装置２５に供給される燃焼排ガスの組成は、通常、二酸化炭素、水、酸素、窒素、アルゴン、メタン、一酸化炭素、ＳＯ_x、ＮＯ_x、エタン、および微量のより高分子量の炭化水素を含む。直接接触冷却器２２への供給水は、燃焼排ガス上に直接吹きかかり、ガスを最初に冷却（急冷）する。吸収装置の上流の燃焼排ガス温度を下げると、同伴水蒸気を燃焼排ガスから除去することも可能になり、システムがより熱的に効率的になる。

示したように、ＣＯ₂を含有するより低い温度の燃焼排ガスは、燃焼排ガス分離器２３内で冷却液２４から分離され、吸収装置２５内に直接送り込まれる（プロセスポイント２を参照）。吸収装置の頂部に供給されるリーン吸収剤３０は、燃焼排ガス中のＣＯ₂のほとんどを捕捉し、ＣＯ₂が富化された吸収剤２６は、未反応の吸収剤があればそれと一緒に、固体カルバメートを含有する、通常スラリーの形態で吸収装置２５から排出される。吸収装置２５に供給されるリーン吸収剤３０は、アミノ−シリコーン吸収剤を含み、これは、燃焼排ガス中に存在する二酸化炭素と反応してカルバメートを形成する。

ＣＯ₂が富化された吸収剤２６を含む吸収装置２５からのボトムストリーム（ｂｏｔｔｏｍｓ ｓｔｒｅａｍ）は、サイクロン分離器２７（これは、吸収装置２６から排出されるボトムストリームの正確な組成に応じて任意で選択される）内に直接送り込まれ、通常、少なくともいくらかのアミノ−シリコーン吸収剤、および生じたカルバメートを含み、遊離二酸化炭素の量が著しく低減されている。したがって、サイクロン分離器２７からのボトムストリームは、一般的に、いくらかの未反応液体吸収剤、および粒子化された固体カルバメートを有するスラリーを含む。次いで、図示したように、ＣＯ₂の量が著しく低減した相対的にクリーンな燃焼排ガスストリーム２８は、サイクロン分離器２７から排出される。

以下の反応は、吸収装置内で起こる可逆反応の一例を表す。

本明細書に記載されるプロセスステップを実施するのに、様々な異なるアミノ−シリコーン吸収剤組成物を使用することができる。一般に、本発明で有用なアミノ−シリコーン吸収剤の一群は、液体非水性オリゴマー組成物、例えば、２〜２０の間の反復単位を有する液体非水性オリゴマー組成物を含む。低蒸気圧を有するオリゴマー材料は、ＣＯ₂と可逆的に反応する基またはＣＯ₂に対して高い親和性を有する基で官能化されている。有用な吸収剤は、ＭＥＡ系捕捉に対する経済的に実現可能な代替物として必要な複数の特性を呈し、例えば、これらは、広範囲の温度を通じて液体であり、非揮発性であり、熱的に安定であり、必ずしも担体流体を必要としない。さらに、吸収剤は、より高度の機能性をもたらす合成を経て、高ＣＯ₂容量が備わっていてもよい。好ましくは、吸収剤は、例えば約２０未満の繰り返しモノマーユニットを含む、ＣＯ₂親和性短鎖オリゴマーを含む。本発明で使用するのに特に適した典型的なアミノ−シリコーンは、本出願人に関連する米国出願公開第２０１０／０１５４４３１号に記載されている。

吸収装置２５からのボトムストリームの組成物、すなわち、吸収装置からサイクロン分離器２７（これは、上述したように、任意に選択することができる）に供給されるＣＯ₂が富化された吸収剤２６は、通常、二酸化炭素、水、酸素、窒素、アルゴン、メタン、一酸化炭素、ＳＯ_x、ＮＯ_x、エタン、微量の他の炭化水素、ならびにいくらかのアミノ−シリコーン吸収剤および生じたカルバメートを含み、ここでは遊離二酸化炭素の量は著しく低減されている。ボトムストリーム、すなわち、富化された吸収剤２９は、未反応液体吸収剤、および粒子化された固体カルバメートを含有するスラリーを含み（プロセスポイント５を参照）、したがって、溶液は、上記反応の間に形成されるカルバメートが「リッチである」ことになる。この「リッチ」ストリームは、未反応アミノ−シリコーン吸収剤、およびカルバメート（これは、後に説明する「リーン」吸収剤中に残留するカルバメートと比較して、量がはるかに多くなる）を含む。図示したように、「クリーンな」燃焼排ガスストリーム２８（すなわち、ＣＯ₂の量が著しく低減している）は、サイクロン分離器２７から排出される（プロセスポイント３を参照）。

ＣＯ₂を除去するために吸収装置２５内で行われる「リッチ溶媒ローディング」の程度は、カルバメートおよび未反応アミノ−シリコーン吸収剤を含むＣＯ₂が富化されたスラリー２６の形態で吸収装置カラムを出る二酸化炭素の重量パーセントとして定義される。システムの「溶媒の正味のローディング」は、リッチローディングとリーンローディングの差異として定義され、２つの異なるストリームの実験室分析を通じて求めることができる。通常、吸収装置カラムとしては、噴霧塔が挙げられるが、ストリップされ捕捉される二酸化炭素の量にある程度応じて、蒸留カラムなどの他の同様に有効な構造も使用することができる。ＣＯ₂吸収プロセスにより、吸収剤の温度が約２０〜４０°Ｆ上昇し、図１の実施形態では、吸収装置は、ほぼ大気圧で、１００〜１５０°Ｆの範囲の温度で稼働する。

図示したように、吸収ステップの後、富化された吸収剤２９、すなわち、吸収装置から排出されるＣＯ₂のほとんどを、粒子化されたカルバメートの形態で含有する吸収剤は、脱離装置からの少量のリーン吸収剤（温度が上昇している）と混合され、リッチ／リーンスラリー混合物３１の圧力は、スラリーポンプ３３によって上昇する。

スラリーポンプ３３から排出される、カルバメートを含有するＣＯ₂が富化された吸収剤ストリームは、複合リッチ−リーン熱交換器３４内に直接送り込まれ、次いで２００〜３００°Ｆの範囲の温度に加熱された後、脱離装置４０に供給される（プロセスポイント６を参照）。図１の実施形態では、リーン吸収剤は、リッチ吸収剤と混合される際に高温であり、混合物は、高圧でポンプ搬送され、リッチ−リーン熱交換器３４に供給される（プロセスポイント７を参照）。熱交換器３４を出る冷却されたリーン吸収剤ストリーム３０（プロセスポイント４を参照）は、リーン吸収剤冷却器３２（通常、チューブ側に冷却水を有する）を通過して、吸収装置２５への一次リーン吸収剤フィードとなる。

上述したように、脱離装置４０は、上記したように吸収されたＣＯ₂を分離するように稼働する。脱離装置４０の底部からのリーン吸収剤ストリーム４７は、通常シェル側で、リッチ−リーン熱交換器３４の反対側を通過する。したがって、脱離装置４０内で行われる「溶媒のリーンローディング」は、リーンリサイクルポンプ３６へのフィードとして脱離装置カラムを出るリーン吸収剤４７中の二酸化炭素の重量パーセントとして定義される。リーン吸収剤ポンプ３６からの排出物は、リッチ−リーン熱交換器３４のシェル側で使用される（プロセスポイント７を参照）。リーン吸収剤ポンプ３６からの排出物の一部は、点線で示したように、リーン吸収剤リサイクル物３５としてスラリーポンプ３３にも供給され得る。

蒸気フィードライン４５を介して脱離装置に供給される蒸気は、富化された吸収剤からＣＯ₂を放出する（ストリップする）のに必要な熱を提供する（プロセスポイント９を参照）。図１の実施形態を実施するのに有用な蒸気は、例えば、発電所のサブシステム内の蒸気タービンのより低圧のセクションに由来し得る。図示したように、得られる凝縮物４６は、脱離装置４０から排出される（プロセスポイント１０を参照）。

その一方で、高温蒸気３９（これは、蒸気およびＣＯ₂を含む）は、通常、チューブ側で、冷却媒質として水を使用するＣＯ₂熱交換器４１内で冷却された状態になる。ＣＯ₂が同伴した残りの蒸気は、ＣＯ₂／蒸気分離器４２に流れ、そこで蒸気および同伴液体が分離される。次いでＣＯ₂ガスが分離器から取り出され、ＣＯ₂生成物圧縮機に送られる（プロセスポイント８を参照）。図示したように、分離器ＣＯ₂／蒸気分離器４２の底部からの液体は、吸収剤分離器４３内に送り込まれ、「クリーンな」吸収剤リサイクル物４４が脱離装置４０の頂部に供給される。ＣＯ₂／蒸気分離器４２を出る「クリーンな燃焼排ガス」は、システムへ送られる元の燃焼排ガスフィードの組成と同様の組成を有することになるが、最終的なストリーム中の二酸化炭素の量は、著しく低減されている。

図２は、本発明の別の実施形態（全体を第２の実施形態５０として示す）を表すプロセスフローダイヤグラムであり、これもまた、より効率的な様式でＣＯ₂を捕捉するためのプロセス装置の主要部分およびフロー構成を示す。参照を容易にするために、同じ基本機器構成要素およびプロセスストリームに、図１に関連して上記に使用したのと共通の番号を割り当てた。しかし、図１の実施形態と異なり、図２では、脱離装置４０からのリーン吸収剤は、リッチ−リーン熱交換器３４内で冷却され、その後リーン吸収剤冷却器３２内で冷却される（プロセスポイント７および４を参照）。リーン吸収剤冷却器３２の下流の冷却されたフローは、プロセスラインが任意選択であることを示すために点線で示したリーン吸収剤リサイクルライン５１を通ってリサイクルされ、スラリーポンプ３３に供給されているリッチ吸収剤と混合される。次いで、混合物は、高圧でポンプ搬送されてリッチ−リーン熱交換器３４内に入る。

図３は、さらに別の実施形態（全体を第３の実施形態６０として示す）を表すプロセスフローダイヤグラムであり、これもまた、上述の図１および図２において説明したのと同様のプロセス装置の主要部分を示すが、フロー構成がわずかに異なる。図３の実施形態では、図示したように、図２中のリーン吸収剤リサイクルストリーム５１は排除されており、吸収装置２５と脱離装置４０の間を移動する吸収剤ストリームの流量は、いずれの同伴固体も吸収装置から脱離装置に直接搬送するのに十分なレベルまで増加している。

図４は、例えば天然ガスプラントに統合されるような、相変化吸収剤を使用する典型的なＣＯ₂分離ユニット８１、および排ガス再循環（ＥＧＲ）ループ７２を含む、装置の主要部分およびフロー構成を表す全般的なプロセスフローダイヤグラムである。図４において、周囲空気フィード７１は、圧縮機７３内で圧縮され、炭化水素燃料７５を使用する１つまたは複数のガス燃焼器内に直接供給される。相当な量のＣＯ₂を含有する燃焼器排ガス７６は、ガスタービン７７を駆動する。残留する熱エネルギーおよび仕事は、熱回収蒸気発生器７８を使用して回収され、これは次に、図１〜３に関連して上述したタイプの統合ＣＯ₂分離ユニット８１内に送り込まれる。熱回収蒸気発生器７８からの排ガスリサイクルストリーム７９の一部は、圧縮機７３の１つまたは複数の段階に戻ってリサイクルされ、使用済み排ガス８０の残りは、上述したＣＯ₂分離システム内で処理される。分離されたＣＯ₂ストリームは、図示したように、ＣＯ₂排出ポイント８２において排出される。

図５は、異なる形態の燃焼後捕捉を使用した、すなわち、従来のモノエタノールアミン（ＭＥＡ）プロセス（対象発明の利点を含まないもの）を統合シリコーン−アミンプロセスと比較した、９０％の炭素捕捉および隔離システムについてのエネルギー損失を（ウォーターフォールチャートの形態で）例示したものである。図５中のウォーターフォールチャートは、上述したＣＯ₂除去の性能を改善する潜在性を有する吸収剤を使用することの利点を示している。図５中の用語「補助」は、二次的な装置操作とみなされる補助装置、例えば、ポンプ、ブロアー、ファンなどを動かすのに要求される電力を指す。図５中の用語「ＮＧＣＣ」は、天然ガス複合サイクルを指す。用語「ＣＣＳ」は、捕捉し隔離した炭素の量を指す。

図５の第１のカラムは、従来のＭＥＡ吸収剤を用いた比較基準を定義するものであり、いずれのＭＥＡ再生の前にもＭＥＡ吸収剤と混合されなければならない水がより多量で必要となるという結果を示している。ＣＯ₂分離について生じるエネルギー損失は、従来の様式でＭＥＡを使用する場合、約３０％である。これとは対照的に、図５の第２のカラムで扱った吸収剤（３．６％の正味のローディングを伴う）は、（本発明によって企図されているように）感知できる量の水をまったく含まず、したがって、ＣＯ₂について、より低い吸収剤の比熱およびより高い吸収熱を有する。脱離装置内の圧力も、３３ｐｓｉａから約２００ｐｓｉａに上昇した。

図５中の第３のカラムは、蒸気抽出温度を約３５０°Ｆから約２６０°Ｆに下げ、脱離装置内でより速い反応速度をもたらす最適化スキームの効果を示す。図５の最後の２つのカラムは、それぞれ８％および１２％の、本発明によるより高い吸収剤ローディングに基づく。このように、そのような様式でシリコーン−アミン吸収剤を使用すると、炭素捕捉に関するエネルギー損失が３０％から約１７．５％に低減される。

図面の図６は、図２〜４に関連して上述した統合アミノ−シリコーンプロセスを使用する本発明の典型的な実施形態についてのエネルギーコストの低減を、（これもまた、比較によるウォーターフォールチャートの形態で）さらに例示する。従来の石炭プラントにおける燃焼後捕捉については、本明細書に記載されるＣＯ₂分離を伴わない場合と比較した、従来のＭＥＡプロセスを使用する電気コスト（「ＣＯＥ」）の増大は、約７３％である。したがって、相変化吸収剤プロセスは、ＣＯ₂分離を伴わない場合に対して、約４０％電力生産コストを下げる潜在能力を有する。

図６中のデータはまた、この吸収剤は、相当な量の水を含有する比較基準のＭＥＡ吸収剤と比べて、吸収剤が従来のＭＥＡシステムの約半分となる点で、著しく良好であることを示す。脱離装置およびモジュール化を最適化すると、ＣＯ₂分離サブシステムの元手コストも著しく下がる。図６中の最後の２つのカラムは、本発明の統合プロセスを使用するシステムに対し約８％および１２％の正味のローディングを行った場合を表している。

本発明を、最も実用的で好適な実施形態であると現在考えられるものに関連して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されず、反対に、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な改変および等価な配置に及ぶことが意図されていることが理解されるべきである。

２０ 統合ＣＯ₂分離システム
２１ 燃焼排ガス
２２ 冷却器
２５ 吸収装置
２４ 冷却液
２３ 燃焼排ガス分離器
３０ リーン吸収剤
２６ ＣＯ₂が富化された吸収剤
２９ 富化された吸収剤
２８ 「クリーンな」燃焼排ガスストリーム
２７ サイクロン分離器
３１ リッチ／リーンスラリー混合物
３３ スラリーポンプ
３４ リッチ−リーン熱交換器
４０ 脱離装置
３２ リーン吸収剤冷却器
４７ リーン吸収剤ストリーム
３６ リーンリサイクルポンプ
４５ 蒸気フィードライン
４６ 凝縮物
３９ 高温蒸気
４１ ＣＯ₂熱交換器
４２ ＣＯ₂／蒸気分離器
４３ 吸収剤分離器
４４ 「クリーンな」吸収剤リサイクル物
５１ リーン吸収剤リサイクルライン
８１ ＣＯ₂分離ユニット
７２ 排ガス再循環（ＥＧＲ）ループ
７１ 周囲空気フィード
７３ 圧縮機
７５ 炭化水素燃料
７６ 燃焼器排ガス
７７ ＣＯ₂ドライブガスタービン
７８ 熱回収蒸気発生器
７９ 排ガスリサイクルストリーム
８０ 排ガス
８２ ＣＯ₂排出ポイント

Claims (23)

1. 排ガスストリームから二酸化炭素を除去するための方法であって、
   前記排ガスストリームを、前記排ガスストリーム中に存在する二酸化炭素の相当な部分と反応するのに十分な量のリーンアミノ−シリコーン吸収剤と接触させるステップと、
   未反応アミノ−シリコーン吸収剤、および前記リーンアミノ−シリコーン吸収剤を前記二酸化炭素と反応させることによって形成されるカルバメート化合物を含むスラリーを形成するステップと、
   前記カルバメート化合物から二酸化炭素を脱離させ、リーンアミノ−シリコーン吸収剤を再生するのに十分な温度に前記スラリーを加熱するステップと、
   前記排ガスストリームから脱離した二酸化炭素ガスを隔離するステップと、
   前記二酸化炭素ガスを放出するステップと
   を含む方法。
2. 前記リーンアミノ−シリコーン吸収剤と接触させる前に、前記排ガスストリームを冷却するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記排ガスストリームをアミノ−シリコーン吸収剤と接触させる前記ステップ、および前記スラリーを形成する前記ステップが、吸収装置カラム内で行われる、請求項１記載の方法。
4. 再生リーンアミノ−シリコーン吸収剤を前記吸収装置にリサイクルするステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 二酸化炭素の前記部分が隔離された後、排ガスをベントするステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
6. 以下の一般的反応：
   に従って、前記アミノ−シリコーン吸収剤が、燃焼排ガス中に存在する前記二酸化炭素と反応してカルバメートを形成する、請求項１記載の方法。
7. 前記脱離ステップの前に固体カルバメートを含有する前記スラリーを予熱するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
8. 前記排ガスストリームをリーンアミノ−シリコーン吸収剤と接触させる前記ステップ、スラリーを形成する前記ステップ、および前記スラリーを加熱する前記ステップが、熱的に統合されており、それによって、前記リーン吸収剤の一部が、前記吸収装置からのリッチ吸収剤ストリームと合わされる、請求項１記載の方法。
9. 前記排ガスストリームから二酸化炭素を除去することが、連続プロセスの一部として行われる、請求項１記載の方法。
10. 前記排ガスストリームが、二酸化炭素、水、酸素、窒素、アルゴン、メタン、一酸化炭素、ＳＯ_x、ＮＯ_x、エタン、および微量の他の炭化水素を含む、請求項１記載の方法。
11. 排ガスストリームから二酸化炭素を捕捉するためのシステムであって、
    二酸化炭素を含むガスを受け取り、前記炭素をアミノ−シリコーン吸収剤と反応させ、固体カルバメートを形成するように動作可能な吸収装置と、
    前記固体カルバメート、および前記排ガスからの未反応アミノ−シリコーン吸収剤の一部を分離するための第１の分離器ユニットと、
    前記カルバメートから二酸化炭素をストリップし、リーンアミノ−シリコーン吸収剤を再生するための脱離装置と、
    前記再生リーンアミノ−シリコーン吸収剤を前記吸収装置にリサイクルするようなサイズにされたリーン吸収剤輸送手段と、
    前記システムから二酸化炭素を捕捉および排出するための第２の分離器ユニットと
    を備えるシステム。
12. 前記脱離装置の上流の前記固体カルバメートおよび未反応アミノ−シリコーン吸収剤の前記一部の温度を上昇させるための熱交換器をさらに備える、請求項１１記載の排ガスストリームから二酸化炭素を捕捉するためのシステム。
13. 前記第１の分離器ユニットおよび前記吸収装置が統合されて、１つのプロセス構成要素になっている、請求項１１記載のシステム。
14. 前記第２の分離器が、同伴アミノ−シリコーン吸収剤を前記脱離装置に送り戻すためのリサイクル手段を含む、請求項１１記載の方法。
15. リーンアミノ−シリコーン吸収剤を再生するための前記脱離装置と一体になった熱交換器をさらに備える、請求項１１記載のシステム。
16. 同伴アミノ−シリコーン吸収剤を前記吸収装置に送り戻すためのリサイクル手段をさらに備える、請求項１１記載のシステム。
17. 前記脱離装置の下流に、前記システムから二酸化炭素ガスを単離および排出するための分離器をさらに備える、請求項１１記載のシステム。
18. 前記第１の分離器がサイクロン分離器を備える、請求項１１記載のシステム。
19. 前記第１の分離器が蒸気−液体スラリー分離器を備える、請求項１１記載のシステム。
20. 固体カルバメートと未反応アミノ−シリコーン吸収剤の混合物の圧力を、前記混合物を前記脱離装置に供給する前に上昇させるためのポンプ手段をさらに備える、請求項１１記載のシステム。
21. 前記吸収装置が、以下の一般的反応：
    に従って、前記アミノ−シリコーン吸収剤を、燃焼排ガス中に存在する前記二酸化炭素と反応させてカルバメートを形成する、請求項１１記載のシステム。
22. 前記脱離装置が、前記吸収装置へのリサイクルストリームとしてリーンアミノ−シリコーン吸収剤を再生する、請求項１１記載のシステム。
23. 前記排ガスストリームが、二酸化炭素、水、酸素、窒素、アルゴン、メタン、一酸化炭素、ＳＯ_x、ＮＯ_x、エタン、および微量の他の炭化水素を含む、請求項１１記載のシステム。