JP2013521462A - 燃焼設備からの煙道ガスを液化する方法及び設備 - Google Patents

Abstract

エネルギー消費が少なく安定した運転するように設計された、煙道ガスから液体ＣＯ_２を生成する方法及びプラント。

Description

本開示は、煙道ガスに含まれるＣＯ_２の液化方法及び装置に関する。

燃焼煙道ガスからＣＯ_２を低温で生成するほとんどの方法は、２つ以上の分離ステージをもつ従来の分離方式を採用している。図１には、そのような設備をブロック図で示す。

図１及び２は、ＣＯ_２及び煙道ガス流の様々な箇所の温度及び圧力をいわゆるフラグによって示すものである。各フラグにおける温度及び圧力を下表にまとめる。この温度及び圧力が一例であることは、当業者には明らかである。煙道ガスの組成、外界温度、及び液体ＣＯ_２に要求される純度に応じて、温度及び圧力は変動し得る。

第１圧縮機１において、煙道ガスが圧縮される。この圧縮は、煙道ガスから大部分の水蒸気、即ち、水を分離する各圧縮ステージ（図示せず）の間に冷却器及び水分離器を複数有する多段式圧縮プロセスによるものでもよい。

図１で、参照番号３は煙道ガス流を示している。第１圧縮機１から放出される際、煙道ガスは外界温度よりも極めて高温であり、その後、第１冷却器５によって約１３℃まで冷却される。圧力は約３５．７バールである。

煙道ガス流３に含まれたままの水分は、適切な乾燥プロセス、例えば、乾燥器７内での吸着乾燥によって除去され、次いで煙道ガス流３は第１分離ステージ９へと送られる。第１分離ステージ９は、第１熱交換器１１と、第１分離ドラム１３とを備える。第１熱交換器１１は、煙道ガス流３を冷却する役割を担う。この冷却の結果、煙道ガス流３に含まれるＣＯ_２は部分的に凝縮される。それにより、煙道ガス流３は、２相混合物として第１分離ドラム１３に流入する。そこで、煙道ガス流の液相と気相は重力によって分離される。第１分離ドラム内の圧力は約３４．７バールであり、温度は−１９℃である（フラグ番号５参照）。

第１分離ドラム１３の底部で、液体ＣＯ_２が抽出され、そして第１減圧弁１５．１を介してその圧力が約１８．４バールとなるまで膨張する（参照番号３．１参照）。その結果、ＣＯ_２の温度は−２２℃〜−２９℃となる（フラグ番号１０参照）。煙道ガスのＣＯ_２分流３．１は、煙道ガス流３により、第１熱交換器１１内で加熱され、蒸発する。第１熱交換器１１の出口での分流３．１の温度は約２５℃であり、圧力は約１８バールである（フラグ番号１１参照）。

第１分離ドラム１３の頭部において抽出された第２分流３．２に着目すると、第１分離ドラム１３から抽出された気体状態の分流３．２は第２熱交換器１７内で冷却され、部分的に凝縮されることが明白である。その後、２相の混合物としても存在する分流３．２は第２分離ドラム１９へ送られる。第２熱交換器１７及び第２分離ドラム１９が、第２分離ステージ２１の主要部である。

第２分離ドラム１９内で、重力による分流３．２の液相と気相との分離が再び行われる。第２分離ドラム１９内での圧力は約３４．３バールであり、温度は約−５０℃である（フラグ番号６参照）。

第２分離ドラム１９内の気相、いわゆるオフガス２３が、第２分離ドラム１９の頭部で抽出され、第２減圧弁１５．２内で約１７バールに膨張し、約−５４℃に冷却される。

図面では、オフガスを参照番号２３で示す。オフガス２３は第２熱交換器１７内を流通することによって反流の煙道ガス３．２を冷却する。

第２分離ドラム１９の底部で、液体ＣＯ_２が抽出され、第３減圧弁１５．３内で約１７バールに膨張し、温度も−５４℃に達する（フラグ番号７ａ参照）。分流３．３も第２熱交換器１７へ送られる。そこで、液体ＣＯ_２の一部が蒸発し、第２熱交換器１７から分流３．３．１が抽出され、第４減圧弁１５．４内で約５〜１０バールに膨張し、ここでもその温度は−５４℃に達し（フラグ番号７ｂ参照）、そして第２熱交換器１７に再び送られる。

第２熱交換器１７内を流通した後、分流３．３．１は再び分流３．３と合流し、第１熱交換器１１へ送られる。第１熱交換器１１の入口におけるこの分流の圧力は約５〜１０バールであり、温度は−２２〜−２９℃である（フラグ番号１４参照）。

分流３．３は、第１熱交換器１１内で熱を吸収する。これにより、同出口での温度は約−７℃となり、圧力は約５〜１０バールである。この第３分流３．３は第１圧縮ステージの第２圧縮機２５へ送られる。他方、圧力が約１８バールの分流３．１は、図１に示す３段式圧縮機２５の第２圧縮ステージへ送られる。

第２圧縮機２５の複数ステージ間の中間冷却器及び圧縮されるＣＯ_２用の後段冷却器は図１に示されていない。

第２圧縮機２５の出口で、圧縮されたＣＯ_２の圧力は６０バール〜１１０バールであり、温度は８０℃〜１３０℃である。不図示の後段冷却器内のＣＯ_２は外界温度まで冷却される。

必要に応じて、このＣＯ_２は、直接配管に供給してもよいし、液化した後第１ＣＯ_２ポンプ２７から、例えば、（不図示の）配管へ送ってもよい。第１ＣＯ_２ポンプ２７は、液体ＣＯ_２の圧力を該配管の圧力まで増大するものである。

オフガス２３の説明に戻ると、このオフガスは第２熱交換器１７及び第１熱交換器１１内を流通することによって煙道ガス流３の熱を吸収することが分かる。第１熱交換器１１の出口でのオフガスの温度は約２６℃〜３０℃であり、圧力は約２６バールである（フラグ番号１６参照）。

エネルギー回収を最大化するため、オフガス２３をオフガス過熱器２９で過熱し、その後膨張タービン３１又は任意の他の膨張機へ送ることが知られている。ここでは、力学的エネルギーが再利用され、その後、オフガスは外界の圧力にほぼ相当する低圧状態で外界に放出される。

図１を使って説明してきたＣＯ_２液化設備は、比較的簡略で、問題なく稼働する。例えば化石燃料を供給される発電プラントの煙道ガスから液体ＣＯ_２を生成する場合のこれらの方法及び設備の欠点は、その高エネルギー需要であり、該発電プラントの正味効率に悪影響を及ぼしてしまうことである。

本発明は、エネルギー需要が少なく、それにより発電プラントを正味効率良く稼働させる、煙道ガスに含まれるＣＯ_２の液化方法及び設備を提供する。

同時に、本方法は簡略化されており、その稼働方法は、障害なく着実な稼働を確保するように好適に調整可能である。

本発明の実施形態によれば、これらの利点は、第２熱交換器１７から流出した液体ＣＯ_２の分流３．２を、圧力が約１６．５バールで温度が−４７℃の第３分離ドラムへ送ることによって達成される。ここで液相と気相との分離が再び行われ、かなりの部分の液相の圧力が第２ＣＯ_２ポンプによって増大する（フラグ番号７ｅ参照）。この液相を、膨張後、第２熱交換器を冷却するために使用し得る。但し、この分流の膨張はたった２０バールまでのものにしなければならない。こうして、第１分離ドラムからの液相とともに第１熱交換器へ送り、その後第２圧縮機の第２圧縮ステージへ送ることができるようになる。

本方法の１つの利点は、後段の分離ステージに存在する液体ＣＯ_２中の少量の液体ＣＯ_２のみ、５〜１０バールの圧力に膨張させる必要があることである。反対に、かなり大量の液体ＣＯ_２を約１８バールの圧力に膨張させることも可能であり、この増加分を第２圧縮機の第２圧縮ステージへ注入できる。これにより、上流の発電プラントの正味効率を改善するという直接な効果を有する第２圧縮機２５に要求される電力が著しく削減される。プラントに係る請求項８〜１０においても同様である。従属請求項の利点も、図２に結び付けて以下説明する。

従来技術に係る煙道ガス由来ＣＯ_２の液化設備を示す。 本発明に係るＣＯ_２液化設備の実施形態を示す。図２において、同一の構成要素は同一の参照番号を付している。図１に関する記載も同様である。

ここで、図面を参照するが、各図では同様の構成要素には同様の番号を付してある。

図２を参照すると、第１圧縮機１、第１冷却器５、乾燥器７、第１熱交換器１１、及び第１分離ドラム１３においての煙道ガス流３の処理は、図１を使って説明した処理と全く同様に行われる。また、気相３．２も、図１で説明したように、第１分離ドラム１３の頭部で抽出され、第２熱交換器１７を通り、そして第２分離ドラム１９へ送られる。第２分離ドラム１９内で、分流３．２の２つの相（液相及び気相）は、オフガス流２３及び液体ＣＯ_２に分割される。第２分離ドラム１９の底部で抽出された分流には、図１のように参照番号３．３を付している。

図１を使って既に説明したように、分流３．３は、第３減圧弁１５．３内で膨張され、圧力が１５．５バールになり、これにより−５４℃に冷却される。分流３．３は、第２熱交換器１７内を流通することによって煙道ガスの分流３．２の熱を吸収し、温度が約−４７℃となり（フラグ番号８参照）、そして第３分離ドラム３３へ送られる。

そこで、部分的に液体で部分的に気体であるＣＯ_２の圧力は約１６．５バールであり、温度は−４７℃である（フラグ番号９参照）。

第３分離ドラム３３の頭部で、気相が抽出され、第４減圧弁１５．４内で膨張する。図２で、参照番号３．４は、第３分離ドラム３３の頭部で抽出された気体分流を示す。第３分離ドラム３３の脚部では、少量の液体分流３．５が抽出され、第５減圧弁１５．５内で膨張する。次いで、分流３．４及び３．５は再び合流する。そして、これらの圧力は約５〜１０バールとなり、温度は−５４℃になる（フラグ番号７ｄ参照）。

第３分離ドラム３３内に存在した液体ＣＯ_２の第６分流３．６としての圧力レベルは、第２ＣＯ_２ポンプ３５によって、約２０バールから２３バールまでの範囲に増大する（フラグ番号７ｅ参照）。

第６減圧弁１５．６内で、これまで液体であったＣＯ_２は膨張し、圧力が約２０バールとなり、温度は−４５℃になる。第２熱交換器１７内の煙道ガス流３．２は、この部分的に液体で部分的に気体のＣＯ_２によって冷却される。分流３．６の流入温度がオフガス２３及び分流３．３の流入温度よりも高いことから、分流３．２は始めに分流３．６によって冷却される。従って、この比較的高い−４５℃という温度であっても、分流３．２から熱を吸収することが出来る。図２においても、この事実が写実的に明確に分かる。

分流３．６は、第２熱交換器１７から約−２２℃〜−２９℃の温度で流出し、第１分離ドラム１３から既に抽出した分流３．１と合流する。第１分離ドラム１３内の圧力が約３４．５バールであることから、第１分離ドラム１３からの液体分流３．１は第７減圧弁１５．７内で約２０バールに膨張する。これら２つの分流３．１及び３．６は合流し、約−２２℃〜−２９℃の温度で第１熱交換器１１に流入し（フラグ番号１０参照）、そして煙道ガス流３から熱を吸収する。温度が約２５℃で圧力が約１８バールの状態でこれらの分流は第１熱交換器から流出する（フラグ番号１１参照）。従って、第２圧縮機２５の第２圧縮ステージへ送ることができる。

分流３．１及び３．６が第２圧縮機２５の第２圧縮ステージへ送ることができることから、第２圧縮機２５の第１圧縮ステージへ送る必要のある分流３．３も同様に減圧される。その結果、第２圧縮機２５に要求される電力は小さくなる。このことは、本発明に係る設備のエネルギー需要に対してプラスの効果がある。

ＣＯ_２液化プラントのエネルギー需要を削減する第２の可能性として、第１熱交換器１１から流出した後のオフガス２３をオフガス過熱器１９内で過熱することだけでなく、膨張タービン３１内で膨張した後のオフガス２３を第２熱交換器１７へ再び送ることも挙げることができる。過熱後のオフガスの温度は約８０℃〜約１００℃であり、圧力は約２６バールである（フラグ番号１７参照）。膨張機３１内での膨張によって、圧力は２．３バールに減少し、オフガスの温度は−５４℃に達する。従って、オフガスを、もう一度煙道ガス流３、即ち、分流３．２の冷却に貢献させることができる。その後、低圧かつほぼ外界と同じ温度のオフガスを外界に放出できる。オフガス２３の膨張及び過熱を複数の段階で行うことも可能である（図２に示さず）。

これによっても、本発明に係る設備のエネルギー需要がかなり削減される。他方で、多量のオフガス２３が煙道ガス流３、即ち、分流３．２の冷却に貢献し、そして膨張機３１は、例えば第１圧縮機１又は第２圧縮機２５を駆動するために使用し得る力学的仕事を生み出すことになる。総じて、大きな利点にも関わらず、本発明に係る方法及び本発明に係る方法を使用するために必要とされるＣＯ_２液化設備は、なお比較的簡略な設計であると言うことができる。

更なる利点は、分流３．６が、第１分離ドラム１３から液相として抽出された分流３．１と合流することが可能な状態の圧力に膨張することである。これにより、この２つの分流を、共通の圧力・温度状態で、第２圧縮機の第２圧縮ステージへ送ることができる。

更に、本仕組みにより、煙道ガスの凝縮に対する調整が改善されるのは明らかである。ＣＯ_２ポンプ３５における流速を調節することにより、伝熱のための駆動力、即ち対数平均温度差（ＬＭＴＤ）、が変化する。このように、第２分離ステージ２１の性能を調節できる。このことは、ＣＯ_２の昇華点及び氷点に近い凝縮温度において稼働する際に特に重要である。

上述の効果を最大化させるため、膨張した後であって大気へ放出される前に少なくとも１回は排気ガス（ｖｅｎｔ ｇａｓ）をコールドボックスへ再循環させることによって、分離したオフガスからの熱回収を増やすことができる。

複数の好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更を加えたり、本発明の要素を均等物に置き換えたりし得ることが当業者には理解されるであろう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料を本発明の教示に適合させるように多くの変形を行うことができる。したがって、本発明は、この発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の請求項の範囲内の全ての実施形態を含むことが意図されている。また、第１、第２などの用語の使用においては、順序や重要性を示すものではない。むしろ、第１、第２などの用語は、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 (11)

1. 燃焼煙道ガスから液体ＣＯ_２を生成する方法であって、
   前記煙道ガスを少なくとも２つの分離ステージ（９，２１）で部分的に凝縮し、前記少なくとも２つの分離ステージ（９，２１）を、膨張したオフガス（２３）及び膨張した液体ＣＯ_２（３．１，３．３）によって冷却し、
   前記膨張したＣＯ_２を、後段の前記分離ステージ（２１）を通過させた後、追加分離ドラム（３３）で液体ＣＯ_２及び気体ＣＯ_２に分離し、
   前記追加分離ドラム（３３）の前記気体ＣＯ_２及び前記液体ＣＯ_２の一部を第１圧力レベル（フラグ７ｄ）に膨張させ、前記液体ＣＯ_２の残部（３．６）の圧力を第２圧力レベル（フラグ７ｅ）に増大して該残部（３．６）を膨張させ（フラグ７ｅ）、前記後段の分離ステージ（２１）内のＣＯ_２を冷却する、方法。
2. 前記液体ＣＯ_２の残部（３．６）を、約１５バールから２５バール、好ましくは２０バールまでの圧力（フラグ１３）に膨張させる、請求項１に記載の方法。
3. 前段の前記分離ステージ（９）からの液体ＣＯ_２（３．１）を、前記液体ＣＯ_２の残部（３．６）の前記圧力まで膨張させ、
   ＣＯ_２流の両方（３．１，３．６）は、前記前段の分離ステージ（９）内の冷却目的に使用される、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＣＯ_２流の両方（３．１，３．６）を、第２圧縮機（２５）の第２又は第３ステージに供給する、請求項３に記載の方法。
5. 前記煙道ガスを、前記第１分離ステージ（９）に流入させる前に、第１圧縮機（１）内で圧縮し、第１冷却器（５）内で冷却、及び／又は乾燥器（７）内で乾燥する、請求項１に記載の方法。
6. 前記後段の分離ステージ（２１）からのオフガス（２３）を、前記後段の分離ステージ（２１）の熱交換器（１７）に流入させる前に、約１７バールに膨張させるとともに、その温度が約−５４℃になる、請求項１に記載の方法。
7. 前記オフガス（２３）を、前記全ての分離ステージ（２１，９）を通過させた後、過熱器（２９）内で過熱し、膨張機（３１）内で膨張させ、次いで前記後段の分離ステージ（２１）の熱交換器（１７）に再び供給する、請求項１に記載の方法。
8. 燃焼煙道ガスから液体ＣＯ_２を生成するプラントであって、
   前記煙道ガス（３）を、少なくとも２つの分離ステージ（９，２１）、複数の減圧弁（１５）、第２ＣＯ_２ポンプ（３５）、追加分離ドラム（３３）、及び第２多段式圧縮機（２５）で部分的に凝縮する、プラント。
9. 各分離ステージ（９，２１）は、熱交換器（１１，１７）と、気体ＣＯ_２から液体ＣＯ_２を分離する分離ドラム（１３，１９）とを備える、請求項８に記載のプラント。
10. 少なくとも１つの膨張機（３１）及び／又は１つのオフガス過熱器（２９）を更に備える、請求項８に記載のプラント。
11. 第１圧縮機（１）と、第１冷却器（５）と、乾燥器（７）とを更に備える、請求項８に記載のプラント。

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