JP2013537614A - 単段膨張及び蒸発促進用ポンプを利用する、エネルギー効率の良いco2の製造 - Google Patents

単段膨張及び蒸発促進用ポンプを利用する、エネルギー効率の良いco2の製造 Download PDF

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Abstract

エネルギー消費を抑えしかも安定に動作する、燃焼排ガスから液体COを製造する方法及びそのプラントについて記載している。

Description

本発明は、燃焼排ガス中に含まれるCOの液化方法及びそのための装置に関する。
燃焼排ガスからCOを液化することは以前から知られている。燃焼排ガスからCOを製造する低温処理方法では、2段以上の分離段を有する従来の分離スキームを利用することが多い。図1に、このような従来装置のブロック図を示す。
この応用例の図では、燃焼排ガス流及びCOの各ポイントでの温度及び圧力はいわゆるフラグで示されている。各フラグの温度及び圧力を以下の表にまとめる。当業者には明らかであるが、これらの温度及び圧力が一例として示されている。これらは、燃焼排ガスの組成、周囲温度、及び液体COの所望純度に応じて変更され得る。
第1コンプレッサ1では、燃焼排ガスが圧縮される。この圧縮は、水蒸気及び水それぞれの大部分を燃焼排ガスから分離する各圧縮段(図示せず)の間に冷却器及び水分離器を備えた多段圧縮工程であってよい。
図1において、燃焼排ガス流は符号3で示す。第1コンプレッサ1から放出されたときの燃焼排ガスの温度は周囲温度よりもかなり高いが、その後、第1冷却器5で約13℃まで冷却される。圧力は約35.7barである。
燃焼排ガス流3中にまだ残っている水分は、好適な乾燥工程、例えばドライヤー7における乾式吸着によって水が除去され、続いて第1分離段9に送られる。この第1分離段9は、第1熱交換器11及び中間分離ドラム13を備える。第1熱交換器11は、燃焼排ガス流3を冷却する役割を果たす。この冷却により、燃焼排ガス流3に含まれているCOの部分凝縮が生じる。その結果、燃焼排ガス流3は中間分離ドラム13に二相混合物として流れ込む。その中で、燃焼排ガス流の液相と気相は重力によって分離される。第1分離ドラム中、圧力は約34.7barであり、温度は−19℃である(5番フラグ参照)。
液体COは、中間分離ドラム13の底部で抽出されて、第1減圧弁15.1によって約18.4barの圧力まで膨張される(符号3.1参照)。その結果、COの温度は−22℃〜−29℃となる(10番フラグ参照)。燃焼排ガスの部分CO流3.1は第1熱交換器11内で燃焼排ガス流3によって加熱され蒸発される。第1熱交換器11の出口では、部分流3.1の温度は約25℃であり、圧力は約18barである(11番フラグ参照)。
中間分離ドラム13の上部で抽出される第2部分流3.2について見てみると、中間分離ドラム13から気相状態で抽出された部分流3.2は第2熱交換器17で冷却されて部分凝縮をされることが分かる。その後、この二相混合物となった部分流3.2は第2分離ドラム19に送られる。第2熱交換器17及び第2分離ドラム19は、第2分離段の主要構成要素である。
第2分離ドラム19では、再度、部分流3.2を液相と気相とに重力で分離する。第2分離ドラム19内の圧力は約34.3barであり、温度は約−50℃である(6番フラグ参照)。
第2分離ドラム19内の気相、いわゆるオフガス23は、第2分離ドラム19の上部で抽出されて、第2減圧弁15.2で約27barまで膨張され、その結果、約−54℃まで冷却される(7番フラグ参照)。
図中、オフガスは符号23で示す。オフガス23は、第2熱交換器17を通過する流れとなり、それにより、対抗する流れである燃焼排ガス3.2を冷却する。
第2分離ドラム19の底部では液体CO(符号3.3参照)が抽出されて、第3減圧弁15.3で約17barまで膨張され、温度も−54℃に達する(7aフラグ参照)。この流れ3.3もまた第2熱交換器17に送られる。第2熱交換器17内では、液体COの一部が蒸発されて、流れ3.3が第4減圧弁15.4で約5〜10barまで膨張されるので、このポイントでの温度は−54℃に達し(7bフラグ)、そして流れ3.3が再度、第2熱交換器17へ戻される。
前記流れ3.3は、第2熱交換器17から流れ出た後、再度、第1熱交換器11へ戻される。第1熱交換器11の入口では、この流れの圧力は約5〜10barであり、温度は−22〜−29℃である(14番フラグ参照)。
この流れ3.3は、第1熱交換器11内で熱を吸収するので、当該流れ3.3の出口での温度は約−7℃で、圧力は約5〜10barとなる。この第3の流れ3.3は、第2コンプレッサ25の1段目の圧縮機へ送られるのに対し、圧力が約18barの流れ3.1は、図1に示す三段式圧縮機25の2段目の圧縮機へ送られる。
第2コンプレッサ25の各段の間の中間冷却器、及び圧縮されたCO用の後段冷却器は、図1には示していない。
第2コンプレッサ25の出口では、圧縮されたCOの圧力は60bar〜110barであり、温度は80℃〜130℃である。図示していない後段冷却器において、COは周囲温度まで冷却される。
必要に応じて、COは、パイプラインに直接供給されてもよく、又は液化されて第1COポンプ27から、例えば、図示していないパイプラインへ送られてもよい。第1COポンプ27は、液体COの圧力を、パイプラインに定められた圧力まで上昇させる。
オフガス23に話を戻すと、オフガスは第2熱交換器17及び第1熱交換器11の中を流れることで、燃焼排ガス流3から熱を吸収することが分かる。第1熱交換器11の出口では、オフガス23の温度は26〜30℃であり、圧力は約26barである(16番フラグ参照)。
エネルギー回収を最大限に高めるために、オフガス23をオフガス過熱器29で過熱し、加熱後のガスを膨張タービン31又はいずれかの他の膨張装置に送ることが知られている。力学的エネルギーをそこで再生した後、オフガスは周囲の圧力程度の低圧の状態で周囲環境に放出される。
図1にて例示されるこのCO液化装置は、比較的シンプルで、しかも支障なく作動する。例えば化石燃料を燃料源とする発電所の燃焼排ガスから液体COを製造するこの従来技術は、そのエネルギー必要量が大きく、発電所の正味効率にマイナスの影響を及ぼすという欠点がある。
従って、本発明の目的は、より少ないエネルギー必要量で稼働し、発電所の正味効率を増加させる、燃焼排ガスに含まれるCOの液化方法及びその装置を提供することである。
それに加えて、前記方法は、出来る限りシンプルでなければならず、しかも操作手法が頑強で且つ故障のない動作を保証するように制御可能であることが好ましい。
本発明によれば、この目的は、燃焼排ガスから液体COを製造する方法であって、前記排ガスが少なくとも1つの熱交換器及び分離ドラムを備える単段相分離で部分凝縮され、前記少なくとも1つの熱交換器が、膨張されたオフガス及び膨張された液体COによって冷却され、前記COの一部分が第1圧力レベルまで膨張され、そして少なくとも1つの熱交換器を通過後、追加分離ドラム内で液体CO及び気体COに分離され、前記追加分離ドラムにおける気体CO及び液体COが、第2圧力レベルまで膨張される、前記製造方法によって解決する。前記分離ドラムにおける液体COの第2部分は、前記少なくとも1つの熱交換器内でCOを冷却するために第3圧力レベルまで膨張される。
高圧力レベルでCOを蒸発することにより生成される体積流量が減少する結果、第2コンプレッサ25に必要な電力が大幅に削減され、その上流の発電所の正味効率の向上に直接影響を及ぼす。
特許請求の範囲で主張する本発明の更に有益な実施形態は、第1分離ドラムの液体COの第3部分の圧力を、少なくとも1つの熱交換器内でCOを冷却するために第4圧力レベルまで上昇させる工程を含む。
このCO流はその後、コンプレッサ25の更に高次の圧縮段に供給されてもよく、それにより電力消費が更に削減する。
この分離ドラムの液体COの第2部分は、約15〜25bar、好ましくは20barの圧力までに膨張させることが望ましい。この圧力範囲は、延伸圧縮機に通常適用される一般的な圧縮比と同等である。
特許請求の範囲で主張する本発明の方法の更に有益な実施形態は、第1分離ドラムの液体COの最後の第3部分の圧力を、約40〜50bar、好ましくは45barまで上昇させることを含む。
前記圧力レベルは、商業上利用可能な圧縮比を維持しつつエネルギー効率のよいプラントの運転を可能にする一方で、例えば要望されるCOの品質及び/又は周囲温度に応じて異なる運用点でプラントを稼働することも可能にする。
分離ドラムで得たCOの部分流を少なくとも1つの熱交換器内での冷却目的のために利用することもまた有益である。
前記CO流を冷却目的のために利用することで、可燃性冷媒の使用を回避でき、結果的に、火災の危険が減少し、セキュリティシステムのためのコストも最小限に抑えられる。
CO流を、その圧力レベルに応じて第2コンプレッサの異なる段階に供給することで、エネルギー消費の削減が実現される。
燃焼排ガス(3)を、少なくとも1つの熱交換器に流入させる前に、第1コンプレッサ内で圧縮し、それを第1冷却器内で冷却させ及び/又はドライヤー内で乾燥させることにより、大部分の水蒸気が除去されるため、燃焼排ガス量が減少する。これにより、液体CO製造用のドライヤー及びプラントのサイズ縮小が可能となり、結果としてエネルギー損失が軽減し、コストが削減される。
最終分離段で得たオフガスを、少なくとも1つの熱交換器に流れ込む前に、約27barまで膨張し、温度を約−54℃とすることで、膨張後の圧力レベルを可能な限り高め、結果的に、膨張機内でのエネルギー回収を最大化する。
少なくとも1つの熱交換器に通過後のオフガスを少なくとも1つの膨張装置で膨張し、その後、少なくとも1つの熱交換器に再び供給することにより、エネルギー消費を更に抑えることも可能である。
場合により、オフガス23を、少なくとも1つの熱交換器を通過後、少なくとも1つの膨張装置に流入する前に、過熱してもよい。廃熱を過熱工程に使用できれば、膨張装置の出力が増加し、その結果、プラント全体の効率が改善され得る。
二段式膨張を使用することが好ましく(図3参照)、そうすることで、第3圧力レベル及び第4圧力レベルの圧力にするCOの量を最大化できる。
従来技術による燃焼排ガスからCOを液化する装置を示す。 本発明によるCO液化装置の実施形態を示す。 本発明によるCO液化装置の実施形態を示す。
以下に、特許請求の範囲で主張する本発明の更なる利点を、図2及び3と関連付けて説明する。
図2中、各構成要素は各符号で示す。図1に関する記載が同様に準用される。
第1コンプレッサ1、第1冷却器5、ドライヤー7、第1熱交換器11における燃焼排ガス流3の処理は、図1を用いて説明した通りに行われる。燃焼排ガス流3は第1熱交換器11から第2熱交換器17へ直接流れ、次いで、第1分離ドラム19に送られる。燃焼排ガス流3の2つの相(液体及び気体)は、第1分離ドラム19内でオフガス流23と液体COの部分流とに分離される。図1の場合と同様に、この部分流は第1分離ドラム19の底部で抽出されて、符号3.3となる。
図1に関する記載において既に説明したように、部分流3.3は第3減圧弁15.3で圧力17.5barまで膨張され、それにより−54℃まで冷却される。部分流3.3は、第2熱交換器17の中を通ることで燃焼排ガス流3から熱を吸収して、温度約−47℃(8’番フラグ参照)の状態で第2分離ドラム33に流れ込む。
そこでは、部分的に液体でかつ部分的に気体であるCOは、圧力約16.5bar及び温度−47℃である(9’番フラグ参照)。
気相は、第2分離ドラム33の上部で抽出されて、第4減圧弁15.4で膨張される。第2分離ドラム33の上部で抽出された気体の部分流は、図2中、符号3.4で示す。
液体流3.5は、第2分離ドラム33の底部で抽出され、そして第5減圧弁15.5で膨張される。続いて、部分流3.4及び3.5を再度一つにまとめる。その結果、それらの圧力は約5〜10barであり、温度は−54℃である(7d’番フラグ参照)。
第1分離ドラム19から得られるCOの第2部分3.6は、第6減圧弁15.6で圧力を約23barまで膨張されて(7e’番フラグ参照)、熱交換器17の中間体入口に戻される。
この部分的に液体で且つ部分的に気体であるCOを用いて、第2熱交換器17内の燃焼排ガス流3を冷却する。
部分流3.6の入口温度はオフガス23や部分流3.3の入口温度よりも高いので、燃焼排ガス流3は先ず部分流3.6で冷却される。こうすれば、それは、−45℃という前記の高い温度であっても、燃焼排ガス流3から熱を吸収することができる。図2中、このことは、部分流3.6の熱交換領域の位置により示されている。
部分流3.6は、温度約−22〜−29℃(13’番フラグ参照)の状態で第2熱交換器17より流出し、次に第1熱交換器11へ直接送られる。第1熱交換器11において、部分流3.6は燃焼排ガス流3から熱を吸収する。部分流3.6は、温度約25℃及び圧力約18bar(11’番フラグ)の状態で第1熱交換器より流出するため、第2コンプレッサ25の第2圧縮段へ送ることが可能となる。
部分流3.6を第2コンプレッサ25の第2圧縮段へ送ることが可能であるため、第2コンプレッサ25の第1圧縮段へ送るべき部分流3.3をその分減少できる。その結果、第2コンプレッサ25に必要な電力が削減される。これにより、本発明の装置のエネルギー必要量にプラスの効果がもたらされる。
場合により、第1分離ドラム19で生じた液体COの残りの部分3.7は、COポンプ37により吸い出され(符号37参照)、圧力が約45bar(7g番フラグ参照)となり、その後、熱交換器17の中間体入口へ戻される。
更なる部分流3.7は、部分流3.6と平行して第2熱交換器17及び第1熱交換器11を流れる。部分流3.7は、COポンプ37で吸い出されて、圧力レベルが約45bar(7g番フラグ参照)まで上昇する。第8弁15.8は、COポンプ37により注入されるCOの量を制御するのに役割を果たす。
部分流3.6及び3.7の入口温度は、オフガス23や部分流3.3の入口温度よりも高いので、燃焼排ガス流3は先ず部分流3.6及び3.7で冷却される。こうすれば、上記の高い温度であっても、燃焼排ガス流3から熱を吸収することができる。図3中、このことは、部分流3.7の熱交換領域の位置により示されている
部分流3.7は、温度約−22〜−29℃(20番フラグ参照)の状態で第2熱交換器17より流出し、次に第1熱交換器11へ直接送られる。第1熱交換器11において、部分流3.7は燃焼排ガス流3から熱を吸収する。部分流3.7は、温度約25℃及び圧力約44barの状態で第1熱交換器より流出するため(21番フラグ)、第2コンプレッサ25の第2圧縮段と第3圧縮段との間に送ることが可能となる。
部分流3.7を第2コンプレッサ25の第3圧縮段へ送ることが可能であるため、それに応じて、第2コンプレッサ25の第1圧縮段へ送るべき部分流3.3をその分減少できる。その結果、第2コンプレッサ25に必要な電力が削減される。これにより、本発明の装置のエネルギー必要量にプラスの効果がもたらされる。
部分流3.7の抽出は、図3に示すように、オフガスのエネルギーを膨張機31及び39によって少なくとも2段階で膨張して使用すれば可能となる。これにより、後述のオフガスからの冷熱回収(cold recovery)が最大限に高められる。
液体又は二相のCO流(3.3,3.6,3.7)はいずれも、CO再圧縮機又は第2コンプレッサ25に送出される前に、熱交換器17及び11で蒸発される。CO流は、圧力レベルに応じて第2コンプレッサ25の異なる圧縮段に供給される。
COの蒸発に異なる圧力レベルを使用することにはいくつかの利点がある。燃焼排ガス凝縮の管理が改善される。しかも、圧縮要件全般が最小限に抑えられ、高圧のCOが容易に入手可能となる。
オフガス23を第1熱交換器11から流出後にオフガス過熱器29で過熱するだけでなく、それを膨張タービン31で膨張後に第2熱交換器17に再度送出することにより、CO液化プラントのエネルギー必要量の更なる削減可能性が見出される。過熱後、オフガスの温度は約80℃〜約100℃であり、圧力は約26barである(17番フラグ参照)。第1膨張装置31での膨張により、圧力は2.3barまで低下し、オフガス23の温度は−54℃に達する。こうすることで、オフガス23は、燃焼排ガス3及び部分流3.2それぞれの冷却に再度寄与することができる。その後、オフガス23は低圧及びほぼ周囲温度の状態で周囲環境へ放出可能となる。
図3に示すように、オフガス23の多段膨張及び過熱を実行することも可能である。
また、図3に示す実施形態では、オフガス23は、第1熱交換器11から流出後、そのまま第1膨張タービン31へ送られ、そしてさらに第2熱交換器17へと送られる。オフガスは、第2熱交換器17から流出後、第1熱交換器11内を流れる。第1膨張タービン31に流入前のオフガスの温度は約30℃であり、圧力は約26barである(16番フラグ参照)。第1膨張装置31内での膨張により、圧力は8barまで低下して、オフガスの温度は−54℃となる。
第2膨張段は第2膨張タービン39を備える。第2膨張装置39に流入前のオフガス23の温度は約30℃である(22番フラグ参照)。第2膨張装置39内での膨張により、圧力は2barまで低下して、オフガスの温度は−47℃となる(23番フラグ参照)。
こうすることで、オフガス23は、燃焼排ガス3及び部分流3.2それぞれの冷却に再度寄与することができる。その後、オフガス23は低圧及びほぼ周囲温度の状態で周囲環境へ放出可能となる。
単段膨張、又は多段膨張も同様に、本発明の装置のエネルギー必要量をかなり縮減する。これは、オフガス23が燃焼排ガス3及び部分流3.2それぞれの冷却に大幅に寄与する一方、膨張装置31及び/又は39が、例えば第1コンプレッサ1又は第2コンプレッサ25の駆動に利用できる力学的仕事量を生み出すためである。全体として見れば、本発明の方法及び本発明の方法の実施に必要なCO液化装置は、かなり有益なところがあるにもかかわらず、その設計は比較的シンプルであるといえる。
さらに、この構成は、燃焼排ガスの凝縮管理を明らかに改善するものである。COポンプ37並びに弁15.6及び15.3の流量調節を行うことで、熱伝導のための駆動力である対数平均温度差(Logarithmic Mean Temperature Difference:LMTD)が変化する。このようにすることで、分離段の性能の調節が可能である。これは、COの昇華温度及び凝固点に近い凝縮温度で操作する場合に特に重要である。
前記効果を最大限に引き出すために、排気/オフガス23を、膨張後、大気中に放出する前に少なくとも一度、低温ボックスに再循環させることで、分離により生じたオフガスからの熱回収を高めることも可能である。
Figure 2013537614

Claims (14)

  1. 燃焼排ガスから液体COを製造する方法であって、前記燃焼排ガスが少なくとも1つの熱交換器(11,17)及び分離ドラム(19)を備える単段相分離で部分凝縮され、前記少なくとも1つの熱交換器(11,17)は、膨張されたオフガス(23)及び膨張された液体CO(3.3)によって冷却され、前記膨張された液体CO(3.3)は、前記少なくとも1つの熱交換器(11,17)を通過後、追加分離ドラム(33)内で液体CO及び気体COに分離され、前記追加分離ドラム(33)における前記気体CO(3.4)及び前記液体COの第1部分(3.5)が第1圧力レベルまで膨張され(7d’番フラグ)、前記追加分離ドラム(33)における前記液体COの第2部分(3.6)の圧力が、前記少なくとも1つの熱交換器(17)内の前記COを冷却するために第2圧力レベルまで膨張される(7e’番フラグ)、方法。
  2. 前記第1分離ドラム(33)における前記液体COの第4部分(3.7)の圧力が、前記少なくとも1つの熱交換器(17)内の前記COを冷却するために第4圧力レベルまで上昇されて(7g番フラグ)、膨張される(7h番フラグ)ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記追加分離ドラム(33)における前記液体COの第4部分(3.7)の圧力が約40bar〜50bar、好ましくは47barまで上昇される(7h番及び20番フラグ)ことを特徴とする、請求項2に記載の方法。
  4. 前記分離ドラム(19,33)で得た前記COの各部分流(3.3,3.6,3.7)は、前記少なくとも1つの熱交換器(11,17)内での冷却目的に使用されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記各CO流(3.3,3.6,3.7)は、それぞれ当該CO流(3.3,3.6,3.7)の圧力に応じて第2コンプレッサ(25)の異なる段に供給されることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記燃焼排ガス(3)は、前記少なくとも1つの熱交換器(11,17)に流入する前に、第1コンプレッサ(1)で圧縮され、第1冷却器(5)で冷却され及び/又はドライヤー(7)で乾燥されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記最終分離段(21)からの前記オフガス(23)は、前記少なくとも1つの熱交換器(11,17)に流入する前に、約27barまで膨張されて、温度が約−54℃となることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記少なくとも1つの熱交換器(11,17)を通過後の前記オフガス(23)が、前記少なくとも1つの膨張装置(31,39)で膨張され、次に、前記少なくとも1つの熱交換器(17,11)に再度供給されることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記オフガス(23)が、前記少なくとも熱交換器(11,17)を通過後、前記少なくとも1つの膨張装置(31,39)に流入する前に、過熱器(29)で過熱されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 燃焼排ガスから液体COを製造するためのプラントであって、前記燃焼排ガスが少なくとも1つの熱交換器(11,17)、分離ドラム(19,33)、複数の減圧弁(15)及び多段式の第2コンプレッサ(25)において部分凝縮される、プラント。
  11. 少なくとも1つのCOポンプ(37)を備えることを特徴とする、請求項10に記載のプラント。
  12. 少なくとも1つの膨張装置(31,39)を備えることを特徴とする、請求項10又は11に記載のプラント。
  13. 少なくとも1つのオフガス過熱器(29)を備えることを特徴とする、請求項10〜12のいずれか1項に記載のプラント。
  14. 第1コンプレッサ(1)、第1冷却器及びドライヤー(7)を備えることを特徴とする、請求項10〜13のいずれか1項に記載のプラント。
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