JP2023515919A - ガスストリームにおけるｃｏ２および窒素の捕捉のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

排ガスから窒素および二酸化炭素を抽出する窒素除去ユニットが提供される。当該窒素除去ユニットは、第1の圧力、および二酸化炭素の凝縮温度以下であって、窒素の凝集温度を超える第1の温度に、前記排ガスの第1の容積を維持する第1の容器と、第1の容器から、液体として二酸化炭素を除去する出口と、第1の容器から第2の容器に気体状窒素を輸送する手段、および窒素を冷却する手段であって、第2の容器は、第2の温度で窒素を収容し、第2の温度は、第2の容器において窒素の少なくとも一部が液体形態となる、窒素の凝縮温度以下である、手段と、第2の容器から第1の容器に、または第1の容器の周囲に液体窒素を誘導して、第1の容器内の材料を第1の温度まで冷却する手段と、を有する。また、排ガス中の二酸化炭素を回収するシステム、排ガスから窒素を抽出する方法、および排ガス中の二酸化炭素を回収する方法が提供される。

Description

本発明は、排ガスから、特に、任意の化石燃料を燃焼するモータまたはプラントからCO₂を除去するシステムに関する。本発明は、特に、発電所で生じる燃焼排ガスからCO₂を石灰化して除去することに使用できる。

特に、過去数十年にわたり、人間活動の結果として、大気中への二酸化炭素の侵入により生じる地球温暖化の問題が注目されている。人類による大気中二酸化炭素の主な原因の一つは、化石燃料を燃焼する発電所である。風力、太陽光、水力のような、代替的で、よりクリーンなエネルギー源が世界中で研究されており、現在広く実用化され始めている。しかし、破局的な温暖化を防ぐ場合、そのような手段を、他の解決策で補わなければならないことには、議論の余地がある。このため、発電所の排ガスとして生じる二酸化炭素を捕集する方法、および燃焼効率を高め、初期に発生する二酸化炭素を低減する手段について、実質的な研究が行われている。

発電所は、石炭、石油、天然ガス、バイオ燃料、コークスのような燃料の燃焼によって発電を行う。燃焼により生じた熱を利用して蒸気を発生させ、タービンが駆動され、電気が生じる。天然ガスを石炭の代わりの燃料として燃焼させることは、得られる排気ガス中の汚染物質のレベルを抑制することに役立つが、そのレベルは、依然として、明らかに懸念されるほど高い。

ポスト燃焼の解決策は、二酸化炭素を捕獲し、地質学的構造物または油がくみ出され空になった油井のいずれかにおいて、地下に貯蔵することと、二酸化炭素を用いて安定した生成物を生成し、その後再利用することとに分類できる。最初の解決策は、炭素回収貯蔵（CCS）として、2番目のものは、炭素回収利用（CCU）として知られている。どちらも価値があるが、空の油井などの地質構造物への二酸化炭素の貯蔵は、漏洩のリスクを伴い、当然、防止すべき大気中への二酸化炭素の放出が生じ得る。一方、CCUは、捕集プロセスの副産物に商業的価値があり、プラントにおける炭素回収プロセスを含む一部のコストの回収を支援する。

各種化学反応により、二酸化炭素は、代替物質に変換され得る。一つの既知の方法は、アルカリブライン（塩水）を使用し、二酸化炭素をバブリングし、二酸化炭素を石灰化して、炭酸塩を形成することである。ブライン中にカルシウムイオンが存在する場合、炭酸カルシウムは、反応器内で生じる反応の生成物となる。従って、二酸化炭素は、大気中に放出される代わりに、不活性な形態に変換される。

この方法では、二酸化炭素を効果的に固定するため、まず排気ガスの他の各種成分を分離する必要がある。以下の表には、典型的な場合の排ガスの組成を示す。排ガスを形成する物質には、粉塵ダスト、灰、二酸化硫黄、メタン、および窒素などが含まれる。

排ガスのダストおよび灰のような成分を除去するため、しばしば、フィルタが使用される。ガス状元素は、極低温蒸留（冷却によるガス中の一部の物質の液化）によって分離することができる。（二酸化硫黄のような）硫黄酸化物は、「湿式洗浄法（scrubbing）」または湿式排ガス脱硫法と呼ばれるプロセスにより、排ガスから除去できる。ここで、溶液またはサスペンション内の吸着剤を含むスラリーは、チャンバ内の排ガスに噴霧され、スラリーの元素は、硫黄と反応する。スラリーを形成する成分は、発電所に供給され、輸送される必要があり、これは、当然のことながら、ランニングコストを増加させる。また、脱硫用の乾燥プロセスも使用できるが、これらは効率が悪い傾向にある。

以下の説明では、アルカリブラインを通して二酸化炭素をバブリングし、不活性物質に変換することにより、二酸化炭素を石灰化することに焦点を当てる。ここで、炭酸塩を生成するため、二酸化炭素を水素化した後に、金属カチオンとの反応が生じる。カルシウムカチオンが存在する場合、カルシウム系の炭酸塩が形成され、また、マグネシウムまたは鉄のカチオンが存在する場合、マグネシウムまたは鉄系の炭酸塩が形成されるなどである。使用カチオンは、反応の最終生成物がどのようなものであるかに依存する。カルシウムイオンとの反応の生成物である炭酸カルシウムスラリーは、乾燥され、炭酸カルシウムが形成され得る。炭酸カルシウムは、広く使用されており、溶液中のカルシウムカチオンは、通常、良好な選択肢であるが、任意の金属カチオンまたは金属カチオンの組み合わせが使用されてもよい。

二酸化炭素排出量の削減は、発電所を運営する企業にとって、非常に有益である上、環境に対する影響の点でも好ましい。排出に対して企業により支払われる課税の水準が高いためである。二酸化炭素の変換にこの種のex-situ石灰化を使用する際の問題は、水素化の反応速度が遅く、ランニングコストが実用的でないレベルまで増大することである。従って、プラントの対費用効果を上げるには、これらの要因の間でバランスさせる必要がある。米国特許第9,789,439号（以下「Siller」という）には、固体金属材料（および特にニッケルナノ粒子）を使用して、溶液中で金属カチオンと反応する前の二酸化炭素の水和速度を増加させることが記載されている。この技術を炭素固定化プロセスに適用することにより、実施コストを大幅に削減することができる。

炭素回収は、発電所における二酸化炭素の生成をかなり効果的に抑制することができ、固体金属触媒の使用により、そのような技術を適用するコストが低減できる。しかしながら、これらの方法は、異なる成分をポンプ化し、または加熱および冷却するために要求される追加の設備が必要となるため、依然として高価である。そのようなプロセスの効率の改善が望まれている。

本発明の第1の態様では、材料から窒素および二酸化炭素を抽出する窒素除去ユニットであって、
第1のチャンバを有する第1のハウジングであって、前記第1のチャンバは、第1の圧力および第1の温度で、前記材料の第1の体積を保持し、前記第1の温度は、前記第1の圧力における二酸化炭素の凝縮温度以下であり、窒素の凝縮温度よりも高い、第1のハウジングと、
前記第1のハウジングの前記第1のチャンバから、液体として二酸化炭素を除去する出口、および前記第1のハウジングの第2のチャンバに通される気体状窒素の通路と、
前記第1のハウジングから、第2のハウジングに窒素を輸送する手段であって、前記第2のハウジングは、第2の温度に窒素を保持し、前記第2の温度は、窒素の凝縮温度以下である、手段と、
前記第2のハウジングから、前記第1のハウジングを介して、および／または前記第1のハウジングの周囲に液体窒素を誘導して、前記第1のハウジング内の前記材料を前記第1の温度まで冷却する導管と、
を有する、窒素除去ユニットが提供される。窒素を輸送する手段は、経路の一部において、アクティブであっても、パッシブであってもよく、あるいは、一部ではアクティブであり、別の部分ではパッシブであってもよい。材料は、発電所からの排ガスのようなガスであってもよい。第1のハウジング内の材料を冷却するこの方法は、プロセスで生じる窒素ガスが再利用される上、液体窒素の流速を調整することにより、第1のハウジング内の温度を注意深く制御できる点で、特に有意である。

第1の温度まで冷却される第1のハウジング内の材料は、気体であっても、ガス状物質であってもよい。また、メタンおよび酸素も、第1のハウジングから液体として除去されてもよい。窒素は、液体として第1のハウジングから第2のハウジングへ輸送されてもよい。従って、システムは、排ガス中に存在する窒素を再利用し、これは、一旦冷却されると、液体形態に変換され、クーラントとして、排ガス中のCO₂および他の成分を蒸留して液体形態に変換する。これにより、システム全体の効率が大幅に改善される。気体状窒素の第2の温度への冷却は、ターボエキスパンダを介して実施され、ガスが膨張して圧力が低下し、その結果温度が低下してもよい。

ある実施形態では、前記気体状窒素は、前記第1のハウジングから前記第2のハウジングを通る際に膨張し、前記第2のハウジング内の材料は、前記第1の圧力よりも低い第2の圧力になる。また気体状窒素の膨張は、気体状窒素を冷却する手段であってもよく、気体状窒素を冷却する単一の手段、または多くの手段の一つであってもよい。気体状窒素を冷却する手段は、ターボエキスパンダであってもよい。

ある実施形態では、第1のハウジングから第2のハウジングに気体状窒素が通過する際の気体状窒素の膨張からのエネルギーは、第1のハウジングに入るガスの圧縮に使用される。これは、通常、ターボエキスパンダ、特に極低温ターボエキスパンダを用いて達成される。より高いエネルギー効率、および潜在的に小型のシステムが提供される。

ある実施形態では、
前記第1のハウジングから前記第2のハウジングを通る際の前記気体状窒素の膨張からのエネルギーを用いて、前記第1のハウジングに入る材料のガスが圧縮される。

ある実施形態では、気体状窒素は、第1のハウジングから第2のハウジングを通る際に、膨張タービンを通り、前記膨張タービンは、圧縮機を駆動するように構成され、前記排ガスの前記第1の体積が前記第1の圧力に圧縮される。

ある実施形態では、液体窒素は、蛇行経路を形成するパイプに沿って、前記第2のハウジングから前記第1のハウジングを通り、その後、前記第2のハウジングに戻される。このパイプ形状により、熱交換器の表面積が上昇する。

ある実施形態では、窒素除去ユニットは、システムに入るガスを加熱および乾燥するための凝縮熱交換器を備える。

ある実施形態では、窒素除去ユニットは、システムに入るガスを加熱し乾燥する凝縮熱交換器を備える。

ある実施形態では、窒素除去ユニットは、排ガスの成分を液化する管状熱交換器と、次の蒸留カラムに液体が入ることを抑止するメッシュパッドの組み合わせを含む。

ある実施形態では、第1のハウジング内の材料は、50barから200barの間、好ましくは100barから200barの間、よち好ましくは約150barの圧力に維持され、第2のハウジング内の材料は、5barから100barの間、好ましくは25barから75barの間、最も好ましくは約50barの圧力で維持される。

ある実施形態では、第2のハウジング内の材料は、約－196℃の温度に冷却され、第2の温度は、－196℃となる。

ある実施形態では、第1のハウジングは、少なくとも2つの冷却チャンバを有し、第1のハウジング内の材料は、第1のチャンバ内で第1の温度に冷却され、第2のチャンバにおいて、より低い温度に冷却される。

ある実施形態では、第1のハウジングは、4つの冷却チャンバを有し、第1のハウジング内の材料は、第1のチャンバにおいて第1の温度まで冷却され、第2のチャンバにおいて第1の温度と第2の温度との間の第3の温度に冷却され、第3のチャンバにおいて第3の温度と第2の温度の間の第4の温度に冷却され、第4のチャンバにおいて第4の温度と第2の温度の間の第5の温度に冷却される。

ある実施形態では、第1の温度は10℃であり、第3の温度は－85℃であり、第4の温度は－125℃であり、第5の温度は－150℃であり、CO₂は、第1のハウジングの第1のチャンバから液体形態として除去され、メタンは、第2のチャンバから液体形態として除去され、酸素は、第3のチャンバから液体形態として除去され、窒素は、第4のチャンバから第2のハウジングに液体として輸送される。（第2のハウジングの）第2の温度は、－170℃から－220℃の間であり、好ましくは－190℃から－200℃の間であり、最も好ましくは、約－196℃であってもよい。

従って、二酸化炭素は第1のチャンバで蒸留され、メタンは第2のチャンバで蒸留され、酸素は第3のチャンバで蒸留され、窒素は第4のチャンバで蒸留することができる。材料が冷却される温度は、20℃から－40℃の間であり、好ましくは、第1チャンバでは15℃から5℃の間であり、第2チャンバでは－82.6℃から－90℃の間であり、第3チャンバでは－118.6℃から－130℃の間であり、第4チャンバでは－147℃から－160℃の間である。

ある実施形態では、各冷却チャンバに別個の冷却システムが提供され、本システムは、前記第2のハウジングからの液体窒素の出口と、前記チャンバ内および／またはその周囲に流れる液体窒素の1または2以上の導管とを有する。これらの別個の冷却システムは、別々に制御することができ、各冷却チャンバ内の温度が最適なレベルに維持されることが確実化される。これらの冷却システムまたは機構の各々は、依然、排ガス自体に由来する液体窒素を使用しており、かなり効率的である。

ある実施形態では、各冷却システムは、液体窒素を、1または2以上の導管から第2のハウジングに戻るように流す入口と、チャンバ内の材料の温度を測定する温度計と、出口から、1または2以上の導管を通って入口に戻る流体を移動するポンプと、を有し、前記ポンプの動作は、測定温度に基づいて制御され、チャンバ内の材料の温度が所定の温度範囲内に維持される。ポンプとフィードバック機構と組み合わせた温度センサの使用は、異なるチャンバ内の温度の別個の制御を提供する、簡単で効果的な方法である。

本発明の第2の態様では、排ガス中の二酸化炭素を回収するシステムであって、
排ガスから二酸化硫黄を除去する脱硫ユニットと、
前記第1の態様の窒素除去ユニットと
アルカリブラインおよび触媒を含み、前記窒素除去ユニットからの二酸化炭素を受容する入口を有し、二酸化炭素を反応させて炭酸塩スラリーを形成する反応器ユニットと、
を有する、システムが提供される。

ある実施形態では、脱硫ユニットは、反応器ユニット内で生成された炭酸塩スラリーの少なくとも一部を受容し、排ガスの湿式洗浄に使用して二酸化硫黄を除去するように構成される。

ある実施形態では、システムは、ブライン供給タンクを有し、これは、反応器ユニットに輸送される前に、アルカリブラインの成分を受容し、触媒と混合するように構成される。

ある実施形態では、システムは、窒素除去ユニットに入る前に、排ガスから廃水を除去するように構成された凝縮熱交換器を有し、前記システムは、廃水をブライン供給タンクに輸送する手段を有する。

ある実施形態では、システムは、反応器ユニットで形成された炭酸カルシウムスラリーの少なくとも一部から水を抽出する手段を有し、抽出された水は、混合のためブライン供給タンクに搬送される。

ある実施形態では、システムは、脱硫装置に入る前に、排ガスから灰およびNO_xを除去する1または2以上のフィルタを有する。

本発明の第3の態様では、窒素および二酸化炭素を含むガスから窒素を抽出する方法であって、
圧縮機を用いて、前記ガスの体積を第1の圧力に圧縮し、前記ガスの体積を第1のハウジングの第1のチャンバに搬送するステップと、
前記ガスを、二酸化炭素の凝縮温度以下であって、窒素の凝縮温度を超える第1の温度に冷却するステップと、
前記第1のハウジングの前記第1のチャンバから、液体として前記二酸化炭素を除去するステップと、
前記窒素を、前記第1のチャンバからのガスとして、前記第1のハウジングの第2のチャンバに通す、ステップと、
前記窒素を前記第1のハウジングから第2のハウジングに通すステップであって、前記窒素は、第2の圧力、および該第2の圧力において窒素の凝縮温度未満の第2の温度である、ステップと、
前記第2のハウジングから液体窒素を除去し、前記第2のハウジングからの前記液体窒素の少なくとも一部を前記第1のハウジング内または前記第1のハウジングの周囲に通し、前記第1のハウジング内の前記材料を冷却するステップと、
を有する、方法が提供される。第1の体積は、第1のハウジング内に包囲され、第2の体積は、第2の別個のハウジング内に包囲されてもよい。

ある実施形態では、液体窒素は、膨張タービンを介して、第1のハウジングから第2のハウジングを通り、第1の圧力よりも低い第2の圧力に達し、前記膨張タービンは、圧縮機を部分的に駆動するために使用される。これは、本発明の別の新たな特徴である。

本発明の第4の態様では、排ガス中の二酸化炭素を回収する方法であって、
脱硫ユニットにおいて、排ガスから二酸化硫黄を除去するステップと、
前記第3の態様の方法を用いて、前記排ガスから窒素と二酸化炭素を分離するステップと、
抽出された二酸化炭素を、アルカリブラインを含む反応器ユニットに搬送するステップと、
前記反応器ユニットにおいて二酸化炭素を炭酸塩に変換するステップと、
を有する、方法が提供される。

本発明の第5の態様では、排ガス中の二酸化炭素を回収する方法であって、
脱硫ユニットにおける湿式スクラブにより、前記排ガスから二酸化硫黄を除去するステップと、
窒素除去ユニット内の排ガスから窒素を除去し、排ガスから二酸化炭素を分離し、アルカリブラインおよび固体金属触媒を含む反応器ユニットに入力するステップと、
反応器ユニットにおいて二酸化炭素を石灰化し、炭酸塩スラリーを形成するステップであって、前記二酸化炭素の初期の水素化は、前記固体金属触媒により触媒活性化される、ステップと、
炭酸塩スラリーの少なくとも一部を脱硫ユニットに搬送し、前記排ガスの湿式洗浄を用いて、二酸化硫黄を除去する、ステップと、
を有する、方法が提供される。

ある実施形態では、固体金属触媒は、ニッケルナノ粒子を含む。ある実施形態では、カルシウムがアルカリブラインに添加され、生成される炭酸塩スラリーは、炭酸カルシウムスラリーである。

第1の例では、ガスから窒素および二酸化炭素を抽出する窒素除去ユニットであって、
第1の圧力、および二酸化炭素の凝縮温度以下であって、窒素の凝縮温度を超える第1の温度にガスの第1の体積を維持する第1のハウジングと、
前記第1のハウジングから、液体として二酸化炭素を除去する出口と、
第1のハウジングから第2のハウジングに気体状窒素を搬送する手段、および窒素を冷却する手段であって、前記第2のハウジングは、窒素の凝縮温度以下の第2の温度に窒素を維持する、手段と、
前記第2のハウジングから、前記第1のハウジングに、または第1のハウジングの周囲に液体窒素を誘導して、前記第1のハウジング内の材料を冷却する手段と、
を有する、窒素除去ユニットが提供される。

一例では、気体状窒素は、第1のハウジングから第2のハウジングを通る際に膨張し、
前記第2のハウジング内の材料は、第1の圧力よりも高い第2の圧力になる。一例では、第1のハウジングから第2のハウジングを通る際の気体状窒素の膨張からのエネルギーは、第1のハウジングに入るガスの第1の体積を圧縮するために使用される。

一例では、気体状窒素は、第1のハウジングから第2のハウジングを通る際に、膨張タービンを通過し、前記膨張タービンは、ガスの第1の体積を第1の圧力に圧縮する圧縮機を駆動するように構成される。

一例では、液体窒素は、第2のハウジングから、蛇行経路を形成するパイプに沿って、第1のハウジングを介して第2のハウジングに流れ、その後第2のハウジングに戻る。

一例では、システムは、該システムに入るガスを加熱し、乾燥させる圧縮熱交換器を有する。一例では、第1のハウジング内の材料は、約15barの圧力に維持され、第2のハウジング内の材料は、約5barの圧力に維持される。

一例では、第2のハウジング内の材料は、約－196℃の温度に冷却される。一例では、第1のハウジング内の材料は、約－185℃の温度に冷却される。

第2の例では、窒素および二酸化炭素を含むガスから窒素を抽出する方法であって、
圧縮器を用いて、ガスの体積を第1の圧力に圧縮し、二酸化炭素の凝縮温度以下であって、窒素の凝縮温度よりも高い第1の温度に冷却し、前記ガスの体積を第1のハウジングに搬送するステップと、
前記第1のハウジングから、液体として二酸化炭素を除去するステップと、
窒素を前記第1のハウジングから第2のハウジングに通し、窒素の凝縮温度以下の第2の温度まで冷却するステップと、
前記第2のハウジングから液体窒素を除去し、前記第2のハウジングからの液体窒素の少なくとも一部を前記第1のハウジングに通し、または前記第1のハウジングの周囲に通し、前記第1のハウジング内の材料を冷却するステップと、
を有する、方法が提供される。

一例では、窒素は、膨張タービンを介して第1のハウジングから第2のハウジングを通り、第1の圧力よりも高い第2の圧力に達し、前記膨張タービンは、圧縮機の駆動に使用される。

第3の例では、排ガス中の二酸化炭素を捕集する方法であって、
脱硫ユニットにおいて排ガスから二酸化硫黄を除去するステップと、
前記第2の例の方法を用いて、排ガスから窒素および二酸化炭素を分離するステップと、
抽出された二酸化炭素をアルカリブラインを含む反応器ユニットに搬送するステップと、
前記反応器ユニットにおいて二酸化炭素を炭酸塩に変換するステップと、
を有する、方法が提供される。

以下、添付図面を参照して、一例としての本発明の実施形態について説明する。

二酸化炭素除去システムの模式図である。 反応器タンクおよびブライン供給タンクを有する除去システムの斜視図である。 反応器（左）、および混合器を有するブライン供給タンク（右）の断面図である。 システムにおける生成物の再利用を示すフローチャートである。 窒素除去ユニットのいくつかの部材を示した図である。 窒素除去ユニットにおける部材をより詳しく示した図である。 炭素回収プロセスのマスバランスを示すフローチャートである。 炭素回収プロセスのエネルギーバランスを示すフローチャートである。

図1には、排ガスから二酸化炭素を除去するシステムを示す。これは、相互に結合された各種ユニットまたはサブシステムを有し、より大きな機器が形成される。ユニットとは、脱硫ユニット3（図に示されるようなスプレー塔であってもよい）、反応器ユニット1（連続管状反応器であってもよい）、窒素除去ユニット5、およびブライン供給タンク2の各々を含む、全体のより小さな部分を表す。排ガスは、フライアッシュのような微粒子を除去するように機能する1つ以上のフィルタ7を介して、脱硫ユニット3に入る。これらのフィルタは、電気集じんフィルタであってもよい。また、図において（またはあまり好ましくないが塔内）番号8で表された別のサブシステムにおいて、スプレー塔に入る前に、ガスは、以下の反応においてアンモニアを用いてガスからNOxを除去する、選択的触媒還元反応に供されてもよい：

4NOx（g）＋4NH₃（l）＋O₂（g） → 4N₂（g）＋6H₂O（l）

上記反応が進行する前、後、または同時に（およびサブシステム8内でも）、別の選択的触媒還元反応において、N₂Oの除去が実施され、今度は、以下の反応においてメタンが使用される：

2N₂O（g）＋CH₄（g） → 2N₂（g）＋CO₂（g）＋2H₂（g）

メタンは、排ガスガス中に既に存在していてもよく、あるいは窒素除去ユニット5の高圧カラムの出力から再誘導されてもよく（下記参照）、外部から供給されてもよい。

スプレー塔3内では、炭酸カルシウムスラリーを用いた湿式洗浄処理により、ガスから二酸化硫黄が除去される。液滴の形態の炭酸カルシウムスラリーの成分は、SO₂と反応し、以下の反応において、CaSO₄2H₂O（石膏スラリー）が生成される：

SO₂（g）＋CaCO₃ 0,5H₂O（l） → CaSO₃ 0,5H₂O（l）＋CO₂（g）
CaSO₃ 0,5H₂O（l）＋0,5O₂（g）＋1,5H₂O（l） → CaSO₄2H₂O

脱硫ユニット3からの出力として生成された石膏スラリーは、乾燥され、商業グレードの石膏が製造され、その後これは、工場から輸送され、販売および／または使用される。以下により詳しく示すように、乾燥工程で抽出された水は、ろ過され、システム内で再利用される。

SO₂が除去された排ガスは、凝縮熱交換器を通り、水蒸気が除去される。その後、150barに加圧され、高圧カラム9および低圧カラム11を有する2カラム窒素除去ユニット5に供給される。ここで、窒素は、ガスを冷却して、二酸化炭素、メタン、酸素、および通常は窒素も、液化されことにより、ガスの残りの部分から分離される。加圧された液体窒素は、ターボエキスパンダに供給され、窒素は、150barから50barに減圧される。チャンバ37が冷却される温度が－147℃未満である場合、または第1のハウジングの圧力が150bar未満の場合、窒素は、気体状窒素として第1のハウジングから出て、膨張、冷却することにより、液化される。ただし、第1のハウジングにおいて、窒素を冷却し液体にし、これを液体として膨張タービンに通過させることがより効率的である。高圧液体窒素（または場合には、気体状窒素）は、非燃焼プロセスにおいてタービンを推進させ、これにより、高圧カラムに供給される前に、燃焼排ガスを1barから150barまで加圧するために使用される圧縮機が駆動される。前述の特徴により、窒素除去ユニットは、特にエネルギー効率よく作動される。

本発明の別の新たな特徴は、システム内の液体窒素の全てが低圧ハウジングから誘導され、再び低圧ハウジングに誘導される前に、冷却剤として高圧ハウジングを周りまたは通るという意味において、液体窒素を用いる冷却システムが閉ループとなり得ることである。しかしながら、システムに流入する排ガスから、より多くの窒素が連続的に導入されるため、システム内には、通常、過剰な窒素または液体窒素の排出口が存在する。この過剰分は、より大きなステージで、システムにおいて貯蔵され使用され、あるいは他の用途のために貯蔵され、あるいは単にシステムから排出されてもよい。

窒素除去ユニット5の詳細を以下に示す。窒素除去ユニットは、二酸化炭素、メタン、および酸素が液体になるまで、ガスを冷却することにより作動するため、排ガス中のこれらの他の成分は、窒素から分離され、ユニットから液体として除去できる。液体メタンは、バイオ燃料添加剤として有益であり、例えば、添加剤は、この目的のために貯蔵され輸送され得る。通常、窒素除去ユニットの高圧カラムで生じる相変化は、次のようになる：

N₂＋O₂（g）＋CO₂（g）＋CH₄（g）→N₂（l）＋O₂（l）＋CO₂（l）＋CH₄（l）

以下の表には、排ガスの一部の成分の凝縮温度を示す。大気圧および150barでの凝縮温度が示されている。CO₂は、大気圧では液体形態にはならない。

高圧カラム9における多段冷却器の冷却剤として液体窒素を使用することにより、メタン、酸素、二酸化炭素、および通常は窒素も、液化される。二酸化炭素は、最低73.8barまで加圧された際に31℃で液化し、図6に示すように、第1段の冷却器または第1のチャンバ31における出口を通して高圧カラムから吸い上げられる。

液化二酸化炭素が－56.6℃以下に冷却されて固体（氷）になる前に、液化二酸化炭素を吸い取ることが重要である。メタンおよび酸素は、それぞれ、－82.6℃および－118.6℃において、最小50.4barで液化し、第2の冷却段階および通常は第3の冷却段階において、図1に示すように、別の出口、または2つの別の分離出口を介して、高圧コラムから順次吸い上げられる。窒素は、－147℃まで冷却され、第3または第4の冷却段階において、液体として除去され、第2のハウジングに誘導される。

各段の冷却チャンバは、第4段の冷却器内のチャンバ31、33、35、および37として、図6に示されており、以下においてより詳しく説明される。

いったん窒素除去ユニットから放出されると、液化二酸化炭素は、10℃から80℃まで加熱されて気体に変化し、圧力が20barに上昇した後、膨張弁を通過し、反応ユニットに至り、温度および圧力が1barで20℃に到達する。反応ユニットでは、これが同じ温度および圧力（20℃および1bar）を有する人工ブラインと混合される。

反応器ユニットは、図に示すように、連続管状反応器であってもよい。ただし、二酸化炭素を炭酸塩に変換する反応が生じるハウジングの形状は、任意の特定の形状であってもよい。ハウジングは、所望の温度および圧力で反応体を収容できる必要があり、反応体の入口と、生成物の出口とを備える必要がある。アルカリブラインおよび水素化反応に必要な触媒は、10℃から30℃、より好ましくは15℃から25℃、より好ましくは約20℃の、0.5から2barの圧力、好ましくは1barの圧力に保持された供給タンク2から供給される。また管状反応器1は、前述の供給タンク2と同じ温度および圧力の範囲内に維持され、好ましくは供給タンク2と同じ温度および圧力に維持される。

管状反応器内では、カルシウムが使用された場合、以下の反応が生じる：

CO₂（g）＋CaCl₂×2H₂O（l）＋2NaOH（l） → CaCO₃（s）＋3H₂O（l）＋2NaCl（l）

アルカリブラインは、脱塩により得られても、人工的に製造されてもよい。示された例では、触媒（ニッケルナノ粒子を含んでもよい）、塩化ナトリウム、およびカルシウムが水に添加され（その一部は、脱硫ユニットまたは反応ユニットの1つ以上に形成された乾燥スラリー中で生成されてもよい）、ブライン供給タンクに輸送される。所望のコンシステンシーを達成するため、排水に、一部の追加の新鮮な水が必要となる場合がある。ある態様では、NaClの濃度は、水の0.005mol／Lから0.05mol／Lの間、好ましくは0.02mol／Lの範囲であってもよい。管状反応器内のCO₂に対するブライン（触媒およびカチオンを含む）の比率は、3：1から5：1の間、好ましくは約4：1に維持される必要がある。これは、排ガスまたは入口で反応器ユニットに入る材料の流速をモニタリングし、ブライン供給タンクから反応器ユニットへの材料の流速を調節することにより、実施され得る。これは、例えば、システムに入る排ガスの流速、または反応器の入口に到達する前の反応器タンクまでの機器内の任意の点での材料の流速、を測定するセンサに応答して、ブライン供給タンクから管状反応器に移動するポンプ流体の動作を調節することによって達成することができる。

この方法には、廃棄生成物を他の手段に再利用すること、および効率を改善しプロセスの実施コストを削減することを含む。供給タンク2内の要素の混合は、例えば、機械的混合手段によって支援されてもよい。これは、図3において、符号13で示されている。

カルシウムイオンが存在する場合、反応器ユニット内で生じる反応生成物の一つは、炭酸カルシウムスラリーである。このスラリーの一部（例えば、80%から95%の間）は、好ましくは示された遠心式乾燥機15を用いて、15℃から25℃の間、好ましくは20℃で、0.5barおよび2bar、好ましくは1barの圧力で、乾燥されてもよい。スラリーから除去された水は、可能な場合、1つ以上のフィルタを介して、再誘導され、これにより、水が追加の微粒子を含有しないことが確実化され、供給タンクに戻され、その中に維持されているブラインに添加される。

乾燥工程で得られる炭酸カルシウムは、有用な市販生成物となり、システムを実施するために使用された資金の一部を回収するため、保管され、または販売され得る。炭酸カルシウムスラリーの一部は、それが形成された反応器からスプレー塔に搬送され、脱硫プロセスにおいて使用される。ある実施形態では、反応器ユニットで製造された炭酸カルシウムスラリーの3%から20%の間、好ましくは5%から10%の間は、スプレータンクに輸送され、脱硫プロセスで再利用される（残りは乾燥され、市販グレードの炭酸カルシウムの販売または使用のために輸送される）。

従って、脱硫プロセスに必要な炭酸カルシウムスラリーの全ては、反応器ユニットからの出力から供給される。このように、炭酸カルシウムは、プラントに供給され、購買され、輸送される必要がなく、プロセス効率がさらに高められる。固体金属触媒の使用と、脱硫における触媒反応の結果として形成された炭酸スラリーの再利用との間には、相乗効果がある。二酸化炭素から、充分な量の炭酸カルシウムスラリーを脱硫プロセスに供給するために必要な炭酸カルシウムへの変換率は、固体金属触媒を使用することにより得ることができ、従って、両方の技術を使用することにより達成されるプロセス全体の効率の上昇は、各技術を単独で使用することにより達成される、個々の効率の上昇の合計よりも大きい。

図2には、炭素回収機器の斜視図を示す。図は、簡略化されており、チェックアンドゲートバルブ、パイプサポート、およびプロセスセンサのような各種部材は、除去されているが、一実施形態では、これら全てが存在する。機器は、4つのブライン供給タンクによって供給される4つの管状反応器タンクを有する。従って、反応器ユニットは、脱硫ユニットが2つ以上のスプレー塔を備えるように、2つ以上の反応器タンクを有してもよい。多数のブライン供給タンクが存在して、ブライン供給ユニットが形成されてもよい。図に示した例では、2つのスクリューセパレータ15と共に、2つの真空ベルト乾燥器17が設けられ、スクリューセパレータは、反応器タンクからの炭酸カルシウムスラリーを受容し、そこから水を除去する。別の単純化された構成では、遠心分離機のみが使用され、炭酸カルシウムから水が分離される。これらの遠心分離機は、重力および／または遠心力を用いて、炭酸カルシウムスラリー中の炭酸カルシウムから液体を分離する。例えば、遠心分離機に通じる入口、または真空乾燥機／スクリューセパレータに通じる入口に、電磁石が導入され、金属触媒粒子が回収され、変換工程で再利用されてもよい。そのような電磁石（あるいは、反応器ユニットから排出される廃棄材料から触媒を分離する他の手段）は、任意のシステムで使用できる。磁気的手段を用いる場合、これらは、固体金属または他の磁性触媒が使用される任意のシステムに使用され得る。触媒粒子は、固体金属から形成されるため、これらは磁石に引き寄せられ捕集され、ブライン供給タンクに戻され、または反応器ユニットに戻される。

タンク、セパレータ、および／または乾燥機の数は、固定されない。図では、1つのブライン供給タンクが1つの反応タンクに接続され、ブラインが供給されるが、これは、必ずしも必要ではなく、必要な場合、1つの供給タンクが2つ以上の反応タンクにブラインを供給してもよい。各タイプの必要なタンク数の決定は、主にシステムの必要な容量とコストのバランスに基づく。パイプは、アルカリブラインと混合された排ガスを石灰化のため反応器ユニットに搬送する。この場合、セパレータへの追加の入口は、ベース部にあり、図からは視認できない。反応器ユニットからのスラリー出力の一部は、乾燥機、スクリューセパレータ、または遠心分離機を通過し、抽出された水は、パイプを介してブライン供給タンクに戻される。スクリューセパレータまたは遠心分離機は、各々、抽出水がブライン供給タンクに戻されるための十分な圧力を提供する。生成物として、市販グレードの炭酸カルシウムが出力される。

図3には、管状反応器（左）とブライン供給タンク（右）の断面図を示す。示された例では、タンクは、各々円筒状であるが、必要な場合、これは、反応物および生成物を十分に収容できる必要はない。管状反応タンクは、水蒸気出口を有し、任意の望ましくない圧力上昇の抑制が支援される。また管状反応タンクは、圧力安全弁を有し、これは、任意の入口（二酸化炭素またはブライン）からの圧力が過剰である場合、反応器タンク内の圧力を一定の圧力で放出する。水蒸気は、システムへの再導入が生じないように、煙突に戻され、あるいは反応器タンクの上部から直接放出され得る。ブライン供給タンクは、炭素を石灰化した後、CaCO₃スラリーから抽出された廃水、ならびにブラインおよび触媒成分用の1つ以上の入口と、排水の出口とを有し、ブラインおよび触媒が管状反応器ユニットに運搬される。供給タンクの各々は、電気ミキサー13を有し、これモータにより給電され、いくつかのスピンアームの組を有し、反応器ユニットに輸送する前の成分の混合が支援される。

ポンプは、システムに組み込むことができ、これらは、ユニット間で材料を移動させるように機能する。例えば、大容量のポンプを使用して、ブライン供給タンクから反応器ユニットにブラインを搬送することができる。

ブライン供給タンク、管状反応器、およびスプレータンク（存在する場合）用のハウジング、ならびにタンクまたはユニット間の材料を搬送する管は、完全にまたは一部がステンレス鋼で構成されることが好ましい。典型的な反応器タンクは、15フィート高さの上方にあり（高さ約20フィート）発電所の近傍でオンサイトでの機器の建設が必要となり得る。また、発電所からの排ガスおよび発電所からの廃棄物を輸送する供給および戻りパイプラインは、ステンレス鋼から形成されてもよい。必要な場合、ステンレス鋼で形成され得る追加の構造またはフレームを用いて、反応器タンク、ブライン供給タンク、スプレータンクを保護してもよい。

図1に示すプロセスは、前述のように、炭素回収プロセスにさらなる効率をもたらし、2つの方法でコストが削減される。まず、固体金属触媒を使用し、管状反応器内の二酸化炭素の水素化速度を高めることは、全体のプロセスをより迅速にすることを意味する。これは、当然のことながら、ポンプ、コンデンサ、ヒータ等がそのような長期間にわたって運転される必要がないことを意味する。これにより、ランニングコストが大幅に節約される。

第2に、プロセスは、システム全体内の他のサブプロセスへの入力として、サブプロセスの廃棄物または出力生成物の再利用を含む。図4は、フローチャートである。プロセスの一部が省略されているが、特に、別の入力として、あるサブプロセスまたはユニットの出力が再利用されるアイデアが示されている。

システムには、3つの主要な部分があり、これらは、これまで廃棄生成物と考えられていたものをリサイクルする可能性を利用する。これらの物質は、単に廃棄されたり、他の無関係な用途に使用されたりする代わりに、システム自体の内部で再利用される。ユニットまたはサブシステム（一例として、反応器ユニット、ブライン供給タンク、窒素除去ユニット、脱硫ユニット）の各々に使用される反応物質の組み合わせの選択により、生成物のこのリサイクルが容易になる。これらのユニットの一部に対する出力は、システムの他の部分への入力となるためである。これらのリサイクルプロセスの1つ、2つ、または全てを、任意の特定のシステム内で使用することができる。

供給タンクに送られ、二酸化炭素の水素化および石灰化を支援するブラインを形成するために使用される水は、脱硫ユニットおよび反応器ユニットの1または2以上の出力から供給される。必要な場合、一部の水は、外部から供給されてもよく、供給タンクに入力される少なくとも一部、想定される場合大部分、または全ての水は、脱硫ユニットからの出力の乾燥処理中に抽出され、石膏が形成され、および／または反応器からの出力であるスラリーの乾燥中に抽出され、炭酸カルシウムが形成される。抽出された排水は、図に示すように、供給タンクに戻す前に、ろ過されてもよい。乾燥炭酸カルシウムが市販品質の点で要求される条件を満たすようにするため、大容量の真空プレート乾燥機、または遠心分離乾燥機が要求され、反応器タンクから出力されるスラリーから水が適切に抽出されてもよい。

反応器内で生じる反応の生成物である炭酸カルシウムスラリーの一部は、廃棄されずにスプレー塔に戻され、湿式洗浄プロセスに使用され、システムに入る排ガスからSO₂が除去される。

また、水および炭酸カルシウムのスラリーの外部の供給源が、供給タンクおよび脱硫ユニットに対する入力に含まれてもよい。ただし、これらは、必ずしも必要とされない（通常必要とされない）。また、廃棄生成物が要求される速度で生成されない場合、例えば、システムの起動の間、脱硫工程で再利用される管状反応器区画からの出力のように、システムのスイッチオンと、早いプロセスにおいて再利用され、後工程のサブプロセスから生じる廃棄物の生成開始との間に遅れがある場合、これらの追加の入力手段を使用することができる。

次に、窒素除去ユニット5について、より詳細に説明する。機器は、極低温蒸留を使用し、ガスの各種成分を分離する。これは、反応チャンバに対する入力のCO₂を抽出する必要があるため、特に、炭素回収用の全体的なシステム内で良好に機能する。また、他のガスが吸い上げられ、使用のために保管され、輸送されてもよい。前述のように、メタンは、バイオ燃料の添加剤として有益であり、液体窒素は、冷却に広く使用される。機器は、記載された炭素回収システムでの使用に特に適するが、高圧カラム9および低圧カラム11を含む窒素除去ユニット5は、ガスを構成成分に分離する必要がある任意の炭素回収プロセスで使用することができる。実際、このシステムは、ガスから窒素を抽出しガスの成分を分離する必要がある、任意の場所で使用できる。

図5には、窒素除去ユニット5を示す。示された入力は、排ガスであり、これは、上記のように処理され、灰分、NO_x、SO_xが除去される。前述のように、入力は、任意の窒素含有ガスであってもよい。その後、液体になると、メタンおよび二酸化炭素に加えて、他の液体物質が高圧カラムから吸い上げられてもよい。

この場合、システムまたはサブシステムへの入力ガスは、気体状の窒素、酸素、メタン、二酸化炭素、および水（水蒸気の形態であってもよい）を含む、処理された排ガスである。このガスは、まず、乾燥機19を通る。これは、ガスから水蒸気が除去される凝縮熱交換器であってもよい。次に、窒素、酸素、メタン、および二酸化炭素を含む乾燥ガスは、圧縮機21に送られ、ガスの圧力は、例えば、約100barから300bar、好ましくは約100barから200bar、最も好ましくは150barまで高められ、その後、高圧カラムに搬送される。必要な場合、材料を高圧部内に維持するため、好適な一方向バルブ（図示されていない）が設けられる。また、材料は、追加のポンプを用いて、システムの部材間に、および部材を介して移動されてもよい。これらは図示されていない。圧力を示す場合、これは、ガスと、タンク、チャンバ、またはプロセスにおけるパイプおよびバルブを含む容器内にある液体と、の混合によって生じる圧力を表す。プロセス全体を介して、窒素除去ユニットの高圧カラムおよび低圧カラムを含む各タンクまたは容器に対して、圧力は、比較的一定に維持される。

高圧カラム9内では、5barと300barの間、好ましくは100barと200barの間、より好ましくは130barと170barの間、最も好ましくは約150barに維持されたガスが、140℃から－160℃の間、好ましくは－145℃から－155℃、最も好ましくは－約150℃の温度まで低下されたカラムを介して循環する液体窒素を用いて、冷却される。高圧カラム内の温度は、以下により詳細に説明するように、カラム内の位置に応じて変化するが、前述の値は、高圧カラム内で最も冷却された材料の温度を表す。冷却は、4つの連続した冷却チャンバ（図において、チャンバ31、33、35、および37で示されている）で行われ、第1段の冷却器は、ガスを10℃まで冷却し、これにより二酸化炭素が液化し、吸い上げが可能になる。第2段の冷却器は、第2チャンバ33内のガスを－85℃に冷却してメタンを液化し、これが吸い上げられる。第3段の冷却器は、残りのガスを－125℃まで冷却し、酸素が液化し、これが吸い上げられ、第4段の冷却器は、残りの窒素を－150℃まで冷却し、これを液化する。これは、カラムの圧力で二酸化炭素が固体（氷）になる温度以下である。第3段の冷却プロセスでは、排ガス中のメタン、二酸化炭素、および酸素の全てが液体状となり、1または2以上の出口から容易に抽出できる。これらの出口は、通常、高圧カラムの別々のチャンバの基部付近にある。同じチャンバから、液体形態で2つの化学種が除去されると、抽出された材料を分離するため、窒素除去ユニットの高圧カラムからの液体出口の温度は、徐々に昇温され、そこに含まれる各ガスの蒸発温度を通過すると、これらを相互に別々に通過させることが可能になる。あるいは、各液体の密度に応じて、異なる高さの異なる出口を使用することができる。4つの別々の冷却チャンバが存在する代わりに、1つ、2つ、または3つのチャンバが存在し、二酸化炭素、メタン、および酸素の2つ以上は、単一のチャンバから一緒に吸い上げられてもよい。第1のチャンバを用いて、材料を10℃に冷却し、炭素を液化し、第2のチャンバは、残りのガスを－125℃に冷却し、液化するために用いられ、例えば、メタンおよび酸素が除去され得る。ただし、二酸化炭素、メタン、および酸素を順次液化する4つの別々のチャンバは、極めて効果的である。

冷却プロセスが完了した後、液体窒素は、出口を介して、高圧カラム9から低圧カラム11へ輸送される。出口は、通常、高圧カラムの状部またはその近くに配置され得る。窒素は、高圧カラムから低圧カラムに至り、膨張し、膨張からのエネルギーは、圧縮機21を駆動するために使用される非燃焼タービンを駆動する。圧縮機は、窒素除去システムに流入するガスの圧力を増加させるように作用する。膨張タービンまたはターボエキスパンダ23を、この目的に使用することができる。ターボエキスパンダは、ターボ-エキスパンダまたは膨張タービンとも称され、これは、遠心タービンまたは軸流タービンであり、高圧ガスまたは材料は、これを介して、膨張され、エネルギーが発生する。この場合、このエネルギーは、排ガス圧縮機の少なくとも一部を駆動するために使用できる。ターボエキスパンダは、極低温ターボエキスパンダであってもよく、これは、マイナス200度までの温度に耐えることができるように設計されることを意味する。

窒素は、ターボエキスパンダ内での膨張により、－200℃から－190℃の間、より好ましくは－198℃から－194℃の間、最も好ましくは約－196℃の温度まで、さらに冷却される。窒素はまだ液体のままである。むしろ別個の冷却手段を含む代わりに、または外部から供給される窒素を使用する代わりに、排ガスガスからの窒素（現在は液体窒素である）は、高圧カラムの中を通る、またはその周囲を通る、1または2以上の管25を通過することにより、高圧カラム用の冷却流体としてリサイクルされ、使用される。過剰な液体窒素は、貯蔵または他の場所での使用のためにシステムから吸い上げられる。これらの冷却管の構造は、重要であり、熱伝達には高い表面積が望ましいことは明らかである。細くて長い巻管が使用され、あるいは液体窒素が通る高圧カラム内のプレート構造が使用されてもよい。

図6には、窒素除去ユニットの高圧カラムおよび低圧カラム（9および11）の詳細を示す。この場合、窒素除去ユニットは、排ガスから二酸化炭素、メタン、および酸素を除去するシステムである。乾燥排ガスは、軸方向圧縮機（A；21）において100から200barの間に圧縮された後、高圧蒸留カラム（B；9）および低圧カラム（C；11）の各々を含む窒素除去ユニットに送られる。窒素除去ユニットの高圧カラム9で生じる相変化は、以下の通りである：

N₂（g）＋O₂（g）＋CO₂（g）＋CH₄（g） → N₂（l）＋O₂（l）＋CO₂（l）＋CH₄（l）

メタン、酸素、および二酸化炭素は、高圧カラムで液化され、窒素除去ユニットから吸い上げられ、ある場合には貯蔵タンクに分離される。

高圧カラム9内では、100から200barの間、好ましくは約150barに維持された圧縮排ガスが、管状熱交換器内の冷却媒体としての液体窒素を用いて冷却される。第1の蒸留／冷却チャンバ31では、二酸化炭素ガスが10℃に冷却され、その時点でガスは液体となり、別個の貯蔵タンクに吸い上げられる。第2の蒸留／冷却チャンバ33では、メタンガスが－85℃に冷却され、その時点でガスは液体となり、別個の貯蔵タンクに吸い上げられる。第3の蒸留／冷却チャンバ35では、酸素ガスが－125℃に冷却され、その時点でガスは液体に変わり、別個の貯蔵タンクに吸い上げられる。窒素は、さらに－150まで冷却され、それ自体が液体として吸い上げられ、低圧カラムに輸送される。温度は、上記の温度とは異なってもよい（ただし、上記の温度が使用される場合、極めて効果的な蒸留プロセスが達成され得る）。第1のチャンバ31内の材料が冷却される温度は、二酸化炭素が液化される一方、メタン、酸素、および窒素は、気体状態のままであるように、31℃以下、かつ－82.6℃以上である必要がある。第2のチャンバ33内の材料が冷却される温度は、メタンが液化される一方、酸素および窒素が気体状態で残存するように、－82.6℃以下および118.6℃以上である必要がある。

第3のチャンバ35内の材料が冷却される温度は、酸素が液化され、窒素がガス状のまま残留するよう、－118.6℃以下、かつ－147℃以上である必要がある。第4のチャンバ37内の材料が冷却される温度は、窒素が液体状態となるようにする場合、－147℃以下である必要がある。第1のハウジングから窒素がその気体状態で除去される場合、第4のチャンバにおいて、それ以上の冷却は不要である。

別の例では、第1のハウジングは、約25barよりも高い圧力に維持することができ、チャンバ内の温度は、それぞれ、－40℃、－162℃、－184℃、および－184℃であってもよい。この場合、第4のチャンバでは、それ以上の冷却は生じず、窒素は、ガスとして第1のハウジングから除去され、第1のハウジングと第2のハウジングとの間で膨張した際に冷却され、液化する。

メッシュパッド27は、蒸留チャンバ間に配置される（この場合、高圧カラムには、4つの冷却チャンバ31、33、35、および37が存在し、3つのメッシュパッドは、4つのチャンバを分離する）。これらは、出口で、チャンバの各々から吸い上げられる必要のある液体が、隣接するチャンバに入ることを防止する。しかしながら、メッシュパッド27は、さらなる冷却のため、気体状物質が隣接するチャンバ（この場合、チャンバの上）を通過できるように構成される必要がある。カラムの配向は、重要ではなく、例えば、二酸化炭素用の冷却チャンバがタンクの上部に配置され、ガスが、図6に示したシステムにおけるガスの流れとは逆方向に、カラムの上部の入口から底部に向かって移動するように、カラムの向きを調整することができる。一つのチャンバから次のチャンバへのガスの移動は、アクティブであっても（ポンプまたは他の機構が使用される）、パッシブであってもよい。この移動は、単に、追加のガスの結果として生じてもよく、追加のガスは、入口を介して高圧ハウジングに連続的に導入され、システムを介して、材料の残りの部分が力を受ける。

上部チャンバ37では、窒素が液化され、これが出口を通って高圧カラム9から、低圧カラム11に搬送される。窒素が高圧カラムから低圧カラム11を通過すると、窒素は膨張し（すなわち、ターボエキスパンダまたは膨張タービン23を介し）、膨張の結果、－196℃まで冷却される。膨張タービンを使用して、膨張プロセスからのエネルギーを用いて、圧縮機21が駆動され、圧縮機は、窒素除去システムに入るガスの圧力を高めるように機能する。第2のハウジングの温度までの窒素の冷却は、完全にその膨張によるものであってもよく、あるいは追加の冷却手段が使用されてもよい。

第1のハウジング内の材料の温度を低下させる別個の冷却手段を設ける代わりに、または外部から供給される窒素を使用する代わりに、排ガスからの窒素（液体窒素の形態で）をリサイクルし、これを高圧カラムの入口および出口、またはその周囲の管状熱交換器を通過させることにより、高圧カラムの冷却流体として使用される。低圧カラムにおける液体窒素の全部ではない場合の少なくとも一部は、高圧カラムの冷却に使用される。しかしながら、液体窒素の必ずしも全てが高圧カラムの熱交換器を介して送られる必要はなく、一部は、他の用途のため吸い上げられ、システムから削除され、または後に同じ冷却システムで使用するために保管される。

二酸化炭素、メタン、酸素、および窒素の液化に必要な特定の温度を達成するため、温度センサにより調整された極低温ポンプを用い、各蒸留チャンバ（31、33、35、37）における独立した管状熱交換器を介して、液体窒素の正確な流速が提供される。これらの温度センサは、図6において部品29として示されており、各々は、チャンバ31、33、35、および37の1つの内容の温度を直接的または間接的に測定するように構成される。また、各センサ29は、低圧カラムからの液体窒素を循環させるポンプに結合され、冷却のためにそれぞれのチャンバを通過し、またはその周囲を循環する。従って、各冷却チャンバは、液体窒素を低圧カラムからの出口から、冷却チャンバの周囲まで、および／または冷却チャンバを通過させて、低圧カラムに戻す導管を備える、専用の冷却システムを有してもよい。ある実施態様では、冷却流体の少なくとも一部は、冷却システムを通過した後、システムから吸い上げられ、前述の余剰の液体窒素の出口として使用されてもよい。

4つの冷却ステージが含まれる場合、4つの別個の冷却システムが提供され、低圧カラムから高圧カラムの別個のチャンバに向かって、および／または別個のチャンバを通り、および／またはその近傍に、液体窒素が搬送されてもよい。液体窒素が流れる熱交換の表面を各々が有する、冷却システムの数、ならびに好ましくは、チャンバの温度を調節する温度センサおよびポンプを有する冷却システムの数は、冷却ステージまたは冷却チャンバの数に対応する。従って、冷却用の高圧カラムから逸散する熱を輸送用の熱交換器は、3つの部分から構成され、各々は、チャンバの一つを冷却するように構成され、各々は、低圧チャンバからのそれ自身の出口に結合される。熱交換器は、各冷却チャンバを通る通路、および／または周囲の通路のネットワークを有してもよい。

前述のように、出口の各々には、温度センサにより感知された温度に応じて制御を行うポンプを設けることができる。ポンプに関連する冷却チャンバ内の材料が閾値温度を超えていると判断された場合、フィードバックが提供され、冷却流体の流速を増加させるため、ポンプへの電力が高められる。これにより、そのチャンバの冷却速度が増し、そのチャンバ内の材料の温度が低下する。反対に、温度が閾値未満であると測定されると、フィードバックが提供され、ポンプの動作が変更され、流速が減少し、チャンバ内の材料の温度が高められる。従って、温度計とポンプの組み合わせは、サーモスタットの一種として機能する。閾値は、温度の範囲の限界を表してもよく、あるいは特定の値に対応してもよく、チャンバ内の温度がこの値付近で変動するように、一定のフィードバックが提供される。この値は、第1のチャンバ31では10℃であり、第2のチャンバ33では－85℃であり、第3のチャンバ35では約－125℃であり、第4のチャンバ33では－150℃であってもよい。3つのチャンバが設けられる場合、この値は、第1のチャンバでは約10℃であり、第2のチャンバでは約－125℃であり、第3のチャンバでは約－150℃であってもよい。温度の範囲が許容される場合、そのチャンバの閾値温度は、前述の値よりも約5℃低く、そのチャンバ内で蒸留される材料の凝縮温度以下であってもよく、あるいは第1チャンバの場合、対象温度の上下5℃であってもよい（例えば、第1のチャンバでは、5℃から15℃、の間であり、第2のチャンバでは、－82.6℃から-90℃の間であり、第3のチャンバでは、－118.6℃から－130℃の間であり、第4のチャンバでは、－147℃と－155℃の間である。）閾値温度は、好ましくは、凝縮温度の上下の値よりも約2℃高く（または第1のチャンバにおける対象値の上下2℃）であり、最も好ましくは凝縮温度から、前述の値の約1℃低い温度（および二酸化炭素が蒸留されるチャンバの対象値の上下1℃）である。ある場合（システムが本質的にある値よりも低い温度に低下させることができない場合、またはポンプがある電力レベルよりも高いレベルで作動する場合）には、閾値温度よりも低くならなくてもよい。必要な場合、上限閾値は、各チャンバ内で蒸留される各材料の凝縮温度であってもよい。

余分な液体窒素は、吸い上げられ、貯蔵または他の場所での使用のため、システムから離されてもよい。明らかに、液体窒素が高圧カラムのチャンバの周囲および／または中を移動する冷却管の構造は、重要であり、熱伝達のため高い表面積が望ましいことは明らかである。細くて長い巻き線管が使用されてもよく、液体窒素が通る高圧カラム内にプレート構造が使用されてもよい。

圧縮機を少なくとも部分的に駆動する膨張タービンの使用、および高圧蒸留カラムにおける冷却剤としての排ガス中の窒素のリサイクルは、ユニークな特徴であり、同じシステム内で一緒に使用された際に、特別な利点が提供される。それらの含有の結果、窒素除去システムへの入力に必要なエネルギーが少なくなり、全体のプロセスの効率が向上する。これは、作業コストを低下させる。これは、商業的に存続可能なプロセスを用いて二酸化炭素排出量を削減する企業にとって、最も重要である。

記載された全体のシステムは、理論的には、排ガス中に存在する二酸化炭素の100%を炭酸塩に変換することができ、CO₂排出により課される追加税をゼロに軽減できる。また、炭酸塩生成物は、市販のグレードの炭酸カルシウムであってもよく、これは、建築産業で使用する際に販売でき、前述の炭素回収技術を実施するコストの少なくとも一部が回収される。

図7には、典型的な石炭燃焼発電所における前述のプロセスの全マスバランスを示す。この場合、数字は、5035MW（または約5000MW）で運転されている、ポーランドのベウハトゥフ発電所に基づく。数字は、各プラントの規模に応じて変化する。

以下の表には、ベウハトゥフのような約5000MWで運転されるプラントにおける排ガスの成分の各々の炭素回収機器へのマスフローを示す。表および図の両方に示されている数値は、100%の二酸化炭素の石灰化率が達成されると仮定して、計算されたものである。実際のマスフローは、機器のアレイにわたって分布され、各々は、プラント内の1つの燃焼チャンバに供給される。ベウハトゥフ発電所の場合、CO₂の発生の速度に対処するため、各燃焼チャンバの各々を機能させる2基の反応器タンクが設置される必要がある。

以下の表には、異なる物質のマスフローの比率を示す。これらの値は（上の表の絶対マスフロー数とは異なり）、プラント間であまり変化しないはずである。

図8には、13の燃焼チャンバを有するベウハトゥフプラントに基づく、全プロセスエネルギーバランスを示す。図中の数値は、各物質の以下の比熱容量測定に基づいて算出される。

2以上の炭素回収システム、好ましくは2つのそのようなシステムが、発電所における燃焼チャンバの各々に提供するために設置されてもよい。

前述の炭素回収システムは、窒素除去ユニット内の改善された冷却機構のため、従来の解決策よりも効率的である。また、反応器サブシステム内で生じる反応の速度を上げるため、固体金属触媒を使用することに加えて、廃棄材料およびエネルギーが可能な限りリサイクルされ、システムの他の部分で使用される。これは、スプレー塔の場合に当てはまり、ここでは、反応器からの廃スラリーを使用して、流入する排ガスからSO₂が除去される。窒素除去ユニットの場合、排ガスから抽出された窒素は、膨張するにつれ、それ自身により、圧縮に必要なエネルギーを供給し、流入ガスの冷却に再利用される。また、廃水は、可能な場合、再循環され、反応器に入力されるスラリーが製造される。

Claims (15)

1. 材料から窒素および二酸化炭素を抽出する窒素除去ユニットであって、
   第1のチャンバを有する第1のハウジングであって、前記第1のチャンバは、第1の圧力および第1の温度で、前記材料の第1の体積を保持し、前記第1の温度は、前記第1の圧力における二酸化炭素の凝縮温度以下であり、窒素の凝縮温度よりも高い、第1のハウジングと、
   前記第1のハウジングの前記第1のチャンバから、液体として二酸化炭素を除去する出口、および前記第1のハウジングの第2のチャンバに通される気体状窒素の通路と、
   前記第1のハウジングから、第2のハウジングに窒素を輸送する手段であって、前記第2のハウジングは、第2の温度に窒素を保持し、前記第2の温度は、窒素の凝縮温度以下である、手段と、
   前記第2のハウジングから、前記第1のハウジングを介して、および／または前記第1のハウジングの周囲に液体窒素を誘導して、前記第1のハウジング内の前記材料を前記第1の温度まで冷却する導管と、
   を有する、窒素除去ユニット。
2. 前記窒素は、前記第1のハウジングから前記第2のハウジングを通る際に膨張し、
   前記第2のハウジング内の材料は、前記第1の圧力よりも低い第2の圧力になる、請求項1に記載の窒素除去ユニット。
3. 前記第1のハウジングから前記第2のハウジングを通る際の前記窒素の膨張からのエネルギーを用いて、前記第1のハウジングに入る材料の前記第1の体積が圧縮される、請求項2に記載の窒素除去ユニット。
4. 前記窒素は、前記第1のハウジングから前記第2のハウジングを通る際に、膨張タービンを通り、
   前記膨張タービンは、圧縮機を駆動するように構成され、前記材料の前記第1の体積が前記第1の圧力に圧縮される、請求項3に記載の窒素除去ユニット。
5. 液体窒素は、蛇行経路を形成するパイプに沿って、前記第2のハウジングから前記第1のハウジングを通り、および／または前記第1のハウジングの周囲を流れ、その後、前記第2のハウジングに戻される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の窒素除去ユニット。
6. 前記第1のハウジング内の前記材料は、100barから200barの間の圧力に維持され、
   前記第2のハウジング内の前記材料は、25barから75barの間の圧力に維持される、請求項2に記載の窒素除去ユニット。
7. 前記第2の温度は、約－196℃である、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の窒素除去ユニット。
8. 前記第1のハウジングは、少なくとも2つの冷却チャンバを有し、
   前記第1のハウジング内の前記材料は、第1のチャンバにおいて前記第1の温度に冷却され、第2のチャンバにおいて、第3のより低い温度に冷却される、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の窒素除去ユニット。
9. 前記第1のハウジングは、4つの冷却チャンバを有し、
   前記第1のハウジング内の前記材料は、前記第1のチャンバにおいて、前記第1の温度に冷却され、
   前記第2のチャンバにおいて、前記第1の温度と前記第2の温度の間の第3の温度に冷却され、
   前記第3のチャンバにおいて、前記第3の温度と前記第2の温度の間の第4の温度に冷却され、
   第4のチャンバにおいて、前記第4の温度と前記第2の温度の間の第5の温度に冷却される、請求項8に記載の窒素除去ユニット。
10. 前記第1の温度は、10℃であり、前記第3の温度は、－85℃であり、前記第4の温度は、－125℃であり、前記第5の温度は、－150℃であり、
    CO₂は、前記第1のハウジングの前記第1のチャンバから液体形態で除去され、
    メタンは、前記第1のハウジングの前記第2のチャンバから液体として除去され、
    酸素は、前記第1のハウジングの前記第3のチャンバから液体として除去され、
    前記窒素は、前記第1のハウジングの前記第4のチャンバから前記第2のハウジングに、液体として輸送される、請求項9に記載の窒素除去ユニット。
11. 各冷却チャンバには、別個の冷却システムが設けられ、前記別個の冷却システムは、前記第2のハウジングからの液体窒素の出口と、液体窒素用の1または2以上の導管とを有し、
    前記液体窒素は、前記出口から、前記冷却チャンバ内に、および／または前記冷却チャンバの周囲に流れる、請求項8乃至10のいずれか一項に記載の窒素除去ユニット。
12. 前記第1のハウジング内の前記材料の温度は、前記第1のハウジングを通る、および／または前記第1のハウジングの周囲の前記液体窒素の流速を調節することにより制御される、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の窒素除去ユニット。
13. 各冷却システムは、
    前記チャンバ内の前記材料の温度を測定する温度センサと、
    前記出口から、前記1または2以上の導管を通る流体を移動させるポンプと、
    を有し、
    前記ポンプの動作は、前記温度センサにより測定された温度に応じて制御され、前記チャンバ内の前記材料の前記温度が所定の温度範囲内に維持される、請求項11に従属する請求項12に記載の窒素除去ユニット。
14. 窒素および二酸化炭素を含むガスから窒素を抽出する方法であって、
    圧縮機を用いて、前記ガスの体積を第1の圧力に圧縮し、前記ガスの体積を第1のハウジングの第1のチャンバに搬送するステップと、
    前記ガスを、二酸化炭素の凝縮温度以下であって、窒素の凝縮温度を超える第1の温度に冷却するステップと、
    前記第1のハウジングの前記第1のチャンバから、液体として前記二酸化炭素を除去するステップと、
    前記窒素を前記第1のチャンバからのガスとして、前記第1のハウジングの第2のチャンバに通し、または前記窒素を搬送する、ステップと、
    前記窒素を前記第1のハウジングから第2のハウジングに通し、または前記窒素を搬送し、前記窒素は、第2の圧力、および該第2の圧力において窒素の凝縮温度未満の第2の温度である、ステップと、
    前記第2のハウジングから液体窒素を除去し、前記第2のハウジングからの前記液体窒素の少なくとも一部を前記第1のハウジング内または前記第1のハウジングの周囲に通し、前記第1のハウジング内の前記材料を冷却するステップと、
    を有する、方法。
15. 前記窒素は、膨張タービンを介して、前記第1のハウジングから前記第2のハウジングを通り、前記第1の圧力よりも低い第2の圧力に達し、
    前記膨張タービンを用いて、前記圧縮機が駆動される、請求項14に記載の方法。

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