JP2024505621A - 二酸化炭素回収システム及び二酸化炭素回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素回収システム及び二酸化炭素回収方法を提供する。【解決手段】蒸気などの第２の流体流の流れを供給する第２の流体流入口と、ＣＯ２回収システムからのＣＯ２枯渇流の流れを供給する出口と、ＣＯ２回収システムからのＣＯ２流の流れを供給する出口と、第１の流体流と流体連通する濃縮器とを含む。システムはさらに、第１の接触器と第２の接触器を含む。第１の接触器と第２の接触器のそれぞれは、第１の流体流の流れとＣＯ２吸着のための、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメインと、脱着を補助するための第２の流体流の流れのための、第２の流体的に分離された流体ドメインを、その中に画定する。【選択図】図３

Description

本開示の実施形態は、二酸化炭素（ＣＯ２）回収システム及びＣＯ２回収方法に関し、より詳細には、吸着剤及び熱強化回収エフォート（sorbents and thermally-enhanced recovery efforts）を用いて空気からＣＯ２を抽出するための少なくとも１つの接触器（contactor）を含むＣＯ２回収システムに関する。

世界のエネルギー需要の大部分は化石燃料の燃焼によって賄われており、年間３５ギガトン以上のＣＯ２を排出している。直接空気回収は、現在及び過去のＣＯ２排出量の両方に対処できる炭素回収プロセスである。現在の直接空気捕集ソリューションは有望であるが、大気中の希薄濃度（～４００ｐｐｍｖ）のＣＯ２の効率的で大容量の捕集、材料のライフサイクルと安定性、接触器全体の圧力損失がシステムの経済性とエネルギー消費に及ぼす影響などの課題があるため、システムコストは法外である。米国科学・工学・医学アカデミーのＮｅｇａｔｉｖｅＥｍｉｓｓｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（逆排出技術）は、既存技術を使用したＣＯ２捕捉のコストを、液体溶媒を使用した場合は１トン当たり１４１ドルから２６５ドル、固体吸着剤を使用した場合は１トン当たり８８ドルから２２８ドルの範囲と見積もっている。これらのコストは、商業的に実行可能な技術としては高すぎる。

したがって、低エネルギーを必要とし（高エネルギーを必要とせず）、商業的に実行可能なコストで運転でき、設置面積が比較的小さく、商業ビルの屋上など風速の高い場所に設置可能で、最先端の技術では設置できないような、空気中のＣＯ２を捕捉できる新規のＣＯ２回収システム及び空気中のＣＯ２を捕捉する方法を開発することが望ましいと考えられる。

本開示の態様に従い、新規なＣＯ２回収システムが提示される。新規のＣＯ２回収システムは、ＣＯ２回収システムへの第１の流体流の流れ（flow of a first fluid stream）を提供する第１の流体流入口と、ＣＯ２回収システムへの第２の流体流の流れ（flow of a second fluid stream）を提供する第２の流体流入口と、ＣＯ２回収システムからのＣＯ２枯渇流（CO2 depleted stream）の流れを提供する出口と、ＣＯ２回収システムからのＣＯ２流の流れを提供する出口と、第１の流体流と流体連通する少なくとも１つの濃縮器とを含む。第１の流体流は、入口ガスを含む。第２の流体流は、入口ガスよりも高い温度を有するガスを含む。

本開示の別の態様に従って、新規なＣＯ２回収システムが提示される。新規のＣＯ２回収システムは、ＣＯ２回収システムへの第１の流体流の流れを提供する第１の流体流入口と、ＣＯ２回収システムへの第２の流体流の流れを提供する第２の流体流入口と、第１の流体流入口及び第２の流体流入口と流体連通する第１の接触器（first contactor）と、第１の流体流入口及び第２の流体流入口と流体連通する第２の接触器（second contactor）とを含む。第１の流体流は、入口ガスを含み、第２の流体流は、入口ガスよりも高い温度を有するガスを含む。第１の接触器と第２の接触器の各々が、第１の流体流の流れとＣＯ２吸着のための、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン（first fluidically-isolated, sorbent-integrated, fluid domain）と、第２の流体流の流れのための、第２の流体的に分離された流体ドメインとをその中に定義し、第２の流体的に分離された流体ドメイン（second fluidically-isolated fluid domain）が、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメインと熱連通（thermal communication）している。

本開示のさらに別の態様に従って、ＣＯ２回収システムにおいて入口ガスから二酸化炭素（ＣＯ２）を除去する方法が提示される。この新規な方法は、ＣＯ２回収システムに、第１の流体流入口を通して第１の流体流を入力することと、ＣＯ２回収システムに、第２の流体流入口を通して第２の流体流を入力することと、ＣＯ２回収システムから、ＣＯ２枯渇流及びＣＯ２流の出力を提供することとを含む。第１の流体流は、ＣＯ２を含む入口ガスからなる。第１の流体流入口は、第１の流体流と流体連通する濃縮器を含む。第２の流体流は、ＣＯ２を含む入口ガスよりも高い温度を有するガスからなる。

本開示のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照することにより、よりよく理解されるであろう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本開示の実施形態を示し、本明細書と共に、本開示の原理を説明するのに役立つ。

本開示のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読むと、よりよく理解されるであろう。
本開示の一実施形態による、入口流体からＣＯ２を回収するための、例示的なＣＯ２回収システムにおける第１のサイクルの概略図である。 本開示の一実施形態による、図１の例示的なＣＯ２回収システムにおける第２のサイクルの概略図である。 本開示の一実施形態による、入口流体からＣＯ２を回収するためのＣＯ２回収システムの別の実施形態における第１のサイクルの概略図である。 本開示の一実施形態による、図３のＣＯ２回収システムにおける第２のサイクルの概略図である。

本明細書及び図面における参照文字の繰り返しの使用は、示された実施形態の同一又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。

以下の明細書及び特許請求の範囲では、以下の意味を持つように定義される多くの用語を参照する。

単数形の”ａ”、”ａｎ”、”ｔｈｅ”は、文脈上そうでないことが明らかな場合を除き、複数形を含む。

“任意の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）”又は”任意に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）”とは、その後に記述される事象又は状況が発生してもしなくてもよく、その記述が事象が発生する例と発生しない例を含むことを意味する。

本明細書及び特許請求の範囲を通して使用される近似的な表現は、それが関連する基本的な機能に変化をもたらすことなく許容可能に変化し得るあらゆる定量的表現を修正するために適用することができる。したがって、「約：about」、「実質的に：substantially」、「およそ：approximately」などの用語によって修正された値は、指定された正確な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似的な表現は、値を測定するための機器の精度に対応することがある。本明細書及び特許請求の範囲全体を通じて、範囲の限定は組み合わせ及び／又は入れ替えてもよく、そのような範囲は、文脈又は文言がそうでないことを示さない限り、特定され、そこに含まれるすべてのサブ範囲を含む。

本明細書において、「流体」という用語は、空気、気体、液体、蒸気を含むがこれらに限定されない、流動するあらゆる媒体又は物質を含む。

以下に詳述するように、新規なＣＯ２回収システムの様々な実施形態が提示される。新規のＣＯ２回収システムは、吸着剤と熱的に強化された回収努力を用いて（using sorbents and thermally-enhanced recovery efforts）、周囲空気などの周囲流体からＣＯ２を抽出するための少なくとも１つの接触器を含む。開示されたシステムは、吸着剤を接触器と統合し、空気濃縮器を利用することで、高いＣＯ２抽出コストの問題を解決する。高表面積の吸着剤一体型接触器、接触器に渡る低い圧力降下、及び空気濃縮器（high surface area sorbent-integrated contactor, low pressure drop across the contactor, and air concentrator）は、システム性能に大きく寄与している。接触器は、少なくとも２つの流体的に分離された、独立した、大規模に並列な流体ドメイン（at least two fluidically-isolated, independent, massively parallel fluid domains）を含む設計を特徴としている。このような流体ドメインは、ａ）周囲空気の流れと、周囲空気の流れからのＣＯ２吸着を提供する吸着剤一体型流体ドメイン（sorbent-integrated fluid domain）、ｂ）吸着剤一体型流体ドメインへの顕熱の伝達を介して（via transfer of sensible heat）離脱（desorption）を促進する第２の流体ドメイン、及びｃ）吸着剤一体型又は離脱（desorption）を促進するために使用できるオプションの第３の流体ドメインとすることができる。

次に図１及び図２を参照する。ＣＯ２を捕捉（capture：回収）するように機能するＣＯ２回収システム（CO2 capture system）１００の例示的な実施形態を図１及び図２に示す。ＣＯ２回収システム１００は、脱着（desorption：離脱）を補助する高温ガス流（hot gas stream：例えば蒸気）を利用して、ＣＯ２を含む周囲環境、例えば周囲空気又は他の適切な空気源、あるいは他の流体からＣＯ２を除去するように構成されている。図１及び図２のＣＯ２回収システム１００には、２つの接触器（two contactors）が組み込まれている。図１及び図２のＣＯ回収システム１００は、連続運転を行うために、（ここで説明される）２つの接触器を組み込んでいる。図１は、第１のサイクル１０２（ここで説明されるサイクルＡ）における運転中のＣＯ２回収システム１００を示す。図２は、第２のサイクル１０４（ここで説明されるサイクルＢ）における運転中のＣＯ２回収システム１００を示す。

化石燃料の燃焼を必要とする世界的なエネルギー需要の増大に伴い、周囲空気からＣＯ２を安価かつ効果的に除去することがますます重要になってきている。ＣＯ２回収システム１００は、周囲空気などの入口ガス流１０６からＣＯ２を除去するように構成されている。ここに開示されるＣＯ２回収システム１００は、吸着剤を少なくとも１つ、好ましくは２つの接触器（ここで説明されている）と統合し、接触器を通る空気流を増加させるために空気濃縮器（air concentrator）を利用することによって、高いＣＯ２抽出コストの問題を解決する。高表面積の吸着剤一体型接触器と、接触器を横切る低圧力降下（air concentrator）とは、ＣＯ２回収システム１００の性能に大きく寄与する。ＣＯ２回収システム１００は、ＣＯ２回収システム１００内に画定された、流体的に分離され、吸着剤と一体化された流体ドメイン（ここで説明する）への熱の伝達を介して脱離（desorption）を補助するために、低圧蒸気のような脱離中の高温ガス流１０８を利用することによって、効果的な熱統合（effective thermal integration）を提供する。

図１及び図２に示すように、ＣＯ２回収システム１００は、第１の流体流、より具体的には、吸着段階の動作中にそれぞれの接触器の入口１１０でＣＯ２回収システム１００に入る入口ガス流１０６を含む。一実施形態では、入口ガス１０６は、ＣＯ２を含む周囲空気を含む。例えば、一実施形態では、約４１２ｐｐｍｖのＣＯ２（approximately 412 ppmv CO2）を有する入口ガスなどの直接空気捕捉（direct air capture）を含む。代替の実施形態では、入口ガス１０６は、燃焼後ガス捕捉（post-combustion gas capture）、例えば約６～１５％のＣＯ２を有する燃焼後ガスを含む。一実施形態では、入口ガス流１０６は、ガスの体積を減少させ、したがってＣＯ２回収システム１００のサイズと重量を減少させるために、まず冷却されることがある。第１のサイクル１０２（図１）における運転中、入口ガス流１０６は、吸着モード（adsorption mode）で運転される第１の接触器１１２に供給される。第２のサイクル１０４（図２）の運転中、入口ガス流１０６は、吸着モードで運転される第２の接触器１１４に供給される。代替実施形態では、ＣＯ２回収システム１００は、交互に吸着モードと脱着モード（脱離モード）で動作可能（capable of operation in alternating adsorption and desorption modes）な任意の数（ｎ個）の接触器を含むことができる。含まれる接触器の数は、入口ガス流１０６中のＣＯ２の濃度、入口ガス流１０６の体積、連続運転の希望などに依存する。したがって、第１の接触器と少なくとも１つの追加の接触器とを含む実施形態が予想される。第１及び第２の接触器１１２、１１４を含むことを示す実施形態が、説明を容易にするために本明細書に図示されている。

図１及び図２の図示された実施形態では、濃縮器（concentrator：コンセントレータ）１１６は、風からの周囲ＣＯ２（ambient CO2 from the wind）の受動的及び／又は能動的な捕捉を可能にする。入口ガス流１０６が吸着モードで作動する接触器１１２又は１１４に供給されると、それぞれの接触器１１２、１１４に到達する前に濃縮器（concentrator）１１６を通過する。濃縮器１１６は、接触器１１２、１１４を横切る（across）圧力降下よりも静的な風圧（static wind pressure）を増加させるので、接触器１１２、１１４を通って空気を移動させるために風圧に依存する。第１及び第２の接触器１１２、１１４のそれぞれは、ＣＯ２吸着サイクル中に入口ガス流１０６がそれぞれの接触器１１２、１１４を通過することを可能にし、ＣＯ２脱着サイクル（CO2 desorption cycle）で動作するときにそれぞれの接触器１１２、１１４を通る空気流を遮断するゲート１１８を含む。図１は、入口ガス１０６の通過を可能にするために、開位置にある接触器１１２に近接して配置されたゲート１１８を示し、入口ガス１０６の流入を遮断するために、閉位置にある接触器１１４に近接して配置されたゲート１１８を示す。図２は、入口ガス１０６の流入を遮断する閉位置にある接触器１１２に近接して配置されたゲート１１８と、入口ガス１０６の通過を可能にする開位置にある接触器１１４に近接して配置されたゲート１１８を示す。

図３及び図４を簡単に参照する。図３及び図４を参照すると、ＣＯ２回収システム２００の第２の好ましい実施形態が示されている。別段の指示がない限り、ＣＯ２回収システム２００の第２の好ましい実施形態は、図１及び図２に示された第１の好ましい実施形態の説明中に特定されたのと同じ構成要素を含む。第１の好ましい実施形態とは対照的に、第２の好ましい実施形態は、入口ガス１０６の入力のための濃縮器を含まない。その代わりに、第２の好ましい実施形態では、入口ガス流１０６は、接触器１１２、１１４を通して空気を駆動する（drive air）ためのファン１７２の使用などによって、それぞれの接触器１１２、１１４に直接通過する。第２の好ましい実施形態では、類似のタイプのゲート構造１１８が、それぞれの接触器１１２、１１４の入口１１０と関連しており（配置されており）、入口ガス１０６の入力を許可又は遮断するように動作可能であることに留意されたい。

図１及び図２に再び戻ると、濃縮器１１６は、入口ガス流１０６の濃縮のために付加的なエネルギーが必要とされないことを意味する受動的気流濃縮器（passive airflow concentrator）であってもよく、又は空気の移動を助けるためにエネルギーが供給されることを意味する能動的気流濃縮器（active airflow concentrator）であってもよい。図１及び図２の図示された実施形態では、気流濃縮器１１６は、それぞれの接触器１１２、１１４に向かって気流を濃縮するために追加エネルギーの使用を必要としない受動的な円錐形状の濃縮器（passive cone-shaped concentrator）１２０である。円錐形状の濃縮器１２０は、一般に、発散－収束幾何学形状（diverging-converging geometry）を含む形状であってよく、それぞれの接触器１１２、１１４の入口１１０の上流側及び近傍に配置される。円錐形集束体１２０は、集束体出口における風速及び対応する風静圧を増加させる。より具体的には、入口ガス流１０６のような空気流は、濃縮器１１６の入口１２２の大きな開口部から濃縮器１１６の出口１２４の小さな開口部に向かって加速される。入口ガス流１０６が発散部分に入り、接触器１１２、１１４に近接する収束部分に向かうにつれて発散部分の面積が減少するにつれて、入口ガス流１０６の速度は増加する。風圧△Ｐは風速の強い関数であるため、△Ｐ＝０．５×ρ×Ｖ^２（ρ（ギリシャ文字ロー）は空気密度、Ｖは空気速度）、流れの加速は風圧を増加させる。濃縮器１１６の寸法は、接触器１１２、１１４を横切る圧力損失を超える風圧を接触器１１２、１１４の入口１１０に発生させるように設計されている。風圧と接触器の圧力降下との間の圧力差（pressure difference between the wind pressure and contactor pressure drop）は、吸着モードで作動するそれぞれの接触器１１２、１１４を通る空気流を推し進める（force：強制する）。接触器１１２、１１４の入口１１０に集められた空気の一部は接触器を通って流れる。先に言及したように、代替実施形態では、接触器の上流又は下流で、空気の動きによって動力を供給されるファンのような能動的な気流集中器が利用されてもよい。

高温ガス流１０８は、ボイラ、ガスタービン、又は天然ガス、又は他の燃焼燃料がエンジン内で点火された後に排気ガスを供給することができる内燃エンジンなどの加熱流体源に由来するが、これらに限定されない。高温ガス流１０８からの熱は、ＣＯ２回収システム１００内に画定された、流体的に分離された、吸着剤一体型の流体ドメイン（本明細書で説明）への熱の伝達を介して、脱離を補助（assists in desorption）する。一実施形態では、高温ガス流１０８は、ボイラ１４４で蒸気を生成することによって作られる。図示の実施形態では、矢印線（arrowed line）１２６で示すように、ボイラ１４４へのエネルギー入力は、再生可能エネルギー源、貯蔵エネルギー、又は複合サイクルガスタービンなどのタービンエネルギーのうちの１つ以上によって提供される。蒸気は、大気圧又はわずかに高い圧力で生成することができる。高温ガス流１０８は、第２の流体流入口１２７でそれぞれの接触器１１２、１１４に投入される。蒸気がそれぞれの接触器１１２、１１４の（ここで説明されている）第２の流体ドメインで凝縮（condense：液化）すると、凝縮中（液化中）に放出された熱が、（ここで説明されている）それぞれの接触器１１２、１１４の吸着剤を含む第１の流体ドメインに伝達される。蒸気圧を上昇させることにより、蒸気凝縮温度（steam condensation temperature：スチーム液化温度）を上昇させ、吸着剤が再生される温度を上昇させることができる。あるいは、高温ガス流１０８は、電気ヒーターなどを利用して燃料（天然ガスなど）の燃焼により生成された高温空気であってもよい。この場合も、ＣＯ２回収システム１００は、入口ガス流１０６からＣＯ２を除去するように構成されており、脱着モード（desorption mode）の間は、高温ガス流１０８からの熱によって補助される。

前述のように、ＣＯ２回収システム１００は、入口ガス流１０６からの連続的なＣＯ２除去（continuous CO2 removal）のための交互の吸着及び脱着サイクル（alternating adsorption and desorption cycles：図１－サイクルＡ及び図２－サイクルＢ）を提供するために、２つの接触器、より詳細には第１の接触器１１２及び第２の接触器１１４を含む。より詳細には、説明した実施形態では、図１に最も良く示されているように、サイクルＡの間、第１の接触器１１２は吸着ユニットとして機能し、第２の接触器１１４は脱着ユニットとして機能し、入口ガス流１０６は第１の接触器１１２を通って導かれ、高温ガス流１０８は第２の接触器１１４を通って導かれる。一実施形態では、脱着モードで動作する接触器は、中温（１１０℃）脱着サイクルを経験し（experience）、ＣＯ２を放出し、（ここで説明する）接触器内の吸着剤を再生する。前述のように、一実施形態では、連続的なＣＯ２除去のために、第１の接触器１１２、より詳しくは吸着材料が第１の接触器１１２内で使用済み（spent）となり、したがって吸着剤容量が一杯に近づく（approaches its full sorbent capacity：最大吸着剤能力に近づく）と、第１の接触器１１２を通る空気流、より詳しくは入口ガス流１０６がゲート１１８により遮断され、第２の接触器１１４に導かれる。その後、第１の接触器１１２は、図２に最もよく示されているように、脱着ユニット（desorption unit）として機能し、第２の接触器１１４は、吸収ユニット（absorption unit）として機能する。第１の接触器１１２と第２の接触器１１４の吸着と脱着の動作状態又はモードにおける周期的な動作は連続的である。

運転中、入口ガス流１０６は、濃縮器１１６のゲート１１８を通過する。このゲートは、ＣＯ２吸着モードで運転中のそれぞれの接触器１１２、１１４を空気が通過することを可能にし、ＣＯ２脱着サイクル中は空気の流れを遮断する。入口ガス流１０６は、ＣＯ２枯渇流１２８として吸着接触器１１２、１１４を出て、排出口（図示せず）を介して大気に排出されるか、又はエネルギー回収のためにさらに処理されるかエネルギー回収のためにリサイクルされる。

図１に示すように、サイクルＡの動作中、第１の接触器１１２が吸着ユニットとして動作し、第２の接触器１１４が脱着ユニットとして動作している場合、ＣＯ２枯渇流１２８は第１の接触器１１２から排出され、ＣＯ２流１３２は真空ポンプ１３４を使用して第２の接触器１１４から除去され、圧縮、隔離などのさらなる処理のために継続される。ＣＯ２流１３２は、吸着サイクル中にＣＯ２とともに吸着剤に吸着された水分を含む場合がある。この水分は、脱着サイクル中に吸着剤から放出される。一実施形態では、ＣＯ２流１３２は、空気冷却器１３６により冷却され、ＣＯ２流１３２の出口から排出される余剰水分（excess moisture）１３８の凝縮（condensation：液化）をもたらす可能性がある。余剰水分１３８の少なくとも一部は、システムメークアップ水（system makeup water：システム補給水）として使用され、ボイラ１４４で蒸気を生成するためにポンプ１４０を介して再循環される。

図２に示すように、サイクルＢ運転中、第１の接触器１１２が脱着ユニットとして機能し、第２の接触器１１４が吸着ユニットとして機能している場合、ＣＯ２枯渇流１２８は第２の接触器１１４から排気され、ＣＯ２流１３２が真空ポンプ１３４を使用して第１の接触器１１２から除去され、圧縮、隔離など（compression, sequestration, and the like）のさらなる処理のために継続される。前述と同様に、ＣＯ２流１３２は水分を含み、空気冷却器１３６を介して冷却され、余分な水分１３８はＣＯ２流１３２の出口から排出される。

再び図３及び図４を簡単に参照すると、図１及び図２に関して前述したように、それぞれの接触器１１２、１１４を出たときのＣＯ２流１３２は、圧縮、隔離などのさらなる処理を行うことができる。したがって、図３及び図４に示されるように、第２の好ましい実施形態は、圧縮機２０２を含み、したがって、２０４に示されるように、ＣＯ２流れ１３２からボイラ１４４に戻る圧縮を介した熱統合を提供し、蒸気生成を助ける。図１及び図２の実施形態に圧縮機２０２のような圧縮機を含めることは、本実施形態によって予期されることを理解すべきである。図１及び図２の実施形態に圧縮機２０２のような圧縮機を含めることは、本開示によって予期される。

運転中、高温ガス流１０８、例えば低圧スチームは、（サイクルＡにおける）第２の接触器１１４又は（サイクルＢにおける）第１の接触器１１２を通過し、それぞれの接触器内の第１の流体的に分離され、（本明細書で説明する）吸着剤と一体化された流体ドメインへの熱伝達を介して脱着（desorption：脱離）を補助し、ＣＯ２の脱離及び吸着剤の再生に必要な熱を供給する。高温ガス流１０８は、ポンプ１４０を介してＣＯ２回収システム１００を通して再循環される。一実施形態では、空気冷却器１３６によってＣＯ２流１３２から除去された余分な水分は、高温ガス流１０８に送られる。

前述のように、接触器１１２、１１４の各々は、流体的に分離された２つの流体ドメイン（two fluidically-isolated fluid domains）を特徴とする。あるいは、接触器の表面積を増加させるために、ユニークなマルチファーケーティング設計（multi-furcating design）を採用することもできる。マルチファーケーティング設計は、２つの流体的に分離され、独立した、超平行流体ドメイン（two fluidically-isolated, independent, massively parallel fluid domains）を含む。マルチファーケーティング設計を有する接触器１１２、１１４は、従来の接触器よりも大きな表面／重量比及びはるかに低い圧力損失を有する構造への製造、及び吸着剤の統合を可能にする付加製造の独自の機能を使用して形成され得る。各接触器１１２、１１４の平行流体ドメインは、以下を含む。（ｉ）流体的に分離され、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン（a first fluidically-isolated, sorbent-integrated, fluid domain）１５０、及び（ｉｉ）第２の流体的に分離された流体ドメイン（a second fluidically-isolated, fluid domain）１５２。それぞれが流体の流れのための流体流路又はチャネルを規定する。本明細書で使用する「流体的に分離された（fluidically-isolated）」という用語は、流体の混合又はその間の直接接触を防止するように、各領域を通る流体を別の領域内の流体から隔離することを意図している。運転の吸着段階の間、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン１５０は、第１の流体流１５４、より詳細には入口ガス流１０６の流れを提供し、ＣＯ２吸着を行う。第２の流体的に分離された流体ドメイン１５２は、第２の流体流１５６、特に高温ガス流１０８の流れを提供し、操作の脱着段階において、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン１５０への熱の伝達を介して、脱着を補助する。

第１の流体ドメイン１５０は、第１の流体流路１５４、より詳しくは入口ガス流路１０６の流れとＣＯ２吸着のための吸着剤一体型流路又は流路１５８をその中に画定する。第２の流体ドメイン１５２は、吸着剤一体型流路１５８、より詳細には第１の流体ドメイン１５０への顕熱（sensible heat）の伝達を介して脱着（desorption：脱離）を促進するための第２の流体流路、又は流路、より詳細には加温チャネル（warming channel）１６０を規定する。また、第２の流体的に分離された流体ドメイン１５２は、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン１５０と熱的に連通している。

運転中、第１の流体流１５４は、まず吸着剤一体型流路１５８、より詳しくは第１の流体ドメイン１５０に導かれる。ここで、ＣＯ２は、吸着材１６２がその最大ＣＯ２吸着容量（full CO2 adsorption capacity：フルＣＯ２吸着量）に達するまで、吸着材１６２に吸着される。実施形態では、吸着剤材料１６２は、有機金属骨格（ＭＯＦ：metal-organic frameworks）、ＣＯＦ－Ａ１などの共有結合有機骨格（ＣＯＦ：covalent organic frameworks）、Ｂ－ＳＳＺ－１３などのゼオライト（zeolites）；ＮＨ２含浸材料（NH2 impregnated materials）などから構成され得る。一実施形態において、吸着剤統合チャネル１５８は、吸着剤材料１６２で被覆されてもよく、吸着剤材料１６２で装填／充填（loaded/filled）されてもよく、又は吸着剤材料１６２で形成／作製されてもよい。別の実施形態では、設計は、接触器、より詳細には、第１の流体ドメイン１５０を吸着剤自体から作製すること（例えば、バインダージェット（Binder Jet）を使用することにより）、及び接触器流路の一部を疎水性コーティング（hydrophobic coating）、例えば、シリカナノコーティング、フッ素化シラン、フッ素ポリマーコーティング（silica nano-coating, fluorinated silanes and fluoropolymer coatings）でコーティングして、再生／脱着サイクル（regeneration/desorption cycle）中に吸着剤と蒸気が直接接触するのを防止することを含むことができる。図示されているように、ＣＯ２枯渇流１２８は、第１の流体流１５４からのＣＯ２の吸着に続いて、第１の流体ドメイン１５０から出力される。

図２に示されるように、脱着はサイクルＢにおいて接触器１１２内で行われる。このステップの間、吸着剤一体型流路１５８（図１）を流れる入口ガスの第１の流体流１５４は、ゲート１１８を介して遮断され、高温ガスの流れ、より詳細には第２の流体流１５６が、第２の流体ドメイン１５２によって画定された加温流路１６０を介して開放され、第１の流体ドメイン１５０において脱着（desorption：脱離）を提供する。一実施形態において、第２の流体流１５６は、第１の流体流１５４よりも高い温度を有する。好ましい実施形態では、第２の流体流１５６は８５℃より高い温度を有する。これにより、適切な温度勾配がもたら（drives an appropriate temperature gradient）され、第２の流体流１５６から第１の流体ドメイン１５０内の吸着剤材料１５８への熱伝達が行われ、脱着が開始される。吸着剤一体型流路１５８の温度が８５℃に達すると、吸着剤１６２はＣＯ２を放出し、真空ポンプ１３４により第１の流体ドメイン１５０から吸引される。

本開示のＣＯ２回収システム１００、２００は、ＭＯＦ、ＣＯＦ、ゼオライト、ＮＨ２含浸材料など（MOFs, COFs, zeolites, NH2 impregnated materials, and others）の吸着剤材料１６２のための任意の周知の吸着剤材料を有する接触器１１２、１１４などの少なくとも１つの接触器を構成することができる。このシステムは、吸着材１６２及び接触器１１２、１１４を適切な分圧で利用し、入口ガス又は第１の流体流１５４からＣＯ２を吸収することができる。

２つの接触器、すなわち図１及び図２、同様に図３及び図４の第１の接触器１１２及び第２の接触器１１４の代わる代わるのサイクル（alternative cycling）の使用は、各接触器が超平行流体ドメイン（massively parallel fluid domains）を有する連続的なＣＯ２除去のために、低圧力降下をもたらし、流体の分離はＣＯ２流の汚染を回避し、間接的な熱交換を提供する。接触器は、例えばバインダージェット技術などのアディティブ技術（付加製造技術）や、その他の製造手段を用いて製造することができる。ここに説明されたシステムは、幅広い低エネルギー要件（wide range of low energy requirements）で作動する能力を提供することで、商業的な利点を提供する。この技術は、商業ビルの屋上など、風速の高い場所でも導入可能である。その他の市場機会としては、民生用ＣＯ２、産業用ＣＯ２の回収、海水淡水化（consumer CO2, industrial CO2 capture and desalination）などが考えられる。

ＣＯ２回収システム１００は、図１～４に断面図で（in cutaway）示されている。図１～４は、個々の接触器１１２、１１４及びそこを通る流体流の流れを明らかにするために、切断して示している。先に主張したように、ＣＯ２回収システム１００、２００は、単一の接触器又は任意の数の接触器を含むことができ、所与のシステムで使用するために選択される接触器の数は、入口ガス流１０６中のＣＯ２の濃度、入口ガス流１０６の体積、連続運転の希望（desire for continuous operation）などに少なくとも部分的に依存する。したがって、第１の接触器、及び少なくとも１つの追加の接触器を含む実施形態が予想される。第１及び第２の接触器を含む実施形態は、説明を容易にするために本明細書に図示されている。

本明細書で説明するＣＯ２回収システムの様々な実施形態は、より少ないエネルギーで、より低コストで、周囲空気などの入口ガスからＣＯ２を抽出する能力を劇的に向上させる。濃縮器の使用は、接触器全体の低圧力降下（low pressure drop）と組み合わされ、ＣＯ２回収システムをパッシブモードで作動させ、エネルギー要件を削減する。接触器と吸着剤を統合し、脱着を助けるために吸着剤流路に顕熱を移動させることで、ＣＯ２の流れは、顕熱を供給するために使用される流体で汚染されることなく生成される。一例として、入口ガス中のＣＯ２の熱的回収を可能にする接触器マルチファーケーション設計（contactor multi-furcating design）の使用は、システム全体の運転コストを削減する。連続的なＣＯ２除去のために、少なくとも２つの接触器の代わる代わるのサイクル（alternative cycling：代替サイクル）を使用することで、各接触器がマルチファーケーティング設計を含み、特に超並列流路（massively parallel channels）を含む場合、圧力損失が低くなり、本明細書で説明した間接的な熱交換が可能になり、ＣＯ２回収システムにおける効果的なエネルギー移動を助ける。したがって、本明細書で説明するＣＯ２回収システム及び接触器の設計の様々な実施形態は、入口ガス流からＣＯ２流を生成する、燃料効率の高い２サイクルシステムのアーキテクチャを提示する。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で開示される範囲は、範囲の端点及びすべての中間値を包含し、組み合わせ可能である。「組み合わせ」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを包含する。さらに、本明細書において、「第１の」、「第２の」などの用語は、いかなる順序、量、又は重要性を示すものではなく、むしろ、１つの要素を他の要素と区別するために使用され、本明細書において、「ａ」及び「ａｎ」という用語は、量の限定を示すものではなく、むしろ、参照される項目の少なくとも１つの存在を示す。量に関連して使用される修飾語「約」は，記載された値を包含し，文脈によって指示される意味を有する（例えば，特定の量の測定に関連する誤差の程度を含む）。本明細書で使用される接尾辞「（ｓ）」は、それが修飾する用語の単数形及び複数形の両方を含むことを意図しており、それによってその用語の１つ以上を含む（例えば、着色剤（ｓ）は１つ以上の着色剤を含む）。明細書全体を通して「一実施形態」、「別の実施形態」、「一実施形態」等への言及は、実施形態に関連して記載される特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／又は特性）が、本明細書に記載される少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態に存在してもしなくてもよいことを意味する。加えて、記載された要素は、様々な実施形態において任意の好適な方法で組み合わせることができることを理解されたい。

他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明の実施形態が属する技術分野における当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術及び本開示の文脈における意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において明示的にそのように定義されない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味で解釈されないことが理解されるであろう。

本開示は、例示的な実施形態を参照して説明されてきたが、当業者には、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、その要素に等価物を代用することができることが理解されるであろう。さらに、本開示の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本開示の教示に適合させるために多くの変更を行うことができる。したがって、本開示は、本開示を実施するために企図された最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本開示は、添付の特許請求の範囲に属する全ての実施形態を含むことが意図される。

１００、２００：ＣＯ２回収システム １０２、２０２：第１のサイクル １０４、２０４：第２のサイクル １０６：第１の流体流 １０８：第２の流体流 １１０：第１の流体流入口 １１２：第１の接触器 １１４：第２の接触器 １１６：濃縮器 １１８：ゲート １２０：濃縮器 １２２：入口 １２４：出口 １２７：第２の流体流入口 １２８：ＣＯ２枯渇流 １２９：出口 １３０：第２の流体流出口 １３２：ＣＯ２流 １３３：出口 １３４：真空ポンプ １３６：空気冷却器 １３８：水分 １４０：ポンプ １４２：蒸気凝縮収集容器 １４４：ボイラ １５０：第１の流体ドメイン １５２：第２の流体ドメイン １５４：第１の流体流 １５６：第２の流体流 １５８：吸着剤でコーティングされたチャネル １６０：加温チャネル １６２：吸着剤材料 １７２：ファン ２０２：圧縮機

Claims (10)

1. 二酸化炭素（ＣＯ２）回収システム（１００）であって、
   ＣＯ２回収システム（１００）に第１の流体流（１０６）を流入させる第１の流体流入口（１１０）と、
   ＣＯ２回収システム（１００）に第２の流体流（１０８）を流入させる第２の流体流入口（１２７）と、
   ＣＯ２回収システム（１００）からのＣＯ２枯渇流（１２８）の流れを提供する出口（１２９）と、
   ＣＯ２回収システム（１００）からのＣＯ２流（１３２）の流れを提供する出口（１３３）と、
   第１の流体流（１０６）と流体連通する少なくとも１つの濃縮器（１１６）と、
   を含む、ＣＯ２回収システム（１００）。
2. 第１の流体流入口（１１０）及び第２の流体流入口（１２７）と流体連通している第１の接触器（１１２）と、
   第１の流体流入口（１１０）及び第２の流体流入口（１２７）と流体連通する少なくとも１つの追加の接触器（１１４）と、
   をさらに含み、
   第１の接触器（１１２）及び少なくとも１つの追加の接触器（１１４）の各々は、その中に、
   第１の流体流（１０６）の流れ及びＣＯ２吸着のための、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン（１５０）と、
   第２の流体の流れ（１０８）のための、第２の流体的に分離された流体ドメイン（１５２）とを画定し、
   第２の流体的に分離された流体ドメイン（１５２）は、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン（１５０）と熱的に連通している、
   請求項１に記載のＣＯ２回収システム（１００）。
3. 第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン（１５０）が、吸着剤でコーティングされたチャネル（１５８）を画定する、請求項２に記載のＣＯ回収システム（１００）。
4. 第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン（１５０）は、吸着剤材料で満たされたチャネル（１６２）によって画定される、請求項２に記載のＣＯ回収システム（１００）。
5. 少なくとも１つの追加の接触器が、第１の流体流入口（１１０）及び第２の流体流入口（１２７）と流体連通する第２の接触器（１１４）を備え、第１の接触器（１１２）及び第２の接触器（１１４）が、連続動作のための代替サイクルで動作するように構成される、請求項２に記載のＣＯ２回収システム（１００）。
6. 第２の接触器（１１４）が脱着ユニットとして動作するように構成されているときに、第１の接触器（１１２）は吸着ユニットとして動作し、第２の接触器（１１４）が吸着ユニットとして動作するときに、第１の接触器（１１２）は脱着ユニットとして動作するように構成されている、請求項５に記載のＣＯ２回収システム（１００）。
7. 第１の流体流（１０６）がＣＯ２含む周囲空気であり、第２の流体流（１０８）が蒸気である、請求項２に記載のＣＯ２回収システム（１００）。
8. 第１の流体流（１０６）がＣＯ２を含む燃焼後ガスであり、第２の流体流（１０８）が蒸気である、請求項２に記載のＣＯ２回収システム（１００）。
9. 二酸化炭素（ＣＯ２）回収システム（１００）であって、
   ＣＯ２回収システム（１００）への第１の流体流（１０６）の流れを提供する第１の流体流入口（１１０）と、
   ＣＯ２回収システム（１００）への第２の流体流（１０８）の流れを提供する第２の流体流入口（１２７）と、
   第１の流体流入口（１１０）及び第２の流体流入口（１０８）と流体連通する第１の接触器（１１２）と、
   第１の流体流入口（１１０）及び第２の流体流入口（２７）と流体連通する第２の接触器（１１４）と、
   を備え、
   第１の流体流（１０６）は入口ガスを含み、
   第２の流体流（１０８）は入口ガスよりも高い温度を有するガスを含み、
   第１の接触器（１１２）と第２の接触器（１１４）の各々は、その中に
   第１の流体流（１０６）の流れ及びＣＯ２吸着のための、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン（１５０）と、
   第２の流体の流れ（１０８）のための、第２の流体的に分離された流体ドメイン（１５２）とを画定し、
   第２の流体的に分離された流体ドメイン（１５２）は、第１の流体的に分離された吸着剤一体型の流体ドメイン（１５０）と熱的に連通している、ＣＯ２回収システム（１００）。
10. 二酸化炭素（ＣＯ２）回収システム（１００）の入口ガス（１０６）からＣＯ２を除去する方法であって、
    ＣＯ２回収システム（１００）に、第１の流体流入口（１１０）を介して第１の流体流（１０６）を入力するステップであって、第１の流体流（１０６）は、ＣＯ２含有入口ガス（１０６）を含み、第１の流体流入口（１１０）は、第１の流体流（１０６）と流体連通する濃縮器（１１６）を含む、ステップと、
    ＣＯ２回収システム（１００）に、第２の流体流入口（１２７）を介して第２の流体流（１０８）を入力するステップであって、第２の流体流（１０８）は、ＣＯ２含有入口ガス（１０６）よりも高い温度を有するガスを含む、ステップと、
    ＣＯ２回収システム（１００）から、ＣＯ２枯渇流（１２８）及びＣＯ２流（１３２）を出力するステップと、
    を含む方法。