JP4759514B2 - 気体流れからco2を回収する方法 - Google Patents
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Description
本発明の1つの面に従い、供給ガス流れからCO2を回収する方法を提供し、この方法は、前記供給ガス流れにアミノ官能が約6.5から約9のpKaを示す少なくとも1種の第三級アミンである吸収剤を含んで成る再生吸収剤による処理を酸化防止剤の存在下で受けさせることでCO2が豊富な流れを得た後に前記CO2が豊富な流れに処理を受けさせることで再生吸収剤とCO2が豊富な産物流れを得ることを含んで成る。
1. 発熱吸収反応の逆(CO2が気相から凝縮して液相状態の溶液になる時の熱を包含)、
2. 液相から発生して気相の中に入り込むCO2を再生塔の塔頂から運び去るストリッピング用蒸気の発生、
3. CO2が豊富な吸収剤を再生温度にまで温める目的で用いられる熱の供給、そして
4. 再生塔および関連装置から失われる熱を補給するための熱の供給。
前記段階を実施するに適することが本技術分野で知られる如何なる方法も使用可能である。ストリッピング塔を用いた蒸気ストリッピングが特に好適な方法である。
BH+⇔B+H+ (1)
Ka=[B][H+]/[BH+]
pKa=−log10Ka
pKaは数値的に遊離塩基の濃度と共役酸の濃度が等しい時の溶液のpHに相当する。塩基とCO2の反応熱は塩基が強ければ強いほど高い。他方、塩基の強度は、これがCO2を吸収するには、CO2のイオン化(反応2および3)によってもたらされるpHの範囲内で緩衝するに充分なほど高くなければならない。
“H2CO3”⇔ H++HCO3 − (3)
CO2+H2O ⇔ H++HCO3 − (4)
正味の反応
仮想炭酸「H2CO3」が25℃で示すpKaは6.4である。炭酸がイオンに対して非常に不安定であると、結果として、それはそのまま明白には観察されず、CO2は炭酸の無水物と呼ばれる。重炭酸塩イオン(HCO3 −)は更にイオン化して炭酸イオン(CO3 =)とプロトン(H+)になるが、pKaは10.25であり、このことから、CO2洗浄工程の有効範囲の外側のpH値が要求されるであろう。実際のCO2捕捉工程では、CO2の吸収によって生じるプロトンと反応させる目的でアルカリ(反応5にBとして表される)を洗浄用液に添加して反応4を右側に押しやることで溶媒中のCO2濃度を高くすることが行われる:
CO2+H2O+B ⇔ BH++HCO3 − (5)
塩基Bが強ければ強いほど、反応熱が高くかつ反応5の平衡点が更に右側に移動する。しかしながら、このことは、また、CO2の蒸気圧が低いことが理由で反応を逆転させるのはより困難になることを意味する。CO2の蒸気圧が低いと、当該吸収剤を再生させかつCO2と蒸気[塔頂から塔頂冷却器(この中で蒸気の大部分が凝縮しそして還流として再生塔に戻される)に運び出される]の流れを生じさせる時に蒸気をより多い量で用いる必要がある。その上、反応5の熱を逆戻りさせる時に要する追加的蒸気を作り出す目的で更にエネルギーを供給する必要がある。
2R1R2NH+CO2 ⇔ R1R2NCO2 −H2N+R2R1 (6)
窒素上に水素原子を持たない第三級アミンは安定なカルバミン酸塩を形成せず、反応5に示すように、反応4で生じたプロトンと反応することで緩衝剤として働くのみである。生じた重炭酸アミン塩が含有するCO2とアミンの比率は1:1であり、従って潜在的に第一級もしくは第二級アミンよりも高い充填率を達成する。CO2がいろいろな溶媒に充填される率(吸収剤1モル当たりのCO2のモルの単位で表す)を表2に示す。
R1R2NCO2 −H2N+R2R1+H2O ⇔ R1R2NH2 +
+HCO3 −+R1R2NH (7)
その溶液にまた第三級アミンも存在していると、プロトン化した第二級アミンと第三級アミンが互いに平衡状態になることで、正味の結果として、CO2の水和が触媒作用を受けかつ第三級アミンの重炭酸塩が生じる:
R1R2NH2 ++R3R4R5N ⇔ R1R2NH+R3R4R5NH+ (8)
上で述べたように、第三級アミンは潜在的にCO2と約2:1(第一級および第二級アミンの場合のように)ではなく1:1で反応し得る。このように、少なくとも1種の第三級アミンと少なくとも1種の第二級アミンを用いることで、第三級アミンの反応速度が遅いと言った欠点を軽減またはなくすことができる。本発明の別の利点は、第二級アミンがCO2を迅速に吸収することで要求される質量移動装置の量が最小限である点にある。質量移動速度が速ければ速いほど吸収塔の大きさを小さくすることができることで必要な投資費用が低くなることは理解されるであろう。
(a)前記供給ガス流れにSO2洗浄用ループ内で1番目の吸収剤流れによる処理を受けさせることでSO2が豊富な流れとSO2が希薄な流れを得た後、前記SO2が豊富な流れに処理を受けさせることで1番目の再生吸収剤流れを得て、これをSO2洗浄用ループ内で用い、
(b)前記SO2が希薄な流れにCO2洗浄用ループ内で2番目の吸収剤流れによる処理を受けさせることでCO2が豊富な流れを得た後、前記CO2が豊富な流れに処理を受けさせることで2番目の再生吸収剤流れを得て、これをCO2洗浄用ループ内で用い、そして
(c)前記1番目と2番目の再生吸収剤流れの一方もしくは両方の少なくとも一部に処理を受けさせることで熱に安定な塩を除去する、
ことを含んで成り、ここで、前記洗浄用ループの各々で用いる吸収剤は少なくとも1種の第三級アミンと少なくとも1種の第二級アミンを活性剤として含んで成る。
(a)前記供給ガス流れにSO2吸収剤を用いたSO2除去段階を受けさせることでSO2が希薄な流れとSO2が豊富な吸収剤流れを回収し、
(b)前記SO2吸収剤に再生を1番目の温度、好適には80から110℃の温度で受けさせることで再生SO2吸収剤流れと1番目の蒸気流れを得、
(c)前記SO2が希薄な流れにCO2吸収剤を用いたCO2除去段階を受けさせることでCO2が希薄な流れとCO2が豊富な吸収剤流れを回収し、
(d)前記CO2吸収剤に再生を2番目の温度、好適には120から140℃の温度で受けさせることで再生CO2吸収剤流れと2番目の蒸気流れを得るが、
前記1番目の温度の方が前記2番目の温度より低いことから前記2番目の蒸気流れの少なくとも一部を前記SO2吸収剤の再生で用いることを含んで成る。
発明の詳細な説明
本発明に従うCO2捕捉方法の1つの態様の工程流れ図を図1に示す。図1を参照して、二酸化炭素含有供給ガス流れ1に処理を受けさせることでCO2が豊富な流れ8を得る。前記供給ガス流れ1は、CO2をガスが大気に放出される前にCO2を除去しておく処理を受けさせる必要がある濃度で含有する如何なる流れであってもよく、好適には排気流れ、例えば燃焼排気流れ、キルンガス、反射炉ガス、流動接触分解装置(FCC)触媒再生装置の排ガスなどである。
(a)両方の吸収段階とも同じ種類の気体−液体接触が適切なことから、両方を1基の槽(例えばチムニートレーで分離されている)内で実施することができること、
(b)貯蔵する必要がある化学品は1種類の吸収剤のみであること、
(c)SO2除去回路でSO2吸収を完全に行う必要はないことから、除去要求が厳しくないことが理由で投資費用および操作費用が節約されること[CO2回路の吸収剤と接触するガスにいくらか入っているSO2はpHが高いことが理由で完全に捕捉されて溶媒中に熱に安定な塩として残存する、即ちそれが副生成物であるCO2を汚染することはない]、
(d)CO2回路に由来するHSS含有吸収剤をSO2回路に流れ込ませそしてそれをSO2回路のHSS除去装置に由来する遊離塩基である吸収剤と交換することによって、
CO2捕捉回路の熱に安定な塩(SO2および恐らくは他の強い酸が入り込むことによる)の制御を安価に実施すること。
(a)CO2吸収剤の蒸気ストリッピング塔の前方に位置させた消化タンク内、
(b)CO2再生塔の塔および再沸騰装置内、または
(c)CO2再生塔の後方に位置させた消化タンク内。
(1)分流吸収装置を用い、通常の蒸気ストリッピングで生じさせた希薄吸収剤をそれの上部に供給しかつ前記吸収装置のずっと下方部分に濃厚溶媒の低圧でいくらか高温のフラッシュ(flash)で生じた半希薄吸収剤を供給する。
(2)KohlおよびNielsenが「Gas Purification」、A.KohlおよびR.Nielsen編集、第5版(1997)、Gulf Publishing Companyの59頁に記述した如き分流吸収装置および再生装置の使用。
(3)濃厚溶液ではCO2蒸気圧の方が水蒸気圧よりも速く上昇する傾向があることから、より高い圧力、従ってより高い温度で除去。
(4)効果が複数の除去装置形態(一方の効果で塔頂蒸気を用いてより低い圧力、即ち温度で機能する別の効果に熱を供給)の使用。
(5)熱い蒸気を吸収装置から流出させた後に再沸騰装置の管に通して前記再沸騰装置内の溶媒を沸騰させる蒸気/CO2蒸気の流れの温度を上昇させる目的で機械的蒸気再圧縮を使用。その蒸気を伝熱である程度凝縮させる。その2相混合物を熱交換器内で更に冷却することで更に蒸気を凝縮させる。その凝縮させた水を還流集積装置の槽の中で分離して、再生塔、好適にはフィードトレーの所に戻すことで、水と溶媒の均衡を維持するに役立てる。
3SO2+2H2O ⇒ 2H2SO4+S (9)
CO2の再生は同様な制限を受けないことから、CO2用溶媒には再生をより高い温度で受けさせることができる。それによって、その後、CO2再生に由来する塔頂蒸気(これはより熱い)をSO2再生時のストリッピング用蒸気を発生させる熱源として用いることができる。次に、その生じた凝縮液を還流としてCO2塔に戻す。図3に、SO2再生段階とCO2再生段階のエネルギー節約連結を示す。SO2とCO2を含有する供給ガスは洗浄塔の中に入り、そして気体−液体接触セクション101の中で蒸気で再生可能なSO2を吸収する溶液102と向流で接触することで最初にSO2濃度が低くなり、それに伴って、SO2が豊富な溶媒103がもたらされる。
実施例
Claims (26)
- 供給ガス流れからCO2を回収する方法であって、前記供給ガス流れにアミノ官能が約6.5から約9のpKaを示す少なくとも1種の第三級アミンである吸収剤を含んで成る再生吸収剤による処理を酸化防止剤の存在下で受けさせることでCO2が豊富な流れを得た後に前記CO2が豊富な流れに処理を受けさせることで再生吸収剤とCO2が豊富な産物流れを得、こゝで前記酸化防止剤がフリーラジカル捕捉剤としてチオ硫酸塩、及び/又は酸素捕捉剤として亜硫酸塩を含んで成る方法。
- 更に前記少なくとも1種の第三級アミンである吸収剤をメチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N,N’−ジ−(ヒドロキシアルキル)ピペラジン、N,N,N’,N’−テトラキス(ヒドロキシアルキル)−1,6−ヘキサンジアミン、第三級アルキルアミンスルホン酸およびこれらの混合物から成る群から選択することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 更に前記少なくとも1種の第三級アミンである吸収剤をメチルジエタノールアミン、N,N’−ジ−(2−ヒドロキシエチル)ピペラジン、N,N’−ジ−(3−ヒドロキシプロピル)ピペラジン、N,N,N’,N’−テトラキス(2−ヒドロキシエチル)−1,6−ヘキサンジアミン、N,N,N’,N’−テトラキス(2−ヒドロキシプロピル)−1,6−ヘキサンジアミン、第三級アルキルアミンスルホン酸、トリエタノールアミンおよびこれらの混合物から成る群から選択することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 前記第三級アルキルアミンスルホン酸を4−(2−ヒドロキシエチル)−1−ピペラジンエタンスルホン酸、4−(2−ヒドロキシエチル)−1−ピペラジンプロパンスルホン酸、4−(2−ヒドロキシエチル)−1−ピペラジンブタンスルホン酸、4−(2−ヒドロキシエチル)ピペラジン−1−(2−ヒドロキシプロパンスルホン酸)、1,4−ピペラジンジ(エタンスルホン酸)およびこれらの混合物から成る群から選択する請求項3記載の方法。
- 更に前記第三級アミンである吸収剤をそれが高純度化合物として120℃で約1mmHg未満の蒸気圧を示すように選択することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 前記吸収剤が更に少なくとも1種の第二級アミンも含んで成る請求項1記載の方法。
- 更に少なくとも1種のピペラジンを前記第二級アミンとして選択することも含んで成る請求項6記載の方法。
- 前記少なくとも1種の第二級アミンをピペラジン、N−(2−ヒドロキシエチル)ピペラジン、N−(ヒドロキシプロピル)ピペラジンおよびこれらの混合物から成る群から選択する請求項6記載の方法。
- 前記少なくとも1種の第二級アミンをピペラジン、N−(2−ヒドロキシエチル)ピペラジンおよびこれらの混合物から成る群から選択する請求項6記載の方法。
- 前記吸収剤が前記第三級アミンを10−50重量%と第二級アミンを1−40重量%含有する水溶液を構成している請求項6記載の方法。
- 前記吸収剤が前記第三級アミンを10−50重量%とピペラジンを0−8重量%とN−(2−ヒドロキシエチル)ピペラジンを1−30重量%含有していて残りが水である請求項6記載の方法。
- 前記CO2が豊富な流れに蒸気による処理を受けさせることで前記吸収剤を再生させる請求項1記載の方法。
- 更に前記吸収剤から熱に安定な塩の一部のみを除去することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 更にアルコール、アルカノールアミン、またはこれらの混合物を追加のフリーラジカル捕捉剤として選択することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 更に少なくとも1種のフェノールアミン系抗酸化剤または芳香族アミン系抗酸化剤を追加のフリーラジカル捕捉剤として選択することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 更に重亜硫酸塩を追加の酸素捕捉剤として選択することも含んで成る請求項14記載の方法。
- 前記酸化防止剤が酸素捕捉剤とフリーラジカル捕捉剤の混合物を含んで成る請求項1記載の方法。
- 更に前記吸収剤中の酸化防止剤濃度を酸素分子による前記吸収剤の酸化を本質的に防止するに充分な濃度に維持することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 更に金属イオンの触媒作用による前記吸収剤の酸化を軽減する目的でキレート剤を添加することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 更に金属イオンの触媒作用による前記吸収剤の酸化が軽減されるように多価金属イオンを除去する目的で前記吸収剤にイオン交換段階を受けさせることも含んで成る請求項1記載の方法。
- 前記吸収剤が溶液の状態でありそして更にO2が前記溶液の中で示す溶解度を低くする目的で前記溶液中の吸収剤または塩の濃度を高くすることも含んで成る請求項1記載の方法。
- 前記供給ガス流れが更にNOxも含有しそして更に前記供給ガス流れに処理を受けさせることで前記NOxの少なくとも一部を除去することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 前記供給ガス流れが更にNOxも含有しそして更に前記NOxと反応して窒素分子、スルホン化アンモニア化学品および硫酸塩および/またはジチオン酸塩イオンを含んで成る反応生成物をもたらす反応体を供給し、前記CO2が豊富な流れに処理を受けさせることで硫酸塩および/またはジチオン酸塩イオンを除去しかつ前記反応体を再生させそして前記再生させた吸収剤のpHを約7から約9.5に調整することも含んで成る請求項1記載の方法。
- 更に前記反応体を金属キレート、亜硫酸塩およびこれらの混合物から成る群から選択することも含んで成る請求項21記載の方法。
- 更に前記金属キレートをニトリロトリ酢酸鉄、エチレンジアミンテトラ酢酸鉄、ジエチレントリアミンペンタ酢酸鉄およびこれらの混合物から成る群から選択することも含んで成る請求項21記載の方法。
- 酸化防止剤が吸収剤の酸化損失を、CO2捕捉に有効でない種に劣下する度合が、アミン総仕込量の5%/月未満に制限するに充分な濃度、に維持する請求項1記載の方法。
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