JP4880098B1 - 炭素捕捉および隔離のシステムならびに方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2008年10月8日に出願された米国特許出願第12/247,902号に対する優先権を主張し、この出願は本明細書においてその全体が参照として援用される。
本発明は、炭素捕捉および隔離のシステムおよび方法に関する。
二酸化炭素(CO2)放出(emission)の捕捉および隔離は、かかる放出の気候変動の結果が制御または縮小できる場合は著しく改善される必要がある。燃焼および産業プロセス、特に発電所の燃焼排ガス(flue gas)から生ずるCO2は、恐らく最大の単独の温室効果ガスの放出である。ほとんどの現存する炭素捕捉および隔離方法は、2ステップの取り組みをしている。第1は、燃焼排ガスまたはその他のガス放出源からCO2を分離するための方法が探求される。これらには、液体の溶媒、固体のゼオライトまたはさまざまな膜中へのCO2の捕捉が挙げられ得る。しかし、その捕捉媒体は、そのCO2を大気中に放出(release)することなく再生される必要があり、これは標準的な物理的分離プロセスで達成するのは困難である。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
(項目1)
二酸化炭素を捕捉または隔離する方法であって、
実質的に非水性の溶媒およびアルカリを混合し、その結果、前記溶媒とアルカリとが溶媒懸濁液を形成するステップと、
水、および二酸化炭素を含有する燃焼排ガスを前記溶媒懸濁液と共に混合し、その結果、反応が起こり、前記反応が、炭酸塩、水および熱の形成をもたらすステップと
を含む方法。
(項目2)
前記反応に由来する前記水が、前記溶媒と共に溶液を形成し、
水と溶媒との前記溶液を除去するステップと、
前記水を前記溶媒から分離するステップと、
分離した前記溶媒を前記アルカリと再度混合して、その結果、前記溶媒とアルカリが溶媒懸濁液を形成するステップと、
分離した前記水を前記溶媒懸濁液に戻して前記反応を継続するステップと
をさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記炭酸塩が溶液から沈殿する、項目1に記載の方法。
(項目4)
沈殿した前記炭酸塩を機械的に除去する、項目3に記載の方法。
(項目5)
前記溶媒がアルコールである、項目1に記載の方法。
(項目6)
前記アルコールがメタノールである、項目5に記載の方法。
(項目7)
前記アルカリが、前記メタノールと反応してメトキシドを形成する、項目6に記載の方法。
(項目8)
前記溶媒中に灰を導入するステップをさらに含み、前記アルカリが前記灰の成分である、項目7に記載の方法。
(項目9)
前記水を前記溶媒から分離するステップが、水と溶媒との前記溶液を冷やし、その結果、前記水が低温乾燥槽の底部に実質的に沈降し、そして前記溶媒が、前記低温乾燥槽の上部に実質的に上昇するステップを含む、項目2に記載の方法。
(項目10)
前記水を前記溶媒から分離するステップが、水と溶媒との前記溶液に熱を加えるステップと、部分真空を用いて蒸気状態の溶媒を高温蒸留槽から取り除くステップと、前記蒸気状態の溶媒を凝縮させるステップとを含む、項目2に記載の方法。
(項目11)
前記燃焼排ガスが、窒素をさらに含有し、
前記窒素を圧縮するステップと、
熱交換器に冷媒を供給するステップと、
前記熱交換器中の前記窒素を冷やして、その結果、前記窒素が実質的に液化するステップと
をさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目12)
実質的に液化した前記窒素から冷却を回収するステップと、
回収した前記冷却を用いて前記水を前記溶媒から分離するために冷却することを提供するステップと
をさらに含む、項目11に記載の方法。
(項目13)
実質的に液化した前記窒素の第1部分を圧縮するステップと、
実質的に液化した前記窒素の前記第1部分を加熱するステップと、
加熱した圧縮された前記窒素を発電所の蒸気サイクルに指し向けて前記発電所の出力を高めるステップと、
をさらに含む、項目11に記載の方法。
(項目14)
実質的に液化した前記窒素の第2部分を保存するステップと、
実質的に液化した前記窒素を加圧するステップと、
加圧した実質的に液化した前記窒素を蒸発させるステップと、
加圧し蒸発させた前記窒素を、高温ガスエキスパンダを通して指し向けて発電所の出力を高めるステップと
をさらに含む、項目11に記載の方法。
(項目15)
炭素捕捉および隔離システムであって、
アルカリが実質的に非水性の溶媒と混合されて懸濁液を形成する混合槽と少なくとも1つの反応槽とを含む炭素捕捉アセンブリであって、前記反応槽が前記混合槽と流体接続されており、その結果、前記反応槽は、第1の投入により前記混合槽からアルカリと溶媒との前記懸濁液を受け、第2の投入により二酸化炭素を含有する燃焼排ガスを受け、ならびに第3の投入により水を受け、その結果、炭酸、炭酸塩、水および熱が前記反応槽内に形成される、炭素捕捉アセンブリ、および
前記反応槽に流体接続されている溶媒再生アセンブリであって、前記溶媒再生アセンブリは、少なくとも1つの熱交換器、前記熱交換器と流体接続している低温乾燥槽、および前記低温乾燥槽と流体接続している高温蒸留槽を含む、溶媒再生アセンブリ
を含むシステム。
(項目16)
前記炭素捕捉アセンブリが、前記反応槽に流体接続している溶媒凝縮装置をさらに含む、項目15に記載のシステム。
(項目17)
前記炭酸塩が、溶液から沈殿する、項目15に記載のシステム。
(項目18)
前記炭素捕捉アセンブリが、沈殿した前記炭酸塩を前記反応槽から除去するための機械装置をさらに含む、項目17に記載のシステム。
(項目19)
前記溶媒がメタノールであり、前記アルカリが、前記メタノールと反応してメトキシドを形成する、項目15に記載のシステム。
(項目20)
前記水が、前記反応槽中で前記溶媒と溶液を形成し、
水と溶媒との前記溶液が、前記反応槽から除去されて、前記溶媒再生アセンブリに指し向けられ、
前記水が、前記溶媒再生アセンブリによって前記溶媒から分離され、
分離された前記溶媒および分離された前記水が、前記混合槽に戻され、そして
前記分離された水が、前記反応槽に戻されて前記反応が継続される、
項目15に記載のシステム。
(項目21)
前記溶媒再生アセンブリが、水と溶媒との前記溶液を冷やすことによって前記溶媒から前記水を分離し、その結果、前記水が前記低温の乾燥槽の底部に実質的に沈降し、そして前記溶媒が、前記低温乾燥槽の上部に実質的に上昇する、項目20に記載のシステム。
(項目22)
前記溶媒再生アセンブリが、水と溶媒との前記溶液に熱を加え、部分真空を用いて蒸気状態の溶媒を前記高温蒸留槽から取り除き、および前記蒸気状態の溶媒を凝縮させることによって前記溶媒から前記水を分離する、項目20に記載のシステム。
(項目23)
灰が、前記溶媒中に導入され、そして前記アルカリが、前記灰の成分である、項目15に記載のシステム。
(項目24)
前記燃焼排ガスが、窒素をさらに含有する、項目15に記載のシステムであって、前記システムが、
前記窒素を実質的に液化し、実質的に液化した前記窒素から冷却を回収する窒素液化アセンブリ
をさらに含み、
回収した前記冷却が、前記溶媒再生アセンブリのための冷却を提供するために使用される、
システム。
(項目25)
前記溶媒再生アセンブリが、前記実質的に液化した窒素の第1部分を加熱し、および加熱した前記窒素を発電所の蒸気サイクルに指し向けて前記発電所の出力を高め、
保存装置が、前記実質的に液化した窒素の第2部分を保存し、前記実質的に液化した窒素の前記第2部分を放出し、および前記実質的に液化した窒素の前記第2部分を、高温ガスエキスパンダを通して指し向けて発電所の前記出力を高める、
項目24に記載のシステム。
(項目26)
燃焼排ガスの化学成分を分離する方法であって、
実質的に非水性の溶媒とアルカリとを混合し、その結果、前記溶媒とアルカリとが溶媒懸濁液を形成するステップと、
水と、二酸化炭素および窒素を含有する燃焼排ガスとを前記溶媒懸濁液に導入するステップと、
前記溶媒懸濁液中の前記アルカリを前記水および前記燃焼排ガス中の前記二酸化炭素と接触させ、その結果、反応が起こり、前記反応が、炭酸塩、水および熱の形成をもたらすステップと、
前記窒素を圧縮および冷やすことによって、前記窒素の一部を実質的に液化するステップと
を含む方法。
(項目27)
実質的に液化した前記窒素から冷却を回収するステップと、
前記回収した冷却を用いて前記水を前記溶媒から分離するために冷却することを提供するステップと
をさらに含む、項目26に記載の方法。
(項目28)
実質的に液化した前記窒素の第1部分を圧縮するステップと、
実質的に液化した前記窒素の前記第1部分を加熱するステップと、
加熱した圧縮された前記窒素を発電所の蒸気サイクルに指し向けて、前記発電所の出力を高めるステップと、
実質的に液化した前記窒素の第2部分を保存するステップと、
前記実質的に液化した窒素の前記第2部分を蒸発させるステップと、
前記実質的に液化した窒素の前記第2部分を、高温ガスエキスパンダを通して指し向けて発電所の出力を高めるステップと
をさらに含む、項目26に記載の方法。
以下の段落において、本発明の実施形態を、縮尺通りには描かれておらず、説明されているコンポーネントが必ずしも互いに比例して描かれてはいない添付の図面を参照しながら例として詳細に説明する。この説明を通して、示されている実施形態および例は、本発明についての限定としてよりはむしろ例示として考えるべきである。本明細書で使用される「本発明」とは、本明細書に記載されている本発明の実施形態の任意の1つおよび任意の均等物を指す。さらに、この文書を通して、本発明のさまざまな態様への言及は、すべての特許請求された実施形態または方法が言及した態様を含まなければならないことを意味するものではない。温度、圧力、密度およびその他のパラメーターへの言及は、本発明の実施形態の能力の代表および実例として考えるべきであり、そして実施形態は多種多様なそのようなパラメーターによって操作することができる。注意すべきは、図が、すべての設備、またはさまざまな流れの圧力、温度および流速を示していないことである。
アンモニア(無水)、NH3 → 炭酸アンモニウム、(NH4)2CO3
水素化リチウム、LiH → 炭酸リチウム、Li2CO3
水酸化リチウム、LiOH → 炭酸リチウムLi2CO3
水素化マグネシウム、MgH2 → 炭酸マグネシウム、MgCO3
水酸化マグネシウム、Mg(OH)2 → 炭酸マグネシウム、MgCO3
水素化カリウム、KH → 炭酸カリウム、K2CO3
水酸化カリウム、KOH → 炭酸カリウム、K2CO3
水素化ナトリウム、NaH → 炭酸ナトリウム、Na2CO3
水酸化ナトリウム、NaOH → 炭酸ナトリウム、Na2CO3
一実施形態は、場合により他のアルカリとの組合せで水素化カリウム(KH)を使用する。MgH2および灰を、CO2捕捉率を増すためにそのKHと組み合わせて使用することができる。カリウム、ナトリウム、マグネシウムの水素化物(それぞれ、KH、NaH、およびMgH)は、それらの水酸化物の相当物(KOH、NaOH、Mg(OH)2)より安上がりであり、それらの水素化物より水素化物単位当たりより多量の炭酸塩を生じて、それらの水素化物をより経済的にする。そのようなアルカリの組合せは、複数の混合槽および複数の反応槽を必要とする。いくらかの水素が、また、特定の水素化物使用の副生成物として生じ得る。例えば、メタノールに溶解した水素化物2ポンド毎に、NaHからは約930Lの水素が生じ、KHからは約560Lの水素が生じる。そのようなH2流は、放出はしないで、本発明の実施形態におけるいくつかの可能な場所の1つにおける燃料として使用される。例えば、そのH2流は、発電所の燃焼室に直接送ることができ、または、それは出力を高めるために使用されるN2流に対して付加的な熱を提供する補助ヒーター中で燃焼させることができる。そのアルカリおよび得られる炭酸塩の選択は、それらの炭酸塩に対する市場およびその炭酸塩の価値と対比したときのそのアルカリの相対的なコストに依存する。
(1)CO2 ガス←→CO2 溶液+HO−←→HCO3 −←→H2CO3またはCO3 2−
上の(1)における第1のステップは、二酸化炭素ガスの実質的に非水性の溶媒中への物理的溶解である。この溶解は、双頭の矢印によって示されているように可逆的である。(1)における第2ステップは、水または少量の炭酸塩を形成する塩基による、遊離形(炭酸、H2CO3)および炭酸イオンでのCO2の捕捉である。イオン形成は、その溶液のアルカリ度によって決まる。その反応は早く、ほとんど瞬間的である。その炭酸イオンは、底部に沈殿する金属塩(例えば、炭酸カルシウムまたは炭酸カリウム)としてその槽から除去され、したがってその反応の継続を可能にする。その溶液のアルカリ度およびその金属炭酸塩のその溶媒中の溶解性がその炭酸塩の形成および沈殿の速度を決定する。それ故、その反応の実際の操作は、その溶媒のアルカリ度、および選択された炭酸塩生成物の溶解性と関係するさまざまな流れの温度、圧力および流速を制御することによって最適化される。
Claims (11)
- 二酸化炭素を捕捉および隔離する方法であって、
非水性の溶媒およびアルカリを混合し、その結果、前記溶媒とアルカリとが溶媒懸濁液を形成するステップと、
反応槽中で、水、および二酸化炭素を含有する燃焼排ガスを前記溶媒懸濁液と共に混合し、その結果、反応が起こり、前記反応が、炭酸塩、水および熱の急速な形成をもたらすステップと
を含み、
得られた前記水は、前記溶媒と溶液を形成し、得られた前記炭酸塩は、乾燥しており、
前記得られた炭酸塩は、さらなる化学プロセスステップを必要とせずに溶液から沈殿し、前記反応槽の底部に沈降し、および前記反応槽の底部でいくらかの非水性の溶媒と一緒に蓄積する、
方法。 - 二酸化炭素を捕捉または隔離する方法であって、
メタノールおよびアルカリを混合し、その結果、前記メタノールとアルカリとが溶媒懸濁液を形成するステップと、
水、および二酸化炭素を含有する燃焼排ガスを前記溶媒懸濁液と共に混合し、その結果、反応が起こり、前記反応が、乾燥炭酸塩、水および熱の急速な形成をもたらすステップを含む方法。 - 前記得られた水は、前記メタノールと溶液を形成し、そして前記得られた炭酸塩は、さらなる化学プロセスステップを必要とせずに溶液から沈殿し、前記反応槽の底部に沈降し、および前記反応槽の底部でいくらかのメタノールと一緒に蓄積する、請求項2に記載の方法。
- 前記反応槽から水と溶媒との前記溶液の一部を連続的に除去するステップと、
前記水を前記溶媒から分離するステップと、
分離した前記溶媒に追加のアルカリを導入するステップと、
分離した前記溶媒を前記追加のアルカリと再度混合して、その結果、前記溶媒と追加のアルカリとが溶媒懸濁液を形成するステップと、
二酸化炭素を含む追加の燃焼排ガスを提供するステップと、
分離した前記水の一部を前記溶媒懸濁液に戻して前記反応を継続するステップと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記得られた炭酸塩が乾燥しているように、前記反応槽から水とメタノールとの前記溶液の一部を連続的に除去するステップと、
前記水を前記溶媒から分離するステップと、
分離した前記溶媒に追加のアルカリを導入するステップと、
分離した前記溶媒を前記追加のアルカリと再度混合して、その結果、前記メタノールと追加のアルカリとが溶媒懸濁液を形成するステップと、
二酸化炭素を含む追加の燃焼排ガスを提供するステップと、
分離した前記水の一部を前記溶媒懸濁液に戻して前記反応を継続するステップと
をさらに含む、請求項3に記載の方法。 - 前記溶媒がメタノールである、請求項1または4に記載の方法。
- 前記アルカリが、前記メタノールと反応してメトキシドを形成する、請求項2、3または6に記載の方法。
- 二酸化炭素および水が反応して炭酸を形成する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 灰が前記溶媒中に導入される前記アルカリの源であり、前記灰の1つ以上の成分がアルカリであり、そして前記灰は酸化鉄を含む1つ以上の金属酸化物を含み、前記炭酸は、前記アルカリと反応して、前記アルカリを中和する、請求項8に記載の方法。
- 前記炭酸と前記アルカリとの反応が、1つ以上の炭酸塩、酸化珪素および酸化鉄を含む生成物を生じる、請求項9に記載の方法。
- 前記水を前記溶媒から分離するステップが、低温乾燥槽中で、水と溶媒との前記溶液を冷やし、その結果、前記水が前記低温乾燥槽の底部に沈降し、そして前記溶媒が、前記低温乾燥槽の上部に上昇するステップを含む、請求項4、5、6、7、8、9、または10に記載の方法。
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