(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質燃料の燃焼およびＣＯ２捕捉による発電方法であって、酸素含有ガスの存在下、加圧下で前記炭素質燃料が燃焼チャンバー（２）の中で燃焼され、燃焼ガスは、前記燃焼チャンバーの中に具えられたヒートパイプ内部でのスチームの発生により前記燃焼チャンバーの中で冷却され、排出ガスは、排出ガスパイプ（９）を通して、熱交換器（１０）および排出ガス処理ユニット（１１、１２）を経て前記燃焼チャンバーから抜き取られ、直接接触冷却器（１５）が、前記直接接触冷却器の底部で集められた水の再循環および前記冷却器の頂部での前記冷却水の再導入のために水リサイクルパイプ（１６）に接続されており、前記冷却器において、部分的に冷却された前記排出ガスは、水との向流によってさらに冷却され加湿され、前記排出ガスは、清浄排気パイプ（１８）を通して前記直接接触冷却器から抜き取られて、ＣＯ２吸収塔（１９）へと導入され、前記吸収塔（１９）へ、希薄吸収剤が、前記吸収塔内の上側の接触ゾーン（１９”’）の上で導入され、前記排出ガスは液体ＣＯ２吸収剤に対して向流として流れるようにされて、前記ＣＯ２吸収塔の底部で集められ前記ＣＯ２吸収塔の底部からリッチ吸収剤パイプ（３０）の中に抜き取られるリッチ吸収剤と、前記吸収塔（１９）に接続されている希薄排気パイプ（２０）を通して前記吸収塔の頂部から抜き取られるＣＯ２が希薄な排出ガスとを与え、前記希薄排出ガスは、洗浄セクションで洗浄され、熱交換器で加熱され、電力を生成するためにタービンを介して膨張され、そのあと大気中へと放出され、前記リッチ吸収剤パイプ（３０）は、前記吸収剤を再生して、前記希薄吸収剤が吸収塔（１９）へと圧送される希薄吸収剤リサイクルライン（３５）を通して抜き取られる希薄吸収剤と、さらに処理されて清浄ＣＯ２を与えるＣＯ２流とを与えるために前記リッチ吸収剤をストリッピング塔（３２）へと導入するために接続されており、前記ＣＯ２流は、前記ストリッピング塔（３２）の頂部に具えられる直接接触冷却器（６６）を通って流れる冷却流体と接して冷却され、水が、前記直接接触冷却器（６６）の下に具えられる捕集板（６５）で集められ、集められた水を抜き取るために水リサイクルライン（７０）が配置され、前記再循環パイプ（１６）の中の循環する直接接触冷却器冷却水は、前記再循環パイプ（１６）の中に設けられた熱交換器（１７）で冷却され、冷却水は、前記熱交換器（１７）に接続されている水リサイクルパイプ（７０、７０’）を通して、それぞれ送達されおよび抜き取られ、前記熱交換器（１７）から水リサイクルライン（７０’）を通して抜き取られた水は、フラッシュバルブ（７３）およびフラッシュタンク（７４）を介してフラッシュ蒸発され、前記フラッシュタンク（７４）からの水は、前記水をストリッピング塔直接接触冷却器（６６）での洗浄液としてリサイクルするために、ライン（７８）を通して抜き取られ、フラッシュタンクの中の蒸気は、さらなるストリッピング蒸気として、前記フラッシュタンク（７４）に接続されている蒸気ライン（７７）を通して前記ストリッピング塔に導入される、発電方法。
【請求項２】
パイプ（７０’）の中の流体は、圧縮されたＣＯ２およびスチームを冷却するために設けられた熱交換器（４８）で加熱され、その後、パイプ（７０’）の中の前記流体は、フラッシュバルブ（７３）を介して導入され、フラッシュ蒸発される、請求項１に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素質燃料の燃焼からの排出ガスなどのＣＯ２含有ガスからのＣＯ２捕捉の分野に関する。より具体的には、本発明は、ＣＯ２捕捉のためのプラントについてのエネルギー要求の低下のための、ＣＯ２捕捉に対する改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素質燃料、最も特定すれば化石燃料、の燃焼からのＣＯ２の放出は、大気中のＣＯ２の温室効果に起因して、大きな関心事である。大気へのＣＯ２排出量の減少を達成する１つのアプローチは、炭素質燃料の燃焼から生じる排出ガスからのＣＯ２捕捉および捕捉されたＣＯ２の安全な固定である。最近の１０年ほどの間にＣＯ２捕捉についての複数の解決策が示唆されてきた。
【０００３】
ＣＯ２捕捉のために提案された技術は、３つの主なグループに分類することができよう：
（１）ＣＯ２吸収：つまり、排出ガスからＣＯ２が可逆的に吸収されて、ＣＯ２が希薄な排出ガスが残され、吸収剤が再生されて、ＣＯ２が得られ、このＣＯ２がさらに処理され固定される。
（２）燃料転換：つまり、炭化水素燃料が水素およびＣＯ２へと変換（改質）される。ＣＯ２はこの水素から分離され安全に固定される一方で、水素は燃料として使用される。
（３）酸素燃焼：つまり、空気から分離された酸素の存在下で炭素質燃料が燃焼される。酸素を空気の代わりに使用することで、ＣＯ２およびスチームを主に含む排出ガスが残り、これが冷却およびフラッシュ蒸発（再蒸発ともいう）によって分離されてもよい。
【０００４】
特許文献１（ＳＡＲＧＡＳ  ＡＳ）（２００３年１２月３１日）は、高められた圧力のもとで炭素質燃料が燃焼され、この際、燃焼ガスは、燃焼チャンバーの中のスチームチューブにおけるスチームの発生によって燃焼チャンバーの内部で冷却され、ＣＯ２は吸収／脱着によって燃焼ガスから分離されて、希薄燃焼ガスおよび固定のためのＣＯ２が得られ、この希薄燃焼ガスは、そのあと、ガスタービンを介して膨張される、プラントを記載する。
【０００５】
特許文献２（ＳＡＲＧＡＳ  ＡＳ）（２００６年１０月１２日）は、燃料注入および排出ガス前処理を改良した石炭を燃やす加圧流動層燃焼プラントを記載する。
【０００６】
高められた圧力のもとでの炭素質燃料の燃焼および燃焼チャンバーからの加圧された燃焼ガスの冷却は、大気圧にある同量の煙道ガス（燃焼排ガス）よりも煙道ガスの体積を減少させる。加えて、この燃焼プロセスの高められた圧力および冷却により、実質的に化学量論の燃焼が可能になる。５体積％未満、例えば４体積％未満または３体積％未満、という残留酸素含有量を与える実質的に化学量論の燃焼によって、仕様の発電のために必要とされる空気の質量流量が下がる。空気の質量流量の減少と組み合わせた高められた圧力の結果として、処理されるべき排出ガスの全量がかなり減少する。加えて、これによって煙道ガスの中のＣＯ２の濃度および分圧が大幅に高まり、装置が大きく簡略化され、ＣＯ２を捕捉するために必要とされるエネルギーが減少する。
【０００７】
特許文献３は、船舶用ディーゼルエンジンからの排出ガスの中のＮＯｘおよびＳＯｘの量を除去または実質的に低下させるためのプラントおよび方法に関する。加えて、このような設備の中にＣＯ２除去のためのユニットを加えることが、図６および対応する説明に示されている。ＳＣＲユニットからのアンモニアスリップなどの不純物をガスから除去するために、スクラバーが具えられる。加えて、スクラバーの中の洗浄溶液を冷却するために冷却器が具えられる。しかしながら、この出願は、冷却器とプラントの中の他のプロセスとの間で熱を移すことによるエネルギー節約の方策に関しては何も触れてはいない。
【０００８】
特許文献４は、発電プラントのためのＣＯ２捕捉ユニットに関する。このＣＯ２捕捉ユニットでは、ストリッピング塔の底部から抜き取られた希薄吸収剤をフラッシュ蒸発することにより、再沸器の負荷を低減するためのスチームが発生される。発生したスチームは、さらに圧縮されてもよく、ストリッピング塔の下流のＣＯ２からスチームを分離するための経路にあるフラッシュタンクからの縮合物としてのさらなる水が加えられてもよい。しかしながら、ＣＯ２捕捉のエネルギー効率を改善するために、スチームの発生にストリッピング塔の頂部にある直接接触冷却器からの洗浄水を使用することも、流入する排出ガスについての直接接触冷却器の熱交換器でこの洗浄水をさらに加熱することも、言及されておらず示唆もない。
【０００９】
ＣＯ２捕捉のための方法およびプロセスのすべてが、大量にエネルギーを消費する。それゆえ、エネルギーの損失（比較的低い温度および圧力のスチームや冷却水の形態であることが多い）を低減するために、より少ないエネルギーしか消費しない方法およびプロセスの開発に、かなりの取り組みが向けられている。いくつかのプロセス工程を熱統合して、１つのステージで生成した熱が熱を要求するプロセスへと移されることを確実にするために、多くのアプローチがなされてきた。これらのアプローチの目標は、ＣＯ２が捕捉されるのと同時に炭素質燃料から電力を生成するためのよりエネルギー効率的な方法、プロセスおよびプラントを手にすることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２００４／００１３０１（Ａ）号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００６／１０７２０９（Ａ）号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２０１０／０２０６８４号パンフレット
【特許文献４】国際公開第２００９／０３５３４０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ＣＯ２捕捉を含む、発電プラントのエネルギー効率を改善する解決策がいまだ非常に大きく求められている。本発明の目的は、エネルギー効率を高めるための熱統合についての新規な改善された解決策を提供すること、すなわち、炭素質燃料として与えられた量の化学エネルギーから有用なエネルギーとして出力される熱および／または電気の量を最大にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、炭素質燃料の燃焼およびＣＯ２捕捉による発電方法であって、酸素含有ガスの存在下、加圧下で炭素質燃料が燃焼チャンバーの中で燃焼され、燃焼ガスは、燃焼チャンバーの中に具えられたヒートパイプ内部でのスチームの発生により燃焼チャンバーの中で冷却され、排出ガスは、排出ガスパイプを通して、熱交換器および排出ガス処理ユニットを経て燃焼チャンバーから抜き取られ、直接接触冷却器が、直接接触冷却器の底部で集められた水の再循環および冷却器の頂部での冷却水の再導入のために水リサイクルパイプに接続されており、当該冷却器において、部分的に冷却された排出ガスは、水との向流によってさらに冷却され加湿され、この排出ガスは、清浄排気パイプを通して直接接触冷却器から抜き取られて、ＣＯ２吸収塔へと導入され、この吸収塔へ、希薄吸収剤が、吸収塔内の上側の接触ゾーンの上で導入され、排出ガスは液体ＣＯ２吸収剤に対して向流として流れるようにされて、ＣＯ２吸収塔の底部で集められＣＯ２吸収塔の底部からリッチ吸収剤パイプの中に抜き取られるリッチ吸収剤と、この吸収塔に接続されている希薄排気パイプを通して吸収塔の頂部から抜き取られるＣＯ２が希薄な排出ガスとを与え、この希薄排出ガスは、洗浄セクションで洗浄され、熱交換器で加熱され、電力を生成するためにタービンを介して膨張され、そのあと大気中へと放出され、リッチ吸収剤パイプは、吸収剤を再生して、希薄吸収剤が吸収塔へと圧送される希薄吸収剤リサイクルラインを通して抜き取られる希薄吸収剤と、さらに処理されて清浄ＣＯ２を与えるＣＯ２流とを与えるためにリッチ吸収剤をストリッピング塔へと導入するために接続されており、このＣＯ２流は、ストリッピング塔の頂部に具えられる直接接触冷却器を通って流れる冷却流体と接して冷却され、水が、直接接触冷却器の下に具えられる捕集板で集められ、集められた水を抜き取るために水リサイクルラインが配置され、再循環パイプの中の循環する直接接触冷却器冷却水は、再循環パイプの中に設けられた熱交換器で冷却され、冷却水は、熱交換器に接続されている水リサイクルパイプを通して、それぞれ送達されおよび抜き取られ、この熱交換器から水リサイクルラインを通して抜き取られた水は、フラッシュバルブおよびフラッシュタンクを介してフラッシュ蒸発され、フラッシュタンクからの水は、この水をストリッピング塔直接接触冷却器での洗浄液としてリサイクルするために、ラインを通して抜き取られ、ストリッピングタンクの中の蒸気は、さらなるストリッピング蒸気として、フラッシュタンクに接続されている蒸気ラインを通してストリッピング塔に導入される、発電方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態の原理図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の原理図である。
【図３】冷却の際のＣＯ２／Ｈ２Ｏについてのエンタルピー変化  対  温度を説明する図である。
【図４】大気圧プラントを加圧プラントと比較して、煙道ガスについてのエンタルピー変化  対  温度を説明する図である。
【図５】希薄吸収剤に対する、Ｈ２Ｏについての温度  対  蒸気圧を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明に係るプラントの説明図である。炭素を含有する燃料（本願明細書中では、炭素質燃料とも呼ばれる）は、５〜５０ｂａｒゲージ圧（本願明細書中では、以降、ｂａｒｇと略す）の圧力で燃料パイプ１を通って加圧燃焼チャンバー２へと導入される。この燃焼チャンバーの中の圧力は、１０ｂａｒｇよりも上、例えば約１５ｂａｒｇなどが好ましい。
【００１５】
燃料は天然ガス、油、石炭、バイオ燃料またはいずれかの他の炭素リッチの燃料であってよく、燃料の導入および燃焼の方法は、当業者には周知のとおり、燃料の種類に依存する。
【００１６】
空気または酸素含有ガスは、空気導入口３を通ってコンプレッサー４へと導入される。コンプレッサー４は、共通のシャフト２５を介して電動機５またはガスタービン６によって駆動される（このあとさらに詳述される）。当業者なら、コンプレッサー４は、任意に個々のコンプレッサーまたはコンプレッサー工程の間に中間冷却器を具えた、直列に接続された１以上のコンプレッサーまたはコンプレッサーステージを表してもよいということを理解するであろう。非常に大きい系に対しては、並列のコンプレッサーが用いられてもよい。
【００１７】
コンプレッサー４からの空気または酸素含有ガスは、燃焼チャンバーの中での燃焼のための酸素のソース（源）として、圧縮空気パイプ７を通って燃焼チャンバー２へと導かれる。この燃焼チャンバーに導入される空気および燃料は、５体積％未満、例えば４体積％未満または３体積％未満の、排出ガス中の残留酸素含有量を与えるように制御される。低残留酸素含有量は、高ＣＯ２含有量の煙道ガスを生じる。従って、空気が使用され、残留酸素についての値が示したとおりであると、この排出ガスの中のＣＯ２含有量は約８％〜約１８体積％である。
【００１８】
ヒートパイプ８、８’が燃焼チャンバーの内部に配置され、ヒートパイプ８、８’の内部でそれぞれスチームおよび過熱スチームを発生することによって燃焼ガスが冷却される。燃焼ガスは、ヒートパイプ８、８’によって、排出ガスの出口温度が３００〜９００℃であるように、冷却される。
【００１９】
意図した燃料に依存して、燃焼チャンバーの中の内部配置は異なってもよい。燃料として石炭を使用する場合、空気が導入されて燃焼のための燃料の流動層が設けられ、ヒートパイプ８、８’はこの流動層の中に配置される。燃料として油またはガスを使用する場合、それぞれ２以上のステージの油バーナーまたはガスバーナーが燃焼チャンバーの中に配置され、ヒートパイプ８、８’はそのステージの間に配置されて、各ステージの間で燃焼ガスを冷却する。当業者は、上記の燃料または他の炭素リッチの燃料の組み合わせを使用することが可能であるということも理解するであろう。
【００２０】
上記の国際公開第２００４００１３０１号パンフレットおよび国際公開第２００６１０７２０９号パンフレットは、異なる燃料についての構成の例を記載する。
【００２１】
排出ガスは、排出ガスパイプ９を通って燃焼チャンバーから抜き取られ、熱交換器１０の中で２５０〜４５０℃の温度まで冷却される。
【００２２】
排出ガス前処理のための１以上のユニットが熱交換器１０の下流に配置される。好ましくは、フィルターユニット１１は、燃焼ガスから粒子を除去するために、熱交換器１０のすぐ下流に配置される。このフィルターユニットは、低粒子含有量の排出ガス、例えば燃料としての油またはガスの燃焼からの排出ガスについては、省かれてもよい。しかしながら、石炭を使用するときには、このフィルターユニットは必須である。なぜなら石炭は、ガス処理ユニットの下流の工程にとって有害である可能性がある粒子を生じるからである。
【００２３】
空気が存在するところでは炭素質燃料の燃焼によりＮＯｘが発生する。ＮＯｘは、その環境上の効果に加えて、ＣＯ２捕捉にとっても有害である可能性がある。それゆえ、選択的触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ、ＳＣＲ）ユニット１２が、熱交換器１０および任意のフィルターユニット１１の下流に配置される。尿素またはＮＨ３がこのＳＣＲユニットに導入されて、周知技術に従って、ＮＯｘの除去のために触媒の上でのＮＯｘとの反応に供される。ＳＣＲユニットの中の温度は２５０〜４５０℃であることが好ましい。ＳＣＲユニットにとっての好ましい稼動温度は約３５０℃である。
【００２４】
ＳＣＲユニットの下流に、１以上の熱交換器およびスクラビングユニットが配置される。第１の熱交換器１３は、排出ガスを２５０℃よりも低い温度に冷却するための煙道ガス冷却ユニットである。第２の図示されたユニット１４は、並流式スクラバーであってもよい。ガスの組成および稼動条件によっては、このスクラバーがガスの冷却に寄与してもよい。
【００２５】
冷却ユニット１３、１４の下流に、向流式スクラバーまたは直接接触冷却器１５が配置される。冷却水が、再循環パイプ１６を通って接触ゾーン１５’の上で冷却器１５へと導入され、この接触ゾーンの下で冷却器１５へと導入される排出ガスに対する向流とされる。水は冷却器１５の底部で集められ、熱交換器１７の中で冷却され、再循環パイプ１６を通ってリサイクルされる。
【００２６】
ユニット１１、１２、１３、１４、および１５の目的は、排出ガスをＣＯ２捕捉用に準備することであるので、それらは、まとめて、前処理ユニットと呼ばれることがある。
【００２７】
冷却された排出ガスは、清浄排出ガスライン１８を通して冷却器１５から抜き取られ、吸収塔１９の下部へと導入される。吸収塔１９では、排出ガスは、吸収塔内部の１以上の接触ゾーン１９’、１９”、１９”’の中で吸収剤と向流にされる。この吸収剤、つまりＣＯ２を捕捉し、そしてそのあと流体表面のすぐ上でのＣＯ２の分圧よりも低い気相中のＣＯ２分圧をかけることにより再生されてもよい流体、は、希薄吸収剤ライン３５を通って上側の接触ゾーンの上で吸収塔へと導入される。
【００２８】
この排出ガスの中のＣＯ２は、吸収塔内部の吸収剤によって吸収され、ＣＯ２を抱えた、またはＣＯ２リッチの吸収剤を与え、このＣＯ２を抱えた、またはＣＯ２リッチの吸収剤は、吸収塔の底部からリッチ吸収剤ライン３０を通って抜き取られる。吸収塔へと導入された排出ガスの中のＣＯ２の８０％を超える、より好ましくは９５％を超える量が除去されたものである、希薄排出ガスは、希薄排出ガスライン２０を通して抜き取られる。
【００２９】
この吸収塔の中の圧力は、燃焼チャンバーの中の圧力よりもわずかに低く、例えば燃焼チャンバーの中の圧力よりも０．５〜１ｂａｒ低く、これは、吸収塔の中の圧力が４．０〜４９．５ｂａｒｇであることに相当する。
【００３０】
吸収塔へと導入された排出ガスの高圧および高ＣＯ２含有量の組み合わせにより、高効率のＣＯ２捕捉が得られるので、吸収塔の容積および循環する吸収剤の体積を同時に減らすことが可能になる。
【００３１】
吸収塔で使用される吸収剤は、炭酸カリウムの熱水溶液に基づくことが好ましい。好ましくは、当該吸収剤は、水に溶解した１５〜３５重量％のＫ２ＣＯ３を含む。
【００３２】
熱炭酸カリウム系において、ＣＯ２は、以下の全体反応式に従って吸収される：
（１）Ｋ２ＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ  ←→  ２ＫＨＣＯ３  −  ΔＨｒｌ＝−３２．２９ｋＪ／ｍｏｌ  ＣＯ２）
【００３３】
希薄排出ガスは、吸収塔１９の頂部で、希薄排出ガスラインを通して抜き取られ、洗浄セクション２１へと導入され、そこで、この希薄排出ガスは、接触セクション２１’の中で洗浄水に対して向流にされる。洗浄セクションの底部で集められた洗浄水は、洗浄水リサイクルライン２２を通して、接触セクション２１’の上で洗浄セクションへと再導入される。洗浄された希薄排出ガスは、この洗浄セクションの頂部から処理済み排気パイプ２３を通して抜き取られる。
【００３４】
処理済み排気パイプ２３の中のガスは熱交換器１０へと導入され、熱交換器１０で、この処理済み排出ガスは、燃焼チャンバー２を離れる熱くて未処理の排出ガスと接して加熱される。
【００３５】
このように加熱および処理された排出ガスは、次いで、ガスタービン６へと導入され、ガスタービン６で、このガスは、発電機２４の中で電力を生成するために、膨張される。膨張したガスは、熱交換器２７の中で冷却される膨張済み排出ガスパイプ２６を通して抜き取られ、その後、そのガスは排出ガス出口２８を通って大気中へと放出される。
【００３６】
ガスタービン６からの回転エネルギーによってコンプレッサー４が少なくとも部分的に稼動するように、コンプレッサー４およびガスタービン６は、共通のシャフト２５の上に配置されてもよい。しかしながら、このコンプレッサーは電動機５によって稼動し、このガスタービンは発電機２４を稼動させて電力を与えることが、今のところ、好ましい。コンプレッサー４およびガスタービン６を分離することで、このプラントがより柔軟に運転できる。
【００３７】
リッチ吸収剤、すなわちＣＯ２を抱えた吸収剤、は吸収塔１９の底部で集められ、そこからリッチ吸収剤パイプ３０を通して抜き取られる。パイプ３０の中のリッチ吸収剤は、フラッシュバルブ３１を介して１ｂａｒ絶対圧をわずかに超える圧力、例えば１．２ｂａｒ絶対圧（本願明細書中では、以降、ｂａｒａと略す）までフラッシュ蒸発され、その後、ストリッピング塔３２へと導入される。ライン３０では、図１には示されていないが、煙道ガスから吸収剤へと吸収された望まれない揮発性成分、例えば酸素、を除去するためのフラッシュタンクまたはストリッピングユニットがあってもよい。
【００３８】
１以上の接触セクション３２’、３２”、３２”’がストリッピング塔３２の中に配置される。上記リッチ吸収剤は、ストリッピング塔の上側の接触セクションの上で導入され、最下部の接触セクションの下で導入された蒸気に対して向流にされる。ストリッピング塔の中のＣＯ２のより低い圧力および希釈の結果である、ストリッピング塔の中のＣＯ２の低分圧のため、上記の式（１）の平衡が、左側にシフトし、吸収剤からＣＯ２が放出される。
【００３９】
希薄吸収剤はストリッピング塔３２の底部で集められ、希薄吸収剤パイプ３３を通して抜き取られる。希薄吸収剤パイプ３３は２つに分岐する。つまり、再沸器３６の中で加熱されて、スチームライン３７を通してストリッピング塔へとストリッピングガスとして導入される液体からの蒸発を生じる第１の希薄吸収剤再沸器パイプ３４、および希薄吸収剤が吸収塔１９へと圧送される希薄吸収剤リサイクルライン３５。吸収剤が吸収塔へと導入される前に、吸収剤を圧送し、従って吸収剤の圧力を高めるために、および吸収剤を冷却するために、それぞれ、ポンプ３８および冷却器３９がライン３５に具えられる。
【００４０】
ＣＯ２およびスチームは、ストリッピング塔の頂部でＣＯ２抜き取りパイプ４０を通して集められる。上側の接触ゾーンを離れる蒸気およびＣＯ２ガスの混合物を冷却するために、接触ゾーン３２’、３２”、３２”’の上、およびリッチ吸収剤がパイプ３０を通してストリッピング塔３２へと導入される地点の上に脱着装置直接接触冷却器６６が配置される。冷却流体は、この直接接触冷却器セクションの上で導入され、直接接触冷却器セクション６６を通って流される。蒸気がストリッピング塔３２の中で上方向に上がる途中で通り、かつ冷却流体が接触ゾーン３２’、３２”、３２”’へと流れ込むのを防ぐために、捕集板６５は直接接触冷却器セクションの下に配置される。捕集板６５で集められた流体は、水リサイクルパイプ７０を通して抜き取られ、後述するように使用される。
【００４１】
パイプ４０の中の蒸気は、冷却器４１の中で冷却され、フラッシュタンク４２へと導入される。冷却器４１の中で冷却によって形成される液体は液体戻りパイプ４３を通してフラッシュタンク４２の底部で集められ、ストリッピング塔３２へと導入される。あるいは、図１には示されていないが、この液体は吸収塔１９の頂部へと誘導されてもよい。液体をパイプ４３に加えて、または液体をパイプ４３から除去して、循環する水の量のバランスをとるために、液体バランスパイプ４４が設けられてもよい。
【００４２】
フラッシュタンク４２の中のガス相はＣＯ２抜き取りパイプ４５を通して抜き取られ、コンプレッサー４７によって加圧され、熱交換器４８の中で冷却され、その後、このガスは、さらに処理されて乾燥し加圧されたＣＯ２を与え、この乾燥し加圧されたＣＯ２はＣＯ２取り出しパイプ４６を通して取り出される。
【００４３】
捕集板６５で集められパイプ７０を通して抜き取られた冷却流体は、上記の熱交換器１７へと導入されて、再循環パイプ１６の中のリサイクルする冷却水が冷却される。水を循環させるために、ポンプ７１が、好ましくは、ライン７０の中に配置されてもよい。後述されるように、この加熱された流体は、熱交換器１７からパイプ７０’を通して抜き取られ、上記の熱交換器４８へと導入されて、その中で加圧ＣＯ２およびスチームと接してさらに加熱される。さらに加熱された流体は、次いで、熱交換器４８から水パイプ７２を通して抜き取られ、フラッシュバルブ７３を介してフラッシュ蒸発され、この後、このフラッシュ蒸発された流体はフラッシュタンク７４へと導入されて水（この水はフラッシュタンク７４の底部で集められる）および蒸気（この蒸気はフラッシュタンク７４の頂部で集められ蒸気パイプ７７を通して抜き取られる）を生成する。コンプレッサー７５が、蒸気パイプ７７の中に配置され、このあと任意のトリム冷却器７６が続く。次いで、蒸気ライン７７の中の蒸気は、ストリッピング蒸気としてライン３７を通してストリッピング塔３２へと導入される。図１には示されていないが、ライン７０の中の流体は、フラッシュバルブ７３へと直接誘導されてもよいし、または追加のもしくは熱交換器１７および４８以外の低温エネルギー源の中で加熱されてもよい。このような熱源の例は、スクラバー１４、コンプレッサー４中間冷却器、または２６および／もしくは２８の中の残留熱である。より多くの熱のため、コンプレッサー７５の電力要求が減少し、そしてシステム全体の熱効率を高める可能性がある。
【００４４】
フラッシュタンク７４からの液体は、ライン７８を通して抜き取られ、洗浄液としてパイプ４３を通してストリッピング塔直接接触冷却器へと導入される。それゆえ、十分な圧力を提供するために、ポンプ７９がライン７８の中に配置されることが好ましい。
【００４５】
燃焼チャンバーのための冷却水は水パイプ５０からヒートパイプ８へと導入される。ヒートパイプ８で発生するスチームは、スチームパイプ５１を通して抜き取られ、高圧スチームタービン５２を介して膨張される。この高圧タービンセクションからのスチームはライン５３を通してスチーム再熱器８’へと導入され、得られたスチームは、スチームパイプ５４を通して抜き取られる。パイプ５４の中の過熱スチームは、スチームタービン５５の中圧セクションおよび低圧セクションを介して膨張される。完全膨張スチームは、スチームタービンセクション５５から膨張スチームパイプ５６を通して抜き取られて、冷却器５７の中で冷却されて水を与え、この水は、水収集タンク５８で沈降する。タンク５８に集められた水は、熱交換器２７を経てライン５０を通して抜き取られ、この熱交換器２７で、この水は、精製された排出ガスに接して加熱され、そのあとこの水はヒートパイプ８へと再導入される。
【００４６】
第１のスチームタービンセクション５２および第２のスチームタービンセクション５５は、電力の発生のための発電機８１と一緒に、共通のシャフト８０上に配置されることが好ましい。このスチームサイクルおよびその最適化は、当業者には周知である。
【００４７】
部分的膨張スチームは、第２の中間圧力スチームタービンセクション５５から部分的膨張スチームパイプ５９を通して抜き取られる。パイプ５９の中のこの部分的膨張スチームは加湿器へと導入され、この加湿器で、スチームは、水パイプ６１から導入された散水によって冷却される。冷却されたスチームは、加湿器６０から再沸器スチームパイプ６２を通して抜き取られ、再沸器３６の中の希薄吸収剤の間接的加熱のために使用され、この希薄吸収剤から蒸気が生成される。パイプ６２を通して再沸器３６へと導入されたスチームの凝縮に由来する水は、凝縮物ライン６３を通して抜き取られ、タンク５８へと導入される。
【００４８】
当業者は、接触セクション１５’、１５”、１５”’、１９’、１９”、１９”’、２１’、２１”、２１”’、３２’、３２”、３２”’などの、本願明細書中で触れられる接触セクションは、これらの接触セクションの中の内部表面積を増やし、従って液体とガスとの間の接触面積を増やすための構造化されたおよび／または構造化されていない填材を含む接触セクションであることが好ましいということを理解するであろう。
【００４９】
図２は、図１を参照して記載された実施形態よりもさらに高いエネルギー効率を与える本発明の特定の実施形態を説明する。図１と比べたときの図２の実施形態の唯一の相違は、後述されるように、希薄吸収剤のフラッシュ蒸発に関する。エネルギー効率を改善するための手段としての希薄吸収剤のフラッシュ蒸発は、それ自体周知であるが、図１を参照して記載された熱保存の特徴と関連づけられたものはない。
【００５０】
吸収塔１９へと戻されることになるが、ライン３３を通ってストリッピング塔を離れる希薄吸収剤の一部は、フラッシュバルブ９０へと導入され、次いでフラッシュタンク９１へと放出される。フラッシュタンク９１の中の気相は、スチームライン９２を通して抜き取られ、蒸気を圧縮してこれにより加熱する蒸気コンプレッサー９３によって圧縮される。この圧縮され加熱された蒸気は、次いで、圧縮スチームライン９４を通ってストリッピング塔へとストリッピングガスとして導入される。フラッシュタンク９２の底部で集められた液相はそこから抜き取られ、ポンプ９５によって希薄吸収剤ライン３５へと圧送される。この実施形態では、冷却器３９は使用されない。
【実施例】
【００５１】
実施例１
上記のようにＣＯ２は、式１）に従って吸収される：
（１）Ｋ２ＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ  ←→  ２ＫＨＣＯ３  −  ΔＨｒｌ＝−３２．２９ｋＪ／ｍｏｌ  ＣＯ２）
上記式についての平衡は式２）によって与えられる：
（２）Ｋｅｑ＝（ＨＣＯ３−）２／［（ＣＯ３２−）ＰＣＯ２］
吸収剤の飽和は、次式によって定義される：
（３）ｓ＝２×＃ｍｏｌ（ＫＨＣＯ３）／［＃ｍｏｌ／Ｋ２ＣＯ３）＋２×＃ｍｏｌ（ＫＨＣＯ３）］。
【００５２】
この吸収／脱着（脱離）プラントの稼動時には、目標の飽和は、希薄吸収剤についてはｓ＝０．３０（最小０．１）（より高い程度のＫ２ＣＯ３再生は余計なエネルギーを必要とし、上記のＣＯ２プロセスのためには通常は必要ではないので）、およびリッチ吸収剤についてはｓ＝０．６０（最大０．７）（より高濃度のＫＨＣＯ３は、より高い吸収剤投入量を生じるが、望ましくない結晶化温度の上昇を生じる可能性があるので）である。
【００５３】
この吸収塔は、典型的には８０〜１１０℃で稼動し、他方で、この脱着装置（ストリッピング塔）は、圧力に応じて９０〜１２０℃で稼動し、典型的には、この脱着装置内の温度は、より高い圧力およびより高濃度のＫ２ＣＯ３に起因して、頂部で９２℃、および底部で１１０℃である。
【００５４】
ＣＯ２の脱着／ストリッピングのための脱着装置へと、主に蒸気として供給されるエネルギーは、
１．  吸収剤の加熱、
２．  液体リサイクルの加熱、
３．  反応熱（熱炭酸カリウム系に基づく吸着剤などのいくつかの吸収剤については反応熱が非常に低いが）、
４．  ストリッピング蒸気の生成（吸収剤特性に応じて、脱着装置の頂部でＣＯ２の質量の約０．８〜１．２倍）、
のために使用される。
【００５５】
加圧流動層型の石炭火力発電プラントについては、ＳＯｘ吸着剤および典型的には２５％の水と一緒に石炭が供給され、燃焼チャンバーの流動層に注入されるペーストが形成される。２７５ＬＨＶ低位発熱量（ＬＨＶ）、および２８２ＭＷ高位発熱量（ＨＨＶ）の燃焼速度において、燃焼チャンバーの中のヒートチューブでスチームが生成される。典型的には約１６５ｂａｒａおよび５６５℃の８６ｋｇ／ｓのスチームがチューブ８の中で生成され、スチームタービン５２を介して膨張される。
【００５６】
この膨張したスチームは、ヒートチューブ８’の中で、約４０ｂａｒａで５６５℃に再加熱され、スチームタービン５５を介して膨張される。典型的には、約１８ｋｇ／ｓのスチームが種々の圧力でスチームタービンステージから抜き取られ、ボイラー予備加熱のために使用される。これは、簡明のために、図１および２には示されていない。加えて、このスチームは、約４ｂａｒａでライン５９のスチームタービンから抜き取られる。このような抜き取りの量は、最小にされるべきである。これに基づき、スチームタービンを介して完全膨張されたスチームの量は、「８６ｋｇ／ｓ」引く「約１８ｋｇ／ｓ」引く「ライン５９の中のスチームフロー」である。これは、「６８ｋｇ／ｓ」引く「ライン５９の中のあらゆるスチーム」に相当する。この完全膨張スチームは、タービン５５からライン５６を通して抜き取られ、ボイラー供給水としてヒートチューブ８へとリサイクルされ、他方で、いくらかの１２ｋｇ／ｓスチームは部分的に膨張され、パイプ５９を通して抜き取られる。パイプ５９を通して抜き取られたスチームは、典型的には約２５８℃の温度および４ｂａｒａの圧力を有するが、この温度および圧力は、スチームタービンシステムに応じて変わりうる。このスチームは加湿器６０の中で冷却されて、約４ｂａｒａおよび１４４℃のスチームを与え、このスチームは、脱着装置３６の再沸器で蒸気を生成するための間接的加熱のために、脱着装置３６の再沸器へと導入される。
【００５７】
あるいは、４ｂａｒａおよび２５８℃でライン５９を通して抜き取られたスチームは、約２７℃で約０．０３５ｂａｒａまで膨張され、９０％のスチームタービンの断熱効率を仮定すると、膨張したスチーム１ｋｇあたり約０．７ＭＪの電力を与える可能性がある。１２０ＭＷスチームタービンについては、ライン５９の中のフローがゼロである場合には、４ｂａｒａステージから凝縮装置へのスチームフローは約６８ｋｇ／ｓｅｃである。この燃焼器は約２４．５ｋｇ／ｓ  ＣＯ２を生成し、そのＣＯ２のうちの約２２ｋｇ／ｓは捕捉される（９０％捕捉）。この脱着装置を運転するために必要とされる潜熱が、捕捉されたＣＯ２  １ｋｇあたり３．６ＭＪであるとき、約８０ＭＷ潜熱が必要とされる。４ｂａｒａおよび２５８℃スチームの熱容量は、４ｂａｒａで飽和温度まで冷却され４ｂａｒａで凝縮したとき、約２．４ＭＪ／ｋｇである。それゆえ、スチームタービンからのスチームの必要量は、約８０／２．４ｋｇ／ｓ、または約３４ｋｇ／ｓである。そのとき、このスチームタービンからの電力損失は３４×０．７ＭＷすなわち約２４ＭＷである。
【００５８】
ストリッピング塔再沸器３６の冷却側では、圧力は、わずかに大気圧を超える。それゆえ、スチームタービンから抜き出されたスチームから生成される生成物は、この時点で、例えば１．２ｂａｒａで約１１０℃の温度にあるスチームであり、この約１１０℃の温度は、この圧力におけるこの希薄吸収剤の沸点である。
【００５９】
上と同じ仮定のもとで、すなわち２２ｋｇ／ｓ  ＣＯ２が吸収剤からストリッピングされるとの仮定のもとで、必要とされるエネルギーは、３．６ＭＪ／ｋｇＣＯ２または約８０ＭＷの潜熱および顕熱である。これは、再沸器で生成される、脱着装置の底部への約３４ｋｇ／ｈスチームフローに相当する。
【００６０】
このうちで、約１２ｋｇ／ｓは凝縮されて、上記の項目１）〜３）へと熱を供給する。残りの約２２ｋｇ／ｓは、ストリッピングスチーム、項目４）として使用される。このスチームは、回収されたＣＯ２と一緒に脱着装置填材の頂部を出る。これは、ストリッピングのために使用されるエネルギーは、実質的に、ストリッピングスチームをＣＯ２で希釈することにより失われるエネルギーであることを意味する。２２ｋｇ／ｓ  Ｈ２Ｏと混合される２２ｋｇ／ｓ  ＣＯ２は、約７０ｍｏｌ％  Ｈ２Ｏがあることを意味する。そうして、Ｈ２Ｏ分圧は、脱着装置の底部における１ｂａｒａのわずかに上から、頂部の約０．７ｂａｒａ（全圧が１．０ｂａｒａであるときの約９０℃のＨ２Ｏ露点に対応する）へと低下される。実際には、このスチームは、ＣＯ２を得るために凝縮され、それゆえ、このストリッピングスチームの潜熱は失われ、これは、回収されたＣＯ２を用いる希釈によるストリッピングスチームの分圧の低下に伴う損失よりもはるかに大きい損失である。この潜熱を保存し、ストリッピングスチーム分圧の損失を補うためのエネルギーしか供給しないことが望ましい。
【００６１】
ストリッピングガスの凝縮からのエンタルピー変化  対  凝縮温度が図３に示されている。水が凝縮されるにつれて、水蒸気の分圧が低下し、さらなる凝縮のためにより低い温度が必要とされる。それゆえ、ストリッピング塔の直接接触冷却器セクション６６においてさらなる熱を回収するために、ライン７８およびポンプ７９経たフラッシュタンク７４からの冷却水は、より冷えている必要がある。これによりフラッシュタンク７４の中の圧力は低下し、それゆえコンプレッサー７５によって必要とされる仕事は低下する。直接接触冷却器セクション６６からより少ない熱が回収され、その差がより高い温度の別個の熱源から供給される場合、フラッシュタンクの中の温度は、より高くてもよい。これも、より高い圧力を与え、コンプレッサー７５によって必要とされる仕事を少なくする。
【００６２】
図３によれば、８０〜９０℃の範囲の回収可能な熱は約２８ＭＷに上り、これは、脱着装置直接接触冷却器セクション６６からパイプ７０を通して抜き取られた洗浄水の中に回収されてもよい。
【００６３】
脱着装置直接接触冷却器６６において回収される熱エネルギーは、本発明のプロセスにおいて熱を回収するための重要なソースである。脱着装置／ストリッピング塔から抜き取られることになるＣＯ２／スチームは、水に接した直接接触冷却によって冷却される。この冷却のため、スチーム飽和ガスの中のスチームは凝縮し、こうして水蒸気が所望の生成物（これはＣＯ２である）から分離される。
【００６４】
回収可能な熱についての別の重要なソースは、煙道ガス直接接触冷却器１５である。煙道ガスは、約１１５〜１２０℃の温度で煙道ガス直接接触冷却器１５に入る。煙道ガスは、水素（このガスの一部である）、油、石炭もしくはバイオ燃料の燃焼から、または水ペーストとして燃焼器２へと供給されてもよい石炭などの燃料供給系から、のいずれかからの燃焼プロセスからの水蒸気を含有する。この水蒸気飽和温度は水蒸気の量および圧力に依存する。ペーストとしてこの燃焼器へと供給される石炭燃料と圧力約１２〜１３ｂａｒａとを用いると、煙道ガス飽和温度は約１１５℃である。天然ガス燃料が使用される場合、水蒸気の量はより高く、飽和温度はより高いであろう。圧力がより低い場合、飽和温度はより低いであろう。この煙道ガスは高められた圧力にあり、かなりの量のスチームを含有するという事実に起因して、このスチームの凝縮は、比較的高い飽和温度で始まり、熱の形態にある実質量の回収可能な高温エネルギーをもたらすであろう。図４は、煙道ガスが冷却されるときの、高温回収可能な熱の量に対する圧力の効果に関する説明図である。曲線は、煙道ガス注入口温度１１５℃、および煙道ガス排出口温度１００℃、および煙道ガス水分含量１４．５％で、煙道ガスフロー１１１ｋｇ／ｓという仮定のもとで描かれている。
【００６５】
大気圧（従来）システムと本発明に係るシステムとの間の相違は加圧系での水蒸気凝縮である。Ｈ２Ｏ蒸気の量は同じであるとしても大気圧系ははるかに低いＨ２Ｏ分圧を有し、それゆえ、煙道ガスの冷却で縮合物が生成せず、はるかに少ないエネルギー回復をもたらす。
【００６６】
本発明によれば、煙道ガスは凝縮装置の中で約１００℃まで冷却され、この凝縮装置は、煙道ガスが循環水に対する向流として填材にわたって流れる直接接触冷却器として実行されることが好ましい。この水はガスの中のエネルギーを捕捉し、熱交換器１７の中で冷却され、この熱交換器１７は、脱着装置直接接触冷却器から冷却水を受け取り、この水をさらに加熱してより多くのエネルギーを供給する。
【００６７】
図４中の点線で示された曲線は、比較のためだけのものであり、同じ煙道ガスから非常に少ない有用なエネルギー（この場合１００℃を超えるエネルギー）しか得られないと考えられる、より従来的な大気圧ＣＯ２捕捉システムに勝る、本発明のシステムに関する１つの優位点を示す。
【００６８】
熱エネルギー回収の第３のソースはＣＯ２コンプレッサー冷却器４８である。この圧縮冷却器の中の利用可能なエネルギーの量は、上で述べた冷却器の中よりも少ないが、温度は高い。
【００６９】
表１は、煙道ガス直接接触冷却器１５（この表では「凝縮装置」によって特定される）、脱着装置直接接触冷却器セクション６６（この表では「脱着装置」によって特定される）、およびコンプレッサー中間冷却器４８（この表では「コンプレッサー」によって特定される）における本発明の熱再生によって生成されるスチームの関数として、ＣＯ２捕捉を用いる本発明の発電プラントにより発電される正味電力を説明する。
【００７０】
【表１】
0005964842.tif 000002
【００７１】
表１は、当該プラントの上記３つの要素からの熱回収が増大する結果として、スチームタービンからの正味電力が増加することを明瞭に説明し、本発明の最も重要な優位点を説明する。
【００７２】
２０ｋｇ／ｓ  スチームが本発明によって生成され圧縮されて、脱着装置の底部へ誘導され、スチームタービンからの同じ量の４ｂａｒａスチームを置き換えるとき、正味電力、すなわちスチームタービン出力からフラッシュコンプレッサー電力を差し引いたものは、１０ＭＷよりも大きな幅で増加する。
【００７３】
フラッシュ蒸発および圧縮によって生成されるスチームの、例えば２５ｋｇ／ｓへの増大は、フラッシュコンプレッサーの仕事量の大きな増大を必要とし、正味電力の増加ははるかに小さい。２５ｋｇ／ｓを超える生成は、正味のスチームタービン出力からフラッシュコンプレッサーの仕事量を差し引いたものに対して寄与しないか、または負の寄与をする。
【００７４】
実施例２
この実施例は、図２を参照して説明したとおり、スチームのフラッシュ蒸発および圧縮、ならびにフラッシュタンク８１から再生塔へのストリッピングガスとしての注入のさらなる効果を説明する。
【００７５】
図５は、約１００℃の温度の関数として希薄吸収剤の蒸気圧を示す。この希薄吸収剤の熱容量は約３．０ｋＪ／ｋｇ−Ｋである。１０００ｋｇ／ｓの希薄吸収剤フローおよび約１１２℃（脱着装置の底部のおよその温度）から約９８．６℃（およそ、吸収塔の頂部への希薄吸収剤供給温度）への冷却を用いると、約１０００×３．０×（１１２−９８．６）ｋＷ＝４００００ｋＷが生成される。
【００７６】
２２ｋｇ／ｓのＣＯ２生成および３．６ＭＪ／ｋｇ  ＣＯ２の総脱着装置必要熱量（スチームの潜熱の形態にある）を用いると、総必要熱量は約８０ＭＷである。従って、希薄フラッシュはこの熱の約５０％を生成することができる。
【００７７】
約２２５０ｋＪ／ｋｇ（約１．２ｂａｒａにおいて）のスチーム潜熱を用いると、これは、約１７．８ｋｇ／ｓ  スチームに相当する。これは、約０．７５ｂａｒａから約１．２ｂａｒａへと圧縮される必要がある。８０％の断熱効率を仮定すると、そのとき、コンプレッサー仕事量は約２．０ＭＷである。
【００７８】
表２は、スチームタービンからの全出力に対する、希薄吸収剤をフラッシュ蒸発することの効果を要約する。
【００７９】
【表２】
0005964842.tif 000003
【００８０】
表２は、スチームタービンからの全出力に対する希薄吸収剤のフラッシュ（再蒸発蒸気ともいう）を明瞭に説明する。実施例１のエネルギーの特徴と組み合わせると、正味電力は、９６ＭＷから１１５ＭＷへと増加する可能性があり、この１１５ＭＷは、炭素捕捉なしの１２０ＭＷに匹敵する。
【００８１】
式１）についての反応熱が比較的低いという事実は、炭酸カリウム系にとっては優位点である。なぜなら、この吸収塔における対応する発熱的な反応熱は低いからである。従って、この吸収塔の中の吸収剤の加熱によって、この反応を左へとシフトさせ、従って吸収剤の吸収能を下げることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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