(57)【要約】本開示は、吸収媒体および／または吸着媒体の沸点よりも低い沸点を有するものから選択されるアルコールを使用して、例えば二酸化炭素のような酸性ガスを吸収媒体および／または吸着媒体からストリッピングする方法に関する。
2013512772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸性ガスリッチな媒体から酸性ガスをストリッピングする方法であって、
酸性ガスリッチな媒体をアルコール蒸気と接触させ、酸性ガスの少なくとも一部をアルコール蒸気によって前記媒体から脱着させることにより、酸性ガスリーンな媒体および酸性ガスリッチなアルコールを形成する工程と、
酸性ガスの少なくとも一部をアルコールから分離する工程と、
アルコールを回収する工程と
を含む方法。
【請求項２】
アルコールの沸点が媒体の沸点よりも低い請求項１に記載の方法。
【請求項３】
酸性ガスがＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２、ＮＯＸ、またはそれらの組合せである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
媒体が、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジグリコールアミン（ＤＧＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール（ＡＭＰ）、ピペラジン（ＰＺ）、アンモニア、アミン、アルカノールアミン、それらの誘導体、およびそれらの組合せから選択されるアミンの水溶液を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
媒体が、キネティック・エンハンサー、腐食防止剤、消泡剤、脱酸素剤、塩中和剤、防汚剤、分解防止剤、またはそれらの組合せを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
酸性ガスリッチなアルコールからの廃熱の少なくとも一部が回収され、再使用される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
酸性ガスリッチなアルコールを冷却して凝縮させることにより、酸性ガスリッチなアルコールから酸性ガスリーンなアルコールが回収され、その後、凝縮アルコールを加熱して、酸性ガスをリッチな媒体からストリッピングするために再使用されるアルコール蒸気を形成する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
冷却および加熱が、熱回収および熱交換のための装置ならびに再沸器によって提供される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
アルコールが、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、およびそれらの組合せから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
吸収媒体および吸着媒体の少なくともいずれか一方から酸性ガスをストリッピングするための、アルコール蒸気の使用方法。
【請求項１１】
酸性ガスが、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２、ＮＯＸ、またはそれらの組合せである請求項１０に記載の使用方法。
【請求項１２】
吸収媒体が、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジグリコールアミン（ＤＧＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール（ＡＭＰ）、ピペラジン（ＰＺ）、アンモニア、アミン、アルカノールアミン、それらの誘導体、およびそれらの組合せから選択されるアミンの水溶液である請求項１０に記載の使用方法。
【請求項１３】
媒体が、キネティック・エンハンサー、腐食防止剤、消泡剤、脱酸素剤、塩中和剤、防汚剤、分解防止剤、またはそれらの組合せを含む請求項１０に記載の使用方法。
【請求項１４】
アルコールが、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、およびそれらの組合せから選択される請求項１０に記載の使用方法。
【請求項１５】
吸収媒体から酸性ガスをストリッピングする装置であって、
酸性ガスリッチな媒体の流れを受容し、アルコール蒸気をそれとおよびそれを通して混合することにより媒体が酸性ガスの少なくとも一部を失い、アルコール蒸気が酸性ガスで富化されるようにするためのストリッピング容器であって、酸性ガスを失った吸収媒体のための出口と酸性ガスリッチなアルコール蒸気のための出口とを備えるストリッピング容器と、
出口から出される酸性ガスリッチなアルコール蒸気を受容し、その酸性ガスリッチなアルコール蒸気を冷却してアルコールを凝縮させ、そこから酸性ガスの少なくとも一部を分離する設備と
を含む装置。
【請求項１６】
酸性ガスリッチなアルコール蒸気のための出口がストリッパ容器の一端の付近にあり、かつ酸性ガスを失った吸収媒体のための出口が反対側の端の付近にある請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
出口から出される酸性ガスリッチなアルコール蒸気を受容する設備が、出口から出されるアルコール蒸気およびストリッピング容器の少なくとも一方から熱を回収するための少なくとも１つの熱交換装置と、アルコールを凝縮するための少なくとも１つの熱交換装置とを含む請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
吸着媒体から酸性ガスをストリッピングする装置であって、
酸性ガスリッチな媒体の流れを通す吸着媒体を含有するストリッピング容器であって、酸性ガスの少なくとも一部が吸着媒体に吸着されるストリッピング容器と、
ストリッピング容器と協働して、吸着された酸性ガスの少なくとも一部を吸着媒体からストリッピングするためにアルコール蒸気をそれとともにおよびそれを通して混合することによりアルコール蒸気を酸性ガスで富化する設備、および酸性ガスリッチなアルコール蒸気のための出口と、
出口から出される酸性ガスリッチなアルコール蒸気を受容し、その酸性ガスリッチなアルコール蒸気を冷却してアルコールを凝縮させ、そこから酸性ガスの少なくとも一部を分離する設備と
を含む装置。
【請求項１９】
出口から出される酸性ガスリッチなアルコール蒸気を受容する設備が、出口から出されるアルコール蒸気およびストリッピング容器の少なくとも一方から熱を回収するための少なくとも１つの熱交換装置と、アルコールを凝縮するための少なくとも１つの熱交換装置とを含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
回収したアルコールを凝縮し、アルコールを加熱して蒸気を形成させ、アルコール蒸気をストリッピング容器へ再循環させる設備を更に含む請求項１５または１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、二酸化炭素などの酸性ガスを吸収または吸着媒体からストリッピングする方法に関する。本開示は、さらにプロセス、使用方法、および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市エネルギーおよび工業エネルギーの生産のために、粗鉱や他の原料からの精製品の製造において、また、都市廃棄物や工業廃棄物の廃棄のために、大規模燃焼プロセスが一般に利用されている。そのような燃焼プロセスは、典型的には１つ以上の望ましくないガス状化合物を含んだ大量のガス状排出廃棄流を継続的に生み出す。その化合物は、二酸化炭素（ＣＯ２）、二酸化硫黄（ＳＯ２）、および窒素酸化物（ＮＯＸ）等の酸性ガスのうち１つ以上を含み、これらは甚大な環境汚染や健康上の害をもたらし得る。特に、大気中のＣＯ２濃度の上昇は地球温暖化の主要原因であると考えられている。
【０００３】
ガス吸収、分離、および回収方法は、長い間、工業目的および環境目的の両方のために提供されてきた。工業用途は、ガス生成物の質を高め、かつ／または下流工程で生じ得る望ましくない下流工程の運転上の問題を防止するために、典型的には少なくとも１つのガス状成分のプロセスガス流からの分離および除去を含む。例として、天然ガスおよび合成ガスからのＣＯ２および／または硫化水素（Ｈ２Ｓ）の除去、あるいは工業プロセスガス流からの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）や他のガス（例えば、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２））の除去が挙げられる。環境用途は、汚染物質の放出を低減するために、典型的には燃焼煙道流や排出ガス流からのＳＯ２、ＣＯ２、ＮＯＸ、または水銀（Ｈｇ）等の少なくとも１つのガス状成分の除去を含む。
【０００４】
燃焼煙道流または排出ガス流から望ましくないガス状化合物を除去するための多数のシステムが存在し、それらは典型的には、望ましくない成分を含有するガス流に対向する１つ以上の逆流溶媒（例えばアルカノールアミンを含むもの）を使用する。そのようなシステムは、一般的に向流（countercurrent）吸収体およびストリッパと呼ばれる。それらのシステムおよび操作のいくつかが非特許文献１および特許文献１〜２１に記載されている。
【０００５】
ほとんどの酸性ガス除去方法は、吸収媒体または吸着媒体を再生する工程を含む。この工程は、脱着、再生、またはストリッピングといった様々な名称で知られている。ストリッピング工程を（例えば、ＣＯ２除去工程において）実施する１つの共通の方法は、ＣＯ２リッチな擦り落とし（scrubbing）媒体をストリームと接触させることである。ストリームはＣＯ２をその媒体から落とし、リーンな（lean）媒体をもたらす。ストリームを生成するのに必要なエネルギーはコストがかかり、システム全体の効率を下げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０２２１５５５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１６９８２５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００４４６５８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／００７７１８８号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００９／０１０４０９８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００９／０１５１３１８号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００９／０１５１５６４号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００９／０１５１５６６号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００９／０１５５８８９号明細書
【特許文献１０】米国特許第３７２５５２９号明細書
【特許文献１１】米国特許第５２２０７８２号明細書
【特許文献１２】米国特許第６２７０７３９号明細書
【特許文献１３】米国特許第６４３６１７４号明細書
【特許文献１４】米国特許第７００１５１９号明細書
【特許文献１５】米国特許第７３８８１２０号明細書
【特許文献１６】国際公開第８９／０７９７９号
【特許文献１７】国際公開第２００４／０８９５１２号
【特許文献１８】国際公開第２００６／１０８５３２号
【特許文献１９】国際公開第２００９／００３２３８号
【特許文献２０】国際公開第２００９／０５２３１３号
【特許文献２１】欧州特許第５４４５１５号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】KohlおよびNeilson，ガス精製（Gas Purification），第５版（１９９７年，Elsivier B．V．）
【発明の概要】
【０００８】
本開示は、吸収媒体および／または吸着媒体の沸点よりも低い沸点を有するものから選択されるアルコールを使用して、二酸化炭素などの酸性ガスを吸収媒体および／または吸着媒体からストリッピングする方法に関する。
【０００９】
本開示は、酸性ガスを吸収媒体および／または吸着媒体からストリッピングするための、ガス状アルコールおよび／またはアルコールの蒸気の使用方法をさらに提供する。
本開示は、アルコールストリッピング要素（または担体）を再生および再利用するための、熱回収装置およびプロセスの使用方法をさらに提供する。アルコールストリッピング要素（または担体）を再生および再利用するために、外生的な低級の熱を投入することは任意である。
【００１０】
本開示は、ガスストリッピング工程において生成された廃熱の回収および利用のための、ヒートポンプの使用をさらに提供する。
本開示は、吸収媒体および／または吸着媒体から酸性ガスをストリッピングする方法をさらに提供し、その方法は、
（ａ）酸性ガスリッチな吸収媒体および／または吸着媒体をガス状アルコールと接触させる工程、
（ｂ）リーンな（すなわち酸性ガスを失った）吸収媒体および／または吸着媒体を回収する工程、
（ｃ）好ましくは、酸性ガスリッチなアルコールを熱交換装置に通して冷却し、酸性ガスをアルコールから分離する工程、
（ｄ）好ましくは、アルコールをガス状の蒸気流に再生する工程、および
（ｅ）任意で、１つ以上のヒートポンプを用いて廃熱を回収する工程
を含む。
【００１１】
本開示は、吸収媒体および／または吸着媒体から酸性ガスをストリッピングする装置をさらに提供する。
本明細書において使用する用語「リッチな吸収媒体および／または吸着媒体」は、リーンな媒体と比較して多量の酸性ガスを吸収した媒体を指す。
【００１２】
本明細書において使用する用語「リーンな吸収媒体および／または吸着媒体」は、酸性ガスを全く含まないか、あるいは少量の酸性ガスを含む媒体を指す。
本明細書において使用する用語「酸性ガス」は、水と混合すると酸性溶液を形成する気体を指す。
【００１３】
本明細書において使用する用語「沸点」は、標準温度および標準気圧での沸点を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】吸収媒体からのアルコールに基づくＣＯ２ストリッピング方法のための本開示の例示的な方法を実施するのに適切な、例示的な装置の模式図。
【図２】吸着媒体からのアルコールに基づくＣＯ２ストリッピング方法のための本開示の例示的な方法を実施するのに適切な、例示的な装置の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示を、図面の参照と併せて説明する。
本開示の一実施形態において、アルコールを使用して吸収媒体および／または吸着媒体から酸性ガスをストリッピングする方法が提供される。任意の適切なアルコールがここで使用され得る。例えば、Ｃ１〜Ｃ６またはＣ１〜Ｃ４アルコールなどの短鎖アルコールがここで使用され得る。アルコールの例として、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、およびそれらの組合せが挙げられる。
【００１６】
理論によって拘束されるものではないが、ストリッピング溶媒は低温で蒸発するため、本開示は、ストリームを利用する従来のストリッピング操作よりも低温でストリッピングを実施することを許容すると考えられる。このことによりエネルギーが節約され、媒体（吸収および／または吸着）の再生効率が向上する。さらに、低い運転温度のため、本開示は、ストリッピング工程に使用される装置の製造において様々な材料を使用することを許容する。そのような材料は、現在使用されているものよりも、例えば軽量かつ／または安価であり得る。さらに、地熱エネルギーなどの低級熱源をストリッピング工程に使用することも可能であるかもしれない。
【００１７】
本方法は、任意の適切な気体を吸収および／または吸着媒体からストリッピングするのに使用されてもよい。例えば、ストリッピングされる気体の例として、ＣＯ２、ＮＯＸ、ＳＯ２などが挙げられる。
【００１８】
本開示は、吸収媒体および／または吸着媒体からの酸性ガスのストリッピング方法を提供する。典型的には、吸収媒体は液体であり、吸着媒体は固体である。本方法を使用して、任意の適切なタイプの吸収媒体をストリッピングすることができる。吸収媒体の例には、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジグリコールアミン（ＤＧＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、メチルジエタノールアミン（ＭＤＥＡ）、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール（ＡＭＰ）、ピペラジン（ＰＺ）、アンモニア、アミン、アルカノールアミン、それらの誘導体および／または組合せが挙げられるが、これらに限定されない。これらのアミンは水溶液として使用されるべきである。
【００１９】
好ましくは、アルコールが媒体と接触する時に蒸気すなわちガス状であるように、アルコールストリッパは吸収媒体および／または吸着媒体よりも低い沸点を有する。
本開示の一実施形態において、リッチな吸収媒体はストリッピング容器に送られる。そのリッチな媒体は、ストリッピング容器の頂部またはその付近に好都合に送られ得る。吸着媒体を使用する実施形態では、リッチな媒体を吸着容器に充填してもよく、そこで運転がストリッピングモードに切り替えられる。メタノール、エタノール、イソプロパノール、および／またはｎ−プロパノールなどのアルコールはストリッピング容器に送られる。アルコールはストリッピング容器の底部またはその付近に、あるいはその容器内の様々な箇所に好都合に送られ得る。アルコールは気体または蒸気として送られてもよい。あるいは、アルコールはその場（in situ）で気体または蒸気に変換されてもよい。
【００２０】
ガス状アルコールは容器内を上昇し、降下してくる吸収媒体および／または吸着媒体と接触する。この接触により、アルコールが酸性ガスの少なくとも一部を媒体からストリッピングすることが可能となる。リーンな媒体は回収され、所望であれば再利用されてもよい。酸性ガス−アルコール蒸気は容器内を上昇し、容器を離れ、好ましくは熱回収および熱交換機構を介して冷却され、さらに凝縮されてアルコールと酸性ガスとが分離される。アルコールは更なるストリッピングのために再使用されてもよい。酸性ガスは貯蔵のため回収され、その後、他の工業目的で使用されるか、別の適切な方法で廃棄され得る。熱回収および熱交換機構によって回収された熱は、例えばヒートポンプによってアルコール蒸気生成器（再沸器）に伝えられてもよく、それによってシステムの効率が向上する。
【００２１】
容器は任意の適切な種類のものでよい。例えば、適切な気−液または気−固接触器である。例えば、充填した容器、メンブレン式、モジュール式、スプレー式、トレイ式の容器が使用される。あるいは、それらの適切な組合せである。容器はカラムであってもよい。
【００２２】
図１は、アミン吸収媒体からのアルコールに基づくＣＯ２ストリッピング方法のための本開示の例示的な方法を実施するのに適切な、例示的な装置の模式図である。装置（１００）は、ＣＯ２ストリッピング工程中のアルコール蒸気の生成および再循環のための熱回収ユニット（１２０）を含む。吸収体からのＣＯ２リッチなアミン溶液は、クロス熱交換器（１３０）によってストリッパからのＣＯ２リーンな溶液で加熱される。加熱された溶液はストリッパ（１５０）の頂部に供給され、ストリッパ（１５０）の底部および／または側部に導入された熱いアルコール蒸気の上昇流に逆らって下降する。ストリッピング駆動力の存在下では、ＣＯ２は液体から放出されてアルコール蒸気とともにストリッパ頂部から離れ、一方、ＣＯ２リーンな溶液は沸騰することなくストリッパの底部から出される。ストリッパからのアルコールとＣＯ２の蒸気混合物は、熱回収（１２２）およびオーバーヘッドコンデンサ（１２４）によって冷却され、アルコールとＣＯ２とに分離される。液状アルコールはアキュムレータ（１６０）に回収され、その後、液体ポンプ（１２８）によって回収コンデンサ（１２２）および再沸器（１２６）へ送られ、蒸発してアルコール蒸気となり、ストリッパ（１５０）で再使用される。使用されるアルコールは常にシステム内を循環しているため、その損失および補填はストリッパの適切な運転条件に依存する。アルコール蒸気を確保し、かつ溶液からの水の蒸発の大部分を防止するため、ストリッパの温度はアルコールの沸点より高く、かつ吸収媒体の沸点より低くなるように維持しなければならない。必要なアルコール蒸気の量、およびストリッパ（１５０）の高さに沿ったアルコール注入箇所（１５２、１５４、１５６）の数は、必要なストリッピング駆動力の大きさに依存する。
【００２３】
アルコールの蒸発に使用される再沸器（１２６）の温度が低温であるため、提案するストリッピング操作にヒートポンプの概念を容易に統合させることができる。図１より、ヒートポンプループ（点線）はオーバーヘッドコンデンサ（１２４）から熱を取り出すために適用され、それを、再沸器（１２６）をより高温に加熱するために利用する。予備的評価に基づき、１０℃（コンデンサの冷却媒体の温度）〜９０℃（再沸器の加熱媒体の温度）で循環される冷媒Ｒ−１３４ａを備えるヒートポンプは２．５のヒートポンプ成績係数（ＣＯＰＨＰ）を提供する。このことは、ヒートポンプコンプレッサ（１２８）を駆動するために外部供給源から必要なエネルギーが再沸器（１２６）に供給されるエネルギーのたった４０％であることを示唆しており、エネルギー節約の大きな潜在力を提示している。理論によって拘束されるものではないが、ヒートポンプの概念を現行のストリッピング操作に適用するのは問題があると考えられる。その理由は、現行の方法のための再沸器の温度は、１０１℃の臨界温度に制限されているＲ−１３４ａの作動範囲よりも高いためである。
【００２４】
存在するアルコールの沸点（メタノールでは６４．７℃）はアミン溶液の沸点よりも低いため、アルコール蒸気によるＣＯ２ストリッピングは従来のストリッピング操作よりも低い温度で達成可能である。低いストリッピング温度は、地熱地帯からの熱水のような低コストの熱源や発電所からの低級エネルギーを使用する機会を提供し得る。これはＣＯ２捕捉のコストのかなりの削減をもたらし得る。その上、低いストリッピング温度は吸収体とストリッパとの間の運転温度の差を小さくし、熱負荷および使用されるクロス熱交換器のサイズを減少させる可能性を提供する。
【００２５】
図２は、吸着カラム（２１０）からのアルコールに基づくＣＯ２ストリッピング方法のための本開示の例示的な方法を実施するのに適切な、例示的な装置（２００）の模式図である。装置（２００）は、ＣＯ２ストリッピング方法の中でアルコール蒸気を生成および再循環させるための熱回収ユニット（２２０）を含む。ＣＯ２リッチな吸着媒体は吸着床の１つであり、そこで運転がストリッピングモードに切り替わる。ストリッピング後に得られるＣＯ２リーンな吸着媒体はストリッピングカラム（２１０）に留まり、そこで運転は吸着モードに戻る。ストリッピング方法において、熱いアルコール蒸気の上昇流は吸着カラムの底部（２１２）および側部（２１４）に導入される。ストリッピング駆動力の存在下では、ＣＯ２は吸着媒体から放出され、アルコール蒸気とともにストリッパ頂部（２１６）を離れる。ストリッパからのアルコールとＣＯ２の蒸気混合物は熱回収コンデンサ（２２２）およびオーバーヘッドコンデンサ（２２４）によって冷却され、アルコールとＣＯ２とに分離される。液体アルコールはアキュムレータによって回収された後、液体ポンプ（２２８）によって回収コンデンサ（２２２）および再沸器（２２６）へ送られ、蒸発してアルコール蒸気となり、ストリッパで再使用される。使用されるアルコールは常にシステム内を循環しているため、その損失および補填はストリッパの適切な運転条件に依存する。必要なアルコール蒸気の量、およびストリッパの高さに沿ったアルコール注入箇所の数は、必要なストリッピング駆動力の大きさに依存する。
【００２６】
超臨界石炭火力発電所の予備的評価（表１）より、提案するアルコール蒸気担体を使用したＣＯ２ストリッピング方法が、約２９〜３７％のエネルギー節約を提供し、エネルギー損失で２．６〜３．２％ポイントの低下に貢献すると予測されることが示唆される。
【００２７】
【表１】
2013512772.tif 000003
【図１】
2013512772.tif 000004
【図２】
2013512772.tif 000005
【国際調査報告】
2013512772.tif 000006
2013512772.tif 000007