(57)【要約】 【要約】  アンチサブリメーションによってガスストリームからCO2を除去する方法は、ａ）CO2を含有するガスストリームを凍結容器に導入する工程；ｂ）凍結容器において、少なくとも一部のガスストリームの温度を、アンチサブリメーションによって固体CO2が生ずる温度に低下させる工程；ｃ）CO2が奪われたガスストリームを凍結容器から排出する工程；及びｄ）生じた固体CO2を回収する工程を含んでなり、工程ｂ）におけるガスストリームの圧力が大気圧よりも高いことを特徴とする。ガスストリームからCO2を除去するためのアンチサブリメーションシステムは、ガスストリームを受け取るように構成された凍結容器(101)であって、凍結容器における少なくとも一部のガスストリームの温度を、アンチサブリメーションによって固体CO2が生ずる温度に低下させるように構成された低温冷凍装置(107)を含んでなる凍結容器；及び凍結容器に供給されるガスストリームの圧力を上昇させるように構成された圧縮器(108)を含んでなる。
2011529843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンチサブリメーションによってガスストリームからCO2を除去する方法であって、
ａ）CO2を含有するガスストリームを凍結容器に導入する工程；
ｂ）前記凍結容器において、少なくとも一部のガスストリームの温度を、アンチサブリメーションによって固体CO2が生ずる温度に低下させる工程；
ｃ）CO2が奪われたガスストリームを凍結容器から排出する工程；及び
ｄ）堆積した固体CO2を回収する工程
を含んでなり、工程ｂ）におけるガスストリームの圧力が大気圧よりも高いことを特徴とする、CO2の除去法。
【請求項２】
工程ｂ）におけるガスストリームの圧力が１.５バール以上である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
工程ｂ）におけるガスストリームの圧力が２.０バール以上である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
工程ｂ）におけるガスストリームの圧力が10.0バール以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
ガスストリームの圧力を、ガスストリームを凍結容器に導入する前に、圧縮器によって上昇させる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
ガスストリームの圧力を、工程ｂ）を行った後に低下させる、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
圧力の低減を、機械的又は電気的エネルギーに転化する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
機械的又は電気的エネルギーを、少なくとも部分的に、圧縮器に再循環する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
ガスストリームの温度を、ガスストリームを凍結容器に導入する前に、１以上のプレ冷却工程において低下させる、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
ガスストリームの温度が、ガスストリームが凍結容器導入される際、−８０〜−100℃の範囲である、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
堆積した固体CO2の回収が、堆積した固体CO2を液化させ；及び液化したCO2を凍結容器から排出することを含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
ガスストリームからCO2を除去するためのアンチサブリメーションシステムであって、
ガスストリームを受け取るように構成された凍結容器であって、凍結容器における少なくとも一部のガスストリームの温度を、アンチサブリメーションによって、固体CO2が堆積する温度に低下させるように構成された低温冷凍装置を含んでなる凍結容器；及び
凍結容器に供給されるガスストリームの圧力を上昇させるように構成された圧縮器
を含んでなる、アンチサブリメーションシステム。
【請求項１３】
低温冷凍装置が、ガスサイクル冷凍システム、カスケード冷凍システム又は一体化したカスケード冷凍システムを含んでなる、請求項１２記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項１４】
さらに、凍結容器から高圧で排出されるガスストリームを受け取り、圧力を機械的又は電気的エネルギーに転化するように構成されたエネルギーコンバーターを含んでなる、請求項１２又は１３記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項１５】
さらに、追加の凍結容器を含んでなり、２つの凍結容器が並列に配置され、これにより、２つの凍結容器を稼動−待機サイクルで作動することができる、請求項１２〜１４のいずれかに記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項１６】
さらに、凍結容器の上流に配置され、ガスストリームを０〜１０℃の範囲の温度に冷却するように構成された第１のプレ冷却装置を含んでなる、請求項１２〜１５のいずれかに記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項１７】
第１のプレ冷却装置が冷却塔を含んでなる、請求項１６記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項１８】
さらに、凍結容器の上流に配置され、ガスストリームを−２０〜−６０℃の範囲の温度に冷却するように構成された第２のプレ冷却装置を含んでなる、請求項１６又は１７記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項１９】
第２のプレ冷却装置が工業用冷凍装置を含んでなる、請求項１８記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項２０】
さらに、凍結容器から排出される冷たいガスストリームを受け取り、この冷たいガスストリームを、凍結容器に導入されるガスストリームの温度を低下させるために使用するように構成された熱交換器を含んでなる、請求項１２〜１９のいずれかに記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項２１】
圧縮器が熱交換器の上流に配置されている、請求項２０記載のアンチサブリメーションシステム。
【請求項２２】
エネルギーコンバーターが熱交換器の下流に配置されている、請求項２０記載のアンチサブリメーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、2008年８月1日出願の米国仮出願第61/085,611号及び2008年８月1日出願の米国仮出願第61/065,624号の優先権を主張するものであり、その記載のすべてを参照することにより本書に含める。
【０００２】
本発明は、アンチサブリメーションによってガスストリームからCO2を除去する方法及びガスストリームからCO2を除去するアンチサブリメーションシステムに係り、前記アンチサブリメーションシステムは、少なくとも１つの凍結容器を含んでなる。
【背景技術】
【０００３】
公知のアンチサブリメーションシステムにおける二酸化炭素（CO2）の捕捉は、１以上の凍結容器内の冷たい表面においてCO2アイスを凍結させ、続いて、これら表面を温めることによってCO2を解凍することによって行われる。
【０００４】
米国特許第7,073,348号は、特に、機械的エネルギーの生産用に構成された装置において、炭化水素の燃焼に由来する煙霧から二酸化炭素を抽出する方法及びシステムに係る。当該方法は、前記煙霧を、大気圧にほぼ等しい圧力において、アンチサブリメーションプロセスを介して、二酸化炭素が蒸気状態から固体状態に直接移行するような温度に冷却する工程を含んでなる。アンチサブリメーションフェーズの間に、CO2フロストがアンチサブリメーションエバポレーターにおいて形成される。煙霧内に含有されるCO2のアンチサブリメーションの次のサイクルのためにアンチサブリメーションエバポレーターを準備する手順は次のように要約される。固体CO2が、圧力５.２バールにおいて、融解し、すなわち、固体状態から液体状態に移行する。CO2が完全に液体状態になると、ポンプによって、これを断熱リザーバーに移す。
【０００５】
米国特許出願公開第2006/0277942号は、米国特許第7,073,348号と概ね同様の開示を提供するが、二酸化炭素と共に、二酸化イオウを抽出することに関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、CO2除去用のアンチサブリメーションシステムのCO2捕捉効率を増大させることにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、ガスストリームからCO2を捕捉するためのアンチサブリメーションシステムの全体のエネルギー消費量を低減することにある。
【０００８】
当該分野において一般的になっているように、用語「アンチサブリメーション」は、当該ガスの温度がその三重点の温度以下である場合に生ずる直接のガス／固体相変化をいう。用語「昇華」は、従来どおり、直接の固体／ガス相変化をいう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的及び他の目的（下記の記載を検討した後に、当業者には、明白になるであろう）は、第１の態様において、アンチサブリメーションによって、ガスストリームからCO2を除去する方法であって、
ａ）CO2を含有するガスストリームを凍結容器に導入する工程；
ｂ）凍結容器において、少なくとも一部のガスストリームの温度を、アンチサブリメーションによって固体CO2が生ずる温度に低下させる工程；
ｃ）CO2が奪われたガスストリームを凍結容器から排出する工程；及び
ｄ）堆積した固体CO2を回収する工程
を含んでなり、工程ｂ）におけるガスストリームの圧力が大気圧よりも高いことを特徴とするCO2の除去法によって達成される。
【００１０】
ガスストリームにおけるCO2のアンチサブリメーションのための従来技術による方法及びシステム（例えば、米国特許第7,073,348号に記載のシステム）では、CO2のアンチサブリメーション又は「凍結」は、大気圧にほぼ等しい圧力下で行われる。
【００１１】
本発明は、凍結容器において凍結を行う温度、及び凍結容器の冷たい冷媒において要求されるこのような温度が、アンチサブリメーションシステムの全体的なエネルギーの消費量の制御における重要なファクターであるとの認識に基づくものである。冷たい冷媒の温度のわずかな増大でも、アンチサブリメーションシステムの全体的なエネルギーの消費量の顕著な低減をもたらす。
【００１２】
本発明によれば、凍結工程を、大気圧と比べて上昇させた圧力で行う。これにより、凍結容器のCO2の捕捉効率を維持したままで、冷たい冷媒の温度を上昇させることができる。例として、図２に示すようなCO2除去システムの具体例では、ガスストリーム中のCO2の９０％を除去するために要求される温度は、大気圧（すなわち、１.０バール）で凍結を行う場合の−121℃から、上昇させた圧力２.０バールで凍結を行う場合の−115℃に上昇される。冷却能には、ほとんど変化はない。しかし、より温かい温度において同じ凍結を生ずるために要求されるインプット電力は、大気圧で操作するプロセスにかかる電力の消費量と比べて約６％低減される。インプット電力におけるかかる低減は、CO2除去プロセスに関する操作コストの顕著な低減に相当する。
【００１３】
工程ｂ）におけるガスストリームの圧力は、好ましくは、大気圧（すなわち、約１.０バール）よりも明らかに高い圧力、好ましくは、約１.２バール以上、さらに好ましくは、約１.５バール以上又は２.０バール以上である。上昇した圧力は、例えば、１.２〜30.0バールの範囲であり、例えば、１.５〜30.0バールの範囲又は２.０〜30.0バールの範囲である。実用的理由のため、圧力は10.0バール以下に維持される。これは、この圧力であれば、例えば、１.５〜10.0バール又は２.０〜10.0バールの範囲のような１.２〜10.0バールの範囲では、大気圧での作動用に構成された既存のシステムを、圧縮器の挿入以外に、わずかな変更を加えたのみで又は変更なしで使用できるからである。
【００１４】
１具体例では、工程ｂ）におけるガスストリームの圧力は、１.５バールよりも高く、好ましくは、２.０バールよりも高い。１具体例では、工程ｂ）におけるガスストリームの圧力は、10.0バールよりも低い。
【００１５】
１具体例では、ガスストリームの圧力を、ガスストリームを凍結容器に導入する前に上昇させる。
【００１６】
１具体例では、ガスストリームの圧力を、工程ｂ）を行った後に低下させる。圧力の減少は、好ましくは、機械的又は電気的エネルギーに転化される。エネルギーの転化は、例えば、タービン膨張器又はガス圧を機械的及び／又は電気的エネルギーに転化できる装置によって行われる。
【００１７】
ガスストリームの圧力が圧縮器によって上昇され、ガスストリームの圧力が機械的又は電気的エネルギーに転化される具体例では、生産された機械的又は電気的エネルギーは少なくとも部分的に圧縮器に再循環される。
【００１８】
１具体例では、ガスストリームの温度は、凍結容器に導入される前に、１以上のプレ冷却工程において低下される。
【００１９】
凍結容器において使用される、例えば、温度−115℃のような低温でのガスストリームの冷却は多量のエネルギーを消費する。従って、凍結容器に導入する前に、ガスストリームをより高い温度でプレ冷却することが好ましい。プレ冷却は、例えば、ガスストリームの温度を約０〜１０℃の範囲に低下させる水冷却を含む１以上のプレ冷却工程、及びガスストリームの温度を約−２０〜−６０℃の範囲に低下させる１以上の一般的な冷凍工程において行われる。ガスストリームの温度をさらに低下させるためには、凍結容器から排出される冷たいガスストリームを熱交換器において使用して、凍結容器に導入されるガスストリームの温度を低下させることができる。熱交換器では、ガスストリームの温度は、好ましくは、約−８０〜−100℃の範囲の温度に低下される。
【００２０】
１具体例では、ガスストリームの温度は、凍結容器に導入される際、−８０〜−100℃の範囲である。
【００２１】
本発明の第２の態様では、ガスストリームからCO2を除去するためのアンチサブリメーションシステムであって、
ガスストリームを受取るように構成された凍結容器であって、凍結容器における少なくとも一部のガスストリームの温度を、アンチサブリメーションによって、固体CO2が生ずる温度に低下させるように構成された低温冷凍装置を含んでなるものである凍結容器；及び
凍結容器に供給されるガスストリームの圧力を増大させるように構成された圧縮器
を含んでなるCO2除去のためのアンチサブリメーションシステムが提供される。
【００２２】
低温冷凍システムは、好ましくは、ガスストリームと接触するように配置された凍結容器における表面において、−110℃以下、−115℃以下又は−120℃以下のようなCO2のアンチサブリメーションが生ずる温度を提供できるものである。低温冷凍システムは、好ましくは、適切な低温冷媒にて、独立したユニットとして作動するように構成される。アンチサブリメーションシステムとの併用に適する低温冷凍システムの例としては、ガスサイクル冷凍システムに限定されず、カスケード冷凍システム及び一体化したカスケード冷凍システムがある。１具体例では、低温冷凍装置は、ガスサイクル冷凍システム、カスケード冷凍システム又は一体化したカスケード冷凍システムを含んでなる。ガスサイクル冷凍システム、カスケード冷凍システム又は一体化したカスケード冷凍システムから選ばれる低温冷凍装置を、凍結容器におけるガスストリームの高圧と組み合わせる具体例は、このような冷凍装置の電力消費が、要求される温度に高度に依存するものであるため有利である。ガスサイクル冷凍システム、カスケード冷凍システム又は一体化したカスケード冷凍システムから選ばれる低温冷凍装置が、凍結容器におけるガスストリームの高圧と組合わされた具体例は、従って、アンチサブリメーションシステム全体の操作コストの顕著な低減を提供できる。
【００２３】
圧縮器は、好ましくは、ガスストリームの圧力を、大気圧（すなわち、約１.０バール）以上、好ましくは１.２バール以上、さらに好ましくは１.５バール以上又は２.０バール以上に上昇させることができるように構成される。圧縮器は、ガスストリームの圧力を、例えば、１.５〜30.0バール又は２.０〜30.0バールの範囲のような１.２〜30.0バールの範囲に上昇させることができる。実用的理由から、圧力は、10.0バール以下、例えば、１.５〜10.0バール又は２.０〜10.0バールの範囲のような１.２〜10.0バールの範囲に維持されるが、これは、大気圧での作動用に構成された既存のシステムを、圧縮器の挿入以外に、わずかな変更を加えたのみで又は変更なしで使用できるからである。
【００２４】
１具体例では、アンチサブリメーションシステムは、さらに、高圧で凍結容器から排出されるガスストリームを受け取り、圧力を機械的又は電気的エネルギーに転化するように構成されたエネルギーコンバーターを含んでなる。
【００２５】
エネルギーコンバーターは、例えば、タービン膨張器又はガス圧を機械的及び／又は電気的エネルギーに転化できる他の装置を含んでなる。エネルギーコンバーターを含んでなる具体例では、エネルギーコンバーター及び圧縮器は、エネルギーコンバーターで生産された機械的又は電気的エネルギーが、少なくとも部分的に圧縮器に再循環されるように、機械的又は電気的に導通している。
【００２６】
アンチサブリメーションシステムは、並列の２以上の凍結容器を含むことができる。これにより、１以上の凍結容器が解凍モードで作動している間に、１以上の他の凍結容器が凍結モードで作動することが可能になる。このように、２つ以上の凍結容器を含んでなるアンチサブリメーションシステムは、解凍のための休止期間なしで、稼動−待機サイクルで連続して作動するように構成される。このように、１具体例では、アンチサブリメーションシステムは、さらに、追加の凍結容器を含んでなり、２つの凍結容器が稼動−待機サイクルで作動できるように、２つの凍結容器が並列に配置される。
【００２７】
上述のように、第１の態様について、ガスストリームの温度は、好ましくは、凍結装置への導入前に低下される。従って、アンチサブリメーションシステムは、凍結容器の上流に配置され、ガスストリームを、凍結容器への導入に適した温度に冷却できるように構成された１以上のプレ冷却装置を含んでなる。
【００２８】
１具体例では、アンチサブリメーションシステムは、さらに、凍結容器の上流に配置され、ガスストリームを、０〜１０℃の範囲の温度に冷却するように構成された第１のプレ冷却装置を含んでなる。
【００２９】
アンチサブリメーションシステムは、さらに、凍結容器の上流に配置され、ガスストリームを、−２０〜−６０℃の範囲の温度に冷却するように構成された第２のプレ冷却装置を含んでなる。第２のプレ冷却装置は、例えば、工業用冷凍装置を含むことができる。
【００３０】
凍結容器から排出されるCO2が奪われた冷たいガスは、有利には、凍結容器に導入されるガスストリームを冷却するために使用される。
【００３１】
１具体例では、アンチサブリメーションシステムは、さらに、凍結容器から排出される冷たいガスストリームを受け取り、これを、凍結容器に導入されるガスストリームの温度を低下させるために使用するように構成された熱交換器を含んでなる。
【００３２】
凍結容器の上流の圧縮器の位置、及び凍結容器の下流のエネルギーコンバーターの位置は、例えば、熱交換器における冷却効率を最大にするか、又はエネルギーコンバーターによって生産される機械的又は電気的エネルギーを最大にするかに応じて選択される。
【００３３】
１具体例では、圧縮器は熱交換器の上流に配置される。
【００３４】
１具体例では、エネルギーコンバーターは熱交換器の下流に配置される。
【００３５】
本発明の全ての態様の全ての特徴は、可能ないかなる組み合せの形においても、このような組合せが、当業者により過度の実験を行うことなく決定されるように実施不能でない限り使用される。
【００３６】
本明細書において、用語「ガスストリーム」は、CO2を含んでなる各種のガス混合物のストリームを意味する。しかし、「ガスストリーム」は、代表的には、再生可能な又は再生不能の燃料のような有機物質の燃焼から生ずる煙道ガスのストリームである。本発明に従って処理されるガスストリームが、アンチサブリメーションシステムには適さない、又は本発明の他の特徴に適さない化学種又は粒子を含んでなるものである場合には、このような化学種又は粒子は、初めに、当業者に公知の分離技術によって除去される。
【００３７】
用語「解凍」は、アイスの他の状態への変化を意味する。特に、CO2アイス、すなわち、固体CO2の他の状態への変化を意味する。
【００３８】
本明細書で使用する用語「上流」及び「下流」は、ガスストリームの流れに沿った位置を意味する。
【００３９】
本明細書におけるガス圧力は、他に明示しない限り、単位「バール」で示されている。ここで使用するように単位「バール」は、絶対圧力、すなわち、完全真空におけるような絶対ゼロ圧力に対する圧力を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】高圧において作動するように構成されたアンチサブリメーションシステムの１具体例の概略図である。
【図２】高圧において作動するように構成されたアンチサブリメーションシステムの１具体例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
一般に、ガスストリームからCO2を除去するためのアンチサブリメーションシステムは、プレ冷却システム、及び低温冷凍システムを含んでなる凍結容器を含んでなる。プレ冷却システムは、一般に、凍結容器への導入前に、ガスストリームの温度を低下するように構成された多数の冷却ステージを含んでなる。このプレ冷却により、凍結容器の冷却能力を最小とすることができる。プレ冷却されたガスストリームの温度は、凍結容器に導入される際には、一般に、−８０〜−100℃の範囲である。凍結容器では、ガスストリームの温度は低温冷凍システムによって、さらに、CO2のアンチサブリメーションが生ずる温度に低下される。アンチサブリメーションの間に、ガスストリーム中に存在するCO2が析出し、凍結容器の冷たい表面に堆積する。固体CO2の層が堆積して、凍結容器の負荷能力に達した時点で、ガスの導入を停止し、堆積した二酸化炭素を、低温冷凍システムからの温かい冷媒ストリームによって加熱し、融解エネルギー及び昇華エネルギーを冷凍プロセスによって回収しながら、加圧し、液化させる。ついで、液化した二酸化炭素を貯蔵タンクに排出する。
【００４２】
ガスストリームを、凍結容器への導入前に、他の前処理、例えば、水蒸気の凝縮、及び／又はスクラビング又は濾過に供して、ガスストリームに含有される粒状物質及び他の汚染物を除去することもできる。
【００４３】
以下に、図面を参照して、CO2のアンチサブリメーションを実施するように構成されたアンチサブリメーションシステムの具体例について詳述する。
【００４４】
図1は、高圧で作動するように構成されたアンチサブリメーションシステムの1具体例を示す。図1に示す具体例では、アンチサブリメーションシステムは、ガスストリームを受け取るように構成されたガス入口102、ガス出口103、液体出口104を含んでなる凍結容器101を含んでなる。凍結容器は、さらに、低温冷媒を受け取り、凍結容器を通過するガスストリームから熱を吸収するように構成された熱交換器106をもつ低温冷凍システム105を含んでなる。低温冷凍システム105は、好ましくは、ガスストリームと接触するように配置された熱交換器106の表面（ここでは、「冷表面」という）において、−110℃以下、又は−115℃以下、又は−120℃以下の温度のようなCO2のアンチサブリメーションが生ずる温度を提供できるものである。低温冷凍システム105は、好ましくは、充分に低い温度を提供できる工業用冷凍システム107を含んでなることができる。アンチサブリメーションシステムとの併用に適する工業用冷凍システムの例としては、ガスサイクル冷凍システムに限定されず、カスケード冷凍システム及び一体化したカスケード冷凍システムがある。熱交換器106は、好ましくは、ガス入口からガス出口まで凍結容器を通過するガスストリームとの接触を容易なものとして、ガスストリームとの接触に曝される冷表面の大きい表面積を提供できるように構成される。
【００４５】
図1に示すアンチサブリメーションシステムの具体例は、さらに、ガスストリームのガス圧を上昇させるように構成された装置（ここでは、「圧縮器」という）108を含んでなる。圧縮器108は、凍結容器の上流のガスストリーに沿った好適ないずれかの位置に配置されか、又は凍結容器のガス入口102に直接接続して配置される。圧縮器108は、好ましくは、ガスストリームの圧力を大気圧（すなわち、約１.０バール）以上、好ましくは、約１.２バール以上、さらに好ましくは、約１.５バール以上又は２.０バール以上に上昇させることができるように構成される。圧縮器は、ガスストリームの圧力を、例えば、１.５〜30.0バール又は２.０〜30.0バールの範囲のような１.２〜30.0バールの範囲に上昇させることができる。実用的理由から、圧力は、10.0バール以下、例えば、１.５〜10.0バール又は２.０〜10.0バールの範囲のような１.２〜10.0バールの範囲に維持されるが、これは、大気圧での作動用に構成された既存のシステムを、圧縮器の挿入以外に、わずかな変更を加えたのみで又は変更なしで使用できるからである。当業者であれば、アンチサブリメーションシステムの各種の特別な具体例における使用について好適な圧縮器を選定することができるであろう。
【００４６】
図1に示すアンチサブリメーションシステムの具体例は、さらに、凍結容器からガス出口103を介して、高圧及び低温で排出されるガスストリームを受け取り、ガスがより低い圧力及び上昇された温度に膨張する際に圧力を機械的又は電気的エネルギーに転化するように構成されたエネルギーコンバーター109を含んでなる。エネルギーコンバーター109は、例えば、タービン膨張器（ここで、ガスストリームがより低い圧力に膨張し、機械力又は、例えば、オルタネーターを介して電力を発生する）である。機械力及び／又は電力は、圧縮器108における圧縮の仕事を相殺するために回収される。さらに、ガスは膨張プロセスを介して冷却し、さらに、システム全体の冷凍要求を低減する。
【００４７】
エネルギーコンバーター109は、凍結容器101の下流のガスストリームに沿った各種の好適な位置に配置されるか、又は凍結容器のガス出口103に直接接続して配置される。当業者であれば、アンチサブリメーションシステムの各種の特別な具体例における使用について好適なエネルギーコンバーターを選定することができるであろう。
【００４８】
アンチサブリメーションシステムは、半連続モード又はバッチモードで作動するように設定される。半連続モードでは、ガスストリームは、凍結の間、凍結容器のCO2負荷能力に達するまで、凍結容器を連続して流動できる。凍結容器がCO2負荷能力に達した時点で、入口を介するガスの導入を停止し、凍結容器内において堆積したCO2を回収する。バッチモードでは、ガス入口を介して所定量のガスを凍結容器に導入し、CO2の凍結に供し、続いて、ガス出口を介して放出する。例えば、凍結容器のCO2負荷能力に達するまで、サイクルを繰り返し、その後、凍結容器内に堆積したCO2を、例えば、CO2を解凍し、液体状又は圧縮ガスの形の二酸化炭素を集めることによって回収する。
【００４９】
低温冷凍システム105、例えば、凍結容器101内に堆積した固体CO2の融解又は昇華を促進するために、温かい低温冷媒又は他の好適な熱交換媒体を熱交換器106に提供するように構成することによって、アンチサブリメーションシステムの解凍モードにおいて有用なものとなるように構成される。解凍されたCO2は、好ましくは、液体出口104を介して排出され、例えば、弁111及びポンプ112を介して、液体CO2収集タンク110において、液体の形で集められる。
【００５０】
図２は、本発明によるアンチサブリメーションシステムの他の具体例を示す。図２に示す具体例では、アンチサブリメーションシステムは、第１及び第２の凍結容器201a及び201b、第１及び第２の冷却ステージ213及び214、及び熱交換器215を含んでなる。第１及び第２の冷却ステージ213及び214、及び熱交換器215は、ガスストリームを、第１及び第２の凍結容器201a又は201bへの導入前に、プレ冷却するように構成されている。
【００５１】
第１及び第２の冷却ステージ213及び214は、ガスストリームの温度を低下させるように構成されている熱交換器を含んでなる。第１の冷却ステージ213は、例えば、ガスストリームを約２５〜５０℃から約０〜１０℃に冷却するように構成され、第２の冷却ステージ214は、例えば、ガスストリームを約０〜１０℃から約−２０〜−６０℃に冷却するように構成される。第１の冷却ステージ213は、例えば、冷却塔を含んでなる。第２の冷却ステージ214は、例えば、一般的な工業用冷凍ユニットを含んでなる。第１及び第２の冷却ステージ213及び214は、凍結容器に導入されるガスストリームの温度をさらに低下させるために、第１又は第２の凍結容器から排出される冷たいガスストリームを使用するように構成される。第１及び第２の冷却ステージは、カスケード冷凍システム、ガスサイクル冷凍システム又は他のタイプの冷凍システムの一部であってもよい。
【００５２】
熱交換器215は、ガスストリームを第１又は第２の凍結容器201a又は201bに導入する前に、ガスストリームを、第１又は第２の凍結容器から排出される冷たいガスストリームとの熱交換のために接触させることによって、ガスストリームの温度をさらに低下させるために配置される。第１又は第２の凍結容器から排出される冷たいガスストリームの温度は、一般に−８０℃以下である。熱交換器は、例えば、ガスストリームの温度を、約−２０〜−６０℃から約−８０〜−100℃に低下させるように構成される。
【００５３】
第１及び第２の凍結容器201a及び201bは、それぞれ、熱交換器215からのプレ冷却されたガスストリームを受け取るように構成されたガス入口202a, 202b、ガス出口203a, 203b、液体出口204a, 204bを含んでなる。凍結容器は、さらに、低温冷媒を受け取り、凍結容器を通過するガスストリームから熱を吸収するように構成された熱交換器206a, 206bをもつ低温冷凍システム205を含んでなる。低温冷凍システム205は、好ましくは、ガスストリームとの接触のために配置された熱交換器206a及び206bの表面（「冷たい表面」という）において、−120℃以下の温度のようなCO2のアンチサブリメーションが生ずる温度を提供することができる。熱交換器206a, 206bは、好ましくは、ガス入口からガス出口まで凍結容器201a, 201bを通過するガスストリームとの接触を容易なものとし、ガスストリームと接触する冷表面の大きい表面積を提供するように構成される。
【００５４】
アンチサブリメーションシステムは、さらに、解凍の間に凍結容器から液体CO2を受け取るように配置された液体CO2収集タンク210を含んでなる。CO2収集タンクは、凍結容器201a及び201bの液体出口204a及び204bに流体導通している。流体導通は、好ましくは弁211a又は211b及びポンプ212を含んでなる。
【００５５】
システムが凍結モードで作動している際には、熱交換器206a, 206bは低温冷凍システム205から低温冷媒を受け取り、凍結容器201a, 201bを通過するガスストリームから熱を吸収するように構成される。低温冷凍システム205は、好ましくは、ガスストリームとの接触のために配置された熱交換器206a, 206bの表面（「冷表面」という）において、−120℃以下の温度のようなCO2のアンチサブリメーションが生ずる温度を提供することができる。熱交換器206a, 206bは、好ましくは、ガス入口202からガス出口203まで凍結容器を通過するガスストリームとの接触を容易なものとし、ガスストリームと接触する冷表面の大きい表面積を提供するように構成される。
【００５６】
低温冷凍システム205は、例えば、凍結容器内に堆積した固体CO2の融解又は昇華を促進するために、温かい低温冷媒又は他の好適な熱交換媒体を、熱交換器206a, 206bに提供するように構成することによって、アンチサブリメーションシステムの解凍モードにおいて有用なものとなるように構成される。解凍したCO2は、好ましくは、液体出口204a, 204bを介して排出され、液体CO2収集タンク210において液状で収集される。
【００５７】
図２に示すアンチサブリメーションシステムは、稼動−待機サイクルで作動される。これは、第１の凍結容器が凍結モードで使用され（稼動サイクル）、その間、第２の凍結容器が解凍モードで使用される（待機サイクル）ことを意味する。第１の容器における凍結操作及び／又は第２の容器における解凍操作が完了すると、操作が逆転する。これによって、各凍結容器における操作が半連続式であったとしても、システムを実質的に連続式で作動することができる。
【００５８】
図２に示すアンチサブリメーションシステムの具体例は、さらに、ガスストリームのガス圧を上昇させるように構成された装置（ここでは、「圧縮器」という）208を含んでなる。この具体例では、圧縮器は、凍結容器の上流の第２の冷却ステージ214と熱交換器215との間に配置されている。しかし、圧縮器208は、凍結容器の上流のガスストリームに沿った好適ないずれかの位置に配置されか、又は凍結容器のガス入口に直接接続して配置される。圧縮器208は、好ましくは、ガスストリームの圧力を大気圧（すなわち、約１.０バール）以上、好ましくは、約１.２バール以上、さらに好ましくは、約１.５バール以上又は２.０バール以上に上昇させることができるように構成される。圧縮器は、好ましくは、ガスストリームの圧力を大気圧（すなわち、約１.０バール）以上、好ましくは、約１.２バール以上、さらに好ましくは、約１.５バール以上又は２.０バール以上に上昇させることができるように構成される。圧縮器は、ガスストリームの圧力を、例えば、１.５〜30.0バール又は２.０〜30.0バールの範囲のような１.２〜30.0バールの範囲に上昇させることができる。実用的理由から、圧力は、10.0バール以下、例えば、１.５〜10.0バール又は２.０〜10.0バールの範囲のような１.２〜10.0バールの範囲に維持されるが、これは、大気圧での作動用に構成された既存のシステムを、圧縮器の挿入以外に、わずかな変更を加えたのみで又は変更なしで使用できるからである。当業者であれば、アンチサブリメーションシステムの各種の特別な具体例における使用について好適な圧縮器を選定することができるであろう。
【００５９】
図２に示すアンチサブリメーションシステムの具体例は、さらに、凍結容器から高圧で排出されるガスストリームを受け取り、圧力を機械的又は電気的エネルギーに転化するように構成されたエネルギーコンバーター209を含んでなる。エネルギーコンバーター209は、例えば、タービン膨張器（ここで、ガスストリームがより低い圧力に膨張し、機械力を発生する）である。機械力は、圧縮器208における圧縮の仕事を相殺するために回収される。さらに、ガスは膨張プロセスを介して冷却され、さらに、システム全体の冷凍要求を低減する。この具体例では、エネルギーコンバーターは、凍結容器の下流の凍結容器201a, 201bと熱交換器215との間に配置されている。しかし、エネルギーコンバーターは、凍結容器の下流のガスストリームに沿った好適ないずれかの位置に配置されか、又は凍結容器のガス出口に直接接続して配置される。当業者は、例えば、機械力と冷凍との間の所望のバランスに応じて、エネルギーコンバーターの最も適した位置を決定できるであろう。
当業者であれば、アンチサブリメーションシステムの各種の特別な具体例における使用について好適なエネルギーコンバーターを選定できるであろう。
【００６０】
次に、図１に示すようなアンチサブリメーションシステムを使用してガスストリームからCO2を除去するプロセスを詳述する。CO2が除去されるガスストリームを、任意に、水、粒子及び他の汚染物を除去した後、プレ冷却フェーズに供し、ここで、ガスストリームの温度を、１以上の冷却工程において連続的に低下させる。ガスストリームの温度は、例えば、第１の冷却工程において、例えば、冷却媒体として水を使用する冷却塔を使用して、約２５〜５０℃の温度から約０〜１０℃の温度に低下され、第２の冷却工程において、例えば、一般的な冷凍方法を使用して、約０〜１０℃の温度から約−２０〜−６０℃の温度に低下される。プレ冷却フェーズは、さらに、追加の冷却工程を含むことができ、ガスストリームの温度を、熱交換器において、凍結が行われる凍結容器から排出される冷たいガスストリームを使用して、さらに低下させる。熱交換器では、ガスストリームの温度が、例えば、約−２０〜−６０℃から約−８０〜−100℃に低下される。
【００６１】
さらに、ガスストリームを圧縮フェーズに供し、ガスストリームのガス圧を、例えば、圧縮器によって、大気圧を超える圧力に上昇させる。圧縮は、プレ冷却の前、その間、又はその後に行われるが、プレ冷却フェーズの後又は凍結容器から排出される冷たいガスストリームとの熱交換の直前のプレ冷却フェーズの間に行うことが好適である。ガスストリームの圧力は、好ましくは、大気圧（すなわち、約１.０バール）より明らかに高い圧力、好ましくは、約１.２バール以上、さらに好ましくは、約１.５バール以上又は２.０バール以上に上昇される。上昇された圧力は、例えば、１.５〜30.0バール又は２.０〜30.0バールの範囲のような１.２〜30.0バールの範囲である。実用的理由から、圧力は、10.0バール以下、例えば、１.５〜10.0バール又は２.０〜10.0バールの範囲のような１.２〜10.0バールの範囲に維持される。
【００６２】
凍結フェーズでは、プレ冷却され、圧縮されたガスストリームを、ガス入口を介して凍結容器に導入し、CO2のアンチサブリメーションを行う。凍結容器では、ガスストリームを、低温冷凍システムの冷表面と接触させる。冷たい表面は充分に冷たいため、ガスストリームに存在するCO2ガスのアンチサブリメーションが生じ、冷表面上に固体のCO2アイスが堆積する。冷表面の少なくとも一部は、−110℃以下、好ましくは−115℃以下、さらに好ましくは−120℃以下の表面温度を有する。ついで、CO2が奪われたガスストリームを、ガス出口を介して、なお低温及び高圧の状態で排出する。
【００６３】
ついで、排出された、CO2が奪われた冷たいガスストリームを膨張フェーズに供し、ガスストリームのガス圧を、例えば、タービン膨張器において低下させる。膨張フェーズでは、ガスストリームの温度が上昇し、ガスストリームの圧力が、機械力及び／又は電力の生産の間に低下する。さらに、膨張フェーズにおいて、例えば、タービン膨張器によって生産された力は、圧縮フェーズにおいてガスストリームを圧縮するために要求される力を相殺するために使用される。
【００６４】
凍結容器から排出された冷たいガスは、膨張フェーズの前又は後で、プレ冷却フェーズにおいて入来するガスストリームを冷却するために有利に使用される。凍結容器から排出された冷たいガスは、例えば、熱交換器及びプレ冷却フェーズの１以上の冷却工程において漸次高くなる温度で冷凍を提供するために使用される。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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