(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) 酸素含有ガス流を圧縮装置において圧縮し、これにより圧縮ガス流を生成するステップと；
(b) 前記圧縮ガス流の第１部分を、燃焼装置において気体燃料で燃焼させ、これにより燃焼ガス流を生成するステップと；
(c) 前記圧縮ガス流の第２部分を、二酸化炭素を選択的に除去するように構成されたガス分離装置において分離し、これにより、二酸化炭素が富化されたガス流及び二酸化炭素が減少したガス流を生成するステップと；
(d) 前記二酸化炭素が減少したガス流及び前記燃焼ガス流を、第１作動ガス流及び第２作動ガス流として、発電機に機械的に結合されたガスタービン装置に送って当該ガスタービン装置を動作させ、これにより、電力を発生してタービン排ガス流を生成するステップと；
(e) 前記タービン排ガス流の少なくとも第１部分を、掃引ベースの膜分離ステップに渡すステップであって、当該掃引ベースの膜分離ステップが：
(i) 供給側及び浸透側を有し、窒素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有し、かつ酸素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有する膜を用意することと；
(ii) 前記タービン排ガス流の前記第１部分を、前記供給側全体にわたって通過させることと；
(iii) 空気、酸素富化空気、または酸素を、掃引ガス流として、前記浸透側全体にわたって通過させることと；
(iv) 前記タービン排ガス流に比べて二酸化炭素が減少した残留ガス流を、前記供給側から回収することと；
(v) 酸素及び二酸化炭素を含む浸透ガス流を、前記浸透側から回収することを含むステップと；
(f) 前記浸透ガス流を、前記酸素含有ガス流の少なくとも一部としてステップ(a)に渡すステップと
を含むことを特徴とするガス分離及び発電プロセス。
【請求項２】
前記ガス分離装置が膜分離装置であることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記ガス分離装置が吸収装置であることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記膜分離装置が、溶融塩膜を内蔵することを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
【請求項５】
前記膜分離装置が、ポリマー膜を内蔵することを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
【請求項６】
前記膜分離装置が、セラミック膜を内蔵することを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
【請求項７】
前記吸収装置が、アミン系吸着剤を使用することを特徴とする請求項３に記載のプロセス。
【請求項８】
前記吸収装置が、炭酸塩からなる吸着剤を使用することを特徴とする請求項３に記載のプロセス。
【請求項９】
前記圧縮ガス流の前記第２部分を、前記ガス分離装置に送る前に冷却するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記タービン排ガス流を、前記掃引ベースの膜分離ステップに渡す前に冷却するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記圧縮ガス流の第３部分を、ステップ(d)用の第３作動ガス流として送るステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記気体燃料が天然ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記気体燃料が合成ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１４】
ステップ(e)を実行する前に、前記タービン排ガス流を熱回収蒸気発生器に送るステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記残留ガス流が、１体積％未満の二酸化炭素濃度を有することを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記二酸化炭素が富化されたガス流が、少なくとも９０体積％の二酸化炭素濃度を有することを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記二酸化炭素が減少したガス流が、少なくとも５体積％の二酸化炭素を含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記タービン排ガス流の第２部分を、前記掃引ベースの膜分離ステップの上流で回収して、ステップ(a)へ再循環させて、前記圧縮装置において再圧縮することを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１９】
(A) 前記圧縮装置が第１圧縮機及び第２圧縮機を具え、前記第１圧縮機は第１圧縮ガス流を生成し、前記第２圧縮機は第２圧縮ガス流を生成するように、ステップ(a)を実行し；
(B) 前記浸透ガス流を前記第１圧縮機に渡すことによって、ステップ(f)を実行し；
(C) ステップ(b)において、前記第１圧縮ガス流を前記第１部分として燃焼させ；
(D) 前記タービン排ガス流の第２部分を、前記掃引ベースの膜分離ステップの上流で回収し、ステップ(a)に指向させて、前記第２圧縮機において圧縮し；
(E) ステップ(c)において、前記第２圧縮ガス流を、前記第２部分として分離する
ことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項２０】
(a) 酸素含有ガス流を第１圧縮装置において圧縮し、これにより第１圧縮ガス流を生成するステップと；
(b) 二酸化炭素含有ガス流を第２圧縮装置において圧縮し、これにより第２圧縮ガス流を生成するステップと；
(c) 前記第１圧縮ガス流を燃焼装置において燃焼させ、これにより燃焼ガス流を生成するステップと；
(d) 前記第２圧縮ガス流を、二酸化炭素を選択的に除去するように構成されたガス分離装置において分離し、これにより、二酸化炭素が富化されたガス流及び二酸化炭素が減少したガス流を生成するステップと；
(e) 前記二酸化炭素が減少したガス流及び前記燃焼ガス流を、第１作動ガス流及び第２作動ガス流として、発電機に機械的に結合されたガスタービン装置に送って当該ガスタービン装置を動作させ、これにより、電力を発生させ、タービン排ガス流を生成するステップと；
(f) 前記タービン排ガス流の少なくとも第１部分を、掃引ベースの膜分離ステップに渡すステップであって、当該掃引ベースの膜分離ステップが：
(i) 供給側及び浸透側を有し、窒素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有し、かつ酸素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有する膜を用意することと；
(ii) 前記タービン排ガス流の前記第１部分を、前記供給側全体にわたって通過させることと；
(iii) 空気、酸素富化空気、または酸素を、掃引ガス流として、前記浸透側全体にわたって通過させることと；
(iv) 前記タービン排ガス流に比べて二酸化炭素が減少した残留ガス流を、前記供給側から回収することと；
(v) 酸素及び二酸化炭素を含む浸透ガス流を、前記浸透側から回収することを含むステップと；
(g) 前記浸透ガス流を、前記酸素含有ガス流の少なくとも一部として、ステップ(a)に渡すステップと；
(h) 前記タービン排ガス流の第２部分を、前記二酸化炭素含有ガスの少なくとも一部として、ステップ(b)に渡すステップと
を含むことを特徴とするガス分離及び発電プロセス。
【請求項２１】
ステップ(f)及びステップ(h)を実行する前に、前記タービン排ガス流を熱回収蒸気発生器に送るステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記ガス分離装置が、膜分離装置を具えていることを特徴とする請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２３】
前記ガス分離装置が、吸収部を具えていることを特徴とする請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２４】
前記残留ガス流が、１体積％未満の二酸化炭素濃度を有することを特徴とする請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２５】
前記二酸化炭素が富化されたガス流が、少なくとも９０体積％の二酸化炭素濃度を有することを特徴とする請求項２０に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許出願第１３／６６５６２０号、２０１２年１０月３１日出願の同時係属出願であり、米国特許出願第１３／６６５６２０号に基づいて優先権を主張し、米国特許出願第１３／６６５６２０号は、米国特許出願第１３／５４８８２７号、２０１２年７月１３日出願の同時係属出願であり、米国特許出願第１３／５４８８２７号に基づいて優先権を主張し、米国特許出願第１３／５４８８２７号は、米国特許出願第１３／１１５７２６号、２０１１年５月２５日出願、２０１２年７月１７日に米国特許第８２２０２４８号として特許付与された出願の同時係属出願であり、米国特許出願第１３／１１５７２６号に基づいて優先権を主張し、米国特許出願第１３／１１５７２６号は、米国特許出願第１３／１２２１３６号、２０１１年３月３１日出願、２０１２年５月１５日に米国特許第８１１７８８５号として特許付与された出願の同時係属出願であり、米国特許出願第１３／１２２１３６号に基づいて優先権を主張し、米国特許出願第１３／１２２１３６号は、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ１０／０２４８０号、２０１０年９月１３日出願の米国内段階出願であり、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ１０／０２４８０号に基づいて優先権を主張し、これらの特許出願全部の全内容を、参照する形で本明細書に含める。
【０００２】
発明の分野
本発明は、膜ベースのガス分離プロセスに関するものであり、具体的には、掃引ガスを膜の浸透側で使用して、二酸化炭素を燃焼ガスから除去するプロセスに関するものである。特に、本発明は、膜ベースのガス分離プロセスの、ガス燃焼発電所内への統合に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
多数の燃焼プロセスが、地球温暖化及び環境破壊に寄与する二酸化炭素で汚染された燃焼ガス排出物を生成する。ガス燃焼発電所は、こうした燃焼ガスの主要な排出源であり、それらの排出物を処理することは、特に挑戦的である、というのは、発生する燃焼ガスの量が非常に大きく、二酸化炭素濃度が低いからである。
【０００４】
従来の発電プロセスでは、（天然ガスまたは合成ガスのような）気体燃料を、酸素の存在下で燃焼させて、高温高圧ガス流を生成している。次に、この高温高圧ガスを用いて１つ以上のガスタービンを駆動し、これらのガスタービンが発電機を駆動して、電気エネルギーを生成する。タービンからの排ガスはまだ非常に高温であり、燃焼プロセスによって発生したエネルギーのうち５０％ものエネルギーを含むことがある。過去には、残りの熱は単に高温排ガスの形で消散させることがあった。
【０００５】
より近代的な従来型ガス燃焼発電所についてのプロセス流れ図を、図６に示す。吸入した空気流６０２を、空気圧縮装置６０９において、大気圧から例えば２０〜３０バール（２〜３kPa）まで圧縮する。圧縮ガス流６０２を、吸入した燃料ガス流６０１（一般に天然ガスであるが、必ずしもそうではない）と共に燃焼器６０４において燃焼させる。次に、燃焼器からの高温高圧ガス流６０７を、ガスタービン部６０６を通して膨張させる。このガスタービンは、空気圧縮機６０９、及び発電機６１１に機械的に連結されている。ガスタービンからの低圧排ガス流６０５はまだ高温である。随意的に、このガスからの熱含量の一部を蒸気ボイラー６１２において回収し、以下に説明するコンバインド（複合）サイクル動作では、蒸気タービンにおいて、この熱含量を用いて追加的な電気を作る。
【０００６】
主要なプラント設計問題は、タービンに入るガスの温度である。燃焼ガスの温度は２０００℃または３０００℃を超えることがあり、このガスを直接タービンに渡せば、タービンブレードを溶解させるほど十分高温である。従って、大部分のプラントでは、圧縮機列が、燃焼ステップに必要な吸入空気の体積を、単純な化学量論ベースで２回または３回圧縮するように設計されている。過剰な空気は、反応することなし燃焼器を通過して希釈剤として作用し、これにより、燃焼器の排ガス流６０７を、タービンに安全に供給することができる温度まで冷却する。代案では、破線６１０で示すように、過剰な空気の全部または一部が、燃焼器を完全にバイパスすることができ、そして、この空気を用いて、タービンの上流またはタービン自体の内部で排ガスを希釈して冷却することができる。
【０００７】
過剰な空気を用いて燃焼生成物を希釈する際に、タービンからの排ガス流６１３の二酸化炭素が相応に低濃度になり、３〜５％の二酸化炭素しか含まないことができる。こうした低濃度で低圧であるが非常に大量のガス流からの二酸化炭素の回収は困難であり、非常に高価である。近年、タービン排ガスの一部６０８を冷却／希釈ガスとして戻す改良型設計が用いられている。排ガスの一部をこのように用いることは、最終的な排ガス中の二酸化炭素濃度を増加させ、二酸化炭素回収をしようとする場合に処理しなければならないガスの量を低減する。
【０００８】
リサイクルすることができる排ガスの量は、燃焼チャンバに供給されるガス混合物６０３の酸素含有量によって制限される。過剰な新鮮空気を希釈剤として用いる際に、このガス混合物は約２１％の酸素を含み、排ガスをリサイクルすると、酸素含有量は混合物中の排ガスの量に比例して低下する。しかし、酸素含有量が約１５％未満に低下すると、タービンまたは燃焼器の設計の変更が必要になり得る。
【０００９】
近年、コンバインドサイクル発電において、ガス燃焼発電所におけるエネルギー効率を改善することに大きな関心が寄せられている。コンバインドサイクル発電所は、ガスタービンからの高温排ガスをＨＲＳＧ（heat recovery steam generator：熱回収蒸気発生器）において使用して、水を沸騰させて蒸気を作ることによって、追加的な電気を発生する。この蒸気を用いて、蒸気タービンを駆動して追加的な電気を発生する。
【００１０】
コンバインドサイクル発電所は、天然ガスまたは他の供給源からのメタンを燃料として用いる。石炭、他の炭化水素燃料、またはバイオマスが入手可能な国では、こうした原料をガス化して合成ガスを提供して、発電所用の燃料として使用する。未処理のの合成ガスを冷却することによって生成される蒸気は、蒸気タービンにおいて使用することができる。こうしたプロセスは、ＩＧＣＣ（integrated gasification combined cycle：統合ガス化コンバインドサイクル）プロセスと称される。種々のコンバインドサイクル発電プロセスが現在技術において周知であり、例えば、Rolf Kehlhofer et al.による”Combined-Cycle Gas & Steam Power Plants”(3.sup.rd ed., PennWell Corporation; Tulsa, Okla., 2009)（非特許文献１）に記載されている。
【００１１】
コンバインドサイクル発電は、追加的な設備を必要とするので、ガスタービンのみのプロセスを用いるよりも本質的に高価である。しかし、長期にわたっては、発生する追加的エネルギーが、初期のより高い資本コストを相殺するはずである。その結果、北アメリカ及びヨーロッパで新たに建設中の新たなガス発電所の大部分は、コンバインドサイクルである。
【００１２】
膜を用いたガス分離は、十分に確立された技術である。工業環境では、一般に、供給ガス流を圧縮するか、膜の浸透側を不完全真空下に維持することによって、供給側と浸透側との全圧力差が通常加わる。この圧力差が、膜貫通浸透のための駆動力を与える。
【００１３】
圧力駆動プロセスが標準であるが、膜貫通浸透のための駆動力は、掃引ガスを、膜の浸透側全体にわたって通過させ、これにより、浸透側における所望の浸透の分圧を、供給側の分圧を下回るレベルまで低下させることによって与えることができることが知られている。この場合、浸透側の全圧が供給側よりも高くなることがあり、あるいは、全供給圧を全浸透圧よりも高く保つことによって与えられる追加的な駆動力が存在することがある。
【００１４】
燃焼ガスを処理して二酸化炭素を除去するための、掃引モードで動作する膜分離ステップを含むプロセスは、米国特許第７９６４０２０号明細書（特許文献１）、米国特許第８０２５７１５号明細書（特許文献２）、米国特許第８２４６７１８号明細書（特許文献３）、米国特許第８１７７８８５号明細書（特許文献４）、米国特許第８２２０２４７号明細書（特許文献５）、米国特許第８０１６９２３号明細書（特許文献６）、米国特許第８０３４１６８号明細書（特許文献７）、米国特許第８２２０２４８号明細書（特許文献８）、並びに本願の出願人が保有する同時係属の米国特許出願第１３／１２３３６４号、２０１１年４月８日出願（特許文献９）、米国特許出願第１３／５４８８２７号、２０１２年７月１３日出願（特許文献１０）、及び米国特許出願第１３／６６５６２０号、２０１２年１０月３１日出願（特許文献１１）に教示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第７９６４０２０号明細書
【特許文献２】米国特許第８０２５７１５号明細書
【特許文献３】米国特許第８２４６７１８号明細書
【特許文献４】米国特許第８１７７８８５号明細書
【特許文献５】米国特許第８２２０２４７号明細書
【特許文献６】米国特許第８０１６９２３号明細書
【特許文献７】米国特許第８０３４１６８号明細書
【特許文献８】米国特許第８２２０２４８号明細書
【特許文献９】米国特許出願第１３／１２３３６４号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第１３／５４８８２７号明細書
【特許文献１１】米国特許出願第１３／６６５６２０号明細書
【特許文献１２】米国特許第４９６３１６５号明細書
【特許文献１３】米国特許第４７６１１６４号明細書
【特許文献１４】米国特許第７９０９９１１号明細書
【特許文献１５】米国特許第８１６３０６５号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Rolf Kehlhofer et al., ”Combined-Cycle Gas & Steam Power Plants”(3.sup.rd ed., PennWell Corporation; Tulsa, Okla., 2009)
【非特許文献２】M. Anderson and Y.S. Lin, ”Carbonate-ceramic dual-phase membrane for carbon dioxide separation”, Journal of Membrane Science, Vol.357(1-2), p.122-129 (2010)
【非特許文献３】J. Zou and W.S. Ho, “CO2-selective polymeric membrane containing amines in crosslinked poly(vinyl alcohol)”, Journal of Membrane Science, Vol.286, p.310-321 (2006)
【非特許文献４】A. Kohl and R. Nielsen, “Gas Purification”, (Fifth Edition, Gulf Publishing Co., Houston Texas, 1997), p.1188-1237
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記特許文献及び係属中の出願に記載された発明によって提供される改良にもかかわらず、より良好な処理技術、特にコンバインドサイクル及びＩＧＣＣ発電所のようなガス燃焼発電所内に統合することができる技術の必要性が残る。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、膜ベースのガス分離及び発電に関係するプロセス、具体的には、ガス燃焼発電所からの二酸化炭素の排出を低減するためのプロセスである。このプロセスは、従来型発電所、ＨＲＳＧを含むコンバインドサイクル発電所、及びＩＧＣＣ発電所に適用することができる。このプロセスは、すべて図６の単純なプロセス略図に示すもののような従来型発電所におけるように、圧縮ステップ、燃焼ステップ、及び膨張／発電ステップを含む。
【００１９】
本願及び上記に挙げた係属中の特許出願に記載されているように、このプロセスは、掃引駆動型膜分離ステップも含んで、二酸化炭素をタービン排ガスから除去して、吸入空気と共に圧縮ステップに戻す。このプロセスは、二酸化炭素除去または捕捉ステップもさらに含む。このステップは、圧縮ステップからのガスの一部を処理し、これにより、上記プロセスから取り出される二酸化炭素が富化されたガス流を発生すること、及び、処理されて二酸化炭素が減少したガスを、タービン用の冷却／希釈ガスの一部としてタービン吸気口に送ることを含む。
【００２０】
このプロセスは、前に開示したプロセスに対する改良を示す。
【００２１】
特許文献１（「’０２０」特許）、２０１１年６月２１日特許付与において、出願人は「連続した」燃焼ガス処理プロセスを記載し、このプロセスでは、燃焼プロセスからの排ガス流を二酸化炭素捕捉ステップに送り、このステップは、排ガス流から二酸化炭素を回収するのに適したあらゆる分離技術を利用することができる。この捕捉ステップからの排ガス流は、まだ二酸化炭素を含むが、未処理の排ガス流よりも低濃度である。この排ガス流は、供給ガス流として掃引ベースの膜分離ステップへ送られ、掃引ベースの膜分離ステップは、酸素及び窒素よりも二酸化炭素に対する選択性を有する膜を使用する。空気、酸素富化空気、または酸素が、浸透側全体にわたって流れる。排ガス流からの二酸化炭素は、優先的に膜に浸透し、掃引ガス流中に回収される。膜分離ステップからの結果的な浸透／掃引ガス流の組合せは、燃焼ステップへの空気吸入の少なくとも一部として、燃焼ステップに指向される。低レベルの二酸化炭素を含む残留物の流れは、燃焼ガス排気筒に送られて大気に放出される。
【００２２】
２０１２年５月１５日に特許付与された特許文献４（「’８８５特許」）には、ガス燃焼発電所用の燃焼ガス処理プロセスを記載し、このプロセスでは、二酸化炭素捕捉ステップと掃引ベースの膜分離ステップとを（'０２０特許に記載されているように直列的ではなく）並列的に実行する。即ち、燃焼／発電機系列からの排ガス流の一部分を二酸化炭素捕捉ステップへ送り、他の部分は掃引ベースの膜分離ステップに送る。
【００２３】
２０１２年７月１７日に特許付与された特許文献５（「'２４７特許」）には、ガス燃焼発電所用の燃焼ガス処理プロセスを記載し、このプロセスでは、タービン排ガスの一部分を冷却／希釈ガスとして燃焼器またはタービン吸気口に戻し、第２部分を掃引ベースの膜分離ステップで処理し、第３部分を部分的に濃縮された二酸化炭素流として回収する。
【００２４】
２０１２年７月１７日に特許付与された特許文献８（「'２４８特許」）には、ガス燃焼発電所用の燃焼ガス処理プロセスを記載し、このプロセスでは、タービン排ガスの一部分を冷却／希釈ガスとして燃焼器またはタービン吸気口に戻し、第２部分は、まず、膜ベースの二酸化炭素捕捉ステップで、次に、掃引ベースの膜分離ステップで直列的に処理する。
【００２５】
同時係属中の、２０１２年７月１３日出願の米国特許出願第１３／５４８８２７号（特許文献１０、「'８２７出願」）には、ガス燃焼発電所用の燃焼ガス処理プロセスを記載し、このプロセスでは、タービン排ガスの一部を大気圧を上回る圧力で回収して、膜ベースの二酸化炭素捕捉ステップに送って処理し、掃引ベースの膜分離ステップが後続する。
【００２６】
同時係属中の、２０１２年１０月３１日出願の米国特許出願第１３／６６５６２０号（特許文献１１、「’６２０出願」）には、ガス燃焼発電所用の燃焼ガス処理プロセスを記載し、このプロセスでは、タービン排ガスの一部を膜ベースの二酸化炭素捕捉ステップで処理し、このステップからの二酸化炭素が減少したガス流を、タービン排ガスの第２部分と共に、掃引ベースの膜分離ステップで処理する。
【００２７】
以上の発明のすべてにおいて、二酸化炭素の除去または捕捉を、燃焼器及びタービンからの排ガスに対して実行している。換言すれば、未処理の燃焼ガスから二酸化炭素を除去して回収している。
【００２８】
今回、二酸化炭素の除去または捕捉ステップを、未処理の燃焼ガスに対してではなく、圧縮機を出た後にガスタービンに入る前の圧縮ガスの一部に対して実行するプロセスを考案した。こうしたプロセスは、処理済みの燃焼ガス流を非常に低い二酸化炭素含有量で生成すると共に、回収される二酸化炭素流を高い二酸化炭素含有量で生成する点で、予想外に良好な結果を達成することができることを見出した。
【００２９】
これらのプロセスは、’０２０特許（特許文献１）及び上述した他の特許及び特許出願中に記載された掃引ベースの膜分離ステップの存在に頼る。このステップは、１０体積％、１５体積％、２０体積％またはそれ以上の十分な濃度の二酸化炭素を含む空気流を空気圧縮機列に戻す。このステップがなければ、上流の圧縮ステップからの圧縮空気は、通常の大気中濃度（３００〜４００ppmv）の二酸化炭素しか含まず、従って、二酸化炭素の除去／捕捉処理には適さない。
【００３０】
二酸化炭素除去ステップを、上流の圧縮ステップからの圧縮空気の一部に対して実行するプロセスは、多数の有益な特徴を提供する。第１に、除去／捕捉ステップにおいて処理すべきガスの体積が、燃焼器またはタービンを出るガスの体積よりもずっと小さく、これにより、除去ステップを実行するのに必要な設備の処理能力が低減される。
【００３１】
第２に、圧縮ステップからのガスが高圧であり、ガスを二酸化炭素除去ステップに渡す前の追加的圧縮の必要性が解消される。
【００３２】
第３に、圧縮ステップからのガスが燃焼排ガスよりもずっと低温であり、従って、このガスを捕捉ステップでの処理用に冷却しなければならない場合のエネルギー損失が低減される。
【００３３】
最後に、二酸化炭素が減少した除去／捕捉ステップからの排出ガスを、外部環境ではなくガスタービンに指向させる。このステップで除去されなかった二酸化炭素は、掃引ベースの膜分離ステップによって提供されるループ内に戻される。その結果、捕捉ステップでは、通過毎の非常に高レベルの二酸化炭素除去が必要なくなり、これにより、このステップについての動作の制約が緩和される。実際に、本発明のプロセスは、捕捉ステップからの排出ガスの二酸化炭素含有量が５体積％に及ぶほど高くても、あるいは、少なくとも７体積％、８体積％、さらには１０体積％のようにより高くても、効率的に動作することができる。
【００３４】
以上の一般的な説明によれば、本発明の基本的な好適例は次のステップを含む：
(a) 酸素含有ガス流を圧縮装置において圧縮し、これにより圧縮ガス流を生成するステップ；
(b) 圧縮ガス流の第１部分を、燃焼装置において気体燃料で燃焼させ、これにより燃焼ガス流を生成するステップ；
(c) 圧縮ガス流の第２部分を、二酸化炭素を選択的に除去するように構成されたガス分離装置において分離し、これにより、二酸化炭素が富化されたガス流及び二酸化炭素が減少したガス流を生成するステップ；
(d) 上記二酸化炭素が減少したガス流及び燃焼ガス流を、第１及び第２作動ガス流として、発電機に機械的に結合されたガスタービン装置に送ってガスタービン装置を動作させ、これにより、電力を発生してタービン排ガスを生成するステップ；
(e) 上記タービン排ガス流の少なくとも第１部分を、掃引ベースの膜分離ステップに渡すステップであって、上記掃引ベースの膜分離ステップが：
(i) 供給側及び浸透側を有し、酸素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有し、かつ窒素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有する膜を用意することと；
(ii) 上記タービン排ガス流の第１部分を、供給側全体にわたって通過させることと；
(iii) 空気、酸素富化空気、または酸素を、掃引ガス流として、浸透側全体にわたって通過させることと；
(iv) タービン排ガス流に比べて二酸化炭素が減少した残留ガス流を、供給側から回収することと；
(v) 酸素及び二酸化炭素を含む浸透ガス流を、浸透側から回収することを含むステップ；及び
(f) 上記浸透ガス流を、酸素含有ガスの少なくとも一部としてステップ(a)に渡すステップ。
【００３５】
ステップ(b)は、天然ガス、水素、または合成ガス、さらには気化した炭化水素液を燃料として用いて実行することができる。
【００３６】
ステップ(c)は、プロセスから除去される二酸化炭素を、一般に７０体積％、８０体積％またはそれ以上の二酸化炭素を含む濃縮ガス流の形で捕捉する。このガス流は、液化、回収、または他の用途向けに送ることができる。
【００３７】
二酸化炭素除去ステップは、吸収、吸着、液化、及び膜分離から成るグループから選択した少なくとも１つのプロセスを含むことが好ましい。好適な選択は、膜分離及び物理的又は化学的吸収であり、液化が後続する。
【００３８】
膜分離を用いる場合、ガス分離装置は、窒素及び酸素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有する膜を含む膜分離部を内蔵する。セラミック膜、ポリマー膜、及び溶融塩膜を含む種々の膜を用いることができる。
【００３９】
吸収を用いる場合、ガス分離装置は、一般に、ガスに吸着剤を接触させるための吸収カラム、及び吸着剤を再生して高濃度二酸化炭素流を放出するための剥離カラムを内蔵する。好適な分離プロセスは、炭酸カリウムを吸着剤として用いるベンフィールド（Benfield）プロセス、及びアミン系プロセスを含む。
【００４０】
圧縮後に、ガス分離装置に送られるガスは、一般に５００℃以上のような高温である。ガス分離装置にとって好適な動作条件次第では、圧縮されたガス流を、供給ガスとして二酸化炭素除去／捕捉ステップに渡す前に、例えば他のプロセスガス流との熱交換によって冷却することが望ましいことがある。同様に、このガスは、一般に２０バール（２kPa）、３０バール（３kPa）またはそれ以上の高圧であり、この圧力は、ガス分離ステップ／装置の動作性能に合うように、必要に応じて調整することができる。
【００４１】
ステップ(e)は、’０２０特許（特許文献１）及び上記に挙げた他の特許及び特許出願に記載されているように実行する。具体的には、タービン排ガスの一部を、窒素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有し、かつ酸素よりも二酸化炭素に対する選択的透過性を有する膜を含む膜分離部の供給側全体に通過させる。
【００４２】
排ガス流は膜の供給側全体にわたって流れ、空気、酸素富化空気、または酸素の掃引ガスは浸透側全体にわたって流れて、膜貫通浸透のための駆動力を与えるか増加させる。掃引ガス流は、優先的に浸透する二酸化炭素を回収する。掃引／浸透ガス流の組合せを、膜部から回収し燃焼器に指向させて、燃焼ステップ向けの空気、酸素富化空気、または酸素の供給ガスの少なくとも一部を形成する。
【００４３】
掃引ベースの膜分離ステップがなければ、圧縮機及び燃焼器への吸入新鮮空気は、通常の大気含有量（３００〜４００ppmv）の二酸化炭素を含む。膜浸透／掃引ガス流は、大気に比べて２〜３桁分大きく二酸化炭素が富化され、少なくとも約１０体積％の二酸化炭素を含むことが好ましく、少なくとも約１５体積％、あるいはさらに高い、例えば２０体積％またはそれ以上の二酸化炭素を含むことが、より好ましい。
【００４４】
このように組成を調整された空気流を、プロセス全体のための二酸化炭素除去及び捕捉のための供給源ガス流として取り出すことを可能にするものは、ステップ(c)によってもたらされる、吸入空気流または酸素流中の二酸化炭素の大きな富化である。掃引ベースの膜分離ステップを利用しない従来技術の発電所は、燃焼後またはタービン後の排ガスから二酸化炭素を除去することができるに過ぎず、従って、上述した小体積、高濃度、高圧、及び適度な温度を組み合わせた利点を生かすことができない。
【００４５】
ステップ(e)の(iv)で回収した残留ガス流は、このプロセスによって生成される処理済み燃焼ガスを形成し、通常は、発電所の排気筒を通して周囲に放出される。二酸化炭素含有量は、約２体積％未満であることが好ましく、約１体積％未満であることがより好ましく、約０．５体積％程度であることが最も好ましい。二酸化炭素の含有量を、ガス燃焼発電所からの燃焼ガスの従来の含有量の２０％、１０％またはそれ未満に低減することは、発電所の環境への影響を大幅に低減する。
【００４６】
本発明のプロセスは、すべての種類のガス燃焼発電所において実行することができる。コンバインドサイクル発電所では、ガスタービンの排ガス流を、ステップ(d)と(e)との間にＨＲＳＧ動作によって指向させ、これにより、掃引ベースの膜分離ステップへの供給ガスが、蒸気発生器からの排ガスになる。
【００４７】
以上に説明したプロセススキームは、圧縮されたガス流を２つの部分に分割することを含み、一方は燃焼器に送られ、他方は二酸化炭素回収用のガス分離装置に送られる。随意的に、圧縮されたガス流を３つの部分に分割することができ、第３の部分は、ガスタービンの吸気口に作動ガスとして直接渡され、二酸化炭素除去ステップ(c)も燃焼ステップ(b)も通さない。
【００４８】
先願の’２４７特許（特許文献５）または’２４８特許（特許文献８）に記載された実施形態と同様に、タービンの排ガス流の一部を、掃引ベースの膜分離ステップに通さずに、圧縮機列に送って戻すことができる。この場合、圧縮ステップ(a)は、随意的に、共にガスタービンに、一般に同じ回転軸上で結合された２つの別個の圧縮機を含む圧縮機列または圧縮装置において実行することができる。
【００４９】
次に、ステップ(f)におけるように、タービン排ガスの一部分を、供給ガスとして、掃引ベースの膜分離ステップに送り、結果的な浸透／掃引ガス流を１つの圧縮機に戻す。この圧縮機からの圧縮ガスを、燃焼ステップ(b)に送る。タービン排ガスの他の部分は、掃引ベースの膜分離ステップの上流に送り、かつ他の圧縮機に送る。ステップ(c)におけるように、この圧縮機からの圧縮ガスをガス分離装置に指向させる。
【００５０】
この態様では、本発明は次のステップを含む：
(a) 酸素含有ガス流を第１圧縮装置において圧縮し、これにより第１圧縮ガス流を生成するステップ；
(b) 二酸化炭素含有ガス流を第２圧縮装置において圧縮し、これにより第２圧縮ガス流を生成するステップ；
(c) 第１圧縮ガス流を燃焼装置において燃焼させ、これにより燃焼ガス流を生成するステップ；
(d) 第２圧縮ガス流を、二酸化炭素を選択的に除去するように構成されたガス分離装置において分離し、これにより、二酸化炭素が富化されたガス流及び二酸化炭素が減少したガス流を生成するステップ；
(e) 二酸化炭素が減少したガス流及び燃焼ガス流を、第１及び第２作動ガス流として、発電機に機械的に結合されたガスタービン装置に送ってガスタービン装置を動作させ、これにより、電力を発生させ、タービン排ガス流を生成するステップ；
(f) タービン排ガス流の少なくとも第１部分を掃引ベースの膜分離ステップに渡すステップであって、掃引ベースの膜分離ステップが：
(i) 供給側及び浸透側を有し、窒素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有し、かつ酸素よりも二酸化炭素に対する選択的浸透性を有する膜を用意することと；
(ii) タービン排ガスの第１部分を、供給側全体にわたって通過させることと；
(iii) 空気、酸素富化空気、または酸素を、掃引ガス流として、浸透側全体にわたって通過させることと；
(iv) タービン排ガス流に比べて二酸化炭素が減少した残留ガス流を、供給側から回収することと；  
(v) 酸素及び二酸化炭素を含む浸透ガス流を、浸透側から回収することを含むステップ；
(g) 浸透ガス流を、酸素含有ガスの少なくとも一部として、ステップ(a)に渡すステップ；及び
(h) タービン排ガス流の第２部分を、二酸化炭素含有ガスの少なくとも一部として、ステップ(b)に渡すステップ。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のプロセス用の基本設備及びプロセスフロー方式を示す概略図である。
【図２】本発明のガス分離部の拡大図であり、二酸化炭素選択膜分離装置を使用している。
【図３】本発明のガス分離部の拡大図であり、二酸化炭素選択膜分離装置を使用し、この膜装置への供給物の冷却を、熱統合によって実現している。
【図４】本発明のガス分離部の拡大図であり、二酸化炭素選択性吸着剤による吸着を用いている。
【図５】本発明の実施形態を示す概略図であり、２つの別個の圧縮機を使用している。
【図６】本発明によらない、従来のガス燃焼発電所のフロー方式の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本明細書に挙げるガスの％比率は、特に断りのない限り体積である。
【００５３】
本明細書に挙げる圧力は、特に断りのない限りバール単位の絶対圧である。
【００５４】
本明細書で用いる「空気」とは、本発明のプロセスにより燃料を燃焼させるために使用するあらゆる酸素含有ガスを称する。
【００５５】
本発明は、膜ベースのガス分離及び発電に関係するプロセスであり、具体的には、従来型発電所、ＨＲＳＧを含むコンバインドサイクル発電所、及びＩＧＣＣ発電所を含むガス燃焼発電所からの二酸化炭素排出を制御するプロセスである。このプロセスは、従来型発電所におけるように、圧縮ステップ、燃焼ステップ、及び膨張／発電ステップを含む。このプロセスは、掃引駆動型膜分離ステップ、及び二酸化炭素除去または捕捉ステップも含む。発電することに加えて、このプロセスは、２つのガス流、即ち：発電所の排気筒に送ることができる低濃度二酸化炭素のガス流、及び浄化及び／または回収用に送ることができる高濃度の二酸化炭素生成物ガス流を生成する。
【００５６】
本発明によるガス分離及び発電プロセスの基本的実施形態についての単純な流れ図を図１に示す。本明細書におけるプロセススキームを示す図１及び他の図は、非常に単純なブロック図であり、本発明のプロセスの主要な単位動作を明らかにすることを意図するものであり、実際のプロセス列は、標準型の追加的なステップ、例えば加熱、冷却、圧縮、凝縮、ポンプ動作、圧力、温度、流量の監視、等を含むことができることは、当業者にとって明らかである。上記単位動作自体は、複数のステップとして、あるいは複数の設備の列において実行することができることも、当業者にとって明らかである。
【００５７】
図１を参照すれば、以下でより詳細に説明するように、空気が気流１２８としてプロセス内に導入され、掃引駆動型膜分離部１２６の浸透側全体にわたる掃引ガス流として流れる。浸透ガス流１３０は、掃引ガス、及び膜１２７を通過した二酸化炭素を共に含み、少なくとも約１０体積％の二酸化炭素含有量を有することが好ましく、少なくとも約１５体積％がより好ましく、少なくとも約２０体積％が最も好ましい。ガス流１３０は、随意的な補足空気流１３２の追加を伴って、吸気流１０６として圧縮ステップ１０６に渡される。
【００５８】
圧縮ステップは、１つまたは複数の圧縮機において実行され、圧縮ガス流１０７を、数十バール（数kPa）、例えば２０バール（２kPa）または３０バール（３kPa）の一般的な圧力で生成する。このガス流は、２つの部分、即ちガス流１１５及び１０８に分割される。ガス流１１５は、燃料ガス流１１６と共に、燃焼ステップまたはゾーン１０２内に導入される。天然ガス、他のメタン含有ガス、合成ガス、水素、または空気中で燃焼することができる他の燃料を使用することができる。燃焼は、高温高圧ガス流１１７を生成する。
【００５９】
従来のガス燃焼プロセスでは、燃焼器からの排ガスは、一般に約４または５体積％の二酸化炭素を含む。本発明のプロセスでは、以下でより詳細に説明するように、二酸化炭素を、ガス流１３０／１０６を介してリサイクルする。その結果、ガス流１１７中の二酸化炭素の濃度は、従来の天然ガス燃焼発電所におけるよりも高く、少なくとも約１０体積％、さらには少なくとも１５体積％、２０体積％またはそれ以上にも高くなることが頻繁である。
【００６０】
ガス流１０８は、ガス分離ステップ１１２に指向され、このステップでは、二酸化炭素を捕捉して、ガス流１１３を介してプロセスから除去する。分離装置の動作温度次第で、ガス流１０８を熱交換によって、さもなければ随意的な冷却ステップ１０９において冷却して、冷却ガス流１１１を生成することができる。この冷却の結果として凝縮された水は、水流１１０として除去することができる。
【００６１】
種々の考慮が、ステップ１１２用の技術及び動作方法の選定に影響を与える。定常状態では、ガス流１１３及び１２９の形でプロセスから除去した二酸化炭素の質量は、燃焼によって発生した二酸化炭素の質量に等しい。好適には、発生した二酸化炭素の少なくとも５０％、より好適には少なくとも８０％または９０％を、ガス流１１３中に捕捉すべきである。
【００６２】
それにもかかわらず、ガス分離ステップ１１２による、吸入ガス流１０８または１１１からの二酸化炭素の高レベルの除去を必要としない、というのは、排ガス流１１４が大気中に放出されず、掃引ベースの膜分離ステップ１２６に指向されるからである。掃引ベースの膜分離ステップは、ガス流１０６中の二酸化炭素をリサイクルし、これにより、ガス流１１１中の二酸化炭素濃度は、１５体積％、２０体積％またはそれ以上のように比較的高くなりやすい。目標とする高レベルの二酸化炭捕捉を達成するためには、このように再循環する二酸化炭素の一部のみを、ガス流１１３中に除去するだけで済む。このことは本発明のプロセスの大きな利点である、というのは、比較的低コストで低エネルギーの選択肢を用いてステップ１１２を動作させることができるからである。
【００６３】
ステップ１１２は、ガス流１１１から濃縮した二酸化炭素流を生成することができるあらゆる技術または技術の組合せを用いて実行することができる。利用することができる代表的な方法は、物理的または化学的収着、膜分離、圧縮／低温凝縮、及び吸着を含むが、これらに限定されない。これらのすべてが、種々のガス混合物からの二酸化炭素除去に関するので、現在技術において周知である。しかし、以上に説明した考慮に基づけば、好適な技術は吸収及び膜分離である。
【００６４】
ステップ１１２は、濃縮された二酸化炭素流１１３を生成し、この二酸化炭素流はプロセスから回収される。指定された好適な捕捉目標に合うことに加えて、このガス流は、比較的高い二酸化炭素濃度を有し、そして７０または８０体積％の二酸化炭素を含むことが好ましい。このガス流が少なくとも約９０体積％の二酸化炭素を含むことが、より好ましい。従って、通常は、このプロセスは、１つのガス流中で、高レベルの二酸化炭素捕捉及び高い二酸化炭素濃度を共に実現する。
【００６５】
このプロセスからの回収後に、ガス流１１３をあらゆる所望の送り先に渡すことができる。こうした高い濃度は、液化、輸送、パイプライン輸送、注入、及び他の形態の処理を促進する。
【００６６】
二酸化炭素除去または捕捉ステップからの排ガス流１１４は、まだ二酸化炭素を含むが、圧縮ガス流１１１よりも低濃度である。一般に、この濃度は少なくとも約５体積％であり、約１０体積％、さらにはそれ以上になり得るが、必ずしもそうではない。
【００６７】
ガス流１１４及びガス流１１７は、個別に、あるいは混合された作動ガス流としてのいずれかで、ガスタービン部１０３に送られる。このガスタービン部は、１つ以上の、一般に複数のガスタービンを含み、これらは回転軸１０５によって圧縮機１０１及び発電機１０４に結合されている。この作動ガスはガスタービンを駆動し、ガスタービンは発電機を駆動して電力を生成する。
【００６８】
タービンからの低圧排ガス流１１９は、まだ高温であり、随意的に熱回収蒸気発生器に送られることが好ましい。この蒸気発生器部分は、蒸気１２１を生成するボイラーを含み、蒸気１２１は蒸気タービンに指向させることができる。蒸気発生器を出るガス、即ち蒸気１２２は、供給ガスとして掃引ベースの膜分離ステップ１２６に送られる。タービン排ガスを膜部に渡す前に冷却する必要がある場合、このことは、熱交換器によって行うか、さもなければ冷却ステップ１２３において行うことができる。あらゆる凝縮水を水流１２４として除去することができる。随意的なＨＲＳＧ１２０、随意的な冷却ステップ１２３、あるいはその両方を通過した後に、タービン排ガス流は、今度は供給ガス流１２５として、掃引ベースの膜分離ステップ１２６に渡される。
【００６９】
ステップ１２６は、酸素及び窒素よりも二酸化炭素に対する選択性を有する膜を用いて実行する。この膜は、このプロセスの条件下で、少なくとも約１０の二酸化炭素／窒素選択度を提供することが好ましく、少なくとも約２０の選択度が最も好ましい。少なくとも１０または２０の二酸化炭素／酸素選択度も好ましい。少なくとも約３００gpu、より好適には少なくとも約５００gpu、最も好適には少なくとも約１０００gpuの二酸化炭素浸透率が望ましい。この性能は分離性能には影響しないが、この性能が高いほど、同じ分離を実行するために必要な膜面積が小さくなる。
【００７０】
適切な性能特性を有するあらゆる膜を使用することができる。多数のポリマー材料、特にエラストマー材料が、二酸化炭素に対する非常な浸透性を有する。二酸化炭素を窒素または他の不活性ガスから分離するのに好適な膜は、ポリマーに基づく選択層を有する。多数のこうした膜が、３０、４０、５０またはそれ以上のような高い二酸化炭素／窒素選択度を有することが知られている。選択層用に好適な代表的材料は、Pebax（ペバックス）（登録商標）、特許文献１２に詳細に記載されたポリアミド−ポリエーテル・ブロック・コポリマー材料である。
【００７１】
この膜は、均質な薄膜、統合型非対称膜、多層複合膜、ゲルまたは液体層、あるいは粒子を含む膜の形態、あるいは、現在技術において既知である他の形態をとることができる。エラストマー膜を使用する場合、好適な形態は、機械的強度用の微小孔支持層、及び分離特性を担うゴム状のコーティング層を含む複合膜である。
【００７２】
これらの膜は、フラット（平面）シートとして、あるいは繊維として製造し、螺旋巻きモジュール、板枠モジュール、及びポッティング（樹脂盛り）中空繊維モジュールを含むあらゆる好都合なモジュール型に収めることができる。これらの全種類の膜及びモジュールの作製が、現在技術において周知である。フラットシート膜を螺旋巻きモジュール内で用いることが好ましい。
【００７３】
ステップ１２６は、膜モジュールの単一バンク、あるいはモジュールのアレイ内で実行することができる。１つのモジュール、あるいはモジュールのバンクを含む単一の部分または段が、多数の用途に適している。残りのガス流がさらなる浄化を必要とする場合、このガス流を、第２の処理ステップ用の膜モジュールの第２バンクに渡すことができる。浸透ガス流がさらなる濃縮を必要とする場合、このガス流を、第２段階の処理用の膜モジュールの第２バンクに渡すことができる。こうした多段またはマルチ（多）ステップのプロセス、またはその変形例は、当業者によく知られ、膜分離ステップを、単一段、多段、マルチステップ、あるいは、２つ以上の部分を直列またはカスケード配置にしたより複雑なアレイを含む多数の可能な方法で構成することができることは、当業者に知られている。
【００７４】
ガス流１２５は、膜の供給側全体にわたって流れ、空気、酸素富化空気、または酸素の掃引ガス流１２８は、浸透側全体にわたって流れる。膜モジュール内のガス流パターンは、好適には、浸透側の流れが、少なくとも部分的に、あるいは実質的に供給側の流れと同時であるようにすべきであるが、必ずしもそうでなくてもよい。
【００７５】
膜ガス分離プロセスでは、膜貫通浸透のための駆動力は、所望の浸透における浸透側の分圧を、供給側の分圧を下回るまで低下させることによって与えられる。掃引ガス流１２８の使用は、浸透側の低い二酸化炭素分圧を維持し、これにより駆動力を与える。
【００７６】
浸透側の二酸化炭素の分圧は、掃引ガス流の流量を調整することによって制御することができる。高い掃引流量は、膜供給ガスからの最大の二酸化炭素除去を達成するが、二酸化炭素が比較的希薄な浸透ガス流を実現する（即ち、モジュールを出る掃引ガスにおける二酸化炭素の富化が比較的低い）。低い掃引流量は、高濃度の二酸化炭素を信号ガス流中に実現するが、供給ガス流からの二酸化炭素除去は比較的低レベルである。
【００７７】
一般に、そして好適には、掃引ガス流の流量は、膜の供給ガス流の約５０％〜２００％であるべきであり、約８０％〜１２０％が最も好ましい。約１：１の比率が好都合であり、適切であることが多い。
【００７８】
膜の各側の全ガス圧は同じでも異なってもよく、各々が大気圧より上でも下でもよい。これらの圧力がほぼ同じである場合、全駆動力が掃引モード動作によって与えられる。随意的に、ガス流１２５は、少し高い圧力で膜部に供給することができ、この圧力は、数バール（数百Pa）、例えば２バール（２００Pa）、３バール（３００Pa）、または５バール（５００Pa）を意味する。このことがガス流１２５の再圧縮を必要とする場合、圧縮機のために使用されるエネルギーの一部は、残留ガス流１２９をタービン内で膨張させることによって回収することができる。
【００７９】
膜分離ステップは、ガス流１２５を、二酸化炭素を減少させた残留ガス流１２９と浸透／掃引ガス流１３０とに分割する。残留ガス流は、プロセスによって生成される処理済みガス流を形成し、通常は、発電所の排気筒を通して環境中に放出される。このガス流の二酸化炭素含有量は、約２体積％未満であることが好ましく、約１体積％であることがより好ましく、約０．５体積％程度であることが最も好ましい。
【００８０】
浸透／掃引ガス流１３０は、少なくとも１０体積％の二酸化炭素を含むことが好ましく、少なくとも約１５体積％の二酸化炭素を含むことがより好ましく、膜部から回収され、圧縮部に渡されて、燃焼ステップへの空気、酸素富化空気、または酸素供給原料の少なくとも一部を形成する。
【００８１】
上述したプロセスは、吸入圧縮空気流１０７を２つのガス流１０８及び１１５に分割する。随意的に、ガス流１０７は３つの部分に分割することができ、破線１３１で示す第３部分は、燃焼器及びガス分離装置を共にバイパスさせて、ガスタービン吸気口に直接送ることができる。
【００８２】
上述したように、ガス分離または二酸化炭素除去／捕捉ステップを実行するための好適な方法は、膜分離及び吸収を含む。図２、３及び４は、図１のステップ１１２の詳細を示し、ステップ１１２は、これらの好適な方法により実行することができる。
【００８３】
図２は、ステップ１１２に膜分離を用いる場合の、ステップまたは装置部分１１２を示し、図１と同様の要素は同様にラベル付けする。この場合、ガス流１０８は供給ガス流として膜１３３全体を通過する。これらの膜は、窒素及び酸素よりも二酸化炭素に対して選択性があり、掃引ベースの膜分離ステップ１２６に関して既に述べたものと同様に好適な選択性及び浸透特性を有する。
【００８４】
ステップ１２６と同様に、供給ガス流からの適切な二酸化炭素分離を行うことができるあらゆる膜を使用することができる。適切な膜は、無機膜、特にセラミック膜、及び溶解塩膜を含み、これらの種類の両者が高温で動作させることができる。こうした膜は現在技術において既知であり、例えば、M. Anderson and Y.S. Lin, ”Carbonate-ceramic dual-phase membrane for carbon dioxide separation”, Journal of Membrane Science, Vol.357(1-2), p.122-129 (2010)（非特許文献２）、及び米国特許第４７６１１６４号明細書（特許文献１３）、米国特許第７９０９９１１号明細書（特許文献１４）、及び米国特許第８１６３０６５号明細書（特許文献１５）に記載されている。他の適切な膜は、掃引駆動型膜分離ステップ１２６に関して上述したもののようなポリマー膜を含む。さらに他の膜は、促進輸送膜、特に、J. Zou and W.S. Ho, “CO2-selective polymeric membrane containing amines in crosslinked poly(vinyl alcohol)”, Journal of Membrane Science, Vol.286, p.310-321 (2006)（非特許文献３）に教示されているもののような高温で動作することができるものを含む。
【００８５】
圧縮ステップからのガス流１０８は高温であり、４００℃、５００℃、またはそれ以上の温度になり得る。セラミックまたは溶融塩膜を使用する場合、ガス流１０８を冷却せずに膜部に入れること、及び膜分離ステップを高温で動作させることが可能であり得る。例えば、テトラアルキルアンモニウム、または炭酸リチウム／炭酸ナトリウムの混合物を溶融塩として用い、この塩をセラミック支持体の孔隙内で浮動化した溶融塩膜は、５００℃またはそれ以上で動作させることができる。
【００８６】
他方では、ポリマー膜を用いる場合、ガス流１０８を、この膜の分離能力及び機械的完全性が損なわれない温度まで冷却することが必要になる。この温度は使用する材料と共に変化するが、一般には、このガス流が１００℃未満、例えば３０℃、４０℃、５０℃、または６０℃未満に冷却されることが好ましい。この冷却はあらゆる好都合な様式で実現することができるが、プロセス内で熱統合を実行することが好ましい。
【００８７】
図３に、二酸化炭素除去ステップ１１２に膜分離を用いる代表例を示し、熱統合を用いて吸入される供給ガス流を冷却する。図１及び２と同様の要素は同様に付番している。図３を参照すれば、図１に示すように、圧縮ガス流１０８を冷却ステップ１０９に通し、この場合、２つの熱交換ステップ１０９ａ及び１０９ｂにおいて実行する。ステップ１０９ａでは、ガス流１０８が膜残留ガス流１１４になり、ガス流１１４は、位置Ａに示す熱交換器に入り、位置Ｂで熱交換器から出る。ステップ１０９ｂでは、ガス流１０８の追加的な冷却が、膜部を通過する前に行われる。吸入される水の一部を蒸気発生部１２０用に、ここでは冷却剤として用いることが好都合である、というのは、このことは、この水を予熱して、冷却ガス１０８によってタービンへと失われたエネルギー含有量を、後続する蒸気タービン内で回復するのに役立つからである。次に、冷却ガス流１１１が、供給ガスとして膜分離ステップ１１２に入る。
【００８８】
図４に、ガス分離ステップ１１２が吸収プロセス、例えば高温の炭酸ナトリウムまたはアミン洗浄プロセスである場合の、代表的であるが非限定的な構成を示す。図４を参照すれば、図１と同様の要素は同様にラベル付けされ、吸収プロセスが２つの分離カラム１１２ａ及び１１２ｂを用いて実行される。カラム１１２ａは洗浄または吸収カラムであり、カラム１１２ｂは剥離、脱着、または再生カラムである。
【００８９】
上述した膜分離プロセスと同様に、冷却ガス流１０８を、洗浄カラムに導入する前に冷却する必要があり得る。ガス流１０８は、まず、熱交換ステップ１０９ａに入り、ここで、二酸化炭素が減少したガス流１１４によって冷却されて、吸収カラム１１２ａの上部を出る。さらなる冷却は、カラム１１２ｂの底部において、ガス流１０８を加熱ガス流として再沸騰器１４１に流すことによって行われる。従って、ガス流１０８は位置Ｅで再沸騰器に入り、位置Ｆで出る。
【００９０】
結果的な冷却ガス流１１１はカラム１１２ａに入る。希薄な吸着剤溶体流１３８が、カラムを出て、吸入されるガス流に向かって流れる。二酸化炭素は、この吸着剤溶体中に優先的に吸着される。二酸化炭素が減少したガス流１１４は、このカラムの最上部を出て、熱交換器１０９ａを通って、図１に示すようにガスタービンに送られる。
【００９１】
二酸化炭素を含んだ吸着剤の流れ１３４は、カラムの底部を出て、熱交換器１３５を通過して、ガス流１３６として再生カラム１１２ｂの最上部に入る。カラム１１２ｂでは、吸着剤を、単に、加熱することによって、圧力をカラム１１２ａの圧力未満に低下させることによって、蒸気または他の適切な剥離剤で剥離することによって、あるいは、こうした方法の組合せによって再生することができる。新鮮な剥離剤を随意的な流れ１４２としてカラム内に導入することができる。再生した溶剤は、カラムの底部から流れ１３７として回収され、熱交換器１３５を通過した後に、希薄な吸着剤流１３８として戻る。
【００９２】
単純な熱再生または蒸気再生を含むもののような代表的なプロセスでは、底部の流れの一部を流れ１３９として指向させ、再沸騰器を通して、流れ１４０としてカラムに戻す。
【００９３】
ガス流１１３は、二酸化炭素生成物ガス流としてカラムの最上部から除去される。蒸気剥離を用いる場合、ガス流１１３を冷却して凝縮水にして、この凝縮水は、プロセスから二酸化炭素を放出する前に、還流としてカラムに戻すことができる。
【００９４】
これら２つのカラムにとって好適な動作条件は、当業者にとって周知である。アミン洗浄プロセスを用いる場合には、吸着剤は、単一のアルカノールアミンまたはアミンの混合物を含むことができる。洗浄または吸着カラムは、一般に、約３０〜５０℃かつ約２０バール（２kPa）で動作する。洗浄または再生カラムは２〜５バール（２００〜５００Pa）で動作し、再沸騰器は約１２０℃で動作する。
【００９５】
アミン系のプロセスの非常に詳しい説明は、文献、例えばA. Kohl and R. Nielsen, “Gas Purification”, (Fifth Edition, Gulf Publishing Co., Houston Texas, 1997), p.1188-1237（非特許文献４）中に見出すことができる。この種の代表的なプロセスは、Flour Daniel Econamine FG（登録商標）プロセスであり、モノエタノールアミン（ＭＥＡ：monoethanolamine）系の吸着剤系を使用する。
【００９６】
高温の炭酸カリウム吸着剤を使用する場合には、最も広く用いられているプロセスはBenfield（ベンフィールド）プロセスであり、ＵＯＰによって１９５０年代に開発され、文献中に広く記述されている。種々のプロセスが利用可能であり、代表的な実施形態では、収着カラムを、例えば２０バール（２kPa）のような高圧、及び約４０〜８０℃のような適温で動作させる。再生カラムは、剥離カラム内の温度を約１２０〜１５０℃に上昇させることによって実現される熱剥離によって動作することができる。このカラムを圧力下で動作させて、二酸化炭素生成物が、例えば２〜５バール（２００〜５００Pa）でカラムの最上部を出るようにすることができる。
【００９７】
タービン排ガス流の一部を、掃引ベースの膜分離ステップを通さずに圧縮機列に戻す本発明の実施形態を、図５に示す。この図を参照すれば、図１と同様の要素は同様にラベル付けされ、圧縮ステップを、２つの別個のサブステップ１０１ａ及び１０１ｂで実行する。両サブステップにおける圧縮機は回転軸１０５上に実装され、ガスタービン１０３及び発電機１０４に結合されている。
【００９８】
ステップ１０１ａを用いて、吸入される浸透／空気掃引ガス流１０６を圧縮する。圧縮され調整された結果的な空気流１４３は、燃焼ステップ１０２に指向される。
【００９９】
圧縮ステップ１０１ｂを用いて、吸入される浸透／空気ガス流１０６を圧縮する。このステップからの圧縮ガス流１４４を、ガス分離ステップまたは装置１１２に指向させる。
【０１００】
図からわかるように、２つの別個の圧縮機の使用は、プロセス内に２つの流れループを生成し、一方は、空気を、ガス流１３０／１０６を介して燃焼器に導入し、他方は、二酸化炭素を、ガス分離、二酸化炭素除去ステップ１１２に導入する。
【０１０１】
２つの流れループの使用は、プロセスのフレキシビリティ（柔軟性）を増加させる。排気筒に送られる残留ガス中の二酸化炭素の低レベルを維持したままで、掃引ベースの膜分離ステップによって処理されるガスの量を大幅に低減することができる。例えば、排ガス中の二酸化炭素の、１％未満の濃度を達成しつつ、タービン排ガスの２５％、３０％、さらには５０％以上をも、圧縮機１０１ｂ及び二酸化炭素除去ステップに指向させることができる。ガス流１２５中のガスの体積は、図１の種類の実施形態よりもずっと小さく、ガス流１２５を、膜部に送る前に、大気圧よりも数バール（数百Pa）上まで圧縮することを、より許容可能にすることができる。
【０１０２】
以下、本発明を以下の例によってさらに説明し、これらの例は、本発明の例示を意図したものであり、決して、範囲または基になる原理を限定することを意図したものではない。
【０１０３】
計算方法：
以下の例のすべてにおけるコンピュータ計算は、モデル化プログラムChemCad6.6（テキサス州ヒューストンのChemStations社）を用いて実行し、このプログラムは、膜分離ステップ用の差分要素サブルーチンと共に（規定通りに）改変した。これらの計算については、すべての圧縮機及び真空ポンプが効率７５％であるものと仮定した。各場合において、排ガス流からの、約９０％の二酸化炭素回収が達成されるように、モデル化計算を実行した。
【０１０４】
例１  ポリマー膜浸透実験
複数組の代表的な浸透実験を、２つの異なる複合膜で実行し、各複合膜はポリエステル系の選択層を有する。絶対圧６．７バール（６７０Pa）かつ３０℃の一組の純ガスで測定した膜の特性を、表１及び２に示す。
【０１０５】
【表１】
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【０１０６】
【表２】
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【０１０７】
例２  溶融塩膜をガス分離ステップに使用
図１に示す設計による本発明のプロセスの性能をモデル化する計算を実行した。このプロセスは、天然ガスを燃料として使用し、かつＨＲＳＧを含むものと仮定した。燃料及び空気流は、５００MWの電力を生成する代表的な発電所に整合するような大きさにした。
【０１０８】
掃引ベースの膜分離ステップ１２６は、５０の二酸化炭素／窒素選択度及び２５の二酸化炭素／酸素選択度を有するポリマー膜を用いて実行するものと仮定した。これらの膜は、５０００gpuの二酸化炭素浸透率を与えるように最適化されているものと仮定した。
【０１０９】
浸透／掃引空気流は、３０バール（３kPa）に圧縮され、７０：３０の比率に分割され、７０％はガス流１１５として燃焼器に送られ、３０％はガス流１０８として二酸化炭素除去ステップに送られるものと仮定した。
【０１１０】
ステップ１１２は、約５３０℃の温度で動作する溶融塩膜を用いて実行するものと仮定した。この膜の浸透側は、絶対圧約１バール（１００Pa）に維持されるものと仮定した。この溶融塩膜は、１００の二酸化炭素／窒素選択度及び５０の二酸化炭素／酸素選択度を与えるものと仮定した。二酸化炭素浸透率は１０００gpuであるものと仮定した。計算の結果を表３に示す。
【０１１１】
【表３】
0006300812.tif 000004
【０１１２】
表からわかるように、このプロセスは膜残留ガス流１２９を生成して排気筒に放出し、ガス流１２９は０．６５体積％の二酸化炭素しか含まない。二酸化炭素生成物のガス流１１３は、９３体積％の二酸化炭素濃度を有し、圧縮して処理することができる。掃引ベースの膜分離部による二酸化炭素リサイクルにより、ガス流１０８中の二酸化炭素を溶融塩膜によって４０％除去するだけで済む。このプロセスは、溶融塩膜については約９０００m2の膜面積を、掃引ベースの膜部については約４２００００m2の膜面積を用いる。
【０１１３】
例３  溶融塩膜を、２バール（２００Pa）の浸透圧でガス分離ステップに使用
例２の計算を繰り返し、但し今回は、溶融塩膜の浸透側を絶対圧２バール（２００Pa）に維持するものと仮定した。計算の結果を表４に示す。
【０１１４】
【表４】
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【０１１５】
この場合、二酸化炭素生成物ガス流１１３の濃度は９１体積％であり、前の例より少し低い。しかし、このガス流は絶対圧２バールの圧力で回収され、これにより、下流での浄化または処理に必要なエネルギーを低減する。必要な溶融塩膜の膜面積は、約１２５００m2に増加している。
【０１１６】
例４  ポリマー膜をガス分離ステップに使用
ポリマー膜を二酸化炭素捕捉ステップに使用する本発明のプロセスの性能をモデル化する計算を実行した。この膜は、掃引駆動のステップ１２６に使用したものと同様の特性を有する。
【０１１７】
圧縮ガス流１０８を、膜を動作させるのに適した温度まで冷却するために、このプロセスは図３に示す設計による実行されるものと仮定した。即ち、ステップ１１２への供給ガスは、残留ガス流１１４及び吸入されるボイラー水流と熱交換されて、ガス分離膜部に入る供給ガス流１１１に５０℃のガス温度を生じさせるものと仮定した。他の仮定は図２に示す通りであり、但し、膜１３３の浸透側は、絶対圧２バール（２００Pa）に維持されるものと仮定した。計算の結果を表５に示す。
【０１１８】
【表５】
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【０１１９】
この場合、プロセスは、約８５体積％の二酸化炭素を含む二酸化炭素生成物ガス流１１３を生成した。こうしたガス流は、例えば注入によって圧縮して処理するか、あるいは、極低温凝縮による追加的処理に送って、高圧流体を生成することができる。ポリマー膜を使用した二酸化炭素捕捉ステップに必要な膜面積は、約２５００m2である。
【０１２０】
例５  溶融塩膜をガス分離ステップ、２つの圧縮機ループに使用
図５に示す設計による本発明の性能をモデル化する計算を実行し、ここでは、膜部１２６からの掃引／浸透ガスを圧縮機１０１ａに指向させ、タービン排ガスの一部を圧縮機１０１ｂに指向させる。「掃引部に指向されるタービン排ガス」対「圧縮ステップ１０１ｂに指向されるガス」の比率は、３：１に設定した。各圧縮機は、圧縮ガスを絶対圧３０バール(３kPa)で送出するものと仮定した。
【０１２１】
溶融塩膜は、ステップ１１２に使用され、例２のものと同様の特性を有するものと仮定した。膜の浸透側は、絶対圧２バール（２００Pa）であるものと仮定した。他の仮定は例２と同様である。計算の結果を表６に示す。
【０１２２】
【表６】
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【０１２３】
このプロセスは、０．８体積％の二酸化炭素を含む排ガス、及び約９０体積％の二酸化炭素を含む濃縮生成物を生成する。このプロセスは、溶融塩膜については約１５０００m2の膜面積を必要とし、この溶融塩膜はガス流１４４中の二酸化炭素の８２％を除去するが、掃引ベースの膜部については、図１の設計に基づく例についての４２００００m2に比べれば、約２９００００m2の膜面積しか必要としない。
【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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【図６】
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