(57)【要約】  処理前の空気中のＣＯ２濃度を実質的に増加させるために、周囲空気を最大５０体積％の工業的プロセスの発電機からの流出ガスと混合することによる、炭化水素燃料の燃焼により発電する工業的プロセスの正味の二酸化炭素のフットプリントを低下させるシステムおよび方法である。この処理は、冷却した多孔質基板で支持されたアミン吸収剤を利用して混合された周囲空気からＣＯ２を吸収することを含み、ここで多孔質基板は最初に混合された周囲空気と接触すると、その孔中に凝縮水が含有されるようになり、この凝縮水が、吸着プロセスによって生成した発熱性の熱に対して特徴的な冷却剤として作用する。加えて、支持された吸収剤を再生する前に、密封された再生チャンバー中で空気圧を実質的に低下させ、この低圧のチャンバーを、水蒸気および二酸化炭素を含有するより高圧の再生チャンバーと共に流体連結部に配置して、再生しようとする吸着剤を予熱して、さらなるＣＯ２吸着に使用する前に再生された吸着剤を迅速に冷却する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素含有空気から濃縮された二酸化炭素を除去し捕獲する方法であって、
第一の二酸化炭素を含む周囲空気流を、５０体積％以下の流出ガスと混合し（ここで流出ガスは、炭化水素の燃焼による煙道ガスから発生したものである）、混合された第一の周囲空気流を、第一の二酸化炭素除去構造に向かわせること；ここで二酸化炭素除去構造は、多孔質基板上に支持された、第一の混合された周囲空気混合物から予め決められた量の二酸化炭素が除去されるように発熱を伴い且つ解放可能に二酸化炭素と結合できる吸着剤を含み；
第一の二酸化炭素除去構造を、第一の密封された二酸化炭素捕獲チャンバーに送り、第一の密封された捕獲チャンバーから空気を排気してその中の空気圧を低下させ、水蒸気を１２０℃以下の温度で第一の二酸化炭素除去構造に送ることにより、吸着剤から二酸化炭素をストリッピングして吸着剤を再生し、濃縮された二酸化炭素が捕獲されるように第一の密封された捕獲チャンバーからストリッピングされた二酸化炭素を除去すること；
第二の二酸化炭素を含む周囲空気流を５０体積％以下の流出ガスと混合し（ここで流出ガスは、炭化水素の燃焼による煙道ガスから発生したものである）、混合された周囲空気流を第二の二酸化炭素除去構造に向かわせること；ここで第二の二酸化炭素除去構造は、多孔質基板上に支持された、第二の混合された周囲空気混合物から予め決められた量の二酸化炭素が除去されるように解放可能に二酸化炭素と結合できる吸着剤を含み；
第二の二酸化炭素除去構造を、第二の密封された二酸化炭素捕獲チャンバーに送り、第二の密封された捕獲チャンバーから空気を排気してその中の空気圧を低下させ、水蒸気を１２０℃以下の温度で第二の二酸化炭素除去構造に送ることにより、吸着剤から二酸化炭素をストリッピングして水蒸気を凝縮させながら吸着剤を再生し、濃縮された二酸化炭素が捕獲されるように第二の密封された捕獲チャンバーからストリッピングされた二酸化炭素を除去すること；
第一の二酸化炭素除去構造が再生サイクルを完了させたときに第二の二酸化炭素除去構造がその再生を実行するように準備されたら、第一の二酸化炭素捕獲チャンバー中の残存する水蒸気を減圧された第二の二酸化炭素捕獲チャンバーに流し込むことにより、飽和水蒸気で再生させる前に第一の二酸化炭素除去構造を冷却し且つ第二の二酸化炭素除去構造を予熱し；第一の二酸化炭素除去構造を第一の捕獲チャンバーから除去して、混合された周囲空気流に移動させるように、第一の二酸化炭素除去構造と第二の二酸化炭素除去構造とをタンデム式で稼働させること；
飽和水蒸気を第二の二酸化炭素捕獲チャンバーに送り、第二の二酸化炭素除去構造を再生し、第二の二酸化炭素除去構造から二酸化炭素および凝縮した水蒸気を除去すること；および
混合された空気流から二酸化炭素を吸収させた後に第一の二酸化炭素除去構造を第一の二酸化炭素捕獲チャンバーに戻し、第一の二酸化炭素捕獲チャンバー中の圧力を低下させて、第二の二酸化炭素捕獲チャンバー中のより高い圧力に向かって圧力を解放させるように、タンデム式の稼働を繰り返すこと；
を含む、上記方法。
【請求項２】
それぞれの捕獲構造から除去された二酸化炭素と凝縮した水蒸気とを分離容器に送り、凝縮した水蒸気を液体として除去し、濃縮された二酸化炭素をさらなる処理に送る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
残存する水蒸気を除去して少なくとも９５％純度の高度に濃縮されたＣＯ２を得るのに十分な程度に圧縮することによって、さらに二酸化炭素を処理する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
それぞれの前記二酸化炭素捕獲チャンバー中の圧力を０．２ＢａｒＡに以下に低下させる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
それぞれの前記二酸化炭素捕獲チャンバー中の圧力を０．１５ＢａｒＡ以下に低下させる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記混合された周囲空気が、周囲空気中のＣＯ２濃度よりも少なくとも２桁大きいＣＯ２濃度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記二酸化炭素除去構造が、シリカ、アルミナ、およびアルミナでコーティングしたシリカからなる群より選択される材料で形成された多孔質基板モノリスのアレイを含み、ここで基板はアミン吸着剤を支持している、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記吸着剤が、第一アミンである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記水蒸気が、飽和水蒸気である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記飽和水蒸気が、プロセス熱による水蒸気である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
それぞれの前記二酸化炭素捕獲チャンバー中の圧力を０．１ＢａｒＡに低下させる、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
再生された前記二酸化炭素除去構造が捕獲チャンバーから除去されるときに、凝縮した水蒸気が基板の孔中に残り、混合された周囲空気流に戻されることにより、混合された空気からＣＯ２を吸収するときの吸着剤および基板の温度が適正化される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記周囲空気が、５０体積％未満の流出ガスと混合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
二酸化炭素含有空気から二酸化炭素を除去するシステムであって、
一対の二酸化炭素除去構造、ここで各構造は、二酸化炭素を吸収するかまたは二酸化炭素と結合することにより空気から二酸化炭素を除去することが可能な吸着剤、および表面上に吸着剤が支持された多孔質の固体基板、および基板のための可動式の構造支持体を含み；ここで構造支持体は、空気からＣＯ２が除去されるように二酸化炭素含有空気流に晒される位置に吸着剤を支持している；
一対の密封可能なＣＯ２捕獲チャンバー（これらはそれぞれ、ＣＯ２を含有する除去構造から二酸化炭素を捕獲するための各二酸化炭素除去構造；二酸化炭素捕獲チャンバーと、除去構造が入った後に密封された二酸化炭素捕獲チャンバー内の大気圧を低下させるための排気ポンプとの間の開閉可能な流体連結手段；二酸化炭素捕獲チャンバーとプロセス熱による水蒸気源との間の開閉可能な流体連結手段；２つの二酸化炭素捕獲チャンバー間の開閉可能な流体連結手段；および各二酸化炭素捕獲チャンバーとＣＯ２収集チャンバーとの間の開閉可能な流体連結手段に対応する）；ならびに
二酸化炭素捕獲チャンバーに、および二酸化炭素捕獲チャンバーから二酸化炭素除去構造を移動させるための装置；
を含む、上記システム。
【請求項１５】
前記多孔質固体は、空気から二酸化炭素を吸収するかまたは二酸化炭素と結合する二酸化炭素吸着剤を支持する、高度に多孔質の一体式セラミック構造を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
一対の垂直に並べられた炭素捕獲構造を含み、ここで該炭素捕獲構造のそれぞれは、垂直に並べられた炭素捕獲構造の対の一方が、交互に且つ連続して二酸化炭素含有空気の軌道中に存在し、それと同時に垂直に並べられた炭素捕獲構造の対の他方が、プロセス熱で加熱されて、吸着剤からそれまでに吸着していた二酸化炭素を分離させることにより、多孔質支持体で吸着剤を再生する方式で選択的に稼働させることができる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
前記垂直に並べられた炭素捕獲構造が、交互に且つ連続して二酸化炭素含有空気の軌道中に配置されて、空気から二酸化炭素を除去し、プロセス熱で加熱されるように露出させることにより、吸着剤から二酸化炭素を分離して吸着剤を再生するように設計されており、そのように稼働することが可能な、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
交互に且つ連続して二酸化炭素含有空気を炭素捕獲構造に送り、プロセス熱を炭素捕獲構造に送ることにより、吸着剤から二酸化炭素を分離して吸着剤を再生するように設計され適合させた、自動的に稼働するバルブシステムを含む、請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、合衆国法典第３５巻第１１９条（ｅ）に従って、２０１０年４月３０日付けで出願された出願第６１／６４３，１０３号の米国仮特許出願；２０１０年４月３０日付けで出願された第６１／３３０，１０８号の米国仮特許出願；２０１０年６月３日付けで出願された第６１／３５１，２１６号の米国仮特許出願、および２０１１年２月１５日付けで出願された第６１／４４３，０６１号の米国仮特許出願、ならびに２０１１年４月２９日付けで出願された同時係属中の米国特許出願第１３／０９８，３７０号に基づく利益または優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
[0001]本発明は、大気から温室効果ガスを除去するためのシステムおよび方法に関し、特に、周囲空気を包含するガスのストリームから二酸化炭素を除去するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0002]２０１１年４月２９日付けで出願された同時係属中の米国特許出願第１３／０９８，３７０号で説明されているシステムへのさらなる改善として、現在認識されている好適なシステムおよびプロセスが存在するが、これらは、初期の出願時、特にさらなる改変がなされたときに開示された使用よりも広い範囲の使用に利用できる。その同時係属中の出願の開示は、参照により、本明細書で示された新しい開示で改変されたときにその全体が繰り返されたものとして本明細書に組み入れられる。
【０００４】
[0003]現在、若干相容れないエネルギー関連の３つの目的に多大な関心が寄せられている。すなわち、（１）経済発展のために手ごろなエネルギーを提供すること、（２）エネルギーの安全保障を達成すること、（３）地球温暖化によって引き起こされる破壊的な気候変動を回避することを達成しようとすること、である。しかしながら、対立をもたらす恐れがある経済的な繁栄に必要なエネルギーの確保とエネルギー不足の回避を実現させようとしても、今世紀の残りの時間で化石燃料の使用を回避する実現可能な方法はない。
【０００５】
[0004]二酸化炭素（他の主要な温室効果ガスは、メタンおよび水蒸気である）のようないわゆる温室効果ガスの量の増加が地球の平均温度を上昇させることは、科学者の間でもほとんど議論の余地がない。
【０００６】
[0005]また、二酸化炭素排出への継続的な人間の関与を少なくして気候変動の危険をうまく取り除くこと以外に解決策がないことも明らかである。また大気から余分なＣＯ２を除去することも必要である。原理的には、空気を抽出して大気中の二酸化炭素量を増減させることができれば、二酸化炭素濃度を増加させて気候変動を引き起こす可能性があるメタン（天然に存在するものと人間の活動によりものの両方）などの他の温室効果ガスを相殺できる。
【０００７】
[0006]本発明の出願人による近年の発明までは、二酸化炭素を大気から直接捕獲することは、その化合物の濃度が低いために実行不可能であるということがその分野の専門家の間で一般的に認められた意見であった。その後、同時係属中の先の出願により、このようなＣＯ２低減を特定の条件下で実行することは、実際には実用的且つ効率的であったことが示された。
【０００８】
[0007]好適な再生可能な吸着剤システムおよび低温でのストリッピングまたは再生プロセスを使用すれば、周囲条件下でＣＯ２を空気から効率的に抽出できることが示された。
【発明の概要】
【０００９】
[0008]本発明は、二酸化炭素含有空気の塊から二酸化炭素を除去する、さらなる新規の有用なシステムおよび方法を提供する。
【００１０】
[0009]本発明はさらに、同じ低温システムはさらに、主に周囲空気で希釈された比較的濃縮されたＣＯ２を含有する煙道から発生したガスと空気とを混合することによって、二酸化炭素濃度が高められたガスの混合物からのＣＯ２の捕獲にも適用が可能であるという発見により改善され；さらに驚くことに、これはさらに効率も改善する。これは、例えば発電所、または製油所、またはセメント製造工場などの別の方式で「汚れた」源にとって、ＣＯ２マイナスのシステム事象（CO2-negative system event）をもたらす可能性がある。このような環境において、例えば煙道ガスが石炭の燃焼から発生するような場合、二酸化炭素吸着剤を接触させる前に煙道ガスを前処理して、微粒子と、例えば硫黄および窒素酸化物化合物などの所定の有害な化合物とを除去することが通常好ましい。
【００１１】
[0010]一般的に、大気からの直接的な抽出と、処理される周囲空気中の二酸化炭素濃度を増加させる能力とを利用して、例えば煙道から生じたガスなどのＣＯ２高含有ガス混合物と混合することによって大気中の既存のＣＯ２濃度を低下させ、炭素マイナスのプロセスの組み合わせを提供することができ、さらに別の方法でＣＯ２濃度を増加させる可能性がある例えばメタンなどの他の温室効果ガスの大気への放出を相殺できる。現在、このようにして気候変動を少なくしたり、または元に戻したりすることも考えられる。
【００１２】
[0011]本発明者らの初期の研究において、周囲空気中の比較的低い濃度のものからＣＯ２を除去する高度に効率的なシステムは、ＣＯ２を含有する吸着剤を飽和したプロセス水蒸気を使用して再生することで相当量のエネルギーを使用しなくても達成できることが認識されている。目下、活性な吸着剤部位のための支持体として、比較的薄く大きい表面積を有する一体式の多孔質基板の互いにタンデム式になったアレイを利用することによって改善された結果が得られることが見出されている。このようなシステムでは、煙道から生じた相当量のガスを周囲空気と混合して、処理される空気中のＣＯ２濃度を、１桁の規模で、場合によってはそれよりも多く増加させることができ、それと同時に、別のモノリスシステムとタンデム式で条件および操作を変化させることにより、事前に周囲空気単独で達成された低温での効率への改善を継続させることができる。
【００１３】
[0012]このような改善されたシステムにおいて、タンデム対の一方がその再生ボックス中で再生を完了させたらちょうど第二の構成要素がその再生ボックスに入るようにタンデム対は同期される。第二の再生ボックスは密封されており（これは、同時係属中の出願で説明されており、さらには以下でも再度説明されている）、捕捉された大気は、第二の再生ボックスから排気されて、０．４ＢａｒＡ未満、好ましくは０．３ＢａｒＡ未満、最適には０．１から０．２ＢａｒＡの間になる。第一の再生ボックスからもその空気を排気し、続いて吸着剤からＣＯ２をストリッピングするときにモノリスの孔内で凝縮した飽和水蒸気で、第一の再生ボックスを再生する。再生がその望ましい目標点に達したら、モノリスには熱い凝縮水が含まれ、密封されたボックス中の多少の水蒸気と残存するＣＯ２を含有する周囲の大気は、少なくとも約０．７ＢａｒＡに増加した。ここで２つのタンデム式の再生ボックスの内部は、均等化に向かってシャープで迅速な圧力の変化が起こり；第一のモノリス中の熱い凝縮水は、より低い圧力で気化し、その蒸気が第二のモノリスと出会うと、すなわち温められると、ＣＯ２の一部が放出され、それと同時に第二のモノリスで蒸気が凝縮し；そのようにして第一のモノリスが迅速に冷却され、第一のボックスからＣＯ２含有ガス混合物と接触させる動きのために第一のモノリスが準備されるように相互接続されている。このタンデム式の稼働は、ＣＯ２含有ガス混合物の実質的に連続した処理が達成されるようにアレイの全ての構成要素で続けられ、連続的に繰り返される。
【００１４】
[0013]「多孔質基板」は、開いた孔を有する基板と理解される必要があり、この場合、ガスまたは蒸気が開いた孔を介して基質の厚さ全体にわたり完全に通り抜けられるように、ガスまたは蒸気が前面の孔に入り裏面から出ることができる。モノリスの厚さは、処理しようとするＣＯ２含有ガス混合物の流れ方向と直角のモノリス表面の寸法のいずれかより、好ましくは少なくとも１桁小さい厚さである。
【００１５】
[0014]用語「周囲空気」は、本明細書で使用される場合、特定の地理的な場所における大気中に存在する材料の条件および濃度下で仕切られていない空気を意味し、それらを包含する。用語「煙道から生じたガス」は、高濃度のＣＯ２を含有し、例えばいわゆる化石燃料などの炭素含有材料の燃焼から出るガスを指し、燃焼地点から排気された後に前処理されている可能性があるガスなども包含される。
【００１６】
[0015]このプロセスによれば、体積に基づき少なくとも主成分として周囲空気を含む周囲空気と混合することにより、煙道から生じたガスをうまく希釈することができることが発見された。煙道から生じたガスは、混合物中のＣＯ２濃度を周囲空気と比較して大いに増加させると予想され、さらに例えば先の同時係属中の出願の図２５および図２６で示されるように、システムによって十分に空気に混合され、実質的に均一なＣＯ２高含有ガス混合物が形成される。
【００１７】
[0016]ＣＯ２含有ガス混合物の処理は、周囲温度で、ＣＯ２と結合（ＣＯ２を捕獲）できる活性なＣＯ２吸着剤の部位を支持する比較的薄く高い表面積の多孔質モノリスを含む吸着剤構造にＣＯ２含有ガス混合物を通過させ、次いで低温の、好ましくは飽和したプロセス水蒸気を用いて、約１２０℃以下の温度で吸着剤構造を処理して放出されたＣＯ２を引き出し（それによって効果的に吸着剤構造を再生する）高品質のＣＯ２を得ることによって吸着剤のＣＯ２を吸着剤から放出させて、吸着剤を再生することによりなされる。吸着剤は、発熱を伴いＣＯ２を吸着することが好ましく、それにより比較的低温で吸着剤からＣＯ２をストリッピングすることが可能になる。
【００１８】
[0017]本出願において、基板の構造は、好ましくはＣＯ２に結合するアミンを含み、このアミンは、基板の構造によって担持される。吸着剤は、好ましくは基板表面上に保持されると予想され、例えば孔内の表面に保持される。これまで、二酸化炭素濃度が周囲空気の二酸化炭素濃度をかなり超える場合、ＣＯ２吸着剤の温度は、ＣＯ２吸着による発熱のために高くなりすぎ、それによりモノリスの温度が上昇すると考えられていた。このようなより高い温度では、吸着剤の有効性は空気の存在下で劣化することが知られている。ＣＯ２捕獲に関する有効性が低減すると予想され、吸着剤を再生するためにより高温を要すると考えられていた。
【００１９】
[0018]吸着によって捕獲される比率は、そのラングミュア等温式で定められる方式で、すなわち利用可能な第一アミン吸着剤に応じて、発熱性の吸着剤の温度に依存することが知られている。ＣＯ２と反応する際の吸収剤の高温の熱（すなわち約８４ｋｊ／モル）のために、等温線は温度と共に指数関数的である。例えば、温度が２５℃から３５℃に増加すると、平衡時にＣＯ２を捕獲できるアミン部位のパーセントが約ｅ−１低下する。結果として、寒い気候、すなわち中緯度もしくはそれより高緯度または高地における冬季の周囲温度ではこの問題が少なくなるか、またはより高濃度のＣＯ２の処理が可能になる。例えば周囲温度が１５℃の場合、温度が１０℃上昇すると、より低濃度のＣＯ２を処理する２５℃の周囲温度の場所と同じ性能になると予想される。約１００℃で吸着剤が効果的に再生されるように、平衡時のアミン部位の比率と、ＣＯ２を吸着剤からストリッピングして収集するのに必要な顕熱との観点から、第一アミンに関するラングミュア等温式は約１５℃で最適に近づく。先の同時係属中の出願の図２７に、流出ガスが好適な装置により空気と十分に混合される設計概念が示されており、温度上昇が分析されている。
【００２０】
[0019]本発明の特に効率的な実施態様は、少なくとも微粒子や硫黄および窒素の酸化物などの吸着剤にとっての有害物質を除去する従来技術の処理プロセスを包含する発電所などのＣＯ２生成プロセスと統合することにより達成される。一般的に、北アメリカまたは欧州におけるほとんどの石炭を燃焼させる工場は、一般的にＣＳＳ技術と称されるプロセスを使用した燃焼後の処理を行っている。一般的に使用されるこのようなプロセスの一つは、イングランドのコステイン・グループＰＬＣ（Costain Group PLC）が実施しているようないわゆる「燃焼後ＭＥＡプロセス」であり、石炭火力発電所でのその使用を示した図３で図解されているように、その処理済みの流出物は本発明のプロセスに送られる。ＣＳＳプロセスからの流出物は、微粒子や本発明のプロセスで使用される吸着剤にとっての一般的な有害物質を含んでおらず、このような流出物が本発明のプロセスで処理するための周囲空気と混合されて、合わされたＣＯ２が捕獲される。ＣＳＳプロセスにより除去されるＣＯ２の１メートルトンあたりにかかるコスト増分は、ガス混合物から除去されるＣＯ２のパーセントが増加するにつれて鋭く増加し、除去率が９０％から９５％になると極めて多大な費用を要するようになる。一方で、単独のＣＳＳプロセスによって捕獲されるパーセントが低下するにつれてしばしば多大な費用を要するようになるが、これはなぜなら、ＣＯ２放出が調節されている状況では、捕獲されなかったＣＯ２に関する不利益が増大し、プロセス全体の価値を低下させるためである。これらの理由のために、ＣＳＳの目標値は通常９０％である。
【００２１】
[0020]一方で、本発明のプロセスによって捕獲された純ＣＯ２の１単位量あたりのコストは、本発明のプロセスに入るプロセスストリーム中のＣＯ２のパーセントが増加するにつれて低下する；これは、このようなＣＳＳプロセス、または他の煙道ガスの前処理からの流出物と組み合わせる場合に特に有効である。しかしながら、フィードストリーム中のＣＯ２濃度が増加するにつれて、混合されたＣＯ２の発熱を伴う捕獲による温度上昇が吸着剤の有効性劣化の原因とならないように、本発明のプロセスに必要な冷却手段を備えつけなければならない。したがって、ＣＳＳ段階で除去されるＣＯ２のパーセントを低下させて（例えば従来技術のＣＳＳプロセスにおけるＣＯ２除去を８０％に落として）、残存する比較的多くのＣＯ２を含有するＣＳＳ流出物（例えば２％ＣＯ２を含有）を周囲空気と混合することで、ＣＳＳプロセスと本発明との組み合わせの相対的作用を較正することにより、捕獲されたＣＯ２の１メートルトンあたりのコストを最適化することが可能である。このような場合、空気と混合したＣＳＳ流出ストリーム１％毎に、本発明のプロセスへのフィードガス混合物中のＣＯ２濃度が約５０％増加すると予想される。
【００２２】
[0021]温度上昇は、ＣＯ２の吸着率、したがって混合済みのプロセスフィードストリーム中のＣＯ２濃度に依存するため、それに伴う温度上昇を決定することが可能である。ＣＳＳ流出物が５％で混合されれば、本発明のプロセスにかかる資本コストは、独立型の純粋な周囲空気を捕獲するプロセスのコストの３分の１に低減されると予想される（なぜなら混合済みストリームの濃度は、空気単独よりも３倍高いため）。その場合における温度上昇は、気化器を用いた型の全煙道ガスストリームを混合する場合の上昇に近いか、または約３．５℃である。最も重要なことには、本発明の空気捕獲プロセスが、混合済みのストリームから７０％のＣＯ２しか除去しないように設定されていた場合、組み合わせのプロセスは、発電所によって放出されたＣＯ２の１００％より多くを除去すると予想される。したがって、それにより、エネルギー源として化石燃料の燃焼を使用している発電所または他の工場は、炭素非含有、または炭素マイナスになると予想される。混合済みのガスから本発明のプロセスによりＣＯ２の７５〜８０％を除去すれば、結果的に、炭素マイナスな発電プロセスになると予想される。
【００２３】
[0022]他のコストを最適化した各プロセスを行うことによって、収集された１メートルトンのＣＯ２あたりのコストを低下させることによる直接的な利点を達成すること以外にも、プロセス統合に起因する他の利点もある。これらの利点としては、煙道ガス処理からの排気ストリームがクリーンであること、混合工程に関する問題／コストをなくすこと、およびより効率的かつより低コストのエネルギー使用が挙げられる。ＣＳＳプロセス以外にも、多くの様々な燃焼前および燃焼後ＣＯ２除去プロセスが実行されており、将来的には数多くの新しいプロセスが出現するであろう。混合される周囲空気とＣＳＳ流出物との量、および第一段階の煙道ガスプロセスからの可能性のある追加の排気処理に関する詳細は、細部にわたって様々であると予想されるが、組み合わせのプロセスの基本的な利点の本質は同じままである。
【００２４】
[0023]本発明による進歩は、より高濃度のＣＯ２からの捕獲を可能にするために、ＣＯ２のストリッピングが完了した後に、凝縮した水蒸気を水としてモノリスの孔中に残存させ、熱い凝縮物の液体の一部を急速に蒸発させることが、モノリスを急速冷却する極めて有用な手段であるという発見に基づいている。次いでストリッピングされ冷却されたモノリスをＣＯ２捕獲ステーションに戻し、それと同時に、さらなる吸着工程のために、ストリッピングに先立ってＣＯ２を含有する吸着剤を予熱することにより熱を保存する。そうでなければモノリスと吸着剤は吸着工程中に不必要に加熱されるため、ＣＯ２含有空気に晒されると劣化を起こしやすいと予想される。入ってくる空気流方向で、好ましくはモノリスの最も大きい他の寸法の１０％以下の厚さまたは長さを有するモノリスで、例えば１５センチメートルの厚さ、少なくとも２メートル×０．５メートルの長さまたは幅を有する、すなわち空気流に直角の面の表面積が少なくとも１平方メートルのモノリスで、この作用は最も容易に達成される。
【００２５】
[0024]また、プロセス水蒸気の流れを基板に通過させ始める前に空気の大部分を除去するために、再生ボックスの圧力を、例えば好ましくは０．３ＢａｒＡ未満に、最も好ましくは０．１から０．２ＢａｒＡの間にポンプで低下させることにより、再生した基板を冷却する速度も改善できる。これはさらに、ＣＯ２のストリッピング前にほとんどの凝縮不可能なガスを除去することによって、高純度のＣＯ２の除去効率も高めると予想される。
【００２６】
[0025]その基本の形態の１つにおいて、本発明は、二酸化炭素含有空気から二酸化炭素を捕獲して、プロセス熱を使用して、吸着剤から二酸化炭素を分離して吸着剤を再生するための追加の構造および技術を提供する。
【００２７】
[0026]さらに、その形態の別の型において、本発明は、吸着剤から二酸化炭素を分離して吸着剤を再生するために低温のプロセス熱の使用を無駄にすることなく、より高い二酸化炭素濃度の空気から効率的に二酸化炭素を捕獲できるようないくつかの追加の構造および技術を提供する。本発明はさらに、煙道ガスと混合された状態の空気からの二酸化炭素の吸着による捕獲、および分離、および再生を可能にする。それにより、ＣＯ２を生成する一次システムを正味でＣＯ２マイナスにすることができ、したがって大気中のＣＯ２量を低下させる。
【００２８】
[0027]加えて、本発明は、バイオ燃料生産用の供給藻類の培養工場のような有益な使用のための比較的低コストで比較的純粋なＣＯ２源を提供し、この場合、捕獲コストは、ＣＯ２供給にかかる全体のコストを表す。
【００２９】
[0028]システムの性能および効率をさらに改善することを意図した他の実施態様において、再生チャンバーのボックスは、再生ボックス３０５１の後壁（水蒸気注入側とは逆のガス収集側）が、蒸気としてモノリスを通過するあらゆる水蒸気のコンデンサーとして作用するように構築される。後壁が循環水により冷却されるか、または熱を除去して空気により冷却されるのに十分な熱質量を有する場合、水蒸気が冷たい表面で凝縮し、その潜熱を後壁に移動させることにより水が形成されると予想される。追加の熱交換器を排除することにより、さらなる節約が達成される。その熱質量を冷却することにより後壁を４０℃またはそれ未満で維持すれば、後壁は、閉じた再生ボックス中の温度を低下させることによりポンプとして機能すると予想される。後壁の内部表面に下方へ傾いたリブを設置することにより、後壁上に凝縮水が大量に蓄積しないように（このような蓄積は、冷却を遅くすると予想される）凝縮水をボックスの側端に向かわせることもできる。このようなシステムは、１）迅速な冷却が可能になる；２）別個のコンデンサーに要する追加の資本経費が必要なくなる；および３）蒸発による冷却のために水蒸気をポンプでくみ出す必要がなくなり、多くのエネルギーが節約できるという理由から、モノリスを冷却する効率的な方式を提供する。
【００３０】
[0029]本発明のプロセスは、起こり得るあらゆる有効性の損失を制限しつつ吸着剤の有効な再生を最適化するためにより寒い気候で利用することが最良であるが、最も寒い気候で、すなわち最高緯度で、ＣＯ２捕獲プロセスを連結させる既存の工場施設ほとんどないという難点がある。しかしながら、このような場所では効率がより大きいために、高められたＣＯ２濃度を供給するかまたは必要なプロセス熱を供給する別の施設がない独立型の工場を配備する基盤があることが現在認識されている。この実施態様に係るシステムは、外部のプロセス熱または電気を取り入れにくく、例えば北極地域などの極めて低温のより寒い気候に存在する独立型のユニットを提供する。温度が実質的に無制限に低くなればなるほど、より効率的な稼働システムが得られると予想される。本システムが全面的に取り入れられれば、例えば極端に冷たく凍結した雨の影響を受けやすい北極圏など地域でさえも、このシステムの稼働を妨げることはないと予想される。これは、原油または天然ガス等を、例えば極北から一般的により実用的に用いられる可能性が高いと予想される人間の居住地域に運搬する長距離のパイプラインに隣接して、またはそれの近傍で本システムが稼働するような場合に特に当てはまると予想される。
【００３１】
[0030]本発明の一実施態様によれば、例えばボイラーなどの熱発生器を包含するシステムは、必要な補助システム、例えばエレベーターシステム、必要な制御デバイス、バルブ、および高純度ＣＯ２用のコンプレッサーポンプを稼働させるための発電機に連結される。高温の熱を使用して、発電機を稼働させるための高圧水蒸気を生成し、さらに煙道ガスの排気は、前述したシステムに従って進行するように、周囲空気と混合することによって利用される。この方式では、本システムを稼働させるために熱および他のエネルギーを供給し、余分なコストがかからないように、周囲空気をＣＯ２によってさらに高濃度化して、組み合わされたＣＯ２をより効率的に捕獲できるようにする。このようなシステムは、エネルギーコストがかかる場合であっても、生成される純ＣＯ２の市場または用途がある限りは、ほぼ財源にみあったものにできる（ただしほとんど常にＣＯ２マイナスである）。例えば、長距離のパイプラインの環境において、精製したＣＯ２は、パイプラインと隣接して少なくとも部分的に保存が可能である。何らかの失火または漏れが生じた場合、ＣＯ２は、噴出する可能性がある炎の大部分を消し去るのに使用できる。
【００３２】
[0031]特定の場所では、精製されたＣＯ２の価格が、実際に発電にかかる燃料コストよりも大きいという状況が起こり得ることに留意されたい。このような環境では、例えば直接隣接するパイプラインまたは高緯度の天然ガス井では、より多くのエネルギーが使用され、より多くの煙道ガスが生成し、純粋な二酸化炭素の生成のための最終的なプロセスの価格がより高くなる。このような場合、より一般的な状況のようにエネルギーを保存することよりも、できるだけ多くのエネルギーを使用してより多くのＣＯ２が生成することのほうがより有用であるという驚くべきことが起こる。より高い緯度以外の場所ではこのような状況が存在する可能性は低いが、そのような場合において（例えば中緯度での冬季など）、この実施態様は多大な有用性を有すると予想される。
【００３３】
[0032]吸着剤用の基板は、例えば菫青石などのシリカ材料またはアルミナ構造から形成されたモノリスであってもよいし、または例えば第一アミン側基を有するポリマーなどの固有の吸着部位を有する高分子材料から形成されたモノリスであってもよい。一般的には、菫青石モノリスは、アルミナ基板よりも高い熱を必要とすることが予想される。ＣＯ２が高い価格を有するような状況では、より大きい利益がもたらされると予想される。
【００３４】
[0033]稼働中、このエネルギー強化されたプロセスを具体化するシステムは、必要な電気を生成するために高温の熱源およびマイクロタービンを使用すると予想される。タービンから放出されたより低温の熱を使用して、ＣＯ２吸着剤が再生されると予想される。ＣＯ２吸着剤へのフィードストックは、周囲空気と熱源からの排気の混合物を含むと予想される。熱源が天然ガスの場合、吸着器にフィードされる前に排気を前処理する必要性はほとんどないであろう。しかしながら、石炭または燃料油が使用される場合、微粒子材料を除去するために（そうでなければ、このような微粒子材料は基板の孔を詰まらせると予想される）、同様に例えば硫黄や亜酸化窒素などの所定の副産物を除去するために（そうでなければ、このような副産物は吸着剤にとって有害となる可能性がある）、初期にそれらを軽減する何らかの前処理が必要であると予想される。
【００３５】
[0034]本発明のいずれかのシステムの費用対効果をコンピュータで算出することにおいて、以下の方程式が利用できる。
【００３６】
ＣＥ／Ｔ＝１トンのＣＯ２あたりのエネルギーのコスト
ＣＥ／ＭＭＢＴＵ＝１００万ＢＴＵあたりのエネルギーのコスト、すなわち１．０５５×１０９ジュール×１／ＣＥ
Ｅ／Ｔ＝ＭＭＢＴＵで測定された１トンのＣＯ２あたりの必要なエネルギー
ＣＯ２／ＭＭＢＴＵ＝１００万ＢＴＵあたりの放出されたＣＯ２の量
ＲＥＶ＝１トンのＣＯ２あたりの財源
[0035]システムの稼働費をコンピュータで算出する場合、ボイラーおよび発電の資本コストは無視するものとし、燃料によって生成したＣＯ２にかかる余分な資本費用はなく、燃料にかかるコストのみが発生するものと仮定する。ＳＨ／ＨＲ＝１．２のケースと仮定すると、これは、ＣＥ／Ｔ＝４×３−４０×４×０．０５３＝１トンあたり３．５０ドルとなるように、Ｅ／Ｔ＝４ＭＭＢＴＵ、およびＲＥＶ＝天然ガス１トンあたり４０．００ドル、ＣＥ／ＭＭＢＴＵ＝３．００ドル；ＣＯ２／ＭＭＢＴＵ＝５３ｋｇと解釈される。
【００３７】
[0036]一方で、石炭の場合、ＣＥ／Ｔ＝４×２．５０ドル−４０×４×０．０９２＝１トンあたり７．６０ドルとなるように、１００万ＢＴＵあたりのエネルギーのコストは、非常に変化しやすいが、２．５０ドルに等しく；ＣＯ２／ＭＭＢＴＵはここでも０．０９２であると仮定できる。興味深いことに、電気のコストは、煙道から添加されたＣＯ２のパーセンテージに等しいと予想され、すなわち天然ガスの場合は２１％であり、石炭の場合は３７％である。
【００３８】
[0037]さらに、ＥＯＲおよび商用ガス市場にとって遠隔地の場合、財源は、４０．００ドル／トンよりもはるかに大きいと予想されることから、追加のＣＯ２生産にかかる限界費用が低いと仮定して提供されるあらゆるエネルギーの正味費用をさらに低下させる。高温のエネルギーを利用して、吸着剤からＣＯ２をストリッピングするための電気およびプロセス熱を生産することによって、経済性は極めて好都合になる。
【００３９】
[0038]本発明のこれらおよび他の特徴は，以下の詳細な説明および添付の図面で説明されるか、またはそれらから明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明の典型的な実施態様に係る大気からから二酸化炭素を除去するシステムのブロック図である。
【図２】図２は、本発明の典型的な実施態様に係る地球規模の気候改変システムとして作用するのに好適な、複数のユニットの地球規模のシステムを例示する地図である。
【図３】図３は、煙道ガスに関する従来技術の前処理システムの概略図であり、本発明のこのシステムに連結される。
【図４】図４は、本発明の原理に従って二酸化炭素含有空気から二酸化炭素を除去して、二酸化炭素を吸収したり、または二酸化炭素と結合したりする吸着剤を再生するための好ましいタンデム型のシステムおよび技術を図式的に例示しており、この場合、吸着時間は、最大の効率が達成される再生時間にほぼ等しい。
【図５】図５は、上部の空気接触位置と下部の再生位置との間でモノリスを移動させるための垂直動作システムまたはエレベーターを利用する、大気から二酸化炭素を除去するための、さらに媒体から二酸化炭素を除去するためのモノリス媒体の垂直のバージョンの概略図であり、ここで空気の動きは機械式の送風機で促進される。
【図６】図６は、水平のトラックを利用する、大気から二酸化炭素を除去するための、さらに媒体から二酸化炭素を除去するためのモノリス媒体の水平のバージョンの概略図である。
【図７】図７は、図４で示したタンデム式システムのエレベーター構造のうちの１つの切り取り側面図を模式的に示しておし、再生チャンバー中のモノリスが示される。
【図８】図８は、援用される先の第１３／０９８，３７０号に最初に示された二酸化炭素除去システムの概略図であり、本発明の一部を形成する二酸化炭素除去構造の追加されたタンデム対の一方が示される。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
[0047]出願第１３／０９８３７０号に記載のシステムおよび方法の概念の背景の説明
同時係属中の出願（米国特許公報第２０１１／０２９６８７２号）で示されているシステムに従って、以下の本発明の好ましい実施態様は、より高度に濃縮されたＣＯ２のガス混合物の処理を可能にすることが見出されている。本明細書で説明されるプロセスに従って、基板がこの説明に記載された必要条件を確実に満たすことにより、例えば発電所からの温室効果ガスを完全に大気から除去するだけでなく、本発明のプロセスにより正味で炭素マイナスな作用を起こし、工場排気よりも多くのＣＯ２を大気から引き出して、結果的に大気中のＣＯ２も総体的に低減させるように、濃縮されたＣＯ２混合物を効率的且つ低コストでうまく処理できる。
【００４２】
[0048]ＣＯ２を含む空気は吸着剤構造を通過する、この構造は、好ましくは、空気流方向の寸法が、空気流の軌道中で対向する表面を定義する他の２つの寸法よりもかなり小さくなるように、例えばそれよりも少なくとも１桁、好ましくは少なくとも２桁小さくなるように成形される。基板構造の表面上のＣＯ２結合部位、例えば第一アミン部位が、ＣＯ２と自発的に結合することが可能でなければならず、これは通常、その部位が、吸着剤構造がほぼ飽和レベルに達するまで周囲条件で発熱反応であることを意味する；これは、例えば吸着剤構造から出る空気のＣＯ２濃度を測定することによって決定でき、このような濃度は、ブレークスルー量（breakthrough amount）として知られている。
【００４３】
[0049]望ましいＣＯ２のブレークスルー量が達成されたら、密封された再生チャンバー中で、吸着剤構造は二酸化炭素を含む空気ストリームから除去され、大気から単離され、ＣＯ２がストリッピングされて除かれ、以下でさらに説明される方式で、吸着剤構造を通過した低温の飽和した（大気圧の）水蒸気の形態でプロセス熱に晒されることにより吸着剤構造が再生される。まず水蒸気は凝縮し、その凝縮の潜熱を吸着剤構造に移動させて構造を加熱するが、この加熱は、吸着剤構造全体が均一の高い飽和温度に達するまで水蒸気が吸着剤構造の前部から入りそこを通過するときに、吸収剤部位からＣＯ２がストリッピングされて水蒸気により基板の構造から押し出される温度に達するまでなされる。水蒸気が接触して吸着剤を加熱するとき、水蒸気はモノリスで凝縮して、それぞれおよそ２モルの水蒸気が凝縮するが、それにより、第一アミン吸着剤から１モルのＣＯ２を解放またはストリッピングして吸着剤構造からＣＯ２を押し出すのに必要な十分な潜熱が提供される。また、ＣＯ２がストリッピングされて除かれるときに再生チャンバーからＣＯ２を収集して除去するための排気ファン／ポンプも使用できる。この技術は、「水蒸気によるストリッピング」と称され、さらに以下でも説明される。エネルギー効率およびコストの理由で、ＣＯ２流出物と混ぜ合わせるのに使用される水蒸気の量を最小化して、熱い凝縮物を再加熱して水蒸気にすることが望ましい。したがって、再生チャンバーから出るときに凝縮される（または凝縮できる）ものが何であれ、凝縮物を、再生チャンバー中で生成した凝縮物に添加して、加熱に再利用して、さらなる使用のために水蒸気に戻してもよい。
【００４４】
[0050]ストリッピングプロセスは通常、水蒸気のブレークスルーの発生時に終わると予想され、そのとき、吸着剤構造の後端から発生した凝縮されていない水蒸気の量は、新たにストリッピングされるＣＯ２と比較して大きくなる。新しい水蒸気の注入を停止させる正確な条件は、使用される水蒸気の量に対する解放されたＣＯ２の比率の観点から、水蒸気プロセスの効率が低くなるときに、除去されたＣＯ２の増加比率とエネルギーのコストの増加分とのバランスを取ることによって決定されると予想される。そのエネルギーは、次のストリッピングサイクルのために水蒸気および凝縮物を再加熱するときに置き換える必要があり、すなわちＣＯ２捕獲時間、ならびにＣＯ２をストリッピングおよび冷却する時間の一様性を維持するのにエネルギーが必要である。
【００４５】
システム
[0051]商品化しようとする本発明を取り入れたシステムの構造の設計において、以下の設計パラメーターが考慮されると予想される。一般的には、基板で吸着剤部位の含有量を増加させたら、ＣＯ２と結合するのに利用可能なアミン部位の存在比で定義されるような高いアミン効率も要求される。これが、第一アミンが好ましい理由であり、さらに過量の吸着剤による孔の目詰まりが最小化されるように含有量を調節することの理由でもある。実験結果から、アミン効率と含有量の増加とのバランスをとった最適な含有量は、有機アミンが結合するかまたはその孔表面上に有機アミンが堆積する多孔質基板／骨格に対して、４０〜６０体積％の有機アミン含量であることが示される。これは、以下の計算：
Ｐｃｍ＝骨格材料（例えばシリカまたはアルミナ）の密度（ｋｇ／立方メートル）、
ＰＯＲｃ＝多孔率、すなわち空気流方向に垂直の総表面積に対する開口した壁の面積の比率、
ＰＵＲ＝捕捉された空気に対する放出されたＣＯ２の比率、すなわちＣＯ２の純度、
ＲＨ＝反応熱、
ＳＨ／ＲＨ＝再生中の顕熱と反応熱ＲＨとの比率、
Ｓａｖｃ＝骨格の単位体積あたりの表面積（１／表面の平方メートル／立方メートル）、
ＳＨ＝顕熱、
ＴＡ＝ＣＯ２を飽和するまで含有させるのにかかる時間、すなわち吸着時間、
ＴＳ＝水蒸気によるストリッピングを使用して再生するのに要する時間、
ｗ＝骨格の孔壁の厚さ、
ｄ＝平均の孔／チャネルサイズ。
によって決定できる。これらは、このプロセスの設計で考察されるべき重要な設計パラメーターである。このモデルにおいて、計算を簡易化するために、ＰＯＲｃは、総平均面積に対する開いたチャネルの平均面積の比率に等しく、多孔質媒体の壁のチャネルにおける曲線の蛇行性は無視した。したがって、ＰＯＲｃ＝ｄ２／（ｄ＋ｗ）２である。単位体積あたりの表面積は、Ｓａｖｃ＝４ｄ／（ｄ＋ｗ）２＝４ＰＯＲｃ／ｄで示される。圧力の低下は、チャネル中の開口部のサイズ、モノリスの空隙率、孔を通る空気流の長さおよび速度によって決まる。
【００４６】
吸着剤構造および一般的な吸着剤の操作
[0052]使用できる基板のタイプの一例は、セルコール．ＲＴＭ（CELCOR.RTM）という商標名でコーニング（Corning）により製造されたシリカ製モノリスである。このモノリスは、本発明の原理に従って、吸着剤構造用の支持体として使用できる。ＣＯ２を含む空気が基板を介して流れるときに高い表面積および低い圧力低下をもたらす多孔性セラミック基板である１つまたはそれより多くのセルコール．ＲＴＭ．の内部に、吸着剤（例えば第一アミンなど）が担持される（例えばコーティングされるか、または別の方式でそこに固定される）。吸着剤モノリス構造は、例えば、同時係属中の出願に関して説明されている、レンガのように積み重ねられているか、または単一の一体型基板の複数のセルコール．ＲＴＭ．多孔性セラミック基板を含んでいてもよい。他の例としては、出願公開ＵＳ２０１１／０１７９９４８で開示された基板および吸着剤、または、Choiらによる報文（Amine-Tethered Solid Adsorbents Coupling High Adsorption Capacity and Regenerability for CO2Capture From Ambient Air、Sunho Choiら、CHEMSUSCHEM 2011、4、628〜635、2011、Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA、Weinheim）で説明されているような基板および吸着剤が挙げられる。
【００４７】
[0053]ＣＯ２を含む空気は、吸着剤構造の孔を通って方向付けられる。また、一体型の吸着剤構造が形成されるように、例えばセルコール．ＲＴＭ．多孔性セラミック構造の壁上のアルミナコーティング中に吸着剤材料を埋め込むことによって吸着剤構造を形成できることも考慮される。
【００４８】
[0054]また、さらにより好ましい構造は、菫青石のシリカの代わりに多孔質アルミナのレンガで形成されることにも留意されたい。アルミナ構造は、物理的および／または熱的にシリカ構造ほど頑健ではないが、この周囲温度での捕獲プロセスと比較的低温のストリッピングプロセスとで満たされる条件はそれほど厳重ではないため、比較的頑健性が低い構造も使用できる。加えて、注目すべきことに、基板は、上記のセラミック構造に加えて無機材料であるが、吸着剤構造は、有機材料であってもよく、例えばアミンポリマーを架橋して固体ポリマーを形成することにより重合ポリアミンから形成されてもよく、ここで固体ポリマーは、ストリッピング用水蒸気の温度でポリマーが揮発したり軟化したりしないような十分低い温度で、すなわち吸着剤再生に使用される１２０℃以下の温度で押出しが可能なものであると予想される。
【００４９】
[0055]一般的に、含有量を増加させるためには、ＣＯ２と結合するのに利用可能なアミン部位の存在比で定義されるような高いアミン効率も要求される。これは、第一アミンが好ましい理由であり、さらには孔の目詰まりが最小化されるように含有量を調節する理由でもある。実験結果から、アミン効率と含有量の増加とのバランスを取った最適な含有量は、有機アミンが結合するかまたはその孔に有機アミンが堆積する多孔質基板／骨格に対して４０〜６０体積％の有機アミン含量であることが示される。
【００５０】
[0056]Ｎｓが孔表面１平方メートルあたりのＣＯ２結合部位の数である場合、Ａｖは、アボガドロ数であり、骨格構造の材料の密度がＰｃｍである場合、多孔質骨格は、Ｐｃ＝（１−ＰＯＲｃ）Ｐｃｍで示される密度Ｐｃを有すると予想され；そこで含有量Ｌ（吸着剤構造１キログラムあたりのモル）は、以下の式によって示される。
【００５１】
Ｌ＝Ｎｓ  Ｓａｖｃ／Ａｖ  Ｐｃ
＝４Ｎｓ  ＰＯＲｃ／Ａｖ  ｄ  Ｐｃｍ（１−ＰＯＲｃ）
この式をＰＯＲｃについて解くと、下記となる。
【００５２】
Ｌ＝（４Ｎｓ／Ａｖ  Ｐｃｍ）（１／（２ｗ＋ｗ２／ｄ））
[0057]上記構造によって吸着させたＣＯ２の含有量を最大にすることが望ましいために、ポリアミン吸着剤は、所望の高いＮｓをもたらす。どのような場合においても、多孔質支持体中の孔／チャネル間にできる限り薄い壁を有することが好ましいことが上記の分析から明らかである。孔径をより大きくすることによって多孔率が増加すると、多孔質支持体の密度（Ｐｃｍ）の減少によって一次的に相殺されることから、含有量（モル／ｋｇ）は、孔のサイズとは独立してＳａｖｃの減少と一次的な関係である。
【００５３】
[0058]ＡｖおよびＰｃｍに２，５００Ｋｇ／ｍ３の値（注釈：石英の値と石英ガラスの値との差の平均）を挿入して、Ｎｓを、１立方ナノメートルあたりの結合部位の数であるＮｓｎに変換してもよく、この場合、
ｗおよびｄはナノメートルで示され、Ｌ＝１．３３（Ｎｓｎ／ｗ（１＋ｗ／２ｄ）モル／ｋｇ（骨格構造）であることがわかる。Ｎｓｎ＝５部位／立方ナノメートル、およびｗ＝２ナノメートルの場合、約０．５の多孔率によって、４００ｍｍ２／グラムの表面積、または１６０，０００ｍｍ２、およびＬ＝２．５モル／ｋｇ（骨格構造）が得られる。
【００５４】
[0059]実際のＣＯ２を含有させる能力（Ｌｄ／ａ）は、ｋｇ／ｍ３（空気供給）として下記のように示される：
Ｌｄ／ａ＝Ｌ（０．０４４）（Ｐｃｍ（１−ＰＯＲｃ））Ｓａｖｍ  Ｗｃ  Ｌｍ
［式中、支持体の壁の厚さ：Ｗｅ、モノリスの（空気流方向の）長さ：Ｌｍ］。
【００５５】
ここでＬを置換すると、
Ｌｄ／ａ＝（Ｎｓ  Ｓａｖｃ／Ａｖ  Ｐｃｍ（１−ＰＯＲｃ））×（０．０４４）（Ｐｃｍ（１−ＰＯＲｃ））×Ｓａｖｍ×Ｗｅ×Ｌｍ；
Ｌｄ／ａ＝Ｎｓ（０．０４４）／Ａｖ）（Ｓａｖｅ×Ｓａｖｍ×Ｗｅ×Ｌｍ）
であり、Ｓａｖｃを置換すると、下記のようになる。
【００５６】
Ｌｄ／ａ＝Ｎｓ（０．０４４）／Ａｖ）×（Ｓａｖｍ  Ｗｃ  Ｌｍ）×（４／ｄ（１＋ｗ／ｄ）２）
[0060]一例において、コーニング製の２３０セルを有するセルコールモノリスを使用する場合、孔の流れ方向の長さＬｍは０．１４６メートルであり、モノリスの単位体積あたりの表面積Ｓａｖｍは約２０００ｍ２／ｍ３であり、モノリスの孔壁の厚さＷｍは０．２６５ｍｍであり、ｋｇ／ｍ２（空気注入部の面積）で示されるＣＯ２量は、Ｌｄ／ａ＝Ｌ（０．０４４ｋｇ／モル）（Ｐｃ  Ｓａｖｍ  ０．１４６Ｗｍ）から決定される。一般的な設計基準は、圧力低下の制約を受ける、すなわち風の力および／またはファンのアレイによって制限されるＬおよびＬｄ／ａをできるだけ大きくすることであり、これは、２３０セルを有するコーニング製モノリスのＳａｖｍ、および０．１４６ｍの空気流方向の孔長さ、および２．５ｍ／秒の投入空気流速度に関するモデリング結果を使用する本発明の第一の実施態様で満たされている。
【００５７】
[0061]モノリスの壁は、高いＮｓｎが達成されるように望ましいＰＯＲｃおよび結合部位の数を有すると予想される。Ｗｍは、圧力低下／Ｓａｖｍを最適化（最小化）することに基づき決定され、続いてこれは、他の制約（以下参照）に基づいて許容できる含有量になるように、どれだけＷｍを小さくできるかという制約を受けると予想される。注目すべきことに、ｗが減少してｄが増加するに従ってＬは増加するが、多孔率が増加するとＰｃが減少するために、Ｌｄ／ａは減少して、固定されたｗで孔径は増加する。一般論として、最適な設計は、可能な限り最小のｗと、孔径が以下で説明される性能パラメーターに与える影響とのバランスを取った多孔率を有する。ここで留意すべきことに、アミン化合物は、孔構造の壁上に支持させることに加えて、またはその代わりに、モノリスの孔に液体として含浸させてもよい。
【００５８】
[0062]本発明に従って行われる空気捕獲は、比較的穏やかな条件でなされる。本発明のこの特徴により、それほど頑健ではないモノリス構造の使用が可能になる。特にこれは、吸着剤が堆積された高い多孔率を有する材料から作製された比較的薄い壁の使用を可能にし、このような材料の１つはアルミナである。これは、一般的にはあまり頑健ではない材料を使用してコストを節約することから、製造にかかる費用を少なくすると予想される。吸着剤の劣化を防ぐために、吸着剤を空気（酸素）に晒す前に、吸着段階中で、再生されたモノリスを７０℃未満に冷却することが必要である。モノリスがＣＯ２を吸収する時間を最大にするために、冷却は迅速に行われる必要がある。凝縮しにいくいものの存在下で、短時間で、すなわち１０〜２０秒で除去するのに必要な大きい熱量（現行のシステムの場合は約１０９ジュールであり、アルミナの場合のその約２／３）は極めて厄介な問題であり、さらなる難問として、経済性の観点から、迅速に水を流す大型のコンデンサーへの必要性を回避することが必要である。このようなコンデンサーは、いくつかのユニットで共有してそのコストを分散することも可能であるが、そうすることでコストへの影響が生じ、熱の回収にとってはそれほど効率的ではないと予想される。加えて、以下の解決法は、水蒸気および水の使用ならびにＣＯ２純度にプラス効果がある。さらにこの概念は、より高濃度のガス混合物を使用する場合、タンデム式で作用する吸着剤システムにも役立つが、周囲空気のみへの単一の吸着システムの稼働にも適合させることができる。
【００５９】
[0063]このシステムにおいて、図４で示されるように、密封されたボックス３０５１は、モノリスアレイ３０４１を含有しており、ここでモノリスアレイ３０４１は、水蒸気の再生およびＣＯ２の捕獲をちょうど完了させており、約０．７〜０．８ＢａｒＡの水蒸気除去圧力（steam off-pressure）を有し、ＣＯ２の多くがライン３０２１（このラインは閉じられている）を介して引き出されている。その時点で、ボックス３０５２は、モノリスアレイ３０４２を含有しており、ここでモノリスアレイ３０４２を（空気混合物からＣＯ２を吸収した後に）再生ボックス３０５２まで降ろして、ボックス３０５２をポンプでくみ出してボックス３０５２中の圧力を０．１ＢａｒＡに低下させることにより、飽和水蒸気の温度を４５℃にすることができる。空気の量は当然ながら元の１ＢａｒＡの大気のわずか１０％でしかないために、ボックスの圧力を低下させることによって、再生された吸着剤からストリッピングされたより高い純度のＣＯ２が最終的に得られると予想される。ポンプでボックスから空気をくみ出し圧力を望ましい圧力に下げるのにかかるコストは、電気を使用する場合、１００パスカルの圧力低下で空気を移動させるのにかかるコストの１０％未満である。
【００６０】
[0064]ボックス３０５１に追加量の水蒸気を添加して、水蒸気の力を使用してボックス中に残存するＣＯ２のほとんどを押し出してもよく、さらにこの水蒸気の力により、いくらか追加の凝縮物もモノリスアレイ３０４１の孔中に集められる。ボックス３０５１がボックス３０５２の低い圧力に晒されると、ライン３０１４を介して、ボックス３０５１中のあらゆる水蒸気および熱い凝縮物が突然膨張して蒸発することにより、ボックス３０５２への最初の水蒸気バーストがもたらされると予想される。ボックス３０５１の流出ライン３０１４は（ボックス３０５１およびボックス３０５２が平衡に達するときに）封鎖され、ボックス３０５２は、水蒸気分配器の供給パイプ３０１２と連結される。このボックス３０５１からの水蒸気バーストは、ボックス３０５２に添加され、冷却器でボックス３０５２中のモノリスアレイを凝縮して、その温度を高める。また水蒸気バーストは、凝縮物が蒸発していずれかの水蒸気が膨張するときにモノリスアレイ３０４１を迅速に冷却するのにも役立つ。ボックス３０５１のモノリスアレイから蒸発している水からのこの最初の水蒸気バーストの速度は、空気流の速度よりも少なくとも１０倍速い速度、または０．５ｍｐｓに達するように設計される。２つの連結されたボックス、すなわちボックス３０５１およびボックス３０５２は、熱の一部が、ボックス３０５２からストリッピングされたＣＯ２によって除去されると予想されるため、Ｔ再生−Ｔ空気／２よりも低い温度で平衡に達する。
【００６１】
[0065]ボックス３０５１中でより低温に達したときに、ボックス３０５１とボックス３０５２との間の連結部３０１４を閉じて、プロセス水蒸気をライン３０１２を介してボックス３０５２に導入し、圧力をそのまま０．７〜０．８ＢａｒＡに増加させて、プロセス水蒸気によるＣＯ２をモノリスアレイ３０４２からストリッピングする。プロセス水蒸気によりモノリスアレイはＴ再生の温度に加熱され、ここでＣＯ２収集速度が低下したら、それはボックス３０４２中の吸着剤の再生が完了したことのシグナルである。ボックス３０５１からの最初の水蒸気バーストの後、ボックス３０５１中の圧力が低くなったら（これは、モノリスアレイ３０４１上で熱い凝縮水が蒸発することに起因する）、モノリスアレイ３０４１の温度も迅速に７０℃未満に低下し、それによりその吸着操作温度（実質的に周囲温度である）にモノリスアレイ３０４１をさらに冷却するための空気の導入が可能になる。冷却されたモノリスアレイ３０４１は、空気で冷却されながら吸着位置に上げられて、新鮮なＣＯ２を含む空気または混合された高濃度ガスを受け取る。このサイクルは、モノリスアレイ３０４２が完全にストリッピングされた状態になり、モノリスアレイ３０４１が空気捕獲ゾーンから密封されたボックス３０５１に戻ったら逆方向に繰り返される。
【００６２】
[0066]冷却時間を大いに短縮することに加えて、水および熱の使用に関する利点は明らかであり、どちらも少なくとも２倍節約される。基板は、大きい表面積と薄い孔壁のために極めて優れた吸熱器となる。ボックス３０５１からのボックス３０５２中の濃縮された二酸化炭素および凝縮した水蒸気を、ボックス３０５２からライン３０２２を介して除去して捕獲容器に入れ、さらにライン３０２２中のバルブを閉じ、水蒸気をライン３０１２からボックス３０５２に送る。
【００６３】
[0067]本発明のシリカベースのモノリスアレイ、すなわち菫青石は十分な熱伝導率を有するが、アルミナのモノリスアレイは、さらに改善された伝導率を有すると予想され、したがってボックス３０５１中での凝縮水の蒸発およびボックス３０５２での水蒸気バーストの凝縮と組み合わさったとき、よりいっそう速い冷却が起こると予想される。熱変化作用は１０９ジュールであり、その結果として、１０秒以内で７０℃未満の温度にモノリスアレイ３０４１が冷却されることが示されている。この方法は、別個の水冷式コンデンサーと水にかかるあらゆる余分なコストを回避し、そのうえプロセス水蒸気のために使用されるコストも当然のことながら不必要である。
【００６４】
[0068]モノリスアレイ３０４１またはボックス３０４２のモノリスアレイのいずれかにおいてＣＯ２吸着が起こらない時間をできる限り最小化することが望ましい。これは、上記で説明したように、一方が吸収を行い他方が再生を行うと、一方の冷却が他方の加熱になるように２つのボックスのサイクルが同期して起こるように、２セットのモノリスアレイを、タンデム式で、好ましくは隣り合って稼働させることによって達成される。それにより、両方のモノリスアレイで吸着が起こらない時間を最も短くすることができ、実際には、対の構成要素は、好ましくは、冷却工程のサイクルごとに１０秒よりわずかに長い時間に制限される。より高濃度のＣＯ２ガス混合物の処理は、二重のタンデム式サイクルが使用される場合によりうまくいく可能性がある。
【００６５】
[0069]さらなるエネルギーおよび装置の節約として、図４で示されるように、タンデム対は、互いにエレベーターの釣り合い重りとして機能する可能性があり、したがって各上昇および下降サイクルに必要なエネルギーの量を低下させ、同時により従来型の釣り合い重りシステムが使用される場合に必要なモーターおよび釣り合い重りを包含するエレベーターシステムの数も減らすことができる。しかしながら、このようなシステムは、モノリスアレイの加熱および冷却、ならびにＣＯ２の捕獲およびストリッピングを包含する捕獲およびストリッピングサイクルそれぞれに必要な時間を慎重に等しくすることを必要とする。
【００６６】
[0070]化石燃料の燃焼器、特に天然ガス燃焼によるコジェネレーション施設（コジェネ）において、ＣＯ２の一部と、本発明のプロセスのモノリスアレイに関してもしかしたら何らかの阻害作用のある不純物または有害な不純物を除去するために前処理を行うことが効果的であることが実証された（ただし前処理は最低限でよい）。その後、前処理の流出物を周囲空気で希釈して、モノリスアレイへのフィードストックとして使用してもよい。所定のガス燃焼バーナーは、問題となる不純物を除去するには最小の前処理しか必要ではないが、一般的には、石炭燃焼ボイラーからの煙道ガスは、微粒子と、吸着剤にとって有害となり得る、または基板を劣化させる傾向があるあらゆる化合物とを除去するのに大規模な前処理を必要とする。一実施態様において、コジェネレーションプロセスからの前処理された煙道ガスは、追加の周囲空気と共に本発明の吸着システムに注入される。この混合プロセスでは、（追加の流出ガスの比率が低い場合でも）空気中のＣＯ２濃度は有意に増加するため、再生工程の期間に匹敵するより短い期間で吸着工程が行われるようになる。好ましい実施態様において、吸着器／再生モジュールの平行になったセットが既存の施設と並行して稼働する。すなわち一方がＣＯ２を吸収し、他方が再生を行うと予想され、その逆も同様である。これは、連続的なＣＯ２捕獲を模擬している。このプロセスは、添付の図面の図１で説明されているように、二段階での、すなわちＣＯ２吸着と例えばタービン排気の再生とで表現される。好ましいシステムにおいて、それぞれ連結された対が互いに釣り合い重りとして機能することができ、それによってエレベーターにかかる資本コストが節約されるように、２つの対が一緒に稼働する。
【００６７】
[0071]段階１において、大気の空気とコジェネレーションした排気ガスとを混合し、この混合物をＣＯ２吸着モジュールに通過させる。このプロセスは、例えば自動車触媒用コンバーターで使用されるもののように、例えば菫青石、シリカ製品などの低コストで高い多孔率のセラミック基板（モノリス）を使用する。基板に接着してそこに支持される固体吸着剤上に、ＣＯ２が捕獲される。吸着剤は、吸着およびストリッピングの両方または再生中に、動作条件下で蒸発したりまたは溶解したりしない。ここでも、本発明の有効性に関する根拠は、比較的低温でストリッピングおよび吸着の両方が稼働することである。
【００６８】
[0072]前述したように、段階２では、好ましくは吸着のハウジング位置とは異なる高さに、好ましくは吸着のハウジング位置よりも下の高さに配置された別個の再生チャンバーで低温での処理（水蒸気）を使用して吸着させたＣＯ２をストリッピングすることにより吸着剤を再生する。これは、モノリスアレイ吸収剤３０４１を２つのレベル間で移動させるための簡単なエレベーターシステムをもたらす。陸地が価値を有するような発展した地域では、垂直にオフセットした配置にすることで面積を小さくする。例えば極地域などのあまり開発されていない地域では、立地条件および側道の動作、例えば鉄道に沿った動作がエレベーターの代わりに好ましく使用できる場合、隣り合った配置が好ましい場合がある。
【００６９】
[0073]ＣＯ２および水蒸気の凝縮物が、段階２の再生器からの唯一の流出物である。一般的には、本明細書に記載された温度で稼働する場合、水蒸気凝縮物の液体は、それにより除去された吸着剤材料を実質的に有さないことが示されている。本プロセスは、周囲空気からＣＯ２を吸着して、封鎖に好適な、またはより重要なことにはさらなる工業的使用に好適な比較的純粋なＣＯ２生成物のガスストリームを生産できる。このような使用の一例は、生物系への供給材料としてＣＯ２を使用することによって新しい燃料を生成することである。ＣＯ２の捕獲効率は、エネルギー利用の尺度であり、吸着器のパラメーターは、フィードストリーム中のＣＯ２濃度と、吸着システムに提供される天然の利用可能なあらゆる空気（すなわち卓越風）の速度とに基づき決定される。さらに効率は、コジェネレーションプロセスからの飽和した比較的低温の水蒸気の、吸着剤からのＣＯ２のストリッピングおよび吸着剤の再生への利用度によっても決定される。比較的純粋なＣＯ２を含む排ガスを提供することによって、このようなＣＯ２除去にかかるコストが最小化され、またさらには、例えば、新しい燃料を供給できる藻類を成長させるために、石油増進回収のための油田で、または現存する、もしくは将来的に利用できるようになる他の商業的もしくは工業用な適用でＣＯ２が使用される場合にも有効利用することができる。生物燃料用の藻類培養は、このプロセスの二酸化炭素生成物を使用することに関する主要な利益の中心となることが期待されている。
【００７０】
タンデム式の稼働
[0074]このプロセスのさらなる改善として、相当量の資本およびエネルギーの節約は、ユニットそれぞれの性能を最適化するために吸着／再生ユニットの隣接するモジュールを統合することによって達成できることが発見された。
【００７１】
[0075]本システムの稼働および経済性は、周囲空気と接触したときにモノリスが劣化すると予想される温度より低く、再生されたモノリスを迅速に冷却することによって最適化できることが発見された。具体的な温度は吸着剤の性質と使用されるモノリスによって決まると予想されるが、菫青石基板とアミン吸着剤の場合、周囲空気の存在下でモノリスの過剰な劣化を回避するためには、この温度範囲は７０℃未満である。加えて、これは、吸着剤から除去される高純度のＣＯ２を収集しつつ、プロセスに追加することが必要な外部から供給される熱の量を可能な限り大きい程度に最小化する計画の一環として達成されるべきである。
【００７２】
[0076]このシステムの全体的な有効性を最適化して効率的な稼働システムを得るためには、再生後のモノリスの冷却は、モノリスでの吸着剤によるＣＯ２捕獲工程が再生工程と同期できるように極めて迅速に達成されなければならない。最も有利には、二酸化炭素がモノリスによって吸着されない時間を最小化するために、冷却は好ましくは約１０秒以下の範囲で達成されるべきである。本発明に基づいて、この作用は、以下のプロセスパラメーターを使用することにより達成可能である。
【００７３】
[0077]タンデム式の複数のモジュールの稼働を組み合わせることによって、周囲空気と、周囲空気で見出される濃度よりも数倍高くフィードガス中のＣＯ２濃度が増加するように添加された煙道由来のガス状流出物との均一な混合物を処理する場合に高度に効率的なシステムがもたらされることが発見された。加えて、ストリッピング工程から望ましい純度のＣＯ２を得ることは、吸着剤からＣＯ２がストリッピングされる前に、再生ボックスが空気の大半を排気させることを必要とする。第一のアレイモノリス３０４１が水蒸気の再生サイクルをちょうど完了させ、二酸化炭素の排ガス圧は約０．７〜１ＢＡＲである。タンデム式で稼働する第二のモノリスアレイ３０４２は、ＣＯ２吸着工程が完了した後、再生チャンバーまで降下され、再生チャンバー３０４２中の空気がポンプでくみ出されて０．２から０．１ＢＡＲの間になる（それにより、水蒸気の飽和温度がそれぞれ６０℃から４５℃の間になる）。空気の排出により、再生後に再生チャンバーから引き出されるストリッピングされたＣＯ２の純度が改善され、モノリスアレイがチャンバーに入りチャンバーを密封した後の空気を排気するのにかかる労力が、比較的少量のパワー（通常は電気の形態）ですむ。
【００７４】
[0078]２つのタンデム式アレイは、これらの条件がＴ＝０で満たされるように同期化される。その時点で、ライン３０１４が開いているときに、ボックス３０４１中で捕捉された、さらにボックス３０５１中のモノリスアレイの蒸発による冷却により生じたあらゆる水蒸気がボックス３０４２にポンプで送られるように、第一の再生されたアレイボックス３０４１からの流出口がボックス３０４２の供給パイプに切り替えられ、その結果、大きい圧力差（０．７〜１から０．２〜０．１ＢＡＲ）が生じ、次いでボックス３０５２中の比較的冷たいモノリスアレイ３０４２で水蒸気が凝縮して、再生に必要な程度にその温度を上昇させる。この方式において、第一のモノリスアレイから除去される熱は、冷却時に直接第二のモノリスアレイに移り、その温度を高めるための少なくとも最初の熱を供給する。ボックス３０５１からボックス３０５２への水蒸気バーストは、１０秒の目標値を達成するために、速い流速で、好ましくは少なくともおよそ０．５メートル／秒の流速で起こる。２つの再生チャンバー間の大きい圧力低下が、これを実現可能にすると予想される。このプロセスが完了したときは、このシステムは、冷却時間（Ｔ冷却）にある。
【００７５】
[0079]ボックス３０５２は、好ましくはポンプで０．１ＢＡＲＡに低められるが、ボックス３０５２が０．１５ＢＡＲＡの圧力に達したとき、ボックス３０５１はボックス３０５２から遮断される。これは、ボックス３０５２中の望ましい空気の減少をもたらすと予想されるため、最終的に除去されるＣＯ２の純度がさらに改善される。ボックス３０５１とボックス３０５２との連結が閉じられた後、再生用の水蒸気はそのままボックス３０５２に入り、最初のうちは、ある程度まで予熱されたモノリスアレイ３０４２で凝縮する。水蒸気が入ることにより、ＣＯ２がモノリスアレイで吸着剤から除去され、ボックス３０５２に送られて最終的な水蒸気によって押し出されるときに約０．７から１ＢａｒＡの間に圧力が増大する。ＣＯ２および水蒸気の収集の結果としてボックス３０５２中の圧力をそのまま０．７〜１に増加させることにより、ボックス３０５１と同様にボックス３０５２はＴ＝０になり、この時点で、モノリスアレイでＣＯ２が吸着剤から除去されるときにＣＯ２の収集が行われる。このポイントに到達するのにかかる時間は、Ｔ冷却＋Ｔ収集（再生されたＣＯ２を収集するのにかかる時間）に等しい。
【００７６】
[0080]一方で、冷却されたモノリスアレイ３０４１は、吸着位置に上げられるときに、空気および周囲温度に晒される。モノリスアレイ３０４１を吸着位置に戻すのにかかる時間は、Ｔ冷却（モノリスアレイ３０４１を冷却するのにかかる時間）＋Ｔエレベーター（モノリスアレイを吸着位置に上昇させるのにかかる時間）に等しい。モノリスアレイ３０４１は、吸着が望ましい程度（例えば飽和のパーセントまたは平衡）に到達するまで、Ｔ添加の期間にわたり空気流に晒される。これを最も効率的な方式で稼働させるためには、平衡になるまで吸着を継続しないで、より低いレベルで、一般的にはフィードガス中のＣＯ２濃度に関して平衡量の８０％〜９０％の範囲内で吸着位置から除去することにより吸着を終結させることに留意されたい。
【００７７】
[0081]この結果を数学的な方程式として表現すれば、Ｔ冷却＋Ｔ収集２＝Ｔ冷却＋２Ｔエレベーター＋Ｔ添加１と記述できる。この望ましい結果に到達するために、Ｔ収集およびＴ添加は、独立して調節できることに留意されたい。一般的にはＴ添加を最大にすることが望ましいため、一般的にはＴ冷却およびＴ収集を実現可能な程度に最小化して、Ｔエレベーターを小さい数に維持するべきである。
【００７８】
[0082]混合された高ＣＯ２濃度のガスについて検討する場合、２つのタンデム式モジュールがそれぞれ２つのモジュラーアレイを有し、さらに、ＣＯ２を処理して空気から除去するサイクルが互いに１／２サイクルだけずれるように、それぞれのタンデム式モジュールの２つのフロントボックスと２つのタンデム式モジュールの２つのバックボックスとが連結されることが望ましいと予想される。周囲空気がＣＯ２を添加せずに処理される場合、タンデム設計は不必要であるが、１０のユニットを同期させようとする場合（ここでユニットＮは、顕熱の１／２をユニットＮ＋１に提供すると予想される）、原則的にＮ１０からの熱が一巡して再度Ｎ１に戻るようにＴ添加はＴ収集の９倍大きくてもよく、しかしながら効率の増加は、コストを正当化するには不十分である可能性がある。このタイプのタンデム式システムは、水および熱の使用をほぼ半分に削り、コンデンサーまたは他の冷却補助装置の使用とそれに伴う別個の冷却水の必要性とが省かれる。
【００７９】
[0083]モノリス基板は、大きい吸熱器をもたらす。それらの大きい表面積の結果として、水蒸気が多孔質モノリスを通過するときに凝縮する水蒸気による迅速な冷却が提供されるように、薄い多孔質壁と、多くの場合において優れた熱伝導率とが達成される。
【００８０】
[0084]このプロセス統合システムを生み出すことにより、吸着剤の寿命を長くでき、熱の必要性と水の使用を少なくでき、それと同時にＣＯ２生成物の純度を高めることができることが発見された。また、隣接するモジュールを統合することにより、資本およびエネルギーの節約が達成されることも見出された。さらに、個々のモジュールの性能に対しても同様に有意な影響を有することが判明している。したがって、以下の３つのプロセスの目的は、高い費用効率で取り組まれている。
（目的１）  劣化を防ぐために、現行の実施態様、すなわち菫青石のモノリスを、空気に晒す前に７０℃未満に冷却すること。将来的な吸着剤は、温度をそれほど下げなくてもいいように、より酸素耐性になっている可能性があることに留意すべきであるが、モノリスの温度が低ければ低いほどＣＯ２吸着もより速くなる。
（目的２）  プロセスでは可能な限り少ない熱を使用すること。
（目的３）  高純度のＣＯ２を収集すること。
【００８１】
[0085]一般的にモノリスアレイはプロセス中のストリッピング後の時点で大量の顕熱を有するため、ストリッピング後にモノリスを極めて迅速に冷却する必要性があることから、目的１はますます重要になりつつある。ＣＯ２を吸収しない時間を最小化するためには、冷却に関する設計目標は１０秒である。従来技術では、この結果を達成するには別個のコンデンサーが必要であると考えていた。しかしながら、コンデンサーを使用する多くの選択肢が調査されてきたが、それらはいずれも、大きい熱量とその除去にかかる時間の短さのために極めて大きい表面積と大量の冷却水とを必要とすることから、これらは実用的ではないことがわかった。これは、使用されているモノリス基板の性質に関係なく当てはまることであり、菫青石は最大の熱量除去を必要とするが、別のタイプの、例えばアルミナ製のモノリスは、実質的な程度でより少ない量しか必要としない。しかしながら、そのようなタイプであったとしても、別個のコンデンサーが実用的であるとは見出されていない。他の吸収剤を支持するモノリスは、除去が必要な熱はよりいっそう少ない場合もあるが、いずれの場合においても、コンデンサーの使用は、ほとんど全ての実現可能な環境下では非効率的であることが示されている。
【００８２】
[0086]目的２は、コンデンサーを使用すると達成されないが、これはなぜなら、冷たい水への熱の移動は（ここで水温は、有効な伝熱率のために低温に維持される必要がある）、経済的に熱を回収することを実質的に不可能にすることから、本システムに関する正味のエネルギー必要量を下げることができないためである。
【００８３】
[0087]最後に、目的３は、ＣＯ２を収集する前に、捕捉された空気を再生ボックス３０５２から除去することを必要とする。加えて、システムがＣＯ２収集に切り替わる前に、生成したＣＯ２によって空気が押し出されるようにシステムを栓流用に設計することにより、最初に残存する空気が再生チャンバーから除去される。少なくとも９５％の目標純度を達成するために、高度な栓流が望ましい。栓流は、温度に伴う成分の放射状の濃度差がなく、さらにガスの流れ方向で軸方向混合がないことを必要とする。これは、単一のモジュールで周囲空気を処理するとき、またはタンデム式モジュールシステムでＣＯ２が高度に濃縮されたガスを処理するときに達成できる。以下の文章は、本プロセスを例示するための２つの隣接するタンデム式分子を単に考察したものである。プロセス工程は以下の通りである。
（ボックス３０５１／モノリスアレイ３０４１）  モノリスアレイは、密封された再生ボックス３０５１中にあり、水蒸気の再生およびＣＯ２収集をちょうど完了させたところであり；この時点での水蒸気除去圧力は約０．７〜１．０ＢａｒＡである。これは、残存するあらゆるＣＯ２を押し出すために、ブレークスルー後に多少の余分な水蒸気を導入することを包含していてもよい（以下参照）。
（ボックス３０５２／モノリスアレイ３０４２）  ＣＯ２を捕獲した後、密封された再生ボックス３０５２にちょうど降下される。ボックス３０５２の圧力がポンプで０．２〜０．１ｂａｒに下げられると、それぞれ６０℃および４５℃になり、これはその圧力での水蒸気の飽和温度である。この空気排出は、当然ながら、空気の量は周囲空気の２０〜１０％でしかないために、ＣＯ２生成物の純度への大きな助けとなると予想され、さらに、電気を使用して１つのボックスの空気をポンプでくみ出すコストは、１００パスカルの圧力低下で空気を移動させるのにかかるコストの１０％の未満であり、現行の実施態様ではわずか５％でしかない。
【００８４】
[0088]このプロセスの前、本発明者らは、ポンプで圧力を下げることだけで再生後に冷却することを考慮しており、さらに純度を改善するために再生前にポンプで圧力を下げようとする場合、それを２回行う必要があると予想していた。この２つの隣接するモジュールを統合することにより、単一の排出で両方のタスクが同時に達成される。両方とも同時に上述したそれらの条件に到達するように、独立したサイクルを有する２つの隣接するモジュールの予定を決めることができる。これをＴ＝０と呼ぶことができる。
【００８５】
[0089]モノリス３０４１からのＣＯ２のストリッピングおよび排気が完了したときに、ボックス３０５１の排出パイプ３０２１が閉じられるように切り換えられ、ボックス３０５２からの水蒸気分配器の供給パイプ３０１４に向かってボックス３０５１が開く前に、二酸化炭素捕獲からの二酸化炭素と凝縮した水蒸気の除去とは一緒に行われ、水蒸気と凝縮した水蒸気の一部は分離チャンバーに向かう。ボックス３０５１中で捕捉され、モノリスアレイ３０４１の蒸発（冷却）により生成した残存する水蒸気は、大きい初期の圧力差（−０．７〜１：０．２〜０．１ＢａｒＡ）で「ポンプにより」ボックス３０５２に送られ、ボックス３０５２中の冷たいモノリスアレイで凝縮し、その温度を上昇させる。このようにしてモノリスアレイ３０４１を冷却するためにそこから除去された熱は、モノリスアレイ３０４２に直接移され、それを加熱する。モノリスアレイからの水の蒸発により生じたこの最初の水蒸気バーストの速度は、１０秒の設計目標を満たすために、水蒸気の再生に使用される現行の５ｃｍ／秒の速度よりも少なくとも１０倍速いか、または０．５ｍ／秒であることが必要である。モノリスアレイにおいて大きい質量流および低い圧力低下がある場合の大きい圧力差を考慮すれば、これは簡単に達成されると予想される。２つのボックスは、０．２〜０．１ＢａｒＡでの水蒸気の飽和蒸気温度で（これは６０〜４５℃である）平衡に達すると予想される。
【００８６】
[0090]プロセスが十分迅速になるように、ボックス３０５２中の圧力を０．１ＢａｒＡに下げ、ただしボックス３０５２からの出口バルブは０．１５ＢａｒＡで閉じられることが好ましい。要求される温度は、劣化を最小化するためにはどれほどの最大温度が限界なのかに依存すると予想される。ポンプは、その上に逆止め弁を有しており、ボックス３０５２中でＣＯ２の蓄積が起こる場合には、最初のポンプダウンの後にポンプ操作のみが行われると予想されるが、これは、低温ではＣＯ２の分圧は１５％（これは０．１５ＢａｒＡに相当すると予想される）よりも低いために起こる確率は低い。すなわち吸着剤は、ＣＯ２の分圧を１パーセント未満に維持する可能性が高いと予想される。これは、バルブ３０１４を開ける前にボックス３０５１中にどれだけ多くのＣＯ２を残すかによって調節が可能であり、これは続いて、残存する空気を押し出して、再生プロセスが始まる前でさえも純度をさらに高めることを可能にする。冷却時間＋水蒸気の切り換えおよび通過時間＝Ｔ冷却である。次いでボックス３０５１と３０５２との間の連結部３０１４を閉じて、ライン３０１２を介して通常の水蒸気源をボックス３０５２に導入する；水蒸気は予熱したモノリスアレイ３０４２で凝縮し、ＣＯ２収集が始まる前にＣＯ２の存在によって圧力を０．７〜１に上昇させ、より遅い速度で水蒸気の再生プロセスおよびＣＯ２収集を完了させることにより、ボックス３０５２の再生を完了させ、最終的にボックス３０５２に戻り、そこでボックス３０５１１が始動する。これにかかる時間はＴ収集であるため、ボックス３０５２に関する総経過時間はＴ冷却＋Ｔ収集である。
【００８７】
[0091]冷却されたモノリスアレイ３０４１が吸着位置に上げられると冷却されたボックス３０５１は大気圧に戻される。これは、Ｔ冷却＋Ｔエレベーターの総時間を要し、Ｔ添加の時間にわたり吸着を行い、次いでＴ冷却＋２Ｔエレベーター＋Ｔ添加の総経過時間をかけて降下される。２つのボックスを同期させるために、それらの熱を前後で交換してもよく、その場合、以下を必要とする。
【００８８】
Ｔ冷却＋Ｔ収集＝Ｔ冷却＋２Ｔエレベーター＋Ｔ添加
Ｔ収集およびＴ添加は独立して調節できるため、この条件は容易に満たすことができる。Ｔ添加を最大にするために、Ｔ冷却およびＴ収集を最小化してＴエレベーターを低くすることが要求される。気化器およびタンデム式の設計の場合、２つの隣接するモジュールはそれぞれ２つのモジュールアレイを有し、デューティサイクルの損失がないように各々からの２つのフロントボックスと２つのバックボックスとが連結される（それらは互いに半分のサイクル分ずれていると予想される）。空気のみの場合、非タンデム式の設計が有用であり、この場合、Ｔ添加がＴ収集の１０倍となる可能性があり、原則的には１０のユニットを同期させることができ、ここでユニットｎは、１／２の顕熱をユニットｎ＋１に提供すると予想される。また原則的にはＮ１０からの熱を再度Ｎ１に戻すこともできるが、これは、追加で５％の熱効率の増加にしかならず、多大な追加コストおよび複雑さを伴うと予想される。
【００８９】
[0092]水および熱の使用におけるこのプロセスの利点は明かであり、両方の供給についてほぼ２分の１に低減される。大きいコンデンサーへの余分な資本コストがかからず、冷却水への必要性もまったくない。基板は、それらの大きい表面積と薄い壁のために多大な吸熱器であり、アルミナは優れた熱伝導率を有するために、凝縮する水蒸気の極めて迅速な「冷却」を可能にする。
【００９０】
[0093]これらの利点を実証するために、上述したシステムを利用して１０秒の設計目標を満たすのに十分な速度で、再生されたモノリスアレイからの熱を除去できることにおけるこのシステムの基本性能を以下の計算で説明する。吸熱器としてのモノリスの使用はこれまでにも認識されていたが、本発明の方式で、空気からＣＯ２を捕獲するプロセスの状況においてそれらを使用することは、これまで公知でもないしまたは示唆されてもいない。
【００９１】
基本性能
[0094]現行のシステムで稼働させるために、６４０の個別のモノリスの熱いモノリスアレイから２２Ｋｇの水／水蒸気を蒸発させて、例えばモノリスアレイ３０４２などのアレイを１１０℃から５５℃に冷却し、さらに、１０秒以内に蒸発させた水蒸気を、冷たい例えばモノリスアレイ３０４１で凝縮させて、そのアレイを予熱することが必要である。この温度範囲における水蒸気の潜熱は２．３×１０６ジュールであるため、Ｔ＝１０秒でＨＲ＝５０．６×１０６ジュールを除去する必要がある。
【００９２】
単一のモノリスの表面積は極めて大きい。各６インチ×６インチ×６インチのモノリスでは６．４ｍ２（Ｎｃ＝２３０セル／インチ２、ＳＡ＝表面積／モノリス＝４ｓ  Ｎｃ  Ｌ  ＦＡ）であり、ここでｓは、開口部＝１．３ｍｍであり、３６．８×１０４セル／ｍ２、Ｌ＝０．１５である。６４０個のモノリスの標準的なユニットアレイ、例えばユニット３０４１または３０４２の場合、総表面積はＴＳＡ＝４，２１６ｍ２である。
【００９３】
[0095]したがって、要求される熱流束は、１０秒でＴＦＮ＝ＨＲ／ＴＳＡ＝１２×１０３ジュール／ｍ２であり、これは極めて低く、すなわちどのような凝縮不可能なガスが残存していたとしても、水蒸気は、ユニットを冷却するほど十分迅速に凝縮する。唯一の問題は、熱を十分迅速に除去できるのかどうかである。凝縮水は、ほとんどの凝縮システムで熱伝達を制限する傾向があるが、このような場合、熱伝達において重大な問題となる可能性は低いことに留意されたい。２２ｋｇの水が２２×１０−３ｍ３を占有しており、これを４，２１６ｍ２のＴＳＡで割れば、水の一部が壁の孔中にある可能性を考慮に入れなくても水の深さがわずか０．００５ｍｍであることがわかる。さらにこれらの低い温度温および圧力では、モノリス本体上の吸着剤が、ＣＯ２を除去してそれらを固定すると予想されることから、気相中のＣＯ２濃度の上昇を抑えることができる。
【００９４】
[0096]アルミナの熱伝導率ｋは、１８ワット／ｍ／°Ｋであるが、アルミナは多孔質であるためにｋ＝１０ワット／ｍ°Ｋと推定される。ここでＴＦ、すなわちモノリス壁中の１０秒での熱流束／ｍ２＝ｋＴ（ΔＴｅｍｐ／ｗ）であり、ここでｗは、モノリスチャネルの壁の厚さの１／２である。ｗが０．２ｍｍでありΔＴｅｍｐがわずか１０°Ｋである場合の保存値をとれば、ＴＦ＝５×１０６ジュール／ｍ２であり、これは、ＴＦＮよりもかなり大きい。極めて迅速な速度でＣＯ２収集を行う可能性を高めるという潜在的な性能は、要件を十分に上回っている。これは、極めて短いサイクル時間を可能にし、それにより他の利点をもたらすことができる。最も注目すべきことに、ガスを混合する場合において、極めて高濃度でＣＯ２を捕獲するのに短いモノリスアレイの使用が可能になる。あるいは、より小さいサイズのモジュールアレイユニットでもそれらの生産性が同様に高いと予想されることから、少量の煙道ガスでそのようなモジュールアレイユニットを検討することも可能になる。
【００９５】
[0097]基本的な実施態様において、ユニット３０５１中のモノリスアレイを処理して、再生後にそれを冷却し、同時にユニット３０５２中のＣＯ２を含有する隣接するモノリスアレイに熱を移動させるために、ＣＯ２を含有するモノリスアレイの温度を、供給フィードのＣＯ２濃度が８倍高められた周囲空気と煙道ガスとの混合物と同じにすることを想定してもよい。ある種の状況においては、ＣＯ２吸着によりユニット３０５２中のモノリスアレイを温めて、反応熱が保存されるように準備することが望ましい場合があることに留意すべきである。例えば吸着中に冷却に利用できる凝縮水を少なくすることによりなされ、これは、プロセスの総体的な熱効率をよりいっそう高めることができる。
【００９６】
基本のケースにおいて、顕熱の半分を保存してもよい。本発明のケースでは、これは、１／２の反応熱＋１／２の顕熱の合計に相当すると予想される。
【００９７】
これは、稼働温度を調節することによってガスを混合する際の熱効率を高めることと考えることができ、最適条件は、モノリスの酸化的な劣化の温度依存性によって決まると予想される。一般的には、吸着剤の反応熱、および１メートルトンのＣＯ２あたりの顕熱と反応熱との比率（例えば、モノリス壁の含有量および材料および密度）が考慮に入れられると予想される。
【００９８】
[0098]凝縮不可能なガスの濃度が、必要な凝縮速度に到達するのに必要なレベルまで減少すると、十分迅速に熱を除去することが課題となる。Martinらによって指摘されているように、これは、物質的な問題（冷却剤の比熱がどれだけ大きいか）と熱伝導率の問題（凝縮表面からどれだけ迅速に熱を除去できるか）の両方である。
【００９９】
[0099]図８の実施態様において（援用される先の第１３／０９８，３７０号から引用した図であり、それには二酸化炭素除去構造対の一方のみが示されているが、第二の再生チャンバー２００６Ａへの連結部は追加されている）、二酸化炭素除去構造は、ＣＯ２捕獲ゾーン２００３と密封可能なＣＯ２ストリッピング／再生チャンバー２００６との間を移動する。基板がＣＯ２ストリッピングチャンバー２００６に移動すると、すなわち図８で示されるように下の位置に移動すると、二酸化炭素捕獲チャンバーから移動したときの基板中にある凝縮した水蒸気の冷却作用のために、基板は実質的に周囲温度で存在し、吸着活動の反応熱は、水の蒸発作用と、ＣＯ２が除去された空気塊（これはＣＯ２の量よりもはるかに多い）の吹き付けによる対流効果との組み合わせにより除去される。
【０１００】
[00100]基板２００２およびチャンバー２００６中の捕捉された全ての空気は、例えば空気排出ポンプ２０２３によってポンプでくみ出されてもよいし、または排気ファンによってくみ出されてもよく、それによりチャンバー２００６中に部分的な真空が形成される。次に、プロセス熱は、例えば水蒸気コジェネレーター２０１９からの飽和水蒸気の形態で、二酸化炭素捕獲チャンバー２００６中のＣＯ２を含有する基板２００２に向かいそこを通過する。
【０１０１】
[00101]二酸化炭素は、比較的熱い水蒸気流によって吸着剤（ストリッピングで除去済み）から除去される；入ってくる水蒸気は、１３０℃以下の温度、好ましくは１２０℃以下の温度で、最も好ましくは１１０℃以下の温度である。ほとんどの環境下で、水蒸気温度は１００℃で十分である。主として二酸化炭素と多少の水蒸気を含む蒸気は、二酸化炭素捕獲チャンバー２００６から排気管２００８を介してセパレーター３００９に流れ、ここで液状の水が示した通りに分離され、少なくともある程度の存在する水蒸気が凝縮される。液状の凝縮水は、ガス状のストリッピングされたＣＯ２から分離される。ストリッピングプロセス中に吸着剤構造それ自身で凝縮した水蒸気の一部は、再生チャンバーの底でドレインに収集されるか（例えば、構造をわずかに下のレベルに傾けてコンテナー２０に送ることにより）、またはＣＯ２の大半をチャンバー３００９に除去した後に、その対のポンプでくみ出された第二の再生チャンバー２００６Ａ中で低い圧力に晒されているときに蒸発させるかのいずれかと予想される。多孔質基板の構造中に残った凝縮水は、吸着工程中に混合された周囲空気を二酸化炭素除去構造に通過させるときに蒸発すると予想される。
【０１０２】
[00102]再生された吸着剤からストリッピングされたＣＯ２は続いて、貯蔵容器２０１２にポンプで送られ、そこでＣＯ２は、例えばＣＯ２豊富な大気を提供して藻類の増殖を促進するのにすぐ使用できるように、わずかに高い圧力で維持されるか、または長期保存のために、あるいは例えば、生産性向上のために油井または天然ガス井の封鎖または処理などの遠隔地での最終用途に向けてパイプライン輸送するために、コンプレッサー２０１４を用いて二酸化炭素ガスをより高い圧力に圧縮してもよい。いずれかの圧縮段階中に、公知の手段で、残存するあらゆる水蒸気の凝縮によりＣＯ２をさらに精製し、続いて水の凝縮物をＣＯ２から分離する。
【０１０３】
[00103]この概念は両方のタンデムで機能し、それが好ましい実施態様であるが、非タンデムのケースでも同様に適用することができる。ボックス／モノリス１は水蒸気の再生を完了させ、水蒸気が遮断される。ＣＯ２を吸収した後にボックス３０５２がちょうど降下したら、ポンプでのボックス３０５２からの空気のくみ出しを開始させることにより、ボックス３０５２中の圧力を０．２〜０．１ＢａｒＡに低下させる。ボックス３０５１の排出パイプは、ボックス３０５２の水蒸気分配器の供給パイプに切り替えられる；ボックス３０５１中の蒸発する凝縮水からの水蒸気は、ボックス３０５２中の比較的冷たいモノリスで凝縮し、その温度を上昇させる。モノリスから蒸発する水からのこの最初の水蒸気バーストの速度は、現行の速度よりも少なくとも１０倍速いか、または０．５ｍ／秒であることが必要である。これは、その加熱の拡散を促進すると予想されるが、それでもなお空気の場合よりも５倍敏感な前部を有すると予想されるため、後部に水蒸気は出現しないと予想される。２つのボックスは、（Ｔ再生−Ｔ空気）／２未満の温度で平衡に達すると予想され、これはなぜなら熱の一部が蒸発するＣＯ２に連行されると予想されるためである。次いで連結部３０５１が閉じられ、水蒸気源からボックス３０５２に水蒸気が導入され、より遅い速度でＴ再生への加熱およびＣＯ２収集を完了させ、ボックス３０５２の再生を完了させる。次いで冷却されたモノリスアレイ３０４１を含有するボックス３０５１が周囲空気に晒されて、吸着位置に上げられる。
【０１０４】
[00104]プロセス上のマイナス面の１つは、短い時間、ボックス３０５１とボックス３０５２の両方が、空気からＣＯ２を吸収しないことである。ボックス３０５１および３０５０が隣り合っているような空気捕獲の場合において、２つのボックスのサイクルを同期させてもよく、そのようにすれば両方がデューティサイクルの減少を起こさない。またタンデム用途での他の実施態様においても、モノリスが連続して配置される場合、１つのボックスにおいて、捕獲方向とは逆方向で水蒸気によるストリッピングが行われると予想される。
【符号の説明】
【０１０５】
２００２  基板
２００３  ＣＯ２捕獲ゾーン
２００６  ＣＯ２ストリッピング／再生チャンバー
２００８  排気管
２０１２  貯蔵容器
２０１４  コンプレッサー
２０１９  水蒸気コジェネレーター
２０２３  空気排出ポンプ
３００９  セパレーター
３０１２  供給パイプ、ライン
３０１４  ライン、バルブ、連結部
３０２１、３０２２  ライン
３０４１、３０４２  モノリスアレイ
３０５０〜３０５３  再生ボックス
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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