(57)【要約】  第１燃焼室内の化石燃料の燃焼により発生するガスの処理方法であって、前記ガスを第２燃焼室に移送する工程と、前記第２燃焼室内の前記ガスを酸素及び燃料源の存在下で燃焼させて廃ガスを発生させる工程と、前記廃ガスを処理して濃縮二酸化炭素流を生成する工程と、を含む。
2016522381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃焼室内の化石燃料の燃焼により発生するガスの処理方法であって、
前記ガスを第２燃焼室に移送する工程と、
前記第２燃焼室内の前記ガスを酸素及び燃料源の存在下で燃焼させて廃ガスを発生させる工程と、
前記廃ガスを処理して濃縮二酸化炭素流を生成する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記ガスは、前記第２燃焼室へ移送される前に、前記ガス内に存在する粒子状物質の少なくとも一部を除去するために濾過される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガスは、前記第２燃焼室へ入る前に圧縮される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２燃焼室は炉を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料源は炭化水素源を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第２燃焼室内の運転温度は前記第１燃焼室内の運転温度よりも高い、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第２燃焼室内の運転温度は約１２００℃〜約２４００℃である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２燃焼室内の運転温度は約１５００℃〜約２０００℃である、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２燃焼室内の運転温度は約１８００℃である、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２燃焼室の前記ガスの燃焼により発生した熱の少なくとも一部を使用して１つ以上の発電装置を駆動する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２燃焼室の前記ガスの燃焼により発生した熱の少なくとも一部は、前記第１燃焼室へ送られる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記廃ガスに対して分離プロセスを行って、前記廃ガスの所定のガス成分を他のガス成分から分離する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
１つ以上の膜フィルターを使用して前記廃ガスの前記ガス成分を分離する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記分離プロセスは、二酸化炭素を前記廃ガスの他のガス成分から分離する、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記濃縮二酸化炭素流における二酸化炭素の濃度は９０％（ｖ／ｖ）超である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記濃縮二酸化炭素流は販売及び／又は使用のために収集される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記濃縮二酸化炭素流は、当該前記濃縮二酸化炭素流内の炭素が隔離されて大気内への侵入が防止されるように処理される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記濃縮二酸化炭素流における前記炭素は、合成岩、骨材及び／又は建材中に隔離される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
石炭火力発電所内の石炭の燃焼により発生する煤道ガスの処理方法であって、
第１炉内で石炭を燃焼させる工程と、
前記第１炉から出る煤道ガスを収集する工程と、
前記煤道ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する工程と、
前記圧縮ガスを第２炉へ移送する工程と、
前記第２炉内の前記圧縮ガスを酸素及び燃料源の存在下で燃焼させて廃ガスを発生させる工程と、
前記廃ガスを１つ以上の分離膜を通過させて濃縮二酸化炭素流を生成する工程と、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの処理方法に関する。特に本発明は、発電所等で使用される石炭ボイラ−等から出る煤道ガスなどの煤道ガスの処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（石炭火力発電所等における）化石燃料の燃焼中、二酸化炭素、一酸化炭素及び一酸化二窒素を含むガス性廃棄物が生成する。これらの廃棄物は大気汚染を発生させるだけでなく、気候変動をもたらす温室効果ガスとしても知られている。
【０００３】
石炭火力発電所による大気汚染を低減するために、煤道ガスを捕獲及び／又は処理することが試されているが、これらの技術は通常、発電所から電力系統に送電される利用可能な電力の発生出力を低下させてしまう。
【０００４】
そのため、石炭火力発電所から出る煤道ガスの処理（及び／又は二酸化炭素の隔離）方法であって、発電出力の低下を生じさせずに大気汚染ガスの排出を低減させる方法を提供することができると有利である。
【０００５】
本明細書中で従来技術公報に言及したとしても、当該言及により、かかる文献がオーストラリア又は他の全ての国における当該技術分野の共通一般知識の一部を構成することを認めるものではないことが、明らかに理解されよう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点の少なくとも１つを少なくとも部分的に解決しうるか、又は、消費者に有用な又は商業上の選択肢を提供しうる、ガスの処理方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記を鑑みて、本発明は、一態様において、第１燃焼室内の化石燃料の燃焼により発生するガスの処理方法であって、前記ガスを第２燃焼室に移送する工程と、前記第２燃焼室内の前記ガスを酸素及び燃料源の存在下で燃焼させて廃ガスを発生させる工程と、前記廃ガスを処理して濃縮二酸化炭素流を生成する工程と、を含む方法に広く属する。
【０００８】
本発明の方法で処理されるガスは、天然ガス、オイル（及びそれらの誘導体）等の任意の好適な化石燃料の燃焼により発生しうるが、本発明の好適な一実施形態では、化石燃料は石炭を含む。亜炭(褐炭)、亜瀝青炭、瀝青炭、無煙炭又はそれらの組み合わせ等の任意の好適なグレードの石炭が使用されうる。
【０００９】
第１燃焼室は任意の好適な形態とされうるが、第１燃焼室は石炭火力発電所内に設置されうることが考えられる。よって、本発明の本実施形態では、第１燃焼室は石炭燃焼炉を含む。第１燃焼室のサイズ、構成及び運転条件は、燃焼対象の石炭の種類、発電所の電気出力等の多くのファクターに依存することが理解されよう。そのため、第１燃焼室の正確な仕様は本発明において重要ではない。
【００１０】
しかし、第１燃焼室内の化石燃料の燃焼により生じた熱を使用して、第１燃焼室に連結されたボイラー内の水を蒸発させて蒸気を発生させることが考えられる。この蒸気を使用してタービンを駆動して発電を行う。かかる構成は当業者ならば理解できるため、これ以上の説明は要しない。
【００１１】
第１燃焼室内の化石燃料の燃焼により発生するガスは、限定されないが、二酸化炭素、一酸化炭素及び一酸化二窒素等の多くの構成ガスを含むことが理解されよう。さらに、上記ガスは、シリコン、カルシウム、鉄及びアルミニウムの酸化物等の粒子状物質（「フライアッシュ」と総称される）を含みうる。また、（粒子状物質の一部が未焼炭化水素を含みうることも考えられるものの）上記ガスの少なくとも一部は炭化水素ガスを含みうることが理解されよう。通常、炉及び石炭の種類に応じて、上記ガスは３〜１０％（ｖ／ｖ）の炭化水素ガスを含みうる。従来の石炭火力発電所では、石炭の燃焼により発生したガスは最終的に大気中に煤道ガスとして放出されうるが、これは、煤道ガス内の炭化水素も失われることを意味する。これは、大気汚染を発生させるだけでなく、大気中に放出される煤道ガス内の炭化水素の発熱量の喪失によって発電所の効率が低下することを意味する。理論に拘束されることは望まないが、化石燃料燃焼プロセスの全エネルギーの１０％以上が煤道ガス内の未焼炭化水素の喪失によって失われうると推定される。
【００１２】
本発明では、第１燃焼室からの煤道ガスは大気中に放出されない。第１燃焼室内の化石燃料の燃焼により発生したガスは第２燃焼室に移送されて更に燃焼される。上記ガスは、任意の好適な方法により第１燃焼室から第２燃焼室に直接移送されうる。しかしながら、本発明の好適な形態では、上記ガスは第２燃焼室に入る前に処理されうる。
【００１３】
本発明の幾つかの実施形態では、第１燃焼室からの煤道ガスを分析してその構成成分が決定されうる。よって、本実施形態では、限定されないが、煤道ガス内の構成ガスの種類、及び、煤道ガス内の各構成ガスの相対含有率等の煤道ガスの１つ以上の性質を決定するために、煤道ガスを分析するための１つ以上のセンサーが配置されうる。
【００１４】
１つ以上のセンサーは、第１燃焼室からの煤道ガスが当該１つ以上のセンサーの先へ送られるように配置されることが好ましい。１つ以上のセンサーが生成した情報は、任意の好適な方法で、任意の好適な時間で分析されうる。しかしながら、本発明の好適な一実施形態では、１つ以上のセンサーが生成した情報は、リアルタイムで情報収集システムに送られる。１つ以上のコンピュータ、ＤＳＣ、Ｓｃａｄａ、エキスパートシステム等、又はこれらの任意の好適な組み合わせ等の任意の好適な情報収集システムが使用されうる。
【００１５】
好適な一実施形態では、１つ以上のセンサーから情報収集システムに入力された情報は分析されうる。例えば、当該情報は人間オペレータによって又は電子的に分析されうる。当該情報はリアルタイムで電子的に分析されることが好ましい。
【００１６】
１つ以上のセンサーから入力された情報は、情報収集システム内の既存情報と比較することにより分析されうることが考えられる。既存情報は、１つ以上のセンサーから事前に収集されたデータ、情報収集システム内にプログラムされたデータ、或いは、これらの組み合わせでありうる。
【００１７】
１つ以上のセンサーから入力された情報が一旦分析されると、出力データが生成されうる。出力データは任意の好適な形態であり得、人間オペレータに送られるか又は第２燃焼室に連結した制御ユニットに電子的に送信されうる。出力データはリアルタイムで第２燃焼室に連結した制御ユニットに電子的に送信されることが好ましい。これにより、所望の燃焼環境とするために第２燃焼室内の燃焼条件（つまり、第２燃焼室内に入る燃料、酸素及び煤道ガスの相対含有比）が制御されうる。例えば、燃料、酸素及び煤道ガスの相対含有比は、第２燃焼室内の熱の発生の最大化、有毒ガス及び／又は温室効果ガスの発生の最小化等のために制御されうる。
【００１８】
本発明の好適な一実施形態では、第２燃焼室に入る酸素又は炭化水素燃料の流量及び／又は体積を制御するために、出力データを使用して１つ以上のバルブ（例えば、酸素タンクと第２燃焼室との間のバルブや、炭化水素燃料タンクと第２燃焼室との間のバルブ）の位置が調整されうる。これはまた、第２燃焼室内に生成物として生成する廃ガスの組成に影響を与えうると考えられる。
【００１９】
煤道ガスの組成に関して収集されたリアルタイムの情報に応じて１つ以上のバルブの位置を調整することにより、当該情報の収集と第２燃焼室内に導入される材料の調整との間のタイムラグを最小化しつつ、第２燃焼室内の燃焼効率が制御・最大化されうる。
【００２０】
煤道ガスは、任意の好適な方法又は方法の組み合わせにより処理されうる。例えば、煤道ガスを濾過して粒子状物質の少なくとも一部が除去されうる。任意の好適な濾過方法を使用され得、その例には、フィルターバック、電気集塵装置、湿式スクラバー、乾式吸着剤注入器、スプレードライヤー吸収塔、又は、それらの好適な組み合わせが含まれる。煤道ガス内の粒子状物質の量（特に、煤道ガス内のフライアッシュの量）を所望のレベルまでに低減させるために、任意の好適なステージ数の濾過が使用されうる。本発明の好適な一実施形態では、濾過中、煤道ガス中の少なくとも約８０％の粒子状物質が除去されうる。より好ましくは、濾過中、煤道ガス中の少なくとも約９０％の粒子状物質が除去されうる。さらに好ましくは、濾過中、煤道ガス中の少なくとも約９５％の粒子状物質が除去されうる。特に好ましくは、濾過中、煤道ガス中の少なくとも約９９．５％の粒子状物質が除去されうる。
【００２１】
本発明の幾つかの実施形態では、煤道ガスは第２燃焼室内に入る前に圧縮されうる。煤道ガスの圧縮は煤道ガスの濾過後に行ってもよいし、或いは、第１燃焼室から出た煤道ガスを直接圧縮してもよい（ガスの圧縮後に濾過プロセスを行っても行わなくてもよい）。煤道ガスの圧縮は、容積式コンプレッサー（例えば、ロータリー式コンプレッサー、レシプロ式コンプレッサー）、ダイナミックコンプレッサー（例えば、遠心式コンプレッサー、軸流式コンプレッサー）、または、それらの組み合わせ等の任意の好適なコンプレッサーにより行われうる。煤道ガスの体積を低減させるために、煤道ガスは第２燃焼室内に入る前に圧縮されることが好ましい。煤道ガスの体積が小さいことは、第２燃焼室が、煤道ガスを圧縮しない場合と比較して小型化されうることを意味する。
【００２２】
好ましくは、煤道ガスを保存するための１つ以上の保存容器が第１燃焼室と第２燃焼室との間に設けられうる。これにより、ある量の煤道ガスが保存されうる。ある量の煤道ガスを保存しておくと、第２燃焼室へ煤道ガスの常に流れうるという点で、第２燃焼室の運転がよりスムーズとなる。
【００２３】
上記１つ以上の保存容器は任意の好適な形態でありうるが、保存タンクを含むことが好ましく、本発明の特に好適な一実施形態では、圧縮ガスを保存可能な保存タンクを含む。
【００２４】
保存容器の必要数及び必要な容積は、第１燃焼室で生成する煤道ガスの量、煤道ガスの圧縮の程度、第２燃焼室のサイズ等に大きく依存することが理解されよう。しかしながら、１つ以上の保存容器は、第１燃焼室における煤道ガスの生成量のバラツキに関係なく、煤道ガスが第２燃焼室へ常に流れることを確実にするために十分な保存容量を有することが考えられる。これにより、第２燃焼室は第１燃焼室の状態に関係なく連続運転されうる。
【００２５】
第１燃焼室と第２燃焼室との間の煤道ガスの移送は、任意の好適な方法により行われうる。例えば、煤道ガスは、１つ以上のポンプ、送風機等、又は、これらの任意の好適な組み合わせを用いて移送されうる。或いは、単純に、（空気より軽い）煤道ガスを第１燃焼室、第２燃焼室間の少なくとも一部に沿って立ち上らせてもよい。
【００２６】
第２燃焼室は任意の好適な形態でありうるが、本発明の好適な一実施形態では、第２燃焼室は炉を含む。第２燃焼室のサイズ及び構成は、処理対象である煤道ガスの量、煤道ガスの炭化水素含有量等の多くのファクターに依存するが、第２燃焼室の正確なサイズ及び構成は本発明に重要ではないことが理解されよう。
【００２７】
前述のとおり、煤道ガスは第２燃焼室内で酸素及び燃料源の存在下で燃焼される。任意の好適な燃料源が使用されうるが、本発明の好適な一実施形態では、燃料源は炭化水素源を含む。本発明の幾つかの実施形態では、燃料源は、炭層ガス、天然ガス（液体天然ガス、圧縮天然ガスを含む）、シェールオイルガス若しくはメタン、又はこれらの任意の好適な組み合わせを含みうる。
【００２８】
燃料源としては、容易に入手可能な場合、炭層ガスを使用することが好ましい。炭層ガスの燃焼により発生する熱の一部が水を生成する水素の酸化に由来するからである。よって、炭層ガスを使用した場合、他の燃料を使用した場合よりも二酸化炭素の発生が少ない。第２燃焼室で使用される燃料源は、第１燃焼室で使用される燃料よりも、燃焼燃料１ｇ当たりの二酸化炭素の発生量が少ないことが好ましい。
【００２９】
燃料源は、１つ以上のランス、羽口等、或いは、これらの任意の好適な組み合わせ等の任意の好適な方法により第２燃焼室に添加されうる。あるいは、燃料源は１つ以上のリングを使用して第２燃焼室に添加されうる。
【００３０】
酸素は、任意の好適な形態で第２燃焼炉に添加されうる。例えば、酸素が存在する任意の好適な形態なガス（大気、圧縮空気等）が第２燃焼炉に添加されうる。しかしながら、空気は窒素含有比が高いため、酸素源としては好適ではないことがある。よって、本発明の幾つかの実施形態では、酸素源は、精製酸素ガス等、酸素含有量が比較的高いガスを含みうる。
【００３１】
第２燃焼室に添加される酸素及び燃料の相対量は第２燃焼室に入る煤道ガスの量、煤道ガスの組成、煤道ガスの圧縮の程度等によって変化することが理解されよう。しかしながら、第２燃焼室に添加される酸素及び燃料の相対量は、第２燃焼室内で実質的に一定な運転温度を維持するために変動すると考えられる。
【００３２】
本発明の一代替実施形態では、煤道ガスは第２燃焼室内へ導入される前に酸素及び燃料源と混合されうる。かかる構成により、第２燃焼室内に入るガス混合物の組成及び／又は流量が高度に制御されうる。
【００３３】
酸素及び燃料は、発電所又はその近傍に配置されたタンク又はこれに類似する容器から第２燃焼室内へ供給され得、これらの容器は定期的に酸素及び燃料が再補充されうる。あるいは、第２燃焼室に直接酸素を供給するために、純酸素の生成が可能なプラントが発電所又はその近傍に配置されうる。さらに、燃料は、炭層ガス井戸等の燃料源から直接第２燃焼室へ供給されうる。
【００３４】
第２燃焼室内の運転温度は、第１燃焼室内の運転温度よりも高いことが好ましい。第２燃焼室内の温度がより高ければ、煤道ガス内の未焼炭化水素が燃焼されうると考えられる。さらに、煤道ガス内の他の汚染物質（ＮＯｘ、一酸化炭素等）も第２燃焼室内で燃焼され、発電所からの温室効果ガスの排出量が低下しうると考えられる。
【００３５】
第２燃焼室内の運転温度は任意の好適な温度とされうるが、好適な一実施形態では、第２燃焼室内の運転温度は約１２００℃〜約２４００℃の範囲でありうる。第２燃焼室内の運転温度は約１５００℃〜約２０００℃の範囲でありうることがより好ましく、第２燃焼室内の運転温度は約１８００℃でありうることが特に好ましい。
【００３６】
本発明の好適な一実施形態では、第２燃焼室内の煤道ガスの燃焼により発生した熱の少なくとも一部を使用して、１つ以上の発電装置が駆動されうる。例えば、煤道ガスの燃焼により発生した熱を使用して、１つ以上のタービンが（例えば、ボイラー内で蒸気を発生させて）駆動される。当該１つ以上のタービンは、これを作動させて１つ以上のジェネレータにより発電するように当該１つ以上のジェネレータと連結されうる。上記１つ以上のタービンを作動させることにより発生する電気は、本発明の好適な一実施形態では国内、商業及び／又は産業用途の電力系統に供給されうると考えられるが、任意の好適な態様で使用されうる。あるいは、第２燃焼室から発電した電気の少なくとも一部を使用して、本発明の方法の実施に必要な１つ以上の設備が駆動されうる。
【００３７】
本発明の幾つかの実施形態では、第２燃焼室内の煤道ガスの燃焼により発生した熱の少なくとも一部は第１燃焼室へ送られうる。本実施形態では、第１燃焼室内で化石燃料の燃焼により発生した熱を使用して、第１燃焼室に連結されたボイラー内で蒸気を発生させ、当該蒸気により１つ以上のタービンを駆動して発電が行われうることが考えられる。
【００３８】
第２燃焼室内の煤道ガスの燃焼により発生した熱の少なくとも一部を第１燃焼室へ送ることには多くの利点がある。特に、第１燃焼室へ追加の熱を供給すると、第１燃焼室内を所望の運転条件とするために燃焼させる化石燃料がより少なくて済む。また、煤道ガス内で本来失われるはずの炭化水素が第２燃焼室内で燃焼されるため、プロセスのエネルギー効率をより高くすることができる。さらに、プロセスのエネルギー効率がより高くなることと、第１燃焼室で使用される化石燃料の量が少なくなることにより、発電する電気単位当たりの温室効果ガス（二酸化炭素等）の発生量が減少する。
【００３９】
化石燃料の使用量を低減するために第２燃焼室内で発生した追加の熱を第１燃焼室へ供給する代わりに、１つ以上の追加のジェネレータを設け、第２燃焼室内で発生した熱を使用して当該１つ以上の追加のジェネレータを駆動することが考えられる。これにより、第１燃焼室で使用される化石燃料の量を増やさずに発電量が増加しうる。
【００４０】
本発明の一代替実施形態では、第２燃焼室は１つ以上のターボジェネレータを含みうる。本発明の本実施形態では、煤道ガスは当該１つ以上のターボジェネレータ内へ送られ、酸素及び燃料源の存在下で燃焼されうる。発電した電気は電力系統へ送電される前に収集システムへ送電されうる。
【００４１】
上述のとおり、第２燃焼室内の煤道ガスの燃焼により廃ガスが発生する。第１燃焼室を出た煤道ガスに対して行うことが望ましい粒子除去プロセスによって、廃ガスは粒子状物質を実質的に含まないとも考えられる。それでもなお、本発明の幾つかの実施形態では、全ての残留粒子状物質及び／又は（もし存在すれば）一酸化炭素を除去するために第２燃焼室を出た廃ガスに対して分離プロセスが行われうる。廃ガスは、任意の好適な方法又は方法の組み合わせを使用して処理されうる。例えば、廃ガスは、フィルターバック、電気集塵装置、湿式スクラバー、乾式吸着剤注入器、スプレードライヤー吸収塔、石灰床、又は、それらの好適な組み合わせにより濾過されうる。好ましくは、廃ガス中の全ての残留熱は廃ガスの濾過前に１つ以上の熱交換器に送られうる。廃ガス内の粒子状物質及び／又は望ましくないガス（一酸化炭素等）を所望のレベルまでに低減させるために、任意の好適なステージ数の濾過が使用されうる。本発明の特定の一実施形態では、廃ガスを大気中へ放出できるレベルまで粒子状物質及び／又は望ましくないガス（一酸化炭素等）の含有量を低減するために、廃ガスが十分濾過されうる。例えば、一酸化炭素等の望ましくないガスを特定の量を超えて含む廃ガスを大気中へ放出することは有害である（あるいは一部の管轄では違法ですらある）。よって、かかる状況では、１つ以上の望ましくないガスの量は許容可能なレベル（例えば、一酸化炭素の場合約０．５％未満）まで低減されうる。
【００４２】
本発明の好適な一実施形態では、廃ガスは第２燃焼室を出た後に冷却されうる。廃ガスは任意の好適な方法で冷却されうる。例えば、廃ガスの冷却は濾過プロセス（湿式スクラビング等）中に行われうる。あるいは、廃ガスを冷却するために、廃ガスを１つ以上の冷却装置（熱交換器等）を通過させる。
【００４３】
廃ガスから回収した熱は、任意の好適な目的に使用されうる。例えば、本発明の幾つかの実施形態では、廃ガスから回収した熱は第１燃焼室内で使用される石炭の乾燥に使用されうる。
【００４４】
好ましくは、廃ガスの所定のガス成分を他のガス成分から分離するために、廃ガスに対して分離プロセスが行われうる。本発明の幾つかの実施形態では、汚染成分を廃ガスの非汚染成分から分離するために分離プロセスが用いられうる。例えば、本発明の特定の一実施形態では、廃ガスの温室効果ガスを非温室効果ガスから分離するために分離プロセスが用いられうる。特に好適な一実施形態では、二酸化炭素を廃ガスの他のガス成分から分離するために分離プロセスが用いられうる。
【００４５】
任意の好適な分離方法を使用して、廃ガス成分の所望な分離が行われうる。例えば、廃ガスを冷却してガス成分を相変化させることで、当該ガス成分が分離できる。あるいは、１つ以上のフィルターを使用して廃ガスの成分が分離されうる。
【００４６】
本発明の好適な一実施形態では、１つ以上の膜フィルター（選択的ガス透過性膜）を使用して、廃ガスの成分が分離されうる。多孔膜、非多孔性高分子膜、又は、混合マトリックス膜等の任意の好適な膜フィルターが使用されうる。
【００４７】
好ましくは、本発明で使用される膜フィルターは、非多孔性高分子膜を含み、幾つかの実施形態では、当該膜フィルターは、織ガラス繊維フィルター、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（トリメチルシリルプロピン）、ポリ（４−メチル−１−ペンチン）、シリコーン、ポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンオキシド）、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、又はこれらの任意の好適な組み合わせから作製されうる。膜フィルターを使用して廃ガスのガス成分を分離する場合は、分離前に廃ガスを冷却して膜フィルターを高温ガスによるダメージから保護することが有利でありうることが理解されよう。
【００４８】
非多孔性高分子膜では、ガスは、ポリマーへの溶解性及びポリマー内の拡散性の違いによって分離されると考えられる。非多孔性高分子膜の透過性は、一般的に、ガスのポリマーへの溶解性とガスのポリマー内の拡散性との組み合わせの影響を受ける。典型的には、非多孔性高分子膜内のガスの透過は、ポリマーセグメントの熱運動による局所的な間隙の形成に従って、分子が比較的小さいガスがポリマー鎖の間を通って拡散するために起こる。ガスの拡散性は主にその分子サイズに依存し、そのため、非多孔性高分子膜が様々なガスに対して選択的な透過性を示すようになることが理解されよう。
【００４９】
好適には、廃ガスは、１つ以上の膜フィルターと接触される前に加圧されうる。廃ガスの加圧は、任意の好適な方法により行われる。廃ガスは任意の圧力に加圧されうる。しかしながら、廃ガスの加圧は、加圧によって廃ガスを１つ以上の膜フィルター内を移動させるのに十分な駆動力が得られるように行うことが好ましい。
【００５０】
廃ガスが膜フィルターに接触するとき、廃ガスの第１の部分が当該膜フィルター内を通過する（第１の濃縮流）一方で、廃ガスの第２の部分は当該膜フィルターを通過できない（第１の拒絶流）ことが好ましい。使用する膜フィルターの種類に応じて、第１の濃縮流は温室効果ガスを多量に含んでいても、ほとんど含んでいなくてもよいが、第１の濃縮流は、温室効果ガス（特に二酸化炭素）を多量に含むものであることが好ましい。よって、この膜フィルターは選択的ガス透過性膜として機能する。
【００５１】
任意の好適な数の膜フィルターが使用されうることが考えられる。また、任意の好適なステージ数の濾過が使用されうる。例えば、本発明の幾つかの実施形態では、後に使用するための濃縮二酸化炭素流を生成することが望まれうる。本発明のこれらの実施形態では、二酸化炭素流の二酸化炭素濃度が所望のレベルになるまで、廃ガスを複数ステージ濾過することが望まれうる。
【００５２】
より具体的には、廃ガスが第１の膜フィルターに接触させられ得、そして、第１の膜フィルターを通過する廃ガス部分は比較的二酸化炭素濃度が高い第１の濃縮流を形成する一方、第１の膜フィルターを通過できない廃ガス部分は二酸化炭素濃度が比較的低い第１の拒絶流を形成することが考えられる。
【００５３】
好ましくは、第１の濃縮流は第２の膜フィルターと接触させられ得、そして、第２の膜フィルターを通過する第１の濃縮流部分は第１の濃縮流よりも二酸化炭素濃度が高い第２の濃縮流を形成する。第２の膜フィルターを通過できない第１の濃縮流部分は、二酸化炭素濃度が比較的低い第２の拒絶流を形成する。
【００５４】
「第１の膜フィルター」及び「第２の膜フィルター」が単一の膜フィルター、又は、単一の分離ステージを共に構成する複数の膜フィルターをいうことが理解されよう。
【００５５】
上記分離プロセスは、最終濃縮流内の二酸化炭素濃度が所望のレベルになるまで必要な数の分離ステージを介して繰り返されうる。本発明の幾つかの実施形態では最終濃縮流内の所望な二酸化炭素濃度は７５％（ｖ／ｖ）超でありうるものの、任意の好適な二酸化炭素濃度が所望されうる。最終濃縮流内の所望な二酸化炭素濃度は８５％（ｖ／ｖ）超でありうることがより好ましく、９０％（ｖ／ｖ）超でありうることが特に好ましい。
【００５６】
本発明の幾つかの実施形態では、チタンケイ酸塩分子篩装置（arrangement）が膜フィルターに代えて（あるいは膜フィルターと共に）使用されうる。この分子篩装置により、所定のガス（窒素ガス等）が吸着材の固定床内を高圧（例えば、約６．８〜約２７．２ａｔｍ）で通過できるようになると考えられる。次いで、これらのガスは、吸着材から除去され得、汚染性が無ければ、大気中へ放出されうる。これらのガスは、低圧ポンプ（真空ポンプ等）を使用する等の任意の好適な方法により除去されうるが、除去方法はこれらに限定されない。
【００５７】
拒絶流は任意の好適な目的に使用されうる。例えば、その成分ガスの使用や販売を目的に収集する等のために、拒絶流に対して分離プロセスが行われうる。また、拒絶流の主要成分は窒素であることが考えられるが、これは、環境への影響が無視できるか影響が無い状態で拒絶流を大気中へ排出できることを意味する。
【００５８】
最終濃縮流は任意の好適な目的に使用されうるが、二酸化炭素含有量が高いために大気中へ排出しないものと考えられる。最終濃縮流は、炭素の大気中への侵入を防いだ態様で使用されることが好ましい。例えば、最終濃縮流は、二酸化炭素が必要とされる用途に販売及び／又は使用するためにガス又は液体の形態で（更に精製するか精製しないで）収集される。
【００５９】
本発明の他の実施形態では、最終濃縮流はメタン及び／又はメタノールの生成に使用されうる。本実施形態では、最終濃縮流を使用して生成されたメタン／メタノールは第２燃焼室で使用され得、これにより第２燃焼室で使用される炭化水素燃料源のコストが低減される。
【００６０】
あるいは、最終濃縮流は、炭素を隔離して炭素が大気中に侵入しないように処理されうる。任意の好適な隔離方法が使用されうる。例えば、最終濃縮流は、合成岩又は骨材内に隔離されうる。本実施形態では、二酸化炭素は二価カチオン炭酸塩の形態で隔離されうることが考えられる。
【００６１】
他の実施形態では、二酸化炭素は建材（レンガ、タイル、セメント板、管渠、洗面器、梁、柱、石壁、繊維セメント羽目板、スラブ、防音壁、絶縁材等）の中に隔離されうる。本実施形態では、二酸化炭素は二価のカチオンの形で隔離されうると考えられる。
【００６２】
他の一態様において、本発明は、石炭火力発電所内の石炭の燃焼により発生する煤道ガスの処理方法であって、第１炉内で石炭を燃焼させる工程と、前記第１炉から出る煤道ガスを収集する工程と、前記煤道ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する工程と、前記圧縮ガスを第２炉へ移送する工程と、前記第２炉内の前記圧縮ガスを酸素及び燃料源の存在下で燃焼させて廃ガスを発生させる工程と、前記廃ガスを１つ以上の分離膜を通過させて濃縮二酸化炭素流を生成する工程と、を含む方法に広く属する。
【００６３】
本願明細書に記載の特徴のいずれも、本発明の要旨の範囲内で、任意の一つ以上のその他の特徴と任意の組み合わせで組み合わせることができる。
【００６４】
本明細書における全ての従来技術への言及は、当該従来技術が共通一般知識の一部を構成するという認定又は他の示唆ではなく、また、そのような認定又は他の示唆をするものとして考えられてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るガスの処理方法の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
下記の好適な非限定的な実施例から、本発明の本質がより明確に理解されるであろう。
【００６７】
クイーンズランド州の黒炭火力発電所から２つの煤道ガスサンプルを得た。煤道ガスサンプルを分析して組成を決定した。煤道ガスサンプルの組成を下記表１に示す。
【表１】
2016522381.tif 000003
【００６８】
サンプル１及びサンプル２の平均値を算出して、平均煤道ガス組成を得た。次いで、計算を行って、平均煤道ガス組成内の全ての可燃性ガスの完全燃焼に必要な酸素量を決定した。様々な燃焼条件下における燃料（メタン）添加量に対する全必要酸素量（添加酸素と平均煤道ガス組成内の酸素の合計からなる）の比を下記表２に示す。なお、全ての可燃性ガスを完全燃焼させるためには、やや過剰の酸素が必要であった。そのため、表２に記載のデータは、廃ガス中の最小酸素濃度を２％（乾燥，ｖ／ｖ）に維持して行った計算に基づく。
【表２】
2016522381.tif 000004
【００６９】
表２と同じ燃焼条件を使用して、平均煤道ガス組成の第２の燃焼の利用可能熱エネルギー及び熱効率を算出した。結果を下記表３に示す。
【表３】
2016522381.tif 000005
【００７０】
また、表２，３に示す様々な燃焼条件下での第２の燃焼後の廃ガスの化学組成を算出した。計算結果を下記表４に示す。
【表４】
2016522381.tif 000006
【００７１】
最後に、生成した利用可能熱エネルギー単位当たりの二酸化炭素の生成量と、生成した利用可能熱エネルギー単位当たりの必要な純酸素の量とを算出した。結果を下記表５に示す。
【表５】
2016522381.tif 000007
【００７２】
表４に示す結果は、全ての燃焼条件において、本発明の方法は、煤道ガスよりも二酸化炭素濃度が著しく高い廃ガス流を生成することを示す。さらに、本方法では、温度が高くなるほど廃ガス内の二酸化炭素濃度が高くなる。
【００７３】
また表５から、第２の燃焼（メタンを燃料として使用した場合）における利用可能熱エネルギー単位当たりの二酸化炭素の生成量は、発電所で石炭を燃やした場合の約半分であることも読み取れうる。さらに、第１の燃焼及び第２の燃焼を合わせた利用可能熱エネルギー単位当たりの二酸化炭素の生成量は、発電所で石炭を燃やした場合よりも小さい。これは、本発明の方法では、単一燃焼ステージである石炭火力発電所よりも、利用可能熱エネルギー単位当たりの二酸化炭素の生成量が低減することを明らかに実証している。
【００７４】
本発明の好適な特徴、実施形態及び変形例は、当業者が本発明を実施するのに十分な情報を提供する以下の詳細な説明から理解されうる。詳細な説明は、如何なる場合も上記の発明の要約の範囲を限定するものではない。詳細な説明では、下記のとおり多くの図面が参照される。
【００７５】
［実施形態の説明］
図１には、本発明の一実施形態に係るガスの処理方法の概略図が示される。本方法は、石炭燃焼炉の形の第１燃焼器１０を含む石炭火力発電所を含む。炉１０から出る煤道ガスは、煤道ガスの構成ガスの種類及び量を検知するための１つ以上のセンサー１１へ送られる。１つ以上のセンサーにより集められた情報は、コンピュータ、ＤＳＣ、Ｓｃａｄａ等の情報収集システム（不図示）に送られる。情報収集は、煤道ガスが炉１０を出る際にリアルタイムで行われる。
【００７６】
その後、煤道ガスは、実質的に全ての粒子状物質を除去するために濾過システム１２へ送られる。粒子状物質の組成に応じて廃棄方法は異なるが、粒子状物質は収集後、廃棄される。
【００７７】
煤道ガスから一旦粒子状物質が除去されると、煤道ガスは、保存タンク１４へ送られる前にコンプレッサー１３で圧縮される。
【００７８】
必要に応じて、圧縮煤道ガスは、保存タンク１４から第２炉の形の第２燃焼室１５へ移送される。煤道ガス、特に圧縮煤道ガスの炭化水素は、酸素タンク１６から供給される酸素及び燃料タンク１７から供給される炭化水素燃料の存在下で、第２燃焼室１５内で燃焼される。
【００７９】
第２燃焼室１５にはまた、第２燃焼室１５内の混合物の点火を補助するために電気点火システム１８が設けられている。電気点火システム１８は連続運転されてもよいし、必要なときにだけ（例えば、シャットダウン後に炉１５を再スタートするとき）運転されてもよい。電気点火システム１８が連続運転される本発明の実施形態では、電気点火システム１８はパルシング機能と共に運転されても、パルシング機能なしで運転されてもよい。
【００８０】
情報収集システム（不図示）は、１つ以上のセンサー１１により収集された情報を分析し、分析された情報をプログラム化された情報と比較して分析データを生成する。分析データは電気点火システム１８へ中継され、そして、電気点火システム１８は、燃料タンク１７及び酸素タンク１６からそれぞれ放出されて第２燃焼室内へ送られる炭化水素燃料及び酸素の相対量を制御する。
【００８１】
このように、煤道ガスの組成に基づいて第２燃焼室１５へ送られる炭化水素燃料及び酸素の量を制御することにより、情報収集システム（不図示）は、第２燃焼室１５から多量の熱を発生させる点で効率的だけではなく、有毒ガスや温室効果ガスの発生を最小化する混合物を、第２燃焼室内に生成することができる。
【００８２】
炉１５内の燃焼により発生した熱１９を使用して（タービン及びジェネレータ、又は、任意の好適な代替品を含みうる）発電装置２０内で電気を発生させる。そして、発電した電気は電力系統２１へ出力される。
【００８３】
図１に示す本発明の実施形態では、効率制御バルブ２２は第２燃焼室１５内で発生した熱の一部である熱２３を第１炉１０へ戻し、第１炉１０において熱２３を使用してボイラー（不図示）で蒸気を発生させる。当該蒸気を使用してタービン（不図示）を駆動して発電する。第２燃焼室１５内で発生した一部の熱２３を第１炉１０へ戻すことにより、ボイラー（不図示）を運転するために必要な熱を得るために第１炉１０内で燃焼すべき石炭の量が低減する。
【００８４】
第２燃焼室１５内で発生した廃ガス２４は、スクラバー（特に湿式スクラバー）又は粒子フィルター２５へ送られ、廃ガス２４内の全ての残留粒子状物質が除去される。また、廃ガス２４をスクラバー又は粒子フィルター２５を通過させることは、廃ガス２４の温度を低下させる作用がある。
【００８５】
スクラバー又は粒子フィルター２５から出た廃ガス２４は、第１のガス分離膜２６と接触させられる。第１のガス分離膜２６は選択的ガス透過性を示すが、これは、所定のガス（この場合、二酸化炭素）は当該膜を通過できる一方、他のガス（窒素、酸素等を含む）は当該膜を通過できないことを意味する。よって、廃ガス２４は、（二酸化炭素含有量が比較的多い）第１の濃縮流２７と、（二酸化炭素含有量が比較的小さい）第１の拒絶流２８とに分離される。第１の濃縮流２７は第２のガス分離膜２９と接触させられ、再度、所定のガス（この場合、二酸化炭素）は当該膜を通過できる一方、他のガス（窒素、酸素等を含む）は当該膜を通過できない。よって、第１の濃縮流２７は、（二酸化炭素含有量が第１の濃縮流２７よりも多い）第２の濃縮流３０と、（二酸化炭素含有量が比較的小さい）第２の拒絶流３１とに分離される。
【００８６】
図１に示す実施形態では、第２の濃縮流３０は、二酸化炭素含有量が所望のレベルに達しているため、最終濃縮流である。第２の濃縮流３０は更に処理されうる。例えば、第２の濃縮流３０は液状又はガス状の二酸化炭素として収集され、任意の好適な用途に使用されうる。あるいは、二酸化炭素の大気中への放出を防止するために、二酸化炭素は建築製品、合成岩又は骨材などに隔離されうる。
【００８７】
第１の拒絶流２８及び第２の拒絶流３１（双方とも、二酸化炭素含有量は小さく窒素等のガスの含有量は多い）は煤道又はスタック３２を通して大気中へ放出されうる。所望の場合、第１燃焼室１０からの煤道ガスの一部３３もまた、大気中へ放出されうる。
【００８８】
本発明の顕著な利点は、第２燃焼室１５及び付随する膜２６，２９の追加が既存の発電所の再設計を必要とせず、これらの追加設備が既存のフローシートに比較的容易に追加できることである。
【００８９】
本願明細書及び特許請求の範囲において、（もしあれば）、「含む（comprising）」との語句及び「comprises」及び「comprise」等のその派生語は、明示された各整数値を含み、１つ以上の更なる整数値を含むことを除外するものではない。
【００９０】
本願明細書全体を通した「一実施形態」又は「実施形態」との言及は、当該実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。よって、本願明細書全体を通して様々な箇所に記載されている「一実施形態」又は「実施形態」は、必ずしも全てが同じ実施形態を言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造又は特徴は、任意の好適な方法により、１つ以上に組み合わせられる。
【００９１】
以上、法律に則って、構造的特徴又は方法的特徴に多少特有な言葉で本発明を説明した。本願明細書に記載の手段は本発明を実施する上での好適な態様を含むため、本発明は図示又は記載の特定の特徴に限定されるものではないことが理解されるべきである。よって、本発明は、当業者により適切に解釈される添付の特許請求の範囲の適切な範囲において、その任意の態様又は改変形態でクレームされる。
【図１】
2016522381.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月4日(2014.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１燃焼室内の化石燃料の燃焼により発生するガスの処理方法であって、
前記ガスを濾過して、前記ガス内に存在する粒子状物質の少なくとも一部を除去する工程と、
前記ガスを第２燃焼室に移送する工程と、
前記第２燃焼室内の前記ガスを酸素及び燃料源の存在下で燃焼させて廃ガスを発生させる工程と、
前記廃ガスを処理して濃縮二酸化炭素流を生成する工程と、を含み、
前記第２燃焼室内の前記ガスの燃焼により発生した熱の少なくとも一部を使用して１つ以上の発電装置を駆動する、方法。
【請求項２】
前記ガスは、前記第２燃焼室へ入る前に圧縮される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２燃焼室は炉を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料源は炭化水素源を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第２燃焼室内の運転温度は前記第１燃焼室内の運転温度よりも高い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第２燃焼室内の運転温度は約１２００℃〜約２４００℃である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２燃焼室内の運転温度は約１５００℃〜約２０００℃である、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２燃焼室内の運転温度は約１８００℃である、請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記第２燃焼室の前記ガスの燃焼により発生した熱の少なくとも一部は、前記第１燃焼室へ送られる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記廃ガスに対して分離プロセスを行って、前記廃ガスの所定のガス成分を他のガス成分から分離する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
１つ以上の膜フィルターを使用して前記廃ガスの前記ガス成分を分離する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記分離プロセスは、二酸化炭素を前記廃ガスの他のガス成分から分離する、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記濃縮二酸化炭素流における二酸化炭素の濃度は９０％（ｖ／ｖ）超である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記濃縮二酸化炭素流は販売及び／又は使用のために収集される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記濃縮二酸化炭素流は、当該前記濃縮二酸化炭素流内の炭素が隔離されて大気内への侵入が防止されるように処理される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記濃縮二酸化炭素流における前記炭素は、合成岩、骨材及び／又は建材中に隔離される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
石炭火力発電所内の石炭の燃焼により発生する煤道ガスの処理方法であって、
第１炉内で石炭を燃焼させる工程と、
前記第１炉から出る煤道ガスを収集する工程と、
前記煤道ガスを濾過して、前記煤道ガス内に存在する粒子状物質の少なくとも一部を除去する工程と
前記煤道ガスを圧縮して圧縮ガスを生成する工程と、
前記圧縮ガスを第２炉へ移送する工程と、
前記第２炉内の前記圧縮ガスを酸素及び燃料源の存在下で燃焼させて廃ガスを発生させる工程と、
前記廃ガスを１つ以上の分離膜を通過させて濃縮二酸化炭素流を生成する工程と、を含み、
前記第２炉内の前記圧縮ガスの燃焼により発生した熱の少なくとも一部を使用して１つ以上の発電装置を駆動する、方法。
【国際調査報告】
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