(57)【要約】      （修正有）【課題】シフト反応後の合成ガスから捕捉、除去する二酸化炭素を従来よりも高圧で回収でき、最終の二酸化炭素貯留状態への圧縮パワーの消費量とコストを少なくできるシステムを提供する。【解決手段】酸性ガス除去システムが、二酸化炭素が物理溶剤に溶存した入力流れからＣＯ２を除去する少なくとも１つの段、たとえばフラッシュタンクを含み、二酸化炭素が物理溶剤に溶存した流れの圧力を高めて加圧流れを生成するポンプ１３０と、前記ＣＯ２除去段の上流で加圧流れの温度を上げる熱交換器１３２，１３４とを備えるＣＯ２捕捉システム。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シフト反応後の合成ガスからＣＯ２を選択的に除去する酸性ガス除去システムを有するＣＯ２捕捉システムにおいて、酸性ガス除去システムが、
二酸化炭素が物理溶剤に溶存した入力流れからＣＯ２を除去する少なくとも１つの段（２２，２４，２６，２２２，２２４，２２６）と、
二酸化炭素が物理溶剤に溶存した流れの圧力を高めて加圧流れを生成するポンプ（１３０，２３０，２３１，２３３）と、
前記ＣＯ２除去段の上流で加圧流れの温度を上げる熱交換器（１３２，１３４，２３２，２３４，２３５，２３７）とを備える、
ＣＯ２捕捉システム。
【請求項２】
前記熱交換器が少なくとも１つの低グレードエネルギー源に作動連結されて加圧流れを加熱する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記酸性ガス除去システムが、二酸化炭素が物理溶剤に溶存した入力流れから捕捉ＣＯ２を脱離する複数段のフラッシュタンクを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
溶剤流れの圧力を高めるポンプ及び溶剤流れの圧力を高める熱交換器が前記フラッシュタンクそれぞれの上流に配置された、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
回収したＣＯ２の温度を下げる熱交換器（１３６，１３８，２３６，２３８）が前記ＣＯ２除去段の下流に配置された、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
ＣＯ２除去用フラッシュタンクが３段設けられ、回収したＣＯ２の温度を下げる熱交換器が第２段及び第３段フラッシュタンクの下流に配置された、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
シフト反応後の合成ガスからＣＯ２を選択的に除去する酸性ガス除去システムを有するＣＯ２捕捉システムにおいて、酸性ガス除去システムが、二酸化炭素が物理溶剤に溶存した入力流れからＣＯ２を除去する少なくとも１つの段（２２，２４，２６，２２２，２２４，２２６）を含み、酸性ガス除去システムでＣＯ２を回収する方法が、
二酸化炭素が物理溶剤に溶存した流れの圧力を高めて加圧流れを生成する工程（１３０，２３０，２３１，２３３）と、
前記ＣＯ２除去段の上流で加圧流れの温度を上げる工程（１３２，１３４，２３２，２３４，２３５，２３７）とを含む、
ＣＯ２回収方法。
【請求項８】
圧力を高める工程で、前記流れを遠心ポンプに供給する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
加圧流れの温度を上げる工程で、溶剤流れを少なくとも１つの低グレードエネルギー源に作動連結された熱交換器に供給して加圧流れを加熱する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
ＣＯ２除去段が複数個設けられ、溶剤流れが各ＣＯ２除去段の上流で圧力の上昇及び温度の上昇を受け、前記方法がさらに、前記ＣＯ２除去段の下流で回収ＣＯ２の温度を下げる工程（１３６，１３８，２３６，２３８）を含む、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＣＣ発電プラントからＣＯ２を回収するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントから排出される二酸化炭素（ＣＯ２）は、除去し地中貯留する必要のある温室効果ガスであるとみなされている。現在のガス化複合発電（ＩＧＣＣ）技術では、ＣＯ２の燃焼前捕捉が好ましい。ＣＯ２捕捉及び除去を行うＩＧＣＣプラントでは、現在、合成ガス燃料から炭素を二酸化炭素として捕捉し除去する吸収／脱離プロセスにＳＥＬＥＸＯＬ（ユニオンカーバイド社の商標）などの物理溶剤を使用している。具体的には、ガス化装置で生成した合成ガスを１組のシフト反応器に送り、ＣＯをＣＯ２とＨ２に変換する。ついで、ＳＥＬＥＸＯＬなどの物理溶剤を使用して、ＣＯ２を捕捉する。捕捉されたＣＯ２は、脱離後に回収することができる。
【０００３】
このプロセスで除去された二酸化炭素は低圧（１５〜３００ｐｓｉａ）のガス状生成物として出てくる。この回収されたＣＯ２は、高圧（２０００ｐｓｉａ程度）の液体状態で保存する必要がある。したがって、ガス状ＣＯ２を加圧し、ついで冷媒を用いて冷却する。これによりガスを液化した後、液体を高圧にポンプ加圧する。
【０００４】
ガス状二酸化炭素の圧縮には大量の補助圧縮パワーが必要であり、その結果プラントの正味の出力と効率が低くなる。
【０００５】
図１は、現行技術のＣＯ２捕捉を伴う代表的なＩＧＣＣシステムのブロックフローチャートであり、以下の主要工程を含む。
Ａ：高圧輻射式ガス化装置１０（顕熱の回収を最大にするための合成ガスの水急冷を含む）
Ｂ：空気分離ユニット（ＡＳＵ）１２（ガスタービンからの抽出空気を部分的に用いる昇圧ＡＳＵを用いてガス化に必要な純度９５％の酸素を生成する）
Ｃ：１段／２段触媒水ガスシフト反応器１４（主としてＨ２−ＣＯ２リッチガスを生成する）
Ｄ：生成物ガスの洗浄、Ｈ２Ｓ除去、硫黄回収１６及び燃料中に存在するＣＯ２の捕捉（こうしてガスタービン１８へ向かう燃料を脱炭素する）
Ｅ：最新の合成ガス燃料ガスタービン発電サイクルを用いての発電
現行技術では、シフト反応後の合成ガスからＨ２Ｓ及びＣＯ２を選択的に除去するために２カラム酸性ガス除去（ＡＧＲ＝acid gas removal）システム２０を用いる。
【０００６】
図２は現在の２カラムＡＧＲシステム２０を示す。図の円で囲んだ部分は物理溶剤からの捕捉ＣＯ２の回収に関する。現行技術の構成は、図３に示すように、物理溶剤２８からＣＯ２ガスを蒸発分離するために、３つの異なる圧力段２２，２４，２６を用いる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４９４６４７７号明細書
【特許文献２】米国特許第４９５７５１５号明細書
【特許文献３】米国特許第５２４０４７６号明細書
【特許文献４】米国特許第６４８８０６７号明細書
【特許文献５】米国特許第６６５５１５０号明細書
【特許文献６】米国特許第７０８３６５８号明細書
【特許文献７】米国特許第７２８２１８９号明細書
【特許文献８】米国特許第７３１４８４７号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００６／０２６０１８９号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ciferno, Jared P.; "2006 Cost & Performance Comparison of Fossile Energy Power Plants"; 31st International Technical Conference on Coal Utilization & Fuel Systems; Clearwater, FL May 21-25, 2006; 31 pages (see page 16)
【非特許文献２】SELEXOL(TM) Process Brochure; UOP, LLC; 2002; 2 pages
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、低圧のガス状生成物として脱離する前に、物理溶剤中の溶存二酸化炭素の液体状態における圧力をはるかに高い圧力に高めるために液体ポンプを使用する。
【００１０】
本発明の１実施形態は、シフト反応後の合成ガスからＣＯ２を選択的に除去する酸性ガス除去システムを有するＣＯ２捕捉システムであり、酸性ガス除去システムが、二酸化炭素が物理溶剤に溶存した入力流れからＣＯ２を除去する少なくとも１つの段と、二酸化炭素が物理溶剤に溶存した流れの圧力を高めるポンプと、前記ＣＯ２除去段の上流で加圧流れの温度を上げる熱交換器とを備える。
【００１１】
本発明の別の実施形態は、ＣＯ２捕捉システムにおいてシフト反応後の合成ガスからＣＯ２を選択的に除去する酸性ガス除去システムでＣＯ２を回収する方法であり、前記酸性ガス除去システムが、二酸化炭素が物理溶剤に溶存した入力流れからＣＯ２を除去する少なくとも１つの段を含み、酸性ガス除去システムでＣＯ２を回収する方法は、二酸化炭素が物理溶剤に溶存した流れの圧力を高める工程と、前記ＣＯ２除去段の上流で加圧流れの温度を上げる工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＣＯ２捕捉を伴うＩＧＣＣシステムのブロックフローチャートである。
【図２】図１のＣＯ２捕捉を伴うＩＧＣＣシステムにおけるＡＧＲシステムの線図である。
【図３】図２のＡＧＲシステムにおける従来のＣＯ２回収を説明する、図２の円で囲んだ部分の線図である。
【図４】本発明の１実施形態によるＡＧＲシステムにおけるＣＯ２回収を説明する、図２のＡＧＲシステムの円で囲んだ部分の線図である。
【図５】段間にポンプを入れた本発明の別の実施形態によるＡＧＲシステムにおけるＣＯ２回収を説明する線図である。
【図６】異なるシナリオによるパワー節減と異なる段での回収率の変化とを示すグラフである。
【図７】異なるシナリオによるパワー節減を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ＣＯ２捕捉を伴うＩＧＣＣシステムの効率は、従来用いられている酸性ガス除去（ＡＧＲ）システムの構成のせいで低い。その詳細は図３に関連して上述した。性能を損なう主たる理由は、より高いＣＯ２圧縮機補助負荷を駆動するＣＯ２流れ圧力が低いためである。本発明は、ＳＥＬＥＸＯＬに基づくＡＧＲシステムの補助負荷を軽減するシステム設計の解決策を提案し、これによりＩＧＣＣシステムの正味の出力及び熱消費率を改良する。
【００１４】
本発明は、物理溶剤が、溶剤の圧力が高くても、高温なら捕捉ガスをより高速度で放出するという性質に基づいている。つまり、本発明は、溶剤の圧力を高め、ついで、たとえば溶剤を１組の熱交換器に送ることにより、溶剤の温度を上げることを提案する。このことにより、より多量のガスがより高い圧力でストリップされることになり、かくしてＣＯ２圧縮機に必要とされる補助パワーが少なくなる。ガスを溶剤からストリップするのに必要な温度は溶剤圧力に正比例している。２００°Ｆの温度は、低グレードのエネルギー源、たとえば調整冷却に向かう合成ガスや、クーラーの後で冷却された種々の圧縮機流れにより達成できる。
【００１５】
別の実施形態では、プラントで入手できる種々の高温エネルギー源を利用して、つまり低グレードのエネルギー源加熱の代わりにＬＰスチーム、ＨＰスチームなど高グレードのエネルギー源を用いることにより、ガスをはるかに高い圧力でストリップすることができる。
【００１６】
本発明の実施形態によるＡＧＲシステムにおけるＣＯ２回収の変更例を図４に示す。図面から明らかなように、図３の従来の方式と図４の実施例の方式との基本的な相違はブースタポンプと熱交換器ネットワークの追加にある。この実施形態では、ブースタポンプは入力液体流れの圧力を高める普通の遠心ポンプ１３０である。つぎに熱交換器１３２，１３４，１３６，１３８を用いて昇圧された溶剤流れを加熱する。主たる熱源はすべての低グレードのエネルギー源とすることができる。さらに詳しくは、捕捉されたＣＯ２を溶剤からストリップ除去するのに必要な温度は低いので、すべての低グレードのエネルギー源を用いることができる。前述したように、２００°Ｆの温度であってもより高圧力でのガスの回収に有意な向上をもたらす。
【００１７】
したがって、本発明は、ガス状生成物として脱離する前に、まず溶存二酸化炭素及び物理溶剤の液体状態での圧力を１２００〜２５００ｐｓｉａのようなはるかに高い圧力に増加するために、液体ポンプ１３０を使用する。除去される二酸化炭素のガス状圧力が、液体ポンプ加圧なしのシステムと比較して、増加しているので、最終の二酸化炭素貯留状態への圧縮パワーの消費量及びコストがはるかに少なくなる。したがって、本発明によれば、（一部の）ガス状圧縮をＣＯ２が液体状態で溶存している液体圧縮に代えることで、二酸化炭素除去に要する補助パワーを最大１８％軽減することができる。
【００１８】
図５はＡＧＲシステムにおけるＣＯ２回収の別の実施形態を示す。図４の実施形態での単一のブースタポンプ１３０に対する別の実施形態として、本例では、ポンプ２３０に加えて、加熱部２３５，２３７を有する段間加圧ポンプ２３１，２３３を設ける。ブースタポンプを設ける場合毎に、熱交換システムは、ブースタポンプの下流かつ対応するフラッシュタンク２２２，２２４，２２６の上流に、少なくとも１つの熱交換器２３２，２３４，２３５，２３７を組み込み、液体の圧力の段毎の上昇と合致するように加圧溶剤の温度を上昇させる。
【００１９】
上述した本発明の効果を評価するために、Ａｓｐｅｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社（米国マサチューセッツ州ケンブリッジ所在）の市販のシミュレーションソフトウェア製品であるＡＳＰＥＮ  ＨＹＳＹＳを用いて、予備シミュレーションを行った。
【００２０】
評価には、種々のシナリオが、３つの段における圧力レベルの変動とその変動に伴う効果を確認できると考えた。すべてのシナリオで、加熱後の温度を同じに保つ。
【００２１】
【表１】
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これらのシミュレーションで観察された結果を図６に示す。具体的には、図６は異なるシナリオにおけるパワー（電力）節減量と異なる段での回収率の変化をグラフ表示する。
【００２２】
異なるシナリオにおける補助パワーの節減割合を図７に示す。
【００２３】
以上、本発明を現在のところ最も実用的で好適な実施例であると考えられる例に関して説明したが、本発明は開示の実施形態に限定されず、反対に、特許請求の範囲内に含まれる種々の変更例や均等な配置を包含するものである。たとえば、本発明の１実施形態として３段のＣＯ２除去を開示したが、本発明は１つ以上の段をもつＣＯ２除去システムに有効である。さらにこのＣＯ２分離プロセスは、発電、即ちＩＧＣＣが必須でない場合、ガス化技術を用いて石炭又は類似の炭化水素原料から液体輸送燃料及び／又は（水素、アンモニア肥料などを含む）多種化学品を製造するのにも使用できる。したがって、本発明はＩＧＣＣシステムにおけるＣＯ２除去に限定されず、ＣＯ２を発生するあらゆるシステムに使用できる。さらに、作動流体の例としてＳＥＬＥＸＯＬ（商標）に言及したが、他の液体溶剤も使用できる。最後に、前述した通り、低グレードのエネルギーがＣＯ２を除去するために溶剤流れの温度を上昇させる好適な手段であるが、場合によっては、ＬＰ／ＩＰ又はＨＰスチームのような他のエネルギー源もＣＯ２除去効率を最大にするのに使用可能及び／又は必要である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ガス化装置
１２  空気分離ユニット
１４  水ガスシフト反応器
１６  Ｈ２Ｓ除去及び硫黄回収
１８  ガスタービン
２０  酸性ガス除去（ＡＧＲ）システム
２２，２４，２６，２２２，２２４，２２６  段
２８  物理溶剤
１３０  遠心ポンプ
１３２，１３４，１３６，１３８  熱交換器
２２２，２２４，２２６  フラッシュタンク
２３０  ポンプ
２３１，２３３  段間ポンプ
２３２，２３４，２３５，２３７  熱交換器
【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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