(57)【要約】  水蒸気およびさらなる不純物、たとえば窒素、酸素、硫黄酸化物、窒素酸化物および水銀を含むガスストリームから二酸化炭素（CO2）を捕獲するための方法およびシステムが本明細書に開示される。CO2は、CO2ガス供給ストリームを温度揺動吸着公的に供することによって捕獲される。温度揺動吸着工程は、実質的に乾燥した二酸化炭素を枯渇させたストリームを生成するための吸着工程および吸着剤ベッドを加熱して実質的に水蒸気を含まない二酸化炭素ストリームを生成することを含む吸着再生工程を含む。CO2を含むガスストリームからの湿気は、CO2捕獲の前に、圧力揺動吸着、温度揺動吸着、膜分離および吸収によって任意に除去される。【選択図】      図1
2012522627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程を1回または複数回行うことを含む、水蒸気およびさらなる不純物を含むガスストリームから二酸化炭素を分離するための方法：
前記ガスストリームを第1の脱湿工程に供する工程であって、前記ガスストリームにおけるガスからの湿気の実質的に全てを、圧力揺動吸着、温度揺動吸着、膜分離および吸収を含む群から選択されるプロセスを使用して除去する工程；並びに、
前記実質的に水蒸気を含まないガスを第2の温度揺動吸着工程に供する工程であって、前記第2の温度揺動吸着工程は、吸着剤を含むベッド行われ、前記第2の温度揺動吸着工程は、実質的に乾燥した二酸化炭素を枯渇させたストリームを生成するための吸着工程および前記吸着剤ベッドを加熱して実質的に水蒸気を含まない二酸化炭素ストリームを生成することを含む吸着再生工程を含む、方法。
【請求項２】
請求項1に記載の方法であって、前記ガスストリームの圧力は、絶対約1.07〜約40バールの範囲内であり、前記二酸化炭素濃度は、約3%〜60容量％の範囲内であり、かつ前記ガス温度は、約1O℃〜8O℃の範囲内である、方法。
【請求項３】
請求項1に記載の方法であって、前記第1の脱湿工程における前記圧力揺動吸着の期間は、約4分〜約60分の範囲内であり、かつ第1の脱湿工程における前記温度揺動吸着の期間は、約1時間〜12.0時間の範囲内である、方法。
【請求項４】
請求項1に記載の方法であって、前記吸着再生工程の間の第2の温度揺動吸着工程における温度は、約8O℃〜300℃に増加される、方法。
【請求項５】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程の期間は、約2分〜60分の範囲内である、方法。
【請求項６】
請求項1に記載の方法であって、前記ガスは、石炭火力発電所、天然ガス火力発電所および精練所の1つのからの排煙である、方法。
【請求項７】
請求項1に記載の方法であって、前記第1の脱湿工程において使用される吸着剤は、活性アルミナ、シリカゲル、並びに3A、4A、5Aおよび13Xゼオライトを含むモレキュラーシーブを含む群から選択される、方法。
【請求項８】
請求項1に記載の方法であって、前記第1の脱湿工程における含水量は、-40℃以下の露点に減少される、方法。
【請求項９】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程において使用される前記吸着剤は、活性炭、炭素モレキュラーシーブ、4A、5A、13X、NaYおよびCaXなどのゼオライト、有機金属フレームワーク化合物、天然ゼオライト、修飾された天然および合成のゼオライト、修飾された活性炭、並びに鉱柱粘土から選択される、方法。
【請求項１０】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程において生成される実質的に水蒸気を含まない二酸化炭素ストリームの純度は、90%以上である、方法。
【請求項１１】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程からの実質的に乾燥した二酸化炭素を枯渇させたストリームは、前記第1の脱湿工程における吸着剤または吸収剤を再生するものの1つのために、および膜乾燥工程のための推進力を提供するために使用される、方法。
【請求項１２】
請求項1に記載の方法であって、前記吸着再生工程は、ガスストリームで直接または熱交換器構成における蒸気もしくは熱媒液を使用して間接的に吸着剤ベッドを加熱することを含む、方法。
【請求項１３】
請求項12に記載の方法であって、二酸化炭素のさらなる量を回収するためにベッド加熱後にベッド排気をさらに含む、方法。
【請求項１４】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程は、ベッド同等化、ベッド加圧、ベッド除圧およびベッド冷却の工程をさらに含む、方法。
【請求項１５】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程に対する供給における不純物は、炭化水素、酸素、窒素、アルゴンおよび窒素酸化物を含む、方法。
【請求項１６】
請求項1に記載の方法であって、炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物および水銀を含む群から選択される前記さらなる不純物は、前記第1の脱湿工程におけるガスストリームから除去される、方法。
【請求項１７】
請求項1に記載の方法であって、炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物および水銀の除去のために使用される吸着剤は、活性炭、13Xゼオライト、含浸させられたアルミナ、修飾された活性炭およびシリケートから選択される、方法。
【請求項１８】
請求項1に記載の方法であって、前記湿気およびさらなる不純物除去プロセスは、並列に構成された第1の吸着セクション、第2の吸着セクションおよび第3の吸着セクションを含むシステムを含み、前記第1の吸着セクション、前記第2の吸着セクションおよび前記第3の吸着セクションのそれぞれは、脱湿吸着剤を含む第1のゾーンと炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物および水銀から選択される不純物の除去のための1つまたは複数の吸着剤を含む第2のゾーンとを含み、以下の工程を1回または複数回行うことを含む、方法：
第1の吸着セクションおよび第2の吸着セクションにおける交互の吸着工程および吸着剤再生工程を含む周期的圧力揺動吸着に前記ガスを供し、これによりガスから水蒸気の実質的に全てを除去し、一方で吸着剤を加熱することによって前記第3の吸着セクションの前記第1のゾーンおよび前記第2のゾーンにおける前記吸着剤から水蒸気およびその他の不純物を脱着する工程；
第1の吸着セクションおよび第3の吸着セクションにおける交互の吸着工程および吸着剤再生工程を含む周期的圧力揺動吸着に前記ガスを供して、これによりガスから水蒸気の実質的に全てを除去し、一方で、吸着剤を加熱することによって第2の吸着セクションの第1のゾーンおよび第2のゾーンにおける吸着剤から水蒸気およびその他の不純物を脱着する工程；並びに、
第2の吸着セクションおよび第3の吸着セクションにおける交互の吸着工程および吸着剤再生工程を含む周期的圧力揺動吸着に前記ガスを供し、これにより前記ガスから水蒸気の実質的に全てを除去し、一方で、吸着剤を加熱することによって第1の吸着セクションの第1のゾーンおよび第2のゾーンにおける吸着剤から水蒸気およびその他の不純物を脱着する工程。
【請求項１９】
請求項18に記載の方法であって、前記吸着剤加熱工程は、約80℃〜300℃の範囲の温度にて実施される、方法。
【請求項２０】
請求項1に記載の方法であって、水蒸気およびさらなる不純物を含む前記ガスストリームは、最初に湿気およびさらなる不純物を除去せずに第2の温度揺動吸着工程に直接送られ、前記第2の温度揺動吸着工程は、二酸化炭素が枯渇されたストリームを生成するための吸着工程および実質的に純粋な二酸化炭素ストリームを生成するための吸着床を加熱することを含む吸着再生工程を含む、方法。
【請求項２１】
請求項20に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程のための吸着剤は、活性炭または微孔性支持体上のカルボナート、アミンもしくはイオン性液体から選択される、方法。
【請求項２２】
請求項1に記載の方法であって、前記二酸化炭素ストリームは、窒素、酸素、アルゴン、窒素酸化物、硫黄酸化物および湿気を含む不純物を除去するために膜プロセス、蒸留プロセス、吸着プロセスおよびゲッタープロセスの1つによってさらに精製される、方法。
【請求項２３】
請求項22に記載の方法であって、前記精製された二酸化物炭素は、二酸化炭素分離システムにおいて高純度のリンスを提供するために使用される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に関する相互参照
1. 本出願は、2008年4月07日に米国特許商標庁に出願された「二酸化炭素回収のための方法」の表題の仮特許出願第61/123,259号の利益を主張する。
【０００２】
2. 以下の特許出願は、その全体が本明細書に援用される：2009年4月07日に米国特許商標庁に出願された「二酸化炭素回収」の表題の非仮特許出願第12/419,513号。
【背景技術】
【０００３】
背景
本明細書に開示した方法およびシステムは、発電所の排煙などの燃焼供与源から二酸化炭素（CO2）を捕獲すること、および分離またはその他の用途に利用できるCO2を作製することに関連する。
【０００４】
CO2などの温室ガスの排出は、歯止めないままである場合、気候条件に潜在的に影響を及ぼし得る。石炭および天然ガスなどの化石燃料のエネルギーへの変換は、温室効果ガス放出の源である。温室ガスの排出は、燃焼プロセスの能率の増大、並びに風および太陽などの再生可能なエネルギーの使用などの種々の手段によって減少させることができるが、温室効果ガスレベルを安定化するために必要とされる温室ガスの排出の減少は、燃焼前プロセスまたは燃焼後プロセスのいずれかの間に温室効果ガス排出の供与源にて温室ガスのかなりの部分を捕獲することなく達成することができない。発電所の排煙または精練所からの排煙などのその他のストリームからのCO2の燃焼後の捕獲は、溶媒、典型的にはアミンの使用を含み、これは、燃焼プロセスの間に生成される蒸気の一部を使用して再生される。CO2の燃焼前捕獲は、空気または酸素と、次いで蒸気と燃料の化学反応を含み、二酸化炭素と水素との混合物を生じる。二酸化炭素を、CO2捕獲プロセスを介してこのストリームから除去して、水素を発電の燃料として使用してもよい。酸素が燃焼のために使用される場合、生成されること主に二酸化炭素を含む排煙が生成されて、これは、隔離するために容易に分離することができる。
【０００５】
Ciferno (Ciferno, J., "A Feasibility Study of Carbon Dioxide Capture from an Existing Coal-Fired Power Plant," paper presented at the Sixth Annual Conference on Carbon Capture and Sequestration, Pittsburgh, PA, May 2007.)によって論議されているように、CO2の燃焼後捕獲により、発電のための絶対効率の9%〜11%の減少および微粉炭発電所のための相対効率の約28〜30%の減少を生じる。2007年5月のNETL報告(Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan - 2007, U.S. DOE National Energy Technology Laboratory (NETL), May 2007.)では、CO2分離および隔離のための出資、並びに操業費用を考慮すると、既存の発電所に関する動力生成費用の60〜100%の増大を示す。また、発電所からの正味電力出力は、30%以上まで減少される。燃焼後CO2捕獲に関連する動力および資本的不利益を有意に減少させる手段が探求されている。燃焼後捕獲については、Department Of Energy（DOE）は、90%のCO2捕獲のため動力費用の35%未満の増大の目標を有する。
【０００６】
燃焼後CO2捕獲を取扱っている大部分の研究は、排煙からの二酸化炭素の除去のために、アミンまたはアンモニアに基づいた吸収法を使用する。吸収に基づいた方法は、かなりの資金が必要なことなどの欠点を有する。ヒンダードアミンおよびアミン混合物などのほとんどのアミンに基づいた吸収は、750〜900Kcal／捕獲されるCO2のキログラム（1,350-1,620Btu／lb）の範囲のエネルギー必要量を有する。さらにまた、アミンに基づいた方法は、酸性ガスおよび酸素の存在下において、アミンおよびアンモニア溶液が腐食性であるため、専門の鋼設備の使用および関連した設備投資を必要とする。この設備は、かなりの出資費用となる。
【０００７】
アミンに基づいた系とは対照的に、種々のゼオライトおよび炭素に基づいた吸着剤でのCO2の吸着熱は、140〜240kcal／kgまたは252〜432Btu／lbの間の範囲であり、アミンに基づいた系のための吸収熱の約1/5である（Valenzuela, D. P. and A. L Myers, "Adsorption Equilibrium Data Handbook," Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1989.）。高い二酸化炭素収率および高い回収を提供すると共に、低い吸着熱を利用することができる実用的な吸着システムに対して、未だ満たされない需要がある。
【０００８】
温度揺動吸着システムは、風乾、天然ガス乾燥、並びに空気の低温蒸留の前の水およびCO2除去などの適用のために広く使用されてきた。これらのシステムは、典型的には2%未満の不純物を除去し、不純物を含む再生出口ストリームは、高純度ではない。また、典型的な温度揺動吸着は、およそ4〜12時間の吸着時間がかかる。排煙における10〜12%の間の供給CO2濃度については、これらの吸着時間は、極めて多くの吸着床を必要とするだろう。たとえば、12重量%の作業能率（吸着工程と再生工程との間の能力の相違）、約660キログラム/m3の吸着密度および4時間の吸着時間を想定すると、1000トン／日のCO2の供給を処理するプラントは、約8,000m3（5,300,000キログラム）の吸着剤を必要として、システムを製造するサイズは、燃焼源から二酸化炭素を捕獲するのには実用的でない。
【０００９】
本明細書に開示される方法およびシステムは、温度および圧力揺動吸着サイクルに基づいた方法を使用するCO2の効率的な捕獲のための解決を提供する。
【発明の概要】
【００１０】
この概要は、発明の詳細な説明においてさらに記述されている単純化した形態の概念の抜粋を紹介するために提供される。この概要は、特許請求の範囲の主題の重要または必須な発明概念を特定することは意図されないし、これは、特許請求の範囲の主題の範囲を決定することは意図されない。
【００１１】
本明細書に開示した方法およびシステムは、水蒸気およびさらなる不純物を含むガス流から二酸化炭素（CO2）を分離するための上記した需要に対処する。本明細書に開示した方法およびシステムは、温度および圧力揺動吸着サイクルに基づいた方法を使用してCO2を捕獲する。ガスは、石炭火力発電所、天然ガス火力発電所または精練所からの排煙である。
【００１２】
高純度CO2、すなわち約10容量パーセントの不純物しか含んでいないCO2は、温度揺動吸着工程にCO2ガス流を供することによって生成される。温度揺動吸着工程は、実質的に乾燥したCO2涸渇させたストリームを生成するための吸着工程および実質的に水蒸気を含まないCO2ストリームを生成するために吸着床を加熱することを含む吸着再生工程を含む。温度揺動吸着工程における温度は、吸着剤再生工程の間に約8O℃〜3000℃に増大される。温度揺動吸着工程の期間は、約2分〜60分の範囲内である。
【００１３】
吸着は、一般に10℃から8O℃の間の温度にて気相において、かつ約1.07〜40.0バールの範囲の絶対圧力にて実施される。CO2濃度は、約3%〜60容量％の範囲内である。
【００１４】
好ましくはCO2含有ガス流から除去される不純物は、たとえば、窒素、酸素、炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物、水銀およびアルゴンを含む群から選択される。吸着は、ガス流のCO2を優先して吸着し、または反応する吸着材料を含むベッドにおいて行われる。
【００１５】
ある態様において、たとえば、湿気、炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物および水銀を含む不純物は、CO2吸着の前に除去される。脱湿は、たとえば、圧力揺動吸着、温度揺動吸着、膜分離および吸収を使用して行われる。圧力揺動吸着の期間は、約4分〜約60分の範囲内であり、かつ温度揺動吸着の期間は、約1時間〜12.0時間の範囲内である。脱湿工程における含水量は、-40℃以下の露点に減少される。吸着剤、たとえば、活性炭、炭素モレキュラーシーブ、4A、5A、13X、NaYおよびCaXなどのゼオライト、有機金属フレームワーク化合物、天然ゼオライト、修飾された天然および合成のゼオライト、修飾された活性炭、鉱柱粘土、その他が、CO2吸着のために使用される。CO2吸着セクションからのCO2涸渇されたストリームは、湿気吸着システムの再生のために使用される。
【００１６】
もう一つの態様において、湿気を含む供給は、直接CO2吸着システムに送られ、供給からのCO2は、活性炭によって、または微孔性支持体に支持された炭酸ナトリウムおよび炭酸カリウム、アミンまたはイオン性液体との化学反応によって除去される。
【００１７】
両方の態様において、CO2を含む材料は、直接的または間接的な熱伝達によって再生されて、高純度のCO2ストリームを生成する。さらなるCO2除去が、加熱の後にベッド排気によって行われる。生成されるCO2は、たとえば、窒素、酸素、アルゴン、窒素酸化物、硫黄酸化物および湿気を含む不純物を除去するために、膜プロセス、蒸留プロセス、吸着プロセスまたはゲッタープロセスによってさらに精製される。精製したCO2の一部をCO2分離システムにおいてリンスとして使うことができる。開示した方法およびシステムは、CO2ストリームからの不純物の、容積の約80%以上の量の除去のために有効である。
【００１８】
図面の簡単な説明
前述の概要、並びに以下の発明の詳細な説明は、添付の図面と組み合わせて読んだときに、より理解される。本発明を図示する目的のために、本発明の例示的な構成を図面に示してある。しかし、本発明は、本明細書に開示した具体的な方法および手段に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】CO2を含む供給ストリームから高純度のCO2を回収するための二酸化炭素（CO2）分離システムの全体の模式図を図示する。
【図２Ａ】図2A〜2Dは、湿気が第1の分離ユニットにおいて任意に除去され、続いて第2の分離ユニットにおける化学反応または吸着によるCO2の捕獲によって除去されるCO2分離システムの種々の配置を例示的に図示する。
【図２Ｂ】図2A〜2Dは、湿気が第1の分離ユニットにおいて任意に除去され、続いて第2の分離ユニットにおける化学反応または吸着によるCO2の捕獲によって除去されるCO2分離システムの種々の配置を例示的に図示する。
【図２Ｃ】図2A〜2Dは、湿気が第1の分離ユニットにおいて任意に除去され、続いて第2の分離ユニットにおける化学反応または吸着によるCO2の捕獲によって除去されるCO2分離システムの種々の配置を例示的に図示する。
【図２Ｄ】図2A〜2Dは、湿気が第1の分離ユニットにおいて任意に除去され、続いて第2の分離ユニットにおける化学反応または吸着によるCO2の捕獲によって除去されるCO2分離システムの種々の配置を例示的に図示する。
【図３】湿気およびさらなる不純物、たとえば炭化水素、硫黄酸化物または窒素酸化物および水銀が圧力および温度揺動吸着の組み合わせによって除去される湿気吸着システムの配置を例示的に図示する。
【図４】CO2が吸着または化学反応によって供給ストリームから除去され、かつ直接または間接的に蒸気、熱水またはCO2分離システムから回収された乾燥ストリームにより加熱することによって回収されるCO2分離システムの配置を例示的に図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
発明の詳細な記載
図1は、CO2を含む供給ストリームから高純度のCO2を回収するための二酸化炭素（CO2）分離システム80の全体の模式図を図示する。CO2は、プロセス5において生成され、これは、燃焼プロセスまたはCO2を生成する別のプロセスであることができる。プロセス5が燃焼プロセスである場合、燃焼効率を改善し、かつ燃焼により生じるCO2の濃度を増加させるために、燃焼の間に酸素が濃縮されたストリーム10を任意に使用することができる。プロセス5において加熱で生成されたものを使用して、ストリームをストリーム15として生成することができる。ストリーム15の一部をストリーム20として取り込むことができ、後述するCO2分離システム80において使用することができる。ストリーム15の残りの部分は、ストリーム25として取り除いて、その他の目的のために、たとえば、発電のために、またはユニット30における合成ガスの生成のために使用することができる。ユニット30における低圧ストリームまたは熱水である、ストリーム35は、CO2分離システム80において使用することができ、または蒸気を生成するためにユニット5に送ることができる。ユニット30において生成される一部の電力は、ライン45を介してCO2分離システム80に送ることができる。残りの電力は、ライン50を介して産業用および居住顧客などのエンドユーザに供給することができる。排煙などのCO2を含むストリームは、ストリーム55としてプロセス5に残す。
【００２１】
微粒子を除去後、ストリーム55は、窒素および硫黄の酸化物、並びに水銀などの不純物を除去するために、供給調質ユニット60に任意に送ることができる。必要に応じて、主な不純物として残留する硫黄酸化物および窒素酸化物、水銀、窒素、酸素およびアルゴンを含むストリーム55の圧力は、ユニット60の後のファンまたは送風機65によって上昇させることができる。CO2を含むストリームが化学プラントまたは精練所から、または燃焼前プロセスからのものである場合、CO2を含むストリームは、さらなる不純物、たとえば水素、炭化水素および一酸化炭素を含んでいてもよい。石炭または天然ガス火力発電所については、排煙の圧力は、典型的には1.34バール（bara）〜1.07バール（bara）の間に上昇されるであろう。化学的または工業的プロセスで生成されるCO2ストリームについては、ストリームの圧力は、1.07〜1.34バール（bara）よりも高くてもよく、上昇させる必要がなくてもよい。燃料が空気または酸素でガス化される気化プロセスにおいて、CO2を含むストリームの圧力は、数気圧であってもよく、上昇させる必要がないだろう。酸素燃焼プロセスにおいて、CO2の濃度を増加させるために、排煙を燃焼システムに再利用してもよい。窒素酸化物、硫黄酸化物および水銀の除去、並びに圧縮後、CO2を含むストリームは、典型的にはCO2捕獲の前に、ほぼ外界温度〜6O℃間に冷却される。排煙冷却ユニットは、図1に示されていない。多くの発電所は、微粒子、窒素酸化物および硫黄酸化物の除去のためのシステムを有する。本システムは、窒素酸化物のための選択接触還元（SCR）、微粒子のための電気集塵機および硫黄酸化物のための湿式スクラバを含んでいてもよい。微粒子、窒素酸化物および硫黄酸化物の除去は、ストリーム55が部分酸化または改質などのプロセスにより生じる場合、必要ではないだろう。
【００２２】
CO2を含むストリームは、ストリーム70としてユニット65に残り、CO2分離システム80に入る。CO2分離システム80は、吸着または化学反応によって供給ストリームからCO2を除去する材料を伴う少なくとも1つベッドを含む。ベッドの圧力は、約1.07バール絶対〜約40バール絶対の範囲である。CO2捕獲のために使用される材料に応じて、CO2分離システム80は、湿気、残留する硫黄酸化物、窒素酸化物および水銀などの供給ストリームのその他の成分の除去のために、さらなるユニットを含んでいてもよい。活性炭または微孔性支持体上の炭酸カリウム、アミンもしくはイオン性液体などの材料がCO2除去のために使用される場合、供給ストリーム70の湿気は、除去される必要がなくてもよく、CO2分離システム80を出るCO2が枯渇したストリーム85は、ストリーム70に含まれる湿気のほとんどを含むであろう。この場合、ストリーム85は、排出することができる。しかし、ゼオライトなどの材料が吸着によるCO2捕獲のために使用される場合、供給ストリーム70からの湿気は、CO2吸着の前に除去されなければならないだろうし、CO2が枯渇されたストリーム85は、相対的に乾燥されるだろう。この場合、ストリーム85の一部または全体であるストリーム95を、湿気吸着システム79を再生するために使用することができる。
【００２３】
CO2分離システム80において捕獲されたCO2は、CO2を脱着することによって回収される。CO2脱離のためのエネルギーは、ストリーム20、ストリーム35またはストリーム45によって表される電気によって提供することができ。また、その他の外部の熱源および電気を、CO2分離システム80の材料を再生するために使用することができる。吸着剤または反応物は、材料がそれを扱うことができる場合、蒸気または凝縮物を直接接触させることができる。また、CO2分離システム80の材料は、蒸気、熱水または電気で加熱された乾燥CO2枯渇させたストリーム85によって再生することができる。吸着材料が水耐性でない場合、吸着床は、蒸気または熱水によって間接的に暖められなければならないだろう。典型的には、CO2分離システム80における湿気吸着材料およびCO2吸着材料の再生は、CO2分離システム80を離れるCO2が確実に乾燥されるように、平行して行われるだろう。熱に加えて、真空ポンプを使用して、CO2分離システム80からCO2を除去してもよい。再生のために使用されるストリームを図1においてストリーム90として示してある。典型的には、80%を超える不純物がCO2分離セクションにおいて除去される。
【００２４】
脱着されたCO2は、ライン105を介してCO2分離システム80を出て、CO2精製システム125に送られる。任意の真空ポンプ110を使用して、CO2分離システム80からのCO2の回収を促進させてもよい。CO2生成物の一部は、ストリーム100として真空ポンプ110に入り、真空ポンプ110を出た後にストリーム105に連結する。ストリーム105および真空ポンプ110を出てくるストリームは、組み合わされてCO2生成物ストリームを形成し、これがストリーム120としてCO2精製システム125に入る。再生の間に生成されたCO2生成物ストリーム120の純度は、供給CO2濃度に依存的であるが、典型的には90%よりも高いだろう。このストリーム120は、精製前に任意に1.1バール（bara）〜200バール（bara）の間の圧力に圧縮することができる。CO2精製システム125は、たとえば、CO2から窒素、酸素、窒素酸化物および硫黄酸化物などの少量の不純物を除去するための蒸留システム、膜システム、圧力もしくは温度揺動吸着システムまたはゲッターシステムであることができる。また、CO2分離システム80を出てくるCO2ストリームが湿っている場合、湿気も除去される。精製されたCO2は、CO2精製システム125からのストリーム130として出ていく。ストリーム120、ストリーム115またはストリーム130の小部分であるストリーム135は、CO2分離システム80における不活性成分をパージするために使用してもよい。このストリーム135は、ストリーム145としてCO2分離システム80に入る。精製されたCO2生成物は、ストリーム140としてCO2精製システム125を出て、食物または飲料用途、工業用途、油またはガス回収の増強および分離のために利用することができる。CO2生成物ストリーム140は、これらの適用の前に圧縮させ、液化させ、または両方をさせなければならないかもしれない。
【００２５】
図2A〜2Dは、CO2分離システム80の種々の配置を例示的に図示し、湿気が任意に第1の分離ユニットにおいて除去され、続いて第2の分離ユニットにおける化学反応または吸着によりCO2を捕獲する。
【００２６】
図2Aにおいて、湿ったCO2ストリーム70は、湿気の存在下においてCO2を吸着し、またはこれと反応する材料の層を通過する。吸着または化学反応システムは、少なくとも2つのベッドを含み、その少なくとも1つがCO2を供給ストリームから除去し、一方でその少なくとも1つが任意の所与の時間において再生を受ける。図4に関して後に開示したように、さらなるベッドを冷却、加圧、リンスおよび除去などのその他の工程のために使用してもよい。リンス工程は、比較的純粋なCO2ストリーム145を使用して行うことができる。図1に図示したように、CO2生成物ストリームは、ストリーム105として、およびさらなる任意のストリーム100としてCO2分離システム80を出る。
【００２７】
図2Bにおいて、湿ったCO2ストリーム70は、膜乾燥器71を通過し、ここで供給ストリームからの湿気が除去される。乾燥供給ストリーム72は、吸着または反応ベッド81に送られて、ここで供給からのCO2が除去されて、乾燥CO2枯渇されたストリーム85がCO2分離システム80を出る。CO2が吸着されている一方で、少なくとも１つのその他のベッド81は、ストリーム90を使用して再生を受ける。図2Aの場合のように、さらなるベッドを冷却、加圧、リンスおよび除去などのその他の工程のために使用してもよい。ストリーム85の一部または全体をストリーム95として取り込んで、膜乾燥器71の透過した湿気をパージするために使用する。湿気でいっぱいのストリームは、ストリーム73として膜乾燥器71を出る。任意の真空ポンプ74を使用して、膜全体の推進力を増加させても、および脱湿を促進してもよく、湿気でいっぱいのストリームは、ストリーム75として真空ポンプ74を出る。
【００２８】
図2Cにおいて、湿ったCO2ストリーム70は、吸収システム76を通過して、ここで供給ストリームからの湿気が、エチレングリコールなどの吸収剤によって除去される。脱湿のために使用されるベッドは、通常、供給と吸収相との間の物質移動のためにあけられた、または構築されたパッキングを含むだろうし、ストリームは、典型的には向流方向に流れるだろう。吸収システム76を出ていく乾燥供給ストリーム72は、CO2吸着床81に送られて、ここで供給からのCO2が除去されて、乾燥CO2枯渇されたストリーム85がCO2分離システム80を出る。CO2が吸着されている一方で、少なくとも１つのその他のベッド81は、ストリーム90を使用して再生を受ける。さらなるベッドを冷却、加圧、リンスおよび除去などのその他の工程のために使用してもよい。CO2枯渇されたストリームであるストリーム85の一部または全体をストリーム95として取り込んで、熱交換器またはヒーター96において加熱して、ストリーム97として吸収システム76を通過して湿気が含まれた溶媒ストリーム77を再生する。また、湿気が含まれた溶媒は、蒸気で熱交換器（図示せず）における向流熱交換によって再生することもできる。再生された溶媒ストリーム78は、脱湿のために吸収システム76に送られる。ストリーム95は、蒸気もしくは凝縮物との熱交換によって加熱することができ、またはストリーム95は、電気エネルギーを使用して直接加熱してもよい。湿気を含んだストリームは、ストリーム75として吸収システム76を出る。
【００２９】
図2Dにおいて、湿ったCO2ストリーム70は、湿気吸着システム79を通過し、ここで供給ストリームからの湿気が活性アルミナ、シリカゲルまたはモレキュラーシーブなどの吸着剤によって除去される。湿気吸着システム79を出ていく乾燥供給ストリーム72は、CO2吸着床81に送られて、ここで供給からのCO2が除去されて、乾燥CO2枯渇されたストリーム85がCO2分離システム80を出る。CO2が吸着されている一方で、少なくとも１つのその他のベッド81は、ストリーム90を使用して再生を受ける。さらなるベッドを冷却、加圧、リンスおよび除去などのその他の工程のために使用してもよい。CO2枯渇されたストリームであるストリーム85の一部または全体をストリーム95として取り込んで、任意に熱交換器またはヒーター96において加熱して、湿気吸着システム79における湿気吸着床を再生するために使用される。ストリーム95が湿気吸着床の再生の前に加熱される場合、ストリーム95は、蒸気または熱水との熱交換によって加熱することができる。また、ストリーム95は、電気エネルギーを使用して直接加熱することもできる。湿気を含んだストリームは、ストリーム73として湿気吸着システム79を出る。任意の真空ポンプ74を使用して、脱湿および水を含んだストリームのためのさらなる推進力を提供し、次いでストリーム75として、真空ポンプ74を出る。
【００３０】
湿気吸着システム79は、典型的には、湿気、並びにCO2吸着床81におけるCO2の吸着を妨げ得る重炭化水素などのその他の不純物の除去のための複数の湿気吸着床を備える。また、湿気吸着システム79における湿気吸着床は、供給における硫黄酸化物、窒素酸化物および水銀不純物のいくつかを除去するようにデザインされていることもできる。脱湿のためには、湿気吸着システム79における湿気吸着床は、通常圧力揺動、温度揺動または真空揺動モードで作動されるだろう。圧力または真空揺動吸着については、水吸着の熱は、吸着の間に保持されるだろうし、減圧におけるストリーム95は、湿気を脱着するだろう。圧力揺動吸着単独で湿気を除去することが可能であるが、それには、重炭化水素、硫黄酸化物、窒素酸化物および水銀などのその他の不純物の脱離のために温度揺動吸着を使用することが必要であろう。これは、3つ以上のベッドを含むサイクルで行うことができ、次に記述してある。
【００３１】
図3は、湿気吸着システム79の配置を例示的に図示し、湿気およびさらなる不純物、たとえば炭化水素、硫黄酸化物または窒素酸化物および水銀が、圧力および温度揺動吸着の組み合わせによって除去される。湿気およびその他の不純物の除去のための3ベッドの圧力および温度揺動吸着システムを図3に図示してあるが；しかし、湿気および微量不純物除去プロセスは、3ベッドシステムに限定されない。硫黄酸化物および炭化水素などの不純物の除去が必要でない場合、圧力揺動吸着（PSA）、真空揺動吸着（VSA）または温度揺動吸着（TSA）モードにおいて作動する2つのベッドを使用することができる。また、システムがPSAおよびTSAまたはVSAおよびTSAモードにおいて作動するときに、2つよりも多くのベッドをPSAまたはVSA操作のために使用することができ、一つ以上のベッドをTSA操作のために使用することができる。湿気吸着システム79における湿気吸着床の数は、この方法の操作に重要ではない。図3のシステムにおいて、湿った供給は、それぞれ弁200、210および220を通ってストリーム70として湿気吸着システム79に入る。これらの弁200、210および220は、それぞれ容器230、235および240内への供給ガスの流れを制御する。容器230、235および240は、それぞれ、第1の吸着剤層230a、235aおよび240aをそれぞれ有し、これらは、脱湿のための3A、4A、5Aおよび13Xゼオライトなどの活性アルミナ、シリカゲルまたはモレキュラーシーブなどの吸着剤を含む。容器230、235および240に位置する上記の層230a、235aおよび240aは、それぞれ任意の層230b、235bおよび240bであり、これらは、炭化水素、窒素酸化物および硫黄酸化物、並びに水銀に対して選択的な吸着剤を含む。活性炭、13Xなどのゼオライトおよび含浸アルミナなどの吸着剤は、これらの不純物を吸着するために使用することができる。修飾された活性炭およびシリケートを水銀不純物の除去のために使うことができる。容器230、235および240における吸着剤は、CO2吸着床81におけるCO2の回収を最大にするために、CO2の吸着を最小化するように選ばれる。脱湿のための好ましい吸着剤は、3Aおよび4Aゼオライト、活性アルミナ、シリカゲル、並びに活性アルミナおよびゼオライト3Aおよび4Aの混合物である。
【００３２】
容器230、235および240の流出端は、それぞれ弁245、260および275をもつ排出ラインに接続すされる。吸着を受けるベッドに応じて、乾燥CO2を含むストリームは、ストリーム72としてのこれらの弁245の1つを通って湿気吸着システム79を出て、CO2分離システム80に送られる。CO2分離システム80からのパージストリーム95を使用して湿気吸着床を再生する。再生のPSAまたはVSAモードについては、パージガス95は、弁290、次いで弁250、265および280の1つを通って入っていき、ストリーム73として対応する弁205、215および225を経て湿気吸着システム79に入る。任意の真空ポンプ74が使用される場合、パージガス95は、ストリーム75として湿気吸着システム79を出る。再生のTSAモードについては、パージガス95がヒーターまたは熱交換器96において加熱されて、開放弁255、270および285の1つを通って容器230、235および240に入っていき、対応する弁205、215および225を経て湿気吸着システム79を出る。真空ポンプ74が使用されない場合、パージガス95は、ストリーム73として湿気吸着システム79を出る。真空ポンプ74が使用される場合、パージガス95は、ストリーム75として湿気吸着システム79を出る。通常動作では、PSAまたはVSAによる容器の1つおよびTSAによる別の容器の再生が想定される。
【００３３】
種々の層は、必要に応じて、それぞれの層が別々の容器に含まれてもよいが、図面に示すように、好ましくは単一の容器に含まれる。PSA工程のそれぞれの全サイクルの期間は、最高でも、数分（分）、典型的には4〜60分であり、一方、熱的再生の期間は、一般に約1〜12時間であり；従って、プロセスの任意の一段階の間に、PSAまたはVSAモードにおける2つの容器は、多くのPSAまたはVSAサイクルを受けるだろうし、一方、第3の容器は、一回の熱的再生工程を受ける。例証のために、PSAまたはVSAプロセスは、吸着工程の間に最高気圧に加圧し、かつベッド再生工程の間に気圧以下に圧力減少して、実施されるものと想定されるだろう。熱的再生を受けている容器の圧力は、気圧で、またはその近くである。
【００３４】
後述するプロセスは、3つの段階を含む；容器230および235をまず最初に交互にPSAまたはVSAサイクルで操作して、容器240の吸着剤が熱的再生を受ける、第1段階；容器235および240を交互にPSAまたはVSAサイクルで操作し、一方で容器230の吸着剤が熱的再生を受ける、第二段階；および容器230および240を交互にPSAまたはVSAサイクルで操作し、一方で、容器235の吸着剤が熱的再生を受ける第三段階。
【００３５】
本プロセスの第一段階のステージ1の開始時に、容器230または235の一方、例えば容器230は、吸着モードであり、その他の容器は、再生モードである。容器230を吸着モードで開始して、湿った供給70は、開放弁200を通ってベッドに入り、開放弁245を通ってベッドを出る。吸着の開始の前に、容器230は、弁200を介して吸着圧力に加圧される。供給70が実質的に容器230を通過すると、水蒸気、炭化水素、硫黄酸化物および水銀の全て、並びに窒素酸化物のいくつかが除去される。湿気吸着システム79を出てくるガスストリームの露点は、通常-4O℃以下およびより好ましくは-60℃以下であるだろう。ベッド235の再生のためには、パージガス95の一部が、開放弁290および265を通って入り、湿気を吸着剤ベッド235から拾い、弁215を通って出て行く。必ずというわけではないが、パージガスは、PSAまたはVSAプロセスにおけるその使用の前に加熱してもよい。湿気吸着システム79に入ってくるパージガスの残りは、ヒーターまたは熱交換器96において加熱されて、次いで容器240の層240aおよび240bを通って流れる。加熱されたパージガスは、容器240における層240aおよび240bを通過するので、パージガスは、この容器において実施された以前のPSAまたはVSA段階にわたってこの容器240に段階的に蓄積された異なる層から、残留湿気、炭化水素、窒素酸化物および硫黄酸化物、並びに水銀を脱着する。再生ガスは、脱着された不純物と共に、開放弁225を通って容器240を離れる。ストリーム72における湿気濃度およびベッドの前面の熱の保持に基づいて一定の時間、典型的には4〜60分の後、容器230は、再生を受け始める、一方で、容器235は、湿気およびその他の不純物を除去し始める。容器230および235は、数時間または数日の期間の間PSAまたはVSA操作下にあり続け、一方、容器240は、この時間の一部の間、典型的には8〜96時間、熱的再生される。熱的再生のための温度は、典型的には100℃から300℃の間の範囲であるが、材料に応じてより高く、または低くすることができる。熱的再生の間に除去される窒素酸化物および硫黄酸化物などの不純物は、これらの不純物のさらなる減少のために、既存の窒素および硫黄除去システムに送ってもよい。
【００３６】
PSAまたはVSAサイクルは、容器230および235において進行するので、水蒸気より強く吸着される硫黄酸化物および水銀などの種々の不純物は、圧力揺動または真空揺動吸着のパージ工程の間に除去されないので、これらは、これらの容器にその蓄積する。1つまたは複数の層におけるこれらの成分の蓄積がガスの精製プロセスの効率に悪影響を与える恐れがある点に達するときに、本プロセスの第一段階が終結されて、第二段階が始まる。
【００３７】
本プロセスの第二段階の間に、容器235および240は、交互にPSAまたはVSAサービスであり、かつ容器230の吸着剤は、熱的再生を受ける。本プロセスのこの段階のステージ1の開始時に、容器235または240の一方、たとえば容器235は、吸着モードであり、かつその他の容器は、再生モードである。容器235を吸着モードで開始して、湿った供給70は、開放弁210を通ってベッドに入り、開放弁260を通ってベッドを出て、本プロセスで精製される。吸着の開始の前に、容器235は、弁210を介して吸着圧力に加圧される。ベッド240の再生のためには、パージガス95の一部が開放弁290および280を通って入り、湿気を吸着剤ベッド240から拾い、開放弁225を通って出て行く。湿気吸着システム79に入ってくるパージガスの残りは、ヒーターまたは熱交換器96において加熱されて、次いで容器230の層230aおよび230bを通って流れ、この容器230において実施された以前のPSAまたはVSA段階にわたってこの容器230に段階的に蓄積された異なる層から、残留湿気、炭化水素、窒素酸化物および硫黄酸化物、並びに水銀を脱着する。再生ガスは、脱着された不純物と共に、開放弁205を通って容器230を離れる。ストリーム72における湿気濃度およびベッドの全面の熱の保持に基づいて一定の時間、容器235は、再生を受け始める、一方で、容器240は、湿気およびその他の不純物を除去し始める。容器235および240は、数時間または数日の期間の間PSAまたはVSA操作下にあり続け、一方、容器230は、この時間の一部の間に熱的再生される。
【００３８】
PSAまたはVSAサイクルは、容器235および240において進行するので、水蒸気より強く吸着される種々の不純物は、容器235および240に蓄積する。1つまたは複数の層におけるこれらの成分の蓄積がガスの精製プロセスの効率に悪影響を与える恐れがある点に達するときに、本プロセスの第二段階が終結されて、第三段階が始まる。
【００３９】
本プロセスの第三段階の間に、容器230および240は、PSAまたはVSAサービスであり、容器235の吸着剤は、熱的再生を受ける。第三段階の操作は、第一および第二の段階の操作と同様である。全ての3つの段階が完了した後で、本プロセスは、再び第一段階で始まり、全ての3つの段階が周期的様式で繰り返される。
【００４０】
PSAまたはVSAベッドのように、CO2吸着または反応ベッド（図4におけるベッドA〜E）は、また、連続操作を提供するために、さらにCO2回収を最大にするために、周期的プロセスを受ける。これらのベッドは、排煙のその他の主成分、すなわち、酸素、窒素およびアルゴン以上にCO2に対して有意な選択性を有する1つまたは複数の材料を含む。排煙からCO2を捕獲するために使用することができる材料のいくつかは、たとえば、活性炭、炭素モレキュラーシーブ、4A、5A、13X、NaYおよびCaXなどのゼオライト、有機金属フレームワーク化合物、天然ゼオライト、修飾された天然および合成のゼオライト、修飾された活性炭、鉱柱粘土、並びに反応性の収着剤を含む。
【００４１】
図4に図示したCO2捕獲セクションにおける種々のベッドは、典型的には吸着、同等化（equalization）、CO2生成物でのリンス、加熱、排気を伴う加熱、冷却および再加圧の工程を受けるだろう。材料およびプロセス条件に応じて、異なる工程の組み合わせを、CO2回収を最大にするために使用することができる。また、サイクルのいくつかにおいて、ベッドを冷却することなどの工程のいくつかを除去することができる。大部分の吸着剤は、硫黄酸化物に対してCO2より高い親和性を有するので、CO2吸着床81の操作の間に、CO2捕獲セクションに対する供給中の任意の硫黄酸化物不純物が除去される可能性がある。大部分の吸着剤は、窒素酸化物以上にCO2に対してより高い親和性を有するので、このセクションに対する供給中の大部分の窒素酸化物不純物は、CO2枯渇させたストリーム85を通過して、CO2分離システム80を離れるだろう。被支持カルボナートまたはアミンなどとの化学反応によるCO2除去のためには、窒素酸化物および硫黄酸化物の一部も化学反応によって除去され得る。
【００４２】
図4は、CO2が吸着または化学反応によって供給ストリームから除去され、かつCO2分離システム80から回収される蒸気、加熱、熱水または乾燥ストリームによって直接または間接的に回収されるCO2分離システム80の配置を例示的に図示する。5ベッドCO2捕獲方法を図4に模式的に図示してある。CO2供給工程およびCO2生成工程は、このサイクルにおいて連続する。CO2捕獲は、5ベッドプロセスを使用して図示してあるが、CO2捕獲プロセスは、5ベッドに限定されない。本方法は、5よりも少ないベッドまたは5よりも多いベッドを使用することができるが、同時にCO2捕獲および生成を実行するためには、最小で2ベッドが必要とされる。任意の所与の時間にて、図4にて図示したように、1つのベッドが吸着または反応を使用して供給からCO2を除去して、もう一つのベッドが同等化および加圧工程を受けて、第3のベッドが加熱される間にCO2を生成して、第4のベッドが加熱および除去工程の間にCO2を生成し、かつ第5のベッドがCO2リンスおよび同等化の工程を受ける。これと同様のその他のサイクルを使用して、CO2リンスなどの工程を省略すること、および加熱の後のベッドを冷却する工程などの工程を付加することができる。同等化は、底面から、上部から、または上部および底面から行うことができる。また、加圧は、供給を使用して上部から、またはCO2枯渇させたストリームを使用して底面から行うことができる。
【００４３】
CO2捕獲プロセスの個々の工程は、プロセスの生産性を最大にするために、約2〜60分である可能性がある。図4の5ベッド配置を使用する典型的なサイクルを表Iに示してある。
【００４４】
吸着器A〜Eに対する供給は、典型的には約10〜8O℃の間に温度で、および約1.07バール（bara）〜40バール（bara）の間の圧力で、および約2O℃〜6O℃の間の範囲の温度である。発電所または精練所の排煙からのCO2捕獲のためには、圧力は、約1.07および1.34バール（bara）の範囲であるだろう。再生温度は、8O℃〜300℃の間の範囲で、より典型的には約80℃〜150℃の範囲である。供給ガスにおけるCO2の濃度は、天然ガス火力発電所について約3%、石炭火力発電所について約12%および種々の化学的プロセスについて60%までのCO2である。CO2分離の最初の開始の前に、吸着器A〜Eにおけるベッドは、その中に含まれる任意の残留湿気を除去するために、300℃より高い温度まで加熱してもよい。また、通常の操作の間に蓄積された不純物を除去するために、高温再生を行ってもよい。
【００４５】
種々の弁の操作は、表Iの工程1および2を使用して例証される。ベッドAのための工程1および2の両方において、供給ガス72が開放弁302を通ってベッドに入り、CO2がベッドに捕獲されて、CO2枯渇されたストリームが開放弁312を通ってストリーム85としてベッドを出る。工程1の間に、ベッドBおよびEは、開放弁340および430を介して、均圧を受ける。工程2の間に、ベッドBは、開放弁320および350を介して、ベッドAを使用して加圧される。工程1および2の両方の間に、ベッドCは、真空下での加熱によって再生され、かつ弁366が開放される。高純度のCO2生成物が、真空ポンプ110に入る前にストリーム100として離れる。工程1および2の両方の間に、ベッドDは、加熱によって再生され、弁398および408が開放されて、かつ生成物CO2は、ストリーム105として離れる。工程2の間に、ベッドEは、開放弁424を介してベッドに入り、かつ開放弁434を介して出て行く生成物CO2ストリーム145でリンスされる。工程3〜10の間の種々の弁の操作は、工程1および2の間の操作と同様である。一旦全ての工程が完了されると、サイクルが工程1にて開始して、連続的に繰り返される。
【００４６】
【表１】
2012522627.tif 000003
【００４７】
表Iに示したように、CO2捕獲および再生プロセスにおける種々の工程は、これらの工程がおおよそ数時間である典型的な温度揺動吸着におけるよりも有意に速い。湿気耐性である吸着剤および反応物については、迅速な加熱は、蒸気でベッドを直接加熱によって達成することができるが、これは、蒸気を除去するために続いてパージしなければならないだろうし、次いで、ベッドを冷却しなければならないだろう。ゼオライトなどの湿気耐性でない吸着剤または反応物については、蒸気で直接加熱することは選択肢ではなく、乾燥ガスでの加熱ではあまりに遅いだろう。これらの場合については、ベッドを間接的に加熱しなければならないかもしれない。1つのこのような構成は、シェルおよびチューブの構成であり、吸着剤または反応物が小さな直径のチューブに含まれており、加熱媒体がサイクルの再生部分の間にシェル横側に流れる。約8O℃〜300℃の再生温度を、加熱媒体として蒸気または熱水を使用して得ることができる。発電所において生成される電気を利用して加熱された液体または蒸気ストリームを再生のためにも使用することができる。代わりの構成は、シェルの横側に吸着材料およびチューブ横側に加熱液または冷却液を含む。間接的な加熱が可能なもう一つの構成は、プレートおよびフレーム構成であり、吸着剤が他の平行した輸送管に含まれ、加熱された液体が他の平行した輸送管に流れる。蒸気または加熱された液体を加熱媒体として使用してもよい。シェルおよびチューブ構成およびプレートおよびフレーム構成については、吸着熱または化学反応を除去するために、冷却液体をCO2除去工程の間に使用することができる。また、ベッド冷却工程のために、冷却液体を使用することができる。再生媒体としての熱水または低圧蒸気は、発電所の蒸気サイクルに対する破壊を最小化し、かつ後付けが容易であろうため、後付け適用のためには、これがより使いやすいかもしれない。垂直のベッドに加えて、水平および放射状のベッドも、サイクルを実施するために使用することができる。また、必要に応じて、シェルおよびチューブ構成またはプレートおよびフレーム構成のいずれかを水平または放射状のベッドと熱交換するためにしようすることができる。
【００４８】
サイクルの加熱および排出部分の間に生成されるCO2は、典型的には90%を超える純度を有するだろう。このストリームは、圧縮されて、上記したように、CO2精製プラントに送られる。CO2精製のために膜が使用される場合、CO2ストリームの小部分により、膜に透過させて、CO2分離システム80においてリンスストリームとして使用されるよりも高純度のCO2ストリームを生成することができられる。残りのストリームをさらに圧縮して、石油回収の増進のために、工業用途またはCO2分離のために使用してもよい。ゲッタープロセスをCO2精製のために使用する場合、酸素および二硫黄酸化物などの不純物は、ゲッターでの反応によって除去されて、精製されたCO2ストリームを種々の適用においてさらに圧縮して使用してもよい。蒸留プロセスがCO2精製のために使用される場合、CO2は、底面生成物として生成され、凝縮しないものは蒸留塔のオーバーヘッドとして除去される。蒸留によって生成されるCO2の一部は、CO2捕獲セクションにおけるパージを提供するために使用してもよく；残りは、より高い圧力にポンピングして、石油回収の増進または分離などの種々の適用のために使用される。凝縮しないストリームは、さらなる量のCO2を回収するために、膜または吸着プロセスによってさらに精製してもよい。
【実施例】
【００４９】
実施例1：
8×12メッシュサイズ（約1.5mm）の市販の5Aゼオライトは、Aldrich
Corporationから得て、2つの18mmの直径の吸着剤ベッドに添加した。吸着剤の総重量は、約500グラム（gms）であった。石炭火力発電所から排煙をシミュレートするために、バランスが窒素である約12.5%のCO2を含む供給ストリームを、11標準リットル／分の流速で、かつ1.34バール（bara）の圧力にて、これらのベッドを通した。標準状態とは、21.1℃および1バール（bara）を言う。吸着床は、3O℃にて水／グリコール混合物を含むジャケットで冷却した。再生ベッドは、100℃にて水／グリコール混合物を含むジャケットで加熱した。CO2枯渇されたストリームの、およびCO2生成物の濃度は、赤外線CO2アナライザーを使用して解析した。この方法のためのサイクルを、表IIに示してある。加熱の後、ベッドを排気工程の間に、約0.25バール（bara）の圧力に排気した。これらのプロセス条件については、99.8%の平均CO2純度および85.8%の平均CO2回収が得られた。
【００５０】
表II
2ベッドCO2捕獲方法サイクル。
【表２】
2012522627.tif 000004
【００５１】
実施例2：
実施例1のプロセスを異なる吸着温度にて実行した。その他のプロセス条件、すなわち供給圧、供給CO2濃度および吸着材料は、実施例1と同じであった。また、CO2枯渇させたストリームの、およびCO2生成物ストリームの濃度は、赤外線CO2アナライザーを使用して解析した。表IIの方法サイクルを使用した。20℃の供給温度については、99.0%の平均CO2純度および88%の平均CO2回収が得られた。4O℃の供給温度については、99.2%の平均CO2純度および84%の平均CO2回収が得られた。
【００５２】
実施例3：
実施例1のプロセスを、Aldrich
Corporationから得られる8×12メッシュサイズ（1.5mm）の市販の13Xゼオライトで実行した。フィード圧および供給CO2濃度は、実施例1と同じであり、表IIのプロセスサイクルを使用した。また、CO2枯渇させたストリームの、およびCO2生成物ストリームの濃度は、赤外線CO2アナライザーを使用して解析した。2O℃の供給温度については、98.5%の平均CO2純度および87%の平均CO2回収が得られた。30℃の供給温度については、98.5%の平均CO2純度および78%の平均CO2回収が得られた。
【００５３】
実施例4：
実施例1と同様の5Aを含むベッドを使用し（約500のグラムの総重量）、約3.4%のCO2を含む供給ストリームで、天然ガス火力発電所からの排煙をシミュレートするためにバランスは窒素である。供給は、17標準リットル／分の総流速にて、これらのベッドを通した。吸着床は、20℃にて水／グリコール混合物を含むジャケットで冷却した。表IIのプロセスサイクルを使用した。再生ベッドは、100℃にて水／グリコール混合物を含むジャケットで加熱した。CO2枯渇させたストリームの、およびCO2生成物の濃度は、赤外線CO2アナライザーを使用して解析した。これらのプロセス条件については、91%の平均CO2純度および86%の平均CO2回収が得られた。この実施例の結果は、本発明の方法が天然ガス火力発電所からのものなどの非常に低レベルの二酸化炭素を含むストリームにとって合理的な純度および回収を提供することができることを示す。
【００５４】
比較例1：
実施例1の5Aゼオライトを使用して、任意の熱的再生を伴わない真空揺動吸着についての結果を得た。供給は、1.34バール（bara）および30℃にて12.8%のCO2を含んだ。ベッドは、再生工程の間に0.25バール（bara）の圧力に排気した。吸着および再生工程は、30℃にて実施した。プロセスサイクルは、吸着、同等化、純粋CO2でのリンス、排気、同等化および加圧工程を含んだ。
【００５５】
毎分標準5.5リットルの供給フローおよび4分の吸着時間、0.5分の同等化時間、1.0分のリンス時間、4.0分の排気時間および0.5分の加圧時間について、81.6%の平均CO2純度および25.4%の平均CO2回収が得られた。毎分2.2標準リットルへの供給フローの減少により、53%への平均純度および26%への平均回収に減少した。毎分標準的5.5リットルおよびより速いサイクル（2分の吸着、0.25分の同等化、0.5分のリンス、2分の排気および0.25分の加圧）の供給フローについては、59.4%の平均純度および43.9%の平均回収が得られた。
【００５６】
この実施例の結果の実施例1との比較では、CO2回収およびCO2純度の両方に関する性能がベッドの熱的再生を伴わずにかなり悪いことを示す。
【００５７】
実施例5：
Alcoa（1.5mmサイズ）からの市販のF-200活性アルミナを実施例1のベッドに添加した。吸着剤の総重量は、約300グラムであった。25℃にて水で飽和し、かつバランスが窒素である約12.5%のCO2を含む供給ストリームを10標準リットル／分の総流速にて、および1.34バール（bara）の圧力にてこれらのベッドを通した。サイクルは、5分の吸着時間、4.5分のパージ時間、並びにそれぞれ0.25分の加圧および除圧時間を含み、ベッドにおける水吸着の熱の大部分を保持するようにデザインした。吸着床を出てくる乾燥生成物は、ほぼ大気圧に減少させた後、パージのために使用した。ベッドを出てくる生成物ストリームの露点を連続的にモニターして、生成物湿気濃度は、5日の期間の間に1パーツパーミリオン（ppm）以下のままであった。
【００５８】
本実施例は、一定の状態下で、CO2分離に対する供給ストリームを非常に低い湿気レベルに乾燥して、CO2分離セクションにおけるCO2回収を改善することができることを例証する。湿気がCO2吸着の前に除去されるプロセスにおいて、パージガスは、CO2吸着セクションからのCO2枯渇されたストリームであるだろう。
【００５９】
これらの実施例の結果は、本明細書に開示した方法が高い純度および回収で、種々のプロセスのストリームからCO2を回収するために使用することができることを示唆する。このプロセスのためのエネルギー使用量の見積もりでは、このプロセスに関してCO2を捕獲するために必要とされるエネルギーが、アミンに基づいたCO2捕獲プロセスのために必要とされる約半分のエネルギーであることを示す。
【００６０】
CO2の捕獲のための本明細書に開示した方法およびシステムは、多数の利点を提供する。本方法は、後付け適用のための、並びに新規プラントの両方のために使用することができる。後付け適用のために発電所に必要とされる改変は、アミンに基づいたCO2捕獲のために必要とされるものよりも著しく少ない。本方法は、石炭火力および天然ガス火力の両方の発電所に適用できる。本方法は、二酸化炭素を含む精練所および化学的プロセスのストリームなどのその他のストリームにも適用できる。供給における窒素酸化物および硫黄酸化物（N0XおよびS0X）が不可逆的に溶媒と反応し、かつ、約10ppmレベル以下まで除去が必要とされ得る吸収法とは異なり、供給におけるN0XおよびS0Xは、逆に吸着剤に影響を及ぼさない。供給における酸素は、酸素がアミン溶媒を分解する吸収に基づいた方法とは異なり、吸着剤に対して効果を有さない。本方法は、CO2圧縮および液化より前の乾燥工程およびそれに関連する電力および出資費用を無くす、乾燥CO2生成物を提供する。
【００６１】
本システムおよび方法は、具体例に関して本明細書に記述してあるが、本発明の範囲は、それに限定されない。たとえば、CO2を含む供給ガスは、天然ガス火力発電所または石炭ガス化プラントからなどのその他のプロセスに由来することができる。
【００６２】
前述の実施例は、単に説明だけの目的で提供され、決して本明細書に開示した本方法およびシステムを限定するものとして解釈されない。本発明は、種々の態様に関して記述されているが、本明細書に使用される語は、限定の語よりもむしろ記述および例証の語であることが理解される。さらに、本発明は、特定の平均、材料および態様に関して本明細書に記述されているが、本発明は、本明細書に開示した特徴に限定されることは意図されず；むしろ、本発明は、例えば添付の特許請求の範囲の範囲内であるものなどの、全ての機能的に均等な構造、方法および使用に拡張される。当業者は、この明細書の教示の助けをかりて、それに対して多数の改変および変更を行ってもよく、その側面において本発明の範囲および精神から逸脱することなく変更を行ってもよい。
【図１】
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【図２Ａ】
2012522627.tif 000006
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年1月20日(2010.1.20)
【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】
以下の工程を1回または複数回行うことを含む、水蒸気およびさらなる不純物を含むガスストリームから二酸化炭素を分離するための方法：
前記ガスストリームを第1の脱湿工程に供する工程であって、前記ガスストリームにおけるガスからの湿気の実質的に全てを、圧力揺動吸着、温度揺動吸着、膜分離および吸収を含む群から選択されるプロセスを使用して除去する工程；
前記実質的に水蒸気を含まないガスを第2の温度揺動吸着工程に供する工程であって、前記第2の温度揺動吸着工程は、吸着剤を含むベッド行われ、前記第2の温度揺動吸着工程は、実質的に乾燥した二酸化炭素を枯渇させたストリームを生成するための吸着工程および前記吸着剤ベッドを加熱して実質的に水蒸気を含まない二酸化炭素ストリームを生成することを含む吸着再生工程であって、前記第2の温度揺動吸着工程からの実質的に乾燥した二酸化炭素を枯渇させたストリームは、前記第1の脱湿工程における吸着剤または吸収剤を再生するものの1つのために、および膜乾燥工程のための推進力を提供するために使用される、工程。
【請求項２】
請求項1に記載の方法であって、前記ガスストリームの圧力は、絶対約1.07〜約40バールの範囲内であり、前記二酸化炭素濃度は、約3%〜60容量％の範囲内であり、かつ前記ガス温度は、約1O℃〜8O℃の範囲内である、方法。
【請求項３】
請求項1に記載の方法であって、前記第1の脱湿工程における前記圧力揺動吸着の期間は、約4分〜約60分の範囲内であり、かつ第1の脱湿工程における前記温度揺動吸着の期間は、約1時間〜12.0時間の範囲内である、方法。
【請求項４】
請求項1に記載の方法であって、前記吸着再生工程の間の第2の温度揺動吸着工程における温度は、約8O℃〜300℃に増加される、方法。
【請求項５】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程の期間は、約2分〜60分の範囲内である、方法。
【請求項６】
請求項1に記載の方法であって、前記ガスは、石炭火力発電所、天然ガス火力発電所および精練所の1つのからの排煙である、方法。
【請求項７】
請求項1に記載の方法であって、前記第1の脱湿工程において使用される吸着剤は、活性アルミナ、シリカゲル、並びに3A、4A、5Aおよび13Xゼオライトを含むモレキュラーシーブを含む群から選択される、方法。
【請求項８】
請求項1に記載の方法であって、前記第1の脱湿工程における含水量は、-40℃以下の露点に減少される、方法。
【請求項９】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程において使用される前記吸着剤は、活性炭、炭素モレキュラーシーブ、4A、5A、13X、NaYおよびCaXなどのゼオライト、有機金属フレームワーク化合物、天然ゼオライト、修飾された天然および合成のゼオライト、修飾された活性炭、並びに鉱柱粘土から選択される、方法。
【請求項１０】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程において生成される実質的に水蒸気を含まない二酸化炭素ストリームの純度は、90%以上である、方法。
【請求項１１】
（削除）
【請求項１２】
請求項1に記載の方法であって、前記吸着再生工程は、ガスストリームで直接または熱交換器構成における蒸気もしくは熱媒液を使用して間接的に吸着剤ベッドを加熱することを含む、方法。
【請求項１３】
請求項12に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程において二酸化炭素のさらなる量を回収するためにベッド加熱後にベッド排気をさらに含む、方法。
【請求項１４】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程は、ベッド同等化、ベッド加圧、ベッド除圧およびベッド冷却の工程をさらに含む、方法。
【請求項１５】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程に対する供給における不純物は、炭化水素、酸素、窒素、アルゴンおよび窒素酸化物を含む、方法。
【請求項１６】
請求項1に記載の方法であって、炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物および水銀を含む群から選択される前記さらなる不純物は、前記第1の脱湿工程におけるガスストリームから除去される、方法。
【請求項１７】
請求項1に記載の方法であって、炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物および水銀の除去のために使用される吸着剤は、活性炭、13Xゼオライト、含浸させられたアルミナ、修飾された活性炭およびシリケートから選択される、方法。
【請求項１８】
請求項1に記載の方法であって、前記湿気およびさらなる不純物除去プロセスは、並列に構成された第1の吸着セクション、第2の吸着セクションおよび第3の吸着セクションを含むシステムを含み、前記第1の吸着セクション、前記第2の吸着セクションおよび前記第3の吸着セクションのそれぞれは、脱湿吸着剤を含む第1のゾーンと炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物および水銀から選択される不純物の除去のための1つまたは複数の吸着剤を含む第2のゾーンとを含み、以下の工程を1回または複数回行うことを含む、方法：
第1の吸着セクションおよび第2の吸着セクションにおける交互の吸着工程および吸着剤再生工程を含む周期的圧力揺動吸着に前記ガスを供し、これによりガスから水蒸気の実質的に全てを除去し、一方で吸着剤を加熱することによって前記第3の吸着セクションの前記第1のゾーンおよび前記第2のゾーンにおける前記吸着剤から残りの水蒸気およびその他の不純物を脱着する工程；
第1の吸着セクションおよび第3の吸着セクションにおける交互の吸着工程および吸着剤再生工程を含む周期的圧力揺動吸着に前記ガスを供して、これによりガスから水蒸気の実質的に全てを除去し、一方で、吸着剤を加熱することによって第2の吸着セクションの第1のゾーンおよび第2のゾーンにおける吸着剤から残りの水蒸気およびその他の不純物を脱着する工程；並びに、
第2の吸着セクションおよび第3の吸着セクションにおける交互の吸着工程および吸着剤再生工程を含む周期的圧力揺動吸着に前記ガスを供し、これにより前記ガスから水蒸気の実質的に全てを除去し、一方で、吸着剤を加熱することによって第1の吸着セクションの第1のゾーンおよび第2のゾーンにおける吸着剤から残りの水蒸気およびその他の不純物を脱着する工程。
【請求項１９】
請求項18に記載の方法であって、前記吸着剤加熱工程は、約80℃〜300℃の範囲の温度にて実施される、方法。
【請求項２０】
請求項1に記載の方法であって、水蒸気およびさらなる不純物を含む前記ガスストリームは、最初に湿気およびさらなる不純物を除去せずに第2の温度揺動吸着工程に直接送られ、前記第2の温度揺動吸着工程は、二酸化炭素が枯渇されたストリームを生成するための吸着工程および実質的に純粋な二酸化炭素ストリームを生成するための吸着床を加熱することを含む吸着再生工程を含む、方法。
【請求項２１】
請求項20に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程のための吸着剤は、活性炭または微孔性支持体上のカルボナート、アミンもしくはイオン性液体から選択される、方法。
【請求項２２】
請求項1に記載の方法であって、前記二酸化炭素ストリームは、窒素、酸素、アルゴン、窒素酸化物、硫黄酸化物および湿気を含む不純物を除去するために膜プロセス、蒸留プロセス、吸着プロセスおよびゲッタープロセスの1つによってさらに精製される、方法。
【請求項２３】
請求項22に記載の方法であって、前記精製された二酸化物炭素は、実質的に水蒸気を含まない二酸化炭素ストリームの生成のために第2の温度揺動吸着工程において高純度のリンスを提供するために使用される、方法。
【請求項２４】
請求項1に記載の方法であって、前記第2の温度揺動吸着工程は、複数のベッドを含み、それぞれのベッドは、周期的配列で、CO2吸着、同等化、CO2リンス、ベッド加熱、排気を伴うベッド加熱、ベッド冷却、ベッド同等化およびベッド加圧の工程を受ける、方法。
【請求項２５】
請求項20に記載の方法であって、前記吸着再生工程は、前記吸着再生工程は、ガスストリームで直接または熱交換器構成における蒸気もしくは熱媒液を使用して間接的に吸着剤ベッドを加熱することを含む、方法。
【国際調査報告】
2012522627.tif 000012
2012522627.tif 000013