JP2010500163A - ガス流からco2を分離するための方法、該方法を実施するためのco2分離装置、co2分離装置に用いられるスワールノズルならびに該co2分離装置の使用 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は気候保護技術の分野に関する。本発明は、ガス流からCO2を分離するための方法、該方法を実施するためのCO2分離装置、このようなCO2分離装置に用いられるスワールノズルならびに該CO2分離装置の種々の使用に関する。
環境意識が高まり、そしてCO2削減証明を用いた商取引が導入された結果、CO2を分離するための技術が商業上の使用のためにますます魅力的になっている。過去においては既に複数の解決手段提案が成されており、これらの提案のうちの幾つかは化学的なプロセス(たとえば「MEA scrubbing」)または物理的なプロセス(たとえば「frosting」)に基づいている。
本発明の課題は、CO2を分離するための、実際の現場で有利に使用可能となる方法を提案し、かつ必要とされるスワールノズルを含めた、対応するプラントおよびその使用可能性を提供することである。
本発明は、燃料として炭素(たとえば石炭)または炭化水素(たとえばメタン、メタノール、エタノール等)を使用する機械またはプラントの排ガスまたは煙道ガスからのCO2の分離に関する。前記機械もしくはプラントでは燃料が酸化され、これによりCO2が形成される。酸化プロセスにおいて発生した熱は、機械的または電気的なエネルギに変換される(たとえば発電機によって)か、あるいは直接にプロセス熱として、または暖房(たとえば建物の暖房)のために使用される。このような機械もしくはプラントは石炭燃焼式またはガス燃焼式もしくはオイル燃焼式の動力プラント(たとえばガスタービン)、複合動力プラント(コンバインドサイクルプラント)、据置式のディーゼルエンジン、建物暖房装置または車両エンジン等であってよい。
(1) 排ガスもしくは煙道ガスを熱交換器によって周辺温度(約20℃〜25℃)にまで冷却し;
(2) 排ガスもしくは煙道ガスを約2〜3バールの圧力レベルにまで圧縮し;
(3) 圧縮された排ガスもしくは煙道ガスを再び周辺温度にまで冷却し;
(4) 排ガスもしくは煙道ガスを冷凍サイクルもしくは冷凍循環路(Kaeltekreislauf)によってアクティブに約−40℃〜−50℃の温度にまで冷却し;
(5) 冷却された排ガスもしくは煙道ガスを、次いでスワールノズル内で超音波速度を有する渦流への迅速な膨張によって、固形のCO2粒子が形成されるように強力に冷却し;
(6) 遠心分離効果により、外壁でCO2濃度を増大させ;
(7) 濃度増大されたCO2を、引き続き別の処理のためにスワールノズルから抽出し;
(8) スワールノズルから流出した残留ガスの冷熱(Kaelte)を熱交換器で回収して、アクティブな冷凍循環路へ戻す。
− 図10または図11に示したように、CO2分離装置10b;10cにおいてタービン70によって排ガス流を膨張させ、これによりスワールノズル17の手前(上流側)で初期冷却を行うことができる。スワールノズルにおいて排ガス流は引き続き膨張され、CO2が抽出され、排ガス流は後置された圧縮機13によって再び大気圧にまで圧縮される。図10に示した実施例では、圧縮機13とタービン70とが分離されている。タービン70は発電機69を駆動する。図11に示した実施例では、タービン70と圧縮機13とが1つの共通のシャフトに配置されている。
− しかし図9に示したように排ガス流を直接にスワールノズル17へ膨張させることもできる。その場合、排ガス流は、スワールノズル17の背後に配置された圧縮機13によって再び大気圧にまで圧縮される。
11 入口
12 原動機
13 圧縮機
14,39 熱交換器
15,16 蒸発器
17,17´,17´´ スワールノズル
18 液化装置
19 導管
20 出口
21,26 復水器
22,27 膨張弁
23 原動機
24,25 圧縮機
28 外壁
29 内壁
30 入口区分(流入部)
31 流入案内翼
32 中央区分
33 CO2流出部
34 終端区分
35 ガス流出部
36 環状ノズル
37 壁セグメント(回転式)
38 軸線
40 蒸気動力プラント(石炭燃焼式)
41 ボイラ
42 蒸気発生器
43 燃焼器
44,61 燃料供給部
45 排熱回収式蒸気発生器
46 ガスタービン
47 空気供給部
48 発電機
49 圧縮機
50,60 複合動力プラント
51 燃焼器
52 タービン
53,54 排ガス管路
55 分岐部
56 戻し路
57 熱交換器
58 蒸発器
59 内燃機関
61,67 燃料供給部
62 膨張弁
63 出力タービン
64 コージェネレーションプラント
65 暖房ボイラ
66 建物暖房装置
68 復水器
69 発電機
70 タービン
A,B,C,D,E 位置
CC1,CC2 冷凍循環路
PC 出力循環路
Claims (35)
- ガス流、特に化石燃料を用いて作業する燃焼プロセスの排ガス流からCO2を分離するための方法において、ガス流を第1のステップで圧縮させ、圧縮されたガス流を第2のステップで冷却し、冷却されたガス流を第3のステップでスワールノズル(17,17´,17´´)に供給し、該スワールノズル(17,17´,17´´)でガス流からCO2を分離し、第4のステップで、スワールノズル(17,17´,17´´)で分離されたCO2を別個の後処理のためにスワールノズル(17,17´,17´´)から導出することを特徴とする、ガス流からCO2を分離するための方法。
- 第2のステップ内で、圧縮されたガス流をまず、冷却水を用いて作動する熱交換器(14)で前冷却する、請求項1記載の方法。
- 第2のステップ内で、熱交換器(14)で前冷却されたガス流を、圧縮機(24,25)と復水器(21,26)と膨張弁(22,27)と蒸発器(15,16)とを用いて作動する少なくとも1つの冷凍循環路(CC1,CC2)によってさらに冷却する、請求項2記載の方法。
- 前冷却されたガス流をさらに冷却するために、該ガス流を、圧縮機(24,25)と復水器(21,26)と膨張弁(22,27)と蒸発器(15,16)とを用いて作動する2つの冷凍循環路(CC1,CC2)によって順次にさらに冷却する、請求項3記載の方法。
- 前冷却されたガス流をさらに冷却するために、該ガス流を、その都度前記冷凍循環路(CC1,CC2)の蒸発器(15,16)に通して送る、請求項3または4記載の方法。
- ガス流を、ほぼ室温で圧縮に供給し、圧縮後に熱交換器(14)で再びほぼ室温にまで前冷却する、請求項2記載の方法。
- ガス流を第1の冷凍循環路(CC1)によって、該第1の冷凍循環路に所属する熱交換器(15)にガス流から水が冷凍分離しない程度にのみさらに冷却し、ガス流を第2の冷凍循環路(CC2)によって約−50℃の温度にまでさらに冷却する、請求項4記載の方法。
- 第2の冷凍循環路(CC2)の蒸発器(16)を、氷の除去のために特定の時間的な間隔を置いて除氷する、請求項7記載の方法。
- 蒸発器(16)の除氷のために、冷却水を用いて作動する熱交換器(14)におけるガス流の前冷却を中断する、請求項8記載の方法。
- スワールノズル(17,17´,17´´)から流出したCO2貧有のガス流を、第2の冷凍循環路(CC2)内の冷媒の冷却のために第2の冷凍循環路(CC2)の復水器(21)に通して送る、請求項4記載の方法。
- スワールノズル(17,17´,17´´)内で分離されたCO2を、液化のために液化装置(18)に供給する、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
- 冷却されたガス流を、スワールノズル(17,17´,17´´)の入口区分(30)でまずスワールノズル(17,17´,17´´)の軸線(38)を中心として旋回させ、このときに発生した旋回流を次いで直径減径させ、減径された旋回流を次いで、一定の直径を有するスワールノズル(17,17´,17´´)の中央区分(32)に通して送り、このときにスワールノズル(17,17´,17´´)の外側の縁範囲でCO2濃度が増大し、終端区分(34)の手前の前記中央区分(32)の端部において、濃度増大されたCO2を、スワールノズル(17,17´,17´´)の外周面に配置されたCO2流出部(33)で分離させる、請求項1記載の方法。
- スワールノズル(17,17´,17´´)の終端区分(34)で、直径の拡大により、ガス流出部(35)へ流れるガス流内の圧力を高める、請求項12記載の方法。
- 請求項1から13までのいずれか1項記載の方法を実施するためのCO2分離装置(10,10a,10b,10c)において、当該CO2分離装置(10)が、ガス流により通流されるスワールノズル(17,17´,17´´)と、該スワールノズル(17,17´,17´´)の上流側または下流側に配置された圧縮機(13)と、該圧縮機(13)から到来するガス流を冷却するための、スワールノズル(17,17´,17´´)の上流側に設けられた多数の冷却装置(14,CC1,CC2)とを有していることを特徴とするCO2分離装置。
- スワールノズル(17,17´,17´´)の上流側に設けられた多数の冷却装置(14,CC1,CC2)が、冷却水により通流される少なくとも1つの熱交換器(14)と、該熱交換器(14)に後置された、圧縮機(24,25)と復水器(21,26)と膨張弁(22,27)と蒸発器(15,16)とを用いて作動する少なくとも1つの冷凍循環路(CC1,CC2)を有している、請求項14記載のCO2分離装置。
- 熱交換器(14)に、相前後して配置された、それぞれ圧縮機(24,25)と復水器(21,26)と膨張弁(22,27)と蒸発器(15,16)とを用いて作動する2つの冷凍循環路(CC1,CC2)が後置されている、請求項15記載のCO2分離装置。
- 第1の冷凍循環路(CC1)の復水器(26)が、冷却水によって通流されており、第2の冷凍循環路(CC2)の復水器(21)が、スワールノズル(17,17´,17´´)から流出したCO2貧有のガス流によって通流されている、請求項16記載のCO2分離装置。
- 前記冷凍循環路の両圧縮機(24,25)が、1つの共通の原動機(23)によって駆動される、請求項16記載のCO2分離装置。
- スワールノズル(17,17´,17´´)に、分離されたCO2を液化するための液化装置(18)が後置されている、請求項14から18までのいずれか1項記載のCO2分離装置。
- 請求項14から19までのいずれか1項記載のCO2分離装置(10)に用いられるスワールノズル(17,17´,17´´)において、当該スワールノズル(17,17´,17´´)が、軸線(38)に沿って相前後して入口区分(30)と、該入口区分(30)に続いた中央区分(32)と、該中央区分(32)に続いた終端区分(34)とを有しており、入口区分(30)で、流入したガス流が、軸線(38)を中心とした旋回を付与されて半径方向内側へ向かって流れ、中央区分(32)でガス流が、減径された一定の直径を有する環状通路(28,29)内で軸方向に引き続き流れ、最後に、円錐状に拡張した終端区分(34)で当該スワールノズル(17,17´,17´´)のガス流出部(35)へ到達することを特徴とする、CO2分離装置に用いられるスワールノズル。
- 入口区分(30)に、旋回を付与するために半径方向に配置された複数の流入案内翼(31)が配置されている、請求項20記載のスワールノズル。
- 流入案内翼(31)が調節可能に形成されている、請求項21記載のスワールノズル。
- 中央区分(32)と終端区分(34)との間で当該スワールノズル(17,17´,17´´)の外周面にCO2流出部(33)が設けられている、請求項20から22までのいずれか1項記載のスワールノズル。
- 入口区分(30)に、周方向でガス流を加速するための手段(36,37)が設けられている、請求項20から22までのいずれか1項記載のスワールノズル。
- 前記加速手段が、同心的な複数の環状ノズル(36)を有しており、該環状ノズル(36)を通じて、当該スワールノズル(17´)内のガス流の旋回に適合された方向に空気がノズル供給される、請求項24記載のスワールノズル。
- 前記加速手段が、当該スワールノズル(17´´)の軸線を中心にして回転する複数の壁セグメント(37)を有しており、該壁セグメント(37)の回転速度が、当該スワールノズル(17´´)内のガス流の旋回に適合されている、請求項24記載のスワールノズル。
- 燃焼器(43)と、後続の蒸気発生器(42)とを備えたボイラ(41)を有する蒸気動力プラント(40)における、請求項14から19までのいずれか1項記載のCO2分離装置(10)の使用において、煙道ガスが、前記ボイラ(41)からの流出後にCO2分離装置(10)に供給されることを特徴とする、CO2分離装置の使用。
- ガスタービン(46)と、後置された排熱回収式蒸気発生器(45)とを有する複合動力プラント(50)における、請求項14から19までのいずれか1項記載のCO2分離装置(10)の使用において、排ガスが、排熱回収式蒸気発生器(45)からの流出後にCO2分離装置(10)に供給されることを特徴とする、CO2分離装置の使用。
- 排ガスの一部がガスタービン(46)へ戻される、請求項28記載の使用。
- 煙道ガスが、CO2分離装置(10)への流入前に、冷却水を用いて作動する熱交換器(39)によって冷却される、請求項27から29までのいずれか1項記載の使用。
- 内燃機関(59)を有するコージェネレーションプラント(64)または車両における、請求項14から19までのいずれか1項記載のCO2分離装置(10)の使用において、内燃機関(59)の排ガスがCO2分離装置(10)に供給されることを特徴とする、CO2分離装置の使用。
- 暖房ボイラ(65)を有する建物暖房装置(66)における、請求項14から19までのいずれか1項記載のCO2分離装置(10)の使用において、暖房ボイラ(65)の煙道ガスが、CO2分離装置(10)に供給されることを特徴とする、CO2分離装置の使用。
- 排ガスもしくは煙道ガスから、CO2分離装置(10)への流入前に蒸発器(58)で熱が取り出され、該蒸発器(58)が、出力タービン(63)と復水器(68)とポンプ(62)とを装備した出力循環路(PC)の一部である、請求項31または32記載の使用。
- 出力タービン(63)が、CO2分離装置(10)の圧縮機(13)と連結されている、請求項33記載の使用。
- 排ガスもしくは煙道ガスが、CO2分離装置(10)への流入前に、冷却水を用いて作動する熱交換器(57)によって冷却される、請求項31から34までのいずれか1項記載の使用。
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