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
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 Download PDFInfo
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Abstract
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）に供給し、該スワールノズル（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）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）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。
Description
技術分野
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。
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。
背景技術
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。
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。
さらに、公知先行技術に基づき、超音波渦流の発生を用いて作業する、流体を分離するための方法が知られている。国際公開第０３／０２９７３９号パンフレットには、相応するサイクロン式の流体セパレータが記載されている。同様の装置は米国特許出願公開第２００３／０１４５７２４号明細書に開示されている。同米国特許出願公開明細書の段落００１７には、一連の使用可能性のうち、煙道ガスからＣＯ２および別のガスを除去するためのセパレータの原理的な使用可能性も示唆されているが、しかし相応するプラントがどのように形成されかつ配置構成されていなければならないのかは全く開示されていない。
ＣＯ２問題の解決のために重要となるのは、相応する技術的な方法が経済的に許容可能であり、僅かな投資コストしか生ぜしめず、しかもＣＯ２を発生させている当該プラント（たとえば動力プラント）の効率に対する不都合な作用ができるだけ少ないことである。
発明の開示
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。
この課題は、請求項１、請求項１４、請求項２０、請求項２７、請求項２８、請求項３１および請求項３２の各特徴部に記載の特徴の全てにより解決される。すなわち、請求項１には、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に供給し、該スワールノズルでガス流から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が記載されている。請求項１４には、上記方法を実施するためのＣＯ２分離装置において、当該ＣＯ２分離装置が、ガス流により通流されるスワールノズルと、該スワールノズルの上流側または下流側に配置された圧縮機と、該圧縮機から到来するガス流を冷却するための、スワールノズルの上流側に設けられた多数の冷却装置とを有していることを特徴とするＣＯ２分離装置が記載されている。請求項２０には、上記ＣＯ２分離装置に用いられるスワールノズルにおいて、当該スワールノズルが、軸線に沿って相前後して入口区分と、該入口区分に続いた中央区分と、該中央区分に続いた終端区分とを有しており、入口区分で、流入したガス流が、軸線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、中央区分でガス流が、減径された一定の直径を有する環状通路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で当該スワールノズルのガス流出部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が記載されている。請求項２７には、燃焼器と、後続の蒸気発生器とを備えたボイラを有する蒸気動力プラントにおける、上記ＣＯ２分離装置の使用において、煙道ガスが、前記ボイラからの流出後にＣＯ２分離装置に供給されることを特徴とする、ＣＯ２分離装置の使用が記載されている。請求項２８には、ガスタービンと、後置された排熱回収式蒸気発生器とを有する複合動力プラントにおける、上記ＣＯ２分離装置の使用において、排ガスが、排熱回収式蒸気発生器からの流出後にＣＯ２分離装置に供給されることを特徴とする、ＣＯ２分離装置の使用が記載されている。請求項３１には、内燃機関を有するコージェネレーションプラントまたは車両における、上記ＣＯ２分離装置の使用において、内燃機関の排ガスがＣＯ２分離装置に供給されることを特徴とする、ＣＯ２分離装置の使用が記載されている。請求項３２には、暖房ボイラを有する建物暖房装置における、上記ＣＯ２分離装置の使用において、暖房ボイラの煙道ガスが、ＣＯ２分離装置に供給されることを特徴とする、ＣＯ２分離装置の使用が記載されている。本発明にとって重要となるのは、化石燃料の燃焼時に排ガスまたは煙道ガスとして生じるガス流からＣＯ２を分離するために、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に供給し、該スワールノズルでガス流から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から導出することである。
本発明による方法の別の実施態様は、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で前冷却し、かつ該熱交換器で前冷却されたガス流を、圧縮機と復水器と膨張弁と蒸発器とを用いて作動する少なくとも１つの冷凍循環路によってさらに冷却することにより特徴付けられている。
特に、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、圧縮機と復水器と膨張弁と蒸発器とを用いて作動する２つの冷凍循環路によって順次にさらに冷却することができる。
本発明の別の有利な改良形では、前冷却されたガス流をさらに冷却するために、該ガス流が、その都度前記冷凍循環路の蒸発器に通して送られる。
本発明による方法のさらに別の有利な実施態様は、ガス流を、ほぼ室温で圧縮に供給し、圧縮後に熱交換器で再びほぼ室温にまで前冷却することにより特徴付けられている。
本発明による方法のさらに別の有利な実施態様は、ガス流を第１の冷凍循環路によって、該第１の冷凍循環路に所属する熱交換器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の冷凍循環路によって約−５０℃の温度にまでさらに冷却し、この場合、第２の冷凍循環路の蒸発器を、氷の除去のために特定の時間的な間隔を置いて除氷し、かつ蒸発器の除氷のために、冷却水を用いて作動する熱交換器におけるガス流の前冷却を中断することにより特徴付けられている。
本発明による方法のさらに別の有利な実施態様では、スワールノズルから流出したＣＯ２貧有のガス流が、第２の冷凍循環路内の冷媒の冷却のために第２の冷凍循環路の復水器に通して送られる。
本発明による方法のさらに別の有利な実施態様は、スワールノズル内で分離されたＣＯ２を、液化のために液化装置に供給することにより特徴付けられている。
本発明による方法のさらに別の有利な実施態様は、冷却されたガス流を、スワールノズルの入口区分でまずスワールノズルの軸線を中心として旋回させ、このときに発生した旋回流（rotierend. Stroemung）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の中央区分に通して送り、このときにスワールノズルの外側の縁範囲でＣＯ２濃度が増大し、終端区分の手前の前記中央区分の端部において、濃度増大されたＣＯ２を、スワールノズルの外周面に配置されたＣＯ２流出部で分離させ、この場合、スワールノズルの終端区分で、直径の拡大により、ガス流出部へ流れるガス流内の圧力を高めることにより特徴付けられている。
本発明によるＣＯ２分離装置の構成は、スワールノズルの上流側に設けられた多数の冷却装置が、冷却水により通流される少なくとも１つの熱交換器と、該熱交換器に後置された、つまり該熱交換器の下流側に接続された、圧縮機と復水器と膨張弁と蒸発器とを用いて作動する少なくとも１つの冷凍循環路を有していることにより特徴付けられている。
熱交換器に、相前後して配置された、それぞれ圧縮機と復水器と膨張弁と蒸発器とを用いて作動する２つの冷凍循環路が後置されており、この場合、第１の冷凍循環路の復水器が、冷却水によって通流されており、第２の冷凍循環路の復水器が、スワールノズルから流出したＣＯ２貧有のガス流によって通流され、かつ前記冷凍循環路の両圧縮機が、１つの共通の原動機によって駆動されると有利である。
本発明によるスワールノズルの構成は、入口区分に、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が配置されており、かつ該流入案内翼が調節可能に形成されていることにより特徴付けられている。
別の構成は、中央区分と終端区分との間で当該スワールノズルの外周面にＣＯ２流出部が設けられていることにより特徴付けられている。
特に、入口区分に、周方向でガス流を加速するための手段が設けられていてよく、この場合、前記加速手段が、同心的な複数の環状ノズルを有しており、該環状ノズルを通じて、当該スワールノズル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か、または前記加速手段が、当該スワールノズルの軸線を中心にして回転する複数の壁セグメントを有しており、該壁セグメントの回転速度が、当該スワールノズル内のガス流の旋回に適合されている。
本発明のさらに別の有利な実施態様は、請求項２〜請求項１３、請求項１５〜請求項１９、請求項２１〜請求項２６、請求項２９、請求項３０、請求項３３〜請求項３５にそれぞれ記載されている。
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
発明を実施するための形態
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。
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。
本発明の原理は、以下のステップを包含する、ＣＯ２濃度増大された排ガスもしくは煙道ガスの処理にある：
（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。
（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１には、本発明の１実施例によるＣＯ２分離装置の概略的な回路図が図示されている。このＣＯ２分離装置１０には、ＣＯ２濃度増大された排ガスが、２５℃のおおよその周辺温度で入口１１を通って流入する。排ガス（もしくは煙道ガス）はまず、原動機１２によって駆動される圧縮機１３で圧縮され、このときに昇温する。圧縮後に排ガスは、冷却水を用いて作動する熱交換器１４によって約２５℃にまで再冷却される。その後に、このガスはアクティブな冷却装置に流入する。このアクティブな冷却装置は直列に接続された２つの冷凍サイクルもしくは冷凍循環路ＣＣ１，ＣＣ２を有している。冷凍循環路ＣＣ１，ＣＣ２はそれぞれ１つの蒸発器１５；１６と、圧縮機２４；２５と、復水器２１；２６と、膨張弁２２；２７とから成っている。
第１の冷凍循環路ＣＣ１は第１の蒸発器１５において排ガスから熱を取り出し、この熱を、第１の復水器２６を通流する冷却水へ引き渡す。第１の蒸発器１５の出口温度は、この第１の蒸発器１５の熱交換面に水が凍結分離し得ないように設定されている。次いで排ガスは第２の冷凍循環路ＣＣ２に設けられた第２の蒸発器１６を通って流れる。第２の蒸発器１６は排ガスの温度を約−５０℃にまで低下させる。第２の冷凍循環路ＣＣ２のエネルギ消費量を減少させるために、スワールノズル１７の出口には、第２の冷凍循環路ＣＣ２の復水器２１が配置されており、これによりスワールノズル１７から流出した残留ガスの冷熱（低温熱）が利用される。両冷凍循環路ＣＣ１，ＣＣ２は圧縮機２４，２５によって作動させられる。圧縮機２４，２５は本実施例では１つの共通の原動機２３によって駆動される。第２の蒸発器１６における低い温度に基づき、排ガス中の残留水は第２の蒸発器１６の熱交換面に氷膜として析出する。したがって、除氷プロセスが必要とされる。この除氷プロセスでは、ある程度の時間間隔を置いて熱交換器１４における水冷却が低減されるか、または完全に遮断される。その場合、排ガスは約１００℃の温度で第２の蒸発器１６に導入され、このことが除氷をもたらす。除氷は全運転時間の約１％を占める。
第２の蒸発器１６からの流出後に、排ガスは１つ（または並列作動する複数）のスワールノズル１７に流入する。このスワールノズル１７において排ガスは（さらに下で詳しく説明するように）加速によってさらに冷却される。このような更なる冷却は、排ガスからのＣＯ２の分離をもたらす。このＣＯ２はスワールノズル１７から抽出され、次いで液化装置１８へ案内される。この液化装置１８でＣＯ２は液化されて、導管（パイプライン）１９における後搬送のために処理される。
図１に示したＣＯ２分離装置１０の１つの重要な構成要素はスワールノズル１７である。スワールノズル１７は図２に種々の方向から見た図で図示されている。スワールノズル１７は同軸的に形成されていて、軸線３８に沿って延びている。スワールノズル１７は同心的な配置形式で内壁２９と外壁２８とを有している。内壁２９と外壁２８との間には、排ガス流のための環状通路が形成されている。スワールノズル１７は減径した直径を有する入口区分３０と、一定の（または軽度に増大または軽度に減少した）直径を有する中央区分３２と、急激に再び拡径した直径を有する終端区分３４とに分割されている。図２の（ａ）には、入口範囲に配置された、半径方向に作用する複数の流入案内翼３１を備えた入口区分３０を軸方向で見た図が示されている。図２の（ｂ）には、スワールノズル１７の縦断面図が示されている。
排ガス（煙道ガス）は図面で見て左側から直径Ｒ１のところでスワールノズル１７に流入する。調節可能に形成された流入案内翼３１によって、排ガス流には軸線３８を中心とした旋回運動が付与される（図２の（ｃ）における位置Ａ）。次いで、排ガスは、より小さな半径を有する区分へ案内される。この区分は中央区分３２の範囲における外壁２８の半径Ｒ２ｉと内壁２９の半径Ｒ２ｏとにより規定されている。これにより、回転衝撃が得られることに基づき、旋回速度は超音波値にまで増大する（図２の（ｃ）における位置Ｂ）。運動エネルギの増大は排ガスの静的な温度の、約１００Ｋへの低下を併発させる（図２の（ｃ）における位置Ｃ）。スワールノズル１７の軸方向における平均速度は常に超音波域にある。
静的な温度が、与えられた分圧におけるＣＯ２の飽和温度よりも下に低下すると、自然に排ガス中にＣＯ２氷から成る粒子が形成される（図２の（２）における位置Ｄ）。ＣＯ２のデサブリメーション熱（Desublimationswaerme）は排ガスにより吸収される。排ガスへのこのエネルギ供給は温度増大を生ぜしめ、この温度増大がデサブリメーション（昇華能力の除去）を阻止する恐れがある。しかし、ノズルの中央部分における流れを、より小さな半径に向かってゆっくりと案内することにより、温度増大を管理することができる。このときに、デサブリメーションにより自由となったエネルギは別の運動エネルギの形で蓄えられる。ＣＯ２氷粒子は旋回運動によりスワールノズル１７の外壁２８へ向かって遠心分離される。旋回速度は半径に対して逆比例しているので、外側ゾーンにおいては静的な温度がコア流におけるよりも高くなる。これにより、ＣＯ２氷の一部が気相へ再昇華する。この効果は、終端区分３４における流れを、より大きな半径（ガス流出部３５におけるＲ３；図２の（ｃ）における位置Ｅ）に戻し案内することにより増幅される。
ＣＯ２粒子の新たなサブリメーション、つまり昇華のための理由は、粒子形成時にデサブリメーション熱が自由になった際に失われた全圧力が再び回収されることにある。これにより、スワールノズル１７内の全圧力損失が制限され、ひいては圧縮機１３で消費されなければならない圧縮作業も制限される。
ガス状のＣＯ２はスワールノズル１７の外側ゾーンにおいて濃縮されたままとなる。なぜならば、（１）ガス状のＣＯ２は空気よりも５０％高い密度を有しており、（２）遠心的な流れ域が、重力加速の約５００００倍に相当する力を発生させるからである。濃縮されたＣＯ２はスワールノズル１７の外壁２８に設けられたスリットを通じて抽出されて、ＣＯ２流出部３３を介して液化装置（図１の符号１８）へ案内される。ＣＯ２が圧縮されると、残りの排ガス成分は分離され、得られた液体は導管（図１の符号１９）を介して導出される。
ＣＯ２分離時における主要なエネルギ消費量は、冷凍循環路ＣＣ１，ＣＣ２の蒸発器１５，１６の手前で全圧を高める圧縮機１３に関するものである。この高められた全圧は、熱交換器、特にスワールノズル１７における圧力損失を補償するために必要となる。スワールノズル１７内の速度は主として周方向に向けられているので、流れの壁摩擦は速度の方位成分（azimuthal. Komponente）によりコントロールされる。壁摩擦を最小限に抑えるためには、図３の（ａ）および図３の（ｂ）に例示的に図示されている２つの手段を採用することができる。
図３（ａ）に示した手段では、スワールノズル１７´において、壁に設けられた複数の環状のスリット（環状ノズル３６）を通じて、コア流のスワール角度もしくは旋回流角度に相当する角度で空気がノズル供給される。これにより、流れは方位方向で加速され、こうして全圧力損失は減じられる。スリットは内壁２９および／または外壁２８に複数個で同心的に配置され得る。個々の壁エレメントを所定の間隔を置いて配置することにより、１つのスリットが形成される。個々の壁エレメントの間の間隔はリブにより維持される。これらのリブは、ノズル供給された空気の所望のスワール角度が達成されるように配置されている。
図３の（ｂ）に示した手段では、スワールノズル１７´´において、外壁２８および／または内壁２９を回転させることにより、同様の流れ加速を得ることができる。この場合、回転速度はコア流のスワール速度に合わせて調整されている。この回転速度は半径に対して逆比例する。壁全体の固体回転は半径に対して直接に比例するので、壁を、互いに別個に回転する個々の壁エレメント３７に分割することにより速度調整の改善を達成することができる。
両技術（吹込みおよび回転）は内壁２９においても外壁２８においても使用され得る。図面にはこの原理がノズルの流入部の範囲においてしか図示されていないが、しかし両技術はほぼ真っ直ぐな中央部分および終端区分３４において、外側でも内側でも使用され得る。
スワールノズル１７の終端区分３４はディフューザとして働く。このディフューザは流れを低い速度へ減速させ、その場合、流れはこの低い速度でスワールノズルから流出する。この区分は主として、圧縮機１３により消費されなければならない全圧の損失を決定付ける大きな要因となる。残留スワールを静的な圧力の増大へ変換する流出案内翼（ベーン）を設けることにより、ディフュージョン（拡散）を増幅させることができる。
図２および図３に示したスワールノズルを１つまたは複数個備えた、図１に示したＣＯ２分離装置１０は、排ガスもしくは煙道ガスを処理するために種々様々な形で使用され得る。図４には、ＣＯ２分離装置１０が、蒸気タービンを用いて作動する、石炭燃焼式の蒸気動力プラント４０に組み込まれた実施例が示されている。燃料供給部４４を介して供給された石炭はボイラ４１内で燃焼される。このボイラ４１は燃焼器４３と蒸気発生器４２とを有している。蒸気発生器４２はランキンサイクルプロセスのための高い圧力と高い温度とを有する蒸気を提供する。煙道ガスは約２００℃でボイラ４１から流出する。煙道ガスは冷却水により通流された熱交換器３９で冷却され、これにより煙道ガス温度はＣＯ２分離装置１０の入口で約２５℃にまで低下される。
図５および図６には、ガスタービン４６を装備した複合動力プラント（コンバインドサイクルプラント）５０；６０にＣＯ２分離装置１０を組み込むための２つの実施例が示されている。図５の実施例では、ガスタービン４６の圧縮機４９が、空気供給部４７を介して供給された周辺空気を圧縮し、この空気を燃焼器５１内での炭化水素（たとえば天然ガス、オイル、合成ガス等）の燃焼によって加熱し、この熱ガスを、圧縮機４９と発電機４８とを駆動するタービン５２内で作業出力下に膨張させる。タービン５２の、数１００℃の高温の排ガス中に含まれている熱を回収するためには、排ガス管路５３を介して後置された排熱回収熱交換器もしくは排熱回収式蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４５が使用される。この排熱回収式蒸気発生器５４はランキンサイクルプロセスのための蒸気を発生させる。排ガスは約１００℃の温度で排熱回収式蒸気発生器４５から流出する。この排ガスは冷却水により通流された熱交換器３９で冷却され、これにより排ガス温度はＣＯ２分離装置１０の入口で約２５℃にまで低下される。
図５に示した複合動力プラントの実施例に対する変化実施例が図６に示した複合動力プラント６０である。図６に示した変化実施例では、排ガスの一部が、排ガス管路５４内で熱交換器３９の背後（下流側）に位置する分岐部５５で分岐されて、戻し路５６を介して圧縮機４９の入口へ戻される。その結果、ＣＯ２分離装置１０へ案内された排ガス中のＣＯ２含量が高められ、それに対して排ガスは全体的に減じられる。これにより、ＣＯ２分離装置１０における圧縮機１３のエネルギ消費量は減じられる。両実施例はシーケンシャル燃焼を有するガスタービン（たとえば本出願人のタイプＧＴ２４／ＧＴ２６）においても使用され得る。
図７には、図１に示したＣＯ２分離装置１０を動力・熱複合プラント、つまりコージェネレーションプラント（熱電併給プラント）６４に組み込むための実施例が示されている。コージェネレーションプラント６４は、たとえば内燃機関（ディーゼル）５９を備えている。内燃機関５９は燃料供給部６１を介して燃料を受け取る。このようなプラントは大型の建築物または住宅群に熱と電流とを供給することができる。内燃機関５９は周辺空気によって炭化水素（たとえばディーゼル燃料）を燃焼させて、機械的もしくは電気的なエネルギを発生させる。排ガスは５００〜８００℃の高い温度で内燃機関５９から流出する。このような温度での熱は住宅暖房のためには非効果的であるので、蒸発器５８と出力タービン６３と復水器６８とポンプ６２とを有する出力循環路ＰＣが使用される。この場合に、復水器６８で放出された熱は暖房目的のために利用される。排ガスは出力循環路ＰＣの蒸発器５８を通流して、暖房目的のための別の熱を、後置された水冷式の熱交換器５７に引き渡す。その場合、ＣＯ２分離装置１０の入口における排ガス温度は約２５℃である。出力循環路ＰＣの出力タービン６３はＣＯ２分離装置１０の圧縮機１３を駆動することができる。図７に示したプラント回路図は内燃機関を備えた陸上車両または水中車両にも適用され得る。
化石燃料を使用するための、エクセルギ的に極めて非効率的な手段は暖房目的のための化石燃料の単純な燃焼である。図８に示した実施例では、建物暖房装置６６において暖房ボイラ６５に燃料供給部６７を介して燃料（石炭、オイル、天然ガス等）が供給される。排ガス中に存在するＣＯ２はこの場合、エネルギ損失なしに分離され得る。なぜならば、暖房装置が、出力循環路ＰＣを介してＣＯ２分離装置１０の圧縮機１３を駆動するために必要となる出力を提供するからである。高温熱を直接に暖房装置のために利用する代わりに、高温熱は出力循環路ＰＣに導入されて、部分的に機械的エネルギに変換され、そして低い温度で暖房目的のために取り出される（復水器６８）。図８に示した回路図は図７に示した回路図と同様である。
同じく別の変化実施例も考えられる：
− 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。
− 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。
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ ＣＯ２分離装置
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
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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