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特許7021081動力発生サイクルから燃焼生成物を除去するためのシステムおよび方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-02-07
(45)【発行日】2022-02-16
(54)【発明の名称】動力発生サイクルから燃焼生成物を除去するためのシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
   B01D 53/50 20060101AFI20220208BHJP
   B01D 53/56 20060101ALI20220208BHJP
   B01D 53/76 20060101ALI20220208BHJP
   B01D 53/75 20060101ALI20220208BHJP
   B01D 53/78 20060101ALI20220208BHJP
   B01D 53/14 20060101ALI20220208BHJP
   B01J 27/24 20060101ALI20220208BHJP
   F01K 25/10 20060101ALI20220208BHJP
【ＦＩ】
B01D53/50 ZAB
B01D53/56 200
B01D53/76
B01D53/75
B01D53/78
B01D53/14 200
B01J27/24 M
F01K25/10 E
【請求項の数】 21
(21)【出願番号】P 2018519698
(86)(22)【出願日】2016-10-21
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2018-11-08
(86)【国際出願番号】 US2016058104
(87)【国際公開番号】W WO2017070466
(87)【国際公開日】2017-04-27
【審査請求日】2019-10-04
(31)【優先権主張番号】62/244,411
(32)【優先日】2015-10-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】312000387
【氏名又は名称】８ リバーズ キャピタル，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】アラム，ロドニー ジョン
(72)【発明者】
【氏名】ル，シージア
(72)【発明者】
【氏名】マーティン，スコット トーマス
【審査官】佐々木 典子
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１３－５２０５９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１４５７０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／９１０５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｄ ５３／３４－５３／９６
Ｂ０１Ｄ ５３／１４－５３／１８
Ｂ０１Ｊ ２７／２４
Ｆ０１Ｋ ２３／００－２７／０２
Ｆ０２Ｃ ３／３４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
動力サイクル生成物流から酸性ガスを除去するための方法であって、
動力生産サイクルを実行することと、
前記動力生産サイクルから第１の直接接触冷却塔中にＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流を導くことと、
前記第１の直接接触冷却塔中のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流を第１の向流循環水性液体流と接触させることと、
前記水性液体流の存在下で前記生成物流中のＳＯ２とＮＯ２との間の反応を介して前記第１の直接接触冷却塔中の前記生成物流中に存在するＳＯ２の少なくとも一部を除去することと、
ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を前記第１の直接接触冷却塔から取り出すことと、
ＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流の少なくとも一部を前記動力生産サイクル中に戻すことと
を含み、
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流中のＮＯｘ濃度が前記第１の直接接触冷却塔から上流の前記生成物流にＮＯｘを添加することによって調整される、
方法。
【請求項2】
前記第１の向流循環水性液体流がＨ２ＳＯ４を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流がＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流の全質量に基づいて少なくとも１０ｐｐｍのＮＯｘを含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流中の前記ＮＯｘ濃度が、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流中のＮＯｘの５０質量％未満が前記第１の直接接触冷却塔中でＨＮＯ３に変換されるような範囲内に制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記第１の直接接触冷却塔から取り出されるＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流が、前記第１の直接接触冷却塔中に導入されるＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流中に存在するＮＯｘの少なくとも９０質量％を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記第１の直接接触冷却塔から取り出されるＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流がＳＯ２を含まないか、またはＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流の全質量に基づいて５０ｐｐｍ未満の量でＳＯ２を含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
ＮＯｘが前記第１の直接接触冷却塔から上流の燃焼器中の燃料および酸化剤と窒素源を組み合わせることによって前記第１の直接接触冷却塔から上流に添加される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
ＮＯｘが前記第１の直接接触冷却塔から上流のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流に直接添加される、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記第１の直接接触冷却塔から上流のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流に直接添加されるＮＯｘがアンモニアから生成される、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記生成物流中の前記ＮＯｘ濃度が、前記第１の直接接触冷却塔から液体生成物流を受け取りかつ前記第１の直接接触冷却塔中に前記液体生成物流を再循環させるように構成された第１の再循環ポンプからの排出フローを増加するまたは減少することによって調整される、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
ＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流中のＮＯｘの少なくとも一部が前記動力生産サイクル中に戻される、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
ＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流が前記動力生産サイクル中に戻される再循環作動流体流と純ＣＯ２生成物流とに分割される、請求項１に記載の方法。
【請求項13】
ＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流の少なくとも一部を第２の直接接触冷却塔中に導くことと、
前記第２の直接接触冷却塔中のＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流を第２の向流循環水性液体流と接触させることと、
ＮＯ２と水との間の反応を介して前記第２の直接接触冷却塔中のＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流からＮＯ２の少なくとも一部を除去することと、
ＣＯ２を含有する流れを前記第２の直接接触冷却塔から取り出すことと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
前記第２の向流循環水性液体流がＨＮＯ３を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記第２の直接接触冷却塔中にＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流を導く前にＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流にＯ２を添加することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項16】
前記第２の直接接触冷却塔中にＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流の少なくとも一部を導く前に、ＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流が前記動力生産サイクル中で圧縮機を利用して圧縮される、請求項１３に記載の方法。
【請求項17】
ＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流が前記動力生産サイクル中に戻される再循環部分と前記第２の直接接触冷却塔に導かれる純生成部分とに分割される、請求項１３に記載の方法。
【請求項18】
動力サイクル生成物流から酸性ガスを除去するためのシステムであって、
動力サイクルの構成要素からＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する動力サイクル生成物流を送達するように構成された伝達要素と、
ＳＯ２の少なくとも一部がそこから除去されかつＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流が第１の直接接触冷却塔から出力されるような反応条件下で前記動力サイクルの前記構成要素からＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記動力サイクル生成物流を受け取るように構成された第１の直接接触冷却塔と、
前記第１の直接接触冷却塔から上流のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する前記動力サイクル生成物流にＮＯｘを添加するように構成されたＮＯｘ源と、
前記第１の直接接触冷却塔から液体流を受け取りかつ前記第１の直接接触冷却塔に前記液体流の少なくとも一部を再循環させるように構成された、前記第１の直接接触冷却塔と流体連通する第１の再循環ポンプと、
前記動力サイクルの構成要素にＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流の少なくとも一部を送達するように構成された伝達要素と
を含む、システム。
【請求項19】
ＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流中のＮＯ２の少なくとも一部がそこから除去されかつＣＯ２を含有する流れが第２の直接接触冷却塔から出力されるような反応条件下で前記第１の直接接触冷却塔からＣＯ２およびＮＯｘを含有する前記リサイクル流の少なくとも一部を受け取るように構成された第２の直接接触冷却塔と、
前記第２の直接接触冷却塔から液体流を受け取りかつ前記第２の直接接触冷却塔に前記液体流の少なくとも一部を再循環させるように構成された、前記第２の直接接触冷却塔と流体連通する第２の再循環ポンプと
をさらに含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項20】
前記第２の直接接触冷却塔から上流にかつ前記第１の直接接触冷却塔から下流に位置するＯ２入力をさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項21】
前記第２の直接接触冷却塔から上流にかつ前記第１の直接接触冷却塔から下流に位置する圧縮機をさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、動力発生サイクルから生成物を除去するためのシステムおよび方法を対象とする。具体的には、高圧再循環作動流体を利用する動力発生サイクルから酸性ガス汚染物質を除去するシステムおよび方法が提供される。
【背景技術】
【0002】
二酸化炭素を作動流体として用いる化石燃料（複数可）の燃焼を利用する発電のためのシステムおよび方法は米国特許第８，５９６，０７５号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。見積もりによれば、化石燃料（複数可）は、非炭素電源が開発および配備されながらも、今後１００年間は世界の電力需要の大部分を引き続き提供することが示されている。化石燃料（複数可）および／または適切なバイオマスなどの炭化水素燃料の燃焼による発電の既知の方法は、しかしながら、エネルギーコストの上昇ならびに二酸化炭素（ＣＯ２）の生成および排出を減少させたいという要望によって制限される。地球温暖化は、先進国および発展途上国によるＣＯ２排出量増加の潜在的な致命的結果とますます見なされている。太陽光および風力発電は、近い将来では、化石燃料（複数可）および／または他の炭化水素燃料の燃焼から発電された電力に取って代わることが恐らくできない。さらに、原子力発電には、核物質の拡散および核廃棄物の処分を含む危険が伴う。
【0003】
上記のように燃焼から生産される電力は、現在、隔離場所への送達、石油回収作業の強化、および／または再利用のための一般的なパイプライン注入のための高圧ＣＯ２の捕捉に対する要望をますます課せられている。ＣＯ２の捕捉に対するこの要望は、高効率コンバインドサイクルプラントなどの現在の発電システムおよび方法では達成することが困難であり；ＣＯ２を捕捉するために発生する寄生負荷は、非常に低い熱効率をもたらし得る。さらに、所望のレベルのＣＯ２捕捉を達成するための資本コストは高い。これらを含む複雑さは、大気にＣＯ２を排出するシステムと比較して、著しく高い電気コスト（例えば、５０～７０％の増加）をもたらす。ますます温暖化する地球および／または炭素排出の負担は、環境および発電の経済に致命的な影響を与える可能性がある。したがって、ＣＯ２を捕捉することによるＣＯ２排出量の低減を伴う高効率発電を提供するシステムおよび方法のニーズが当該技術分野において存在し、それはより低い電気コスト、ならびに捕捉されたＣＯ２の隔離および貯蔵の容易さの改善を提供し得る。
【0004】
ＣＯ２再捕捉の熱力学的負荷を克服する１つの手法は、パイプライン注入に適した圧力を有する実質的に純粋なＣＯ２作動流体を用いる高効率動力発生サイクルである。この手法は、再循環遷移臨界、超臨界、および／または超々臨界作動流体を用いる設計により、次第に支持を得ている。これらの作動流体は、主に酸素燃焼形成ＣＯ２を含み、動力発生サイクル内の地点で、パイプライン注入に適した圧力および温度と一致する動作ウィンドウ中に維持される。これらの一致する地点では、ＣＯ２は、パイプラインおよび／またはそのような高圧でありかつ精製されたＣＯ２を必要とする下流の再利用プロセスへと動力発生サイクルから安全に排気されてよく、一方で動力発生サイクル内で高い効率を依然として維持する。
【0005】
そのような動力発生サイクルの１つは、炭化水素燃料の酸素燃焼を利用してブレイトン式動力発生サイクル中で完全復熱式の遷移臨界二酸化炭素作動流体に動力を供給してよく、これは前述の米国特許第８，５９６，０７５号に開示されている。様々な態様では、動力発生サイクルは、本質的に、所望の隔離またはパイプライン圧力を有する炭化水素燃料の燃焼から形成されるＣＯ２の実質的に１００％を捕捉する。さらに、捕捉されたＣＯ２は実質的に高純度である。可燃性燃料として天然ガスが使用される態様では、そのような動力発生サイクルは、一般的なコンバインドサイクルシステムで得られる効率と実質的に同等の熱効率を、３００バール以下および３００バール超の圧力でＣＯ２を捕捉する効率を低下させることなく達成できる。特に、利用される可燃性燃料が、天然ガスなどの、低濃度の硫黄および窒素を含有する場合、サイクルから生成されるＣＯ２は、追加の後処理ステップをほとんどまたは全く伴わずに、要求されるモル純度でＣＯ２パイプラインに排気されてよい。
【0006】
様々な等級の石炭、石油コークス、瀝青またはバイオマスなどの固体燃焼燃料は、高濃度の硫黄、窒素、および他の燃料由来の不純物を含有し得る。そのような燃料が利用される場合、それらを高圧ガス化装置中で実質的に純粋な酸素でまずガス化して燃料ガスを生成しなければならない。次いで、燃料ガスは、あらゆる残りの粒子を取り除かれ、冷却され、所要の燃焼圧力に圧縮され、その後、酸素－燃料燃焼のための動力発生サイクルの燃焼器に導入される。さらに、高濃度の硫黄含有化合物を含有する酸性天然ガスを利用できる。硫黄および窒素含有化合物などの燃料由来の不純物は、酸化の前に燃料ガスから除去されない。したがって、燃料ガスは、一次燃料源に応じて、Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ２、ＮＨ３、ＨＣＮ、Ｈｇ、および他の微量成分を含み得る相当な濃度の不純物を保持する。
【0007】
燃料ガスの酸素燃料型燃焼は、比較的純粋なＣＯ２流、ある量の水（Ｈ２Ｏ）、および分子状酸素（Ｏ２）を含み得るなんらかの残留燃焼後化合物を生成する。空気分離ユニットを動力発生サイクルで利用する場合、比較的低濃度の分子状窒素（Ｎ２）およびアルゴン（Ａｒ）が存在してよく、任意に設計された空気侵入に由来する窒素もまた存在してよい。さらに、残存する酸化剤により硫黄および窒素含有化合物の他の酸化反応が起こってもよく、それは意図的に過剰に維持されてよい。この酸化はいくつかの不純物の形成をもたらし得、それらは一次燃料または部分酸化プロセスのいずれかに由来し、酸素－燃料燃焼器および／または動力発生サイクルの他の高温領域で生成される。不純物は、二酸化硫黄（ＳＯ２）および三酸化硫黄（ＳＯ３）などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）を含み得、それらは燃料由来の硫黄が高温で酸化されるときに形成される。他の不純物は、一酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ２）などの窒素化合物（ＮＯｘ）を含み得、それらは燃料中に含有される窒素化合物および／またはシステムシールを通って入る空気由来の窒素が高温で酸化されるときに主として形成される。さらに、酸化の間にＨｇなどの他の微量不純物が形成され得る。これらの硫黄および窒素の酸化化合物は、それらが酸性雨を生成する主要な触媒であるため環境規制を受ける「酸性ガス」であることが知られており、それらの水相で存在するときに設備を腐食し得、したがって、動力発生サイクルの少なくともいくつかの部分において、特定の閾値限界未満に酸化化合物を除去するおよび／または維持する必要がある。これらの酸化成分は、これらの有毒な不純物の大気への放出を防止し、かつ内部プロセス設備を保護するために、動力発生サイクルから除去されるべきである。したがって、高濃度の硫黄および窒素を生成する燃焼由来ガスは、再循環および／または排気の前に後処理プロセスを必要とする。
【0008】
燃焼の前に燃料から硫黄および／もしくは窒素を除去する（すなわち、燃焼前除去プロセス）ための、または動力発生サイクルの最後で放出されるプロセスガスから微量酸性ガスを除去する（すなわち、燃焼後除去プロセス）ためのいくつかのプロセスが存在するが、遷移臨界、超臨界、および／または超々臨界作動流体を用いる動力発生サイクルの再循環設計を有利に利用する除去プロセスが必要とされている。そのような除去システムは、燃料中の炭素に対するリサイクルされたＣＯ２濃度の所望の比率で動力発生サイクル中へＣＯ２のリサイクルを有利に提供し得る。そのような動力発生サイクルは、リサイクルＣＯ２作動流体流および／または生成物ＣＯ２流中の制御された低濃度の不純物を理想的にもたらす。不純物は、効率的な持続可能な処分および内部設備の保護を可能にする形態で除去され得る。そのような除去プロセスは、冷却、凝縮、およびリサイクルされた作動流体からの汚染物質除去などの、半閉ループプロセス内のいくつかのプロセスニーズを理想的に満たし、構築および維持が比較的安価であり、寄生ペナルティが低く、かつ単純な制御および運用戦略を用いる。
【0009】
参照によりその全体が本明細書に組み込まれるＡｌｌａｍらの米国特許第８，５８０，２０６号は、分子状酸素および水の存在下で高圧でのガス状ＣＯ２からのＳＯ２および／またはＮＯｘの除去の方法を開示する。具体的には、反応物の分圧が高い状態で一酸化窒素（ＮＯ）が酸化されて二酸化窒素（ＮＯ２）を形成する一連の気相および／または液相の反応ステップを利用するプロセスが提供される。この酸化プロセスは、反応シーケンスの全体の速度を制御し得る。ＮＯ２は次いで二酸化硫黄（ＳＯ２）を酸化して三酸化硫黄（ＳＯ３）を形成し、ＮＯ２は還元されてＮＯに戻る。ＳＯ３は次いで液体水中に溶解して硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を形成する。最終的な結果は、ＮＯｘを触媒として使用するＳＯ２のＨ２ＳＯ４への変換である。一連の反応は、下記の式によって記述される。
【表1】
実験データは理論的な反応計算を確認し、それはＮＯｘ濃度が１００ｐｐｍ超であり、圧力が約１０ｂａｒ超であり、かつ酸素分圧が約０．１バール以上である場合、ＳＯ２濃度を、１０秒未満で非常に低いレベル（例えば、５０ｐｐｍ（モル）未満）に低減できることを示した。例えば、Ｍｕｒｃｉａｎｏ， Ｌ．， Ｗｈｉｔｅ， Ｖ．， Ｐｅｔｒｏｃｅｌｌｉ， Ｆ．， Ｃｈａｄｗｉｃｋ， Ｄ．， “Ｓｏｕｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｓｏｘ ａｎｄ ＮＯｘ ｆｒｏｍ ｏｘｙｆｕｅｌ－ｄｅｒｉｖｅｄ ＣＯ２，” Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｃｅｄｉａ ４ （２０１１） ｐｐ． ９０８－９１６、およびＷｈｉｔｅ， Ｖ．， Ｗｒｉｇｈｔ， Ａ．， Ｔａｐｐｅ， Ｓ．， ａｎｄ Ｙａｎ， Ｊ．， “Ｔｈｅ Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖａｔｔｅｎｆａｌｌ Ｏｘｙｆｕｅｌ ＣＯ２ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｉｌｏｔ Ｐｌａｎｔ ａｔ Ｓｃｈｗａｒｚｅ Ｐｕｍｐｅ，” Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｃｅｄｉａ ３７ （２０１３） １４９０－１４９９を参照されたい。これらは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0010】
さらに、米国特許第８，５８０，２０６号は、蒸気を生産する酸素－燃料動力ボイラによってもたらされるＣＯ２を主に含む流れ中の、ＳＯ２および／またはＮＯｘを含み得る１つまたは複数の混入物を除去するための、この既知の一連の反応の使用を開示する。具体的には、システムは、微粉炭焚き蒸気ボイラおよび、純生成物ＣＯ２リッチ流を除いて、実質的に全ての煙道ガスをリサイクルする酸素－燃料燃焼システムを含む。煙道ガスは純粋なＯ２酸化剤流と混合され石炭焚き燃焼器に供給され、その結果、燃焼器断熱火炎温度に少なくとも部分的に基づいて、ＮＯｘの濃度が平衡レベルに強制的に達する。燃焼器断熱火炎温度は、煙道ガスＮＯｘ濃度について平衡状態付近にほぼ達するのに十分に高くてよい。動力生産における出力流から汚染物質、特に酸性ガスを除去するためのシステムおよび方法に対するさらなるニーズが当該技術分野において依然として存在する。
【発明の概要】
【0011】
本発明は、様々な態様において、動力発生サイクルから汚染物質を除去するための方法およびシステムに関する。具体的には、本開示の様々な態様は、動力発生サイクルから酸性ガス汚染物質を除去するためのシステムを提供してよく、それは、直列の高効率燃焼器およびタービン、ならびに高圧再循環作動流体（例えば、再循環するＣＯ２作動流体）の流れを含む。システムは、高圧再循環作動流体を冷却するように構成された第１の直接接触冷却塔（例えば、直接接触反応器物質移動カラム）を含む。第１の直接接触冷却塔は、冷却された高圧再循環作動流体からＳＯ２を除去する流体流を凝縮するようにさらに構成される。別の態様では、第１の直接接触冷却塔は、冷却された高圧再循環作動流体からＳＯ２および必要に応じてのＮＯｘの一部を除去する流体流を凝縮するように構成されてよい。システムはまた、第１の直接接触冷却塔と流体連通する第１の再循環ポンプも含む。さらに、第１の直接接触冷却塔への出口は、冷却されたＣＯ２生成物流を分配するように構成される。システムはまた、第１の直接接触冷却塔の出口から冷却されたＣＯ２生成物流の少なくとも一部を受け取るように構成された第２の直接接触冷却塔（例えば、直接接触反応器物質移動カラム）も含む。いくつかの態様によれば、第２の直接接触冷却塔は、冷却されたＣＯ２生成物流が動力発生システムの圧縮機および／またはポンプを通って循環した後に、冷却されたＣＯ２生成物流の少なくとも一部を受け取るように構成されてよい。第２の直接接触冷却塔は、ＣＯ２生成物流を冷却し、冷却されたＣＯ２生成物流からＮＯＸおよび／またはあらゆる残留ＳＯＸを除去する流体流を凝縮する。第２の再循環ポンプは、第２の直接接触冷却塔と流体連通する。
【0012】
別の態様では、動力発生サイクルから汚染物質を除去するための方法、具体的には、直列の高効率燃焼器およびタービンならびに高圧再循環作動流体（例えば、再循環ＣＯ２作動流体）の流れを利用する動力発生サイクルから酸性ガス汚染物質を除去するための方法が提供される。方法は、第１の直接接触冷却塔に導入される高圧再循環作動流体中のＮＯｘの濃度を制御することを含む。さらに、方法は、第１の直接接触冷却塔内で高圧再循環作動流体を冷却することを含む。方法は、第１の直接接触冷却塔内で冷却された高圧再循環作動流体からＳＯ２を除去するように構成された流体流を凝縮することを含んでもよい。方法はまた、冷却された高圧再循環作動流体を第１の直接接触冷却塔からＣＯ２生成物流として抽出すること、およびＣＯ２生成物流をリサイクル再循環作動流体流と純ＣＯ２生成物流とに分割することを含んでもよい。方法は、純ＣＯ２生成物流を第２の直接接触冷却塔に供給することを含む。さらに、方法は、純水流を第２の直接接触冷却塔に供給することを含んでもよい。様々な態様において、方法は、第２の直接接触冷却塔内で純ＣＯ２生成物流を冷却すること、ならびに第２の直接接触冷却塔内の冷却された純ＣＯ２生成物流からＮＯｘおよび／またはあらゆる残留ＳＯｘを除去する流体流を凝縮することを含む。方法はまた、第２の直接接触冷却塔から精製されたＣＯ２生成物流を抽出することも含む。
【0013】
一態様では、高圧再循環流体は、再循環ＣＯ２作動流体および複数の燃焼生成物を含む高圧高温の流体流が生成されるように、燃焼用の燃料および酸化剤と共に燃焼器に導入されてよい。燃焼生成物と再循環ＣＯ２作動流体とのこの混合物は、ＮＯＸおよびＳＯ２などの酸性ガス、ならびに水銀（Ｈｇ）などの他の微量不純物を含んでもよい。得られる流体流は、タービンなどの動力発生装置中に導入されてよく、タービン排出ガスを冷却しながら流入する高圧再循環ＣＯ２作動流体を加熱する復熱式熱交換器を介する、流入する流れへの高温熱回収がこれに続く。
【0014】
一態様では、動力発生サイクルでの排気前に、再利用および／または三次採油のための井戸へのＣＯ２の注入のために許容可能な隔離および／またはパイプライン生成物の仕様を満たすために、燃焼由来の水および／または酸性ガス汚染物質、例えばＳＯ２およびＮＯｘなどが除去されてよい。リサイクルされるＣＯ２再循環作動流体流からのＳＯ２および／またはＮＯｘの除去は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）および／または硝酸（ＨＮＯ３）などの腐食性水性酸の形成によって引き起こされる腐食からシステム構成要素をさらに保護し得る。
【0015】
いくつかの態様によると、復熱式熱交換器から出るＣＯ２作動流体を、凝縮水を除去するのに十分に低い温度に冷却すること、およびリサイクルＣＯ２作動流体を所望の高い再循環圧力に効率的に圧縮およびポンピングすることが望ましい場合がある。さらに、燃焼サイクルから形成されたＣＯ２を、本明細書に記載されるような所望の純度仕様を有するＣＯ２生成物流として除去することが望ましい場合がある。
【0016】
いくつかの態様では、システムは、２つの気／液多段接触装置（例えば、直接接触反応器物質移動カラム）を含んでよい。第１の直接接触反応器物質移動カラムは、直接接触ＣＯ２ガス冷却器および酸性ガス除去装置として機能してよい。第１のカラムは一次再循環プロセス内に埋め込まれてよく、ここでより低圧のＣＯ２流中の残存水蒸気の大部分が、ＣＯ２ガスが大気温度付近に冷却されるときに凝縮される。本明細書に記載の触媒ガスと液相との反応は、この第１のカラム内で起こり得る。具体的には、触媒反応は、少なくとも０．１バールの分圧を有する過剰の酸素が存在し、かつ相当な濃度のＮＯｘ（すなわち、少なくとも１００ｐｐｍ）が存在する場合に起こり得る。さらに、触媒反応は、ガスと液体水と間の接触のレベルが十分であり、ＳＯ２のＨ２ＳＯ４への変換を含む反応が進行して完了するのに適した滞留時間が提供される場合に、第１のカラムで起こり得る。
【0017】
いくつかの態様によると、第２の直接接触反応器物質移動カラムは、再循環プロセスから連続的に排気される純ＣＯ２生成物流の処理を提供してよい。純ＣＯ２生成物流は、約５０ｐｐｍ未満のＳＯ２濃度を有してよい。さらに、純ＣＯ２生成物流は、高いＮＯｘ濃度を有してよい。いくつかの態様では、純ＣＯ２生成物流が最終ガス生成物として集められる前に、ＮＯｘ濃度を約２０ｐｐｍ未満に、好ましくは約１０ｐｐｍ未満に低下させることが望ましい場合がある。
【0018】
本開示の様々な態様における重要な要素は、タービン中でおよび復熱式熱交換器排出流中で高濃度のＮＯｘを維持することであり、これは、ＮＯｘの大部分が再循環流体中に保持されなければならないことを意味する。タービンおよび復熱式熱交換排出流中で所望の高濃度のＮＯｘを維持することにより、最小滞留時間で第１の直接接触反応器物質移動カラムにおける一連の触媒ガス反応が完了し得る。いくつかの態様では、適切に低いＳＯ２濃度を有する出口流と、流れからの任意のＮＯｘの除去を抑制するために任意のＮＯｘがＯ２および水と反応する限られた量の時間とを提供するように第１のカラムの反応条件が調整されるので、ＮＯｘの濃度は流れ中で高い所望のレベルに維持される。このように、第１のカラムでＨＮＯ３に変換されるＮＯｘの量は最小限に抑えられる。いくつかの態様では、第１のカラムを出る高圧リサイクルＣＯ２生成物流中の約１０％未満のＮＯｘがＨＮＯ３に変換される。別の態様によれば、第１のカラムを出る高圧リサイクルＣＯ２生成物流中の約５％未満のＮＯｘがＨＮＯ３に変換される。第１のカラムでのＮＯｘのＨＮＯ３への制限された変換は、Ｈ２ＳＯ４を実質的に含む第１のカラムからの第１の出口流、および高濃度のＮＯｘを有する高圧リサイクルＣＯ２流を実質的に含む第１のカラムからの第２の出口流をもたらし得る。
【0019】
いくつかの態様では、動力発生サイクルは、純粋な酸素供給がＣＯ２で希釈されて典型的には約１５％～３５％（モル）のＯ２組成物および約１８００℃～約２５００℃の範囲で断熱燃焼温度をもたらす燃料燃焼区域での追加のＮＯｘの生産を提供してよい。リサイクルＣＯ２作動流体流は次いで燃焼器中の燃焼生成物と混合されて約１１５０℃の典型的な混合温度を提供してよく、それは混合タービン入口流中でＮＯｘの著しい形成または破壊をもたらさない。混合タービン入口流中でのＮＯｘの著しい形成および／または破壊のこの欠如は本開示の様々な態様の１つの特徴であり、それは作動流体としてＣＯ２を利用する動力発生サイクルを特に対象とする。そのような動力発生サイクルは多量の予熱された高圧ＣＯ２をリサイクルし、それは燃焼後および混合流がパワータービンに入る前に燃焼生成物と混合する。
【0020】
本明細書に記載された様々な態様は、リサイクルＣＯ２流中のＮＯｘの濃度の独立した制御を提供する。ＮＯｘ濃度のこの独立した制御は、第１の直接接触反応器物質移動カラムにおける接触滞留時間およびサイズの最小化を可能にし、それにより、低圧ＣＯ２流中のＮＯｘの濃度を実質的に一定に維持し、石炭焚き動力発生サイクルについて約３％～２０％などのわずかな量のみが、第１の直接接触反応器物質移動カラム中で純ＣＯ２生成物流から除去される硝酸として失われる。少量のＮＯｘの損失は、動力サイクル燃焼器中で形成される少量のＮＯｘによって、および／またはいくつかの態様では、触媒上のアンモニア酸化を利用し得るＮＯｘ発生器によって補われてよい。タービンを通過することにより、ＮＯｘの濃度の変化なしに、約７５０℃への温度低下ももたらし得る。第２の接触器において硝酸を形成する既知の一連の反応は以下の通りである。
【表2】
【0021】
第２の直接接触反応器物質移動カラムを出る生成ガスは、したがって実質的にＳＯ２およびＮＯｘを含まない。いくつかの態様において、Ｈ２ＳＯ４は、連続撹拌槽反応器中でＨ２ＳＯ４を石灰石と反応させることにより、硫酸カルシウム二水和物（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）で構成される軟質硫酸塩鉱物である石膏に容易に変換でき、これは脱水後の商業利用または廃棄のための非浸出性の固体石膏生成物の形成をもたらす。比較的高濃度の硝酸を有する第２のカラムは、水銀を硝酸で硝酸水銀に直接変換することによって水銀を除去し得る。
【0022】
本開示の様々な態様は、リサイクルされたＣＯ２を作動流体として利用する動力発生サイクルのパワータービンから出る全燃焼生成物からある量のＳＯ２を分離するための、一連の既知の反応の利用を提供する。一態様は、実質的にＳＯ２混入のない動力発生サイクルの復熱器熱交換器に入る高圧リサイクルＣＯ２流を提供してよい。別の態様は、ＳＯ２およびＮＯｘの両方の混入が実質的にない動力発生サイクルからの生成物ＣＯ２流を提供してよい。さらに、動力発生サイクルからの生成物ＣＯ２流は、一次燃料に由来する水銀を実質的に含まなくてよい。
【0023】
本開示の態様は、再循環する、復熱式の、酸素燃焼、遷移臨界ＣＯ２動力発生サイクルが、増加した硫黄、窒素および／または他の燃料由来の不純物を含有する燃料を利用すること、およびこれらの不純物を実質的に完全に除去した状態で動作することを可能にする、汚染物質を除去するためのシステムを提供する。これらの汚染物質の実質的に完全な除去は、他のプロセス／サイクルの目的を果たすための効率的な機能性を提供しながら、内部プロセス設備を保護し、かつＳＯ２、ＮＯｘ、Ｈｇおよび／または他の不純物を実質的に含まない生成物ＣＯ２流を最終的に提供する。
【0024】
さらに別の態様によれば、ＳＯ２ならびに窒素酸化物ＮＯおよびＮＯ２を動力発生システムから除去するための方法が提供される。動力発生システムは、燃焼器を有する復熱ブレイトンサイクルでの作動流体としてＣＯ２を使用してよく、燃焼器内では少なくともＨ２Ｓ、ＮＨ３、ＨＣＮＨ２および／またはＣＯＣＨ４を含有するガス状燃料を純粋なＯ２と共に燃焼させ、続いて燃焼ガスを混合し、それはここでは酸化された成分のＳＯ２および／またはＮＯを含有し、より低温のＣＯ２リサイクル流を伴い、これはブレイトン動力サイクルの復熱式熱交換器で加熱される。混合流は次いで、復熱式熱交換器を通して排出する動力生産タービンを通過し、したがってＣＯ２リサイクル流を加熱する。ＳＯ２の除去は、ＮＯとＯ２との反応によりＮＯ２を形成し、その後ＮＯ２とＳＯ２との反応によりＳＯ３を形成しかつＮＯを再生し、その後ＳＯ３とＨ２Ｏとの反応によりＨ２ＳＯ４を形成することにより達成され得る。ＳＯ２の除去に続くＮＯおよびＮＯ２の除去は、ＮＯをＯ２で酸化してＮＯ２を形成し、ＮＯと水を反応させてＨＮＯ２および／またはＨＮＯ３を形成し、その後ＨＮＯ２をＨＮＯ３およびＮＯと水へ変換することにより達成され得る。方法は、第１の気／液多段接触ユニット中でＳＯ２除去反応を実施することによって特徴付けられてよく、そこでＳＯ２レベルが約５０ｐｐｍ未満に低減され、かつ供給物流中のＮＯの約１０％未満が硝酸に変換される。別の態様では、方法は、第１の気／液多段接触ユニット中でＳＯ２除去反応を実施することによって特徴付けられてよく、そこでＳＯ２レベルが約５０ｐｐｍ未満に低減され、かつ供給物流中のＮＯの約５％未満が硝酸に変換される。さらに、方法は、第１の液／気多段接触ユニット中でのＳＯ２の除去および硝酸の損失が要求される値に維持されることを可能にするレベルで、第１の液／気多段接触ユニットへのＣＯ２供給物中の制御された窒素酸化物濃度を維持することをさらに含んでよい。方法は、燃焼器のＮＯｘ形成から新鮮なＮＯを添加することによって第１の液／気多段接触ユニットへの入口における窒素酸化物濃度を制御すること、および外部供給源から追加の窒素酸化物を添加することならびに蓄積効果を介して窒素酸化物濃度を所望の値に上昇させることをさらに含んでよい。方法はまた、タービン排気中の窒素酸化物濃度を維持することおよび制御することを含んでもよく、これは、燃焼器を出入りするＮＯｘ量の変化が５％未満となるように、冷却後に、約５００℃～約８００℃の温度で高圧ＣＯ２リサイクル流を燃焼生成物と混合して約９００℃～約１２００℃のタービン入口での混合温度をもたらすことによって、第１の液／気多段接触ユニットへの入口流を形成する。方法は、第１の液／気多段接触ユニットを出るガス流から純ＣＯ２生成物流を取り出すこと、および純ＣＯ２生成ガスからの窒素酸化物の約２５ｐｐｍ未満への除去を可能にするのに十分に長い滞留時間を有する第２の向流気／液接触器に純ＣＯ２生成物流を通過させることをさらに含んでもよい。方法は、各接触ユニット／接触器にポンプおよび冷却器を含む液体ポンプを提供することをさらに含んでもよく、それは各接触ユニット／接触器に還流液体流を提供する。方法はまた、所望の低レベルのＨＮＯ３形成によりＳＯ２の所望の除去を達成するように、第１の液／気多段接触ユニットにおける反応を制御するために、第１の液／気多段接触ユニットに対し変化する液体還流速度と変化する窒素酸化物入口濃度との組み合わせを使用することを含んでもよい。方法はまた、純ＣＯ２生成物流中の所望の低濃度の窒素酸化物を達成するように、第２の向流気／液接触器における還流速度を制御することを含んでもよい。
【0025】
１つまたは複数の実施形態では、本開示による方法は、特に、動力サイクル生成物流から酸性ガスを除去することを対象とし得る。動力生産サイクル流は、リサイクルＣＯ２作動流体を利用する動力生産サイクルからの流れであり得、流れは、特に、動力生産のために任意に膨張された、および／または任意に復熱器熱交換器を通過させてその温度を低下させた、燃焼生成物流であり得る。適切な動力生産サイクル（システムおよびその使用方法の両方を含む）は、Ｐａｌｍｅｒらの米国特許第９，０６８，７４３号、Ａｌｌａｍらの米国特許第９，０６２，６０８号、Ｐａｌｍｅｒらの米国特許第８，９８６，００２号、Ａｌｌａｍらの米国特許第８，９５９，８８７号、Ｐａｌｍｅｒらの米国特許第８，８６９，８８９号、Ａｌｌａｍらの米国特許第８，７７６，５３２号、およびＡｌｌａｍらの米国特許第８，５９６，０７５号に記載されており、これらの開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【0026】
いくつかの実施形態では、本開示による方法は、以下の、
動力生産サイクルを実行するステップと、
動力生産サイクルからＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流を第１の直接接触冷却塔に導くステップと、
第１の直接接触冷却塔中のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流を第１の向流循環水性液体流と接触させるステップと、
水性液体流の存在下で生成物流中のＳＯ２とＮＯ２との間の反応を介して第１の直接接触冷却塔中の生成物流中に存在するＳＯ２の少なくとも一部を除去するステップと、
第１の直接接触冷却塔からＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を取り出すステップと、
ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を動力生産サイクルに戻すステップと
を含み得る。
【0027】
１つまたは複数の実施形態では、上記の方法は、以下の記述の１つまたは複数を包含し得、記述は任意の数および順序で組み合わされ得る。
【0028】
第１の向流循環水性液体流はＨ２ＳＯ４を含み得る。例えば、第１の向流循環水性液体流は、その中にＨ２ＳＯ４含有量を含む水の流れであり得る。
【0029】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流は、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流の全質量に基づいて、少なくとも１０ｐｐｍのＮＯｘを含有し得る。本明細書でさらに記載するように、生成物流は、第１の直接接触冷却塔でのＳＯ２の除去を促進するために、少なくともＮＯｘのこの含有量を好ましくは含む。
【0030】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流は、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流の全質量に基づいて、少なくとも１５ｐｐｍ、少なくとも２０ｐｐｍ、または少なくとも２５ｐｐｍのＮＯｘを含有し得る。そのような範囲は、さらなる反応条件に基づいて計算されてよい上限を含むと理解される。例えば、上限は、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流の全質量に基づいて、２００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、または５０００ｐｐｍであり得る。
【0031】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流は、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流の全質量に基づいて、約１０ｐｐｍ～約１０００ｐｐｍ、約１２ｐｐｍ～約７５０ｐｐｍ、または約１５ｐｐｍ～約５００ｐｐｍのＮＯｘを含有し得る。必要に応じて、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流の全質量に基づいて、約１０ｐｐｍ～約１５０ｐｐｍまたは約１０ｐｐｍ～約１００ｐｐｍのＮＯｘの範囲などの、より狭い範囲が利用されてもよい。
【0032】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘ濃度は、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘの５０質量％未満が第１の直接接触冷却塔においてＨＮＯ３に変換されるような範囲内で制御され得る。上記ＮＯｘ濃度範囲は、第１の直接接触冷却塔でのＮＯｘのＨＮＯ３への過剰な変換を防止するために特に有用であり得る。好ましくは、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘの２５質量％未満、２０質量％未満、１５質量％未満、１０質量％未満、５質量％未満、または１質量％未満が、第１の直接接触冷却塔でＨＮＯ３に変換される。いくつかの実施形態では、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘは、第１の直接接触冷却塔でＨＮＯ３に実質的に変換されない。そのような実施形態では、「実質的にない」は、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘの０～０．５質量％を含むことが理解される。
【0033】
第１の直接接触冷却塔から取り出されるＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流は、第１の直接接触冷却塔に導入されるＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中に存在するＮＯｘの少なくとも９０質量％を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の直接接触冷却塔から取り出されるＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流は、第１の直接接触冷却塔に導入されるＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中に存在するＮＯｘの少なくとも５０質量％、少なくとも７５質量％、少なくとも９０質量％、少なくとも９５質量％、少なくとも９８質量％、または少なくとも９９質量％を含み得る。
【0034】
第１の直接接触冷却塔から取り出されるＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流は実質的にＳＯ２を含まないことがあり得、ここでＳＯ２を「実質的に含まない」は、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の全質量に基づいて５ｐｐｍ未満などの、微量を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の直接接触冷却塔から取り出されるＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流は、ＳＯ２を、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の全質量に基づいて１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、または１５ｐｐｍ未満の量で含有し得る。
【0035】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘ濃度は、第１の直接接触冷却塔から上流にＮＯｘを添加することによって調整され得る。例えば、ＮＯｘは、第１の直接接触冷却塔から上流の燃焼器中で燃料および酸化剤と窒素源を組み合わせることによって、第１の直接接触冷却塔から上流に添加され得る。さらなる例として、ＮＯｘは、第１の直接接触冷却塔から上流のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流に直接添加され得る。より具体的には、第１の直接接触冷却塔から上流のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流に直接添加されるＮＯｘは、触媒反応器中などで、アンモニアから生成され得る。しかしながら、十分な量の窒素を含有する燃料の利用により、ＣＯ２、ＳＯｘ、ＮＯｘを含有する生成物流中でＮＯｘの適切な量が達成されることが理解される。
【0036】
ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘ濃度は、第１の直接接触冷却塔から液体生成物流を受け取りかつ第１の直接接触冷却塔に液体生成物流を再循環させるように構成された第１の再循環ポンプからの排出フローを増加するまたは減少することによって調整され得る。
【0037】
方法は、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流中のＮＯｘの少なくとも一部が動力生産サイクル中に戻されるように構成され得る。
【0038】
ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流は、動力生産サイクル中に戻される再循環作動流体流と純ＣＯ２生成物流とに分割され得る。
【0039】
方法は、以下の
ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を第２の直接接触冷却塔中に導くステップと、
第２の直接接触冷却塔中のＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を第２の向流循環水性液体流と接触させ、ＮＯ２と水との間の反応を介して第２の直接接触冷却塔中のＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流からＮＯ２の少なくとも一部を除去するステップと、
第２の直接接触冷却塔からＣＯ２を含有する流れを取り出すステップと
をさらに含み得る。
【0040】
第２の向流循環水性液体流はＨＮＯ３を含み得る。
【0041】
方法は、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を第２の直接接触冷却塔中に導く前に、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流にＯ２を添加することをさらに含み得る。
【0042】
方法は、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を第２の直接接触冷却塔中に導く前に、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を圧縮することをさらに含み得る。
【0043】
ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を第２の直接接触冷却塔中に導く前に、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流は、動力生産サイクルにおいて圧縮機を利用して圧縮され得る。
【0044】
ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流は、動力生産サイクル中に戻される再循環部分と第２の直接接触冷却塔に導かれる純生成部分とに分割され得る。
【0045】
上記から明らかなように、本開示は、動力サイクル生成物流から酸性ガスを除去するように構成されたシステムにさらに関する。
そのようなシステムは、本明細書に記載の方法による使用に適していると記載される任意の要素を含み得る。
１つまたは複数の実施形態では、本開示によるシステムは、以下の、
動力サイクルの構成要素からＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する動力サイクル生成物流を送達するように構成された伝達要素と、
ＳＯ２の少なくとも一部がそこから除去されかつＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流が第１の直接接触冷却塔から出力されるような反応条件下で動力サイクルの構成要素からＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する動力サイクル生成物流を受け取るように構成された第１の直接接触冷却塔と、
第１の直接接触冷却塔から液体流を受け取りかつ第１の直接接触冷却塔に液体流の少なくとも一部を再循環させるように構成された、第１の直接接触冷却塔と流体連通する第１の再循環ポンプと、
ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を動力サイクルの構成要素に送達するように構成された伝達要素と
を含み得る。
【0046】
１つまたは複数の実施形態では、上記のシステムは、以下の記述の１つまたは複数を包含し得、記述は任意の数および順序で組み合わされ得る。
【0047】
システムは、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流中のＮＯ２の少なくとも一部がそこから除去されかつＣＯ２を含有する流れが第２の直接接触冷却塔から出力されるような反応条件下で第１の直接接触冷却塔からＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を受け取るように構成された第２の直接接触冷却塔をさらに含み得る。
【0048】
システムは、第２の直接接触冷却塔から液体流を受け取りかつ第２の直接接触冷却塔に液体流の少なくとも一部を再循環させるように構成された、第２の直接接触冷却塔と流体連通する第２の再循環ポンプをさらに含み得る。
【0049】
システムは、第２の直接接触冷却塔から上流に位置しかつ第１の直接接触冷却塔から下流に位置するＯ２入力をさらに含み得る。
【0050】
システムは、第２の直接接触冷却塔から上流に位置しかつ第１の直接接触冷却塔から下流に位置する圧縮機をさらに含み得る。
【0051】
本発明は以下の実施形態を含むが、これらに限定されない。
【0052】
実施形態１：動力サイクル生成物流から酸性ガスを除去するための方法であって、動力生産サイクルを実行することと；動力生産サイクルからＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流を第１の直接接触冷却塔中に導くことと；第１の直接接触冷却塔中のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流を第１の向流循環水性液体流と接触させることと；水性液体流の存在下で生成物流中のＳＯ２とＮＯ２との間の反応を介して第１の直接接触冷却塔中の生成物流中に存在するＳＯ２の少なくとも一部を除去することと；第１の直接接触冷却塔からＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を取り出すことと；ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を動力生産サイクル中に戻すこととを含む、方法。
【0053】
実施態様２：第１の向流循環水性液体流がＨ２ＳＯ４を含む、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0054】
実施形態３：ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流が、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流の全質量に基づいて少なくとも１０ｐｐｍのＮＯｘを含有する、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0055】
実施形態４：ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘ濃度が、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘの５０質量％未満が第１の直接接触冷却塔においてＨＮＯ３に変換されるような範囲内に制御される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0056】
実施形態５：第１の直接接触冷却塔から取り出されるＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流が、第１の直接接触冷却塔中に導入されるＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中に存在するＮＯｘの少なくとも９０質量％を含む、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0057】
実施形態６：第１の直接接触冷却塔から取り出されるＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流が、実質的にＳＯ２を含まないか、またはＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の全質量に基づいて５０ｐｐｍ未満の量でＳＯ２を含有する、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0058】
実施形態７：ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘ濃度が、第１の直接接触冷却塔から上流にＮＯｘを添加することによって調整される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0059】
実施形態８：ＮＯｘが、第１の直接接触冷却塔から上流の燃焼器中の燃料および酸化剤と窒素源を組み合わせることによって第１の直接接触冷却塔から上流に添加される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0060】
実施形態９：ＮＯｘが、第１の直接接触冷却塔から上流のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流に直接添加される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0061】
実施形態１０：第１の直接接触冷却塔から上流のＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流に直接添加されるＮＯｘが、アンモニアから生成される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0062】
実施形態１１：ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する生成物流中のＮＯｘ濃度が、第１の直接接触冷却塔から液体生成物流を受け取りかつ第１の直接接触冷却塔中に液体生成物流を再循環させるように構成された第１の再循環ポンプからの排出フローを増加するまたは減少することによって調整される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0063】
実施形態１２：ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流中のＮＯｘの少なくとも一部が、動力生産サイクル中に戻される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0064】
実施形態１３：ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流が、動力生産サイクル中に戻される再循環作動流体流と純ＣＯ２生成物流とに分割される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0065】
実施形態１４：ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を第２の直接接触冷却塔中に導くことと；第２の直接接触冷却塔中のＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を第２の向流循環水性液体流と接触させることと；ＮＯ２と水との間の反応を介して第２の直接接触冷却塔中のＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流からＮＯ２の少なくとも一部を除去することと；第２の直接接触冷却塔からＣＯ２を含有する流れを取り出すこととをさらに含む、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0066】
実施態様１５：第２の向流循環水性液体流がＨＮＯ３を含む、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0067】
実施形態１６：ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流を第２の直接接触冷却塔中に導く前に、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流にＯ２を添加することをさらに含む、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0068】
実施形態１７：ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を第２の直接接触冷却塔中に導く前に、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流が、動力生産サイクルにおいて圧縮機を利用して圧縮される、いずれかの先行または後続の実施形態の方法。
【0069】
実施形態１８：ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流が、動力生産サイクル中に戻される再循環部分と第２の直接接触冷却塔に導かれる純生成部分とに分割される、いずれかの先行実施形態の方法。
【0070】
実施形態１９：動力サイクル生成物流から酸性ガスを除去するためのシステムであって、動力サイクルの構成要素からＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する動力サイクル生成物流を送達するように構成された伝達要素と；ＳＯ２の少なくとも一部がそこから除去されかつＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流が第１の直接接触冷却塔から出力されるような反応条件下で動力サイクルの構成要素からＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを含有する動力サイクル生成物流を受け取るように構成された第１の直接接触冷却塔と；第１の直接接触冷却塔から液体流を受け取りかつ第１の直接接触冷却塔に液体流の少なくとも一部を再循環させるように構成された、第１の直接接触冷却塔と流体連通する第１の再循環ポンプと；ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を動力サイクルの構成要素に送達するように構成された伝達要素とを含む、システム。
【0071】
実施形態２０：ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流中のＮＯ２の少なくとも一部がそこから除去されかつＣＯ２を含有する流れが第２の直接接触冷却塔から出力されるような反応条件下で第１の直接接触冷却塔からＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の少なくとも一部を受け取るように構成された第２の直接接触冷却塔と；第２の直接接触冷却塔から液体流を受け取りかつ第２の直接接触冷却塔に液体流の少なくとも一部を再循環させるように構成された、第２の直接接触冷却塔と流体連通する第２の再循環ポンプとをさらに含む、いずれかの先行または後続の実施形態のシステム。
【0072】
実施形態２１：第２の直接接触冷却塔から上流にかつ第１の直接接触冷却塔から下流に位置するＯ２入力をさらに含む、いずれかの先行または後続の実施形態のシステム。
【0073】
実施形態２２：第２の直接接触冷却塔から上流にかつ第１の直接接触冷却塔から下流に位置する圧縮機をさらに含む、いずれかの先行または後続の実施形態のシステム。
【0074】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下で簡単に説明される添付の図面とともに以下の詳細な説明を読むことにより明らかとなるであろう。本発明は、そのような特徴または要素が本明細書の特定の実施形態の説明において明確に組み合わせられるかどうかにかかわらず、上記の実施形態の２、３、４またはそれ以上の任意の組み合わせ、ならびに本開示に記載された任意の２、３、４またはそれ以上の特徴または要素の組み合わせを含む。本開示は、その様々な態様および実施形態のいずれかにおいて、開示された発明の任意の分離可能な特徴または要素が、文脈上他に明確に指示されない限り、組み合わせ可能であることが意図されるとみなされるべきであるように全体的に読み取られることが意図される。
【0075】
上述の一般的な用語で本開示を説明したように、ここでは添付の図面を参照する。図面は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【0076】
【図1A】本開示の一態様による、システムから酸性ガス汚染物質を除去するように構成された、高圧再循環流体と組み合わせた直列の高効率燃焼器およびタービンを含む、動力発生システムの概略フロー図を示す。
【図1B】本開示の一態様による、システムから酸性ガス汚染物質を除去するように構成された、高圧再循環流体と組み合わせた直列の高効率燃焼器およびタービンを含む、動力発生システムの概略フロー図を示す。
【図2】本開示の一態様による、第１の直接接触反応器物質移動カラムへの入口でのＮＯの濃度レベルの増加に対する、第１および第２の直接接触反応器物質移動カラムそれぞれにおけるＳＯｘおよびＮＯｘの除去時間のグラフ表示を示す。
【図3】本開示の一態様による、第２の直接接触反応器物質移動カラムにおける所望のＮＯ出口濃度に対する、完全なＳＯｘ除去後のＮＯｘ除去の滞留時間のグラフ表示を示す。
【発明を実施するための形態】
【0077】
本開示は、その例示的な態様を参照して、以下により詳細に記載される。これらの例示的な態様は、本開示が徹底的かつ完全であり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように記載される。実際、本開示は、多くの異なる形態で表現されてもよく、本明細書に記載の態様に限定されるものと解釈されるべきではなく、むしろ、これらの態様は、この開示が適用される法的要件を満たすように提供される。本明細書および添付の請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数の指示対象を含む。
【0078】
本開示は、動力発生システムから汚染物質を除去するように構成された動力発生システムを対象とする。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、動力発生システム１８、１９から特定の酸性ガスを除去するためのシステム５０は、動力発生システム１８、１９から特定の酸性ガス汚染物質（例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘなど）を除去するように構成されてよい。図１Ａおよび１Ｂでは、ブロック１９は動力発生システムの一般的な構成要素を示し、それは一態様において、燃焼器、タービン、および熱交換器を含んでよい。同様に、ブロック１８は、例えば圧縮機および／またはポンプなどの、動力発生システムの追加の一般的な構成要素を示す。動力発生システム１８、１９は、例えば炭化水素燃料ガスなどの、燃料ガスを利用し得る。いくつかの態様では、利用される燃料は、硫黄、窒素および／または他の燃料由来の不純物に加えてメタンおよびより長鎖の炭化水素分子を含有する未処理または最小限に処理された酸性または無糖ガスと見なされてよく、それらは硫化水素（Ｈ２Ｓ）、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、ニ硫化炭素（ＣＳ２）、アンモニア（ＮＨ３）、シアン化水素（ＨＣＮ）、および／または水銀（Ｈｇ）を含んでよく、これらのすべては還元形態である。いくつかの態様では、動力発生システム１８、１９は、不純物とともに一酸化炭素および水素を主に含む燃料ガスを利用してよく、それらは硫化水素（Ｈ２Ｓ）、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、ニ硫化炭素（ＣＳ２）、アンモニア（ＮＨ３）、シアン化水素（ＨＣＮ）、および／または水銀（Ｈｇ）を含んでよく、これらのすべては還元形態である。
【0079】
燃料ガスは、任意の公知の方法によって生産されてよい。例示のみを目的とした一例として、燃料ガスは、ＧＥ－Ｔｅｘａｃｏ水クエンチガス化炉などの酸素ベースの石炭ガス化炉で生産されてよく、完全な灰分除去が行われた後、動力サイクルへの熱伝達による燃料ガス冷却、凝縮水除去および燃料ガスの、例えば約３２０バールの圧力への圧縮が行われる。
【0080】
燃料ガスは（上記で説明されたように形成されているか、または上記の未処理もしくは最小限に処理された酸性のもしくは無糖のガスであるかどうかに関わらず）、動力発生システムの燃焼器で酸化剤を含む流れ中で燃焼され、流れは好ましくはＯ２とＣＯ２との組み合わせ（いくつかの実施形態では、約２５％のＯ２と約７５％のＣＯ２（モル）との混合物）である。これにより、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、およびＯ２を含む燃焼生成物が得られる。好ましくは、燃焼生成物流は２％（モル）過剰のＯ２を含む。比較的大量のリサイクルされたＣＯ２（例えば、約３００バールの圧力でおよび約７２０℃の温度で）は焼生成物と混合されて（例えば燃焼器中で）、混合燃焼生成物流を生産する（例えば、約１１５０℃の温度および約３００バールの圧力で）。この燃焼生成物流は、動力発生システムタービンを通過する際に減圧される（例えば、約７５０℃の放出温度で約３０バールに）。その後、流れは、復熱式熱交換器で加熱リサイクルＣＯ２流に対して冷却される。上記はプロセス条件の例示的なセットを提供し、必要に応じて温度、圧力などを調整してよいことが理解される。
【0081】
流れ４は、実質的に低下した温度（例えば、約６５℃）および圧力（例えば、約２９バール）でブロック１９中の復熱式熱交換器の低温端を出る。この時点で流れの組成は主に、ある量の水（Ｈ２Ｏ）を有する二酸化炭素であり、それは実質的に液相（例えば、約８５重量％）であり、いくらかの量は気相のままである。さらに、流れ４は、燃料ガス中の不純物の酸化に由来する水銀（Ｈｇ）などの他の微量成分とともに、硫黄および窒素の酸化化合物（ＳＯｘおよびＮＯｘ）を含む。
【0082】
ブロック１９を出る燃焼生成物流は、ある含有量のＮＯｘを含み得、またはＮＯｘを実質的に含まなくてもよい。本明細書でさらに説明するように、ＮＯｘ含有量がＳＯｘと反応するのに十分に高くなるように、流れ４中のＮＯｘ含有量を制御することが望ましい。様々な実施形態では、第１の直接接触反応器物質移動カラム３０（後述する）に入る燃焼生成物流（例えば、流れ４）は、ＣＯ２、ＳＯｘ、およびＮＯｘを特に含み得る。ＳＯｘという用語は、他に特別に示されない限り（例えば、ＳＯ２を特に含むＳＯｘ含有流への言及のように）、あらゆる硫黄酸化物の存在を示し、特定の硫黄酸化物に限定されないことが理解される。ＳＯｘを含有する流れは、単一の硫黄酸化物種または硫黄酸化物種の混合物を含んでよい。同様に、ＮＯｘという用語は、他に特別に示されない限り（例えば、ＮＯ２を特に含むＮＯｘ含有流への言及のように）、あらゆる窒素酸化物の存在を示し、特定の窒素酸化物に限定されないことが理解される。ＮＯｘを含有する流れは、単一の窒素酸化物種または窒素酸化物種の混合物を含んでよい。酸性ガス除去への言及は、ＳＯｘおよびＮＯｘの一方または両方の除去を特に示し得る。
【0083】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、酸性ガス汚染物質除去システム５０を有する動力発生システム１８、１９は、２つの直接接触反応器物質移動カラムを含んでよい。第１の物質移動カラム３０は、純ＣＯ２生成物流からＨ２ＳＯ４の形態でＳＯ２を除去するように構成されてよく、一方、第２の物質移動カラム４０は、一次再循環フローから外の純ＣＯ２生成物流からＨＮＯ３の形態でＮＯおよび／またはＮＯ２を除去するように構成されてよい。いくつかの態様では、図１Ａに示すように、第２の物質移動カラム４０は、高圧再循環流体が動力発生システムの圧縮機要素１８に導入される前に、純ＣＯ２生成物流からＨＮＯ３の形態でＮＯおよび／またはＮＯ２を除去するように構成されてよい。別の態様では、図１Ｂに示すように、第２の物質移動カラム４０は、高圧再循環流体が動力発生システムの圧縮機要素１８に導入された後に、純ＣＯ２生成物流からＨＮＯ３の形態でＮＯおよび／またはＮＯ２を除去するように構成されてよい。この物質移動に必要な成分は、ＮＯｘ気相触媒を含み、ＳＯ２がＨ２ＳＯ４として除去される第１の物質移動カラム３０に入るプロセス流体流４中に存在する。いくつかの態様によれば、これらの成分は、ＳＯ２、ＮＯ、ＮＯ２、Ｏ２、およびＨ２Ｏを含む。
【0084】
一態様によれば、流れ４は第１の物質移動カラム３０の底部に入り、このカラムは多段直接接触向流液／気接触カラムであってよく、かつトレイ、構造充填材、ランダムダンプ充填材などのような内部接触手段を含んでよい。第１の物質移動カラム３０は、純液体生成物流７または、入口ライン８を介し第１の循環ポンプ３１のいずれかに供給する底部出口管６を有する。第１の循環ポンプ排出ライン９は第１の水冷熱交換器２２に入り、これは冷却された液体流１０を第１の物質移動カラム３０の頂部に排出する。
【0085】
いくつかの態様では、第１の物質移動カラム３０は、入口ＣＯ２リッチ流４を、内部接触媒体を通って向流落下する再循環流体フロー流１０に対して、約６５℃の例示的な温度からおよそ周囲温度付近に冷却する。具体的には、ＣＯ２は、冷却水の温度に近づく最低温度に冷却される。例示的な一態様によれば、ＣＯ２は約１６℃に冷却され、一方冷却水は約１３℃の温度に近づく。入口ＣＯ２流が接触媒体を通って上方に流れるにつれて、流れは周囲温度付近に冷え、水はさらに凝縮し、かつ汚染物質除去反応が起こる。これらの汚染物質除去反応は、入口ＣＯ２リッチ流４中に残った過剰のＯ２を使用するＮＯのＮＯ２への酸化を通して最初は気相で進行する。続いて、ＳＯ２はＮＯ２により酸化されてＳＯ３およびＮＯを形成する。第３に、ＳＯ３は水（Ｈ２Ｏ）と反応して液相でＨ２ＳＯ４を形成し、それによりＳＯ２を除去する。このプロセスにおいてＮＯは気相触媒として作用する。関係する汚染物質除去反応は以下の式で詳述される。
【表3】

これらの反応は、硫酸生産のための鉛室法の機構としてよく理解されている。さらに、反応は以下のように記述され得る：式Ｇは気相であり、速度論的に支配される；式Ｈは気相であり、平衡は高速速度論によって支配される；式Ｉは液相であり、速度論的に支配される；式Ｊは液相であり、平衡は高速速度論によって支配される；式Ｋは気相であり、平衡は高速速度論によって支配される；式Ｌは水相での溶解であり、これは十分に速いプロセスであるように接触器内で設計され得る。
【0086】
約２９バールの高圧にて過剰の液体水および約０．５８バールのＯ２の分圧の存在下で、ならびに約１００～約２０００ｐｐｍのＳＯ２および約２０～約２０００ｐｐｍのＮＯｘが流れ４中に存在する状態で、これらの反応は自発的にかつ急速に進行する。さらに、システムは、第１の物質移動カラム３０の頂部を出る流れ１１中のＳＯ２の濃度が約５０ｐｐｍ未満であり、一方、純生成物液体流７中のＨＮＯ２およびＨＮＯ３の濃度が約１％以下であることを保証するように制御される。
【0087】
一態様では、これらの濃度は、流れ４中のＮＯｘの入口濃度を制御することによって、および／または第１の循環ポンプ３１からの排出フロー９を制御することによって得られ、それは液体対蒸気比を与え、したがって第１の物質移動カラム３０における分離効率が調整される。別の態様では、入口ＣＯ２リッチ流４中のＮＯｘの濃度は、第１の循環ポンプ３１からの排出フロー９が一定でありながら、第１の物質移動カラム３０の頂部を出る流れ１１中のＳＯ２の濃度ならびに／または純生成物液体流７中のＨＮＯ２およびＨＮＯ３の濃度が適切な濃度であることを保証するように、調整され得る。
【0088】
いくつかの態様によれば、図１Ａに示すように、第１の物質移動カラム３０の頂部を出る排出ＣＯ２生成物流１１は、分割されてよい。例えば、図１Ａに示すように、ＣＯ２生成物流１１の大部分は、リサイクルされた再循環流体流１Ａとして迂回させられ、これは動力発生システム１９の圧縮およびポンピング要素１８に入り、一方、純生成流２Ａは第２の物質移動カラム４０に入る。別の態様によれば、図１Ｂに示すように、第１の物質移動カラム３０の頂部を出る排出ＣＯ２生成物流１１の全体は、リサイクルされた再循環流体流１Ｂとして動力発生システムの圧縮およびポンピング要素１８に供給されてもよい。リサイクルされた再循環流体流が動力発生システムの少なくとも１つの圧縮および／またはポンピング要素１８を通過した後、高圧の再循環作動流体３は、純生成物流２Ｂが動力発生システムの少なくとも１つの圧縮要素１８を通過した後に第２の物質移動カラム４０に入るように、分割されてよい。第２の物質移動カラム４０の設計は、硝酸の形成をもたらす一連の反応のための十分な接触時間および分離効率を提供する。第２の物質移動カラム４０は底部出口液体流１２を含んでよく、これは硝酸生成物流１３と硝酸リサイクル流１４とに分割されてよい。前述の硝酸流は、さまざまな硝酸含有量を有する水性流であると理解される。一態様では、硝酸リサイクル流１４は、第２の循環ポンプ４１を通過する。第２の循環ポンプ４１からの排出フロー１５は、水および／または周囲空気冷却熱交換器２３中に供給され、これは第２の物質移動カラム４０への冷却された入口希硝酸流１６を生成する。
【0089】
いくつかの態様では、第２の物質移動カラム４０は、冷却された希硝酸流１６の入口点の上方に第２の接触区域を含む。冷却された希硝酸流１６の入口点の上方に配置された第２の接触区域は、純水入口流２４で水を注がれてよい。一態様では、純水入口流２４の流速は、硝酸生成物流１３において所望のＨＮＯ３濃度を得るために調節されてよい。流速はまた、最終ＣＯ２純生成物流１７中の酸キャリーオーバーを効果的に除去するように機能してよい。最終ＣＯ２純生成物流１７は、酸性微粒子を実質的に含まず、低い特定濃度のＳＯ２およびＮＯｘを有するであろう。
【0090】
一態様では、物質移動反応のセットは、気相で形成されたＳＯ３が液相でＨ２ＳＯ４に迅速かつ効率的に変換されるように十分な気液接触を生じる第１の直接接触反応器物質移動カラム３０によって達成されてよい。第１の物質移動カラム３０は、ガスおよび液体の向流配置を有する構造化されおよび／またはランダムな充填材および／または蒸留トレイを含むカラムであってよい。さらに、第１の物質移動カラム３０は、入口ＣＯ２リッチ流４を受け取るための底部入口および冷却されたリサイクル希酸流１０を受け取るための頂部入口を含んでよい。第１の物質移動カラム３０のためのそのような配置は、間接熱交換器２２を通って再循環する閉ループ冷却流体を提供してよい。いくつかの態様では、第１の物質移動カラム３０で除去された熱は、冷却水循環システムなどの、冷却塔および／または強制対流ファン－空気冷却器を含んでよい、周囲温度冷却手段に伝達され得る。
【0091】
さらに、第１の物質移動カラム３０は、接触区域の上方に配置された効率的なデミスタを含んでよい。デミスタは、下流の圧縮設備を腐食から保護するために、排出ＣＯ２生成物流１１から同伴希Ｈ２ＳＯ４を除去するように構成されてよい。Ｈ２ＳＯ４を含有する溶液は、厄介なミストを形成する傾向がある。あるいは、接触媒体の追加の区域が設置され純水流が注がれて、酸性微粒子を希釈し、および／または酸性微粒子のキャリーオーバーを除去してもよい。接触媒体の追加の区域は気液接触の最適化を提供してよく、それは硫酸を生成する物質移動反応を加速してよく、追加の冷却媒体の必要性を制限してよく、かつ動力発生システム中の復熱式熱交換器を介した排気流からの高度熱回収後に再循環流からの残存する燃焼由来のＨ２Ｏを凝縮してよい。追加の冷却媒体の必要性を制限し、および／または残存する燃焼由来のＨ２Ｏを凝縮する気液接触の最適化は、合理的なカラムサイズおよび滞留時間内で望ましく生じる。
【0092】
いくつかの態様によれば、動力発生システム１９の燃焼器内の条件は、窒素、燃料中の窒素含有成分、および／またはシステムシールを通る空気侵入に由来する窒素を、過剰の酸素と約１５００℃～約２５００℃の典型的な燃焼温度、約１００バール～約５００バールの典型的な燃焼圧力で組み合わせることによってＮＯの少量の生成および過剰のＯ２をもたらし、過剰のＯ２は燃焼およびリサイクル高圧ＣＯ２との混合後に約０モル％～約５モル％Ｏ２の範囲の組成を有する。一態様では、熱的ＮＯ形成機構がＮＯの生成を支配し得るので、より高い火炎温度が一般的に所望され得る。このＮＯ量の保存は、上昇したＮＯ濃度が、第１の物質移動カラム３０中のＳＯ２のＨ２ＳＯ４への除去反応が十分な速度で進行するのを支援および加速するので、望ましい。燃焼器から生成されたＮＯの保存は、次のような設計考慮によって、例えば、半閉ループシステム内でのＮＯの蓄積によって、および／またはガス状ＮＯ２（ＮＯとＯ２との反応によって形成された）の水性ＨＮＯ３への変換を最小限にすることによって、達成される。半閉ループシステム中でのＮＯの蓄積は、動力発生システム１８、１９の固有の設計によって提供されてよく、ガス状ＮＯ２の水性ＨＮＯ３への変換の最小化は、本明細書に記載されるように、ＳＯ２を選択的に除去するように第１の物質移動カラム３０のカラム滞留時間を合わせることにより達成されてよい。
【0093】
一態様では、ＮＯ濃度は、ＮＯ２のＨＮＯ２および／またはＨＮＯ３への変換を最小限にする滞留時間を有するように、第１の物質移動カラム３０内の直接接触手段の慎重な設計により高く保持されてよい。具体的には、冷却されたタービン排気中にＳＯ２が存在する一方で、Ｏ２でのＮＯの酸化により形成されるＮＯ２は、ＳＯ２と反応することにより直ちに変換されてＮＯに戻ることが観察されている。ＮＯ２のＮＯへの即時の変換は、したがって、高濃度の気相触媒を保つ。これに関して、実質的に多量のＳＯ２が液相でのＳＯ２のＨ２ＳＯ４への変換により気相から恒久的に除去されると、ＮＯ２が水中に溶解してＨＮＯ２およびＨＮＯ３を形成する一連の反応が生じる。さらに、１つの望ましい態様は、第１の物質移動カラム３０における第２の反応シーケンスによってより少量のＮＯをＨＮＯ２および／またはＨＮＯ３に変換する、第１の物質移動カラム３０での条件を提供する。例えば、第１の物質移動カラム３０での条件は、３０質量％未満のＮＯｘがＨＮＯ２および／またはＨＮＯ３に変換される第１の物質移動カラムを出るＣＯ２リッチ排出流１１を提供してよい。いくつかの態様では、高圧再循環作動流体が第１の物質移動カラムを出る前に、約５％未満のＮＯｘがＨＮＯ２および／またはＨＮＯ３に変換される。より多くの量のＮＯをＨＮＯ２および／またはＨＮＯ３に変換することは、動力発生システム１９のタービンを出て第１の物質移動カラム３０に入る入口ＣＯ２リッチ流４中のＮＯの濃度を低下させ得、それによりＳＯ２のＨ２ＳＯ４への変換率を低下させる。さらに、変換されたあらゆるＨＮＯ２および／またはＨＮＯ３は、硫酸液体流７中で第１の物質移動カラム３０を出て、その後、中和され得る。実際のＮＯｘ変換量は、正確なプロセスニーズに基づいて調節可能である。
【0094】
第１の物質移動カラム３０におけるＳＯ２の単離された除去は、第１の物質移動カラム３０の再循環流体中に硫酸（および／または微量ＨＮＯ３）をさらに蓄積してよい。一態様では、硫酸液体流中に少量のＨＮＯ３濃度が存在する場合があるが、濃度の量は最小限に制御され得る。ＨＮＯ３と石炭由来の水銀との反応は、主として第２の物質移動カラム４０で起こり、硝酸水銀を形成する。混合Ｈ２ＳＯ４＋ＨＮＯ２＋ＨＮＯ３はまた、他の低濃度不純物を可溶性塩に変換してよく、これらは酸液相中で除去されてよい。追加的または代替的に、第１の物質移動カラム３０内で生じた残りの硫酸を、Ｈ２ＳＯ４を硫酸カルシウムに変換するように、粉砕された石灰石および／または任意の他の適切なアルカリ化合物のスラリーと水中で反応させることができる。変換された硫酸カルシウムは固体として除去されてよく、商業的に使用され、および／または廃棄されてよい。さらに、このステップ中にＣＯ２が放出されてよく、純動力サイクルＣＯ２流１と組み合わせられる純生成物を生成し、および／または輸送のためのパイプライン２１への共通または別個のシステム排出流１７に迂回させられる。
【0095】
いくつかの態様では、プロセス内で本質的に生成されるＮＯは、プロセスガスからのＳＯ２の十分な除去を触媒するには不十分であり得る。一態様によれば、実質的にＮＯを含むＮＯ添加流５は、動力発生システム５に導入され得る。いくつかの態様では、ＮＯは、例えば、ＮＯ生成ユニット２０中の触媒上で酸素および／または二酸化炭素を含む混合物でアンモニア（ＮＨ３）を酸化することにより生成され得る。動力発生システム１８、１９への純粋なＮ２の添加は、その添加がシステムの動力学に大きな影響を及ぼし得るので望ましくない場合がある。例えば、純粋なＮ２の添加は、流体の圧縮性などの重要な作動流体特性を変化させ得る。ＮＯ添加流５を介するＮＯの添加によって第１の物質移動カラム３０へのＮＯの入口濃度を制御することにより、プロセスガスからのＳＯ２の所要の除去時間を、所望のカラム滞留時間内に収めるように制御できる。この制御機構の中心は、実質的に全てのＳＯ２が除去されるまでＮＯが消費されないことである。このように、第１の反応器物質移動カラム３０は、ＮＯの著しい除去なしにＳＯ２のほぼ全て（例えば、９９．９９％）を除去するように入口ＮＯ濃度の注意深い制御により調整および／または設計され得る。特定のＮＯ濃度は、入口ＳＯ２濃度ならびにＳＯ２除去のための設計された滞留時間によって決定され得る。例えば、一態様によれば、第１の物質移動カラム３０への入口におけるＮＯ濃度は約１５２ｐｐｍであり得、第１の物質移動カラム３０への入口におけるＳＯ２濃度は約１３１８ｐｐｍであり得る。いくつかの態様では、第１の物質移動カラム３０および／または第２の物質移動カラム４０の両方における還流比は、第１および／または第２の循環ポンプ３１、４１での流量を制御することによって制御され得る。いくつかの態様では、動力発生システムの１つの設計考慮はカラム滞留時間を含み得、これは、ＳＯ２除去が完了し気相が液相から分離されるときに、ＮＯのＨＮＯ２および／またはＨＮＯ３への変換が生じないように最適化され得る。
【0096】
再循環プロセス流体を含む１つの例示的な動力発生システム１８、１９では、カラム滞留時間および第１の物質移動カラム３０の入口での種の濃度を調整および／または構成することによって、ＮＯの量をプロセス流内で保存でき、第１の物質移動カラム３０の出口の排出ＣＯ２生成物流１１中にＮＯが残ることを可能にしつつＳＯ２の所望の除去効率が第１の物質移動カラム３０内で達成されるようにする。例示的な一態様によれば、第１のカラムの滞留時間は約３０秒であり、第１のカラムの出口でのＮＯ濃度は約１５５ｐｐｍである。これに関して、リサイクル流体流１内のＮＯ濃度を上昇させる蓄積効果が生じ、それにより第１の直接接触反応器物質移動カラム３０において同じＳＯ２除去速度を維持するためにＮＯ生成ユニット２０から必要とされるＮＯ添加量が減少し得る。この蓄積効果は、燃焼がＳＯ２濃度の上昇をもたらすシステムに特に影響を与え、それにより、システム内のＮＯ濃度を上昇させることによって除去時間を実質的に短縮することを可能にする。
【0097】
いくつかの態様では、動力発生システム５の第１の直接接触反応器物質移動カラム３０での冷却およびＳＯ２除去に続いて、排出ＣＯ２生成物流１１は２つの流れに分けられ、約１００バール～約５００バールの範囲の圧力に圧縮され得る。副流は酸素流を希釈し、燃焼器で使用される酸化剤混合物を形成し、一方、主流は動力発生システム１９の復熱式熱交換器で約５００℃～約８００℃の範囲の温度に加熱され、燃焼器生成ガスと混合しタービン入口流を形成する。これらの条件下では、ＮＯのＮ２およびＯ２への変換ならびに／またはＮ２とＯ２との反応によるＮＯの形成のために、事実上ＮＯの破壊は起こらない。少量のＨＮＯ３が第１の物質移動カラム３０で形成され、かつ純ＣＯ２生成物流２中に存在するＮＯｘが第２の物質移動カラム４０に入るので、第１の物質移動カラム３０に入る復熱され冷却された入口ＣＯ２リッチ流４中のＮＯの量および濃度は、第１の物質移動カラム３０を出てリサイクル流体流１に入る量および濃度より高くてよい。
【0098】
さらに、第１および第２の物質移動カラム３０、４０の設計は、理想的には、ガス滞留時間が、動力発生システム１８、１９が最大出力から最小ターンダウンの全ての動作範囲にわたって動作するための合理的な反応条件をもたらすようなものである。例えば、最大ターンダウン（例えば、５０％のタービン流量）では、カラム滞留時間が２倍になり、これは実質的により多くのＮＯ損失を引き起こし得る。しかしながら、反応の時間が長くなると、入口ガス中のＮＯ濃度が低くなり得、これは所望のＳＯ２除去を依然として可能にし得る。このＮＯ濃度は、本明細書で議論される方法での添加および蓄積によって補充され得る。
【0099】
例示的な一態様によれば、第２の物質移動カラム４０は、第１の物質移動カラム３０よりも小さく、かつ動力発生システム１８、１９の純ＣＯ２生成物流中に挿入されてよい。さらに、より小さい第２の物質移動カラム４０は、より小さい第２の物質移動カラム４０もまたＳＯ２を除去するよう構成されるように、第１の物質移動カラム３０と同様の反応および／または設計考慮を用いてよい。より小さい第２の直接接触反応器物質移動カラム４０はその後、ＮＯ濃度を所望の下流ＮＯ濃度に変更し得、かつプロセス中にＨＮＯ２およびＨＮＯ３を追加的または代替的に生成し得る。カラムは、圧縮ステップまたは一連の圧縮ステップに続いて、第１の直接接触反応器と同様の圧力で、または実質的に高い圧力で動作してよい。別の態様によれば、第２の物質移動カラム４０は、第１の物質移動カラム３０の温度と同様の温度で、または第１の物質移動カラムと比較して実質的に高い温度で動作してよく、かつ最終ＣＯ２純生成物流１７の要求に依存してよい。
【0100】
第１および第２の物質移動カラム３０、４０の設計は、ＳＯ２およびＮＯの除去速度特性に影響され得る。例えば、ＳＯ２除去は、第１の物質移動カラム３０における増加する滞留時間、圧力、およびＮＯ濃度伴い、およそ１００％の除去率に加速する。したがって、高い入口ＮＯ濃度がＳＯ２除去速度を高めるために望ましい場合がある。例えば、図２は、一定の滞留時間が与えられると、ＮＯ濃度が増加するにつれて、第１の物質移動カラム３０中のＳＯ２を除去するための除去時間が減少することを示すグラフである。図３は、ＳＯ２が実質的に除去されると、所望の出口濃度限界に対するＮＯ除去時間が一定の所要除去時間に漸近的に近づくことを示す。これは、高レベルのＮＯの蓄積であっても、第２の物質移動カラム４０での所望の限界へのＮＯ除去に必要な追加の時間は、最終的に漸近時間に近づき、一方、第１の物質移動カラム３０におけるＳＯ２の除去時間は、過剰のＮＯの添加で常に減少することを示す。これは、第１の物質移動カラム３０におけるＳＯ２の除去速度を増加させるためのＮＯの添加は、第２の物質移動カラム４０において維持でき、それは漸近除去時間に関連する安全係数を加えたものに調整および／または設計できることを意味する。いくつかの態様では、第２の接触器でのＮＯｘの除去は、カラムへの追加の酸素の添加によってさらに加速され得る。
【0101】
他の態様では、第２のカラム４０でのＮＯｘの除去は、第２のカラムに入る前に第１のカラム３０の圧力よりも高い圧力に流れ２Ａおよび／または２Ｂを圧縮することによって加速されてよい。これは、式（Ｇ）に示すＮＯのＮＯ２への変換を加速し、除去反応をより速く完了させるようにする。この圧縮機の正確な吐出圧力は、第２のカラム４０において所要の除去を行うように調整されてよい。そのような実施形態を図１Ａに示し、ここで、圧縮機６２は、ブロック１８と第２のカラム４０との間のライン２Ａに存在する。圧縮機は任意選択であり得る。あるいは、図１Ｂに関して、ＣＯ２およびＮＯｘを含有するリサイクル流の全量は、ブロック１８中の動力生産システムに入力され、そこで圧縮を受けることができる。したがって、流れ２Ｂは、第２のカラム４０へ送達される任意の圧力でブロック１８から直接取り出されてもよい。
【0102】
いくつかの実施形態では、第２のカラム４０に入る前に、流れに追加の酸素を添加することが望ましい場合がある。図１Ｂに示すように、酸素源６０は、第２のカラム４０に入る前に酸素をライン６１ａを介して流れ２Ｂに供給するように配置される。酸素を添加するためのそのような要素は同様に、図１Ａ中のライン２Ａへの酸素の添加に適用可能であり得ることが理解される。酸素源は任意選択であり得る。他の態様では、ＮＯｘの除去をさらに加速するために、酸素の添加および再圧縮の使用を行うことができる。
【0103】
本開示は、以下の実施例（複数可）によってさらに説明され、これらは本開示の特定の態様を説明するために記載され、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。
【0104】
実施例１
炭素質燃料の酸素燃焼を利用して完全復熱式の、遷移臨界二酸化炭素ブレイトン動力サイクルに動力を供給する動力発生システムに関して評価を行った。この構成は、様々な態様において、隔離および／またはパイプライン準備圧力でＣＯ２を本質的に捕捉する。燃焼燃料中の硫黄および窒素の濃度が低い態様では、最小限の後処理ステップを用いてＣＯ２を捕捉できる。したがって、サイクルから放出されたＣＯ２を、追加の後処理をほとんどまたは全く伴わずに、所望のモル純度でＣＯ２パイプラインに排気できる。しかしながら、燃料が高い濃度の硫黄および窒素を含有する場合、ならびに／またはシステムへの空気の侵入が比較的高い場合、燃焼温度およびプラントの高温端での高温は、燃料および任意の他の酸化可能な化合物を酸化し、かつプロセス設備を保護するために、および指定されたＣＯ２パイプラインの純度レベルを満たすために除去されなければならないＮＯｘおよび／またはＳＯｘなどの酸性ガスを生成し得る。
【0105】
一例では、システム５０は、本明細書に記載の方法で、第１および第２の物質移動カラムで構成される。第１の物質移動カラムはリサイクル流体流中に組み込まれ、リサイクル流体からのＳＯ２を処理し選択的に除去する。第１の物質移動カラムの入口では、ＮＯは、一定の流速で任意の適切なプロセスを介してリサイクル流体流中に注入され、かつ提供された滞留時間を考慮して第１の物質移動カラム内のＳＯ２の完全な除去を制御するように調整される。例示的な一実施形態では、ＮＯ注入速度は約４６．６７ポンド／時であり、触媒上のアンモニア酸化を利用する。第１の物質移動カラム内で、約３０バールの圧力でおよび約６０°Ｆ～約２００°Ｆの温度で、ＳＯ２が除去され、大部分のＮＯが作動流体と共に排出されしたがってプロセス内を再循環し、それによりシステム全体にわたるＮＯ濃度の上昇をもたらす。この上昇したＮＯ濃度は、第１の物質移動カラム内の加速するＳＯ２除去の意味を有する。
【0106】
第２の物質移動カラムは、約３０バールの圧力でおよびおよそ周囲温度で、動力発生システムの出口で動作する。具体的には、第２の物質移動カラムは、作動流体中の残留ＮＯを約２０ｐｐｍなどの所望の濃度へと除去する。例示的システムのコンピュータシミュレーションを完了し、結果ならびに滞留時間ならびにＮＯおよびＳＯ２の入口および出口濃度などの関連する入力データを以下の表１に示す。以下の表１に示される結果および関連する入力データは、例示目的であり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書中に開示された結果は、具体的な期待される値として解釈されることを意図するものではなく、単に近似された結果の表示である（すなわち、第２の物質移動カラムを出るＳＯｘの量（モル分率）、１．３９Ｅ－２０は、第２の物質移動カラムを出るＳＯｘの量は実質的にゼロであることを示す）。
【表4】
【0107】
再循環プロセスガス流中へのＮＯの注入速度の増加は、全ＳＯ２除去のための第１の直接接触反応器物質移動カラムにおける所要滞留時間を減少させるが、ポンピング負荷、ＮＯ添加、中和の変動費とカラムサイズの資本コストとの間のバランスが存在し、これが最適なＳＯ２除去速度およびコストに必要な滞留時間を最終的に決定する。
【0108】
本発明の多くの変更形態および他の実施形態が、前述の説明および関連する図面に提示された教示の利益を有する、本発明に関連する当業者には思い浮かぶであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、変更形態および他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは一般的および説明的な意味でのみ使用され、限定の目的では使用されない。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
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