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特表2022-539406化学物質コジェネレーションによるガス流からの化学物質部分のアルカリに基づく除去
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-09-08
(54)【発明の名称】化学物質コジェネレーションによるガス流からの化学物質部分のアルカリに基づく除去
(51)【国際特許分類】
B01D 53/14 20060101AFI20220901BHJP
C01B 32/50 20170101ALI20220901BHJP
B01D 53/62 20060101ALI20220901BHJP
B01D 53/78 20060101ALI20220901BHJP
B01D 53/96 20060101ALI20220901BHJP
B01D 9/02 20060101ALI20220901BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20220901BHJP
【ＦＩ】
B01D53/14 220
C01B32/50
B01D53/62 ZAB
B01D53/78
B01D53/96
B01D53/14 210
B01D9/02 601A
B01D9/02 602A
B01D9/02 602B
B01D9/02 619A
H01M8/04 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021578116
(86)(22)【出願日】2020-07-02
(85)【翻訳文提出日】2022-02-25
(86)【国際出願番号】 IB2020056273
(87)【国際公開番号】W WO2021001787
(87)【国際公開日】2021-01-07
(31)【優先権主張番号】62/870,187
(32)【優先日】2019-07-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(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】ルー，シージア
(72)【発明者】
【氏名】フォレスト，ブロック アラン
(72)【発明者】
【氏名】パルマ－，マイルズ アール．
【テーマコード（参考）】
4D002
4D020
4G146
5H127
【Ｆターム（参考）】
4D002AA09
4D002BA02
4D002BA08
4D002DA01
4D002DA02
4D002DA04
4D002DA12
4D002EA07
4D002FA01
4D002FA04
4D002FA10
4D002HA08
4D020AA03
4D020BA01
4D020BA08
4D020BB03
4D020BC01
4D020BC03
4D020CD03
4D020CD10
4G146JA02
4G146JC29
4G146JD02
5H127AB21
5H127AC07
5H127BA02
5H127BA14
(57)【要約】
本開示は、ガス流からの１つ以上の部分（例えば、二酸化炭素）の回収（すなわち、直接空気回収）に有用なシステムおよび方法を提供する。様々な実施形態において、システムおよび方法は、少なくともスクラビングユニット、再生ユニット、および電気分解ユニットを利用することができ、それにより、アルカリ溶液を使用して、ガス流からその部分（例えば、二酸化炭素）を取り除くことができ、除去された部分は、再生され、任意により回収または他の使用のために精製され得、形成された塩は、電気分解に供され、再利用するためにアルカリ溶液を再生利用してスクラバーに戻して、１つ以上のさらなる化学物質を同時に産生することができる。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コジェネレーションまたは1つ以上の化学物質を使用して二酸化炭素を回収するためのシステムであって、圧縮された二酸化炭素含有ガス排出流を提供するように構成された圧縮ユニットと；
前記圧縮された二酸化炭素含有ガス排出流をアルカリ溶液と接触させて、炭酸塩溶液を形成し、二酸化炭素リーンガス流を産出するように構成されたスクラビングユニットと；
前記炭酸塩溶液をハロゲン化合物と反応させて、１つ以上の金属塩を形成し、二酸化炭素を含む流れを産出するように構成された再生ユニットと；
前記１つ以上の金属塩を水と反応させて前記アルカリ溶液を再生し、１つ以上のさらなる化学物質を形成するように構成された電気分解ユニットと、を備える、システム。
【請求項2】
前記圧縮ユニットが、空気回収プラントである、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記アルカリ溶液が、１つ以上の金属塩の溶液を含み、前記金属が、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項4】
前記アルカリ溶液が、水酸化ナトリウムの溶液を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記炭酸塩溶液の少なくとも一部を受け取り、少なくとも１つ以上の固体を産出するように構成された結晶化ユニットをさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項6】
前記結晶化ユニットが、再生利用して、前記スクラビングユニットに戻すのに好適であるアルカリ溶液を産出するようにさらに構成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項7】
前記再生ユニットから産出される二酸化炭素を含む前記流れを受け取るように構成された二酸化炭素精製ユニットをさらに備える、請求項１～６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項8】
前記二酸化炭素精製ユニットが、低温貯蔵ユニットである、請求項７に記載のシステム。
【請求項9】
前記二酸化炭素精製ユニットから二酸化炭素を受け取るように構成された触媒反応器をさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項10】
加圧された流れを膨張させてエネルギーを生成するように構成された１つ以上の膨張器をさらに備える、請求項１～９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項11】
コジェネレーションまたは１つ以上の化学物質を使用して二酸化炭素を回収するための方法であって、スクラビングユニット内のガス状二酸化炭素含有流をアルカリ溶液と接触させて、炭酸塩溶液を形成し、二酸化炭素リーン流を産出することと；
前記炭酸塩溶液をハロゲン化合物と反応させて、１つ以上の金属塩を形成し、二酸化炭素を含む流れを産出させることと；
電気分解条件下で前記１つ以上の金属塩を水と反応させて、前記アルカリ溶液を再生し、１つ以上のさらなる化学物質を形成することと、を含む、方法。
【請求項12】
前記ガス状二酸化炭素含有流が、空気および煙道ガスの一方であるか、またはそれらの組み合わせである、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記アルカリ溶液が、１つ以上の金属塩の溶液を含み、前記金属が、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項14】
前記アルカリ溶液が、水酸化ナトリウムの溶液を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記炭酸塩溶液から１つ以上の固体を分離し、再生利用して、前記スクラビングユニットに戻すのに好適であるアルカリ溶液を産出するのに有効である結晶化プロセスに、前記炭酸塩溶液の少なくとも一部を供することをさらに含む、請求項１１～１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記結晶化プロセスが、前記炭酸塩溶液を加熱または冷却することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
実質的に純粋な二酸化炭素の流れを産出するように構成された二酸化炭素精製ユニット内で、二酸化炭素を含む前記流れを処理することをさらに含む、請求項１１～１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
前記二酸化炭素精製ユニットが、低温貯蔵ユニットである、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
実質的に純粋な二酸化炭素の前記流れの少なくとも一部を水素と反応させて、炭化水素燃料を形成することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項20】
１つ以上の加圧された流れを膨脹させて、エネルギーを生成することをさらに含む、請求項１１～１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
形成される前記１つ以上のさらなる化学物質が、水素およびハロゲンガスを含む、請求項１１～２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項22】
前記水素の少なくとも一部を前記ハロゲンガスの少なくとも一部と反応させて、酸を形成することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記水素の前記少なくとも一部を前記ハロゲンガスの前記少なくとも一部と反応させることから形成される熱を使用して、蒸気サイクル内で電力を生成することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項24】
燃料電池内で、前記水素の少なくとも一部を前記ハロゲンガスの少なくとも一部と反応させることをさらに含む、請求項２１に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、アルカリ含有材料を利用して、空気などの流れから二酸化炭素（または他の部分）を除去するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
１つ以上の流れを精製する目的のために、および／または１つ以上の部分を単離する目的のために、１つ以上の流れから様々な部分を除去することが望ましい場合がある。例えば、大気への二酸化炭素の添加を防止するために、および／または大気中に存在する二酸化炭素の量を実際に減少させる（例えば、直接空気回収）ために、１つ以上の流れから二酸化炭素を除去する（例えば、煙道ガス流から二酸化炭素を除去する）ための手段に対する要望が高まり続けている。これまでの技術は、経済的に実現可能なこれらのニーズを満たすための好適なシステムおよび方法を提供することができなかった。したがって、依然として、１つ以上の所与の流れから二酸化炭素などの１つ以上の部分を除去するためのさらなるシステムおよび方法をさらに必要としている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本開示は、１つ以上の流れ（例えば、空気および／または別のガス状の流れ）から少なくとも１つの部分（例えば、二酸化炭素）を直接回収するためのシステムおよび方法に関する。システムおよび方法はまた、有益なことに、１つ以上の付加価値のある化学物質、例えばこれらに限定されないが、水素（Ｈ２）、塩素（Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）、次亜塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ）、塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ３）、塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ３）、一酸化二塩素（Ｃｌ２Ｏ）、二酸化塩素（ＣｌＯ２）、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ４）、過塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ４）、硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）、および硫酸カリウム（Ｋ２ＳＯ４）のコジェネレーションを同時に提供することができる。
【0004】
本開示は、従来技術のシステムおよび方法に勝る様々な利点を提供する。利点としては、次のうちのいずれか１つ以上を挙げることができる：二酸化炭素除去システム内で典型的に必要とされる固体反応物が排除される；プロセス内で使用される反応物の一部または全部が再生される；１つ以上の付加価値のある化学物質が生成される；実行できるプロセス密度が増加する；プロセス機器のサイズ、複雑さ、およびコストが削減される；プロセス熱の統合；エネルギー源としての化石燃料の燃焼が不要になる；および／または再生可能電気が１つのエネルギー源または唯一のエネルギー源として使用されること。
【0005】
１つ以上の実施形態では、本開示は、コジェネレーションまたは１つ以上の化学物質を用いた１つ以上の部分の直接回収（直接空気回収など）のためのシステムを提供する。二酸化炭素の回収のために構成された例示的な実施形態では、本システムは、圧縮された二酸化炭素含有ガス排出流を提供するように構成された圧縮ユニットと；圧縮された二酸化炭素含有ガス排出流をアルカリ溶液と接触させて、炭酸塩溶液を形成し、二酸化炭素リーンガス流を産出するように構成されたスクラビングユニットと；炭酸塩溶液をハロゲン化合物と反応させて１つ以上の金属塩を形成し、二酸化炭素を含む流れを産出するように構成された再生ユニットと；１つ以上の金属塩を水と反応させてアルカリ溶液を再生し、１つ以上のさらなる化学物質を形成するように構成された電気分解ユニットと、を備えることができる。１つ以上のさらなる実施形態では、システムは、任意の数および順序で組み合わせることができる以下の記述の１つ以上に関連して定義することができる。
【0006】
圧縮ユニットは、空気回収プラントであり得る。
【0007】
アルカリ溶液は、１つ以上の金属塩の溶液を含むことができ、金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびそれらの組み合わせから選択される。
【0008】
アルカリ溶液は、水酸化ナトリウムの溶液を含むことができる。
【0009】
システムは、炭酸塩溶液の少なくとも一部を受け取り、少なくとも１つ以上の固体を産出するように構成された結晶化ユニットをさらに備えることができる。
【0010】
結晶化ユニットは、再生利用して、スクラビングユニットに戻すのに好適であるアルカリ溶液を産出するようにさらに構成することができる。
【0011】
本システムは、再生ユニットから産出される二酸化炭素を含む流れを受け取るように構成された二酸化炭素精製ユニットをさらに備えることができる。
【0012】
二酸化炭素精製ユニットは、低温貯蔵ユニットであってもよい。
【0013】
システムはさらに、二酸化炭素精製ユニットから二酸化炭素を受け取るように構成された触媒反応器を備えてもよい。
【0014】
本システムは、加圧された流れを膨張させてエネルギーを生成するように構成された１つ以上の膨張器をさらに備えることができる。
【0015】
１つ以上の実施形態では、本開示は、コジェネレーションまたは１つ以上の化学物質を用いた１つ以上の部分の回収（直接空気回収など）のための方法を提供する。二酸化炭素を回収するための例示的な実施形態では、本方法は、スクラビングユニット内のガス状二酸化炭素含有流をアルカリ溶液と接触させて、炭酸塩溶液を形成し、二酸化炭素リーンガス流を産出することと；炭酸塩溶液をハロゲン化合物と反応させて、１つ以上の金属塩を形成し、二酸化炭素を含む流れを産出することと；電気分解条件下で１つ以上の金属塩を水と反応させて、アルカリ溶液を再生し、１つ以上のさらなる化学物質を形成することと、を含むことができる。１つ以上のさらなる実施形態では、本方法は、任意の数および順序で組み合わせることができる以下の記述の１つ以上に関連して定義することができる。
【0016】
ガス状二酸化炭素含有流は、空気と煙道ガスの一方であるか、またはそれらの組み合わせであり得る。
【0017】
アルカリ溶液は、１つ以上の金属塩の溶液を含むことができ、金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびそれらの組み合わせから選択される。
【0018】
アルカリ溶液は、水酸化ナトリウムの溶液を含むことができる。
【0019】
この方法は、炭酸塩溶液から１つ以上の固体を分離し、再生利用して、スクラビングユニットに戻すのに好適であるアルカリ溶液を産出するのに有効である結晶化プロセスに、炭酸塩溶液の少なくとも一部を供することをさらに含むことができる。
【0020】
結晶化プロセスは、炭酸塩溶液を加熱するかまたは冷却することを含むことができる。
【0021】
この方法は、実質的に純粋な二酸化炭素の流れを産出するように構成された二酸化炭素精製ユニット内で、二酸化炭素を含む流れを処理することをさらに含むことができる。
【0022】
二酸化炭素精製ユニットは、低温貯蔵ユニットであってもよい。
【0023】
この方法はさらに、実質的に純粋な二酸化炭素の流れの少なくとも一部を水素と反応させて炭化水素燃料を形成することを含むことができる。
【0024】
この方法は、１つ以上の加圧された流れを膨脹させて、エネルギーを生成することをさらに含むことができる。
【0025】
形成される１つ以上のさらなる化学物質は、水素およびハロゲンガスを含み得る。
【0026】
この方法は、水素の少なくとも一部をハロゲンガスの少なくとも一部と反応させて、酸を形成することをさらに含むことができる。
【0027】
この方法は、水素の少なくとも一部をハロゲンガスの少なくとも一部と反応させることから形成される熱を使用して、蒸気サイクル内で電力を生成することをさらに含むことができる。
【0028】
この方法は、燃料電池内で、水素の少なくとも一部をハロゲンガスの少なくとも一部と反応させることをさらに含むことができる。
【0029】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下に簡単に説明される添付の図面と共に、以下の詳細な説明を読むことから明らかになるであろう。本発明は、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示的に組み合わされている否かにかかわらず、本開示に記載される任意の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、文脈が明確に別段の指示をしない限り、組み合わせ可能であることを意図していると見なされるべきであるように、全体的に読むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】ガス流をアルカリ溶液でスクラビングして、二酸化炭素などの部分を除去し、除去された部分を単離させて、アルカリ溶液を再生利用し、および本開示の例示的な実施形態に従って１つ以上のさらなる化学物質を同時産生する、システムおよびプロセスを示す流れ図である。
【図2】本開示の例示的実施形態による、再生ユニットで利用され得る複数の個々の構成要素を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
本開示は、ガス状混合物からの１つ以上の部分（例えば、二酸化炭素）の直接回収（直接空気回収など）に有用なシステムおよび方法を提供する。そのようなシステムおよび方法は、例えば、１つ以上の苛性材料の溶液、より具体的には、１つ以上のアルカリ材料の溶液を使用することができる。したがって、利用される溶液は、本明細書ではアルカリ溶液として言及され得る。このような溶液は、空気および／または空気燃焼プロセスからの煙道ガスなどのガス状混合物からＣＯ２（または他の部分）を回収するために使用することができる。いくつかの実施形態では、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）は、苛性またはアルカリ材料として特に有用であり得、本開示は、例示の目的で、例示的な実施形態として全体において水酸化ナトリウムを利用することができる。しかし、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなど、さらなる材料が利用され得ること、また、本明細書の例示的な実施形態を利用する当業者は、１つ以上のさらなる苛性材料、特にアルカリ性材料の溶液を利用して、本開示を実施するための装備を有することが予想されると理解される。したがって、アルカリ溶液は、１つ以上の実施形態では、１つ以上の金属塩の溶液を含むことができ、金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびそれらの組み合わせから選択される。例示的実施形態として、部分（例えば、二酸化炭素）の回収は、溶液中の水酸化ナトリウムを利用する反応（１）に従って実施することができ、したがって、水酸化ナトリウムは、本明細書において利用できるアルカリ溶液の例である。
２ＮａＯＨ＋ＣＯ２＝Ｈ２Ｏ＋Ｎａ２ＣＯ３ （１）
したがって、二酸化炭素は、炭酸ナトリウム、または対応する金属部分の炭酸塩の形態で回収される。次に、回収されたＣＯ２は、以下に示す反応（２）および反応（３）などの１つ以上の反応、および／または当業者に知られている他の反応を介して放出され得る。
３Ｎａ２ＣＯ３＋３Ｃｌ２→５ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ３＋３ＣＯ２ （２）
２ＨＣｌ＋Ｎａ２ＣＯ３→２ＮａＣｌ＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （３）
２ＮａＯＨ＋ＣＯ２＝Ｈ２Ｏ＋Ｎａ２ＣＯ３ （１）
したがって、二酸化炭素は、炭酸ナトリウム、または対応する金属部分の炭酸塩の形態で回収される。次に、回収されたＣＯ２は、以下に示す反応（２）および反応（３）などの１つ以上の反応、および／または当業者に知られている他の反応を介して放出され得る。
３Ｎａ２ＣＯ３＋３Ｃｌ２→５ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ３＋３ＣＯ２ （２）
２ＨＣｌ＋Ｎａ２ＣＯ３→２ＮａＣｌ＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （３）
【0032】
出発材料および／または本発明のプロセスにおいて形成される１つ以上の中間材料は、所望であれば、再生することができる。例えば、ＮａＯＨ、ＨＣｌおよびＣｌ２のうちの１つ以上は、以下に示す反応（４）および反応（５）を利用するなど、クロルアルカリプロセスによって再生することができる。いくつかの実施形態では、エネルギー回収は、熱的方法または電気化学的方法などを介して、少なくとも反応（５）で実施することができ、そのような方法は、エネルギーが副産物として作り出される本明細書で論じられる任意の反応に適用することができる。本明細書においては塩素が例示されているが、当業者に知られているように、場合によっては、塩素以外のハロゲンが置換され得ることが理解される。
２ＮａＣｌ＋２Ｈ２Ｏ→Ｃｌ２＋Ｈ２＋２ＮａＯＨ （４）
Ｃｌ２＋Ｈ２＝２ＨＣｌ （５）
２ＮａＣｌ＋２Ｈ２Ｏ→Ｃｌ２＋Ｈ２＋２ＮａＯＨ （４）
Ｃｌ２＋Ｈ２＝２ＨＣｌ （５）
【0033】
ある特定の実施形態では、以下に示す反応（６）のように、Ｈ２ＳＯ４を使用して、回収された任意のＣＯ２の少なくとも一部を放出することが経済的に有益であり得る。これは、例えば、Ｈ２ＳＯ４のコストが、その使用が直接空気回収プロセスに経済的利益をもたらすほど十分に低い場合であり得る。いくつかのそのような実施形態では、Ｈ２ＳＯ４は、サワーガススイートニングプロセスによって産生されたＨ２Ｓの酸化によって産生され得る。いくつかの実施形態では、次に、直接空気回収によって産生されたＣＯ２は、サワーガススイートニングプロセスで使用でき、さらなる効率および／または経済的利点を提供する。
Ｈ２ＳＯ４＋Ｎａ２ＣＯ３→Ｎａ２ＳＯ４＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （６）
Ｈ２ＳＯ４＋Ｎａ２ＣＯ３→Ｎａ２ＳＯ４＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （６）
【0034】
直接空気回収システムは、空気回収反応器、ＣＯ２圧縮器、および他の機器を稼働させるために電力を必要とする場合がある。したがって、本発明のシステムおよび方法は、発電プロセスと組み合わせることができ、それにより、様々な構成要素を両方のプロセスで利用することができる。代替的にまたは追加的に、本発明のシステムおよび方法は、本発明のプロセスを実施するために必要なすべてのエネルギーの一部を供給できるエネルギーを同時産生するように操作することができる。
【0035】
注入ガス流（例えば、空気）から二酸化炭素または他の部分を除去するためのシステムおよびプロセスの例示的な実施形態が、図１に示されている。最初に、注入いくつかの実施形態では空気である注入ガスは、最初に圧縮ユニット１０内を通って、ガスを周囲より上に加圧する。圧縮ユニットは、ガス流を比較的低い圧力、例えば、約１．５バール～約２０バール、約２バール～約１５バール、または約３バール～約１０バールに加圧するように構成することができる。単段圧縮器を使用してもよく、または圧縮器が、複数段の圧縮を含んでもよく、任意により中間冷却することができる。空気が出発ガスである実施形態では、例示された圧縮ユニット１０は、空気回収プラントまたはユニットの一部であり得、これは、上記に別途記載のとおり空気の取り込みおよび圧縮に好適である１つ以上のブロワー、ポンプ、または圧縮器を含むことができる。
【0036】
圧縮器から出る排出ガスは、スクラビングユニット１５まで通過させることができ、これは、例えば、上記のとおり、加圧された排出ガスを苛性材料（例えば、アルカリ材料）の溶液に接触させるように構成された１つ以上のカラムを備え得る。例えば、向流スクラビングカラムを使用してもよい。図１の例示的な実施形態では、ＮａＯＨの溶液が利用される。スクラビングユニット１５は、いくつかの実施形態では、空気から苛性溶液にＣＯ２を吸収させるための湿式苛性スクラバーを備えたブロワーとして設計することができる。あるいは、スクラビングユニット１５は、強制通風構成として操作するような独特の設計であり得る。苛性溶液は、所望のレベルの炭酸化が起こるまで、継続的に再生利用され、温度制御され得る。
【0037】
スクラビングユニット１５から出る圧縮されたガスは、二酸化炭素リーンであり、したがって脱炭素化されていると特徴付けることができる。「二酸化炭素リーン」（ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｌｅａｎ）という用語の使用は、流れの構成が、二酸化炭素リッチであると見なされ得るスクラビングユニット１５に注入されるガス流に対することを示し得る。したがって、二酸化炭素リッチおよび二酸化炭素リーンは、相対的な用語であり、正確な二酸化炭素含有量を示すことに限定されない。例えば、スクラビングユニット１５から出るガス（二酸化炭素リーンガス流）の二酸化炭素含有量は、スクラビングユニット１５に入る排出ガスのＣＯ２含有量よりも、少なくとも５０％未満、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％少なくなり得る（例えば、最大１００％少ない）（これは、関係により、二酸化炭素リッチと見なすことができる）。一例として、周囲空気の二酸化炭素含有量は、現在４００ｐｐｍを超えると計算される。いくつかの実施形態では、スクラビングユニット１５から出る圧縮されたＣＯ２リーンガスは、圧縮されたガスの総質量に基づいて、４００ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、または５０ｐｐｍ未満（例えば、０ｐｐｍに近い）の二酸化炭素を含むことができる。スクラビングユニット１５から出る圧縮された二酸化炭素リーンガスは、エネルギー回収のために膨張器２０に送ることができる。図１に示すとおり、膨張器２０は、例えば、電気を作り出すために、発電機２２に結合することができる。本明細書で言及される他の膨張器は、同様に、それと共に適切な発電機を備え得る。二酸化炭素リーン排気ガスは、周囲温度よりかなり低い温度、例えば、２０℃未満、１５℃未満、１０℃未満、または５℃未満（例えば、０℃に近い）で膨張器２０を出て、これにより、ＨＶＡＣ適用で使用される可能性を有する、および／または冷却が必要とされ得る冷却流として使用される可能性を有する。
【0038】
圧縮された二酸化炭素リーンガスに加えて、二酸化炭素を含んだスクラビング溶液もスクラビングユニット１５から出る。ＮａＯＨが苛性剤として利用される場合、スクラビングユニット１５から出る溶液は、残留ＮａＯＨを含む溶液中に主に（例えば、５０％を超える、７５％を超える、または９０質量％を超える）炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）を含み得る。この炭酸塩溶液を、スクラビングユニット１５から取り出し、もう１つの方法で処理することができる。いくつかの実施形態では、炭酸塩溶液の少なくとも一部を結晶化ユニット２５内に通過させて、残留水酸化ナトリウムから炭酸ナトリウムを分離することができる。結晶化ユニット２５内では、必要に応じて加熱または冷却を適用して、炭酸ナトリウムおよび重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）の一方または両方を結晶化するのに効果的な結晶化プロセスを実施でき、これらは固体として除去され得る。例えば、炭酸塩溶液を好適な温度および圧力範囲まで加熱させて、水を除去することができる。好適な温度は、約４０℃～約１１０℃、約５０℃～約１００℃、または約６０℃～約１００℃であり得、好適な圧力は、ほぼ大気圧以下、約－５バール～約２バール、約－３バール～約１．５バール、または約－２バール～約１バールなどであり得る。水の除去を行って、炭酸塩の過飽和、最終的には、沈降、遠心分離、濾過、または同様の方法によって除去するための固体の沈殿を引き起こすことができる。同様の結果は、水分を除去するために炭酸塩溶液を冷却することによって達成することができる。好適な温度は、約０℃～約２０℃、約０℃～約１５℃、または約０℃～約１０℃の範囲であり得、上記の圧力範囲をここでも利用してもよい。回収されたＮａＯＨ溶液は、二酸化炭素を回収するためにスクラビングユニット１５に再生利用して戻すことができ、システム内の溶媒の損失を最小限に抑える。結晶化ユニットからの固体は、脱水させ、化学的副産物（例えば、ソーダ灰）として販売することができる。以下に説明するとおり、すべての固体の一部を水と再結合させて、炭酸塩溶液を再形成し、さらに処理することができる。
【0039】
スクラビングユニット１５から出たすべての炭酸塩溶液の一部（さらに、いくつかの実施形態では、結晶化ユニット２５から出る固体から形成される炭酸塩溶液）をポンプ３０内に通過させて、その圧力を上昇させることができる。いくつかの実施形態では、炭酸塩溶液は、少なくとも２バール、少なくとも３バール、少なくとも５バール、少なくとも１０バール、少なくとも２０バール、または少なくとも５０バールの圧力まで（例えば、プロセス構成要素の制限によって指示されている最大圧力まで）ポンプで送り出すことができる。いくつかの実施形態では、炭酸塩溶液は、約２バール～約１００バール、約５バール～約９５バール、約１０バール～約９０バール、約５０バール～約８５バール、または約６０バール～約８０バールの圧力までポンプで送り出すことができる。ポンプ３０は任意の要素であり得、炭酸塩溶液は、再生ユニット３５に通過させる前に必ずしもポンプで送り出して、圧力を上昇させる必要はないことが理解される。
【0040】
再生ユニット３５では、炭酸塩溶液は、ハロゲン化合物などの反応性物質と反応して、二酸化炭素ガスを放出することができる。いくつかの実施形態では、ハロゲン化合物は、具体的には、塩素含有材料であり得る。例えば、再生ユニット３５内のＮａ２ＣＯ３溶液は、Ｃｌ２ガス、Ｃｌ２液体、ＨＣｌ溶液、またはそれらのいくつかの組み合わせと反応することができる。同様に、塩素は別のハロゲンで置換するかまたは別のハロゲンと組み合わせることができる。したがって、ハロゲン化合物は、特にハロゲン部分が炭酸塩と反応するために利用可能である、任意のハロゲン含有材料であり得る。反応剤として塩素を使用した場合の再生ユニットでのＣＯ２生成のための主な化学反応を、以下の反応（７）～（１０）に示す。以下に示すとおり、反応の主な生成物は、ＮａＣｌナトリウム、ＮａＣｌＯ３、ＣＯ２、および水である。ナトリウムおよび塩素含有化合物は、形成され得る金属塩全般の代表であり、金属塩の正確な性質は、アルカリ溶液に使用されるアルカリ金属またはアルカリ土類金属、およびハロゲン化材料中に使用されるハロゲンに基づいて多様であることが理解される。
３Ｎａ２ＣＯ３＋３Ｃｌ２→５ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ３＋３ＣＯ２ （７）
２ＨＣｌ＋Ｎａ２ＣＯ３→２ＮａＣｌ＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （８）
ＮａＯＨ＋ＨＣｌ→ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ （９）
３Ｃｌ２＋６ＮａＯＨ→５ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ３＋３Ｈ２Ｏ （１０）
３Ｎａ２ＣＯ３＋３Ｃｌ２→５ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ３＋３ＣＯ２ （７）
２ＨＣｌ＋Ｎａ２ＣＯ３→２ＮａＣｌ＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （８）
ＮａＯＨ＋ＨＣｌ→ＮａＣｌ＋Ｈ２Ｏ （９）
３Ｃｌ２＋６ＮａＯＨ→５ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ３＋３Ｈ２Ｏ （１０）
【0041】
再生ユニット３５で生成された二酸化炭素含有流は、ＣＯ２精製ユニット４０内で、塩素、ＨＣｌ、および水などの不純物を除去するために処理することができる。そのようなユニットは、低温貯蔵ユニットおよび／または他の種類のＣＯ２精製ユニットであり得る。ＣＯ２精製ユニット４０から出る実質的に純粋な二酸化炭素（例えば、少なくとも９５％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、または少なくとも９９．５％のモルＣＯ２）は、好ましくは、輸出（例えば、ＣＯ２パイプラインを介して）のためおよび／または化学物質の生産のために十分に高い圧力および純度である。例えば、生成された二酸化炭素は、ＥＯＲまたは同様のプロセスで利用され得る。いくつかの実施形態では、生成された二酸化炭素の全部または一部は、例えば、好適な温度および圧力範囲で、水素ガスと組み合わせて、メタノール、エタノール、メタンなどの１つ以上の炭化水素燃料、またはガソリンなどの燃料中で有用な高級炭化水素混合物を産生することができる触媒反応器４５内で利用され得る。特定の実施形態では、メタネーションユニットが具体的に利用され得る。さらなる実施形態では、触媒反応器４５は、フィッシャー・トロプシュ法などの必要な反応を実行するために好適である任意の反応器であり得、この中で二酸化炭素および水素を、燃料材料、より具体的にはメタノール、メタン、１つ以上の高級アルコールまたは炭化水素、およびそれらの組み合わせを含むことができる炭化水素燃料を形成するために好適である方法で組み合わせることができる。非限定的な例として、触媒反応器４５では、ニッケル、鉄、コバルト、ルテニウム、または他の遷移金属などの金属触媒が利用され得る。燃料形成のための反応は、典型的には、約１５０℃～約３５０℃の温度および約１バール～約３０バールの圧力範囲で実施され得る。
【0042】
再生ユニット３５は、そこから出る生成物を調製するのに有用であり得る複数の個々の構成要素を備えることができる。例えば、再生ユニットは、上記の反応（例えば、反応（７）～（１０））を実行するために好適である１つ以上の反応器３６を含むことができる。いくつかの実施形態では、再生ユニット３５は、ＮａＣｌＯ３を沈殿させ、それをＮａＣｌで飽和させることによって、または当業者に公知の他の方法によって溶液から分離することができる沈殿ユニット３７を含むことができる。分離されたＮａＣｌＯ３は、貴重な化学副産物として輸出され得る。いくつかの実施形態では、ＮａＯＣｌ、ＮａＣｌＯ４、Ｃｌ２Ｏ、および／またはＣｌＯ２などの他の生成物が産生、分離、および輸出され得る。あるいは、ＮａＣｌ／ＮａＣｌＯ３溶液を、１つ以上の加熱器３８を利用して、より高い温度、例えば、約３００℃以上まで加熱することができる。次に、ＮａＣｌＯ３は、以下の反応（１１）に示すように、ＮａＣｌおよびＯ２に分解する。その後、酸素ガスを回収して副産物として輸出させ得る。
２ＮａＣｌＯ３→２ＮａＣｌ＋３Ｏ２ （１１）
２ＮａＣｌＯ３→２ＮａＣｌ＋３Ｏ２ （１１）
【0043】
再生ユニット３５内の残留液体は、エネルギー回収デバイス（例えば、膨張器３９）を介して減圧され、次いで、電気分解ユニット５０に通過させることができる。電気分解ユニット５０は、電気分解条件下で１つ以上の金属塩を水と反応させてアルカリ溶液を再生し、１つ以上のさらなる化学物質を形成するために好適である１つまたは複数の構成要素を備えることができる。例えば、このような電気分解条件には、クロルアルカリプロセスにおいて一般的に利用される反応条件が含まれ得る。さらに、電気分解ユニットは、形成された水素およびハロゲン種の分離を維持するための膜セルを含み得るか、またはダイヤフラムセルもしくは未分割セルなどの他の構成が利用され得る。電気分解ユニット５０内では、例えば、塩化ナトリウムおよび水を正極および負極の存在下で添加して、以下の反応（１２）に示す反応全体を通じて、水酸化ナトリウム、Ｈ２ガス、およびＣｌ２ガスを形成することができる。以下の反応では、水酸化ナトリウムおよび塩素ガスが例示されているが、再生ユニット３５で利用されるハロゲン化物質に応じて、任意の水素塩基が形成され得ることが理解される。同様に、スクラビングユニットに導入されるアルカリ溶液中で元々使用されているアルカリ金属またはアルカリ土類金属に応じて、他のアルカリ溶液が形成され得る。そのような変形形態はまた、電気分解ユニット５０から生成されるさらなる化学物質の任意の使用など、以下の材料のさらなる議論にも当てはまる。
２ＮａＣｌ＋２Ｈ２Ｏ→Ｃｌ２＋Ｈ２＋２ＮａＯＨ （１２）
２ＮａＣｌ＋２Ｈ２Ｏ→Ｃｌ２＋Ｈ２＋２ＮａＯＨ （１２）
【0044】
電気分解ユニット５０内で形成された個々の構成要素は、様々な方法で利用することができる。この高度に再生利用されたシステムにおけるハロゲンの物質収支を維持するために、一部の補給塩水または他のハロゲン化材料を電気分解ユニット５０内で利用することができる。さらに、過剰なクロルアルカリ電気分解装置容量は、システムの全体的な操作および／または経済効率を改善するのに有益であり得る。
【0045】
電気分解ユニット５０内で生成された水酸化ナトリウムの全部または一部を使用して、再生されたＮａＯＨ溶液を形成することができ、この溶液を、再生利用して、注入ガスからＣＯ２を回収するためにスクラビングユニット１５に戻すことができる。電気分解ユニット５０内で再生された塩素ガスは、比較的高圧に圧縮され、Ｎａ２ＣＯ３溶液からＣＯ２をストリッピングするために再生ユニット３５に供給され得る。
【0046】
電気分解ユニット５０から生成された水素は、副産物として輸出することができる。代替的にまたは追加的に、水素ガスの全部または一部を触媒反応器４５に送って、回収されたＣＯ２と組み合わせて、実質的に炭素を含まないメタノールおよび／または他の燃料材料を形成することができる。代替的にまたは追加的に、Ｈ２ガスおよび塩素ガスをＨＣｌ反応器５５に送って反応させ、上記の反応（５）を介したＣＯ２ストリッピングで使用するために再生ユニット３５に送達するためのＨＣｌ溶液を形成することができる。ＨＣｌを、任意により、ＨＣｌポンプ５７内に通過させて、ＨＣｌを加圧することができる。ＨＣｌ反応器５５から生成された熱エネルギー（例えば、熱）を使用して、蒸気サイクル６０を駆動させて電気エネルギーを作り出すことができるかおよび／またはそれを使用して、膨張器からの発電量を増加させるために圧縮されたＣＯ２リーンガスを受ける膨張器２０の入口で、ＣＯ２枯渇圧縮空気を加熱することができる。あるいは、Ｈ２およびＣｌ２を燃料電池６５内で反応させて、システム全体内のあらゆる場所で使用するために、または販売するために電気を生成することができる。例えば、公知のＨ２／Ｏ２燃料電池を公知の方法によって適切に改変し、Ｈ２およびＣｌ２を利用して効率的に電気を生成することができる。例えば、Ｈｕｓｋｉｎｓｏｎら、「Ａ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｃｈｌｏｒｉｎｅ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｗｉｔｈ ａ ｌｏｗ ｐｒｅｃｉｏｕｓ ｍｅｔａｌ ｃｏｎｔｅｎｔ ｃａｔａｌｙｓｔ」Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，５（９），Ｊｕｎｅ，２０１２を参照されたい。
【0047】
Ｈ２およびＣｌ２、生成されたメタノールまたは他の炭化水素燃料、および／またはシステム全体の熱エネルギーは、システム全体および／またはローカル電力グリッドのエネルギー負荷平準化の手段として保存され得る。これは、システム全体の経済性、再生可能エネルギー発電システムまたはローカルグリッドの経済性を改善するために使用され得る。
【0048】
前述のことからわかるように、本発明のシステムおよび方法は、出発ガス流から１つ以上の部分を除去するように構成することができ、これは、ガス流からの二酸化炭素の除去、特に空気からの直接回収に特に有用であり得る。システムおよび方法はまた、有益なことに、１つ以上の付加価値のある化学物質のコジェネレーションを同時に提供することもできる。このような化学物質は、単独で、または任意の組み合わせで産生することができる。産生され得る化学物質の非限定的な例としては、水素（Ｈ２）、塩素（Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）、次亜塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ）、塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ３）、塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ３）、一酸化二塩素（Ｃｌ２Ｏ）、二酸化塩素（ＣｌＯ２）、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ４）、過塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ４）、硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）、および硫酸カリウム（Ｋ２ＳＯ４）が挙げられる。いくつかの実施形態では、システムおよび方法は、１つ以上の付加価値のある化学物質のコジェネレーションが有意に過剰となり得るように構成され得る。特に、システムおよび方法は、回収プロセスの操作に必要な１つ以上の化学物質が、本操作に必要とされ得る量を実質的にまたは有意に超える量で産生されるように構成することができる。これは、システム全体の全体的な資本および／または操作エンジニアリングおよび／または経済効率を改善するために特に有益であり得る。したがって、システムおよび方法は、本明細書に別途記載があるとおり、様々な要素およびプロセスステップを含むことができ、これらの様々な要素およびプロセスステップは、本開示の全体を読むことに基づいて明らかであるように、任意の順序および数でのインプリメンテーションが可能である。
【0049】
この主題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ことに関係する当業者であれば、現在開示されている主題の多くの改変および他の実施形態が考えられるであろう。したがって、本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、改変および他の実施形態は、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が使用されているが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用されており、限定の目的ではない。
【図1】
【図2】
【国際調査報告】