CO2捕獲/利用およびN2生産のための発電所による圧力スイング吸着の統合

様々な態様において、本発明は、得られた排出物の分離および/または捕獲による低排出物動力生産に関する。

発電所から排出されるガスの捕獲は、関心の高まる領域である。石油製品の燃焼に基づく発電所では、反応副産物として二酸化炭素が発生する。歴史的に、この二酸化炭素は、燃焼後、大気中に放出されていた。しかしながら、燃焼の間に発生する二酸化炭素の他の用途を見出す方法を特定することはますます望ましくなっている。

複合サイクル発電所は、石油製品または他の炭素をベースとする燃料の燃焼から電気を発生させる効率的な方法を提供する。複合サイクル発電所は、発電のために複数のタービンを動かす初期燃焼反応を導入し、より効率的な発電へと導くことができる。しかしながら、二酸化炭素を捕獲するための従来の方法は、二酸化炭素を捕獲および/または分離するために必要とされるさらなるエネルギーのため、発電の効率を低下させる傾向ある。

特許文献1には、炭素をベースとする燃料の燃焼に基づく複合サイクル発電所を使用する電気発生システムおよび方法が記載される。このシステムおよび方法は、燃焼反応における燃料と酸素との化学量論的比率の使用、ならびに燃焼反応への投入の一部としての燃焼排気ガスのリサイクルを含む。燃焼生産物は、パージガス流としてシステムから引き出される。パージガス流のCO₂は、例えば、炭酸カリウムなどの溶媒を使用して除去される。

特許文献2には、スイング吸着によって分離を実行する方法が記載されているが、その場合、分離されたガス流中の成分の1種と、スイング吸着装置をパージするために使用されるガス流の成分との間の相互作用を最小化または回避することが望ましい。合成ガス流からの水素および二酸化炭素の分離が一例として示されており、典型的な酸素含有パージ流からのいずれかの酸素による水素生産物流の汚染を回避することが望ましい。分離方法には、分離の間の1種またはそれ以上のバッファガス工程の使用が含まれ、他のいずれの成分とも異なるバッファが、分離プロセスの工程の間に汚染を防止するために使用される。

特許文献3には、CO₂捕獲のためのオートサーマルサイクルが記載される。CO₂を吸着するために、燃焼排気ガスを吸着剤層と接触させる。次いで、CO₂は、蒸気を含んでなるガスと吸着剤を接触させることによって除去される。蒸気およびCO₂を含有する得られた産出ガスは、H₂O、CO₂および熱を回収するために、蒸気再圧縮システムへ運搬される。次いで、回収されたH₂Oおよび熱は、スイープガス用蒸気を提供するために使用される。CO₂回収のために必要とされる蒸気スイープガスの量は、投入供給ガス1モルあたり約1モルの蒸気であると記載されている。燃焼ガス投入供給は、15モル%以下のCO₂含有量を有すると記載されている。したがって、蒸気/CO₂モル比は、CO₂1モルあたり少なくとも約6モルの蒸気であると記載されている。このプロセスは、燃焼排気ガス中の炭素の少なくとも90%を産出ガスの一部として回収すると記載されている。

他の潜在的に関連する刊行物には、特許文献4、特許文献5、Reijersらによる論文、非特許文献1およびWrightらによる論文、非特許文献2が特に含まれる。

国際公開第2012/003079号パンフレット

米国特許第6,902,602号明細書

米国特許出願公開第2012/0125194号明細書

米国特許出願公開第20120318533号明細書

欧州特許出願公開第2220338号明細書

Ind.Eng.Chem.Res.,2009,48,6966

Energy Procedia,2011,4,1457

本発明の一態様は、動力(出力又は電力)を発生させる方法であって、メイン圧縮器において、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程と;インレット(又は入り口)圧縮器において富化空気を圧縮して、圧縮酸化剤を発生させる工程と;圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分を燃焼室に通過させる工程と;燃焼室において、かつ放出流の温度を調節するように構成される希釈剤として作用する圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分の存在下で、圧縮酸化剤および燃料を化学量論的に燃焼させて、それによって、放出流を発生させる工程と;膨張器において放出流を膨張させて、メイン圧縮器を少なくとも部分的に駆動して、リサイクルされた排気ガスを発生させる工程と;リサイクルされた排気ガスの第2の部分を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程と;リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度およびリサイクル圧力とは約1bar(約0.1MPa)未満異なる吸着圧力において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が分離圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出(出力又は生成)することによって、スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程と;約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、リサイクルされた排気ガスの第2の部分のCO₂の1モルあたり1.0モル未満(例えば、約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、リサイクルされた排気ガスの第2の部分において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程とを含んでなる方法に関する。

本発明の別の態様は、反応器排気流からのN₂およびCO₂の製造方法であって、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなり、約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する反応器排気流を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程と;少なくとも400℃の吸着温度において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程と;約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.0モル未満(例えば、約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、反応器排気流において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程とを含んでなる方法に関する。

本発明のさらに別の態様は、反応器排気流からのN₂およびCO₂の製造方法であって、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程と;周期的圧力スイング吸着プロセスにおいて、圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部においてN₂からCO₂を分離する工程を含み、プロセスサイクルが、圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させ、反応器排気流が約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する工程と;リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度およびリサイクル圧力とは約1bar(0.1MPa)未満異なる吸着圧力において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)以下異なる圧力を有し、回収されたN₂流がリサイクル温度とは20℃以下異なる温度を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程と;約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.0モル未満(例えば、約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、反応器排気流において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程と;CO₂回収流を、少なくとも約90体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流および水に分離する工程を含み、蒸気パージ及び圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部が、プロセスサイクルの間にスイング吸着反応器に導入されるガスの少なくとも約95体積%を含んでなる方法に関する。

炭素をベースとする燃料の燃焼をベースとする電気発生のための複合サイクルシステムの実施例を概略的に示す。

圧力スイング吸着プロセスの構成を概略的に示す。

実施例4に関するCO

₂純度対蒸気パージ含有量のグラフを示す。

容器間で相互連絡を含まない3容器吸着配列のサイクル構成を図示する。

容器間で相互連絡を含まない4容器吸着配列のサイクル構成を図示する。

容器間でいくらかのレベルの相互連絡を有する4容器吸着配列のサイクル構成を図示する。

様々な態様において、発電の間に排出物を低下および/または軽減しながらタービンを使用する発電のためのシステムおよび方法が提供される。複合サイクル発生システムでは、ガスタービンの燃焼反応からの燃焼ガスも蒸気タービンに動力を供給するために使用することができる。次いで、燃焼ガスは、ガスタービンへの投入の一部としての使用のためにリサイクル可能である。リサイクルされた排気ガスの一部は、分離のために必要とされるエネルギーを低下および/または最小化しながら、そして燃焼ガスの温度を低下させる必要もなく、高純度二酸化炭素流を発生させるために効果的に分離することができる。これによって、典型的に大部分が窒素から構成される可能性のあるリサイクルされた排気ガスの別の(例えば、残りの)部分を使用して、例えば、二酸化炭素分離プロセスに必要とされる条件に適合するように、リサイクルされた排気ガスの圧力および/または温度を調節することを必要とせずに、さらなる電気を発生させることができる。したがって、二酸化炭素および窒素の相対的に高純度の流れも発生させながら、複合サイクルシステムから改善されたエネルギー回収を実現することができる。

さらなる使用のために効果的に分離および/または捕獲することも可能である排出物の低い発電には、様々なシステム構成および処理条件が寄付する可能性がある。例えば、ガスタービンへの燃焼室のための投入ガス流は、望ましい組成、例えば、燃料対酸素のおおよそ化学量論的な比率を有するように選択することができる。燃料対酸素のおおよその化学量論的な比率を有することは、燃焼後のガス産出に存在する未反応の酸素の量を低下させることができる。これは、他の燃焼生産物)の分離を促進すること、ならびにNOx種の生産を潜在的に低下/排除することができる。より一般に、望ましい供給によるおおよその化学量論的な燃焼反応は、主にCO₂、N₂およびH₂Oから構成される排気を生じることができる。

効果的に分離および/または捕獲することが可能である排出物の低い発電に寄付することが可能なシステム構成および/またはプロセス条件の別の実施例は、投入ガス流の一部として、リサイクルされた排気ガスを使用することが含まれる。燃焼プロセスから出るガス流は、ガスタービンに動力を供給するために有利には使用することができる。ガスタービンに動力を供給した後、このガス流は排気ガスに相当する。この排気ガスは、排気ガスから熱を抽出するための熱交換器を使用して、複合サイクル構成において蒸気タービンに動力を供給するために使用することができる。この排気ガスは、次いで、水の除去後、投入ガス流の一部として使用するためにリサイクルすることができる。排気ガスは、外気と比較して、高い体積パーセントのCO₂を有利に有することができ、燃焼反応への投入ガス流のCO₂含有量を選択する際に助けとなることができる。燃焼生産物におけるCO₂の量を制御することは、燃焼反応から捕獲されるエネルギー産出を向上させるために有利であることができる。

排気ガスの全てをリサイクルすることによって、流れを炭素捕獲プロセスに転送することができるまで、排気中の炭素の全てを単一の流れに維持することができる。しかしながら、典型的に、全てのリサイクルされた排気ガスが、燃焼への投入ガス流のためのさらなるガスを提供するために必要とされなくてもよい。その結果、いずれかの過剰な排気ガスを、例えば、高純度CO₂およびN₂ガス流への分離のために転送することができる。この転送を実行するプロセスの都合のよい位置は、燃焼への投入ガス流のために所望の温度および圧力を達成するために、リサイクルされた排気ガスが変性された後であることができる。この点で、温度/圧力低下によるエネルギー損失量を低下/最小化しながら、CO₂およびN₂の分離を実行することが望ましくなることができる。例えば、CO₂およびN₂を分離するための典型的な溶媒法は、リサイクルされた排気ガスの温度の低下を必要とする。そのような従来の溶媒法に関して、N₂流において可能な限り多くのエネルギーを維持するために、リサイクルされた排気ガスから分離されたN₂流へと熱を移動するために、熱交換器を使用することができる。

いくつかの態様において、CO₂およびN₂の分離は、燃焼反応への投入ガス流の温度および圧力においてCO₂およびN₂を分離するための圧力スイング吸着(PSA)プロセスを使用することにより実行することができる。分離を実行するために圧力スイング吸着を使用することによって、例えば、少なくとも約90%の純度(例えば、少なくとも約93%の純度、少なくとも約95%の純度、少なくとも約97%の純度、少なくとも約98%の純度または少なくとも約99%の純度)を有するN₂流および/または少なくとも約80%の純度(例えば、少なくとも約85%の純度、少なくとも約90%の純度、少なくとも約95%の純度、少なくとも約97%の純度、少なくとも約98%の純度、少なくとも約99%の純度、少なくとも約99.3%の純度または少なくとも約99.5%の純度)を有するCO₂流も発生させながら、リサイクルされた排気ガス中、例えば、少なくとも約60%(例えば、少なくとも約65%、少なくとも約70%、少なくとも約75%、少なくとも約80%、少なくとも約85%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約97%、少なくとも約98%、少なくとも約99%、少なくとも約99.3%または少なくとも約99.5%)のCO₂の回収が可能となる。

様々な態様において、PSA反応器のための動作条件は、なお排気ガスを効果的に捕獲しながら、発電プロセスを促進するために選択されることができる。相対的に高温のPSAを使用することによって、リサイクルされた排気ガスのN₂部分のエネルギー含有量を維持することができ、このN₂ガス流を使用して、発電のためにさらなるタービンに動力を供給することができる。対照的に、溶媒分離などのCO₂分離のための従来の分離方法は、典型的に、分離を促進するために、流れの温度および/または圧力の調整を必要とする可能性がある。したがって、排気ガスを処理する前に、リサイクルされた排気を変性するためにエネルギーを必要とする代わりに、PSA反応器の使用によって、回収プロセスを、発電のための動作条件に適合させることができる。

高温PSAは、高温蒸気および/または別のエネルギー消費型パージガスの必要性を回避するプロセスサイクルを使用して実行することもできる。これによって、排気ガスの捕獲のためのエネルギー損失量を低下/最小化しながら、高純度CO₂が回収される。

低排出物による発電のための複合サイクルプロセス 様々な態様において、発電の間に生産される排出物を制御および/または捕獲しながら動力を発生させるためのシステムおよび方法が提供される。発電の1つの目標は、燃料および/または装置の所与の量に関して、発電を増加/最適化することができるように、可能な限り効率的に投入供給(例えば燃料)を使用することである。有効な発電のための条件に基づき、排出物の制御/捕獲のための目標は、発電のための条件への変化を低下/最小化しながら、排出物の有効な捕獲を提供することであることができる。

本明細書で使用される場合、「化学量論的な燃焼」という用語は、燃料および酸化剤を含んでなる反応物の体積と、反応物を燃焼させることによって形成される生産物の体積とを有する燃焼反応を指し、ここでは実質的に、反応物の全体積は、生産物を形成するために使用される。本明細書で使用される場合、「実質的に化学量論的な燃焼」という用語は、化学量論的な比率のために必要とされる酸素の約+10%〜約−10%、例えば約+5%〜約−5%の範囲の、酸素に対する燃焼燃料のモル比を有する燃焼反応を指す。例えば、メタンに関する燃料対酸素の化学量論的な比率は、1:2(CH₄+2O₂←→CO₂+2H₂O)であるのに対し、プロパンは、1:5の燃料対酸素の化学量論的な比率を有するであろう。実質的に化学量論的な燃焼を測定する別の方法は、供給される酸素対化学量論的な燃焼のために必要とされる酸素の比率として、例えば、約0.9:1〜約1.1:1、または約0.95:1〜約1.05:1が可能である。

いくつかの態様において、本明細書に記載されるプロセスを使用して、石油増進回収法(EOR)、炭化水素増進回収法(EHR)および/または分離/捕獲用途のための超低排出物電力およびCO₂を生産することができ、そのような場合、EOR/EHRのためのプロセス条件は、分離/捕獲用途と同様でもよいか、またはわずかに異なってもよい。1つまたはそれ以上の態様において、酸素富化ガス(例えば富化空気)および燃料の混合物は、化学量論的に、または実質的に化学量論的に燃焼することができて、リサイクルされた排気ガスの流れと同時に混合することができる。リサイクルされた排気ガスの流れは、一般にCOなどの燃焼の生産物を含むが、燃焼の温度および後続する膨張器に入る排気を制御、調節および/または別の様式で調節する希釈剤として使用することができる。酸素富化を使用することの結果として、リサイクルされた排気ガスは、増加したCO₂含有量を有することができ、それによって、膨張器を、同一インレットおよび放出温度に関して、より高い膨張比で動作することが可能となり、それによって、有意に増加した動力が生産される。

化学量論的な条件または実質的に化学量論的な条件における商業的なガスタービンの燃焼(例えば、「わずかに富化の」燃焼)は、過剰な酸素除去の費用を排除するための利点を提供することができる。排気を冷却して、冷却された排気流から水を凝縮することによって、相対的に高含有量のCO₂排気流を生産することができる。リサイクルされた排気ガスの一部を、クローズドブレイトンサイクルにおいて温度節度のために利用することができるが、残りのパージ流を、EORおよび/または炭化水素増進回収用途のために使用することができ、かつ/または酸化硫黄(SOx)、酸化窒素(NOx)および/またはCO₂が大気にほとんど排出されずに電力を生産することができる。このプロセスの結果は、3つの別々のサイクルにおける動力の生産、およびさらなるCO₂の製造を含むことができる。いくつかの態様において、化学量論的な燃焼を実行することは、CO₂、H₂OおよびN₂から実質的になる排気流の発生を可能にする。CO₂、H₂OおよびN₂から実質的になる排気流は、約5モル%以下、例えば、約2.5モル%以下または約1モル%以下の他のガス分子を含有する排気流として定義される。

図1は、1つまたはそれ以上の実施形態による複合サイクル配列を使用する、発電およびCO₂回収のための統合化されたシステム100の実例の概略図を示す。少なくとも1つの実施形態において、発電システム100は、動力生産、クローズドブレイトンサイクルとして特徴づけられるガスタービンシステム102を含むことができる。ガスタービンシステム102は、シャフト108を経由して膨張器106に連結された第1またはメイン圧縮器104を有することができる。シャフト108は、いずれかの機械的、電気的および/または他の動力カップリングであることができ、それによって、膨張器106によって発生した機械的エネルギーの一部がメイン圧縮器104を駆動することを可能にする。少なくとも1つの実施形態において、ガスタービンシステム102は標準ガスタービンであることができ、ここで、メイン圧縮器104および膨張器106が、それぞれ、圧縮器および膨張器端部を形成する。しかしながら、他の実施形態において、メイン圧縮器104および膨張器106は、システム102の個別的構成要素であることができる。

ガスタービンシステム102は、ライン114を経由して導入される酸化剤と混合される、ライン112を経由して導入される燃料を燃焼させるように構成される燃焼室110を含むこともできる。1つまたはそれ以上の実施形態において、ライン112の燃料は、天然ガス、メタン、エタン、ナフサ、ブタン、プロパン、合成ガス、ディーゼル、ケロシン、航空燃料、石炭由来燃料、生物燃料、酸素化炭化水素原料またはそれらのいずれかの組み合わせなどのいずれかの適切な炭化水素ガスまたは液体を含むことができる。ライン114を経由する酸化剤は、燃焼室110に流動的に連結され、そしてライン120を経由して導入される供給酸化剤を圧縮するために適応される第2またはインレット圧縮器118から誘導することができる。1つまたはそれ以上の実施形態において、ライン120の供給酸化剤は、大気空気、富化空気またはそれらの組み合わせを含むことができる。ライン114の酸化剤が大気空気および富化空気の混合物を含む場合、富化空気を、大気空気との混合前および/または後にインレット圧縮器118によって圧縮することができる。富化空気は、少なくとも約30体積%、例えば、少なくとも約35体積%、少なくとも約40体積%、少なくとも約45体積%、少なくとも約50体積%、約30体積%〜約70体積%、約30体積%〜約65体積%、約30体積%〜約60体積%、約30体積%〜約55体積%、約30体積%〜約50体積%、約35体積%〜約70体積%、約35体積%〜約65体積%、約35体積%〜約60体積%、約35体積%〜約55体積%、約35体積%〜約50体積%、約40体積%〜約70体積%、約40体積%〜約65体積%、約40体積%〜約60体積%、約40体積%〜約55体積%、約40体積%〜約50体積%、約45体積%〜約70体積%、約45体積%〜約65体積%、約45体積%〜約60体積%、約45体積%〜約55体積%、約45体積%〜約50体積%、約50体積%〜約70体積%、約50体積%〜約65体積%または約50体積%〜約60体積%の全酸素濃度を有することができる。

富化空気は、富化空気を生産するためにインレット圧縮器118の上流で様々な技術を実施することを含む、いくつかの供給源のいずれかの1種またはそれ以上から誘導することができる。例えば、富化空気は、膜分離、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、窒素プラント副産物流および/またはそれらの組み合わせなどの分離技術から誘導することができる。富化空気は、圧力維持または他の目的のための窒素生産のために、低温ASUなどの空気分離ユニット(ASU)から追加的に、または代わりとして誘導されることができる。例えば、ASUからのリジャクト流は酸素富化であることが可能であり、例えば、約50体積%〜約70体積%の全酸素含有量を有する。このリジェクト流は、富化空気の少なくとも一部として使用することができ、その後、必要に応じて、未処理の大気空気によって希釈し、用途のために所望の酸素濃度を得ることができる。

以下、より詳細に記載されるように、燃焼室110は、主にCO₂および窒素成分を有する排気ガス再循環を含む、ライン144の圧縮リサイクル排気ガスを受けることもでる。ライン144の圧縮リサイクル排気ガスは、メイン圧縮器104から誘導され、そして燃焼生産物の温度を調節することによって、ライン114の圧縮酸化剤およびライン112の燃料の化学量論的または実質的に化学量論的な燃焼の促進に役立つように適応されることができる。認識できるように、排気ガスを再循環させることは、排気ガス中のCO₂濃度を増加させるために役に立つことができる。

膨張器106のインレットに誘導されるライン116の排気ガスは、ライン144の圧縮リサイクル排気ガスの存在下で、ライン114の燃料およびライン112の圧縮酸化剤の燃焼の生産物として発生することができる。少なくとも1つの実施形態において、ライン112の燃料は主に天然ガスであることができ、それによって、ライン116を経由して、蒸発した水、CO₂、窒素、酸化窒素(NO_x)および酸化硫黄(SO_x)の体積測定部分を含むことができる放出または排気ガスが発生する。いくつかの実施形態において、ライン112の不燃焼燃料または他の化合物の小部分も、燃焼平衡の限界のため、ライン116の排気ガスに存在する可能性がある。ライン116の排気ガスが膨張器106を通して膨張すると、メイン圧縮器104を駆動するための機械的動力、電気発電機および/または他の設備を発生させることができ、そしてライン144の圧縮リサイクル排気ガスの流入から生じる、高められたCO₂含有量を有するライン122のガス排気を生産することもできる。いくつかの実施において、膨張器106は他の目的のために使用されてもよいさらなる機械的動力を生産するために適応されてもよい。

追加的に、または代わりとして、発電システム100は、蒸気ガスタービン128に流動的に連結された熱回収蒸気発生器(HRSG)126または同様のデバイスを含むことができる排気ガス再循環(EGR)システム124を含むことができる。少なくとも1つの実施形態において、HRSG126および蒸気ガスタービン128の組み合わせは、動力生産クローズドランキンサイクルとして特徴づけることができる。ガスタービンシステム102と組み合わせて、HRSG126および蒸気ガスタービン128は、天然ガス複合サイクル(NGCC)プラントなどの複合サイクル発電プラントの一部分を形成することができる。ライン122のガス排気は、ライン130を経由して蒸気と、ライン132の冷却された排気ガスとを発生させるために、HRSG126に導入することができる。追加的に、または代わりとして、ライン130の蒸気は、さらなる電力を発生させるために、蒸気ガスタービン128に送ることができる。

ライン132の冷却された排気ガスを、ライン132の冷却された排気ガスを冷却して、冷却されたリサイクルガス流140を発生させるために適応される第1の冷却ユニット134に送ることができる。第1の冷却ユニット134は、例えば、接触冷却器、トリム冷却器、蒸発冷却ユニットまたはそれらのいずれかの組み合わせの1種またはそれ以上を含むことができる。第1の冷却ユニット134は、水ドロップアウト流138を経由してライン132の冷却された排気ガスから、いずれかの凝縮された水の一部を除去するために、追加的に、または代わりとして適応することができる。少なくとも1つの実施形態において、水ドロップアウト流138は、ライン130の追加的な蒸気を発生させるため、水供給源を提供するために、ライン141を経由してHRSG126に送られてもよい。追加的に、または代わりとして、水ドロップアウト流138を経由して回収される水は、補助熱交換プロセスなどの他の下流用途のために使用することができる。

ほとんどの実施形態において、冷却されたリサイクルガス流140は、ブースト圧縮器142に導かれることができる。ラインライン132の冷却された排気ガスを第1の冷却ユニット134において冷却することによって、冷却されたリサイクルガス流140をブースト圧縮器142において圧縮するために必要とされる動力を低下させることができる。従来のファンまたは送風装置システムとは対照的に、ブースト圧縮器142は、冷却されたリサイクルガス流140の全体的な密度を圧縮、したがって、増加するように構成されることができ、それによって、ライン145の下流において、加圧されたリサイクルガスが導かれて、したがって、ライン145の加圧されたリサイクルガスは、同一体積測定流に関して増加した質量流量を示すことができる。有利に、メイン圧縮器104が体積流れ限定である可能性があるため、メイン圧縮器104を通してより多くの質量流れを導くことによって、より高い放出圧力を得ることができ、それによって、膨張器106全体でより高い圧力比に変換されるということが証明される。膨張器106全体で発生するより高い圧力比は、より高いインレット温度と、したがって、膨張器106の動力および/または効率における増加を可能にすることができる。認識することができるように、ライン116のCO₂富化排気ガスがより高い比熱能力を一般に維持することができることが証明され得る。

メイン圧縮器104の吸引圧力は、典型的にその吸引温度の関数であることができるので、より冷たい吸引力温度では、同一質量流れに関して、メイン圧縮器104を動作するためにより少ない動力が一般に要求されることができる。従って、ライン145の加圧されたリサイクルガスは、例えば、1種またはそれ以上の直接接触冷却器、トリム冷却器、蒸発冷却ユニットまたはそれらのいずれかの組み合わせを含むことができる第2の冷却ユニット136に任意に導かれることができる。少なくとも1つの実施形態において、第2の冷却ユニット136は、ライン145の加圧されたリサイクルガスにおいてブースト圧縮器142によって発生する少なくとも一部の圧縮熱を除去するために適応させたアフタークーラーとして役に立つことができる。第2の冷却ユニット136は、水ドロップアウト流143を経由して、さらなる凝縮された水を追加的に、または代わりとして抽出することができる。いくつかのそのよう実施形態において、水ドロップアウト流138、143は、流れ141に収束することができ、ライン130を経由して追加の蒸気を発生させるためにHRSG126に送られても、送られなくてもよい。第1および第2の冷却ユニット134、136のみが本明細書に示されるが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な用途に適するように、冷却ユニットのいずれかの所望の数が使用されることができる。

メイン圧縮器104は、名目上、燃焼室110の圧力以上の圧力までライン145の加圧されたリサイクルガスを受け取って、圧縮するように構成されることができ、それによって、ライン144の圧縮リサイクル排気ガスを発生させる。認識することができるように、ブースト圧縮器142の圧縮後に、第2の冷却ユニット136において、ライン145の加圧されたリサイクルガスを冷却することは、メイン圧縮器104への排気ガスの体積測定質量流れの増加を可能にする。従って、これは、予め定められた圧力までライン145の加圧されたリサイクルガスを圧縮するために必要とされる動力の量を低下させることができる。

多くの実施形態において、パージ流146は、ライン144の圧縮リサイクル排気ガスから回収することができ、そして、その後、ライン150を経由して高圧でCO₂を捕獲するためにCO₂分離器148で処理される。好ましくは、以下にさらに詳細に記載されるように、CO₂分離器は圧力スイング吸着ユニットであることができる。ライン150の分離されたCO₂は、販売のために使用されることができ、CO₂を必要とする別のプロセスに使用されることができ、および/または石油増進回収法(EOR)、炭化水素増進回収法(EHR)、分離または別の目的のための地上貯蔵器にさらに圧縮およびに注入することができる。ブースト圧縮器142からの高圧と組み合わせられたライン112の燃料の化学量論的または実質的に化学量論的な燃焼のため、パージ流146のCO₂分圧は、従来のガスタービン排気におけるよりも非常に高くなることができる。

本質的にCO₂が減少して、主に窒素からなる残留流151は、追加的に、または代わりとしてCO₂分離器148から誘導することができる。いくつかの実施形態において、残留流151は、ライン156を経由して、動力および膨張した減圧ガスまたは排気ガスを提供するために、ガス膨張器152に導入することができる。膨張器152は、例えば、動力生産窒素膨張器であることができる。示されるように、ガス膨張器152は、一般的なシャフト154または他の機械的、電気的または他の動力カップリングを通してインレット圧縮器118に任意に連結することができ、それによって、ガス膨張器152で発生する動力の一部によって、インレット圧縮器118を駆動することが可能となる。しかしながら、システム100のスタートアップの間、および/または通常の操作の間、ガス膨張器152が、インレット圧縮器118を動作するために必要とされる全ての動力を供給することができない場合、電気モーターなどの少なくとも1種のモーター158は、ガス膨張器152との相乗作用で使用可能である。例えば、モーター158は、システム100の通常の操作の間、モーター158が、ガス膨張器152からの動力不足を供給するように構成されることができるように、賢明にサイズ設定されることができる。しかしながら、他の実施形態において、ガス膨張器152は、他の用途に動力を提供するために使用されることができ、そして直接ではなくインレット圧縮器118に連結することができる。例えば、実質的に不適当な組合せが、膨張器152で発生する動力と圧縮器118の必要条件との間にあってもよい。そのような場合、膨張器152は、より少ない(またはより多くの)動力を要求し得るより小さい(またはより大きい)圧縮器(図示せず)を駆動するために適応することができるであろう。

主に乾燥窒素ガスからなるライン156の膨張した減圧ガスは、ガス膨張器152から放出することができる。少なくとも1つの実施形態において、ガス膨張器152、インレット圧縮器118およびCO₂分離器148の組み合わせは、オープンブレイトンサイクルおよび/または発電システム100の第3の動力生産構成要素として特徴づけることができる。残留流151の窒素ガスを膨張させる従来のシステムおよび方法ならびにそれらの変形物は、当該技術において既知であると考えられ、したがって、本明細書には検討されない。

追加的に、または代わりとして、ガス膨張器152は、下流の圧縮器158によって置き換えられることができ、かつ/または補足されることができる。残留流151の少なくとも一部(全部まで)を下流の圧縮器で圧縮して、圧力維持用途のために貯蔵器への注入に適切であることが可能である圧縮排気ガスを、ライン160を経由して発生させることができる。ウェル圧力を維持するためにメタンガスが典型的に炭化水素ウェルに注入される用途において、残留流151を圧縮することは、有利であることが証明され得る。例えば、ライン160の加圧された窒素ガスを、その代わりに炭化水素ウェルに注入することができ、そしていずれかの残留メタンガスは、販売することができるか、またはライン112などの関連用途において燃料として他の様式で使用することができる。

ライン114の圧縮された酸化剤として富化空気を使用すること、そしてブースト圧縮器142の排気ガスに加圧することによって、発電システム100は、排気ガス中CO₂のより高濃度を達成することができ、それによって、より有効なCO₂分離および捕獲が可能となる。本明細書に開示される実施形態は、例えば、ライン116の排気ガス中のCO₂濃度を、約10体積%〜約20体積%の範囲のCO₂濃度まで効果的に増加させることができる。そのようなCO₂濃度を達成するために、燃焼室110は、ライン112の燃料と、ライン114の圧縮された酸化剤との入ってくる混合物を化学量論的、または実質的に化学量論的に燃焼させるために適応することができ、ここでは、ライン114の圧縮された酸化剤は、約30体積%、約35体積%、約40体積%、約45体積%または約50体積%の全酸素濃度を有するなどの、約21体積%より高い酸素含有量を有する流れ、例えば、富化空気を含むことができる。

化学量論的な燃焼の温度を調節するため、そして膨張器106インレット温度および構成要素冷却の必要条件を満たすため、ライン144の圧縮リサイクル排気ガスから誘導された、増加したCO₂含有量を有する排気ガスの一部を、希釈剤として燃焼室110に注入することができる。したがって、本開示の実施形態は、例えば、約20体積%または任意により高濃度までCO₂濃度を有利に増加させながら、ライン116の排気ガスから過剰な酸素を本質的に排除することができる。そのようなものとして、ライン122のガス排気は、約3.0体積%未満の酸素、例えば、約1.0体積%未満の酸素、約0.1体積%未満の酸素、または約0.01体積%未満の酸素を有することができる。

増加したCO₂濃度を有することの少なくとも1つの利点は、膨張器106を、同一インレットおよび放出温度に関して、より高い膨張比でも動作することができ、それによって、増加した動力を生産することができるということである。これは、外気で見られる窒素と比較して、CO₂のより高い熱容量のためである可能性がある。1つまたはそれ以上の態様において、膨張器106の膨張比は、約17.0から約20.0まで増加可能であり、これはそれぞれ、約10体積%および約20体積%のCO₂リサイクル流に相当する。例えば、約35体積%の酸素を有する富化空気は、CO₂リサイクル流において約20体積%を達成するために使用されることができる。

リサイクルガスにおいて増加したCO₂濃度を有することの追加または別の利点には、限定されないが、CO₂分離のために使用される抽出されたパージ流146におけるCO₂の濃度の増加が含まれる。その増加したCO₂濃度のため、パージ流146は、CO₂の必要とされる量を抽出するために大きい必要がない。例えば、CO₂分離のための抽出を取り扱う装置は、より小さくなることが可能であり、その配管、熱交換器、弁、吸収剤塔などを含むことができる。そのうえ、増加したCO₂濃度によって、別の様式では維持できない、よりエネルギー集約型ではない溶媒を使用するなど、低エネルギー分離プロセスを使用することを含むCO₂除去技術の性能を改善することができる。従って、CO₂を捕獲するための資本的支出を劇的に低下させることができる。

システム100の操作の例について、以下に検討する。認識されるように、本明細書に開示される実施形態のいずれかの様々な構成要素において達成/経験される特定の温度および圧力は、他のファクターの間でも、使用される酸化剤の純度、ならびに/あるいは膨張器、圧縮器、冷却器などの特定の型および/またはモデル次第で変化することができる。したがって、本明細書に記載される特定のデータは、例示の目的のためのみであり、それらの唯一の解釈として解釈されてはならないことを認識するべきである。一実施形態において、インレット圧縮器118は、約280psia(約1.9MPaa)〜約300psia(約2.1MPaa)の圧力においてライン114の圧縮酸化剤を提供することができる。しかしながら、約750psia(約5.2MPaa)以上までの圧力を生産および消費することができるエアロデリバティブガスタービン技術もまた、本明細書に考察される。

メイン圧縮器104は、名目上、燃焼室110の圧力以上の圧力でライン144のリサイクルされた排気ガスを圧縮リサイクル排気ガスにリサイクルおよび圧縮するように、そして燃焼室110において希釈剤としてそのリサイクルされた排気ガスの一部を使用するように構成することができる。燃焼室110で必要とされる希釈剤の量が、化学量論的な燃焼のために使用される酸化剤の純度、または膨張器106の特定のモデル/デザイン次第でありえるので、熱電対および/または酸素センサーの環(図示せず)を膨張器106のアウトレット上に配置することができる。操作中、希釈剤が、必要とされる膨張器インレット温度まで燃焼の生産物を冷却する必要があったため、熱電対および/またはセンサーを、必要とされる排気ガスの体積を調節および決定するために、そのうえ、燃焼室110に注入される酸化剤の量を調節するためにフィードバックを提供するために適応することができ。したがって、熱電対で検出される熱必要条件および/または酸素センサーで検出される酸素レベルに応じて、ライン144の圧縮リサイクル排気ガスおよびライン114の圧縮酸化剤の体積測定質量流れは、要求を追跡するため、上または下に操作することができる。

少なくとも1つの実施形態において、約12〜13psi(約83〜90kPa)の圧力低下は、化学量論的または実質的に化学量論的な燃焼の間、燃焼室110全体で経験することができる。ライン112の燃料およびライン114の圧縮酸化剤の燃焼によって、約2000°F(約1093℃)〜約3000°F(約1649℃)の温度および約250psia(約1.7MPaa)〜約300psia(約2.1MPaa)の範囲の圧力を発生させることができる。上記の通り、ライン144の圧縮リサイクル排気ガスから誘導されるCO₂富化排気ガスの増加した質量流れおよびより高い比熱能力のため、膨張器106全体でより高い圧力比を達成することができ、それによって、より高いインレット温度および増加した膨張器106動力が可能となる。

膨張器106を出たライン122のガス排気は、周囲、例えば、約13〜17psia(約90〜120kPaaまたはその付近の圧力を示すことができる。122のガス排気の温度は、ライン130の蒸気およびライン132の冷却された排気ガスを発生させるためにHRSG126を通過する前に、約1225°F(約663℃)〜約1275°F(約691℃)であることができる。1つまたはそれ以上の実施形態において、冷却しているユニット134は、ライン132の冷却された排気ガスの温度を低下させることができ、それによって、約32°F(約0℃)〜約120°F(約49℃)の温度を有する冷却されたリサイクルガス流体140を発生させる。認識することができるように、そのような温度は、例えば、世界の特定の位置において特定の季節の間に湿球温度に応じて変動することができる。

1つまたはそれ以上の実施形態に従って、ブースト圧縮器142は、冷却されたリサイクルガス流体140の圧力を、約17psia(約120kPaa)〜約21psia(約140kPaa)の範囲の圧力まで高めるように構成することができる。その結果、メイン圧縮器104は、最終的に、より高密度かつ増加した質量流れを有するリサイクルされた排気管を受け取って、圧縮することができて、それによって、同一または同様の圧力比を維持しながら、実質的により高い放出圧力を可能にする。リサイクル排気ガスの密度および質量流れをさらに増加させるため、次いで、ブースト圧縮器142から出るライン145の加圧されたリサイクルガスを、いくつかの実施形態において、ライン145の加圧されたリサイクルガス温度を、メイン圧縮器104に導かれる前に、約105°F(約41℃)まで低下させるように構成されることができる任意の第2の冷却ユニット136でさらに冷却することができる。

追加的に、または代わりとして、メイン圧縮器104から出るライン144の圧縮リサイクル排気ガスの温度、したがって、パージ流146の温度は、約280psia(約1.9MPaa)の圧力で、約800°F(約427℃)であることができる。ブースト圧縮器142の追加および富化空気の化学量論的な燃焼によって、パージ流146中のCO₂パージ圧力を増加することができ、そして、より高いCO₂分圧のため、CO₂分離器148における改善された溶媒処理性能を導くことができる。

スイング吸着プロセス−概要 圧力スイング吸着(PSA)は、値の範囲を通って、吸着剤の層上の圧力を変動またはサイクルすることに依拠する。PSAプロセスにおいて、ガス混合物は、しばらくの間、圧力下で、通常、ガス混合物から除去されるべき汚染物質と見なされる1種またはそれ以上の成分に対して選択的または相対的に選択的である固体吸着剤の第1の層に送達される。例えば、供給を、供給圧力でPSA装置に導入することができる。供給圧力において、供給の成分(ガス)の1種またはそれ以上は、選択的(または相対的に選択的)に吸着されることが可能であるが、一方、1種またはそれ以上の他の成分(ガス)は、より低いか最小限の吸着によって通過することができる。選択的に吸着されるガスを、供給の「重質」成分と呼ぶことができ、一方、選択的に吸着されないガスを、供給の「軽質」成分と呼ぶことができる。便宜上、供給の「重質」成分という記載は、特に明記されない限り、選択的に吸着される全ての成分(ガス)を指すことができる。同様に、「軽質」成分という記載は、特に明記されない限り、選択的に吸着されない全ての成分(ガス)を指すことができる。一定期間後、PSA装置への供給の流れを停止することができる。供給の流れは、予め定められたスケジュールに基づき、1種またはそれ以上の重質成分のブレークスルーの検出に基づき、吸着剤の全体の能力の少なくとも閾値パーセントに相当する重質成分の吸着に基づき、または他のいずれかの都合のよい特徴に基づき、停止することができる。次いで、反応器の圧力は、選択的に吸着された成分(ガス)が吸着剤から放出することが可能である脱着圧力まで低下させることができる。任意選択的に、選択的に吸着された成分(ガス)の放出を促進するための圧力低下の前、間および/または後に、1種またはそれ以上のパージガスを使用することができる。その性質次第で、完全なPSAサイクルは、ほぼ一定の温度で任意に実行することができる。PSAは通常、少なくとも吸着によって可能であり、通常ガス成分上で生じるため、「吸着」/「吸着剤」および「ガス」という用語が本明細書および請求の範囲の記載に使用されるが、範囲を限定することを意図せず、「吸収」/「吸収剤」/「吸着剤」/吸着」および「成分」がより一般に適用可能であり得る。

完全なサイクルを可能にするために、複数の層を使用することができ、典型的に層ごとに連続して同一サイクルを経験する。第1のPSA反応器が、十分に飽和している反応器中の吸着剤などの条件を満たす場合、供給の流れを第2の反応器に移すことができる。次いで、第1のPSA反応器は、吸着されたガスが放出されることによって再生することができる。連続的な供給の流れを可能にするため、第1のPSA反応器は、反応器を切り換える条件を満たす少なくとも1つの他のPSA反応器の前に再生して仕上げられるように、十分な数のPSA反応器および/または吸着剤層を使用することができる。

スイング吸着プロセス−プロセスサイクル 様々な態様において、PSA反応器は、CO₂およびN₂を含有する流れにおいて分離を実行するために使用することができる。そのような流れの例は、動力をガスタービンに提供するための燃焼反応からの排気流を含むことができる。好ましくは、排気流は、酸素および燃料の量に関して実質的に化学量論的な組成で実行される燃焼反応からの排気であることができる。PSAによる分離のための供給として使用する前、排気流は、水を除去するための凝縮、過剰な燃料を除去するための燃焼、NOx種の除去のための吸着、および/またはCO₂およびN₂とは異なる成分を除去するための他の種類の処理などのさらなる処理を受けることができる。いくつかの態様において、PSA反応器のための供給として使用される排気流の部分は、約1.0体積%未満、例えば、約0.5体積%未満の含水量を有することができる。追加的に、または代わりとして、PSA反応器のための供給として使用される排気流の部分は、約3.0体積%未満、例えば、約1.0体積%未満または約0.5体積%未満のO₂含有量を有することができる。さらに追加的に、または代わりとして、PSA反応器への供給は、CO₂およびN₂から実質的に構成されることができ、CO₂およびN₂とは異なる投入ガス供給の成分は、それぞれ、約1.0体積%以下、例えば、それぞれ、約0.5体積%未満の量で存在する。なおさらに追加的に、または代わりとして、CO₂およびN₂から実質的に構成される供給において、CO₂およびN₂以外の成分の組み合わせられた体積%は、約2.0体積%以下、例えば約1.0体積%以下、または0.5体積%以下であることができる。

分離を実行するために、排気流リサイクルループからのパージ流などのリサイクルされた排気流の一部をPSA反応器に導入することができる。リサイクルされた排気流の部分は、燃焼反応への投入ガス流の一部として使用するために、リサイクルされた排気流の温度および圧力が変更された後(および/または所望の温度および圧力が得られた後)、ある位置で排気リサイクルシステムから引き出すことができる。リサイクルシステムのそのような点で、排気流は、約300℃〜約600℃、例えば、約300℃〜約550℃、約300℃〜約500℃、約300℃〜約450℃、約300℃〜約400℃、約350℃〜約600℃、約350℃〜約550℃、約350℃〜約500℃、約350℃〜約450℃、約400℃〜約600℃、約400℃〜約550℃、約400℃〜約500℃、約425℃〜約600℃、約425℃〜約550℃、約425℃〜約500℃、約425℃〜約460℃、約450℃〜約600℃、約450℃〜約550℃、約500℃〜約600℃の温度を有することができる。追加的に、または代わりとして、温度は、少なくとも約325℃、例えば、少なくとも約350℃、少なくとも約400℃、少なくとも約425℃、少なくとも約440℃であることができる。さらに追加的に、または代わりとして、温度は、約575℃以下、約550℃以下、約500℃以下、約475℃以下、約460℃以下、約440℃以下であることができる。なおさらに追加的に、または代わりとして、リサイクルされた排気流の圧力は、少なくとも約10bara(約1.0MPaa)、例えば、少なくとも約15bara(約1.5MPaa)、少なくとも約20bara(約2.0MPaa)、少なくとも約25bara(約2.5MPaa)、少なくとも約30bara(約3.0MPaa)であることができる。なおさらに追加的に、または代わりとして、圧力は、約60bara(6.0MPaa)以下、例えば、約50bara(約5.0MPaa)以下、約40bara(約4.0MPaa)以下、約35bara(約3.5MPaa)以下、約30bara(約3.0MPaa)以下、約25bara(約2.5MPaa)以下、約22.5bara(約2.25MPaa)以下であることができる。いくつかの他の態様において、引き出された部分が同様の温度および圧力値を有する限り、リサイクルされた排気流の部分を引き出すための他の位置を選択することができる。

いくつかの態様において、リサイクルされた排気流は、リサイクル流の温度および圧力に相当することができる分離温度および分離圧力でPSA反応器に導入することができる。しかしながら、リサイクルシステムからのリサイクルされた排気流の部分の引き出しと、PSA反応器へのリサイクルされた排気流の導入との間で、温度および/または圧力のいくらかの変動は生じてもよい。例えば、PSA反応器に導入されるリサイクルされた排気流の部分のための分離温度は、リサイクルシステムの温度とは約20℃以下、例えば、約15℃以下、または約10℃以下異なることができる。分離温度とリサイクル流の温度に関して同様の温度を有すること(すなわち、約0℃の差異)は、列挙された差異に含まれるが、いくつかのまれな実施形態において、温度差は0℃を任意に除外することができることは留意される。追加的に、または代わりとして、PSA反応器に導入されるリサイクルされた排気流の部分のための分離圧力は、リサイクルシステムの圧力とは約5bar(0.5MPa)以下、例えば、約2bara(0.2MPa)以下、約1bara(約0.1MPa)以下、または約0.5bar(約50kPa)以下異なることができる。

排気流がPSA反応器に導入される場合、排気流のN₂は「軽質」成分に相当し、CO₂は「重質」成分に相当する。したがって、N₂は主に反応器を通過することができるが、CO₂は反応器内で選択的に吸着されることができる。供給からのCO₂の吸着によって、生産物N₂流を得ることができる。供給は、供給を別のPSA反応器に切り替えるか、または別の様式で供給ガスの流れを停止するための1つまたはそれ以上の予め定義された基準が満たされるまで、PSA反応器を通過させることができる。いずれかの都合のよい予め定義された基準を使用することができる。例えば、供給は、特定の時間、反応器を通過させることができる。追加的に、または代わりとして、CO₂のブレークスルー量が生産物N₂流に検出されるまで、供給を反応器に通過させることができる。さらに追加的に、または代わりとして、反応器に入ったCO₂の量が、反応器の吸着能力の閾値とほぼ等しくなるまで、供給を反応器に通過させることができる。こうした状況では、例えば、反応器に入ったCO₂の量が、反応器中の吸着性材料の吸着能力の少なくとも約75%、例えば少なくとも約80%、少なくとも約85%または少なくとも約90%とほぼ等しくなるまで、供給を反応器に通過させることができる。典型的なPSAサイクルは、約30秒〜約300秒間、例えば、約60秒〜約120秒間、供給を反応器に導入することを含むことができる。

生産物N₂流は、少なくとも約85体積%、例えば、少なくとも約88体積%、少なくとも約90体積%、少なくとも約92体積%、少なくとも約93体積%、少なくとも約94体積%、少なくとも約95体積%、少なくとも約96体積%、少なくとも約97体積%、または少なくとも約98体積%の純度を有することができる。水の任意の除去後、生産物N₂流は、少なくとも約90体積%、例えば、少なくとも約95体積%、少なくとも約97体積%、少なくとも約98体積%、または少なくとも99体積%の純度を有することができる。N₂流の圧力は、PSA反応器への投入として使用されるリサイクルされた排気の圧力の少なくとも約90%、例えば、少なくとも約95%であることができる。追加的に、または代わりとして、N₂流の圧力は、分離圧力とは、約0.5bar(約50kPa)未満、例えば、約0.3bar(約30kPa)未満または約0.1bar(約10kPa)未満異なることができる。さらに追加的に、または代わりとして、PSA反応器に導入されるリサイクルされた排気流の部分のための分離温度は、N₂生産物流の温度とは、約20℃以下、例えば、約15℃以下または約10℃以下異なることができる。分離温度とリサイクル流の温度に関して同様の温度を有すること(すなわち、約0℃の差異)は、列挙された差異に含まれるが、いくつかのまれな実施形態において、温度差は0℃を任意に除外することができることは留意される。追加的に、または代わりとして、N₂生産物流の温度は、少なくとも、分離サイクルの吸着部分の間のPSA反応器の温度(吸着温度)であることができる。

供給を停止した後、例えば、PSA反応器の圧力は、例えば、1つまたはそれ以上のブローダウンプロセスを使用することによって低下させることができる。ブローダウンプロセスにおいて、PSA反応器の一方または両方の側面を、ブローダウンガス流の形態で放出するために圧力を可能にするため開封することができる。ブローダウンガス流は、一般に、N₂の多数部分を含むことができ、そして典型的にいくらかのCO₂を含むこともできる。ブローダウンプロセスで放出される吸着されたCO₂の量は、吸着剤の性質次第であることができる。いくつかの従来のPSA反応器において、ブローダウンガス流は、反応器の供給投入面から排気されることができる。あるいは、1種またはそれ以上のブローダウンガス流は、反応器の生産物面から排気されることができる。例えば、1つの選択としては、反応器の生産物面から出る初期ブローダウンプロセスと、続いて、ガス流が反応器の両側から出ることを可能にする第2のブローダウンプロセスとを有することが含まれる。ブローダウンプロセスは、反応器の圧力を、約0.9bara(約90kPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)、例えば、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)、約1.1bara(約110kPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)、約1.3bara(約130kPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)、約0.9bara(約90kPaa)〜約2.6bara(約260kPaa)、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約2.6bara(約260kPaa)、約1.1bara(約110kPaa)〜約2.6bara(約260kPaa)、約1.3bara(約130kPaa)〜約2.6bara(約260kPaa)、約0.9bara(約90kPaa)〜約2.0bara(約0.2MPaa)、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約2.0bara(約0.2MPaa)、約1.1bara(約110kPaa)〜約2.0bara(約0.2MPaa)、または約1.3bara(約130kPaa)〜約2.0bara(約0.2MPaa)の値まで低下させることができる。多くの実施形態において、反応器中で気圧より高い圧力を維持することは、脱着が所望であるその後のパージ工程まで吸着剤がCO₂を保持することを促進することができる。いくつかの実施形態において、ブローダウンプロセスのための時間が、約30秒〜約120秒であることができる。

いくつかの態様において、複数のブローダウン工程の使用は、その後プロセスにより容易であるブローダウン流を作成することにとって望ましくなる可能性がある。例えば、排気ガスからのCO₂の吸着の間、反応器中で典型的に、反応器の背面(投入)端部付近で非吸着CO₂のより高い含有量および反応器の出口(前面)端部付近でCO₂のより低い含有量のプロフィールが展開することができる。このプロフィールに基づき、反応器の出口(前面)端部のみからの部分的ブローダウンは、低CO₂含有量でブローダウン産出を生産するために使用することができる。この初期のブローダウン工程によって、反応器を通してより均一に分配される反応器の背面(投入)端部付近で、より高いCO₂含有量を生じることができる。これが生じると、次いで、所望のより低い圧力が達成されることができるまで、それはブローダウン産出流が反応器の両端から出ることを可能にすることがより効率的となる可能性がある。

好ましくは、バッファガスは、排気ガスの流れを停止することと、ブローダウンプロセス工程を始開始することとの間の時間は反応器に導入されない。追加的に、または代わりとして、ブローダウンプロセス工程が、さらなるガスを反応器に導入することなく実行されることができることが好ましくなる可能性がある。排気ガスの流れを停止した後のそのようなガスの導入は、典型的に、低い値の流れへの値のさらなる損失をもたらす可能性があるため、ブローダウン工程でバッファガスおよび/またはさらなるガスの使用を回避することが望ましくなる可能性がある。例えば、ブローダウン工程によって発生する産出フローは、定義上、排気ガスの分離の間に発生する生産物N₂流と比較して、より低圧の産出流である。したがって、ブローダウン産出のN₂は、典型的に、発電の観点から、その値の大きな損失を有する。さらなる使用の前に、ブローダウン産出流のN₂は、おそらく再圧縮される必要がある可能性がある。排気ガスの流れが停止した後に、さらなるN₂を添加することは、この低い値の産出流におけるN₂の量を典型的に増加することができるのみである。ブローダウン産出流は、好ましくはCO₂が相対的に低くなることができ、その後のパージ工程の開始まで可能な限り同程度のCO₂を保持することが一般に望ましくなる可能性がある。ブローダウン流の一部としてPSA反応器を出るいずれかのCO₂は、所望のCO₂生産物流以外の流れのさらなるCO₂を表す。このさらなるCO₂は、典型的に低濃度であることができ、次いで、可能な限り高い炭素捕獲および回収の量を達成することが所望であるならば、別々に取り扱われる必要があることができる。したがって、さらなるCO₂をここで添加することも、典型的に望ましくない。最終的に、そのようなガスの導入が分離を必要とする別の成分をおそらく生じる可能性があるため、CO₂、N₂またはH₂Oとは異なる第3のガスを添加することは望ましくなり得ない。

ブローダウンプロセスの後、1種またはそれ以上のパージガス流は、反応器から吸着されたCO₂を除去するために使用することができる。1つの選択として、CO₂の脱着を促進するため、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)、例えば、約1.1bara(約110kPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)、約1.3bara(約130kPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約2.6bara(約260kPaa)、約1.1bara(約110kPaa)〜約2.6bara(約260kPaa)、約1.3bara(約130kPaa)〜約2.6bara(約260kPaa)、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約2.0bara(約0.2MPaa)、約1.1bara(約110kPaa)〜約2.0bara(約0.2MPaa)、または約1.3bara(約130kPaa)〜約2.0bara(約0.2MPaa)の圧力の蒸気パージを使用することを含むことができる。他の選択として、3.0bara(0.3MPaa)より高い、例えば、少なくとも4.0bara(0.4MPaa)、少なくとも5.0bara(0.5MPaa)、3.0bara(0.3MPaa)より高く〜約20bara(約2MPaa)、3.0bara(0.3MPaa)より高く〜約15bara(約1.5MPaa)、3.0bara(0.3MPaa)より高く〜約10bara(約1MPaa)、3.0bara(0.3MPaa)より高く〜約8bara(約0.8MPaa)、3.0bara(0.3MPaa)より高く〜約6bara(約0.6MPaa)、3.0bara(0.3MPaa)より高く〜約5bara(約0.5MPaa)、4.0bara(0.4MPaa)〜約20bara(約2MPaa)、4.0bara(0.4MPaa)〜約15bara(約1.5MPaa)、4.0bara(0.4MPaa)〜約10bara(約1MPaa)、4.0bara(0.4MPaa)〜約8bara(約0.8MPaa)、4.0bara(0.4MPaa)〜約6bara(約0.6MPaa)、4.0bara(0.4MPaa)〜約5bara(約0.5MPaa)、5.0bara(0.5MPaa)〜約20bara(約2MPaa)、5.0bara(0.5MPaa)〜約15bara(約1.5MPaa)、5.0bara(0.5MPaa)〜約10bara(約1MPaa)、5.0bara(0.5MPaa)〜約8bara(約0.8MPaa)、または5.0bara(0.5MPaa)〜約6bara(約0.6MPaa)の圧力の蒸気パージを使用することを含むことができる。蒸気パージは、H₂Oおよびより少ない量のN₂を含むこともできる生産物CO₂産出流を生じることができる。いくつかの実施形態において、蒸気パージを約25秒〜約60秒間継続することができる。水の除去後、生産物CO₂流は、少なくとも約60%、例えば、少なくとも約65%、少なくとも約70%、少なくとも約75%、少なくとも約80%、少なくとも約85体積%、少なくとも約90体積%、少なくとも約92体積%、少なくとも約94体積%、少なくとも約95体積%、少なくとも約96%、少なくとも約97%、少なくとも約98%、少なくとも約99%、少なくとも約99.3%、または少なくとも約99.5%の純度を有することができる。追加的に、または代わりとして、回収されたCO₂の量は、少なくとも約80体積%、例えば、少なくとも約85体積%、少なくとも約90体積%、少なくとも約92体積%、少なくとも約94体積%、少なくとも約95体積%、少なくとも約96%、少なくとも約97%、少なくとも約98%、少なくとも約99%、少なくとも約99.3%、または少なくとも約99.5%に相当することができる。

蒸気パージで使用される蒸気の量は、供給中のCO₂の1モルあたり約1.0モル以下の水、例えば、供給中のCO₂の1モルあたり約0.9モル以下の水、供給中のCO₂の1モルあたり約0.75モル以下の水、供給中のCO₂の1モルあたり約0.6モル以下の水、供給中のCO₂の1モルあたり約0.5モル以下の水、供給中のCO₂の1モルあたり約0.4モル以下の水に相当することができる。使用される蒸気の量がCO₂回収のために使用されるエネルギー量に典型的に相当することができるので、パージ中により少ない蒸気が使用されることが有利である可能性がある。供給は少なくとも50モル%、しばしば、少なくとも75モル%のN₂を典型的に含有することができることに留意する。したがって、供給中のガス(N₂およびCO₂の両方を含む)の全モルあたりの水のモル数の比較は、なお低い値、例えば、供給中のガスの1モルあたり約0.5モル以下の水、供給中のガスの1モルあたり約0.4モル以下の水、供給中のガスの1モルあたり約0.3モル以下の水、供給中のガスの1モルあたり約0.25モル以下の水、供給中のガスの1モルあたり約0.2モル以下の水、供給中のガスの1モルあたり約0.15モル以下の水、供給中のガスの1モルあたり約0.1モル以下の水を生じることができる。蒸気パージで使用される蒸気のゼロ以外の量があるそのような実施形態において、蒸気のモル比は、供給中のCO₂の1モルあたり少なくとも約0.05モル以下の水(例えば、供給中のCO₂の1モルあたり少なくとも約0.1モル以下の水、供給中のCO₂の1モルあたり少なくとも約0.2モル以下の水、または供給中のCO₂の1モルあたり少なくとも約0.3モル以下の水)であることができ、かつ/または供給中のガスの1モルあたり少なくとも約0.01モル以下の水(例えば、供給中のガスの1モルあたり少なくとも約0.02モル以下の水、供給中のガスの1モルあたり少なくとも約0.05モル以下の水、または供給中のガスの1モルあたり少なくとも約0.1モル以下の水)であることができる。

蒸気パージの後、反応器から水およびいずれかの残存するCO₂を除去するために、第2の窒素パージを任意に使用することができる。第2のパージが使用されない場合、次サイクルのN₂産出流は、より高い含水量を有し得るが、さらなる水が有意に分離プロセスに影響を与えるとは考えられない。第2の窒素パージが使用される場合、それは約10秒〜約45秒間実行されることができる。蒸気パージおよび任意の第2の窒素パージ後、次いで、反応器は、次の分離サイクルを開始するために再加圧することができる。再加圧は、投入供給(リサイクルされた排気ガス)を使用して実行することができる。あるいは、しかし好ましくは、そのような第2のパージは、パージ工程の終了と、N₂およびCO₂の分離のために排気ガスを導入する次のサイクルの開始との間のバッファガス流に相当する可能性があるため、第2の窒素パージなどの第2のパージは実行されなくてもよい。上記の理由のため、そのようなバッファ工程は低い値のガス流体に関してさらなる体積を生じる傾向がある可能性があるため、さらなるバッファガス工程は典型的に望ましくない可能性がある。

他の実施形態において、PSAサイクルの脱着工程においてパージガスとして蒸気は故意に使用されない。そのような他の実施形態において、パージガスが少しでも使用される場合、それは水を故意に含まないが、例えば、窒素パージを含むことができる(例えば、約10秒〜約60秒間、約10秒〜約50秒間、約10秒〜約45秒間、約15秒〜約60秒間、約15秒〜約50秒間、約15秒〜約45秒間、約20秒〜約60秒間、約20秒〜約50秒間、約20秒〜約45秒間、約25秒〜約60秒間、約25秒〜約50秒間、または約25秒〜約45秒間継続することができる)。蒸気が故意に添加されないそのような実施形態においても、いくらかの水/蒸気は、それにもかかわらず、使用されるいずれかのパージ流の不純物/汚染物質として存在してもよいことは理解されるべきである。そのような他の実施形態において、故意に添加された蒸気を使用しないことによって、PSAプロセスからのCO₂が直接にCO₂圧縮器に導入されることを可能にし、例えば、石油増進回収プロセスのウェル注入のために、冷却器または熱交換器などの中間装置を必要としない。この他の実施形態において、CO₂の同様の回収および/または純度を達成することができるが、明らかに、そのような実施形態においてそれらの回収および/または純度を達成するために、水が除去される必要はない。

バッファガスの使用を低下/最小化する願望を特徴づける追加/別の方法は、プロセスサイクルの間のPSA反応器に全ガス投入流を特徴づけることによることができる。上記のプロセスにおいて、プロセスの完全サイクルは、分離のために反応器に初期のガス流を通過させること、投入ガス流からCO₂を吸着すること、N₂生産物流を回収すること、反応器の圧力をブローダウンすること、そして任意に第2のパージ流を含む蒸気で反応器をパージすることに相当することができる。蒸気パージのみが使用される場合、プロセスサイクル間のPSA反応器への主な投入ガス流は、リサイクルされた排気ガスおよび蒸気パージの投入ガス流を含むことができる。好ましくは、これらの主投入流は、PSA反応器への全ガス流の少なくとも約90体積%、例えば、少なくとも約95体積%、少なくとも約98体積%または少なくとも約99体積%に相当することができる。N₂の第2のパージまたは別の第2のパージガスが使用される場合、プロセスサイクルの間のPSA反応器への主投入ガス流は、リサイクルされた排気ガス、蒸気パージおよび第2のパージの投入ガス流を含むことができる。好ましくは、そのような実施形態において、これらの主投入流は、PSA反応器への全ガス流の少なくとも約90体積%、例えば、少なくとも約95体積%、少なくとも約98体積%または少なくとも約99体積%に相当することができる。

図2は、CO₂およびN₂を含有する排気ガスを分離するために適切な圧力スイング吸着ユニット中に、または圧力スイング吸着ユニットからのガス流の例を概略的に示す。図2中、圧力スイング吸着反応器210は、反応器の第1の側面または背面側面からの分離のためにCO₂およびN₂を含有する供給205を受け取ることができる。N₂生産物流202は、反応器の第2の側面または前方側面から出ることができる。CO₂のブレークスルー後などの一定期間後、PSAへの供給を停止することができる。次いで、反応器で圧力を低下させるために、1つまたはそれ以上であるブローダウンプロセスを実行することができる。図2中、前方ブローダウン産出222が示される。任意に、背面ブローダウンまたは背面および前方の両ブローダウンのいずれかが、前方ブローダウン222の代わりに使用されることができる。次いで、蒸気パージ215などのパージ流れを、反応器の前方側面に導入することができる。パージ流は、CO₂生産物流212を生産するために、吸着剤からCO₂を脱着することを促進することができる。

本明細書に図のいずれにも特に詳細に描写されないが、PSAプロセスの精製されたCO₂産出は、地表および/または地下の堆積物(例えば、従来のダウンホール油/天然ガス貯蔵器、非慣習的な貯蔵器/ウェル、シェール油鉱床、シェールガス鉱床、タイトガスサンド、ストランデッドガス鉱床、フラッキング堆積物など)から油、ガスまたは関連する炭化水素を回収する用途で使用することができる。これらの実施形態で多くにおいて、相対的に高いCO₂純度は、例えば、効率を増加させ、かつ不純物を圧縮することと関連した費用を低下させるために望ましくあり得る。それにもかかわらず、ある種のこれらの実施形態において、石油/ガス/炭化水素増進回収の少なくとも一部が、より低いCO₂純度(例えば、約60%〜約85%、または約60%〜約80%)を効率的に利用することができ、そして特に、CO₂流純度の順応性(の増加)が可能である本発明による方法とは異なる利点を提供することができる(例えば、連続した異なる純度が使用されるステージドフラッド)。そのような順応性がある純度調節は、時間とともに老化する可能性がある特定の堆積物/貯蔵器、ならびに/あるいは特定の堆積物の品質によって整列することができる。

スイング吸着プロセス−反応器構成 吸着剤の層は、軸方向および/または半径方向の流れ方向を含む流路をガスに提供するために、いずれかの都合のよい様式で配置されることができる。吸着剤の層を保持する容器は、いずれかの都合のよい様式で、流れ方向に関して配向することができる。PSA反応器のための1つ典型的な配向は、流れの方向が反応器の長軸または主軸に整列される反応器を有することができることである。この例は、投入ガス流が上部または底面を通ってシリンダーに入る垂直シリンダーの形態のPSA反応器を有することを含む。これは、ガス流の方向に関してPSA反応器の従来の構成に相当することができるが、大きい流体積を取り扱うためにプロセスを拡大することは問題点を提起する可能性がある。例えば、PSA反応器のための典型的な長さ対直径の比は、約3〜1(約10メートルの長さと約3メートルの直径を有する反応器など)であることができる。そのような反応器のサイズを増やすことは、反応器全体で、典型的に望ましくない圧力低下の増加が一般に起こる可能性がある。したがって、大きいガス流を取り扱うため、軸流PSA反応器を拡大するために、複数の反応器を典型的に使用することができる。

追加的に、または代わりとして、反応器の長軸または主軸がガス流の方向に対して垂直であることができるPSA反応器を使用することができる。例えば、PSA反応器は、ガス流の方向に対して垂直な平行のプレートの長軸に平行の吸着剤のプレートを含むことができる。これは、ガス流が反応器を横切るために移動しなければならない距離を低下させながら、軸流配向の単一反応器で配置されるCO₂を捕獲するための吸着剤の非常により大きい体積を可能にする。その結果、この種類の構成は、大きい投入ガス流の体積をなお取り扱いながら、PSA反応器全体で圧力低下を低下させることができる。これは、大きい流れを取り扱うために必要とされる別々の反応器の数を減少させることができる。

一例として、水平に配向されたPSA反応器は、例えば、約30メートルの長軸と約4メートルの短軸を有する、ほぼ長方形の吸着剤の平行のプレートを有することができる。水平構成において、投入ガスは、短軸を横切って流れに導入されることができる。これは、長軸に相当する反応器の側面に沿って、いくつかの位置で投入ガスを導入することによって完成させることができる。次いで、投入ガスを長軸の全体の長さに沿って分配することができるように、流れ分配器をPSA反応器中に使用することができる。大きいガス流量のために、PSA反応器の長軸を横切って原料を分配することからの圧力低下は、複数の従来の軸流PSA反応器を通って、そのような大きいガス流量を強制することを試みるよりも低くなる可能性がある。

スイング吸着プロセス−吸着性材料 様々な態様において、スイング吸着プロセスは、組み合わせられた発電プロセスの他の態様のために有利な温度および圧力で、N₂をCO₂から分離するために実行することができる。例えば、リサイクルされた排気ガスは、約300℃〜約600℃の温度(例えば、約300℃〜約550℃、約300℃〜約500℃、約300℃〜約450℃、約300℃〜約400℃、約350℃〜約600℃、約350℃〜約550℃、約350℃〜約500℃、約350℃〜約450℃、約400℃〜約600℃、約400℃〜約550℃、約400℃〜約500℃、約425℃〜約600℃、約425℃〜約550℃、約425℃〜約500℃、約425℃〜約460℃、約450℃〜約600℃、約450℃〜約550℃、または約500℃〜約600℃、追加的に、または代わりとして、温度は、少なくとも約325℃、例えば、少なくとも約350℃、少なくとも約400℃、少なくとも約425℃、または少なくとも約440℃であることができ、さらに追加的に、または代わりとして、温度は、約575℃以下、約550℃以下、約500℃以下、約475℃以下、約460℃以下、または約440℃以下であることができる)、ならびに約10bara(約1.0MPaa)〜約60bara(約6.0MPaa)の圧力(例えば、少なくとも約10bara(約1.0MPaa)、少なくとも約15bara(約1.5MPaa)、少なくとも約20bara(約2.0MPaa)、少なくとも約25bara(約2.5MPaa)、または少なくとも約30bara(約3.0MPaa)の圧力および/または約60bara(6.0MPaa)以下、約50bara(約5.0MPaa)以下、約40bara(約4.0MPaa)以下、約35bara(約3.5MPaa)以下、約30bara(約3.0MPaa)以下、約25bara(約2.5MPaa)以下、または約22.5bara(約2.25MPaa)以下の圧力)を有することができる。

上記の通り、分離プロセスの1つの目標は、発電プロセスと適合可能な条件で分離を実行することができることである。したがって、リサイクルされた排気ガスのおおよその温度および圧力で分離を実行することが望ましくなる可能性がある。リサイクルされた排気ガスの条件で分離を達成するために、圧力スイング吸着反応器中の吸着性材料は、そのような条件で一般に有効でなければならない。

適切な吸着剤の一例としては、アルカリ金属炭酸塩およびアルカリ土類金属酸化物および/または遷移金属酸化物の混合物を含む吸着剤などの混合金属酸化物吸着剤が含まれる。適切なアルカリ金属炭酸塩の例には、限定されないが、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムの炭酸塩またはそれらの組み合わせ、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウムの炭酸塩またはそれらの組み合わせが含まれる。適切なアルカリ土類金属酸化物の例には、限定されないが、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムの酸化物またはそれらの組み合わせ、例えば、マグネシウムおよび/またはカルシウムの酸化物が含まれる。適切な遷移金属酸化物のいくつかの例には、限定されないが、ランタンなどのランタノイド金属の酸化物、および/または+2もしくは+3の酸化状態の金属(イットリウム、鉄、亜鉛、ニッケル、バナジウム、ジルコニウム、コバルトまたはそれらの組み合わせなど)によって酸化物を形成することができる遷移金属の酸化物が含まれる。

いくつかの態様において、炭酸塩は、混合金属酸化物の酸化物から独立して選択されることができる。そのような態様において、炭酸塩は、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウムおよび/または炭酸セシウム(例えば、炭酸リチウム、炭酸ナトリウムおよび/または炭酸カリウム、炭酸リチウムおよび/または炭酸カリウム、炭酸リチウムおよび/または炭酸ナトリウム、あるいは炭酸ナトリウムおよび/または炭酸カリウム)を含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができる。

炭酸塩が酸化物から独立して選択される態様において、酸化物は、アルカリ土属酸化物、遷移金属酸化物、2種以上のアルカリ土属酸化物の組み合わせ、2種以上の遷移金属酸化物の組み合わせ、または少なくとも1種のアルカリ土属酸化物と少なくとも1種の遷移金属酸化物とを含む酸化物の組み合わせであることができる。独立して選択される酸化物が、1種またはそれ以上のアルカリ土属酸化物を含む態様において、適切なアルカリ土属酸化物は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムおよび/または酸化バリウムを含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができ、例えば、少なくとも酸化マグネシウムおよび/または酸化カルシウムを含む。

独立して選択される酸化物が、1種またはそれ以上の遷移金属酸化物を含む態様において、適切な遷移金属は、+2もしくは+3の酸化状態の金属によって酸化物を形成することができる1種またはそれ以上の遷移金属を含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができる(例えば、酸化イットリウム、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化バナジウム、酸化コバルト、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、他のランタニド金属の酸化物および/またはそれらの組み合わせ)。1つの好ましい選択には、酸化ランタンおよび/または酸化ジルコニウムから選択される遷移金属酸化物が含まれる。別の選択には、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムおよび/または酸化亜鉛から選択される金属酸化物が含まれる。さらにもう1つの選択には、酸化ニッケル、酸化コバルトおよび/または酸化鉄から選択される金属酸化物が含まれる。酸化ランタンと、酸化亜鉛および/または酸化バナジウムとの混合物;酸化ランタンと、酸化鉄、酸化コバルトおよび/または酸化ニッケルとの混合物;酸化ジルコニウムと、酸化イットリウム、酸化亜鉛および/または酸化バナジウムとの混合物;ならびに酸化ジルコニウムと、酸化鉄、酸化コバルトおよび/または酸化ニッケルとの混合物などの、それぞれのこれらの選択の範囲内および/または選択の中の混合物も考察される。

独立して選択される酸化物が、1種またはそれ以上のアルカリ金属酸化物と1種またはそれ以上の遷移金属酸化物とを含む態様において、適切なアルカリ金属酸化物は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムおよび/または酸化バリウムを含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができ、適切な遷移金属は、酸化イットリウム、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化バナジウム、酸化コバルト、酸化ジルコニウム、酸化ランタンおよび/または他のランタニド金属の酸化物などの+2もしくは+3の酸化状態の金属によって酸化物を形成することができる遷移金属を含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができる。これらのアルカリ金属酸化物および遷移金属酸化物のそれぞれは、個々に、または複数の遷移金属酸化物のいずれかの組み合わせで、独立して選択されることができる。混合物の例は、少なくとも1種の酸化物が、酸化ランタン、酸化ジルコニウムおよび/または酸化マグネシウムである酸化物の混合物;酸化ランタン、酸化ジルコニウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも2種を含む酸化物の混合物;1種の酸化物が、酸化マグネシウムおよび/または酸化カルシウムである酸化物の混合物;ならびに/あるいは少なくとも1種の酸化物が、酸化ランタン、酸化イットリウムおよび/または酸化ジルコニウムである酸化物の混合物を含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができる。

いくつかの代わりの態様において、混合金属酸化物は、遷移金属酸化物と組み合わせてアルカリ土属炭酸塩を含むことができる。そのような態様において、アルカリ土属炭酸塩は、炭酸マグネシウムおよび/または炭酸カルシウムを含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができる。追加的に、または代わりとして、アルカリ土属炭酸塩は、アルカリ金属炭酸塩との混合物に存在することができる。そのような炭酸塩混合物の例は、炭酸リチウムと炭酸マグネシウム、炭酸リチウムと炭酸カルシウム、炭酸カリウムと炭酸マグネシウム、炭酸カリウムと炭酸カルシウム、炭酸ナトリウムと炭酸マグネシウム、および炭酸ナトリウムと炭酸カルシウム(例えば、炭酸リチウムと炭酸マグネシウム、または炭酸カリウムと炭酸マグネシウム)の混合物を含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができる。そのような態様において、適切な遷移金属は、酸化イットリウム、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化バナジウム、酸化コバルト、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、他のランタニド金属の酸化物および/またはそれらの組み合わせなどの+2もしくは+3の酸化状態の金属によって酸化物を形成することができる遷移金属を含むことができるか、それらから本質的になることができるか、またはそれらであることができる。これらのアルカリ金属炭酸塩および遷移金属酸化物のそれぞれは、個々に、あるいは複数のアルカリ土属炭酸塩および/または複数の遷移金属酸化物のいずれかの組み合わせで、独立して選択されることができる。遷移金属酸化物に関して、1つの好ましい選択は、酸化ランタンまたは酸化ジルコニウムから選択される遷移金属酸化物を含むことができる。別の選択は、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムおよび/または酸化亜鉛から選択される金属酸化物を含むことができる。さらにもう1つの選択は、酸化ニッケル、酸化コバルトおよび/または酸化鉄から選択される金属酸化物を含むことができる。少なくとも1種の酸化物が、酸化ランタンおよび/または酸化ジルコニウムである酸化物の混合物;酸化ランタンと、酸化亜鉛および/または酸化バナジウムとの混合物;酸化ランタンと、酸化鉄、酸化コバルトおよび/または酸化ニッケルとの混合物;酸化ジルコニウムと、酸化イットリウム、酸化亜鉛および/または酸化バナジウムとの混合物;ならびに/あるいは酸化ジルコニウムと、酸化鉄、酸化コバルトおよび/または酸化ニッケルとの混合物などの、それぞれのこれらの選択の範囲内および/または選択の中の混合物も考察される。

追加的または代わりの材料は、ヒドロタルサイトを含むことができる。

他の実施形態 追加的に、または代わりとして、本発明は、以下の実施形態の1つ以上を含むことができる。

実施形態1.動力(出力又は電力)を発生させる方法であって、メイン圧縮器(又はコンプレッサー)において、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程と;インレット圧縮器において富化空気を圧縮して、圧縮酸化剤を発生させる工程と;圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分を燃焼室に通過させる工程と;燃焼室において、かつ放出流の温度を調節するように構成される希釈剤として作用する圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分の存在下で、圧縮酸化剤および燃料を化学量論的に燃焼させて、それによって、放出流を発生させる工程と;膨張器において放出流を膨張させて、メイン圧縮器を少なくとも部分的に駆動して、リサイクルされた排気ガスを発生させる工程と;リサイクルされた排気ガスの第2の部分を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程と;リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度およびリサイクル圧力とは約1bar(約0.1MPa)未満異なる吸着圧力において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が分離圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出(出力又は生成)することによって、スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程と;約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、リサイクルされた排気ガスの第2の部分のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、リサイクルされた排気ガスの第2の部分において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程とを含んでなる方法。

実施形態2.動力(出力又は電力)を発生させる方法であって、メイン圧縮器において、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程と;インレット圧縮器において富化空気を圧縮して、圧縮酸化剤を発生させる工程と;圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分を燃焼室に通過させる工程と;燃焼室において、かつ放出流の温度を調節するように構成される希釈剤として作用する圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分の存在下で、圧縮酸化剤および燃料を化学量論的に燃焼させて、それによって、放出流を発生させる工程と;膨張器において放出流を膨張させて、メイン圧縮器を少なくとも部分的に駆動して、リサイクルされた排気ガスを発生させる工程と;リサイクルされた排気ガスの第2の部分を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程と;リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度およびリサイクル圧力とは約1bar(約0.1MPa)未満異なる吸着圧力において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が分離圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、スイング吸着反応器における圧力を、少なくとも3.0bara(0.3MPaa)の圧力まで任意に低下させる工程と;3.0bara(0.3MPaa)〜20.0bara(2.0MPaa)の圧力において、故意に添加された水/蒸気を含有しないパージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、リサイクルされた排気ガスの第2の部分において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程とを含んでなる方法。

実施形態3.圧縮酸化剤は約30体積%〜約50体積%の酸素濃度を有し、かつ任意に、圧縮酸化剤を発生させる工程が、富化空気を大気空気と混合する工程をさらに含んでなる、実施形態1または実施形態2の方法。

実施形態4.反応器排気流からのN₂およびCO₂生産のための方法であって、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなり、約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する反応器排気流を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程と;少なくとも400℃の吸着温度において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程と;約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、反応器排気流において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程とを含んでなる方法。

実施形態5.反応器排気流からのN₂およびCO₂生産のための方法であって、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなり、約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する反応器排気流を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程と;少なくとも400℃の吸着温度において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、スイング吸着反応器における圧力を、少なくとも3.0bara(0.3MPaa)の圧力まで任意に低下させる工程と;3.0bara(0.3MPaa)〜20.0bara(2.0MPaa)の圧力において、故意に添加された水/蒸気を含有しないパージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、リサイクルされた排気ガスの第2の部分において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程とを含んでなる方法。

実施形態6.蒸気パージとは異なる組成を有する第2のパージ流をスイング吸着反応器に通過させて、第2のCO₂回収流を発生させる工程をさらに含んでなる、実施形態1〜5のいずれか1つによる方法。

実施形態7.通過させる工程、吸着させる工程、回収する工程、低下させる工程およびパージする工程が、圧力スイング吸着サイクルを含んでなり、リサイクルされた排気ガスの第2の部分、蒸気パージおよび第2のパージ流が、存在する場合、圧力スイング吸着サイクルの間にスイング吸着反応器に導入されるガスの少なくとも約95体積%を含んでなる、実施形態1〜6のいずれか1つによる方法。

実施形態8.CO₂回収流を、少なくとも90体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流(CO₂生成物流又はCO₂プロダクトストリーム)および水に分離する工程をさらに含んでなる、実施形態1〜7のいずれか1つによる方法。

実施形態9.反応器排気流からのN₂およびCO₂の製造方法であって、 少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程; 周期的圧力スイング吸着プロセスにおいて、前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部においてN₂からCO₂を分離する工程を含み、 プロセスサイクルは、 前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させ、前記反応器排気流が約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する工程; 前記リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度および前記リサイクル圧力とは約1bar(0.1MPa)未満異なる吸着圧力において前記吸着性材料上でCO₂を吸着する工程; 前記反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、前記回収されたN₂流が前記反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)以下異なる圧力を有し、前記回収されたN₂流が前記リサイクル温度とは20℃以下異なる温度を有する工程; 前記反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、前記スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程;及び約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、前記反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、前記スイング吸着反応器をパージして、前記反応器排気流において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程;及び 前記CO₂回収流を、少なくとも約90体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流および水に分離する工程 を含み、 前記蒸気パージ及び前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部が、プロセスサイクルの間に前記スイング吸着反応器に導入される前記ガスの少なくとも約95体積%を含んでなる方法。 (又は実施形態9.反応器排気流からのN₂およびCO₂生産のための方法であって、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程と;プロセスサイクルが、圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程を含んでなる周期的圧力スイング吸着プロセスにおいて、圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部においてN₂からCO₂を分離するが、反応器排気流が約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する工程と;リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度およびリサイクル圧力とは約1bar(0.1MPa)未満異なる吸着圧力において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)以下異なる圧力を有し、回収されたN₂流がリサイクル温度とは20℃以下異なる温度を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程と;約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、反応器排気流において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程と;CO₂回収流を、少なくとも約90体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流および水に分離するが、圧縮リサイクル排気ガスおよび蒸気パージの少なくとも一部が、プロセスサイクルの間にスイング吸着反応器に導入されるガスの少なくとも約95体積%を含んでなる工程とを含んでなる方法。)

実施形態10.CO₂生産物流がN₂をさらに含んでなる、実施形態1〜9のいずれか1つによる方法。

実施形態11.リサイクルされた排気ガスが、約5体積%〜約20体積%(例えば、約10体積%〜約20体積%)のCO₂濃度および/または約1体積%以下のO₂濃度を有する、実施形態1〜10のいずれか1つによる方法。

実施形態12.吸着剤が、(a)アルカリ金属炭酸塩(炭酸カリウム、炭酸リチウムおよび/または炭酸ナトリウムなど)、ならびにアルカリ土類金属および/または遷移金属(+2および/または+3の酸化状態で酸化物を形成するものなど)の酸化物、例えば、炭酸リチウムまたは炭酸カリウムの少なくとも1種、ならびに酸化ランタン、酸化イットリウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも1種を含んでなる、(b)アルカリ土類金属炭酸塩(炭酸マグネシウムおよび/または炭酸カルシウムなど)、ならびに遷移金属(+2および/または+3の酸化状態で酸化物を形成するものなど)の酸化物、例えば、炭酸マグネシウムまたは炭酸カルシウムで少なくとも1種、ならびに酸化ランタン、酸化イットリウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも1種を含んでなる、ならびに(c)ヒドロタルサイトの1種以上を含んでなる、実施形態1〜11のいずれか1つによる方法。

実施形態13.回収されたN₂流の温度が少なくとも吸着温度である、実施形態1〜12のいずれか1つによる方法。

実施形態14.反応器排気流または圧縮リサイクル排気ガスによって、少なくとも約10bara(約1.0MPaa)の圧力までスイング吸着反応器を再加圧する工程をさらに含んでなる、実施形態1〜13のいずれか1つによる方法。

実施形態15.スイング吸着反応器において圧力を低下させる工程が、(i)反応器の前方端部から第1のブローダウン流を産出する工程、ならびに/または(ii)第1のブローダウン流の産出後、反応器の前方端部から第2のブローダウン流および反応器の後方端部から第3のブローダウン流を産出する工程を含んでなる、実施形態1〜14のいずれか1つによる方法。

実施形態16.反応器排気流からのN₂およびCO₂の製造方法であって、 少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程; 周期的圧力スイング吸着プロセスにおいて、前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部においてN₂からCO₂を分離する工程を含み、 プロセスサイクルは、 前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程であり、前記反応器排気流が約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する工程; 前記リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度および前記リサイクル圧力とは約1bar(0.1MPa)未満異なる吸着圧力において前記吸着性材料上でCO₂を吸着する工程; 前記反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、前記回収されたN₂流が前記反応器排気流の前記圧力とは約0.5bar(約50kPa)以下異なる圧力を有し、前記回収されたN₂流が前記リサイクル温度とは20℃以下異なる温度を有する工程; 前記反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、前記スイング吸着反応器における前記圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約5.0bara(約0.5MPaa)の圧力まで低下させる工程;及び約1.0bara(約0.1MPaa)〜約5.0bara(約0.5MPaa)の圧力において、前記反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、前記スイング吸着反応器をパージして、前記反応器排気流において少なくとも約60%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程;及び 前記CO₂回収流を、約60体積%〜約99.5体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流および水に分離する工程 を含み、 前記蒸気パージ及び前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部が、プロセスサイクルの間に前記スイング吸着反応器に導入される前記ガスの少なくとも約90体積%を含んでなる方法。 (又は実施形態16.反応器排気流からのN₂およびCO₂生産のための方法であって、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程と;プロセスサイクルが、圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程を含んでなる周期的圧力スイング吸着プロセスにおいて、圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部においてN₂からCO₂を分離するが、反応器排気流が約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する工程と;リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度およびリサイクル圧力とは約1bar(0.1MPa)未満異なる吸着圧力において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と;反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、回収されたN₂流が反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)以下異なる圧力を有し、回収されたN₂流がリサイクル温度とは20℃以下異なる温度を有する工程と;反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約5.0bara(約0.5MPaa)の圧力まで低下させる工程と;約1.0bara(約0.1MPaa)〜約5.0bara(約0.5MPaa)の圧力において、反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、スイング吸着反応器をパージして、反応器排気流において少なくとも約60%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程と;CO₂回収流を、約60体積%〜約99.5体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流および水に分離するが、圧縮リサイクル排気ガスおよび蒸気パージの少なくとも一部が、プロセスサイクルの間にスイング吸着反応器に導入されるガスの少なくとも約90体積%を含んでなる工程とを含んでなる方法。)

実施例1−リサイクルされた排気の一部における圧力スイング吸着の実行 以下の予言的な実施例は、図2に示される構成と同様の圧力スイング吸着反応器に関する構成に基づく。本実施例では、CO₂およびN₂を分離するために、複数のPSA反応器において、混合金属酸化物をベースとする吸着剤を使用する。分離は約400℃〜約500℃の温度で実行される。PSA反応器は、複数の水平に整列された容器(例えば、3または4つの容器)に相当する。反応器は、平行プレート吸着剤などの反応器の長軸に対して垂直な投入流に対して水平配列での使用に適切な吸着剤構成を含む。反応器容器は、7.5〜1の長さ対幅の比率を有し、これは、約30メートルの長軸と約4メートルの短軸に相当する。反応器は、連続工程を含むサイクルで配備される。サイクルの第1の工程は、約60〜120秒間、約21bara(約2.1MPaa)などの高圧の供給工程であり、この間、供給ガスはPSA反応器容器の供給端部に供給される。供給ガスの例は、低排出物発電システムからのリサイクルされたタービン排気ガスである。タービン排気ガスは、約440℃の温度でPSA容器に供給されることができる。タービン排気ガス組成の例は、約11体積%の二酸化炭素、約84体積%の窒素、ならびに残りの量の水および他のトレース種であることができる。供給されたガスが容器の供給端部に供給されて、窒素生産物は生産物側面から生産される。窒素生産物は、少なくとも約90体積%の純度、約440℃の温度および約20.7bara(約2.07MPaa)の圧力を有することができる。吸着剤の能力の約85%などの十分な量のCO₂が吸着された後、ブローダウン工程が開始される。ブローダウン工程は、約30〜120秒間実行することができる。ブローダウン工程終了後、反応器容器は、約1.3bara(約130kPaa)〜約1.6bara(約160kPaa)の圧力である。ブローダウンは、生産物端部のみが開放される前方方向のみで実行されることができるか、または前方方向の第1のブローダウンは、供給および生産物端部が開放される第2のブローダウンによって継続されて実行されることができる。ブローダウンの後、生産物側面からの低圧蒸気パージは、吸着した二酸化炭素を掃除するため、約35〜135秒間実行することができる。低圧蒸気パージによって、水および二酸化炭素を含有する産出流が発生する。水の除去後、産出流は、少なくとも約90体積%のCO₂純度を有することができる。産出流は、PSA反応器への供給において少なくとも約90%(重量による)のCO₂の存在に相当することもできる。任意に、反応器で残存するいずれかの蒸気および二酸化炭素を掃除するために、さらなる窒素パージを蒸気パージの後に実行することができる。次いで、容器は、PSA反応器容器を供給ガスの分離を実行するため、初期の圧力まで戻すため、供給側面から再加圧される。再加圧は供給ガスを使用して実行することができ、典型的に約25〜60秒かかることができる。このPSAサイクルの実施によって、二酸化炭素が少なくとも90%の割合で、少なくとも90%の純度で回収される(水から凝縮後)が、同時に90体積%より高い純度の窒素も生産するように、リサイクルされた排気ガスなどのタービン排気ガスに含有される窒素から二酸化炭素の分離が可能である。サイクルは、PSA反応器への供給ガス中の二酸化炭素1モルあたり、約0.3〜約0.6モルの蒸気などの減少した蒸気の量を使用することもできる。

実施例2−タービン排気ガスの分離のシミュレーション 以下の実施例は、発電のためのタービンからの燃焼ガスまたは排気ガス中でN₂からCO₂を分離するシミュレーションをベースとする。このシミュレーションは、周期的吸着/脱着プロセスに関与する一時的な材料およびエネルギー収支の数値解に基づいた。反応器構成は、図2に示される構成に相当した。

表1は、シミュレーションからの投入および結果を示す。排気ガスのシミュレーションされた流れは、約8億2000万SCF/日であった。縦列は、炭酸カリウムおよび酸化ランタンを含有する混合金属酸化物をベースとする吸着剤を使用した圧力スイング吸着サイクルの様々な工程に相当した。「供給」および「蒸気パージ」の列は、プロセスへの投入に相当し、残りの列は産出流に相当する。

表2は、別のシミュレーションからの投入および結果を示す。排気ガスのシミュレーションされた流れは、約8億3000万scf/日であった。縦列は、炭酸カリウおよび酸化マグネシウムを含有する混合金属酸化物をベースとする吸着剤を使用した圧力スイング吸着サイクルの様々な工程に相当した。「供給」および「蒸気パージ」の列は、プロセスへの投入に相当し、残りの列は産出流に相当する。

シミュレーションに基づき、供給中のCO₂の少なくとも90%は、所望のCO₂生産物の一部として捕獲された。言い換えると、供給中のCO₂の10%未満が、N₂生産物またはブローダウン流のいずれかに損失した。表1および2で示すように、CO₂生産物流の純度は96%より高かった。なお初期のCO₂生産物流の約半分は水であり、水の除去後、N₂は、同様に、残存するCO₂生産物流のより大きいパーセントに相当したことに留意されたい。

実施例3−CO₂分離のためのエネルギー必要量 CO₂を排気ガスから分離するための圧力スイング吸着の使用によって、従来の分離方法と比較して利点を提供することができる。表3は、2つの比較用アミン分離プロセスに対して、圧力スイング吸着対を使用するCO₂分離を実行する間の、全消費エネルギーに関する推定値の比較を示す。

表3中、低圧および高圧アミンプロセスは、アミン分離器における吸着によるCO₂の分離を指す。アミン分離は約40℃の温度で実行された。吸着圧力は、分離プロセスに入る排気流の圧力を指す。P_finalCO₂値は一定で、分離されたCO₂流の低圧(例えば周囲圧力)特性を反映する。P_finalN₂値は、CO₂から分離した後にプロセスによって発生するN₂流の圧力に相当する。エネルギー消費推定値は、示される条件での様々なプロセス間の熱力学的計算に基づいた。

表3中、圧力スイング吸着によるCO₂分離のために必要とされるエネルギーは、高圧アミン処理のために必要とされるエネルギーより低く、そして低圧アミン処理のために必要とされるエネルギーに匹敵した。しかしながら、表3で示すように、CO₂分離のために圧力スイング吸着を使用することは、分離の間に発生するN₂流の特性に関して、いくつかの利点を提供した。第1に、N₂生産物流の温度は、圧力スイング吸着プロセスの間にほぼ維持されたが、アミン分離プロセスは、約40℃などの温度低下を必要とした。さらなる発電のためにN₂生産物流を使用するために、アミンプロセスからのN₂生産物流の温度は、典型的に、少なくとも約300〜400℃以上に再度高める必要があり、これは、表3で示される分離エネルギー推定値に含まれないさらなるエネルg−費を必要とする。より高い温度にN₂生産物流を戻すために必要とされるさらなるエネルギー費用は、次いで、分離より前の排気のエネルギーを、分離後にN₂生産物流に移動することができるように、熱交換器の使用によって軽減することができる。しかしながら、これはさらなる実質的な装置フットプリントを必要とし、したがって、より望ましくない。

低圧アミン分離に対する圧力スイング吸着分離の別の利点には、分離間のN₂生産物流の圧力の維持が含まれ、これによって、流れを変性するためにエネルギーを費やすことなく、発電などの他の目的のためにN₂生産物流を使用することが可能となる。

実施例4−EOR用途のためのCO₂純度および回収のシミュレーション 図1に相当する構成および本明細書に開示される条件を使用し、例えば、ライン150からの精製されたCO₂ガス流(燃焼ガス)は、約21barg(約2.1MPag)の圧力を有することができる。図3は、この圧力を有する燃焼ガスのCO₂回収量およびCO₂純度を示す。より高いガス圧力が望ましい状況において、排気ガスリサイクルタービンのアウトレットとPSA容器との間にさらなる圧縮器を追加することができる。

図3は、鍵となる吸着剤特性に関する数値的なシミュレーションと実験データとの組み合わせを使用する統合化されたユニット性能を示す。シミュレーションは、約8億2000万SCFD(百万立方フィート/日)の名目上の流れで、適切な高温吸着剤(例えば本明細書に開示されるような混合金属酸化物および/またはヒドロタルサイト)を使用して、少なくとも400℃の温度での約11体積%のCO₂、約84体積%のN₂、約5体積%の水を含有するPSAユニットへの燃焼ガス投入に基づいて実行された。本明細書に使用されるシミュレーションは、PSAサイクルの吸着および脱着プロセス工程に関与する材料およびエネルギー収支の数値解に依拠した。吸着剤の飽和CO₂能力は、標準熱重量(TGA)およびブレークスルーカラム測定を使用して決定された。

図3は、約21bara排気ガス圧力のULET発電所のために使用する蒸気に対するCO₂純度との交換条件を示す。CO₂純度の各データポイントで示される数は、CO₂回収量に相当する。図3は、CO₂純度、CO₂捕獲量、プラントフットプリントおよび蒸気使用間の比較も示す。

精製されたCO₂の全てのさらなる使用、例えば、ダウンホールEORなどの炭化水素増進回収は、典型的に、必要とされる貯蔵器注入圧力、または局所的CO₂パイプライン圧力(例えば、約2215psigまたは約150barg)へのその後の下流の圧縮を必要とすることができる。この圧力は、US CO₂パイプラインネットワークに関して特定化される。必要とされる実際の圧力は、貯蔵器および油特性の関数であって、2215psigより非常に小さい可能性がある。

下流の圧縮費用を低下させるため、1つのアプローチは、高圧力で(例えば、約2〜3baraで)、CO₂を再発生させることであることが可能である。図3は、4層PSAプロセスは、相対的により高いCO₂圧力(再び約2〜3bara以上)で相対的に低い蒸気使用(適用された蒸気のモルと発生したCO₂のモルとの比率で測定され、好ましくは1.0以下である)を維持しながら、CO₂捕獲量において相対的に高純度CO₂(約97%〜約99%)を供給することができることを示す。加工される低圧力ガスの非常に大きい体積のため、圧縮の第1の段階は、最大の装置フットプリントと、したがって、最大の経済的ペナルティーを有することは留意すべきである。したがって、圧縮のより早期の段階を除去することは、最終的な圧縮値を低下させること(すなわち、圧縮のより後の段階を除去すること)より非常に高い経済的な利点を与える。ダウンホールEOR用途のための最終的な全圧縮は、100baraより高いことができ、例えば、約100bara〜約250baraである。

本発明の利点は、本実施例によって明示されるように、2つの要素であることができる。[1]高められた排気圧力によって可能となる、ガスの低下した体積を伴う(配管)装置の全体的な低下があることが可能である。[2]圧縮の第1の(またはより多くの)段階を排除することから生じる低下した圧縮動力必要条件があることが可能である。利点の組み合わせられた効果には、メインフットプリントおよびエネルギー利点が含まれ、これは、特に従来のEORのための炭化水素増進回収設備による発電所を統合することにとって重要となる可能性がある。

低下した純度必要条件(それはある種の貯蔵器に関して適切であり得る)の場合、高温PSAは、故意に添加された蒸気パージを使用せずに動作することができる。例えば、蒸気を用いずに約21barで動作する3層高温PSA構成は、約60%以上の純度および回収率でCO₂を有利に生産することができる。追加的に、または代わりとして、約55barで動作する3層高温PSA構成は、故意に添加された蒸気の不在下で、約70%以上の純度でCO₂を有利に生産することができる。実際に、完全に蒸気を除去することは、様々な蒸気凝縮、熱交換および腐食関連の装置が、そのシナリオにおいて有利に排除されることができるため、プロセスの複雑さの有意な低下をもたらすことができる。

さらにまた、例えば、非CO₂「不純物」を増加させることは、貯蔵器に注入される混合物の粘度を低下させることができ、これは、ある種の状況において、改善された吸着および/またはその後の改善された炭化水素生産を可能にするため、より低い純度のCO₂は、シェールガスおよびロック形成に関連するものを含む非慣習的な貯蔵器などのある種の回収操作のために適切であり得るか、または望ましくあり得る。例えば、約2000psigおよび約100°Fの名目上の貯蔵器において、80/20 CO₂/N₂ガス流体は約0.03cPsの粘度を有することができ、70/30 CO₂/N₂ガス流体が約0.025cPsの粘度を有することができる。異なるCO₂純度における増加する順応性は、ある種の状況において、本発明による方法および装置が、増加した生産効率を有すること、および/またはそのような順応性がない場合には容易に達成できない析出物/貯蔵器の全体的な生産を達成することを可能にする。

例えば、シェールガスからの天然ガス増進回収のためのCO₂の使用において、回収投入流のCO₂純度は、より多くのCH4が生産されると、時間とともに(連続的に、階段的に、断続的に、徐々に、または劇的に)増加させる必要があり得、例えば、貯蔵器ロックにおける有機物質に吸着されるCH4を置換するために、CO₂のより大きい必要性がある可能性がある。したがって、注入のために必要とされるCO₂の量および/または純度は、継続的な生産を通して、貯蔵器のCH4の含有量が低下すると、時間とともに増加させることができる。これによって、本発明による統合化された方法を使用すると、より大きい体積に関して、および/または純度に関して、時間とともにCO₂のより高い要求が生じる可能性がある。次に、ある種の実施形態において、これは、PSAプロセスにおいて、より高い蒸気使用を必要とすることができ、可変的な蒸気要求は、本明細書に記載されるリアルタイム調整能力によって可能にされることができる。

実施例5−高純度CO₂のためのリサイクルされた排気の一部におけるPSAの実行 以下の予言的な実施例は、図2に示される構成と同様の圧力スイング吸着反応器に関する構成に基づく。本実施例では、CO₂およびN₂を分離するために、複数のPSA反応器において、混合金属酸化物をベースとする吸着剤を使用する。分離は約440℃の温度で実行される。PSA反応器は、約3つの水平に整列された容器に相当することができる。反応器は、平行プレート吸着剤および/または吸着剤層などの反応器の長軸に対して垂直な投入流に対して水平配列での使用に適切な吸着剤構成を含むことができる。反応器容器は、約30メートルの長軸と約4メートルの短軸を有することができる。反応器は、連続工程を含むサイクルで配備されることができる。サイクルの第1の工程は、約150秒間、約21bara(約2.1MPaa)などの相対的に高圧の供給工程であり、この間、供給ガスはPSA反応器容器の供給端部に供給される。供給ガスの例は、低排出物発電システムからのリサイクルされたタービン排気ガスを含むことができるか、またはそれであることができる。タービン排気ガスは、約440℃の温度でPSA容器に供給されることができる。タービン排気ガス組成の例は、約11体積%のCO₂、約84体積%のN₂、ならびに残りの量の水および他のトレース種であることができる。供給ガスが容器の供給端部に供給されて、窒素生産物は生産物側面から生産される。窒素生産物は、少なくとも約90体積%の純度、約440℃の温度および約20.7bara(約2.07MPaa)の圧力を有することができる。吸着剤の能力の約85%などの十分な量のCO₂が吸着された後、ブローダウン工程を開始することができる。ブローダウン工程は、前方(流れ)方向で、約40秒間実行される。ブローダウン工程終了後、反応器容器は、約1.5bara(約150kPaa)の圧力であることができる。ブローダウンは、生産物端部のみが開放される前方(流れ)方向のみで実行されることができるか、または前方(流れ)方向の第1のブローダウンは、供給および生産物端部が開放される第2のブローダウンによって継続されて実行されることができる。ブローダウンのこれらの配列の他の組み合わせは、追加的に、または代わりとして可能である。ブローダウンの後、生産物側面からの相対的に低圧蒸気パージ(約1〜1.5bara、約100〜150kPaa)は、吸着した二酸化炭素を掃除するため、約205秒間実行することができる。相対的に低圧蒸気パージによって、約1.48bara(約148kPaa)の圧力で、水および二酸化炭素を含有する産出流を発生することができる。凝縮による水の除去後、産出流は、少なくとも約99モル%のCO₂純度を有することができる。産出流は、PSA反応器への供給において少なくとも約82%のCO₂の存在に相当することもできる。任意に、反応器で残存するいずれかの蒸気および二酸化炭素を掃除するために、さらなる窒素パージを蒸気パージの後に実行することができる。次いで、容器は、PSA反応器容器を供給ガスの分離を実行するため、約21bara(約2.1MPaa)の初期の圧力まで戻すため、供給側面から再加圧することができる。再加圧は供給ガスを使用して、約55秒間実行することができる。このPSAサイクルの実施によって、二酸化炭素を少なくとも80%の割合で、少なくとも99%の純度で回収することができる(水から凝縮後)ように、リサイクルされた排気ガスなどのタービン排気ガスに含有される窒素から二酸化炭素の分離が可能である。サイクルは、生産物として回収された二酸化炭素1モルあたり、約0.59モルの蒸気などの減少した蒸気の量を使用することもできる。

実施例6−高純度CO₂のためのリサイクルされた排気の一部におけるPSAの実行 以下の予言的な実施例は、図2に示される構成と同様の圧力スイング吸着反応器に関する構成に基づく。本実施例では、CO₂およびN₂を分離するために、複数のPSA反応器において、混合金属酸化物をベースとする吸着剤を使用する。分離は約440℃の温度で実行される。PSA反応器は、約4つの水平に整列された容器に相当することができる。反応器は、平行プレート吸着剤および/または吸着剤層などの反応器の長軸に対して垂直な投入流に対して水平配列での使用に適切な吸着剤構成を含むことができる。反応器容器は、約35メートルの長軸と約4メートルの短軸を有することができる。反応器は、連続工程を含むサイクルで配備されることができる。サイクルの第1の工程は、約200秒間、約21bara(約2.1MPaa)などの相対的に高圧の供給工程であり、この間、供給ガスはPSA反応器容器の供給端部に供給される。供給ガスの例は、低排出物発電システムからのリサイクルされたタービン排気ガスを含むことができるか、またはそれであることができる。タービン排気ガスは、約440℃の温度でPSA容器に供給されることができる。タービン排気ガス組成の例は、約11体積%のCO₂、約84体積%のN₂、ならびに残りの量の水および他のトレース種であることができる。供給ガスが容器の供給端部に供給されて、窒素生産物は生産物側面から生産される。窒素生産物は、少なくとも約90体積%の純度、約440℃の温度および約20.7bara(約2.07MPaa)の圧力を有することができる。供給工程後、ブローダウン工程を、前方(流れ)方向で、約35秒間実行することができる。ブローダウンの後、生産物側面からの相対的に低圧蒸気パージ(約1〜1.5bara、約100〜150kPaa)は、吸着した二酸化炭素を掃除するため、約530秒間実行することができる。相対的に低圧蒸気パージによって、約1.85bara(約185kPaa)の圧力で、水および二酸化炭素を含有する産出流を発生することができる。凝縮による水の除去後、産出流は、少なくとも約99モル%のCO₂純度を有することができる。産出流は、PSA反応器への供給において少なくとも約72%のCO₂の存在に相当することもできる。次いで、容器は、PSA反応器容器を供給ガスの分離を実行するため、約21bara(約2.1MPaa)の初期の圧力まで戻すため、供給側面から再加圧することができる。再加圧は供給ガスを使用して、約35秒間実行することができる。このPSAサイクルの実施によって、二酸化炭素を少なくとも70%の割合で、少なくとも99%の純度で回収することができる(水から凝縮後)ように、リサイクルされた排気ガスなどのタービン排気ガスに含有される窒素から二酸化炭素の分離が可能である。サイクルは、生産物として回収された二酸化炭素1モルあたり、約0.77モルの蒸気などの減少した蒸気の量を使用することもできる。

実施例7−高純度CO₂のためのリサイクルされた排気の一部におけるPSAの実行 以下の予言的な実施例は、図2に示される構成と同様の圧力スイング吸着反応器に関する構成に基づく。本実施例では、CO₂およびN₂を分離するために、複数のPSA反応器において、混合金属酸化物をベースとする吸着剤を使用する。分離は約440℃の温度で実行される。PSA反応器は、約4つの水平に整列された容器に相当することができる。反応器は、平行プレート吸着剤などの反応器の長軸に対して垂直な投入流に対して水平配列での使用に適切な吸着剤構成を含むことができる。反応器容器は、約35メートルの長軸と約4メートルの短軸を有することができる。反応器は、連続工程を含むサイクルで配備されることができる。サイクルの第1の工程は、約200秒間、約21bara(約2.1MPaa)などの相対的に高圧の供給工程であり、この間、供給ガスはPSA反応器容器の供給端部に供給される。供給ガスの例は、低排出物発電システムからのリサイクルされたタービン排気ガスを含むことができるか、またはそれであることができる。タービン排気ガスは、約440℃の温度でPSA容器に供給されることができる。タービン排気ガス組成の例は、約11体積%のCO₂、約84体積%のN₂、ならびに残りの量の水および他のトレース種であることができる。供給ガスが容器の供給端部に供給されて、窒素生産物は生産物側面から生産される。窒素生産物は、少なくとも約90体積%の純度、約440℃の温度および約20.7bara(約2.07MPaa)の圧力を有することができる。供給工程後、ブローダウン工程を、前方(流れ)方向で、約35秒間実行することができる。ブローダウンの後、生産物側面からの相対的に低圧蒸気パージ(約1〜1.5bara、約100〜150kPaa)は、吸着した二酸化炭素を掃除するため、約530秒間実行することができる。相対的に低圧蒸気パージによって、約2.85bara(約285kPaa)の圧力で、水および二酸化炭素を含有する産出流を発生することができる。凝縮による水の除去後、産出流は、少なくとも約97モル%のCO₂純度を有することができる。産出流は、PSA反応器への供給において少なくとも約65%のCO₂の存在に相当することもできる。次いで、容器は、PSA反応器容器を供給ガスの分離を実行するため、約21bara(約2.1MPaa)の初期の圧力まで戻すため、供給側面から再加圧することができる。再加圧は供給ガスを使用して、約35秒間実行することができる。このPSAサイクルの実施によって、二酸化炭素を少なくとも60%の割合で、少なくとも97%の純度で回収することができる(水から凝縮後)ように、リサイクルされた排気ガスなどのタービン排気ガスに含有される窒素から二酸化炭素の分離が可能である。サイクルは、生産物として回収された二酸化炭素1モルあたり、約0.65モルの蒸気などの減少した蒸気の量を使用することもできる。

実施例8−リサイクルされた排気の一部におけるPSAの実行 以下の予言的な実施例は、図2に示される構成と同様の圧力スイング吸着反応器に関する構成に基づく。本実施例では、CO₂およびN₂を分離するために、複数のPSA反応器において、混合金属酸化物をベースとする吸着剤を使用する。分離は約440℃の温度で実行される。PSA反応器は、約3つの水平に整列された容器に相当することができる。反応器は、平行プレート吸着剤および/または吸着剤層などの反応器の長軸に対して垂直な投入流に対して水平配列での使用に適切な吸着剤構成を含むことができる。反応器容器は、約30メートルの長軸と約4メートルの短軸を有することができる。反応器は、連続工程を含むサイクルで配備されることができる。サイクルの第1の工程は、約110秒間、約21bara(約2.1MPaa)などの相対的に高圧の供給工程であり、この間、供給ガスはPSA反応器容器の供給端部に供給される。供給ガスの例は、低排出物発電システムからのリサイクルされたタービン排気ガスを含むことができるか、またはそれであることができる。タービン排気ガスは、約440℃の温度でPSA容器に供給されることができる。タービン排気ガス組成の例は、約11体積%のCO₂、約84体積%のN₂、ならびに残りの量の水および他のトレース種であることができる。供給ガスが容器の供給端部に供給されて、窒素生産物は生産物側面から生産される。窒素生産物は、少なくとも約90体積%の純度、約440℃の温度および約20.7bara(約2.07MPaa)の圧力を有することができる。供給工程後、ブローダウン工程を、逆(向流)方向で約5秒間、続いて、前方(流れ)方向で約25秒間実行することができる。ブローダウン工程の後、生産物側面からの相対的に低圧蒸気パージ(約1〜1.5bara、約100〜150kPaa)は、吸着した二酸化炭素を掃除するため、約173秒間実行することができる。相対的に低圧蒸気パージによって、約1.35bara(約135kPaa)の圧力で、水および二酸化炭素を含有する産出流を発生することができる。凝縮による水の除去後、産出流は、少なくとも約63モル%のCO₂純度を有することができる。産出流は、PSA反応器への供給において少なくとも約69%のCO₂の存在に相当することもできる。次いで、容器は、PSA反応器容器を供給ガスの分離を実行するため、約21bara(約2.1MPaa)の初期の圧力まで戻すため、供給側面から再加圧することができる。再加圧は供給ガスを使用して、約17秒間実行することができる。このPSAサイクルの実施によって、二酸化炭素を少なくとも65%の割合で、少なくとも60%の純度で回収することができる(水から凝縮後)ように、リサイクルされた排気ガスなどのタービン排気ガスに含有される窒素から二酸化炭素の分離が可能である。

実施例9−リサイクルされた排気の一部におけるPSAの実行 図3は、本発明をさらに例示することができる例示的なPSA構成のための蒸気使用に対して、回収(モル比として表わされる)および純度(パーセントとして表わされる)がいかに交換するかを示す。示される各ケースに関して、供給組成物および圧力は、上記実施例で記載されるものと同様である。図3中、約3容器または約4容器PSA構成が、質量移動および吸着能力の典型的な吸着剤特性のために例示される。図3に見られるように、蒸気使用の増加によって、1molの回収されたCO₂に対して約1.0mol未満であっても、より高純度CO₂(>95体積%が達成可能である。加えて、約4のPSA容器の使用によって、より高い相対的パージ圧力(>約1.35〜1.5bara、典型的に、約2bara〜約3bara)の使用による減圧スイングが可能となり、これによって、EOR設備における使用前のその後のCO₂圧縮に関する装置およびエネルギー必要量を低下させることができる。図3に示される約4容器回収のさらなる改善は、容器が互いに流体連通にある構成を使用して得られることができる。

実施例10−リサイクルされた排気の一部を使用する3容器PSA構成 図4は、実例となるが、本発明の範囲内の吸着剤容器の1つの可能な配列の限定ではない、3容器構成を示す。この構成において、1つの容器は供給上にあり、したがって、窒素生産物を常に製造する。第1の容器が相対的に高圧で生産物を生産する間、その他の2つの容器は、例えば、吸着剤を再生させるサイクルの他の工程を受けていることができる。この特定の3容器配列において、容器間に流体接続(すなわち、ガス流の交換)がなく、これによって、サイクルの複雑さ、ならびに相互接続配管および弁類などの装置を減少させる。

実施例11−リサイクルされた排気の一部を使用する4容器PSA構成 図5〜6は、実例となるが、本発明の範囲内の吸着剤容器のもう1つの可能な配列の限定ではない、4容器構成を示す。図5〜6の構成において、少なくとも1つの容器は常に供給上にある。少なくとも1つの容器が相対的に高圧で生産物を生産する間、その他の2つまたは3つの容器は、例えば、吸着剤を再生させるサイクルの他の工程を受けていることができる。図5の特定の4容器配列において、容器間に流体接続(すなわち、ガス流の交換)がなく、これによって、サイクルの複雑さ、ならびに相互接続配管および弁類などの装置を減少させる。しかしながら、4容器配列は、サイクルが実行されることを可能し、それによって、供給上にない容器の2つは、例えば、圧力平等化工程を使用することによってガスを交換することができ、それによって、相対的により高圧の第1の容器は、相対的により低圧の第2の容器まで減圧されることができ、それによって、図6に示すように、第2の容器の圧力が増加し、そして第1の容器の圧力が低下する。この種類のサイクルは、ターゲットガス(CO₂)を含有する流れが周囲大気に放出されず、別の吸着剤容器に送られることから、より高い(CO₂)回収を可能にすることができる。4容器構成(または4より多くの容器を使用する構成)を使用することからのより高い回収の利点は、追加された容器、相互接続配管および弁類、ならびに必要とされる関連サイクル制御装置の費用増加によって、いくらかの範囲まで相殺される可能性がある。

本発明が特定の実施形態に関して記載されたが、それが必ずしもそのように限定される必要があるというわけではない。特定の条件下での操作のための適切な変更/修正は、当業者に明白でなければならない。したがって、以下の請求項は、全てのそのような変更/修正が、本発明の真の精神/範囲に含まれるものとして解釈されることが意図される。 本明細書の開示内容は、以下の態様を含み得る。 (態様1) 動力を発生させる方法であって、 メイン圧縮器において、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程; インレット圧縮器において富化空気を圧縮して、圧縮酸化剤を発生させる工程; 前記圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分を燃焼室に通過させる工程; 燃焼室において、かつ放出流の温度を調節するように構成される希釈剤として作用する前記圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分の存在下で、前記圧縮酸化剤および燃料を化学量論的に燃焼させて、それによって、放出流を発生させる工程; 膨張器において前記放出流を膨張させて、前記メイン圧縮器を少なくとも部分的に駆動して、前記リサイクルされた排気ガスを発生させる工程; 前記リサイクルされた排気ガスの第2の部分を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程; 前記リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度および前記リサイクル圧力とは約1bar(約0.1MPa)未満異なる吸着圧力において前記吸着性材料上でCO₂を吸着する工程;前記反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、前記回収されたN₂流が前記分離圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程;前記反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程;及び 約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、前記リサイクルされた排気ガスの前記第2の部分のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、前記スイング吸着反応器をパージして、前記リサイクルされた排気ガスの前記第2の部分において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程 を含んでなる方法。 (態様2) 動力を発生させる方法であって、 メイン圧縮器において、少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程; インレット圧縮器において富化空気を圧縮して、圧縮酸化剤を発生させる工程; 前記圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分を燃焼室に通過させる工程; 燃焼室において、かつ放出流の温度を調節するように構成される希釈剤として作用する前記圧縮リサイクル排気ガスの第1の部分の存在下で、前記圧縮酸化剤および燃料を化学量論的に燃焼させて、それによって、放出流を発生させる工程; 膨張器において前記放出流を膨張させて、前記メイン圧縮器を少なくとも部分的に駆動して、前記リサイクルされた排気ガスを発生させる工程;前記リサイクルされた排気ガスの第2の部分を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程; 前記リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度および前記リサイクル圧力とは約1bar(約0.1MPa)未満異なる吸着圧力において吸着性材料上でCO₂を吸着する工程; 前記反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、前記回収されたN₂流が前記分離圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程; 前記反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、前記スイング吸着反応器における圧力を、少なくとも3.0bara(0.3MPaa)の圧力まで任意選択的に低下させる工程;及び 3.0bara(0.3MPaa)〜20.0bara(2.0MPaa)の圧力において、故意に添加された水/蒸気を含有しないパージを用いて、前記スイング吸着反応器をパージして、前記リサイクルされた排気ガスの前記第2の部分において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程 を含んでなる方法。 (態様3) 前記圧縮酸化剤は約30体積%〜約50体積%の酸素濃度を有し、かつ任意選択的に、前記圧縮酸化剤を発生させる工程が、前記富化空気を大気空気と混合する工程をさらに含んでなる、態様1または2に記載の方法。 (態様4) 反応器排気流からのN₂およびCO₂の製造方法であって、 少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなり、約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する反応器排気流を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程と;少なくとも400℃の吸着温度において前記吸着性材料上でCO₂を吸着する工程と; 前記反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、前記回収されたN₂流が前記反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程と; 前記反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、前記スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程と; 約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、前記反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、前記スイング吸着反応器をパージして、前記反応器排気流において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程と を含んでなる方法。 (態様5) 反応器排気流からのN₂およびCO₂の製造方法であって、 少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなり、約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する反応器排気流を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程; 少なくとも400℃の吸着温度において前記吸着性材料上でCO₂を吸着する工程;前記反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、前記回収されたN₂流が前記反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)未満異なる圧力を有する工程; 前記反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、前記スイング吸着反応器における圧力を、少なくとも3.0bara(0.3MPaa)の圧力まで任意選択的に低下させる工程; 3.0bara(0.3MPaa)〜約20.0bara(約2.0MPaa)の圧力において、故意に添加された水/蒸気を含有しないパージを用いて、前記スイング吸着反応器をパージして、前記リサイクルされた排気ガスの前記第2の部分において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程 を含んでなる方法。 (態様6) 前記蒸気パージとは異なる組成を有する第2のパージ流を前記スイング吸着反応器に通過させて、第2のCO₂回収流を発生させる工程をさらに含む、態様1〜5のいずれかに記載の方法。 (態様7) 前記通過させる工程、前記吸着させる工程、前記回収する工程、前記低下させる工程および前記パージする工程が、圧力スイング吸着サイクルを含んでなり、前記リサイクルされた排気ガスの前記第2の部分、前記蒸気パージおよび前記第2のパージ流が、存在する場合、前記圧力スイング吸着サイクルの間に前記スイング吸着反応器に導入されるガスの少なくとも約95体積%を含んでなる、態様1〜6のいずれかに記載の方法。 (態様8) 前記CO₂回収流を、少なくとも90体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流および水に分離する工程をさらに含んでなる、態様1〜7のいずれかに記載の方法。 (態様9) 反応器排気流からのN₂およびCO₂の製造方法であって、 少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程; 周期的圧力スイング吸着プロセスにおいて、前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部においてN₂からCO₂を分離する工程を含み、 プロセスサイクルは、 前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させ、前記反応器排気流が約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する工程; 前記リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度および前記リサイクル圧力とは約1bar(0.1MPa)未満異なる吸着圧力において前記吸着性材料上でCO₂を吸着する工程; 前記反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、前記回収されたN₂流が前記反応器排気流の圧力とは約0.5bar(約50kPa)以下異なる圧力を有し、前記回収されたN₂流が前記リサイクル温度とは20℃以下異なる温度を有する工程; 前記反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、前記スイング吸着反応器における圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力まで低下させる工程;及び約1.0bara(約0.1MPaa)〜約3.0bara(約0.3MPaa)の圧力において、前記反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、前記スイング吸着反応器をパージして、前記反応器排気流において少なくとも約90%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程;及び 前記CO₂回収流を、少なくとも約90体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流および水に分離する工程 を含み、 前記蒸気パージ及び前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部が、プロセスサイクルの間に前記スイング吸着反応器に導入される前記ガスの少なくとも約95体積%を含んでなる方法。 (態様10) 反応器排気流からのN₂およびCO₂の製造方法であって、 少なくとも約70体積%のN₂および少なくとも約10体積%のCO₂を含んでなるリサイクルされた排気ガスを圧縮して、約400℃〜約500℃のリサイクル温度および約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)のリサイクル圧力を有する圧縮リサイクル排気ガスを発生させる工程; 周期的圧力スイング吸着プロセスにおいて、前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部においてN₂からCO₂を分離する工程を含み、 プロセスサイクルは、 前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部を、吸着性材料を含んでなるスイング吸着反応器に通過させる工程であり、前記反応器排気流が約10bara(約1.0MPaa)〜約30bara(約3.0MPaa)の圧力を有する工程; 前記リサイクル温度とは約20℃未満異なる吸着温度および前記リサイクル圧力とは約1bar(0.1MPa)未満異なる吸着圧力において前記吸着性材料上でCO₂を吸着する工程; 前記反応器の前方端部から、少なくとも約95体積%の純度を有するN₂流を回収するが、前記回収されたN₂流が前記反応器排気流の前記圧力とは約0.5bar(約50kPa)以下異なる圧力を有し、前記回収されたN₂流が前記リサイクル温度とは20℃以下異なる温度を有する工程; 前記反応器の少なくとも一端部からブローダウン流を産出することによって、前記スイング吸着反応器における前記圧力を、約1.0bara(約0.1MPaa)〜約5.0bara(約0.5MPaa)の圧力まで低下させる工程;及び約1.0bara(約0.1MPaa)〜約5.0bara(約0.5MPaa)の圧力において、前記反応器排気流のCO₂の1モルあたり約1.5モル未満(例えば、約1.0モル未満または約0.8モル未満)のH₂Oを含有する蒸気パージを用いて、前記スイング吸着反応器をパージして、前記反応器排気流において少なくとも約60%のCO₂の存在を含んでなるCO₂回収流を発生させる工程;及び 前記CO₂回収流を、約60体積%〜約99.5体積%のCO₂を含有するCO₂生産物流および水に分離する工程 を含み、 前記蒸気パージ及び前記圧縮リサイクル排気ガスの少なくとも一部が、プロセスサイクルの間に前記スイング吸着反応器に導入される前記ガスの少なくとも約90体積%を含んでなる方法。 (態様11) 前記CO₂生産物流がN₂をさらに含んでなり、かつ前記回収されたN₂流の温度が少なくとも前記吸着温度である、態様1〜10のいずれかに記載の方法。 (態様12) 前記リサイクルされた排気ガスが、約5体積%〜約20体積%(例えば、約10体積%〜約20体積%)のCO₂濃度および/または約1体積%以下のO₂濃度を有する、態様1〜11のいずれかに記載の方法。 (態様13) 前記吸着剤が、(a)アルカリ金属炭酸塩(炭酸カリウム、炭酸リチウムおよび/または炭酸ナトリウムなど)、ならびにアルカリ土類金属および/または遷移金属(+2および/または+3の酸化状態で酸化物を形成するものなど)の酸化物、例えば、炭酸リチウムまたは炭酸カリウムの少なくとも1種、ならびに酸化ランタン、酸化イットリウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも1種を含んでなる、(b)アルカリ土類金属炭酸塩(炭酸マグネシウムおよび/または炭酸カルシウムなど)、ならびに遷移金属(+2および/または+3の酸化状態で酸化物を形成するものなど)の酸化物、例えば、炭酸マグネシウムまたは炭酸カルシウムで少なくとも1種、ならびに酸化ランタン、酸化イットリウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも1種を含んでなる、ならびに(c)ヒドロタルサイトの1種以上を含んでなる、態様1〜12のいずれかに記載の方法。 (態様14) 前記反応器排気流または前記圧縮リサイクル排気ガスによって、少なくとも約10bara(約1.0MPaa)の圧力まで前記スイング吸着反応器を再加圧する工程をさらに含んでなる、態様1〜13のいずれかに記載の方法。 (態様15) 前記スイング吸着反応器において圧力を低下させる工程が、(i)前記反応器の前記前方端部から第1のブローダウン流を産出する工程、ならびに/または(ii)前記第1のブローダウン流の産出後、前記反応器の前記前方端部から第2のブローダウン流および前記反応器の後方端部から第3のブローダウン流を産出する工程を含んでなる、態様1〜14のいずれかに記載の方法。