JP2001116476A - 再生式二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離システム - Google Patents
再生式二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離システムInfo
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Abstract
高い効率で二酸化炭素の分離を確実に行うことができる
再生型二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離システム
を提供することを目的とする。 【解決手段】 ロータの周囲に高温部と低温部とを設
け、単にロータを回転させることによって排ガス中の二
酸化炭素を吸収・分離することができる。従って、シス
テムを極めて簡略化でき、再生コストが大幅に低減し、
メンテナンスが容易で信頼性の高い吸収分離システムを
実現することができる。定置型の構成によっても同様の
効果を得ることができる。さらに、吸収分離剤として、
リチウムジルコネート、アルカリ金属酸化物および/ま
たはアルカリ土類金属の酸化物を用いることにより化学
的及び機械的に安定であり、二酸化炭素の吸収放出を可
逆的に安定して生じさせることが可能となる。
Description
分離装置及び二酸化炭素分離システムに関する。さらに
詳細には、本発明は、燃焼ボイラなどから排出される排
ガス中に含まれる二酸化炭素(CO2)を効率的且つ経
済的に分離することができる再生式二酸化炭素分離装置
及び二酸化炭素分離システムに関する。
種の産業設備から大気中に放出される二酸化炭素は、
「温室効果」による地球の温暖化の原因とされ、その削
減を急速に進める必要がある。例えば、火力発電所の場
合には、石油系燃料、石炭系燃料、LNG(液化天然ガ
ス)などの燃料がボイラで燃焼され、大量の二酸化炭素
が生成される。
離する方法として、アミン類を含有する「吸収液」を用
いるものや、酢酸セルロース膜などを使用した「膜分離
法」などが提案されている。
いては、CO2吸収液として非引火性のアルカノールア
ミン水溶液を用いて二酸化炭素を回収する方法が開示さ
れている。また、特許第2809381号公報において
は、モノエタノールアミン吸収液を用いた分離システム
において吸収液再生塔のリボイラの加熱源を最適化した
分離方法が開示されている。
「吸収液」を用いた方法では、吸収効率が必ずしも高く
ないという問題があった。例えば、アミンを用いた吸収
液が捕集することができる二酸化炭素の体積は、吸収液
の体積の約20倍〜30倍に過ぎない。従って、大規模
な燃焼プラントにおいては、極めて多量の吸収液を常に
循環させなければならないという問題があった。
においては、二酸化炭素を吸収させる吸収塔、吸収液を
再生する再生塔及びリボイラ、さらにこれらの間に設け
られる循環システムなどが必要とされ、システムが極め
て複雑となるという問題があった。
の陽圧側から陰圧側に二酸化炭素のみを透過させて吸収
するため、圧力制御の機構が必要とされ、システムが複
雑となる。
吸収液や分離膜は、その許容温度が200℃前後であ
り、耐熱性が低い。火力発電所のボイラーなどのよう
に、各種の燃焼源から放出される排ガスの温度は、60
0℃あるいはそれ以上である場合が多いために、二酸化
炭素分離装置に導入する前に予め排ガスを冷却する設備
が必要とされ、システムが複雑になるとともに、分離コ
ストが高くなるという問題があった。
されたものである。すなわち、その目的は、従来よりも
はるかに簡素な構成により極めて高い効率で二酸化炭素
の分離を確実に行うことができる再生式二酸化炭素分離
装置及び二酸化炭素分離システムを提供することにあ
る。
に、本発明の再生式二酸化炭素分離装置は、回転可能と
されたロータと、前記ロータに保持され、所定の温度よ
りも低い温度においては二酸化炭素を吸収し、前記所定
の温度よりも高い温度においては吸収した二酸化炭素を
放出する、吸収分離剤と、前記ロータの前記回転の中心
軸に対して略平行方向に第1のガスを前記ロータ中を流
す第1のガス流経路と、前記ロータの前記回転の中心軸
に対して略平行方向に第2のガスを前記ロータ中を流す
第2のガス流経路と、前記第1のガスと前記第2のガス
とが混合しないように遮蔽するシール機構と、を備え、
前記第1のガス流経路における温度を前記所定の温度よ
りも低くし、前記第2のガス流経路における温度を前記
所定の温度よりも高くしつつ、前記ロータを回転させる
ことによって、前記第1のガスに含有される二酸化炭素
を前記吸収分離剤に吸収させ、前記吸収分離剤に吸収さ
れた二酸化炭素を前記第2のガス中に放出させることを
特徴とする。
コスト且つ高信頼性を有する二酸化炭素分離装置を実現
することができる。
ガスの流れ方向に開口を有する複数のバスケットをさら
に備え、前記吸収分離剤は、前記複数のバスケットのそ
れぞれに装填されるものとすることができる。
置は、複数の反応室と、前記複数の反応室のそれぞれに
保持され、所定の温度よりも低い温度においては二酸化
炭素を吸収し、前記所定の温度よりも高い温度において
は吸収した二酸化炭素を放出する、吸収分離剤と、前記
第1のガス及び第2のガスのいずれかを前記複数の反応
室のそれぞれに選択的に供給するための切替手段と、を
備え、反応室を前記所定の温度よりも低温に保持しつつ
前記第1のガスを供給することによって第1のガス流経
路を形成し前記第1のガスに含有される二酸化炭素を前
記吸収分離剤に吸収させる吸収サイクルと、反応室を前
記所定の温度よりも高温に保持しつつ前記第2のガス流
を供給することによって第2のガス流経路を形成し前記
吸収分離剤に吸収された二酸化炭素を前記第2のガス中
に放出させる再生サイクルと、を前記複数の反応室の間
で略連鎖的に実施可能としたことを特徴とする。
率、低コストの再生式二酸化炭素分離装置を実現するこ
とができる。
りも高温に加熱するための加熱手段を有するものとすれ
ば、変曲点よりも高い温度に容易且つ確実に加熱して再
生することができる。
ネート、アルカリ金属の酸化物及びアルカリ土類金属の
酸化物の少なくともいずれかを含むものとすれば、高効
率の吸収分離を実現することができる。
状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガ
ス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の形成
品の少なくともいずれかの形態を有するものとすれば、
二酸化炭素の効率良い吸収分離を実現することができ
る。
状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並
びに前記ガス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造
体状の少なくともいずれかの成形品に担持されたものと
すれば、高い効率で高い信頼性も得ることができる。
の吸収分離剤を備えることにより、さらに吸収分離効率
を向上させることができる。
は、前述したいずれかの再生式二酸化炭素分離装置と、
前記再生式二酸化炭素分離装置の前記第2のガス流経路
における温度を前記所定の温度よりも高くするための加
熱手段と、前記第1のガス流経路から排出されたガスを
冷却する熱回収手段と、前記第2のガス流経路から排出
された二酸化炭素を含有するガスから前記第1のガス流
経路に供給される前記第1のガスに対して熱エネルギを
移送する熱交換手段と、を備えたことを特徴とする。
れた前記二酸化炭素を含有するガスの少なくとも一部を
前記第2のガス流経路に再供給する循環手段をさらに備
え、前記加熱手段は、燃料を燃焼させて、前記循環手段
により循環される前記二酸化炭素を含有するガスを加熱
する、蓄熱式バーナまたは間接式加熱炉であるものとし
ても良い。
流経路から排出された前記ガスにより蒸気を発生させる
ボイラを有し、または、前記ボイラと、前記ボイラにお
いて発生された前記蒸気により駆動されるスチームター
ビンと、前記スチームタービンにより駆動される発電機
と、を有するものとしても良い。
ューブラ式または回転型再生式熱交換器のいずれかであ
るものとしても良い。
の実施の形態について説明する。
分離装置を表す斜視概念図である。すなわち、同図に例
示したものは、回転型の再生式二酸化炭素分離装置であ
り、分離装置1は、回転軸1aを中心に所定速度で矢印
方向に回転するロータ1bと、ロータ1b中に装填され
たコンパートメント(「セクター」と称されることもあ
る)1cとを有する。コンパートメント1cには、温度
に応じて二酸化炭素ガスを可逆的に吸収・放出する吸収
分離剤1gが装填されている。具体的には、例えばコン
パートメント1cに複数のバスケットbaが設けられ、
吸収分離剤1gを、これらのバスケットbaに装填する
ことができる。この場合に、それぞれのバスケットba
にはガスの流れ方向に開口が設けられ、吸収分離剤1g
とガスとの接触を確保する。このためには、例えば、バ
スケットbaの開口を網状あるいは格子状にしても良
い。
うに、相対的に低い温度において二酸化炭素を吸収し、
吸収した二酸化炭素を相対的に高い温度において放出す
るような特性を有する材料を用いる。なお、図1におい
て、1dはロータハウジング、1eはセクタプレートで
ある。
心としたロータ1bの回転円周上に分割して設けられた
高温部1hと低温部1Lとを有する。そして、低温部1
Lには、図示しないボイラまたは焼却炉などから排出さ
れた排ガスG1が供給される。一方、高温部1hには、
吸収分離剤から放出された二酸化炭素を運ぶためのキャ
リアガスA1が供給される。
ガスG1が低温部1Lを通過する間にコンパートメント
1cに装填された吸収分離剤1gに吸収され排ガスG1
と分離される。二酸化炭素が分離された排ガスG2は、
装置の出口側から取り出される。
は、ロータ1bの回転に伴ってコンパートメント1cが
高温部1hに移動し、高温のキャリアガスA1と接触す
ることにより吸収分離剤1gから放出され、キャリアガ
スと混合されたガス流A2として排出される。二酸化炭
素を放出した吸収分離剤1gは、ロータ1bの回転に伴
って再び低温部1Lに移動し、排ガスG1から二酸化炭
素を吸収分離する。
シール系により相互にシールされ、ガスのリークを防い
でいる。従って、排ガスG1、G2とキャリアガスA
1、A2とが混じり合うことはない。
G1とガス流A1とは平行で同方向下向きであるが、こ
れとは逆に平行で同方向上向きあるいは平行で逆方向で
あっても良い。本例の場合、ロータの上部を高温側とし
下部を低温側とすると、熱交換器の材料としては高温側
には耐熱ステンレス鋼が使用され、低温側には軟鋼また
は溶接構造用鋼が使用される。ロータ全重量は低温側部
の下方に設けられたロータ軸受で受ける。
タ側の熱を断熱する構造とする。一方、上方に設けられ
たロータ軸受は、上下方向の熱膨張を逃し、水平方向の
み支える構造とする。
この回転型再生式分離装置が設置されていても良い。
温部1hと低温部1Lとを設け、単にロータを回転させ
ることによって排ガス中の二酸化炭素を吸収・分離する
ことができる。従って、システムを極めて簡略化でき、
再生コストが大幅に低減し、メンテナンスが容易で信頼
性の高い吸収分離システムを実現することができる。
に用いて好適な吸収分離剤について説明する。吸収分離
剤1gとしては、リチウムジルコネート、アルカリ金属
の酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物を用いること
ができる。これらの化合物については、例えば、特開平
9−99214号公報や特開平10−152302号公
報において詳細が開示されている。
コネート、すなわちリチウム(Li)とジルコニウム
(Zr)との酸化物を挙げることができる。具体的に
は、Li 2ZrO3やLi4ZrO4を用いることがで
きる。
下の吸収・放出反応を生ずる。
によって、二酸化炭素を可逆的に吸収・放出させること
ができる。(1)の吸収反応は、約400℃〜580℃
の温度範囲で顕著となる。また、上記(2)の放出反応
は、約600℃以上の温度範囲で顕著となる。従って、
Li2ZrO3を含有した吸収分離剤1gを約400℃
〜580℃の低温部におけば、排ガス中から二酸化炭素
を活発に吸収し、この吸収分離剤1gを600℃以上の
高温部に移動させると吸収した二酸化炭素を放出する。
た時の反応モデルを表すグラフ図である。すなわち、同
図の横軸は温度、縦軸は吸収分離剤に含有される二酸化
炭素の含有量を表す。
明の再生式二酸化炭素分離装置の動作を表す概念図であ
る。
離剤は、約600℃において二酸化炭素の含有量が最大
となる。この温度を仮に「変曲点」とすると、変曲点よ
り加熱しても冷却しても二酸化炭素ガスの含有量は減少
する。例えば、500℃に冷却した吸収分離剤に二酸化
炭素を含む排ガスが接触すると反応熱を放出しながら上
記(1)式に表したように二酸化炭素の吸収が始まる。
そして、さらに二酸化炭素が接触すると吸収分離剤は二
酸化炭素を吸収しながら熱エネルギにより加熱され、変
曲点である600℃まで、吸収を続ける。
量は最大値を示し、吸収は停止する。そこで吸収分離剤
を加熱すると、今度は、反応熱として熱エネルギを吸収
しながら上記(2)式に表したように二酸化炭素の放出
を開始する。そして、700℃付近まで二酸化炭素の放
出を続け、700℃付近において二酸化炭素の含有量は
最小となる。
置のガス流れ方向におけるガスの内部温度分布の一例を
表すグラフ図である。例えば、分離装置に低温側1Lに
おいて、温度が145℃の排ガスG1が分離装置に導入
されると、吸収分離剤1gに二酸化炭素が吸収され、曲
線C1で表したように、反応熱によって温度が上昇す
る。そして、分離装置の出口付近では、排ガスG2の温
度は約388℃まで上昇する。また、図4において曲線
C2で表したように、145℃よりも高く変曲点よりも
低い温度の排ガスは、曲線C1と変曲点との中間的な温
度分布をとる。
度が1072℃のキャリアガスA1が導入されると、反
応熱として熱エネルギが吸収されて吸収分離剤1gで二
酸化炭素の放出が生じ、同図に曲線C4で表したよう
に、温度が低下する。そして、分離装置の出口付近で
は、キャリアガスA2の温度は約795℃まで低下す
る。また、図4において曲線C3で表したように、10
72℃よりも低く変曲点よりも高い温度のキャリアガス
は、曲線C4と変曲点との中間的な温度分布をとる。
ような吸収分離剤は、固体1モルで二酸化炭素1モルを
吸収することができる。体積に換算すると、吸収分離剤
の400倍の体積の二酸化炭素を吸収することができ
る。ちなみに、従来の技術に関して前述したアミン類を
用いた吸収液の場合には、吸収可能な二酸化炭素の量
は、吸収液の体積の20倍程度である。従って、アルカ
リ金属などの酸化物を吸収分離剤として用いることによ
り、従来の吸収液の10倍以上の二酸化炭素を吸収分離
することが可能となり、従来よりもはるかにコンパクト
な体積で高い効率の回収システムを実現することができ
る。
て用いることができるアルカリ金属の酸化物としては、
上述したLi2ZrO3やLi4ZrO4の他にも、例
えば、Li2O、Na2Oを挙げることができる。Li
2Oは、二酸化炭素との間で以下の吸収・放出反応を生
ずる。
度範囲で顕著となる。また、上記(4)の放出反応は、
約1100℃以上の温度範囲で顕著となる。従って、L
i2Oを含有した吸収分離剤1gを約700℃〜100
0℃の低温部におけば、排ガス中から二酸化炭素を活発
に吸収し、この吸収分離剤1gを1100℃以上の高温
部に移動させると吸収した二酸化炭素を放出する。
に対応した吸収反応は約700℃から1700℃の温度
範囲で顕著となり、上記(4)に対応した放出反応は1
800℃以上の温度範囲で顕著となる。
属の酸化物としては、例えば、MgO、CaOを挙げる
ことができる。MgOの場合には、300℃〜400℃
の温度範囲において二酸化炭素の吸収を顕著に生じ、4
00℃以上の温度範囲において二酸化炭素の放出を顕著
に生ずる。CaOの場合には、600℃〜800℃の温
度範囲において二酸化炭素の吸収を顕著に生じ、800
℃以上の温度範囲において二酸化炭素の放出を顕著に生
ずる。
剤1gとして適宜用いることにより、排ガスの種々の温
度領域において本発明の回転型再生式二酸化炭素分離装
置を構成することができる。
には、変曲点の高い吸収分離剤を用い、低温の排ガスを
分離処理する場合には変曲点の低い吸収分離剤を用いる
ことが望ましい。
て適宜配置することにより処理温度範囲が広がり、吸収
効率もさらに向上させることもできる。すなわち、本発
明の分離装置は、図4に例示したように、ガスの流れに
沿って内部に温度分布が生ずる。従って、それぞれの位
置において、そこでの温度において最も高い効率で二酸
化炭素を吸収することができる材料を配置すれば、吸収
効率をさらに高くすることが可能となる。
には、排ガスの温度分布に応じて変曲点が変動するよう
に吸収分離剤の材料を配置すれば良い。
した吸収分離剤1gは、上記(1)式から分かるよう
に、二酸化炭素を吸収すると、固体状のZrO2と液体
状のLi2CO3とを生成する。通常、平均粒径が0.
01μm〜数μm程度として得られる粉体のリチウムジ
ルコネートなどの吸収分離剤は、粒状または多孔質状に
一旦形成しておくと良い。
のZrO2がコアとなり、その表面に液体状のLi2C
O3が付着した状態を形成することができる。
は、固体状のZrO2が骨格となり、その表面に液体状
のLi2CO3が付着した状態を形成することができ
る。
に安定であり、二酸化炭素の吸収放出を可逆的に安定し
て生じさせることが可能である。
状の吸収分離剤を、塊状、筒状、変型面状、線構造体状
などの形状に成形した「形成品」とすることができる。
または、ハニカム状や練炭状などのように、ガスの流れ
方向に貫通孔を有する塊状または面構造体状に成形した
「形成品」としても良い。
形状に成形した成形品の表面に、吸収分離剤を担持させ
た「担持品」としても良い。すなわち、粒状、多孔質
状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状などの形状に
成形したセラミクスや金属などの成形品の表面に塗布、
接着、貼り付け、コーティングなどの方法によって吸収
分離剤を担持させても良い。例えば、オライトなどの多
孔質物質(粒子)に担持させることができる。または、
ハニカム状や練炭状などのように、ガスの流れ方向に貫
通孔を有する塊状または面構造体状に成形したセラミク
スや金属などの成形品の表面に吸収分離剤を担持させて
も良い。
は、ガスとの接触面積が大きく且つ充填効率も高くなる
ような形状とすることが望ましい。
「多孔質状」、「塊状」および「変型面状」の「形成
品」または「担持品」については、その表面に開口を設
けあるいは突起を形成することによってガスとの接触効
率をさらに向上させることができる。
スの流れ方向に開口を有する塊状」の「形成品」または
「担持品」は、断面形状が円、方形、三角、ハニカム、
星形などの種々の形状を有する多数のエレメントブロッ
クと称することができる。このような形状を開示した文
献としては、例えば特許公報第2879599号公報を
挙げることができる。
スの流れ方向に貫通孔を有する面構造体状」の「形成
品」または「担持品」は、例えば平面シートと波形シー
トのような複数の形状のものを組み合わせてガス流れ方
向に対して略平行に配列したもの、あるいは、波形断面
を有する多数のエレメントプレートなどと称することが
できる。このような面構造体の形状を開示した文献とし
ては、例えば特許公報第2660577号公報、特開平
9−280761号公報、特開平9−316608号公
報、意匠公報721191(K6−592)、意匠公報
721191の類似1(K6−592A類似)を挙げる
ことができる。
「変型面状」、「線構造体状」、「ガスの流れ方向に貫
通孔を有する塊状または面構造体状」などの形状は、当
業者の通称的な用語によってさらに具体的に例示すると
以下の如くである。
ト」、「ポールリング」、「インタロックサドル」、
「バールサドル(ベルルサドル)」、「レッシングリン
グ」、「パーティションリング」、「シングルスパイラ
ル」、「ダブルスパイラル」、「トリプルスパイラ
ル」、「インターパック」、「ヘリクスパッキング」、
「ディクソンパッキング」、「マクマホンパッキン
グ」、「キャノンパッキング」、「ステッドマンパッキ
ング」、「グッドローパッキング」、「スプレーパッ
ク」、「パナパック」或いは「木格子」などを挙げるこ
とができる。なお、以上列挙した各形態は、例えば、
「化学工場」第12巻第9号(1968)〜第14巻第
7号(1970)または第15巻第7号(1971)に
おいて具体的に表されている。
「担持品」の外形サイズは、例えば、数cm〜数10c
m程度とすることができる。図1に例示した二酸化炭素
分離装置のロータ1bの外形サイズは通常は数メータ以
上であるので、コンパートメント1cに設けられたバス
ケットには、多数の「形成品」または「担持品」が装填
される。
なる。従って、図1に例示したように、ガスの流れ方向
に沿って複数のバスケットbaを設けると吸収分離剤の
装填・交換が容易となる。この時に、それぞれのバスケ
ットに網状あるいは格子状などの仕切りを設ければ、吸
収分離剤を安定して保持することができる。または、ガ
スの流れ方向にみてひとつのバスケットを設け、その内
部をガス流れ方向に沿って何段かの格子状のようなもの
で区分けして吸収分離剤を装填しても良い。
状、筒状、変型面状及び線構造体状の「形成品」または
「担持品」を、バスケットbaの中でガスの流れに応じ
て流動させることも可能である。これは、例えば、特開
昭55−123989号公報に記載されている「回転形
流動層熱交換器」と類似した概念であり、ガスとの接触
効率をさらに向上させることが可能となる。
塊状または面構造体状」の「形成品」や「担持品」を、
バスケットの深さ方向(ガス流れ方向)の長さと同じ長
さのものをバスケット内に並べても良く、または、バス
ケットの深さよりも短いものを何段かに分けて積層させ
ても良い。
異なるものを組み合わせてコンパートメント内に装填し
ても良い。例えば、粒状のものと塊状のものを組み合わ
せたり、線構造体と面構造体とを組み合わせてコンパー
トメント内に装填することができる。
ムパワー(ABB ALSTOMPOWER)株式会社
から供給されているエナメルエレメントの形態としても
良い。ここで、「エナメルエレメント」とは、ほうろう
引きされた波板状の鋼板を積層させたエレメントを表す
ものであり、その形態の要部は、例えば、特許公報第2
660577号、特開平9−280761号公報、特開
平9−316608号公報、意匠公報721191(K
6−592)、意匠公報721191の類似1(K6−
592A類似)などにおいて例示されている。
メントのほうろうの表面、或いはほうろうに代わってリ
チウムジルコネートなどの吸収分離剤を波板の表面にコ
ーティング、接着、溶着あるいは融着などの各種の方法
によって担持させることにより、ガスとの接触効率が極
めて高く安定した吸収分離を実現することができる。
会社のエナメルエレメントの形態のものは、圧力損失も
少なく大容量の風量を処理でき、排ガスとの接触効率も
高い点で有利である。
の変型例として、定置型の分離装置について説明する。
分離装置の要部構成を表す概念図である。すなわち、二
酸化炭素分離装置10は、2つの反応塔T1、T2と、
これら反応塔に連通したダクト(配管)とを備え、第1
のガスと第2のガスのそれぞれの入出口管が接続され、
さらにそれらガスを遮蔽切り替えする切替弁V1〜V4
を有する。反応塔T1、T2には、それぞれ図1乃至図
4に関して前述した吸収分離剤1gが装填されている。
吸収分離剤の変曲点よりも低い温度に維持された反応塔
T1に供給される。この吸収サイクルにおいて、排ガス
G1に含有される二酸化炭素は、排ガスG1が塔内を通
過する間に吸収分離剤1gに吸収され排ガスG1から分
離される。二酸化炭素が分離された排ガスG2は、反応
塔T1の出口側から切替弁V2を介して取り出される。
応塔T1に排ガスの代わりに高温のキャリアガスA1を
供給して再生サイクルとする。すると、吸収分離剤1g
に吸収された二酸化炭素は分離され、キャリアガスと混
合されたガス流A2として排出される。この間同時に、
反応塔T2には、排ガスG1が供給されて二酸化炭素の
吸収分離を続行することができる。
れの反応塔において吸収分離反応が飽和(完結)するま
で排ガスを処理し、切替弁によりガス流を切り替えて反
応塔を選択することにより、連続的に二酸化炭素の吸収
分離を実施することができる。
イクルと再生サイクルとを連鎖的に実施させることによ
り、排ガスの連続的な処理が可能となる。
動部分が不要となり、切替弁を適宜操作することにより
吸収と再生を連続して実施することができる。
ガスA1を供給することによって、吸収分離剤1gを加
熱し吸収された二酸化炭素を分離する例を表したが、こ
れ以外にも、例えば、各反応塔内に電気ヒータなどの加
熱手段を適宜設け、変曲点よりも高く加熱するための補
助加熱手段として用いても良い。
は、図示したものには限定されず、適宜切替弁を設けて
処理経路を構成することができる。
されず、3塔以上の反応塔を適宜組み合わせて再生式二
酸化炭素分離装置を構成することができる。例えば、分
離装置の圧力損失量や、排ガスやキャリアガスの流量な
どに応じて適宜反応塔の数を決定することができる。
応塔の切替時にダクトや反応塔内に残留する排ガスG1
のパージ処理用として運転することもできる。このよう
にすれば、ダクトや反応塔内に残留する未処理の排ガス
G1の放出やキャリアガスへの混入を防ぐことができ
る。
を用いた排ガス浄化システムについて説明する。
置を用いた排ガス浄化システムの構成を例示する概念図
である。
式の二酸化炭素分離装置を採用したシステムの各経路上
におけるガス種類、流量、二酸化炭素量、温度、比熱及
びエンタルピーのデータを表す。
系燃料、石炭系燃料あるいはLNGガスなどを燃焼する
図示しないボイラまたは焼却炉などから排出された排ガ
スG1は、まず、脱硫装置7において硫黄分を除去され
る。しかる後に、排ガスG1は、経路Aを介してCO2
熱交換器5に導入され、所定の温度に加熱される。次
に、排ガスG1は経路Bを介して本発明の二酸化炭素分
離装置(CO2-Separator)1、10に導入され、二酸化
炭素が分離される。二酸化炭素が分離された排ガスG2
は、経路Cを介して熱回収システム2において冷却され
る。熱回収システム2においては、例えば、排ガスの熱
により蒸気を発生させるだけではなく、さらに、この蒸
気でスチームタービンを回転させて発電することによ
り、熱エネルギを回収することができる。一方、熱回収
システム2において冷却された排ガスは、経路Dを介し
て誘引ファン6により引かれ、最終的には煙突8から大
気に放出される。
ては、排ガスG1から二酸化炭素を分離し、キャリアガ
スA1に混合するという物質移動が行われる。分離装置
1、10から排出されたキャリアガスA2は、経路Fを
介してファン4により送出される。ファン4から送出さ
れた二酸化炭素を含むキャリアガスA2の一部は、経路
H、加熱装置3、経路Eを介して、分離装置1、10に
循環供給することにより、分離装置1、10の高温部1
hまたは再生サイクルの反応塔の温度を所定の高温に維
持する。加熱装置3は、LNGと燃焼空気とを混合させ
て燃焼させる蓄熱式バーナや間接式の加熱炉とすること
ができる。また、経路E、F、Hの循環経路において
は、二酸化炭素を含むキャリアガスは、ロータ1bの数
回転分の間にわたって再循環させることができる。
リアガスは、熱交換器5に導入され、本プロセスを施す
前の排ガスG1と熱交換する。この熱交換器5は、間接
式加熱炉または再生式加熱炉とすることにより、排ガス
へのキャリアガス(二酸化炭素)の混入を防ぐことが望
ましい。熱交換器5において冷却されたキャリアガス
(二酸化炭素)は、経路Jを介して、回収される。
えば、ビニールハウスの農作物に供給されたり、水素と
反応させてメタノール合成などの2次利用に供された
り、その他の各種の方法により再利用または処理が施さ
れる。
式」や「チューブラ式」または「回転型再生式」など、
熱交換媒体どうしの混じり合いの恐れがない熱交換器を
用いることができる。プレート式とは伝熱要素板の積層
構造体からなり、一方チューブラ式とは伝熱要素管の群
構造体からなり、これらの積層構造体や管群構造体の中
に、高温ガスと低温ガスの流路がそれぞれ設けられてい
るものである。高温ガスの熱は、流路壁から伝熱要素板
や伝熱要素管を介して低温ガスに移送され、熱交換が達
成される。
するロータに蓄熱エレメントが設けられ、高温ガス流中
において吸熱した蓄熱エレメントが低温ガス流中におい
て熱を放出することにより熱交換を行うものである。そ
の代表的なものとしては、エービービーアルストムパワ
ー株式会社から、商標名「ユングストローム熱交換器」
として供給されているものを挙げることができる。
二酸化炭素分離装置を用いると、従来よりもはるかに簡
素な構成で、極めて高い効率の二酸化炭素の回収を実現
することができる。つまり、本発明によれば、加熱冷却
によるエネルギの授受のみにより二酸化炭素の吸収と放
出を行うことができ、熱回収システムを併用することに
よってエネルギ損失を最小限に抑えた経済的なシステム
を構築することができる。
いて図1に例示した回転型再生式の分離装置を採用した
場合に、1トンの二酸化炭素を回収するために必要な経
費は約1500円である。これを、発電所の発電単価に
換算すると1kW当たり約0.6円となる。
を挙げると、化学吸収法の場合の経費は発電単価に換算
して約1.8円であり、物理的分離法の場合の経費は発
電単価に換算して約4.0円であった。つまり、本発明
によれば、従来の物理的分離法の1/6以下、化学的吸
収法と比較しても約1/3の経費で二酸化炭素を分離す
ることができる。
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。例えば、吸収分離剤と
して用いることができるものは、リチウムジルコネート
には限定されず、温度によって二酸化炭素を可逆的に吸
収・放出する、あらゆる材料を同様に用いて同様の効果
を得ることができる。また、それぞれの材料に合わせて
温度を調節し、または、処理すべき排ガスの温度に合わ
せて吸収分離剤の材料を適宜選択できることはいうまで
もない。
テムも一例に過ぎず、当業者が選択できる各種のガス流
経路、加熱手段、熱回収手段を適宜選択して用いること
が可能である。例えば、第2のガス流経路は循環されな
い場合もあり、この場合には第2のガス流の加熱手段と
して前述の循環方式と同様の蓄熱式バーナや間接式の加
熱炉も用いることができる。
ボイラからの排ガスのみに限定されず、ごみ焼却炉など
の各種の焼却炉や、その他、二酸化炭素を発生する化学
プラントなど二酸化炭素を排出するあらゆる用途におい
て同様に用いて同様の効果を奏することができる。
れ、以下に説明する効果を奏する。
温部と低温部とを設け、単にロータを回転させることに
よって排ガス中の二酸化炭素を吸収・分離することがで
きる。従って、システムを極めて簡略化でき、再生コス
トが大幅に低減し、メンテナンスが容易で信頼性の高い
吸収分離システムを実現することができる。さらに、同
様の効果は、定置型の二酸化炭素分離装置においても得
ることができる。
て、リチウムジルコネートなどのアルカリ金属酸化物ま
たはアルカリ土類金属の酸化物を用いることにより化学
的及び機械的に安定であり、二酸化炭素の吸収放出を可
逆的に安定して生じさせることが可能となる。
孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前
記ガス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の
形成品の少なくともいずれかの形態を有する「形成品」
とし、または、粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状
及び線構造体状並びに前記ガス流れ方向に貫通孔を有す
る塊状及び面構造体状の少なくともいずれかの成形品に
担持された「担持品」とすると、排ガスとの接触面積が
大きく、吸収速度を大きくすることができる点でも有利
である。具体的には、従来の吸収液の10倍以上の二酸
化炭素を吸収分離することが可能となり、従来よりもは
るかにコンパクトな体積で高い効率の回収システムを実
現することができる。
システムは、従来よりもはるかに簡素な構成で、極めて
高い効率の二酸化炭素の回収を実現することができる。
つまり、本発明によれば、加熱冷却によるエネルギの授
受のみにより二酸化炭素の吸収と放出を行うことがで
き、熱回収システムを併用することによってエネルギ損
失を最小限に抑えた経済的なシステムを構築することが
できる。
期投資コストも維持メンテナンスコストも低く、且つ高
効率に二酸化炭素を回収でき、各種の産業活動を減速さ
せることなく地球の温暖化を効果的に抑制することがで
きるようになり、産業上のメリットは極めて多大であ
る。
置を表す斜視概念図である。本
デルを表すグラフ図である。
炭素分離装置の動作を表す概念図である。
方向におけるガスの内部温度分布の一例を表すグラフ図
である。
部構成を表す概念図である。
いた排ガス浄化システムの構成を例示する概念図であ
る。
Claims (13)
- 【請求項1】回転可能とされたロータと、 前記ロータに保持され、所定の温度よりも低い温度にお
いては二酸化炭素を吸収し、前記所定の温度よりも高い
温度においては吸収した二酸化炭素を放出する、吸収分
離剤と、 前記ロータの前記回転の中心軸に対して略平行方向に第
1のガスを前記ロータ中を流す第1のガス流経路と、 前記ロータの前記回転の中心軸に対して略平行方向に第
2のガスを前記ロータ中を流す第2のガス流経路と、 前記第1のガスと前記第2のガスとが混合しないように
遮蔽するシール機構と、 を備え、 前記第1のガス流経路における温度を前記所定の温度よ
りも低くし、前記第2のガス流経路における温度を前記
所定の温度よりも高くしつつ、前記ロータを回転させる
ことによって、前記第1のガスに含有される二酸化炭素
を前記吸収分離剤に吸収させ、前記吸収分離剤に吸収さ
れた二酸化炭素を前記第2のガス中に放出させることを
特徴とする再生式二酸化炭素分離装置。 - 【請求項2】前記ロータに装着可能とされ前記ガスの流
れ方向に開口を有する複数のバスケットをさらに備え、 前記吸収分離剤は、前記複数のバスケットのそれぞれに
装填されることを特徴とする請求項1記載の再生式二酸
化炭素分離装置。 - 【請求項3】複数の反応室と、 前記複数の反応室のそれぞれに保持され、所定の温度よ
りも低い温度においては二酸化炭素を吸収し、前記所定
の温度よりも高い温度においては吸収した二酸化炭素を
放出する、吸収分離剤と、 第1のガス及び第2のガスのいずれかを前記複数の反応
室のそれぞれに選択的に供給するための切替手段と、 を備え、 反応室を前記所定の温度よりも低温に保持しつつ前記第
1のガスを供給することによって第1のガス流経路を形
成し前記第1のガスに含有される二酸化炭素を前記吸収
分離剤に吸収させる吸収サイクルと、 反応室を前記所定の温度よりも高温に保持しつつ前記第
2のガス流を供給することによって第2のガス流経路を
形成し前記吸収分離剤に吸収された二酸化炭素を前記第
2のガス中に放出させる再生サイクルと、 を前記複数の反応室の間で略連鎖的に実施可能としたこ
とを特徴とする再生式二酸化炭素分離装置。 - 【請求項4】前記反応室は、前記吸収分離剤を前記所定
の温度よりも高温に加熱するための加熱手段を有するこ
とを特徴とする請求項3記載の再生式二酸化炭素分離装
置。 - 【請求項5】前記吸収分離剤は、リチウムジルコネー
ト、アルカリ金属の酸化物及びアルカリ土類金属の酸化
物の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項
1〜4のいずれか1つに記載の再生式二酸化炭素分離装
置。 - 【請求項6】前記吸収分離剤は、粒状、多孔質状、塊
状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガス流れ
方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の形成品の少
なくともいずれかの形態を有することを特徴とする請求
項1〜5のいずれか1つに記載の再生式二酸化炭素分離
装置。 - 【請求項7】前記吸収分離剤は、粒状、多孔質状、塊
状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガス流れ
方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の少なくとも
いずれかの成形品に担持されたことを特徴とする請求項
1〜6のいずれか1つに記載の再生式二酸化炭素分離装
置。 - 【請求項8】前記所定の温度が互いに異なる複数の吸収
分離剤を備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれ
か1つに記載の再生式二酸化炭素分離装置。 - 【請求項9】請求項1〜8のいずれか1つに記載の再生
式二酸化炭素分離装置と、 前記再生式二酸化炭素分離装置の前記第2のガス流経路
における温度を前記所定の温度よりも高くするための加
熱手段と、 前記第1のガス流経路から排出されたガスを冷却する熱
回収手段と、 前記第2のガス流経路から排出された二酸化炭素を含有
するガスから前記第1のガス流経路に供給される前記第
1のガスに対して熱エネルギを移送する熱交換手段と、 を備えたことを特徴とする二酸化炭素分離システム。 - 【請求項10】前記第2のガス流経路から排出された前
記二酸化炭素を含有するガスの少なくとも一部を前記第
2のガス流経路に再供給する循環手段をさらに備え、 前記加熱手段は、燃料を燃焼させて、前記循環手段によ
り循環される前記二酸化炭素を含有するガスを加熱す
る、蓄熱式バーナまたは間接式加熱炉であることを特徴
とする請求項9記載の二酸化炭素分離システム。 - 【請求項11】前記熱回収手段は、 前記第1のガス流経路から排出された前記ガスにより蒸
気を発生させるボイラを有することを特徴とする請求項
9または10に記載の二酸化炭素分離システム。 - 【請求項12】前記熱回収手段は、 前記第1のガス流経路から排出された前記ガスにより蒸
気を発生させるボイラと、 前記ボイラにおいて発生された前記蒸気により駆動され
るスチームタービンと、 前記スチームタービンにより駆動される発電機と、 を有することを特徴とする請求項9または10に記載の
二酸化炭素分離システム。 - 【請求項13】前記熱交換手段は、プレート式、チュー
ブラ式または回転型再生式熱交換器のいずれかであるこ
とを特徴とする請求項9〜12のいずれか1つに記載の
二酸化炭素分離システム。
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