JP2005052762A - Method and system for treating gas - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a system for treating gas, by which carbon dioxide is removed and hydrogen is produced efficiently and stably at a low cost. <P>SOLUTION: The system for treating the gas is provided with a gas treatment apparatus 1 which is provided with an electrolyte 10 through which sodium ions are permeated, an anode 11 which is arranged in the electrolyte 10 and to which an aqueous solution of a sodium compound is supplied, and a cathode 12 which is arranged in the electrolyte 10 and to which the gas to be treated where water or a sodium hydroxide aqueous solution is mixed, is supplied, and separates/removes the carbon dioxide in the gas as a carbonate and produces hydrogen gas on the cathode 12 side by applying DC voltage between the cathode 12 and the anode 11, and the system is provided with a means 14 for injecting water into a supplying line of the gas to be treated in the apparatus 1 by means of carrier gas, solubilizing the carbonate produced on the cathode 12, and discharging the solubilized carbonate to the outside of this system. When the gas to be treated is supplied to the apparatus 1, the sodium hydroxide aqueous solution can be injected together with water. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ガス処理方法とそのシステム、特に、ガス中の二酸化炭素の除去すると共に水素ガスを生成するものに関する。   The present invention relates to a gas processing method and system, and more particularly, to a method for removing carbon dioxide in a gas and generating hydrogen gas.

1997年12月、京都市で、2000年以降における地球温暖化防止のための新たな国際的枠組みを決定する気候変動枠条約第3回締約国会議(地球温暖化防止会議、COP3)が開催された。京都会議では、先進国全体の温室効果ガスを2008〜2012年において1990年比5%強削減する数値目標などを含む「京都議定書」が採択され、この中で我が国についての数値目標は1990年比6%削減とされている。   In December 1997, Kyoto City hosted the Third Conference of the Parties to the Climate Change Framework Convention (Global Warming Prevention Council, COP3) to determine a new international framework for the prevention of global warming since 2000 It was. At the Kyoto Conference, the “Kyoto Protocol” was adopted, including numerical targets for reducing greenhouse gases in developed countries as a whole by more than 5% from 1990 to 2008. Among them, the numerical targets for Japan are The reduction is 6%.

温室効果ガスの人為的排出の多くを占めるのが、エネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素(CO2)である。我が国は、石油危機以降積極的な省エネルギー努力を行った結果、産業部門のエネルギー利用効率は世界最高水準にあり、GDP当りの一次エネルギー消費も米国の約3分の1、ドイツの約2分の1と他の先進国と比較して低い水準にある。 Carbon dioxide (CO 2 ) generated by the combustion of energy accounts for most of the anthropogenic emissions of greenhouse gases. As a result of Japan's active energy conservation efforts since the oil crisis, the energy efficiency of the industrial sector is at the highest level in the world, and the primary energy consumption per GDP is about one-third that of the United States and about two-minutes that of Germany. It is at a low level compared with 1 and other developed countries.

しかし、近年の運輸、民生部門を中心としたエネルギー消費の著しい伸びに伴い、エネルギー起因の二酸化炭素排出量は1995年度には1990年比8%強の大幅な増加となっている。このことから、京都議定書の目標の達成に向けては、直ちに最大限の対策に着手していく必要がある。   However, with the remarkable growth in energy consumption, especially in the transportation and consumer sectors in recent years, the amount of carbon dioxide emissions resulting from energy has increased significantly by more than 8% in 1995 compared to 1990. For this reason, it is necessary to immediately undertake the maximum possible measures to achieve the Kyoto Protocol goals.

京都議定書において、温室効果ガスは二酸化炭素(CO2)、メタンガス(CH4)、亜酸化窒素(N2O)、ハイドロフルオロカーボン(HFC)、パーフルオロカーボン(PFC)、六フッ化硫黄(SF6)の6種類とされているが、我が国における温室効果ガスの排出量は1995年度において1990年度比8.6%増加している。このうち、全体の9割近くを占めるとともに、経済社会活動全体と密接な関わりを持つのがエネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素である。尚、各種排ガスにおけるCO2の占める割合は、ディーゼルエンジンの排ガスにおいては約10%、ボイラーの排ガスにおいては約13%、下水処理場、食品工場から排出された汚泥消化ガスにおいては約40%であることが知られている。 Under the Kyoto Protocol, greenhouse gases are carbon dioxide (CO 2 ), methane gas (CH 4 ), nitrous oxide (N 2 O), hydrofluorocarbon (HFC), perfluorocarbon (PFC), sulfur hexafluoride (SF 6 ) However, greenhouse gas emissions in Japan increased by 8.6% in 1995 compared to 1990 levels. Of these, carbon dioxide, which accounts for nearly 90% of the total, and is closely related to the overall economic and social activities, is generated by the combustion of energy. The proportion of CO 2 in various exhaust gases is about 10% for diesel engine exhaust, about 13% for boiler exhaust, and about 40% for sludge digestion gas discharged from sewage treatment plants and food factories. It is known that there is.

現在、多くの分野で二酸化炭素を分解・回収するための方法及び装置等の開発が進められている。特に、室温付近においてはゼオライト触媒などを用いて吸着・脱着する圧力スイング法(非特許文献1)、高分子膜を用いた膜分離法(特許文献1)、水及びアルカリ水溶液などへ溶解する方法(非特許文献2)などが開発され、これらが主流となっている。   Currently, development of methods and apparatuses for decomposing and recovering carbon dioxide is underway in many fields. In particular, a pressure swing method in which adsorption / desorption is performed using a zeolite catalyst or the like near room temperature (Non-patent Document 1), a membrane separation method using a polymer membrane (Patent Document 1), a method of dissolving in water, an alkaline aqueous solution, or the like. (Non-Patent Document 2) and the like have been developed, and these have become mainstream.

前記圧力スイング法は、ゼオライトなどの二酸化炭素吸着性物質を充填し、二酸化炭素を吸着させている。そして、吸着が飽和した後は、低圧若しくは高温状態に保持し、吸着した二酸化炭素を放出している。   In the pressure swing method, carbon dioxide adsorbing substance such as zeolite is filled and carbon dioxide is adsorbed. And after adsorption | saturation is saturated, it hold | maintains to a low pressure or high temperature state, and discharge | releases the adsorbed carbon dioxide.

前記膜分離法は、二酸化炭素選択透過性の膜(ポリ([1−トリメチルシリル])プロピレン、ポリジメチルシロキサン等)の一方に加圧ガスを導入し、二酸化炭素を選択的に透過させ、二酸化炭素濃度を高める方法である。   In the membrane separation method, a pressurized gas is introduced into one of carbon dioxide selectively permeable membranes (poly ([1-trimethylsilyl]) propylene, polydimethylsiloxane, etc.) to selectively permeate carbon dioxide. This is a method for increasing the concentration.

前記溶解方法は、大きく二つの方法がある。第一の方法は、水酸化ナトリウム水溶液に二酸化炭素を吸収させて炭酸塩(Na2CO3)となる現象を用いたものである。 There are two main dissolution methods. The first method uses a phenomenon in which carbon dioxide is absorbed into an aqueous sodium hydroxide solution to form carbonate (Na 2 CO 3 ).

2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2
また、第二の方法は、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)の熱分解・吸収法を利用している。
2NaOH + CO 2 → Na 2 CO 3 + H 2 O
The second method uses a thermal decomposition / absorption method of sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ).

2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O (65℃以上)
Na2CO3 + CO2 + H2O → 2NaHCO3 (室温〜50℃)
また、自動車業界においては、地球温暖化対策の一つとして近年になって燃料電池自動車の開発が進められ、その燃料として利用される水素ガスの需要が高まりつつある。水素ガスの工業的な製造方法として、主に以下の方法が知られている(非特許文献2)。
2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O (above 65 ° C.)
Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O → 2NaHCO 3 (room temperature to 50 ° C.)
In the automobile industry, development of fuel cell vehicles has been promoted in recent years as one of the measures against global warming, and the demand for hydrogen gas used as the fuel is increasing. The following methods are mainly known as industrial methods for producing hydrogen gas (Non-patent Document 2).

1)水電解法 15〜20%苛性ソーダ溶液を、ニッケルメッキ電極を用いて、電解し、純水素とともに副生酸素をも得る方法である。   1) Water electrolysis method In this method, 15 to 20% caustic soda solution is electrolyzed using a nickel plating electrode to obtain by-product oxygen along with pure hydrogen.

2)コークスのガス化 コークスを原料として水性ガスを製造する方法である。通常、赤熱コークスに空気を送入して燃焼させ、炉温を上げるブローと水蒸気を送入してガスを発生させるランを短い周期で間欠式水素発生炉が古くから知られているが、その後に、酸素と水蒸気の混合気を送入する連続式水性ガス発生炉が登場した。ここで、水性ガスは除塵、水洗浄、脱硫などの、精製工程を経て、ガス中の一酸化炭素を、水性ガス転化反応を利用して、水素に転化させ、同時に生成する二酸化炭素を吸着除去し微量の一酸化炭素を除いて、不純物のない水素としている。   2) Gasification of coke This is a method for producing water gas using coke as a raw material. Normally, intermittent hydrogen generation furnaces have been known for a long period of time in which air is blown into red-hot coke and burned, and blows that raise the furnace temperature and steam that feeds steam to generate gas have been known for a long time. In addition, a continuous water gas generation furnace that introduces a mixture of oxygen and water vapor has appeared. Here, the water gas undergoes purification steps such as dust removal, water washing, and desulfurization, and carbon monoxide in the gas is converted to hydrogen using a water gas conversion reaction, and carbon dioxide produced at the same time is removed by adsorption. Except for a small amount of carbon monoxide, it is hydrogen without impurities.

3)石炭の完全ガス化 微細炭または微粉炭に酸素と水蒸気を送入してガス化する方法で、その主反応は炭化水素と酸素及び水蒸気の反応で、これにより水素、一酸化炭素、あるいはメタンを主成分とするガスを製造させている。ウインクラーガス発生炉、コッパース−トチェックガス発生炉、オットー−ルンメルガス発生炉など最近発展した方法はほとんどが、これに属する。生成ガスの性状や精製方法、変成方法は、ほとんど2)の方法と同じである。   3) Full gasification of coal This is a method of gasification by sending oxygen and water vapor into fine coal or pulverized coal, and the main reaction is a reaction of hydrocarbon, oxygen and water vapor, so that hydrogen, carbon monoxide, or A gas mainly composed of methane is produced. Most recently developed methods such as winker gas generator, copper soot gas generator, and Otto-Rummel gas generator belong to this. The properties of the product gas, the purification method, and the modification method are almost the same as the method 2).

4)石油類のガス化、天然ガス、コークス炉ガス、石油精製廃ガスなどの変成 原料が液体燃料のときはガス化といい、ガス体燃料のときは変成というが、これらは、反応の本質が炭化水素と酸素または水蒸気の反応により同一性状のガスを得る点で、同一である。また、前述の石炭の完全ガス化は固体炭化水素である石炭を原料とし、同一反応といえる。コッパース−トチェックガス発生炉、ファウザー−モンテカチニガス発生炉など、常圧のガス発生炉に対し、最近はテキサコガス発生炉、シェルガス発生炉など加圧ガス発生炉の進展が著しい。ガス体炭化水素の変成には触媒使用の接触分解法も広く行われている。   4) Gasification of petroleum, natural gas, coke oven gas, petroleum refining waste gas, etc. Gasification is used when the raw material is liquid fuel, and it is called metamorphism when it is a gaseous fuel. Are the same in that a gas having the same property is obtained by the reaction of hydrocarbon and oxygen or water vapor. Moreover, the above-mentioned complete gasification of coal can be said to be the same reaction using coal, which is a solid hydrocarbon, as a raw material. In contrast to normal pressure gas generators such as copper soot check gas generators and fauser-Montecatini gas generators, the development of pressurized gas generators such as texaco gas generators and shell gas generators has been remarkable recently. Catalytic catalytic cracking methods are widely used to transform gaseous hydrocarbons.

5)コークスガスよりの分離 コークスガス発生炉からのガスを圧縮冷却して、水素以外のガスの全て液化除去し、水素を分離する方法である。炉ガスから常法によりイオウ化合物を除去し、約12気圧に圧縮して水及び苛性ソーダ溶液で洗浄し、二酸化炭素を除去、−40℃で水、−60℃でメタンその他の炭化水素、一酸化炭素を凝縮除去し、水素を分離している。   5) Separation from coke gas This is a method in which gas from a coke gas generator is compressed and cooled to liquefy and remove all gas other than hydrogen to separate hydrogen. Remove sulfur compounds from the furnace gas in a conventional manner, compress to about 12 atmospheres, wash with water and caustic soda solution, remove carbon dioxide, water at -40 ° C, methane and other hydrocarbons at -60 ° C, monoxide Carbon is condensed and removed, and hydrogen is separated.

6)鉄と水蒸気との反応 この手段はメーサシュミット法と呼ばれる。すなわち、リョウテツ鉱(FeCO3)を焼いてFe34とし、さらにこれを水性ガス(CO+H2)などで還元してFeOとし、これにH2Oを反応させることで、FeOが酸化され、これに伴い、純水素が得られる。
長倉三郎他編「理化学辞典」、岩波書店 特許第2521884号公報(第2〜4頁) 化学大辞典編集委員会編「化学大辞典」、共立出版
6) Reaction between iron and water vapor This method is called the Methaschmitt method. That is, rye oresite (FeCO 3 ) is baked to Fe 3 O 4 , further reduced with water gas (CO + H 2 ) or the like to FeO, and by reacting this with H 2 O, FeO is oxidized, Along with this, pure hydrogen is obtained.
Saburo Nagakura et al. “Science and chemistry dictionary”, Iwanami Shoten Japanese Patent No. 2521884 (pages 2 to 4) "Chemical Dictionary" edited by the Editorial Committee of the Chemical Dictionary, Kyoritsu Publishing

圧力スイング法は、二酸化炭素以外に水成分も吸着されるため、前段に脱水装置を設ける必要がある。また、連続処理が不可能であり、処理塔を最低2つ必要、加温設備、真空装置設備などの付加設備が必要で大規模な設備となる。   In the pressure swing method, water components are adsorbed in addition to carbon dioxide, so a dehydrator must be provided in the previous stage. Further, continuous processing is impossible, and at least two processing towers are required, and additional equipment such as heating equipment and vacuum equipment equipment is required, resulting in a large-scale equipment.

高分子膜を用いた膜分離法は、膜自身に受けるガス圧力・二酸化炭素透過性を最適化するのが難しく高価となる。さらに、一般に、二酸化炭素の他に窒素、酸素などの気体も透過するため、完全な分離は困難となる。さらに、ガス加圧装置などの付加設備も大型となる。   The membrane separation method using a polymer membrane is difficult and expensive to optimize the gas pressure and carbon dioxide permeability received by the membrane itself. Furthermore, in general, gases such as nitrogen and oxygen permeate in addition to carbon dioxide, so that complete separation becomes difficult. In addition, additional equipment such as a gas pressurizer is also large.

第一の溶解方法は、非常に簡単な方法であるが、生成した炭酸塩(Na2CO3)の後処理が困難であり(塩酸による中和)、これまでは加熱・乾燥後廃棄処分されているのが現状である。また、第二の溶解方法では、炭酸水素ナトリウムの二酸化炭素に対する吸収量及び吸収速度が水酸化ナトリウム水溶液に対して非常に遅いため非効率となる。 The first dissolution method is a very simple method, but the post-treatment of the produced carbonate (Na 2 CO 3 ) is difficult (neutralization with hydrochloric acid), so far it has been disposed of after heating and drying. This is the current situation. Moreover, in the 2nd melt | dissolution method, since the absorption amount and absorption rate with respect to a carbon dioxide of sodium hydrogencarbonate are very slow with respect to sodium hydroxide aqueous solution, it becomes inefficient.

一方、水素ガス製造方法においては、1)の方法は水を原料とするところに長所があるが、以下の短所がある。すなわち、純水を必要とする、多数の電解槽を必要とする、電流の過不足に対する適応性が十分でない、電解液の炭酸化による老化、床面積、イニシャルコストなどに多くの問題があり、経済的に不利となる。そこで、近年においては、重油や天然ガスなどの廃ガスを水素源として利用するようになったので、2〜5)の方法が主流となっているのが現状である。   On the other hand, in the method for producing hydrogen gas, the method 1) has advantages in using water as a raw material, but has the following disadvantages. In other words, it requires pure water, requires a large number of electrolytic cells, is not sufficiently adaptable to excess or shortage of current, has many problems in aging due to carbonation of the electrolyte, floor area, initial cost, Economic disadvantage. Therefore, in recent years, waste gas such as heavy oil and natural gas has been used as a hydrogen source, and therefore, the method 2-5) has become the mainstream.

しかしながら、2〜6)の方法においては、設備が大掛かりとなり、イニシャルコスト及びランニングコストが増大する原因となる。さらに、水素ガス製造過程においては、一酸化炭素や二酸化炭素等の炭酸ガスを副生成させてしまい、これを除去する工程を具備せざるを得なく、水素ガスの生成効率が上がらない。   However, in the methods 2 to 6), the facility becomes large, which causes an increase in initial cost and running cost. Further, in the hydrogen gas production process, carbon dioxide such as carbon monoxide and carbon dioxide is by-produced, and a process for removing this must be provided, and the production efficiency of hydrogen gas is not increased.

このように、従来の二酸化炭素除去技術及び水素製造技術は、大掛かりな装置が必要であること、またイニシャルコスト及びランニングコストが高く、さらに二酸化炭素除去率及び水素生成効率が低いという問題がある。特に、温室効果ガスの大部分を占める二酸化炭素の排出源のほとんどは、下水処理場や工場であることからも、これら施設のランニングコストも考慮した二酸化炭素の除去と水素生成の方法の構築が必要となる。   As described above, the conventional carbon dioxide removal technology and hydrogen production technology have problems that a large-scale apparatus is required, initial cost and running cost are high, and carbon dioxide removal rate and hydrogen generation efficiency are low. In particular, since most of the sources of carbon dioxide, which account for the majority of greenhouse gases, are sewage treatment plants and factories, it is necessary to establish a method for carbon dioxide removal and hydrogen generation that takes into account the running costs of these facilities. Necessary.

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その目的は、より低廉かつ効率的さらに安定した二酸化炭素の除去と水素の生成を行なうガス処理方法とそのシステムの提供にある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a gas processing method and system for performing carbon dioxide removal and hydrogen generation more inexpensively and efficiently and more stably.

前記課題を解決するために、本発明のガス処理方法は、ナトリウムイオンを透過する電解質にアノードとカソードとを設け、前記アノードにナトリウム化合物の水溶液を接触すると共に前記カソードに被処理ガスを供し、この両極間に直流電圧を印加することにより、カソード側において前記ガス中の二酸化炭素成分を炭酸塩の形態で分離除去すると共に水成分を水素ガスに変換する工程と、
前記被処理ガスの供給ラインにキャリアガスによって水若しくは水酸化ナトリウム水溶液を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する工程とを有することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the gas treatment method of the present invention is provided with an anode and a cathode in an electrolyte that transmits sodium ions, an aqueous solution of a sodium compound is brought into contact with the anode, and a gas to be treated is provided to the cathode. A step of separating and removing the carbon dioxide component in the gas in the form of carbonate on the cathode side by applying a DC voltage between the two electrodes, and converting the water component into hydrogen gas;
And a step of injecting water or an aqueous sodium hydroxide solution into the supply line of the gas to be treated with a carrier gas to make the carbonate produced on the cathode into a solution and to discharge it out of the system.

また、本発明のガス処理システムは、ナトリウムイオンを透過する電解質と、前記電解質に設けられナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、前記電解質に設けられ被処理ガスが供されるカソードとを備え、この両極間に直流電圧を印加してカソード側においてガス中の二酸化炭素を炭酸塩の形態で分離除去するすると共に水素ガスを生成するガス処理装置と、
前記ガス処理装置の被処理ガス供給ラインにキャリアガスによって水若しくは水酸化ナトリウム水溶液を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する手段とを備えたことを特徴とする。
The gas treatment system of the present invention includes an electrolyte that permeates sodium ions, an anode that is provided in the electrolyte and is provided with an aqueous solution of a sodium compound, and a cathode that is provided in the electrolyte and is provided with a gas to be treated. A gas treatment device that applies a DC voltage between the two electrodes to separate and remove carbon dioxide in the gas in the form of a carbonate on the cathode side and generate hydrogen gas;
And a means for injecting water or an aqueous sodium hydroxide solution into the gas supply line of the gas processing apparatus by a carrier gas to make the carbonate produced on the cathode into a solution and to discharge it from the system. To do.

本発明のガス処理方法及びガス処理システムによれば、被処理ガス供給ラインに水をキャリアガスによって注入することで、カソードで吸蔵させた炭酸塩を水溶液化させると共にキャリアガス流よって生成した炭酸塩水溶液を強制排除している。これより吸蔵された炭酸塩は容易に系外除去されると共に、カソード上に被処理ガスとの反応面が新たに確保される。したがって、効率的且つ連続的な二酸化炭素の除去と水素の生成が可能となる。また、被処理ガスに水を注入することで、常温のもとで二酸化炭素の除去と水素の生成を行なえるので、エネルギーコストを抑えることができると共に、耐熱温度が低い電解質膜を用いることができる。したがって、本発明で用いる電解質膜は、耐熱温度を考慮する必要がなく、ナトリウムイオンを泳動させるものであればよい。そして、汚泥消化ガスやバイオガスを被処理ガスとすれば、これらのガスをメタンや水素に富んだ高エネルギーガスに変換できる。尚、キャリアガスとしては空気または窒素ガスがある。また、バイオガスとは人間及びこれ以外の動物の活動によって生成したガスを意味する。   According to the gas processing method and the gas processing system of the present invention, the carbonate formed by injecting water into the gas supply line to be processed with the carrier gas to make the carbonate occluded at the cathode into an aqueous solution and the carrier gas flow. The aqueous solution is forcibly excluded. Thus, the occluded carbonate is easily removed from the system, and a new reaction surface with the gas to be treated is secured on the cathode. Therefore, efficient and continuous carbon dioxide removal and hydrogen generation are possible. In addition, by injecting water into the gas to be treated, carbon dioxide can be removed and hydrogen can be generated at room temperature, so that energy costs can be suppressed and an electrolyte membrane having a low heat-resistant temperature can be used. it can. Therefore, the electrolyte membrane used in the present invention does not need to consider the heat-resistant temperature and may be any one that allows sodium ions to migrate. And if sludge digestion gas and biogas are used as gas to be treated, these gases can be converted into high energy gas rich in methane and hydrogen. The carrier gas includes air or nitrogen gas. Biogas means gas generated by the activities of humans and other animals.

さらに、水の他に水酸化ナトリウム水溶液をキャリアガスによって注入してもよい。被処理ガス供給ラインに水酸化ナトリウム水溶液を注入することで、被処理ガス中の二酸化炭素がある程度吸収されるので、ガス処理装置のカソードで反応させる二酸化炭素の反応量を低減させることができ、消費電力をより一層抑えることができる。また、水酸化ナトリウム水溶液または二酸化炭素を吸収して生成した炭酸塩水溶液がガス処理装置内に導入されることで、ガス処理装置内の電解質膜とカソードとの界面の導電性を保つことができると共にカソード上のナトリウムイオンの濃度が高まり、ガス処理装置の動作特性(二酸化炭素除去能力及び水素生成能力)が安定さらには向上する。尚、被処理ガスをガス処理装置に供給する配管に被処理ガスと水酸化ナトリウムとを混合する混合配管を設けると、被処理ガスと水酸化ナトリウムとの接触時間が確保され、前記作用効果はより一層高まる。   In addition to water, an aqueous sodium hydroxide solution may be injected with a carrier gas. By injecting a sodium hydroxide aqueous solution into the gas supply line to be treated, carbon dioxide in the gas to be treated is absorbed to some extent, so that the amount of carbon dioxide reacted at the cathode of the gas treatment device can be reduced, Power consumption can be further reduced. Further, by introducing a sodium hydroxide aqueous solution or a carbonate aqueous solution generated by absorbing carbon dioxide into the gas processing apparatus, the conductivity of the interface between the electrolyte membrane and the cathode in the gas processing apparatus can be maintained. At the same time, the concentration of sodium ions on the cathode increases, and the operating characteristics (carbon dioxide removal ability and hydrogen production ability) of the gas treatment apparatus are stabilized and improved. If a pipe for supplying the gas to be processed to the gas processing apparatus is provided with a mixing pipe for mixing the gas to be processed and sodium hydroxide, the contact time between the gas to be processed and sodium hydroxide is secured, It will increase even more.

本発明のガス処理方法とそのシステムによれば、被処理ガスの供給ラインに水をキャリアガスによって注入することで、カソードで吸蔵させた炭酸塩を水溶液化させると共にキャリアガス流よって生成した炭酸塩水溶液を強制排除している。これより、吸蔵された炭酸塩は容易に系外除去されると共に、カソード上に被処理ガスとの反応面が新たに確保されるので、効率的且つ連続的な二酸化炭素の除去と水素の生成が行なえる。また、被処理ガスに水を注入することで、常温のもとで二酸化炭素の除去と水素の生成が可能なので、エネルギーコストを抑えることができると共に、本発明で用いる電解質の耐熱温度を考慮する必要がなく、装置システムのイニシャルコストを抑えることができる。そして、汚泥消化ガスやバイオガスを被処理ガスとすれば、これらのガスを効率的にメタンや水素に富んだ高エネルギーガスに変換できる。   According to the gas processing method and system of the present invention, carbonate is formed by injecting water into the supply line of the gas to be processed with the carrier gas to make the carbonate occluded at the cathode into an aqueous solution and by the carrier gas flow. The aqueous solution is forcibly excluded. As a result, the occluded carbonate is easily removed from the system, and a new reaction surface with the gas to be treated is secured on the cathode, so that efficient and continuous removal of carbon dioxide and generation of hydrogen are achieved. Can be done. In addition, by injecting water into the gas to be treated, carbon dioxide can be removed and hydrogen can be generated at room temperature, so that energy costs can be reduced and the heat resistant temperature of the electrolyte used in the present invention is taken into consideration. This is unnecessary, and the initial cost of the device system can be reduced. If sludge digestion gas or biogas is used as the gas to be treated, these gases can be efficiently converted into high energy gas rich in methane and hydrogen.

また、水の他に水酸化ナトリウム水溶液を注入することで、被処理ガス中の二酸化炭素がある程度吸収され、ガス処理装置のカソードで反応させる二酸化炭素の反応量を低減させることができるので、消費電力をより一層抑えることができる。さらに、水酸化ナトリウム水溶液または二酸化炭素を吸収して得た炭酸塩水溶液がガス処理装置内に導入されることで、ガス処理装置内の電解質膜とカソードとの界面の導電性を保つことができると共にカソード上のナトリウムイオンの濃度が高まり、ガス処理装置の動作特性(二酸化炭素除去能力及び水素生成能力)が安定さらには向上する。   In addition, by injecting an aqueous sodium hydroxide solution in addition to water, carbon dioxide in the gas to be treated is absorbed to some extent, and the amount of carbon dioxide reacted at the cathode of the gas treatment device can be reduced. Electric power can be further reduced. Further, by introducing a sodium hydroxide aqueous solution or a carbonate aqueous solution obtained by absorbing carbon dioxide into the gas treatment device, the conductivity of the interface between the electrolyte membrane and the cathode in the gas treatment device can be maintained. At the same time, the concentration of sodium ions on the cathode increases, and the operating characteristics (carbon dioxide removal ability and hydrogen production ability) of the gas treatment apparatus are stabilized and improved.

以上のように、本発明によれば、より低廉かつ効率的さらに安定した二酸化炭素の除去と水素の生成が行なえる。   As described above, according to the present invention, carbon dioxide can be removed and hydrogen can be generated more inexpensively and efficiently.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1は、本実施形態のガス処理システムの概略図である。当該ガス処理システムは、ガス処理装置1における被処理ガス供給系に水注入手段14を備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic view of a gas processing system of the present embodiment. The gas processing system includes a water injection unit 14 in a gas supply system to be processed in the gas processing apparatus 1.

図示されたガス処理装置1は、ナトリウム化合物水溶液(図1おいてはNa+源と呼称)が供給されるアノード11と被処理ガスが供給されるカソード12とを設けた電解質10と、この両極間に直流電圧を印加する電源13とを備えている。 The illustrated gas processing apparatus 1 includes an electrolyte 10 provided with an anode 11 to which a sodium compound aqueous solution (referred to as Na + source in FIG. 1) is supplied and a cathode 12 to which a gas to be processed is supplied. And a power source 13 for applying a DC voltage therebetween.

電解質10は、ナトリウムイオン交換機能を有するポリマー製電解質膜である。例えばフッ素樹脂または塩化ビニル樹脂を基材とするものが挙げられる。さらには、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物を母体とするスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、またはフェノールスルホン酸樹脂等を含ませて形成したものが例示される。また、その他の電解質としては、β−アルミナ(Na2O・11Al2O3)、NASICON(Na1+XZr2P3-XSiXO12,Xは実数,0<X<3)等が例示される。 The electrolyte 10 is a polymer electrolyte membrane having a sodium ion exchange function. Examples thereof include those based on fluororesin or vinyl chloride resin. Furthermore, it is formed by including a sulfonic acid resin, a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a polytrifluorostyrene sulfonic acid resin, a polystyrene sulfonic acid resin, a phenol sulfonic acid resin, or the like based on a copolymer of styrene and divinylbenzene. Are illustrated. Other electrolytes include β-alumina (Na 2 O · 11Al 2 O 3 ), NASICON (Na 1 + X Zr 2 P 3-X Si X O 12 , X is a real number, 0 <X <3), etc. Is exemplified.

ナトリウム化合物水溶液には、水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液、炭酸ナトリウム(Na2CO3)水溶液または炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)水溶液等が採用される。 As the sodium compound aqueous solution, a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution, a sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution, a sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) aqueous solution, or the like is employed.

アノード11とカソード12としては、Pt、Au、Cr、Cu及びNi、若しくはこれらの酸化物等が例示され、多孔質性の電極が用いられる。当該電極は、電解質10において、スクリーン印刷、はけ塗り、蒸着、溶射、ディップコーティング等によって形成する他、金属繊維(多孔体)を圧接することによって形成することもできる。   Examples of the anode 11 and the cathode 12 include Pt, Au, Cr, Cu, Ni, and oxides thereof, and porous electrodes are used. The electrode can be formed in the electrolyte 10 by screen printing, brushing, vapor deposition, thermal spraying, dip coating, or the like, or by pressing a metal fiber (porous body).

電源13は、直流電圧を印加する機能を有するものが採用され、既知のものでよい。電圧を印加するための電源は、一般の定電位電源(ポテンションスタット等)を用いることができるが、電流密度が可変であるものを用いるとよい。尚、電流密度を調節する一つの手段として、印加電圧の調整がある。   As the power source 13, a power source having a function of applying a DC voltage is adopted, and a known one may be used. As a power source for applying the voltage, a general constant potential power source (potentiostat or the like) can be used, but a power source having a variable current density is preferably used. One means for adjusting the current density is adjustment of the applied voltage.

ここで、図3及び図4にガス処理装置1の実施形態例を示した。   Here, FIGS. 3 and 4 show an embodiment of the gas processing apparatus 1.

図3(a)に示したガス処理装置は、アノード11とカソード12を備えた電解質50を、アノード側枠体51とカソード側枠体52とで挟み込んで構成されるセル50となっている。このとき、アノード側枠体51には、ナトリウム化合物水溶液(図においてはNa+源と呼称)を一時的に滞留させる流路が設けられ、この水溶液を供給するための供給管511と、この水溶液を排出するための排出管512と、が接続される。同様に、カソード側枠体52には、被処理ガスを一時的に滞留させる流路が設けられ、被処理ガスを供給するための供給管521と、処理ガスを排出するための排出管522とが接続される。また、アノード側枠体51及びカソード側枠体52の流路において、迂流板523が設けられている。図3(a)に開示されたカソード側枠体においては、迂流板523は一枚設置されているが、これに限定されず、図3(b)に示した枠体51,52のように、複数備えてもよい。このような構成とすれば、導入被処理ガス及びこれに含まれる水またはナトリウム化合物水溶液を電解質10のアノード面及びカソード面に対し均一に供給することができるので、二酸化炭素の除去効率及び水素の生成効率が高まる。 The gas processing apparatus shown in FIG. 3A is a cell 50 configured by sandwiching an electrolyte 50 including an anode 11 and a cathode 12 between an anode side frame 51 and a cathode side frame 52. At this time, the anode side frame 51 is provided with a flow path for temporarily retaining a sodium compound aqueous solution (referred to as Na + source in the figure), a supply pipe 511 for supplying this aqueous solution, and this aqueous solution. And a discharge pipe 512 for discharging the gas. Similarly, the cathode side frame body 52 is provided with a flow path for temporarily retaining the gas to be processed, a supply pipe 521 for supplying the gas to be processed, and a discharge pipe 522 for discharging the processing gas. Is connected. A bypass plate 523 is provided in the flow path of the anode side frame 51 and the cathode side frame 52. In the cathode side frame body disclosed in FIG. 3A, a single bypass plate 523 is provided, but the present invention is not limited to this, and the frame bodies 51 and 52 shown in FIG. A plurality of them may be provided. With such a configuration, the introduced gas to be treated and the water or sodium compound aqueous solution contained therein can be uniformly supplied to the anode surface and the cathode surface of the electrolyte 10, so that the carbon dioxide removal efficiency and the hydrogen concentration can be reduced. Production efficiency increases.

また、セル構造を成したガス処理装置は、図3(c)に示したように、被処理ガスの負荷量等に応じて複数設置される。当該実施形態に係るガス処理装置は、セル50が3枚設置された構成となっている。このとき、装置の側面には、マニホールド53,54,55,56が設置される。マニホールド53には、被処理ガスを供給するための供給管121が接続されている。マニホールド54には、処理ガスを排出するための排出管122が接続されている。マニホールド55には、ナトリウム化合物水溶液を供給するための供給管111が接続されている。マニホールド56には、ナトリウム化合物水溶液を排出するための排出管121が接続されている。   Further, as shown in FIG. 3C, a plurality of gas processing apparatuses having a cell structure are installed according to the load amount of the gas to be processed. The gas processing apparatus according to this embodiment has a configuration in which three cells 50 are installed. At this time, manifolds 53, 54, 55, and 56 are installed on the side surfaces of the apparatus. A supply pipe 121 for supplying a gas to be processed is connected to the manifold 53. A discharge pipe 122 for discharging the processing gas is connected to the manifold 54. A supply pipe 111 for supplying a sodium compound aqueous solution is connected to the manifold 55. A discharge pipe 121 for discharging the sodium compound aqueous solution is connected to the manifold 56.

図4(a)は、二枚の電解質10を積層した場合の構成例である。積層枚数は被処理ガスの負荷量等によって定まる。図示されたように、2枚の電解質10が、セパレータ62を介して、積層され、上下からそれぞれプレート61,63が設けられている。このとき、プレート61には、ナトリウム化合物水溶液(図においてはNa+源)の流路が設けられている。セパレータ62の上面には、被処理ガスの流路が設けられ、また下面には、ナトリウム化合物水溶液の流路が設けられている。セパレータ53には、被処理ガスの流路が設けられている。そして、図4(c)に示されたように、被処理ガスの流入側には供給管121を設けたマニホールド64が、処理ガスの排出側には排出管122を設けたマニホールド65が設置される。また、ナトリウム化合物水溶液の流入側には、流入管111を設けたマニホールド66が、さらに排出側には、排出管112を設けたマニホールド67が設置される。尚、図4(b)に例示したセパレータ62における仕切板621のように、プレート61,63及びセパレータ62に設けられた流路には複数の仕切板を設けるとよい。このような構成とすることで、導入した被処理ガス及びこれに含まれる水または後述(実施形態2)のナトリウム化合物水溶液を電解質10のアノード面及びカソード面に対し均一に供給することができるので、二酸化炭素の除去効率及び水素の生成効率が高まる。 FIG. 4A shows a configuration example when two electrolytes 10 are laminated. The number of stacked layers is determined by the load amount of the gas to be processed. As shown in the drawing, two electrolytes 10 are laminated via a separator 62, and plates 61 and 63 are provided from above and below, respectively. At this time, the plate 61 is provided with a flow path of a sodium compound aqueous solution (Na + source in the figure). A flow path for the gas to be processed is provided on the upper surface of the separator 62, and a flow path for the sodium compound aqueous solution is provided on the lower surface. The separator 53 is provided with a flow path for the gas to be processed. 4C, a manifold 64 provided with a supply pipe 121 is provided on the inflow side of the gas to be processed, and a manifold 65 provided with a discharge pipe 122 is provided on the exhaust side of the process gas. The A manifold 66 provided with an inflow pipe 111 is installed on the inflow side of the sodium compound aqueous solution, and a manifold 67 provided with a discharge pipe 112 is installed on the discharge side. Note that, like the partition plate 621 in the separator 62 illustrated in FIG. 4B, a plurality of partition plates may be provided in the flow paths provided in the plates 61 and 63 and the separator 62. With such a configuration, the introduced gas to be treated and the water contained therein or the sodium compound aqueous solution described later (Embodiment 2) can be uniformly supplied to the anode surface and the cathode surface of the electrolyte 10. In addition, the carbon dioxide removal efficiency and the hydrogen generation efficiency are increased.

本実施形態では、ナトリウム化合物水溶液(Na+源)は、調整槽3からポンプP1によって導入している。余剰のナトリウム化合物水溶液は、排出管112を介して調整槽3に返送される。調整槽3は、アノード11に供給するためのナトリウム化合物水溶液を一時的に貯留するためのタンク30を備える。このとき、タンク30内液相のナトリウムイオン濃度は一定に調整される。そのために、タンク30は、ナトリウムイオン濃度を測定するためのイオン濃度測定手段31と、高濃度ナトリウムイオン源や水を供給するための配管32とを備え、さらに、配管32には、タンク30内液相のイオン濃度に基づき開閉動作するバルブ手段を設けている。イオン濃度測定手段としては、例えば、pH測定機能を備え、pH値に基づきナトリウムイオンの濃度を算出している。 In this embodiment, the sodium compound aqueous solution (Na + source) is introduced from the adjustment tank 3 by the pump P1. The surplus sodium compound aqueous solution is returned to the adjustment tank 3 through the discharge pipe 112. The adjustment tank 3 includes a tank 30 for temporarily storing a sodium compound aqueous solution to be supplied to the anode 11. At this time, the sodium ion concentration of the liquid phase in the tank 30 is adjusted to be constant. For this purpose, the tank 30 includes an ion concentration measuring means 31 for measuring the sodium ion concentration, and a pipe 32 for supplying a high-concentration sodium ion source and water. Valve means that opens and closes based on the liquid phase ion concentration is provided. As the ion concentration measurement means, for example, a pH measurement function is provided, and the concentration of sodium ions is calculated based on the pH value.

また、被処理ガスは配管100を介してガス処理装置1内に導入している。配管100には水注入手段14が具備されている。   Further, the gas to be processed is introduced into the gas processing apparatus 1 through the pipe 100. The pipe 100 is provided with water injection means 14.

図5は水注入手段の実施形態例を示した概略図である。水注入手段14はキャリアガスによって水を配管100内に水を注入する。また、ガス処理装置1内のカソード12に吸蔵された炭酸塩の量に応じて水を適宜連続的にまたは断続的に注入する。水注入手段14は、水を貯留させたタンク140と、タンク140内の液相中に導入されキャリアガスを供給する配管141と、キャリアガスと共にタンク140内の水を排出するための配管142とを備える。キャリアガスとしては空気や窒素ガスが例示される。前記空気は二酸化炭素成分を含んでいてもよい。水の流量は少なくとも被処理ガスの供給の妨げにならない程度及びカソード12において炭酸塩水溶液が生じる程度に設定するとよい。尚、水の逆流を防ぐために、配管142には逆止弁を設けたり、さらには配管100と配管142の接続位置を供給管121の据付位置よりも高く設定するとよい。   FIG. 5 is a schematic view showing an embodiment of the water injection means. The water injection means 14 injects water into the pipe 100 with a carrier gas. Further, water is appropriately continuously or intermittently injected according to the amount of carbonate occluded in the cathode 12 in the gas treatment apparatus 1. The water injection means 14 includes a tank 140 that stores water, a pipe 141 that is introduced into the liquid phase in the tank 140 and supplies a carrier gas, and a pipe 142 that discharges the water in the tank 140 together with the carrier gas. Is provided. Examples of the carrier gas include air and nitrogen gas. The air may contain a carbon dioxide component. The flow rate of water is preferably set to a level that does not hinder the supply of the gas to be processed and a level at which the aqueous carbonate solution is generated at the cathode 12. In order to prevent the backflow of water, the pipe 142 may be provided with a check valve, and the connection position between the pipe 100 and the pipe 142 may be set higher than the installation position of the supply pipe 121.

一方、処理ガスはカソード12で生成した炭酸塩水溶液と共に気液分離槽2に供され気液分離処理される。気液分離槽2は、炭酸塩の水溶液を滞留させている。   On the other hand, the processing gas is supplied to the gas-liquid separation tank 2 together with the carbonate aqueous solution generated at the cathode 12 and subjected to gas-liquid separation processing. The gas-liquid separation tank 2 retains an aqueous carbonate solution.

次に、図1を参照しながら、本実施形態のガス処理システムの動作例について説明する。ここでは、ナトリウムイオン源が水酸化ナトリウム水溶液(以下、NaOH水溶液)で、被処理ガスがCH4とCO2とを含んだガスである場合について述べる。 Next, an operation example of the gas processing system of the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, a case where the sodium ion source is a sodium hydroxide aqueous solution (hereinafter referred to as NaOH aqueous solution) and the gas to be treated is a gas containing CH 4 and CO 2 will be described.

当該ガス処理システムにおける二酸化炭素ガス除去及び水素生成は、アノード11とカソード12のと間に直流電圧を印加することによって行われる。すなわち、図1に示したように、アノード11側には供給管111からNaOH水溶液が供給され、アノード11はこのナトリウムイオン源によって浸漬された状態となる。また、カソード12側には供給管121から被処理ガスが供給される。被処理ガスは水注入手段14によって水分(H2O)を含んでいる。ここで、アノード11とカソード12の両極間に電源13から直流電圧を印加すると、先ずNaOHが接触したアノード11表面においては、以下の反応が起こる。 Carbon dioxide gas removal and hydrogen generation in the gas treatment system are performed by applying a DC voltage between the anode 11 and the cathode 12. That is, as shown in FIG. 1, an aqueous NaOH solution is supplied from the supply pipe 111 to the anode 11 side, and the anode 11 is immersed in this sodium ion source. Further, the gas to be processed is supplied from the supply pipe 121 to the cathode 12 side. The gas to be treated contains water (H 2 O) by the water injection means 14. Here, when a DC voltage is applied from the power source 13 between the anode 11 and the cathode 12, the following reaction occurs on the surface of the anode 11 in contact with NaOH.

NaOH → Na++OH- …(1)
2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e- …(2)
このとき、ナトリウムイオン(Na+)は、アノード11を通過し、電解質10を泳動し、カソード12に達する。一方、アノード11側で遊離した電子(e-)は、電源13を経由して、カソード12に達する。
NaOH → Na + + OH (1)
2OH → 1 / 2O 2 + H 2 O + 2e (2)
At this time, sodium ions (Na + ) pass through the anode 11, migrate through the electrolyte 10, and reach the cathode 12. On the other hand, electrons (e ) released on the anode 11 side reach the cathode 12 via the power source 13.

ここで、気相中の二酸化炭素(CO2)及び水分(H2O)がカソード12表面に接触すると、以下の反応が起こる。 Here, when carbon dioxide (CO 2 ) and moisture (H 2 O) in the gas phase come into contact with the surface of the cathode 12, the following reaction occurs.

Na++e-+CO2+H2O → NaHCO3 + 1/2H2 …(3)
2Na++ CO2 + H2O +2e- → Na2CO3 + H2 …(4)
このようにして、被処理ガス中に含まれる二酸化炭素は炭酸塩の形態でカソード12表面に固定されることで分離除去されると共に水素ガスが生成される。また、カソード12で生成した炭酸塩は水注入手段14から供給された水によって容易に水溶液化される。そして、炭酸塩水溶液は直ちに導入されたキャリアガス流よって装置1外に強制排出され、カソード12上に被処理ガスとの反応面が新たに確保される。したがって、連続的な二酸化炭素の除去と水素の生成が可能となる。また、水を混合させた被処理ガスをガス処理装置1に供給したことで、常温での二酸化炭素の除去と水素の生成が可能となる。炭酸塩水溶液は処理ガスと共に気液分離槽2に供されて気液分離処理される。この際、ガス中に残留する二酸化炭素成分が炭酸塩水溶液によって吸収除去される。気液分離槽2で捕集された炭酸塩水溶液は、再生槽4にて水酸化ナトリウム水溶液に変換された後にポンプP2によって調整槽3に返流される。再生槽4としては例えば特願2002−343508(段落番号(0060)〜(0077)及び図5)に開示したものがある。
Na + + e + CO 2 + H 2 O → NaHCO 3 + ½H 2 (3)
2Na + + CO 2 + H 2 O + 2e → Na 2 CO 3 + H 2 (4)
In this way, carbon dioxide contained in the gas to be treated is fixed to the surface of the cathode 12 in the form of carbonate, so that it is separated and removed and hydrogen gas is generated. Further, the carbonate produced at the cathode 12 is easily made into an aqueous solution by the water supplied from the water injection means 14. Then, the carbonate aqueous solution is forcibly discharged out of the apparatus 1 by the introduced carrier gas flow, and a reaction surface with the gas to be treated is newly secured on the cathode 12. Therefore, continuous carbon dioxide removal and hydrogen generation are possible. Further, by supplying the gas to be treated mixed with water to the gas processing apparatus 1, it becomes possible to remove carbon dioxide and generate hydrogen at room temperature. The carbonate aqueous solution is supplied to the gas-liquid separation tank 2 together with the processing gas and subjected to gas-liquid separation processing. At this time, the carbon dioxide component remaining in the gas is absorbed and removed by the aqueous carbonate solution. The carbonate aqueous solution collected in the gas-liquid separation tank 2 is converted into a sodium hydroxide aqueous solution in the regeneration tank 4 and then returned to the adjustment tank 3 by the pump P2. An example of the regeneration tank 4 is disclosed in Japanese Patent Application No. 2002-343508 (paragraph numbers (0060) to (0077) and FIG. 5).

以上のように、本実施形態に係るガス処理システムによれば、被処理ガスに水を注入することで、効率的な二酸化炭素の除去と水素の生成を行うことができる。また、常温のもとで二酸化炭素の除去と水素の生成を行うことができるので、塩化ビニル樹脂やフッ素樹脂さらには過フッ素化スルホン酸ポリマーを基材とする電解質膜のような動作温度の低い電解質を好適に用いることができる。したがって、エネルギーコストを抑えることができ低廉な二酸化炭素の除去と水素の生成が行なえる。   As described above, according to the gas processing system according to the present embodiment, it is possible to efficiently remove carbon dioxide and generate hydrogen by injecting water into the gas to be processed. In addition, since carbon dioxide can be removed and hydrogen can be generated at room temperature, the operating temperature is low, such as an electrolyte membrane based on vinyl chloride resin, fluororesin, or perfluorinated sulfonic acid polymer. An electrolyte can be suitably used. Therefore, energy costs can be suppressed, and inexpensive carbon dioxide can be removed and hydrogen can be generated.

さらに、被処理ガスが汚泥消化ガスやバイオガスのようなメタンを含んだガスである場合、このガスを本実施形態のガス処理システムに供することで、高エネルギーガスを得ることできる。例えば、下水処理場で発生する汚泥消化ガスや家畜糞尿設備で発生するバイオガスは有用なエネルギー源として活用が可能であるが、従来の技術においては特に中小容量の処理場において熱源としての用途しか見出すことができなかった。その一つの理由としては、メタンガス濃度が低いことが挙げられる。そこで、汚泥消化ガスやバイオガスを前記ガス処理システムに供することで、これらのガスをメタンや水素に富んだ高エネルギーガスに変換させることができる。この高エネルギーガスは、燃料電池やガスタービン等の燃料またはその他の燃料として売却するなどの有効利用ができる。   Furthermore, when the gas to be treated is a gas containing methane such as sludge digestion gas or biogas, a high energy gas can be obtained by supplying this gas to the gas treatment system of this embodiment. For example, sludge digestion gas generated in sewage treatment plants and biogas generated in livestock manure facilities can be used as useful energy sources, but the conventional technology can only be used as a heat source particularly in small and medium-capacity treatment plants. I couldn't find it. One reason is that the methane gas concentration is low. Therefore, by supplying sludge digestion gas and biogas to the gas treatment system, these gases can be converted into high energy gas rich in methane and hydrogen. This high energy gas can be used effectively such as sold as fuel for fuel cells, gas turbines, or other fuels.

(実施形態2)
図2は、本実施形態のガス処理システムの概略図を示す。尚、図1に開示された手段と同じ構成のものには同符号を付してその詳細の説明を適宜省略した。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows a schematic diagram of the gas processing system of the present embodiment. Components having the same configuration as the means disclosed in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

本実施形態のガス処理システムは、ガス処理装置1への被処理ガス供給ラインに水酸化ナトリウム水溶液をキャリアガスによって注入する水酸化ナトリウム水溶液注入手段15を備える。水酸化ナトリウム水溶液注入手段15は、図5に示した水注入手段14と同様に、一定濃度の水酸化ナトリウム水溶液を貯留したタンク150と、タンク150内の液相中に導入されキャリアガスを供給する配管151と、キャリアガスと共にタンク150内の水を排出するための配管152とを備える。キャリアガスとしては空気や窒素ガスが例示される。水酸化ナトリウム水溶液は、例えば0.1〜10mol/l程度に調整されたものが用いられる。   The gas processing system of this embodiment includes a sodium hydroxide aqueous solution injection means 15 for injecting a sodium hydroxide aqueous solution into a gas supply line to be processed to the gas processing apparatus 1 using a carrier gas. Similar to the water injection means 14 shown in FIG. 5, the sodium hydroxide aqueous solution injection means 15 supplies the carrier gas introduced into the tank 150 storing a sodium hydroxide aqueous solution having a constant concentration and the liquid phase in the tank 150. And a pipe 152 for discharging water in the tank 150 together with the carrier gas. Examples of the carrier gas include air and nitrogen gas. For example, an aqueous sodium hydroxide solution adjusted to about 0.1 to 10 mol / l is used.

水酸化ナトリウム水溶液注入手段15は、ガス処理装置1内のカソード12に吸蔵された炭酸塩の量に応じて水を適宜連続的にまたは断続的に注入する。配管100内に水酸化ナトリウム水溶液が注入されると、配管100内を流通するガス中のある程度の二酸化炭素成分が水酸化ナトリウム水溶液によって吸収除去される。また、ガス処理装置1内においては、カソード12で生成した炭酸塩が供給された水酸化ナトリウム水溶液によって容易に水溶液化される。さらに、炭酸塩水溶液は直ちに導入されたキャリアガス流よって装置1外に強制排出され、カソード12上に被処理ガスとの反応面が新たに確保される。また、水酸化ナトリウム水溶液または生成した炭酸塩水溶液によって電解質10とカソード12との界面の導電性が維持され、ガス処理装置の動特性(二酸化炭素除去能及び水素生成能)は安定する。さらに、カソード12の表面はナトリウムイオン濃度が高まっているので、被処理ガスがカソード12に接触するとガス中の二酸化炭素成分が容易に吸収され、二酸化炭素除去効率及び水素生成効率が一層高まる。ガス処理装置1からは水酸化ナトリウム水溶液を導入した分だけの炭酸ナトリウムまたは炭酸水素ナトリウムの水溶液が排出されてくるが、これらの水溶液は再生槽4に供してやれば、アノード11へのナトリウムイオン源として再利用できる。また、実施形態1と同様に水酸化ナトリウム水溶液の逆流を防ぐために、配管102には逆止弁を設けるとよい。このとき、配管100と配管152の接続位置を供給管121の据付位置よりも高く設定するとなおよい。尚、配管100には、被処理ガスと水酸化ナトリウム水溶液とを混合させる混合配管103を設けるとよい。図2においては、螺旋状の配管が開示されているが、混合配管103は被処理ガスと水酸化ナトリウム水溶液とを混合できるものであれば図示された形態に限定されない。   The sodium hydroxide aqueous solution injection means 15 injects water continuously or intermittently as appropriate according to the amount of carbonate occluded in the cathode 12 in the gas treatment device 1. When the aqueous sodium hydroxide solution is injected into the pipe 100, a certain amount of carbon dioxide component in the gas flowing through the pipe 100 is absorbed and removed by the aqueous sodium hydroxide solution. Further, in the gas processing apparatus 1, the aqueous solution is easily made into an aqueous solution by the sodium hydroxide aqueous solution supplied with the carbonate generated at the cathode 12. Further, the carbonate aqueous solution is forcibly discharged out of the apparatus 1 by the introduced carrier gas flow, and a reaction surface with the gas to be treated is newly secured on the cathode 12. In addition, the conductivity of the interface between the electrolyte 10 and the cathode 12 is maintained by the sodium hydroxide aqueous solution or the generated carbonate aqueous solution, and the dynamic characteristics (carbon dioxide removal ability and hydrogen production ability) of the gas treatment apparatus are stabilized. Further, since the sodium ion concentration on the surface of the cathode 12 is increased, the carbon dioxide component in the gas is easily absorbed when the gas to be treated comes into contact with the cathode 12, and the carbon dioxide removal efficiency and the hydrogen generation efficiency are further increased. An amount of sodium carbonate or sodium hydrogen carbonate aqueous solution corresponding to the amount of sodium hydroxide aqueous solution introduced is discharged from the gas treatment device 1. If these aqueous solutions are supplied to the regeneration tank 4, the sodium ion source to the anode 11 is discharged. Can be reused as Further, as in the first embodiment, a check valve may be provided in the pipe 102 in order to prevent the back flow of the sodium hydroxide aqueous solution. At this time, the connection position between the pipe 100 and the pipe 152 is preferably set higher than the installation position of the supply pipe 121. The pipe 100 may be provided with a mixing pipe 103 that mixes the gas to be treated and the aqueous sodium hydroxide solution. Although a spiral pipe is disclosed in FIG. 2, the mixing pipe 103 is not limited to the illustrated form as long as the gas to be treated and the sodium hydroxide aqueous solution can be mixed.

本発明のガス処理システムの実施形態例を示す概略図。Schematic which shows the embodiment example of the gas processing system of this invention. 本発明のガス処理システムの実施形態例を示す概略図。Schematic which shows the embodiment example of the gas processing system of this invention. ガス処理装置の実施形態例を示す概略図。Schematic which shows the embodiment example of a gas processing apparatus. ガス処理装置の実施形態例を示す概略図。Schematic which shows the embodiment example of a gas processing apparatus. 水注入手段の実施形態例を示す概略図。Schematic which shows the embodiment example of a water injection | pouring means.

符号の説明Explanation of symbols

1…ガス処理装置、10…電解質膜、11…アノード、12…カソード、100…配管、103…混合配管、111,121…供給管、112,122…排出管、13…電源
14…水注入手段、15…水酸化ナトリウム水溶液注入手段、140,150…タンク、141,142,151,152…配管
2…気液分離槽
3…調整槽、30…タンク、31…イオン濃度計、32…配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas processing apparatus, 10 ... Electrolyte membrane, 11 ... Anode, 12 ... Cathode, 100 ... Pipe, 103 ... Mixing pipe, 111, 121 ... Supply pipe, 112, 122 ... Discharge pipe, 13 ... Power supply 14 ... Water injection means 15 ... Sodium hydroxide aqueous solution injection means, 140, 150 ... Tank, 141, 142, 151, 152 ... Pipe 2 ... Gas-liquid separation tank 3 ... Adjustment tank, 30 ... Tank, 31 ... Ion concentration meter, 32 ... Pipe

Claims (4)

ナトリウムイオンを透過する電解質にアノードとカソードとを設け、前記アノードにナトリウム化合物の水溶液を接触すると共に前記カソードに被処理ガスを供し、この両極間に直流電圧を印加することにより、カソード側において前記ガス中の二酸化炭素成分を炭酸塩の形態で分離除去すると共に水成分を水素ガスに変換する工程と、
前記被処理ガスの供給ラインにキャリアガスによって水若しくは水酸化ナトリウム水溶液を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する工程とを有すること
を特徴とするガス処理方法。
An anode and a cathode are provided on an electrolyte that transmits sodium ions, an aqueous solution of a sodium compound is brought into contact with the anode and a gas to be treated is provided to the cathode, and a DC voltage is applied between the two electrodes, whereby the cathode side is Separating and removing the carbon dioxide component in the gas in the form of a carbonate and converting the water component to hydrogen gas;
And a step of injecting water or a sodium hydroxide aqueous solution into the supply line of the gas to be treated by a carrier gas to make the carbonate produced on the cathode into a solution and discharging it out of the system. .
被処理ガスは汚泥消化ガスまたはバイオガスであること
を特徴とする請求項1記載のガス処理方法。
The gas treatment method according to claim 1, wherein the gas to be treated is sludge digestion gas or biogas.
ナトリウムイオンを透過する電解質と、前記電解質に設けられナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、前記電解質に設けられ被処理ガスが供されるカソードとを備え、この両極間に直流電圧を印加してカソード側においてガス中の二酸化炭素を炭酸塩の形態で分離除去するすると共に水素ガスを生成するガス処理装置と、
前記ガス処理装置の被処理ガス供給ラインにキャリアガスによって水若しくは水酸化ナトリウム水溶液を注入して前記カソード上に生成した炭酸塩を溶液化すると共に系外排出する手段とを備えたこと
を特徴とするガス処理システム。
An electrolyte that permeates sodium ions, an anode that is provided in the electrolyte and is provided with an aqueous solution of a sodium compound, and a cathode that is provided in the electrolyte and is provided with a gas to be treated are provided, and a DC voltage is applied between the two electrodes. A gas processing device for separating and removing carbon dioxide in the gas in the form of carbonate on the cathode side and generating hydrogen gas;
And a means for injecting water or an aqueous sodium hydroxide solution into the gas supply line of the gas processing apparatus by a carrier gas to make the carbonate produced on the cathode into a solution and to discharge it from the system. Gas processing system.
前記水酸化ナトリウム水溶液を注入する場合、被処理ガスをガス処理装置に供給する配管には、被処理ガスと水酸化ナトリウムを混合する混合配管を設けたこと
を特徴とする請求項3記載のガス処理システム。
4. The gas according to claim 3, wherein, when the sodium hydroxide aqueous solution is injected, a pipe for supplying the gas to be processed to the gas processing apparatus is provided with a mixing pipe for mixing the gas to be processed and sodium hydroxide. Processing system.
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