JP2005306721A - 二酸化炭素の分離方法及び二酸化炭素分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス中に含まれる二酸化炭素を効率よくガスから分離することができるようにする。
【解決手段】二酸化炭素を含んだガスを耐圧容器１０に流通させて二酸化炭素を冷却固化し、耐圧容器１０を密閉し、固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、二酸化炭素が気化することによる耐圧容器１０の内部の圧力上昇により二酸化炭素を液化させ、液化した二酸化炭素を耐圧容器１０の外に排出するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二酸化炭素の分離方法及び二酸化炭素分離装置に関し、とくにガス中に含まれる二酸化炭素を効率よく分離するための技術に関する。

近年、地球温暖化防止の為に大規模なガス排出源から排出される二酸化炭素（ＣＯ_２）を削減することが求められており、ガス排出源から排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収するための技術研究が各所で進められている。ここで排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する技術において、排ガスから二酸化炭素を分離する技術は要素技術として重要である。そのような技術として、例えば特許文献１には、排ガス中の炭酸ガスをドライアイスとして固化・分離し、さらに加熱・加圧することにより液体の二酸化炭素とする技術が開示されている。
特開２０００−３１７３０２号公報

上記方法は例えば図４に示す方法により実施することができる。図４ではその外側に冷媒４００を流通させた熱交換器の伝熱管４０２の内部に二酸化炭素を分離しようとするガス４０３を流通させ、これによりガス中に含まれる二酸化炭素をドライアイス化（固化）して捕集容器４０４に捕集する。捕集容器４０４に捕集したドライアイス４０５を捕集容器４０３から液化装置４０６に移し、液体の二酸化炭素４０７として回収する。ドライアイス４０５を液化するのは、貯留や輸送の便宜の為である。

ここで図４に示す方法では、ドライアイスを伝熱管４０２の内側に析出させている。このため、析出したドライアイスにより伝熱管４０２の管路が閉塞され、装置の連続運転もしくは自動運転が難しいという問題がある。また固化部である捕集容器４０４と液化部である液化装置４０６とがそれぞれ別体の装置として構成されているため、捕集容器４０４から液化装置４０６に搬送する仕組みも必要である。つまり図４に示す方法では、ガス中から二酸化炭素を分離するプロセスを連続的に効率良く運転することができず、とくに火力発電所や製鉄所等の大量の排ガス発生源に適用しようとする場合には、性能的に必ずしも十分であるとはいえない。

本発明は以上のような背景に鑑みてなされたもので、ガス中に含まれる二酸化炭素を効率よく分離することができる二酸化炭素の分離方法及び二酸化炭素分離装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる発明は、二酸化炭素の分離方法であって、二酸化炭素を含んだガスを耐圧容器に流通させて前記二酸化炭素を冷却固化し、前記耐圧容器を密閉し、 前記固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、前記二酸化炭素が気化することによる前記耐圧容器内部の圧力上昇により前記二酸化炭素を液化し、液化した前記二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出することとする。
この発明によれば、二酸化炭素の固化及び液化を同じ耐圧容器内で行うことができる。また上記方法は単純な装置で実現することが可能であり、低コストで効率よく確実にガスから二酸化炭素を分離できる。また特別な液化装置を用いることなく、二酸化炭素を運搬や貯留に便利な液体として排出できる。

本発明の請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の二酸化炭素の分離方法であって、前記冷却固化は、前記二酸化炭素を含んだガスを、前記耐圧容器内に設けられ内部に冷媒が流通される冷媒流通管の外面に接触させることにより行われることとする。
この発明によれば、ドライアイスは冷媒流通管の外面に析出することとなり、伝熱管の管路が閉塞されることもなく、連続運転や自動運転を容易に実現できる。

本発明の請求項３にかかる発明は、請求項２に記載の二酸化炭素の分離方法であって、前記冷媒流通管は蛇行させて設けられていることとする。
このように冷媒流通管を蛇行させて設けることで、ガスと冷媒流通管の接触面積を十分に確保することができ、二酸化炭素を効率よく固化させることができる。

本発明の請求項４にかかる発明は、請求項１に記載の二酸化炭素の分離方法であって、前記固化した二酸化炭素の前記昇温は前記耐圧容器に設けられた伝熱管もしくは電熱式のヒータにより行われることとする。

本発明の請求項５にかかる発明は、請求項１に記載の二酸化炭素の分離方法であって、前記耐圧容器は、前記二酸化炭素を含んだガスを前記耐圧容器に流入させるガス流入口と、前記耐圧容器内のガスを前記耐圧容器の外に排出するガス排出口と、前記液化した二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出する液体排出口と、を有することとする。

本発明の請求項６にかかる発明は、請求項１または２に記載の二酸化炭素の分離方法であって、前記ガスには窒素酸化物もしくは硫黄酸化物が含まれることとする。

本発明の請求項７にかかる発明は、その内部にガスを流入させるガス流入口、その内部のガスを排出するガス排出口、及びその内部の液体を排出する液体排出口、を有する耐圧容器と、前記耐圧容器の内部に設けられる冷却器と、前記耐圧容器の内部を昇温させる伝熱器と、を用いて行う二酸化炭素の分離方法であって、前記ガス流入口から二酸化炭素を含んだガスを前記耐圧容器に流入し、前記ガスを前記冷却器に接触させることにより前記二酸化炭素を冷却固化し、前記ガス流入出口を閉じるとともに前記耐圧容器を密閉し、前記伝熱器により前記固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、前記二酸化炭素が気化することによる前記耐圧容器内部の圧力上昇により前記二酸化炭素を液化し、前記液体排出口から液化した前記二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出することとする。

本発明の請求項８にかかる発明は、二酸化炭素分離装置であって、その内部にガスを流入させるガス流入口、その内部のガスを排出するガス排出口、及びその内部の液体を排出する液体排出口、前記ガス流入口に流入する気体の量を制御する制御バルブ、前記ガス排出口から排出させる気体の量を制御する制御バルブ、及び前記液体排出口から排出する液体の量を制御する制御バルブ、を有する耐圧容器と、前記耐圧容器の内部に設けられる冷却器と、前記耐圧容器の内部を昇温させる伝熱器と、を備えることとする。

本発明によれば、ガス中に含まれる二酸化炭素を効率よく分離することができる。

以下、本発明の一実施形態について詳述する。

＝＝装置構成＝＝
図１は本発明の一実施形態として説明する二酸化炭素分離装置１の概略構成である。本図において、耐圧容器１０は縦・横・高さがそれぞれ数ｍ程度の略直方体形状の金属製（例えばステンレス）である。耐圧容器１０の上面所定位置には二酸化炭素（ＣＯ_２）を含んだガスを流入させるガス流入口２１が設けられている。一方、耐圧容器１０の下面所定位置には、上記ガスに含まれる二酸化炭素以外の成分を耐圧容器１０の外部に排出するガス排出口２２が設けられている。さらに耐圧容器１０の下面所定位置には、上記ガス排出口２２とは別に、耐圧容器１０の底に溜まる液体を排出するための液体排出口２３が設けられている。なお、ガス流入口２１から流入したガスを耐圧容器１０内に所定時間以上滞在させるべく、ガス排出口２２はガス流入口２１から所定距離だけ離間させた位置に設けられている。

ガス流入口２１に連結する配管（ガス流入管３１）には制御バルブ４１が設けられている。またガス排出口２２に連結する配管（ガス排出管３２）には制御バルブ４２が設けられている。また液体排出口２３に連結する配管（液体排出管３３）には制御バルブ４３が設けられている。これら制御バルブ４１，４２，４３の全てを閉じることにより耐圧容器１０内は完全に密閉される。

耐圧容器１０の内部には、冷媒を流通させる金属製（例えば銅もしくはステンレス）の冷媒流通管（冷却器）１２が配管されている。上記冷媒としては、例えば液体窒素（ＬＮ_２）が用いられる。冷媒流通管１２の上流には冷媒の流量を制御する制御バルブ４４が設けられている。冷媒流通管１２は、耐圧容器１０の内部に流通させるガスとの間の接触面積を十分に確保すべく、耐圧容器１０の内部において２本に分岐させている。冷媒流通管１２は耐圧容器１の内部で蛇行させてあり、これによってもガスとの間の接触面積が十分に確保されるようにしている。

耐圧容器１０の壁面には伝熱管（伝熱器）１３が埋設されている。伝熱管１３の上流には伝熱管１３に流通させる熱媒体の流量を制御する図示しない制御バルブが設けられている。上記熱媒体は例えば乾き空気であり、熱源１４から伝熱管１３に輸送されてくる。また伝熱管１３は耐圧容器１０の壁面に埋設するのではなく、耐圧容器１０の内部に配管するようにしてもよい。伝熱管１３に代えて電熱式のヒータ（例えばシリコンゴムヒータ、フッ素樹脂ヒータ）を用いてもよい。

耐圧容器１０には、耐圧容器１０内のガスの温度を計測するセンサ、冷媒流通管１２表面の温度を計測するセンサ等、各種のセンサ（不図示）が設けられている。各センサの出力値は、図示しない計測機器やコンピュータに入力され、オペレータによってモニタされている。また耐圧容器１０の所定位置には図示しない小窓が設けられており、この小窓から耐圧容器１０の内部の様子を目視できるようになっている。

＝＝プロセス説明＝＝
次に図２に示すプロセスフローとともに、上記二酸化炭素分離装置１を用いて行われる、ガス中に含まれる二酸化炭素を分離するプロセスについて説明する。なお、以下の説明において、二酸化炭素を分離しようとするガスには二酸化炭素以外の成分として窒素酸化物や硫黄酸化物が含まれているものとする。また初期状態では、制御バルブ４１，４２，４３は全て閉じられているものとする（Ｓ２０１）。

まず制御バルブ４４を開いて冷媒流通管１２に冷媒の流通を開始する（Ｓ２０２）。ここでは二酸化炭素は固化するがＮ_２は液化しない温度に冷媒流通管１２の表面の温度を低下させる。図３は二酸化炭素のＴ−Ｐ（温度−圧力）線図である。この図から把握されるように、二酸化炭素の昇華点は１ａｔｍで−７８．５℃である。従って１ａｔｍを前提とした場合には冷媒流通管１２の表面温度を少なくとも−７８．５℃以下とする。

冷媒流通管１２の表面温度が上記温度に達すると、次に制御バルブ４１及び制御バルブ４２を開いて制御バルブ４１から二酸化炭素を分離しようとするガスを流入し、耐圧容器１０へのガスの流通を開始する（Ｓ２０３）。ここで耐圧容器１０を流通するガスは冷媒流通管１２によって冷却され、ガス中に含まれる二酸化炭素が冷媒流通管１２の外面にドライアイス５０として析出してくる（Ｓ２０４）。一方、耐圧容器１０内に流入されたガスは耐圧容器１０内を移動して制御バルブ４２から耐圧容器１０の外に排出される（Ｓ２０５）。

冷媒流通管１２表面に析出したドライアイス５０の量が所定量に達したところで（Ｓ２０６：ＹＥＳ）、次に制御バルブ４１及び制御バルブ４２を閉じ、耐圧容器１０を密閉する（Ｓ２０７）。また制御バルブ４４を閉じて冷媒流通管１２の冷媒（液体窒素）の流通を停止する（Ｓ２０８）。なお、ドライアイス５０の析出量が所定量に達したかどうかの判断は、例えば小窓から耐圧容器１０内を目視したり、所定時間が経過したことをもって行う。

次に制御バルブ４５を開いて伝熱管１３に熱媒体を流通させ（Ｓ２０９）、耐圧容器１０内の温度を上昇させる。耐圧容器１０内の温度上昇に伴い、冷媒流通管１２の表面に析出していたドライアイス５０が気化（昇華）し始める（Ｓ２１０）。一方、ドライアイス５０の気化することによって耐圧容器１０内の圧力は上昇する。ここで図３に示すように、二酸化炭素の三重点は、５．１１ａｔｍ／−５６．６℃である。従ってドライアイス５０が気化して耐圧容器１０内が三重点における温度及び圧力より高い温度及び圧力になると耐圧容器１０内の二酸化炭素の一部が凝縮し始め、凝縮により生じた二酸化炭素（液体）が耐圧容器１０の底に溜まり始める（Ｓ２１１）。

次に冷媒流通管１２の表面に析出しているドライアイス５０が完全に気化もしくは液化したところで（Ｓ２１１：ＹＥＳ）制御バルブ４３を開放する。これにより耐圧容器の底に溜まった二酸化炭素（液体）が耐圧容器１０内圧によって液体排出口２３から耐圧容器１０の外に排出される（Ｓ２１３）。なお、ドライアイス５０が完全に気化もしくは液化したかどうかの判断は、例えば小窓からの耐圧容器１０内の目視や所定時間が経過したことをもって行う。また液体排出口２３に連結する液体排出管３３内を二酸化炭素が液体の状態のまま保たれる圧力及び温度としておくことで、二酸化炭素を液体のまま耐圧容器１０の外に排出することができる。

以上に説明したように、本実施形態の二酸化炭素分離装置１によれば、ガス中に含まれる二酸化炭素を効率よく確実にガスから分離することができる。なお、引き続き別のガスについて二酸化炭素を分離しようとする場合には（Ｓ２１４：ＮＯ）、制御バルブ４４及び伝熱管１３の制御バルブ４５を閉じ、再びＳ２０１からのプロセスを繰り返すことになる。

上記二酸化炭素分離装置１によれば、二酸化炭素の固化及び液化を同じ耐圧容器１０内で行うことができる。また上記二酸化炭素分離装置１は、装置構成が単純であり低コストで実施することができる。またドライアイス５０が伝熱管（冷媒流通管１２）の外面に析出するため、伝熱管１３の管路が閉塞されることもなく、連続運転や自動運転を実施し易い。また特別な液化装置を用いることなく、運搬や貯留に便利な液体の状態で二酸化炭素を排出することができる。

以上本発明の一実施形態について説明したが、以上の実施形態の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、制御バルブ４１〜４５をそれぞれ電磁バルブとするとともに、各電磁バルブを制御するための制御ラインをコンピュータに接続し、コンピュータのハードウエアや当該ハードウエア上で動作する制御ソフトウエアにより上記電磁バルブを遠隔制御するようにしてもよい。また、上記各種センサの出力値に基づいて、上述したプロセスの全部又は一部を自動実行させるようにしてもよい。

本発明の一実施形態として説明する、二酸化炭素分離装置１の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態として説明する、ガス中に含まれる二酸化炭素を分離するプロセスを説明するプロセスフローを示す図である。 二酸化炭素のＴ−Ｐ（温度−圧力）線図を示す図である。 二酸化炭素を分離する技術の一つを説明する図である。

符号の説明

１ 二酸化炭素分離装置
１０ 耐圧容器
１２ 冷媒流通管（冷却器）
１３ 伝熱管（電熱器）
２１ ガス流入口
２２ ガス排出口
２３ 液体排出口
３１ ガス流入管
３２ ガス排出管
３３ 液体排出管
４１ 制御バルブ（ガス流入管）
４２ 制御バルブ（ガス排出管）
４３ 制御バルブ（液体排出管）
４４ 制御バルブ（冷媒流通管）
４５ 制御バルブ（伝熱管）
５０ ドライアイス

Claims (8)

1. 二酸化炭素を含んだガスを耐圧容器に流通させて前記二酸化炭素を冷却固化し、
   前記耐圧容器を密閉し、
   前記固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、
   前記二酸化炭素が気化することによる前記耐圧容器内部の圧力上昇により前記二酸化炭素を液化し、
   液化した前記二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出すること、
   を特徴とする二酸化炭素の分離方法。
2. 請求項１に記載の二酸化炭素の分離方法であって、
   前記冷却固化は、前記二酸化炭素を含んだガスを、前記耐圧容器内に設けられ内部に冷媒が流通される冷媒流通管の外面に接触させることにより行われること、
   を特徴とする二酸化炭素の分離方法。
3. 請求項２に記載の二酸化炭素の分離方法であって、
   前記冷媒流通管は蛇行させて設けられていること、
   を特徴とする二酸化炭素の分離方法。
4. 請求項１に記載の二酸化炭素の分離方法であって、
   前記固化した二酸化炭素の前記昇温は前記耐圧容器に設けられた伝熱管もしくは電熱式のヒータにより行われること、
   を特徴とする二酸化炭素の分離方法。
5. 請求項１に記載の二酸化炭素の分離方法であって、
   前記耐圧容器は、前記二酸化炭素を含んだガスを前記耐圧容器に流入させるガス流入口と、
   前記耐圧容器内のガスを前記耐圧容器の外に排出するガス排出口と、
   前記液化した二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出する液体排出口と、
   を有すること、
   を特徴とする二酸化炭素の分離方法。
6. 請求項１または２に記載の二酸化炭素の分離方法であって、
   前記ガスには窒素酸化物もしくは硫黄酸化物が含まれること、
   を特徴とする二酸化炭素の分離方法。
7. その内部にガスを流入させるガス流入口、その内部のガスを排出するガス排出口、及びその内部の液体を排出する液体排出口、を有する耐圧容器と、前記耐圧容器の内部に設けられる冷却器と、前記耐圧容器の内部を昇温させる伝熱器と、を用いて行う二酸化炭素の分離方法であって、
   前記ガス流入口から二酸化炭素を含んだガスを前記耐圧容器に流入し、
   前記ガスを前記冷却器に接触させることにより前記二酸化炭素を冷却固化し、
   前記ガス流入出口を閉じるとともに前記耐圧容器を密閉し、
   前記伝熱器により前記固化した二酸化炭素を昇温させて気化させ、
   前記二酸化炭素が気化することによる前記耐圧容器内部の圧力上昇により前記二酸化炭素を液化し、
   前記液体排出口から液化した前記二酸化炭素を前記耐圧容器の外に排出すること、
   を特徴とする二酸化炭素の分離方法。
8. その内部にガスを流入させるガス流入口、その内部のガスを排出するガス排出口、及びその内部の液体を排出する液体排出口、前記ガス流入口に流入する気体の量を制御する制御バルブ、前記ガス排出口から排出させる気体の量を制御する制御バルブ、及び前記液体排出口から排出する液体の量を制御する制御バルブ、を有する耐圧容器と、
   前記耐圧容器の内部に設けられる冷却器と、
   前記耐圧容器の内部を昇温させる伝熱器と、
   を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。