JP2010228963A - Carbon dioxide recovery unit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To recover carbon dioxide with a lower energy cost and a lower facility cost, and more efficiently than PSA method, when carbon dioxide is recovered from an exhaust gas. <P>SOLUTION: A carbon dioxide recovery unit 10 is used in a facility generating an exhaust gas containing carbon dioxide, and recovers carbon dioxide from the exhaust gas. The carbon dioxide recovery unit comprises heat-exchange means 11, 12 to cool the exhaust gas to make carbon dioxide into a fluid in a gas-liquid mixed state in which carbon dioxide is liquefied, and a gas-liquid separation means 13 to separate and recover liquefied carbon dioxide from the fluid in the gas-liquid mixed state. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、二酸化炭素(以下炭酸ガスとも呼ぶ)を含むガスから炭酸ガスを回収して液化する二酸化炭素回収装置に関し、特に、高濃度の炭酸ガスを含むガスから炭酸ガスを回収して液化する二酸化炭素回収装置に関する。   The present invention relates to a carbon dioxide recovery device for recovering and liquefying carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide (hereinafter also referred to as carbon dioxide), and in particular, recovering and liquefying carbon dioxide from a gas containing high-concentration carbon dioxide. The present invention relates to a carbon dioxide recovery device.

一般に、燃料電池設備(MCFC)においては、その燃料電極(アノード)に水素を供給し、カソードに酸素及び炭酸ガスを供給して発電を行う形態のものが知られており、この種のMCFCにおいて、石炭火力発電所において発生する燃焼ガス(排ガス)をアノードに供給して、この排ガス中に含まれる炭酸ガスを用いるようにしたものがある。   In general, in a fuel cell facility (MCFC), hydrogen is supplied to the fuel electrode (anode) and oxygen and carbon dioxide gas are supplied to the cathode to generate electric power. In some cases, combustion gas (exhaust gas) generated in a coal-fired power plant is supplied to the anode and carbon dioxide contained in the exhaust gas is used.

この種の燃料電池では、発電を行った際、アノードの出口においては、水分を除くと高濃度の炭酸ガスが排出されることになるが(例えば、特許文献1参照)、現状においては、高濃度の炭酸ガスを回収するため、所謂物理吸着法(PSA)を用いることが知られている。   In this type of fuel cell, when power is generated, high concentration carbon dioxide gas is discharged at the outlet of the anode when moisture is removed (see, for example, Patent Document 1). It is known to use a so-called physical adsorption method (PSA) in order to recover a concentration of carbon dioxide gas.

一方、溶融炭酸塩型燃料電池において、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードから排出されるカソード排ガスをこの溶融炭酸塩型燃料電池と並んで設置された他の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード側に供給して、溶融炭酸塩型燃料電池と他の溶融炭酸塩型燃料電池のアノードで生成される二酸化炭素を二酸化炭素回収装置により回収するようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。   On the other hand, in the molten carbonate fuel cell, the cathode exhaust gas discharged from the cathode of the molten carbonate fuel cell is placed on the cathode side of another molten carbonate fuel cell installed side by side with this molten carbonate fuel cell. There is a battery that is supplied and carbon dioxide produced at an anode of a molten carbonate fuel cell and another molten carbonate fuel cell is recovered by a carbon dioxide recovery device (see, for example, Patent Document 2).

特開平11−333401号公報JP 11-333401 A 特開2004−186074号公報JP 2004-186074 A

ところで、物理吸着法、例えば、活性炭やゼオライトを吸着剤として用いる吸着法において、減圧によって、吸着剤から炭酸ガスを脱離させる所謂圧力スウィング(PSA)法が知られているが、このPSA法は、炭酸ガスの脱離に用いる真空ポンプ(コンプレッサ)が高エネルギーを必要とし、さらには、大規模化すると充填層の層厚が厚くなって、炭酸ガス脱離の際に圧力差が大きくなってしまい所要の真空度を確保できなくなる恐れがある。そして、所要の真空度を確保しようとすると、高性能の真空ポンプ(大型のコンプレッサ)を用いなければならず、不可避的に炭酸ガス脱離エネルギーのさらなる増加を招く事態となってしまう。   By the way, in a physical adsorption method, for example, an adsorption method using activated carbon or zeolite as an adsorbent, a so-called pressure swing (PSA) method is known in which carbon dioxide gas is desorbed from the adsorbent by decompression. The vacuum pump (compressor) used for carbon dioxide desorption requires high energy. Further, when the scale is increased, the thickness of the packed bed increases, and the pressure difference increases during carbon dioxide desorption. In other words, the required degree of vacuum may not be ensured. In order to secure the required degree of vacuum, a high-performance vacuum pump (large compressor) must be used, which inevitably increases the carbon dioxide desorption energy.

さらに、PSA法においては、排ガスを加圧する必要があり、しかも複数の吸着塔を備えて吸着を行う際には、吸着塔を選択するための切替弁が必要となる。そして、前述のように、大型のコンプレッサを備えるとなると、切替弁自体も大型化してしまう。   Further, in the PSA method, it is necessary to pressurize the exhaust gas, and when performing adsorption using a plurality of adsorption towers, a switching valve for selecting the adsorption tower is required. As described above, when a large compressor is provided, the switching valve itself is also enlarged.

いずれにしても、PSA法を用いた際には、エネルギーコスト及び設備コストが高くなってしまうという課題がある。   In any case, when the PSA method is used, there is a problem that the energy cost and the equipment cost are increased.

従って、本発明はエネルギーコスト及び設備コストが安価な二酸化炭素回収装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a carbon dioxide recovery device with low energy cost and equipment cost.

(1)本発明は、二酸化炭素を含む排ガスを発生する設備で用いられ、前記排ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素回収装置であって、前記排ガスを冷却して、二酸化炭素が液化された状態の気液混合状態の流体とする熱交換手段と、前記気液混合状態の流体から液化二酸化炭素を分離して回収する気液分離手段とを有することを特徴とするものである。   (1) The present invention is a carbon dioxide recovery device for recovering carbon dioxide from the exhaust gas, which is used in equipment that generates exhaust gas containing carbon dioxide, and the exhaust gas is cooled to liquefy the carbon dioxide. And a gas-liquid separation means for separating and recovering liquefied carbon dioxide from the gas-liquid mixed fluid.

(1)の二酸化炭素回収装置では、排ガスから二酸化炭素を回収する際、当該排ガスを冷却して二酸化炭素を液化し、その後、気液混合状態の流体から液化二酸化炭素を分離するようにしたので、高濃度で二酸化炭素を回収できるばかりでなく、真空ポンプ等の機器が不要となるので、エネルギーコスト及び設備コストを安価にすることができる。   In the carbon dioxide recovery device of (1), when recovering carbon dioxide from exhaust gas, the exhaust gas is cooled to liquefy carbon dioxide, and then liquefied carbon dioxide is separated from the fluid in a gas-liquid mixed state. Not only can carbon dioxide be recovered at a high concentration, but also a device such as a vacuum pump becomes unnecessary, so that energy costs and equipment costs can be reduced.

(2)本発明は、(1)に記載の二酸化炭素回収装置において、前記熱交換手段は、前記液化二酸化炭素を用いて前記排ガスを予冷する第1の熱交換器と、予め定められた冷媒を用いて前記第1の熱交換器で予冷された排ガスを冷却して前記気液混合状態の流体とする第2の熱交換器とを有することを特徴とするものである。   (2) The present invention provides the carbon dioxide recovery device according to (1), wherein the heat exchange means includes a first heat exchanger that pre-cools the exhaust gas using the liquefied carbon dioxide, and a predetermined refrigerant. And a second heat exchanger that cools the exhaust gas pre-cooled by the first heat exchanger to form the fluid in the gas-liquid mixed state.

(2)の二酸化炭素回収装置では、気液分離手段で分離された液化二酸化炭素を用いて排ガスを予冷するようにしたので、確実にしかも低コストで効率的に二酸化炭素の回収を行うことができる。   In the carbon dioxide recovery device of (2), the exhaust gas is precooled using the liquefied carbon dioxide separated by the gas-liquid separation means, so that carbon dioxide can be reliably and efficiently recovered at low cost. it can.

(3)本発明は、(2)に記載の二酸化炭素回収装置において、前記設備は、液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池であり、前記予め定められた冷媒は、前記液化炭化水素ガス混合物であることを特徴とするものである。   (3) The present invention provides the carbon dioxide recovery device according to (2), wherein the facility is a fuel cell that is driven by using a liquefied hydrocarbon gas mixture containing liquefied hydrocarbon gas as a raw material. The refrigerant is the liquefied hydrocarbon gas mixture.

(3)の二酸化炭素回収装置では、燃料電池から排出される排ガスから二酸化炭素を回収する際、排ガスを冷却する冷媒として燃料電池で用いられる液化炭化水素ガス混合物を用いるようにしたので、冷却に要するコストを低減することができる。   In the carbon dioxide recovery device of (3), when recovering carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the fuel cell, the liquefied hydrocarbon gas mixture used in the fuel cell is used as a refrigerant for cooling the exhaust gas. Costs required can be reduced.

(4)本発明は、(3)に記載の二酸化炭素回収装置において、前記燃料電池は、溶融炭酸塩型燃料電池であり、前記燃料電池のアノードには前記液化炭化水素ガス混合物から改質された水素が供給され、前記燃料電池のカソードには少なくとも二酸化炭素及び酸素が供給され、前記燃料電池のカソードに供給される二酸化炭素は火力発電所から発生する排ガス中に含まれる二酸化炭素であることを特徴とするものである。   (4) The present invention provides the carbon dioxide recovery device according to (3), wherein the fuel cell is a molten carbonate fuel cell, and an anode of the fuel cell is reformed from the liquefied hydrocarbon gas mixture. Hydrogen is supplied, at least carbon dioxide and oxygen are supplied to the cathode of the fuel cell, and the carbon dioxide supplied to the cathode of the fuel cell is carbon dioxide contained in exhaust gas generated from a thermal power plant. It is characterized by.

(4)の二酸化炭素回収装置では、そのカソードには二酸化炭素及び酸素が供給される燃料電池を用いた際に、当該燃料電池のカソードに供給される二酸化炭素として火力発電所から発生する排ガス中の二酸化炭素を用いることにしたので、火力発電所から生じる二酸化炭素を削減することができる。   In the carbon dioxide recovery device of (4), when a fuel cell in which carbon dioxide and oxygen are supplied to the cathode is used, in the exhaust gas generated from the thermal power plant as carbon dioxide supplied to the cathode of the fuel cell. The carbon dioxide generated from the thermal power plant can be reduced.

(5)本発明は、(2)に記載の二酸化炭素回収装置において、前記第1の熱交換器を通過した液化二酸化炭素を回収する回収タンクを有することを特徴とするものである。   (5) The present invention is characterized in that in the carbon dioxide recovery device described in (2), it has a recovery tank that recovers the liquefied carbon dioxide that has passed through the first heat exchanger.

(5)の二酸化炭素回収装置では、第1の熱交換器を通過した液化二酸化炭素を回収するようにしたので、効率的に液化二酸化炭素を有効に用いて回収タンクに回収することができる。   In the carbon dioxide recovery apparatus of (5), since the liquefied carbon dioxide that has passed through the first heat exchanger is recovered, the liquefied carbon dioxide can be efficiently recovered and recovered in the recovery tank.

(6)本発明は、(3)に記載の二酸化炭素回収装置において、前記燃料電池は、前記液化炭化水素ガス混合物を気化して炭化水素ガス混合物とする熱交換部と、前記炭化水素ガス混合物を水素に改質する改質部とを有する燃料電池設備の一部であり、前記液化炭化水素ガス混合物を前記第2の熱交換器で気化して、前記改質部に送ることを特徴とするものである。   (6) The present invention provides the carbon dioxide recovery apparatus according to (3), wherein the fuel cell vaporizes the liquefied hydrocarbon gas mixture to form a hydrocarbon gas mixture, and the hydrocarbon gas mixture. And a reforming section for reforming the liquefied hydrocarbon into hydrogen, wherein the liquefied hydrocarbon gas mixture is vaporized by the second heat exchanger and sent to the reforming section. To do.

(6)の二酸化炭素回収装置では、前記液化炭化水素ガス混合物を前記第2の熱交換器で気化して、前記改質部に送るようにしたので、排ガスの冷却を行えると同時に、液化炭化水素ガス混合物の気化も行うことができる。   In the carbon dioxide recovery device of (6), since the liquefied hydrocarbon gas mixture is vaporized by the second heat exchanger and sent to the reforming section, exhaust gas can be cooled and liquefied carbonization can be performed at the same time. Vaporization of the hydrogen gas mixture can also be performed.

(7)本発明は、(6)に記載の二酸化炭素回収装置において、前記燃料電池設備は、前記気液分離手段で分離された液化二酸化炭素以外のガス成分が供給される燃焼室を有し、前記改質部は、加圧されて水蒸気と混合された炭化水素ガス混合物を水素に改質する改質室と、前記燃焼室から供給される燃焼ガスによって前記水蒸気の改質に必要な熱を供給する加熱室とを有することを特徴とするものである。   (7) The carbon dioxide recovery device according to (6), wherein the fuel cell facility has a combustion chamber to which a gas component other than the liquefied carbon dioxide separated by the gas-liquid separation means is supplied. The reforming section includes a reforming chamber that reforms a hydrocarbon gas mixture that has been pressurized and mixed with steam into hydrogen, and heat necessary for reforming the steam by the combustion gas supplied from the combustion chamber. And a heating chamber for supplying the water.

(7)の二酸化炭素回収装置では、前記気液分離手段で分離された液化二酸化炭素以外のガス成分を燃焼室に供給し、燃焼室からの燃焼ガスに応じて加熱室によって改質室を加熱するようにしたので、排ガスに含まれる水素及びメタン等のガス成分を有効に再利用することができる。   In the carbon dioxide recovery device of (7), gas components other than the liquefied carbon dioxide separated by the gas-liquid separation means are supplied to the combustion chamber, and the reforming chamber is heated by the heating chamber according to the combustion gas from the combustion chamber. Therefore, gas components such as hydrogen and methane contained in the exhaust gas can be effectively reused.

(8)本発明は、(7)に記載の二酸化炭素回収装置において、前記加熱室を通過した燃焼ガスを前記燃料電池のカソードに供給するようにしたことを特徴とするものである。   (8) The present invention is the carbon dioxide recovery device described in (7), characterized in that the combustion gas that has passed through the heating chamber is supplied to the cathode of the fuel cell.

(8)の二酸化炭素回収装置では、前記加熱室を通過した燃焼ガスを前記燃料電池のカソードに供給するようにしたので、燃焼ガス中に含まれる二酸化炭素を有効に利用することができる。   In the carbon dioxide recovery device of (8), since the combustion gas that has passed through the heating chamber is supplied to the cathode of the fuel cell, the carbon dioxide contained in the combustion gas can be used effectively.

(9)本発明は、(6)に記載の二酸化炭素回収装置において、前記第2の熱交換器と前記熱交換部とを共用するようにしたことを特徴とするものである。   (9) The present invention is characterized in that, in the carbon dioxide recovery device described in (6), the second heat exchanger and the heat exchange unit are shared.

(9)の二酸化炭素回収装置では、第2の熱交換器と熱交換部とを共用するようにしたので、熱交換器の台数を減らすことができ、その結果設備に要するコストを低減することができる。   In the carbon dioxide recovery device of (9), since the second heat exchanger and the heat exchange unit are shared, the number of heat exchangers can be reduced, and as a result, the cost required for the equipment can be reduced. Can do.

以上のように、本発明によれば、排ガスを冷却して、二酸化炭素が液化された状態の気液混合状態の流体とし、続いて、気液混合状態の流体から液化二酸化炭素を分離して回収するようにしたので、高濃度で二酸化炭素を回収できるばかりでなく、真空ポンプ等の機器が不要となるので、エネルギーコスト及び製造コストを安価にすることができるという効果がある。   As described above, according to the present invention, the exhaust gas is cooled to form a gas-liquid mixed state fluid in a state where carbon dioxide is liquefied, and then the liquefied carbon dioxide is separated from the gas-liquid mixed state fluid. Since the carbon dioxide can be collected at a high concentration, there is an effect that an energy cost and a manufacturing cost can be reduced because a device such as a vacuum pump is not necessary.

本発明の実施の形態による二酸化炭素回収装置の一例を示すブロック図である。It is a block diagram showing an example of a carbon dioxide recovery device by an embodiment of the invention. 図1に示す二酸化炭素回収装置が用いられる燃料電池設備の一例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a fuel cell facility in which the carbon dioxide recovery device shown in FIG. 1 is used. 図1に示す気液分離器における高濃度二酸化炭素を含む排ガスの熱物質収支を示す図である。It is a figure which shows the thermal mass balance of the waste gas containing the high concentration carbon dioxide in the gas-liquid separator shown in FIG.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の実施の形態による二酸化炭素回収装置は、例えば、燃料電池から排出される炭酸ガスを回収して液化するために用いられるが、炭酸ガスを含む排ガスを排出する機器において、炭酸ガスを回収して液化する際にも用いることができる。   A carbon dioxide recovery device according to an embodiment of the present invention is used, for example, to recover and liquefy carbon dioxide gas discharged from a fuel cell. In a device that discharges exhaust gas containing carbon dioxide gas, carbon dioxide gas is recovered. It can also be used when liquefied.

図1は、本発明の実施の形態による二酸化炭素回収装置の一例を示すブロック図であり、図示の二酸化炭素回収装置10は、第1の熱交換器11及び第2の熱交換器12と気液分離器13とを備えており、後述する燃料電池整備からの排出される炭酸ガスを回収する。   FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a carbon dioxide recovery device according to an embodiment of the present invention. The illustrated carbon dioxide recovery device 10 includes a first heat exchanger 11 and a second heat exchanger 12 and a gas exchanger. A liquid separator 13 is provided for collecting carbon dioxide gas discharged from a fuel cell maintenance described later.

ここで、図1に示す二酸化炭素回収装置10が用いられる燃料電池設備について説明する。図2は燃料電池設備(MCFC)の一例を示す図であり、図示のMCFC20は、例えば、50KW級であり、改質部23、燃料電池24、及び触媒燃焼器26を有している。そして、これら改質部23、燃料電池24、及び触媒燃焼器26は、例えば、圧力容器27に収納されている。MCFC20には、沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物(例えば、液化天然ガス(LNG))が供給されることになるが、この液化炭化水素ガス混合物は燃料タンク(LNGタンク)21に貯蔵されている。燃料タンク21から供給される液化炭化水素ガス混合物は熱交換部22で気化されることになる。なお、改質部23は、炭化水素ガス混合物、ボイルオフガス、及び水蒸気を高温条件及び金属触媒存在条件下で反応させて水素を発生させ、燃料タンク21内部で発生するボイルオフガスは排気部25から外部に排気される。   Here, a fuel cell facility in which the carbon dioxide recovery apparatus 10 shown in FIG. 1 is used will be described. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a fuel cell facility (MCFC). The illustrated MCFC 20 is, for example, a 50 KW class, and includes a reforming unit 23, a fuel cell 24, and a catalytic combustor 26. And these reforming part 23, the fuel cell 24, and the catalytic combustor 26 are accommodated in the pressure vessel 27, for example. The MCFC 20 is supplied with a liquefied hydrocarbon gas mixture (for example, liquefied natural gas (LNG)) containing a plurality of types of liquefied hydrocarbon gases having different boiling points. The liquefied hydrocarbon gas mixture is a fuel tank. (LNG tank) 21 is stored. The liquefied hydrocarbon gas mixture supplied from the fuel tank 21 is vaporized in the heat exchange unit 22. The reforming unit 23 generates hydrogen by reacting the hydrocarbon gas mixture, boil-off gas, and water vapor under high temperature conditions and the presence of a metal catalyst, and the boil-off gas generated inside the fuel tank 21 is discharged from the exhaust unit 25. Exhausted outside.

熱交換部22は、液化炭化水素ガス混合物に熱を供給して、液化炭化水素ガスを気化するためのものであり、熱交換部22における熱源としては、特に限定されるものではないが、例えば、外気、又は水若しくは温水等を挙げることができる。   The heat exchanging unit 22 is for supplying heat to the liquefied hydrocarbon gas mixture to vaporize the liquefied hydrocarbon gas, and the heat source in the heat exchanging unit 22 is not particularly limited. , Outside air, or water or warm water.

改質部23は、加圧されて水蒸気と混合された炭化水素ガス混合物を、水素に改質する改質室23aと加熱室23bとを有しており、改質室23aには、炭化水素ガス混合物を、水素に改質するための改質媒体が充填されている。加熱室23bには触媒燃焼器26が連結され、触媒燃焼器26での燃焼ガスが加熱室23bに与えられ、加熱室23bによって水蒸気改質に必要な熱が改質室23aに供給される。   The reforming unit 23 has a reforming chamber 23a and a heating chamber 23b that reforms a hydrocarbon gas mixture that has been pressurized and mixed with water vapor into hydrogen, and the reforming chamber 23a includes a hydrocarbon. A reforming medium for reforming the gas mixture into hydrogen is filled. A catalytic combustor 26 is connected to the heating chamber 23b, combustion gas in the catalytic combustor 26 is given to the heating chamber 23b, and heat necessary for steam reforming is supplied to the reforming chamber 23a by the heating chamber 23b.

燃料電池24としては、種々種の形態の燃料電池を用いることができるが、ここでは、例えば、溶融炭酸塩型燃料電池が用いられる。溶融炭酸塩型燃料電池は、燃料極(アノード)31と、空気極(カソード)32と、燃料極31及び空気極32に挟持される電解質層(図示せず)とを有する。   As the fuel cell 24, various types of fuel cells can be used. Here, for example, a molten carbonate fuel cell is used. The molten carbonate fuel cell includes a fuel electrode (anode) 31, an air electrode (cathode) 32, and an electrolyte layer (not shown) sandwiched between the fuel electrode 31 and the air electrode 32.

電解質層は、例えば、電解質である溶融塩を浸み込ませた多孔質平板であり、リチウムアルミネート(LiAlO)によって構成したマトリックスに、電解質である炭酸塩を主成分とする溶融塩を含浸させたものを用いる。炭酸塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭酸リチウム、炭酸カリウム、及び炭酸ナトリウム等の炭酸アルカリ金属塩、並びに、炭酸マグネシウム、及び炭酸カルシウム等の炭酸アルカリ土類金属塩等を挙げることができる。 The electrolyte layer is, for example, a porous flat plate in which a molten salt that is an electrolyte is impregnated, and a matrix composed of lithium aluminate (LiAlO 2 ) is impregnated with a molten salt mainly composed of a carbonate that is an electrolyte. Use The carbonate is not particularly limited, and examples thereof include alkali metal carbonates such as lithium carbonate, potassium carbonate, and sodium carbonate, and alkaline earth metal carbonates such as magnesium carbonate and calcium carbonate. Can be mentioned.

燃料極31及び空気極32としては、高温且つ酸化雰囲気に耐えられる導電性金属酸化物が用いられ、例えば、酸化ニッケル、酸化鉄、或いは酸化銅その他の金属酸化物に、リチウムがドープされたものを単独で、又は複数種を混合したものが用いられる。   As the fuel electrode 31 and the air electrode 32, a conductive metal oxide that can withstand high temperatures and an oxidizing atmosphere is used. For example, nickel oxide, iron oxide, copper oxide, or other metal oxide doped with lithium Is used alone or a mixture of a plurality of types.

図示の溶融炭酸塩型燃料電池においては、例えば、石炭火力発電所で発生する排ガス(石炭火力排ガス)が排ガス前処理装置29に与えられ、ここで前処理された後、空気と混合されて空気極32に与えられる(なお、前述の加熱室23bを通過した燃焼ガスは、排ガス前処理装置29からの前処理排ガスと混合される)。空気極32側では、下記の化学式(1)で表される電気化学反応が行われ、炭酸イオンが生成される(なお、空気極32で未反応の二酸化炭素と酸素を含むガスは、空気極32の出口より排気として排出され、その一部は触媒燃焼器26に与えられる)。

Figure 2010228963
In the molten carbonate fuel cell shown in the figure, for example, exhaust gas (coal-fired exhaust gas) generated at a coal-fired power plant is supplied to the exhaust gas pre-treatment device 29, where it is pre-treated and then mixed with air. (The combustion gas that has passed through the heating chamber 23b is mixed with the pretreatment exhaust gas from the exhaust gas pretreatment device 29). On the air electrode 32 side, an electrochemical reaction represented by the following chemical formula (1) is performed, and carbonate ions are generated (a gas containing unreacted carbon dioxide and oxygen in the air electrode 32 is an air electrode). 32 is discharged as exhaust gas, and a part thereof is given to the catalytic combustor 26).
Figure 2010228963

生成された炭酸イオンは、電解質層を泳動して燃料極31に達し、燃料極31側で、下記の化学式(2)で表される電気化学反応が行われ、電子が奪われることにより、炭酸イオンから炭酸ガスが生成され、炭酸ガスを含むガス(排ガス)がガス出口から排出される。

Figure 2010228963
The generated carbonate ions migrate through the electrolyte layer and reach the fuel electrode 31. On the fuel electrode 31 side, an electrochemical reaction represented by the following chemical formula (2) is performed, and electrons are deprived. Carbon dioxide is generated from the ions, and a gas (exhaust gas) containing carbon dioxide is discharged from the gas outlet.
Figure 2010228963

そして、これらの電気化学反応が進行することによって、発電が行われるとともに、水素が酸化されて水が生成される。燃料極31からの排ガスは触媒燃焼器26に与えられるとともに、燃焼極(アノード)戻りガス予熱器28に与えられる。そして、アノード戻りガス予熱器28に、二酸化炭素回収装置10が接続されて、ここで二酸化炭素が回収されることになる。なお、二酸化炭素回収装置10で二酸化炭素を回収した後の排ガスはアノード戻りガス予熱器28に戻され、予熱された後触媒燃焼器26に供給される。   As these electrochemical reactions proceed, power generation is performed and hydrogen is oxidized to produce water. The exhaust gas from the fuel electrode 31 is supplied to the catalytic combustor 26 and to the combustion electrode (anode) return gas preheater 28. The carbon dioxide recovery device 10 is connected to the anode return gas preheater 28, where carbon dioxide is recovered. The exhaust gas after the carbon dioxide is recovered by the carbon dioxide recovery device 10 is returned to the anode return gas preheater 28 and is preheated and then supplied to the catalytic combustor 26.

ところで、燃料電池24に用いられる液化炭化水素ガス混合物としては、入手の容易性の観点等から、液化天然ガス(LNG)を用いることが好ましい。液化天然ガスにおいては、メタン等が低沸点の炭化水素として含まれている。このため、液化天然ガスを液化炭化水素ガス混合物として用いた場合には、メタンガスを含むボイルオフガスが発生する。このボイルオフガスは、第1の自圧調整弁41及び第2の自圧調整弁42を介して排気部25から排気される。   By the way, as a liquefied hydrocarbon gas mixture used for the fuel cell 24, it is preferable to use liquefied natural gas (LNG) from a viewpoint of availability. In liquefied natural gas, methane and the like are contained as low-boiling hydrocarbons. For this reason, when liquefied natural gas is used as a liquefied hydrocarbon gas mixture, boil-off gas containing methane gas is generated. This boil-off gas is exhausted from the exhaust unit 25 via the first self-pressure adjusting valve 41 and the second self-pressure adjusting valve 42.

例えば、第1の自圧調整弁41は、当該弁への流入側の圧力が第1の所定の圧力以上となったときに開弁し、第2の自圧調整弁42は、当該弁への流入側の圧力が、第1の所定の圧力よりも低い第2の所定の圧力以上となったときに開弁する。   For example, the first self-pressure adjusting valve 41 is opened when the pressure on the inflow side to the valve becomes equal to or higher than a first predetermined pressure, and the second self-pressure adjusting valve 42 is connected to the valve. When the pressure on the inflow side becomes equal to or higher than a second predetermined pressure lower than the first predetermined pressure, the valve is opened.

熱交換部22からの炭化水素ガスは、第3の自圧調整弁43及び流量制御弁45を介して改質部23に与えられているが、第3の自圧調整弁43は、当該弁への流入側の圧力が第3の所定の圧力以上となったときに閉弁する。さらに、図示のように、第1の自圧調整弁41の出口側は第4の自圧調整弁44に接続され、第4の自圧調整弁44の出口側は第3の自圧調整弁43と流量制御弁45との間に接続されている。第4の自圧調整弁44は、当該弁の流入側の圧力が、第2の所定の圧力よりも低い第4の所定の圧力以上となったときに閉弁する。   The hydrocarbon gas from the heat exchanging unit 22 is given to the reforming unit 23 via the third self-pressure regulating valve 43 and the flow rate control valve 45. The valve is closed when the pressure on the inflow side becomes equal to or higher than a third predetermined pressure. Further, as shown, the outlet side of the first self-pressure adjusting valve 41 is connected to the fourth self-pressure adjusting valve 44, and the outlet side of the fourth self-pressure adjusting valve 44 is the third self-pressure adjusting valve. 43 and the flow control valve 45 are connected. The fourth self-pressure adjusting valve 44 is closed when the pressure on the inflow side of the valve becomes equal to or higher than a fourth predetermined pressure that is lower than the second predetermined pressure.

ところで、前述したように、燃料極31においては、高濃度の炭酸ガスを含む排ガスが排出されるが、本実施の形態では、二酸化炭素回収装置10は、燃料極31から排出される排ガスから炭酸ガスを回収して液化する。   By the way, as described above, exhaust gas containing high-concentration carbon dioxide gas is discharged from the fuel electrode 31, but in the present embodiment, the carbon dioxide recovery device 10 uses carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the fuel electrode 31. The gas is collected and liquefied.

ここで、再度図1を参照して、二酸化炭素回収装置10について説明する。燃料極(アノード)31から排出された排ガス(つまり、図2に示すアノード戻りガス予熱器28から与えられる排ガス)は、まず、第1の熱交換器11に与えられる。この排ガスは、約0.9MPaの圧力を有しており、炭酸ガス濃度は約88%である。そして、他に、水素、メタン、一酸化炭素等が12%程度含まれている。   Here, the carbon dioxide recovery apparatus 10 will be described with reference to FIG. 1 again. The exhaust gas discharged from the fuel electrode (anode) 31 (that is, the exhaust gas supplied from the anode return gas preheater 28 shown in FIG. 2) is first supplied to the first heat exchanger 11. This exhaust gas has a pressure of about 0.9 MPa, and the carbon dioxide concentration is about 88%. In addition, about 12% of hydrogen, methane, carbon monoxide and the like are included.

一方、第1の熱交換器11には、気液分離器13で分離された濃縮二酸化炭素(液化二酸化炭素)が冷媒として、膨張弁14を介して与えられ、第1の熱交換器11で排ガスが予冷される。なお、第1の熱交換器11を通過した液化二酸化炭素は、二酸化炭素回収タンク(図示せず)に送られる。   On the other hand, concentrated carbon dioxide (liquefied carbon dioxide) separated by the gas-liquid separator 13 is given to the first heat exchanger 11 through the expansion valve 14 as a refrigerant. The exhaust gas is precooled. The liquefied carbon dioxide that has passed through the first heat exchanger 11 is sent to a carbon dioxide recovery tank (not shown).

第1の熱交換器11で予冷された排ガスは、第2の熱交換器12に与えられる。第2の熱交換器12には、冷媒としてLNG(−160℃程度)が供給され、排ガスは第2の熱交換器12でさらに冷却される(図1には示されていないが、LNGは燃料タンク21から第2の熱交換器12に供給される)。この際、LNGは予め海水等で暖める等して温められ、排ガス中の二酸化炭素を液化する温度とされる。つまり、第2の熱交換器12では、排ガス中の二酸化炭素のみが液化されることになる。   The exhaust gas precooled by the first heat exchanger 11 is given to the second heat exchanger 12. LNG (about −160 ° C.) is supplied to the second heat exchanger 12 as a refrigerant, and the exhaust gas is further cooled by the second heat exchanger 12 (not shown in FIG. 1, Supplied from the fuel tank 21 to the second heat exchanger 12). At this time, LNG is heated in advance with seawater or the like, and is set to a temperature at which carbon dioxide in the exhaust gas is liquefied. That is, in the second heat exchanger 12, only carbon dioxide in the exhaust gas is liquefied.

このように、液化二酸化炭素を用いて排ガスを予冷した後、LNGを用いて排ガスを冷却して二酸化炭素を液化するようにしたため、LNGのみで冷却する場合に比べて効率的に排ガスの冷却を行って、二酸化炭素を液化することができる。なお、気液混合状態となった排ガスにおいては、二酸化炭素の濃度が約99%に濃縮されていることが確認できた。   In this way, after pre-cooling the exhaust gas using liquefied carbon dioxide, the exhaust gas is cooled using LNG to liquefy the carbon dioxide, so that the exhaust gas can be cooled more efficiently than when cooling with LNG alone. The carbon dioxide can be liquefied. In the exhaust gas in a gas-liquid mixed state, it was confirmed that the concentration of carbon dioxide was concentrated to about 99%.

第2の熱交換器12を通過したLNGは、排ガスと熱交換することになるから、LNGは気化して炭化水素ガスとなる。そして、この炭化水素は改質部23(つまり、改質室23a)に送られる。なお、図1に示す熱交換部22を第2の熱交換器12として用いるようにすれば、熱交換器の台数を削減することができる。   Since the LNG that has passed through the second heat exchanger 12 exchanges heat with the exhaust gas, the LNG is vaporized and becomes hydrocarbon gas. Then, this hydrocarbon is sent to the reforming section 23 (that is, the reforming chamber 23a). In addition, if the heat exchange part 22 shown in FIG. 1 is used as the 2nd heat exchanger 12, the number of heat exchangers can be reduced.

気液混合状態の排ガスは、気液分離器13に送られ、ここで、気液分離が行われる。つまり、液化二酸化炭素とガス成分とが気液分離器13で分離され、液化二酸化炭素は膨張弁14を介して第1の熱交換器11に送られる。一方、ガス成分、つまり、水素、メタン等は、例えば、アノード戻りガス予熱器28を介して触媒燃焼器26に送られる。   The exhaust gas in a gas-liquid mixed state is sent to the gas-liquid separator 13 where gas-liquid separation is performed. That is, the liquefied carbon dioxide and the gas component are separated by the gas-liquid separator 13, and the liquefied carbon dioxide is sent to the first heat exchanger 11 via the expansion valve 14. On the other hand, gas components, that is, hydrogen, methane, and the like are sent to the catalytic combustor 26 via the anode return gas preheater 28, for example.

図3は、気液分離器13における高濃度二酸化炭素を含む排ガスの熱物質収支を示す図であり、排ガス(図3においてAで示す)は、約88%の炭酸ガス、約6%の水素、約3%の一酸化炭素、約2%のメタンを含んでいる。そして、この排ガスが徐々に冷却されて、気液混合状態となり、図3に符号Eで示す状態となると、液化二酸化炭素の濃度(割合)約99%となることが分かる。   FIG. 3 is a diagram showing a thermal mass balance of exhaust gas containing high-concentration carbon dioxide in the gas-liquid separator 13. The exhaust gas (indicated by A in FIG. 3) is about 88% carbon dioxide gas and about 6% hydrogen. About 3% carbon monoxide and about 2% methane. And when this exhaust gas is cooled gradually and it will be in a gas-liquid mixed state and will be in the state shown by the code | symbol E in FIG. 3, it turns out that the density | concentration (ratio) of liquefied carbon dioxide will be about 99%.

上述のように、本実施の形態では、燃料電池からの排ガスから二酸化炭素を液化して回収する際に、燃料電池で使用されるLNGを冷媒として用いて二酸化炭素を液化するようにしたので、二酸化炭素回収の際に動力の削減を行うことができ、その結果、省エネルギーでしかも効率的に二酸化炭素の回収を行うことができる。   As described above, in the present embodiment, when carbon dioxide is liquefied and recovered from the exhaust gas from the fuel cell, the carbon dioxide is liquefied using LNG used in the fuel cell as a refrigerant. The power can be reduced during the carbon dioxide recovery, and as a result, the carbon dioxide can be efficiently recovered while saving energy.

さらに、本実施の形態では、液化二酸化炭素を燃料電池からの排ガスの予冷に用いるようにしたので、LNGのみで冷却する場合に比べて効率的に排ガスの冷却を行って、二酸化炭素を液化することができる。   Furthermore, in the present embodiment, since the liquefied carbon dioxide is used for precooling the exhaust gas from the fuel cell, the exhaust gas is cooled more efficiently than in the case of cooling only with LNG, and the carbon dioxide is liquefied. be able to.

また、本実施の形態では、気液分離器で回収されたガス成分(水素など)を燃料電池に燃料として再度供給するようにしたので、排ガスに含まれていた二酸化炭素以外の成分である水素などを有効に利用することができる。   In the present embodiment, since the gas component (hydrogen etc.) recovered by the gas-liquid separator is supplied again to the fuel cell as fuel, hydrogen which is a component other than carbon dioxide contained in the exhaust gas. Can be used effectively.

上述の実施の形態では、燃料電池から排出される排ガスから二酸化炭素を回収する例については説明したが、火力発電所などの二酸化炭素を多量に発生する設備(二酸化炭素発生設備)においても用いることができる。この際には、火力発電所などに貯蔵されたLNGを冷媒として用いることが好ましい。また、気液分離器で分離した水素等のガス成分を別の燃料電池に燃料として供給するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, an example in which carbon dioxide is recovered from exhaust gas discharged from the fuel cell has been described. However, it is also used in facilities (carbon dioxide generating facilities) that generate a large amount of carbon dioxide such as thermal power plants. Can do. In this case, it is preferable to use LNG stored in a thermal power plant as a refrigerant. Further, a gas component such as hydrogen separated by the gas-liquid separator may be supplied as fuel to another fuel cell.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限るものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施例に記載されたものに限定されるものではない。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to embodiment mentioned above. The effects described in the embodiments of the present invention are only the most preferable effects resulting from the present invention, and the effects of the present invention are limited to those described in the embodiments of the present invention. is not.

10 二酸化炭素回収装置
11,12 熱交換器
13 気液分離器
14 膨張弁
20 燃料電池発電設備(MCFC)
21 燃料タンク
22 熱交換部
23 改質部
24 燃料電池
25 排気部
26 触媒燃焼器
27 圧力容器
28 アノード戻りガス予熱器
29 排ガス前処理装置
31 燃料極(アノード)
32 空気極(カソード)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Carbon dioxide recovery device 11,12 Heat exchanger 13 Gas-liquid separator 14 Expansion valve 20 Fuel cell power generation facility (MCFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Fuel tank 22 Heat exchange part 23 Reformer part 24 Fuel cell 25 Exhaust part 26 Catalytic combustor 27 Pressure vessel 28 Anode return gas preheater 29 Exhaust gas pretreatment device 31 Fuel electrode (anode)
32 Air electrode (cathode)

Claims (9)

二酸化炭素を含む排ガスを発生する設備で用いられ、前記排ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素回収装置であって、
前記排ガスを冷却して、二酸化炭素が液化された状態の気液混合状態の流体とする熱交換手段と、
前記気液混合状態の流体から液化二酸化炭素を分離して回収する気液分離手段とを有することを特徴とする二酸化炭素回収装置。
A carbon dioxide recovery device that is used in equipment that generates exhaust gas containing carbon dioxide, and that recovers carbon dioxide from the exhaust gas,
Heat exchange means for cooling the exhaust gas to form a gas-liquid mixed state fluid in a state in which carbon dioxide is liquefied;
And a gas-liquid separation means for separating and recovering liquefied carbon dioxide from the gas-liquid mixed fluid.
前記熱交換手段は、前記液化二酸化炭素を用いて前記排ガスを予冷する第1の熱交換器と、
予め定められた冷媒を用いて前記第1の熱交換器で予冷された排ガスを冷却して前記気液混合状態の流体とする第2の熱交換器とを有することを特徴とする請求項1記載の二酸化炭素回収装置。
The heat exchange means includes a first heat exchanger that pre-cools the exhaust gas using the liquefied carbon dioxide,
2. A second heat exchanger comprising: a second heat exchanger that cools the exhaust gas pre-cooled by the first heat exchanger using a predetermined refrigerant to form the fluid in the gas-liquid mixed state. The carbon dioxide recovery device described.
前記設備は、液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池であり、
前記予め定められた冷媒は、前記液化炭化水素ガス混合物であることを特徴とする請求項2記載の二酸化炭素回収装置。
The facility is a fuel cell driven using a liquefied hydrocarbon gas mixture containing liquefied hydrocarbon gas as a raw material,
The carbon dioxide recovery apparatus according to claim 2, wherein the predetermined refrigerant is the liquefied hydrocarbon gas mixture.
前記燃料電池は、溶融炭酸塩型燃料電池であり、
前記燃料電池のアノードには前記液化炭化水素ガス混合物から分離された水素が供給され、
前記燃料電池のカソードには少なくとも二酸化炭素及び酸素が供給され、
前記燃料電池のカソードに供給される二酸化炭素は火力発電所から発生する排ガス中に含まれる二酸化炭素であることを特徴とする請求項3記載の二酸化炭素回収装置。
The fuel cell is a molten carbonate fuel cell,
Hydrogen separated from the liquefied hydrocarbon gas mixture is supplied to the anode of the fuel cell,
At least carbon dioxide and oxygen are supplied to the cathode of the fuel cell,
The carbon dioxide recovery apparatus according to claim 3, wherein carbon dioxide supplied to the cathode of the fuel cell is carbon dioxide contained in exhaust gas generated from a thermal power plant.
前記第1の熱交換器を通過した液化二酸化炭素を回収する回収タンクを有することを特徴とする請求項2記載の二酸化炭素回収装置。   The carbon dioxide recovery apparatus according to claim 2, further comprising a recovery tank that recovers the liquefied carbon dioxide that has passed through the first heat exchanger. 前記燃料電池は、前記液化炭化水素ガス混合物を気化して炭化水素ガス混合物とする熱交換部と、前記炭化水素ガス混合物を水素に改質する改質部とを有する燃料電池設備の一部であり、
前記液化炭化水素ガス混合物を前記第2の熱交換器で気化して、前記改質部に送ることを特徴とする請求項3記載の二酸化炭素回収装置。
The fuel cell is a part of a fuel cell facility having a heat exchange unit that vaporizes the liquefied hydrocarbon gas mixture to form a hydrocarbon gas mixture, and a reforming unit that reforms the hydrocarbon gas mixture into hydrogen. Yes,
The carbon dioxide recovery apparatus according to claim 3, wherein the liquefied hydrocarbon gas mixture is vaporized by the second heat exchanger and sent to the reforming unit.
前記燃料電池設備は、前記気液分離手段で分離された液化二酸化炭素以外のガス成分が供給される燃焼室を有し、
前記改質部は、加圧されて水蒸気と混合された炭化水素ガス混合物を水素に改質する改質室と、前記燃焼室から供給される燃焼ガスによって前記水蒸気の改質に必要な熱を供給する加熱室とを有することを特徴とする請求項6記載の二酸化炭素回収装置。
The fuel cell facility has a combustion chamber to which gas components other than liquefied carbon dioxide separated by the gas-liquid separation means are supplied,
The reforming unit is configured to reform a hydrocarbon gas mixture that has been pressurized and mixed with steam into hydrogen, and to generate heat necessary for reforming the steam by the combustion gas supplied from the combustion chamber. The carbon dioxide recovery device according to claim 6, further comprising a heating chamber to be supplied.
前記加熱室を通過した燃焼ガスを前記燃料電池のカソードに供給するようにしたことを特徴とする請求項7記載の二酸化炭素回収装置。   8. The carbon dioxide recovery apparatus according to claim 7, wherein the combustion gas that has passed through the heating chamber is supplied to the cathode of the fuel cell. 前記第2の熱交換器と前記熱交換部とを共用するようにしたことを特徴とする請求項6記載の二酸化炭素回収装置。   The carbon dioxide recovery apparatus according to claim 6, wherein the second heat exchanger and the heat exchange unit are shared.
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