JP2012250224A - Hybrid adsorbent and recovery method of carbon dioxide in gas - Google Patents

Hybrid adsorbent and recovery method of carbon dioxide in gas Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a recovery method of carbon dioxide in a gas, with which the energy consumption can be reduced more than a conventional method upon the desorption of carbon dioxide from an adsorbent in a physical adsorption method.SOLUTION: After the carbon dioxide in the carbon dioxide-containing gas is adsorbed by a hybrid adsorbent in which the adsorbent and an activated carbon are mixed, a microwave is irradiated to the hybrid adsorbent so that the adsorbed carbon dioxide is desorbed and recovered.

Description

本発明は、ハイブリッド吸着剤と、このハイブリッド吸着材を用いて高炉ガスや燃焼排ガス等の二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離して回収する方法とに関する。   The present invention relates to a hybrid adsorbent and a method for separating and recovering carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas such as blast furnace gas or combustion exhaust gas using the hybrid adsorbent.

近年、地球温暖化を防止するために有効な対策の早期実施が望まれている。大気中の二酸化炭素は、地球温暖化を引き起こす温室効果ガスの主成分である。そのため、火力発電所等から排出される燃焼排ガスや製鉄所の高炉ガス中の二酸化炭素を分離して回収し、この二酸化炭素を固定化又は有効利用できれば、地球温暖化を大きく抑制できると考えられる。   In recent years, early implementation of effective measures for preventing global warming is desired. Carbon dioxide in the atmosphere is the main component of greenhouse gases that cause global warming. Therefore, it is thought that global warming can be greatly suppressed if carbon dioxide in combustion exhaust gas discharged from thermal power plants, etc. and carbon dioxide in blast furnace gas of steelworks are separated and recovered, and this carbon dioxide can be fixed or effectively used. .

二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離して回収する方法として、アミン系吸収液を用いる化学吸収法及び吸着剤を用いる物理吸着法が実用化されている。
アミンを用いる化学吸収法は、1930年代に開発され尿素合成プラントで実用化されている。しかし、特許文献1に示されるように、吸収液としてモノエタノールアミン等のアルカノールアミンの水溶液を用いた場合、この水溶液が装置を腐食しやすいため、高価な耐食鋼の装置を用いる必要がある。また、特許文献1に記載された物理吸着法は、吸収液から二酸化炭素を脱離させるために高いエネルギーを必要とする。
As a method for separating and recovering carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas, a chemical absorption method using an amine-based absorbent and a physical adsorption method using an adsorbent have been put into practical use.
A chemical absorption method using an amine was developed in the 1930s and put into practical use at a urea synthesis plant. However, as disclosed in Patent Document 1, when an aqueous solution of an alkanolamine such as monoethanolamine is used as the absorbing solution, this aqueous solution is likely to corrode the apparatus, and therefore it is necessary to use an expensive corrosion-resistant steel apparatus. Moreover, the physical adsorption method described in Patent Document 1 requires high energy to desorb carbon dioxide from the absorbing solution.

活性炭またはゼオライトを吸着剤として用いる吸着法については、真空ポンプを用いた減圧によって吸着剤から二酸化炭素を脱離させる圧力スウィング(PSA)法が小規模な装置に対して普及している。このPSA法は、非特許文献1に示すように、乾式法であるため化学吸収法では必要とされる腐食対策が不要であるというメリットを有する。しかしながら、PSA法は、真空ポンプを用いて二酸化炭素を脱離させる際に高いエネルギーを必要とするという欠点を有する。また、非特許文献2に示されるように、大規模な装置を用いた場合には、装置内の充填層の層厚が厚くなり、二酸化炭素の脱離の際に圧力損失ΔPが大きくなる。そのため、層上部に必要な到達真空度(数kPaレベル)を確保できず、二酸化炭素の回収量が低下する。また、この層上部に必要な到達真空度を確保するためには、高性能の真空ポンプが必要である。この場合には、二酸化炭素を脱離させるために必要とされるエネルギーがさらに増加する、という問題が生じる。   As an adsorption method using activated carbon or zeolite as an adsorbent, a pressure swing (PSA) method in which carbon dioxide is desorbed from the adsorbent by depressurization using a vacuum pump is widely used for small-scale apparatuses. As shown in Non-Patent Document 1, this PSA method has a merit that it is a dry method, and therefore does not require a countermeasure against corrosion that is required in the chemical absorption method. However, the PSA method has a drawback of requiring high energy when desorbing carbon dioxide using a vacuum pump. Further, as shown in Non-Patent Document 2, when a large-scale apparatus is used, the layer thickness of the packed bed in the apparatus increases, and the pressure loss ΔP increases when carbon dioxide is desorbed. For this reason, the required ultimate vacuum (several kPa level) cannot be ensured in the upper part of the layer, and the amount of carbon dioxide recovered decreases. In addition, a high-performance vacuum pump is required to ensure the necessary ultimate vacuum above the layer. In this case, there arises a problem that the energy required for desorbing carbon dioxide further increases.

特許文献2には、産業廃水処理、生活廃水処理、上水処理等の水処理、溶剤回収または空気浄化に使用されて老廃化した活性炭を再生する際に、マイクロ波加熱の下で老廃炭を水蒸気等の活性炭賦活用ガスと接触させる方法が開示されている。しかし、二酸化炭素の脱離に関する内容は開示されておらず、マイクロ波照射方法に関する詳細な内容も開示されていない。   In Patent Document 2, when regenerated activated carbon used for water treatment such as industrial wastewater treatment, domestic wastewater treatment, and water treatment, solvent recovery or air purification, waste carbon is treated under microwave heating. A method of contacting with an activated carbon utilization gas such as water vapor is disclosed. However, the contents relating to the desorption of carbon dioxide are not disclosed, and the detailed contents relating to the microwave irradiation method are not disclosed.

特許文献3に示すように、本発明者らは、これまでに、ガス中の二酸化炭素の分離回収技術として、物理吸着法に使用する吸着剤から二酸化炭素を脱離させる際にマイクロ波を照射することによって、従来法よりもエネルギー消費量を低減可能にする方法を見出している。この特許文献3には、吸着剤としてゼオライト、活性炭が有効であることが開示されている。
なお、マイクロ波を加熱に用いた例として、特許文献4には、アプリケータ内でマイクロ波をあててマグネタイトを発熱させ、この発熱状態にあるマグネタイトにフロンガスを接触させることによってフロンを分解することが開示されている。
As shown in Patent Document 3, the present inventors have so far applied a microwave when desorbing carbon dioxide from an adsorbent used in a physical adsorption method as a technique for separating and recovering carbon dioxide in a gas. By doing so, the present inventors have found a method that makes it possible to reduce energy consumption more than the conventional method. Patent Document 3 discloses that zeolite and activated carbon are effective as the adsorbent.
As an example in which microwaves are used for heating, Patent Document 4 discloses that in an applicator, microwaves are applied to generate magnetite to generate heat, and CFCs are decomposed by bringing CFCs into contact with the magnetite in the heat generation state. Is disclosed.

特開2006−240966号公報JP 2006-240966 A 特開昭51−43394号公報JP 51-43394 A 特開2008−273821号公報JP 2008-238221 A 特開平6−293501号公報JP-A-6-293501

川井利長,鈴木謙一郎,化学装置,Vol.31(8),p.54(1989)Toshicho Kawai, Kenichiro Suzuki, Chemical Equipment, Vol.31 (8), p.54 (1989) 若村修,芝村謙太郎,上野山清,新日鉄技報,No.345,p.55(1992)Osamu Wakamura, Kentaro Shibamura, Kiyoshi Uenoyama, Nippon Steel Technical Report, No.345, p.55 (1992)

上述したように、二酸化炭素の吸着剤を用いた物理吸着による分離回収法において、吸着した二酸化炭素を吸着剤から脱離させる方法としては、系(充填層)内を減圧して吸着剤から二酸化炭素を脱離する圧力スウィング(PSA)法が一般に用いられている。しかしながら、このPSA法は、上述した問題点を有するため、大規模操業には適していない。また、吸着剤から二酸化炭素を脱離させる方法として、系(充填層)内の温度を上げる熱スウィング(TSA)法も考えられる。このTSA法では、加熱した二酸化炭素を用いて吸着剤を加熱し、吸着した二酸化炭素を吸着剤から脱離させ、低温の窒素や空気等の気体を用いて吸着剤を冷却した後、二酸化炭素含有ガスを流通させて二酸化炭素を吸着させる。TSA法における昇温と降温とは、基本的に気体と固体(吸着剤)との間の伝熱に依存する。したがって、TSA法では、PSA法に比べて二酸化炭素の脱離に時間が掛かるという問題がある。   As described above, in the separation and recovery method by physical adsorption using a carbon dioxide adsorbent, the method of desorbing the adsorbed carbon dioxide from the adsorbent is to reduce the pressure in the system (packed bed) and remove the carbon dioxide from the adsorbent. A pressure swing (PSA) method for desorbing carbon is generally used. However, since this PSA method has the above-mentioned problems, it is not suitable for large-scale operation. Further, as a method for desorbing carbon dioxide from the adsorbent, a thermal swing (TSA) method for raising the temperature in the system (packed bed) is also conceivable. In this TSA method, the adsorbent is heated using heated carbon dioxide, the adsorbed carbon dioxide is desorbed from the adsorbent, and the adsorbent is cooled using a gas such as low-temperature nitrogen or air. The contained gas is circulated to adsorb carbon dioxide. The temperature increase and temperature decrease in the TSA method basically depends on heat transfer between the gas and the solid (adsorbent). Therefore, the TSA method has a problem that it takes time to desorb carbon dioxide as compared with the PSA method.

そこで、本発明者らは、以上の従来技術の問題点に鑑み、TSA法において昇温と降温とを短時間で実施することができれば、PSA法よりもより効率的に吸着剤から二酸化炭素を脱離させることができると考えた。そこで、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、二酸化炭素の脱離時にマイクロ波を照射することにより効率的に二酸化炭素を脱離できることを見いだした(特許文献3参照)。しかし、二酸化炭素の回収コストをより低減するためには、二酸化炭素の脱離に必要なエネルギーを更に低減し、二酸化炭素の回収量を更に増加させる必要がある。   Therefore, in view of the above-described problems of the prior art, the present inventors have been able to carry out the carbon dioxide from the adsorbent more efficiently than the PSA method if the temperature increase and decrease can be performed in a short time in the TSA method. We thought that it could be desorbed. Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have found that carbon dioxide can be efficiently desorbed by irradiating microwaves during desorption of carbon dioxide (see Patent Document 3). However, in order to further reduce the carbon dioxide recovery cost, it is necessary to further reduce the energy required for desorption of carbon dioxide and further increase the amount of carbon dioxide recovered.

従って、本発明は、物理吸着法によって吸着剤から二酸化炭素を脱離させる際に、従来法よりもエネルギー消費を低減することができるガス中の二酸化炭素の回収方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for recovering carbon dioxide in a gas that can reduce energy consumption as compared with conventional methods when desorbing carbon dioxide from an adsorbent by a physical adsorption method. .

本発明者らは、二酸化炭素回収エネルギー原単位を更に低減可能な吸着剤として、よりマイクロ波を吸収しやすい物質が吸着剤に混合されたハイブリッド吸着剤を用いることで上記課題を解決できると考えた。そこで、本発明者らは、この物質を鋭意検討した結果、活性炭が効果的であることを見出した。すなわち、本発明者らは、活性炭をゼオライト等の吸着剤中に混合したハイブリッド吸着剤を用いることで、より低エネルギーで二酸化炭素を脱離でき、二酸化炭素の回収量を増加できることを見出した。
本明細書で用いる用語「二酸化炭素回収エネルギー原単位」は、単位質量(例えば、1kg)の二酸化炭素を回収するために必要とされるエネルギー量を表す。すなわち、二酸化炭素回収エネルギー原単位は、照射マイクロ波の電力量を使用電力量に換算し、この使用電力量を脱離した二酸化炭素の質量で除して計算される。
The present inventors believe that the above problem can be solved by using a hybrid adsorbent in which a substance that easily absorbs microwaves is mixed with the adsorbent as an adsorbent that can further reduce the carbon dioxide recovery energy intensity. It was. Therefore, as a result of intensive studies on this substance, the present inventors have found that activated carbon is effective. That is, the present inventors have found that carbon dioxide can be desorbed with lower energy and the amount of carbon dioxide recovered can be increased by using a hybrid adsorbent obtained by mixing activated carbon in an adsorbent such as zeolite.
As used herein, the term “carbon dioxide recovery energy intensity” refers to the amount of energy required to recover unit mass (eg, 1 kg) of carbon dioxide. That is, the carbon dioxide recovery energy intensity is calculated by converting the amount of power of the irradiation microwave into the amount of power used and dividing this amount of power used by the mass of carbon dioxide desorbed.

その発明の要旨とするところは、以下の通りである。
(1)本発明の一態様に係るハイブリッド吸着剤は、二酸化炭素を吸着する吸着剤とマイクロ波を吸収する活性炭とを含有し、前記活性炭の混合量が、0.1mass%以上50mass%以下である。前記活性炭の混合量は好ましくは15mass%以上30mass%以下である。
The gist of the invention is as follows.
(1) The hybrid adsorbent according to an aspect of the present invention includes an adsorbent that adsorbs carbon dioxide and activated carbon that absorbs microwaves, and a mixing amount of the activated carbon is 0.1 mass% or more and 50 mass% or less. is there. The mixing amount of the activated carbon is preferably 15 mass% or more and 30 mass% or less.

(2)上記(1)に記載のハイブリッド吸着剤では、前記吸着剤は、結晶性ゼオライト、メソポーラスシリカの少なくとも一つを含んでもよい。 (2) In the hybrid adsorbent described in (1) above, the adsorbent may include at least one of crystalline zeolite and mesoporous silica.

(3)上記(2)に記載のハイブリッド吸着剤では、前記吸着剤は、化学式Na86[(AlO2)86(SiO2)106]・276H2Oで示される結晶性ゼオライトであってもよい。 (3) In the hybrid adsorbent described in (2) above, the adsorbent may be a crystalline zeolite represented by the chemical formula Na 86 [(AlO 2 ) 86 (SiO 2 ) 106 ] · 276H 2 O. .

(4)上記(1)に記載のハイブリッド吸着剤は、結合材により成形して使用されてもよい。 (4) The hybrid adsorbent described in (1) above may be used after being molded with a binder.

(5)本発明の一態様に係るガス中の二酸化炭素の回収方法では、上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載のハイブリッド吸着剤に、ガス中の二酸化炭素を吸着させ;前記二酸化炭素を吸着したハイブリッド吸着剤にマイクロ波を照射して、前記ハイブリッド吸着剤に吸着されている前記二酸化炭素を前記ハイブリッド吸着剤から脱離させ;前記ハイブリッド吸着剤から脱離した前記二酸化炭素を回収する。 (5) In the method for recovering carbon dioxide in a gas according to one aspect of the present invention, the hybrid adsorbent according to any one of (1) to (4) described above is caused to adsorb carbon dioxide in the gas; The hybrid adsorbent that has adsorbed carbon dioxide is irradiated with microwaves to desorb the carbon dioxide adsorbed on the hybrid adsorbent from the hybrid adsorbent; the carbon dioxide desorbed from the hybrid adsorbent Recover.

本発明の二酸化炭素含有ガスからの二酸化炭素の回収方法を用いることにより、二酸化炭素含有ガスからの二酸化炭素の分離・回収を、従来よりも安価で効率的に行うことができる。   By using the method for recovering carbon dioxide from the carbon dioxide-containing gas of the present invention, it is possible to efficiently separate and recover carbon dioxide from the carbon dioxide-containing gas at a lower cost than before.

図1は、本発明の二酸化炭素の回収方法を実施するための回収装置の一例を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a recovery apparatus for carrying out the carbon dioxide recovery method of the present invention. 図2は、本発明の2塔を用いた場合のサイクルタイムの説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the cycle time when the two towers of the present invention are used.

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
本発明で使用する吸着剤は、二酸化炭素吸着能を有する物質であれば適用が可能である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
The adsorbent used in the present invention is applicable as long as it has a carbon dioxide adsorption ability.

例えば、活性炭、活性コークス、及び、ゼオライト、メソポーラスシリカ、活性アルミナ、モンモリロナイトのような粘土化合物が吸着剤として使用できる。特に、二酸化炭素吸着能に優れた結晶性ゼオライト(A型、X型、Y型、モルデナイト(MOR)型等)及びメソポーラスシリカが好ましい。中でも、化学式Na86[(AlO2)86(SiO2)106]・276H2Oで示される結晶性ゼオライト(モレキュラーシーブ13X(MS−13X))がより好ましい。この結晶性ゼオライトは、二酸化炭素の吸着量が多いため、吸着剤として効果的である。 For example, activated carbon, activated coke, and clay compounds such as zeolite, mesoporous silica, activated alumina, and montmorillonite can be used as the adsorbent. In particular, crystalline zeolite (A type, X type, Y type, mordenite (MOR) type, etc.) and mesoporous silica excellent in carbon dioxide adsorption ability are preferable. Among these, crystalline zeolite (molecular sieve 13X (MS-13X)) represented by the chemical formula Na 86 [(AlO 2 ) 86 (SiO 2 ) 106 ] · 276H 2 O is more preferable. This crystalline zeolite is effective as an adsorbent because of its large amount of carbon dioxide adsorption.

本発明においては、上記吸着剤と活性炭とを混合したハイブリッド吸着剤を使用する。上記吸着剤はそれ自身がマイクロ波を吸収することができ、吸着剤として用いる結晶性ゼオライト(モレキュラーシーブ13X(MS−13X))は、さらにマイクロ波を吸収し易い物質ではあるが、吸着剤に混合する活性炭は、より一層マイクロ波を吸収し易いため、マイクロ波照射によって効率的に加熱される。その一方で、活性炭は自身が二酸化炭素の吸着剤でもあるが、上記の吸着剤に比べると吸着能は劣る。マイクロ波照射による加熱は、活性炭による導電損失効果によるものである。   In the present invention, a hybrid adsorbent obtained by mixing the adsorbent and activated carbon is used. The adsorbent itself can absorb microwaves, and the crystalline zeolite used as the adsorbent (molecular sieve 13X (MS-13X)) is a substance that easily absorbs microwaves. The activated carbon to be mixed is more easily absorbed by microwaves, and is therefore efficiently heated by microwave irradiation. On the other hand, activated carbon itself is an adsorbent for carbon dioxide, but its adsorbability is inferior to that of the adsorbent. Heating by microwave irradiation is due to the conductive loss effect of activated carbon.

本明細書で用いる用語「ハイブリッド吸着剤」は、上述したゼオライト等の吸着剤と上述した活性炭とを混合して得られる吸着剤である。   The term “hybrid adsorbent” used in the present specification is an adsorbent obtained by mixing an adsorbent such as the above-mentioned zeolite and the above-mentioned activated carbon.

ハイブリッド吸着剤中の活性炭の混合量(配合量)は、0.1mass%〜50mass%であることが好ましい。活性炭の混合量が、0.1mass%以上であれば、マイクロ波照射により活性炭が発熱し活性炭から吸着剤への伝熱を十分に行うことができる。また、活性炭の混合量が、50mass%以下であれば、吸着剤の混合量が50mass%以上となり、吸着剤による二酸化炭素の吸着量を十分に確保できる。より好ましくは、活性炭の混合量は、2mass%〜30mass%である。最も好ましくは、活性炭の混合量は、15mass%〜30mass%である。この場合には、発熱/伝熱量と二酸化炭素の吸着量とのバランスが最適化され、より効率的に二酸化炭素を回収することができる。また、二酸化炭素の吸着量を十分に確保するために、ハイブリッド吸着剤中の吸着剤の混合量は、50mass%〜99.9mass%であることが好ましい。ハイブリッド吸着剤は、粉末でも使用できる。しかしながら、一般的な吸着剤と同様に、圧力損失を抑えるためにガスの流速に応じて、粘土等の結合材を用い、ハイブリッド吸着剤を直径2mm〜5mm程度の球状またはペレット状に造粒(成形)することが好ましい。なお、この結合材の量は、ハイブリッド吸着剤の量の外数として評価される。   The mixing amount (blending amount) of activated carbon in the hybrid adsorbent is preferably 0.1 mass% to 50 mass%. If the mixing amount of the activated carbon is 0.1 mass% or more, the activated carbon generates heat by microwave irradiation, and heat transfer from the activated carbon to the adsorbent can be sufficiently performed. Moreover, if the mixing amount of activated carbon is 50 mass% or less, the mixing amount of an adsorbent will be 50 mass% or more, and the adsorption amount of the carbon dioxide by an adsorbent can fully be ensured. More preferably, the mixing amount of the activated carbon is 2 mass% to 30 mass%. Most preferably, the mixing amount of activated carbon is 15 mass% to 30 mass%. In this case, the balance between the heat generation / heat transfer amount and the adsorption amount of carbon dioxide is optimized, and carbon dioxide can be recovered more efficiently. In order to ensure a sufficient amount of carbon dioxide adsorption, the adsorbent mixing amount in the hybrid adsorbent is preferably 50 mass% to 99.9 mass%. The hybrid adsorbent can also be used in powder form. However, as with a general adsorbent, a hybrid adsorbent is granulated into a spherical or pellet shape having a diameter of about 2 mm to 5 mm using a binder such as clay according to the gas flow rate in order to suppress pressure loss. Forming). Note that the amount of the binder is evaluated as an external number of the amount of the hybrid adsorbent.

以下、添付図面に基づいて、本発明のハイブリッド吸着剤を用いた二酸化炭素の回収方法について好適な実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態では、例えば、図1に示すような回収装置を用いて、吸着工程と、洗浄工程と、脱離工程と、冷却工程とを繰り返し、二酸化炭素を回収する。
吸着工程では、切替弁V及びVが開状態かつ切替弁V〜Vが閉状態にある。この吸着工程では、除湿した二酸化炭素を含有したガスが流路1を通って吸着塔2内のハイブリッド吸着剤を充填した充填層(図示せず)に導入される。吸着塔2内では、他のガスに比べて二酸化炭素が優先的に吸着され、吸着されなかったガスは、流路9を通って排出される。この吸着工程では、流路6は、閉じられている。
Hereinafter, preferred embodiments of a carbon dioxide recovery method using the hybrid adsorbent of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
In the embodiment of the present invention, for example, using a recovery device as shown in FIG. 1, the adsorption process, the cleaning process, the desorption process, and the cooling process are repeated to recover carbon dioxide.
In the adsorption step, the switching valve V 1 and V 2 are opened and the switching valve V 3 ~V 5 is in the closed state. In this adsorption step, a gas containing dehumidified carbon dioxide is introduced through a flow path 1 into a packed bed (not shown) filled with a hybrid adsorbent in the adsorption tower 2. In the adsorption tower 2, carbon dioxide is preferentially adsorbed compared to other gases, and the gas that has not been adsorbed is discharged through the flow path 9. In this adsorption process, the flow path 6 is closed.

洗浄工程では、吸着塔2内のハイブリッド吸着剤が十分な量の二酸化炭素を吸着した時点で、切替弁Vを閉じ切替弁Vを開いて、流路1を流路3に切り替える。さらに、製品タンク7から、既に回収した二酸化炭素の一部をキャリアガスとして吸着塔2内に流し、吸着塔2内に滞留する窒素等の不純物成分を流路9から排出する。 In the washing step, when the hybrid adsorbent in the adsorption tower 2 has adsorbed a sufficient amount of carbon dioxide, the switching valve V 1 is closed and the switching valve V 4 is opened to switch the flow path 1 to the flow path 3. Furthermore, a part of the carbon dioxide already recovered is flowed from the product tank 7 into the adsorption tower 2 as a carrier gas, and impurity components such as nitrogen remaining in the adsorption tower 2 are discharged from the flow path 9.

脱離工程では、切替弁Vを閉じ切替弁Vを開いて、流路9を流路6に切り替える。流路3及び流路6が開いた状態で、吸着塔2に連結された導波管4を通してマイクロ波発振器5からマイクロ波を吸着塔2内のハイブリッド吸着剤に照射する。マイクロ波が照射されたハイブリッド吸着剤は、活性炭によりマイクロ波が吸収され導電損失効果により発熱しハイブリッド吸着剤の内部から熱を発生して吸着材に伝熱するため、急速かつ均一に加熱される。その結果、吸着剤に吸着した二酸化炭素は、吸着剤から効率的に脱離する。脱離後の二酸化炭素は、流路6を通って(この際、流路9は、閉じられている)、製品タンク7に回収される。 In the desorption process, the switching valve V 2 is closed and the switching valve V 3 is opened, and the flow path 9 is switched to the flow path 6. In a state where the flow path 3 and the flow path 6 are open, the microwave adsorbed from the microwave oscillator 5 is irradiated to the hybrid adsorbent in the adsorption tower 2 through the waveguide 4 connected to the adsorption tower 2. The hybrid adsorbent irradiated with microwaves is heated rapidly and uniformly because microwaves are absorbed by activated carbon and heat is generated by the conductive loss effect, generating heat from inside the hybrid adsorbent and transferring it to the adsorbent. . As a result, carbon dioxide adsorbed on the adsorbent is efficiently desorbed from the adsorbent. The carbon dioxide after desorption passes through the flow path 6 (at this time, the flow path 9 is closed) and is collected in the product tank 7.

冷却工程では、再び切替弁Vを開き切替弁Vを閉じて、流路6を流路9に切り替える。更に、切替弁Vを閉じ切替弁Vを開いて、流路3を流路8に切り替える。さらに、流路8から乾燥した窒素や空気などの冷却ガスを導入して、二酸化炭素の脱離後のハイブリッド吸着剤を冷却する。
冷却工程の後、切替弁Vを閉じ切替弁Vを開いて、流路8を流路1に切り替える。再度、二酸化炭素を含有したガスを流路1を通して吸着塔2内に導入し、二酸化炭素の吸着(吸着工程)を行う。このようにして、吸着工程と、洗浄工程と、脱離工程と、冷却工程とを繰り返す。
In the cooling step, the switching valve V 2 is opened again, the switching valve V 3 is closed, and the flow path 6 is switched to the flow path 9. Further, the switching valve V 4 is closed and the switching valve V 5 is opened to switch the flow path 3 to the flow path 8. Furthermore, a cooling gas such as dried nitrogen or air is introduced from the flow path 8 to cool the hybrid adsorbent after desorption of carbon dioxide.
After the cooling step, the switching valve V 5 is closed and the switching valve V 1 is opened, so that the flow path 8 is switched to the flow path 1. Again, a gas containing carbon dioxide is introduced into the adsorption tower 2 through the flow path 1 to perform adsorption of carbon dioxide (adsorption process). In this way, the adsorption process, the cleaning process, the desorption process, and the cooling process are repeated.

以上では、二酸化炭素の分離回収を行う工程を平易に説明するために、吸着塔2が1つである例を説明した。しかしながら、通常は、2〜4塔の吸着塔を並列に設け、吸着及び脱離のタイミングを調整することにより、連続的に二酸化炭素の分離回収が行なわれる。   In the above, an example in which there is one adsorption tower 2 has been described in order to easily explain the process of separating and recovering carbon dioxide. However, normally, carbon dioxide is continuously separated and recovered by providing two to four adsorption towers in parallel and adjusting the timing of adsorption and desorption.

図2に2塔の吸着塔を用いた場合のタイムスケジュール例を示す。このスケジュール例では、A塔で冷却工程、吸着工程、または、洗浄工程(不純物成分の排出)が行われている間に、B塔では脱離工程(マイクロ波照射)が行われる。また、A塔で脱離工程(マイクロ波照射)が行われている間に、B塔では冷却工程、吸着工程、洗浄工程(不純物成分の排出)が行われる。このようにして、連続的に二酸化炭素の分離回収(脱離工程)を行うことができる。一般に吸着時間が脱離時間よりも短いため、また、洗浄時間も冷却時間も取る必要があるため、2塔の吸着塔の場合、燃焼排ガス等の連続的に排出されるガスから二酸化炭素を回収する際に、二酸化炭素を吸着できない時間帯が生じる。この場合には、吸着塔の前(ガス流れの上流)にガスホルダーを設けて、ガスの導入時間を調整する。   FIG. 2 shows an example of a time schedule when two adsorption towers are used. In this schedule example, the desorption step (microwave irradiation) is performed in the B tower while the cooling step, the adsorption step, or the cleaning step (discharge of impurity components) is performed in the A column. Further, while the desorption process (microwave irradiation) is performed in the A tower, the cooling process, the adsorption process, and the cleaning process (discharge of impurity components) are performed in the B tower. In this way, carbon dioxide can be continuously separated and recovered (desorption step). In general, because adsorption time is shorter than desorption time, and it is necessary to take both washing time and cooling time, in the case of a two-column adsorption tower, carbon dioxide is recovered from continuously discharged gas such as combustion exhaust gas. When this occurs, a time period during which carbon dioxide cannot be adsorbed occurs. In this case, a gas holder is provided in front of the adsorption tower (upstream of the gas flow) to adjust the gas introduction time.

また、3塔以上の吸着塔を並列に設けて、各工程(例えば、吸着工程や脱離工程)の配管を切り替えることにより、より円滑に連続的な二酸化炭素の分離回収を行うことができる。   In addition, it is possible to more smoothly and continuously separate and recover carbon dioxide by providing three or more adsorption towers in parallel and switching the piping of each process (for example, an adsorption process or a desorption process).

本発明の方法は、二酸化炭素を含有していれば、どのようなガスにも適用できる。特に、石炭火力発電所の燃焼排ガス(二酸化炭素濃度:約15vol.%)や高炉ガス(BFG)(二酸化炭素濃度:約20vol.%)、熱風炉排ガス(二酸化炭素濃度:約25vol.%)のような比較的高濃度の二酸化炭素を含むガスに対して好適に適用することができる。   The method of the present invention can be applied to any gas that contains carbon dioxide. In particular, coal combustion power plant combustion exhaust gas (carbon dioxide concentration: about 15 vol.%), Blast furnace gas (BFG) (carbon dioxide concentration: about 20 vol.%), Hot blast furnace exhaust gas (carbon dioxide concentration: about 25 vol.%) It can be suitably applied to such a gas containing a relatively high concentration of carbon dioxide.

物理吸着法では、ガス中の二酸化炭素濃度が高いほど吸着剤に吸着される二酸化炭素の量が増加するため、二酸化炭素回収エネルギー原単位を低く抑えることができる。そのため、ガス中の二酸化炭素濃度は、10vol.%以上であることが望ましい。例えば、二酸化炭素濃度の高いBFG(約20vol.%)または高炉の熱風炉排ガス(約25vol.%)が最適である。二酸化炭素濃度が10vol.%未満の場合、吸着剤の単位質量当りの二酸化炭素の吸着量が急激に低下し、多量の吸着剤が必要となる。そのため、10vol.%未満の二酸化炭素濃度のガスから二酸化炭素を回収することは、経済的に好ましくない。   In the physical adsorption method, since the amount of carbon dioxide adsorbed by the adsorbent increases as the carbon dioxide concentration in the gas increases, the carbon dioxide recovery energy intensity can be kept low. Therefore, the carbon dioxide concentration in the gas is 10 vol. % Or more is desirable. For example, BFG having a high carbon dioxide concentration (about 20 vol.%) Or blast furnace hot-blast furnace exhaust gas (about 25 vol.%) Is optimal. Carbon dioxide concentration is 10 vol. If it is less than%, the amount of carbon dioxide adsorbed per unit mass of the adsorbent decreases rapidly, and a large amount of adsorbent is required. Therefore, 10 vol. It is economically undesirable to recover carbon dioxide from a gas having a carbon dioxide concentration of less than%.

また、水蒸気は、極性が強く吸着剤への二酸化炭素の吸着を阻害するので、二酸化炭素含有ガスに高濃度(例えば、数vol.%〜十数vol.%)の水蒸気が含まれている場合には、事前に除湿することが好ましい。吸着剤と水蒸気との親和性が吸着剤の種類により異なるため、吸着剤の種類に応じて除湿の程度を変える必要がある。例えば、ゼオライト系吸着剤(ゼオライト)は、水蒸気との親和性が強いため、−40℃〜−60℃程度の露点まで除湿される必要がある。加えて、より多くの二酸化炭素をハイブリッド吸着剤に吸着させ、且つハイブリッド吸着剤へのマイクロ波吸収効率を上昇させるためには、ガスを吸着塔に導入する前にハイブリッド吸着剤を事前乾燥することが好ましい。例えば、除湿したガスを吸着剤に流しながら、マイクロ波を照射して加熱することによって、水分を除去することができる。吸着塔の出口(ガス流れの下流)に湿度計を設け、出口ガスの湿度が下がり安定したことを、この湿度計によって確認して、十分に事前乾燥することができたと判断できる。   In addition, since water vapor has a strong polarity and inhibits the adsorption of carbon dioxide to the adsorbent, the carbon dioxide-containing gas contains water vapor at a high concentration (for example, several vol.% To several tens vol.%). It is preferable to dehumidify in advance. Since the affinity between the adsorbent and water vapor varies depending on the type of adsorbent, it is necessary to change the degree of dehumidification according to the type of adsorbent. For example, zeolitic adsorbent (zeolite) has a strong affinity for water vapor, and therefore needs to be dehumidified to a dew point of about −40 ° C. to −60 ° C. In addition, to adsorb more carbon dioxide to the hybrid adsorbent and increase the microwave absorption efficiency to the hybrid adsorbent, pre-dry the hybrid adsorbent before introducing the gas into the adsorption tower. Is preferred. For example, moisture can be removed by irradiating and heating microwaves while flowing dehumidified gas through the adsorbent. A hygrometer is provided at the outlet of the adsorption tower (downstream of the gas flow), and it can be determined by the hygrometer that the humidity of the outlet gas has decreased and stabilized, and that it has been sufficiently dried beforehand.

マイクロ波の周波数としては、300MHz〜300GHzの広範囲の周波数を使用することができる。ただし、実際にマイクロ波を使用する際には、通信関係の法規制によって周波数帯が限定される。即ち、日本においては2,450MHz又は915MHzの周波数が使用される。更に、アメリカでは、5,800MHzの周波数も利用可能である。   A wide range of frequencies from 300 MHz to 300 GHz can be used as the microwave frequency. However, when microwaves are actually used, the frequency band is limited by communication-related laws and regulations. That is, in Japan, a frequency of 2,450 MHz or 915 MHz is used. Furthermore, in the United States, a frequency of 5,800 MHz is also available.

導波管4は、上記の説明(図1)では、1本であった。しかしながら、充填層の形状及び寸法に応じて複数の導波管4を吸着塔に配置することが好ましい。また、充填層の幅が広い(円筒の場合には、充填層の径が大きい)場合には充填層の周方向に導波管4を複数配置し、充填層が長い場合には充填層の長さ方向に導波管4を複数配置することが好ましい。   The number of waveguides 4 is one in the above description (FIG. 1). However, it is preferable to arrange a plurality of waveguides 4 in the adsorption tower according to the shape and dimensions of the packed bed. When the width of the filling layer is wide (in the case of a cylinder, the diameter of the filling layer is large), a plurality of waveguides 4 are arranged in the circumferential direction of the filling layer. It is preferable to arrange a plurality of waveguides 4 in the length direction.

充填層は、何れの形状を有してもよい。充填層の形状が角筒状及び円筒状の場合、吸着塔の内周は、31.4cm以下(充填層の形状が円筒形の場合、吸着塔の内径が10cm以下)であることが好ましい。さらに、吸着塔の内周は、15.7cm以下(充填層の形状が円筒形の場合、吸着塔の内径が5cm以下)であることがより好ましい。吸着塔の内周が31.4cm超の場合には、マイクロ波が充填層の中心まで到達しにくく、充填層内の加熱が不均一になり易い点で問題である。   The packed bed may have any shape. When the shape of the packed bed is rectangular and cylindrical, the inner circumference of the adsorption tower is preferably 31.4 cm or less (when the packed bed is cylindrical, the inner diameter of the adsorption tower is 10 cm or less). Furthermore, the inner circumference of the adsorption tower is more preferably 15.7 cm or less (when the packed bed has a cylindrical shape, the inner diameter of the adsorption tower is 5 cm or less). When the inner circumference of the adsorption tower is more than 31.4 cm, it is a problem in that microwaves do not easily reach the center of the packed bed, and heating in the packed bed tends to be uneven.

また、吸着塔の内周が小さい場合には、単位充填量当りの充填層の抜熱面積が小さいため、マイクロ波照射時に十分に抜熱(放熱)されず、冷却に時間がかかる。そのため、吸着塔の内周の下限は、ハイブリッド吸着剤の寸法から決定される。例えば、直径0.2cmの球状に成形されたハイブリッド吸着剤を使用する場合、円筒形の充填層は、吸着剤の直径の約5倍の直径(1cm)を有する必要があるため、吸着塔の最低内周は、3.14cmとなる。吸着塔の内周が小さくなるほど、充填層の単位長さ当りの充填量が少なくなるため、充填層の長さを長くする必要がある。しかしながら、充填層が長くなると圧力損失が上昇するため、短い充填層を複数本配置することが好ましい。なお、吸着塔の内周の下限は、マイクロ波照射の効率及び抜熱効率からは決定されない。   When the inner circumference of the adsorption tower is small, the heat removal area of the packed bed per unit packed amount is small, so that sufficient heat removal (radiation) is not performed during microwave irradiation, and cooling takes time. Therefore, the lower limit of the inner periphery of the adsorption tower is determined from the dimensions of the hybrid adsorbent. For example, when using a hybrid adsorbent formed into a spherical shape with a diameter of 0.2 cm, the cylindrical packed bed needs to have a diameter (1 cm) that is about five times the diameter of the adsorbent, so The minimum inner circumference is 3.14 cm. The smaller the inner circumference of the adsorption tower, the smaller the packed amount per unit length of the packed bed. Therefore, it is necessary to increase the length of the packed bed. However, since the pressure loss increases as the packed bed becomes longer, it is preferable to arrange a plurality of short packed beds. The lower limit of the inner periphery of the adsorption tower is not determined from the efficiency of microwave irradiation and the heat removal efficiency.

吸着が発熱反応であるため、吸着搭での吸着温度が低いほど二酸化炭素の吸着速度及び吸着量が増加する。しかしながら、経済性を考慮すると、吸着温度は、常温であることが好ましい。吸着時間は、ハイブリッド吸着剤の性能や吸着塔の基数等から総合的に決定される。吸着とは異なり、脱離温度は、高いほど脱離速度及び脱離量が増加する。しかしながら、500℃以上、特に600℃以上の高温では、ゼオライト系吸着剤を含むハイブリッド吸着剤は、ゼオライトの構造崩壊を起こし易く、また冷却も長時間を要する。そのため、できるだけ低い温度で効率的な脱離を行うことが望ましい。
温度計測には、マイクロ波照射による電磁界の影響を受けない光ファイバー温度計を用いることができる。
Since adsorption is an exothermic reaction, the lower the adsorption temperature at the adsorption tower, the higher the adsorption rate and amount of carbon dioxide. However, in consideration of economy, the adsorption temperature is preferably room temperature. The adsorption time is comprehensively determined from the performance of the hybrid adsorbent and the number of adsorption towers. Unlike adsorption, the higher the desorption temperature, the higher the desorption rate and desorption amount. However, at a high temperature of 500 ° C. or higher, particularly 600 ° C. or higher, the hybrid adsorbent containing the zeolite adsorbent is liable to cause the structural collapse of the zeolite and requires a long time for cooling. Therefore, it is desirable to perform efficient desorption at the lowest possible temperature.
An optical fiber thermometer that is not affected by an electromagnetic field caused by microwave irradiation can be used for temperature measurement.

マイクロ波を連続照射すると急速に充填層の温度が上昇するため、昇温速度の制御が困難である。このため、マイクロ波を間欠的に照射して、昇温速度を制御しながら、ハイブリッド吸着剤を直接加熱する。この方法では、雰囲気温度が上昇することなく、比較的低温で脱離を行うことができる。間欠的なマイクロ波照射では、マイクロ波照射とマイクロ波休止を交互に行う。具体的には、例えば30秒のマイクロ波照射と30秒のマイクロ波照射休止とをそれぞれ5回交互に繰り返す。脱離時間、マイクロ波照射時間、及び照射間隔は、吸着剤の性能やマイクロ波出力、導波管の配置などから総合的に決定される。   When the microwave is continuously irradiated, the temperature of the packed bed rapidly rises, so that it is difficult to control the heating rate. For this reason, the hybrid adsorbent is directly heated while intermittently irradiating microwaves and controlling the rate of temperature increase. In this method, desorption can be performed at a relatively low temperature without increasing the ambient temperature. In intermittent microwave irradiation, microwave irradiation and microwave pause are alternately performed. Specifically, for example, microwave irradiation for 30 seconds and microwave irradiation pause for 30 seconds are alternately repeated five times. The desorption time, the microwave irradiation time, and the irradiation interval are comprehensively determined from the performance of the adsorbent, the microwave output, the arrangement of the waveguide, and the like.

また、ハイブリッド吸着剤を保持する吸着搭の外壁をSiO、MgO、Si、AlN、BNのうち、いずれかの物質で構成する。上記物質は、単独ではマイクロ波を吸収せず(マイクロ波照射によって温度が上昇しない)、かつ比較的熱伝導性が良い(温められても冷めやすい)。そのため、上記物質を吸収塔に使用することにより、マイクロ波を効率的にハイブリッド吸着剤に吸収させることができる。例えば、SiOは、石英ガラスを用いることができる。また、例えば、MgO、Si、AlN、及びBNは、それぞれの物質を成型後に焼成によって製造された耐火物を用いることができる。 Further, the outer wall of the adsorption tower holding the hybrid adsorbent is made of any one of SiO 2 , MgO, Si 3 N 4 , AlN, and BN. The above substance alone does not absorb microwaves (the temperature does not rise due to microwave irradiation) and has relatively good thermal conductivity (easy to be cooled even when heated). Therefore, the microwave can be efficiently absorbed by the hybrid adsorbent by using the substance in the absorption tower. For example, quartz glass can be used for SiO 2 . Further, for example, refractories manufactured by firing each material after molding each material can be used as MgO, Si 3 N 4 , AlN, and BN.

さらに、例えば、吸着搭の外壁に突起を設けることにより、放熱が促進され、充填層の温度上昇を抑制しながら二酸化炭素を脱離させることができる。外表面積を多くするために、この突起は、フィン状、円柱状、または、錘状であることが好ましい。   Furthermore, for example, by providing protrusions on the outer wall of the adsorption tower, heat dissipation is promoted, and carbon dioxide can be desorbed while suppressing an increase in the temperature of the packed bed. In order to increase the outer surface area, it is preferable that the protrusion has a fin shape, a columnar shape, or a weight shape.

本発明では、吸着剤と活性炭とを混合したハイブリッド吸着剤に、ガス中の二酸化炭素を吸着させている。さらに、このハイブリッド吸着剤にマイクロ波を照射して、吸着後の二酸化炭素をハイブリッド吸着剤から脱離させ、脱離した二酸化炭素を回収している。
外壁の外側からの間接外部加熱や加熱した流通ガスによる内部加熱のような従来技術では、雰囲気ガスから吸着剤への対流熱伝達により吸着剤が加熱されるため、加熱時に吸着剤から放熱することはできない。マイクロ波加熱の場合、ハイブリッド吸着剤自身が発熱するため、吸着材表面から雰囲気ガスへと外部への放熱を行うことができる。本発明では、ハイブリッド吸着剤中の活性炭が、より多くのマイクロ波を吸収するので、吸着剤を単独で用いた場合よりも、さらに効率が向上する。
In the present invention, carbon dioxide in the gas is adsorbed on a hybrid adsorbent obtained by mixing adsorbent and activated carbon. Furthermore, the hybrid adsorbent is irradiated with microwaves to desorb the adsorbed carbon dioxide from the hybrid adsorbent, and the desorbed carbon dioxide is recovered.
In conventional technologies such as indirect external heating from the outside of the outer wall and internal heating with heated flow gas, the adsorbent is heated by convective heat transfer from the atmospheric gas to the adsorbent, so heat is released from the adsorbent during heating. I can't. In the case of microwave heating, since the hybrid adsorbent itself generates heat, heat can be radiated from the adsorbent surface to the atmosphere gas to the outside. In the present invention, since the activated carbon in the hybrid adsorbent absorbs more microwaves, the efficiency is further improved as compared with the case where the adsorbent is used alone.

〔比較例1〕
高炉ガス及び熱風炉排ガスのモデルガスとして、20vol.%の二酸化炭素と80vol.%の窒素との混合ガスを使用した。また、この混合ガスから二酸化炭素を回収するために、吸着剤として、市販のゼオライトであるモレキュラーシーブ13X(MS−13X)を用いた。後述の活性炭と吸着剤との混合による効果を明確にするために、この吸着剤を粘土のようなバインダーを使用することなく加圧成型した後、粉砕し、整粒して、吸着剤試料を作製した。この吸着剤試料を石英製パイプに40g充填し、この石英製パイプ中に混合ガスを2L/minの流速で流し、混合ガス中の二酸化炭素を約40℃で吸着剤に飽和吸着させた。二酸化炭素が吸着剤に吸着されている間は、石英管からの排出ガス中の二酸化炭素の濃度が20vol.%未満に低下する。二酸化炭素が吸着剤に飽和吸着すると、再び排出ガス中の二酸化炭素の濃度が20vol.%に戻る。そのため、排出ガス中の二酸化炭素濃度を測定して、上述した二酸化炭素濃度の変化から飽和吸着を確認した。二酸化炭素の吸着量は、二酸化炭素濃度が20vol.%に安定するまで、測定された二酸化炭素濃度の減少量を積算することにより求められる。この二酸化炭素の吸着量(CO吸着量)は、二酸化炭素の吸着率(mass%)として評価した。すなわち、吸着した二酸化炭素の質量を充填した吸着剤の質量で割ることにより二酸化炭素の吸着率が計算される。その後、石英製パイプ中に混合ガスをそのまま流通させながら、2,450MHz、200Wのマイクロ波を吸着剤に2分間照射して、吸着された二酸化炭素を吸着剤から脱離させた。排出ガス中の二酸化炭素濃度を測定しながら、二酸化炭素濃度が20vol.%に安定するまで二酸化炭素濃度の測定値と20vol.%との差分(二酸化炭素濃度の増加量)を積算して、脱離した二酸化炭素の量を求めた。この脱離した二酸化炭素の量(COの脱離率)は、脱離率(%)として評価した。この脱離率は、脱離した二酸化炭素の質量を、吸着した二酸化炭素の質量で割ることにより計算される。さらに、エネルギー原単位Eは、下記(1)式により算出される。
E=P×t/60/k/Nx・・・・・(1)
ここで、マイクロ波の照射電力Pは200W、マイクロ波の照射時間tは、2minである。また、照射マイクロ波電力を使用電力に換算するための係数kは、0.7である。Nxは、脱離した二酸化炭素の質量(g)である。また、吸着剤の温度は熱電対で測定した。
[Comparative Example 1]
As a model gas for blast furnace gas and hot blast furnace exhaust gas, 20 vol. % Carbon dioxide and 80 vol. A mixed gas with% nitrogen was used. Moreover, in order to collect | recover carbon dioxide from this mixed gas, molecular sieve 13X (MS-13X) which is a commercial zeolite was used as an adsorbent. In order to clarify the effect of mixing activated carbon and adsorbent, which will be described later, this adsorbent is pressure-molded without using a binder such as clay, pulverized, sized, and adsorbent sample. Produced. 40 g of this adsorbent sample was filled in a quartz pipe, and a mixed gas was allowed to flow through the quartz pipe at a flow rate of 2 L / min, and carbon dioxide in the mixed gas was saturatedly adsorbed on the adsorbent at about 40 ° C. While carbon dioxide is adsorbed on the adsorbent, the concentration of carbon dioxide in the exhaust gas from the quartz tube is 20 vol. %. When carbon dioxide is saturated and adsorbed on the adsorbent, the concentration of carbon dioxide in the exhaust gas is again 20 vol. Return to%. Therefore, the carbon dioxide concentration in the exhaust gas was measured, and saturated adsorption was confirmed from the change in the carbon dioxide concentration described above. The amount of carbon dioxide adsorbed is such that the carbon dioxide concentration is 20 vol. It is obtained by integrating the measured decrease in carbon dioxide concentration until it stabilizes to%. The carbon dioxide adsorption amount (CO 2 adsorption amount) was evaluated as the carbon dioxide adsorption rate (mass%). That is, the adsorption rate of carbon dioxide is calculated by dividing the mass of adsorbed carbon dioxide by the mass of the adsorbent filled. Thereafter, while the mixed gas was allowed to flow through the quartz pipe as it was, the adsorbent was irradiated with microwaves of 2,450 MHz and 200 W for 2 minutes to desorb the adsorbed carbon dioxide from the adsorbent. While measuring the carbon dioxide concentration in the exhaust gas, the carbon dioxide concentration was 20 vol. % Measured value of carbon dioxide and 20 vol. % Difference (increase in carbon dioxide concentration) was integrated to determine the amount of desorbed carbon dioxide. The amount of carbon dioxide desorbed (CO 2 desorption rate) was evaluated as the desorption rate (%). This desorption rate is calculated by dividing the mass of desorbed carbon dioxide by the mass of adsorbed carbon dioxide. Further, the energy intensity E is calculated by the following equation (1).
E = P × t / 60 / k P / Nx (1)
Here, the microwave irradiation power P is 200 W, and the microwave irradiation time t is 2 min. The coefficient k P for converting the irradiated microwave power to the power consumption is 0.7. Nx is the mass (g) of desorbed carbon dioxide. The temperature of the adsorbent was measured with a thermocouple.

比較例1では、MS−13Xのみに二酸化炭素を吸着させ、マイクロ波によってMS−13Xを加熱し、MS−13Xから二酸化炭素を脱離させている。その結果、表1に示すように、二酸化炭素の脱離率は、21.5%、エネルギー原単位は、8.7kWh/kg−COであった。 In Comparative Example 1, carbon dioxide is adsorbed only by MS-13X, MS-13X is heated by microwaves, and carbon dioxide is desorbed from MS-13X. As a result, as shown in Table 1, the carbon dioxide desorption rate was 21.5%, and the energy intensity was 8.7 kWh / kg-CO 2 .

〔実施例1〕
次に、吸着剤としてMS−13Xに活性炭を5mass%混合したハイブリッド吸着剤を用いる条件以外は、比較例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表1に示すように、実施例1の二酸化炭素の脱離率は、28.2%であり、比較例1の脱離率よりも向上することができた。また、実施例1のエネルギー原単位は、6.5kWh/kg−COであり、比較例1及び2のエネルギー原単位よりも下げることができた。
[Example 1]
Next, carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Comparative Example 1 except that a hybrid adsorbent obtained by mixing 5 mass% of activated carbon with MS-13X was used as the adsorbent. As a result, as shown in Table 1, the carbon dioxide desorption rate in Example 1 was 28.2%, which was higher than the desorption rate in Comparative Example 1. Moreover, the energy basic unit of Example 1 was 6.5 kWh / kg-CO 2 , which was lower than the energy basic units of Comparative Examples 1 and 2.

〔実施例2〕
ハイブリッド吸着剤中の活性炭の混合量を10mass%にする条件以外は、実施例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表1に示すように、実施例2のハイブリッド吸着剤の最高到達温度は、実施例1における64℃から71℃まで上昇した。そのため、実施例2の二酸化炭素の脱離率は、35.1%であり、実施例1の脱離率よりも更に向上することができた。また、実施例2のエネルギー原単位は、5.8kWh/kg−COであり、実施例1のエネルギー原単位よりも更に下げることができた。
[Example 2]
Adsorption and desorption of carbon dioxide were performed under the same conditions as in Example 1 except that the mixing amount of activated carbon in the hybrid adsorbent was 10 mass%. As a result, as shown in Table 1, the maximum temperature reached by the hybrid adsorbent of Example 2 increased from 64 ° C. in Example 1 to 71 ° C. Therefore, the desorption rate of carbon dioxide in Example 2 was 35.1%, which could be further improved than the desorption rate in Example 1. Moreover, energy consumption of Example 2 is 5.8kWh / kg-CO 2, it could be further reduced than the energy intensity of Example 1.

〔実施例3〕
ハイブリッド吸着剤中の活性炭の混合量を15mass%にする条件以外は、実施例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表1に示すように、実施例3のハイブリッド吸着剤の最高到達温度は、実施例1における64℃から74℃まで上昇した。そのため、実施例3の二酸化炭素の脱離率は、46.7%であり、実施例2の脱離率よりも更に向上することができた。また、実施例3のエネルギー原単位は、4.4kWh/kg−COであり、実施例2のエネルギー原単位よりも更に下げることができた。
Example 3
Carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Example 1 except that the mixing amount of activated carbon in the hybrid adsorbent was 15 mass%. As a result, as shown in Table 1, the maximum reached temperature of the hybrid adsorbent of Example 3 increased from 64 ° C. to 74 ° C. in Example 1. Therefore, the desorption rate of carbon dioxide in Example 3 was 46.7%, which could be further improved than the desorption rate in Example 2. Moreover, energy consumption of Example 3 is 4.4kWh / kg-CO 2, it could be further reduced than the energy intensity of the second embodiment.

〔実施例4〕
ハイブリッド吸着剤中の活性炭の混合量を20mass%にする条件以外は、実施例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表1に示すように、実施例4のハイブリッド吸着剤の最高到達温度は、実施例1における64℃から77℃まで上昇した。そのため、実施例4の二酸化炭素の脱離率は、55.3%であり、実施例3の脱離率よりも更に向上することができた。また、実施例4のエネルギー原単位は、4.0kWh/kg−COであり、実施例3のエネルギー原単位よりも更に下げることができた。
Example 4
Carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Example 1 except that the mixing amount of the activated carbon in the hybrid adsorbent was 20 mass%. As a result, as shown in Table 1, the maximum attainable temperature of the hybrid adsorbent of Example 4 increased from 64 ° C. to 77 ° C. in Example 1. Therefore, the desorption rate of carbon dioxide in Example 4 was 55.3%, which was further improved than the desorption rate in Example 3. Moreover, the energy basic unit of Example 4 was 4.0 kWh / kg-CO 2 , which could be further reduced from the energy basic unit of Example 3.

〔実施例5〕
ハイブリッド吸着剤中の活性炭の混合量を30mass%にする条件以外は、実施例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表1に示すように、実施例5のハイブリッド吸着剤の最高到達温度は、実施例1における64℃から80℃まで上昇した。そのため、実施例5の二酸化炭素の脱離率は、53.6%であり、実施例1〜3の脱離率よりも更に向上することができたが、実施例4よりは低下した。また、実施例5のエネルギー原単位は、4.4kWh/kg−COであり、こちらは実施例3のエネルギー原単位と同じであった。
Example 5
Carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Example 1 except that the mixing amount of the activated carbon in the hybrid adsorbent was 30 mass%. As a result, as shown in Table 1, the maximum reached temperature of the hybrid adsorbent of Example 5 increased from 64 ° C. in Example 1 to 80 ° C. Therefore, the carbon dioxide desorption rate of Example 5 was 53.6%, which could be further improved than the desorption rates of Examples 1 to 3, but was lower than that of Example 4. Moreover, energy consumption of Example 5 is 4.4kWh / kg-CO 2, here was the same as the energy per unit of Example 3.

〔実施例6〕
ハイブリッド吸着剤中の活性炭の混合量を40mass%にする条件以外は、実施例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表1に示すように、実施例6のハイブリッド吸着剤の最高到達温度は、実施例1における64℃から82℃まで上昇した。そのため、実施例6の二酸化炭素の脱離率は、48.6%であり、実施例1〜3の脱離率よりも向上することができたが、実施例4または5よりは低下した。また、実施例6のエネルギー原単位は、4.9kWh/kg−COであり、比較例1よりも下げることができたが、実施例3〜5よりも高くなった。
Example 6
Carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Example 1 except that the amount of activated carbon in the hybrid adsorbent was 40 mass%. As a result, as shown in Table 1, the maximum attainable temperature of the hybrid adsorbent of Example 6 increased from 64 ° C. in Example 1 to 82 ° C. Therefore, the desorption rate of carbon dioxide in Example 6 was 48.6%, which was higher than the desorption rate in Examples 1 to 3, but was lower than that in Example 4 or 5. Moreover, the energy basic unit of Example 6 was 4.9 kWh / kg-CO 2 , which was lower than that of Comparative Example 1, but higher than that of Examples 3 to 5.

〔実施例7〕
ハイブリッド吸着剤中の活性炭の混合量を50mass%にする条件以外は、実施例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表1に示すように、実施例7のハイブリッド吸着剤の最高到達温度は、実施例1における64℃から86℃まで上昇した。そのため、実施例7の二酸化炭素の脱離率は、38.6%であり、比較例1や実施例1〜2の脱離率よりも向上することができたが、実施例3〜6より低下した。また、実施例7のエネルギー原単位は、7.5kWh/kg−COであり、比較例1よりも下げることができたが、実施例1〜6よりも高くなった。
Example 7
Carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Example 1 except that the amount of activated carbon in the hybrid adsorbent was 50 mass%. As a result, as shown in Table 1, the maximum temperature reached by the hybrid adsorbent of Example 7 increased from 64 ° C. to 86 ° C. in Example 1. Therefore, the carbon dioxide desorption rate of Example 7 was 38.6%, which was higher than the desorption rate of Comparative Example 1 and Examples 1-2, but from Examples 3-6 Declined. Moreover, energy consumption of Example 7 is 7.5kWh / kg-CO 2, but can be lowered than Comparative Example 1 was higher than Examples 1-6.

〔実施例8〕
ハイブリッド吸着剤中の活性炭の混合量を60mass%にする条件以外は、実施例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表1に示すように、実施例8のハイブリッド吸着剤の最高到達温度は、実施例1における64℃から90℃まで上昇した。そのため、実施例8の二酸化炭素の脱離率は、37.9%であり、比較例1や実施例1〜2の脱離率よりも向上することができたが、実施例3〜7より低下した。また、実施例8のエネルギー原単位は、8.5kWh/kg−COであり、比較例1よりも下げることができたが、実施例1〜7よりも高くなった。
Example 8
Carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Example 1 except that the mixing amount of the activated carbon in the hybrid adsorbent was 60 mass%. As a result, as shown in Table 1, the maximum temperature reached by the hybrid adsorbent of Example 8 increased from 64 ° C. to 90 ° C. in Example 1. Therefore, the carbon dioxide desorption rate in Example 8 was 37.9%, which was higher than the desorption rates in Comparative Example 1 and Examples 1-2, but from Examples 3-7. Declined. Moreover, energy consumption of Example 8 is 8.5kWh / kg-CO 2, but can be lowered than Comparative Example 1 was higher than Examples 1-7.

〔比較例2〕
比較例2では、吸着剤としてメソポーラスシリカのみを用いる条件以外は、比較例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表2に示すように、二酸化炭素の脱離率は、19.2%、エネルギー原単位は、13.5kWh/kg−COであった。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Comparative Example 1, except that only mesoporous silica was used as the adsorbent. As a result, as shown in Table 2, the carbon dioxide desorption rate was 19.2%, and the energy intensity was 13.5 kWh / kg-CO 2 .

〔実施例9〕
吸着剤としてメソポーラスシリカに活性炭を20mass%混合したハイブリッド吸着剤を用いる条件以外は、実施例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。その結果、表2に示すように、実施例9の二酸化炭素の脱離率は、45.6%であり、比較例2の脱離率よりも向上することができた。また、実施例9のエネルギー原単位は、5.9kWh/kg−COであり、比較例2のエネルギー原単位よりも下げることができた。
Example 9
Carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Example 1 except that a hybrid adsorbent in which 20 mass% of activated carbon was mixed with mesoporous silica was used as the adsorbent. As a result, as shown in Table 2, the carbon dioxide desorption rate of Example 9 was 45.6%, which was higher than the desorption rate of Comparative Example 2. Moreover, the energy basic unit of Example 9 was 5.9 kWh / kg-CO 2 , which was lower than that of Comparative Example 2.

〔比較例3〕
比較例3では、活性炭のみに二酸化炭素を吸着させ、マイクロ波によって活性炭を加熱し、活性炭から二酸化炭素を脱離させている。その結果、表2に示すように、二酸化炭素の脱離率は、42.6%、エネルギー原単位は、14.6kWh/kg−COであった。二酸化炭素の脱離率がMS−13Xの約2倍であるのに、エネルギー原単位が小さい理由は、活性炭での二酸化炭素の吸着量がMS−13Xの約1/3であるからである。CO脱離率はよいものの、エネルギー原単位は実施例1〜9に比べて大幅に劣っている。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, carbon dioxide is adsorbed only on activated carbon, activated carbon is heated by microwaves, and carbon dioxide is desorbed from the activated carbon. As a result, as shown in Table 2, the carbon dioxide desorption rate was 42.6%, and the energy intensity was 14.6 kWh / kg-CO 2 . The reason why the energy intensity is small although the carbon dioxide desorption rate is about twice that of MS-13X is that the amount of carbon dioxide adsorbed on the activated carbon is about 1/3 that of MS-13X. Although the CO 2 desorption rate is good, the energy intensity is significantly inferior to Examples 1-9.

〔比較例4〕
マイクロ波照射の時間を長くして、吸着剤の最高到達温度を実施例1と等しい64℃となるようにした条件以外は、比較例1と同じ条件で、二酸化炭素の吸着及び脱離を行った。比較例4の条件では、吸着剤としてMS−13Xのみを使用した。その結果、表2に示すように、比較例4の最高到達温度は、比較例1の最高到達温度よりも高くなり、二酸化炭素の脱離率は、比較例1の脱離率よりも向上したが、実施例1〜9に比べると劣っている。しかしながら、脱離率の増加に対する投入エネルギーの増加割合が大きいため、比較例4のエネルギー原単位は、比較例1及び実施例1〜9のエネルギー原単位よりも大きくなった。したがって、活性炭を15%〜30%混合したハイブリッド吸着剤が、マイクロ波加熱による二酸化炭素の脱離に最も効果的であることがわかる。
[Comparative Example 4]
Carbon dioxide was adsorbed and desorbed under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the microwave irradiation time was increased so that the maximum temperature of the adsorbent reached 64 ° C., which was the same as in Example 1. It was. Under the conditions of Comparative Example 4, only MS-13X was used as the adsorbent. As a result, as shown in Table 2, the maximum temperature reached in Comparative Example 4 was higher than the maximum temperature reached in Comparative Example 1, and the desorption rate of carbon dioxide was improved from the desorption rate of Comparative Example 1. However, it is inferior compared with Examples 1-9. However, since the increase rate of the input energy with respect to the increase in the desorption rate is large, the energy intensity of Comparative Example 4 is larger than that of Comparative Example 1 and Examples 1-9. Therefore, it can be seen that a hybrid adsorbent mixed with 15% to 30% activated carbon is most effective for desorption of carbon dioxide by microwave heating.

Figure 2012250224
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1 流路
2 吸着塔
3 流路
4 導波管
5 マイクロ波発振器
6 流路
7 製品タンク
8 流路
9 流路
1 Channel 2 Adsorption Tower 3 Channel 4 Waveguide 5 Microwave Oscillator 6 Channel 7 Product Tank 8 Channel 9 Channel

Claims (6)

二酸化炭素を吸着する吸着剤とマイクロ波を吸収する活性炭とを含有し、前記活性炭の混合量が、0.1mass%以上50mass%以下であることを特徴とするハイブリッド吸着剤。   A hybrid adsorbent comprising an adsorbent that adsorbs carbon dioxide and activated carbon that absorbs microwaves, and a mixing amount of the activated carbon is 0.1 mass% or more and 50 mass% or less. 前記活性炭の混合量が、15mass%以上30mass%以下であることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド吸着剤。   2. The hybrid adsorbent according to claim 1, wherein a mixing amount of the activated carbon is 15 mass% or more and 30 mass% or less. 前記吸着剤は、結晶性ゼオライト、メソポーラスシリカの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のハイブリッド吸着剤。   The hybrid adsorbent according to claim 1 or 2, wherein the adsorbent contains at least one of crystalline zeolite and mesoporous silica. 前記吸着剤は、化学式Na86[(AlO2)86(SiO2)106]・276H2Oで示される結晶性ゼオライトであることを特徴とする請求項1又は2に記載のハイブリッド吸着剤。 3. The hybrid adsorbent according to claim 1, wherein the adsorbent is a crystalline zeolite represented by a chemical formula Na 86 [(AlO 2 ) 86 (SiO 2 ) 106 ] · 276H 2 O. 4. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のハイブリッド吸着剤を結合材により成形したことを特徴とするハイブリッド吸着剤。   A hybrid adsorbent obtained by molding the hybrid adsorbent according to any one of claims 1 to 4 with a binder. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のハイブリッド吸着剤に、ガス中の二酸化炭素を吸着させ、前記二酸化炭素を吸着したハイブリッド吸着剤にマイクロ波を照射して、前記ハイブリッド吸着剤に吸着されている前記二酸化炭素を前記ハイブリッド吸着剤から脱離させ、前記ハイブリッド吸着剤から脱離した前記二酸化炭素を回収することを特徴とするガス中の二酸化炭素の回収方法。   The hybrid adsorbent according to any one of claims 1 to 5 is adsorbed to the hybrid adsorbent by adsorbing carbon dioxide in a gas, irradiating the hybrid adsorbent adsorbing the carbon dioxide with microwaves. A method for recovering carbon dioxide in a gas, comprising desorbing the carbon dioxide that has been released from the hybrid adsorbent and recovering the carbon dioxide desorbed from the hybrid adsorbent.
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