JP2023010479A - Method for separating and recovering carbon dioxide utilizing recyclable energy and carbon dioxide separation and recovery system using recyclable energy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地球温暖化の原因物質の一つである大気中の二酸化炭素や、大気中の二酸化炭素を吸収したバイオマスをガス化して利用する際に発生する二酸化炭素を、再生可能エネルギーを活用して効率よく連続的に分離し、地中貯留槽等への固定化にむけた輸送が容易な液化二酸化炭素や、商工業利用しやすいドライアイスとして回収する方法と、この方法を適用した、再生可能エネルギー活用型の二酸化炭素分離回収システムに関するものである。 The present invention utilizes renewable energy to convert carbon dioxide in the atmosphere, which is one of the causative substances of global warming, and carbon dioxide generated when gasifying and using biomass that has absorbed carbon dioxide in the atmosphere. It is efficiently and continuously separated, and it is recovered as liquefied carbon dioxide that is easy to transport for immobilization in underground storage tanks, etc., and dry ice that is easy to use in commerce and industry. The present invention relates to a carbon dioxide separation and recovery system that utilizes renewable energy.
地球温暖化の防止と、商工業需要が高い液化二酸化炭素やドライアイス製造の環境性向上にむけて、大気中の二酸化炭素や、化石燃料とバイオマス資源を利用したエネルギーシステムの排気ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく分離回収し、汎用性の高い液化二酸化炭素やドライアイスとする技術が必要とされている。 In order to prevent global warming and improve the environmental friendliness of liquefied carbon dioxide and dry ice production, which are in high demand in the commercial and industrial industries, it is contained in atmospheric carbon dioxide and in the exhaust gas of energy systems that use fossil fuels and biomass resources. There is a need for a technology that efficiently separates and recovers carbon dioxide and converts it into highly versatile liquefied carbon dioxide and dry ice.
このうち、エネルギー消費やコストの大半を占めるとされる二酸化炭素ガスの分離回収において、化学吸収法の場合は吸収液の循環と再生に、物理吸着法の場合はガス吸脱着のための温度や圧力のスイング処理に、膜分離法の場合はガスの昇圧や温湿度最適化に、それぞれ多大なエネルギー消費とコストが発生しており、特に二酸化炭素の分離回収プロセスの中で化石燃料や化石燃料起源の電力が消費されて二酸化炭素排出を伴う場合には、正味の二酸化炭素回収量が減少して分離回収効率が低下し、コストも増大するという課題に直面している。 Of these, in the separation and recovery of carbon dioxide gas, which is said to account for the majority of energy consumption and cost, in the case of the chemical absorption method, the circulation and regeneration of the absorbent, and in the case of the physical adsorption method, the temperature and temperature for gas adsorption and desorption. In the case of pressure swing processing, and in the case of the membrane separation method, a large amount of energy is consumed and costs are generated for gas pressure rise and temperature/humidity optimization. When the source power is consumed and accompanied by carbon dioxide emissions, we are faced with the problem of reduced net carbon dioxide capture, reduced separation and recovery efficiency, and increased costs.
こうした課題を解決できる技術として、二酸化炭素の排出を伴わない地熱蒸気や温泉熱、河川や潮流の流水、バイオマスやバイオガスの燃焼熱といった、再生可能エネルギーを利用して空気成分の分離を行う、再生可能エネルギー活用型の空気分離方法や、この方法を活用した再生可能エネルギー活用型空気分離システムが提案されており、本技術を活用することで、窒素や酸素といった製造目的ガスの不純物成分となる二酸化炭素を、吸着材と再生可能エネルギー熱を利用した吸着脱離により分離する方法が開示されている(特許文献1)。 As a technology that can solve these problems, it is possible to separate air components using renewable energy such as geothermal steam and hot spring heat that do not emit carbon dioxide, flowing water from rivers and tides, and combustion heat from biomass and biogas. An air separation method using renewable energy and an air separation system using renewable energy using this method have been proposed, and by using this technology, it becomes an impurity component of the production target gas such as nitrogen and oxygen. A method of separating carbon dioxide by adsorption and desorption using an adsorbent and renewable energy heat is disclosed (Patent Document 1).
前記の通り、特許文献1に示された従来技術によれば、二酸化炭素排出の少ない再生可能エネルギーを活用して、効率よく高純度の窒素ガスや液化酸素などを製造することが可能となり、その製造プロセスにおいて副次的に不純物となる二酸化炭素の分離回収も可能となるが、本技術には以下に示す4つの課題がある。 As described above, according to the conventional technology shown in Patent Document 1, it is possible to efficiently produce high-purity nitrogen gas, liquefied oxygen, etc. by utilizing renewable energy with low carbon dioxide emissions. Although it is possible to separate and recover carbon dioxide, which is a secondary impurity in the manufacturing process, this technology has the following four problems.
まず本技術は、空気を原料ガスとして窒素や酸素およびアルゴンを分離回収するものであり、大気や燃焼排ガス、およびバイオガスから二酸化炭素を再生可能エネルギー利用により効率よく分離回収するための最適化がなされていないため、二酸化炭素の分離回収量が少なく、分離回収効率も低いという課題がある。 First, this technology separates and recovers nitrogen, oxygen, and argon using air as a raw material gas, and optimization is needed to efficiently separate and recover carbon dioxide from the atmosphere, flue gas, and biogas by using renewable energy. Since this is not done, there is a problem that the amount of carbon dioxide separated and recovered is small and the separation and recovery efficiency is low.
特に、二酸化炭素の分離回収を行うにあたっては、大気から約0.04vol%という低濃度の二酸化炭素を分離回収するより、5~15vol%と高濃度で回収効率が向上する、炭化水素燃料を利用したエネルギーシステムの排気ガスや、大気中の二酸化炭素を吸収したバイオマスの発酵によって得られ、約40vol%の高濃度二酸化炭素を含むバイオガスからの分離回収に関するものではないため、排気ガスやバイオガスから再生可能エネルギーを活用して効率よく二酸化炭素を分離回収できないという課題がある。 In particular, when separating and recovering carbon dioxide, rather than separating and recovering carbon dioxide at a low concentration of about 0.04 vol% from the atmosphere, hydrocarbon fuel is used, which improves the recovery efficiency at a high concentration of 5 to 15 vol%. It is not related to the separation and recovery from the exhaust gas of the energy system and the biogas that is obtained by fermentation of biomass that has absorbed carbon dioxide in the atmosphere and contains a high concentration of carbon dioxide of about 40 vol%, so exhaust gas and biogas There is a problem that it is not possible to efficiently separate and recover carbon dioxide using renewable energy.
また従来技術では、再生可能エネルギー資源が豊富であっても、送配電網への供給可能量不足や熱の貯蔵輸送効率といった制約から、再生可能エネルギーの有効利用が困難な場所であっても、電力系統の停電による影響を受けることなく、空気成分の分離による高純度ガス製造が可能となるが、従来技術ではこうした場所において、電力系統の制約を受けることなく、再生可能エネルギーを活用して継続的に大気中やバイオマス起源の二酸化炭素を効率よく分離回収できる技術にはなっていない。 In addition, with conventional technology, even if renewable energy resources are abundant, even in places where effective use of renewable energy is difficult due to constraints such as insufficient supply to power transmission and distribution networks and heat storage and transportation efficiency, It is possible to produce high-purity gas by separating air components without being affected by blackouts in the power system. In general, it is not a technology that can efficiently separate and recover carbon dioxide from the atmosphere and from biomass.
さらに、分離回収した二酸化炭素を地下帯水層や海底の貯留槽まで輸送し、圧入して固定化させる際には、二酸化炭素固定化サイトへの輸送や地下圧入を効率化するため、分離回収した二酸化炭素を液化したり、固体のドライアイスとして輸送することが望ましく、これは二酸化炭素の商工業利用においても輸送効率の高い液化二酸化炭素やドライアイスの方が好適であることは共通であるが、従来技術では分離回収した二酸化炭素を液化またはドライアイス化する方法と、二酸化炭素の液化やドライアイス化に係わるエネルギー消費と二酸化炭素排出を削減し、大気や排気ガスまたはバイオガスからの二酸化炭素の正味回収量を増加させ、回収効率を向上させるための具体的方法が示されていない。 Furthermore, when the separated and recovered carbon dioxide is transported to an underground aquifer or a storage tank on the sea floor, and is injected and fixed, a separate and recovered It is desirable to liquefy the carbon dioxide or transport it as solid dry ice, and it is common that liquefied carbon dioxide and dry ice, which have high transport efficiency, are more suitable for commercial and industrial uses of carbon dioxide. However, in the conventional technology, the method of liquefying or converting the separated and recovered carbon dioxide into dry ice, reducing the energy consumption and carbon dioxide emissions associated with the liquefaction and dry ice of carbon dioxide, and reducing the carbon dioxide from the atmosphere, exhaust gas, or biogas No specific method for increasing the net recovery of carbon and improving the recovery efficiency is given.
また、バイオマスのメタン発酵等によって得られるバイオガスから二酸化炭素の分離回収を行う際には、二酸化炭素の分離回収後に高純度メタンを主成分とするバイオメタンが精製されるが、このバイオメタンを酸化利用する際に発生する二酸化炭素を、再生可能エネルギー利用によって、効率よく分離回収する方法が開示されていない。 In addition, when separating and recovering carbon dioxide from biogas obtained by methane fermentation of biomass, biomethane, which is mainly composed of high-purity methane, is refined after separating and recovering carbon dioxide. There is no disclosure of a method for efficiently separating and recovering carbon dioxide generated during oxidative utilization by utilizing renewable energy.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、地熱蒸気やバイオマスまたはバイオガスの燃焼熱、あるいは水力や潮力といった再生可能エネルギーから得られる回転駆動力と、再生可能エネルギーやガスの圧縮プロセスから得られる温冷熱を直接的に二酸化炭素の分離回収と液化またはドライアイス化のプロセスに利用することで、正味の二酸化炭素分離回収量を増加させ、大気やエネルギーシステムの排気ガスまたはバイオマス起源のバイオガスから高い効率で二酸化炭素の分離回収を行う、再生可能エネルギー活用型の二酸化炭素分離回収方法と、本技術を適用した再生可能エネルギー活用型の二酸化炭素分離回収システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide rotational driving force obtained from renewable energy such as geothermal steam, biomass or biogas combustion heat, or hydraulic power and tidal power, and renewable energy By using the heat and cold heat obtained from the gas compression process directly for the carbon dioxide separation and recovery and liquefaction or dry ice processes, the net amount of carbon dioxide separation and recovery is increased, and the exhaust of the atmosphere and energy system We provide a renewable energy-based carbon dioxide separation and recovery method that highly efficiently separates and recovers carbon dioxide from gas or biomass-derived biogas, and a renewable energy-based carbon dioxide separation and recovery system that applies this technology. It is to be.
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、
地熱流体かバイオマスの燃焼熱か水流のいずれかのエネルギーを駆動源とするタービンと、前記タービン軸に直接または変速機を介して接続されたガス圧縮機またはガス送風機によって、バイオガスか、発電または熱供給システムの排気ガスか空気、および前記のいずれか一つ以上のガスから分離回収された二酸化炭素ガスのいずれか一つ以上を圧縮または送出させることを特徴とする。In order to solve the above problems, the invention according to claim 1,
Biogas, power generation or It is characterized by compressing or sending out any one or more of exhaust gas or air of the heat supply system and carbon dioxide gas separated and recovered from any one or more of the above gases.
請求項2に記載の発明は、
請求項1に記載のガス圧縮機またはガス送風機によって、バイオガスか、排気ガスか、空気のいずれか一つ以上を断熱圧縮して高温高圧化させるか、ガス送出させた後に、地熱流体かバイオマスの燃焼熱か、前記の断熱圧縮されたガスが保有する熱で駆動する吸収式冷凍機または吸着式冷凍機により得られる冷熱か、流水が保有する冷熱か、水力発電によって得られる電力で駆動されるターボ冷凍機によって得られる冷熱のいずれか一つ以上を利用して冷却除湿したうえで二酸化炭素分離膜に通過させることで、供給ガスに含まれる二酸化炭素を分離回収することを特徴とする。The invention according to claim 2,
The gas compressor or gas blower according to claim 1 adiabatically compresses one or more of biogas, exhaust gas, and air to high temperature and high pressure, or after gas is sent, geothermal fluid or biomass or the cold heat obtained by the absorption chiller or adsorption chiller driven by the heat possessed by the adiabatically compressed gas, the cold heat possessed by flowing water, or the electric power obtained by hydroelectric power generation. It is characterized by separating and recovering the carbon dioxide contained in the supplied gas by cooling and dehumidifying using any one or more of the cold energy obtained by the turbo chiller and passing it through the carbon dioxide separation membrane.
請求項3に記載の発明は、
請求項1に記載のガス圧縮機またはガス送風機によって、バイオガスか排気ガス、空気または、これらのガスから分離回収した二酸化炭素ガスのいずれか一つ以上を断熱圧縮して高温高圧化させるかガス送出させた後に、地熱流体かバイオマスの燃焼熱か、前記の断熱圧縮されたガスが保有する熱で駆動する吸収式冷凍機または吸着式冷凍機により得られる冷熱か、流水が保有する冷熱か、水力発電によって得られる電力で駆動されるターボ冷凍機によって得られる冷熱のいずれか一つ 以上を利用して冷却除湿して二酸化炭素吸着材に圧縮ガス中に含まれる二酸化炭素を吸着させたうえで、地熱流体かバイオマスの燃焼熱か、前記の断熱圧縮されたガスまたは分離回収した二酸化炭素ガスが保有する熱か、水力発電で得られる電力で駆動する加熱ヒーターより得られる熱によって、吸着材を加熱して二酸化炭素を放出させて回収することで、供給ガスに含まれる二酸化炭素を分離回収することを特徴とする。The invention according to
The gas compressor or gas blower according to claim 1 is used to adiabatically compress any one or more of biogas, exhaust gas, air, or carbon dioxide gas separated and recovered from these gases to high temperature and high pressure, or gas After pumping, either the heat of combustion of geothermal fluid or biomass, the cold obtained by an absorption or adsorption chiller driven by the heat possessed by said adiabatically compressed gas, or the cold possessed by flowing water; After cooling and dehumidification using one or more of the cold heat obtained by the centrifugal chiller driven by the electric power obtained by hydroelectric power generation, the carbon dioxide contained in the compressed gas is absorbed by the carbon dioxide adsorbent. , the heat of combustion of geothermal fluid or biomass, the heat possessed by the adiabatically compressed gas or the separated and recovered carbon dioxide gas, or the heat obtained from the heater driven by the electric power obtained from hydroelectric power generation. The carbon dioxide contained in the supplied gas is separated and recovered by heating to release and recover the carbon dioxide.
請求項4に記載の発明は、
請求項2および請求項3の二酸化炭素分離回収方法において、分離膜か吸着材の上流配管に、温度測定器か湿度測定器または圧力測定器か流量測定器のいずれか一つ以上を具備させ、前記の測定器から得られた計測値に基づいて、二酸化炭素分離膜や二酸化炭素吸着材を用いたガス分離回収の性能が最適となるよう、供給ガスの温度、湿度、圧力および流量を制御することを特徴とする。The invention according to claim 4,
In the carbon dioxide separation and recovery method of
請求項5に記載の発明は、
請求項1に記載の方法によって二酸化炭素ガスを圧縮した上で、地熱流体かバイオマスの燃焼熱か、前記の断熱圧縮されたガスが保有する熱で駆動する吸収式冷凍機または吸着式冷凍機により得られる冷熱か、流水が保有する冷熱か、水力発電によって得られる電力で駆動されるターボ冷凍機によって得られる冷熱のいずれか一つ以上を利用して圧縮された二酸化炭素ガスを冷却して液化または固化させることで、請求項2または請求項3の方法によって分離回収した二酸化炭素ガスを液化二酸化炭素かドライアイスとして回収することを特徴とする。The invention according to claim 5,
After compressing the carbon dioxide gas by the method of claim 1, by an absorption chiller or an adsorption chiller driven by the heat of combustion of geothermal fluid or biomass, or the heat possessed by the adiabatically compressed gas Compressed carbon dioxide gas is cooled and liquefied using one or more of the cold heat obtained, the cold heat possessed by running water, or the cold heat obtained by a centrifugal chiller driven by electricity obtained from hydroelectric power generation. Alternatively, by solidifying, the carbon dioxide gas separated and recovered by the method of claim 2 or
請求項6に記載の発明は、
請求項2または請求項3の方法によって、バイオガスから二酸化炭素を分離回収した後に得られるバイオメタンを燃料として燃料電池発電か酸素燃焼発電を行い、前記の発電システムから得られる二酸化炭素と水蒸気の混合ガスを、請求項1に記載のガス圧縮機またはガス送風機の上流に還流させることで、分離されたバイオメタンの燃料利用に伴って発生する二酸化炭素も分離回収することを特徴とする。The invention according to
By the method of claim 2 or
請求項7に記載の発明は、
地熱流体か水流、または請求項6に記載のバイオメタンを含むバイオマスのいずれかのエネルギーから得られる発電電力により、請求項2に記載の除湿冷却プロセスで得られるドレン水か、発電または冷熱利用を終えた地熱流体か河川水または海水を浄化して得られる純水の電気分解を行い、得られる水素を請求項6に記載のバイオメタンの供給配管に混合させて発電出力を増強させるとともに、得られる酸素を燃料電池発電か酸素燃焼発電における酸化剤として供給することで、請求項6のバイオメタン利用時に得られる排気ガスを二酸化炭素と水蒸気の混合気とすることを特徴とする。The invention according to claim 7,
The generated power obtained from the energy of either geothermal fluid or water stream or the biomass containing biomethane according to
請求項8に記載の発明は、
請求項1または請求項5に記載のガス断熱圧縮により得られる温熱か、請求項6に記載の発電に伴って発生する排熱から得られる温熱か、水力発電で得られる電力で駆動する加熱ヒーターより得られる熱によって、バイオマス発酵槽の加温か木質バイオマスの乾燥を行うとともに、地熱流体かバイオマスの燃焼熱か、前記の断熱圧縮されたガスが保有する熱で駆動する吸収式冷凍機または吸着式冷凍機により得られる冷熱か、流水が保有する冷熱か、水力発電によって得られる電力で駆動されるターボ冷凍機によって得られる冷熱のいずれか一つ以上を利用してバイオマス発酵槽の冷却を行うことで、バイオマス発酵槽の最適温度制御によるバイオガス発生量の最大化や木質バイオマスの乾燥による燃焼性向上を行うことを特徴とする。The invention according to claim 8,
Heater driven by heat obtained by gas adiabatic compression according to claim 1 or claim 5, heat obtained from waste heat generated with power generation according to
請求項9に記載の発明は、
請求項1に記載した地熱流体かバイオマスの燃焼熱によって得られる蒸気を用いて発電した際に得られる電力か、前記蒸気が汽水分離器に導入された際に汽水分離器から排出される熱水を用いて得られるバイナリー発電の電力か、水力発電によって得られる電力か、請求項6に記載のバイオメタン利用での発電によって得られる余剰電力のいずれか一つ以上の電力が、請求項1~9に記載された構成機器とその附帯設備および、構成機器を運転制御するシステムのいずれか一つ以上に供給されることを特徴とする。The invention according to
Electricity obtained when power is generated using the geothermal fluid described in claim 1 or steam obtained by combustion heat of biomass, or hot water discharged from the steam separator when the steam is introduced into the steam separator Any one or more of the power of binary power generation obtained using , the power obtained by hydroelectric power generation, and the surplus power obtained by power generation using biomethane according to
請求項10に記載の発明は、
請求項1に記載のガス圧縮またはガス送出の方法と、請求項2または3および4に記載の二酸化炭素の分離回収方法を用いて、バイオガスか、発電または熱供給システムの排気ガスまたは空気から二酸化炭素の分離回収を行うとともに、請求項5に記載の方法を用いて分離回収した二酸化炭素を液化またはドライアイスとして回収することを特徴とする。The invention according to
Using the method for gas compression or gas delivery according to claim 1 and the method for separating and recovering carbon dioxide according to
請求項11に記載の発明は、
バイオガスを利用する請求項10に記載の二酸化炭素分離回収システムにおいて、請求項6~9に記載された方法を用いて、バイオガス中の炭化水素燃料成分をエネルギー利用するとともに、エネルギー利用時に発生する二酸化炭素も含めて液化またはドライアイスとして回収することを特徴とする。The invention according to
In the carbon dioxide separation and recovery system according to
本発明によれば、地熱蒸気やバイオマスまたはバイオガスの燃焼熱、あるいは水力や潮力といった再生可能エネルギーから得られる回転駆動力や温冷熱と電力を、直接的に大気や排気ガスまたはバイオガスに含まれる二酸化炭素の分離回収に利用することで、二酸化炭素の分離回収に係わる化石燃料の消費を削減して、正味の二酸化炭素回収量を増加させ、商工業利用や固定化にむけた輸送が容易な液化二酸化炭素やドライアイスとして回収することが可能となる。
また、再生可能エネルギー資源が豊富であっても、送配電網への供給可能量不足や熱の貯蔵輸送効率といった制約から、再生可能エネルギーの有効利用が困難な場所であっても、電力系統の停電による影響を受けることなく、大気中やバイオマス起源の二酸化炭素を継続的に分離回収することが可能となる。According to the present invention, the rotational driving force, hot and cold heat, and electric power obtained from geothermal steam, biomass, or biogas combustion heat, or renewable energy such as hydraulic power and tidal power, are directly transferred to the atmosphere, exhaust gas, or biogas. By using it for the separation and recovery of carbon dioxide contained, the consumption of fossil fuels related to the separation and recovery of carbon dioxide can be reduced, the net amount of carbon dioxide recovered can be increased, and transportation for commercial and industrial use and immobilization can be achieved. It becomes possible to recover easily as liquefied carbon dioxide or dry ice.
In addition, even if renewable energy resources are plentiful, it is difficult to use renewable energy effectively due to constraints such as insufficient supply capacity to power transmission and distribution networks and heat storage and transportation efficiency. It will be possible to continuously separate and recover carbon dioxide from the atmosphere and from biomass without being affected by power outages.
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、本実施形態に限定されるものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. The scope of the present invention is defined in the claims and is not limited to the present embodiment.
(第1実施形態)(First embodiment)
まず本発明の第1実施形態に係る、バイオマスのメタン発酵システムと二酸化炭素分離膜モジュールで構成される、地熱エネルギー多段階活用型の二酸化炭素液化回収システムについて、図1に基づいて説明する。 First, a geothermal energy multistage carbon dioxide liquefaction recovery system comprising a biomass methane fermentation system and a carbon dioxide separation membrane module according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1に示すように、このシステムには、地熱流体1を100℃~180℃程度の地熱蒸気と100℃未満の熱水に分離する汽水分離器2と、前記汽水分離器から排出された地熱蒸気で駆動される蒸気タービン3と、この蒸気タービンの回転軸に変速機4を介して接続され、バイオマスのメタン発酵システム5から発生した後にバイオガス浄化装置6を介して不純物除去されたバイオガスを吸気して断熱圧縮するガス圧縮機7と、前記圧縮機で圧縮された高温高圧バイオガスを予冷する熱交換器8と、冷却された高圧バイオガスの流量を調整する流量調整弁9と、圧力、流量および温湿度を調整された高圧バイオガスから二酸化炭素とバイオメタンを分離する分離膜モジュール10と、前記の分離膜モジュールから分離された高圧の二酸化炭素ガスをさらに昇圧する二酸化炭素ガス圧縮機11と、昇圧された高圧二酸化炭素ガスを冷却して液化させる熱交換器12が具備されている。 As shown in FIG. 1, this system includes a steam separator 2 that separates a geothermal fluid 1 into geothermal steam of about 100° C. to 180° C. and hot water of less than 100° C., and geothermal heat discharged from the steam separator. A
さらに本システムには、バイオガスを生成して得られたバイオメタンを利用して発電を行い、その際に発生する排気ガスを二酸化炭素と水蒸気の混合気としたうえで水分を除去し、バイオメタン起源の二酸化炭素を分離回収して液化回収を行えるようにするため、分離膜モジュール10のバイオメタン流路の下流側には燃料電池発電システム13が接続されるとともに、その発電出力が水電解装置14に供給され、前記の水電解装置から発生する水素がバイオメタン流路内に追加供給された後に、前記の燃料電池13の燃料極側に供給され、前記の水電解装置から発生する酸素が前記の燃料電池13の空気極側に供給され、未反応の酸素が排気される空気極側の排気ガスは、ブロワ15を介して燃料電池13の空気極に還流されることで、空気極には常に純酸素が循環供給される構成となっている。 Furthermore, in this system, the biomethane obtained by generating biogas is used to generate electricity, and the exhaust gas generated at that time is converted to a mixture of carbon dioxide and water vapor to remove moisture, A fuel cell
また本システムでは、分離膜モジュール10のガス分離性能を最適化するための供給ガスの温湿度調整や、回収した二酸化炭素ガスを液化するための冷却とメタン発酵槽の加温や、システムを構成する冷凍機と附帯設備の冷却塔、ポンプ、ブロワや運転制御機器を駆動するための電力を得るため、地熱エネルギーの多段階活用を行うことで、二酸化炭素の液化回収に係わるエネルギー消費で再生可能エネルギー活用を行い、正味の二酸化炭素回収性能を高める構成としている。 In addition, in this system, the temperature and humidity adjustment of the supplied gas for optimizing the gas separation performance of the
すなわち、分離膜モジュール10に供給するバイオガスの温湿度調整では、前記メタン発酵システム5から排出されるメタンガスの除湿と冷却において、前記の蒸気タービンから排出される70~90℃の高温水で駆動される吸収式冷凍機16から得られる5~15℃の冷却水が利用され、高圧の二酸化炭素ガスを液化させるための冷却では、前記の汽水分離器で分離された高温熱水を利用して運転されるバイナリー発電システム17から排出される50~80℃の高温水で駆動される吸着式冷凍機18から得られる5~15℃の冷却水が利用されるとともに、前記の吸着式冷凍機から排水される30~60℃の低温温水が、前記のメタン発酵システム5のメタン発酵槽に供給され、メタン発酵槽を加温してバイオマスの発酵促進に活用された後に排水される構成となっている。 That is, in adjusting the temperature and humidity of the biogas supplied to the
また、システムを構成する冷凍機と附帯設備の冷却塔、ポンプ、ブロワや運転制御機器は、前記のバイナリー発電システム17から得られる再生可能エネルギー電力で駆動されるように構成されているため、構成機器の運転に係わるエネルギー消費に伴う二酸化炭素の排出を抑制することができるとともに、電力系統に依存することなく二酸化炭素の液化回収を行うことが可能である。なお、本システムの起動停止や過渡的な電力需給バランスの調整には、前記バイナリー発電システムの発電電力を充放電利用できる蓄電システム19を具備しておくことが望ましい。 In addition, since the refrigerator and cooling towers, pumps, blowers, and operation control equipment of auxiliary equipment that make up the system are configured to be driven by renewable energy power obtained from the binary
さらに本システムでは、分離膜モジュール10のガス分離性能を最適化するため、供給ガスの温湿度と圧力および流量を最適制御する機構を具備している。具体的にはバイオガス中の水分と、前記燃料電池13からの燃料極排気ガスに含まれる過剰な水分を除去し、分離膜モジュールに供給するガスの湿度を50%未満、より好ましくは20%前後とするため、除湿器20に5~15℃の冷却水を循環ポンプ21を利用して循環供給し、凝縮結露での水分回収を行うが、この凝縮結露での除湿量は、分離膜モジュール10の上流に設置された湿度測定器22の測定値を参照しながら循環ポンプ21の回転数を制御し、分離膜モジュール供給ガスの湿度が高い場合には冷却水の循環量を増加させて凝縮結露を促進することで除湿を強化する一方、供給ガスの湿度が低い場合には冷却水の循環量を減少させて凝縮結露を抑制し、冷却水の循環量制御によって湿度制御を行う機構としている。 Furthermore, in order to optimize the gas separation performance of the
さらに、供給ガスの温度を最適制御する際には、分離膜モジュール10の上流に設置された温度測定器23の測定値を参照しながら循環ポンプ24の回転数を制御し、バイオガスを予冷する熱交換器8に供給する冷却水の循環供給量を制御し、分離膜モジュール供給ガスの温度が高い場合には、冷却水の循環量を増加させてガス冷却を促進し、供給ガスの温度を低下させる一方、供給ガスの温度が低い場合には冷却水の循環量を減少させて冷却を抑制し、冷却水の循環量制御によって温度制御を行う機構としている。 Furthermore, when optimally controlling the temperature of the supply gas, the rotation speed of the
また、供給ガスの圧力を最適制御する際には、分離膜モジュール10の上流に設置された圧力測定器25の測定値を参照しながら、変速機4を制御してバイオガス圧縮機7の回転数を制御し、分離膜モジュール供給ガスの圧力が低い場合には、圧縮機の回転数を増加させてガス圧縮を促進し、供給ガスの圧力を上昇させる一方、供給ガスの圧力が高い場合には圧縮機の回転数を減少させて圧縮を抑制し、変速機を介した圧縮機の回転数制御によって圧力制御を行う機構としている。 In addition, when optimally controlling the pressure of the supply gas, the transmission 4 is controlled to rotate the biogas compressor 7 while referring to the measured value of the
さらに、供給ガスの流量を最適制御する際には、分離膜モジュール10の上流に設置された流量測定器26の測定値を参照しながら流量調整弁9の開度を制御して、分離膜モジュール供給ガス流量が少ない場合には、流量調整弁の開度を拡げてガス流量を増加させる一方、供給ガスの流量が多い場合には流量調整弁の開度を狭めてガス流量を減少させることで、流量調整弁の開度制御によって流量制御を行う機構としている。 Furthermore, when optimally controlling the flow rate of the supply gas, the opening degree of the
また、前記の水電解装置14に供給する純水は、前記20の除湿器から得られるドレン水や、前記18の吸着式冷凍機から排水される排温水を、イオン交換樹脂等の純水製造装置27を通過させることで得られるが、地熱流体の排温水中には多量の温泉成分が含まれて純水製造装置への負荷が大きくなる場合も考えられるため、不純物含有量が少なく純水化が容易な除湿器20からのドレン水を主として利用し、それでも純水が不足する分の原料水として排温水を利用することが望ましい。 The pure water to be supplied to the
このように、本発明の二酸化炭素液化回収システムでは、二酸化炭素の分離膜を利用した分離回収プロセスの中で、エネルギー消費の大きい分離膜供給ガスの圧縮と、分離回収した二酸化炭素ガスの圧縮において、地熱蒸気で駆動されるタービンの回転力を直接利用することで、再生可能エネルギーの直接利用による、二酸化炭素の液化回収を可能としている。 Thus, in the carbon dioxide liquefaction recovery system of the present invention, in the separation and recovery process using the carbon dioxide separation membrane, in the compression of the separation membrane supply gas, which consumes a large amount of energy, and the compression of the separated and recovered carbon dioxide gas, By directly using the rotational force of a turbine driven by geothermal steam, it is possible to liquefy and recover carbon dioxide through direct use of renewable energy.
また、本システムで二酸化炭素を分離回収するガスは、空気を直接吸気して圧縮し、大気中に含まれる約0.04vol%の二酸化炭素を分離回収しても良いが、大気中の二酸化炭素を吸収したバイオマスを発酵させて得られるバイオガス中の二酸化炭素濃度は約40vol%と1000倍程度の高いことから、大気中の二酸化炭素を分離回収して固定化させるうえでは、バイオガス中の二酸化炭素を分離回収して固定化させる方が分離回収効率が高く、より好適である。 In addition, the gas for separating and recovering carbon dioxide in this system may be obtained by directly sucking air and compressing it to separate and recover about 0.04 vol% carbon dioxide contained in the atmosphere. The carbon dioxide concentration in the biogas obtained by fermenting the biomass that has absorbed is about 40 vol%, which is about 1000 times higher. It is more preferable to separate and recover carbon dioxide and fix it because the separation and recovery efficiency is high.
また、本システムではバイオガスからの二酸化炭素分離回収によって、発電や熱利用などが可能なカーボンニュートラル燃料となるバイオメタンを得ることができるが、このバイオメタン燃料利用に伴って発生する二酸化炭素も分離回収して固定化できれば、大気中の二酸化炭素を減少させるネガティブエミッションをさらに促進できることとなる。 In addition, in this system, by separating and recovering carbon dioxide from biogas, it is possible to obtain biomethane, which is a carbon-neutral fuel that can be used for power generation and heat. If it can be separated, recovered and fixed, it will be possible to further promote negative emissions that reduce carbon dioxide in the atmosphere.
このため、本システムでは、バイオメタンを純酸素と反応させ、生成する排気ガスを二酸化炭素と水蒸気の混合気としたうえで、排気ガスを冷却除湿して水分除去することで、高濃度の二酸化炭素ガスを回収できる機構としているが、その手段は燃料電池発電に限定されず、例えば水電解装置を利用して得られる酸素を利用した純酸素燃焼タービン発電を適用しても良い。 Therefore, in this system, biomethane is reacted with pure oxygen, and the resulting exhaust gas is a mixture of carbon dioxide and water vapor. Although the mechanism is capable of recovering carbon gas, the means is not limited to fuel cell power generation. For example, pure oxygen combustion turbine power generation using oxygen obtained by using a water electrolysis device may be applied.
以上の構成とすることで、二酸化炭素の排出を伴わない再生可能エネルギーである地熱蒸気エネルギーの多段階活用によって、二酸化炭素を効率よく液化回収することが可能となり、豊富な地熱蒸気があっても送配電網への接続供給ができず、発電利用が困難な場所であっても、地熱蒸気の有効活用による二酸化炭素の高効率液化回収を行えるようになる。
(第2実施形態)With the above configuration, it is possible to efficiently liquefy and recover carbon dioxide through multi-stage utilization of geothermal steam energy, which is a renewable energy that does not emit carbon dioxide, even if there is abundant geothermal steam. Even in places where it is difficult to use power generation because it is not possible to connect to the power transmission and distribution grid, it will be possible to efficiently liquefy and recover carbon dioxide by effectively using geothermal steam.
(Second embodiment)
次に、本発明の第2実施形態に係る、バイオマスのメタン発酵システムと二酸化炭素吸着材モジュールで構成される、地熱エネルギー多段階活用型の二酸化炭素液化回収システムについて、図2に基づいて説明する。 Next, a geothermal energy multistage carbon dioxide liquefaction recovery system comprising a biomass methane fermentation system and a carbon dioxide adsorbent module according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. .
図2に示すように、第2実施形態のシステムでは、二酸化炭素の分離回収方法として、圧縮バイオガスをアミン担持ゼオライト等の二酸化炭素吸着材を搭載し、変速機28を介して地熱蒸気タービンと接続された回転式ローター29に二酸化炭素を吸着させた後に、高温の二酸化炭素ガスを供給して吸着材の温度を上昇させ、二酸化炭素を脱離回収するプロセスを適用している点が異なる。 As shown in FIG. 2, in the system of the second embodiment, as a method for separating and recovering carbon dioxide, a compressed biogas is loaded with a carbon dioxide adsorbent such as amine-supported zeolite, and is connected to a geothermal steam turbine via a
ここで、二酸化炭素の脱離においては、吸着材の高温化により脱離した高温の二酸化炭素ガスを一部還流させてガス圧縮機通過後の高温圧縮ガスと熱交換器30を介して60~80℃に昇温させた後に、ブロワ31を用いて吸着材ローター29に吹きつけることで、吸着材に吸着していた二酸化炭素を脱離して回収させる、二酸化炭素ガスの循環ラインを形成し、この循環ライン上に二酸化炭素の抽気バルブ32から一部の二酸化炭素ガスを抽気し、圧縮機で圧縮した後に、蒸気タービン通過後の蒸気で駆動される吸収式冷凍機から得られる冷却水を循環供給する、圧縮二酸化炭素ガス冷却器33で冷却を行うことで、二酸化炭素の液化回収を行えるようにしている。 Here, in the desorption of carbon dioxide, part of the high-temperature carbon dioxide gas desorbed by increasing the temperature of the adsorbent is refluxed, and the high-temperature compressed gas after passing through the gas compressor and the
また、吸着材ローター29に供給するバイオガスは、吸着材の二酸化炭素吸着性能が最も高くなるよう、第1実施形態と同様の技術により、温湿度と圧力および流量が制御される。なお、第1実施形態では、分離回収前のガスの除湿や冷却に吸収式冷凍機の冷却水を利用し、分離回収して圧縮された二酸化炭素ガスの冷却のために、吸着式冷凍機の冷却を利用していたが、本実施形態においては、吸着材ローターに供給するガス圧力は第1実施形態ほど高くする必要がなく、断熱圧縮によるガスの温度上昇も大きくないため、吸着材ローターに供給するガスの冷却負荷が少なくなる一方、回収した二酸化炭素ガスの温度は第1実施形態より高温化し、液化回収に要するガス冷却の負荷が大きくなることから、利用可能な冷熱量の多い、吸収式冷凍機から得られる冷却水を利用する構成としている。 The temperature, humidity, pressure, and flow rate of the biogas supplied to the
このように、蒸気タービン駆動後の排熱蒸気や高温水と、バイナリー発電後の排温水を、吸収式または吸着式の冷凍機に供給して得られる冷却水の供給先や供給量の配分は、用途と冷却負荷に応じて最適化することが好ましい。
(第3実施形態)In this way, the supply destination and supply amount of cooling water obtained by supplying the exhaust heat steam and high temperature water after driving the steam turbine and the exhaust hot water after binary power generation to the absorption chiller or adsorption chiller , preferably optimized according to the application and cooling load.
(Third embodiment)
次に、本発明の第3実施形態に係わる、二酸化炭素分離膜モジュールを活用した、地熱エネルギー多段階活用型の大気中二酸化炭素液化回収システムについて、図3を用いて説明する。 Next, an atmospheric carbon dioxide liquefaction recovery system utilizing a carbon dioxide separation membrane module according to a third embodiment of the present invention and utilizing multistage geothermal energy will be described with reference to FIG.
図3に示すように、本システムでは大気中に蓄積された二酸化炭素を分離して液化回収するため、ガス圧縮機で吸気するガスを、吸気フィルタ34を通じて粉塵や過剰な湿度分を除去した空気である。本システムはバイオマスの発酵処理を必要としないため、地熱蒸気の発生地にバイオマス発酵システムを整備する必要がなく、バイオマス資源を調達供給し続ける必要もなく、地熱蒸気が発生している場所であれば、どこでも幅広く実施することが可能である。
(第4実施形態)As shown in FIG. 3, in order to separate and liquefy the carbon dioxide accumulated in the atmosphere in this system, the gas taken in by the gas compressor is filtered through an
(Fourth embodiment)
次に、本発明の第4実施形態に係わる、バイオマスのメタン発酵システムと二酸化炭素分離膜モジュールで構成される、河川水多段階活用型の二酸化炭素液化回収システムについて、図4を用いて説明する。 Next, a carbon dioxide liquefaction recovery system for multi-stage use of river water, which is composed of a biomass methane fermentation system and a carbon dioxide separation membrane module, according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. .
図4に示すように、本システムではバイオマス起源の二酸化炭素を液化回収しているが、その再生可能エネルギー源や水電解装置に供給する原料水として、河川の水力と河川水の冷熱および河川水そのものを利用している点が異なる。 As shown in Figure 4, this system liquefies and recovers carbon dioxide originating from biomass. The only difference is that it uses itself.
すなわち、分離膜モジュールに供給するバイオガスや、回収した二酸化炭素ガスの圧縮では、河川流路上に設置された水車式回転力伝達装置35の回転力を直接利用し、圧縮されたバイオガスや二酸化炭素ガスの冷却においては、河川水との熱交換によるガス冷却装置36および37を利用するとともに、水電解装置や附帯設備を駆動するための電力や、バイオマス発酵槽を加温する電気ヒーター38の電力は、河川に敷設された水力発電システム39から得られる再生可能エネルギー電力を利用する構成としている。 That is, in the compression of the biogas supplied to the separation membrane module and the recovered carbon dioxide gas, the rotational force of the water wheel type rotational
このような構成とすることで、地熱資源がなく、水力資源に恵まれた地域においても、二酸化炭素の高効率液化回収が可能となる。なお、本システム構成はバイオマスの発酵システムとの組み合わせ事例であるが、第3実施形態と同様、二酸化炭素の分離回収対象ガスを空気とする場合には、バイオマス資源調達等の制約がなく、水力資源を活用できる場所であれば、幅広く適用することが可能である。
(第5実施形態)By adopting such a configuration, highly efficient liquefaction and recovery of carbon dioxide is possible even in regions that have no geothermal resources and are blessed with hydropower resources. Although this system configuration is an example of combination with a biomass fermentation system, as in the third embodiment, when air is used as the target gas for separation and recovery of carbon dioxide, there are no restrictions such as biomass resource procurement, and hydraulic power It can be widely applied wherever resources are available.
(Fifth embodiment)
次に、本発明の第5実施形態に係わる、バイオマス燃焼発電システムと二酸化炭素分離膜モジュールで構成される、バイオマスエネルギー活用型の二酸化炭素液化回収システムについて、図5を用いて説明する。 Next, a carbon dioxide liquefaction recovery system utilizing biomass energy, which is composed of a biomass combustion power generation system and a carbon dioxide separation membrane module, according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図5に示すように、第5実施形態のシステムでは、バイオマスガス化燃焼システム40を利用し、バイオマスの空気燃焼によって蒸気タービンを駆動して得られる動力を用いてバイオマス燃焼排ガスの圧縮を行うとともに、蒸気タービン駆動後の高温水を利用してバイナリー発電を行った後、バイナリー発電システムから排水される温水を利用して吸収式冷凍機を駆動し、吸収式冷凍機から排水される低温の温水を利用して吸着式冷凍機を駆動し、燃焼排ガス中の水分除去や圧縮された燃焼排ガスの冷却、および昇圧された二酸化炭素ガスの冷却に利用されている点が、他の実施形態と異なる。 As shown in FIG. 5, in the system of the fifth embodiment, a biomass
このような実施形態とすることで、地熱資源や水力資源がない一方、バイオマス資源が多量に発生する場所や、バイオマス資源の集積地においても、バイオマス起源の二酸化炭素を高効率に液化回収することが可能となる。 By adopting such an embodiment, it is possible to liquefy and recover biomass-derived carbon dioxide with high efficiency even in places where there are no geothermal or hydropower resources but where a large amount of biomass resources are generated or where biomass resources are accumulated. becomes possible.
以上のように、地域に分散する多様な再生可能エネルギーを利用して二酸化炭素の分離と液化回収を行うことで、これまでの産業活動等で大気中に排出された二酸化炭素を効率よく液化二酸化炭素として回収し、地中等への圧入固定化やドライアイス等の商工業利用、カーボンニュートラル燃料等を製造するための原料として利用することが可能となる。また、再生可能エネルギー資源があっても送配電網への接続が困難で、再生可能エネルギー発電が困難な場所においても適用が可能で、電力系統で停電が起こっても継続的に二酸化炭素の液化回収が行えるようになり、幅広い地域で大気中の二酸化炭素を液化回収することが可能となる。 As described above, by separating and liquefying carbon dioxide using various renewable energies distributed in the region, it is possible to efficiently liquefy the carbon dioxide emitted into the atmosphere by industrial activities so far. It can be recovered as carbon, and can be used as a raw material for injection fixation into the ground, commercial and industrial use such as dry ice, and production of carbon-neutral fuel. In addition, even if there are renewable energy resources, it is difficult to connect to the power transmission and distribution grid, and it can be applied in places where renewable energy power generation is difficult. It will be possible to recover carbon dioxide from the atmosphere over a wide area by liquefying it.
なお本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、例えば図3や図4および図5の実施形態は、図2に示した二酸化炭素吸着材で構成される吸着材ローターを用いた分離回収方法でも適用可能であり、図4の実施形態は河川水の利用に限らず、潮流発電が可能な海峡地域においても適用可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, the embodiments of FIGS. 3, 4 and 5 use an adsorbent rotor composed of the carbon dioxide adsorbent shown in The separation and recovery method is also applicable, and the embodiment of FIG. 4 is applicable not only to the use of river water but also to strait areas where tidal current power generation is possible.
このように、前記の実施形態は例示であり、本発明の特許請求範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 As described above, the above-described embodiment is merely an example, and any device that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that produces the same effect as the technical concept of the present invention. However, it is included in the technical scope of the present invention.
1・・・・地熱流体
2・・・・汽水分離器
3・・・・蒸気タービン
4・・・・ガス圧縮機用変速機
5・・・・バイオマス発酵システム
6・・・・バイオガス浄化装置
7・・・・ガス圧縮機
8・・・・ガス冷却器
9・・・・ガス流量調整弁
10・・・二酸化炭素分離膜モジュール
11・・・二酸化炭素ガス圧縮機
12・・・高圧二酸化炭素ガス冷却器
13・・・燃料電池発電設備
14・・・水電解装置
15・・・酸素ガス循環ブロワ
16・・・吸収式冷凍機
17・・・バイナリー発電システム
18・・・吸着式冷凍機
19・・・蓄電システム
20・・・除湿器
21・・・除湿器用冷却水循環ポンプ
22・・・供給ガス湿度測定器
23・・・供給ガス温度測定器
24・・・供給ガス冷却用冷却水循環ポンプ
25・・・供給ガス圧力測定器
26・・・供給ガス流量測定器
27・・・純水製造装置
28・・・吸着材ローター用変速機
29・・・二酸化炭素吸着材搭載ローター
30・・・二酸化炭素循環ガス熱交換器
31・・・二酸化炭素ガス循環ブロワ
32・・・二酸化炭素ガス抽気バルブ
33・・・高圧二酸化炭素ガス冷却器
34・・・吸気フィルタ
35・・・水車式回転力伝達装置
36・・・供給ガス冷却器
37・・・二酸化炭素ガス冷却器
38・・・バイオマス発酵槽加温ヒーター
39・・・水力発電システム
40・・・バイオマスガス化燃焼システムReference Signs List 1 Geothermal fluid 2
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