JP4413334B2 - 再生式二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離システム - Google Patents

再生式二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離システム Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、再生式二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離システムに関する。さらに詳細には、本発明は、燃焼ボイラなどから排出される排ガス中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）を効率的且つ経済的に分離することができる再生式二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電所やごみ焼却プラントなどの各種の産業設備から大気中に放出される二酸化炭素は、「温室効果」による地球の温暖化の原因とされ、その削減を急速に進める必要がある。例えば、火力発電所の場合には、石油系燃料、石炭系燃料、ＬＮＧ（液化天然ガス）などの燃料がボイラで燃焼され、大量の二酸化炭素が生成される。
【０００３】
従来、これらの排ガスから二酸化炭素を分離する方法として、アミン類を含有する「吸収液」を用いるものや、酢酸セルロース膜などを使用した「膜分離法」などが提案されている。
【０００４】
例えば、特許第２８０９３６８号公報においては、ＣＯ２吸収液として非引火性のアルカノールアミン水溶液を用いて二酸化炭素を回収する方法が開示されている。また、特許第２８０９３８１号公報においては、モノエタノールアミン吸収液を用いた分離システムにおいて吸収液再生塔のリボイラの加熱源を最適化した分離方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような「吸収液」を用いた方法では、吸収効率が必ずしも高くないという問題があった。例えば、アミンを用いた吸収液が捕集することができる二酸化炭素の体積は、吸収液の体積の約２０倍〜３０倍に過ぎない。従って、大規模な燃焼プラントにおいては、極めて多量の吸収液を常に循環させなければならないという問題があった。
【０００６】
また、このような「吸収液」を用いた方法においては、二酸化炭素を吸収させる吸収塔、吸収液を再生する再生塔及びリボイラ、さらにこれらの間に設けられる循環システムなどが必要とされ、システムが極めて複雑となるという問題があった。
【０００７】
同様に、「膜分離法」においては、分離膜の陽圧側から陰圧側に二酸化炭素のみを透過させて吸収するため、圧力制御の機構が必要とされ、システムが複雑となる。
【０００８】
さらに、これらの方法において用いられる吸収液や分離膜は、その許容温度が２００℃前後であり、耐熱性が低い。火力発電所のボイラーなどのように、各種の燃焼源から放出される排ガスの温度は、６００℃あるいはそれ以上である場合が多いために、二酸化炭素分離装置に導入する前に予め排ガスを冷却する設備が必要とされ、システムが複雑になるとともに、分離コストが高くなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、従来よりもはるかに簡素な構成により極めて高い効率で二酸化炭素の分離を確実に行うことができる再生式二酸化炭素分離装置及び二酸化炭素分離システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の二酸化炭素分離システムは、
再生式二酸化炭素分離装置と、
前記再生式二酸化炭素分離装置の前記第２のガス流経路における温度を前記所定の温度よりも高くするための加熱手段と、
前記第１のガス流経路から排出されたガスを冷却する熱回収手段と、
前記第２のガス流経路から排出された二酸化炭素を含有するガスから前記第１のガス流経路に供給される前記第１のガスに対して熱エネルギを移送する熱交換手段と、
を備えた、
二酸化炭素分離システムであって、
前記再生式二酸化炭素分離装置は、
回転可能とされたロータと、
前記ロータに保持され、所定の温度よりも低い温度においては二酸化炭素を吸収し、前記所定の温度よりも高い温度においては吸収した二酸化炭素を放出する、吸収分離剤と、
前記ロータの前記回転の中心軸に対して略平行方向に第１のガスを前記ロータ中を流す第１のガス流経路と、
前記ロータの前記回転の中心軸に対して略平行方向に第２のガスを前記ロータ中を流す第２のガス流経路と、
前記第１のガスと前記第２のガスとが混合しないように遮蔽するシール機構と、
を備え、
前記第１のガス流経路における温度を前記所定の温度よりも低くし、前記第２のガス流経路における温度を前記所定の温度よりも高くしつつ、前記ロータを回転させることによって、前記第１のガスに含有される二酸化炭素を前記吸収分離剤に吸収させ、前記吸収分離剤に吸収された二酸化炭素を前記第２のガス中に放出させる
ものとして構成された、
ことを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、従来よりも高効率、低コスト且つ高信頼性を有する二酸化炭素分離装置を実現することができる。
【００１２】
ここで、前記ロータに装着可能とされ前記ガスの流れ方向に開口を有する複数のバスケットをさらに備え、前記吸収分離剤は、前記複数のバスケットのそれぞれに装填されるものとすることができる。
【００１３】
本発明の二酸化炭素分離システムは、
再生式二酸化炭素分離装置と、
前記再生式二酸化炭素分離装置の前記第２のガス流経路における温度を前記所定の温度よりも高くするための加熱手段と、
前記第１のガス流経路から排出されたガスを冷却する熱回収手段と、
前記第２のガス流経路から排出された二酸化炭素を含有するガスから前記第１のガス流経路に供給される前記第１のガスに対して熱エネルギを移送する熱交換手段と、
を備えた、
二酸化炭素分離システムであって、
前記再生式二酸化炭素分離装置は、
複数の反応室と、
前記複数の反応室のそれぞれに保持され、所定の温度よりも低い温度においては二酸化炭素を吸収し、前記所定の温度よりも高い温度においては吸収した二酸化炭素を放出する、吸収分離剤と、
第１のガス及び第２のガスのいずれかを前記複数の反応室のそれぞれに選択的に供給するための切替手段と、
を備え、
反応室を前記所定の温度よりも低温に保持しつつ前記第１のガスを供給することによって第１のガス流経路を形成し前記第１のガスに含有される二酸化炭素を前記吸収分離剤に吸収させる吸収サイクルと、
反応室を前記所定の温度よりも高温に保持しつつ前記第２のガス流を供給することによって第２のガス流経路を形成し前記吸収分離剤に吸収された二酸化炭素を前記第２のガス中に放出させる再生サイクルと、
を前記複数の反応室の間で略連鎖的に実施可能とした、
ものとして構成された、
ことを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、いわゆる定置型で高効率、低コストの再生式二酸化炭素分離装置を実現することができる。
【００１５】
ここで、前記反応室は、前記所定の温度よりも高温に加熱するための加熱手段を有するものとすれば、変曲点よりも高い温度に容易且つ確実に加熱して再生することができる。
【００１６】
また、前記吸収分離剤は、リチウムジルコネート、アルカリ金属の酸化物及びアルカリ土類金属の酸化物の少なくともいずれかを含むものとすれば、高効率の吸収分離を実現することができる。
【００１７】
また、前記吸収分離剤は、粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の形成品の少なくともいずれかの形態を有するものとすれば、二酸化炭素の効率良い吸収分離を実現することができる。
【００１８】
さらに具体的には、前記吸収分離剤は、粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の少なくともいずれかの成形品に担持されたものとすれば、高い効率で高い信頼性も得ることができる。
【００１９】
また、前記所定の温度が互いに異なる複数の吸収分離剤を備えることにより、さらに吸収分離効率を向上させることができる。
【００２１】
ここで、前記第２のガス流経路から排出された前記二酸化炭素を含有するガスの少なくとも一部を前記第２のガス流経路に再供給する循環手段をさらに備え、前記加熱手段は、燃料を燃焼させて、前記循環手段により循環される前記二酸化炭素を含有するガスを加熱する、蓄熱式バーナまたは間接式加熱炉であるものとしても良い。
【００２２】
また、前記熱回収手段は、前記第１のガス流経路から排出された前記ガスにより蒸気を発生させるボイラを有し、
または、前記ボイラと、前記ボイラにおいて発生された前記蒸気により駆動されるスチームタービンと、前記スチームタービンにより駆動される発電機と、を有するものとしても良い。
【００２３】
また、前記熱交換手段は、プレート式、チューブラ式または回転型再生式熱交換器のいずれかであるものとしても良い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１は、本発明にかかる再生式二酸化炭素分離装置を表す斜視概念図である。すなわち、同図に例示したものは、回転型の再生式二酸化炭素分離装置であり、分離装置１は、回転軸１ａを中心に所定速度で矢印方向に回転するロータ１ｂと、ロータ１ｂ中に装填されたコンパートメント（「セクター」と称されることもある）１ｃとを有する。コンパートメント１ｃには、温度に応じて二酸化炭素ガスを可逆的に吸収・放出する吸収分離剤１ｇが装填されている。具体的には、例えばコンパートメント１ｃに複数のバスケットｂａが設けられ、吸収分離剤１ｇを、これらのバスケットｂａに装填することができる。この場合に、それぞれのバスケットｂａにはガスの流れ方向に開口が設けられ、吸収分離剤１ｇとガスとの接触を確保する。このためには、例えば、バスケットｂａの開口を網状あるいは格子状にしても良い。
【００２６】
吸収分離剤１ｇとしては、後に詳述するように、相対的に低い温度において二酸化炭素を吸収し、吸収した二酸化炭素を相対的に高い温度において放出するような特性を有する材料を用いる。なお、図１において、１ｄはロータハウジング、１ｅはセクタプレートである。
【００２７】
上記構成の分離装置１は、回転軸１ａを中心としたロータ１ｂの回転円周上に分割して設けられた高温部１ｈと低温部１Ｌとを有する。そして、低温部１Ｌには、図示しないボイラまたは焼却炉などから排出された排ガスＧ１が供給される。一方、高温部１ｈには、吸収分離剤から放出された二酸化炭素を運ぶためのキャリアガスＡ１が供給される。
【００２８】
排ガスＧ１に含有される二酸化炭素は、排ガスＧ１が低温部１Ｌを通過する間にコンパートメント１ｃに装填された吸収分離剤１ｇに吸収され排ガスＧ１と分離される。二酸化炭素が分離された排ガスＧ２は、装置の出口側から取り出される。
【００２９】
吸収分離剤１ｇに吸収された二酸化炭素は、ロータ１ｂの回転に伴ってコンパートメント１ｃが高温部１ｈに移動し、高温のキャリアガスＡ１と接触することにより吸収分離剤１ｇから放出され、キャリアガスと混合されたガス流Ａ２として排出される。二酸化炭素を放出した吸収分離剤１ｇは、ロータ１ｂの回転に伴って再び低温部１Ｌに移動し、排ガスＧ１から二酸化炭素を吸収分離する。
【００３０】
高温部１ｈと低温部１Ｌとは、図示しないシール系により相互にシールされ、ガスのリークを防いでいる。従って、排ガスＧ１、Ｇ２とキャリアガスＡ１、Ａ２とが混じり合うことはない。
【００３１】
なお、図１に表した例においては、ガス流Ｇ１とガス流Ａ１とは平行で同方向下向きであるが、これとは逆に平行で同方向上向きあるいは平行で逆方向であっても良い。本例の場合、ロータの上部を高温側とし下部を低温側とすると、熱交換器の材料としては高温側には耐熱ステンレス鋼が使用され、低温側には軟鋼または溶接構造用鋼が使用される。ロータ全重量は低温側部の下方に設けられたロータ軸受で受ける。
【００３２】
ロータ軸部は、内部を空冷とし外部はロータ側の熱を断熱する構造とする。一方、上方に設けられたロータ軸受は、上下方向の熱膨張を逃し、水平方向のみ支える構造とする。
【００３３】
また、ロータ軸が水平方向となるように、この回転型再生式分離装置が設置されていても良い。
【００３４】
本発明によれば、ロータ１ｂの円周上に高温部１ｈと低温部１Ｌとを設け、単にロータを回転させることによって排ガス中の二酸化炭素を吸収・分離することができる。従って、システムを極めて簡略化でき、再生コストが大幅に低減し、メンテナンスが容易で信頼性の高い吸収分離システムを実現することができる。
【００３５】
次に、本発明の再生式二酸化炭素分離装置に用いて好適な吸収分離剤について説明する。吸収分離剤１ｇとしては、リチウムジルコネート、アルカリ金属の酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物を用いることができる。これらの化合物については、例えば、特開平９−９９２１４号公報や特開平１０−１５２３０２号公報において詳細が開示されている。
【００３６】
吸収分離剤としては、まず、リチウムジルコネート、すなわちリチウム（Ｌｉ）とジルコニウム（Ｚｒ）との酸化物を挙げることができる。具体的には、Ｌｉ２ＺｒＯ３やＬｉ４ＺｒＯ４を用いることができる。
【００３７】
Ｌｉ２ＺｒＯ３は、二酸化炭素との間で以下の吸収・放出反応を生ずる。
【００３８】
Ｌｉ２ＺｒＯ３（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→ＺｒＯ２（ｓ）＋Ｌｉ２ＣＯ３（ｌ）
（１）
ＺｒＯ２（ｓ）＋Ｌｉ２ＣＯ３（ｌ）→Ｌｉ２ＺｒＯ３（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）
（２）
すなわち、上記（１）の吸収反応と（２）の放出反応とによって、二酸化炭素を可逆的に吸収・放出させることができる。（１）の吸収反応は、約４００℃〜５８０℃の温度範囲で顕著となる。また、上記（２）の放出反応は、約６００℃以上の温度範囲で顕著となる。従って、Ｌｉ２ＺｒＯ３を含有した吸収分離剤１ｇを約４００℃〜５８０℃の低温部におけば、排ガス中から二酸化炭素を活発に吸収し、この吸収分離剤１ｇを６００℃以上の高温部に移動させると吸収した二酸化炭素を放出する。
【００３９】
図２は、Ｌｉ２ＺｒＯ３を吸収分離剤とした時の反応モデルを表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は温度、縦軸は吸収分離剤に含有される二酸化炭素の含有量を表す。
【００４０】
また、図３は、この具体例に対応して本発明の再生式二酸化炭素分離装置の動作を表す概念図である。
【００４１】
Ｌｉ２ＺｒＯ３を用いた場合には、吸収分離剤は、約６００℃において二酸化炭素の含有量が最大となる。この温度を仮に「変曲点」とすると、変曲点より加熱しても冷却しても二酸化炭素ガスの含有量は減少する。例えば、５００℃に冷却した吸収分離剤に二酸化炭素を含む排ガスが接触すると反応熱を放出しながら上記（１）式に表したように二酸化炭素の吸収が始まる。そして、さらに二酸化炭素が接触すると吸収分離剤は二酸化炭素を吸収しながら熱エネルギにより加熱され、変曲点である６００℃まで、吸収を続ける。
【００４２】
この変曲点においては、二酸化炭素の含有量は最大値を示し、吸収は停止する。そこで吸収分離剤を加熱すると、今度は、反応熱として熱エネルギを吸収しながら上記（２）式に表したように二酸化炭素の放出を開始する。そして、７００℃付近まで二酸化炭素の放出を続け、７００℃付近において二酸化炭素の含有量は最小となる。
【００４３】
図４は、本発明の再生式二酸化炭素分離装置のガス流れ方向におけるガスの内部温度分布の一例を表すグラフ図である。例えば、分離装置に低温側１Ｌにおいて、温度が１４５℃の排ガスＧ１が分離装置に導入されると、吸収分離剤１ｇに二酸化炭素が吸収され、曲線Ｃ１で表したように、反応熱によって温度が上昇する。そして、分離装置の出口付近では、排ガスＧ２の温度は約３８８℃まで上昇する。また、図４において曲線Ｃ２で表したように、１４５℃よりも高く変曲点よりも低い温度の排ガスは、曲線Ｃ１と変曲点との中間的な温度分布をとる。
【００４４】
一方、分離装置の高温部１ｈにおいて、温度が１０７２℃のキャリアガスＡ１が導入されると、反応熱として熱エネルギが吸収されて吸収分離剤１ｇで二酸化炭素の放出が生じ、同図に曲線Ｃ４で表したように、温度が低下する。そして、分離装置の出口付近では、キャリアガスＡ２の温度は約７９５℃まで低下する。また、図４において曲線Ｃ３で表したように、１０７２℃よりも低く変曲点よりも高い温度のキャリアガスは、曲線Ｃ４と変曲点との中間的な温度分布をとる。
【００４５】
前記した（１）式から分かるように、このような吸収分離剤は、固体１モルで二酸化炭素１モルを吸収することができる。体積に換算すると、吸収分離剤の４００倍の体積の二酸化炭素を吸収することができる。ちなみに、従来の技術に関して前述したアミン類を用いた吸収液の場合には、吸収可能な二酸化炭素の量は、吸収液の体積の２０倍程度である。従って、アルカリ金属などの酸化物を吸収分離剤として用いることにより、従来の吸収液の１０倍以上の二酸化炭素を吸収分離することが可能となり、従来よりもはるかにコンパクトな体積で高い効率の回収システムを実現することができる。
【００４６】
一方、本発明において吸収分離剤１ｇとして用いることができるアルカリ金属の酸化物としては、上述したＬｉ２ＺｒＯ３やＬｉ４ＺｒＯ４の他にも、例えば、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏを挙げることができる。Ｌｉ２Ｏは、二酸化炭素との間で以下の吸収・放出反応を生ずる。
【００４７】
Ｌｉ２Ｏ（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ）→Ｌｉ２ＣＯ３（ｌ） （３）
Ｌｉ２ＣＯ３（ｌ）→Ｌｉ２Ｏ（ｓ）＋ＣＯ２（ｇ） （４）
上記（３）の吸収反応は、約７００℃〜１０００℃の温度範囲で顕著となる。また、上記（４）の放出反応は、約１１００℃以上の温度範囲で顕著となる。従って、Ｌｉ２Ｏを含有した吸収分離剤１ｇを約７００℃〜１０００℃の低温部におけば、排ガス中から二酸化炭素を活発に吸収し、この吸収分離剤１ｇを１１００℃以上の高温部に移動させると吸収した二酸化炭素を放出する。
【００４８】
また、Ｎａ２Ｏの場合には、上記（３）式に対応した吸収反応は約７００℃から１７００℃の温度範囲で顕著となり、上記（４）に対応した放出反応は１８００℃以上の温度範囲で顕著となる。
【００４９】
もう一種類の材料である、アルカリ土類金属の酸化物としては、例えば、ＭｇＯ、ＣａＯを挙げることができる。ＭｇＯの場合には、３００℃〜４００℃の温度範囲において二酸化炭素の吸収を顕著に生じ、４００℃以上の温度範囲において二酸化炭素の放出を顕著に生ずる。ＣａＯの場合には、６００℃〜８００℃の温度範囲において二酸化炭素の吸収を顕著に生じ、８００℃以上の温度範囲において二酸化炭素の放出を顕著に生ずる。
【００５０】
以上説明したような各種の材料を吸収分離剤１ｇとして適宜用いることにより、排ガスの種々の温度領域において本発明の回転型再生式二酸化炭素分離装置を構成することができる。
【００５１】
つまり、高温の排ガスを分離処理する場合には、変曲点の高い吸収分離剤を用い、低温の排ガスを分離処理する場合には変曲点の低い吸収分離剤を用いることが望ましい。
【００５２】
また、２種類以上の材料を吸収分離剤として適宜配置することにより処理温度範囲が広がり、吸収効率もさらに向上させることもできる。すなわち、本発明の分離装置は、図４に例示したように、ガスの流れに沿って内部に温度分布が生ずる。従って、それぞれの位置において、そこでの温度において最も高い効率で二酸化炭素を吸収することができる材料を配置すれば、吸収効率をさらに高くすることが可能となる。
【００５３】
図４に例示した温度分布に対応させる場合には、排ガスの温度分布に応じて変曲点が変動するように吸収分離剤の材料を配置すれば良い。
【００５４】
ところで、固体状のＬｉ２ＺｒＯ３を含有した吸収分離剤１ｇは、上記（１）式から分かるように、二酸化炭素を吸収すると、固体状のＺｒＯ２と液体状のＬｉ２ＣＯ３とを生成する。通常、平均粒径が０．０１μｍ〜数μｍ程度として得られる粉体のリチウムジルコネートなどの吸収分離剤は、粒状または多孔質状に一旦形成しておくと良い。
【００５５】
吸収分離剤を粒状とした場合には、固体状のＺｒＯ２がコアとなり、その表面に液体状のＬｉ２ＣＯ３が付着した状態を形成することができる。
【００５６】
また、吸収分離剤を多孔質状とした場合には、固体状のＺｒＯ２が骨格となり、その表面に液体状のＬｉ２ＣＯ３が付着した状態を形成することができる。
【００５７】
これらいずれの状態も、化学的及び機械的に安定であり、二酸化炭素の吸収放出を可逆的に安定して生じさせることが可能である。
【００５８】
さらに、これらの粉体、粒状または多孔質状の吸収分離剤を、塊状、筒状、変型面状、線構造体状などの形状に成形した「形成品」とすることができる。または、ハニカム状や練炭状などのように、ガスの流れ方向に貫通孔を有する塊状または面構造体状に成形した「形成品」としても良い。
【００５９】
または、セラミクスや金属などをこれらの形状に成形した成形品の表面に、吸収分離剤を担持させた「担持品」としても良い。すなわち、粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状などの形状に成形したセラミクスや金属などの成形品の表面に塗布、接着、貼り付け、コーティングなどの方法によって吸収分離剤を担持させても良い。例えば、オライトなどの多孔質物質（粒子）に担持させることができる。または、ハニカム状や練炭状などのように、ガスの流れ方向に貫通孔を有する塊状または面構造体状に成形したセラミクスや金属などの成形品の表面に吸収分離剤を担持させても良い。
【００６０】
これらの「形成品」あるいは「担持品」は、ガスとの接触面積が大きく且つ充填効率も高くなるような形状とすることが望ましい。
【００６１】
前述した種々の形状のうちで、「粒状」、「多孔質状」、「塊状」および「変型面状」の「形成品」または「担持品」については、その表面に開口を設けあるいは突起を形成することによってガスとの接触効率をさらに向上させることができる。
【００６２】
また、前述した種々の形状のうちで、「ガスの流れ方向に開口を有する塊状」の「形成品」または「担持品」は、断面形状が円、方形、三角、ハニカム、星形などの種々の形状を有する多数のエレメントブロックと称することができる。このような形状を開示した文献としては、例えば特許公報第２８７９５９９号公報を挙げることができる。
【００６３】
一方、前述した種々の形状のうちで、「ガスの流れ方向に貫通孔を有する面構造体状」の「形成品」または「担持品」は、例えば平面シートと波形シートのような複数の形状のものを組み合わせてガス流れ方向に対して略平行に配列したもの、あるいは、波形断面を有する多数のエレメントプレートなどと称することができる。このような面構造体の形状を開示した文献としては、例えば特許公報第２６６０５７７号公報、特開平９−２８０７６１号公報、特開平９−３１６６０８号公報、意匠公報７２１１９１（Ｋ６−５９２）、意匠公報７２１１９１の類似１（Ｋ６−５９２Ａ類似）を挙げることができる。
【００６４】
前述した種々の形状のうちで、「筒状」、「変型面状」、「線構造体状」、「ガスの流れ方向に貫通孔を有する塊状または面構造体状」などの形状は、当業者の通称的な用語によってさらに具体的に例示すると以下の如くである。
【００６５】
すなわち、「ラシヒリング」、「テラレット」、「ポールリング」、「インタロックサドル」、「バールサドル（ベルルサドル）」、「レッシングリング」、「パーティションリング」、「シングルスパイラル」、「ダブルスパイラル」、「トリプルスパイラル」、「インターパック」、「ヘリクスパッキング」、「ディクソンパッキング」、「マクマホンパッキング」、「キャノンパッキング」、「ステッドマンパッキング」、「グッドローパッキング」、「スプレーパック」、「パナパック」或いは「木格子」などを挙げることができる。なお、以上列挙した各形態は、例えば、「化学工場」第１２巻第９号（１９６８）〜第１４巻第７号（１９７０）または第１５巻第７号（１９７１）において具体的に表されている。
【００６６】
このような形状を有する「形成品」または「担持品」の外形サイズは、例えば、数ｃｍ〜数１０ｃｍ程度とすることができる。図１に例示した二酸化炭素分離装置のロータ１ｂの外形サイズは通常は数メータ以上であるので、コンパートメント１ｃに設けられたバスケットには、多数の「形成品」または「担持品」が装填される。
【００６７】
また、ロータ１ｂの高さも数メータ以上となる。従って、図１に例示したように、ガスの流れ方向に沿って複数のバスケットｂａを設けると吸収分離剤の装填・交換が容易となる。この時に、それぞれのバスケットに網状あるいは格子状などの仕切りを設ければ、吸収分離剤を安定して保持することができる。または、ガスの流れ方向にみてひとつのバスケットを設け、その内部をガス流れ方向に沿って何段かの格子状のようなもので区分けして吸収分離剤を装填しても良い。
【００６８】
一方、前述したうちの粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状の「形成品」または「担持品」を、バスケットｂａの中でガスの流れに応じて流動させることも可能である。これは、例えば、特開昭５５−１２３９８９号公報に記載されている「回転形流動層熱交換器」と類似した概念であり、ガスとの接触効率をさらに向上させることが可能となる。
【００６９】
また、「ガスの流れ方向に貫通孔を有する塊状または面構造体状」の「形成品」や「担持品」を、バスケットの深さ方向（ガス流れ方向）の長さと同じ長さのものをバスケット内に並べても良く、または、バスケットの深さよりも短いものを何段かに分けて積層させても良い。
【００７０】
さらに、断面形状の異なるものや、外形が異なるものを組み合わせてコンパートメント内に装填しても良い。例えば、粒状のものと塊状のものを組み合わせたり、線構造体と面構造体とを組み合わせてコンパートメント内に装填することができる。
【００７１】
また、吸収分離剤をエービービーアルストムパワー（ＡＢＢ ＡＬＳＴＯＭ ＰＯＷＥＲ）株式会社から供給されているエナメルエレメントの形態としても良い。ここで、「エナメルエレメント」とは、ほうろう引きされた波板状の鋼板を積層させたエレメントを表すものであり、その形態の要部は、例えば、特許公報第２６６０５７７号、特開平９−２８０７６１号公報、特開平９−３１６６０８号公報、意匠公報７２１１９１（Ｋ６−５９２）、意匠公報７２１１９１の類似１（Ｋ６−５９２Ａ類似）などにおいて例示されている。
【００７２】
本発明においては、これらのエナメルエレメントのほうろうの表面、或いはほうろうに代わってリチウムジルコネートなどの吸収分離剤を波板の表面にコーティング、接着、溶着あるいは融着などの各種の方法によって担持させることにより、ガスとの接触効率が極めて高く安定した吸収分離を実現することができる。
【００７３】
特に、エービービーアルストムパワー株式会社のエナメルエレメントの形態のものは、圧力損失も少なく大容量の風量を処理でき、排ガスとの接触効率も高い点で有利である。
【００７４】
次に、本発明の再生式二酸化炭素分離装置の変型例として、定置型の分離装置について説明する。
【００７５】
図５は、本発明の定置型再生式二酸化炭素分離装置の要部構成を表す概念図である。すなわち、二酸化炭素分離装置１０は、２つの反応塔Ｔ１、Ｔ２と、これら反応塔に連通したダクト（配管）とを備え、第１のガスと第２のガスのそれぞれの入出口管が接続され、さらにそれらガスを遮蔽切り替えする切替弁Ｖ１〜Ｖ４を有する。反応塔Ｔ１、Ｔ２には、それぞれ図１乃至図４に関して前述した吸収分離剤１ｇが装填されている。
【００７６】
排ガスＧ１は、まず切替弁Ｖ１を介して、吸収分離剤の変曲点よりも低い温度に維持された反応塔Ｔ１に供給される。この吸収サイクルにおいて、排ガスＧ１に含有される二酸化炭素は、排ガスＧ１が塔内を通過する間に吸収分離剤１ｇに吸収され排ガスＧ１から分離される。二酸化炭素が分離された排ガスＧ２は、反応塔Ｔ１の出口側から切替弁Ｖ２を介して取り出される。
【００７７】
次に、切替弁Ｖ１〜Ｖ４を切り替えて、反応塔Ｔ１に排ガスの代わりに高温のキャリアガスＡ１を供給して再生サイクルとする。すると、吸収分離剤１ｇに吸収された二酸化炭素は分離され、キャリアガスと混合されたガス流Ａ２として排出される。この間同時に、反応塔Ｔ２には、排ガスＧ１が供給されて二酸化炭素の吸収分離を続行することができる。
【００７８】
このように、本実施形態によれば、それぞれの反応塔において吸収分離反応が飽和（完結）するまで排ガスを処理し、切替弁によりガス流を切り替えて反応塔を選択することにより、連続的に二酸化炭素の吸収分離を実施することができる。
【００７９】
つまり、それぞれの反応塔における吸収サイクルと再生サイクルとを連鎖的に実施させることにより、排ガスの連続的な処理が可能となる。
【００８０】
本実施形態によれば、反応塔に機械的な可動部分が不要となり、切替弁を適宜操作することにより吸収と再生を連続して実施することができる。
【００８１】
ここで、図５においては、高温のキャリアガスＡ１を供給することによって、吸収分離剤１ｇを加熱し吸収された二酸化炭素を分離する例を表したが、これ以外にも、例えば、各反応塔内に電気ヒータなどの加熱手段を適宜設け、変曲点よりも高く加熱するための補助加熱手段として用いても良い。
【００８２】
また、各反応塔に接続するダクトの構成は、図示したものには限定されず、適宜切替弁を設けて処理経路を構成することができる。
【００８３】
また、反応塔の数も図示した２塔には限定されず、３塔以上の反応塔を適宜組み合わせて再生式二酸化炭素分離装置を構成することができる。例えば、分離装置の圧力損失量や、排ガスやキャリアガスの流量などに応じて適宜反応塔の数を決定することができる。
【００８４】
または、３番目の反応塔を、他の２つの反応塔の切替時にダクトや反応塔内に残留する排ガスＧ１のパージ処理用として運転することもできる。このようにすれば、ダクトや反応塔内に残留する未処理の排ガスＧ１の放出やキャリアガスへの混入を防ぐことができる。
【００８５】
次に、本発明の再生式二酸化炭素分離装置を用いた排ガス浄化システムについて説明する。
【００８６】
図６は、本発明の再生式二酸化炭素分離装置を用いた排ガス浄化システムの構成を例示する概念図である。
【００８７】
また、表１は、図１に例示した回転型再生式の二酸化炭素分離装置を採用したシステムの各経路上におけるガス種類、流量、二酸化炭素量、温度、比熱及びエンタルピーのデータを表す。
【表１】
Figure 0004413334
【００８８】
図６に例示したシステムにおいては、石油系燃料、石炭系燃料あるいはＬＮＧガスなどを燃焼する図示しないボイラまたは焼却炉などから排出された排ガスＧ１は、まず、脱硫装置７において硫黄分を除去される。しかる後に、排ガスＧ１は、経路Ａを介してＣＯ２熱交換器５に導入され、所定の温度に加熱される。次に、排ガスＧ１は経路Ｂを介して本発明の二酸化炭素分離装置（CO2-Separator）１、１０に導入され、二酸化炭素が分離される。二酸化炭素が分離された排ガスＧ２は、経路Ｃを介して熱回収システム２において冷却される。熱回収システム２においては、例えば、排ガスの熱により蒸気を発生させるだけではなく、さらに、この蒸気でスチームタービンを回転させて発電することにより、熱エネルギを回収することができる。一方、熱回収システム２において冷却された排ガスは、経路Ｄを介して誘引ファン６により引かれ、最終的には煙突８から大気に放出される。
【００８９】
一方、二酸化炭素分離装置１、１０においては、排ガスＧ１から二酸化炭素を分離し、キャリアガスＡ１に混合するという物質移動が行われる。分離装置１、１０から排出されたキャリアガスＡ２は、経路Ｆを介してファン４により送出される。ファン４から送出された二酸化炭素を含むキャリアガスＡ２の一部は、経路Ｈ、加熱装置３、経路Ｅを介して、分離装置１、１０に循環供給することにより、分離装置１、１０の高温部１ｈまたは再生サイクルの反応塔の温度を所定の高温に維持する。加熱装置３は、ＬＮＧと燃焼空気とを混合させて燃焼させる蓄熱式バーナや間接式の加熱炉とすることができる。また、経路Ｅ、Ｆ、Ｈの循環経路においては、二酸化炭素を含むキャリアガスは、ロータ１ｂの数回転分の間にわたって再循環させることができる。
【００９０】
一方、ファン４から経路Ｉに送られたキャリアガスは、熱交換器５に導入され、本プロセスを施す前の排ガスＧ１と熱交換する。この熱交換器５は、間接式加熱炉または再生式加熱炉とすることにより、排ガスへのキャリアガス（二酸化炭素）の混入を防ぐことが望ましい。熱交換器５において冷却されたキャリアガス（二酸化炭素）は、経路Ｊを介して、回収される。
【００９１】
このようにして得られた二酸化炭素は、例えば、ビニールハウスの農作物に供給されたり、水素と反応させてメタノール合成などの２次利用に供されたり、その他の各種の方法により再利用または処理が施される。
【００９２】
ここで、熱交換器５としては、「プレート式」や「チューブラ式」または「回転型再生式」など、熱交換媒体どうしの混じり合いの恐れがない熱交換器を用いることができる。プレート式とは伝熱要素板の積層構造体からなり、一方チューブラ式とは伝熱要素管の群構造体からなり、これらの積層構造体や管群構造体の中に、高温ガスと低温ガスの流路がそれぞれ設けられているものである。高温ガスの熱は、流路壁から伝熱要素板や伝熱要素管を介して低温ガスに移送され、熱交換が達成される。
【００９３】
一方、回転型再生式の熱交換器とは、回転するロータに蓄熱エレメントが設けられ、高温ガス流中において吸熱した蓄熱エレメントが低温ガス流中において熱を放出することにより熱交換を行うものである。その代表的なものとしては、エービービーアルストムパワー株式会社から、商標名「ユングストローム熱交換器」として供給されているものを挙げることができる。
【００９４】
以上説明したように、本発明による再生式二酸化炭素分離装置を用いると、従来よりもはるかに簡素な構成で、極めて高い効率の二酸化炭素の回収を実現することができる。つまり、本発明によれば、加熱冷却によるエネルギの授受のみにより二酸化炭素の吸収と放出を行うことができ、熱回収システムを併用することによってエネルギ損失を最小限に抑えた経済的なシステムを構築することができる。
【００９５】
具体的には、図６に例示したシステムにおいて図１に例示した回転型再生式の分離装置を採用した場合に、１トンの二酸化炭素を回収するために必要な経費は約１５００円である。これを、発電所の発電単価に換算すると１ｋＷ当たり約０．６円となる。
【００９６】
比較のために、従来の分離法の場合の経費を挙げると、化学吸収法の場合の経費は発電単価に換算して約１．８円であり、物理的分離法の場合の経費は発電単価に換算して約４．０円であった。つまり、本発明によれば、従来の物理的分離法の１／６以下、化学的吸収法と比較しても約１／３の経費で二酸化炭素を分離することができる。
【００９７】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、吸収分離剤として用いることができるものは、リチウムジルコネートには限定されず、温度によって二酸化炭素を可逆的に吸収・放出する、あらゆる材料を同様に用いて同様の効果を得ることができる。また、それぞれの材料に合わせて温度を調節し、または、処理すべき排ガスの温度に合わせて吸収分離剤の材料を適宜選択できることはいうまでもない。
【００９８】
また、図６に例示した二酸化炭素分離システムも一例に過ぎず、当業者が選択できる各種のガス流経路、加熱手段、熱回収手段を適宜選択して用いることが可能である。例えば、第２のガス流経路は循環されない場合もあり、この場合には第２のガス流の加熱手段として前述の循環方式と同様の蓄熱式バーナや間接式の加熱炉も用いることができる。
【００９９】
さらに、本発明は、燃料を燃焼させる燃焼ボイラからの排ガスのみに限定されず、ごみ焼却炉などの各種の焼却炉や、その他、二酸化炭素を発生する化学プラントなど二酸化炭素を排出するあらゆる用途において同様に用いて同様の効果を奏することができる。
【０１００】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【０１０１】
まず、本発明によれば、ロータの周囲に高温部と低温部とを設け、単にロータを回転させることによって排ガス中の二酸化炭素を吸収・分離することができる。従って、システムを極めて簡略化でき、再生コストが大幅に低減し、メンテナンスが容易で信頼性の高い吸収分離システムを実現することができる。さらに、同様の効果は、定置型の二酸化炭素分離装置においても得ることができる。
【０１０２】
また、本発明によれば、吸収分離剤として、リチウムジルコネートなどのアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物を用いることにより化学的及び機械的に安定であり、二酸化炭素の吸収放出を可逆的に安定して生じさせることが可能となる。
【０１０３】
さらに、これらの吸収分離剤を、粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の形成品の少なくともいずれかの形態を有する「形成品」とし、または、粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の少なくともいずれかの成形品に担持された「担持品」とすると、排ガスとの接触面積が大きく、吸収速度を大きくすることができる点でも有利である。具体的には、従来の吸収液の１０倍以上の二酸化炭素を吸収分離することが可能となり、従来よりもはるかにコンパクトな体積で高い効率の回収システムを実現することができる。
【０１０４】
一方、本発明による再生式二酸化炭素分離システムは、従来よりもはるかに簡素な構成で、極めて高い効率の二酸化炭素の回収を実現することができる。つまり、本発明によれば、加熱冷却によるエネルギの授受のみにより二酸化炭素の吸収と放出を行うことができ、熱回収システムを併用することによってエネルギ損失を最小限に抑えた経済的なシステムを構築することができる。
【０１０５】
以上詳述したように、本発明によれば、初期投資コストも維持メンテナンスコストも低く、且つ高効率に二酸化炭素を回収でき、各種の産業活動を減速させることなく地球の温暖化を効果的に抑制することができるようになり、産業上のメリットは極めて多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる回転型再生式二酸化炭素分離装置を表す斜視概念図である。本
【図２】Ｌｉ２ＺｒＯ３を吸収分離剤とした時の反応モデルを表すグラフ図である。
【図３】図２の具体例に対応して本発明の再生式二酸化炭素分離装置の動作を表す概念図である。
【図４】本発明の再生式二酸化炭素分離装置のガス流れ方向におけるガスの内部温度分布の一例を表すグラフ図である。
【図５】本発明の定置型再生式二酸化炭素分離装置の要部構成を表す概念図である。
【図６】本発明の回転型再生式二酸化炭素分離装置を用いた排ガス浄化システムの構成を例示する概念図である。
【符号の説明】
１ 回転型再生式二酸化炭素分離装置
１ａ 回転軸
１ｂ ロータ
１ｃ コンパートメント
１ｄ ロータハウジング
１ｅ セクタプレート
１ｇ 吸収分離剤
２ 熱回収システム
３ 加熱装置
４ ファン
５ 熱交換器
６ 誘引ファン
７ 脱硫装置
８ 煙突
１０ 定置型再生式二酸化炭素分離装置
Ｔ１、Ｔ２ 反応塔

Claims (12)

  1. 再生式二酸化炭素分離装置と、
    前記再生式二酸化炭素分離装置の第２のガス流経路における温度を所定の温度よりも高くするための加熱手段と、
    第１のガス流経路から排出されたガスを冷却する熱回収手段と、
    前記第２のガス流経路から排出された二酸化炭素を含有するガスから前記第１のガス流経路に供給される第１のガスに対して熱エネルギを移送する熱交換手段と、
    を備えた、
    二酸化炭素分離システムであって、
    前記再生式二酸化炭素分離装置は、
    回転可能とされたロータと、
    前記ロータに保持され、前記所定の温度よりも低い温度においては二酸化炭素を吸収し、前記所定の温度よりも高い温度においては吸収した二酸化炭素を放出する、吸収分離剤と、
    前記ロータの前記回転の中心軸に対して略平行方向に前記第１のガスを前記ロータ中を流す前記第１のガス流経路と、
    前記ロータの前記回転の中心軸に対して略平行方向に第２のガスを前記ロータ中を流す前記第２のガス流経路と、
    前記第１のガスと前記第２のガスとが混合しないように遮蔽するシール機構と、
    を備え、
    前記第１のガス流経路における温度を前記所定の温度よりも低くし、前記第２のガス流経路における温度を前記所定の温度よりも高くしつつ、前記ロータを回転させることによって、前記第１のガスに含有される二酸化炭素を前記吸収分離剤に吸収させ、前記吸収分離剤に吸収された二酸化炭素を前記第２のガス中に放出させる
    ものとして構成された、
    ことを特徴とする、二酸化炭素分離システム。
  2. 前記ロータに装着可能とされ前記ガスの流れ方向に開口を有する複数のバスケットをさらに備え、
    前記吸収分離剤は、前記複数のバスケットのそれぞれに装填されることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離システム。
  3. 再生式二酸化炭素分離装置と、
    前記再生式二酸化炭素分離装置の第２のガス流経路における温度を所定の温度よりも高くするための加熱手段と、
    第１のガス流経路から排出されたガスを冷却する熱回収手段と、
    前記第２のガス流経路から排出された二酸化炭素を含有するガスから前記第１のガス流経路に供給される第１のガスに対して熱エネルギを移送する熱交換手段と、
    を備えた、
    二酸化炭素分離システムであって、
    前記再生式二酸化炭素分離装置は、
    複数の反応室と、
    前記複数の反応室のそれぞれに保持され、前記所定の温度よりも低い温度においては二酸化炭素を吸収し、前記所定の温度よりも高い温度においては吸収した二酸化炭素を放出する、吸収分離剤と、
    前記第１のガス及び第２のガスのいずれかを前記複数の反応室のそれぞれに選択的に供給するための切替手段と、
    を備え、
    前記反応室を前記所定の温度よりも低温に保持しつつ前記第１のガスを供給することによって前記第１のガス流経路を形成し前記第１のガスに含有される二酸化炭素を前記吸収分離剤に吸収させる吸収サイクルと、
    前記反応室を前記所定の温度よりも高温に保持しつつ前記第２のガスを供給することによって前記第２のガス流経路を形成し前記吸収分離剤に吸収された二酸化炭素を前記第２のガス中に放出させる再生サイクルと、
    を前記複数の反応室の間で略連鎖的に実施可能とした、
    ものとして構成された、
    ことを特徴とする、二酸化炭素分離システム。
  4. 前記反応室は、前記吸収分離剤を前記所定の温度よりも高温に加熱するための加熱手段を有することを特徴とする請求項３記載の二酸化炭素分離システム。
  5. 前記吸収分離剤は、リチウムジルコネート、アルカリ金属の酸化物及びアルカリ土類金属の酸化物の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離システム。
  6. 前記吸収分離剤は、粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の形成品の少なくともいずれかの形態を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離システム。
  7. 前記吸収分離剤は、粒状、多孔質状、塊状、筒状、変型面状及び線構造体状並びに前記ガス流れ方向に貫通孔を有する塊状及び面構造体状の少なくともいずれかの成形品に担持されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離システム。
  8. 前記所定の温度が互いに異なる複数の前記吸収分離剤を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離システム。
  9. 前記第２のガス流経路から排出された前記二酸化炭素を含有するガスの少なくとも一部を前記第２のガス流経路に再供給する循環手段をさらに備え、
    前記加熱手段は、燃料を燃焼させて、前記循環手段により循環される前記二酸化炭素を含有するガスを加熱する、蓄熱式バーナまたは間接式加熱炉であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離システム。
  10. 前記熱回収手段は、
    前記第１のガス流経路から排出された前記ガスにより蒸気を発生させるボイラを有することを特徴とする請求項９に記載の二酸化炭素分離システム。
  11. 前記熱回収手段は、
    前記第１のガス流経路から排出された前記ガスにより蒸気を発生させるボイラと、
    前記ボイラにおいて発生された前記蒸気により駆動されるスチームタービンと、
    前記スチームタービンにより駆動される発電機と、
    を有することを特徴とする請求項９に記載の二酸化炭素分離システム。
  12. 前記熱交換手段は、プレート式、チューブラ式または回転型再生式熱交換器のいずれかであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の二酸化炭素分離システム。
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