JP6721019B2 - Ｃｏ２除去装置 - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼排ガスや大気などのＣＯ２を含有するガスからＣＯ２を除去するための装置に関し、特にＣＯ２除去に必要なエネルギーを低減するための技術に関する。
温室効果ガスの排出による地球温暖化が世界的な問題となっている。温室効果ガスには二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４)、フロン類（ＣＦＣｓ）等がある。これらの中で影響が最も大きいものはＣＯ２であり、火力発電所や製鉄所などからのＣＯ２分離除去システムの構築が緊急の課題となっている。
また、ＣＯ２は人体にも影響を与える。例えば、ＣＯ２を高濃度に含むガスを吸引した場合には健康被害を引き起こすため、室内など、密閉された空間においてはＣＯ２濃度の管理が必要である。特に宇宙ステーションなど外気と室内空気との換気が困難な環境においては特にＣＯ２を除去する装置が必要である。他にも食品や化学製品の製造時においてＣＯ２が悪影響を与える可能性があることから、ＣＯ２を除去するシステムが求められている。
上記課題の解決策としては、化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、吸着分離法、深冷分離法などがある。その中に、固体のＣＯ２捕捉材を用いたＣＯ２分離回収法が挙げられる。ＣＯ２捕捉材を用いたＣＯ２除去システムでは、ＣＯ２捕捉材を充填した捕捉材容器にＣＯ２含有ガスを導入し、ＣＯ２捕捉材とガスを大気圧、もしくは加圧させて接触させることでＣＯ２を捕捉除去する。その後、捕捉材を加熱、もしくは捕捉材容器内を減圧することで捕捉したＣＯ２を脱離させ、除去する。ＣＯ２を脱離させたＣＯ２捕捉材は冷却、もしくは減圧した後に再度ＣＯ２含有ガスを流通させてＣＯ２の捕捉除去に使用される。
これらＣＯ２の捕捉除去装置においてはＣＯ２捕捉材としてゼオライトが主に用いられている。例えば特許文献１においてはＣＯ２を含有するガスをゼオライト系のＣＯ２吸着材に接触させることでＣＯ２を吸着し、その後加熱することでＣＯ２を脱離させるＣＯ２除去方法が記載されている。
ゼオライトは水蒸気（Ｈ２Ｏ）を含有するガスと接触させた場合にＣＯ２捕捉量が低下するため、ＣＯ２捕捉の前段でＨ２Ｏを除去することが一般的である。例えば、特許文献１に記載のＣＯ２の捕捉除去方法においては、ＣＯ２含有ガスが水蒸気（Ｈ２Ｏ）を含有する場合には前記Ｈ２Ｏの濃度を４００ｐｐｍ以下、より好ましくは２０ｐｐｍ以下に低減することが好ましいとしている。
固体のＣＯ２捕捉材の種類によっては、Ｈ２Ｏを含有するガスを接触させることによる好ましい影響、例えばＣＯ２捕捉量の増加もしくはＣＯ２脱離温度の低温化もしくはその両方があると考えられる。しかし、特許文献１においてはこれらが議論されておらず、さらにはそれを用いた装置構成について記載がない。
本発明の目的は、消費エネルギーを低減したＣＯ２分離除去装置を提供することにある。
上述の目的の為、本発明のＣＯ２除去装置はガス中のＨ２Ｏ及びＣＯ２を捕捉するＣＯ２捕捉材と、前記捕捉材を内部に設置した反応容器と、前記ガス中のＨ２Ｏ濃度を計測するためのＨ２Ｏ計測器と、前記Ｈ２Ｏ計測器で得た情報を基にＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ濃度調整機器と、前記Ｈ２Ｏ濃度調整機器から前記反応容器に前記ガスを導入して前記ＣＯ２捕捉材に接触させるためのガス導入路と、前記混合ガスを前記捕捉材に接触させた後に反応容器から排出するための第一のガス排出路と、ＣＯ２捕捉材から脱離したガスを反応容器から排出するための第二のガス排出路を含むことを特徴とする。
本発明によれば、従来よりも消費エネルギーを低減したＣＯ２分離除去装置を提供できる。
以下に本発明を実施するための最適な形態を示す。なお、本発明の範囲は下記に挙げる例に限定されるものではない。
本発明者らは上記課題を鋭意検討した結果、ＣＯ２及びＨ２Ｏを含有するガスから固体のＣＯ２捕捉材を用いてＣＯ２もしくはＨ２Ｏもしくはその両方を分離除去するための装置において、前記装置がＨ２Ｏ及びＣＯ２を捕捉できる捕捉材と、前記捕捉材を内部に設置した反応容器と、ガス中のＨ２Ｏ濃度を計測するためのＨ２Ｏ計測器と、ガス中のＨ２Ｏ濃度を調整するためのＨ２Ｏ濃度調整機器と、前記Ｈ２Ｏ計測器で得た情報を基にＨ２Ｏ濃度調整機器を制御するための手段と、前記反応容器にＣＯ２及びＨ２Ｏを含有する混合ガスを導入して前記捕捉材に接触させるための配管と、前記混合ガスを前記捕捉材に接触させた後に反応容器から排出するための配管を含み、前記Ｈ２Ｏ濃度調整機器においてＨ２Ｏを残留させることでＣＯ２の分離除去に要するエネルギーを低減できる事を見出した。これはＨ２Ｏが流通することで固体の表面状態が変化し、脱離温度の低いＣＯ２の捕捉状態を形成でき、ＣＯ２を脱離させるために必要な加熱に必要なエネルギーを低減できるためと考えている。さらに、全量のＨ２Ｏを除去する場合と比べ、Ｈ２Ｏ除去に要するエネルギーを低減できるためと考えている。
ＣＯ２及びＨ２Ｏを捕捉するために使用する捕捉材はどのような物質でも良い。例として、金属酸化物、活性炭、アルカリ金属の炭酸塩、アルカリ金属の水酸化物、層状複水酸化物、固体の有機化合物などが挙げられる。前記ＣＯ２捕捉材としては単一の種類のものを用いてもよいし、複数の種類を組み合わせてもよい。また、一方を担体として用い、もう一方を含浸などの方法を用いて担持してもよい。
金属酸化物としては多孔質の金属酸化物が好ましく、特に好ましくは、Ｃｅ、Ｃｅ以外の稀土類金属、及びジルコニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む酸化物もしくは複合酸化物を用いることが好ましい。前記組み合わせの酸化物を用いた場合にはＨ２Ｏを接触させた後もＣＯ２吸着が可能であり、かつＣＯ２脱離温度を低温化することが可能である。これは、上記酸化物においては酸化物表面がＨ２Ｏと反応することでヒドロキシル基（−ＯＨ）が形成し、本官能基とＣＯ２の反応により表面に炭酸水素塩（−ＣＯ３Ｈ）の形状でＣＯ２を吸着できるためと考えている。本捕捉材を合成する方法としては、含浸法、混練法、共沈法、及びゾルゲル法などの調製方法が挙げられる。例えば、Ｃｅの硝酸塩を含んだ溶液に、アンモニア水、水酸化Ｎａ、及び水酸化Ｃａなどの塩基性の化合物を加えることでｐＨを７〜１０に調整し、沈殿させて得てもよい。沈殿により酸化物が形成される場合にはそのまま用いてもよいし、焼成により更に酸化させてもよい。
金属酸化物としては、層状複水酸化物を焼成して得られる酸化物を用いてもよい。層状複水酸化物とはハイドロタルサイト状化合物とも呼ばれ、２種類以上の金属元素を含み、その組成を下記（１）式で表すことのできる物質である。なお、下記式においてＭ（２＋）は２価の金属イオン、例えばＭｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ及びＺｎを、Ｍ（３＋）は３価の金属イオン、例えばＡｌ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，及びＩｎを、Ａ（ｎ−）はｎ価の陰イオン、例えば炭酸イオン、硝酸イオン、及び硫酸イオンをそれぞれ表す。前記Ｍ（２＋）、Ｍ（３＋）、Ａ（ｎ−）はそれぞれ単一のイオンを用いてもよいし、複数のイオンを用いてもよい。
Ｍ（２＋）１−ｘＭ（３＋）ｘ（ＯＨ）２Ａ（ｎ−）ｘ／ｎ・ｙＨ２Ｏ…（１）
層状複水酸化物を合成する方法としては、含浸法、混練法、共沈法、及びゾルゲル法などの調製方法が挙げられる。例えば、ＭｇとＡｌの硝酸塩を含んだ溶液に、炭酸ナトリウムを添加した後、アンモニア水、水酸化Ｎａ、及び水酸化Ｃａなどの塩基性の化合物を加えることでｐＨを８〜１１に調整して、沈殿させて得てもよい。本沈殿で得られる物質は層状複水酸化物であるため、金属酸化物及び金属の複合酸化物を得るためには焼成してもよい。焼成温度はどのような温度でも構わないが、例えば４００℃以上で焼成した場合に金属酸化物を得られる。
層状複水酸化物を合成する方法としては、含浸法、混練法、共沈法、及びゾルゲル法などの調製方法が挙げられる。例えば、ＭｇとＡｌの硝酸塩を含んだ溶液に、炭酸ナトリウムを添加した後、アンモニア水、水酸化Ｎａ、及び水酸化Ｃａなどの塩基性の化合物を加えることでｐＨを８〜１１に調整して、沈殿させて得てもよい。本沈殿で得られる物質は層状複水酸化物であるため、金属酸化物及び金属の複合酸化物を得るためには焼成してもよい。焼成温度はどのような温度でも構わないが、例えば４００℃以上で焼成した場合に金属酸化物を得られる。
金属酸化物及び金属の複合酸化物として、他にもシリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ゼオライトなどを用いてもよい。また、比表面積向上や耐熱性向上、使用金属量の低減などのために、前記シリカ、アルミナ、ゼオライトにＣｅ、稀土類金属、及びジルコニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む酸化物もしくは混合酸化物などを担持してもよい。
捕捉材として用いる活性炭はどのようなものでも良い。活性炭はその内部に窒素元素（Ｎ）を含む場合に塩基性が増し、ＣＯ２吸着性能が向上することがあるため、含有Ｎ量の多い活性炭が好ましい場合がある。このような活性炭を合成する場合には、活性炭にアンモニア（ＮＨ３）を含むガスを接触させる手法、及びＮを多く含む有機分子から活性炭を合成する手法が考えられる。
固体の有機化合物としては、塩基性を有する有機化合物が好ましく、例えばアミノ基を有する有機化合物があげられる。
ＣＯ２捕捉材を充填した反応容器の後段に、異なるＣＯ２捕捉材もしくはＨ２Ｏ捕捉材もしくはその両方を充填した反応容器を設置してもよい。さらに、反応容器をつなぐ配管部に流路切り替え用の弁を設置し、必要に応じて後段の反応容器を使用する手法を用いても良い。例えば前段の反応容器にＣＯ２及びＨ２Ｏの両方を捕捉できる捕捉材を充填した場合には、まずＣＯ２及びＨ２Ｏのいずれかのガスが先に捕捉飽和となり、反応容器出口から排出されると考えられる。ＣＯ２が先に捕捉飽和する場合は、後段に設置する反応容器にはＨ２Ｏ流通時にＣＯ２捕捉性能が低下する捕捉材を使用しても良い。このような捕捉材の例としてはゼオライトや活性炭が挙げられる。また、Ｈ２Ｏが先に捕捉飽和する場合には、後段に設置する反応容器にはＣＯ２捕捉性能が低い捕捉材を使用しても良い。このような捕捉材の例としてはシリカやアルミナが挙げられる。ガス中のＨ２ＯとＣＯ２の濃度比が変動しやすく、いずれのガスが捕捉飽和となりやすいかが不明な場合には、後段に２つの反応容器を設置し、捕捉飽和となったガス種に応じて使用する反応容器を選択する方式としてもよい。前段の捕捉容器のみを使用してＨ２Ｏ及びＣＯ２を除去できた場合には、後段の反応容器からＨ２ＯもしくはＣＯ２の脱離処理を行う必要が無く、消費エネルギーを低減できる。
前記反応容器及びＣＯ２捕捉材の組み合わせの例としては、前段にＣｅ、Ｃｅ以外の稀土類金属、及びジルコニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む酸化物もしくは複合酸化物を用いたＣＯ２捕捉材を充填した反応容器を設置し、後段にゼオライトを用いたＣＯ２捕捉材を充填した反応容器を設置する構成が挙げられる。本構成を用いた場合には、前段の反応容器においてＣＯ２のみが捕捉飽和となり、出口ガスから排出された場合においても、後段の反応容器においてＣＯ２を捕捉できる。反応容器前段でＨ２Ｏが捕捉飽和となり、出口ガスから排出された場合においても、後段のゼオライトにより捕捉可能であるが、一般にゼオライトはＣＯ２よりもＨ２Ｏを強く吸着するため、ゼオライトからＨ２Ｏを脱離させるためには、ＣＯ２を脱離させる場合よりも加熱・及び減圧に必要な負荷が高い。従って、本構成では前段の反応容器においてＨ２Ｏが捕捉飽和とならないように、Ｈ２Ｏ濃度を調整した方が消費エネルギーを低減できると考えられる。
前記反応容器及びＣＯ２捕捉材の組み合わせの例としては、前段にＣｅ、Ｃｅ以外の稀土類金属、及びジルコニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む酸化物もしくは複合酸化物を用いたＣＯ２捕捉材を充填した反応容器を設置し、後段にシリカ、またはアルミナを用いたＨ２Ｏ捕捉材を充填した反応容器を設置する構成が挙げられる。本構成を用いた場合には、前段の反応容器においてＨ２Ｏのみが捕捉飽和となり、出口ガスから排出された場合においても、後段の反応容器においてＨ２Ｏを捕捉できる。前段の反応容器でＣＯ２が捕捉飽和となり、後段に流入した場合には、シリカ及びアルミナはＣＯ２捕捉性能が低いため、ＣＯ２除去が不完全となる可能性がある。従って本構成においては前段の反応容器中のＣＯ２濃度分布を測定する等、前段におけるＣＯ２の捕捉飽和を防止する必要がある。
前記ＣＯ２及びＨ２Ｏを含有する混合ガスはどのようなガスでも良く、例えば石炭火力発電所のボイラ排ガスや、自動車などの燃焼排ガス、微生物由来の発酵により発生するガス、大気、生物の呼気などが挙げられる。組成は限定しないが、例えばボイラ排ガスや燃焼排ガスの場合には、ＣＯ２及びＨ２Ｏの他、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などのハイドロカーボン類、灰塵などが含まれる。前記ガスのうち、特にＮＯｘ、ＳＯｘ及び灰塵は前記捕捉材のＣＯ２捕捉性能を低下させると考えられるため、これらが多く含まれる場合には予め除去することが好ましい。
前記ＣＯ２除去装置におけるＨ２Ｏ濃度調整機器はどのような機器を用いても良い。例えば、Ｈ２Ｏの飽和蒸気圧の温度依存性を利用するＨ２Ｏ濃度調整器として、冷却式凝縮器があげられる。本機器は一般にはＨ２Ｏ濃度を低減させる目的で使用されるが、例えば温度を調整することでＨ２Ｏの飽和蒸気圧を上昇させ、前記ＣＯ２含有ガス中のＨ２Ｏ濃度を増加させるために使用しても良い。Ｈ２Ｏの飽和蒸気圧の温度依存性を利用するＨ２Ｏ濃度調整器としては、その他に温度が調整された液体の水（Ｈ２Ｏ）の中にガスを流通させることでガス中のＨ２Ｏ濃度を調整する機器があげられる。前記機器を用いる場合には水とガスとの接触面積を高めて効率を上げるため、バブラーなどの発泡機器を設置してもよい。このような構成を用いることで、適切なＨ２Ｏ濃度に管理することが出来る。
前記Ｈ２Ｏ濃度調整機器としては他にＨ２Ｏを捕捉する材を設置するＨ２Ｏ濃度調整器が挙げられる。Ｈ２Ｏを吸着する材はどのようなものでも良いが、例としては多孔体や水を吸収する機能を持つ樹脂などがあげられる。多孔体の成分はどのようなものでも構わないが、例えばシリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）、セリウム酸化物（ＣｅＯ２）、ハイドロタルサイトなどの層状複水酸化物、ゼオライト、活性炭、樹脂材料などの有機化合物が挙げられる。
これら吸着材を用いた場合、ガス中のＨ２Ｏ濃度が高い場合にはＨ２Ｏを吸着し、Ｈ２Ｏが低い場合には逆に捕捉材の中のＨ２Ｏが脱離すると考えられるため、前記ＣＯ２含有ガス中のＨ２Ｏ濃度が急激に変化した場合においても、ＣＯ２捕捉材に接触するガス中のＨ２Ｏ濃度の変化を抑えることができる。
前記Ｈ２Ｏ濃度を調整する機器は、単一の機器を用いてもよいし、複数の種類の機器を組み合わせて使用してもよい。例えば、Ｈ２Ｏの飽和蒸気圧の温度依存性を利用してＨ２Ｏ濃度を調整する場合には、水（Ｈ２Ｏ）の気化もしくは水蒸気の凝縮による吸熱や発熱が発生するが、この量が多い場合には伝熱部分との温度差が大きくなり、適切に温度を制御できなくなることが考えられる。このような場合には複数のＨ２Ｏ濃度調節機器を用いてＨ２Ｏ濃度を精度よく制御することが好ましい。
前記Ｈ２Ｏ濃度を測定する機器としてはどのようなものでも良いが、例えば露点湿度計、電気抵抗式湿度計、熱伝導度式湿度計、乾湿級湿度計があげられる。計測したＨ２Ｏ濃度を基に前記Ｈ２Ｏ濃度調整器を用いてＨ２Ｏ濃度を調整するためには、Ｈ２Ｏ濃度を電気信号として出力し、その信号を基に前記Ｈ２Ｏ濃度調整器を制御することが好ましい。
前記Ｈ２Ｏ濃度を測定する機器を設置する場所は限定しないが、例えばＣＯ２捕捉材を充填した反応容器の上流側で測定する方法や、Ｈ２Ｏの捕捉量分布を測定し、捕捉飽和を予測するために反応管内部のＣＯ２捕捉材の充填層内部で測定する方法、及び捕捉飽和を観測するために反応管の下流側で測定する方法などが挙げられる。
前記Ｈ２Ｏ濃度調整器でＨ２Ｏ濃度を調整した後の混合ガスにおけるＨ２Ｏ濃度は特に限定しないが、例として２０ｐｐｍ以上であることが好ましく、２０００ｐｐｍ以上であっても良い。
Ｈ２Ｏ濃度はＣＯ２濃度から決定しても良い。この場合、ＣＯ２とのｍｏｌ比で０．５以上４０以下であることが好ましい。ＣＯ２とのｍｏｌ比で０．５以上に制御することで、固体の表面状態が変化し、脱離温度の低いＣＯ２の捕捉状態を形成でき、ＣＯ２を脱離させるために必要な加熱に必要なエネルギーを低減できる。ＣＯ２とのｍｏｌ比で４０以下に制御することで、ＣＯ２及びＨ２Ｏ捕捉材におけるＨ２Ｏの捕捉飽和がＣＯ２が捕捉飽和以前に発生することを防ぐことが出来る。
前記捕捉材にＣＯ２を捕捉した後に、ＣＯ２を脱離させる方法はどのような方法でも良い。例えば、捕捉材の温度を上昇させ、ＣＯ２を脱離させる温度スイング法、もしくは捕捉材の雰囲気を減圧してＣＯ２を脱離させる圧力スイング法、もしくはその両方を使用する温度・圧力スイング法が挙げられる。これら脱離方法は、ＣＯ２含有ガスの圧力やＣＯ２分圧、温度を勘案し、決定すればよい。
温度スイング法を用いる場合のＣＯ２捕捉材の加熱方法としては、加熱されたガスや液体などの熱媒を直接ＣＯ２捕捉材に接触させる方法、伝熱管などに加熱されたガスや液体などの熱媒を流通させ、伝熱面からの熱伝導により加熱させる方法、電気炉などにより電気的に発熱させてＣＯ２捕捉材を加熱する方法などがあげられる。
温度の高い加熱用ガスを捕捉材に接触させる場合においては、加熱用ガスはＣＯ２分離除去の用途などを勘案し、決定すればよい。例えば、脱離後に回収するＣＯ２濃度を高めたい場合には、加熱ガスとしてＣＯ２を用いればよい。加熱用ガスと脱離ガスを分離したい場合には、温度により飽和蒸気圧が大幅に変化するＨ２Ｏを用い、回収したガスを冷却することでＨ２Ｏを除去すればよい。脱離ガス中のＣＯ２濃度が低下しても問題が無い場合には、比較的安価に得られるＮ2、Ｏ2、もしくは大気ガスなどを用いればよい。
２つ以上の反応容器に異なるＣＯ２捕捉材もしくはＨ２Ｏ捕捉材を充填し、加熱ガスを流通させてＣＯ２及びＨ２Ｏを脱離させる構成においては、加熱ガスは各反応容器に別個に流通させても良い。この場合には、一方の捕捉材から脱離したガスが他方の捕捉材に影響を与えないという利点がある。または、反応容器同士を接続した状態で一方から加熱ガスを導入し、もう一方の反応容器まで加熱ガスを流通させたのちに排出する構成でも良い。この場合には、一方の捕捉材の加熱に用いたガスを再度利用するため、消費エネルギーを低減できる、また使用ガス量を低減できるという利点がある。この構成において、例えばＨ２Ｏの流入によりＣＯ２捕捉性能が低下する捕捉材を用いている場合には、脱離したＨ２Ｏが前記捕捉材に接触しないように加熱ガスの流通方向を制御することが好ましい。例えば、前段のＣＯ２捕捉材としてセリウム酸化物、後段のＣＯ２捕捉材としてゼオライトを用いた場合には、ガス流通方向を捕捉時と脱離時で変えた方が好ましい。ＣＯ２及びＨ２Ｏ捕捉時にはＣＯ２及びＨ２Ｏ含有ガスを前段から後段の方向へ流通させることで後段にはＨ２Ｏが流通しにくい構成とし、脱離時には加熱ガスを後段から前段へ流通させることで前段のセリウム酸化物から脱離したＨ２Ｏが後段のゼオライトに接触しにくい構成とでき、後段の反応容器におけるＣＯ２捕捉性能を保持しやすくなる。
圧力スイング法、もしくは温度・圧力スイング法を用いる場合の減圧の方法としては、ポンプなどコンプレッサーなどを用いる機械的手段があげられる。機械的手段から発生する振動などで材料の粉化などの影響がある場合には、捕捉材雰囲気中の水蒸気を冷却により飽和蒸気圧を低下させて凝縮させ、減圧する方法などが挙げられる。ＣＯ２捕捉材の周辺雰囲気のＣＯ２分圧を減圧する方法は、上記に加えＣＯ２以外のガスを流通させる方法が挙げられる。この際に使用するガスとしては、ＣＯ２と容易に分離できるガスが好ましく、特に冷却により容易に凝縮するという観点から水蒸気を使用する方法が挙げられる。
ＣＯ２捕捉材の周辺雰囲気を加圧する方法は、ポンプやコンプレッサーなどにより機械的に加圧する方法や、周辺雰囲気よりも圧力が高いガスを導入する方法が挙げられる。
前記捕捉材はどのような形状で使用しても良い。例えば粉状、ペレット状、及び粒状に成型する方法や、ハニカムに担持する方法が挙げられる。これらの形状は必要となる反応速度、圧力損失及び脱離ガス中のＣＯ２純度を鑑みて決定すればよい。また、空隙率については脱離ガス中のＣＯ２純度を高める場合には空隙率を小さくすればよい。例えば、粒状で空隙率が小さい場合には、圧力損失が大きくなるという欠点があるが、空隙内に残留するＣＯ２以外のガス量が少なくなるため、回収ガス中のＣＯ２純度を高められるという利点がある。一方、ハニカムに担持する場合には空隙率が高いため圧力損失を小さくできるが、空隙内に残留するＣＯ２以外のガス量が多くなるため、脱離ガス中のＣＯ２純度が低くなるという欠点がある。
ＣＯ２捕捉材を充填した反応容器はどのような構成及び運転方法としても構わない。例えば、粒状もしくは粉状のＣＯ２捕捉材を反応容器内に充填し、ＣＯ２捕捉材自体は移動させずにＣＯ２捕捉材容器に導入するガスや反応容器内の温度・圧力を変化させる固定床方式が挙げられる。本構成においては、捕捉材の移動が少ないために捕捉材同士、もしくは捕捉材と反応容器との摩耗による性能低下を低く抑えることが出来るという利点がある。また、充填密度を高めることが出来るため、空隙率が低く、容積あたりのＣＯ２除去量を高めることが出来ると考えられる。一方で、本構成を用いて、加熱用ガスを流通させて捕捉材を加熱し、ＣＯ２を脱離させる温度スイング法を行う場合等では、流通ガスの切り替えが必要となるため、配管や弁の構成が複雑となるという欠点がある。
流通ガスなどの切り替えを行わず、ＣＯ２捕捉材そのものを移動させる方法としては、例えばＣＯ２捕捉材を担持したハニカムローターと反応容器、及び反応容器内でガス流通を仕切るための仕切り板を設置し、流通するガスにより反応容器内をＣＯ２捕捉ゾーン、ＣＯ２加熱脱離ゾーン、ＣＯ２捕捉材冷却ゾーンなどに分けるローター方式がある。前記ハニカムを回転させることにより、内部のＣＯ２捕捉材は各ゾーンに移動し、ＣＯ２捕捉、ＣＯ２加熱脱離、ＣＯ２捕捉材冷却のサイクルを行う事が出来る。本構成においては、ＣＯ２捕捉材はハニカムに担持されており、ＣＯ２捕捉材自体の摩耗は少なく性能低下を低く抑えることが出来るという利点がある。また、流通ガスの切り替えが不要となるため、配管や弁の構成が簡潔になる。また、仕切り板の設置の変化により各ゾーンの大きさを決定でき、これによりＣＯ２捕捉時間、加熱脱離時間、及び冷却時間などの比を容易に決められる。一方で、空隙率が高く、容積あたりのＣＯ２除去量が低い、またＣＯ２脱離ガス中のＣＯ２濃度が低いという欠点がある。本方式で２つ以上の捕捉材を用いる場合には、２つ以上の反応容器を設置し、それぞれに異なる捕捉材を担持したハニカムローターを用いても良いし、１つのハニカムローターにおいて各捕捉材を担持する場所を分け、２種類以上の捕捉材を担持しても良い。例としてはハニカムローターの上流側にセリウム酸化物を含むＣＯ２捕捉材、下流側にゼオライトを含むＣＯ２捕捉材を担持する方法が挙げられる。本構成においては、ＣＯ２及びＨ２Ｏ含有ガスは上流側から下流側の方向へ流通させ、加熱ガスは下流側から上流側の方向へ流通させることが、ゼオライトにＨ２Ｏが接触してＣＯ２捕捉性能が低減することを抑制する観点から好ましい。
流通ガスなどの切り替えを行わず、ＣＯ２捕捉材そのものを移動させる方法としては、他にもＣＯ２含有ガスが流通するＣＯ２捕捉反応容器と、捕捉材加熱用のガスが流通するＣＯ２捕捉材加熱用容器を設置し、前記容器の間を粒状もしくは粉状の捕捉材をコンベヤやブロアによる動力を用いて移動させることにより、捕捉と脱離を繰り返す流動床方式がある。本構成においては流通ガスの切り替えが不要となるため、配管や弁の構成が簡潔になる。また、捕捉時と脱離時において異なる空隙率を設定できるため、例えば脱離時には空隙率を低くなるよう設定し、ＣＯ２脱離ガス中のＣＯ２濃度を高めても良い。一方で、捕捉材そのものが移動するために、長期使用した場合には摩耗により性能が低下することが考えられる。ボイラ排ガスなどガス流量が非常に大きい場合には、コンベヤの代わりにガスにより捕捉材を吹き上げる方式を用いても良い。この場合、コンベヤと比較して機械部品が減るために簡潔な構成と出来る。
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、硝酸セリウム六水和物（Ｃｅ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ）、２８重量％アンモニア水については、いずれも和光純薬工業製のものを使用した。
［実施例１］
［実施例１］
（セリウム酸化物を用いたＣＯ２捕捉材）
精製水１０８０ｇに硝酸セリウム六水和物２６．０５ｇを室温で激しく撹拌しながら溶解させた。前記水溶液を撹拌しながら２８重量％のアンモニア水溶液を滴下しｐＨを９．０とした。８時間撹拌した後、１時間静置し、沈殿物を洗浄ろ過により収集した。その後、沈殿物を乾燥炉にて１２０℃で乾燥させ、大気雰囲気下の電気炉にて４００℃で１時間焼成し、得られたセリウム酸化物をＣＯ２捕捉材とした。
［実施例２］
精製水１０８０ｇに硝酸セリウム六水和物２６．０５ｇを室温で激しく撹拌しながら溶解させた。前記水溶液を撹拌しながら２８重量％のアンモニア水溶液を滴下しｐＨを９．０とした。８時間撹拌した後、１時間静置し、沈殿物を洗浄ろ過により収集した。その後、沈殿物を乾燥炉にて１２０℃で乾燥させ、大気雰囲気下の電気炉にて４００℃で１時間焼成し、得られたセリウム酸化物をＣＯ２捕捉材とした。
［実施例２］
（ジルコニウム酸化物を用いたＣＯ２捕捉材）
第一稀元素製のジルコニウム酸化物（ＲＳＣ−１００）をＣＯ２捕捉材とした。
第一稀元素製のジルコニウム酸化物（ＲＳＣ−１００）をＣＯ２捕捉材とした。
（ＣＯ２吸着試験−Ｈ２Ｏ流通なし）
以下に、Ｈ２Ｏを流通させずにＣＯ２を吸着させた場合の試験条件を示す。
以下に、Ｈ２Ｏを流通させずにＣＯ２を吸着させた場合の試験条件を示す。
成型及び設置：
ＣＯ２捕捉材は直径４０ｍｍの金型を使用して、プレス機により２００ｋｇｆでペレット化し、破砕したのち篩を用いて０．５〜１．０ｍｍの粒状に整粒した。その後、メスシリンダーを用いて１．０ｍｌを測り、石英ガラス製反応管中に固定した。
ＣＯ２捕捉材は直径４０ｍｍの金型を使用して、プレス機により２００ｋｇｆでペレット化し、破砕したのち篩を用いて０．５〜１．０ｍｍの粒状に整粒した。その後、メスシリンダーを用いて１．０ｍｌを測り、石英ガラス製反応管中に固定した。
加熱前処理：
１５０ｍｌ／分でＨｅを流通させながら、電気炉を用いてＣＯ２捕捉材の温度を４００℃に上昇させて１時間保持して不純物及び捕捉材に吸着したガスを除去した。
１５０ｍｌ／分でＨｅを流通させながら、電気炉を用いてＣＯ２捕捉材の温度を４００℃に上昇させて１時間保持して不純物及び捕捉材に吸着したガスを除去した。
冷却：
加熱前処理後、冷却してＣＯ２捕捉材温度を５０℃まで下げた。
加熱前処理後、冷却してＣＯ２捕捉材温度を５０℃まで下げた。
吸着：
電気炉で試料温度を５０℃に保ちながらＣＯ２パルス捕捉試験によりＣＯ２捕捉量を測定した。サンプルガスとして１２体積％のＣＯ２と８８体積％のＨｅからなる混合ガス１０ｍｌをパルス状で４分おきに２分間導入し、反応管出口のＣＯ２濃度をガスクロマトグラフィにより測定した。パルス導入は反応管出口で測定されるＣＯ２が飽和するまで実施した。また、キャリアガスとしてＨｅを使用した。
電気炉で試料温度を５０℃に保ちながらＣＯ２パルス捕捉試験によりＣＯ２捕捉量を測定した。サンプルガスとして１２体積％のＣＯ２と８８体積％のＨｅからなる混合ガス１０ｍｌをパルス状で４分おきに２分間導入し、反応管出口のＣＯ２濃度をガスクロマトグラフィにより測定した。パルス導入は反応管出口で測定されるＣＯ２が飽和するまで実施した。また、キャリアガスとしてＨｅを使用した。
昇温脱離：
電気炉で試料温度を昇温速度１０℃／分で４００℃まで加熱してＣＯ２の脱離量を測定した。
電気炉で試料温度を昇温速度１０℃／分で４００℃まで加熱してＣＯ２の脱離量を測定した。
（ＣＯ２吸着試験−Ｈ２Ｏ流通あり）
Ｈ２Ｏを流通させた後にＣＯ２を吸着させた場合の試験条件を示す。ＣＯ２吸着試験−Ｈ２Ｏ流通なし、における測定方法において、冷却の後、吸着の前においてＨ２Ｏ流通処理を行った以外は同様の方法でＣＯ２吸着量を評価した。
Ｈ２Ｏを流通させた後にＣＯ２を吸着させた場合の試験条件を示す。ＣＯ２吸着試験−Ｈ２Ｏ流通なし、における測定方法において、冷却の後、吸着の前においてＨ２Ｏ流通処理を行った以外は同様の方法でＣＯ２吸着量を評価した。
Ｈ２Ｏ流通処理：
２５℃の水が入ったバブラー容器において、１５０ｍｌ／分でＨｅを１時間流通させた。処理中のＣＯ２捕捉材温度は電気炉で５０℃に設定した。
２５℃の水が入ったバブラー容器において、１５０ｍｌ／分でＨｅを１時間流通させた。処理中のＣＯ２捕捉材温度は電気炉で５０℃に設定した。
図１は、実施例１のＣＯ２捕捉材においてＣＯ２捕捉量をＨ２Ｏ流通の有無で比較したグラフである。Ｈ２Ｏ流通により、ＣＯ２捕捉量は約１割低下した。
図２は、実施例１のＣＯ２捕捉材における昇温時のＣＯ２脱離割合をＨ２Ｏ流通の有無で比較したグラフである。Ｈ２Ｏ流通がある場合は、５０℃から２００℃における比較的低温でのＣＯ２脱離量が多く、２００℃までにＣＯ２はほぼ全量脱離した。一方で、Ｈ２Ｏ流通が無い場合には３００℃まで昇温してもＣＯ２脱離は完了しなかった。本結果からＨ２Ｏ流通がＣＯ２脱離温度を低温化させる効果がある事がわかった。
図３は、セリウム酸化物を昇温するために必要な熱量を示したものであり、脱離ＣＯ２量あたりの熱量を示している。セリウム酸化物の比熱は３８２Ｊ/Ｋ・ｋｇとし、昇温に要する熱量Ｈは以下の式で算出した。なお、本試験でのセリウム酸化物のかさ密度は１．４１（ｋｇ／Ｌ）、ＣＯ２脱離量をＱｄ、脱離温度をＴｄとして下記式（２）で算出した。
Ｈ＝１０００（ｇ）/４４（ｇ/ｍｏｌ）×１０００/Ｑｄ（ｍｍｏｌ/Ｌ）
×１．４１（ｋｇ/Ｌ）×（Ｔｄ−５０）（Ｋ）×３８２(Ｊ/Ｋ・ｋｇ)…（２）
本結果から、Ｈ２Ｏ流通がある方が加熱に要するエネルギーが低くできることがわかった。
×１．４１（ｋｇ/Ｌ）×（Ｔｄ−５０）（Ｋ）×３８２(Ｊ/Ｋ・ｋｇ)…（２）
本結果から、Ｈ２Ｏ流通がある方が加熱に要するエネルギーが低くできることがわかった。
図４は、実施例２のＣＯ２捕捉材における昇温時のＣＯ２脱離割合をＨ２Ｏ流通の有無で比較したグラフである。Ｈ２Ｏ流通がある場合は、５０℃から２００℃におけるＣＯ２脱離量が多く、本結果からＨ２Ｏ流通がＣＯ２脱離温度を低温化させる効果がある事がわかった。
（比表面積の評価方法）
実施例１のセリウム酸化物におけるＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）法を用いて−１９６℃での窒素の吸着等温線を測定し、比表面積を測定した。前処理として、真空引きを行いながら２００℃で加熱した。実施例１の比表面積は１３０ｍ２／ｇであった。
実施例１のセリウム酸化物におけるＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）法を用いて−１９６℃での窒素の吸着等温線を測定し、比表面積を測定した。前処理として、真空引きを行いながら２００℃で加熱した。実施例１の比表面積は１３０ｍ２／ｇであった。
（Ｈ２Ｏ吸着等温線の計測）
実施例１のセリウム酸化物におけるＨ２Ｏ吸着等温線を計測した。前処理として、真空引きを行いながら２００℃で加熱した。その後真空引きを行いながら冷却し、試料温度は２５℃で保持しながらＨ２Ｏを吸着させた。
実施例１のセリウム酸化物におけるＨ２Ｏ吸着等温線を計測した。前処理として、真空引きを行いながら２００℃で加熱した。その後真空引きを行いながら冷却し、試料温度は２５℃で保持しながらＨ２Ｏを吸着させた。
（Ｈ２Ｏ単分子層吸着量の算出）
実施例１のセリウム酸化物における表面にＨ２Ｏ単分子層を形成するための吸着量Ｑｍｌを算出した。前記ＢＥＴ法で求めた比表面積をＳＡ、アボガドロ数をＮＡ＝６．０２×１０２３、Ｈ２Ｏの吸着断面積を１．２５×１０−１９ｍ２とし、下記式（３）を用いて算出した。
実施例１のセリウム酸化物における表面にＨ２Ｏ単分子層を形成するための吸着量Ｑｍｌを算出した。前記ＢＥＴ法で求めた比表面積をＳＡ、アボガドロ数をＮＡ＝６．０２×１０２３、Ｈ２Ｏの吸着断面積を１．２５×１０−１９ｍ２とし、下記式（３）を用いて算出した。
Ｑｍｌ＝ＳＡ÷１．２５×１０−１９÷６．０２×１０２３×１０００…（３）
本計算の結果、Ｈ２Ｏ単分子層吸着量Ｑｍｌは１．８ｍｏｌ／ｋｇと算出された。
本計算の結果、Ｈ２Ｏ単分子層吸着量Ｑｍｌは１．８ｍｏｌ／ｋｇと算出された。
図５は、実施例１のセリウム酸化物におけるＨ２Ｏ吸着等温線を示したグラフである。本結果から実施例１におけるセリウム酸化物のＨ２Ｏ吸着量について、ＣＯ２吸着量と同量以上（３００ｍｏｌ／Ｌ÷１．４１ｋｇ／Ｌ＝０．２２ｍｏｌ／ｋｇ）となるためのＨ２Ｏ分圧は０．００２ｋＰａ以下であった。大気圧中で本Ｈ２Ｏ分圧となるためにはＨ２Ｏ濃度は約２０ｐｐｍあればよい。すなわち、本Ｈ２Ｏ濃度のガスを導入することが、Ｈ２Ｏ／ＣＯ２がｍｏｌ比で１以上反応するための条件と考えられる。前述の炭酸水素塩１ｍｏｌを形成するためには、表面にヒドロキシル基（−ＯＨ）１ｍｏｌが必要と考えられる。ヒドロキシル基の形成機構として、１ｍｏｌの表面酸素（Ｏ）と１ｍｏｌのＨ２Ｏが反応して２ｍｏｌのヒドロキシル基を生成すると仮定すると、Ｈ２Ｏ／ＣＯ２がｍｏｌ比で０．５以上あれば良く、Ｈ２Ｏ／ＣＯ２がｍｏｌ比で１．０以上あれば十分に反応が進むと推測される。上述の２０ｐｐｍのＨ２Ｏ濃度であればＨ２Ｏ／ＣＯ２がｍｏｌ比において１．０を超えることが可能である。また、セリウム酸化物表面をＨ２Ｏ単分子層が被覆できればヒドロキシル基の形成はさらに促進されると考えられる。Ｈ２Ｏ吸着量が、Ｈ２Ｏ単分子吸着量と同等となるためには必要なＨ２Ｏ分圧は０．２ｋＰａであった。大気中でＨ２Ｏ分圧となるためにはＨ２Ｏ濃度は約２０００ｐｐｍあればよい。
上記算出に関し、セリウム酸化物の比表面積が向上すればＣＯ２吸着量が増加するが、Ｈ２Ｏ吸着量も比表面積に比例して増加すると考えられるため、従って、他の材料においても実施例１を基に得られたＨ２Ｏ濃度の相関を利用できると考えている。
Ｈ２Ｏ濃度とＨ２Ｏ吸着量の相関は、捕捉材の温度により異なるが、Ｈ２Ｏにおいては当該温度における飽和蒸気圧との相対圧Ｐ／Ｐ０が同等であれば、Ｈ２Ｏ吸着量はほぼ同等となるという性質がある。従って、捕捉材の温度が変化した場合には当該温度での飽和蒸気圧を基にＨ２Ｏ濃度を決めても良い。
［実施例３］
［実施例３］
本願発明における固定床方式のＣＯ２除去装置において、実施例１のＣＯ２捕捉材を用い、室内へＣＯ２除去ガスを導入する例を図６に示す。実施例３におけるＣＯ２除去装置は、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２含有ガス１０１を流通させるための配管３０１と、凝縮器５０１と、凝縮器５０１で凝縮した水２０１を排出するための配管３０５と、Ｈ２Ｏ濃度計６０１と、Ｈ２Ｏ濃度計６０１からの信号を計算機１００２に入力するための手段１００１と、計算器１００２から凝縮器５０１を制御するための信号を出力するための手段１００３と、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２含有ガス１０１の流通を制御するための弁４０１と、反応容器７０１と、反応容器７０１内に粒状で充填した実施例１のセリウム酸化物を含むＣＯ２捕捉材８０１と、反応容器内のガスを室内へ流通するため配管３０２と、配管３０２のガス流通を制御するための弁４０２と、加熱器９０１と、大気から取り込んだ加熱用ガス１０３を、反応容器７０１へさせるための配管３０３と、配管３０３のガス流通を制御するための弁４０３と、反応容器内のガスを大気へ排出するための配管３０４と、配管３０４のガス流通を制御するための弁４０４から構成される。
ＣＯ２を捕捉する場合には弁４０１及び４０２を開、弁４０３及び４０４を閉とすることで、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２含有ガス１０１はＣＯ２捕捉材８０１においてＣＯ２及びＨ２Ｏが捕捉され、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を除去したガスが室内に流通する。
ＣＯ２捕捉材において捕捉したＣＯ２を脱離させる場合には、弁４０３及び４０４を開、弁４０１及び４０２を閉とすることで、大気から取り込んだガス１０２は加熱器９０１により加熱されて反応容器７０１に流通し、ＣＯ２捕捉材８０１が加熱され、捕捉されたＣＯ２が脱離する。脱離したガスは配管３０４を流通して大気に放出される。
［実施例４］
［実施例４］
本願発明における固定床方式のＣＯ２除去装置において、実施例１のＣＯ２捕捉材を用い、２つの反応容器を用いて連続的にＣＯ２除去ガスを室内に流通させる例を図７に示す。実施例３の構成に、反応容器７０２と、反応容器７０２内に粒状で充填したセリウム酸化物を含むＣＯ２捕捉材８０２と、反応容器７０２へＨ２Ｏ及びＣＯ２含有ガス１０１の流通するための配管３０６と、配管３０６のガス流通を制御するための弁４０６と、反応容器内のガスを室内へ流通するため配管３０７と、配管３０７のガス流通を制御するための弁４０７と、大気から取り込んだ加熱用ガス１０２を、反応容器７０２へさせるための配管３０８と、配管３０８のガス流通を制御するための弁４０８と、反応容器内のガスを大気へ排出するための配管３０９と、配管３０９のガス流通を制御するための弁４０９から構成される。
反応管７０１でＣＯ２を捕捉し、反応管７０２からＣＯ２を脱離する場合には弁４０１、４０２、４０８及び４０９を開、弁４０３、４０４、４０６及び４０７を閉とすれば良い。反応管７０１でＣＯ２を脱離し、反応管７０１でＣＯ２を捕捉する場合には弁４０３、４０４、４０６及び４０７を開、弁４０１、４０２、４０８及び４０９を閉とすればよい。本構成及び運転方法によりＣＯ２を除去したガスを連続的に室内に流通させることが可能である。
［実施例５］
［実施例５］
本願発明におけるローター方式のＣＯ２除去装置において、室内へＣＯ２除去ガスを導入する例を図８に示す。本ＣＯ２除去装置における反応容器７０１の内部には、実施例１のセリウム酸化物を含むＣＯ２捕捉材を担持したハニカムローター８０１が設置されており、反応容器内の仕切り板７０２によってガス流通の経路が制限されるようになっている。反応容器７０１内のゾーン７０１Ａ、ゾーン７０１Ｂ、ゾーン７０１Ｃは前記仕切り板７０２によって定められるガス流通の範囲である。ハニカムローター８０１が回転させた場合においても、仕切り板７０２の位置は変わらないが、ハニカムローター８０１が回転することで、ハニカムローターにおけるガスの接触する場所は変化する。本構成ではゾーン７０１ＡにＨ２Ｏ及びＣＯ２含有ガスを流通させてＣＯ２を捕捉させ（捕捉ゾーン）、ゾーン７０１Ｃには加熱器９０１において加熱したガスを流通させてＣＯ２を脱離させ（脱離ゾーン）、ゾーン７０１Ｂには大気から取り込んだガス１０３を流通して冷却させる（冷却ゾーン）。
本ＣＯ２除去装置は、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２含有ガス１０１を反応容器７０１におけるゾーン７０１Ａに流通させるための配管３０１と、凝縮器５０１と、凝縮器から凝縮水２０１を排出するための配管３０５と、Ｈ２Ｏ濃度計６０１と、Ｈ２Ｏ濃度計から計算機１００２に信号を入力するための手段１００１と、凝縮器５０１を制御するために計算機１００２から信号を出力するための手段１００２と、反応容器７０１と、反応容器７０１に設置したＣＯ２捕捉材を担持した回転可能なハニカムローター８０１と、反応容器内に設置したガス流通を仕切るための仕切り板７０２と、ゾーン７０１Ａから排出したガスを室内に流通するための配管３０２と、大気から取り込んだガス１０３をゾーン７０２Ｂに流通させるための配管３０３と、加熱器９０１と、ゾーン７０１Ｂから排出されたガスを加熱器９０１に流通させるための配管３０４と、加熱器９０１から排出されたガスをゾーン７０１Ｃへ流通させうるための配管３０６と、ゾーン７０１Ｃから排出されたガスを大気へ放出するための配管３０７から構成される。
本装置では、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２含有ガスはゾーン７０１Ａに流通することでハニカムローター内のＣＯ２捕捉材において捕捉され、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を除去したガスが室内に流通する。ハニカムローターの回転により、ＣＯ２を捕捉した部分はゾーン７０１Ｃに移動し、加熱されたガスを流通することでＣＯ２を脱離させる。加熱されてＣＯ２を脱離した部分は、ゾーン７０１Ｂに移動し、大気から取り込んだガスを用いて冷却される。冷却された部分はゾーン７０１Ａに移動することで再度ＣＯ２を捕捉する。
本構成では大気から取り込んだガス１０３をハニカムローターの冷却に用いるため、本ガスは加熱される。このガスを用いて更に加熱器９０１で加熱しているため、加熱器９０１の負荷を低減できる。
［実施例６］
［実施例６］
本願発明において、複数のＣＯ２捕捉材及び複数の反応容器を用いてＨ２Ｏ及びＣＯ２を除去するための構成を図９に示す。本実施例ではＣＯ２捕捉材として、セリウム酸化物とゼオライトを用いる。本装置はＨ２Ｏ及びＣＯ２含有ガス１０１を反応管７０１に流通させるための配管３０１と、反応管７０１に充填された実施例１のセリウム酸化物を含むＣＯ２捕捉材８０１と、凝縮器５０１と、凝縮器から凝縮水を排出するための配管３０５と、Ｈ２Ｏ濃度計６０１と、Ｈ２Ｏ濃度計から計算機１００２に信号を入力するための手段１００１と、凝縮器５０１を制御するために計算機１００２から信号を出力するための手段１００２と、加熱用ガスを流通させるための配管３０２と、反応管７０１から排出されたガスを室内へ流通するための配管３０３と、配管３０３のガス流通を制御するための弁４０３と、反応管７０１からガスを大気へ放出するための配管３０４と、配管３０４のガス流通を制御するための弁４０４と、更に反応管７０１から排出されるガス中のＨ２Ｏ濃度を測定するためのＨ２Ｏ濃度計６０２と、ＣＯ２濃度計６０３と、反応管７０２と、反応管に充填されたゼオライトを含む捕捉材８０２と、反応管７０１から反応管７０２へガスを流通させるための配管３０６と、配管３０６のガス流通を制御するための弁４０６と、反応管７０２から排出されたガスを室内へ流通するための配管３０７と、配管３０７のガス流通を制御するための弁４０７と、反応管７０２からガスを大気へ放出するための配管３０９と、配管３０９のガス流通を制御するための弁４０９と、加熱用ガスを反応管７０１に流通するための配管３０８と、配管３０８のガス流通を制御するための弁４０８から構成される。
例えば、ＣＯ２捕捉材８０１においてＨ２Ｏのみが捕捉飽和となりやすい場合には後段の反応管７０２における捕捉材８０２にＨ２Ｏを選択的に補足する捕捉材を充填しておけばよい。逆にＣＯ２捕捉材８０１においてＣＯ２のみが補足飽和となりやすい場合には、後段の反応管７０２における捕捉材８０２にＣＯ２を選択的に補足する捕捉材を充填することで、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を除去したガスを安定して室内へ流通できる。
［実施例７］
［実施例７］
本願発明において、複数のＣＯ２捕捉材及び複数の反応容器を用いてＨ２Ｏ及びＣＯ２を除去するための構成を図１０に示す。本構成ではＣＯ２捕捉材としてセリウム酸化物、及びゼオライトを用いている。本構成においては反応容器７０１にはセリウム酸化物を含むＣＯ２捕捉材８０１を、反応容器７０２にはゼオライトを含むＣＯ２捕捉材を用いている。Ｈ２Ｏ及びＣＯ２含有ガスからＨ２Ｏ及びＣＯ２を除去する際にはガス流通の流れ方向は反応容器７０１から反応容器７０２となっているが、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を加熱ガスの流通により除去する際には加熱ガス流通の流れは反応容器７０２から反応容器７０１に流れるように各弁の開閉を調整する。これはセリウム酸化物を含むＣＯ２捕捉材８０１から脱離したＨ２Ｏが、反応容器７０２中のゼオライトに接触することで、Ｈ２Ｏがゼオライト中に強く捕捉されることを防ぐためである。
１０１…Ｈ２Ｏ及びＣＯ２含有ガス
１０３…加熱用ガス
３０１、３０２、３０３、３０４…配管
４０１、４０２、４０３、４０４…弁
５０１…凝縮器
６０１…Ｈ２Ｏ濃度計
７０１…反応容器
８０１、８０２…ＣＯ２捕捉材
９０１…加熱器
１０３…加熱用ガス
３０１、３０２、３０３、３０４…配管
４０１、４０２、４０３、４０４…弁
５０１…凝縮器
６０１…Ｈ２Ｏ濃度計
７０１…反応容器
８０１、８０２…ＣＯ２捕捉材
９０１…加熱器
Claims (8)
- 対象ガス中のＨ２Ｏ及びＣＯ２を捕捉するＣＯ２捕捉材と、
前記ＣＯ２捕捉材を内部に設置した反応容器と、
前記対象ガス中のＨ２Ｏ濃度を調整するＨ２Ｏ濃度調整機器と、
前記Ｈ２Ｏ濃度調整機器から前記反応容器に前記対象ガスを導入して前記ＣＯ２捕捉材に接触させるガス導入路と、
前記対象ガスを前記ＣＯ２捕捉材に接触させた後に前記反応容器から排出するための第一のガス排出路と、
前記ＣＯ２捕捉材から脱離した脱離ガスを反応容器から排出するための第二のガス排出路を含み、
前記反応容器は、前記ＣＯ２捕捉材によって前記対象ガスからＣＯ２を捕捉する捕捉ゾーンと、前記ＣＯ２捕捉材に加熱用流体を接触させて前記ＣＯ２捕捉材からＣＯ２を脱離させる脱離ゾーンと、を含むロータであり、
前記ロータは、前記ＣＯ ２ 捕捉材に冷却用流体を接触させて前記ＣＯ ２ 捕捉材を冷却する冷却ゾーンを更に含み、
前記ロータにおいて、前記冷却ゾーンを流通する前記冷却用流体の流通方向は、前記捕捉ゾーンを流通する前記対象ガスの流通方向と同一方向となっており、前記冷却用流体の流通方向及び前記対象ガスの流通方向は、前記脱離ゾーンを流通する前記加熱用流体の流通方向とは逆方向となっており、
前記冷却用流体の流通方向における前記冷却ゾーンの下流側には、前記加熱用流体を供給する加熱器が配置され、
前記冷却ゾーンを流通した前記冷却用流体は、前記加熱器によって加熱されて前記加熱用流体として前記脱離ゾーンを流通するＣＯ２除去装置。 - 前記ＣＯ２捕捉材は、セリウム、セリウム以外の稀土類金属、及びジルコニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む酸化物もしくは複合酸化物を含む請求項１記載のＣＯ２除去装置。
- 前記対象ガス中のＨ２Ｏ濃度を計測するためのＨ２Ｏ計測器を更に含み、
前記Ｈ２Ｏ濃度調整機器は、前記Ｈ２Ｏ計測器で得た情報を基に前記対象ガス中のＨ２Ｏ濃度を調整する請求項１又は２記載のＣＯ２除去装置。 - 前記Ｈ２Ｏ濃度調整機器は、前記対象ガスを冷却する凝縮器である請求項１〜３のいずれか一項記載のＣＯ２除去装置。
- 前記加熱用流体が、ＣＯ２、水蒸気、Ｎ２、燃焼排ガス、及び、大気から取り込んだ後に加熱して得たガス、から選ばれる少なくとも１つのガスを含む流体である請求項１〜４のいずれか一項記載のＣＯ２除去装置。
- 前記反応容器を減圧するための減圧機器を更に有する請求項１〜５のいずれか一項記載のＣＯ２除去装置。
- 前記反応容器を加圧するための加圧機器を更に有する請求項１〜６のいずれか一項記載のＣＯ２除去装置。
- 前記対象ガスが周辺の大気圧よりも高圧である請求項１〜７のいずれか一項記載のＣＯ２除去装置。
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