JP6953877B2

JP6953877B2 - 二酸化炭素固定方法及び装置と排煙脱硫設備

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Publication number: JP6953877B2
Application number: JP2017152924A
Authority: JP
Inventors: 俊之内藤; 河西　英一; 英一河西
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2037-08-08
Also published as: JP2019030840A; AU2018315894A1; WO2019031118A1; CA3056199A1; US20200038807A1

Description

本発明は、二酸化炭素固定方法及び装置と排煙脱硫設備に関するものである。

一般に、火力発電所の石炭焚ボイラ等から排出される排煙中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯ_２等）は排煙脱硫設備によって吸収除去されるようになっている。

前記排煙脱硫設備としては、吸収液として海水を使用して排煙の脱硫を行うものがある。

尚、前記排煙脱硫設備と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。

特開平９−２３９２３３号公報

従来の排煙脱硫設備において、排煙中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）については特に考慮されておらずそのまま排出されていた。しかし、二酸化炭素の排出削減が緊急課題となっている現在、二酸化炭素固定技術へのニーズが高まっており、例えば、化学吸収法や酸素燃焼法により二酸化炭素を回収し超臨界の二酸化炭素として、地下の帯水層に貯留する技術が開発されている。

しかしながら、前記地下の帯水層に貯留される二酸化炭素は液体であるため、二酸化炭素を地下深くに長期間安定して封じ込めておけるかは未知数であり、地震等で二酸化炭素が地上に漏れ出す可能性も全くないとは言えず、長期間モニタリングする必要がある。又、液体の二酸化炭素を高圧で地下に注入した場合に地震を引き起こす虞はないか等、未解決の課題も多々存在しているのが現状である。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、二酸化炭素を地下の帯水層に貯留することなく安定状態で固定し得る二酸化炭素固定方法及び装置と排煙脱硫設備を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明の二酸化炭素固定方法は、硫黄酸化物が含まれる排煙を海水で脱硫する海水脱硫工程と、
該海水脱硫工程で排煙から硫黄酸化物を吸収した海水にアルカリ金属を添加して化合物を生成する添加工程と
を行い、
前記アルカリ金属はリチウム、ナトリウム又はカリウムであるようにすることができる。

前記二酸化炭素固定方法においては、前記添加工程で生成された化合物を回収する回収工程を行うことができる。

一方、本発明の二酸化炭素固定装置は、硫黄酸化物が含まれる排煙を海水で脱硫する吸収塔と、
該吸収塔で排煙から硫黄酸化物を吸収した海水にアルカリ金属を添加して化合物を生成する反応槽と
を備え、
前記アルカリ金属はリチウム、ナトリウム又はカリウムであるようにすることができる。

前記二酸化炭素固定装置においては、前記反応槽で生成された化合物を回収する回収装置を備えることができる。

更に、前記二酸化炭素固定装置を備えた排煙脱硫設備とすることもできる。

本発明の二酸化炭素固定方法及び装置と排煙脱硫設備によれば、二酸化炭素を地下の帯水層に貯留することなく安定状態で固定し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の二酸化炭素固定方法及び装置と排煙脱硫設備の実施例を示す全体概要構成図である。本発明の二酸化炭素固定方法の実施例における工程を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明の二酸化炭素固定方法及び装置と排煙脱硫設備の実施例である。

図１に示す排煙脱硫設備は、吸収塔１０と、海水ポンプ２０と、海水ライン３０と、スプレノズル４０とを備えている。

前記吸収塔１０は、上下方向へ延びる塔本体１１を備え、該塔本体１１の側面所要高さ位置に排煙の導入口１２が形成されると共に、前記塔本体１１の上部に排煙の導出口１３が形成されている。前記塔本体１１の導入口１２より下側における内部には、吸収液としての海水の液溜部１４が形成されている。

前記海水ポンプ２０は、海から海水を吸収液として汲み上げるポンプである。

前記海水ライン３０は、一端が海中に設けられて上方へ立ち上がり、他端が前記塔本体１１の側面を貫通して内部へ延びるよう配設されている。前記海水ライン３０の途中には前記海水ポンプ２０が設けられ、該海水ポンプ２０で汲み上げられた吸収液としての海水を前記海水ライン３０から吸収塔１０へ供給するようになっている。図１に示す海水ライン３０は、一端が海中に設けられて上方へ立ち上がる汲上ライン３１と、該汲上ライン３１の他端に接続されて前記塔本体１１の内部へ延びるスプレヘッダ３２とを備えている。尚、前記汲上ライン３１の一端は、海中に直接設ける代わりに、海水を貯留した海水槽（図示せず）に設けるようにしても良い。

前記スプレノズル４０は、前記塔本体１１の内部へ挿通された海水ライン３０に対し、その長手方向へ所要間隔をあけて配設されるよう、接続されており、吸収液としての海水を前記吸収塔１０の内部に噴出するようになっている。図１に示すスプレノズル４０は、前記海水ライン３０のスプレヘッダ３２に設けられている。

尚、前記吸収塔１０の内部におけるスプレノズル４０より上方位置には、排煙からミストを除去するミストエリミネータ５０が設けられている。

そして、図１に示す前記排煙脱硫設備は、二酸化炭素固定装置として反応槽６０を備えている。

前記反応槽６０は、前記吸収塔１０で排煙から硫黄酸化物を吸収した海水にアルカリ土類金属又はアルカリ金属を添加して鉱物のような安定した化合物を生成するようになっている。前記反応槽６０は、前記吸収塔１０の液溜部１４に対し抜出ライン７０によって接続され、該抜出ライン７０には抜出ポンプ７１が設けられ、該抜出ポンプ７１の作動により前記液溜部１４から海水が抜出ライン７０を介して反応槽６０へ導入されるようになっている。

前記反応槽６０の上方には、アルカリ土類金属又はアルカリ金属を貯留したホッパ８０が設けられ、該ホッパ８０に貯留されたアルカリ土類金属又はアルカリ金属が投入ライン８１からロータリフィーダ等の投入弁８２を介して前記反応槽６０に投入されるようになっている。尚、前記ホッパ８０には、図示していない供給源からコンベヤ８３を介してアルカリ土類金属又はアルカリ金属が補充されるようになっている。

前記反応槽６０の下部には、酸化剤供給器９０が設けられている。前記酸化剤供給器９０は、前記反応槽６０に酸化剤として空気を供給する酸化空気ブロワ９１で構成されている。図１に示す酸化剤供給器９０の酸化空気ブロワ９１の出側には、酸化剤としての空気を前記反応槽６０へ導く酸化剤供給ライン９２が接続され、該酸化剤供給ライン９２の反応槽６０内に貫通して延びるヘッダ部９３には、その長手方向へ所要間隔をあけて曝気ノズル９４が設けられ、該曝気ノズル９４から酸化剤としての空気を反応槽６０内に噴出させて海水へ均一に混ぜるようになっている。

図１に示す二酸化炭素固定装置においては、前記反応槽６０で生成された化合物を回収する回収装置１００が設けられている。該回収装置１００は、前記反応槽６０の底部に沈降した化合物を抜き出す回収ライン１０１と、該回収ライン１０１に設けられた回収弁１０２とを備えている。尚、前記回収装置１００として、前記回収弁１０２の下流側に必要に応じて固液分離器（図示せず）を設けても良い。又、前記反応槽６０の下部には、リターンライン１１０が接続され、該リターンライン１１０から海水を海に戻すようになっている。但し、前記反応槽６０で生成された化合物が無害なものであれば、前記回収装置１００は必ずしも設ける必要はなく、前記化合物を海水と一緒に海へ戻しても良い。

前記アルカリ土類金属としては、例えば、カルシウム（Ｃａ）又はマグネシウム（Ｍｇ）を選定することができる。前記カルシウム又はマグネシウムを含むものとしては、例えば、廃コンクリート、鉄鋼スラグ、安山岩、玄武岩、土壌又はフライアッシュを挙げることができる。因みに、前記マグネシウムは、第２族元素であるものの化学的性質の相違から厳密にはアルカリ土類金属ではないが、広義にはアルカリ土類金属に含まれていると言える。

前記アルカリ金属としては、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）又はカリウム（Ｋ）を選定することができる。前記リチウム、ナトリウム又はカリウムを含むものとしては、例えば、火成岩又は花崗岩を挙げることができる。

図２は本発明の二酸化炭素固定方法の実施例における工程を示すフローチャートであって、海水脱硫工程と、添加工程と、回収工程とを行うようになっている。

前記海水脱硫工程は、硫黄酸化物が含まれる排煙を海水で脱硫する工程である。

前記添加工程は、前記海水脱硫工程で排煙から硫黄酸化物を吸収した海水にアルカリ土類金属又はアルカリ金属を添加して鉱物のような安定した化合物を生成する工程である。

前記回収工程は、前記添加工程で生成された化合物を回収する工程である。但し、前述したように、前記反応槽６０で生成された化合物が無害なものであれば、前記回収装置１００は必ずしも設ける必要はなく、前記化合物を海水と一緒に海へ戻しても良いことから、二酸化炭素固定方法としては、前記回収工程を省略し、前記海水脱硫工程及び添加工程のみを行うようにしても良い。

次に、上記実施例の作用を説明する。

吸収塔１０の通常運転時、海水ポンプ２０が駆動され、海水は、海水ライン３０を流れてスプレノズル４０から吸収塔１０の内部へ噴出され液溜部１４へ流下しており、図示していない石炭焚ボイラ等から吸収塔１０に送り込まれた排煙は、前記スプレノズル４０から噴出される吸収液としての海水と気液接触することにより、硫黄酸化物が吸収除去され、ミストエリミネータ５０でミストが除去された後、吸収塔１０の導出口１３から外部へ排出される。これが図２の海水脱硫工程となる。このときの吸収反応は、
ＳＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＨＳＯ_３ ⁻＋Ｈ^＋
ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＨＣＯ_３ ⁻＋Ｈ^＋
ＨＣＯ_３ ⁻→ＣＯ_３ ^２−＋Ｈ^＋
となる。

前記液溜部１４の海水は、抜出ポンプ７１の作動により抜出ライン７０を介して反応槽６０へ導入される。同時に、酸化剤供給器９０の酸化空気ブロワ９１からは、酸化剤としての空気が酸化剤供給ライン９２を介して曝気ノズル９４へ供給され、該曝気ノズル９４から酸化剤としての空気が反応槽６０内に噴出されて海水へ均一に混ぜられる。このときの酸化反応は、
ＨＳＯ_３ ⁻＋１／２Ｏ_２→ＳＯ_４ ^２−＋Ｈ^＋
となる。更に、ホッパ８０に貯留されたアルカリ土類金属又はアルカリ金属は、投入ライン８１からロータリフィーダ等の投入弁８２を介して前記反応槽６０に投入される。これが図２の添加工程となる。前記アルカリ土類金属として、例えば、カルシウム（Ｃａ）又はマグネシウム（Ｍｇ）が選定され、廃コンクリート、鉄鋼スラグ、安山岩、玄武岩、土壌又はフライアッシュが前記反応槽６０に投入された場合、このときの反応は、
Ｃａ^２＋＋ＣＯ_３ ^２−→ＣａＣＯ_３
Ｍｇ^２＋＋ＣＯ_３ ^２−→ＭｇＣＯ_３
となる。前記アルカリ金属として、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）又はカリウム（Ｋ）が選定され、火成岩又は花崗岩が前記反応槽６０に投入された場合、このときの反応は、
２Ｌｉ^＋＋ＣＯ_３ ^２−→Ｌｉ_２ＣＯ_３
２Ｎａ^＋＋ＣＯ_３ ^２−→Ｎａ_２ＣＯ_３
２Ｋ^＋＋ＣＯ_３ ^２−→Ｋ_２ＣＯ_３
となる。

前記反応槽６０で生成された化合物は、回収装置１００の回収弁１０２を開くことにより回収ライン１０１から回収される。これが図２の回収工程となる。

又、前記反応槽６０の海水は、リターンライン１１０から海に戻される。

上述の如く、脱硫後の海水は二酸化炭素が溶解したＨＣＯ_３ ⁻イオンを含んでおり、そこにアルカリ土類金属又はアルカリ金属を投入することにより鉱物のような安定した化合物として前記二酸化炭素を固定させるのが本実施例となっている。即ち、本実施例では、従来のように、液体の二酸化炭素を地下の帯水層に貯留するのとは異なり、二酸化炭素を化合物として長期間安定して封じ込めておけるため、地震等で二酸化炭素が地上に漏れ出す可能性は全くなく、長期間モニタリングを行わなくて済む。又、液体の二酸化炭素を高圧で地下に注入するようなことをしないため、地震を引き起こす虞もない。

こうして、本実施例の二酸化炭素固定方法及び装置によれば、二酸化炭素を地下の帯水層に貯留することなく安定状態で固定し得る。

そして、本実施例の二酸化炭素固定方法の場合、前記添加工程で生成された化合物を回収する回収工程を行うようになっている。このように回収工程を行うと、化合物を海に戻さないため、海洋生物や環境に影響を及ぼすことを回避できる。又、本実施例の二酸化炭素固定装置の場合、前記反応槽６０で生成された化合物を回収する回収装置１００を備えている。このように回収装置１００を備えると、化合物は回収装置１００に回収されて海に戻されないため、海洋生物や環境に影響を及ぼすことを回避できる。

又、本実施例の二酸化炭素固定方法及び装置の場合、前記アルカリ土類金属はカルシウム又はマグネシウムとしている。前記カルシウムやマグネシウムは、廃コンクリート、鉄鋼スラグ、安山岩、玄武岩、土壌又はフライアッシュ等に含まれ、廃材をその処理を兼ねて二酸化炭素の固定に有効活用することができる。しかも、前記カルシウムを用いた場合に化合物として生成される炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）は、貝殻やサンゴの骨格の主成分であって海に存在するものであるため、仮にそのまま海に戻しても何ら問題はない。又、前記マグネシウムを用いた場合に化合物として生成される炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）は、天然ゴムや合成ゴムの増強剤、耐火・断熱材料、肥料原料、インク・塗料の添加物、ガラス添加剤、製紙、化粧品添加物、食品添加物として利用可能となる。

又、本実施例の二酸化炭素固定方法及び装置の場合、前記アルカリ金属はリチウム、ナトリウム又はカリウムとしている。前記リチウム、ナトリウム又はカリウムは、火成岩又は花崗岩等に含まれ、前記リチウムを用いた場合に化合物として生成される炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）、前記ナトリウムを用いた場合に化合物として生成される炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、前記カリウムを用いた場合に化合物として生成される炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）はそれぞれ、工業的に重要な化合物として利用可能となる。

更に又、本実施例の前記二酸化炭素固定装置を備えた排煙脱硫設備としても、二酸化炭素を地下の帯水層に貯留することなく安定状態で固定し得る。

尚、本発明の二酸化炭素固定方法及び装置と排煙脱硫設備は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１０吸収塔
６０反応槽
１００回収装置

Claims

硫黄酸化物が含まれる排煙を海水で脱硫する海水脱硫工程と、
該海水脱硫工程で排煙から硫黄酸化物を吸収した海水にアルカリ金属を添加して化合物を生成する添加工程と
を行い、
前記アルカリ金属はリチウム、ナトリウム又はカリウムである二酸化炭素固定方法。
前記添加工程で生成された化合物を回収する回収工程を行う請求項１記載の二酸化炭素固定方法。
硫黄酸化物が含まれる排煙を海水で脱硫する吸収塔と、
該吸収塔で排煙から硫黄酸化物を吸収した海水にアルカリ金属を添加して化合物を生成する反応槽と
を備え、
前記アルカリ金属はリチウム、ナトリウム又はカリウムである二酸化炭素固定装置。
前記反応槽で生成された化合物を回収する回収装置を備えた請求項３記載の二酸化炭素固定装置。
請求項３又は４記載の二酸化炭素固定装置を備えた排煙脱硫設備。