JP7020253B2 - Carbon dioxide production equipment, carbon dioxide production method, design method of carbon dioxide production equipment - Google Patents
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Description
本発明は、例えばセメント製造装置で生じる熱を用いて、セメント原料精粉や石灰石などを加熱して、低濃度の二酸化炭素を製造するための二酸化炭素製造装置、二酸化炭素製造方法、および二酸化炭素製造装置の設計方法に関するものである。 The present invention uses, for example, a carbon dioxide production apparatus for producing low-concentration carbon dioxide by heating cement raw material refined powder, limestone, etc. using heat generated in a cement production apparatus, a carbon dioxide production method, and carbon dioxide. It relates to a method of designing a manufacturing device.
近年、世界的かつ全産業にわたって、地球温暖化の主因である二酸化炭素(CO2)を削減する試みが推進されている。例えばセメント産業は、電力や鉄鋼等と共に二酸化炭素の排出量が多い産業の一つであり、日本における二酸化炭素の全排出量の約4%を占めている。このため、セメント製造プロセスで生じる二酸化炭素を含む排ガスを大気中に放出せずに回収することが考えられている。 In recent years, attempts to reduce carbon dioxide (CO 2 ), which is a major cause of global warming, have been promoted worldwide and throughout all industries. For example, the cement industry is one of the industries that emit a large amount of carbon dioxide along with electric power and steel, and accounts for about 4% of the total carbon dioxide emissions in Japan. Therefore, it is considered to recover the exhaust gas containing carbon dioxide generated in the cement manufacturing process without releasing it into the atmosphere.
回収した二酸化炭素は、地中に貯留したり、植物や藻類の育成、液化炭酸として食品原料、工業原料に用いるなど、幅広く再利用することができる。回収した二酸化炭素を植物や藻類の育成や食品原料に用いる場合、有害成分を含まないことが重要である。 The recovered carbon dioxide can be widely reused, such as by storing it in the ground, growing plants and algae, and using it as liquefied carbonic acid for food raw materials and industrial raw materials. When the recovered carbon dioxide is used for growing plants and algae and as a raw material for food, it is important that it does not contain harmful components.
セメント製造装置のセメントキルンや仮焼炉において石炭、石油、天然ガス等の熱エネルギーを純酸素で燃焼させて得られる排ガスは、二酸化炭素を多く含んでいるものの、この排ガス中には燃焼ガス由来の揮発性有機化合物(VOC)、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物等の人体や植物に有害な不純物が含まれている。このため、得られた二酸化炭素を含む排ガスを植物や藻類の育成や食品原料に用いる場合には、これらの不純物を除去する工程が別途必要があり、二酸化炭素の製造方法としてはコストが高く、未だに実用化には至っていない。 The exhaust gas obtained by burning thermal energy such as coal, oil, and natural gas with pure oxygen in the cement kiln and calcination furnace of cement manufacturing equipment contains a large amount of carbon dioxide, but this exhaust gas is derived from combustion gas. It contains impurities harmful to humans and plants such as volatile organic compounds (VOC), carbon monoxide, nitrogen oxides, and sulfur oxides. Therefore, when the obtained exhaust gas containing carbon dioxide is used for growing plants and algae or as a raw material for food, a separate step for removing these impurities is required, which is expensive as a method for producing carbon dioxide. It has not yet been put into practical use.
一方、特許文献1には、セメント原料精粉に含まれる石灰石から発生する二酸化炭素を間接的に加熱することによって、二酸化炭素を回収する方法が記載されている。これは、セメント原料精粉を隔壁越しに加熱したり、過熱させた仮焼済のセメント原料などの熱媒体を仮焼時に生じた二酸化炭素を含む排ガスに接触させて、高濃度の二酸化炭素を生成する方法である。
On the other hand,
しかしながら、特許文献1に示されたセメント製造装置における二酸化炭素の回収方法では、濃度約100vol%といった高濃度の二酸化炭素が生成されるために、植物や藻類の育成にはそのまま用いることができない。生成した高濃度の二酸化炭素を、希釈ガスを用いて濃度を下げるなどの新たな工程が必要になる。このため、植物や藻類の育成に好適な、低濃度で、かつ有害成分を含まない二酸化炭素を低コストに製造可能な二酸化炭素製造装置、二酸化炭素製造方法が望まれていた。
However, the method for recovering carbon dioxide in the cement manufacturing apparatus shown in
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、有害成分を殆ど含まない低濃度の二酸化炭素を効率的に製造することが可能な二酸化炭素製造装置、およびこれを用いた二酸化炭素製造方法、二酸化炭素製造装置の設計方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is a carbon dioxide production apparatus capable of efficiently producing low-concentration carbon dioxide containing almost no harmful components, and carbon dioxide using the same. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method and a design method of a carbon dioxide producing device.
上記の課題を解決するために、本発明の二酸化炭素製造装置は、二酸化炭素と空気とを含む混合ガスを循環させるガス循環ラインと、前記ガス循環ラインに順に配された熱交換器、反応器、および分離器と、前記ガス循環ラインに接続された原料粉体供給ライン、二酸化炭素回収ライン、および空気供給ラインと、を備え、前記熱交換器は、前記ガス循環ラインと、該ガス循環ラインの温度よりも高温の高温雰囲気場との間で熱交換を行い、前記原料粉体供給ラインは、前記反応器と前記熱交換器との間、または前記反応器に接続されて、前記ガス循環ラインに二酸化炭素の生成原料粉体を供給し、前記反応器は、前記熱交換器で加熱された前記混合ガスに前記生成原料粉体を接触させて脱炭酸反応によって二酸化炭素を生成し、前記分離器は、前記生成原料粉体と前記混合ガスとを分離し、前記二酸化炭素回収ラインは前記混合ガスを前記ガス循環ラインの系外に回収し、前記空気供給ラインは、空気を前記ガス循環ラインに供給することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the carbon dioxide production apparatus of the present invention includes a gas circulation line for circulating a mixed gas containing carbon dioxide and air, and heat exchangers and reactors sequentially arranged in the gas circulation line. The heat exchanger comprises a raw material powder supply line, a carbon dioxide recovery line, and an air supply line connected to the gas circulation line, and the heat exchanger includes the gas circulation line and the gas circulation line. The gas circulation is performed by exchanging heat with a high temperature atmosphere field having a temperature higher than the temperature of the above, and the raw material powder supply line is connected between the reactor and the heat exchanger or connected to the reactor. The raw material powder for producing carbon dioxide is supplied to the line, and the reactor is brought into contact with the mixed gas heated by the heat exchanger to generate carbon dioxide by a decarbonization reaction, and the above-mentioned The separator separates the produced raw material powder and the mixed gas, the carbon dioxide recovery line recovers the mixed gas out of the system of the gas circulation line, and the air supply line circulates the air to the gas circulation. It is characterized by supplying to the line.
本発明の二酸化炭素製造装置によれば、空気供給ラインから空気を供給してガス循環ラインに二酸化炭素を含む混合ガスを循環させるとともに、高温雰囲気場で加熱された混合ガスを熱源として用いて、ガス循環ラインに供給された生成原料粉体を加熱して脱炭酸反応を生じさせることによって、空気で希釈された低濃度の二酸化炭素を連続して効率的に生成することができる。得られた低濃度の二酸化炭素は、希釈することなく植物工場での植物の育成や、グリーンオイル製造プラントでの藻類の育成にそのまま用いることができる。 According to the carbon dioxide production apparatus of the present invention, air is supplied from an air supply line to circulate a mixed gas containing carbon dioxide in a gas circulation line, and the mixed gas heated in a high temperature atmosphere field is used as a heat source. By heating the produced raw material powder supplied to the gas circulation line to cause a decarbonization reaction, low-concentration carbon dioxide diluted with air can be continuously and efficiently produced. The obtained low-concentration carbon dioxide can be used as it is for growing plants in a plant factory or growing algae in a green oil manufacturing plant without diluting it.
また、本発明では、前記高温雰囲気場は、セメント製造装置におけるセメントキルン、クリンカクーラー、プレヒーター、仮焼炉、および前記クリンカクーラーと前記仮焼炉とを接続する抽気ダクトのうち、少なくともいずれか1つを含むことが好ましい。 Further, in the present invention, the high temperature atmosphere field is at least one of a cement kiln, a clinker cooler, a preheater, a calciner, and an air extraction duct connecting the clinker cooler and the calciner in a cement manufacturing apparatus. It is preferable to include one.
また、本発明では、前記分離器で分離された後の前記生成原料粉体を、前記セメントキルン、前記プレヒーター、前記仮焼炉、前記抽気ダクトのうち、少なくともいずれか1つに向けて返送する返送ラインを更に備えることが好ましい。 Further, in the present invention, the produced raw material powder separated by the separator is returned to at least one of the cement kiln, the preheater, the calcination furnace, and the bleeding duct. It is preferable to further provide a return line.
本発明の二酸化炭素製造方法は、前記各項記載の二酸化炭素製造装置を用いた二酸化炭素製造方法であって、前記空気供給ラインを介して空気を前記ガス循環ラインに供給する空気供給工程と、前記熱交換器で前記混合ガスを加熱する加熱工程と、前記加熱工程で加熱された前記混合ガスに前記生成原料粉体を直接接触させて加熱し、脱炭酸反応を生じさせて二酸化炭素を生成する反応工程と、前記生成原料粉体と前記混合ガスとを分離する固気分離工程と、前記反応工程で生じた二酸化炭素生成量に相当する量の前記二酸化炭素を含む前記混合ガスを回収し、残りの前記混合ガスを前記ガス循環ラインに還流させる回収工程と、を備えたことを特徴とする。 The carbon dioxide production method of the present invention is a carbon dioxide production method using the carbon dioxide production apparatus according to each of the above items, and includes an air supply step of supplying air to the gas circulation line via the air supply line. The heating step of heating the mixed gas with the heat exchanger and the generated raw material powder in direct contact with the mixed gas heated in the heating step are heated to cause a decarbonization reaction to generate carbon dioxide. A solid air separation step for separating the produced raw material powder and the mixed gas, and the mixed gas containing the carbon dioxide in an amount corresponding to the amount of carbon dioxide produced in the reaction step are recovered. It is characterized by comprising a recovery step of returning the remaining mixed gas to the gas circulation line.
本発明の二酸化炭素製造方法によれば、空気供給工程で空気供給ラインから空気を供給してガス循環ラインに二酸化炭素を含む混合ガスを循環させるとともに、加熱工程で高温雰囲気場で加熱された混合ガスを熱源として用いて、ガス循環ラインに供給された生成原料粉体を加熱して脱炭酸反応を生じさせることによって、空気で希釈された低濃度の二酸化炭素を連続して効率的に生成することができる。得られた低濃度の二酸化炭素は、希釈することなく植物工場での植物の育成や、グリーンオイル製造プラントでの藻類の育成にそのまま用いることができる。 According to the carbon dioxide production method of the present invention, air is supplied from the air supply line in the air supply process to circulate the mixed gas containing carbon dioxide in the gas circulation line, and the mixture is heated in a high temperature atmosphere field in the heating process. Using gas as a heat source, the raw material powder supplied to the gas circulation line is heated to cause a decarbonization reaction, thereby continuously and efficiently producing low-concentration carbon dioxide diluted with air. be able to. The obtained low-concentration carbon dioxide can be used as it is for growing plants in a plant factory or growing algae in a green oil manufacturing plant without diluting it.
そして、脱炭酸反応を行う際に、ガス循環ラインに空気を供給して混合ガスに含まれる二酸化炭素の分圧を低下させることにより、大気圧環境での脱炭酸反応のような高温環境にする必要が無いので、より低温の熱源、例えばセメント製造装置の高温雰囲気場を利用して混合ガスを加熱し、この混合ガスを熱源にしてセメント原料精粉から低濃度の二酸化炭素を効率的に、かつ低コストに生成することができる。 Then, when the decarbonation reaction is performed, air is supplied to the gas circulation line to reduce the partial pressure of carbon dioxide contained in the mixed gas, thereby creating a high temperature environment such as the decarbonation reaction in an atmospheric pressure environment. Since it is not necessary, a lower temperature heat source, for example, a high temperature atmosphere field of a cement manufacturing apparatus, is used to heat the mixed gas, and this mixed gas is used as a heat source to efficiently remove low-concentration carbon dioxide from the cement raw material refined powder. Moreover, it can be produced at low cost.
また、本発明は、前記反応工程では、前記空気供給工程における空気供給量、および前記加熱工程で加熱された後の前記混合ガスの温度に基づいて、二酸化炭素の生成量が最大値±10%の範囲内になるように、前記生成原料粉体の前記ガス循環ラインへの供給量を制御することが好ましい。 Further, in the present invention, in the reaction step, the maximum amount of carbon dioxide produced is ± 10% based on the amount of air supplied in the air supply step and the temperature of the mixed gas after being heated in the heating step. It is preferable to control the supply amount of the produced raw material powder to the gas circulation line so as to be within the range of.
本発明の二酸化炭素製造装置の設計方法は、前記各項記載の二酸化炭素製造装置の設計方法であって、前記ガス循環ラインに供給する空気供給量と、前記熱交換器で加熱された後の前記混合ガスの温度に基づいて、二酸化炭素の生成量が最大値±10%の範囲内になるように、前記生成原料粉体の前記ガス循環ラインへの供給量を決定し、この決定に基づいて前記二酸化炭素製造装置の設計を行うことを特徴とする。 The method for designing the carbon dioxide producing apparatus of the present invention is the method for designing the carbon dioxide producing apparatus according to each of the above items, wherein the amount of air supplied to the gas circulation line and the amount of air supplied after being heated by the heat exchanger are used. Based on the temperature of the mixed gas, the supply amount of the produced raw material powder to the gas circulation line is determined so that the amount of carbon dioxide produced is within the range of the maximum value ± 10%, and based on this determination. The carbon dioxide production apparatus is designed.
本発明によれば、有害成分を殆ど含まない低濃度の二酸化炭素を効率的に製造することが可能な二酸化炭素製造装置、およびこれを用いた二酸化炭素製造方法、二酸化炭素製造装置の設計方法を提供することができる。 According to the present invention, a carbon dioxide production apparatus capable of efficiently producing low-concentration carbon dioxide containing almost no harmful components, a carbon dioxide production method using the carbon dioxide production apparatus, and a carbon dioxide production apparatus design method. Can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態の二酸化炭素製造装置、およびこれを用いた二酸化炭素製造方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, the carbon dioxide production apparatus according to the embodiment of the present invention and the carbon dioxide production method using the carbon dioxide production apparatus will be described with reference to the drawings. It should be noted that each of the embodiments shown below is specifically described in order to better understand the gist of the invention, and is not limited to the present invention unless otherwise specified. In addition, the drawings used in the following description may be shown by enlarging the main parts for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of each component are the same as the actual ones. It is not always the case.
(二酸化炭素製造装置)
まず最初に、本発明の二酸化炭素製造装置における生成原料粉体の供給源や高温雰囲気場となるセメント製造装置の構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態の二酸化炭素製造装置およびこの二酸化炭素製造装置が設置されるセメント製造装置を示す模式図である。
なお、以下の説明において、低濃度の二酸化炭素といった場合、濃度が1vol%以上、50vol%以下の二酸化炭素である。また、以下の説明において、混合ガスといった場合、生成した二酸化炭素に空気(窒素、酸素、アルゴン、空気中の二酸化炭素(濃度約0.03%)等)が混合したガス(即ち低濃度の二酸化炭素)である。また、図1において、実線矢印は二酸化炭素を含む混合ガスなど気体の流れを示し、点線矢印は、生成原料粉体など固体(粉体)の流れを示す。
(Carbon dioxide production equipment)
First, the configuration of the cement manufacturing apparatus that serves as the source of the produced raw material powder and the high temperature atmosphere field in the carbon dioxide producing apparatus of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic view showing a carbon dioxide producing apparatus according to an embodiment of the present invention and a cement manufacturing apparatus in which the carbon dioxide producing apparatus is installed.
In the following description, low-concentration carbon dioxide is carbon dioxide having a concentration of 1 vol% or more and 50 vol% or less. Further, in the following description, when referring to a mixed gas, a gas in which air (nitrogen, oxygen, argon, carbon dioxide in the air (concentration: about 0.03%), etc.) is mixed with the generated carbon dioxide (that is, low-concentration carbon dioxide). Carbon). Further, in FIG. 1, the solid arrow indicates the flow of a gas such as a mixed gas containing carbon dioxide, and the dotted arrow indicates the flow of a solid (powder) such as a raw material powder.
図1に示すセメント製造装置30は、プレヒーター31、セメントキルン32、クリンカクーラー33、仮焼炉34を備えている。なお、図1に示すセメント製造装置30は、セメント製造プロセスの要部である焼成工程を行うための構成であり、この焼成工程の前工程である原料工程においては、原料粉砕機や原料混合機(図示略)が備えられ、また、焼成工程の後工程である仕上工程においては、クリンカ粉砕機や分級機(図示略)が備えられている。
The
プレヒーター31は、鉛直方向に配置された複数段のサイクロン31A~31Dが連結されたものから構成され、鉛直方向に隣り合う段どうしのサイクロン31A~31Dは、互いに水平方向にずらして配置されている。なお、本実施形態では、2組のプレヒーター31,31が互いに並列して配置された構成となっている。プレヒーター31は、1組だけであっても、3組以上設けられていてもよい。
The
最上段のサイクロン31Aにはセメント原料供給ライン42が接続され、前工程である原料工程から、このセメント原料供給ライン42を介して最上段のサイクロン31Aにセメント原料精粉Mが供給される。セメント原料精粉Mは、主成分が粉体の石灰石(CaCO3)であり、その他に粘土成分(SiO2,Al2O3,Fe2O3)などを含んでいる。
A cement raw
一方、最下段のサイクロン31Dには、仮焼炉34から排出される高温の排ガスC1が供給され、最上段のサイクロン31Aに向かって流れる。そして、最上段のサイクロン31Aに達した排ガスC1は、排気ファン35によって排気ライン36を介して排気される。
On the other hand, the high-temperature exhaust gas C1 discharged from the calcining
最上段のサイクロン31Aに供給されたセメント原料精粉Mは、下段のサイクロン31B,31Cに順次落下するにしたがって、最上段のサイクロン31Aに向かって流れる高温の排ガスC1によって予熱される。下段のサイクロン31Cに達したセメント原料精粉Mは、例えば約750℃程度まで加熱されており、この後、原料配管37を介して仮焼炉34に送られる。セメント原料精粉Mは、この仮焼炉34で石炭バーナー34aによって更に850℃程度まで加熱される。
The cement raw material refined powder M supplied to the
原料配管37の途中からは、後述する二酸化炭素製造装置10のガス循環ライン11に接続される原料粉体供給ライン21が分岐する。この原料粉体供給ライン21には、下段のサイクロン31Cから排出されたセメント原料精粉Mの一部が入り、二酸化炭素製造装置10のガス循環ライン11に仮焼後のセメント原料精粉Mを供給する。
From the middle of the
仮焼炉34によって加熱されたセメント原料精粉Mは、仮焼炉排気ダクト38を介して再びプレヒーター31に戻され、最下段のサイクロン31Dから移送管39を介してセメントキルン32の窯尻部32aに送られる。
The cement raw material refined powder M heated by the
セメントキルン32は、例えば、回転可能な円筒形の炉体32bと、この炉体32bの内部を加熱する主バーナ32cを備える。窯尻部32aから供給された予備加熱後のセメント原料精粉Mは、炉体32bの内部で主バーナ32cによって加熱される。
The
セメントキルン32で例えば800~900℃程度まで加熱されたセメント原料精粉Mは、以下の式(1)~(5)に示す反応が生じる。
CaCO3→CaO+CO2 ・・・(1)
3CaO+SiO2→3CaO・SiO2 ・・・(2)
2CaO+SiO2→2CaO・SiO2 ・・・(3)
3CaO+Al2O3→3CaO・Al2O3 ・・・(4)
4CaO+Al2O3+Fe2O3→4CaO・Al2O3・Fe2O3 ・・・(5)
これにより、最終的にセメントクリンカを構成するケイ酸カルシウム化合物であるエーライト(3CaO・SiO2)およびビーライト(2CaO・SiO2)並びに間隙相であるアルミネート相(3CaO・Al2O3)およびフェライト相(4CaO・Al2O3・Fe2O3)が生成される。
The cement raw material fine powder M heated to, for example, about 800 to 900 ° C. in the
CaCO 3 → CaO + CO 2 ... (1)
3CaO + SiO 2 → 3CaO ・ SiO 2 ... (2)
2CaO + SiO 2 → 2CaO ・ SiO 2 ... (3)
3CaO + Al 2O 3 → 3CaO ・ Al 2O 3 ... (4)
4CaO + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 → 4CaO ・ Al 2 O 3・ Fe 2 O 3 ... (5)
As a result, alite (3CaO · SiO 2 ) and belite (2CaO · SiO 2 ), which are calcium silicate compounds finally constituting the cement clinker, and an aluminate phase (3CaO · Al 2O 3 ) which is a pore phase. And a ferrite phase (4CaO, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 ) is generated.
クリンカクーラー33は、例えば冷却ファンなどから構成され、セメントキルン32で生成された高温のセメントクリンカを冷却する。こうして冷却されたセメントクリンカは、仕上工程において更に粉砕や分級が行われてセメントとなる。
The
一方、このクリンカクーラー33で高温のセメントクリンカを冷却する際に生じた高温の抽気ガスC2は、クリンカクーラー33と仮焼炉34とを接続する抽気ダクト41を介して仮焼炉34に送られる。この抽気ガスC2は、例えば、800~1200℃程度に加熱されている。本実施形態では、この抽気ダクト41は、後述する二酸化炭素製造装置10における高温雰囲気場Hを構成する。また、この抽気ダクト41には、後述する二酸化炭素製造装置10における分離器14で固気分離された後の固相である生石灰(CaO)および未反応のセメント原料精粉Mを返送する返送ライン19の排出側が接続されている。
On the other hand, the high-temperature bleed air gas C2 generated when the high-temperature cement clinker is cooled by the
次に、本発明の二酸化炭素製造装置の構成、作用を説明する。二酸化炭素製造装置10は、二酸化炭素を含む混合ガスGを循環させるガス循環ライン11と、このガス循環ライン11に順に配された第1熱交換器(熱交換器)12、反応器13、および分離器14と、ガス循環ライン11に接続された原料粉体供給ライン21、二酸化炭素回収ライン22、および空気供給ライン23とを備えている。また、ガス循環ライン11には、さらに第2熱交換器15および循環ポンプ16が配されている。
Next, the configuration and operation of the carbon dioxide production apparatus of the present invention will be described. The carbon
ガス循環ライン11は、二酸化炭素を含む混合ガスGが流れるガス流路であり、環状に形成され、内部に混合ガスGが循環する。図1においては、反時計回り方向に混合ガスGが循環している。なお、このガス循環ライン11の一部区間には、後述する生成原料粉体であるセメント原料精粉Mも流れる。また、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGに含まれる二酸化炭素の濃度は、ガス循環ライン11全体で必ずしも一様とは限らず、区間によって二酸化炭素の濃度が異なることもある。本実施形態においては、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGは、空気で希釈された低濃度の二酸化炭素であり、二酸化炭素の濃度は、1vol%以上、50vol%以下の範囲とされる。
The
ガス循環ライン11は、高温環境、例えば800℃以下の温度に耐えうる材料、例えば炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニアなど、またはそれらを含む材料によって形成されている。なお、ガス循環ライン11のうち、第1熱交換器12や反応器13が形成されている部分は、更に高温の850℃程度まで耐えうる材料によって形成されていることが好ましい。
The
空気供給ライン23は、例えば循環ポンプ16と第1熱交換器12との間でガス循環ライン11に接続される。空気供給ライン23には、空気の供給量を調節する流量調節バルブ27、および空気の流量を検出する流量計26が接続されている。このような空気供給ライン23によって、予め設定された流量の空気Eがガス循環ライン11内に送り込まれる。なお、空気の供給は、ポンプ(図示略)などによって行えばよい。更に、空気供給ライン23には、フィルターなどを形成することも好ましい。
The
第1熱交換器12(熱交換器)は、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGと、高温雰囲気場Hである抽気ダクト41を流れる高温の抽気ガスC2との間で熱交換を行う。高温雰囲気場Hは、第1熱交換器12に流入する側のガス循環ライン11の温度よりも高温とする。例えば、第1熱交換器12に入る部分のガス循環ライン11の温度は600℃程度であり、高温雰囲気場Hは900℃程度である。こうした高温雰囲気場Hとの間で熱交換を行うことにより、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGは、例えば850℃程度まで加熱される。
The first heat exchanger 12 (heat exchanger) exchanges heat between the mixed gas G flowing through the
図2は、第1熱交換器の一例を示す模式図である。
第1熱交換器12は、本実施形態においては、高温雰囲気場Hの一例であるセメント製造装置30の抽気ダクト41に形成されている。この抽気ダクト41の内部には、クリンカクーラー33から仮焼炉34に向かう例えば800℃程度の高温の抽気ガスC2が流れている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the first heat exchanger.
In the present embodiment, the
第1熱交換器12は、内管12aと外管12bとを備えた二重管構造を成し、第1熱交換器12に流入した混合ガスGは内管12aの内側を流れ、内管12aの端部から外管12bの内側に流出して、更に内管12aと外管12bとの間を流れる。ガス循環ライン11は、第1熱交換器12においては、内管12aと外管12bとからなる混合ガスGの流路から構成される。
The
第1熱交換器12を構成する内管12aや外管12bは、例えば炭化ケイ素(SiC)によって形成されている。炭化ケイ素は、1000℃程度の高温環境であっても、混合ガスGや、セメント製造装置30のプレヒーター31、セメントキルン32、クリンカクーラー33、仮焼炉34など(図1参照)から排出される燃焼ガス由来の揮発性有機化合物(VOC)、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物等の不純物を含むガスなどに対して優れた耐蝕性を有し、かつ、熱伝導性に優れている。このような構成の第1熱交換器12によれば、長期間にわたって構成材料が劣化することがなく、混合ガスGと抽気ガスC2との間で効率的に熱交換を行うことができる。
The
再び図1を参照して、本実施形態では、第1熱交換器12において、ガス循環ライン11と熱交換を行う高温雰囲気場Hは、セメント製造装置30におけるクリンカクーラー33と仮焼炉34とを接続する抽気ダクト41の内部としているが、高温雰囲気場Hは、抽気ダクト41の内部以外にも、セメント製造装置30における高温部分、例えば温度が800~850℃程度となるセメントキルン32、クリンカクーラー33、プレヒーター31、仮焼炉34のうち、少なくともいずれか1つであればよい。
With reference to FIG. 1 again, in the present embodiment, in the
ガス循環ライン11における第1熱交換器12の下流側の反応器13には、二酸化炭素の生成原料粉体であるセメント原料精粉Mを供給する原料粉体供給ライン21が接続される。この原料粉体供給ライン21は、セメント製造装置30のプレヒーター31で例えば750℃程度まで加熱されたセメント原料精粉(生成原料粉体)Mを反応器13に供給する。原料粉体供給ライン21から供給されたセメント原料精粉Mは、反応器13内で第1熱交換器12で加熱された混合ガスGに直接接触して、脱炭酸反応を生じる。
A raw material
なお、本実施形態では、原料粉体供給ライン21は反応器13に接続され、セメント原料精粉Mは反応器13に直接供給される構成になっているが、これ以外にも、例えば、第1熱交換器12と反応器13との間(反応器13の上流側)に原料粉体供給ライン21が接続され、反応器13に混合ガスGとセメント原料精粉Mとが流入する構成であってもよい。また、二酸化炭素の生成原料粉体は、セメント原料精粉M以外にも、高純度の石灰石粉末などであってもよい。本実施形態では、セメント原料精粉Mは石灰石である場合を例示している。
In the present embodiment, the raw material
図3は、反応器の一例を示す模式図である。
反応器13は、例えば、筒状の反応容器25を備える。この反応容器25は、例えば、ガスGの滞留時間を長くして、反応を促すため、ガス循環ライン11を構成する配管と同じかまたはこれよりも大きな直径を持つ反応管であればよい。反応容器25はガス循環ライン11の一部を成し、一端25aから他端25bに向けて第1熱交換器12で加熱された混合ガスGが流れる。また、この反応容器25の一端25a寄りには原料粉体供給ライン21が接続され、反応容器25内にセメント原料精粉Mが所定の流量で供給される。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a reactor.
The
反応器13は、反応容器25内において、第1熱交換器12によって850℃程度まで加熱された混合ガスGに対して、プレヒーター31で750℃程度まで加熱されたセメント原料精粉Mを接触させることにより、セメント原料精粉Mが加熱される。これにより、セメント原料精粉Mの主成分である石灰石(CaCO3)の脱炭酸反応(熱分解反応:下記の式(6)を参照)を起こさせる。
CaCO3→CaO+CO2 ・・・(6)
In the
CaCO 3 → CaO + CO 2 ... (6)
なお、必ずしも原料粉体供給ライン21から投入されたセメント原料精粉Mの全量が反応器13内で脱炭酸反応が完結するとは限らず、例えば、反応器13から下流側の分離器14に至るガス循環ライン11の配管内で脱炭酸反応が生じる場合もあり、脱炭酸反応の発生領域を限定するものでは無い。
また、原料粉体供給ライン21から投入されたセメント原料精粉Mは、必ずしも投入量の全量が脱炭酸反応を起こすとは限らず、未反応のセメント原料精粉Mが残ることもある。
The decarboxylation reaction is not always completed in the
Further, the cement raw material refined powder M input from the raw material
反応器13(およびこれを含むガス循環ライン11全体)では、空気供給ライン23から空気Eをガス循環ライン11に供給することによって、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGに含まれる二酸化炭素の分圧が空気の供給分だけ低下する。
In the reactor 13 (and the entire
ここで、例えば大気圧(1atm)において、石灰石を加熱してガス循環ライン11の系内の二酸化炭素が1vol%以上、50vol%以下の濃度(分圧)となるまで脱炭酸反応を進行するために必要な温度を反応温度と定義する。以降の説明において、反応温度といった場合、上述した温度を意味する。
図4に示すグラフによれば、二酸化炭素の分圧を平衡圧力よりも下げることにより、脱炭酸反応の反応温度が低下する。空気供給ライン23によってガス循環ライン11に空気Eを供給して、混合ガスGに含まれる二酸化炭素の分圧を下げれば、空気Eの供給量に応じてセメント原料精粉Mに含まれる石灰石の脱炭酸反応の反応温度が低下する。
Here, for example, at atmospheric pressure (1 atm), the decarboxylation reaction proceeds until the carbon dioxide in the system of the
According to the graph shown in FIG. 4, the reaction temperature of the decarboxylation reaction is lowered by lowering the partial pressure of carbon dioxide below the equilibrium pressure. If the air E is supplied to the
例えば、空気Eを加えることによって二酸化炭素の分圧を0.33atmにすれば、脱炭酸反応の反応温度を823℃まで低下させることができる。本実施形態では、空気供給ライン23から空気Eをガス循環ライン11に供給することで、反応器13内の二酸化炭素の分圧を0.33atmにしている。これにより、大気圧環境での脱炭酸反応と比較して、反応温度を約70℃低下させることができる。
For example, if the partial pressure of carbon dioxide is set to 0.33 atm by adding air E, the reaction temperature of the decarboxylation reaction can be lowered to 823 ° C. In the present embodiment, the partial pressure of carbon dioxide in the
反応器13でセメント原料精粉Mの主成分である石灰石を脱炭酸反応させることによって、二酸化炭素回収ライン22で回収される混合ガスGに含まれる二酸化炭素の量と同量の二酸化炭素が生成される。
By decarboxylating limestone, which is the main component of the cement raw material refined powder M, in the
なお、反応器13に流入する混合ガスGにおいて、二酸化炭素の分圧を0.1atm以上1.0atm未満にすることが好ましい。二酸化炭素の分圧が0.1atmよりも低い場合、反応温度を下げることができるものの、脱炭酸反応の反応速度が大きく低下する。具体的には、二酸化炭素の分圧が0.05atmの時の反応温度は721℃であり1.0atmの時の反応温度893℃に対して172℃に低下することができるが、後述する式(7)に基づいて求めた反応速度は1.0atmの時の値の100分の2となるため、効率的に二酸化炭素を生成することが困難である。また、二酸化炭素の分圧が1.0atm以上であれば、脱炭酸反応の反応温度を低下させることができない。
In the mixed gas G flowing into the
分離器14は、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGと、反応器13で生じた生石灰(CaO)および未反応のセメント原料精粉Mとを分離(固気分離)する。ここで分離された生石灰(CaO)および未反応のセメント原料精粉Mは、セメント製造装置30に送られて、セメント原料精粉Mとして利用される。
The
なお、返送ライン19は、本実施形態のように反応器13と抽気ダクト41とを接続する構成以外にも、例えば、反応器13とセメントキルン32、反応器13とプレヒーター31、反応器13と仮焼炉34をそれぞれ接続するように構成しても良い。
In addition to the configuration in which the
第2熱交換器15は、ガス循環ライン11において、二酸化炭素回収ライン22が接続された位置を挟んだ上流側と下流側との間で、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGどうしの熱交換を行う。具体的には、反応器13で脱炭酸反応を行った750℃程度の混合ガスGと、下流側で混合ガスGの一部が二酸化炭素回収ライン22に回収された残りの比較的低温、例えば300℃程度の混合ガスGとの間で熱交換が行われる。これによって、反応器13で脱炭酸反応によって生じた二酸化炭素を含む混合ガスGは300℃程度まで温度が低下し、一方で第1熱交換器12に入る直前の混合ガスGは600℃程度まで温度が高められる。
The
循環ポンプ16は、ガス循環ライン11全体で混合ガスGを循環させる。この循環ポンプ16を前述した第2熱交換器15の下流側に配置することにより、第2熱交換器15による熱交換で温度が300℃程度まで下げられた混合ガスGが循環ポンプ16に流入するので、例えば500℃以上の高温ガスの流入による循環ポンプ16の破損や劣化を防止できる。
The
二酸化炭素回収ライン22は、循環ポンプ16の下流側に接続され、ここから低濃度の二酸化炭素である混合ガスGが回収される。二酸化炭素回収ライン22には、流量計28が接続されている。この二酸化炭素回収ライン22で回収される混合ガスGの量(単位時間当たりの回収量)は、例えば、反応器13でセメント原料精粉Mの脱炭酸反応により生成させた二酸化炭素の生成量(単位時間当たりの生成量)と、空気供給ライン23から供給される空気Eの量(単位時間当たりの供給量)とを加算した量と同一になるように調整される。これにより、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGの流量、および全圧は一定に保たれる。
The carbon
二酸化炭素回収ライン22を介してガス循環ライン11の系外に回収される低濃度の二酸化炭素である混合ガスGは、二酸化炭素の濃度が1vol%以上、50vol%以下の範囲である。反応器13でセメント原料精粉Mに含まれる石灰石の脱炭酸反応を行うことにより生じた高濃度の二酸化炭素を空気で希釈することによって、上述したような低濃度の二酸化炭素である混合ガスGを得ることができる。
The mixed gas G, which is a low-concentration carbon dioxide recovered to the outside of the
なお、二酸化炭素回収ライン22には、更にガス循環ライン11を介して反応器13を減圧可能な減圧ポンプ(図示略)を形成しても良い。こうした減圧ポンプによって反応器13を大気圧よりも減圧させることで、空気Eの供給による二酸化炭素の分圧低下と減圧によって、セメント原料精粉Mに含まれる石灰石の脱炭酸反応の反応温度をより一層低下させることができる。こうした減圧ポンプは、二酸化炭素回収ライン22に接続する以外にも、反応器13を減圧可能であれば、ガス循環ライン11の任意の場所に接続することができる。
The carbon
(二酸化炭素製造方法)
以上のような構成の二酸化炭素製造装置10を用いた、本発明の二酸化炭素製造方法を説明する。
図5は、本発明の二酸化炭素製造方法を段階的に示したフローチャートである。
二酸化炭素製造装置10を用いて、例えば33vol%(分圧0.33atm)程度の低濃度の二酸化炭素である混合ガスを製造する際には、まず、循環ポンプ16によって、ガス循環ライン11に低濃度、例えば33vol%(分圧0.33atm)の二酸化炭素を含む混合ガスGを循環させる。
(Carbon dioxide production method)
The carbon dioxide production method of the present invention using the carbon
FIG. 5 is a flowchart showing the carbon dioxide production method of the present invention step by step.
When producing a mixed gas having a low concentration of carbon dioxide of, for example, about 33 vol% (partial pressure 0.33 atm) using the carbon
また、セメント製造装置30のプレヒーター31から、例えば、750℃程度まで加熱されたセメント原料精粉(生成原料粉体)Mを、原料粉体供給ライン21を介してガス循環ライン11に供給する。また、空気供給ライン23からガス循環ライン11に向けて空気を供給する(空気供給工程S1)。空気を供給することによって、ガス循環ライン11を介して反応器13での二酸化炭素分圧を例えば0.33atm程度にする。
Further, from the
そして、セメント製造装置30に設けられた高温雰囲気場Hである抽気ダクト41に形成された第1熱交換器(熱交換器)12において、抽気ダクト41を流れる高温の抽気ガスC2と、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGとの間で熱交換を行い、反応器13に入る混合ガスGの温度を例えば850℃程度まで加熱する(加熱工程S2)。
Then, in the first heat exchanger (heat exchanger) 12 formed in the
なお、第1熱交換器12を設ける高温雰囲気場Hは、クリンカクーラー33と仮焼炉34とを接続する抽気ダクト41以外にも、セメント製造装置30における高温部分、例えばセメントキルン32、クリンカクーラー33、プレヒーター31、仮焼炉34のうち、少なくともいずれか1つであればよい。
The high temperature atmosphere field H provided with the
次に、反応器13において、加熱工程S2で加熱された二酸化炭素を含む混合ガスGを熱源として用いてセメント原料精粉Mを加熱する。セメント原料精粉Mは、高温の混合ガスGによって、例えば850℃~900℃程度まで加熱される。これにより、セメント原料精粉Mの主成分である石灰石(CaO3)は、脱炭酸反応によって二酸化炭素を生成する(反応工程S3)。
Next, in the
反応器13における混合ガスGに含まれる二酸化炭素の分圧は、ガス循環ライン11への空気の供給によって、例えば、0.33atm程度にされている。これにより、石灰石の脱炭酸反応が生じる反応温度は、823℃程度まで低下している(図4を参照)。セメント原料精粉Mは、こうした空気の供給による二酸化炭素の分圧低下によって、大気圧での反応温度である893℃よりも低い850℃程度であっても脱炭酸反応が進行し、主成分である石灰石は二酸化炭素と生石灰(CaO)に分解する。
The partial pressure of carbon dioxide contained in the mixed gas G in the
反応器13においては、セメント原料精粉Mの主成分である石灰石(CaCO3)が、それぞれの粒子の外側から内側に向かって脱炭酸反応が進行する。このため、石灰石(CaCO3)のそれぞれの粒子は、反応時間が経過するほど、粒子の外側に反応済みの物質(CaO)が堆積し、中心側の未反応のCaCO3から生じた二酸化炭素は、この反応済みの物質(CaO)を通過して粒子の外部に放出される。よって、反応時間が経過するほど、CaCO3のそれぞれの粒子は、反応速度が低下する。
In the
このような、CaCO3粒子の脱炭酸反応の反応速度は、以下の式(7)で示される。
K=(1-X)2/3×A・exp(-E/RGT)×{1-(PAll・PCO2)/PCO2_eq}…(7)
K:反応速度[1/s]
A:2.2×108[1/s]
E:2.0×105[J/mol]
RG:気体定数 8.314
T:温度[K]
PAll:全圧[atm]
PCO2:CO2分圧[atm]
PCO2_eq:平衡CO2分圧[atm]
X:反応率
The reaction rate of such a decarboxylation reaction of CaCO 3 particles is represented by the following formula (7).
K = (1-X) 2/3 × A ・ exp (-E / RGT ) × {1- (P All・ P CO2 ) / P CO2_eq }… (7)
K: Reaction rate [1 / s]
A: 2.2 x 108 [1 / s]
E: 2.0 x 105 [J / mol]
RG : Gas constant 8.314
T: Temperature [K]
P All : Total pressure [atm]
P CO2 : CO2 partial pressure [atm]
P CO2_eq : Equilibrium CO 2 partial pressure [atm]
X: Reaction rate
この式(7)では、CaCO3粒子を球形とした場合の反応速度を示しており、二酸化炭素ガス境膜拡散による影響を考慮し、所定温度での二酸化炭素の平衡分圧を求め、反応器13内の二酸化炭素分圧と混合ガス全圧の積との比で補正している。反応量は反応速度係数と反応器の滞留時間の積により算出した。平衡分圧の温度依存性は熱天秤などによる実測値を用いることができる。 This formula (7) shows the reaction rate when the CaCO 3 particles are spherical, and the equilibrium partial pressure of carbon dioxide at a predetermined temperature is obtained in consideration of the influence of carbon dioxide gas boundary film diffusion, and the reactor is used. It is corrected by the ratio of the partial pressure of carbon dioxide in 13 and the total pressure of the mixed gas. The reaction rate was calculated from the product of the reaction rate coefficient and the residence time of the reactor. The temperature dependence of the equilibrium partial pressure can be measured by a thermal balance or the like.
こうした反応工程S3では、空気供給工程S1における空気供給量および加熱工程S2で加熱された後の混合ガスGの温度に基づいて、二酸化炭素の生成量が計算上の最大値±10%の範囲になるように、セメント原料精粉(生成原料粉体)Mのガス循環ライン11への供給量を制御する。
In such a reaction step S3, the amount of carbon dioxide produced is within the range of the calculated maximum value ± 10% based on the amount of air supplied in the air supply step S1 and the temperature of the mixed gas G after being heated in the heating step S2. The supply amount of the cement raw material refined powder (produced raw material powder) M to the
以下、反応工程S3における脱炭酸反応の制御について説明する。
例えば、図1に示すセメント製造装置30など、セメント製造プロセスからセメント原料精粉Mなどの石灰石粉末を一部分取する場合、二酸化炭素製造装置10がセメント製造装置30に近接して配置されていれば、石灰石の温度は大きく変動しないと考えることができる。よって、反応器13における反応時間も流動層などでは一定と見做せるので、考慮すべき項目は石灰石の投入量、二酸化炭素分圧、および反応器13内を流れる二酸化炭素を含む混合ガスGのガス温度である。
Hereinafter, the control of the decarboxylation reaction in the reaction step S3 will be described.
For example, when a part of limestone powder such as cement raw material refined powder M is taken from the cement manufacturing process such as the
本発明の発明者らは、空気供給ライン23の空気供給量によって制御される二酸化炭素の分圧および第1熱交換器(熱交換器)12において加熱された後の混合ガスGの温度を測定し、その温度に応じて、その時々での二酸化炭素生成量(または二酸化炭素濃度)を最大にするための製造条件である脱炭酸反応の反応圧力または二酸化炭素分圧、および石灰石粉末の投入量を、化学工学計算にて事前に求めておいた計算結果に基づいて決定し、これによって反応器13における脱炭酸反応を制御する手法を見出した。
なお、二酸化炭素濃度は、図1の回収ライン22の混合ガスGと空気供給ライン23の流量の差を、回収ライン22の混合ガスGの流量で割ることで求めることが出来る。
The inventors of the present invention measure the partial pressure of carbon dioxide controlled by the air supply amount of the
The carbon dioxide concentration can be obtained by dividing the difference between the flow rates of the mixed gas G in the
まず、予め実測もしくは計算によって、空気供給量ごとの石灰石投入量と二酸化炭素生成量の関係から、最小二乗法を用いて近似曲線を作成する。そして、各条件における最大の二酸化炭素生成量とその時の石灰石投入量を求める。なお、石灰石反応率と二酸化炭素生成量との関係、石灰石反応率と石灰石投入量との関係、および脱炭酸反応の反応後温度と、石灰石反応率から求めても良い。 First, an approximate curve is created using the least squares method from the relationship between the amount of limestone input and the amount of carbon dioxide produced for each air supply amount by actual measurement or calculation in advance. Then, the maximum amount of carbon dioxide produced under each condition and the amount of limestone input at that time are obtained. It may be obtained from the relationship between the limestone reaction rate and the amount of carbon dioxide produced, the relationship between the limestone reaction rate and the amount of limestone input, the post-reaction temperature of the decarboxylation reaction, and the limestone reaction rate.
こうした関係を示す計算例として、図6に、二酸化炭素生成量と石灰石投入量との関係のグラフを示す。また、図7に、石灰石反応率と二酸化炭素生成量との関係のグラフを示す。また、図8に、石灰石反応率と石灰石投入量との関係のグラフを示す。また、図9に、反応後温度と石灰石反応率との関係のグラフを示す。 As a calculation example showing such a relationship, FIG. 6 shows a graph of the relationship between the amount of carbon dioxide produced and the amount of limestone input. Further, FIG. 7 shows a graph of the relationship between the limestone reaction rate and the amount of carbon dioxide produced. Further, FIG. 8 shows a graph of the relationship between the limestone reaction rate and the amount of limestone input. Further, FIG. 9 shows a graph of the relationship between the post-reaction temperature and the limestone reaction rate.
なお、これら計算例は、空気供給量を75L/min、100L/min、125L/min、150L/min(それぞれ0℃換算)にそれぞれ設定し、二酸化炭素と空気との混合ガスをガス循環ラインに循環させた場合を条件として設定している。 In these calculation examples, the air supply amount is set to 75 L / min, 100 L / min, 125 L / min, and 150 L / min (each converted to 0 ° C.), and the mixed gas of carbon dioxide and air is used in the gas circulation line. It is set as a condition when it is circulated.
また、CO2回収量は、空気の流量を検出する流量計26の値と、低濃度二酸化炭素である混合ガスの回収流量を検出する流量計28の値の差分から算出できる。即ち、このCO2回収量は、反応器13における脱炭酸反応による二酸化炭素生成量である。
Further, the CO 2 recovery amount can be calculated from the difference between the value of the
次に、第1熱交換器(熱交換器)12において加熱された後の混合ガスGの温度ごとに最大二酸化炭素生成量とその時の石灰石投入量とを求める。これにより得られた値を石灰石投入量と最大二酸化炭素生成量のグラフに描画する。その際、基準となる石灰石投入量(L)で横軸を無次元化し、縦軸は単位時間当たりモル基準で最大二酸化炭素生成量CをLで除算した値(C/L)、空気供給量(A)や混合ガスの循環量(R)も同様に(A/L)、(R/L)として表記する。 Next, the maximum carbon dioxide production amount and the limestone input amount at that time are obtained for each temperature of the mixed gas G after being heated in the first heat exchanger (heat exchanger) 12. The values obtained by this are drawn on the graph of the limestone input amount and the maximum carbon dioxide production amount. At that time, the horizontal axis is dimensionless with the reference limestone input amount (L), and the vertical axis is the value (C / L) obtained by dividing the maximum carbon dioxide production amount C by L on a molar basis per unit time, and the air supply amount. (A) and the circulation amount (R) of the mixed gas are also expressed as (A / L) and (R / L).
図10に、二酸化炭素を含む混合ガスの温度および(A/L)ごとに、C/Lと石灰石投入量との関係をプロットした計算例のグラフを示す。また、図11に、二酸化炭素を含む混合ガスの温度および(A/L)ごとに、最大二酸化炭素生成量とその時の石灰石投入量との関係をプロットした計算例のグラフを示す。図10、図11のグラフにおいて、空気供給量(または混合ガスの循環量)が同じ条件を結ぶ近似曲線(以下、等空気量線と称する)を作成する。また、混合ガス温度が同じ条件を結ぶ近似曲線(以下、等温線と称する)を作成する。 FIG. 10 shows a graph of a calculation example in which the relationship between C / L and the amount of limestone input is plotted for each temperature of the mixed gas containing carbon dioxide and (A / L). Further, FIG. 11 shows a graph of a calculation example in which the relationship between the maximum carbon dioxide production amount and the limestone input amount at that time is plotted for each temperature of the mixed gas containing carbon dioxide and (A / L). In the graphs of FIGS. 10 and 11, an approximate curve (hereinafter referred to as an isobaric line) connecting the same conditions of the air supply amount (or the circulation amount of the mixed gas) is created. In addition, an approximate curve (hereinafter referred to as an isotherm) connecting the conditions where the mixed gas temperature is the same is created.
また、図10、図11に示すグラフを作成するにあたって、750℃の石灰石を、ガス循環ライン内を流れる熱交換後の混合ガスが900℃、1200L/min(0℃換算)になるように、生成する二酸化炭素量を調整した、脱炭酸反応を生じる反応器13での反応時間を10秒と仮定し、空気供給量が75L/min、100L/min、125L/min、150L/min(それぞれ0℃換算)にそれぞれ固定し、石灰石投入量を変化させた際の二酸化炭素生成量(回収量)、脱炭酸反応の反応率、および反応後の温度を計算した。
Further, in creating the graphs shown in FIGS. 10 and 11, the limestone at 750 ° C. was mixed with the mixed gas after heat exchange flowing in the gas circulation line at 900 ° C. and 1200 L / min (converted to 0 ° C.). Assuming that the reaction time in the
そして、図12に示すように、所望する二酸化炭素生成量と、想定される石灰石投入量の値を石灰石投入量と最大二酸化炭素生成量(回収量)のグラフ中に描き、点Xとする。この点Xを囲む2本の等空気量線と2本の等温線のそれぞれの交点を点A,B,C,Dとする。 Then, as shown in FIG. 12, the desired carbon dioxide production amount and the expected limestone input amount are drawn in the graph of the limestone input amount and the maximum carbon dioxide production amount (recovery amount), and are designated as points X. Let the intersections of the two isotherms and the two isotherms surrounding the point X be points A, B, C, and D.
こうして作成した交点A,B,C,Dをそれぞれ結ぶ線分A-B,B-C,C-D,A-Dで区画される矩形の領域を、図13に示すように、例えば10等分程度に分割する。この分割数を細かくするほど、計算精度を高めることができる。そして、分割点同士を結ぶ格子状の補助線(図13中の一点鎖線)を作成する。 As shown in FIG. 13, for example, 10 mag Divide into minutes. The finer the number of divisions, the higher the calculation accuracy. Then, a grid-shaped auxiliary line (one-dot chain line in FIG. 13) connecting the dividing points is created.
そして、想定される石灰石投入量を示す点Xと、この点Xを囲む等空気量線、等温線との距離を調べ、距離に応じて案分することによって、点Xを満たす脱炭酸反応の反応圧力と混合ガスの温度とを求めることができる。
なお、線分A-B,B-C,C-D,A-Dが等空気量線、等温線から著しく外れる場合は、等空気量線もしくは等温線の間隔を狭めることで計算精度を高めることができる。
Then, the decarbonization reaction that satisfies the point X is performed by investigating the distance between the point X indicating the assumed amount of limestone input and the isobaric line and the isotherm line surrounding the point X, and dividing the distance according to the distance. The reaction pressure and the temperature of the mixed gas can be obtained.
If the line segments AB, BC, CD, and AD deviate significantly from the isotherms and isotherms, the calculation accuracy is improved by narrowing the intervals between the isotherms and the isotherms. be able to.
図12、13に示した反応工程S3における算出例は、混合ガスの循環量を1200L/min、二酸化炭素の生成量を34L/min、石灰石投入量を30kg/時を満たす、混合ガスの温度と空気供給量とを算出したものである。
図13に示すプロットから、混合ガスの温度:(950×6+925×4)/10=940℃、空気供給量:(125×8+150×2)/10=130L/minと読み取る。この条件で最大二酸化炭素生成量とその時の石灰石投入量とを求めると、二酸化炭素生成量:34.2L/min、石灰石投入量:30.2kg/時となり、所望する二酸化炭素の生成量を34L/min、石灰石投入量を30kg/時に設定した場合に、それぞれ0.6%、0.7%の誤差で算出することができる。
In the calculation example in the reaction step S3 shown in FIGS. 12 and 13, the circulation amount of the mixed gas is 1200 L / min, the amount of carbon dioxide produced is 34 L / min, and the amount of limestone input is 30 kg / hour. It is a calculation of the amount of air supplied.
From the plot shown in FIG. 13, it is read that the temperature of the mixed gas: (950 × 6 + 925 × 4) / 10 = 940 ° C. and the air supply amount: (125 × 8 + 150 × 2) / 10 = 130 L / min. When the maximum carbon dioxide production amount and the limestone input amount at that time are obtained under these conditions, the carbon dioxide production amount is 34.2 L / min and the limestone input amount is 30.2 kg / hour, and the desired carbon dioxide production amount is 34 L. When / min and the amount of limestone input are set to 30 kg / hour, it can be calculated with errors of 0.6% and 0.7%, respectively.
なお、点Xを通るまで分割数を増やすことでさらに予測精度を高めることもできる。このような実施形態において作成した図は、基準となる石灰石投入量(L)を22.30kg/時(222.9mol/時)として無次元化することで、図11と同様のものを得ることができる。 The prediction accuracy can be further improved by increasing the number of divisions until the point X is passed. The figure created in such an embodiment is the same as that shown in FIG. 11 by making the reference limestone input amount (L) dimensionless at 22.30 kg / hour (222.9 mol / hour). Can be done.
なお、図14に示すように、空気量を固定して、ガス循環ラインにおける混合ガスの循環量を変えても、最大二酸化炭素生成量を得るための石灰石投入量などの条件を求めることができる。 As shown in FIG. 14, even if the air amount is fixed and the circulation amount of the mixed gas in the gas circulation line is changed, conditions such as the amount of limestone input for obtaining the maximum carbon dioxide production amount can be obtained. ..
反応器13の下流側のガス循環ライン11には、混合ガスGと、脱炭酸反応で生じた生石灰および反応器13で反応せずに残った未反応のセメント原料精粉Mなどが分離器14に向けて流れる。
In the
なお、こうした制御において、実際の運転における高温雰囲気場Hの温度や空気供給ライン23の空気供給量などの変動に伴う二酸化炭素生成量の変動や、過大な量の石灰石を投入するための設備大型化に伴う二酸化炭素の生成量とのコストパフォーマンスを考慮すると、図15および図16に示すように、計算における二酸化炭素の最大生成量に対して±10%の範囲となるように石灰石の投入量を制御すれば、同等の効果を得ることができることから、二酸化炭素の生成量が計算上の最大値±10%の範囲となるように石灰石の投入量を制御することが好ましい。
In such control, fluctuations in the amount of carbon dioxide produced due to fluctuations in the temperature of the high-temperature atmosphere field H and the amount of air supplied in the
分離器14では、二酸化炭素を含む混合ガス(気体)Gと、脱炭酸反応で生じた生石灰および未反応のセメント原料精粉Mなどの粉体(固体)とが分離される(固気分離工程S4)。この分離器14で分離された生石灰(CaO)および未反応のセメント原料精粉Mは抽気ダクト41に排出され、セメント製造装置30の仮焼炉34に送られて、セメント原料精粉Mとして有効利用される。
In the
分離器14を経て固気分離された混合ガスGは温度が750℃程度であり、このままガス循環ライン11の下流側の循環ポンプ16に入ると循環ポンプ16が熱によって損傷する懸念がある。本実施形態では、循環ポンプ16と分離器14との間に第2熱交換器15を配している。そして、この第2熱交換器15に流入する750℃程度の混合ガスGは、二酸化炭素回収ライン22の接続位置よりも下流側で温度が300℃程度まで低下した、ガス循環ライン11を流れる混合ガスGとの間で熱交換を行う。
The temperature of the mixed gas G separated by solid air through the
これにより、循環ポンプ16に流入する混合ガスGは、温度が例えば300℃程度まで低下し、循環ポンプ16の熱による破損や劣化を防止する。一方、循環によって第1熱交換器12に流入する混合ガスGは、この第2熱交換器15によって例えば600℃程度まで昇温され、第1熱交換器12において混合ガスGを850℃程度まで確実に昇温させるのに役立つ。
なお、こうした第2熱交換器15は、必ず設ける必要は無く、循環ポンプ16の特性や第1熱交換器12に流入する混合ガスGの温度によっては省略することもできる。
As a result, the temperature of the mixed gas G flowing into the
The
循環ポンプ16を経た二酸化炭素を含む混合ガスGの一部は、ガス循環ライン11に接続された二酸化炭素回収ライン22から、ガス循環ライン11の系外に回収される(回収工程S5)。二酸化炭素回収ライン22を介して回収される混合ガスGの濃度が例えば植物や藻類の育成において過剰な場合は、回収後さらに空気を用いて濃度を1vol%以上、50vol%以下、例えば5vol%に調整することもできる。
A part of the mixed gas G containing carbon dioxide that has passed through the
この回収工程S5においては、二酸化炭素回収ライン22を経て回収される二酸化炭素を含む混合ガスGの量(単位時間当たりの回収量)は、例えば、反応器13でセメント原料精粉Mの脱炭酸反応により生成させた二酸化炭素の生成量(単位時間当たりの生成量)と空気供給ライン23の空気供給量との合計量と同一になるように調整される。これにより、ガス循環ライン11を循環する混合ガスGの流量、圧力を一定に保つことができる。
In this recovery step S5, the amount of the mixed gas G containing carbon dioxide recovered through the carbon dioxide recovery line 22 (recovery amount per unit time) is, for example, the decarboxylation of the cement raw material refined powder M in the
この後、二酸化炭素回収ライン22で回収されなかった混合ガスGは、第2熱交換器15によって例えば600℃程度まで加熱された後、再び空気供給工程S1から上述した各工程を繰り返す。
After that, the mixed gas G not recovered in the carbon
以上のように、本発明の二酸化炭素製造装置10、およびこれを用いた二酸化炭素製造方法によれば、ガス循環ライン11に二酸化炭素を含む混合ガスGを循環させるとともに、空気供給ライン23から空気を供給し、高温雰囲気場Hで混合ガスGを加熱し、この加熱されたガスを熱源として用いて、ガス循環ラインに供給されたセメント原料精粉(生成原料粉体)Mを加熱して脱炭酸反応を生じさせることにより、濃度が1vol%以上、50vol%以下といった低濃度の二酸化炭素(混合ガスG)を連続して効率的に生成することができる。
得られた低濃度の二酸化炭素は、その使用用途、例えば植物工場での植物の育成や、グリーンオイル製造プラントでの藻類の育成において必要とされる濃度を勘案し、それらを上回る濃度で生成された場合は、生成したのちにさらに空気等で希釈しても良い。
As described above, according to the carbon
The obtained low-concentration carbon dioxide is generated at a concentration higher than that in consideration of the usage, for example, the concentration required for growing plants in a plant factory or growing algae in a green oil manufacturing plant. If so, it may be further diluted with air or the like after being produced.
そして、脱炭酸反応を行う際に、ガス循環ライン11に空気を供給して混合ガスに含まれる二酸化炭素の分圧を低下させることにより、大気圧環境での脱炭酸反応のような900℃近い高温にする必要が無いので、最高温度が800~850℃程度のセメント製造装置の高温雰囲気場Hを利用して混合ガスGを加熱し、この混合ガスを熱源にしてセメント原料精粉Mから低濃度の二酸化炭素を低コストに生成することができる。
Then, when the decarbonation reaction is performed, air is supplied to the
また、本発明によれば、二酸化炭素を含む混合ガスGの生成源として、石炭、石油、天然ガス等の化石燃料を燃焼させて生じる二酸化炭素を含まないので、これら燃焼排ガスに含まれる揮発性有機化合物(VOC)、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物等の人体や植物に有害な不純物を含む懸念が無く、植物や藻類の育成に適用可能な低濃度の二酸化炭素を効率的に製造することができる。 Further, according to the present invention, since carbon dioxide generated by burning fossil fuels such as coal, oil, and natural gas is not contained as a source of mixed gas G containing carbon dioxide, the volatileness contained in these combustion exhaust gas. Efficiently uses low-concentration carbon dioxide applicable to the growth of plants and algae without fear of containing impurities that are harmful to humans and plants such as organic compounds (VOC), carbon monoxide, nitrogen oxides, and sulfur oxides. Can be manufactured.
更に、セメント原料精粉Mに含まれる石灰石に脱炭酸反応を起こさせるための熱源となる混合ガスGを加熱する第1熱交換器(熱交換器)には、石灰石を含むセメント原料精粉などの固体(粉体)は流入しないので、第1熱交換器にこれら固体(粉体)が付着して流路を閉塞することが無く、低メンテナンスコストで安定して低濃度の二酸化炭素を製造することができる。 Further, the first heat exchanger (heat exchanger) for heating the mixed gas G, which is a heat source for causing the limestone contained in the cement raw material fine powder M to undergo a decarbonation reaction, includes cement raw material fine powder containing the limestone and the like. Since the solid (powder) does not flow in, these solids (powder) do not adhere to the first heat exchanger and block the flow path, and stable low-concentration carbon dioxide can be produced at low maintenance cost. can do.
本発明の二酸化炭素製造方法によれば、反応工程において、ガス循環ラインへ空気供給量、および加熱工程で加熱された後の混合ガスの温度に基づいて、二酸化炭素の生成量が最大値±10%の範囲内になるように、生成原料粉体のガス循環ラインへの供給量を制御することによって、最大限効率的に低濃度の二酸化炭素を生成させることができる。これにより、低濃度の二酸化炭素を低コストで大量に製造することができる。 According to the carbon dioxide production method of the present invention, the maximum value of carbon dioxide produced in the reaction step is ± 10 based on the amount of air supplied to the gas circulation line and the temperature of the mixed gas after being heated in the heating step. By controlling the supply amount of the produced raw material powder to the gas circulation line so as to be within the range of%, it is possible to generate carbon dioxide having a low concentration as efficiently as possible. As a result, low-concentration carbon dioxide can be produced in large quantities at low cost.
(二酸化炭素製造装置の設計方法)
本発明の二酸化炭素製造装置の設計方法は、ガス循環ラインに供給する空気供給量と、熱交換器で加熱された後の混合ガスの温度に基づいて、二酸化炭素の生成量が最大値±10%の範囲内になるように生成原料粉体のガス循環ラインへの供給量を決定し、この決定に基づいて二酸化炭素製造装置の設計を行うものである。
(Design method for carbon dioxide production equipment)
In the design method of the carbon dioxide production apparatus of the present invention, the maximum amount of carbon dioxide produced is ± 10 based on the amount of air supplied to the gas circulation line and the temperature of the mixed gas after being heated by the heat exchanger. The amount of the produced raw material powder supplied to the gas circulation line is determined so as to be within the range of%, and the carbon dioxide production equipment is designed based on this determination.
具体的には、二酸化炭素製造装置の設計にあたっては、上述した二酸化炭素製造方法において空気供給ラインで空気を供給するための例えばポンプの能力と、第1熱交換器(熱交換器)において混合ガスの熱交換において必要となる加熱温度を設定することで、第1熱交換器を設置するための高温雰囲気場Hを選定するなど、低濃度の二酸化炭素の生成効率を最大限に高めた二酸化炭素製造装置を設計することができる。 Specifically, in designing the carbon dioxide production device, in the above-mentioned carbon dioxide production method, for example, the capacity of a pump for supplying air in the air supply line and the mixed gas in the first heat exchanger (heat exchanger). Carbon dioxide that maximizes the production efficiency of low-concentration carbon dioxide, such as selecting the high-temperature atmosphere field H for installing the first heat exchanger by setting the heating temperature required for heat exchange. Manufacturing equipment can be designed.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.
10…二酸化炭素製造装置
11…ガス循環ライン
12…第1熱交換器(熱交換器)
13…反応器
14…分離器
15…第2熱交換器
16…循環ポンプ
21…原料粉体供給ライン
22…二酸化炭素回収ライン
23…空気供給ライン
25…反応容器
31…プレヒーター
32…セメントキルン
33…クリンカクーラー
34…仮焼炉
E…空気
G…混合ガス
H…高温雰囲気場
M…セメント原料精粉
10 ... Carbon
13 ...
Claims (6)
前記熱交換器は、前記ガス循環ラインと、該ガス循環ラインの温度よりも高温の高温雰囲気場との間で熱交換を行い、
前記原料粉体供給ラインは、前記反応器と前記熱交換器との間、または前記反応器に接続されて、前記ガス循環ラインに二酸化炭素の生成原料粉体を供給し、
前記反応器は、前記熱交換器で加熱された前記混合ガスに前記生成原料粉体を接触させて脱炭酸反応によって二酸化炭素を生成し、
前記分離器は、前記生成原料粉体と前記混合ガスとを分離し、
前記二酸化炭素回収ラインは、前記混合ガスを前記ガス循環ラインの系外に回収し、
前記空気供給ラインは、空気を前記ガス循環ラインに供給することを特徴とする二酸化炭素製造装置。 A gas circulation line that circulates a mixed gas containing carbon dioxide and air, a heat exchanger, a reactor, and a separator arranged in order in the gas circulation line, and a raw material powder supply connected to the gas circulation line. Equipped with a line, a carbon dioxide recovery line, and an air supply line,
The heat exchanger exchanges heat between the gas circulation line and a high temperature atmosphere field having a temperature higher than the temperature of the gas circulation line.
The raw material powder supply line supplies carbon dioxide-producing raw material powder to the gas circulation line between the reactor and the heat exchanger or connected to the reactor.
In the reactor, the generated raw material powder is brought into contact with the mixed gas heated by the heat exchanger to generate carbon dioxide by a decarboxylation reaction.
The separator separates the produced raw material powder and the mixed gas.
The carbon dioxide recovery line recovers the mixed gas outside the system of the gas circulation line.
The air supply line is a carbon dioxide production apparatus characterized in that air is supplied to the gas circulation line.
前記空気供給ラインを介して空気を前記ガス循環ラインに供給する空気供給工程と、
前記熱交換器で前記混合ガスを加熱する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された前記混合ガスに前記生成原料粉体を直接接触させて加熱し、脱炭酸反応を生じさせて二酸化炭素を生成する反応工程と、
前記生成原料粉体と前記混合ガスとを分離する固気分離工程と、
前記反応工程で生じた二酸化炭素生成量に相当する量の前記二酸化炭素を含む前記混合ガスを回収し、残りの前記混合ガスを前記ガス循環ラインに還流させる回収工程と、を備えたことを特徴とする二酸化炭素製造方法。 A method for producing carbon dioxide using the carbon dioxide producing apparatus according to any one of claims 1 to 3.
An air supply process for supplying air to the gas circulation line via the air supply line, and
A heating step of heating the mixed gas with the heat exchanger,
A reaction step of directly contacting the produced raw material powder with the mixed gas heated in the heating step to heat the mixture to cause a decarboxylation reaction to generate carbon dioxide.
A solid air separation step for separating the produced raw material powder and the mixed gas,
It is characterized by comprising a recovery step of recovering the mixed gas containing the carbon dioxide in an amount corresponding to the amount of carbon dioxide produced in the reaction step and returning the remaining mixed gas to the gas circulation line. Carbon dioxide production method.
前記ガス循環ラインに供給する空気供給量と、前記熱交換器で加熱された後の前記混合ガスの温度に基づいて、二酸化炭素の生成量が最大値±10%の範囲内になるように、前記生成原料粉体の前記ガス循環ラインへの供給量を決定し、この決定に基づいて前記二酸化炭素製造装置の設計を行うことを特徴とする二酸化炭素製造装置の設計方法。 The method for designing a carbon dioxide producing apparatus according to any one of claims 1 to 3.
Based on the amount of air supplied to the gas circulation line and the temperature of the mixed gas after being heated by the heat exchanger, the amount of carbon dioxide produced is within the range of the maximum value ± 10%. A method for designing a carbon dioxide production apparatus, which comprises determining a supply amount of the produced raw material powder to the gas circulation line and designing the carbon dioxide production apparatus based on the determination.
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