JP7407351B2 - 二酸化炭素分離回収装置 - Google Patents

Description

本開示は、二酸化炭素を選択的に透過させて分離する分離膜を用いた二酸化炭素分離回収装置に関する。

特許文献１は、二酸化炭素ガスを含むガス体（以下、二酸化炭素含有ガス）を温度が５０℃以上１００℃以下であって相対湿度が５０％以上１００％未満となるように調節する温度湿度調節装置と、温度湿度調節装置で温度および相対湿度が調節された二酸化炭素含有ガスを、アミン化合物を有する分離膜の一方の面（以下、第一空間）の気圧を分離膜の他方の面（以下、第二空間）の気圧より高くした状態で、第一空間に供給するガス供給部と、ガス体のうち分離膜を透過した透過ガス体から水蒸気を分離して第二空間に供給する加湿部と、を備える。

特許文献２は、二酸化炭素含有ガスが流入される流入部（以下、第一空間）と、アノードオフガス（以下、二酸化炭素含有ガス）中の二酸化炭素を透過させて分離膜により第一空間と区画された透過部（以下、第二空間）と、を有する分離部と、スイープガスとして第二空間へ水蒸気を供給する水蒸気供給部と、を備える。

特開２０１２－２０５９７１号公報 特開２０１８－１０７０９８号公報

本開示は、高い濃度の二酸化炭素回収と低い消費エネルギーとを両立する二酸化炭素分離回収装置を提供する。

本開示における二酸化炭素分離回収装置は、二酸化炭素含有ガス供給流路と、二酸化炭素分離器と、透過ガス流路と、回収ポンプと、回収ガス流路と、凝縮器と、排水流路と、排気流路と、蒸発器と、水蒸気供給流路と、水供給流路と、を備えている。

二酸化炭素含有ガス供給流路は、少なくとも水蒸気と二酸化炭素を含む二酸化炭素含有ガスが流通するように構成された流路である。

二酸化炭素分離器は、二酸化炭素含有ガス供給流路から二酸化炭素含有ガスが流入する第一空間と、二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を選択的に透過させて分離する分離膜と、分離膜により第一空間と区画された第二空間と、を有している。

回収ポンプは、透過ガス流路を介して第二空間を減圧して、第一空間に流入した二酸化炭素含有ガスのうちで第二空間に透過した透過ガスを回収ガスとして透過ガス流路から回収するように構成されている。回収ガス流路は、回収ポンプで回収された回収ガスが外部に供給されるように、回収ポンプの排気口に接続された流路である。

凝縮器は、二酸化炭素含有ガス供給流路の途中に配置され、第一空間に流入する前の二酸化炭素含有ガスを冷却して二酸化炭素含有ガスから凝縮水を分離するように構成されて
いる。排水流路は、凝縮器で生成した凝縮水が二酸化炭素含有ガス供給流路の外へ排水されるように凝縮器に接続された流路である。

排気流路は、第一空間に流入した二酸化炭素含有ガスのうちで第二空間に透過しなかった非透過ガスが外部に排気されるように、第一空間の下流に接続された流路である。

蒸発器は、凝縮器との熱交換で得た熱を利用して、水を蒸発させるように構成されている。水蒸気供給流路は、蒸発器で生成された水蒸気が、第二空間に供給されるように、蒸発器と第二空間とを連通させる流路である。水供給流路は、蒸発器に水が補給されるように、蒸発器の上流に接続された流路である。

本開示における二酸化炭素分離回収装置は、二酸化炭素含有ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を、凝縮させて分離除去した後に、二酸化炭素分離器の第一空間に供給することで、二酸化炭素含有ガスの相対湿度は維持しつつ、二酸化炭素の分圧を高めることができることから、同じ濃度の二酸化炭素を回収するために必要なスイープガス量を少なくすることができる。

また、凝縮器との熱交換により得た熱を利用して、水を蒸発させて、第二空間に供給するための水蒸気を生成することで、二酸化炭素含有ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるエネルギー、及び蒸発器で水を蒸発させて、第二空間に供給する水蒸気を生成するエネルギーが不要となる。

そのため、高い濃度の二酸化炭素回収と低い消費エネルギーとを両立する二酸化炭素分離回収装置を提供することができる。

実施の形態１における二酸化炭素分離回収装置の構成を示すブロック図 実施の形態１における水供給流路上に水タンクを備え、排水流路が水タンクに接続されている場合についての二酸化炭素分離回収装置の構成を示すブロック図 実施の形態１における回収ガス流路上に第二凝縮器を備え、第二凝縮器と水タンクを接続する第二凝縮水回収流路を備える場合についての二酸化炭素分離回収装置の構成を示すブロック図

（本開示の基礎になった知見等）
発明者らが本開示に相当するに至った当時、二酸化炭素を分離回収する技術として、分子の大きさ程度の孔が多数形成されている、いわゆる分子篩で構成される分離膜の技術があった。この分離膜では、小さい分子ほど分離膜により分離されやすくなり、大きさがほぼ等しい分子が複数種類ある場合には分離ガスの純度が低くなるという課題があった。

これに対して、二酸化炭素だけを化学反応で選択的に透過させて分離する高分子膜の技術があった。これにより、分離ガスの純度を高くすることができる。その一方で、８０％前後と、かなり高い相対湿度で二酸化炭素の分離性能が高まるという特異な性質がある。

このため、この高分子膜を用いた二酸化炭素分離回収装置においては、高分子膜に供給される二酸化炭素含有ガスの相対湿度を安定的に維持する必要があり、温度湿度調節装置で相対湿度が調節された二酸化炭素含有ガスを、アミン化合物を有する分離膜に供給する二酸化炭素分離回収装置があった。

また、二酸化炭素含有ガスが流入される第一空間と、二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を透過させる分離膜によって第一空間と区画された第二空間と、を有する分離部と、スイープガスとして第二空間へ水蒸気を供給する水蒸気供給部と、を備えた二酸化炭素分離回収装置があった。

これにより、スイープガスがない場合と比較して、第二空間における二酸化炭素の分圧は低減される。したがって、分離膜の第二空間側への二酸化炭素の透過を向上されることができ、分離膜を用いて効率的に二酸化炭素を分離することができる。また、水蒸気をスイープガスとして用いることにより、第二空間から送出されたガスから、凝縮等により水蒸気を容易に分離して、高い濃度の二酸化炭素を回収することができる。

しかしながら、スイープ用気化器での水の気化に要するエネルギーが大きいこと、また高い濃度の二酸化炭素を回収するため、第二空間における二酸化炭素の分圧を低減するほど、スイープガスの必要量が多くなることから、高い濃度の二酸化炭素回収と低い消費エネルギーとはトレードオフの関係にあり、これらを両立することができないという課題があった。

そうした状況下において、発明者らは、二酸化炭素含有ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を冷却凝縮した後に、二酸化炭素分離器の第一空間に供給することで、二酸化炭素含有ガスの相対湿度は維持しつつ、二酸化炭素の分圧を高めることができることから、同じ濃度の二酸化炭素を回収するために必要なスイープガス量を少なくすることができるという着想を得た。

そして、発明者らは、その着想を実現し、高い濃度の二酸化炭素回収と低い消費エネルギーとのトレードオフの関係を解消するためには、さらに二酸化炭素含有ガスに含まれる水蒸気の冷却凝縮に要するエネルギーとスイープ用気化器での水の気化に要するエネルギーのさらなる低減という課題があることを発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、高い濃度の二酸化炭素回収と低い消費エネルギーを両立する二酸化炭素分離回収装置を提供する。

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～３を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１において、二酸化炭素分離回収装置３１は、二酸化炭素分離器１と、分離膜２と、第一空間３と、第二空間４と、二酸化炭素含有ガス供給流路５と、排気流路６と、水供給流路７と。排水流路８と、分離膜温度検知器９と、蒸発器１０と、凝縮器１１と、水蒸気供給流路１３と、透過ガス流路１４と、回収ポンプ１５と、回収ガス流路１６と、制御器４１と、を備える。

二酸化炭素分離器１は、内部の空間が分離膜２によって第一空間３と第二空間４とに区画されている。

また、二酸化炭素分離器１の外表面は、断熱材（図示せず）で覆われている。

分離膜２は、アミン化合物のモノエタノールアミンを含んだ高分子膜で構成され、二酸化炭素と水蒸気を選択的に透過する。また、分離膜２は湿度が高いほど二酸化炭素の透過速度が大きくなる性質を持っている。

本実施の形態の分離膜２は、筒状に形成されており、分離膜２の筒の内周面側が第一空間３となって二酸化炭素含有ガスが供給されて、分離膜２の外周面側の第二空間４に二酸化炭素を透過させる。

第一空間３の長手方向の一端には、二酸化炭素含有ガス供給流路５が接続され、第一空間３の長手方向の他端には、排気流路６が接続されている。二酸化炭素含有ガス供給流路５から二酸化炭素を含んだガスが第一空間３に供給される。

本実施の形態では、二酸化炭素含有ガスとして、炭化水素を含む都市ガスの燃焼排ガスを用いた。この燃焼排ガスは、水蒸気を含み、外気温よりも高温であり、外気温程度に冷却されると、燃焼排ガスに含まれる水蒸気の一部が凝縮する。

第二空間４の長手方向の一端には、水蒸気供給流路１３が接続され、第二空間４の長手方向の他端には、透過ガス流路１４が接続されている。

分離膜温度検知器９は、第一空間３の温度を検知するように構成、配置された温度センサである。

凝縮器１１は、二酸化炭素含有ガス供給流路５の途中に設置されており、排水流路８が接続している。凝縮器１１において二酸化炭素含有ガスを冷却して生成された凝縮水は排水流路８から装置外へ排水される。

水蒸気供給流路１３には蒸発器１０を介して水供給流路７が接続されており、イオン交換樹脂などの浄化装置（図示せず）により不純物を取り除いた水が水供給流路７を通流して蒸発器１０に供給され、蒸発器１０で水が蒸発して生成された水蒸気が水蒸気供給流路１３を通流して第二空間４に供給される。

回収ポンプ１５の吸気口には、透過ガス流路１４が接続され、回収ポンプ１５の排気口には、回収ガス流路１６が接続される。

回収ポンプ１５は、透過ガス流路１４を介して第二空間４を減圧することによって、第一空間３に流入した二酸化炭素含有ガスのうちで第二空間４に（分離膜２を）透過した透過ガスを回収ガスとして透過ガス流路１４から回収する。回収ポンプ１５の排気口から排出された回収ガスは、回収ガス流路１６を通流して装置外の回収ガスタンク（図示せず）に貯蔵される。

制御器４１は、二酸化炭素分離回収装置３１の運転を制御する。制御器４１は、信号入出力部（図示せず）と、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。

［１－２．動作］
以上のように構成された二酸化炭素分離回収装置３１について、以下その動作、作用を説明する。

以下の動作は、制御器４１が二酸化炭素分離回収装置３１を制御することによって行われる。

まず、二酸化炭素含有ガス供給流路５を通流して凝縮器１１に二酸化炭素含有ガスが供給される。本実施の形態において、二酸化炭素含有ガス供給流路５を通流して凝縮器１１に供給される二酸化炭素含有ガスは、流量が２００ＮＬ／ｍｉｎで、温度が６０℃で、露点が６０℃で、二酸化炭素濃度が２０％であった。ここで、流量と濃度は水分を除いた値で示している（以下同じ）。

第一空間３の圧力は、排気流路６の下流端を大気開放しているので、大気圧となっている。

分離膜温度検知器９で検知される第一空間３の温度は、分離膜２の二酸化炭素透過に適した温度である４０℃になるように、調節されている。

凝縮器１１の温度は、二酸化炭素分離器１の内部（第一空間）で結露が発生しないように、分離膜温度検知器９で検知される温度と略同じ温度になるように、凝縮器１１と熱交換する蒸発器１０の温度を調節することによって、調節されている。

このとき、凝縮器１１を通過して第一空間３に供給される二酸化炭素含有ガスは、流量が２００ＮＬ／ｍｉｎで、温度が４０℃で、露点が４０℃で、二酸化炭素濃度が２０％であった。

蒸発器１０の温度は、蒸発器１０と熱交換する凝縮器１１の温度が分離膜温度検知器９で検知される温度と略同じ温度になるように、蒸発器１０への水の供給流量や回収ポンプ１５による第二空間から透過ガス流路に流出する回収ガスの流量を操作することによって調節している。このとき、蒸発器１０で蒸発した水は水蒸気となって水蒸気供給流路１３を通流して第二空間４に供給される。

二酸化炭素含有ガス供給流路５を通流して第一空間３に供給された二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素は、第一空間３と第二空間４との二酸化炭素の分圧差により、分離膜２を透過して第二空間４に移動する。分離膜２は、二酸化炭素の他に水蒸気を透過する特性を有しているので、第一空間３に供給された二酸化炭素含有ガスに含まれる水蒸気の一部は、二酸化炭素とともに第二空間４に透過している。

第二空間４に透過した二酸化炭素は、第二空間４と透過ガス流路１４を介して連通している回収ポンプ１５によって吸引され、回収ポンプ１５の排気口から排出される水蒸気を含む二酸化炭素は、回収ガス流路１６を通流して回収ガスとして排出される。

第一空間３に供給された二酸化炭素含有ガスのうちで分離膜２を透過しなかった非透過ガスは、排気流路６から排出される。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、二酸化炭素分離回収装置３１は、二酸化炭素含有ガス供給流路５と、二酸化炭素分離器１と、透過ガス流路１４と、回収ポンプ１５と、回収ガス流路１６と、凝縮器１１と、排水流路８と、排気流路６と、蒸発器１０と、水蒸気供給流路１３と、水供給流路７と、を備えている。

二酸化炭素含有ガス供給流路５は、少なくとも水蒸気と二酸化炭素を含む二酸化炭素含有ガスが流通するように構成された流路である。

二酸化炭素分離器１は、二酸化炭素含有ガス供給流路５から二酸化炭素含有ガスが流入する第一空間３と、二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を選択的に透過させて分離する分離膜２と、分離膜２により第一空間３と区画された第二空間４と、を有している。

回収ポンプ１５は、透過ガス流路１４を介して第二空間４を減圧して、第一空間３に流入した二酸化炭素含有ガスのうちで第二空間４に透過した透過ガスを回収ガスとして透過ガス流路１４から回収するように構成されている。回収ガス流路１６は、回収ポンプ１５で回収された回収ガスが外部に供給されるように、回収ポンプ１５の排気口に接続された流路である。

凝縮器１１は、二酸化炭素含有ガス供給流路５の途中に配置され、第一空間３に流入する前の二酸化炭素含有ガスを冷却して二酸化炭素含有ガスから凝縮水を分離するように構成されている。

排水流路８は、凝縮器１１で生成した凝縮水が二酸化炭素含有ガス供給流路５の外へ排水されるように凝縮器１１に接続された流路である。排気流路６は、第一空間３に流入した二酸化炭素含有ガスのうちで第二空間４に透過しなかった非透過ガスが外部に排気されるように、第一空間３の下流に接続された流路である。

蒸発器１０は、凝縮器１１との熱交換で得た熱を利用して、水を蒸発させるように構成されている。水蒸気供給流路１３は、蒸発器１０で生成された水蒸気が第二空間４に供給されるように、蒸発器１０と第二空間４とを連通させる流路である。水供給流路７は、蒸発器１０に水が補給されるように、蒸発器１０の上流に接続された流路である。

これにより、二酸化炭素含有ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を、凝縮器１１で凝縮させて分離除去した後に、二酸化炭素分離器１の第一空間３に供給することにより、二酸化炭素含有ガスの相対湿度は維持しつつ、二酸化炭素の分圧を高めることが出来ることから、同じ濃度の二酸化炭素を回収するために必要な水蒸気量を少なくすることができる。

さらに、蒸発器１０は、凝縮器１１との熱交換により得た熱を利用して、水を蒸発させて第二空間４に供給する水蒸気を生成するので、二酸化炭素含有ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるエネルギー、及び蒸発器１０で水を蒸発させて第二空間４に供給する水蒸気を生成するエネルギーを低減することが出来る。

そのため、高い濃度の二酸化炭素回収と低い消費エネルギーを両立する二酸化炭素分離回収装置３１を提供することができる。

図２に示す二酸化炭素分離回収装置３１のように、水供給流路７の途中に水タンク１２を設けて、凝縮器１１で生成した凝縮水が水タンク１２に供給されるように、排水流路８の下流側を水タンク１２に接続しても構わない。

そのように構成した場合は、凝縮器１１で生成され排水流路８に流出した凝縮水が、水タンク１２において、水供給流路７を通流する水に合流するので、凝縮水を、蒸発器１０において第二空間４に供給する水蒸気を生成するための水として利用することができる。

そのため、装置外からの市水の投入量、及び市水を精製するためのイオン交換樹脂などの浄化装置を削減することができる。

図３に示す二酸化炭素分離回収装置３１のように、回収ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて、回収ガスから凝縮水を分離する第二凝縮器１８を、回収ガス流路１６の途中に設けて、第二凝縮器１８で生成した凝縮水が水タンク１２に供給されるように、第二凝縮器１８と水タンク１２とを第二凝縮水回収流路１７で接続しても構わない。

そのように構成した場合は、第二凝縮器１８で生成され第二凝縮水回収流路１７に流出した凝縮水が、水タンク１２において、水供給流路７を通流する水に合流するので、回収ガスに含まれる水蒸気の一部を凝縮させて、蒸発器１０において第二空間４に供給する水蒸気を生成するための水として利用することができる。

これにより、回収ガスの二酸化炭素濃度を高めることができるとともに、装置外からの市水の投入量、及び市水を精製するためのイオン交換樹脂などの浄化装置をさらに削減することができる。

また、水タンク１２に水位センサを設けて、水位に応じて、水供給流路７から水タンク１２に供給する水の流量を調節しても構わない。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

本実施の形態１では、分離膜の一例として、アミン化合物のモノエタノールアミンを含んだ高分子膜を説明した。分離膜２は、供給するガスの相対湿度が高いときに、二酸化炭素透過性能が向上するものであれば良い。

したがって、分離膜２は、アミン化合物のモノエタノールアミンに限定されない。ただし、分離膜２として、他のアミン化合物からなる分離膜、アルカリ炭酸塩を含んだ分離膜を用いれば、高い二酸化炭素の透過性能が得られる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、二酸化炭素を選択的に透過させて分離する分離膜を用いて、二酸化炭素含有ガスから、低い消費エネルギーで、高い濃度の二酸化炭素を回収することが要求される二酸化炭素分離回収装置に適用可能である。

具体的には、炭化水素を燃料とする水素製造装置、燃料電池発電システムなどに、本開示は適用可能である。

１ 二酸化炭素分離器
２ 分離膜
３ 第一空間
４ 第二空間
５ 二酸化炭素含有ガス供給流路
６ 排気流路
７ 水供給流路
８ 排水流路
９ 分離膜温度検知器
１０ 蒸発器
１１ 凝縮器
１２ 水タンク
１３ 水蒸気供給流路
１４ 透過ガス流路
１５ 回収ポンプ
１６ 回収ガス流路
１７ 第二凝縮水回収流路
１８ 第二凝縮器
３１ 二酸化炭素分離回収装置
４１ 制御器

Claims (3)

1. 少なくとも水蒸気と二酸化炭素を含む二酸化炭素含有ガスが流通する二酸化炭素含有ガス供給流路と、
   前記二酸化炭素含有ガス供給流路から前記二酸化炭素含有ガスが流入する第一空間と、前記二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を選択的に透過させて分離する分離膜と、前記分離膜により前記第一空間と区画された第二空間と、を有する二酸化炭素分離器と、
   透過ガス流路を介して前記第二空間を減圧して、前記第一空間に流入した前記二酸化炭素含有ガスのうちで前記第二空間に透過した透過ガスを回収ガスとして前記透過ガス流路から回収するための回収ポンプと、
   前記回収ポンプで回収された前記回収ガスが外部に供給されるように前記回収ポンプの排気口に接続された回収ガス流路と、
   前記二酸化炭素含有ガス供給流路の途中に配置され、前記第一空間に流入する前の前記二酸化炭素含有ガスを冷却して前記二酸化炭素含有ガスから凝縮水を分離する凝縮器と、
   前記凝縮器で生成した前記凝縮水が前記二酸化炭素含有ガス供給流路の外へ排水されるように前記凝縮器に接続された排水流路と、
   前記第一空間に流入した前記二酸化炭素含有ガスのうちで前記第二空間に透過しなかった非透過ガスが外部に排気されるように前記第一空間の下流に接続された排気流路と、
   前記凝縮器との熱交換で得た熱を利用して、水を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で生成された水蒸気が前記第二空間に供給されるように前記蒸発器と前記第二空間とを連通させる水蒸気供給流路と、
   前記蒸発器に前記水が補給されるように前記蒸発器の上流に接続された水供給流路と、
   を備えた二酸化炭素分離回収装置。
2. 前記水供給流路の途中に水タンクを備え、
   前記凝縮器で生成した凝縮水が前記水タンクに供給されるように、前記排水流路の下流側が前記水タンクに接続されている、
   請求項１に記載の二酸化炭素分離回収装置。
3. 前記回収ガス流路の途中に配置され、前記回収ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて前記回収ガスから凝縮水を分離する第二凝縮器と、
   前記第二凝縮器で生成した凝縮水が前記水タンクに供給されるように、前記第二凝縮器と前記水タンクとを接続する第二凝縮水回収流路と、
   を備えた請求項２に記載の二酸化炭素分離回収装置。

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