JPH04290541A - 炭酸ガスの海洋への処理方法及びそのための処理システ ム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭酸ガスを海洋へ処理
する方法及びそのためのシステム、特に炭酸ガスを水と
の安定な水和物にして水和物のみを深海に投入するため
海洋生態系への影響がない炭酸ガスの海洋への処理方法
及びそのためのシステムに関する。また、本発明は、該
方法及びシステムを火力発電所から排出される排ガス処
理の目的で用いる火力発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】地球環境問題に関し、温室効果ガスに起
因する地球温暖化が問題となっている。温室効果ガスと
して大気中の炭酸ガス（ＣＯ２　）、メタン（ＣＨ４　
）、亜酸化窒素（Ｎ２　Ｏ）、フロンガスが挙げられる
が、このうちフロンガスはオゾン層破壊の主因物質であ
ることが判明し、近い将来全廃の方向にある。一方、炭
酸ガスは石炭、石油、天然ガスといった化石燃料の消費
によって排出され、大気中でのその濃度が圧倒的に大き
いことから、温暖化の主因とされており、その増加が問
題となっている。温暖化の影響として、海水の温度上昇
に伴う海水の膨張、北極、南極の氷の溶解による海面上
昇、降水量の変化など気象への影響、また地球生態系へ
の影響が指摘されている。このため、温暖化抑制のため
ＣＯ２　発生量の削減が重要課題となっている。特に、
火力発電システムは上記化石燃料の消費が多大で、その
排ガス中のＣＯ２　削減技術が要望されている。

【０００３】ＣＯ２　発生量削減のため発生源の代替エ
ネルギ−の検討がなされている一方で、地球の７０％以
上が海であり、「海洋を利用したＣＯ２　固定法」によ
る削減が提案されている（化学工学誌、ＶＯＬ．５４、
ＮＯ．１）　。例えば、海洋施肥法、深水循環．　表層
混合法、沈み込み流利用法、直接吸収法、海藻による固
定法等である。このうち、直接吸収法は、排出されるＣ
Ｏ２　を直接海洋に導き吸収させる方法で、１９７９年
にロ−マ大学のマスタック（Ｕｎｉ　ｖｅｒｓｉｔｙ　
ｏｆＲｏｍｅ，Ｍｕｓｔａｃｃｉ　ｅｔ　ａｌ）　、１
９８４年に米国ブルックヘブン国立研究所のスタインバ
−グ他（Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ　Ｍ　ｅｔａｌ．，　Ｂｒ
ｏｏｋｈａｖｅｎ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂ．，ＮＹ
）によって検討された報告がある。前者はＣＯ２　の海
水によるスプレ−吸収及び海中バブリング法の検討で、
後者は液化炭酸ガスを深海に注入する場合のコスト試算
である。しかし、いずれの方法も問題があり実施されて
おらず、海洋生態系への影響が不明である。さらに、Ｃ
Ｏ２　の海洋への吸収については特開平２−８０３１７
号公報にも記載されている。

【０００４】一方、近年ＣＯ２　発生量削減のためのＣ
Ｏ２　回収技術の開発と共に、回収ＣＯ２　の処分に関
して海洋投棄に関心が高まっている。特に、ＣＯ２　と
水との包接化合物（　ハイドレ−トあるいはクラスレ−
ト）に関する報道が多く見られる（日経産Ｈ２．　９／
１３、日本工業Ｈ２．１０／２　、日刊工業Ｈ２．１０
／３０）　。ハイドレ−トの物性については米国シラキ
ュウス大学のアルバ−トら（Ａｌｂｅｒｔ　Ｔ　ｅｔ　
ａｌ．，Ｓｙｒａｃｕｓｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎ
Ｙ，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，１６，１９７５）　の
文献に詳述されており公知である。

【０００５】ＣＯ２　を海洋に固定する計画では、１）
地上でハイドレ−ト化させ海底に沈める、２）ドライア
イスにしてそのまま沈める、３）海上からパイプを使っ
て液体ＣＯ２　を送り込む、などが考えられている。上
記１）の具体的方法はなされていないが、３）の液体Ｃ
Ｏ２　海洋投棄はＣＯ２　を深海に注入し、ハイドレ−
トを生成させることで深海に固定するもので、例えば深
海の水深３０００ｍ、水温５℃ならばＣＯ２　は液化し
、その密度は約１．０３８　で海水より重く海底の凹地
に滞留し、液化ＣＯ２　と海水の界面にハイドレ−トが
形成される。このハイドレ−トが液化ＣＯ２　のフタの
役目を為す（文献、朝日科学誌、Ｄｅｃ．，１９９０）
というもので、ＣＯ２　海洋投棄の実用化が期待されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の排ガス中から回
収したＣＯ２　の削減対策において、回収したＣＯ２　
の処分について上記のいずれの方法も現状では満足な結
果が得られる具体的な処理方法とはいえず、海洋を利用
した処理方法ではつぎのような問題がある。 １）海洋施肥法や深水循環法などは、間接的な方法で気
長なＣＯ２　固定化システムであり、現状のＣＯ２　量
の増加に対する緊急の削減対策として対応できない。 ２）海洋への直接吸収法では、ＣＯ２　は海水の飽和溶
解量しか吸収できない。 ３）特に、直接吸収法は本来がＣＯ２　を海水の飽和溶
解量まで吸収させるもので海水のｐＨが酸性に変化し、
海洋の生態系に直接影響することについてはまったく考
慮されていない。 ４）生成ハイドレードを海底に沈めることは案としては
提唱されているが、生成ハイドレードをそのまま海底に
投棄することはハイドレード生成時の未反応液化ＣＯ２
　及び酸性化した付着海水も同時に海底に挿入すること
となり海洋を酸性化する。 ５）深海でＣＯ２　のハイドレ−トを生成させ固定する
方法が有力とされているが、ハイドレ−トの層はＣＯ２
　溶解の抑制効果が小さい。等の問題がある。

【０００７】本発明の目的は、上記問題を解決し、排ガ
ス中のＣＯ２　を削減して迅速に海洋処理するとともに
海洋の生態系への影響を抑制する方法及び装置を開発す
るとともに、それを用いた火力発電システムを構築する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はＣＯ２　を海水
を接触させるとＣＯ２　分子と水分子が結合して固体の
水和物を生成し、その物性が安定していることに着目し
てなされたものである。上記のように、海中へのＣＯ２
　バブリング法では、ＣＯ２　は海水に飽和溶解量しか
吸収させることができず、過剰のＣＯ２　は海中を上昇
して海面、大気へと放散される。特に、ＣＯ２　溶解に
より海水のｐＨが酸性に変化して海洋に拡散することか
ら、魚類の他、海洋の生態系に直接影響し、地球環境に
及ぼす影響は計り知れない。これに対して、前記ハイド
レ−トの結合構造はＣＯ２．８Ｈ２Ｏで、その物性が安
定した固体であることは公知である。このため、ハイド
レ−トにして海中に沈めると海水ｐＨへの影響が少ない
ことが予想でき、さらにその比重が１．　１と海水（　
密度１．　０２６）　より重く自重で沈降するため海底
に固定できる可能性がある。

【０００９】そこで、発明者らは深海を模擬した高圧容
器（容積８００ｍｌ）の海水（５００ｍｌ）　に液化Ｃ
Ｏ２　吹き込み前記ハイドレ−トを生成させ、この時の
ｐＨ変化をみる実験を行った。図７は、ＣＯ２の圧力−
温度線図を示す。 沸騰線を境にガス相と液相、超臨界域が存在し、ハイド
レ−ト生成領域は温度１０℃以下、圧力１３気圧以上で
あるといわれている。実験を行った５０気圧、５℃で液
化ＣＯ２　を吹き込むと瞬時に海水ｐＨ８．　２が４．
　２から４．　８の範囲に変化し、液化ＣＯ２　の液滴
表面にはハイドレ−トが生成しているにもかかわらず、
それよりはるかに速くｐＨが変化する。そこで、同条件
下で容器内のｐＨ変化した酸性の海水を抜き出し、ハイ
ドレ−トのみを容器内に残し、不活性ガス（　Ｎ２）で
容器内のＣＯ２　ガスを置換した後、新たにｐＨ８．２
の海水を注入すると、海水はｐＨ７．　２から６．　８
までにしか変化しないが、やがてハイドレードに包まれ
た未反応の液化ＣＯ２　がハイドレード層から浸透して
海水のｐＨは４．４程度になる。最初、ｐＨが７．０前
後に変化したのは、ハイドレ−トに付着していた酸性水
によるものである。また、ハイドレード層はＣＯ２　溶
解の抑制効果は小さいことも分かる。

【００１０】即ち、液化ＣＯ２　を深海に直接投棄する
方法は溶解ＣＯ２　により海水のｐＨを変化させる恐れ
があり、生成したハドレ−トを深海に投入するにはこれ
らを酸性水からの分離が必要である。そして、上記の実
験は、生成したハイドレ−トそれ自体は、１）不活性ガ
ス中でも安定して存在しうること、２）海水ｐＨへの影
響は小さいこと、を示してしいる。

【００１１】本発明は、これらの知見に基ずきなされた
ものであり、前記の目的を達成するため、その基本的技
術要件として、 １）回収したＣＯ２　を海上において所定条件の容器内
でハイドレ−トを生成させ、生成物からハイドレ−トの
みを分離すること、及び ２）海上から深海に送入管を敷設し、その送入管をハイ
ドレ−ト生成条件の圧力及び温度に制御することで上記
ハイドレ−トをそのままの形で深海に送入して投棄、固
定すること、を有する炭酸ガスの海洋への処理方法及び
そのためのシステムを開示し、提供する。

【００１２】さらに、本発明は、上記の処理方法及びシ
ステムを利用した火力発電システムをも開示する。これ
により、物性が安定しているハイドレ−トは海水のｐＨ
への影響も少なく、自重で海底に沈降する。このため、
ＣＯ２を大量、迅速に海洋に投入して固定できることか
ら排ガス中からＣＯ２　を削減した火力発電システムを
構成できる。

【００１３】なお、ハイドレ−トは前記生成条件下にお
いて存在するもので圧力又は温度が前記条件からずれる
と分解してＣＯ２　ガスと水になり、ＣＯ２　が水に溶
解して酸性水に変わる。このため、ハイドレ−トを深海
に送入する際、前記圧力及び温度条件を保持することが
重要である。図８は海水温度と水深の関係を示す。太陽
光が届かない水深１０００ｍ（　１００気圧）　以上で
あれば、水温５℃以下である。すなわち、海洋の深海で
は前記ハイドレ−ト生成条件は容易に得ることができ、
この水深に導入管を敷設してハイドレ−トを直接送入す
ればハイドレ−トのまま海底に沈降し、深海の生態系へ
の影響も少ない。尚、深海冷水は天然の冷却源であり、
さらに排ガスから回収したＣＯ２　を液化しておくこと
で冷熱源として使用できる。

【００１４】

【実施例】以下、添付の図面を参照しつつ、本発明をよ
り詳細に説明する。図１は、本発明の炭酸ガスの海洋へ
の処理システムを火力発電所の排ガスの処理に用いた例
を示しており、火力発電所１、ＣＯ２回収装置２及びハ
イドレ−ト生成装置３、移送装置４と送入管５とで構成
される。火力発電所から排出される排ガスからＣＯ２　
回収装置２でＣＯ２　を回収し、圧縮して液化ＣＯ２　
として貯槽し、これをポンプで後述するハイドレ−ト生
成槽３に送液して槽内の水と接触させハイドレ−トを生
成させる。使用する水は河川水、海水等任意でよい。生
成したハイドレ−トを回収して移送装置４により送入管
５を介して深海に移送する。深海の任意の水深に投入さ
れたハイドレ−トは自重で海底に沈降する。

【００１５】図２は、移送装置４及び送入管５の部分の
一実施例をより詳細に示している。この実施例において
は、送入管５は二重管で構成され、外周部を深海水Ａを
汲みあげる流路とし、内管にはスクリュ−フィ−ダ６が
装着されている。コンップレッサ−７などにより送入管
の内管を所定圧に加圧するとともに、ポンプ４ｂにより
深海水を汲みあげ循環させ送入管を冷却する。深海水は
例えば図８より水深１２００ｍならば４℃以下でありハ
イドレードをそのままの態様で移送するのに充分な水温
を有している。なお、海水取水口は深海であるがポンプ
の揚程は海面からとなる。この状態から、ハイドレ−ト
供給器３ａから供給されたハイドレ−トＣをスクリュ−
フィ−ダ６で深海Ｂに挿入するとハイドレ−トは自重で
海底に沈降する。

【００１６】なお、この実施例においては、ポンプによ
り深海の海水を循環させているが、前記深海水に相当す
る廃冷水が他に確保できれば、それを冷却水として使用
することも可能であり、二重管の外周部に該冷却水を循
環させるようにする。図３は、移送装置４及び送入管５
の部分の他の実施例を示す。二重送入管５の外周部を深
海水Ａの汲みあげ流路としてポンプ４ｂの吸い込み側に
導入する。さらに、ポンプ４ｂの吐出側を二重管の内管
に接続する。この実施例においては、ポンプ４ｂを稼動
し所定の吐出圧力下で、海水を内管に導入し海水を深海
に押し込む。そりにより深海水が循環して、二重送入管
５が所定の圧力、温度になった時点で、ハイドレ−ト供
給器３ａからハイドレ−トを前記内管の吐出側の循環流
に添加してスラリ−として深海に送入する。

【００１７】図４は、移送装置４及び送入管５の部分の
さらに他の実施例を示す。この実施例においては、深海
への送入管５の任意位置Ａに気化器５ｂを設置するとと
もに、別途設けた液化ＣＯ２　タンク６内の液化ＣＯ２
をポンプ７を介して該気化器５ｂに供給する。この液化
ＣＯ２　を気化して気化潜熱による冷却ガスにより深海
への送入管を冷却する。ＣＯ２は回収して液化し、再利
用することにより、海水の環境変化は防止できる。また
、用いる液化ＣＯ２　も、ハイドレード生成用の液化Ｃ
Ｏ２　を分流させて導入することも可能である。

【００１８】図５はハイドレ−ト生成槽３の一実施例を
示す断面図である。任意の水量を保有する８℃、５０気
圧に保持された槽３の底部に液化ＣＯ２の導入管３１及
び水の導入管３２とを好ましくは接線方向に配置し旋回
流で液化ＣＯ２　と水とを混合接触させハイドレ−トＣ
を生成させ水面に浮上させる。浮上したハイドレ−トＣ
を層３外の適宜の駆動手段３４により回動されるスクレ
パ−３４ａで掻き取り、槽ジャケット３ｃ部分にオ−バ
−フロ−させる。槽ジャケット３ａ部分にオ−バ−フロ
−したハイドレ−トを適宜の駆動手段、例えば駆動手段
３４により回動される水切り板を持つ回収スクレパ−３
４ｂによりハイドレ−ト回収部３５に移送される。水面
３ｂを一定に保つため導入水量は、図示していないが液
面計を設け必要に応じ液面を監視するようにしてもよい
。

【００１９】この実施例においては、ハイドレ−トは槽
ジャケット３ａ内において回収スクレパ−３４ｂの水切
り板で移送中に混合、脱水されることにより、ハイドレ
ードの周囲の不必要な水分を除去することが可能となる
。回収部３５に集められたハイドレ−トは回収フィ−ダ
３６で移送され、ハイドレ−ト供給部３ａに送られる。 この後、前記した任意の移送装置４により海中に敷設し
た送入管５から深海に送入される。

【００２０】図６はハイドレ−ト生成槽３の他の実施例
　　を示す。このハイドレ−ト生成３’は、槽上部に水
導入管３２’、槽底部に液化ＣＯ２　導入管３１’と回
収フィ−ダ３５’を配置しており、さらに、槽３’内の
任意の位置に１又は複数の攪拌翼３４ａ”を有する適宜
の駆動手段３４’により駆動される攪拌装置３４ａ’を
具備している。そして、同一形状のハイドレ−ト生成槽
３’を複数個（図示のものでは２個）、その回収フィー
ダ３５’を互いに対向させて配置し、適宜の切り換え弁
３７を介して単一の槽ジャケット３ａ’部分に接続する
。

【００２１】使用に際し、まず、複数のハイドレ−ト生
成槽３’に任意の水量を水導入管３２’から注入する。 次いで、槽底部の液化ＣＯ２　導入管３１’から注入し
た水量に見合う液化ＣＯ２　を流入させ、槽内にハイド
レ−トを生成させる。その間、攪拌装置３４ａ’により
ハイドレ−ドを攪拌混合し、未反応ＣＯ２　をハイドレ
ード化するとともに余剰の液化ＣＯ２　あるいは付着水
を脱離し、その後、回収フィーダ３５’を駆動しまた切
り換え弁３７を開いて、ハイドレ−トを槽底部より抜く
。次いで、ハイドレ−ト供給器３ａ’に送り、前記移送
装置４により送入管５から深海に送入する。

【００２２】この実施例においては、複数のハイドレ−
ト生成槽を単一のハイドレ−ト供給器３ａ’に切り換え
弁を介して接続しているので、一つの槽のハイドレ−ト
送入時に他の槽はハイドレ−トを生成させることができ
、切り換え弁２６により連続的にハイドレ−トを生成し
て送入することができる。なお、以上の実施例の説明で
は、本発明を陸上における実施例で述べたが、海上の船
上で行なうことも可能である。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果がある。 １）物性が安定しているハイドレ−トのみを深海中に送
出するものであることから海水のｐＨ変化は少なく、海
洋生態系への影響が少ない。 ２）深海に投棄すればハイドレ−トの自重で沈降し、海
底に固定できる。 ３）ＣＯ２　を直接、多量に迅速処理することが可能あ
るため、火力発電所から排出される排ガスからのＣＯ２
　削減効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシステムを火力発電所の排ガス処理手
段として用いた例を示す図。

【図２】ハイドレードの移送部分の一実施例を示す図。

【図３】同移送部の他の実施例を示す図。

【図４】同移送部のさらに他の実施例を示す図。

【図５】ハイドレ−ト生成槽の一実施例を示す図。

【図６】ハイドレ−ト生成槽の他の実施例を示す図。

【図７】ＣＯ２　の圧力−温度線図を示す図。

【図８】海水温度と水深の関係の一例を示す図。

【符号の説明】

１−−−火力発電所、２−−−ＣＯ２　回収装置、３−
−−ハイドレ−ト生成槽、４−−−移送装置、５−−−
二重送入管、６−−−フィ−ダ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　炭酸ガスと水を接触させ包接水和物を
   生成し、該生成物を海洋へ投棄する処理方法において、
   （イ）該生成物から水和物のみを分離する工程、及び（
   ロ）分離した水和物を水和物の状態で海洋に移送する工
   程、とを有していることを特徴とする炭酸ガスの海洋へ
   の処理方法。
2. 【請求項２】　　分離した水和物を海洋に移送する工程
   が、水和物の生成条件である圧力以上及び温度以下に制
   御して該水和物を深海に移送することを含むことを特徴
   とする、請求項１記載の炭酸ガスの海洋への処理方法。
3. 【請求項３】　　水和物の生成を、温度１０℃以下で炭
   酸ガスが液相となる圧力条件下の１又は複数の容器内の
   水に液化炭酸ガスを吹き込み生成させることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の炭酸ガスの海洋への処理方法。
4. 【請求項４】　　１又は複数の容器において容器内の水
   の全量が水和物となるような条下で液化炭酸ガスと接触
   させることを特徴とする請求項３記載の炭酸ガスの海洋
   への処理方法。
5. 【請求項５】　　炭酸ガスと水を接触させ包接水和物を
   生成し、生成物を海洋へ投棄する処理システムにおいて
   、（イ）生成物から水和物のみを分離する手段、及び（
   ロ）分離した水和物を水和物の状態で海洋に移送する手
   段、とを有していることを特徴とする炭酸ガスの海洋へ
   の処理システム。
6. 【請求項６】　　分離した水和物を水和物の状態で海洋
   に移送する手段が、所定深度まで達する多重送入管を有
   しており、該多重送入管は、その外管部分が深海水の循
   環経路になっており、内管部分が水和物移送部となって
   いて、深海水により水和物を冷却する構造となっている
   ことを特徴とする請求項５記載の炭酸ガスの海洋への処
   理システム。
7. 【請求項７】　　分離した水和物を水和物の状態で海洋
   に移送する手段が、所定深度まで達する多重送入管を有
   しており、該多重送入管は、その一部が液化炭酸ガスの
   循環経路になっておりかつ内管部分が水和物移送部とな
   っていて、液化炭酸ガスの気化潜熱による冷却により水
   和物を冷却する構造となっていることを特徴とする請求
   項５記載の炭酸ガスの海洋への処理システム。
8. 【請求項８】　　多重送入管の内管部分を深海の水圧と
   同じ又はその圧力以上に維持した状態で、前記水和物を
   フィ−ダにより内管に送出することを特徴とする請求項
   ５ないし７記載の炭酸ガスの海洋への処理システム。
9. 【請求項９】　　フィ−ダがフレキシブルスクリュ−フ
   ィ−ダであることを特徴とする請求項８記載の炭酸ガス
   の海洋への処理システム。
10. 【請求項１０】　　多重移送管を介して冷却用深海水を
    ポンプ吸引側に導入して深海水を深海から海上へと循環
    させ、海上においてポンプ吐出側に前記水和物を混入し
    てスラリ−として深海に吐出することを特徴とする請求
    項５ないし９記載の装置を用いた炭酸ガスの海洋への処
    理イステム。
11. 【請求項１１】　　温度１０℃以下で炭酸ガスが液相と
    なる圧力条件の下にある水和物生成用圧力容器をさらに
    有することを特徴とする請求項５ないし１０記載の炭酸
    ガスの海洋への処理システム。
12. 【請求項１２】　　未反応の液化炭酸ガスを水と接触さ
    せるための混合・攪拌手段をさらに具備したことを特徴
    とする請求項１１記載の炭酸ガスの海洋への処理システ
    ム。
13. 【請求項１３】　　圧力容器内の水に、水より密度の小
    さい液化炭酸ガスを吹き込み水和物を生成させ、水面に
    浮上した水和物をスクレパ−で水面から水切りして回収
    し、前記多重送入管により深海に移送する手段をさらに
    有することを特徴とする請求項５ないし１１記載の炭酸
    ガスの海洋への処理システム。
14. 【請求項１４】　　水和物を回収して、水和物生成時に
    抱き込んだ液化炭酸ガス及び付着水を脱離して、前記多
    重送入管により深海に移送する手段をさらに有すること
    を特徴とする請求項１２記載の炭酸ガスの海洋への処理
    システム。
15. 【請求項１５】　　請求項１ないし４記載の炭酸ガスの
    海洋への処理方法を排ガスの処理方法として用いる、火
    力発電により発生する排ガスの処理方法。
16. 【請求項１６】　　請求項５ないし１５記載の炭酸ガス
    の海洋への処理システムを排ガスの処理手段として用い
    る、火力発電により発生する排ガスの処理システム。