JPWO2017221322A1 - 二酸化炭素含有ガス回収装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許第4385424号公報に開示されている二酸化炭素濃縮装置は、電解質をしみ込ませた多孔質物質製電解質板を多孔質体製のカソードとアノードで両面から挟んでなる濃縮セルを用いて、カソードとアノード間に電位を与え、カソードに供給した原料ガスから電気化学反応によって炭酸イオンを生成し、当該炭酸イオンをアノードで電気化学反応させて二酸化炭素を選択的に分離させている。当該二酸化炭素と希釈用ガスとしての水蒸気又は窒素からなる混合ガスは、濃縮セル外に取り出され、水蒸気又は窒素を分離除去することによって、二酸化炭素含有ガスを回収している。
これに対し、本発明者は、以前、水に二酸化炭素含有ガスが溶け込むことに着目して、二酸化炭素含有ガスと水を撹拌し、二酸化炭素含有ガスを回収するようにした低コストの二酸化炭素含有ガス回収装置を発明した。
水の供給口と二酸化炭素含有ガスの導入口を設けた第1室と、水の排出口を設けた第2室と、第1室と第2室を連通する第3室とを有するポンプハウジングと、
一対の複葉ロータと、同ロータを駆動するモータからなり、第3室に設置された回転混合部を備え、
第1室に供給口から水を供給するとともに、導入口から二酸化炭素含有ガスを供給して水に二酸化炭素含有ガスを溶け込ませ、
二酸化炭素含有ガスの溶け込んだ水を回転混合部で第1室から第3室に圧送し、排出口から排出するようにしたことを特徴とする。
本発明を実施するための形態を説明するため、図1〜図5を添付し、当該図面にしたがって実施例を以下に示す。
図1は、当該実施例に係る二酸化炭素含有ガス回収装置10の構成の概略を示す正面図である。図2は、当該二酸化炭素含有ガス回収装置10の内部構造を説明するため、当該内部構造の構成の概略を示した内部構造正面図である。本図面では図1においてポンプハウジングの上に載置して示したモータの記載を省略している。図3は、図2に記載された二酸化炭素含有ガス回収装置10の内部構造について補足説明するため、当該内部構造の構成の概略を示した内部構造側面図である。
さらに、本実施例では、二酸化炭素含有ガスの回収効率を検証する実験を行った。当該実験では、二酸化炭素含有ガスの大規模発生源に替えて炭酸ガスボンベを使用し、規定水量を容易に把握するため水槽から水を供給するようにした。当該実験に係る実験装置及び実験環境の概略を示す説明図を図4に示し、当該実験の結果を図5に示す。
これによって、ポンプハウジング11は、第1室23の水と第2室26の水が隔壁20aによって混ざり合うことがなく、さらに第1室23から第2室26へ水を送るためには、第3室20を経由しなければならないように形成されている。
供給口15aのフランジには、図1に示すように、フランジ金具16のフランジが接続可能に対向配置されている。当該フランジ金具16には、ポンプハウジング11へ水を供給する水供給管17が接続されている。
ガス導入口24には、図3に示すように、ガス導入管30が接続されている。ガス導入管30は、開閉弁31を有している。当該開閉弁31を開放することによって、第1室23へ二酸化炭素含有ガスが導入される。
供給口15aから水を供給して第1室23内を水で満たし、ガス導入管30から二酸化炭素含有ガスを当該水へ吹き込んだとき、第1室23内の水中に二酸化炭素含有ガスを溶け込ませることができ、余剰の二酸化炭素含有ガスは、図2に示すように、気泡Aとして水中に存在している。
第1室23の下端には第1室23内の水を排水可能な水抜き穴25が形成されている。これにより、メンテナンス等の際に第1室23内に貯留する水を容易に排水することができる。
排出口15bのフランジには、図1に示すように、フランジ金具18のフランジが接続可能に対向配置されている。当該フランジ金具18には、ポンプハウジング11外へ水を排水する水排出管19が接続されている。
呼び水給水口27には、図3に示すように、呼び水給水管32の一端が接続されている。呼び水給水管32の他端には、呼び水給水栓33が嵌合されている。二酸化炭素含有ガス回収装置10を始動する際、呼び水給水管32からポンプハウジング11内へ呼び水が給水され、少なくとも第3室20内が水で満たされるようにポンプハウジング11には呼び水が溜められる。これによって、後述する六葉ロータ40,40の空転を防止することができる。
第2室26の下端には排水室23内の水を排水可能に水抜き穴28が形成されている。これにより、メンテナンス等の際にポンプハウジング11内の排水室23内に貯留する水を容易に排水することができる。
六葉ロータ40,40はそれぞれロータ軸41a,41bを有している。六葉ロータ40,40は、それぞれロータ軸41a,41を中心として放射状に6つの突出部が形成されている。六葉ロータ40,40を互いに反対方向へ回転させたとき、吸込口21側では、一の六葉ロータの隣り合う突出部と、他の六葉ロータの突出部の三辺によって囲堯された空間が形成される。当該空間は、六葉ロータ40,40の回転に伴って容積が減縮し、当該空間に取り込まれた水は加圧され、また気体は圧縮される。さらに六葉ロータ40,40が回転すると、形成された空間は吐出側で復元されて、水は減圧され、また気体は復元されて吐出口22から第3室20外へ吐出される。このように、六葉ロータ40,40が互いに反対方向へ回転することによって、加圧と減圧を繰り返しながら水及び二酸化炭素含有ガスを吸込口21側から吐出口22側へ送り出している。
また、ロータ軸41a,41bが第3室20を貫通する軸封部と、ベアリングユニット42,43との間には、第3室20の内外部を遮蔽するメカニカルシール50,50が設けられている。これによって、第3室20を密封することができる。
また、ロータ軸41bの一端にはギヤボックス44内でタイミングギア47が固定されている。
当該タイミングギア47は、図3に示すように、タイミングギア48が噛合されている。タイミングギア48は、ロータ軸41aに固定されているので、タイミングギア47からタイミングギア48を経てモータ12の駆動力をロータ軸41aへ伝導することができる。
タイミングギア47,48からなるタイミングギアユニットは、ギヤカバー49に覆われている。タイミングギアユニットが動作することによって、ロータ軸41aが正方向へ回転し、ロータ軸41bが逆方向へ回転するように形成されている。すなわち、ロータ軸41a,41bは、互いに反対方向へ対向回転するように形成されている。これによって、第3室20内で一対の六葉ロータ40,40は互いに反対方向へ対向回転し、吸込口21から吐出口22へ向かって第3室20内の液体を圧送することができる。
なお、本実施例において、二軸六葉式ポンプを採用した理由は、六葉ロータ40,40の場合、ロータの一回転で水と二酸化炭素含有ガスを加圧圧縮する回数が多く、二酸化炭素含有ガスの回収効率を上げることができるからである。
図1に表した矢印は、二酸化炭素含有ガス回収装置10へ供給され、また排出される水の流れを示すものである。当該矢印の向きにしたがって、水を水給水管17から給水口15aを介してポンプハウジング11内へ給水したとき、給水された水で満たされた第1室23内へガス導入口24から二酸化炭素含有ガスを吹き込むと、水中に二酸化炭素含有ガスが溶け込むと共に、溶け残った余剰の二酸化炭素含有ガスは、図2に示すように、水中で気泡Aとして多数存在することとなる。
気泡Aが気泡Bに微細化される際に、二酸化炭素含有ガスは六葉ロータ40,40の圧縮作用によってさらに水へ溶け込むこととなる。
一方、図2に示すように、第2室に有る溶け残った気泡Bについても、微細化された気泡Bに含まれる二酸化炭素含有ガスは、気泡Aに含まれていた二酸化炭素含有ガスよりも容積が小さいので、気泡Bが排出口15bから排出され、二酸化炭素含有ガスが大気中に放出された場合であっても、気泡Aがそのまま排出口15bから排出されるよりも二酸化炭素含有ガスの排出量を減らすことができる。
これによって、二酸化炭素含有ガス回収装置10は、二酸化炭素含有ガスを水に溶解することで化学吸収液又は多くの電力を消費する従来の方法と比べて、環境負荷を軽くし、省エネを図ることができる。
検証実験は、図4に示す実験環境の下で行った。二酸化炭素含有ガス回収装置10の水供給管17は、水槽100と水流量計101が接続されている。これによって、供給する水の流量を容易に把握することができる。ガス導入口24には、二酸化炭素含有ガスの発生源を接続する替わりに炭酸ガスボンベ102と、空気流量計104が接続されている。炭酸ガスボンベ102は、炭酸ガス調整弁103を有し、空気流量計104は、流入空気調整弁105を有している。炭酸ガス調整弁103と流入空気調整弁105を調整することによって、空気と炭酸ガスとの混合比率を調整して、二酸化炭素ガスの濃度を変化させた混合ガスを形成することができるので、実験の場合分けを容易に行うことができる。
ここで、火力発電所等の大規模発生源から排出される二酸化炭素含有ガスにおける二酸化炭素ガスの濃度は20%〜30%と想定して、これに合せて実験を行った。その他の実験条件は以下の通りである。
六葉ロータ40,40の回転速度:1700rpm
モータ12の定格出力:1.5kW
注水する水の水温:20℃
外気温:25℃
注水する水及びポンプハウジング11内に貯留する原水内の溶存二酸化炭素ガス量:18.2mg/L
二酸化炭素ガス密度:1.81g/L(25℃)
二酸化炭素ガス溶存量測定器:株式会社東興化学研究所 Ti−9004
1)実験A
注入二酸化炭素ガス量:10L/min、注入空気量:90L/min、注入水量:120L/min
二酸化炭素ガス濃度:10%
モータ12の出力:1.2kW
2)実験B
注入二酸化炭素ガス量:20L/min、注入空気量:80L/min、注入水量:130L/min
二酸化炭素ガス濃度:20%
モータ12の出力:1.2kW
3)実験C
注入二酸化炭素ガス量:30L/min、注入空気量:70L/min、注入水量:190L/min
二酸化炭素ガス濃度:30%
モータ12の出力:1.6kW
これに加えて、モータ12の出力で消費された電力を作り出すために排出された二酸化炭素の排出量は、596.4g/hとみなされるから、実験Aにおける二酸化炭素の総回収量は、−142.8g/hとなる。
これに加えて、モータ12の出力で消費された電力を作り出すために排出された二酸化炭素の排出量は、596.4g/hとみなされるから、実験Aにおける二酸化炭素の総回収量は、409.8g/hとなる。
これに加えて、駆動モータ12の出力で消費された電力を作り出すために排出された二酸化炭素の排出量は、795.2g/hとみなされるから、実験Aにおける二酸化炭素の総回収量は、703.9g/hとなる。
注入水内の二酸化炭素の量は、原水に18.2mg/Lの二酸化炭素が含まれ、1分間に190Lの割合で注水したことから、
注入水内二酸化炭素量=18.2[mg/L]×190[L/min]×60÷1000=207.5[g/h]
となる。
次に、ガス導入口24からポンプハウジング11内へ導入した空気内における二酸化炭素の量は、1分間に30Lの割合で注入し、実験環境下における二酸化炭素の密度が1.81g/Lであることから、
注入空気内二酸化炭素量=30[L/min]×1.81[g/L]×60=3258[g/h]
となる。
したがって、実験Cにおける全二酸化炭素注入量は、元々の水に含まれていた207.5g/hと注入した3258g/hを合せた3465.5g/hとなる。
一方、水中の二酸化炭素の測定値が149.7mg/Lであって、1分間に190Lの割合で注水したことから、水中に溶存した二酸化炭素量の合算測定値は、実験を行った1時間において、
溶存二酸化炭素測定値=149.7[mg/L]×190[L/min]÷1000×60=1706.6[g/h]
となる。
これによって、本実施例に係る二酸化炭素含有ガス回収装置10が水中に溶け込ませた二酸化炭素の量は、溶存二酸化炭素測定値から元々注入水内に有った二酸化炭素量207.5g/hを引いた量であるから、
溶解二酸化炭素量=1706.6[g/h]−207.5[g/h]=1499.1[g/h]
となる。
以上から、回収できずに大気に放出された二酸化炭素の量は、全二酸化炭素注入量から上記の溶解二酸化炭素量を引いた量となるから、
放出二酸化炭素量=3465.5[g/h]−1499.1[g/h]=1966.4[g/h]
となる。
これによって、本実施例に係る二酸化炭素含有ガス回収装置10の二酸化炭素回収率は、溶解させた二酸化炭素量と全二酸化炭素注入量とから、
二酸化炭素回収率=1499.1[g/h]÷3465.5[g/h]×100=43.3[%]
となる。
モータ12の二酸化炭素排出量=1.6[kW]×497[gCO2/kWh]=795.2[g/h]
となる。
そして、本実施例に係る二酸化炭素含有ガス回収装置10によって回収した二酸化炭素の量は1499.1g/hであるので、実験Cにおける二酸化炭素の総回収量は、
二酸化炭素総回収量=1499.1[g/h]−795.2[g/h]=703.9[g/h]
となる。
したがって、図4に示した実験環境のみならず、モータ12を動作させる電力を作り出すために排出された二酸化炭素まで考慮すると、都合703.9[g/h]の二酸化炭素を回収することができた。
これによって、単純に撹拌混合するよりも、より多くの二酸化炭素含有ガスを水に溶解させて二酸化炭素含有ガス水溶液を生成し、二酸化炭素含有ガスの回収効率を上げることができる。
11…ポンプハウジング、12…モータ、12a…駆動ローラ、13…伝動ベルト、14…基台、15a…供給口、15b…排出口、
16,18…フランジ金具、17…水供給管、19…水排出管、
20…第3室、20a…隔壁、21…吸込口、22…吐出口、23…第1室、24…ガス導入口、25,28…水抜き穴、26…第2室、27…呼び水給水口、
30…ガス導入管、31…開閉弁、32…呼び水給水管、33…呼び水給水栓、
40…六葉ロータ、41a,41b…ロータ軸、42…背面側ベアリングユニット、43…正面側ベアリングユニット、44…背面側ギヤボックス、45…正面側ギヤボックス、46…プーリ、46a…プーリ芯、47…ロータ軸41b側タイミングギア、48…ロータ軸41a側タイミングギア、49…ギヤカバー、
50…メカニカルシール、
100…水槽、101…水流量計、102…炭酸ガスボンベ、103…炭酸ガス調整弁、104…空気流量計、105…流入空気調整弁。
Claims (2)
- 二酸化炭素含有ガスを水に溶け込ませて回収する二酸化炭素含有ガス回収装置であって、
水の供給口と二酸化炭素含有ガスの導入口を設けた第1室と、水の排出口を設けた第2室と、第1室と第2室を連通する第3室とを有するポンプハウジングと、
一対の複葉ロータと、同ロータを駆動するモータからなり、第3室に設置された回転混合部を備え、
第1室に供給口から水を供給するとともに、導入口から二酸化炭素含有ガスを供給して水に二酸化炭素含有ガスを溶け込ませ、
二酸化炭素含有ガスの溶け込んだ水を回転混合部で第1室から第3室に圧送し、排出口から排出するようにしたことを特徴とする二酸化炭素含有ガス回収装置。 - 前記複葉ロータが、六葉ロータであって、前記回転混合部が、当該六葉ロータを二軸平行に配した二軸六葉式ポンプであることを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素含有ガス回収装置。
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