二酸化炭素分離装置
【課題】コストの上昇を抑制した状態で、排ガスより二酸化炭素を分離・回収できるようにする。
【解決手段】二酸化炭素分離装置１００は、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材１０１および第２吸収材１０２と、第１吸収材１０１が配置される第１ガス流通経路１０３と、第２吸収材１０２が配置される第２ガス流通経路１０４と、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源１０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路１０３に導入する排ガス導入経路１０６とを備える。
【解決手段】二酸化炭素分離装置１００は、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材１０１および第２吸収材１０２と、第１吸収材１０１が配置される第１ガス流通経路１０３と、第２吸収材１０２が配置される第２ガス流通経路１０４と、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源１０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路１０３に導入する排ガス導入経路１０６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を含んだ排ガスより二酸化炭素を分離・回収する二酸化炭素分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素は、地球温暖化の原因となる温室効果ガスの一つとして、排出量削減が課題とされている。二酸化炭素の大気中への排出量を削減する方法としては、例えば、火力発電所やガソリンエンジンなどの、二酸化炭素を含有する排ガスを排出する二酸化炭素排出源において、排ガス中の二酸化炭素を分離・回収することにより、排出される排ガス中に二酸化炭素を含まなくする方法がある。このような二酸化炭素の分離・回収の技術として、化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、吸着分離法が実用化段階にあるとされている（非特許文献１参照）。例えば、アミン系の吸着液を用いた化学吸収法は、火力発電所などの大規模な二酸化炭素排出源からの回収に実用化されている。
【０００３】
しかしながら、燃料電池のような、火力発電所などに比べて小型の規模でありながら、二酸化炭素を高濃度で含有する高温の排ガスを常圧（大気圧）で排出する排出源においては、上述した二酸化炭素の分離・回収技術にいくつかの問題がある。
【０００４】
まず、アミン系の吸収液を用いる化学吸収法では、吸着液が二酸化炭素を分離・回収する温度が４０〜５０℃であるため、高温の排ガスを一旦冷却してから分離・回収する必要がある。
【０００５】
また、物理吸収法、吸着分離法、膜分離法では、高濃度の二酸化炭素の排ガスに用いることができるが、まず、効率の良い二酸化炭素の分離・回収には高圧が必要であり、また、この場合においても、高温の排ガスを一旦冷却してから分離・回収する必要がある。
【０００６】
ところが、例えば、出力が数〜数十ｋＷの固体酸化物形燃料電池では、火力発電所などに比べて小規模でありながら、二酸化炭素を高濃度で含有する高温の排ガスを、高圧状態ではない常圧（大気圧）で排出する二酸化炭素排出源である。このため、上述した分離・回収技術では、排ガスを冷却し、また、高圧にするなどの工程が必要となり、二酸化炭素を容易に分離・回収することができないという問題がある。
【０００７】
高温で二酸化炭素を吸収できる固体の二酸化炭素吸収材を用いることができれば、毒性のないドライプロセスで高純度の二酸化炭素回収が可能となる。さらに、燃料電池、特に運転温度の高い固体酸化物形燃料電池においては、運転温度と近い反応温度を持つ二酸化炭素吸収材を用いた二酸化炭素分離・回収プロセスの実現により、二酸化炭素を吸収された後の排ガスも高温であることから、排ガスの熱を活用したメタン改質など付加価値を有するシステムを組めることが可能となる。このため、固体の二酸化炭素吸収材を用いることで、固体酸化物形燃料電池による発電システムなどの小規模の二酸化炭素排出源からの二酸化炭素回収のためのエネルギー収支においても、アミン系吸収液などより優位なシステムが実現可能になる。
【０００８】
固体吸収材を用いた二酸化炭素分離装置としては、複数の提案が成されている（特許文献１，特許文献２参照）。しかしながら、二酸化炭素を回収する排ガスを、二酸化炭素吸収材の吸収温度に合わせるための加熱の必要性や、ボイラーの排ガス温度が特定の温度になる領域にのみに設置するなど、エネルギー収支、設置自由度の面で課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１６１２２０号公報
【特許文献２】特開２００５−０７５６８３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】財団法人地球環境産業技術研究機構 編、「図解 ＣＯ2貯留テクノロジー」、株式会社工業調査会、初版２刷、２００８年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、従来では、二酸化炭素の吸収を行う排ガスを、二酸化炭素吸収材の吸収温度に合わせて加熱し、また、冷却するなど、エネルギー収支の面でコストの上昇を招くなどの問題がある。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コストの上昇を抑制した状態で、排ガスより二酸化炭素を分離・回収できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る二酸化炭素分離装置は、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材および第２吸収材と、第１吸収材が配置される第１ガス流通経路と、第２吸収材が配置される第２ガス流通経路と、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源より排出される排ガスを第１ガス流通経路に導入する排ガス導入経路と、第２ガス流通経路にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、第２ガス流通経路に配置されている二酸化炭素を吸収している第２吸収材を第２温度に加熱する加熱手段とを少なくとも備える。
【００１４】
上記二酸化炭素分離装置において、第１温度は、５００〜７００℃の範囲である。また、リチウム複合酸化物は、リチウムシリケートであればよい。
【００１５】
上記二酸化炭素分離装置において、キャリアガス供給手段は、第２ガス流通経路より放出された一部の二酸化炭素をキャリアガスとして供給するようにしてもよい。また、キャリアガス供給手段が供給するキャリアガスを加熱する加熱手段を備えるようにしてもよい。また、第１ガス流通経路で二酸化炭素を吸収した第１吸収材と、第２ガス流通経路で二酸化炭素を放出した第２吸収材とを循環して入れ替える移送手段を備えるようにしてもよい。例えば、第１吸収材を収納する第１収納容器および第２吸収材を収納する第２収納容器を備え、移送手段は、第１収納容器と、第２収納容器とを循環して入れ替えるようにすればよい。
【００１６】
上記二酸化炭素分離装置において、排ガス導入経路の接続先を第１ガス流通経路および第２ガス流通経路のいずれかに切り替える第１切り替え手段と、キャリアガス供給手段の接続先を第２ガス流通経路および第１ガス流通経路のいずれかに切り替える第２切り替え手段とを備えるようにしてもよい。なお、排出源は、燃料電池であり、例えば、燃料電池は、運転温度が７００〜８５０℃の範囲の固体酸化物形燃料電池である。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、二酸化炭素を含み、吸収材が二酸化炭素を吸収する第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源より排出される排ガスを第１ガス流通経路に導入するようにしたので、コストの上昇を抑制した状態で、排ガスより二酸化炭素を分離・回収できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における二酸化炭素分離装置の動作を説明する説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態３における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３における二酸化炭素分離装置の動作を説明する説明図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態４における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態における二酸化炭素分離装置１００の構成を示す構成図である。二酸化炭素分離装置１００は、まず、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材１０１および第２吸収材１０２と、第１吸収材１０１が配置される第１ガス流通経路１０３と、第２吸収材１０２が配置される第２ガス流通経路１０４とを備える。
【００２１】
また、二酸化炭素分離装置１００は、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源１０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路１０３に導入する排ガス導入経路１０６と、第２ガス流通経路１０４にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部１０７と、第２ガス流通経路１０４に配置されている二酸化炭素を吸収している第２吸収材１０２を第２温度に加熱する加熱部１０８とを備える。
【００２２】
キャリアガス供給部１０７は、例えば、二酸化炭素を収容したボンベを備え、このボンベよりキャリアガスとして二酸化炭素を供給する。また、キャリアガス供給部１０７は、第２ガス流通経路１０４より放出される二酸化炭素の一部を循環させて第２ガス流通経路１０４に供給する形態としてもよい。
【００２３】
第１ガス流通経路１０３は、排出源１０５からの排ガスの温度（第１温度）を保ち、二酸化炭素を吸収する反応温度を保つために断熱機構が施されている。第２ガス流通経路１０４は、二酸化炭素を放出する反応温度（第２温度）を得るために、断熱機構を備える。加えて、放出の過程では、吸収過程に必要な温度より高い温度とする必要があるため、加熱部１０８も備えている。
【００２４】
次に、本実施の形態における二酸化炭素分離装置の動作について図２を用いて説明する。まず、図２の（ａ）に示すように、初期状態では、第１吸収材１０１は二酸化炭素を吸収していない状態「吸収材」であり、第２吸収材１０２は、二酸化炭素を吸収している状態「二酸化炭素を吸収した吸収材」である。
【００２５】
動作開始時のステップでは、図２の（ｂ）に示すように、排出源１０５からの排ガスは、排ガス導入経路１０６を経由し、第１ガス流通経路１０３の「吸収材」の状態の第１吸収材１０１に供給され、二酸化炭素が吸収され、二酸化炭素吸収後の排ガスが第１ガス流通経路１０３より排出される。
【００２６】
また、キャリアガス供給部１０７からのキャリアガスが、第２ガス流通経路１０４の「二酸化炭素を吸収した吸収材」の状態で加熱部１０８により加熱されている第２吸収材１０２に供給され、放出された二酸化炭素を移送する。
【００２７】
上述した二酸化炭素の吸収および二酸化炭素の放出を続けると、次のステップでは、図２の（ｃ）に示すように、第１吸収材１０１では二酸化炭素の吸収が終了して「二酸化炭素を吸収した吸収材」となり、第２吸収材１０２では二酸化炭素の放出が終了して「吸収材」となる（再生）。この状態で、各ガスの流通を停止する。
【００２８】
次のステップでは、図２の（ｄ）に示すように、二酸化炭素を吸収した第１吸収材１０１と再生された第２吸収材１０２とを交換し、第１ガス流通経路１０３には、「吸収材」の状態の第２吸収材１０２を配置し、第２ガス流通経路１０４には、「二酸化炭素を吸収した吸収材」の第１吸収材１０１を配置する。言い換えると、吸収および放出をした後で、二酸化炭素を吸収した第１吸収材１０１を第２吸収材１０２とし、再生した第２吸収材１０２を第１吸収材１０１とすることで、初期状態とする。この後、前述した各ステップを繰り返すことで、二酸化炭素の分離・回収が実現できる。
【００２９】
上述した本実施の形態によれば、用いる二酸化炭素吸収材で二酸化炭素の吸収が行われる第１温度で大気圧状態の排ガスが、排出源１０５より排出されて導入されるので、二酸化炭素の吸収を行う排ガスを加熱し、また、冷却するなどコストの上昇を招くことなく、排ガスより二酸化炭素が分離・回収できるようになる。さらに、排ガス温度が特定の温度になる領域に設置するなどの排出源となる機器の改造の必要がなく、既存の排出源に本実施の形態における二酸化炭素分離装置を付加することが可能である。
【００３０】
ここで、上述した最後のステップにおける吸収材の交換は、どの様な方法で行ってもよく、例えば、各吸収材を各々収容容器に収容した状態で、収容容器ごと交換すればよい。この交換は、人為的に交換してもよく、また、機械によって自動的に交換しても良い。
【００３１】
また、第１吸収材１０１と第２吸収材１０２とを循環して入れ替える移送装置を用いるようにしてもよい。例えば、ベルトコンベアなどの流動床を用い、第１吸収材１０１と第２吸収材１０２とを循環して入れ替えるようにしてもよい。
【００３２】
また、第１ガス流通経路１０３と第２ガス流通経路１０４とを２組備え、一方の組で二酸化炭素の分離・回収を行っている状態で、他方の組では、第１吸収材１０１と第２吸収材１０２との入れ替えを行うことで、全体としてガスの流通を停止せずに連続運転ができるようにしてもよい。
【００３３】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本発明の実施の形態２における二酸化炭素分離装置３００の構成を示す構成図である。二酸化炭素分離装置３００は、まず、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材１０１および第２吸収材１０２と、第１吸収材１０１が配置される第１ガス流通経路１０３と、第２吸収材１０２が配置される第２ガス流通経路１０４とを備える。
【００３４】
また、二酸化炭素分離装置３００は、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源１０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路１０３に導入する排ガス導入経路１０６と、第２吸収材１０２を第２温度に加熱する加熱部１０８とを備える。上述した各構成は、前述した実施の形態１と同様である。
【００３５】
実施の形態２では、まず、第２ガス流通経路１０４より放出された一部の二酸化炭素をキャリアガスとして循環して第２ガス流通経路１０４に供給するキャリアガス供給部３０７を備える。加えて、キャリアガス供給部３０７が供給するキャリアガスを予熱する予熱部３０８を備える。従って、本実施の形態では、第２ガス流通経路１０４より放出された一部の二酸化炭素が、キャリアガス供給部３０７によって循環利用され、また、予熱部３０８により予熱されて第２ガス流通経路１０４に供給される。
【００３６】
予熱部３０８を備えることによって、二酸化炭素排出動作中の第２ガス流通経路１０４に入力されるキャリアガスは予熱されるため、第２ガス流通経路１０４で、二酸化炭素を吸収した第２吸収材１０２を二酸化炭素を放出する温度に加熱しているときに、温度の低下を防止することが可能となる。本実施の形態２における二酸化炭素分離回収工程は、予熱部３０８によるキャリアガスの予熱を除いては実施の形態１と同様である。
【００３７】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における二酸化炭素分離装置４００について説明する。図４は、本発明の実施の形態３における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。図４に示す二酸化炭素分離装置４００は、まず、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材１０１および第２吸収材１０２と、第１吸収材１０１が配置される第１ガス流通経路１０３と、第２吸収材１０２が配置される第２ガス流通経路１０４とを備える。
【００３８】
また、二酸化炭素分離装置４００は、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源１０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路１０３に導入する排ガス導入経路１０６と、第２ガス流通経路１０４にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部３０７と、キャリアガス供給部３０７が供給するキャリアガスを予熱する予熱部３０８と、第２ガス流通経路１０４に配置されている二酸化炭素を吸収している第２吸収材１０２を第２温度に加熱する加熱部１０８とを備える。
【００３９】
上述した構成は、前述した実施の形態２と同様である。なお、本実施の形態では、加熱部１０８は、第１ガス流通経路１０３に配置されている二酸化炭素を吸収している第１吸収材１０１も、第２温度に加熱する。
【００４０】
本実施の形態では、排ガス導入経路１０６の接続先を第１ガス流通経路１０３および第２ガス流通経路１０４のいずれかに切り替える第１切り替え手段と、キャリアガス供給部３０７の接続先を第２ガス流通経路１０４および第１ガス流通経路１０３のいずれかに切り替える第２切り替え手段とを備えるようにしている。
【００４１】
上述した切り替え手段について説明する。まず、排ガス導入経路１０６は、第１ガス流通経路１０３に接続する管路４０１、および第２ガス流通経路１０４に接続する管路４０２に分岐している。また、予熱部３０６を経由して供給するキャリアガスは、管路４０５および管路４０６に分岐し、管路４０５により第１ガス流通経路１０３に流れ、管路４０６により第２ガス流通経路１０４に流れる。
【００４２】
また、第１ガス流通経路１０３の排出側には、排ガス排出部１０１ａにつながる管路４０３と、二酸化炭素放出部１０２ａにつながる管路４０７とが接続されている。また、第２ガス流通経路１０４の排出側には、排ガス排出部１０１ａにつながる管路４０４と、二酸化炭素放出部１０２ａにつながる管路４０８とが接続されている。また、二酸化炭素放出部１０２ａにつながる管路は、途中で、キャリアガス供給部３０７に循環する経路に分岐している。
【００４３】
また、管路４０１には第１バルブ４１１が設けられ、管路４０２には第２バルブ４１２が設けられ、管路４０３には第３バルブ４１３が設けられ、管路４０４には第４バルブ４１４が設けられ、管路４０５には第５バルブ４１５が設けられ、管路４０６には第６バルブ４１６が設けられ、管路４０７には第７バルブ４１７が設けられ、管路４０８には第８バルブ４１８が設けられている。
【００４４】
管路４０１，第１バルブ４１１，管路４０２，第２バルブ４１２，管路４０３，第３バルブ４１３，管路４０４，および第４バルブ４１４により、第１切り替え手段が構成されている。また、管路４０５，第５バルブ４１５，管路４０６，第６バルブ４１６，管路４０７，第７バルブ４１７，管路４０８，および第８バルブ４１８により、第２切り替え手段が構成されている。
【００４５】
以下、各バルブの開閉切り替えによる経路の切り替え動作について説明する。まず、図５の（ａ）に示すように、第１バルブ４１１，第２バルブ４１２，第３バルブ４１３，第４バルブ４１４，第５バルブ４１５，第６バルブ４１６，第７バルブ４１７，第８バルブ４１８を、全て閉状態とすれば、ガスの流通は停止状態となる。この状態であれば、例えば、第１ガス流通経路１０３に、「吸収材」の状態の第１吸収材１０１を設置し、第２ガス流通経路１０４に、「二酸化炭素を吸収した吸収材」状態の第２吸収材１０２が設置できる。
【００４６】
次に、図５の（ｂ）に示すように、第１バルブ４１１，第３バルブ４１３，第６バルブ４１６，および第８バルブ４１８を開状態とし，第２バルブ４１２，第４バルブ４１４，第５バルブ４１５，および第７バルブ４１７を閉状態とする。これにより、排出源１０５は、管路４０１を介して第１ガス流通経路１０３に連通し、排ガス排出部１０１ａは、管路４０３を介して第１ガス流通経路１０３に連通する。また、予熱部３０６は、管路４０６を介して第２ガス流通経路１０４に連通し、二酸化炭素放出部１０２ａは、管路４０８を介して第２ガス流通経路１０４に連通する。
【００４７】
この状態では、排出源１０５からの排ガスは、排ガス導入経路１０６および管路４０１を経由し、第１ガス流通経路１０３の「吸収材」の状態の第１吸収材１０１に供給され、二酸化炭素が吸収された二酸化炭素吸収後の排ガスが、第１ガス流通経路１０３より管路４０３を経由して排ガス排出部１０１ａに排出される。また、キャリアガス供給部３０７からのキャリアガスが、管路４０６を経由し、第２ガス流通経路１０４の「二酸化炭素を吸収した吸収材」の状態で加熱部１０８により加熱されている第２吸収材１０２に供給され、放出された二酸化炭素を、管路４０８を経由して二酸化炭素放出部１０２ａに移送する。
【００４８】
上述した二酸化炭素の吸収および二酸化炭素の放出を続けると、次のステップでは、図５の（ｃ）に示すように、第１吸収材１０１では二酸化炭素の吸収が終了して「二酸化炭素を吸収した吸収材」となり、第２吸収材１０２では二酸化炭素の放出が終了して「吸収材」となる（再生）。この状態では、第１バルブ４１１，第２バルブ４１２，第３バルブ４１３，第４バルブ４１４，第５バルブ４１５，第６バルブ４１６，第７バルブ４１７，および第８バルブ４１８を全て閉状態とし、各ガスの流通を停止する。
【００４９】
次に、図５の（ｄ）に示すように、第２バルブ４１２，第４バルブ４１４，第５バルブ４１５，および第７バルブ４１７を開状態とし，第１バルブ４１１，第３バルブ４１３，第６バルブ４１６，および第８バルブ４１８を閉状態とする。
【００５０】
これにより、排出源１０５は、管路４０２を介して第２ガス流通経路１０４に連通し、排ガス排出部１０１ａは、管路４０４を介して第２ガス流通経路１０４に連通する。また、予熱部３０６は、管路４０５を介して第１ガス流通経路１０３に連通し、二酸化炭素放出部１０２ａは、管路４０７を介して第１ガス流通経路１０３に連通する。
【００５１】
この状態では、排出源１０５からの排ガスは、排ガス導入経路１０６および管路４０２を経由し、第２ガス流通経路１０４の「吸収材」の状態の第２吸収材１０２に供給され、二酸化炭素が吸収されて二酸化炭素吸収後の排ガスが第２ガス流通経路１０４より管路４０４を経由して排ガス排出部１０１ａに排出される。
【００５２】
また、キャリアガス供給部３０７からのキャリアガスは、管路４０５を経由し、第１ガス流通経路１０３の「二酸化炭素を吸収した吸収材」の状態で加熱部１０８により加熱されている第１吸収材１０１に供給され、放出された二酸化炭素を、管路４０７を経由して二酸化炭素放出部１０２ａに移送する。
【００５３】
このように、本実施の形態では、各バルブの開閉状態を切り替えて流通経路を切り替えることで、第１ガス流通経路１０３と第２ガス流通経路１０４とにおいて、二酸化炭素吸収と二酸化炭素放出とを入れ替えて行うことを可能としている。なお、上述した各バルブの切り替え、および加熱部１０８による加熱対象の切り替えは、人為的に行ってもよく、機械によって自動的に行ってもよい。
【００５４】
第１ガス流通経路１０３と第２ガス流通経路１０４とにおける、二酸化炭素吸収と二酸化炭素放出との入れ替えを行う過程では、二酸化炭素の吸収と排出に必要な反応温度が異なるため、加熱状態を切り替えることとなる。加熱の状態の切り替えは、急速に行うことが容易ではなく、特に、冷却過程では時間を要するものとなり、結果として切り替えに時間がかかるため、二酸化炭素の分離・回収動作が停止する時間帯が発生する。
【００５５】
これに対し、第１ガス流通経路１０３および第２ガス流通経路１０４を２組備え、一方の組で二酸化炭素の分離・回収を行っている状態で、他方の組では、機能の切り替えを行うことで、全体としてガスの流通を停止せずに連続運転ができるようになる。
【００５６】
［実施の形態４]
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図６は、本発明の実施の形態における二酸化炭素分離装置６００の構成を示す構成図である。二酸化炭素分離装置６００は、まず、リチウムシリケートから構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材６０１および第２吸収材６０２と、第１吸収材６０１が配置される第１ガス流通経路６０３と、第２吸収材６０２が配置される第２ガス流通経路６０４とを備える。リチウムシリケートは、二酸化炭素吸収の反応温度領域が５００〜７００℃であり、二酸化炭素放出の反応温度領域が７００〜８５０℃のものである。
【００５７】
また、二酸化炭素分離装置６００は、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する燃料電池６０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路６０３に導入する排ガス導入経路６０６と、第２ガス流通経路６０４にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部６０７と、第２ガス流通経路６０４に配置されている二酸化炭素を吸収している第２吸収材６０２を第２温度に加熱する加熱部６０８とを備える。燃料電池６０５は、例えば、運転温度が７００〜８５０℃の範囲の固体酸化物形燃料電池である。
【００５８】
キャリアガス供給部６０７は、例えば、二酸化炭素を収容したボンベを備え、このボンベよりキャリアガスとして二酸化炭素を供給する。また、キャリアガス供給部６０７は、第２ガス流通経路６０４より放出される二酸化炭素の一部を循環させて第２ガス流通経路６０４に供給する形態としてもよい。
【００５９】
第１ガス流通経路６０３は、燃料電池６０５からの排ガスの温度（第１温度）を保ち、二酸化炭素を吸収する反応温度を保つために断熱機構が施されている。第２ガス流通経路６０４は、二酸化炭素を放出する反応温度（第２温度）を得るために、断熱機構を備える。加えて、放出の過程では、吸収過程に必要な温度より高い温度とする必要があるため、加熱部６０８も備えている。
【００６０】
次に、本実施の形態における二酸化炭素分離装置の動作について図２を用いて説明する。まず、図２の（ａ）に示すように、初期状態では、第１吸収材６０１は二酸化炭素を吸収していない状態「吸収材」であり、第２吸収材６０２は、二酸化炭素を吸収している状態「二酸化炭素を吸収した吸収材」である。
【００６１】
動作開始時のステップでは、図２の（ｂ）に示すように、燃料電池６０５からの排ガスは、排ガス導入経路６０６を経由し、第１ガス流通経路６０３の「吸収材」の状態の第１吸収材６０１に供給され、二酸化炭素が吸収され、二酸化炭素吸収後の排ガスが第１ガス流通経路６０３より排出される。
【００６２】
また、キャリアガス供給部６０７からのキャリアガスが、第２ガス流通経路６０４の「二酸化炭素を吸収した吸収材」の状態で加熱部６０８により加熱されている第２吸収材６０２に供給され、放出された二酸化炭素を移送する。
【００６３】
上述した二酸化炭素の吸収および二酸化炭素の放出を続けると、次のステップでは、図２の（ｃ）に示すように、第１吸収材６０１では二酸化炭素の吸収が終了して「二酸化炭素を吸収した吸収材」となり、第２吸収材６０２では二酸化炭素の放出が終了して「吸収材」となる（再生）。この状態で、各ガスの流通を停止する。
【００６４】
次のステップでは、図２の（ｄ）に示すように、二酸化炭素を吸収した第１吸収材６０１と再生された第２吸収材６０２とを交換し、第１ガス流通経路６０３には、「吸収材」の状態の第２吸収材６０２を配置し、第２ガス流通経路６０４には、「二酸化炭素を吸収した吸収材」の第１吸収材６０１を配置する。言い換えると、吸収および放出をした後で、二酸化炭素を吸収した第１吸収材６０１を第２吸収材６０２とし、再生した第２吸収材６０２を第１吸収材６０１とすることで、初期状態とする。この後、前述した各ステップを繰り返すことで、二酸化炭素の分離・回収が実現できる。
【００６５】
上述した本実施の形態によれば、用いる二酸化炭素吸収材で二酸化炭素の吸収が行われる第１温度で大気圧状態の排ガスが、燃料電池６０５より排出されて導入されるので、二酸化炭素の吸収を行う排ガスを加熱し、また、冷却するなどコストの上昇を招くことなく、排ガスより二酸化炭素が分離・回収できるようになる。
【００６６】
ここで、上述した最後のステップにおける吸収材の交換は、どの様な方法で行ってもよく、例えば、各吸収材を各々収容容器に収容した状態で、収容容器ごと交換すればよい。この交換は、人為的に交換しても良く、また、機械によって自動的に交換しても良い。
【００６７】
また、第１吸収材６０１と第２吸収材６０２とを循環して入れ替える移送装置を用いるようにしてもよい。例えば、ベルトコンベアなどの流動床を用い、第１吸収材６０１と第２吸収材６０２とを循環して入れ替えるようにしてもよい。
【００６８】
また、第１ガス流通経路６０３と第２ガス流通経路６０４とを２組備え、一方の組で二酸化炭素の分離・回収を行っている状態で、他方の組では、第１吸収材６０１と第２吸収材６０２との入れ替えを行うことで、全体としてガスの流通を停止せずに連続運転ができるようにしてもよい。
【００６９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００７０】
１００…二酸化炭素分離装置、１０１…第１吸収材、１０２…第２吸収材、１０３…第１ガス流通経路、１０４…第２ガス流通経路、１０５…排出源、１０６…排ガス導入経路、１０７…キャリアガス供給部、１０８…加熱部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を含んだ排ガスより二酸化炭素を分離・回収する二酸化炭素分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素は、地球温暖化の原因となる温室効果ガスの一つとして、排出量削減が課題とされている。二酸化炭素の大気中への排出量を削減する方法としては、例えば、火力発電所やガソリンエンジンなどの、二酸化炭素を含有する排ガスを排出する二酸化炭素排出源において、排ガス中の二酸化炭素を分離・回収することにより、排出される排ガス中に二酸化炭素を含まなくする方法がある。このような二酸化炭素の分離・回収の技術として、化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、吸着分離法が実用化段階にあるとされている（非特許文献１参照）。例えば、アミン系の吸着液を用いた化学吸収法は、火力発電所などの大規模な二酸化炭素排出源からの回収に実用化されている。
【０００３】
しかしながら、燃料電池のような、火力発電所などに比べて小型の規模でありながら、二酸化炭素を高濃度で含有する高温の排ガスを常圧（大気圧）で排出する排出源においては、上述した二酸化炭素の分離・回収技術にいくつかの問題がある。
【０００４】
まず、アミン系の吸収液を用いる化学吸収法では、吸着液が二酸化炭素を分離・回収する温度が４０〜５０℃であるため、高温の排ガスを一旦冷却してから分離・回収する必要がある。
【０００５】
また、物理吸収法、吸着分離法、膜分離法では、高濃度の二酸化炭素の排ガスに用いることができるが、まず、効率の良い二酸化炭素の分離・回収には高圧が必要であり、また、この場合においても、高温の排ガスを一旦冷却してから分離・回収する必要がある。
【０００６】
ところが、例えば、出力が数〜数十ｋＷの固体酸化物形燃料電池では、火力発電所などに比べて小規模でありながら、二酸化炭素を高濃度で含有する高温の排ガスを、高圧状態ではない常圧（大気圧）で排出する二酸化炭素排出源である。このため、上述した分離・回収技術では、排ガスを冷却し、また、高圧にするなどの工程が必要となり、二酸化炭素を容易に分離・回収することができないという問題がある。
【０００７】
高温で二酸化炭素を吸収できる固体の二酸化炭素吸収材を用いることができれば、毒性のないドライプロセスで高純度の二酸化炭素回収が可能となる。さらに、燃料電池、特に運転温度の高い固体酸化物形燃料電池においては、運転温度と近い反応温度を持つ二酸化炭素吸収材を用いた二酸化炭素分離・回収プロセスの実現により、二酸化炭素を吸収された後の排ガスも高温であることから、排ガスの熱を活用したメタン改質など付加価値を有するシステムを組めることが可能となる。このため、固体の二酸化炭素吸収材を用いることで、固体酸化物形燃料電池による発電システムなどの小規模の二酸化炭素排出源からの二酸化炭素回収のためのエネルギー収支においても、アミン系吸収液などより優位なシステムが実現可能になる。
【０００８】
固体吸収材を用いた二酸化炭素分離装置としては、複数の提案が成されている（特許文献１，特許文献２参照）。しかしながら、二酸化炭素を回収する排ガスを、二酸化炭素吸収材の吸収温度に合わせるための加熱の必要性や、ボイラーの排ガス温度が特定の温度になる領域にのみに設置するなど、エネルギー収支、設置自由度の面で課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１６１２２０号公報
【特許文献２】特開２００５−０７５６８３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】財団法人地球環境産業技術研究機構 編、「図解 ＣＯ2貯留テクノロジー」、株式会社工業調査会、初版２刷、２００８年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、従来では、二酸化炭素の吸収を行う排ガスを、二酸化炭素吸収材の吸収温度に合わせて加熱し、また、冷却するなど、エネルギー収支の面でコストの上昇を招くなどの問題がある。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コストの上昇を抑制した状態で、排ガスより二酸化炭素を分離・回収できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る二酸化炭素分離装置は、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材および第２吸収材と、第１吸収材が配置される第１ガス流通経路と、第２吸収材が配置される第２ガス流通経路と、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源より排出される排ガスを第１ガス流通経路に導入する排ガス導入経路と、第２ガス流通経路にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、第２ガス流通経路に配置されている二酸化炭素を吸収している第２吸収材を第２温度に加熱する加熱手段とを少なくとも備える。
【００１４】
上記二酸化炭素分離装置において、第１温度は、５００〜７００℃の範囲である。また、リチウム複合酸化物は、リチウムシリケートであればよい。
【００１５】
上記二酸化炭素分離装置において、キャリアガス供給手段は、第２ガス流通経路より放出された一部の二酸化炭素をキャリアガスとして供給するようにしてもよい。また、キャリアガス供給手段が供給するキャリアガスを加熱する加熱手段を備えるようにしてもよい。また、第１ガス流通経路で二酸化炭素を吸収した第１吸収材と、第２ガス流通経路で二酸化炭素を放出した第２吸収材とを循環して入れ替える移送手段を備えるようにしてもよい。例えば、第１吸収材を収納する第１収納容器および第２吸収材を収納する第２収納容器を備え、移送手段は、第１収納容器と、第２収納容器とを循環して入れ替えるようにすればよい。
【００１６】
上記二酸化炭素分離装置において、排ガス導入経路の接続先を第１ガス流通経路および第２ガス流通経路のいずれかに切り替える第１切り替え手段と、キャリアガス供給手段の接続先を第２ガス流通経路および第１ガス流通経路のいずれかに切り替える第２切り替え手段とを備えるようにしてもよい。なお、排出源は、燃料電池であり、例えば、燃料電池は、運転温度が７００〜８５０℃の範囲の固体酸化物形燃料電池である。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、二酸化炭素を含み、吸収材が二酸化炭素を吸収する第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源より排出される排ガスを第１ガス流通経路に導入するようにしたので、コストの上昇を抑制した状態で、排ガスより二酸化炭素を分離・回収できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における二酸化炭素分離装置の動作を説明する説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態３における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３における二酸化炭素分離装置の動作を説明する説明図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態４における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態における二酸化炭素分離装置１００の構成を示す構成図である。二酸化炭素分離装置１００は、まず、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材１０１および第２吸収材１０２と、第１吸収材１０１が配置される第１ガス流通経路１０３と、第２吸収材１０２が配置される第２ガス流通経路１０４とを備える。
【００２１】
また、二酸化炭素分離装置１００は、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源１０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路１０３に導入する排ガス導入経路１０６と、第２ガス流通経路１０４にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部１０７と、第２ガス流通経路１０４に配置されている二酸化炭素を吸収している第２吸収材１０２を第２温度に加熱する加熱部１０８とを備える。
【００２２】
キャリアガス供給部１０７は、例えば、二酸化炭素を収容したボンベを備え、このボンベよりキャリアガスとして二酸化炭素を供給する。また、キャリアガス供給部１０７は、第２ガス流通経路１０４より放出される二酸化炭素の一部を循環させて第２ガス流通経路１０４に供給する形態としてもよい。
【００２３】
第１ガス流通経路１０３は、排出源１０５からの排ガスの温度（第１温度）を保ち、二酸化炭素を吸収する反応温度を保つために断熱機構が施されている。第２ガス流通経路１０４は、二酸化炭素を放出する反応温度（第２温度）を得るために、断熱機構を備える。加えて、放出の過程では、吸収過程に必要な温度より高い温度とする必要があるため、加熱部１０８も備えている。
【００２４】
次に、本実施の形態における二酸化炭素分離装置の動作について図２を用いて説明する。まず、図２の（ａ）に示すように、初期状態では、第１吸収材１０１は二酸化炭素を吸収していない状態「吸収材」であり、第２吸収材１０２は、二酸化炭素を吸収している状態「二酸化炭素を吸収した吸収材」である。
【００２５】
動作開始時のステップでは、図２の（ｂ）に示すように、排出源１０５からの排ガスは、排ガス導入経路１０６を経由し、第１ガス流通経路１０３の「吸収材」の状態の第１吸収材１０１に供給され、二酸化炭素が吸収され、二酸化炭素吸収後の排ガスが第１ガス流通経路１０３より排出される。
【００２６】
また、キャリアガス供給部１０７からのキャリアガスが、第２ガス流通経路１０４の「二酸化炭素を吸収した吸収材」の状態で加熱部１０８により加熱されている第２吸収材１０２に供給され、放出された二酸化炭素を移送する。
【００２７】
上述した二酸化炭素の吸収および二酸化炭素の放出を続けると、次のステップでは、図２の（ｃ）に示すように、第１吸収材１０１では二酸化炭素の吸収が終了して「二酸化炭素を吸収した吸収材」となり、第２吸収材１０２では二酸化炭素の放出が終了して「吸収材」となる（再生）。この状態で、各ガスの流通を停止する。
【００２８】
次のステップでは、図２の（ｄ）に示すように、二酸化炭素を吸収した第１吸収材１０１と再生された第２吸収材１０２とを交換し、第１ガス流通経路１０３には、「吸収材」の状態の第２吸収材１０２を配置し、第２ガス流通経路１０４には、「二酸化炭素を吸収した吸収材」の第１吸収材１０１を配置する。言い換えると、吸収および放出をした後で、二酸化炭素を吸収した第１吸収材１０１を第２吸収材１０２とし、再生した第２吸収材１０２を第１吸収材１０１とすることで、初期状態とする。この後、前述した各ステップを繰り返すことで、二酸化炭素の分離・回収が実現できる。
【００２９】
上述した本実施の形態によれば、用いる二酸化炭素吸収材で二酸化炭素の吸収が行われる第１温度で大気圧状態の排ガスが、排出源１０５より排出されて導入されるので、二酸化炭素の吸収を行う排ガスを加熱し、また、冷却するなどコストの上昇を招くことなく、排ガスより二酸化炭素が分離・回収できるようになる。さらに、排ガス温度が特定の温度になる領域に設置するなどの排出源となる機器の改造の必要がなく、既存の排出源に本実施の形態における二酸化炭素分離装置を付加することが可能である。
【００３０】
ここで、上述した最後のステップにおける吸収材の交換は、どの様な方法で行ってもよく、例えば、各吸収材を各々収容容器に収容した状態で、収容容器ごと交換すればよい。この交換は、人為的に交換してもよく、また、機械によって自動的に交換しても良い。
【００３１】
また、第１吸収材１０１と第２吸収材１０２とを循環して入れ替える移送装置を用いるようにしてもよい。例えば、ベルトコンベアなどの流動床を用い、第１吸収材１０１と第２吸収材１０２とを循環して入れ替えるようにしてもよい。
【００３２】
また、第１ガス流通経路１０３と第２ガス流通経路１０４とを２組備え、一方の組で二酸化炭素の分離・回収を行っている状態で、他方の組では、第１吸収材１０１と第２吸収材１０２との入れ替えを行うことで、全体としてガスの流通を停止せずに連続運転ができるようにしてもよい。
【００３３】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本発明の実施の形態２における二酸化炭素分離装置３００の構成を示す構成図である。二酸化炭素分離装置３００は、まず、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材１０１および第２吸収材１０２と、第１吸収材１０１が配置される第１ガス流通経路１０３と、第２吸収材１０２が配置される第２ガス流通経路１０４とを備える。
【００３４】
また、二酸化炭素分離装置３００は、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源１０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路１０３に導入する排ガス導入経路１０６と、第２吸収材１０２を第２温度に加熱する加熱部１０８とを備える。上述した各構成は、前述した実施の形態１と同様である。
【００３５】
実施の形態２では、まず、第２ガス流通経路１０４より放出された一部の二酸化炭素をキャリアガスとして循環して第２ガス流通経路１０４に供給するキャリアガス供給部３０７を備える。加えて、キャリアガス供給部３０７が供給するキャリアガスを予熱する予熱部３０８を備える。従って、本実施の形態では、第２ガス流通経路１０４より放出された一部の二酸化炭素が、キャリアガス供給部３０７によって循環利用され、また、予熱部３０８により予熱されて第２ガス流通経路１０４に供給される。
【００３６】
予熱部３０８を備えることによって、二酸化炭素排出動作中の第２ガス流通経路１０４に入力されるキャリアガスは予熱されるため、第２ガス流通経路１０４で、二酸化炭素を吸収した第２吸収材１０２を二酸化炭素を放出する温度に加熱しているときに、温度の低下を防止することが可能となる。本実施の形態２における二酸化炭素分離回収工程は、予熱部３０８によるキャリアガスの予熱を除いては実施の形態１と同様である。
【００３７】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における二酸化炭素分離装置４００について説明する。図４は、本発明の実施の形態３における二酸化炭素分離装置の構成を示す構成図である。図４に示す二酸化炭素分離装置４００は、まず、リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材１０１および第２吸収材１０２と、第１吸収材１０１が配置される第１ガス流通経路１０３と、第２吸収材１０２が配置される第２ガス流通経路１０４とを備える。
【００３８】
また、二酸化炭素分離装置４００は、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源１０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路１０３に導入する排ガス導入経路１０６と、第２ガス流通経路１０４にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部３０７と、キャリアガス供給部３０７が供給するキャリアガスを予熱する予熱部３０８と、第２ガス流通経路１０４に配置されている二酸化炭素を吸収している第２吸収材１０２を第２温度に加熱する加熱部１０８とを備える。
【００３９】
上述した構成は、前述した実施の形態２と同様である。なお、本実施の形態では、加熱部１０８は、第１ガス流通経路１０３に配置されている二酸化炭素を吸収している第１吸収材１０１も、第２温度に加熱する。
【００４０】
本実施の形態では、排ガス導入経路１０６の接続先を第１ガス流通経路１０３および第２ガス流通経路１０４のいずれかに切り替える第１切り替え手段と、キャリアガス供給部３０７の接続先を第２ガス流通経路１０４および第１ガス流通経路１０３のいずれかに切り替える第２切り替え手段とを備えるようにしている。
【００４１】
上述した切り替え手段について説明する。まず、排ガス導入経路１０６は、第１ガス流通経路１０３に接続する管路４０１、および第２ガス流通経路１０４に接続する管路４０２に分岐している。また、予熱部３０６を経由して供給するキャリアガスは、管路４０５および管路４０６に分岐し、管路４０５により第１ガス流通経路１０３に流れ、管路４０６により第２ガス流通経路１０４に流れる。
【００４２】
また、第１ガス流通経路１０３の排出側には、排ガス排出部１０１ａにつながる管路４０３と、二酸化炭素放出部１０２ａにつながる管路４０７とが接続されている。また、第２ガス流通経路１０４の排出側には、排ガス排出部１０１ａにつながる管路４０４と、二酸化炭素放出部１０２ａにつながる管路４０８とが接続されている。また、二酸化炭素放出部１０２ａにつながる管路は、途中で、キャリアガス供給部３０７に循環する経路に分岐している。
【００４３】
また、管路４０１には第１バルブ４１１が設けられ、管路４０２には第２バルブ４１２が設けられ、管路４０３には第３バルブ４１３が設けられ、管路４０４には第４バルブ４１４が設けられ、管路４０５には第５バルブ４１５が設けられ、管路４０６には第６バルブ４１６が設けられ、管路４０７には第７バルブ４１７が設けられ、管路４０８には第８バルブ４１８が設けられている。
【００４４】
管路４０１，第１バルブ４１１，管路４０２，第２バルブ４１２，管路４０３，第３バルブ４１３，管路４０４，および第４バルブ４１４により、第１切り替え手段が構成されている。また、管路４０５，第５バルブ４１５，管路４０６，第６バルブ４１６，管路４０７，第７バルブ４１７，管路４０８，および第８バルブ４１８により、第２切り替え手段が構成されている。
【００４５】
以下、各バルブの開閉切り替えによる経路の切り替え動作について説明する。まず、図５の（ａ）に示すように、第１バルブ４１１，第２バルブ４１２，第３バルブ４１３，第４バルブ４１４，第５バルブ４１５，第６バルブ４１６，第７バルブ４１７，第８バルブ４１８を、全て閉状態とすれば、ガスの流通は停止状態となる。この状態であれば、例えば、第１ガス流通経路１０３に、「吸収材」の状態の第１吸収材１０１を設置し、第２ガス流通経路１０４に、「二酸化炭素を吸収した吸収材」状態の第２吸収材１０２が設置できる。
【００４６】
次に、図５の（ｂ）に示すように、第１バルブ４１１，第３バルブ４１３，第６バルブ４１６，および第８バルブ４１８を開状態とし，第２バルブ４１２，第４バルブ４１４，第５バルブ４１５，および第７バルブ４１７を閉状態とする。これにより、排出源１０５は、管路４０１を介して第１ガス流通経路１０３に連通し、排ガス排出部１０１ａは、管路４０３を介して第１ガス流通経路１０３に連通する。また、予熱部３０６は、管路４０６を介して第２ガス流通経路１０４に連通し、二酸化炭素放出部１０２ａは、管路４０８を介して第２ガス流通経路１０４に連通する。
【００４７】
この状態では、排出源１０５からの排ガスは、排ガス導入経路１０６および管路４０１を経由し、第１ガス流通経路１０３の「吸収材」の状態の第１吸収材１０１に供給され、二酸化炭素が吸収された二酸化炭素吸収後の排ガスが、第１ガス流通経路１０３より管路４０３を経由して排ガス排出部１０１ａに排出される。また、キャリアガス供給部３０７からのキャリアガスが、管路４０６を経由し、第２ガス流通経路１０４の「二酸化炭素を吸収した吸収材」の状態で加熱部１０８により加熱されている第２吸収材１０２に供給され、放出された二酸化炭素を、管路４０８を経由して二酸化炭素放出部１０２ａに移送する。
【００４８】
上述した二酸化炭素の吸収および二酸化炭素の放出を続けると、次のステップでは、図５の（ｃ）に示すように、第１吸収材１０１では二酸化炭素の吸収が終了して「二酸化炭素を吸収した吸収材」となり、第２吸収材１０２では二酸化炭素の放出が終了して「吸収材」となる（再生）。この状態では、第１バルブ４１１，第２バルブ４１２，第３バルブ４１３，第４バルブ４１４，第５バルブ４１５，第６バルブ４１６，第７バルブ４１７，および第８バルブ４１８を全て閉状態とし、各ガスの流通を停止する。
【００４９】
次に、図５の（ｄ）に示すように、第２バルブ４１２，第４バルブ４１４，第５バルブ４１５，および第７バルブ４１７を開状態とし，第１バルブ４１１，第３バルブ４１３，第６バルブ４１６，および第８バルブ４１８を閉状態とする。
【００５０】
これにより、排出源１０５は、管路４０２を介して第２ガス流通経路１０４に連通し、排ガス排出部１０１ａは、管路４０４を介して第２ガス流通経路１０４に連通する。また、予熱部３０６は、管路４０５を介して第１ガス流通経路１０３に連通し、二酸化炭素放出部１０２ａは、管路４０７を介して第１ガス流通経路１０３に連通する。
【００５１】
この状態では、排出源１０５からの排ガスは、排ガス導入経路１０６および管路４０２を経由し、第２ガス流通経路１０４の「吸収材」の状態の第２吸収材１０２に供給され、二酸化炭素が吸収されて二酸化炭素吸収後の排ガスが第２ガス流通経路１０４より管路４０４を経由して排ガス排出部１０１ａに排出される。
【００５２】
また、キャリアガス供給部３０７からのキャリアガスは、管路４０５を経由し、第１ガス流通経路１０３の「二酸化炭素を吸収した吸収材」の状態で加熱部１０８により加熱されている第１吸収材１０１に供給され、放出された二酸化炭素を、管路４０７を経由して二酸化炭素放出部１０２ａに移送する。
【００５３】
このように、本実施の形態では、各バルブの開閉状態を切り替えて流通経路を切り替えることで、第１ガス流通経路１０３と第２ガス流通経路１０４とにおいて、二酸化炭素吸収と二酸化炭素放出とを入れ替えて行うことを可能としている。なお、上述した各バルブの切り替え、および加熱部１０８による加熱対象の切り替えは、人為的に行ってもよく、機械によって自動的に行ってもよい。
【００５４】
第１ガス流通経路１０３と第２ガス流通経路１０４とにおける、二酸化炭素吸収と二酸化炭素放出との入れ替えを行う過程では、二酸化炭素の吸収と排出に必要な反応温度が異なるため、加熱状態を切り替えることとなる。加熱の状態の切り替えは、急速に行うことが容易ではなく、特に、冷却過程では時間を要するものとなり、結果として切り替えに時間がかかるため、二酸化炭素の分離・回収動作が停止する時間帯が発生する。
【００５５】
これに対し、第１ガス流通経路１０３および第２ガス流通経路１０４を２組備え、一方の組で二酸化炭素の分離・回収を行っている状態で、他方の組では、機能の切り替えを行うことで、全体としてガスの流通を停止せずに連続運転ができるようになる。
【００５６】
［実施の形態４]
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図６は、本発明の実施の形態における二酸化炭素分離装置６００の構成を示す構成図である。二酸化炭素分離装置６００は、まず、リチウムシリケートから構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材６０１および第２吸収材６０２と、第１吸収材６０１が配置される第１ガス流通経路６０３と、第２吸収材６０２が配置される第２ガス流通経路６０４とを備える。リチウムシリケートは、二酸化炭素吸収の反応温度領域が５００〜７００℃であり、二酸化炭素放出の反応温度領域が７００〜８５０℃のものである。
【００５７】
また、二酸化炭素分離装置６００は、二酸化炭素を含み、第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する燃料電池６０５より排出される排ガスを第１ガス流通経路６０３に導入する排ガス導入経路６０６と、第２ガス流通経路６０４にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部６０７と、第２ガス流通経路６０４に配置されている二酸化炭素を吸収している第２吸収材６０２を第２温度に加熱する加熱部６０８とを備える。燃料電池６０５は、例えば、運転温度が７００〜８５０℃の範囲の固体酸化物形燃料電池である。
【００５８】
キャリアガス供給部６０７は、例えば、二酸化炭素を収容したボンベを備え、このボンベよりキャリアガスとして二酸化炭素を供給する。また、キャリアガス供給部６０７は、第２ガス流通経路６０４より放出される二酸化炭素の一部を循環させて第２ガス流通経路６０４に供給する形態としてもよい。
【００５９】
第１ガス流通経路６０３は、燃料電池６０５からの排ガスの温度（第１温度）を保ち、二酸化炭素を吸収する反応温度を保つために断熱機構が施されている。第２ガス流通経路６０４は、二酸化炭素を放出する反応温度（第２温度）を得るために、断熱機構を備える。加えて、放出の過程では、吸収過程に必要な温度より高い温度とする必要があるため、加熱部６０８も備えている。
【００６０】
次に、本実施の形態における二酸化炭素分離装置の動作について図２を用いて説明する。まず、図２の（ａ）に示すように、初期状態では、第１吸収材６０１は二酸化炭素を吸収していない状態「吸収材」であり、第２吸収材６０２は、二酸化炭素を吸収している状態「二酸化炭素を吸収した吸収材」である。
【００６１】
動作開始時のステップでは、図２の（ｂ）に示すように、燃料電池６０５からの排ガスは、排ガス導入経路６０６を経由し、第１ガス流通経路６０３の「吸収材」の状態の第１吸収材６０１に供給され、二酸化炭素が吸収され、二酸化炭素吸収後の排ガスが第１ガス流通経路６０３より排出される。
【００６２】
また、キャリアガス供給部６０７からのキャリアガスが、第２ガス流通経路６０４の「二酸化炭素を吸収した吸収材」の状態で加熱部６０８により加熱されている第２吸収材６０２に供給され、放出された二酸化炭素を移送する。
【００６３】
上述した二酸化炭素の吸収および二酸化炭素の放出を続けると、次のステップでは、図２の（ｃ）に示すように、第１吸収材６０１では二酸化炭素の吸収が終了して「二酸化炭素を吸収した吸収材」となり、第２吸収材６０２では二酸化炭素の放出が終了して「吸収材」となる（再生）。この状態で、各ガスの流通を停止する。
【００６４】
次のステップでは、図２の（ｄ）に示すように、二酸化炭素を吸収した第１吸収材６０１と再生された第２吸収材６０２とを交換し、第１ガス流通経路６０３には、「吸収材」の状態の第２吸収材６０２を配置し、第２ガス流通経路６０４には、「二酸化炭素を吸収した吸収材」の第１吸収材６０１を配置する。言い換えると、吸収および放出をした後で、二酸化炭素を吸収した第１吸収材６０１を第２吸収材６０２とし、再生した第２吸収材６０２を第１吸収材６０１とすることで、初期状態とする。この後、前述した各ステップを繰り返すことで、二酸化炭素の分離・回収が実現できる。
【００６５】
上述した本実施の形態によれば、用いる二酸化炭素吸収材で二酸化炭素の吸収が行われる第１温度で大気圧状態の排ガスが、燃料電池６０５より排出されて導入されるので、二酸化炭素の吸収を行う排ガスを加熱し、また、冷却するなどコストの上昇を招くことなく、排ガスより二酸化炭素が分離・回収できるようになる。
【００６６】
ここで、上述した最後のステップにおける吸収材の交換は、どの様な方法で行ってもよく、例えば、各吸収材を各々収容容器に収容した状態で、収容容器ごと交換すればよい。この交換は、人為的に交換しても良く、また、機械によって自動的に交換しても良い。
【００６７】
また、第１吸収材６０１と第２吸収材６０２とを循環して入れ替える移送装置を用いるようにしてもよい。例えば、ベルトコンベアなどの流動床を用い、第１吸収材６０１と第２吸収材６０２とを循環して入れ替えるようにしてもよい。
【００６８】
また、第１ガス流通経路６０３と第２ガス流通経路６０４とを２組備え、一方の組で二酸化炭素の分離・回収を行っている状態で、他方の組では、第１吸収材６０１と第２吸収材６０２との入れ替えを行うことで、全体としてガスの流通を停止せずに連続運転ができるようにしてもよい。
【００６９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００７０】
１００…二酸化炭素分離装置、１０１…第１吸収材、１０２…第２吸収材、１０３…第１ガス流通経路、１０４…第２ガス流通経路、１０５…排出源、１０６…排ガス導入経路、１０７…キャリアガス供給部、１０８…加熱部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、前記第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材および第２吸収材と、
前記第１吸収材が配置される第１ガス流通経路と、
前記第２吸収材が配置される第２ガス流通経路と、
二酸化炭素を含み、前記第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源より排出される排ガスを前記第１ガス流通経路に導入する排ガス導入経路と、
前記第２ガス流通経路にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
前記第２ガス流通経路に配置されている二酸化炭素を吸収している前記第２吸収材を前記第２温度に加熱する加熱手段と
を少なくとも備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項２】
請求項１記載の二酸化炭素分離装置において、
前記第１温度は、５００〜７００℃の範囲であることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の二酸化炭素分離装置において、
前記リチウム複合酸化物は、リチウムシリケートであることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記キャリアガス供給手段は、前記第２ガス流通経路より放出された一部の二酸化炭素を前記キャリアガスとして供給することを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記キャリアガス供給手段が供給するキャリアガスを加熱する加熱手段を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記第１ガス流通経路で二酸化炭素を吸収した前記第１吸収材と、前記第２ガス流通経路で二酸化炭素を放出した前記第２吸収材とを循環して入れ替える移送手段を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項７】
請求項６記載の二酸化炭素分離装置において、
前記第１吸収材を収納する第１収納容器および前記第２吸収材を収納する第２収納容器を備え、
前記移送手段は、前記第１収納容器と、前記第２収納容器とを循環して入れ替えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記排ガス導入経路の接続先を前記第１ガス流通経路および前記第２ガス流通経路のいずれかに切り替える第１切り替え手段と、
前記前記キャリアガス供給手段の接続先を前記第２ガス流通経路および前記第１ガス流通経路のいずれかに切り替える第２切り替え手段と
を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記排出源は、燃料電池であることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項１０】
請求項９記載の二酸化炭素分離装置において、
前記燃料電池は、運転温度が７００〜８５０℃の範囲の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項１】
リチウム複合酸化物から構成され、第１温度で二酸化炭素を吸収し、前記第１温度より高温の第２温度で吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収材から構成された第１吸収材および第２吸収材と、
前記第１吸収材が配置される第１ガス流通経路と、
前記第２吸収材が配置される第２ガス流通経路と、
二酸化炭素を含み、前記第１温度で大気圧状態の排ガスを排出する排出源より排出される排ガスを前記第１ガス流通経路に導入する排ガス導入経路と、
前記第２ガス流通経路にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
前記第２ガス流通経路に配置されている二酸化炭素を吸収している前記第２吸収材を前記第２温度に加熱する加熱手段と
を少なくとも備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項２】
請求項１記載の二酸化炭素分離装置において、
前記第１温度は、５００〜７００℃の範囲であることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の二酸化炭素分離装置において、
前記リチウム複合酸化物は、リチウムシリケートであることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記キャリアガス供給手段は、前記第２ガス流通経路より放出された一部の二酸化炭素を前記キャリアガスとして供給することを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記キャリアガス供給手段が供給するキャリアガスを加熱する加熱手段を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記第１ガス流通経路で二酸化炭素を吸収した前記第１吸収材と、前記第２ガス流通経路で二酸化炭素を放出した前記第２吸収材とを循環して入れ替える移送手段を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項７】
請求項６記載の二酸化炭素分離装置において、
前記第１吸収材を収納する第１収納容器および前記第２吸収材を収納する第２収納容器を備え、
前記移送手段は、前記第１収納容器と、前記第２収納容器とを循環して入れ替えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記排ガス導入経路の接続先を前記第１ガス流通経路および前記第２ガス流通経路のいずれかに切り替える第１切り替え手段と、
前記前記キャリアガス供給手段の接続先を前記第２ガス流通経路および前記第１ガス流通経路のいずれかに切り替える第２切り替え手段と
を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の二酸化炭素分離装置において、
前記排出源は、燃料電池であることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【請求項１０】
請求項９記載の二酸化炭素分離装置において、
前記燃料電池は、運転温度が７００〜８５０℃の範囲の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２１７９５９（Ｐ２０１２−２１７９５９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８８０３９（Ｐ２０１１−８８０３９）
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
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