二酸化炭素回収システム
【課題】本発明の目的は、高濃度の二酸化炭素を得ることを可能とすることにある。
【解決手段】二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］、容器内二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］、実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］、二酸化炭素含有ガスの乾燥二酸化炭素濃度をＣ［％］、要求される回収二酸化炭素濃度をｘ［％］、二酸化炭素捕捉剤の温度をＴ［Ｋ］、二酸化炭素捕捉剤の全圧をｐ［Ｐａ］、気体定数をＲ［Ｐａ・Ｌ／（Ｋ・mol）］で表わすとして、利用する二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａに対して、前記の充填率ｆが正でかつ、１００×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ａ×（１００＋ｘ／ｒ−１００×ｘ／（ｒＣ）−ｘ）＋（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ））で得られる値以上とする二酸化炭素回収システム。
【解決手段】二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］、容器内二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］、実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］、二酸化炭素含有ガスの乾燥二酸化炭素濃度をＣ［％］、要求される回収二酸化炭素濃度をｘ［％］、二酸化炭素捕捉剤の温度をＴ［Ｋ］、二酸化炭素捕捉剤の全圧をｐ［Ｐａ］、気体定数をＲ［Ｐａ・Ｌ／（Ｋ・mol）］で表わすとして、利用する二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａに対して、前記の充填率ｆが正でかつ、１００×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ａ×（１００＋ｘ／ｒ−１００×ｘ／（ｒＣ）−ｘ）＋（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ））で得られる値以上とする二酸化炭素回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素捕捉剤を利用した二酸化炭素回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化を抑制するために、温室効果ガスとして影響が大きい二酸化炭素（ＣＯ2）の排出量削減が求められている。二酸化炭素の排出抑制技術として、特開２００１−２０５０４５号公報（特許文献１）がある。この公報には、「回収効率が高く、簡単で、省スペースな、排ガスからの連続二酸化炭素除去装置を提供する」と記載されている。しかし、装置内のドラムを回転し続ける必要があり、例えば火力発電所のように排ガス量が多くなると、装置のサイズも併せて非常に大きくなるため、回転ドラム式は不向きである。
【０００３】
一方で、二酸化炭素捕捉剤を用いて二酸化炭素含有ガスから濃度９０％以上の二酸化炭素を回収するためには、従来技術として、二酸化炭素捕を捕捉した二酸化炭素捕捉剤に高濃度の二酸化炭素を接触させて、二酸化炭素以外の不純物を除去する（二酸化炭素によるパージ）工程を組み込む方法や、捕捉した要求濃度を満たしていない二酸化炭素含有ガスを、再度、二酸化炭素捕捉剤を内包する容器に流通させる方法（特許文献２）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０５０４５号公報
【特許文献２】特開平０８−１３１７６７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「吸着技術ハンドブック」、株式会社ＮＴＳ、１９９３年、Ｐ１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、二酸化炭素捕捉剤に捕捉した二酸化炭素を回収する際において、高濃度二酸化炭素によるパージ工程や、二酸化炭素捕捉剤を内包する容器に複数回流通させる方法を利用しなくても、濃度９０％以上の二酸化炭素を得ることを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、二酸化炭素含有ガスから高濃度の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収システムであって、二酸化炭素捕捉剤、二酸化炭素捕捉剤を内包する容器、二酸化炭素含有ガスを前記容器に流通させる流路、前記容器に水蒸気を流通させるための流路、前記容器内で二酸化炭素を除去したガスを排出するための流路、前記容器で捕捉した二酸化炭素を排出するための流路、及び前記各流路に設ける遮断弁、及び容器内の複数点における温度測定手段を有し、運転条件下における二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］、前記容器内における二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］、同じ温度及び分圧条件で測定した実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］、二酸化炭素含有ガスの乾燥二酸化炭素濃度をＣ［％］、要求される回収二酸化炭素濃度をｘ［％］、二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の温度をＴ［Ｋ］、二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の全圧をｐ［Ｐａ］、気体定数をＲ［Ｐａ・Ｌ／（Ｋ・mol）］で表わすとして、利用する二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａに対して、前記の充填率ｆを１００×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ａ×（１００＋ｘ／ｒ−１００×ｘ／（ｒＣ）−ｘ）＋（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ））で得られる値以上とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、二酸化炭素捕捉剤に捕捉した二酸化炭素を回収する際において、二酸化炭素によるパージ工程や二酸化炭素捕捉剤を内包する容器に複数回流通させる方法を利用しなくても、濃度９０％以上の二酸化炭素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】二酸化炭素回収システムの一部を表わす図である。
【図２】二酸化炭素含有ガスの濃度を５０％、回収二酸化炭素濃度を９０％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図３】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９０％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図４】二酸化炭素含有ガスの濃度を５０％、回収二酸化炭素濃度を９５％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図５】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９５％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図６】二酸化炭素含有ガスの濃度を５０％、回収二酸化炭素濃度を９９％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図７】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９９％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図８】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９５％、捕捉時の温度を５０℃、圧力を１０１３２５Ｐａとしたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図９】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９５％、捕捉時の温度を５０℃、圧力を１０１３２５０Ｐａとしたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図１０】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９５％、捕捉時の温度を６００℃、圧力を１０１３２５Ｐａとしたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明を実施するための形態として、二酸化炭素含有ガスから高濃度の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収システム１００の例を説明する。図１は二酸化炭素回収システムの構成図の例である。二酸化炭素捕捉剤１０２を内包する容器１０１（二酸化炭素捕捉剤を内包する容器）に対して、二酸化炭素含有ガスを流通させる流路１０３（二酸化炭素含有ガスが流通する流路）を通し、二酸化炭素捕捉剤と接触させることでガス中から二酸化炭素を除去し、流路１０４（二酸化炭素を除去したガスが流通する流路）を流通して二酸化炭素を除去したガスを大気中に放出する。所定時間が経過し、設定量の二酸化炭素を二酸化炭素捕捉剤に捕捉した後、二酸化炭素捕捉剤及び二酸化炭素捕捉剤を内包する容器内を加熱しながら流路１０６（キャリアガス流路）よりキャリアガスを流通させることで、二酸化炭素捕捉剤に捕捉された二酸化炭素を脱離させ、流路１０５（キャリアガスと二酸化炭素捕捉剤より脱離した二酸化炭素が流通する流路）へキャリアガスと二酸化炭素捕捉剤より脱離した二酸化炭素を流通させ、キャリアガスと二酸化炭素の分離手段１０８を用いることで、流路１０９（高濃度二酸化炭素を回収する流路）で高濃度の二酸化炭素を回収することができる。二酸化炭素捕捉時と二酸化炭素脱離時は、ガスを流通目的とする経路に流すため、ガスの遮断弁１０７を設けてガスの流通経路を制御する。前記キャリアガスは、例えば水蒸気、窒素、酸素、ヘリウム、メタノールやエタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類の蒸気等、何を用いてもよいが、二酸化炭素を二酸化炭素捕捉剤より回収した際に、冷却によって二酸化炭素と分離しやすいよう、１気圧において沸点が１００±５０℃程度のガスが望ましい。このガスとしては、水蒸気、メタノール、エタノール等のアルコール類、及びアセトン等のケトン類などがある。二酸化炭素捕捉剤の形状は、粒状、ハニカム状、板状、発泡金属状等、何を用いても良いが、粒状を用いると充填率を非常に高くすることができるのでより望ましい。また、捕捉した二酸化炭素を脱離させる手段としては、上昇温度を２００℃以内で加熱するだけでなく、高濃度の二酸化炭素を回収する流路１０５に真空ポンプを設けて、容器１０１内を圧力差１５気圧以内で減圧してもよい。例えばキャリアガスと二酸化炭素の分離手段１０８としては、キャリアガスの沸点以下になるよう冷却、圧縮、もしくはその両方をすることで、キャリアガスのみ液化させて、二酸化炭素と分離する方法などがある。
【００１１】
回収する二酸化炭素の濃度は、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量、容器内の二酸化炭素捕捉剤の充填率、及び二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択率によって決定することが可能である。ここで、
運転条件下における二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］
容器内の二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］
同じ温度及び分圧条件で測定した実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］
二酸化炭素含有ガスの乾燥二酸化炭素濃度をＣ［％］
回収二酸化炭素濃度をｘ［％］
二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の温度をＴ［Ｋ］
二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の全圧をｐ［Ｐａ］
気体定数をＲ［Ｐａ・Ｌ／（Ｋ・mol）］
容器のサイズをＬ［Ｌ］
とする。ここで、実効二酸化炭素捕捉モル量は、二酸化炭素回収システムの運転時における、二酸化炭素捕捉時と二酸化炭素脱離時の二酸化炭素捕捉剤の捕捉モル量差を意味する。回収二酸化炭素濃度は、二酸化炭素の捕捉する工程が終了した時の容器内の存在するガスモル比によって決定できる。容器内の二酸化炭素モル量は、二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａ×Ｌ×（ｆ／１００）と、容器内の空隙に存在する気相二酸化炭素モル量（Ｌ×（１００−ｆ）／１００）×Ｃ／１００×（ｐ／（ＲＴ））の和である。一方、容器内のガスモル総量は、前記容器内の二酸化炭素モル量に、二酸化炭素捕捉剤に捕捉されている二酸化炭素以外のガスモル量と、容器内の空隙に存在する気相中の二酸化炭素以外のガスモル量を加えたものである。二酸化炭素捕捉剤には、二酸化炭素以外のガスが、二酸化炭素の分圧の（１００−Ｃ）／Ｃ倍、かつ選択比１／ｒで捕捉されているため、二酸化炭素以外のガスの捕捉モル量は（ａ×Ｌ×（ｆ／１００）×（（１００−Ｃ）／Ｃ）×（１／ｒ））となる。また、容器内の空隙に存在する気相中の二酸化炭素以外のガスモル量は、（Ｌ×（１００−ｆ）／１００）×（（１００−Ｃ）／１００）×（ｐ／（ＲＴ））である。従って、回収二酸化炭素濃度ｘ［％］は以下の式１で定義される。
【００１２】
ｘ／１００＝（（ａｆ／１００）＋（１００−ｆ／１００）×（Ｃ／１００）×ｐ
／（ＲＴ））／（ａｆ／１００×（ｒＣ＋１００−Ｃ）／ｒＣ＋（１００−ｆ）
／１００×ｐ／ＲＴ） （式１）
回収二酸化炭素濃度を設定値ｘ［％］以上にしたい場合は、以下の式２が条件となる。
【００１３】
ｘ／１００≦（（ａｆ／１００）＋（１００−ｆ／１００）×（Ｃ／１００）×ｐ
／（ＲＴ））／（ａｆ／１００×（ｒＣ＋１００−Ｃ）／ｒＣ＋（１００−ｆ）
／１００×ｐ／（ＲＴ）） （式２）
変数であるＣやｐ／ＲＴは二酸化炭素回収システム、要求する回収二酸化炭素濃度ｘ［％］は利用する条件によって変わる。従って、残りの変数である。
【００１４】
運転条件下における二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］
容器内の二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］
同じ温度及び分圧条件で測定した実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］
の三つを設計変数とすることができる。
【００１５】
この三つの変数のうち、実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤の充填率ｆに対して解くと、
ｆ≧１００×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ａ×（１００＋ｘ／ｒ−１００
×ｘ／（ｒＣ）−ｘ）＋（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）） （式３）
ａ≧（１００−ｆ）×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ｆ×（１００＋ｘ／ｒ
−１００×ｘ／（ｒｃ）−ｘ）） （式４）
を得る。つまり、二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉選択比ｒを決定すると、要求される回収二酸化炭素濃度ｘを満たすための充填率条件は式３で得られる。同様に充填率ｆと二酸化炭素捕捉選択比ｒを決定すると、要求される回収二酸化炭素濃度ｘを満たすための実効二酸化炭素捕捉モル量条件として式４が得られる。また、式３、式４ともに正の値が得られるようｒ、ａ、ｆ、ｘを調整する必要があることは明らかである。
【００１６】
回収した二酸化炭素は、冷却及び圧縮工程で二酸化炭素以外のガスと分離することが可能ではあるが、冷却及び圧縮工程にかかるコストを削減するために、少なくとも９０％以上の高い濃度での回収が望まれている。そこで、要求される回収二酸化炭素濃度ｘ＝９０％における式を求めると、それぞれ、
ｆ≧１００×（ｐ／（ＲＴ））×（９０−Ｃ）／（ａ×（１０＋９０／ｒ−９０００ ／（ｒＣ））＋（ｐ／（ＲＴ））×（９０−Ｃ）） （式５）
ａ≧（１００−ｆ）×（ｐ／（ＲＴ））×（９０−Ｃ）／（ｆ×（１０＋９０／ｒ
−９０００／（ｒｃ））） （式６）
と表わされる。
【００１７】
さらに、二酸化炭素捕捉時の温度を５０℃、圧力を大気圧である１０１３２５Ｐａとすると、
ｆ≧３.７７×（９０−Ｃ）／（ａ×（１０＋９０／ｒ−９０００／（ｒＣ））
＋０.０３７７×（９０−Ｃ）） （式７）
ａ≧（１００−ｆ）×０.０３７７×（９０−Ｃ）／（ｆ×（１０＋９０／ｒ
−９０００／（ｒＣ））） （式８）
上の二式が得られる。さらに、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％以上５０％以下の二酸化炭素回収システムを対象とするため、容易な条件である二酸化炭素濃度が５０％の場合で考えても、少なくとも充填率ｆは、
ｆ≧１５０.８／（ａ×（１０−９０／ｒ）＋１.５０８） （式９）
二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量は、
ａ≧（１００−ｆ）×１.５０８／（ｆ×（１０−９０／ｒ）） （式１０）
を満たす必要がある。なお同時に、式７の右辺が正であるために、ｒは１０以上であることを満たす必要がある。つまり、この条件下では、二酸化炭素捕捉選択比が１０以上の二酸化炭素捕捉剤しか利用できないことを示している。また、この要求される二酸化炭素捕捉剤の充填率が高い値となってしまった場合の充填方法としては、例えば球状の場合は一定の粒径の最密充填率は７４％であるが、異なる粒径の球状の二酸化炭素捕捉剤を用いることで、７４％以上の充填率まで高めることも可能である。
【００１８】
二酸化炭素捕捉剤の具体的例として、二酸化炭素以外のガスとして窒素のみの場合、温度２４℃、圧力５０ｋＰａにおいて、例えばモレキュラーシーブ４Ａでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは２.８、クリノプチロライトでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは２.２、モルデナイトでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは１.９である。また温度２４度、圧力１０ｋＰａにおいては、モレキュラーシーブ４Ａでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは８.８、クリノプチロライトでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは４.７、モルデナイトでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは２.３である（非特許文献１）。上記の中では、圧力が１０ｋＰａにおけるモレキュラーシーブ４Ａが最も二酸化炭素捕捉選択比ｒは大きいが、この値を用いても圧力が大気圧の１０１３２５Ｐａ、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％、かつ温度が５０℃の条件下では、回収二酸化炭素濃度は５０％となり、高濃度に圧縮することはできていない。従って、高濃度の二酸化炭素を得るには、複数段階の二酸化炭素捕捉剤への流通を実施するか、高濃度の二酸化炭素ガスを二酸化炭素捕捉剤に接触させ、二酸化炭素以外のガスを追い出す工程が必要となる。二酸化炭素捕捉選択比ｒは圧力によって変わる。しかし、二酸化炭素捕捉選択比ｒは１０以上を要求されている。例えばモレキュラーシーブ４Ａやクリノプチロライトやモルデナイトのような選択性の低い二酸化炭素捕捉剤を用いた場合、１０ｋＰａ以下の定圧下でしか二酸化炭素捕捉選択比が１０以上の値を得られないものが多い。これらは一般に物理吸着を生じる二酸化炭素捕捉剤といわれている。一方、圧力が５０ｋＰａ以下で二酸化炭素捕捉選択比が１０を超えるものとして、二酸化炭素と化学反応により安定な捕捉状態を維持する化学吸着剤などがある。例としては、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｆｒ、Ｒａ、及びランタノイド元素を少なくとも一種類以上含む酸化物などがある。特に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅを含む酸化物は、二酸化炭素との反応性も高く二酸化炭素捕捉選択比が１００以上となること、及び重量当たりの面積も大きいことから、本発明の二酸化炭素回収システム向け二酸化炭素捕捉剤として有効である。
【００１９】
以下、実施例を説明する。
【実施例１】
【００２０】
二酸化炭素回収システムの運用例を説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９０％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで５０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図２に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５０、１５、及び１０について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５０の時は充填率が８.４％、ｒが１５の時は充填率１５.９％、ｒが１０の時は充填率が４３.０％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.１８mol／Ｌ、ｒが１５の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.３７mol／Ｌ、ｒが１０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１.５mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００２１】
〔比較例１〕
比較例として、二酸化炭素捕捉選択比ｒが１０、充填率が２０％とした時、式４で指定した範囲外である、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌの二酸化炭素捕捉剤を使用したとすると、式２を用いて回収二酸化炭素濃度を計算すると８８.２％となり、要求される回収二酸化炭素濃度である９０％未満となった。従って、式４で指定した範囲外の実効二酸化炭素捕捉モル量の二酸化炭素捕捉剤を使用すると、要求される二酸化炭素濃度まで回収した二酸化炭素濃度を上げるために、二酸化炭素捕捉後に二酸化炭素ガスによって不純物ガスをパージする工程や、複数段階の二酸化炭素捕捉及び回収を繰り返す方法など、別の方法を加えなくてはならないため、運転コストと設備コストが余分に必要となり望ましくない。
【００２２】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを９以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９０％を超えることはできなかった。
【００２３】
この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が５０％という高濃度な条件であっても、回収二酸化炭素濃度が９０％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１０以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例２】
【００２４】
本実施例では、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９０％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図３に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは１５０、９０、及び８２について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが１５０の時は充填率が２４.７％、ｒが９０の時は充填率６０.１％、ｒが８２の時は充填率が９２.５％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが１５０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.６５mol／Ｌ、ｒが９０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が３.０１mol／Ｌ、ｒが８２の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が２４.７mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００２５】
〔比較例２〕
比較例として、二酸化炭素捕捉選択比ｒが９０、充填率が４０％とした時、式４で指定した範囲外である、実効二酸化炭素捕捉モル量が２.５mol／Ｌの二酸化炭素捕捉剤を使用したとすると、式２を用いて回収二酸化炭素濃度を計算すると５２.１％となり、要求される回収二酸化炭素濃度である９０％未満となった。従って、式４で指定した範囲外の実効二酸化炭素捕捉モル量の二酸化炭素捕捉剤を使用すると、要求される二酸化炭素濃度まで回収した二酸化炭素濃度を上げるために、二酸化炭素捕捉後に二酸化炭素ガスによって不純物ガスをパージする工程や、複数段階の二酸化炭素捕捉及び回収を繰り返す方法など、別の方法を加えなくてはならないため、運転コストと設備コストが余分に必要となり望ましくない。
【００２６】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを８１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９０％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％という低濃度な条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９０％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は８２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例３】
【００２７】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで５０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで５０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図４に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは１００、２５、及び２０について式５及び式６を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが１００の時は充填率が１７.３％、ｒが２５の時は充填率４１.４％、ｒが２０の時は充填率が７７.２％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが１００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.４２mol／Ｌ、ｒが２５の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１.４２mol／Ｌ、ｒが２０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が６.７９mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００２８】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１９以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が５０％という高濃度な条件であっても、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は２０以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例４】
【００２９】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図５に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５００、２００、及び１７２について式７及び式８を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５００の時は充填率が３２.８％、ｒが２００の時は充填率６８.９％、ｒが１７２の時は充填率が９８.２％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.９８mol／Ｌ、ｒが２００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４.４３mol／Ｌ、ｒが１７２の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１１１mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３０】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１７１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％という低濃度な条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１７２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例５】
【００３１】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９９％、二酸化炭素濃度がドライベースで５０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９９％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで５０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図６に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは１００９、１５０、及び１００について式９及び式１０を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが１０００の時は充填率が５０.６％、ｒが１５０の時は充填率７３.１％、ｒが１００の時は充填率が９８.９％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが１０００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が２.０６mol／Ｌ、ｒが１５０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が５.４４mol／Ｌ、ｒが１００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１８５mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３２】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを９９以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９９％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が５０％という高濃度な条件であっても、回収二酸化炭素濃度が９９％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１００以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例６】
【００３３】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９９％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９９％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図７に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５０００、１０００、及び９００について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５０００の時は充填率が６７.１％、ｒが１０００の時は充填率９３.９％、ｒが９００の時は充填率が９９.４％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５０００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４.０９mol／Ｌ、ｒが１０００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が３０.８mol／Ｌ、ｒが９００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が３３６mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３４】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを８９１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９９％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％という低濃度な条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９９％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は８９２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例７】
【００３５】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図８に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５００、２００、及び１８０について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５００の時は充填率が３２.８％、ｒが２００の時は充填率６８.９％、ｒが１８０の時は充填率が８６.５％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.９８mol／Ｌ、ｒが２００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４.４３mol／Ｌ、ｒが１８０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１２.８mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３６】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１７１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１５％という条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１７２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例８】
【００３７】
本実施例では、二酸化炭素捕捉時の圧力が大気圧の１０倍である１０１３２５０Ｐａ、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５０Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図９に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５００、２００、及び１８０について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５００の時は充填率が８３.０％、ｒが２００の時は充填率９５.７％、ｒが１８０の時は充填率が９８.５％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が９.７４mol／Ｌ、ｒが２００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４４.２mol／Ｌ、ｒが１８０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１２８mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３８】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１７１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１５％という条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１７２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例９】
【００３９】
本実施例では、二酸化炭素捕捉時の温度が６００℃、圧力は大気圧の１０１３２５Ｐａ、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が６００℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図１０に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５００、２００、及び１８０について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５００の時は充填率が１５.３％、ｒが２００の時は充填率４５.０％、ｒが１８０の時は充填率が７０.４％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.３７mol／Ｌ、ｒが２００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１.６４mol／Ｌ、ｒが１８０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４.７５mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００４０】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１７１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１５％という条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１７２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【００４１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成や条件を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成や条件の一部を他の実施例の構成や条件に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成や条件に他の実施例の構成や条件を加えることも可能である。また、各実施例の構成や条件の一部について、他の構成や条件の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１００ 二酸化炭素回収システム
１０１ 容器
１０２ 二酸化炭素捕捉剤
１０３、１０４、１０５、１０６、１０９ 流路
１０７ ガスの遮断弁
１０８ キャリアガスと二酸化炭素の分離手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素捕捉剤を利用した二酸化炭素回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化を抑制するために、温室効果ガスとして影響が大きい二酸化炭素（ＣＯ2）の排出量削減が求められている。二酸化炭素の排出抑制技術として、特開２００１−２０５０４５号公報（特許文献１）がある。この公報には、「回収効率が高く、簡単で、省スペースな、排ガスからの連続二酸化炭素除去装置を提供する」と記載されている。しかし、装置内のドラムを回転し続ける必要があり、例えば火力発電所のように排ガス量が多くなると、装置のサイズも併せて非常に大きくなるため、回転ドラム式は不向きである。
【０００３】
一方で、二酸化炭素捕捉剤を用いて二酸化炭素含有ガスから濃度９０％以上の二酸化炭素を回収するためには、従来技術として、二酸化炭素捕を捕捉した二酸化炭素捕捉剤に高濃度の二酸化炭素を接触させて、二酸化炭素以外の不純物を除去する（二酸化炭素によるパージ）工程を組み込む方法や、捕捉した要求濃度を満たしていない二酸化炭素含有ガスを、再度、二酸化炭素捕捉剤を内包する容器に流通させる方法（特許文献２）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０５０４５号公報
【特許文献２】特開平０８−１３１７６７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「吸着技術ハンドブック」、株式会社ＮＴＳ、１９９３年、Ｐ１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、二酸化炭素捕捉剤に捕捉した二酸化炭素を回収する際において、高濃度二酸化炭素によるパージ工程や、二酸化炭素捕捉剤を内包する容器に複数回流通させる方法を利用しなくても、濃度９０％以上の二酸化炭素を得ることを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、二酸化炭素含有ガスから高濃度の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収システムであって、二酸化炭素捕捉剤、二酸化炭素捕捉剤を内包する容器、二酸化炭素含有ガスを前記容器に流通させる流路、前記容器に水蒸気を流通させるための流路、前記容器内で二酸化炭素を除去したガスを排出するための流路、前記容器で捕捉した二酸化炭素を排出するための流路、及び前記各流路に設ける遮断弁、及び容器内の複数点における温度測定手段を有し、運転条件下における二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］、前記容器内における二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］、同じ温度及び分圧条件で測定した実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］、二酸化炭素含有ガスの乾燥二酸化炭素濃度をＣ［％］、要求される回収二酸化炭素濃度をｘ［％］、二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の温度をＴ［Ｋ］、二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の全圧をｐ［Ｐａ］、気体定数をＲ［Ｐａ・Ｌ／（Ｋ・mol）］で表わすとして、利用する二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａに対して、前記の充填率ｆを１００×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ａ×（１００＋ｘ／ｒ−１００×ｘ／（ｒＣ）−ｘ）＋（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ））で得られる値以上とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、二酸化炭素捕捉剤に捕捉した二酸化炭素を回収する際において、二酸化炭素によるパージ工程や二酸化炭素捕捉剤を内包する容器に複数回流通させる方法を利用しなくても、濃度９０％以上の二酸化炭素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】二酸化炭素回収システムの一部を表わす図である。
【図２】二酸化炭素含有ガスの濃度を５０％、回収二酸化炭素濃度を９０％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図３】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９０％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図４】二酸化炭素含有ガスの濃度を５０％、回収二酸化炭素濃度を９５％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図５】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９５％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図６】二酸化炭素含有ガスの濃度を５０％、回収二酸化炭素濃度を９９％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図７】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９９％としたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図８】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９５％、捕捉時の温度を５０℃、圧力を１０１３２５Ｐａとしたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図９】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９５％、捕捉時の温度を５０℃、圧力を１０１３２５０Ｐａとしたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【図１０】二酸化炭素含有ガスの濃度を１０％、回収二酸化炭素濃度を９５％、捕捉時の温度を６００℃、圧力を１０１３２５Ｐａとしたときの、満足すべき二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量と充填率の相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明を実施するための形態として、二酸化炭素含有ガスから高濃度の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収システム１００の例を説明する。図１は二酸化炭素回収システムの構成図の例である。二酸化炭素捕捉剤１０２を内包する容器１０１（二酸化炭素捕捉剤を内包する容器）に対して、二酸化炭素含有ガスを流通させる流路１０３（二酸化炭素含有ガスが流通する流路）を通し、二酸化炭素捕捉剤と接触させることでガス中から二酸化炭素を除去し、流路１０４（二酸化炭素を除去したガスが流通する流路）を流通して二酸化炭素を除去したガスを大気中に放出する。所定時間が経過し、設定量の二酸化炭素を二酸化炭素捕捉剤に捕捉した後、二酸化炭素捕捉剤及び二酸化炭素捕捉剤を内包する容器内を加熱しながら流路１０６（キャリアガス流路）よりキャリアガスを流通させることで、二酸化炭素捕捉剤に捕捉された二酸化炭素を脱離させ、流路１０５（キャリアガスと二酸化炭素捕捉剤より脱離した二酸化炭素が流通する流路）へキャリアガスと二酸化炭素捕捉剤より脱離した二酸化炭素を流通させ、キャリアガスと二酸化炭素の分離手段１０８を用いることで、流路１０９（高濃度二酸化炭素を回収する流路）で高濃度の二酸化炭素を回収することができる。二酸化炭素捕捉時と二酸化炭素脱離時は、ガスを流通目的とする経路に流すため、ガスの遮断弁１０７を設けてガスの流通経路を制御する。前記キャリアガスは、例えば水蒸気、窒素、酸素、ヘリウム、メタノールやエタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類の蒸気等、何を用いてもよいが、二酸化炭素を二酸化炭素捕捉剤より回収した際に、冷却によって二酸化炭素と分離しやすいよう、１気圧において沸点が１００±５０℃程度のガスが望ましい。このガスとしては、水蒸気、メタノール、エタノール等のアルコール類、及びアセトン等のケトン類などがある。二酸化炭素捕捉剤の形状は、粒状、ハニカム状、板状、発泡金属状等、何を用いても良いが、粒状を用いると充填率を非常に高くすることができるのでより望ましい。また、捕捉した二酸化炭素を脱離させる手段としては、上昇温度を２００℃以内で加熱するだけでなく、高濃度の二酸化炭素を回収する流路１０５に真空ポンプを設けて、容器１０１内を圧力差１５気圧以内で減圧してもよい。例えばキャリアガスと二酸化炭素の分離手段１０８としては、キャリアガスの沸点以下になるよう冷却、圧縮、もしくはその両方をすることで、キャリアガスのみ液化させて、二酸化炭素と分離する方法などがある。
【００１１】
回収する二酸化炭素の濃度は、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量、容器内の二酸化炭素捕捉剤の充填率、及び二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択率によって決定することが可能である。ここで、
運転条件下における二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］
容器内の二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］
同じ温度及び分圧条件で測定した実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］
二酸化炭素含有ガスの乾燥二酸化炭素濃度をＣ［％］
回収二酸化炭素濃度をｘ［％］
二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の温度をＴ［Ｋ］
二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の全圧をｐ［Ｐａ］
気体定数をＲ［Ｐａ・Ｌ／（Ｋ・mol）］
容器のサイズをＬ［Ｌ］
とする。ここで、実効二酸化炭素捕捉モル量は、二酸化炭素回収システムの運転時における、二酸化炭素捕捉時と二酸化炭素脱離時の二酸化炭素捕捉剤の捕捉モル量差を意味する。回収二酸化炭素濃度は、二酸化炭素の捕捉する工程が終了した時の容器内の存在するガスモル比によって決定できる。容器内の二酸化炭素モル量は、二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａ×Ｌ×（ｆ／１００）と、容器内の空隙に存在する気相二酸化炭素モル量（Ｌ×（１００−ｆ）／１００）×Ｃ／１００×（ｐ／（ＲＴ））の和である。一方、容器内のガスモル総量は、前記容器内の二酸化炭素モル量に、二酸化炭素捕捉剤に捕捉されている二酸化炭素以外のガスモル量と、容器内の空隙に存在する気相中の二酸化炭素以外のガスモル量を加えたものである。二酸化炭素捕捉剤には、二酸化炭素以外のガスが、二酸化炭素の分圧の（１００−Ｃ）／Ｃ倍、かつ選択比１／ｒで捕捉されているため、二酸化炭素以外のガスの捕捉モル量は（ａ×Ｌ×（ｆ／１００）×（（１００−Ｃ）／Ｃ）×（１／ｒ））となる。また、容器内の空隙に存在する気相中の二酸化炭素以外のガスモル量は、（Ｌ×（１００−ｆ）／１００）×（（１００−Ｃ）／１００）×（ｐ／（ＲＴ））である。従って、回収二酸化炭素濃度ｘ［％］は以下の式１で定義される。
【００１２】
ｘ／１００＝（（ａｆ／１００）＋（１００−ｆ／１００）×（Ｃ／１００）×ｐ
／（ＲＴ））／（ａｆ／１００×（ｒＣ＋１００−Ｃ）／ｒＣ＋（１００−ｆ）
／１００×ｐ／ＲＴ） （式１）
回収二酸化炭素濃度を設定値ｘ［％］以上にしたい場合は、以下の式２が条件となる。
【００１３】
ｘ／１００≦（（ａｆ／１００）＋（１００−ｆ／１００）×（Ｃ／１００）×ｐ
／（ＲＴ））／（ａｆ／１００×（ｒＣ＋１００−Ｃ）／ｒＣ＋（１００−ｆ）
／１００×ｐ／（ＲＴ）） （式２）
変数であるＣやｐ／ＲＴは二酸化炭素回収システム、要求する回収二酸化炭素濃度ｘ［％］は利用する条件によって変わる。従って、残りの変数である。
【００１４】
運転条件下における二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］
容器内の二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］
同じ温度及び分圧条件で測定した実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］
の三つを設計変数とすることができる。
【００１５】
この三つの変数のうち、実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤の充填率ｆに対して解くと、
ｆ≧１００×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ａ×（１００＋ｘ／ｒ−１００
×ｘ／（ｒＣ）−ｘ）＋（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）） （式３）
ａ≧（１００−ｆ）×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ｆ×（１００＋ｘ／ｒ
−１００×ｘ／（ｒｃ）−ｘ）） （式４）
を得る。つまり、二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉選択比ｒを決定すると、要求される回収二酸化炭素濃度ｘを満たすための充填率条件は式３で得られる。同様に充填率ｆと二酸化炭素捕捉選択比ｒを決定すると、要求される回収二酸化炭素濃度ｘを満たすための実効二酸化炭素捕捉モル量条件として式４が得られる。また、式３、式４ともに正の値が得られるようｒ、ａ、ｆ、ｘを調整する必要があることは明らかである。
【００１６】
回収した二酸化炭素は、冷却及び圧縮工程で二酸化炭素以外のガスと分離することが可能ではあるが、冷却及び圧縮工程にかかるコストを削減するために、少なくとも９０％以上の高い濃度での回収が望まれている。そこで、要求される回収二酸化炭素濃度ｘ＝９０％における式を求めると、それぞれ、
ｆ≧１００×（ｐ／（ＲＴ））×（９０−Ｃ）／（ａ×（１０＋９０／ｒ−９０００ ／（ｒＣ））＋（ｐ／（ＲＴ））×（９０−Ｃ）） （式５）
ａ≧（１００−ｆ）×（ｐ／（ＲＴ））×（９０−Ｃ）／（ｆ×（１０＋９０／ｒ
−９０００／（ｒｃ））） （式６）
と表わされる。
【００１７】
さらに、二酸化炭素捕捉時の温度を５０℃、圧力を大気圧である１０１３２５Ｐａとすると、
ｆ≧３.７７×（９０−Ｃ）／（ａ×（１０＋９０／ｒ−９０００／（ｒＣ））
＋０.０３７７×（９０−Ｃ）） （式７）
ａ≧（１００−ｆ）×０.０３７７×（９０−Ｃ）／（ｆ×（１０＋９０／ｒ
−９０００／（ｒＣ））） （式８）
上の二式が得られる。さらに、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％以上５０％以下の二酸化炭素回収システムを対象とするため、容易な条件である二酸化炭素濃度が５０％の場合で考えても、少なくとも充填率ｆは、
ｆ≧１５０.８／（ａ×（１０−９０／ｒ）＋１.５０８） （式９）
二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉モル量は、
ａ≧（１００−ｆ）×１.５０８／（ｆ×（１０−９０／ｒ）） （式１０）
を満たす必要がある。なお同時に、式７の右辺が正であるために、ｒは１０以上であることを満たす必要がある。つまり、この条件下では、二酸化炭素捕捉選択比が１０以上の二酸化炭素捕捉剤しか利用できないことを示している。また、この要求される二酸化炭素捕捉剤の充填率が高い値となってしまった場合の充填方法としては、例えば球状の場合は一定の粒径の最密充填率は７４％であるが、異なる粒径の球状の二酸化炭素捕捉剤を用いることで、７４％以上の充填率まで高めることも可能である。
【００１８】
二酸化炭素捕捉剤の具体的例として、二酸化炭素以外のガスとして窒素のみの場合、温度２４℃、圧力５０ｋＰａにおいて、例えばモレキュラーシーブ４Ａでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは２.８、クリノプチロライトでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは２.２、モルデナイトでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは１.９である。また温度２４度、圧力１０ｋＰａにおいては、モレキュラーシーブ４Ａでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは８.８、クリノプチロライトでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは４.７、モルデナイトでは二酸化炭素捕捉選択比ｒは２.３である（非特許文献１）。上記の中では、圧力が１０ｋＰａにおけるモレキュラーシーブ４Ａが最も二酸化炭素捕捉選択比ｒは大きいが、この値を用いても圧力が大気圧の１０１３２５Ｐａ、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％、かつ温度が５０℃の条件下では、回収二酸化炭素濃度は５０％となり、高濃度に圧縮することはできていない。従って、高濃度の二酸化炭素を得るには、複数段階の二酸化炭素捕捉剤への流通を実施するか、高濃度の二酸化炭素ガスを二酸化炭素捕捉剤に接触させ、二酸化炭素以外のガスを追い出す工程が必要となる。二酸化炭素捕捉選択比ｒは圧力によって変わる。しかし、二酸化炭素捕捉選択比ｒは１０以上を要求されている。例えばモレキュラーシーブ４Ａやクリノプチロライトやモルデナイトのような選択性の低い二酸化炭素捕捉剤を用いた場合、１０ｋＰａ以下の定圧下でしか二酸化炭素捕捉選択比が１０以上の値を得られないものが多い。これらは一般に物理吸着を生じる二酸化炭素捕捉剤といわれている。一方、圧力が５０ｋＰａ以下で二酸化炭素捕捉選択比が１０を超えるものとして、二酸化炭素と化学反応により安定な捕捉状態を維持する化学吸着剤などがある。例としては、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｆｒ、Ｒａ、及びランタノイド元素を少なくとも一種類以上含む酸化物などがある。特に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅを含む酸化物は、二酸化炭素との反応性も高く二酸化炭素捕捉選択比が１００以上となること、及び重量当たりの面積も大きいことから、本発明の二酸化炭素回収システム向け二酸化炭素捕捉剤として有効である。
【００１９】
以下、実施例を説明する。
【実施例１】
【００２０】
二酸化炭素回収システムの運用例を説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９０％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで５０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図２に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５０、１５、及び１０について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５０の時は充填率が８.４％、ｒが１５の時は充填率１５.９％、ｒが１０の時は充填率が４３.０％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.１８mol／Ｌ、ｒが１５の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.３７mol／Ｌ、ｒが１０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１.５mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００２１】
〔比較例１〕
比較例として、二酸化炭素捕捉選択比ｒが１０、充填率が２０％とした時、式４で指定した範囲外である、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌの二酸化炭素捕捉剤を使用したとすると、式２を用いて回収二酸化炭素濃度を計算すると８８.２％となり、要求される回収二酸化炭素濃度である９０％未満となった。従って、式４で指定した範囲外の実効二酸化炭素捕捉モル量の二酸化炭素捕捉剤を使用すると、要求される二酸化炭素濃度まで回収した二酸化炭素濃度を上げるために、二酸化炭素捕捉後に二酸化炭素ガスによって不純物ガスをパージする工程や、複数段階の二酸化炭素捕捉及び回収を繰り返す方法など、別の方法を加えなくてはならないため、運転コストと設備コストが余分に必要となり望ましくない。
【００２２】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを９以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９０％を超えることはできなかった。
【００２３】
この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が５０％という高濃度な条件であっても、回収二酸化炭素濃度が９０％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１０以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例２】
【００２４】
本実施例では、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９０％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図３に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは１５０、９０、及び８２について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが１５０の時は充填率が２４.７％、ｒが９０の時は充填率６０.１％、ｒが８２の時は充填率が９２.５％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが１５０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.６５mol／Ｌ、ｒが９０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が３.０１mol／Ｌ、ｒが８２の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が２４.７mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００２５】
〔比較例２〕
比較例として、二酸化炭素捕捉選択比ｒが９０、充填率が４０％とした時、式４で指定した範囲外である、実効二酸化炭素捕捉モル量が２.５mol／Ｌの二酸化炭素捕捉剤を使用したとすると、式２を用いて回収二酸化炭素濃度を計算すると５２.１％となり、要求される回収二酸化炭素濃度である９０％未満となった。従って、式４で指定した範囲外の実効二酸化炭素捕捉モル量の二酸化炭素捕捉剤を使用すると、要求される二酸化炭素濃度まで回収した二酸化炭素濃度を上げるために、二酸化炭素捕捉後に二酸化炭素ガスによって不純物ガスをパージする工程や、複数段階の二酸化炭素捕捉及び回収を繰り返す方法など、別の方法を加えなくてはならないため、運転コストと設備コストが余分に必要となり望ましくない。
【００２６】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを８１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９０％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％という低濃度な条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９０％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は８２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例３】
【００２７】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで５０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで５０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図４に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは１００、２５、及び２０について式５及び式６を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが１００の時は充填率が１７.３％、ｒが２５の時は充填率４１.４％、ｒが２０の時は充填率が７７.２％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが１００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.４２mol／Ｌ、ｒが２５の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１.４２mol／Ｌ、ｒが２０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が６.７９mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００２８】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１９以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が５０％という高濃度な条件であっても、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は２０以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例４】
【００２９】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図５に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５００、２００、及び１７２について式７及び式８を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５００の時は充填率が３２.８％、ｒが２００の時は充填率６８.９％、ｒが１７２の時は充填率が９８.２％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.９８mol／Ｌ、ｒが２００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４.４３mol／Ｌ、ｒが１７２の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１１１mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３０】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１７１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％という低濃度な条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１７２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例５】
【００３１】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９９％、二酸化炭素濃度がドライベースで５０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９９％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで５０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図６に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは１００９、１５０、及び１００について式９及び式１０を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが１０００の時は充填率が５０.６％、ｒが１５０の時は充填率７３.１％、ｒが１００の時は充填率が９８.９％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが１０００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が２.０６mol／Ｌ、ｒが１５０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が５.４４mol／Ｌ、ｒが１００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１８５mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３２】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを９９以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９９％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が５０％という高濃度な条件であっても、回収二酸化炭素濃度が９９％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１００以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例６】
【００３３】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９９％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９９％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図７に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５０００、１０００、及び９００について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５０００の時は充填率が６７.１％、ｒが１０００の時は充填率９３.９％、ｒが９００の時は充填率が９９.４％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５０００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４.０９mol／Ｌ、ｒが１０００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が３０.８mol／Ｌ、ｒが９００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が３３６mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３４】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを８９１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９９％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１０％という低濃度な条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９９％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は８９２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例７】
【００３５】
本実施例では、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図８に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５００、２００、及び１８０について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５００の時は充填率が３２.８％、ｒが２００の時は充填率６８.９％、ｒが１８０の時は充填率が８６.５％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.９８mol／Ｌ、ｒが２００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４.４３mol／Ｌ、ｒが１８０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１２.８mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３６】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１７１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１５％という条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１７２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例８】
【００３７】
本実施例では、二酸化炭素捕捉時の圧力が大気圧の１０倍である１０１３２５０Ｐａ、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５０Ｐａ、温度が５０℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図９に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５００、２００、及び１８０について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５００の時は充填率が８３.０％、ｒが２００の時は充填率９５.７％、ｒが１８０の時は充填率が９８.５％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が９.７４mol／Ｌ、ｒが２００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４４.２mol／Ｌ、ｒが１８０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１２８mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００３８】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１７１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１５％という条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１７２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【実施例９】
【００３９】
本実施例では、二酸化炭素捕捉時の温度が６００℃、圧力は大気圧の１０１３２５Ｐａ、要求二酸化炭素濃度を９５％、二酸化炭素濃度がドライベースで１０％の場合について説明する。要求する回収二酸化炭素濃度が９５％、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライベースで１０％、二酸化炭素捕捉時の圧力が１０１３２５Ｐａ、温度が６００℃の条件で二酸化炭素回収システムを運用する場合における、要求される二酸化炭素捕捉剤の実効二酸化炭素捕捉モル量ａと二酸化炭素捕捉剤充填率ｆの関係を式２から算出し図１０に示す。二酸化炭素捕捉選択比ｒは５００、２００、及び１８０について式３及び式４を用いて計算した。例えば、実効二酸化炭素捕捉モル量が２mol／Ｌである二酸化炭素捕捉剤を利用する場合、二酸化炭素捕捉選択比ｒが５００の時は充填率が１５.３％、ｒが２００の時は充填率４５.０％、ｒが１８０の時は充填率が７０.４％以上必要とすることがわかる。また、例えば充填率を５０％と固定した場合、ｒが５００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が０.３７mol／Ｌ、ｒが２００の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が１.６４mol／Ｌ、ｒが１８０の時は要求される実効二酸化炭素捕捉モル量が４.７５mol／Ｌ以上となることがわかる。以上のように充填率及び実効二酸化炭素捕捉モル量を設定すれば、要求される回収二酸化炭素濃度を満たす二酸化炭素回収システムの設計が可能となる。
【００４０】
なお、二酸化炭素捕捉選択比ｒを１７１以下とした場合は、充填率を９９％としても回収二酸化炭素濃度が９５％を超えることはできなかった。この結果から、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度が１５％という条件であれば、回収二酸化炭素濃度が９５％以上とするためには、二酸化炭素捕捉剤の二酸化炭素捕捉選択比は１７２以上であることが要求される。また、二酸化炭素捕捉選択比が高くなる程、実効二酸化炭素捕捉モル量と充填率は共に小さくすることが可能になることがわかる。
【００４１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成や条件を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成や条件の一部を他の実施例の構成や条件に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成や条件に他の実施例の構成や条件を加えることも可能である。また、各実施例の構成や条件の一部について、他の構成や条件の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１００ 二酸化炭素回収システム
１０１ 容器
１０２ 二酸化炭素捕捉剤
１０３、１０４、１０５、１０６、１０９ 流路
１０７ ガスの遮断弁
１０８ キャリアガスと二酸化炭素の分離手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素含有ガスから高濃度の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収システムであって、二酸化炭素捕捉剤、二酸化炭素捕捉剤を内包する容器、二酸化炭素含有ガスを前記容器に流通させる流路、前記容器に水蒸気を流通させるための流路、前記容器内で二酸化炭素を除去したガスを排出するための流路、前記容器で捕捉した二酸化炭素を排出するための流路、及び前記各流路に設ける遮断弁、及び容器内の複数点における温度測定手段を有し、運転条件下における二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］、前記容器内における二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］、同じ温度及び分圧条件で測定した実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］、二酸化炭素含有ガスの乾燥二酸化炭素濃度をＣ［％］、要求される回収二酸化炭素濃度をｘ［％］、二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の温度をＴ［Ｋ］、二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の全圧をｐ［Ｐａ］、気体定数をＲ［Ｐａ・Ｌ／（Ｋ・mol）］で表わすとして、採用する充填率をｆに対して、前記の二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量ａが正でかつ、（１００−ｆ）×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ｆ×（１００＋ｘ／ｒ−１００×ｘ／（ｒｃ）−ｘ））で得られる値以上の二酸化炭素捕捉剤を利用することを特徴とする二酸化炭素回収システム。
【請求項２】
請求項１の二酸化炭素回収システムであって、要求される回収二酸化炭素濃度ｘを９０％とし、採用する充填率をｆに対して、二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量ａが正でかつ、（１００−ｆ）×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ｆ×（１０＋９０／ｒ−９０００／（ｒＣ）））で得られる値以上の二酸化炭素捕捉剤を利用することを特徴とする二酸化炭素回収システム。
【請求項３】
請求項２の二酸化炭素回収システムであって、採用する充填率をｆに対して、二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの捕捉モル量ａが正でかつ、（１００−ｆ）×０.０３７７×（９０−Ｃ）／（ｆ×（１０＋９０／ｒ−９０００／（ｒＣ）））で得られる値以上の二酸化炭素捕捉剤を利用することを特徴とする二酸化炭素回収システム。
【請求項４】
請求項３の二酸化炭素回収システムであって、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライガス換算で１０〜５０％の範囲にある二酸化炭素含有ガスを対象とした二酸化炭素回収システムにおいて、利用する二酸化炭素捕捉剤の捕捉選択比ｒが１０以上でかつ、採用する充填率をｆに対して、二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの捕捉モル量ａが（１００−ｆ）×１.５０８／（ｆ×（１０−９０／ｒ））で得られる値以上の二酸化炭素捕捉剤を利用することを特徴とする二酸化炭素回収システム。
【請求項１】
二酸化炭素含有ガスから高濃度の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収システムであって、二酸化炭素捕捉剤、二酸化炭素捕捉剤を内包する容器、二酸化炭素含有ガスを前記容器に流通させる流路、前記容器に水蒸気を流通させるための流路、前記容器内で二酸化炭素を除去したガスを排出するための流路、前記容器で捕捉した二酸化炭素を排出するための流路、及び前記各流路に設ける遮断弁、及び容器内の複数点における温度測定手段を有し、運転条件下における二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量をａ［mol／Ｌ］、前記容器内における二酸化炭素捕捉剤の充填率をｆ［％］、同じ温度及び分圧条件で測定した実効二酸化炭素捕捉モル量ａを二酸化炭素以外の捕捉量で割った値である二酸化炭素捕捉選択比ｒ［−］、二酸化炭素含有ガスの乾燥二酸化炭素濃度をＣ［％］、要求される回収二酸化炭素濃度をｘ［％］、二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の温度をＴ［Ｋ］、二酸化炭素捕捉時における二酸化炭素捕捉剤の全圧をｐ［Ｐａ］、気体定数をＲ［Ｐａ・Ｌ／（Ｋ・mol）］で表わすとして、採用する充填率をｆに対して、前記の二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量ａが正でかつ、（１００−ｆ）×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ｆ×（１００＋ｘ／ｒ−１００×ｘ／（ｒｃ）−ｘ））で得られる値以上の二酸化炭素捕捉剤を利用することを特徴とする二酸化炭素回収システム。
【請求項２】
請求項１の二酸化炭素回収システムであって、要求される回収二酸化炭素濃度ｘを９０％とし、採用する充填率をｆに対して、二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの実効二酸化炭素捕捉モル量ａが正でかつ、（１００−ｆ）×（ｐ／（ＲＴ））×（ｘ−Ｃ）／（ｆ×（１０＋９０／ｒ−９０００／（ｒＣ）））で得られる値以上の二酸化炭素捕捉剤を利用することを特徴とする二酸化炭素回収システム。
【請求項３】
請求項２の二酸化炭素回収システムであって、採用する充填率をｆに対して、二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの捕捉モル量ａが正でかつ、（１００−ｆ）×０.０３７７×（９０−Ｃ）／（ｆ×（１０＋９０／ｒ−９０００／（ｒＣ）））で得られる値以上の二酸化炭素捕捉剤を利用することを特徴とする二酸化炭素回収システム。
【請求項４】
請求項３の二酸化炭素回収システムであって、二酸化炭素含有ガスの二酸化炭素濃度がドライガス換算で１０〜５０％の範囲にある二酸化炭素含有ガスを対象とした二酸化炭素回収システムにおいて、利用する二酸化炭素捕捉剤の捕捉選択比ｒが１０以上でかつ、採用する充填率をｆに対して、二酸化炭素捕捉剤１リットル当たりの捕捉モル量ａが（１００−ｆ）×１.５０８／（ｆ×（１０−９０／ｒ））で得られる値以上の二酸化炭素捕捉剤を利用することを特徴とする二酸化炭素回収システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
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【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−５９７０４（Ｐ２０１３−５９７０４Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７８３６（Ｐ２０１１−１９７８３６）
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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