ＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置
【課題】ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ分離回収コストが抑えられたＣＯ２の分離回収方法を提供する。
【解決手段】ＣＯ２含有の原料ガスから化学吸収法により、ＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収方法であって、ＣＯ２吸収設備内において、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際に、前記ＣＯ２吸収設備内にテイラー渦を発生させて、前記原料ガスと前記化学吸収媒体を接触させることを特徴とするＣＯ２の分離回収方法を提供する。
【解決手段】ＣＯ２含有の原料ガスから化学吸収法により、ＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収方法であって、ＣＯ２吸収設備内において、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際に、前記ＣＯ２吸収設備内にテイラー渦を発生させて、前記原料ガスと前記化学吸収媒体を接触させることを特徴とするＣＯ２の分離回収方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策として、ＣＯ２を有効利用したり固定したりする方法が検討されている。そして、このようなＣＯ２の有効利用や固定の際には、必ずＣＯ２の分離・回収が必要となる。
【０００３】
一般に、大量の排ガス源からＣＯ２を回収する方法としては、様々の方法が知られており、実用化されているものとして、例えば化学吸収法が知られている（特許文献１、２参照）。化学吸収法とは、ＣＯ２を選択的に溶解できるアルカリ性溶液等を吸収液として利用し、ＣＯ２を化学反応によって吸収させ、その吸収液を加熱等することで、ＣＯ２を放出させて回収する方法である。
【０００４】
そして、特許文献３〜７には、膜・吸収ハイブリット法によるバイオガス濃縮装置が記載されている。また、有害（Ｈ２Ｓ及びメルカプタン等）または有益なガス（オレフィン）を吸収・分離するための装置として、吸収液を利用した気液接触装置が知られている。
【０００５】
ところで、ＣＯ２に対する吸収速度が低い吸収液、例えば第３級アミンを使用する場合には、対象ガス中のＣＯ２分圧を高くするか、または吸収塔を大型化して気液接触の領域を増やす必要がある。主に化学プラント等では排出されるＣＯ２等のガスの吸収効率を向上させるために、例えば、円筒状や矩形塔状の吸収塔を用い、塔の内部に気液接触充填物を充填してガス及び吸収液の接触面積を増やす方法が採られている。
【０００６】
そして、気液接触性能は、液膜の総表面積に依存することが知られており、高い気液接触性能を得るためには、気液接触充填物の表面において、液ができるだけ濡れ広がることが好ましく、気液接触充填物の開発が行われている（特許文献８，９参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２９２２９８号公報
【特許文献２】特開２００８−２２９４９６号公報
【特許文献３】特開２００５−２９０１５１号公報
【特許文献４】特開２００７−２８３２６７号公報
【特許文献５】特開２００７−１６１４９号公報
【特許文献６】特開平１１−１４０４６１号公報
【特許文献７】特開２００７−２９７６０５号公報
【特許文献８】特開２００８−１０４９４８号公報
【特許文献９】特開２００３−１７００４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、気液接触充填物が金属製の場合、ＣＯ２の分離回収装置全体としての重量が大きくなり、気液接触装置を支える製造部品も大型化してしまうといった問題があった。また、気液接触充填物の材料に高分子材料（例えば、親水性ポリマー）を採用すれば、軽量で加工性に優れるが、ＣＯ２の分離回収装置の気液接触充填物（充填材）の費用が嵩むという不都合があった。
【０００９】
このような背景のもと、ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ分離回収コストが抑えられたＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置が望まれていたが、有効適切なものは提供されていないのが実情である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本願発明者らは、実用的に価値のあるＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置の開発に鋭意取り組んでいたところ、テイラー渦を利用することを見出した。
【００１１】
すなわち、請求項１に係る発明は、ＣＯ２含有の原料ガスから化学吸収法により、ＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収方法であって、ＣＯ２吸収設備内において、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際に、前記ＣＯ２吸収設備内にテイラー渦を発生させて、前記原料ガスと前記化学吸収媒体を接触させることを特徴とするＣＯ２の分離回収方法である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、ＣＯ２を吸収した前記化学吸収媒体から、熱源を利用してＣＯ２を分離し、前記化学吸収媒体を再生することを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２の分離回収方法である。
【００１３】
請求項３に係る発明は、エジェクターを用いて、前記原料ガスと、前記化学吸収媒体とを混合して、前記ＣＯ２吸収設備に導入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ２の分離回収方法である。
【００１４】
請求項４に係る発明は、原料ガスとして、工場から排出される排ガスを用い、前記熱源として前記工場で発生する排熱や蒸気を利用することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＣＯ２の分離回収方法である。
【００１５】
請求項５に係る発明は、ＣＯ２含有の原料ガスからＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収装置であって、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させるために用いるＣＯ２吸収設備が、外円筒と、該外円筒内に同軸状に配置された内円筒と、該内円筒を回転する駆動力とを有し、前記外円筒と前記内円筒との環状の間隙には、前記原料ガスおよび前記化学吸収媒体を導入する配管が接続されていることを特徴とするＣＯ２の分離回収装置である。
【００１６】
請求項６に係る発明は、ＣＯ２を吸収した前記化学吸収媒体を再生するための吸収媒体再生設備を有することを特徴とする請求項５に記載のＣＯ２の分離回収装置である。
【００１７】
請求項７に係る発明は、前記原料ガスと、前記化学吸収媒体とを混合するエジェクターを有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のＣＯ２の分離回収装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置によれば、ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ、ＣＯ２の分離回収コストを抑制することができる。
すなわち、従来、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際には、効率よく吸収させるために、ＣＯ２と化学吸収媒体との接触面積を増やす必要があり、そのため各種の気液接触充填材を用いなければならなかった。これに対し、本発明は、ＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際に、テイラー渦を利用するので、気液接触充填材を用いなくても、十分にＣＯ２と化学吸収媒体とを接触させることができ、効率よくＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させることができる。
その結果、気液接触充填材を用いないので、ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ、ＣＯ２の分離回収コストを抑制することができる。
【００１９】
また、本発明のＣＯ２の分離回収方法は、エジェクターを用いて、原料ガスと化学吸収媒体とを混合しているので、ＣＯ２吸収設備に導入する段階で既に十分に原料ガスと化学吸収媒体とが混合されることとなり、よりＣＯ２を効率よく化学吸収媒体に吸収することができる。
【００２０】
また、本発明のＣＯ２の分離回収方法は、吸収液を再生する熱源として工場で発生する排熱や蒸気を利用するので、省エネルギー的で好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、テイラー渦を説明する概念図である。
【図２】図２は、本発明のＣＯ２の分離回収装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜テイラー渦＞
以下、本発明を適用したＣＯ２の分離回収方法およびＣＯ２の分離回収装置について、図面を用いて説明する。
まず、本実施形態の特徴であるテイラー渦について、図１を参照して説明する。テイラー渦１（１ａ，１ｂ）は、共軸回転二重円筒構造の外円筒２を静止させた状態で、内円筒３を回転させた際に、外円筒２と内円筒３の環状の間隙４にある流体に生ずる、互いに回転方向が逆な２個の渦１ａ，１ｂが１組となった、ドーナツ状の２次渦のことである。
【００２３】
これは、間隙４にある流体が内円筒３の遠心力を受けることによって生ずるもので、下記式（１）により求められるテイラー数（Ｔａ）の値によって、状態が分類されている。なお、ｒは内円筒の半径（ｃｍ）、ωは回転角速度（ｒａｄ／ｓ）、ｈは間隙の長さ（ｃｍ）、νは気体・液体の動粘度（動粘性係数）（ｃｍ２／Ｓ）である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
テイラー数（Ｔａ）の値の増加による渦の状態の変化については、Ｔａ＜４１．３，４１．３＜Ｔａ＜５００，Ｔａ＞４００の３つに分類する仕方もあるが、以下では、（Ａ）Ｔａ＜４１．２，（Ｂ）４１．２＜Ｔａ＜８００，（Ｃ）Ｔａ〜１０００，（Ｄ）２０００＜Ｔａ＜１００００〜１５０００，（Ｅ）Ｔａ＞１５０００の５つに分類して説明する。
【００２６】
（Ａ）の状態は、テイラー渦１は存在せず、完全に層流状態である。（Ｂ）の状態においては、テイラー渦１は安定に静止して存在しており、このような流動状態では、たとえ乱れを与えても、その乱れが層流を減衰するものではなく、乱流に発散するものでもない、もう一つの安定な渦領域であると考えられている。
【００２７】
（Ｃ）の状態は、狭義の遷移域といえるもので、ここではテイラー渦１は安定に存在しているが、上下に規則正しく振動しているか、振動の上に微小振動が重なっている状態である。（Ｄ）の状態では、テイラー渦１は不規則に上下に振動していると考えられるが、カオスでとらわれることが出来るという報告もある。（Ｅ）の状態になると、テイラー渦１は消滅し、乱流になる。
【００２８】
テイラー渦１の性質については、図１に示すように、あるテイラー渦１中の粒子は別の渦に移動しないで、比較的同じ渦上に存在するという傾向が知られており、１つの反応器内を均一に混合しながら多段状態に保つことが可能となる。これにより、テイラー渦１中において、気体と液体とを十分に接触させるように制御することができる。
また、内円筒３と外円筒２の半径の比を一定に保てば、スケールアップしても同じ流動状態が再現できる。
【００２９】
また、外円筒（渦管）２及び内円筒（渦管）３が細くなれば、渦度は大きくなり、間隙４中の流体粒子の回転速度は速くなる。逆に、外円筒２及び内円筒３を太くすることで、渦度は小さくなり、流体の回転は遅くなる。これにより、反応を制御できる。
本実施形態では、このテイラー渦１を利用して、気液接触充填物（充填材）を使用せずに、化学吸収法によって、原料ガスからＣＯ２を分離回収する。
【００３０】
＜ＣＯ２の分離回収装置＞
次に、本実施形態のＣＯ２の分離回収装置について、図２を参照して説明する。
本実施形態のＣＯ２の分離回収装置１１は、エジェクター１２と、吸収塔（ＣＯ２吸収設備）１３と、再生塔１４（吸収媒体再生設備）とから概略構成されている。
【００３１】
エジェクター１２には、原料ガスを導入する原料ガス導入配管１５と、吸収液（化学吸収媒体）を導入する吸収液供給配管１６が接続されている。また、エジェクター１２の内部には、急激に絞られた図示略のノズルが形成されており、エジェクター１２は、原料ガスと吸収液を混合する混合器として機能している。なお、エジェクター１２による原料ガスと吸収液の混合方法については、後述する。
また、エジェクター１２には、原料ガスと吸収液が混合されたＣＯ２溶解液を導出するＣＯ２溶解液供給配管１７が接続されている。
【００３２】
吸収塔１３は、原料ガス中のＣＯ２を吸収液に吸収させるために用いる設備であり、テイラー渦１（図１参照）を発生させるように共軸回転二重円筒構造に形成されている。具体的には、吸収塔１３は、外円筒１８と、外円筒１８内に同軸状に配置された内円筒１９と、内円筒１９を回転するモーター等の駆動力２０と、から概略構成されている。
【００３３】
また、吸収塔１３の塔下部には、ＣＯ２溶解液供給配管１７が接続されており、ここから原料ガスおよび吸収液が導入される。吸収塔１７の塔上部には、ＣＯ２が吸収された吸収液を導出するＣＯ２溶解液流出配管２１が設けられている。また、吸収塔の塔上部には、ＣＯ２抽出後の原料ガス（オフガス）を導出するオフガス導出配管２２も接続されている。
なお、ＣＯ２溶解液流出配管２１には、途中で、後述する吸収液供給配管１６と熱交換する熱交換器２３が設けられている。
【００３４】
再生塔１４は、吸収液を再生するための設備であり、塔上部には、ＣＯ２溶解液流出配管２１が接続されており、ここから再生塔１４内にＣＯ２を吸収した吸収液が導入される。また、再生塔１４の塔上部には、再生塔１４内において分離されたＣＯ２を放出するＣＯ２分離回収配管２４が接続されている。
【００３５】
再生塔１４の塔下部には、再生塔１４内において再生された吸収液を導出する吸収液導出配管２５が接続されており、吸収液導出配管２５は、下流において吸収液供給配管１６と再生用循環配管２６に分岐している。
【００３６】
吸収液供給配管１６は、途中に、ＣＯ２が吸収された吸収液と熱交換を行う熱交換器２３が設けられており、最終的にエジェクター１２と接続されている。
再生用循環配管２６は、途中にリボイラ等の再生用熱交換器２７が設けられており、最終的に再生塔１４の塔中部に接続されている。なお、再生用熱交換器２７には、加熱媒体（熱源）と熱交換できるように、加熱媒体供給配管２８が接続されている。
【００３７】
＜ＣＯ２の分離回収方法＞
次に、本実施形態のＣＯ２の分離回収方法について説明する。
本実施形態のＣＯ２の分離回収方法は、吸収塔１３において原料ガスと吸収液とを気液接触させて、原料ガス中に含有されるＣＯ２を吸収液に吸収させる吸収工程と、再生塔１４において吸収液からＣＯ２を放出させて、高濃度のＣＯ２が含有するガスを回収するのと同時に、吸収液を再生する再生工程から概略構成されている。
【００３８】
まず本実施形態のＣＯ２の回収分離方法において用いる吸収液には、第１級〜第３級アミン等の水溶液を利用することができる。
ＭＥＡ（モノエタノールアミン）に代表される第１級アミンは、ＣＯ２に対する吸収速度が高いが、再生熱が大きくなるという特性がある。第１級アミンを含む吸収液を用いる場合には、ＣＯ２に対する吸収速度が高いため、原料ガスと気液接触させる領域を小さくすることが可能であり、吸収塔を比較的に小型にすることが可能となる。しかし、再生熱が大きいことから、ＣＯ２を放出させる際には、吸収液に対して多量の熱エネルギーを与える必要がある。
【００３９】
ＭＥＤＡ（ジエタノールアミン）に代表される第２級アミンは、ＣＯ２と反応してアミンカルバミド酸塩を生成するのでＣＯ２の吸収が速い。また、ＣＯ２との反応熱は、第１級アミンよりも小さいので、溶液再生熱も少ない。そして、第１級アミンよりも腐食性が低いので、腐食防止剤なしで、アミン濃度２５〜３０％で使用できる。
【００４０】
ＭＤＥＡ（メチルジエタノールアミン）に代表される第３級アミンは、アミンカルバミド酸塩を生成しないのでＣＯ２の吸収速度が遅く、Ｈ２Ｓを選択的に吸収することができる。この特性は、天然ガス処理プロセスとしては非常に有益である。
【００４１】
また、第３級アミンは、ＣＯ２との反応熱が第１級アミン、第２級アミンよりも小さいので、吸収液再生熱も少なくて済む。また、腐食性が極めて低いので、腐食防止剤なしで５０％濃度が使用できる。
【００４２】
すなわち、第３級アミンには、ＣＯ２に対する吸収速度が低いが、再生熱が小さく、吸収液に対して少量の熱エネルギーを与えることでＣＯ２を容易に放出するという特性がある。したがって、省エネルギー的には第３級アミンを吸収液の主成分に使用することが好ましい。
【００４３】
第３級アミンを含む吸収液を用いた場合には、従来、ＣＯ２に対する低い吸収速度を補うために、対象ガス中のＣＯ２分圧を高くするか、または吸収塔を大型化して気液接触の領域を増やす必要があった。本実施形態では、気液接触充填物を使用せず、気液接触の領域を増加させるために、テイラー渦１（図１参照）を使用する。
【００４４】
本実施形態によって処理されるＣＯ２を含有する原料ガスとしては、ガス圧力が大気圧前後の常圧ガスであって、ガス温度が２０〜５０℃程度のガスを用いるのが好ましい。
高圧の原料ガスを使用すると、耐久性を考慮したうえで装置全体を高圧仕様にする必要があり、設備費がかかる。したがって、ガス圧力が高い場合は、減圧弁を使用して圧力を低くして利用するのが好ましい。
【００４５】
また、原料ガスとしては、具体的には火力発電所で発生する燃焼排ガスや製鉄所で発生する副生ガス（未燃ガス）、燃焼や化学反応に伴って発生し、ＣＯ２を数％以上含むガス等を例示することができる。
製鉄所で発生する副生ガスには、例えば製鉄所の構成によっても異なるが高炉一貫製鉄所を例に取れば、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）が挙げられるほか、ＣＯＧやＬＤＧ等の上記副生ガスを水素製造目的が改質する過程（プロセス）の中で産生させるガス（プロセスガス）も含まれる。
【００４６】
これらの副生ガスは１種単独で用いても良いし、２種以上を混合した状態で用いても良い。また、本実施形態では上記副生ガスの燃焼排ガスをＣＯ２含有ガスとしてＣＯ２の分離回収に供しても良い。
【００４７】
また、Ｈ２とＣＨ４を含む地中から発生する生物の嫌気性発酵由来により生成した天然ガス、産業用ならびに家庭用廃棄物の地中埋蔵により自然と嫌気性発酵し産出する地中発酵ガス、または人工的に発生させた嫌気性発酵プロセスから排出される人工発酵等（これらをバイオガスと称する）にもＣＯ２は含まれるため、これらを原料ガスとして使用しても良い。
【００４８】
なお、これらの原料ガスの中で、ＢＦＧは、ＣＯ２比率が２０数％と高く、その他に燃料成分であるＨ２が数％、ＣＯが２０数％になる。一方、ＬＤＧは１０数％のＣＯ２と共に、７０％前後のＣＯを含んでおり、燃焼排ガスにおけるＣＯ２濃度は３０数％と非常に高いものとなっている。また、嫌気性ＣＨ４発酵によるバイオガスは、ＣＨ４比率が約６０％、ＣＯ２比率が約４０％である。火力発電所のＣＯ２濃度は、天然ガス火力発電所で約８％程度、石炭火力発電所で約１２％程度である。
【００４９】
ＣＯ２比率が高い原料ガスから、化学吸収法等の手段でＣＯ２を分離回収する場合は、例えば火力発電所の低ＣＯ２濃度の燃焼排ガスを原料ガスとして使用する場合と比較して、設備規模を大幅に小さくすることができ、コスト削減が可能となる。
したがって、原料中のＣＯ２比率（濃度）は、１５体積％以上が好ましく、２０体積％以上であることがより好ましく、２５体積％以上であることが特に好ましい。
【００５０】
原料ガスと吸収液は、図示略の送風機やポンプ等を使用して、直接吸収塔１３に供給しても構わないが、より一層吸収液と原料ガス中のＣＯ２を効率的に反応させるために、エジェクター１２に導入することが好ましい。
【００５１】
エジェクター１２の内部には、急激に絞られた図示略のノズルが形成されており、吸収液（再生済み吸収液）が吸収液供給配管１６からエジェクター１２に供給されると、吸収液がノズルより高速で噴射されることになる。
【００５２】
そして、吸収液が高速で噴射された結果、その高速流の形成により負圧作用が増大し、大気圧より少し高い程度の供給圧で供給されている原料ガスは、吸収液に吸引され、瞬時に微細な気泡状態となる。これにより、混合液の生成を簡易に行うことができる。
無数の微細気泡化により吸収液との気液接触表面積は激増し、微細気泡中のＣＯ２は吸収液中に急速に溶解する。
【００５３】
なお、原料ガスに、窒素酸化物や硫黄酸化物等の吸収液劣化要因が高濃度で含有される場合は、これらを除去するための図示略の事前処理設備を設け、これらを除去した後にエジェクター１２に導入してもても良い。
【００５４】
エジェクター１２によって混合された原料ガスと吸収液は、ＣＯ２溶解液供給配管１７を通って、吸収塔１３の塔下部から環状の間隙２９に導入される。
吸収塔１３では、外円筒１８が静止し、内円筒１９がモーター等の駆動力２０によって回転させられているので、外円筒１８と内円筒１９の間隙２９には、テイラー渦１（図１参照）が発生する。これにより、吸収液と原料ガスとの接触を十分に確保することができ、気液接触充填材を用いなくても、ＣＯ２は十分に吸収液に吸収される。
【００５５】
テイラー渦１の発生・調整は、吸収液の物性（動粘度）を参考にし、内円筒１９の回転速度、外円筒１８との間隙２９を調整することで実施する。なお、使用する吸収液の特性により、吸収液の再生に必要な熱量等が大きく異なり、また、使用温度範囲が制約される吸収液もあるため、この点を十分に考慮して、テイラー渦１の発生・調整をする必要がある。
【００５６】
ＣＯ２が溶解した吸収液は、吸収塔１３の塔下部から塔上部方向へ流れ、吸収塔１３内に多段状態に発生したテイラー渦１で、更にＣＯ２が吸収液に溶解される。そして、ＣＯ２が溶解・吸収された吸収液は、吸収塔１３の塔上部からＣＯ２溶解液流出配管２１を介して、流出される。
【００５７】
なお、エジェクター１２による吸収液と原料ガス中のＣＯ２の混合、吸収塔１３内に多段状態に発生したテイラー渦１でのＣＯ２の溶解は、常温付近の２０〜５０℃で行われるのが好ましく、特に５０℃前後で行われるのが好ましい。
【００５８】
また、吸収塔１３の塔上部から流出された吸収液の一部については、図示略の再循環路を介して、吸収塔１３の塔下部のＣＯ２溶解液供給配管１７に戻してもよい。この場合は、再循環路には図示略の熱交換器を設け、吸収液の液温を例えば、４０℃から３０℃にまで冷却できるような構成にする。
【００５９】
吸収塔１３の塔上部からは、原料ガス中のＣＯ２を吸収液に吸収させた後の、残りのオフガスがオフガス導出配管２２を介して排出される。なお、オフガスの中でも、Ｈ２とＣＨ４は燃料ガスとして使用できる。例えば、燃料電池で発電し、得られた電力を本実施形態のＣＯ２の分離回収装置１１の動力源、特に内円筒１９の駆動力２０であるモーター等の動力源とする。
【００６０】
ＣＯ２を吸収した吸収液は、ＣＯ２溶解液流出管２１を通って、再生塔１４の塔上部に導入される。再生塔１４内では、ＣＯ２を吸収した吸収液は、加熱により容易に吸収液（例えばアミン）とＣＯ２に再生することができる。
【００６１】
なお、再生塔１４には、吸収液を循環させつつ吸収液に対して熱エネルギー（再生熱）を与えるリボイラ等の再生用熱交換器２７からなる循環加熱手段が付加されている。具体的には、吸収液の一部は、再生塔１４の塔下部から吸収液導出配管２５および再生用循環配管２６を介して、再生用熱交換器２７に導入される。そして、吸収液は、再生用熱交換器２７によって、加熱媒体と熱交換をした後に、再生塔１４の塔中部に導入される。
加熱媒体としては、１２０℃前後の熱源であることが好ましく、工場で発生する排除や蒸気を利用することが、省エネルギー的に望ましい。
【００６２】
また、ＣＯ２の回収・分離について詳述すると、再生塔１４内では、再生塔１４の塔上部から、後述するように予熱されたＣＯ２を吸収済みの吸収液を流下させるとともに、再生塔１４の貯留部に貯留された１２０℃程度の再生済み吸収液から蒸気を発生させる。
そして、発生した蒸気によって、吸収済み吸収液（ＣＯ２溶解液）を加熱して（再生熱を与えて）、ＣＯ２を分離・回収するとともに、吸収済み吸収液（ＣＯ２溶解液）を再生する。
【００６３】
再生塔１４内において分離・回収されるＣＯ２は、９９．９％以上の濃度のガスで、再生塔１４の塔上部に設けたＣＯ２分離回収配管２４から排出される。また、再生された吸収液は、再生塔１４の塔下部から吸収液導出配管２５および吸収液供給配管１６を介して、エジェクター１２に供給される。
【００６４】
ＣＯ２溶解液流出配管２１と、吸収液供給配管１６の途中には、熱交換器２３が設けられており、再生済みの吸収液とＣＯ２を吸収済みの吸収液との間で熱交換が行われる。これにより、再生済みの吸収液が、ＣＯ２の吸収に適した温度にまで冷却され、吸収済みの吸収液は、再生塔１４に導入される前に予熱される。
【００６５】
なお、本実施形態では、吸収液を所定の再生温度（例えば、１２０℃前後）の加熱媒体を使用して加熱する際に、吸収液の特性に応じ、再生に必要な熱量の全量を製鉄所等の工場で発生する排熱や工場用蒸気圧等を利用する。
【００６６】
例えば、高炉スラグの水砕に使用した排水（約９０℃）、焼結主排気ガス（約２８０℃）、焼結成品クーラーからの排熱（約３５０℃）を用いての加熱蒸気等は加熱媒体を加熱するのに順次活用しても良いし、直接加熱媒体として順次利用しても良く、その利用または活用形態に関しては特に制限されるべきものではない。
【００６７】
より好ましくは、再生塔１４での吸収液の再生温度、つまり加熱温度（１２０℃前後）よりも高い温度の排熱を利用又は活用して蒸気加熱することが好ましい。これは、吸収液と排熱の温度差が大きい程、熱交換に必要な設備の小型化が可能となり、ひいては、ＣＯ２の分離回収コストが低減できるからである。
【００６８】
分離回収したＣＯ２の用途は、洗浄・脱臭・精製・液化等の工程を経て、清涼飲料水や冷却剤、食品保存用ドライアイス、液化炭酸ガス利用の食品冷凍装置、野菜類の促成栽培、藻類培養のＣＯ２固定のよるアミノ酸の製造、ＣＯ２を工業用原料とする炭酸塩の製造等に利用することができる。
【００６９】
本実施形態のＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置によれば、ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ、ＣＯ２の分離回収コストを抑制することができる。
すなわち、従来、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際には、効率よく吸収させるために、ＣＯ２と化学吸収媒体との接触面積を増やす必要があり、そのため各種の気液接触充填材を用いなければならなかった。これに対し、本実施形態は、ＣＯ２を吸収液に吸収させる際に、テイラー渦１（図１参照）を利用するので、気液接触充填材を用いなくても、十分にＣＯ２と吸収液を接触させることができ、効率よくＣＯ２を吸収液に吸収させることができる。
その結果、気液接触充填材を用いないので、ＣＯ２の分離回収装置１１の大型化を防ぐことができ、かつ、ＣＯ２の分離回収コストを抑制することができる。
【００７０】
また、エジェクター１２を用いて、原料ガスと吸収液とを混合しているので、吸収塔１３に導入する段階で、既に十分に原料ガスと吸収液とが混合されることとなり、よりＣＯ２を効率よく吸収液に吸収させることができる。
【００７１】
また、吸収液を再生する熱源として工場で発生する排熱や蒸気を利用するので、省エネルギー的で好ましい。
【００７２】
以上、本発明を実施形態に基いて説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、ＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置に関するものなので、ＣＯ２を分離回収する必要のある製造業において幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１，１ａ，１ｂ・・・テイラー渦、２，１８・・・外円筒、３，１９・・・内円筒、４，２９・・・間隙、１１・・・ＣＯ２の分離回収装置、１２・・・エジェクター、１３・・・吸収塔、１４・・・再生塔、１５・・・原料ガス導入管、１６・・・吸収液供給配管、１７・・・ＣＯ２溶解液供給配管、２０・・・駆動力、２１・・・ＣＯ２溶解液流出配管、２２・・・オフガス導出配管、２３・・・熱交換器、２４・・・ＣＯ２分離回収配管、２５・・・吸収液導出配管、２６・・・再生用循環配管、２７・・・再生用熱交換器、２８・・・加熱媒体供給配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策として、ＣＯ２を有効利用したり固定したりする方法が検討されている。そして、このようなＣＯ２の有効利用や固定の際には、必ずＣＯ２の分離・回収が必要となる。
【０００３】
一般に、大量の排ガス源からＣＯ２を回収する方法としては、様々の方法が知られており、実用化されているものとして、例えば化学吸収法が知られている（特許文献１、２参照）。化学吸収法とは、ＣＯ２を選択的に溶解できるアルカリ性溶液等を吸収液として利用し、ＣＯ２を化学反応によって吸収させ、その吸収液を加熱等することで、ＣＯ２を放出させて回収する方法である。
【０００４】
そして、特許文献３〜７には、膜・吸収ハイブリット法によるバイオガス濃縮装置が記載されている。また、有害（Ｈ２Ｓ及びメルカプタン等）または有益なガス（オレフィン）を吸収・分離するための装置として、吸収液を利用した気液接触装置が知られている。
【０００５】
ところで、ＣＯ２に対する吸収速度が低い吸収液、例えば第３級アミンを使用する場合には、対象ガス中のＣＯ２分圧を高くするか、または吸収塔を大型化して気液接触の領域を増やす必要がある。主に化学プラント等では排出されるＣＯ２等のガスの吸収効率を向上させるために、例えば、円筒状や矩形塔状の吸収塔を用い、塔の内部に気液接触充填物を充填してガス及び吸収液の接触面積を増やす方法が採られている。
【０００６】
そして、気液接触性能は、液膜の総表面積に依存することが知られており、高い気液接触性能を得るためには、気液接触充填物の表面において、液ができるだけ濡れ広がることが好ましく、気液接触充填物の開発が行われている（特許文献８，９参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２９２２９８号公報
【特許文献２】特開２００８−２２９４９６号公報
【特許文献３】特開２００５−２９０１５１号公報
【特許文献４】特開２００７−２８３２６７号公報
【特許文献５】特開２００７−１６１４９号公報
【特許文献６】特開平１１−１４０４６１号公報
【特許文献７】特開２００７−２９７６０５号公報
【特許文献８】特開２００８−１０４９４８号公報
【特許文献９】特開２００３−１７００４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、気液接触充填物が金属製の場合、ＣＯ２の分離回収装置全体としての重量が大きくなり、気液接触装置を支える製造部品も大型化してしまうといった問題があった。また、気液接触充填物の材料に高分子材料（例えば、親水性ポリマー）を採用すれば、軽量で加工性に優れるが、ＣＯ２の分離回収装置の気液接触充填物（充填材）の費用が嵩むという不都合があった。
【０００９】
このような背景のもと、ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ分離回収コストが抑えられたＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置が望まれていたが、有効適切なものは提供されていないのが実情である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本願発明者らは、実用的に価値のあるＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置の開発に鋭意取り組んでいたところ、テイラー渦を利用することを見出した。
【００１１】
すなわち、請求項１に係る発明は、ＣＯ２含有の原料ガスから化学吸収法により、ＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収方法であって、ＣＯ２吸収設備内において、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際に、前記ＣＯ２吸収設備内にテイラー渦を発生させて、前記原料ガスと前記化学吸収媒体を接触させることを特徴とするＣＯ２の分離回収方法である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、ＣＯ２を吸収した前記化学吸収媒体から、熱源を利用してＣＯ２を分離し、前記化学吸収媒体を再生することを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２の分離回収方法である。
【００１３】
請求項３に係る発明は、エジェクターを用いて、前記原料ガスと、前記化学吸収媒体とを混合して、前記ＣＯ２吸収設備に導入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ２の分離回収方法である。
【００１４】
請求項４に係る発明は、原料ガスとして、工場から排出される排ガスを用い、前記熱源として前記工場で発生する排熱や蒸気を利用することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＣＯ２の分離回収方法である。
【００１５】
請求項５に係る発明は、ＣＯ２含有の原料ガスからＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収装置であって、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させるために用いるＣＯ２吸収設備が、外円筒と、該外円筒内に同軸状に配置された内円筒と、該内円筒を回転する駆動力とを有し、前記外円筒と前記内円筒との環状の間隙には、前記原料ガスおよび前記化学吸収媒体を導入する配管が接続されていることを特徴とするＣＯ２の分離回収装置である。
【００１６】
請求項６に係る発明は、ＣＯ２を吸収した前記化学吸収媒体を再生するための吸収媒体再生設備を有することを特徴とする請求項５に記載のＣＯ２の分離回収装置である。
【００１７】
請求項７に係る発明は、前記原料ガスと、前記化学吸収媒体とを混合するエジェクターを有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のＣＯ２の分離回収装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置によれば、ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ、ＣＯ２の分離回収コストを抑制することができる。
すなわち、従来、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際には、効率よく吸収させるために、ＣＯ２と化学吸収媒体との接触面積を増やす必要があり、そのため各種の気液接触充填材を用いなければならなかった。これに対し、本発明は、ＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際に、テイラー渦を利用するので、気液接触充填材を用いなくても、十分にＣＯ２と化学吸収媒体とを接触させることができ、効率よくＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させることができる。
その結果、気液接触充填材を用いないので、ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ、ＣＯ２の分離回収コストを抑制することができる。
【００１９】
また、本発明のＣＯ２の分離回収方法は、エジェクターを用いて、原料ガスと化学吸収媒体とを混合しているので、ＣＯ２吸収設備に導入する段階で既に十分に原料ガスと化学吸収媒体とが混合されることとなり、よりＣＯ２を効率よく化学吸収媒体に吸収することができる。
【００２０】
また、本発明のＣＯ２の分離回収方法は、吸収液を再生する熱源として工場で発生する排熱や蒸気を利用するので、省エネルギー的で好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、テイラー渦を説明する概念図である。
【図２】図２は、本発明のＣＯ２の分離回収装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜テイラー渦＞
以下、本発明を適用したＣＯ２の分離回収方法およびＣＯ２の分離回収装置について、図面を用いて説明する。
まず、本実施形態の特徴であるテイラー渦について、図１を参照して説明する。テイラー渦１（１ａ，１ｂ）は、共軸回転二重円筒構造の外円筒２を静止させた状態で、内円筒３を回転させた際に、外円筒２と内円筒３の環状の間隙４にある流体に生ずる、互いに回転方向が逆な２個の渦１ａ，１ｂが１組となった、ドーナツ状の２次渦のことである。
【００２３】
これは、間隙４にある流体が内円筒３の遠心力を受けることによって生ずるもので、下記式（１）により求められるテイラー数（Ｔａ）の値によって、状態が分類されている。なお、ｒは内円筒の半径（ｃｍ）、ωは回転角速度（ｒａｄ／ｓ）、ｈは間隙の長さ（ｃｍ）、νは気体・液体の動粘度（動粘性係数）（ｃｍ２／Ｓ）である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
テイラー数（Ｔａ）の値の増加による渦の状態の変化については、Ｔａ＜４１．３，４１．３＜Ｔａ＜５００，Ｔａ＞４００の３つに分類する仕方もあるが、以下では、（Ａ）Ｔａ＜４１．２，（Ｂ）４１．２＜Ｔａ＜８００，（Ｃ）Ｔａ〜１０００，（Ｄ）２０００＜Ｔａ＜１００００〜１５０００，（Ｅ）Ｔａ＞１５０００の５つに分類して説明する。
【００２６】
（Ａ）の状態は、テイラー渦１は存在せず、完全に層流状態である。（Ｂ）の状態においては、テイラー渦１は安定に静止して存在しており、このような流動状態では、たとえ乱れを与えても、その乱れが層流を減衰するものではなく、乱流に発散するものでもない、もう一つの安定な渦領域であると考えられている。
【００２７】
（Ｃ）の状態は、狭義の遷移域といえるもので、ここではテイラー渦１は安定に存在しているが、上下に規則正しく振動しているか、振動の上に微小振動が重なっている状態である。（Ｄ）の状態では、テイラー渦１は不規則に上下に振動していると考えられるが、カオスでとらわれることが出来るという報告もある。（Ｅ）の状態になると、テイラー渦１は消滅し、乱流になる。
【００２８】
テイラー渦１の性質については、図１に示すように、あるテイラー渦１中の粒子は別の渦に移動しないで、比較的同じ渦上に存在するという傾向が知られており、１つの反応器内を均一に混合しながら多段状態に保つことが可能となる。これにより、テイラー渦１中において、気体と液体とを十分に接触させるように制御することができる。
また、内円筒３と外円筒２の半径の比を一定に保てば、スケールアップしても同じ流動状態が再現できる。
【００２９】
また、外円筒（渦管）２及び内円筒（渦管）３が細くなれば、渦度は大きくなり、間隙４中の流体粒子の回転速度は速くなる。逆に、外円筒２及び内円筒３を太くすることで、渦度は小さくなり、流体の回転は遅くなる。これにより、反応を制御できる。
本実施形態では、このテイラー渦１を利用して、気液接触充填物（充填材）を使用せずに、化学吸収法によって、原料ガスからＣＯ２を分離回収する。
【００３０】
＜ＣＯ２の分離回収装置＞
次に、本実施形態のＣＯ２の分離回収装置について、図２を参照して説明する。
本実施形態のＣＯ２の分離回収装置１１は、エジェクター１２と、吸収塔（ＣＯ２吸収設備）１３と、再生塔１４（吸収媒体再生設備）とから概略構成されている。
【００３１】
エジェクター１２には、原料ガスを導入する原料ガス導入配管１５と、吸収液（化学吸収媒体）を導入する吸収液供給配管１６が接続されている。また、エジェクター１２の内部には、急激に絞られた図示略のノズルが形成されており、エジェクター１２は、原料ガスと吸収液を混合する混合器として機能している。なお、エジェクター１２による原料ガスと吸収液の混合方法については、後述する。
また、エジェクター１２には、原料ガスと吸収液が混合されたＣＯ２溶解液を導出するＣＯ２溶解液供給配管１７が接続されている。
【００３２】
吸収塔１３は、原料ガス中のＣＯ２を吸収液に吸収させるために用いる設備であり、テイラー渦１（図１参照）を発生させるように共軸回転二重円筒構造に形成されている。具体的には、吸収塔１３は、外円筒１８と、外円筒１８内に同軸状に配置された内円筒１９と、内円筒１９を回転するモーター等の駆動力２０と、から概略構成されている。
【００３３】
また、吸収塔１３の塔下部には、ＣＯ２溶解液供給配管１７が接続されており、ここから原料ガスおよび吸収液が導入される。吸収塔１７の塔上部には、ＣＯ２が吸収された吸収液を導出するＣＯ２溶解液流出配管２１が設けられている。また、吸収塔の塔上部には、ＣＯ２抽出後の原料ガス（オフガス）を導出するオフガス導出配管２２も接続されている。
なお、ＣＯ２溶解液流出配管２１には、途中で、後述する吸収液供給配管１６と熱交換する熱交換器２３が設けられている。
【００３４】
再生塔１４は、吸収液を再生するための設備であり、塔上部には、ＣＯ２溶解液流出配管２１が接続されており、ここから再生塔１４内にＣＯ２を吸収した吸収液が導入される。また、再生塔１４の塔上部には、再生塔１４内において分離されたＣＯ２を放出するＣＯ２分離回収配管２４が接続されている。
【００３５】
再生塔１４の塔下部には、再生塔１４内において再生された吸収液を導出する吸収液導出配管２５が接続されており、吸収液導出配管２５は、下流において吸収液供給配管１６と再生用循環配管２６に分岐している。
【００３６】
吸収液供給配管１６は、途中に、ＣＯ２が吸収された吸収液と熱交換を行う熱交換器２３が設けられており、最終的にエジェクター１２と接続されている。
再生用循環配管２６は、途中にリボイラ等の再生用熱交換器２７が設けられており、最終的に再生塔１４の塔中部に接続されている。なお、再生用熱交換器２７には、加熱媒体（熱源）と熱交換できるように、加熱媒体供給配管２８が接続されている。
【００３７】
＜ＣＯ２の分離回収方法＞
次に、本実施形態のＣＯ２の分離回収方法について説明する。
本実施形態のＣＯ２の分離回収方法は、吸収塔１３において原料ガスと吸収液とを気液接触させて、原料ガス中に含有されるＣＯ２を吸収液に吸収させる吸収工程と、再生塔１４において吸収液からＣＯ２を放出させて、高濃度のＣＯ２が含有するガスを回収するのと同時に、吸収液を再生する再生工程から概略構成されている。
【００３８】
まず本実施形態のＣＯ２の回収分離方法において用いる吸収液には、第１級〜第３級アミン等の水溶液を利用することができる。
ＭＥＡ（モノエタノールアミン）に代表される第１級アミンは、ＣＯ２に対する吸収速度が高いが、再生熱が大きくなるという特性がある。第１級アミンを含む吸収液を用いる場合には、ＣＯ２に対する吸収速度が高いため、原料ガスと気液接触させる領域を小さくすることが可能であり、吸収塔を比較的に小型にすることが可能となる。しかし、再生熱が大きいことから、ＣＯ２を放出させる際には、吸収液に対して多量の熱エネルギーを与える必要がある。
【００３９】
ＭＥＤＡ（ジエタノールアミン）に代表される第２級アミンは、ＣＯ２と反応してアミンカルバミド酸塩を生成するのでＣＯ２の吸収が速い。また、ＣＯ２との反応熱は、第１級アミンよりも小さいので、溶液再生熱も少ない。そして、第１級アミンよりも腐食性が低いので、腐食防止剤なしで、アミン濃度２５〜３０％で使用できる。
【００４０】
ＭＤＥＡ（メチルジエタノールアミン）に代表される第３級アミンは、アミンカルバミド酸塩を生成しないのでＣＯ２の吸収速度が遅く、Ｈ２Ｓを選択的に吸収することができる。この特性は、天然ガス処理プロセスとしては非常に有益である。
【００４１】
また、第３級アミンは、ＣＯ２との反応熱が第１級アミン、第２級アミンよりも小さいので、吸収液再生熱も少なくて済む。また、腐食性が極めて低いので、腐食防止剤なしで５０％濃度が使用できる。
【００４２】
すなわち、第３級アミンには、ＣＯ２に対する吸収速度が低いが、再生熱が小さく、吸収液に対して少量の熱エネルギーを与えることでＣＯ２を容易に放出するという特性がある。したがって、省エネルギー的には第３級アミンを吸収液の主成分に使用することが好ましい。
【００４３】
第３級アミンを含む吸収液を用いた場合には、従来、ＣＯ２に対する低い吸収速度を補うために、対象ガス中のＣＯ２分圧を高くするか、または吸収塔を大型化して気液接触の領域を増やす必要があった。本実施形態では、気液接触充填物を使用せず、気液接触の領域を増加させるために、テイラー渦１（図１参照）を使用する。
【００４４】
本実施形態によって処理されるＣＯ２を含有する原料ガスとしては、ガス圧力が大気圧前後の常圧ガスであって、ガス温度が２０〜５０℃程度のガスを用いるのが好ましい。
高圧の原料ガスを使用すると、耐久性を考慮したうえで装置全体を高圧仕様にする必要があり、設備費がかかる。したがって、ガス圧力が高い場合は、減圧弁を使用して圧力を低くして利用するのが好ましい。
【００４５】
また、原料ガスとしては、具体的には火力発電所で発生する燃焼排ガスや製鉄所で発生する副生ガス（未燃ガス）、燃焼や化学反応に伴って発生し、ＣＯ２を数％以上含むガス等を例示することができる。
製鉄所で発生する副生ガスには、例えば製鉄所の構成によっても異なるが高炉一貫製鉄所を例に取れば、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）が挙げられるほか、ＣＯＧやＬＤＧ等の上記副生ガスを水素製造目的が改質する過程（プロセス）の中で産生させるガス（プロセスガス）も含まれる。
【００４６】
これらの副生ガスは１種単独で用いても良いし、２種以上を混合した状態で用いても良い。また、本実施形態では上記副生ガスの燃焼排ガスをＣＯ２含有ガスとしてＣＯ２の分離回収に供しても良い。
【００４７】
また、Ｈ２とＣＨ４を含む地中から発生する生物の嫌気性発酵由来により生成した天然ガス、産業用ならびに家庭用廃棄物の地中埋蔵により自然と嫌気性発酵し産出する地中発酵ガス、または人工的に発生させた嫌気性発酵プロセスから排出される人工発酵等（これらをバイオガスと称する）にもＣＯ２は含まれるため、これらを原料ガスとして使用しても良い。
【００４８】
なお、これらの原料ガスの中で、ＢＦＧは、ＣＯ２比率が２０数％と高く、その他に燃料成分であるＨ２が数％、ＣＯが２０数％になる。一方、ＬＤＧは１０数％のＣＯ２と共に、７０％前後のＣＯを含んでおり、燃焼排ガスにおけるＣＯ２濃度は３０数％と非常に高いものとなっている。また、嫌気性ＣＨ４発酵によるバイオガスは、ＣＨ４比率が約６０％、ＣＯ２比率が約４０％である。火力発電所のＣＯ２濃度は、天然ガス火力発電所で約８％程度、石炭火力発電所で約１２％程度である。
【００４９】
ＣＯ２比率が高い原料ガスから、化学吸収法等の手段でＣＯ２を分離回収する場合は、例えば火力発電所の低ＣＯ２濃度の燃焼排ガスを原料ガスとして使用する場合と比較して、設備規模を大幅に小さくすることができ、コスト削減が可能となる。
したがって、原料中のＣＯ２比率（濃度）は、１５体積％以上が好ましく、２０体積％以上であることがより好ましく、２５体積％以上であることが特に好ましい。
【００５０】
原料ガスと吸収液は、図示略の送風機やポンプ等を使用して、直接吸収塔１３に供給しても構わないが、より一層吸収液と原料ガス中のＣＯ２を効率的に反応させるために、エジェクター１２に導入することが好ましい。
【００５１】
エジェクター１２の内部には、急激に絞られた図示略のノズルが形成されており、吸収液（再生済み吸収液）が吸収液供給配管１６からエジェクター１２に供給されると、吸収液がノズルより高速で噴射されることになる。
【００５２】
そして、吸収液が高速で噴射された結果、その高速流の形成により負圧作用が増大し、大気圧より少し高い程度の供給圧で供給されている原料ガスは、吸収液に吸引され、瞬時に微細な気泡状態となる。これにより、混合液の生成を簡易に行うことができる。
無数の微細気泡化により吸収液との気液接触表面積は激増し、微細気泡中のＣＯ２は吸収液中に急速に溶解する。
【００５３】
なお、原料ガスに、窒素酸化物や硫黄酸化物等の吸収液劣化要因が高濃度で含有される場合は、これらを除去するための図示略の事前処理設備を設け、これらを除去した後にエジェクター１２に導入してもても良い。
【００５４】
エジェクター１２によって混合された原料ガスと吸収液は、ＣＯ２溶解液供給配管１７を通って、吸収塔１３の塔下部から環状の間隙２９に導入される。
吸収塔１３では、外円筒１８が静止し、内円筒１９がモーター等の駆動力２０によって回転させられているので、外円筒１８と内円筒１９の間隙２９には、テイラー渦１（図１参照）が発生する。これにより、吸収液と原料ガスとの接触を十分に確保することができ、気液接触充填材を用いなくても、ＣＯ２は十分に吸収液に吸収される。
【００５５】
テイラー渦１の発生・調整は、吸収液の物性（動粘度）を参考にし、内円筒１９の回転速度、外円筒１８との間隙２９を調整することで実施する。なお、使用する吸収液の特性により、吸収液の再生に必要な熱量等が大きく異なり、また、使用温度範囲が制約される吸収液もあるため、この点を十分に考慮して、テイラー渦１の発生・調整をする必要がある。
【００５６】
ＣＯ２が溶解した吸収液は、吸収塔１３の塔下部から塔上部方向へ流れ、吸収塔１３内に多段状態に発生したテイラー渦１で、更にＣＯ２が吸収液に溶解される。そして、ＣＯ２が溶解・吸収された吸収液は、吸収塔１３の塔上部からＣＯ２溶解液流出配管２１を介して、流出される。
【００５７】
なお、エジェクター１２による吸収液と原料ガス中のＣＯ２の混合、吸収塔１３内に多段状態に発生したテイラー渦１でのＣＯ２の溶解は、常温付近の２０〜５０℃で行われるのが好ましく、特に５０℃前後で行われるのが好ましい。
【００５８】
また、吸収塔１３の塔上部から流出された吸収液の一部については、図示略の再循環路を介して、吸収塔１３の塔下部のＣＯ２溶解液供給配管１７に戻してもよい。この場合は、再循環路には図示略の熱交換器を設け、吸収液の液温を例えば、４０℃から３０℃にまで冷却できるような構成にする。
【００５９】
吸収塔１３の塔上部からは、原料ガス中のＣＯ２を吸収液に吸収させた後の、残りのオフガスがオフガス導出配管２２を介して排出される。なお、オフガスの中でも、Ｈ２とＣＨ４は燃料ガスとして使用できる。例えば、燃料電池で発電し、得られた電力を本実施形態のＣＯ２の分離回収装置１１の動力源、特に内円筒１９の駆動力２０であるモーター等の動力源とする。
【００６０】
ＣＯ２を吸収した吸収液は、ＣＯ２溶解液流出管２１を通って、再生塔１４の塔上部に導入される。再生塔１４内では、ＣＯ２を吸収した吸収液は、加熱により容易に吸収液（例えばアミン）とＣＯ２に再生することができる。
【００６１】
なお、再生塔１４には、吸収液を循環させつつ吸収液に対して熱エネルギー（再生熱）を与えるリボイラ等の再生用熱交換器２７からなる循環加熱手段が付加されている。具体的には、吸収液の一部は、再生塔１４の塔下部から吸収液導出配管２５および再生用循環配管２６を介して、再生用熱交換器２７に導入される。そして、吸収液は、再生用熱交換器２７によって、加熱媒体と熱交換をした後に、再生塔１４の塔中部に導入される。
加熱媒体としては、１２０℃前後の熱源であることが好ましく、工場で発生する排除や蒸気を利用することが、省エネルギー的に望ましい。
【００６２】
また、ＣＯ２の回収・分離について詳述すると、再生塔１４内では、再生塔１４の塔上部から、後述するように予熱されたＣＯ２を吸収済みの吸収液を流下させるとともに、再生塔１４の貯留部に貯留された１２０℃程度の再生済み吸収液から蒸気を発生させる。
そして、発生した蒸気によって、吸収済み吸収液（ＣＯ２溶解液）を加熱して（再生熱を与えて）、ＣＯ２を分離・回収するとともに、吸収済み吸収液（ＣＯ２溶解液）を再生する。
【００６３】
再生塔１４内において分離・回収されるＣＯ２は、９９．９％以上の濃度のガスで、再生塔１４の塔上部に設けたＣＯ２分離回収配管２４から排出される。また、再生された吸収液は、再生塔１４の塔下部から吸収液導出配管２５および吸収液供給配管１６を介して、エジェクター１２に供給される。
【００６４】
ＣＯ２溶解液流出配管２１と、吸収液供給配管１６の途中には、熱交換器２３が設けられており、再生済みの吸収液とＣＯ２を吸収済みの吸収液との間で熱交換が行われる。これにより、再生済みの吸収液が、ＣＯ２の吸収に適した温度にまで冷却され、吸収済みの吸収液は、再生塔１４に導入される前に予熱される。
【００６５】
なお、本実施形態では、吸収液を所定の再生温度（例えば、１２０℃前後）の加熱媒体を使用して加熱する際に、吸収液の特性に応じ、再生に必要な熱量の全量を製鉄所等の工場で発生する排熱や工場用蒸気圧等を利用する。
【００６６】
例えば、高炉スラグの水砕に使用した排水（約９０℃）、焼結主排気ガス（約２８０℃）、焼結成品クーラーからの排熱（約３５０℃）を用いての加熱蒸気等は加熱媒体を加熱するのに順次活用しても良いし、直接加熱媒体として順次利用しても良く、その利用または活用形態に関しては特に制限されるべきものではない。
【００６７】
より好ましくは、再生塔１４での吸収液の再生温度、つまり加熱温度（１２０℃前後）よりも高い温度の排熱を利用又は活用して蒸気加熱することが好ましい。これは、吸収液と排熱の温度差が大きい程、熱交換に必要な設備の小型化が可能となり、ひいては、ＣＯ２の分離回収コストが低減できるからである。
【００６８】
分離回収したＣＯ２の用途は、洗浄・脱臭・精製・液化等の工程を経て、清涼飲料水や冷却剤、食品保存用ドライアイス、液化炭酸ガス利用の食品冷凍装置、野菜類の促成栽培、藻類培養のＣＯ２固定のよるアミノ酸の製造、ＣＯ２を工業用原料とする炭酸塩の製造等に利用することができる。
【００６９】
本実施形態のＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置によれば、ＣＯ２の分離回収装置の大型化を防ぐことができ、かつ、ＣＯ２の分離回収コストを抑制することができる。
すなわち、従来、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際には、効率よく吸収させるために、ＣＯ２と化学吸収媒体との接触面積を増やす必要があり、そのため各種の気液接触充填材を用いなければならなかった。これに対し、本実施形態は、ＣＯ２を吸収液に吸収させる際に、テイラー渦１（図１参照）を利用するので、気液接触充填材を用いなくても、十分にＣＯ２と吸収液を接触させることができ、効率よくＣＯ２を吸収液に吸収させることができる。
その結果、気液接触充填材を用いないので、ＣＯ２の分離回収装置１１の大型化を防ぐことができ、かつ、ＣＯ２の分離回収コストを抑制することができる。
【００７０】
また、エジェクター１２を用いて、原料ガスと吸収液とを混合しているので、吸収塔１３に導入する段階で、既に十分に原料ガスと吸収液とが混合されることとなり、よりＣＯ２を効率よく吸収液に吸収させることができる。
【００７１】
また、吸収液を再生する熱源として工場で発生する排熱や蒸気を利用するので、省エネルギー的で好ましい。
【００７２】
以上、本発明を実施形態に基いて説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、ＣＯ２の分離回収方法及びＣＯ２の分離回収装置に関するものなので、ＣＯ２を分離回収する必要のある製造業において幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１，１ａ，１ｂ・・・テイラー渦、２，１８・・・外円筒、３，１９・・・内円筒、４，２９・・・間隙、１１・・・ＣＯ２の分離回収装置、１２・・・エジェクター、１３・・・吸収塔、１４・・・再生塔、１５・・・原料ガス導入管、１６・・・吸収液供給配管、１７・・・ＣＯ２溶解液供給配管、２０・・・駆動力、２１・・・ＣＯ２溶解液流出配管、２２・・・オフガス導出配管、２３・・・熱交換器、２４・・・ＣＯ２分離回収配管、２５・・・吸収液導出配管、２６・・・再生用循環配管、２７・・・再生用熱交換器、２８・・・加熱媒体供給配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２含有の原料ガスから化学吸収法により、ＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収方法であって、
ＣＯ２吸収設備内において、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際に、前記ＣＯ２吸収設備内にテイラー渦を発生させて、前記原料ガスと前記化学吸収媒体を接触させることを特徴とするＣＯ２の分離回収方法。
【請求項２】
ＣＯ２を吸収した前記化学吸収媒体から、熱源を利用してＣＯ２を分離し、前記化学吸収媒体を再生することを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２の分離回収方法。
【請求項３】
エジェクターを用いて、前記原料ガスと、前記化学吸収媒体とを混合して、前記ＣＯ２吸収設備に導入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ２の分離回収方法。
【請求項４】
原料ガスとして、工場から排出される排ガスを用い、
前記熱源として前記工場で発生する排熱や蒸気を利用することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＣＯ２の分離回収方法。
【請求項５】
ＣＯ２含有の原料ガスからＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収装置であって、
原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させるために用いるＣＯ２吸収設備が、外円筒と、該外円筒内に同軸状に配置された内円筒と、該内円筒を回転する駆動力とを有し、
前記外円筒と前記内円筒との環状の間隙には、前記原料ガスおよび前記化学吸収媒体を導入する配管が接続されていることを特徴とするＣＯ２の分離回収装置。
【請求項６】
ＣＯ２を吸収した前記化学吸収媒体を再生するための吸収媒体再生設備を有することを特徴とする請求項５に記載のＣＯ２の分離回収装置。
【請求項７】
前記原料ガスと、前記化学吸収媒体とを混合するエジェクターを有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のＣＯ２の分離回収装置。
【請求項１】
ＣＯ２含有の原料ガスから化学吸収法により、ＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収方法であって、
ＣＯ２吸収設備内において、原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させる際に、前記ＣＯ２吸収設備内にテイラー渦を発生させて、前記原料ガスと前記化学吸収媒体を接触させることを特徴とするＣＯ２の分離回収方法。
【請求項２】
ＣＯ２を吸収した前記化学吸収媒体から、熱源を利用してＣＯ２を分離し、前記化学吸収媒体を再生することを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２の分離回収方法。
【請求項３】
エジェクターを用いて、前記原料ガスと、前記化学吸収媒体とを混合して、前記ＣＯ２吸収設備に導入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ２の分離回収方法。
【請求項４】
原料ガスとして、工場から排出される排ガスを用い、
前記熱源として前記工場で発生する排熱や蒸気を利用することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＣＯ２の分離回収方法。
【請求項５】
ＣＯ２含有の原料ガスからＣＯ２を分離回収するＣＯ２の分離回収装置であって、
原料ガス中のＣＯ２を化学吸収媒体に吸収させるために用いるＣＯ２吸収設備が、外円筒と、該外円筒内に同軸状に配置された内円筒と、該内円筒を回転する駆動力とを有し、
前記外円筒と前記内円筒との環状の間隙には、前記原料ガスおよび前記化学吸収媒体を導入する配管が接続されていることを特徴とするＣＯ２の分離回収装置。
【請求項６】
ＣＯ２を吸収した前記化学吸収媒体を再生するための吸収媒体再生設備を有することを特徴とする請求項５に記載のＣＯ２の分離回収装置。
【請求項７】
前記原料ガスと、前記化学吸収媒体とを混合するエジェクターを有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のＣＯ２の分離回収装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−６１４４７（Ｐ２０１２−６１４４７Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０９４９８（Ｐ２０１０−２０９４９８）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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