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公開番号2025058515
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-09
出願番号2023168497
出願日2023-09-28
発明の名称CO2分離回収転化装置およびCO2分離回収転化方法
出願人株式会社日立プラントサービス
代理人弁理士法人磯野国際特許商標事務所
主分類B01D 53/14 20060101AFI20250402BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約【課題】運転コストが安く、設備の規模が従来よりも小さく、かつCO₂を資源転化できるCO₂分離回収転化装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るCO₂分離回収転化装置1は、第三級アミンを含有するアミン溶液を収容することができる密閉式の第1タンク11と、前記第1タンク11に設けられた排気口12と、前記第1タンク11内に前記アミン溶液を供給するアミン溶液供給手段13と、前記第1タンク11内に塩化塩溶液または塩化塩粉末を供給する塩化塩供給手段14と、前記アミン溶液中にCO₂含有ガスを散気させる散気板15と、前記散気板15の上方に設けられた攪拌翼16と、前記第1タンク11の下端に向かって徐々に水平断面積が小さくなる錐体形状の濃縮部17と、前記濃縮部17内で回転するレーキ18と、前記レーキ18の下部に設けられ、前記濃縮部17に堆積した炭酸塩を外部に排出する第1排出口19と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第三級アミンを含有するアミン溶液を収容することができる密閉式の第１タンクと、
前記第１タンクの気相部に設けられた排気口と、
前記第１タンク内に前記アミン溶液を供給するアミン溶液供給手段と、
前記第１タンク内に塩化塩溶液または塩化塩粉末を供給する塩化塩供給手段と、
前記第１タンクの下位部分に設けられた、前記アミン溶液中にＣＯ
２
ガスを含有する気泡を散気させる散気板と、
前記散気板の上方に設けられ、前記ＣＯ
２
ガスを含有する気泡が十分に散気されたアミン溶液に前記塩化塩溶液または前記塩化塩粉末を供給した後、これらの混合溶液を攪拌する攪拌翼と、
前記散気板の下方に設けられ、前記第１タンクの下端に向かって徐々に水平断面積が小さくなる錐体形状の濃縮部と、
前記濃縮部内で前記濃縮部の傾斜に沿って回転するレーキと、
前記レーキの下部に設けられ、前記塩化塩溶液または前記塩化塩粉末が供給されることによって転化されて前記濃縮部に堆積した炭酸塩を外部に排出する第１排出口と、
を備えることを特徴とするＣＯ
２
分離回収転化装置。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
第２タンクと第３タンクとを備え、
前記第２タンクは、
第三級アミンを含有するアミン溶液を収容することができる密閉式のタンクであり、かつ、
前記第２タンクは、
前記第２タンクの気相部に設けられた排気口と、
前記第２タンク内に前記アミン溶液を供給するアミン溶液供給手段と、
前記第２タンクの下位部分に設けられた、前記アミン溶液中にＣＯ
２
ガスを含有する気泡を散気させる散気板と、
前記散気板の下方に設けられ、前記ＣＯ
２
ガスを含有する気泡が十分に散気されたアミン溶液を外部に排出する第２排出口と、
を備え、
前記第３タンクは、
第１配管を介して前記第２排出口と接続されており、前記ＣＯ
２
ガスを含有する気泡が十分に散気されたアミン溶液が前記第１配管により供給されるタンクであり、かつ、
前記第３タンクは、
前記第３タンク内に塩化塩溶液または塩化塩粉末を供給する塩化塩供給手段と、
前記ＣＯ
２
ガスを含有する気泡が十分に散気されたアミン溶液に前記塩化塩溶液または前記塩化塩粉末を供給した後、これらの混合溶液を攪拌する攪拌翼と、
前記第３タンクの下端に向かって徐々に水平断面積が小さくなる錐体形状の濃縮部と、
前記濃縮部内で前記濃縮部の傾斜に沿って回転するレーキと、
前記レーキの下部に設けられ、前記塩化塩溶液または前記塩化塩粉末が供給されることによって転化されて前記濃縮部に堆積した炭酸塩を外部に排出する第３排出口と、
を備えることを特徴とするＣＯ
２
分離回収転化装置。
【請求項３】
前記アミン溶液供給手段が、前記アミン溶液を貯留する第１貯留タンクと、前記第１貯留タンクと前記第１タンクとを接続する第２配管と、前記第２配管上に設けられたポンプと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ
２
分離回収転化装置。
【請求項４】
前記アミン溶液供給手段が、前記アミン溶液を貯留する第１貯留タンクと、前記第１貯留タンクと前記第２タンクとを接続する第２配管と、前記第２配管上に設けられたポンプと、を備えることを特徴とする請求項２に記載のＣＯ
２
分離回収転化装置。
【請求項５】
前記塩化塩供給手段が、前記塩化塩溶液または前記塩化塩粉末を貯留する第２貯留タンクと、前記第２貯留タンクと前記第１タンクとを接続する第３配管と、前記第３配管上に設けられたポンプと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ
２
分離回収転化装置。
【請求項６】
前記塩化塩供給手段が、前記塩化塩溶液または前記塩化塩粉末を貯留する第２貯留タンクと、前記第２貯留タンクと前記第３タンクとを接続する第３配管と、前記第３配管上に設けられたポンプと、を備えることを特徴とする請求項２に記載のＣＯ
２
分離回収転化装置。
【請求項７】
前記第３排出口で回収されたアミン溶液を前記アミン溶液供給手段に送液する送液機構を備えている
ことを特徴とする請求項２に記載のＣＯ
２
分離回収転化装置。
【請求項８】
前記散気板に接続された第６配管上に第１ＣＯ
２
濃度計測器を備えるとともに、前記排気口に第２ＣＯ
２
濃度計測器を備え、
前記第１ＣＯ
２
濃度計測器によるＣＯ
２
濃度と前記第２ＣＯ
２
濃度計測器によるＣＯ
２
濃度とに基づいて算出される前記アミン溶液に取り込まれたＣＯ
２
のモル数と、前記アミン溶液中の前記第三級アミンのモル数と、の比で定義されるＣＯ
２
ローディングが０．４～０．６の条件で前記散気板による前記ＣＯ
２
ガスを含有する気泡の散気を停止し、前記塩化塩供給手段による前記塩化塩溶液または前記塩化塩粉末の供給を行う
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ
２
分離回収転化装置。
【請求項９】
前記第１排出口が、ポンプを備えた第７配管と接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ
２
分離回収転化装置。
【請求項１０】
前記第３排出口が、ポンプを備えた第８配管と接続されていることを特徴とする請求項２に記載のＣＯ
２
分離回収転化装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素（ＣＯ
２
）分離回収装置およびＣＯ
２
分離回収方法に関する。
続きを表示（約 4,500 文字）【背景技術】
【０００２】
ＣＯ
２
の排出削減に関しては、ＣＯ
２
を排出しない電化製品などの開発が進む一方で、ＣＯ
２
の排出が避けられない製品、設備もある。
例えば、メタンガスを燃料とする発電用ガスエンジンや火力発電所においては、大量のＣＯ
２
を発生させる。そのような中、近年ではＣＯ
２
を分離回収する手法が幾つか開発されている。そのようなＣＯ
２
の分離回収手法としては、例えば、圧力スウィング法（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ＰＳＡ法）や温度スウィング法（ＴｈｅｒｍａｌＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ＴＳＡ法）などの物理吸着法、膜分離法、アミン溶液などを用いる化学吸収法が挙げられる。これらの中でも、化学吸収法は、ＣＯ
２
の回収率の高さ、回収されるＣＯ
２
の純度の面で、他の２つの手法に対して圧倒的な優位性を有する（例えば、非特許文献１～３）。
【０００３】
なお、非特許文献１には、ＤｉｒｅｃｔＡｉｒＣａｐｔｕｒｅ（ＤＡＣ）法の説明および運転コストなどが記載されている。また、この非特許文献１には、ＤＡＣ法と化学吸収法であるアミン吸収法を組み合わせるとよい旨などが記載されている。
ここで、図２７は、従来のアミン吸収法の装置構造を説明する概略図である。図２７に示すように、従来のアミン吸収法の装置構造は、アミン吸収塔２６０と、ＣＯ
２
を含有するアミン溶液を１１０～１３０℃で加熱してアミン溶液からＣＯ
２
を回収するとともにアミン溶液を再生する再生塔２７０とを有する。
図２８は、従来のアミン吸収塔２６０の構造を説明する概略図である。図２８に示すように、アミン吸収塔２６０は、円筒状または角筒状の本体２６１と、当該本体２６１の上部に設けられた液分布器２６２と、液分布器２６２の下部に設けられた、充填材（剤）を有する充填層２６３と、充填層２６３を支持し、アミン溶液を通過させるとともにＣＯ
２
含有ガスを通過させる孔部を有する支持板２６４と、支持板２６４の下方かつ本体２６１の側壁に設けられた、ＣＯ
２
を含むガスを導入する導入口２６５と、導入口２６５の下方に設けられた、アミン溶液を排出する排出口２６６と、本体上部の蓋部に設けられたガスを排気する排気口２６７とを有する。配管を通じて液分布器２６２から散布されたアミン溶液は、充填層２６３を通過する際に、支持板２６４の下方の導入口２６５から導入されたＣＯ
２
含有ガスと接触してＣＯ
２
を吸収し、本体下部の排出口２６６から排出される。排出口２６６から排出された、ＣＯ
２
をカルバメートや重炭酸イオンの形態で含有するアミン溶液は、再生塔２７０に送られる。一方、ＣＯ
２
の吸収を受けてＣＯ
２
が除去されたガスは塔内を上り、排気口２６７から排気される。再生塔２７０ではＣＯ
２
を吸収したアミン溶液を１１０～１３０℃で加熱し、アミン溶液とＣＯ
２
とを分離する。ＣＯ
２
と分離されて再生されたアミン溶液は再びアミン吸収塔２６０に供給される。アミン溶液と分離されたＣＯ
２
は別のプロセスで資源に転化される。
【０００４】
他方、非特許文献２には、ＰＳＡ法による高炉ガスからの炭酸ガス分離技術が記載されている。しかしながら、非特許文献２に記載されているようなＰＳＡ法には、図２９に示すように、回収されるＣＯ
２
の純度を上げると、ＣＯ
２
の回収率が低下するという欠点がある。なお、図２９は、ゼオライトを用いたＣＯ
２
吸着材２８１および活性炭２８２による炭酸ガスの分離について説明したグラフである。図中、横軸はＣＯ
２
Ｒｅｃｏｖｅｒｙ（回収されるＣＯ
２
の純度）（％）を示し、縦軸はＣＯ
２
Ｐｕｒｉｔｙ（ＣＯ
２
回収率）（％）を示している。ＰＳＡ法は、ＣＯ
２
除去率（回収率）、回収されるＣＯ
２
の純度の点ではアミンなどを用いる化学吸収法に及ばず、化学吸収法のように処理ガス中のＣＯ
２
濃度を５０ｐｐｍ以下に下げることはできない。
【０００５】
また、非特許文献３には、ゼオライトを用いたＣＯ
２
分離膜などの膜分離法が記載されている。さらに、この非特許文献３には、メタンとＣＯ
２
の分離の例が記載されている。ここで、例えば、天然ガス中のＣＯ
２
を分離回収し、メタンガスを液化する際には、国内のＬＮＧ規格であるＣＯ
２
濃度を１００ｐｐｍ以下にする必要がある。しかし、一般的な膜分離法には、化学吸収法ほどのＣＯ
２
の除去性能はなく、アミン吸収法（化学吸収法）のように処理ガス中のＣＯ
２
濃度を１００ｐｐｍ以下に下げることはできない。したがって、膜分離法では、膜分離を行った処理ガス中に残存するＣＯ
２
を分離回収するため、アミンなどを用いる化学吸収法のＡＧＲ（ＡｃｉｄＧａｓＲｅｍｏｖａｌ）で処理が行われる。これは、非特許文献３に記載されているＣＯ
２
分離膜であっても同様である。なお、図３０は、膜分離法でメタンとＣＯ
２
を分離することを説明する説明図である。この図３０は、膜分離法として一般的な分離係数（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎＦａｃｔｏｒ）が３０のものを例示している。図３１は、膜分離法でＣＯ
２
を分離した後、ＡＧＲで処理を行い、日本のＬＮＧ規格を満たす５０ｐｐｍ未満にする場合の説明をする説明図である。
図３０の例では、膜は、ＣＯ
２
の供給量の９０％とＣＨ
４
の供給量の２３．１％を透過させ、ＣＯ
２
の供給量の１０％とＣＨ
４
の供給量の７６．９％を非透過側に残存させる。そのため、図３１に示すように、例えば、ＣＯ
２
を４０モル％含むサワーガス（天然ガス）を膜で処理し、膜の非透過側に残存したＣＯ
２
はＡＧＲで処理して回収され、処理された天然ガス中のＣＯ
２
濃度を日本のＬＮＧ規格を満たす５０ｐｐｍ未満にしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
「二酸化炭素のＤｉｒｅｃｔＡｉｒＣａｐｔｕｒｅ（ＤＡＣ）法のコストと評価」、国立研究開発法人科学技術振興機構低炭素社会戦略センター、令和２年２月
斉間等、茂木康弘、原岡たかし、「ＰＳＡ法による高炉ガスからの炭酸ガス分離技術の開発」、ＪＦＥ技法、２０１３年８月、Ｎｏ．３２、ｐ．４４－４９
森田穣、川瀬健雄、宮田和明、「ゼオライト膜を用いた効率的なＣＯ２分離回収技術の開発」、石油技術協会誌、平成２８年（２０１６年）１１月、８１巻、６号、ｐ．４５２－４５７（ＤＯＩ：１０．３７２０／ｊａｐｔ．８１．４５２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記した装置構造を有する従来のアミン吸収法の装置に関して、参考文献１（小宮山宏、藤谷義、「ＣＯ
２
分離プロセスのエネルギー効率から見た比較研究」、化学工学論文集、１９９３年、第１９巻、５号、ｐｐ．８１８－８２８）には、“吸収液（アミン溶液）が塗布された充填剤をＣＯ
２
含有ガスが通過する際、ＣＯ
２
が充填剤表面の吸収液に吸収される。消費エネルギーは４ＧＪ／ｔ－ＣＯ
２
以上であり、これはアミン溶液の再生に必要な加熱エネルギーに大きく起因し、将来的には２ＧＪ／ｔ－ＣＯ
２
以下に低減することが求められている。”と記載されている。また、参考文献２（「カーボンリサイクル技術ロードマップ」、経済産業省、令和３年（２０２１年）７月改訂、ｐ．７）によれば、従来のアミン吸収法を実施するにあたり、運転コスト（ＣＯ
２
ガス回収コスト）が４，０００円程度／ｔ－ＣＯ
２
と高いことが記載されている。つまり、従来のアミン吸収法には、消費エネルギーが高いために運転コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
また、前記した非特許文献１では、モデルアミン液（ＡＭＰ：２－ａｍｉｎｏ－２－ｍｅｔｈｙｌ－１－ｐｒｏｐａｍｏｌ、４０℃、１Ｍの溶液）を用いて、石炭火力排ガス（発電規模９５８ＭＷ、排ガスＣＯ
２
濃度１３．７％）中のＣＯ
２
をアミン吸収法で捕集する場合における吸収塔出口ＣＯ
２
濃度と必要充填層高さが計算されている。なお、この計算では、ＣＯ
２
物質移動係数Ｋｙ・ａ：３８ｋｍｏｌ／ｍ
２
・ｈｒとしている。その結果は図３２に示すとおりである。ここで、図３２は、吸収塔出口のＣＯ
２
濃度と充填層高さとの関係を説明するグラフである。同図中、横軸は吸収塔出口のＣＯ
２
濃度（ＣＯ
２
モル分率）を示し、縦軸は充填層高さ（ｍ）を示している。
【０００９】
図３２に示すように、石炭火力排ガス中のＣＯ
２
をアミン吸収法で捕集する場合、ＣＯ
２
濃度を低くしようとすればするほど充填層を高くしなければならないことがわかる。図３２を参照すると、排ガス中のＣＯ
２
を日本のＬＮＧ規格を満たす５０ｐｐｍ（０．００５％）未満にする場合、充填層の高さを５０ｍ近くにする必要があることがわかる。つまり、従来のアミン吸収法は、ＣＯ
２
分離回収の回収率、回収されるＣＯ
２
の純度を高めようとすると、前記したように、アミン溶液の再生にかかる運転コストが高いことに加えて、前記充填層を含むアミン吸収塔の高さは数十ｍにも及び、設備の規模が大型になるという問題を有する。
【００１０】
さらに、非特許文献１～３のいずれにも、アミン吸収法で分離回収したＣＯ
２
に対する具体的な資源転化について十分に説明されていない。
（【００１１】以降は省略されています）

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