【手続補正書】
【提出日】平成16年1月26日(2004.1.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
あらかじめ設定した量の二酸化炭素を、水中に前記二酸化炭素を溶解することによってガスから除去するためのシステムであって：
少なくとも一つの取水路に連結した取水口；
少なくとも一つの排水路；
化学的手段を含有し、一つの取水路と一つの排水路との間に設置し、前記一つの取水路に流体連通した入口を有するとともに前記一つの排水路に流体連通した出口を有する少なくとも一つの反応層であって、前記入口は前記出口の下方に設置するもの；
前記反応層の内部で部分的に潜水した少なくとも一つの排ガスマニフォールドであって、前記マニフォールドは発電所の排ガス管に連結され、前記マニフォールドは排ガスを反応層へ放出するために設置される一連の穿孔を有するもの；
を備え、かつ、
前記排水路は、水流が誘引されて前記反応層を通過するように、前記取水路に対して設置されるシステム。
【請求項２】
前記化学的手段が石灰石を含む請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記反応層に含まれている前記石灰石と比較して約２／３の高さまで水が前記反応層を満たす請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記石灰石がザウタ平均粒径の計算により決定される粒径に粒状化されている請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記取水口が湖、河川、海洋又は貯水池よりなる群から選択される請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記水流が重力によって誘導される請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記水流が重力によって誘導される請求項１記載のシステム。
【請求項８】
あらかじめ設定した量の二酸化炭素を、水中に前記二酸化炭素を溶解することによって、前記二酸化炭素を含有する排ガスから除去するためのシステムであって：
間隔を置いて離れた複数の石灰石層の列となるように配列される石灰石層であって、その列の間には開放路があり、当該開放路は交互に、前記石灰石層の列に水を供給するための取水路及び前記石灰石層の列から水を受け取るための排水路であって、前記取水路は水を石灰石層の列へ運ぶための手段を有する壁によって区画され、前記排水路は水を石灰石層の列から排水路へ運ぶ手段を有する壁によって区画され、取水路の液面と石灰石層の液面との高度差によって定義される水の推進力が重力によって前記取水路から前記石灰石層の列を通り前記排水路に水を流すもの；
前記二酸化炭素を含有する前記排ガスを前記石灰石層の列及びその中に含まれる水に供給して、前記排ガスを前記石灰石及び水に浸透させる手段；並びに
水を前記取水路へ供給するための水の供給路としての手段、及び前記排水路から水を受け取るための水の排出路としての手段；
を備えるシステム。
【請求項９】
前記石灰石層の列へ水を運ぶための前記手段が、前記取水路を区画する前記壁の底部に長さ方向に沿って間隔を空けて設けられる複数の溝を備える請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記石灰層の列から水を運ぶための前記手段が、前記排水路を区画する前記壁の約２／３の高さのところに長さ方向に沿って間隔を空けて設けられる複数の通路を備える請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
前記取水路中の前記水が前記石灰石層の列中の液位よりも約５０ｃｍ高められている請求項８記載のシステム。
【請求項１２】
前記二酸化炭素を含有する前記排ガスを前記石灰石層の列及びその中に含まれる水に供給する前記手段が各石灰石層の列に埋められた複数の多孔管を備える請求項８記載のシステム。
【請求項１３】
前記排ガスを前記多孔管へ供給するために前記多孔管へ連結した主排気管を備える請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記水は淡水、塩水又はそれらの組み合せの一つを含む請求項８記載のシステム。
【請求項１５】
水源から前記水の供給路としての手段へポンプ供給するための手段を備える請求項８記載のシステム。
【請求項１６】
前記水源が少なくとも河川、湖、海洋、貯水池及びコンデンサーの冷却水の一つを含む請求項１５記載のシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】高エネルギー効率を有するＣＯ2の同時除去隔離システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に産業用ガスからＣＯ2を大規模に隔離する分野に関し、特に発電所において化石燃料の燃焼により生成するＣＯ2をより効率的に除去し、隔離する新規かつ有用な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所からのＣＯ2の大規模隔離は比較的新規な分野である。地球規模でＣＯ2の排出量を抑制する必要性は広く認識されており、化石燃料を燃焼させて電力を生む発電所が第一の標的である。北米では、石炭が発電に使用される第一位の燃料である。
【０００３】
ＣＯ2の捕獲／隔離のために提案されている抑制戦略の一つではボイラー排ガスに含まれるＣＯ2の濃縮をして、その後液化する。その後液体ＣＯ2はパイプラインによって最終貯蔵地、例えば深海、地下の帯水層、枯渇したガス井及びその他これらに類似する場所へ輸送することができる。
【０００４】
排ガス中のＣＯ2の捕獲及び濃縮のためにいくつかの方法が提案されており、それらには吸収／ストリッピング、半透過膜、燃焼空気に代る酸素使用及びこれらアプローチの種々の組み合わせが含まれる。上記のいずれの場合においても、圧縮及び冷却によってＣＯ2を液化する前にＣＯ2の脱水及び酸性ガスの除去が必須である。いったんＣＯ2が液化すれば、最終貯蔵地へポンプ輸送することができる。
【０００５】
近年、ＣＯ2を海洋へ直接注入することについて真剣に検討がされてきている。ＣＯ2は酸性ガスなので、ＣＯ2の直接注入は注入地点における局地的なｐＨ値を著しく減少させ、３．５よりも低くなり得る。通常の海水のｐＨは一般に７．８よりも高い。
【０００６】
サンタクララにあるカルフォルニア大学及びローレンスリバーモアナショナルラボラトリー（Lawrence Livermore National Laboratory）における研究では、発電所の燃焼ガスからのＣＯ2を直接海水に吸収させることはＣＯ2の隔離手段として可能性のある手段であると提案している。概念上は、多孔性の炭酸塩層及び炭酸／水溶液と共に改良したＳＯ2の湿式スクラバー装置を用いて排ガスを水及び石灰石に接触させることになるだろう。この方法を用いる場合には、吸収速度及び容量は大部分の排ガスに存在するＣＯ2の分圧が比較的高いことを利用する。
【０００７】
当該提案された方法はＣＯ2を弱アルカリ性の石灰石と反応させ、それによりｐＨを緩衝することを必要とする。ＣＯ2が水及び石灰石と接触している間の最低ｐＨは約６．５であろう。いったんＣＯ2含有海水が海洋へ放出され開放水域との平衡に戻ると、開水面への衝撃を減少しながらｐＨは７．８を超えるであろう。当該提案のさらなる分析によると、海水に溶解しているカルシウムは０．６％しか上昇せず、重炭酸塩は約５％しか上昇しないことを示唆している。海水組成のこれらの変化が環境に与える帰結は未知であるが、濃縮し、液化したＣＯ2を海水へ添加する場合の影響と比較すれば穏やかである。残念ながら、上記方法のいずれを使用するに当たってもいくつかの限定要因がある。第一には処理が必要とされるＣＯ2の量及び体積を考慮すると、従来型湿式スクラバー装置の現実的な構成のいずれもが排除される点である。もう一つの問題は上記のＣＯ2除去方法はすべて極度に多量のエネルギーを必要とすることである。そのため、これらの方法では上記ＣＯ2除去機構のいずれの魅力をも著しく減退させるほどの寄生電力損失（parasitic power loss）が生じる。
【０００８】
寄生電力損失は以下のように記述できる。発電所において電力を消費する補助設備の使用電力量は、補助電力又は寄生電力と呼ばれる。補助設備には押込送風機、吸出送風機、静電集塵器上の変圧器整流器（ＴＲ）セット、給水ポンプ、その他類似の設備が含まれる。発電所の正味発電力とは、ときどき母線電力（busbar power）と呼ばれるが、発電機の総電力出力と寄生電力の差違のことである。寄生電力を総発電機出力の百分率として表現するのが便利であり慣例である。例えば、石灰石・石膏法（石灰石強制酸化法）による排ガス脱硫システム（ＦＧＤ）では約１．４％の寄生電力を使用する。
【０００９】
石炭火力発電所におけるＣＯ2の抑制を考える上でもっともよく引用される技術は、「吸収／ストリッピング」及び「酸素燃焼」の二つである。これら二つの技術に対して要求される寄生電力につき以下に記載する。
【００１０】
吸収／ストリッピングはガス流中の不純物の除去及び濃縮に使用する方法の部類に属する。排ガス中のＣＯ2の場合は、二塔式が用いられる。ＣＯ2含有の排ガスは、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）等の有機溶媒と向流接触するように充填塔の中を通過する。ＣＯ2は選択的に有機溶媒に吸収される。ＣＯ2が飽和した有機溶媒はその後第二カラムへ移動し、水蒸気と接触する。このようにしてＣＯ2は有機溶剤から放散して水蒸気−ＣＯ2のガス混合物になる。その後、蒸気は凝縮して濃縮したＣＯ2流を残す。
【００１１】
ＣＯ2の除去及び濃縮のために吸収／ストリッピングを必要とする方法はすべてエネルギーを多大に消費する。例えば、ＣＯ2放散カラムに設置されたリボイラーは、発電ボイラーの入熱の５０％に近い熱負荷を要する。ここで要求される熱は典型的には５０ｐｓｉ（３４４．７ｋＰａ）の水蒸気で満足され得る。これは少なくとも、水蒸気サイクルへ侵入して発電機から電力を奪う原因となる。ある研究では既存の復水蒸気タービンは二つの蒸気タービン（第一は背圧タービンで、第二は復水タービン）に交換しなければならないだろうとのことである。さらにひどいことに、吸収／ストリッピング法は熱サイクルの効率を低下させるので、この付加的な非能率によって排熱が増加し、それに比例して熱汚染を増加させる。この損失は厳密には寄生損失ではない。実際には、発電機からの総出力の低下である。
【００１２】
エネルギー省（ＤＯＥ）がスポンサーとなった研究では、既存の４３４ＭＷｅの発電所に対してＭＥＡベースの吸収設備を後付けすることの影響に目を向けた。この研究では以下のことを示した。すなわち、母線（busbar）へ送られる電気的生産量が４３４ＭＷｅから２６０ＭＷｅへ減少するだろうが、発電所で消費される燃料の量は変化しないだろうということ。この発電所のエネルギー変換効率は３６％から２１％へ減少するだろうということ。全寄生電力は、ベースとした発電所の６．４％と比較して、ＭＥＡの吸収／ストリッピングを備えたこの発電所では約４４％であること（これ以上の議論については、ジョーンマリソン（John Marison）他、「エンジニアリングフィージビリティオブＣＯ2キャプチャーオンアンイグジスティングユーエスコールファイアドパワープラント（Engineering Feasibility of CO2 Capture on an Existing US Coal-fired Power plant）」、第２６回インターナショナルカンファレンスオンユーティリゼーションアンドフューエルシステムズ（International Conference on Coal Utilization & Fuel Systems）、フロリダ州クリアウォーター、２００１年３月５〜８日の論文を参照されたい。当該論文の内容を本明細書に援用する。）。
【００１３】
酸素燃焼ボイラーは、化石燃料の酸化剤として分子状酸素が空気に取って代わるボイラーである。空気は約２１体積％の酸素を含有し、残りはほとんどが窒素である。酸素燃焼ボイラーでは酸素が９８体積％よりも多くを構成し、残りは窒素及びアルゴンである。空気との通常の燃焼の間、燃焼プロセスによって放出される熱エネルギーの多くは空気中の窒素の加熱に使用される。しかしながら、酸素燃焼では放出された熱エネルギーを奪う窒素がほとんど存在しない。その結果、酸素燃焼は非常に熱く、高温の火炎を発生する可能性を有しているので従来の発電ボイラーの建設材料は使えないだろう。この問題を回避するために酸素燃焼を用いた排ガスを再循環させる概念が考案された。事実、ＣＯ2リッチな排ガスを発生させるための戦略としての酸素燃焼では、空気で運転する従来型の炭素燃焼ボイラーと比較してボイラーアイランド（Boiler Island）内部での補助又は寄生電力消費は多くない。しかしながら、空気から酸素を分離するために必要な電力、及び最終的な隔離場所への終局的な輸送のためにＣＯ2を冷却及び凝縮するために必要な電力を計算に入れると、エネルギー事情が劇的に変化する。仮にこの技術が上述した既存の４３４ＭＷｅの発電所に適用されるなら、母線が利用できる正味電力は４３４ＭＷｅから２８０ＭＷｅへ減少するだろう。しかしエネルギー入力もまた約２％減少するだろう。酸素燃焼を用いたこの発電所に要求される全寄生電力は本来の設計モードで運転するこの発電所が６．４％であるのに対して約４０％であろう。
【００１４】
現在までに提案されてきたＣＯ2隔離方法の全てに内在する大きな寄生損失が、特に米国において当該方法の実施に対して政治的及び経済的な抵抗がある主な理由である。当該方法に関連するエネルギー損失を最小化又は大きく減少させる隔離方法が必要である。
【００１５】
【非特許文献１】ジョーンマリソン（John Marison）他、「エンジニアリングフィージビリティオブＣＯ2キャプチャーオンアンイグジスティングユーエスコールファイアドパワープラント（Engineering Feasibility of CO2 Capture on an Existing US Coal-fired Power plant）」、第２６回インターナショナルカンファレンスオンユーティリゼーションアンドフューエルシステムズ（International Conference on Coal Utilization & Fuel Systems）、フロリダ州クリアウォーター、２００１年３月５〜８日の論文
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
既存の方法に関連した多くの課題を克服するＣＯ2の隔離システムを提供することが本発明の第一の目的である。
【００１７】
ＣＯ2の除去及び処理に関連するエネルギー損失を減少させることによって、これまで知られているＣＯ2処理を改良するＣＯ2の隔離システムを提供することが本発明のさらなる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、あらかじめ設定した量の二酸化炭素を、水中に前記二酸化炭素を溶解することによってガスから除去するためのシステムであって：
少なくとも一つの取水路に連結した取水口；
少なくとも一つの排水路；
化学的手段を含有し、一つの取水路と一つの排水路との間に設置し、前記一つの取水路に流体連通した入口を有するとともに前記一つの排水路に流体連通した出口を有する少なくとも一つの反応層であって、前記入口は前記出口の下方に設置するもの；
前記反応層の内部で部分的に潜水した少なくとも一つの排ガスマニフォールドであって、前記マニフォールドは発電所の排ガス管に連結され、前記マニフォールドは排ガスを反応層へ放出するために設置される一連の穿孔を有するもの；
を備え、かつ、
前記排水路は、水流が誘引されて前記反応層を通過するように、前記取水路に対して設置されるもの、
により上記課題を達成するものである。
【００１９】
一実施形態において、前記化学的手段は石灰石を含む。
【００２０】
一実施形態において、前記反応層に含まれている前記石灰石と比較して約２／３の高さまで水が前記反応層を満たす。
【００２１】
一実施形態において、前記石灰石はザウタ平均粒径の計算により決定される粒径に粒状化されている。
【００２２】
一実施形態において、前記取水口は湖、河川、海洋又は貯水池よりなる群から選択される。
【００２３】
一実施形態において、前記水流は重力によって誘導される。
【００２４】
また、本発明は、あらかじめ設定した量の二酸化炭素を、水中に前記二酸化炭素を溶解することによって、前記二酸化炭素を含有する排ガスから除去するためのシステムであって：
間隔を置いて離れた複数の石灰石層の列となるように配列される石灰石層であって、その列の間には開放路があり、当該開放路は交互に、前記石灰石層の列に水を供給するための取水路及び前記石灰石層の列から水を受け取るための排水路であって、前記取水路は水を石灰石層の列へ運ぶための手段を有する壁によって区画され、前記排水路は水を石灰石層の列から排水路へ運ぶ手段を有する壁によって区画され、取水路の液面と石灰石層の液面との高度差によって定義される水の推進力が重力によって前記取水路から前記石灰石層の列を通り前記排水路に水を流すもの；
前記二酸化炭素を含有する前記排ガスを前記石灰石層の列及びその中に含まれる水に供給して、前記排ガスを前記石灰石及び水に浸透させる手段；並びに
水を前記取水路へ供給するための水の供給路としての手段、及び前記排水路から水を受け取るための水の排出路としての手段；
を備えるシステム、
により上記課題を達成するものである。
【００２５】
一実施形態において、前記石灰石層の列へ水を運ぶための前記手段は、前記取水路を区画する前記壁の底部に長さ方向に沿って間隔を空けて設けられる複数の溝を備える。
【００２６】
一実施形態において、前記石灰層の列から水を運ぶための前記手段は、前記排水路を区画する前記壁の約２／３の高さのところに長さ方向に沿って間隔を空けて設けられる複数の通路を備える。
【００２７】
一実施形態においては、前記取水路中の前記水は前記石灰石層の列中の液位よりも約５０ｃｍ高められている。
【００２８】
一実施形態においては、前記二酸化炭素を含有する前記排ガスを前記石灰石層の列及びその中に含まれる水に供給する前記手段は、各石灰石層の列に埋められた複数の多孔管を備える。
【００２９】
本発明は一実施形態において、前記排ガスを前記多孔管へ供給するために前記多孔管へ連結した主排気管を備える。
【００３０】
一実施形態においては、前記水は淡水、塩水又はそれらの組み合わせの一つを含む。
【００３１】
一実施形態においては、水源から前記水の供給路としての手段へポンプ供給するための手段を備える。
【００３２】
一実施形態においては、前記水源が少なくとも河川、湖、海洋、貯水池及びコンデンサーの冷却水の一つを含む。
【００３３】
以上のように、本発明は粗粒子状に粉砕した石灰石の層が排ガスを運ぶ配管を覆う隔離システムを提供するものである。一実施形態において、排ガスが石灰石層の中へ入り込むように配管は間隔の空いた複数の穴を有する。水が石灰石層の高さの約２/３になるまで当該層を満たし、この高さは配管の位置（深さ）よりも高い。水は予め決めておいた流量で前記層を流れる。設備は、隣接する列の各組の間にそれぞれ開水路を設けた一連の平行な層の列として配列する。開水路は交互に取水路及び排水路となっている。排ガスの輸送システムには、配管開口部における目下の水圧に打ち勝つための十分な圧力で排ガスを分配するためのヘッダーやマニフォールドが含まれる。
【００３４】
沿岸に設けられた設備の実施例においては、前記層は満潮線よりも上方に配列し、下方から層へポンプ供給される海水が重力によって再び海洋へ流れ戻るように設ける。海洋へ向かう排水口に隣接する前記層内の石灰石を保持するために格子を使用することができる。
【００３５】
本発明を特徴付ける様々な新規事項が特に添付の特許請求の範囲において指摘されており、それは本開示の一部を形成する。本発明、本発明の利用により得られる運用上の利点及び特定の目的物をより理解するために、本発明の好ましい実施例が例示されている付属の図面及び記載事項が参照される。
【発明の効果】
【００３６】
このシステムは公知のＣＯ2隔離方法及び装置に対して、寄生電力損失が大幅に低減されることを含め、利点がある。石灰石層１０を使用することに関連した本発明の寄生電力損失は約９０％のＣＯ2除去及び処理に対しては約１％である。１５０ＭＷｅの発電所では、寄生電力は毎時２２０，０００ｍ3の水を約１．５ｍ持ち上げること及び２５ｃｍの静水頭に抗して毎分１２，０００ｍ3の排ガスを泡立たせる（bubbling）のに用いる。
【００３７】
さらに、化石燃料を燃焼させる発電所における従来型の貫流コンデンサーシステムにおいて使用されるコンデンサーの冷却水はリサイクルされ、本発明の石灰石層１０で使用され得ることが想像される。層１０で使用される量の水は前記コンデンサーを通過した後で華氏約３度（約１．７℃）しか温度が上昇しないだろうから、冷却水に適用されるのと同じ水理学の法則が石灰層１０での使用にも適用されるだろう。システムの短絡を避けるために入口と出口は相互に十分に隔離されていなければならない。
【００３８】
他の利点には、既存の設備に対して当該システムを比較的容易に適用できる点が含まれる。吸収／ストリッピング法とは異なり、排ガス中のＳＯ2の存在は本発明にとって問題とならない。本発明の石灰石層１０を通過する排ガス中の幾分かのＳＯ2は実際に石灰石の溶解速度を増大させ、それによりＣＯ2隔離速度にも有利に作用する。対照的に、吸収／ストリッピング法においては、ＳＯ2はほとんどのアミンベースの溶剤と反応して廃棄及び交換を要する熱的に安定なアミン−硫黄化合物を生成する。したがって、吸収／ストリッピングを利用している発電所は過度な試薬費用を回避するために高いＳＯ2除去効率を達成する排ガス脱硫システム（ＦＧＤ）を追加又は改良しなければならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
ＣＯ2を隔離するために（スクラバー装置ではなく）水で満たした石灰石層を利用することによって従来の考え方を変更及び改良し、発電所における化石燃料の燃焼により生ずる排ガスから効率的にＣＯ2を除去するためのシステムを提供する。
【００４０】
今、図を参照すると、そこでは同一又は類似の要素を指すのに同じ参照数字を使用しているが、図１は一方の端に水の供給路２０を有し、他方の端に水の排出路３０を有する石灰石層１０の平面図を表す。石灰石の列１２は各列間に開放された列を有し、そこは交互に取水路２２及び排水路３２が通る。取水路２２は壁２５で区画され、排水路３２は壁３５で区画される。
【００４１】
列１２間の壁２５、３５の構造は隣接する開放路が取水路２２であるか排水路３２であるかによって決まる。図２Ａから分かるように、取水路２２における壁２５は水が壁２５の下を通って層の列１２へ行けるように壁２５の底部に溝２４を有する。複数の溝２４が取水路２２中で層の列１２の長さ方向に沿って間隔を空けて設けられる。図２Ｂは排水路の壁３５を示し、壁３５の約２／３の高さのところに壁３５を通り抜ける格子のある通路３４を有する。石灰石が水流に運ばれて列１２を通り通路３４から出て排水路３２に流れ込むのを防ぐための格子３６を形成するのに、鉄筋又は他の類似する材料を使用してよい。格子が設けられた通路３４は各排水路３２の壁３５に沿って全体的に間隔を置いて配置される。
【００４２】
図３及び図４から分かるように、排ガスは各石灰石の列１２中に埋められた多孔管６０を通り石灰石層１０へ供給される。穿孔によりＣＯ2を含有する排ガスが層の列１２及び水に浸透する。
【００４３】
好ましい実施形態においては、主排気管５０は層の列１２に直角に伸びた方向に設けられる。排気管５０の直径はＣＯ2が発生する発電所からもっとも離れた排気管５０の末端に向かって減少してもよい。列１２の各々において、受け入れマニフォールド４０はチューブ５５によって主排気管５０へ接続される。そして、受け入れマニフォールド４０は層の列１２内部に埋められた管６０の各々へ接続される。排気管５０は路壁２５、３５上に規則的間隔で支持され、また熱変化に対応するために伸縮継手を有してもよい。
【００４４】
取水路２２及び排水路３２を用いることで、層１０内の列１２の各々は約２／３を水で満たした状態が維持される。排ガスからＣＯ2を効果的に除去するための本発明の方法にしたがって石灰石層１０に要求される寸法は、以下のように決定される。
【００４５】
石灰石層が深さ１ｍで幅１５ｍであると仮定して、石灰石中に埋められた管を通して供給される排ガスから効果的な量のＣＯ2を除去するために必要な層の長さは計算可能である。管は水面（水位２／３ｍ）下１／４ｍのところに埋められる。
【００４６】
水は以下の式により定められる速度（流量）で層を流れる。
【００４７】
2Neu=(1000/7.5NRe+2.33)L/Deq       （１）
Neu=ΔP/ (ρfυ2m/gc)              （２）
υs=υmε                          （３）
Deq=2/3 (ε/(ε-1)) (D32/φ)       （４）
Nre=ρfυmDeq/μf                  （５）
【００４８】
ここで、Neuはオイラー数である。
【００４９】
Nreはレイノズル数である。
【００５０】
Deqは相当直径である。
【００５１】
D32はザウタ平均粒径である。
【００５２】
φは形状係数である。
【００５３】
υmは平均流速である。
【００５４】
υsは空塔速度である。
【００５５】
εは空隙率である。
【００５６】
μfは流体粘度である。
【００５７】
ρfは流体密度である。
【００５８】
ΔPは圧力損失である。
【００５９】
Lは路長である。
【００６０】
gcは重力定数である。
【００６１】
石灰石層は必要とされる量の水が石灰石層を２５ｃｍ以下の水の推進力で通ることができるような大きさとした。前記推進力は取水路の液面と石灰石層の液面との差と定義する。水の動きについては、以下に詳細に記載する。
【００６２】
上記のυsについての方程式を解くためには、石灰石層について空隙率ε及びザウタ平均粒径を特定する必要がある。空隙率はシステムの制御されない特性である。しかしながら、ザウタ平均粒径は広い範囲にわたって特定し得る。また、ザウタ平均粒径は以下に示す関係によって石灰石の比表面積と関係する。
【００６３】
Sp=6φ/ρD32                 （６）
【００６４】
ここで、ρは粒子密度である。
【００６５】
Spは比表面積である。
【００６６】
ザウタ平均粒径は表面積を考慮した粒径分布から求める平均粒径である。微細に粉砕した石灰石は、ＳＯ2捕捉のために公共事業設備内の石灰石ベースの湿式スクラバーで使用されているように、通常４〜１２ミクロンのザウタ平均粒径である。好ましくは、本発明の層に対しては、粉砕された石灰石のザウタ平均粒径は５〜１５ｍｍである。よりきめの粗い石灰石を使用すればザウタ平均粒径にしたがって圧力損失が直線的な変化を示し、きめの粗い層であれば層からの石灰石粒の大きな流出損失なしに運転可能である。ＣＯ2除去に必要な石灰石の量を粉砕するエネルギー消費もまた過大なものとなり得る。従って、好ましい実施例では粒径が２〜３０ｍｍに分布している石灰石を使用した。ザウタ平均粒径は８．６６ｍｍであると測定された。粉砕された石灰石は典型的には空隙率が約５０％であり、形状係数が１．６である。これらの情報を使って式（４）を解くと、３．６ｍｍの相当直径が得られる。推進力が２５ｃｍであることも含めたこれらの条件下での水の空塔速度は、約３２．５ｍ／ｈｒであることがわかる。
【００６７】
これまでの研究から得られる情報に基づき、ＣＯ2を捕捉するために層を通過すべき水量は、１メートルトン当たりのＣＯ2を捕捉するのに海水約１６５０メートルトンと見積もられる。石炭火力発電所の１ＭＷｅごとの発電容量に対して、およそ毎時１メートルトンのＣＯ2が発生する。従って、他の処理と比較するために、ＣＯ2の９０％が捕捉されるとするならば１時間当たりに必要な水量は１ＭＷｅ当たり毎時約１４８５メートルトンすなわち毎分６４００ガロン（約２４ｍ3）となるだろう。注目すべきことに、下記及び上記の方法及び仮定を使って、規定の除去効率（３０％、５０％、７０％等）を有するシステムを具体的に仕立てることが可能である。
【００６８】
本発明の方法に従えば、水は溝２４から直交流の形態で供給され、石灰石層、すなわち列１２を通り格子路３４へ進む。必要な全直交流の領域は水の体積流量を空塔速度υsで割って得た商により決定される。上述したように、好ましい実施例においては、水は約２／３ｍのところに維持される。１５０ＭＷｅの発電所からＣＯ2の９０％を除去するシステムに対しては、毎時約２２０，０００メートルトンの流量の水が層１０を通過することが必要となる。１ｍ3の水は１メートルトンの水と等価であることを利用すれば、水の体積流量は毎時２２０，０００ｍ3である。体積流量を空塔速度３２．５ｍ／ｈｒで割ると面積６７７０ｍ2が得られる。そして、層１０の水深は２／３ｍなので、石灰石層１０の全長は約１０，１５０ｍ（約１０ｋｍもしくは６．３マイル）でなければならない。明らかに、層１０が直線であれば敷地の問題及びいくつかの流体学的問題が生じるだろう。
【００６９】
石灰石層１０を並行な列１２にして配置することで、約６００ｍ×６００ｍの層、換言すれば６００ｍの長さの列１２をおおよそ４０列並べることで同一の効果が得られる長さが得られるだろう。このようにして、上述した層１０は中規模の発電所から生じるＣＯ2の約９０％を効果的に除去するのに必要な大きさを具体化する。
【００７０】
取水路２２及び排水路３２は、水を層１０に通過させるための追加エネルギーを消費することなしに給水を利用できるように設計されている。水に層１０を通過する推進力を与えるために、最初に水を十分高い位置まで持ち上げなければならない。しかしながら、いったん水が必要な高さに供給されると、路壁２５及び３５の構造のおかげで重力及び流体力学的作用により水が層１０を通過する。場所にもよるが、処理用水は河川、湖、海洋又は他の大きな水の貯蔵地や供給地のいずれからも供給され得る。（水の供給その他の物理的な懸念がなくて）隔離が唯一の関心事項である限りは、場所を海洋や沿岸地域に限定する必要はない。
【００７１】
好ましい実施例においては、水は石灰石層１０の液面の上方約５０ｃｍのところまで上げられるだろう。従って、もし排出口が沿岸設備において隣接する海水の満潮位置から上方２５ｃｍに設けられるならば、満潮時に水を７５ｃｍ上げなければならず、その他の時は７５ｃｍにさらに満潮時との水の高さの差を足した分だけ上げなければならない。
【００７２】
本発明は本質的に、取水路と排水路を有する層、層内にＣＯ2を含有する排ガスを導入及び分配する分配手段（好ましくはマニフォールド、層中の多孔管等を通じて）、層へ供給される溶媒、排ガスからのＣＯ2除去を補助するために層中に配置される化学的手段、除去したＣＯ2を排水へ溶解させる手段、並びに散逸、ｐＨの平準化、貯蔵及び／又は他の処理のために溶解したＣＯ2を含有する排水を処理する手段を含む。
【００７３】
注目すべきことだが、化学的手段は粒状化した石灰石又は排ガスからのＣＯ2除去を補助するか又はこれに影響を与えることが当業者によって知られている他のどんな物質でもよい。同様に、ＣＯ2が溶解する多数の他の溶媒が当業者に知られるだろうが、溶媒は好ましくは水（淡水、海水又はそれらの混合のいずれか）である。溶解手段は捕捉したＣＯ2を供給される水に分散及び溶解するどのような物理的装置（例えば格子、アトマイザーその他）でもよい。最後に、処分手段は重力によって水が層を通過する一連の勾配のある流路又は層から排水を運ぶ代替的もしくは追加的なポンプ、配管又はその他の手段として層に組み込むことができる。
【００７４】
石灰石層の列１２における具体的な幅及び深さ並びに層１０全体の具体的な構造は、本発明の原理及び範囲から逸脱することなく上述した式に従い用地特有の要求を満たすべく変化し得ることに注意すべきである。上述したように、当該システムは望まれる除去効率によっても変化し得る。
【００７５】
本発明の原理の応用について例示するために本発明の特定の実施形態について示し詳述してきたが、上記原理から逸脱することなく本発明は別の方法で体現され得ることは理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１Ａ】本発明にしたがってＣＯ2を隔離するための石灰石層の平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの部分拡大図である。
【図２Ａ】図１の層の取水路の壁の側面図である。
【図２Ｂ】図１の層の排水路の壁の側面図である。
【図３】図１の層の列の断面図である。
【図４】図１の層への排ガス供給システムの斜視図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０    石灰石層
１２    石灰石層の列
２０    水の供給路
２２    取水路
２４    溝
２５    取水路の壁
３０    水の排出路
３２    排水路
３４    格子路
３５    排水路の壁
３６    格子
４０    受け入れマニフォールド
５０    主排気管
５５    チューブ
６０    多孔管