(57)【要約】【課題】回収したＣＯ２から変換された可燃ガスを酸素から分離して回収でき、ＣＯ２を安全に再利用できる二酸化炭素の回収及び変換システムを提供する。【解決手段】ＣＯ２含有ガス１０に含まれるＣＯ２をＣＯ２吸収液に吸収させる吸収塔８と、吸収塔８から供給されたＣＯ２リッチ液１８をＣＯ２リーン液２０に変換し吸収塔８に供給するＣＯ２変換容器１１を備える。ＣＯ２変換容器１１は、内部を第１の空間と第２の空間に分ける基板１３と、基板１３に設けられた素子と、第１の空間に設けられた第１の開口部と、第２の空間に設けられた第２の開口部を備える。第１の空間と第２の空間とは互いに連通する。素子は、一方の面で太陽光１２を受けてＣＯ２リッチ液から可燃ガス１４を生成し、他方の面でＣＯ２リッチ液から酸素１５を生成する半導体素子である。ＣＯ２変換容器１１は、可燃ガス１４を第１の開口部から排出し、酸素１５を第２の開口部から排出する。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含む二酸化炭素含有ガスと二酸化炭素吸収液とを接触させ、前記二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収液に吸収させる吸収塔と、
前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記二酸化炭素吸収液であるリッチ液が前記吸収塔から供給され、前記リッチ液を前記リッチ液よりも二酸化炭素の含有量が少ない前記二酸化炭素吸収液であるリーン液に変換し、前記リーン液を前記吸収塔に供給する二酸化炭素変換容器と、
を備え、
前記二酸化炭素変換容器は、内部に設けられ内部を第１の空間と第２の空間に分ける基板と、前記基板に設けられた板状の素子と、前記第１の空間の上部に設けられた第１の開口部と、前記第２の空間の上部に設けられた第２の開口部と、前記リッチ液が供給されるリッチ液入口と、前記リーン液を排出するリーン液出口とを備え、
前記第１の空間と前記第２の空間とは、前記二酸化炭素変換容器の下部で互いに連通し、
前記素子は、一方の面で太陽光を受けて前記リッチ液から可燃ガスを生成するとともに、他方の面で前記リッチ液から酸素を生成する半導体素子であり、
前記二酸化炭素変換容器は、前記素子が生成した前記可燃ガスを前記第１の空間で蓄積して前記第１の開口部から排出し、前記素子が生成した前記酸素を前記第２の空間で蓄積して前記第２の開口部から排出し、
前記可燃ガスは、水素、メタン、又はメタノールである、
ことを特徴とする二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項２】
前記基板は、上下方向の中央部に前記素子を備える、
請求項１に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項３】
前記二酸化炭素変換容器を複数備え、
複数の前記二酸化炭素変換容器の前記第１の開口部は、互いに接続され、
複数の前記二酸化炭素変換容器の前記第２の開口部は、互いに接続され、
複数の前記二酸化炭素変換容器の前記リッチ液入口は、互いに接続され、
複数の前記二酸化炭素変換容器の前記リーン液出口は、互いに接続され、
複数の前記二酸化炭素変換容器は、並列に接続される、
請求項１に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項４】
前記二酸化炭素変換容器は、隣り合う前記二酸化炭素変換容器との間に、太陽光を反射して前記素子に照射する鏡を備える、
請求項３に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項５】
前記第１の開口部から排出された前記可燃ガスを冷却する第１の熱交換器と、
前記第２の開口部から排出された前記酸素を冷却する第２の熱交換器と、
前記第１の熱交換器で冷却された前記可燃ガスから水を回収する第１の気液分離器と、
前記第２の熱交換器で冷却された前記酸素から水を回収する第２の気液分離器と、
前記第１の気液分離器と前記第２の気液分離器とで回収された前記水を貯留し、貯留した前記水を前記吸収塔に供給する貯水タンクと、
前記第１の気液分離器で前記水と分離された前記可燃ガスを圧縮する第１の圧縮機と、
前記第２の気液分離器で前記水と分離された前記酸素を圧縮する第２の圧縮機と、
前記第１の圧縮機で圧縮された前記可燃ガスを貯留する第１のタンクと、
前記第２の圧縮機で圧縮された前記酸素を貯留する第２のタンクと、
をさらに備える、
請求項１に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項６】
前記第１の気液分離器と前記第１の圧縮機とを接続する配管と、前記第２の気液分離器と前記第２の圧縮機とを接続する配管とに、それぞれ逆止弁を備え、
前記逆止弁は、前記第１の空間と前記第２の空間のガスの圧力を正圧とする、
請求項５に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項７】
前記システムは、制御装置と、前記吸収塔と前記リッチ液入口とを接続する配管に設けられた流量調節弁とを備え、
前記二酸化炭素変換容器は、前記第１の空間と前記第２の空間のそれぞれに、前記二酸化炭素吸収液の液面の位置を計測する液面計を備え、
前記制御装置は、前記液面計がそれぞれ計測した前記液面の位置を読み込み、前記第１の空間と前記第２の空間とで前記素子が前記二酸化炭素吸収液で覆われるように、前記流量調節弁の開度を制御して前記リッチ液の流量を制御する、
請求項１に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項８】
前記システムは、制御装置と、前記リーン液出口と前記吸収塔とを接続する配管に設けられたリーン液抜出しポンプとを備え、
前記二酸化炭素変換容器は、前記リーン液出口の近傍に、前記リーン液出口から排出される前記リーン液のｐＨの値を計測するｐＨ計を備え、
前記制御装置は、前記ｐＨ計が計測したｐＨの値を読み込み、前記リーン液のｐＨの値が予め定めた値以下になるように、前記リーン液抜出しポンプの出力を制御して前記リーン液の流量を制御する、
請求項１に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項９】
前記システムは、制御装置と、前記吸収塔と前記リッチ液入口とを接続する配管に設けられたリッチ液循環ポンプとを備え、
前記吸収塔と前記リッチ液入口とを接続する前記配管は、前記リッチ液循環ポンプと前記リッチ液入口との間で２つに分岐し、分岐した一方が前記吸収塔の上部に接続し、他方が前記リッチ液入口に接続し、
前記吸収塔は、前記吸収塔の底部に溜まった前記二酸化炭素吸収液のｐＨの値を計測するｐＨ計を備え、
前記制御装置は、前記ｐＨ計が計測したｐＨの値を読み込み、前記吸収塔の底部に溜まった前記二酸化炭素吸収液のｐＨの値が予め定めた値になるように、前記リッチ液循環ポンプの出力を制御して前記リッチ液の流量を制御する、
請求項１に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項１０】
前記システムは、制御装置と、前記貯水タンクと前記吸収塔とを接続する配管に設けられた水供給ポンプとを備え、
前記吸収塔は、前記吸収塔の底部に溜まった前記二酸化炭素吸収液の陽イオン濃度を計測する陽イオン濃度計を備え、
前記制御装置は、前記陽イオン濃度計が計測した陽イオン濃度の値を読み込み、前記吸収塔の底部に溜まった前記二酸化炭素吸収液の陽イオン濃度の値が予め定めた値になるように、前記水供給ポンプの出力を制御して前記貯水タンクから前記吸収塔に供給される前記水の流量を制御する、
請求項５に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項１１】
前記流量調節弁と前記リッチ液入口との間に、前記リッチ液を貯留するリッチ液貯留タンクを備える、
請求項７に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項１２】
前記リッチ液貯留タンクと前記リッチ液入口とを接続する配管に設けられたリッチ液供給ポンプを備え、
前記制御装置は、前記リッチ液供給ポンプの出力を制御して前記リッチ液貯留タンクから前記二酸化炭素変換容器に供給される前記リッチ液の流量を制御することで、前記二酸化炭素変換容器の前記二酸化炭素吸収液の液面の位置を制御する、
請求項１１に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項１３】
前記リーン液抜出しポンプと前記吸収塔との間に、前記リーン液を貯留するリーン液貯留タンクを備える、
請求項８に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項１４】
前記システムは、前記リーン液貯留タンクと前記吸収塔とを接続する配管に設けられたリーン液供給ポンプと、前記吸収塔と前記リッチ液入口とを接続する配管に設けられたリッチ液循環ポンプと、を備え、
前記吸収塔は、前記吸収塔の底部に溜まった前記二酸化炭素吸収液の液面の位置を計測する液面計を備え、
前記制御装置は、前記液面計が計測した液面の位置を読み込み、前記リーン液供給ポンプの出力を制御して、前記リーン液貯留タンクから前記吸収塔に供給される前記リーン液の流量を制御するとともに、前記リッチ液循環ポンプの出力を制御して、前記吸収塔から排出される前記リッチ液の流量を制御することで、前記吸収塔の底部に溜まった前記二酸化炭素吸収液の液面の位置を制御する、
請求項１３に記載の二酸化炭素の回収及び変換システム。
【請求項１５】
石炭を燃焼させて一酸化炭素を含むガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記石炭ガス化炉で生成された前記ガスに含まれるチャーを回収する脱塵装置と、
前記脱塵装置を通過した前記ガスから硫黄化合物及び窒素化合物を除去するガス精製装置と、
前記ガス精製装置を通過した前記ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素と水素に変換し、二酸化炭素を含むガスを生成するシフト反応器と、
請求項１から１４のいずれか１項に記載の二酸化炭素の回収及び変換システムと、
を備え、
前記二酸化炭素の回収及び変換システムは、前記吸収塔で、前記シフト反応器が生成した前記ガスに含まれる二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収液に吸収させる、
ことを特徴とする石炭ガス化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素（以下「ＣＯ２」とも表記する）を含むガスからＣＯ２を回収し、回収したＣＯ２を可燃ガスに変換する二酸化炭素の回収及び変換システム、及び石炭ガス化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策として、排出されるＣＯ２を回収する技術が開発されている。特に、石炭、石油、及び天然ガス（以下「ＮＧ」とも表記する）などの化石燃料を燃焼し、タービンを駆動させ発電する装置では、排ガス中に数％から十数％のＣＯ２が含まれ、ＣＯ２の回収源の対象になっている。
【０００３】
例えば、石炭ガス化複合発電（以下「ＩＧＣＣ」とも表記する）システムでは、石炭を燃料として高温高圧下の条件で燃焼させ、このときの燃焼熱によって蒸気タービンを駆動させるとともに、石炭を空気不足の条件で燃焼させることにより一酸化炭素（以下「ＣＯ」とも表記する）を主成分とする可燃ガスを生成させ、この可燃ガスを再び燃焼させることによりガスタービンを駆動させる。蒸気タービンとガスタービンの両方で発電することにより、蒸気タービンだけで発電する場合よりも高い発電効率を得ることができる。
【０００４】
ＣＯ２を回収するＩＧＣＣ（以下「ＣＯ２回収型ＩＧＣＣ」とも表記する）では、燃焼ガス中のＣＯを水蒸気と反応させて水素（以下「Ｈ２」とも表記する）とＣＯ２に転換し、濃度を高めてＣＯ２を分離・回収することで、Ｈ２を主成分とする燃料（可燃ガス）を得る。ＣＯ２への転換で必要な水蒸気は、蒸気タービンから抽気する。水蒸気の抽気量が多いと、蒸気タービンの水蒸気量が減り、発電効率が低下する。特許文献１には、発電効率の低下を抑制するために、少ない水蒸気量でＣＯをＣＯ２に転換させることができる触媒（以下「シフト触媒」とも表記する）が記載されている。
【０００５】
代表的なＣＯ２の回収方法には、アミン水溶液を用いるＣＯ２化学吸収法がある。ＣＯ２化学吸収法は、アミン水溶液にＣＯ２を含むガス（以下、「ＣＯ２含有ガス」とも表記する）を気液接触させてＣＯ２を吸収させる方法であり、ＣＯ２をアミン水溶液に吸収させる吸収塔と、ＣＯ２を吸収したアミン水溶液が輸送され、アミン水溶液を加熱又は減圧してアミン水溶液からＣＯ２を脱離させる再生塔を用いる。脱離したＣＯ２は、圧縮されて液化された後、貯留される。
【０００６】
貯留されたＣＯ２は、最終的に地中又は海洋に投棄されて隔離される。しかし、いったん貯留されたＣＯ２は、貯留場所に永遠にとどまっているわけではなく、大気中に漏れ出す可能性がある。漏出したＣＯ２が、気温・生態系・植生などの変化により、人間にどのような影響を与えるかは不明確である。このため、長期にわたってＣＯ２を貯留することを不安視する考えもある。このような理由により、回収したＣＯ２を貯留するのではなく、別なものに変換して再利用する技術が開発されている。
【０００７】
特許文献２には、太陽光を利用して水溶液中の二酸化炭素を還元し、可燃ガスであるＨ２、メタン（以下「ＣＨ４」とも表記する）、及びメタノール（以下「ＣＨ３ＯＨ」とも表記する）に変換する半導体素子が記載されている。この半導体素子は、電極層と、第１の半導体層と、第２の半導体層とを備え、電極層と第１の半導体層との間に第２の半導体層が設けられている。第１の半導体層の伝導帯の下端電位は、Ｈ２の生成電位（又は、ＣＨ４又はＣＨ３ＯＨの反応電位）よりも高く、第２の半導体層の価電子帯の上端電位は、酸素の生成電位よりも低く、第１の半導体層のバンドギャップは、第２の半導体層のバンドギャップよりも大きい。半導体素子の表面にＣＯ２を含む水溶液を接触させ、半導体素子の第１の半導体層を太陽光で照射することにより、第１の半導体層の表面で酸素（以下「Ｏ２」とも表記する）が生成され、電極層の表面で可燃ガスが生成される。特許文献２には、さらに、水溶液の電解質には、アルカリ金属の水酸化物など塩基性の電解質を用いると都合が良いことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−６６２３７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／１３７２４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２に記載された半導体素子は、板状であり、一方の面で可燃ガスを生成し、他方の面でＯ２を生成する。これらのガスは混合して回収されるが、混合して回収すると、Ｏ２は助燃ガスであることから、回収したガスを再利用するまでの工程において、静電気などの衝撃によって可燃ガスが燃焼したり爆発したりする恐れがある。すなわち、特許文献２に記載された半導体素子には、ＣＯ２を安全に回収し変換する点で課題がある。
【００１０】
本発明は、回収した二酸化炭素から変換された可燃ガスを酸素から分離して回収でき、二酸化炭素を安全に再利用できる二酸化炭素の回収及び変換システム及び石炭ガス化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による二酸化炭素の回収及び変換システムは、次のような特徴を備える。二酸化炭素を含む二酸化炭素含有ガスと二酸化炭素吸収液とを接触させ、前記二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を前記二酸化炭素吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収塔で二酸化炭素を吸収した前記二酸化炭素吸収液であるリッチ液が前記吸収塔から供給され、前記リッチ液を前記リッチ液よりも二酸化炭素の含有量が少ない前記二酸化炭素吸収液であるリーン液に変換し、前記リーン液を前記吸収塔に供給する二酸化炭素変換容器とを備える。前記二酸化炭素変換容器は、内部に設けられ内部を第１の空間と第２の空間に分ける基板と、前記基板に設けられた板状の素子と、前記第１の空間の上部に設けられた第１の開口部と、前記第２の空間の上部に設けられた第２の開口部と、前記リッチ液が供給されるリッチ液入口と、前記リーン液を排出するリーン液出口とを備える。前記第１の空間と前記第２の空間とは、前記二酸化炭素変換容器の下部で互いに連通する。前記素子は、一方の面で太陽光を受けて前記リッチ液から可燃ガスを生成するとともに、他方の面で前記リッチ液から酸素を生成する半導体素子である。前記二酸化炭素変換容器は、前記素子が生成した前記可燃ガスを前記第１の空間で蓄積して前記第１の開口部から排出し、前記素子が生成した前記酸素を前記第２の空間で蓄積して前記第２の開口部から排出する。前記可燃ガスは、水素、メタン、又はメタノールである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、回収した二酸化炭素から変換された可燃ガスを酸素から分離して回収でき、二酸化炭素を安全に再利用できる二酸化炭素の回収及び変換システム及び石炭ガス化システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】従来のＣＯ２回収型ＩＧＣＣの構成を示す図。
【図１Ｂ】本発明の実施例１によるＣＯ２の回収及び変換システムの構成を示す図。
【図２】ＣＯ２変換容器の横断面図。
【図３】配列した複数のＣＯ２変換容器を示す図。
【図４】鏡を備えるＣＯ２変換容器を示す図。
【図５】本発明の実施例４によるＣＯ２の回収及び変換システムの構成を示す図。
【図６】本発明の実施例５によるＣＯ２の回収及び変換システムの構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明による二酸化炭素の回収及び変換システムでは、回収したＣＯ２から変換された可燃ガスとＯ２とを分離でき、得られたガスを圧縮、貯留する際の安全性を確保することができる。さらに、回収したＣＯ２から可燃ガスを生成するので、この可燃ガスを燃料として再利用することができ、ＣＯ２の排出量を抑え、地球温暖化を防止することができる。
【００１５】
以下、本発明の実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムを説明する。以下の実施例では、本発明による二酸化炭素の回収及び変換システムをＣＯ２回収型ＩＧＣＣに適用した例を説明する。但し、本発明による二酸化炭素の回収及び変換システムは、ＣＯ２回収型ＩＧＣＣに限らず、石炭を燃焼することで得られたＣＯ２を含むガスからＣＯ２を回収する石炭ガス化システムなど、ＣＯ２を含むガス（ＣＯ２含有ガス）からＣＯ２を回収するシステムに広く適用できる。なお、以下の実施例において、「下流」とは、ＣＯ２吸収液の流れの向きについて述べている。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１による二酸化炭素の回収及び変換システムを、図１Ａと図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、従来のＣＯ２回収型ＩＧＣＣの構成を示す図である。従来のＣＯ２回収型ＩＧＣＣは、破線の枠内に示すようにＣＯ２吸収塔８及びＣＯ２再生塔９を備える。図１Ｂは、本発明の実施例１による二酸化炭素の回収及び変換システムの構成を示す図である。本実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムは、ＣＯ２回収型ＩＧＣＣにおいて、従来のＣＯ２吸収塔８及びＣＯ２再生塔９の代わりに用いられる。すなわち、図１Ａの破線で示した部分に、本実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムが配置される。図１Ｂに示すように、本発明の実施例１による二酸化炭素の回収及び変換システムでは、ＣＯ２再生塔９を用いず、ＣＯ２変換容器１１を用いる。ＣＯ２吸収塔８の構成は、図１Ａと図１Ｂとで同一である。
【００１７】
ＣＯ２回収型ＩＧＣＣでは、石炭１と空気又は酸素２とを石炭ガス化炉３に供給し、石炭ガス化炉３で石炭１を燃焼させる。このときの燃焼熱を用いて水蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動し、発電する（このための構成は図１Ａに示していない）。石炭ガス化炉３は、石炭１を完全燃焼させるのに必要な量よりも少ない量の酸素を用いて１０００℃を超える高温で石炭１を燃焼させ、ガスを生成する。石炭中の灰分は溶融し、スラグとして排出される。燃焼した後のガスには、可燃ガスであるＣＯ、Ｈ２、及びＣＨ４が含まれる。
【００１８】
石炭ガス化炉３での未燃分であるチャーは、燃焼した後のガスに含まれるため、脱塵装置４で回収する。図１Ａに示していないが、回収したチャーは、再度石炭ガス化炉３に供給され、燃料として再利用される。
【００１９】
脱塵装置４を通過したガスには、ＣＯ、Ｈ２、及びＣＨ４の他に、硫黄化合物であるＨ２ＳとＣＯＳ、及び窒素化合物であるＮＨ３が含まれ、微量成分としてＨＣｌとＨＣＮ等の物質も混在している。また、チャーや石炭灰の微粒子も微量混入している。これらの物質は、後段に位置するガスタービン６の部材を腐食させたり摩耗させたりし、さらには大気中に放出されて大気汚染を起こす要因になる。このため、これらの物質を、ガス精製装置５で除去する。
【００２０】
ガス精製装置５を通過したガスは、シフト触媒が備えられたシフト反応器７に導かれる。シフト反応器７は、水蒸気が供給されて、ガスに含まれるＣＯをＣＯ２とＨ２に変換し、ＣＯ２を含むガスを生成する。このガスは、ＣＯ２濃度が高いガスである。シフト反応器７から排出されるＣＯ２濃度が高いガスを「ＣＯ２含有ガス」と呼ぶ。
【００２１】
シフト反応器７から排出されたＣＯ２含有ガス１０は、ＣＯ２吸収塔８に導かれる。ＣＯ２吸収塔８は、ＣＯ２含有ガス１０とＣＯ２吸収液とを気液接触させ、ＣＯ２含有ガス１０に含まれるＣＯ２をＣＯ２吸収液に吸収させて、ＣＯ２含有ガス１０からＣＯ２を除去する。
【００２２】
ＣＯ２吸収塔８を通過したガスは、ＣＯ２が除去されており、可燃ガスとして主にＨ２を含み、燃焼してガスタービン６での発電に用いられ、燃焼によって水（以下「Ｈ２Ｏ」とも表記する）を生成する。ガスタービン６での発電に用いられたガスは、排熱回収ボイラ７１に供給された後、煙突から大気中に放出される。
【００２３】
このように、シフト反応器７でＣＯをＣＯ２とＨ２に変換し、ＣＯ２吸収塔８でＣＯ２を除去することにより、ガスタービン６を通過したガスのＣＯ２濃度を抑制することができ、ＣＯ２の大気放出を抑制する。
【００２４】
従来のＣＯ２回収型ＩＧＣＣでは、ＣＯ２吸収塔８でＣＯ２を吸収したＣＯ２吸収液１８（以下「ＣＯ２リッチ液１８」とも表記する）は、ＣＯ２再生塔９に輸送される。ＣＯ２再生塔９では、ＣＯ２リッチ液１８が加熱及び減圧され、ＣＯ２がＣＯ２リッチ液１８から脱離する。ＣＯ２が脱離したＣＯ２吸収液は、ＣＯ２リッチ液１８よりもＣＯ２含有量が少ない吸収液２０（以下「ＣＯ２リーン液２０」とも表記する）となり、再びＣＯ２吸収塔８に供給され、ＣＯ２の吸収に使用される。ＣＯ２リッチ液１８から脱離したＣＯ２は、図１Ａに示していないが、圧縮、液化され、貯留される。ＣＯ２吸収液には、ＣＯ２の吸収、脱離のし易さから、アミン水溶液が用いられている。
【００２５】
本発明の実施例１による二酸化炭素の回収及び変換システムでは、上述したように、ＣＯ２再生塔９を用いず、ＣＯ２変換容器１１を用いてＣＯ２リッチ液１８をＣＯ２リーン液２０に変換する。本実施例でも、ＣＯ２吸収塔８は、シフト反応器７が生成したＣＯ２含有ガス１０からＣＯ２を除去する。ＣＯ２吸収塔８から排出されたＣＯ２リッチ液１８は、ＣＯ２変換容器１１に供給される。
【００２６】
ＣＯ２変換容器１１は、内部に基板１３を備え、ＣＯ２リッチ液１８を収容することができる。基板１３は、板状部材であり、一方の面で太陽光１２を受けるようにＣＯ２変換容器１１の内部に配置される。基板１３には、太陽光１２を受ける面（以下「表面」とも表記する）ではＣＯ２リッチ液１８に含まれるＨ２ＯとＣＯ２から可燃ガス（Ｈ２、ＣＨ４又はＣＨ３ＯＨ）を生成するとともに、太陽光１２を受けない面（以下「裏面」とも表記する）では酸素を生成する素子が設けられる。
【００２７】
ＣＯ２変換容器１１は、基板１３によって、内部が２つの空間に分けられる。１つは、基板１３の表面とこの表面に面するＣＯ２変換容器１１の内面との間にある空間（以下「表面空間」とも表記する）であり、もう１つは、基板１３の裏面とこの裏面に面するＣＯ２変換容器１１の内面との間にある空間（以下「裏面空間」とも表記する）である。
【００２８】
基板１３は、太陽光１２を強く受けることができるように、太陽光１２が基板１３の表面に対して垂直に又は垂直に近い角度で照射するように配置するのが望ましい。このため、ＣＯ２変換容器１１は、水平方向に対して傾斜させて配置して使用するのが望ましい。
【００２９】
さらに、ＣＯ２変換容器１１には、ＣＯ２変換容器１１を使用する状態の配置（水平方向に対して傾斜させた配置）における表面空間の上部と裏面空間の上部に、開口部を設ける。表面空間の上部と裏面空間の上部に開口部を設けても、水平方向に対する傾斜角度を調整してＣＯ２変換容器１１を配置することで、これらの開口部からＣＯ２変換容器１１が収容したＣＯ２吸収液が流出しないようにすることができる。基板１３の表面で発生したガスの気泡は、表面空間を上昇し、表面空間の上部に設けられた開口部を通ってＣＯ２変換容器１１から排出される。基板１３の裏面で発生したガスの気泡は、裏面空間を上昇し、裏面空間の上部に設けられた開口部を通ってＣＯ２変換容器１１から排出される。ＣＯ２変換容器１１では、このようにして、可燃ガス１４と酸素１５を分離して回収することができる。
【００３０】
ＣＯ２変換容器１１を使用する状態の配置における基板１３の下部には、開口部を設ける。又は、ＣＯ２変換容器１１を使用する状態の配置における基板１３の下端とＣＯ２変換容器１１の内面との間には、隙間を設ける。このようにしてＣＯ２変換容器１１の下部に開口部又は隙間を設けることにより、ＣＯ２変換容器１１の表面空間と裏面空間とを連通させ、基板１３の表面で生成した水素イオン（以下「Ｈ＋」とも表記する）を、液内拡散によって表面空間に移動させることができる（後述する図２を参照）。
【００３１】
ＣＯ２変換容器１１の裏面空間にあるＣＯ２吸収液（ＣＯ２リッチ液１８）は、基板１３に設けられた素子の働きにより、ＣＯ２リーン液２０になる。このＣＯ２リーン液２０は、再びＣＯ２吸収塔８に供給され、ＣＯ２を吸収するのに用いられる。
【００３２】
本実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムは、このようにして、回収したＣＯ２から変換された可燃ガス１４（Ｈ２、ＣＨ４又はＣＨ３ＯＨ）を、酸素１５から分離して回収できる。また、ＣＯ２リッチ液１８からＣＯ２を脱離させるＣＯ２再生塔９が不要であるので、システムの構成を簡素化することができる。
【実施例２】
【００３３】
実施例２では、本発明の二酸化炭素の回収及び変換システムで用いるＣＯ２変換容器１１の構成を、図２を用いて説明する。図２は、ＣＯ２変換容器１１の横断面図である。
【００３４】
ＣＯ２変換容器１１は、太陽光１２に照射されて使われるが、太陽光１２の入射方向（ＣＯ２変換容器１１の厚さ方向）の中央に基板１３が設けられる。ＣＯ２変換容器１１は、基板１３を境に、太陽光１２に照射される表面空間１１ａと照射されない裏面空間１１ｂとに区分される。
【００３５】
基板１３は、少なくとも一部に素子１６を備える。素子１６は、板状であり、太陽光１２を受け、ＣＯ２吸収液（ＣＯ２リッチ液１８）中のＨ２ＯとＣＯ２から可燃ガス（Ｈ２、ＣＨ４又はＣＨ３ＯＨ）を生成する表面と、酸素を生成する裏面とを有する。
【００３６】
ＣＯ２変換容器１１は、ＣＯ２リッチ液入口１８ａを備え、ＣＯ２リッチ液入口１８ａからＣＯ２リッチ液１８が供給される。ＣＯ２変換容器１１に供給されたＣＯ２リッチ液１８は、液面２２を形成する。ＣＯ２変換容器１１の表面空間１１ａにおいて、液面２２より上部は可燃ガス１４が蓄積する空間である。ＣＯ２変換容器１１の裏面空間１１ｂにおいて、液面２２より上部は酸素１５が蓄積する空間である。可燃ガス１４及び酸素１５が蓄積する空間では、基板１３が素子１６を備えなくてもよい。
【００３７】
ＣＯ２変換容器１１は、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂの上部に、それぞれ開口部である可燃ガス出口１４ａと酸素出口１５ａとを有する。可燃ガス出口１４ａから可燃ガス１４が排出され、酸素出口１５ａから酸素１５が排出される。可燃ガス出口１４ａと酸素出口１５ａは、他の実施例で述べるように、それぞれ異なる配管（ヘッダ）に接続される。このため、ＣＯ２変換容器１１で生成した可燃ガス１４と酸素１５とは、混合しない。
【００３８】
素子１６は、表面で太陽光１２を受けて、ＣＯ２吸収液に含まれるＣＯ２から可燃ガス１４を生成する。例えば、可燃ガス１４としてＣＨ４を生成する場合には、次式に示す反応が起こる。
ＣＯ２＋８Ｈ＋＋８ｅ−→ＣＨ４↑＋２Ｈ２Ｏ                （１）
生成されたＣＨ４は、気泡２１ａとなってＣＯ２吸収液中を上昇する。
【００３９】
一方、素子１６の裏面では、次式に示す反応が起こり、ＣＯ２吸収液に含まれるＨ２ＯからＯ２が生成される。
２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋Ｏ２↑＋４ｅ−                        （２）
生成されたＯ２は、気泡２１ｂとなってＣＯ２吸収液中を上昇する。
【００４０】
可燃ガス１４と酸素１５とが混合すれば、静電気などの外的要因で爆発する恐れがある。このため、ＣＯ２変換容器１１を使用する状態の配置における基板１３の下部は、素子１６を備えないようにし、生成した可燃ガス１４と酸素１５とが混合しないようにすることが好ましい。
【００４１】
前述したように、ＣＯ２変換容器１１の表面空間１１ａと裏面空間１１ｂの上部は、それぞれ可燃ガス１４と酸素１５が蓄積する空間であり、基板１３が素子１６を備えなくてもよい。従って、基板１３は、上部と下部には素子１６を備えなくてもよく、上下方向の中央部に素子１６を備えるのが好ましい。
【００４２】
式（１）から、素子１６の表面では、Ｈ＋とｅ−を消費する。式（２）から、素子１６の裏面では、Ｈ＋とｅ−を生成する。
【００４３】
特許文献２（ＷＯ２０１２／１３７２４０）には、電極層と第１の半導体層と第２の半導体層とを有し、電極層と第１の半導体層との間に第２の半導体層が設けられ、第１の半導体層の伝導帯の下端電位は可燃ガス（Ｈ２、ＣＨ４、又はＣＨ３ＯＨ）の生成電位よりも高く、第２の半導体層の価電子帯の上端電位は酸素の生成電位よりも低く、第１の半導体層のバンドギャップは第２の半導体層のバンドギャップよりも大きい半導体素子が記載されている。
【００４４】
特許文献２に記載のこの半導体素子を、電極層を裏面にし、第１の半導体層を表面にして、素子１６として用いると、ｅ−は、電極層から第２の半導体層を経て第１の半導体層に移動する。すなわち、ｅ−は、素子１６内を裏面から表面に移動することができる。一方、Ｈ＋は、素子１６内を移動できないので、実施例１で述べた液内拡散によって、図２の矢印で示すように裏面空間から表面空間に移動する。
【００４５】
本発明で用いるＣＯ２変換容器１１は、板状の素子１６を備える基板１３を内部に有し、基板１３が、太陽光１２を受け、表面でＣＯ２吸収液（ＣＯ２リッチ液１８）中のＣＯ２から可燃ガス１４を生成し、裏面でＨ２Ｏから酸素１５を生成することに特徴がある。このため、素子１６には、特許文献２に記載されている半導体素子を用いることが望ましい。
【００４６】
太陽光１２の照射によって、ＣＯ２変換容器１１中のＣＯ２吸収液は、温度が上昇して水分が蒸発する。また、ＣＯ２変換容器１１の可燃ガス１４が蓄積する表面空間１１ａと酸素１５が蓄積する裏面空間１１ｂの圧力を減らせば、水分の蒸発が促進される。したがって、好ましくは、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂのガスの圧力を正圧とし、水分の蒸発を抑制する。
【００４７】
素子１６で効率的に可燃ガス１４と酸素１５を生成させるためには、素子１６の表面と裏面の両方をＣＯ２吸収液で覆うことが望ましい。そこで、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂのそれぞれに液面計２３を設置し、ＣＯ２吸収液の液面２２の位置を計測するとともに、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂとで液面２２の位置が所定の位置と同じかこれよりも高い位置になるように、液面２２を制御する。液面２２の所定の位置は、例えば、素子１６の表面と裏面の両方がＣＯ２吸収液で覆われるような位置である。この液面２２を制御する構成については、他の実施例で述べる。
【００４８】
特許文献２に記載されているように、ＣＯ２吸収液には、アルカリ金属の水酸化物（例えば、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウム）の水溶液を用いるのが望ましい。ＣＯ２吸収液は、ＣＯ２を吸収していない状態であればアルカリ性を示しｐＨが高いが、ＣＯ２を吸収することによりｐＨが低くなる。したがって、ＣＯ２変換容器１１内のＣＯ２吸収液は、ＣＯ２変換容器１１の使用状態の配置において、下部ではＣＯ２リッチ液１８であるためｐＨが低く、上部に向かってＣＯ２リーン液２０になりｐＨが高くなる。
【００４９】
ＣＯ２変換容器１１は、ＣＯ２リーン液出口２０ａを備え、ＣＯ２リーン液出口２０ａからＣＯ２リーン液２０が排出される。ＣＯ２リーン液出口２０ａは、裏面空間１１ｂの上部で、かつ液面２２より低い位置に設ける。
【００５０】
ＣＯ２変換容器１１は、さらに、ＣＯ２リーン液出口２０ａの近傍にｐＨ計２４を備える。この位置にｐＨ計２４を設けることにより、ＣＯ２変換容器１１から排出されるＣＯ２リーン液２０のｐＨの値が所定の値以上になるように制御することができる。ＣＯ２リーン液２０のｐＨの所定の値は、予め任意に定めることができる。このｐＨの値を制御する構成については、他の実施例で述べる。
【００５１】
本実施例で説明したＣＯ２変換容器１１を用いることにより、回収したＣＯ２から変換された可燃ガスを酸素と分離して回収することができ、可燃ガスと酸素を安全に圧縮、貯留、さらには再利用することができる。
【実施例３】
【００５２】
実施例３では、実施例２で述べたＣＯ２変換容器１１を複数用いた二酸化炭素の回収及び変換システムの構成を説明する。
【００５３】
初めに、ＣＯ２変換容器１１の寸法について説明する。
【００５４】
実施例２のＣＯ２変換容器１１（図２）において、生成したガスの気泡２１ａ、２１ｂは、それぞれ表面空間１１ａと裏面空間１１ｂの液面２２から上部の気中に速やかに移動するのが望ましい。さらに、裏面空間１１ｂのＣＯ２吸収液中にあるＨ＋は、速やかに表面空間１１ａに拡散して移動するのが望ましい。
【００５５】
ガスの気泡２１ａ、２１ｂの移動の速さは、ＣＯ２変換容器１１の厚さ（太陽光１２の入射方向の長さ）に依存する。この厚さが大きいほど、気泡２１ａ、２１ｂの移動は速くなるが、表面空間１１ａで基板１３に到達する太陽光１２が弱まる。このため、ＣＯ２変換容器１１の表面空間１１ａの厚さは、気泡２１ａの移動の速さと基板１３に到達する太陽光１２の強さとの兼ね合いで決定する。一方、太陽光１２が照射しない裏面空間１１ｂの厚さは、気泡２１ｂの移動の速さを基に決定する。
【００５６】
ＣＯ２吸収液中にあるＨ＋の移動は、液内拡散によるため、ＣＯ２変換容器１１の高さ（太陽光１２の入射方向に垂直な方向の長さ）が関係する。ＣＯ２変換容器１１には、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂとを連通させる空間（実施例１で述べた開口部又は隙間）が下部にあり、裏面空間１１ｂのＨ＋は、この空間を通って表面空間１１ａに到達する。ＣＯ２変換容器１１の高さが高いと、裏面空間１１ｂの素子１６の上部で発生したＨ＋が表面空間１１ａの素子１６の上部に到達するまでに時間がかかり、素子１６の機能を有効に活用できなくなる。また、基板１３は、平板であるため幅が広いと変形しやすく、変形すると耐久性や効率的な可燃ガス１４の生成に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００５７】
このように、ＣＯ２変換容器１１の寸法は、以上のような条件によって限定され、任意の大きさにできるというものではない。このため、ＣＯ２変換容器１１の寸法を大きくして、二酸化炭素の回収及び変換システムのＣＯ２の変換能力を向上させることは容易ではない。そこで、本実施例では、二酸化炭素の回収及び変換システムのＣＯ２の変換能力を向上させるために、複数のＣＯ２変換容器１１を用いる例を説明する。
【００５８】
図３は、二酸化炭素の回収及び変換システムにおいて、配列した複数のＣＯ２変換容器１１を示す図である。二酸化炭素の回収及び変換システムにおいて、多くのＣＯ２を吸収し、多くの太陽光１２を受け、多くの可燃ガス１４及び酸素１５を得る、すなわちＣＯ２変換容器１１をスケールアップするには、同一寸法のＣＯ２変換容器１１を複数台、並列に並べることが望ましい。図３には、一例として３台のＣＯ２変換容器１１を並列接続した様子を示しているが、２台や４台以上のＣＯ２変換容器１１を並列接続することもできる。
【００５９】
ＣＯ２変換容器１１は、３台とも実施例２で述べたＣＯ２変換容器１１と同一である。ＣＯ２変換容器１１は、ＣＯ２リッチ液１８が供給されるＣＯ２リッチ液入口１８ａ、可燃ガス１４を排出する可燃ガス出口１４ａ、酸素１５を排出する酸素出口１５ａ、及びＣＯ２リーン液２０を排出するＣＯ２リーン液出口２０ａを備える。ＣＯ２変換容器１１に、ＣＯ２リッチ液ヘッダ３３、可燃ガス集合ヘッダ３１、酸素集合ヘッダ３２、ＣＯ２リーン液ヘッダ３５を設置する。各ＣＯ２変換容器１１のＣＯ２リッチ液入口１８ａをＣＯ２リッチ液ヘッダ３３に、可燃ガス出口１４ａを可燃ガス集合ヘッダ３１に、酸素出口１５ａを酸素集合ヘッダ３２に、ＣＯ２リーン液出口２０ａをＣＯ２リーン液ヘッダ３５に接続する。このような構成により、接続するＣＯ２変換容器１１の数の増減作業を簡略にすることができる。
【００６０】
図４は、本発明の二酸化炭素の回収及び変換システムで用いるＣＯ２変換容器１１の、別の構成を示す図である。図４に示すＣＯ２変換容器１１は、側部に鏡３６を備える。図３に示したように複数のＣＯ２変換容器１１を並べると、隣り合うＣＯ２変換容器１１の間には隙間が生じる。鏡３６は、隣り合うＣＯ２変換容器１１との隙間に設けるのが好ましい。鏡３６は、この隙間に照射する太陽光１２を反射して素子１６（鏡３６が設けられたＣＯ２変換容器１１の素子１６）に照射するので、太陽光１２を素子１６に集光するように形状と設置向きを取るのが好ましい。
【００６１】
鏡３６をＣＯ２変換容器１１に設けることにより、隣り合うＣＯ２変換容器１１との間に生じた隙間に照射する太陽光１２を有効に利用し、二酸化炭素の回収及び変換システムのＣＯ２の変換能力を向上させることができる。なお、二酸化炭素の回収及び変換システムが１台のＣＯ２変換容器１１を備える場合でも、ＣＯ２変換容器１１の側部に鏡３６を設置し、太陽光１２を基板１３に集光するようにしてもよい。
【実施例４】
【００６２】
本発明の実施例４による二酸化炭素の回収及び変換システムを、図５を用いて説明する。本実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムでは、水を有効に利用することができる。本実施例では、二酸化炭素の回収及び変換システムが１台のＣＯ２変換容器１１を備える場合を説明するが、図３のように複数のＣＯ２変換容器１１を備えていてもよい。
【００６３】
図５は、本実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムの構成を示す図である。本実施例の二酸化炭素の回収及び変換システムは、ＣＯ２変換容器１１、ＣＯ２吸収塔８、２台の熱交換器４３、２台の気液分離器４４、２台の圧縮機４５、２台のタンク７２、制御装置４９、流量調節弁４８、ＣＯ２リーン液抜出しポンプ４７、ＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０を備える。２台の熱交換器４３、気液分離器４４、圧縮機４５、及びタンク７２のうち、それぞれ１台は可燃ガス１４用であり、もう１台は酸素１５用である。ＣＯ２リッチ液１８は、ＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０によりＣＯ２吸収塔８からＣＯ２変換容器１１に供給され、流量調節弁４８によりその流量が調整される。流量調節弁４８は、ＣＯ２吸収塔８とＣＯ２変換容器１１のＣＯ２リッチ液入口１８ａとを接続する配管に設けられ、ＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０の下流に位置する。ＣＯ２リーン液抜出しポンプ４７は、ＣＯ２リーン液出口２０ａとＣＯ２吸収塔８とを接続する配管に設けられ、ＣＯ２変換容器１１から排出されたＣＯ２リーン液２０をＣＯ２吸収塔８に供給する。
【００６４】
可燃ガス出口１４ａから排出された可燃ガス１４と酸素出口１５ａから排出された酸素１５は、それぞれ熱交換器４３に供給される。ＣＯ２変換容器１１から排出された可燃ガス１４及び酸素１５は、水蒸気を含んでいるので、それぞれ熱交換器４３で冷却され、水分が除去される。除去された水分は、それぞれ気液分離器４４で凝縮して回収され、回収水４２として利用される。熱交換器４３で水分が除去された可燃ガス１４及び酸素１５は、それぞれ気液分離器４４で水分と分離され、圧縮機４５で圧縮され、タンク７２に貯留されて、利用される。
【００６５】
気液分離器４４と圧縮機４５とを接続する配管には、それぞれ逆止弁４６が設けられる。逆止弁４６により、ＣＯ２変換容器１１の表面空間１１ａと裏面空間１１ｂに蓄積したそれぞれのガスの圧力を調整することができる。例えば、逆止弁４６で、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂのガスの圧力を正圧とし、水分の蒸発を抑制することができる。また、可燃ガス１４が流れる配管に設けられた逆止弁４６と酸素１５が流れる配管に設けられた逆止弁４６との圧力特性を互いに同じくすることで、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂに蓄積したガスの圧力を互いに同じくすることができる。表面空間１１ａと裏面空間１１ｂに蓄積したガスの圧力を互いに同じにすることで、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂの液面２２を、図２に示したように互いに同じ位置にすることができる。
【００６６】
液面２２の位置は、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂのそれぞれに設置した液面計２３で計測され、制御装置４９に読み込まれる。制御装置４９は、表面空間１１ａと裏面空間１１ｂとで液面２２の位置が所定の位置（例えば、素子１６の表面と裏面の両方がＣＯ２吸収液で覆われるような位置）と同じかこれよりも高い位置になるように、流量調節弁４８の開度を制御してＣＯ２リッチ液１８の流量を制御する。制御装置４９がこのようにして液面２２の位置を制御することで、基板１３に備えられた素子１６をＣＯ２吸収液で覆うことができ、ＣＯ２変換容器１１で効率的に可燃ガス１４及び酸素１５を生成することができる。
【００６７】
ＣＯ２リーン液２０のｐＨの値は、ＣＯ２リーン液出口２０ａの近傍に設けられたｐＨ計２４で計測され、制御装置４９に読み込まれる。ｐＨ計２４は、ＣＯ２リーン液出口２０ａから排出されるＣＯ２リーン液２０のｐＨの値を計測できる位置に、ＣＯ２リーン液出口２０ａの近傍に設けられる。制御装置４９は、ＣＯ２リーン液２０のｐＨの値が所定の値以上になるように、ＣＯ２リーン液抜出しポンプ４７の出力を制御してＣＯ２リーン液２０の流量を制御する。ＣＯ２リーン液２０のｐＨの所定の値は、予め任意に定めることができる。制御装置４９がこのようにしてＣＯ２リーン液２０のｐＨの値を制御することで、ＣＯ２吸収塔８に供給されるＣＯ２リーン液２０のＣＯ２含有量を低い値にすることができ、ＣＯ２吸収塔８でＣＯ２含有ガス１０中のＣＯ２がＣＯ２リーン液２０に吸収されやすくなる。
【００６８】
ＣＯ２リッチ液１８をＣＯ２吸収塔８からＣＯ２変換容器１１に供給する配管は、ＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０と流量調節弁４８との間で分岐し、ＣＯ２リッチ液１８は、一部がＣＯ２変換容器１１に導入され、残りがＣＯ２吸収塔８にその上部から供給される。すなわち、ＣＯ２吸収塔８には、ＣＯ２変換容器１１から排出されたＣＯ２リーン液２０と、ＣＯ２吸収塔８の底部から排出されて循環するＣＯ２リッチ液１８との２種類のＣＯ２吸収液が供給される。
【００６９】
ＣＯ２吸収塔８には、その底部のＣＯ２吸収液が溜まる空間にｐＨ計２５を設けてもよい。ＣＯ２吸収塔８の底部に溜まったＣＯ２吸収液（ＣＯ２を吸収したＣＯ２リッチ液１８）のｐＨの値は、ｐＨ計２５で計測され、制御装置４９に読み込まれる。制御装置４９は、ＣＯ２吸収塔８の底部のＣＯ２リッチ液１８のｐＨの値が所定の値になるように、ＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０の出力を制御してＣＯ２リッチ液１８の流量を制御する。ＣＯ２吸収塔８の底部のＣＯ２リッチ液１８のｐＨの所定の値は、予め任意に定めることができる。
【００７０】
ＣＯ２リッチ液１８をＣＯ２吸収塔８にその上部から供給することで、ＣＯ２吸収液のＣＯ２吸収能力を最大限活用することができる。ＣＯ２吸収液のＣＯ２吸収能力に余力があれば、ＣＯ２吸収塔８におけるＣＯ２含有ガス１０の流量に対するＣＯ２吸収液の量の比率を上げると、気液接触面積が増加して、ＣＯ２吸収塔８のＣＯ２吸収率を上げることができる。ＣＯ２が多く含まれたＣＯ２リッチ液１８は、ＣＯ２変換容器１１にも供給され、ＣＯ２変換容器１１での可燃ガス１４及び酸素１５の生成を促進する。
【００７１】
ＣＯ２変換容器１１中のＣＯ２吸収液は、実施例２で示した式（１）及び式（２）により、可燃ガス１４及び酸素１５の生成過程でＣＯ２吸収液中のＨ２Ｏが減少する。また、ＣＯ２変換容器１１中のＣＯ２吸収液は、太陽光１２によって温度が上昇して水分が蒸発し、ＣＯ２吸収液中のＨ２Ｏが減少する。従って、二酸化炭素の回収及び変換システムでは、ＣＯ２吸収液に水を補給する機能が必要である。
【００７２】
本実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムは、貯水タンク４１を備える。貯水タンク４１は、液面計２６を備え、水を補給するための給水配管４０が接続され、貯水量を一定に保つことができる。さらに、貯水タンク４１は、可燃ガス１４用の気液分離器４４からと酸素１５用の気液分離器４４からの回収水４２が供給され、回収水４２を貯留する。回収水４２を利用することにより、給水配管４０から供給される水の量を減らし、ＣＯ２吸収液に補給する水を節約することができる。
【００７３】
ＣＯ２吸収液がアルカリ金属の水酸化物の水溶液であれば、アルカリ金属は、陽イオンの状態でＣＯ２吸収液中に存在する。ＣＯ２吸収液は、ＣＯ２変換容器１１での可燃ガス１４及び酸素１５の生成過程で減少する。これにより、ＣＯ２吸収液中のアルカリ金属の陽イオン濃度は次第に高くなり、アルカリ金属と結合して生成する炭酸塩の濃度も高くなる。この炭酸塩は、ＣＯ２吸収液中の濃度が水に対する溶解度以上になると、固体として析出する。
【００７４】
ＣＯ２リッチ液１８でこのように固体の炭酸塩が析出するのを防ぐために、ＣＯ２吸収塔８の底部のＣＯ２吸収液が溜まる空間に、貯水タンク４１の水を供給する。貯水タンク４１とＣＯ２吸収塔８とを接続する配管には、貯水供給ポンプ５２が設けられ、貯水供給ポンプ５２は、貯水タンク４１の水をＣＯ２吸収塔８に供給する。
【００７５】
さらに、ＣＯ２吸収塔８には、底部のＣＯ２吸収液が溜まる空間に陽イオン濃度計５１を設けてもよい。陽イオン濃度計５１は、ＣＯ２吸収液の陽イオン濃度、望ましくはアルカリ金属イオン濃度を計測する。陽イオン濃度計５１が計測した陽イオン濃度の値は、制御装置４９に読み込まれる。制御装置４９は、ＣＯ２吸収塔８の底部に溜まったＣＯ２吸収液の陽イオン濃度が所定の濃度になるように、貯水供給ポンプ５２の出力を制御し、貯水タンク４１からＣＯ２吸収塔８に供給される水の流量を制御する。ＣＯ２吸収塔８の底部のＣＯ２吸収液中の陽イオン濃度の所定の濃度は、予め任意に定めることができる。貯水タンク４１の水は、このようにしてＣＯ２吸収塔８に供給してもよい。
【実施例５】
【００７６】
ＣＯ２含有ガス１０の流量及びＣＯ２濃度は、ＣＯ２を生成する装置の運用条件によって変わる。従って、二酸化炭素の回収及び変換システムでは、ＣＯ２含有ガス１０中のＣＯ２を吸収する速度を変化させる必要がある。
【００７７】
一方、ＣＯ２変換容器１１は、太陽光１２が照射する昼間はＣＯ２を可燃ガス１４及び酸素１５に変換することができるが、太陽光１２が照射しない夜間はＣＯ２を可燃ガス１４及び酸素１５に変換することができない。また、昼間であっても、天気が曇り又は雨であれば、ＣＯ２を可燃ガス１４及び酸素１５に変換する速度が低下する。
【００７８】
ＣＯ２吸収塔８でＣＯ２含有ガス１０中のＣＯ２を吸収する速度と、ＣＯ２変換容器１１でＣＯ２を可燃ガス１４及び酸素１５に変換する速度とが同じであれば、ＣＯ２吸収塔８からＣＯ２変換容器１１に循環させるＣＯ２吸収液の流量を一定にすればよいが、これらの速度に相違があるため、この相違を緩和する必要がある。本実施例は、この相違を緩和することができる二酸化炭素の回収及び変換システムについて説明する。
【００７９】
本発明の実施例５による二酸化炭素の回収及び変換システムを、図６を用いて説明する。本実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムは、天候の変動に対応できるシステムである。本実施例では、二酸化炭素の回収及び変換システムが１台のＣＯ２変換容器１１を備える場合を説明するが、図３のように複数のＣＯ２変換容器１１を備えていてもよい。
【００８０】
図６は、本実施例による二酸化炭素の回収及び変換システムの構成を示す図である。本実施例の二酸化炭素の回収及び変換システムは、実施例４に示した二酸化炭素の回収及び変換システムの構成に、ＣＯ２リーン液貯留タンク６１とＣＯ２リッチ液貯留タンク６２とを追加した構成を備える。ＣＯ２リーン液貯留タンク６１は、ＣＯ２変換容器１１とＣＯ２吸収塔８との間に設けられ、ＣＯ２リーン液貯留タンク６１とＣＯ２吸収塔８とを接続する配管には、ＣＯ２リーン液供給ポンプ６３が設けられる。ＣＯ２リッチ液貯留タンク６２は、ＣＯ２吸収塔８とＣＯ２変換容器１１との間で流量調節弁４８の下流に（すなわち、流量調節弁４８とＣＯ２変換容器１１との間に）設けられる。ＣＯ２リッチ液貯留タンク６２とＣＯ２変換容器１１とを接続する配管には、ＣＯ２リッチ液供給ポンプ６４が設けられる。
【００８１】
ＣＯ２リーン液貯留タンク６１は、ＣＯ２変換容器１１から排出されたＣＯ２リーン液２０を貯留する。ＣＯ２変換容器１１でＣＯ２を可燃ガス１４及び酸素１５に変換する速度が、ＣＯ２吸収塔８でＣＯ２含有ガス１０中のＣＯ２を吸収する速度より大きい場合は、ＣＯ２変換容器１１でＣＯ２リーン液２０が過剰に生成される。ＣＯ２リーン液貯留タンク６１は、このように過剰に生成されたＣＯ２リーン液２０を貯留することができる。なお、ＣＯ２変換容器１１でＣＯ２を可燃ガス１４及び酸素１５に変換する速度は、太陽光１２の照射量と、素子１６の大きさなどのＣＯ２変換容器１１のＣＯ２変換特性などを用いて求めることができる。ＣＯ２吸収塔８でＣＯ２含有ガス１０中のＣＯ２を吸収する速度は、ＣＯ２含有ガス１０のＣＯ２濃度と、ＣＯ２吸収塔８でのＣＯ２吸収液（ＣＯ２リッチ液１８とＣＯ２リーン液２０）の流量などを用いて求めることができる。
【００８２】
ＣＯ２変換容器１１から排出されたＣＯ２リーン液２０は、ＣＯ２リーン液抜出しポンプ４７によって、ＣＯ２リーン液貯留タンク６１に貯留される。実施例４（図５）で述べたように、制御装置４９は、ＣＯ２リーン液抜出しポンプ４７の出力を制御する。
【００８３】
ＣＯ２リーン液貯留タンク６１に貯留されたＣＯ２リーン液２０は、ＣＯ２リーン液貯留タンク６１の下流に設けられたＣＯ２リーン液供給ポンプ６３により、ＣＯ２吸収塔８に供給される。
【００８４】
ＣＯ２リッチ液貯留タンク６２は、ＣＯ２吸収塔８から排出されたＣＯ２リッチ液１８のうち、ＣＯ２変換容器１１に供給されるＣＯ２リッチ液１８を貯留する。ＣＯ２吸収塔８でＣＯ２含有ガス１０中のＣＯ２を吸収する速度が、ＣＯ２変換容器１１でＣＯ２を可燃ガス１４及び酸素１５に変換する速度より大きい場合は、ＣＯ２吸収塔８でＣＯ２リッチ液１８が過剰に生成される。ＣＯ２リッチ液貯留タンク６２は、このように過剰に生成されたＣＯ２リッチ液１８を貯留することができる。
【００８５】
ＣＯ２吸収塔８から排出されたＣＯ２リッチ液１８の一部は、ＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０によって、ＣＯ２リッチ液貯留タンク６２に貯留される。実施例４（図５）で述べたように、制御装置４９は、ＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０の出力を制御する。
【００８６】
ＣＯ２リッチ液貯留タンク６２に貯留されたＣＯ２リッチ液１８は、ＣＯ２リッチ液貯留タンク６２の下流に設けられたＣＯ２リッチ液供給ポンプ６４により、ＣＯ２変換容器１１に供給される。
【００８７】
実施例４では、ＣＯ２変換容器１１の液面２２の位置は、ＣＯ２変換容器１１の表面空間１１ａと裏面空間１１ｂにそれぞれ設けられた液面計２３の計測データに基づき、制御装置４９が流量調節弁４８の開度を制御することで制御した。
【００８８】
本実施例では、ＣＯ２変換容器１１の液面２２の位置は、制御装置４９がＣＯ２リーン液抜出しポンプ４７とＣＯ２リッチ液供給ポンプ６４の出力とを制御することで制御する。
【００８９】
ＣＯ２吸収塔８へのＣＯ２リーン液２０の供給速度とＣＯ２吸収塔８からのＣＯ２リッチ液１８の排出速度とが互いに異なれば、ＣＯ２吸収塔８の底部に溜まっているＣＯ２吸収液の水位（液面の位置）は、変化して上限値を上回ったり下限値を下回ったりする。そこで、ＣＯ２吸収塔８の底部のＣＯ２吸収液が溜まる空間に液面計２７を設置し、ＣＯ２吸収塔８の底部に溜まっているＣＯ２吸収液の液面の位置を計測して制御する。
【００９０】
制御装置４９は、液面計２７が計測した水位のデータを読み込み、ＣＯ２リーン液供給ポンプ６３の出力を制御し、ＣＯ２リーン液貯留タンク６１からＣＯ２吸収塔８に供給されるＣＯ２リーン液２０の流量を制御する。さらに、制御装置４９は、流量調節弁４８の開度とＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０の出力を制御し、ＣＯ２吸収塔８から排出されるＣＯ２リッチ液１８の流量を制御するとともに、ＣＯ２リッチ液供給ポンプ６４の出力を制御し、ＣＯ２リッチ液貯留タンク６２からＣＯ２変換容器１１に供給されるＣＯ２リッチ液１８の流量を制御する。
【００９１】
このようにして、制御装置４９は、ＣＯ２吸収塔８の底部に溜まっているＣＯ２吸収液の水位が上限値と下限値の間になるように水位を制御するとともに、ＣＯ２変換容器１１のＣＯ２吸収液の液面２２の位置を制御する。なお、ＣＯ２吸収塔８のＣＯ２吸収液の水位の上限値と下限値は、任意に定めることができる。
【００９２】
制御装置４９は、ＣＯ２吸収塔８の底部に溜まっているＣＯ２吸収液の水位が下限値を下回っている場合には、ＣＯ２吸収塔８のＣＯ２吸収液の水位が上限値に達するまで、ＣＯ２リーン液供給ポンプ６３でＣＯ２リーン液２０をＣＯ２吸収塔８に供給する。ＣＯ２吸収塔８の底部に溜まっているＣＯ２吸収液は、ＣＯ２リーン液２０が供給されることでＣＯ２リッチ液からＣＯ２リーン液に変化し、ＣＯ２含有ガス１０中のＣＯ２を吸収することにより次第にＣＯ２リッチ液に変化する。
【００９３】
制御装置４９は、ＣＯ２吸収塔８の底部に溜まっているＣＯ２吸収液のｐＨの値が所定の値以下になったら、流量調節弁４８を開き、ＣＯ２吸収塔８のＣＯ２吸収液の水位が下限値に達するまで、流量調節弁４８の開度を制御してＣＯ２リッチ液循環ポンプ５０でＣＯ２リッチ液１８をＣＯ２吸収塔８から排出し、ＣＯ２リッチ液１８をＣＯ２リッチ液貯留タンク６２に貯留する。制御装置４９は、ＣＯ２吸収塔８のＣＯ２吸収液の水位が下限値に達したら、流量調節弁４８を閉じ、ＣＯ２リーン液供給ポンプ６３を稼動させて、ＣＯ２リーン液貯留タンク６１からＣＯ２リーン液２０をＣＯ２吸収塔８に供給する。制御装置４９は、ＣＯ２吸収塔８のＣＯ２吸収液の水位が上限値に達するまで、ＣＯ２リーン液２０をＣＯ２吸収塔８に供給する。
【００９４】
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、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、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１…石炭、２…空気又は酸素、３…石炭ガス化炉、４…脱塵装置、５…ガス精製装置、６…ガスタービン、７…シフト反応器、８…ＣＯ２吸収塔、９…ＣＯ２再生塔、１０…ＣＯ２含有ガス、１１…ＣＯ２変換容器、１１ａ…表面空間、１１ｂ…裏面空間、１２…太陽光、１３…基板、１４…可燃ガス、１４ａ…可燃ガス出口、１５…酸素、１５ａ…酸素出口、１６…素子、１８…ＣＯ２リッチ液、１８ａ…ＣＯ２リッチ液入口、２０…ＣＯ２リーン液、２０ａ…ＣＯ２リーン液出口、２１ａ…可燃ガスの気泡、２１ｂ…酸素の気泡、２２…液面、２３、２６、２７…液面計、２４、２５…ｐＨ計、３１…可燃ガス集合ヘッダ、３２…酸素集合ヘッダ、３３…ＣＯ２リッチ液ヘッダ、３５…ＣＯ２リーン液ヘッダ、３６…鏡、４０…給水配管、４１…貯水タンク、４２…回収水、４３…熱交換器、４４…気液分離器、４５…圧縮機、４６…逆止弁、４７…ＣＯ２リーン液抜出しポンプ、４８…流量調節弁、４９…制御装置、５０…ＣＯ２リッチ液循環ポンプ、５１…陽イオン濃度計、５２…貯水供給ポンプ、６１…ＣＯ２リーン液貯留タンク、６２…ＣＯ２リッチ液貯留タンク、６３…ＣＯ２リーン液供給ポンプ、６４…ＣＯ２リッチ液供給ポンプ、７１…排熱回収ボイラ、７２…タンク。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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