(57)【要約】【課題】エネルギー効率に優れたシステム構成を有するリチウム複合酸化物を利用した二酸化炭素分離方法および二酸化炭素分離システムを提供する。【解決手段】リチウム複合酸化物を吸収材として用い、この吸収材を二酸化炭素発生源である装置に組み込んでガス中の二酸化炭素を吸収させる吸収過程と、再生装置にて前記吸収材に二酸化炭素を放出させる放出過程とを備えた二酸化炭素分離方法において、前記ガスに含まれる二酸化炭素の除去率が２０％から４０％の範囲となるように運転条件を設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウム複合酸化物を吸収材として用い、二酸化炭素発生源にて生成されるガス中の二酸化炭素を前記吸収材に吸収させる吸収過程と、前記吸収材に吸収された二酸化炭素を再生装置にて放出させる放出過程とを備えた二酸化炭素分離方法において、前記ガスに含まれる二酸化炭素の除去率が２０％から４０％の範囲となるように運転条件を設定することを特徴とする二酸化炭素分離方法。
【請求項２】
前記吸収過程における排気ガス空塔速度を０．５ｋｇ／ｍ２／ｓから１．６ｋｇ／ｍ２／ｓの範囲とすることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離方法。
【請求項３】
前記吸収材を充填した充填層の厚さを０．５ｍから１．５ｍの範囲に設定することを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離方法。
【請求項４】
前記吸収過程の所要時間を３０分以内とすることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離方法。
【請求項５】
前記吸収過程における前記吸収材の質量変化を、二酸化炭素が吸収されていない状態での前記吸収材の質量に対する質量比で１５％以内とすることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離方法。
【請求項６】
前記再生過程における循環二酸化炭素の空塔速度を０．５ｋｇ／ｍ２／ｓから１．３ｋｇ／ｍ２／ｓの範囲とすることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離方法。
【請求項７】
前記再生過程における循環二酸化炭素の圧力を０．０８ＭＰａ以下とすることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離方法。
【請求項８】
前記再生過程の所要時間を３０分以上とすることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離方法。
【請求項９】
前記再生過程における循環二酸化炭素の入口を前記吸収過程における排気ガスの入口と逆側とし、循環二酸化炭素を前記吸収過程における排気ガス流れ方向と逆方向に前記吸収材に流通させることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素分離方法。
【請求項１０】
二酸化炭素発生源にて生成されたガスに含まれる二酸化炭素を吸収するリチウム複合酸化物製の吸収材を収容する二酸化炭素吸収反応器と、二酸化炭素を吸収した前記吸収材を加熱して二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出部と、この二酸化炭素放出部に加熱媒体を供給する二酸化炭素加熱器と、前記二酸化炭素放出部で二酸化炭素を放出させた前記吸収材を前記二酸化炭素吸収反応器に戻す手段とを備え、前記ガスに含まれる二酸化炭素の除去率が２０％から４０％の範囲となる条件にて運転されることを特徴とする二酸化炭素分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素の固定排出源から二酸化炭素を削減する二酸化炭素分離方法および二酸化炭素分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素は、地球温暖化を引き起こす温室効果ガスの一つとして認知されている。一方、これら温室効果ガスの排出量の削減目標を具体的に数値化した京都議定書の発効を受けて、温室効果ガスの削減技術に対する関心が高まっている。火力発電所は、膨大な二酸化炭素を排出量する固定排出源であり、分離回収のための対策が取りやすいため、例えばアミン吸収法などのガス吸収液技術が確立されている。
【０００３】
その一方、より効率的な二酸化炭素削減技術も模索されており、例えば、高温で使用可能な固体吸収材も研究開発されている。その中でもリチウム複合酸化物は、５００℃〜６００℃で発熱反応を生じながら二酸化炭素を吸収し、７５０℃〜８５０℃で吸熱反応を伴いながら二酸化炭素を放出して再吸収可能な状態に再生復帰する材料特性を持つ。このリチウム複合酸化物の有する性質を用いて、石炭や石油を燃料とする火力発電所の排気ガスから二酸化炭素を分離するシステムが考案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−０７５６８３号公報
【特許文献２】特開２００３−０５４９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
リチウム複合酸化物を用いた二酸化炭素分離システムにおいては、二酸化炭素を吸収する反応器として、数ミリの粒径を持つリチウム複合酸化物のペレットを詰めた充填層が一般的に用いられる。このような構成の二酸化炭素分離システムの性能を実効的に予測するためには、二酸化炭素吸収反応器および二酸化炭素放出部における吸収材の吸放出特性を詳細に把握する必要があるが、これまで反応器における吸収、放出反応の挙動は、示差熱天秤で得られた重量変化やペレットを充填した内径数十ミリの管を電気炉で外部から加熱したラボスケールの試験結果を用いて予測していた。
【０００５】
しかしながら、実際のリチウム複合酸化物の二酸化炭素吸収・放出反応においては、二酸化炭素１モルあたり約７５ｋＪの反応熱が生じ、その熱は、プロセスガスが媒体として輸送する。具体的には、吸収反応時にはボイラ排気ガスが熱輸送媒体として、また放出再生反応時には循環二酸化炭素が熱供給媒体としてそれぞれ熱を授受する。また、吸収・放出反応は、それぞれ上記温度域でのみ生じるが、それぞれの反応の際の充填層固体の温度は、反応熱や上記プロセスガスによる熱輸送によって加熱および冷却されるため、時間とともに大きく変動する。さらに、この熱輸送量は、プロセスガスの流量によって決定されるが、充填層内での圧力損失が大きいため、この分をエネルギーロスとしてブロワ動力を考慮する必要がある。このような物理現象を伴う反応の挙動は、ラボスケールでの実験値より制御することが困難である。
【０００６】
従って、現実的な二酸化炭素分離システムの性能を見積り、精緻な制御を行うためには、上記条件を考慮して反応器の大きさやプロセスガスの空塔速度およびシステムの運転方法を論理的に決定する必要があった。
【０００７】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、エネルギー効率に優れたシステム構成を有するリチウム複合酸化物を利用した二酸化炭素分離方法および二酸化炭素分離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】
【０００８】
本発明の二酸化炭素分離方法は、上述した課題を解決するために、リチウム複合酸化物を吸収材として用い、この吸収材を二酸化炭素発生源である装置に組み込んでガス中の二酸化炭素を吸収させる吸収過程と、再生装置にて前記吸収材に二酸化炭素を放出させる放出過程とを備えた二酸化炭素分離方法において、前記ガスに含まれる二酸化炭素の除去率が２０％から４０％の範囲となるように運転条件を設定することを特徴とする方法である。
【０００９】
また、本発明の二酸化炭素分離システムは、二酸化炭素発生源にて生成されたガスに含まれる二酸化炭素を吸収するリチウム複合酸化物製の吸収材を収容する二酸化炭素吸収反応器と、二酸化炭素を吸収した前記吸収材を加熱して二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出部と、この二酸化炭素放出部に加熱媒体を供給する二酸化炭素加熱器と、前記二酸化炭素放出部で二酸化炭素を放出させた前記吸収材を前記二酸化炭素吸収反応器に戻す手段とを備え、前記ガスに含まれる二酸化炭素の除去率が２０％から４０％の範囲となる条件にて運転されることを特徴とするシステムである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の二酸化炭素分離方法および二酸化炭素分離システムによれば、最適な運転条件を設定することにより、効率よく効果的に二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離方法および二酸化炭素分離システムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る二酸化炭素分離方法および二酸化炭素分離システムの好ましい実施例について、図を参照して以下に詳細に説明する。
【００１２】
図１に、本発明に係る二酸化炭素分離システムを、火力発電プラントに組み込まれるボイラプラントに適用した系統図を示す。
【００１３】
まず、本図を用いて、ボイラプラントおよびそれに組み込まれる本発明の二酸化炭素分離システムの構成および作用について説明する。
【００１４】
火力発電プラントに組み込まれるボイラプラント１０は、燃焼ガス１７の流れに沿って順に、燃焼室１８、放射形の第１過熱器１９、第２過熱器２０、第１再熱器２１、第３過熱器２２、電気集塵器２３、脱硫器２４、第２再熱器２５、節炭器２６を収容するボイラ本体２７と、このボイラ本体２７に順次連接する空気予熱器２８、脱硝器２９、煙突３０とを備える。
【００１５】
燃焼室１８に供給される石炭等の燃料３１と空気予熱器２８を介して供給される空気３２とで燃焼ガス１７を生成し、生成された温度１２００℃程度の燃焼ガス１７の熱で放射形の第１過熱器１９、第２過熱器２０、第１再熱器２１、第３過熱器２２、第２再熱器２５、節炭器２６のそれぞれの内部を通る飽和水または飽和蒸気を加熱および過熱して蒸気（過熱蒸気）等にする。一方、電気集塵器２３によって燃焼ガス１７に含まれる飛灰等の不純物を除去し、さらに脱硫器２４で硫黄酸化物（ＳＯｘ）を除去する。
【００１６】
一方、節炭器２６を出た温度３５０℃〜４００℃の燃焼ガス１７を空気予熱器２８に供給し、空気予熱器２８で燃焼ガス１７を生成する空気３２を予熱させ、空気を予熱させた燃焼ガス１７を脱硝器２９に供給し、ここで窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去した後、煙突３０から温度１２０℃〜１５０℃の排ガスとして大気に放出させる。
【００１７】
このような構成を備えた火力発電プラントに適用するボイラプラントにおいて、本実施例の二酸化炭素分離システムは、ボイラ本体２７における燃焼ガス１７の温度８００℃以上の領域、例えば第２過熱器２０と第１再熱器２１との間に二酸化炭素加熱器３３を設け、燃焼ガス１７の温度３５０℃〜６５０℃程度の領域、例えば電気集塵器２３または脱硫器２４と第２再熱器２５との間に二酸化炭素吸収反応器３４を設けたものである。
【００１８】
吸収材は、リチウム複合酸化物であるリチウムシリケート（Ｌｉ４ＳＯ４）を含む材料であり、これをペレット状に成形して構成する。この吸収材を充填して充填層を構成し、これを移動床にて操作して、二酸化炭素吸収反応器３４および二酸化炭素放出部３６にてそれぞれ吸収・放出反応を作用させる。
【００１９】
二酸化炭素加熱器３３および二酸化炭素吸収反応器３４は、ともにボイラ本体２７と別置きに設置される再生装置３５に接続される。この再生装置３５は、例えば筒状の胴体で構成され、この胴体内に二酸化炭素放出部３６が設けられ、この二酸化炭素放出部３６に、二酸化炭素を吸収した吸収材が二酸化炭素吸収反応器３４から供給されて二酸化炭素を高温条件下で放出させる。また、再生装置３５には、この二酸化炭素放出部３６から放出された二酸化炭素を冷却させる冷却器３７が収容されている。
【００２０】
二酸化炭素吸収反応器３４と再生装置３５の冷却器３７との間には、窒素循環系４１が設けられ、冷却器３８を設けた窒素タンク３９と、搬送用窒素ブロア４０とが設けられる。この窒素循環系４１は、再生装置３５の二酸化炭素放出部３６で二酸化炭素を放出した吸収材を二酸化炭素吸収反応器３４に戻す際、循環中の窒素で吸収材の表面をシールして、他の二酸化炭素を吸収させないようにするとともに、吸収材が二酸化炭素吸収反応器３４に円滑に戻れるように押圧力（移動力）を与える。
【００２１】
一方、再生装置３５に配置される二酸化炭素放出部３６には、第１二酸化炭素循環系４５が設けられ、搬送用二酸化炭素ブロア４２と冷却器４３を設けた二酸化炭素タンク４４が設けられる。この第１二酸化炭素循環系４５は、ボイラ本体２７に設けた二酸化炭素吸収反応器３４で二酸化炭素を吸収した吸収材を再生装置３５の二酸化炭素放出部３６に移動させる際、二酸化炭素タンク４４からの二酸化炭素を吸収材に与え、吸収材が円滑に移動できるようにする。
【００２２】
さらに、再生装置３５は、第２二酸化炭素循環系４７を備える。この第２二酸化炭素循環系４７は、二酸化炭素放出部３６において吸収材から放出させた二酸化炭素を冷却器３７で冷却させ、この二酸化炭素の一部をブロア４６を介してボイラ本体２７の二酸化炭素加熱器３３に供給して加熱させ、高温化させた二酸化炭素を二酸化炭素放出部３６に加熱源として与えるものである。
【００２３】
次に、本実施例に係る二酸化炭素分離システムの作用について説明する。
【００２４】
ボイラ本体２７の燃焼室１８で生成された燃焼ガス１７は、温度８００℃以上で二酸化炭素加熱器３３を加熱させ、再生装置３５からブロア４６を介して供給される加熱用二酸化炭素を温度７５０℃〜８５０℃に高温化させ、高温化させた加熱用二酸化炭素を第２二酸化炭素循環系４７を介して再生装置３５の二酸化炭素放出部３６に加熱源として与えて加熱させ、この加熱に伴って、二酸化炭素吸収反応器３４において吸収材で吸収された二酸化炭素を放出させる。
【００２５】
一方、二酸化炭素加熱器３３を出た燃焼ガス１７は、電気集塵器２３で飛灰等の不純物が除去され、脱硫器２４で硫黄酸化物（ＳＯｘ）が除去された後、二酸化炭素吸収反応器３４に温度３５０℃〜５００℃の範囲で供給される。ここで吸収材に二酸化炭素が吸収される。
【００２６】
二酸化炭素を吸収した吸収材は、第１二酸化炭素循環系４５における搬送用二酸化炭素ブロア４２からの二酸化炭素による推進力により再生装置３５の二酸化炭素放出部３６に移動して供給される。ここで第２二酸化炭素循環系４７から温度８００度以上の高温化された二酸化炭素が加熱源として与えられ、吸収材に吸収されていた二酸化炭素を放出させる。
【００２７】
二酸化炭素放出部３６で吸収材から放出された再生用の二酸化炭素は、窒素循環系４１における冷却器３８で冷却され、窒素タンク３９から搬送用窒素ブロア４０を介して供給される窒素を冷媒源とする冷却器３７にて冷却される。
【００２８】
また、冷却器３７で冷却された再生用の二酸化炭素が過剰な場合、ブロア５２で調整して他の機器に供給される。残りの再生用の二酸化炭素は、常に一定量に維持されてボイラ本体２７に収容される二酸化炭素加熱器３３に供給される。
【００２９】
また、冷却器３７で冷媒として使用された窒素は、窒素循環系４１を介して二酸化炭素吸収反応器３４に循環中、二酸化炭素放出部３６で二酸化炭素を放出して二酸化炭素吸収反応器３４に戻る吸収材の表面をシールするとともに、吸収材の移動促進力として利用される。
【００３０】
この二酸化炭素分離システムは、ボイラ本体２７の高温部に二酸化炭素加熱器３３を収容し、ボイラ本体２７の比較的低温部に二酸化炭素吸収反応器３４を収容し、二酸化炭素加熱器３３および二酸化炭素吸収反応器３４のそれぞれを、ボイラ本体２７と別置きに設置した再生装置３５に第２二酸化炭素循環系４７、第１二酸化炭素循環系４５、窒素循環系４１のそれぞれを介して接続させ、二酸化炭素吸収反応器３４においてもリチウムシリケート（Ｌｉ４ＳｉＯ４）を粒子に含ませたペレットに構成した吸収材で燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素を吸収させた吸収材を再生装置３５の二酸化炭素放出部３６で二酸化炭素加熱器３３からの二酸化炭素を加熱源として加熱させ、その際に吸収していた二酸化炭素を放出させ、二酸化炭素を放出した吸収材を再び二酸化炭素吸収反応器３４に戻して二酸化炭素を吸収させる構成としたので、二酸化炭素を無駄なく、より多量に処理して回収することができる。
【００３１】
（実施例１）
上記構成を有する二酸化炭素分離システムの実施例として、５００ＭＷ、発電効率４０％の微粉炭焚き火力発電プラントを想定し、吸収材としてリチウム複合酸化物の一種であるリチウムシリケートを用いて排気ガス中の二酸化炭素を分離回収するシステムの物質収支を計算した結果、排気ガスの流量は４６０ｋｇ／ｓ、排ガス中の二酸化炭素濃度は１１％となった。これより、処理すべき二酸化炭素流量は、７７ｋｇ／ｓと計算された。
【００３２】
リチウムシリケートの最大の二酸化炭素吸収能力は、吸収していない初期の自重に対して３５％である。二酸化炭素の吸収反応における反応速度は、温度、二酸化炭素分圧、吸収した二酸化炭素量、すなわち吸収材重量変化の３つのパラメータによって影響を受けるが、二酸化炭素の吸収量が増えると吸収の反応速度が低下する。また、二酸化炭素濃度の低下と共に反応速度もほぼ直線的に低下する。
【００３３】
図２に二酸化炭素吸収反応器における吸収材の挙動の模式図を示す。この図２は、図１の二酸化炭素吸収反応器３４において、排気ガスが吸収材を流通する様子を模式化したものである。
【００３４】
再生過程を終了した吸収材は、８５０℃で均一な温度になっていると仮定する。この吸収材が移動床によって排気ガスダクト内に運ばれて吸収過程が開始される。この吸収過程において吸収材は、排気ガスによって冷却され、吸収過程に最適な温度域（５００℃〜６００℃）に保持されて、発熱反応である二酸化炭素吸収反応を生じる。吸収材は、最終的に排気ガス温度の４００℃近くまで固体温度が下げられ、再生過程へ送られる。
【００３５】
排気ガス入口の二酸化炭素濃度は、上記計算のとおり約１１％であるが、二酸化炭素は吸収材内に逐次吸収されるため、排気ガス中の二酸化炭素濃度が次第に低下する。一方、吸収材にも二酸化炭素が蓄積されることにより、吸収の反応速度が小さくなる。ここで、吸収材の吸収率を、材料特性の上限である最大３５％に対して３０％に設定し、システムの二酸化炭素除去率も３０％として吸収材の必要量を算出した。この結果、必要な吸収材の量は７７ｋｇ／ｓと算出された。
【００３６】
図３に、吸収材の局所に着目して、吸収過程における経過時間に対する二酸化炭素除去率の変化を示したグラフを示す。
【００３７】
本発明者らの実施によれば、二酸化炭素の除去率は、図３のような傾向を示し、時間とともに変化する。すなわち図３に示すように、二酸化炭素除去率が２０％から４０％となる運転条件で吸収材を使用すれば、３０％平均の二酸化炭素除去率を達成でき、十分な二酸化炭素除去性能を維持できることが明確である。
【００３８】
また、吸収過程において３０分以上経過した場合、吸収材の温度が吸収反応に適した温度域よりも低下する。そのため、除去率が２０％以下に低下して二酸化炭素回収効率が低下する。これより、二酸化炭素分離システムにおける運転条件は、二酸化炭素の除去率が２０％から４０％となるように設定すべきとの知見が得られた。また、二酸化炭素分離システムにおける吸収過程の所要時間を３０分以内に設定した。
【００３９】
次に、二酸化炭素吸収反応器３４における圧力損失の許容値を見積る。二酸化炭素吸収反応器３４は、ボイラ本体２７に組み込む形状であるので、排気ガスの圧力損失を評価する必要がある。二酸化炭素吸収反応器３４における圧力損失は、ボイラの燃焼ガスを押し込むブロワの動力を増加させる。圧力が１０ｋＰａのブロワをカスケード接続して大気圧の空気を昇圧するために必要な動力とその結果排出される増分の二酸化炭素量をステージごとに計算すると、動力増を２％以内に抑えるには、圧力損失が３０ｋＰａを超えないようにすることが指標として得られた。
【００４０】
次に、二酸化炭素吸収反応器３４の大きさを設計する。吸収材であるリチウムシリケートの単位体積あたりの吸収能力は、粒形状を直径５ｍｍの球形ペレットとした場合、試験結果により０．０５ｋｇ−二酸化炭素／ｍ３／ｓと計算され、必要な二酸化炭素吸収反応器３４の体積は４４０ｍ３と算定される。ここで二酸化炭素吸収反応器３４の形状を直方体と考えると、反応器体積は、排気ガス流路の断面積と充填層厚さの積で表される。また充填層における圧力損失は、近寄り流速と充填層厚さで決定される。
【００４１】
図４に吸収過程における充填層（吸収材）厚さに対する圧力損失と断面積との関係を示す。本実施例の二酸化炭素分離システムを既存のボイラに適用する場合、著しい拡大縮小を伴う流路は現実的でなく、９００ｍ２程度が断面積の上限と考えられ、この場合の吸収材を充填した充填層の厚さは、０．５ｍとなる。また、上記の考察を考慮して圧力損失が３０ｋＰａを超えないように設定するならば、充填層の厚さは、１．５ｍとなる。これらの考察より、二酸化炭素分離システムの吸収材を充填する充填層の厚さの範囲を０．５ｍから１．５ｍと設定した。
【００４２】
次に、空塔速度について考察する。プラントの発電効率は４０％前後であり、空気比もほぼ一定であることから、発電容量が増減した場合は、排気ガス流量に対してほぼ直線的に増減するとしてよい。従って、必要な二酸化炭素吸収反応器体積も直線的に増減するので、断面質量流束、すなわち空塔速度と厚さはほとんど変化しない。また、断面は正方形である必要はなく、同一の空塔速度であればいかなる形状でもよい。厚さが０．５ｍから１．５ｍに対応する空塔速度は、図４により求められ、０．５２ｋｇ／ｍ２／ｓから１．５６ｋｇ／ｍ２／ｓである。従って、二酸化炭素分離システムの吸収過程における空塔速度を０．５ｋｇ／ｍ２／ｓから１．６ｋｇ／ｍ２／ｓの範囲に設定した。
【００４３】
次に、二酸化炭素吸収反応器３４の実際の挙動を予測する。吸収過程は、放出過程の終了した直後の物理状態、すなわち吸収材固体温度、吸収材の密度分布などの履歴を引き継いで開始される。
【００４４】
ここで、吸収材固体温度分布および密度分布がそれぞれ８５０℃および初期状態６００ｋｇ／ｍ３で均一であると仮定し、排気ガス温度は、節炭器２６出口温度と同等であるとして４００℃程度を選択する。
【００４５】
本発明者らは、これらの初期条件、入口境界条件の下、二酸化炭素吸収反応器３４の一部を切り出したモデルを用いて一次元の数値解析を行い、二酸化炭素吸収反応器３４内の諸物理量の経時変化を予測した。なお、解析においては、プロセスガスと固体充填層の温度がそれぞれ異なる非均質系を扱い、強制対流支配の伝熱メカニズムに対して固体とガスの輻射を含む熱伝達、固体−固体および気体−気体同士の熱拡散や反応熱も考慮した。
【００４６】
一方、無次元化した充填層厚さに対する吸収材密度の分布を調査した。図５に吸収材密度分布を示す。この結果、吸収材を排気ガスに長時間接触させても、排気ガス入口部から順次吸収材が冷却されるだけで二酸化炭素の吸収量は変化せず、吸収材の重量変化は１５％を超えることはないことが明らかとなった。
【００４７】
以上、本実施例の考察により、吸収材を充填した充填層の厚さは、０．５ｍから１．５ｍの範囲とし、吸収過程における吸収材の質量変化は、吸収材の初期重量に対して１５％以内で用いることが妥当であるとの知見が得られた。一方、吸収過程の条件としては、空塔速度は０．５ｋｇ／ｍ２／ｓから１．６ｋｇ／ｍ２／ｓの範囲とし、実質吸収時間を３０分以内とすることが妥当であるとの知見を得た。また、二酸化炭素除去率は３０％と見積もって二酸化炭素吸収反応器を設計し、運転条件を決定すべきであるとの知見も得られた。
【００４８】
以上説明のように、本実施例の二酸化炭素分離システムによれば、リチウム複合酸化物を用いた二酸化炭素分離システムの効率的な吸収過程を実現可能な設計条件および操作条件を提供することができる。
【００４９】
（実施例２）
次に、実施例２の二酸化炭素分離システムについて説明する。本実施例において、実施例１と同等の構成については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００５０】
図６に、二酸化炭素循環圧力に対する二酸化炭素放出（再生）反応の反応速度を示す。再生過程においても、実施例１で取り扱った吸収過程と同様に、温度、二酸化炭素分圧、吸収した二酸化炭素量、すなわち吸収材重量変化の３つのパラメータによって影響を受ける。図６に示すように、圧力が低いと温度が低くても放出反応速度が確保されるが、高圧になるほど温度によらず反応速度が低下し、特に０．０８ＭＰａ付近でその傾向が大きく変化する傾向が明らかであった。よって、二酸化炭素分離システムの再生過程における二酸化炭素循環圧力を０．０８ＭＰａ以下に設定した。
【００５１】
図７に再生過程の二酸化炭素放出部３６における吸収材の模式図を示す。この図７は、図１の二酸化炭素放出部３６において、循環二酸化炭素が吸収材を流通する様子を模式化したものである。
【００５２】
吸収過程を終了した吸収材は、４００℃付近の温度分布と密度分布を持って、移動床によって再生プロセスガスである二酸化炭素循環系の流路内に運ばれて再生過程が再開される。ここで、約８５０℃の再生用の循環二酸化炭素によって加熱されながら再生過程に最適な温度域を通過することにより吸熱反応である二酸化炭素放出反応すなわち吸収材の再生反応を生じる。吸収材は、最終的に循環二酸化炭素温度の約８５０℃近くまで固体温度を上げて再び吸収過程へ送られる。
【００５３】
次に循環二酸化炭素の空塔速度を計算する。循環二酸化炭素は、５５０℃、７７ｋｇ／ｓの吸収材を７５０℃まで加熱すると共に、初期自重の３０％を吸収した二酸化炭素を完全に放出させる反応熱を与えるために必要な流量と、０．０８ＭＰａにおける圧力損失とを考慮して、まず上限空塔速度１．３ｋｇ／ｍ２／ｓが求められる。
【００５４】
次に本発明者らは、吸収過程の終了した吸収材固体温度分布と密度（重量変化）分布を初期状態として実施例１と同様に１次元で二酸化炭素吸収部での吸収材の挙動の経時変化を解析した。図８に空塔速度と再生にかかる時間との関係を示す。実施例１に示すように吸収時間の上限は３０分であり、再生装置が３塔による切り替え運転であるとすると、吸収材の再生時間は長くとも２倍の６０分が限界となる。このときの空塔速度は、図８により０．５ｋｇ／ｍ２／ｓと求められる。従って、循環二酸化炭素の空塔速度を０．５ｋｇ／ｍ２／ｓから１．３ｋｇ／ｍ２／ｓと設定した。
【００５５】
また、再生過程における吸収材の再生時間の最短時間は３０分であり、これより再生時間を短くすると、再生されない吸収材が多く残ることになる。よって、二酸化炭素分離システムの再生時間を３０分以上と設定した。
【００５６】
吸収過程の終了時点における吸収材の温度は、吸収に最適な温度域よりも低い温度分布となっているが、吸収材が加熱される際に再度この最適温度域を通過することになる。このとき、循環二酸化炭素は、ほぼ二酸化炭素１００％であり、また吸収材の吸収能力にまだ十分余裕があるため、循環二酸化炭素を吸収してしまう。このため、吸収材の一部の範囲において密度が増加した。吸収材の再生時間を短縮するためには、この密度増加を抑えることが効果的である。
【００５７】
そこで、本発明者らは、再生過程において吸収材に流入する再生用の循環二酸化炭素を、吸収過程における排気ガス流入方向と逆向きに流通させることを試みた。循環二酸化炭素を順方向と逆方向とに流通させた場合の吸収材全体の二酸化炭素蓄積量の時刻変化を検討した。図９に検討結果を示す。本図に示すように、未放出二酸化炭素残量は、順方向すなわち吸収過程における排気ガスの流れ方向と同一方向に循環二酸化炭素を流通させた場合よりも、逆方向に循環二酸化炭素流通させた場合において確実に少なくなっている傾向が明らかとなった。
【００５８】
以上、本実施例の考察により、再生過程の条件として、空塔速度は０．５ｋｇ／ｍ２／ｓから１．３ｋｇ／ｍ２／ｓが妥当であると判断された。また、吸収材の再生過程において実質再生時間を３０分以上とする必要があることが明らかとなった。また、循環二酸化炭素の圧力は、０．０８ＭＰａ以下として再生時間を短縮することが好ましいとの知見を得た。さらに、二酸化炭素を再生過程における循環二酸化炭素の入口を吸収過程の排気ガス入口と逆側として、二酸化炭素を逆方向に循環させることによって吸収材の再生時間を効果的に短縮できるとの知見も得た。
【００５９】
以上説明のように、本実施例の二酸化炭素分離システムによれば、リチウム複合酸化物を用いた二酸化炭素分離システムの効率的な再生過程を実現可能な設計条件および操作条件を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の二酸化炭素分離システムをボイラプラントに組み入れた構成図。
【図２】吸収過程における吸収材の模式図。
【図３】二酸化炭素除去率の時間変化を示す図。
【図４】吸収過程における吸収材の充填層厚さに対する圧力損失と断面積との関係を示す図。
【図５】充填層厚さに対する吸収材密度分布を示す図。
【図６】二酸化炭素循環圧力と再生の反応速度の関係を示す図。
【図７】再生過程における吸収材の模式図。
【図８】再生過程における空塔速度と再生時間および圧力損失の関係を示す図。
【図９】排気ガス流通方向と同一方向に二酸化炭素を流通させた場合と、逆方向に二酸化炭素を流通させた場合との吸収材での二酸化炭素蓄積量の時間変化を比較する図。
【符号の説明】
【００６１】
１０  ボイラプラント
１７  燃焼ガス
１８  燃焼室
１９  第１過熱器
２０  第２過熱器
２１  第１再熱器
２２  第３過熱器
２３  電気集塵器
２４  脱硫器
２５  第２再熱器
２６  節炭器
２７  ボイラ本体
２８  空気予熱器
２９  脱硝器
３０  煙突
３１  燃料
３２  空気
３３  二酸化炭素加熱器
３４  二酸化炭素吸収反応器
３５  再生装置
３６  二酸化炭素放出部
３７，３８  冷却器
３９  窒素タンク
４０  搬送用窒素ブロア
４１  窒素循環系
４２  搬送用二酸化炭素ブロア
４３  冷却器
４４  二酸化炭素タンク
４５  第１二酸化炭素循環系
４６  ブロア
４７  第２二酸化炭素循環系
４８  流路
４９  ロータ
５０  ベルトコンベア
５１  筒体
５２  ブロア
【図１】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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