(57)【要約】【課題】工業プロセスの排出ガスからＣＯ２ガスを気体の状態で効率的に分離することができる炭酸ガス分離方法及びシステムを提供する。【解決手段】炭酸水素塩又は炭酸塩を構成する金属イオンを含有した吸収液を中空糸膜５に含浸させ、この中空糸膜５の内部に炭酸ガスを含む供給ガスを供給して中空糸膜５の周囲を減圧し、供給ガス中の炭酸ガスを中空糸膜５の細孔に取り込んで膜モジュール２内の中空糸膜５の周囲空間に放出させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸水素塩又は炭酸塩を構成する金属イオンを含有した吸収液を多孔質物質に含浸させ、
前記多孔質物質の一方側に炭酸ガスを含む供給ガスを供給して前記多孔質物質の他方側を減圧し、
前記供給ガス中の炭酸ガスを前記多孔質物質の細孔に取り込んで前記多孔質物質の他方側の空間に放出させる
ことを特徴とする炭酸ガス分離方法。
【請求項２】
請求項１の炭酸ガス分離方法において、前記吸収液が無機アルカリ溶液であることを特徴とする炭酸ガス分離方法。
【請求項３】
請求項２の炭酸ガス分離方法において、前記吸収液は、前記炭酸水素塩又は炭酸塩として、水酸化カリウム、炭酸水素カリウム、炭酸カリウムの少なくとも１種を含むことを特徴とする炭酸ガス分離方法。
【請求項４】
請求３の炭酸ガス分離方法において、前記吸収液中のカリウム濃度が、炭酸水素カリウム飽和溶液中のカリウム濃度以下であることを特徴とする炭酸ガス分離方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載された吸収液を孔に含浸させた多孔質物質と、
前記多孔質物質の一方側に前記供給ガスを供給するガス供給手段と、
前記多孔質物質の他方側を減圧する減圧手段と
を備えたことを特徴とする炭酸ガス分離システム。
【請求項６】
請求項５の炭酸ガス分離システムにおいて、前記多孔質物質を透過した炭酸ガスと減圧に伴って蒸発した水分とを気液分離する気液分離手段を有することを特徴とする炭酸ガス分離システム。
【請求項７】
請求項６の炭酸ガス分離システムにおいて、
前記気液分離手段で分離された液体を搬送する第一の液体搬送手段と、
前記第一の液体搬送手段により搬送された液体をさらに気液分離する第二の気液分離手段と、
前記第二の気液分離手段で分離された液体を前記多孔質物質に供給する第二の液体搬送手段と
を備えたことを特徴とする炭酸ガス分離システム。
【請求項８】
請求項７の炭酸ガス分離システムにおいて、第二の気液分離手段に導かれた液体を前記供給ガスとの熱交換によって加熱する熱交換器を有することを特徴とする炭酸ガス分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電所や製鉄所等の様々な工業プロセスの排出ガスから炭酸ガス（ＣＯ２ガス）を分離する方法とシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所の排ガスは炭化水素化合物を主成分とした化石燃料が燃焼したものであり、ＣＯ２ガスを含んでいる。それに対し、近年、大気中のＣＯ２ガスの温室効果による地球温暖化への懸念から大気中のＣＯ２ガス濃度の増加を抑制することの重要性が叫ばれ、様々な工業プロセスの排出ガスからＣＯ２ガスを分離し、ＣＯ２ガスの大気中への放出を抑制する方法を安価に実現させることが求められている。工業的に実用化されている代表的なＣＯ２ガスの分離方法として、熱炭酸カリウム法やアミン化合物を利用した化学吸収法が知られている。
【０００３】
熱炭酸カリウム法では、重量濃度２０〜３０％の炭酸カリウム溶液を吸収液として用い、比較的低温（６０〜１１０℃）・高圧（約０．５ＭＰａ）の吸収塔でＣＯ２ガスを含む供給ガスを吸収液とを接触させてＣＯ２ガスを吸収液に吸収し、次いで吸収液を比較的高温（１００〜１２０℃）・低圧（常圧以下）の再生塔に送って加熱・減圧することで、ＣＯ２を吸収液から回収する（例えば特許文献１参照）。この種の方法では各種の反応促進剤や腐食防止剤を添加する方法も実用化されているが、いずれも単位吸収液当たりのＣＯ２吸収量は２０〜３５Ｎｍ３／ｍ３、供給ガスに残留するＣＯ２濃度は０．０５〜０．２％、ＣＯ２の回収に必要な熱量は１．９〜２．８ＧＪ／ｔｏｎ−ＣＯ２程度である。
【０００４】
一方、アミン化合物を利用した化学吸収法では、アミン化合物の溶解液を吸収液として用い、熱炭酸カリウム法と同じく、比較的低温・高圧の吸収塔でＣＯ２ガスを含む供給ガスと吸収液とを接触させてＣＯ２を吸収液に吸収させ、その吸収液を比較的高温・低圧の再生塔へ送って吸収液を加熱・減圧することでＣＯ２を吸収液から回収する。使用するアミン化合物の種類によって異なるが、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）の例を記すと、単位吸収液当たりのＣＯ２吸収量は１６〜２２Ｎｍ３／ｍ３、供給ガスに残留するＣＯ２濃度は５〜１００ｐｐｍ、ＣＯ２の回収に必要な熱量は４．３〜６．４ＧＪ／ｔｏｎ−ＣＯ２程度である。
【０００５】
しかしながら、工業プロセスの排出ガスからのＣＯ２ガスの分離に適用する場合を考えると、例えば石炭火力発電所の場合、出力１ＭＷ当たりの排ガス発生量は約３×１０３Ｎｍ３／ｈ、排ガス中のＣＯ２濃度は１０数％である。出力１０００ＭＷの発電所を考えると、排ガス発生量は約３×１０６Ｎｍ３／ｈなのでＣＯ２濃度１０％としてもＣＯ２発生量は約６００ｔｏｎ／ｈとなり、上述の熱炭酸カリウム法におけるＣＯ２回収に必要な熱量は約３００ＭＷ、すなわち発電所出力の３０％に相当する熱量となる。これは発電所出力の大幅な低下に繋がり、電力単価を上昇させる。
【０００６】
そこで、ＣＯ２回収に必要な熱量の少ないアミン化合物の探索やＣＯ２回収に要する熱量又は電力の少なく化学吸収法とは原理の異なるＣＯ２ガス分離方法の開発が進められている。化学吸収法と原理の異なるＣＯ２ガス分離方法の一つに多孔質膜を用いた膜分離法がある。膜分離法は孔の大きさによって決まる分子ふるい効果や拡散速度の違いをＣＯ２分離に利用し、膜の一方の側に供給ガスを流してＣＯ２を膜の他方の側に透過させて回収する。このため、ＣＯ２回収用の熱量が不要となるので、基本的にはガスの流通に必要な動力のみでＣＯ２分離システムを作動させることができ、化学吸収法に比べて安価なＣＯ２分離方法として期待されている。
【０００７】
膜分離法を工業プロセスの排出ガスからのＣＯ２ガス分離に適用する場合、ＣＯ２ガス分離のコストは、単位時間・単位膜表面積当たりに膜を透過するＣＯ２の量（透過速度）に左右される。透過速度が大きいほど必要な膜表面積は小さくて済み、設備の設置容積や設備の建設費を抑えることができる。また、膜を透過したガスのＣＯ２濃度の要求値は回収したＣＯ２の利用目的によって異なる。例えば回収したＣＯ２を工業利用する場合には、ＣＯ２の工業利用のための精製が不要、若しくは容易となるように高いＣＯ２濃度が望まれる。それに対し、回収したＣＯ２を単に大気から隔離するために地中や海洋に貯蔵したり石油や天然ガスの増進回収のために油田やガス田に注入したりする場合には、工業利用する場合のような高いＣＯ２濃度は求められない。
【０００８】
ＣＯ２の透過速度を高める方法として、吸収液を湿潤させた多孔質膜（促進輸送膜）を用いた膜分離法があり、吸収液として炭酸カリウム溶液やアミン化合物の溶解液を利用することが知られている（例えば特許文献２参照)。促進輸送膜の内部では、吸収液に吸収されたＣＯ２が溶液の輸送とともに膜を透過するため、ＣＯ２の透過速度が高まる。
【０００９】
【特許文献１】特開昭５８−２０１８９１号公報
【特許文献２】特開２０００−２２９２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
膜分離法におけるＣＯ２の透過速度は、同じ膜を用いた場合を考えると、膜の一方側（供給ガスの供給側）と他方側（ＣＯ２ガスが透過した側）の圧力差に比例する。例えば、石炭火力発電所の排ガスの圧力は常圧なので、膜のＣＯ２の透過側を真空ポンプ等で減圧してＣＯ２を回収することができるが、ＣＯ２ガスの透過側の真空度が高いほど（圧力が低いほど）膜の両側の圧力差が大きくなるので、ＣＯ２の透過速度を大きくすることができる。
【００１１】
しかし、アミン化合物の溶解液を利用した促進輸送膜を用いた膜分離法の場合、アミン化合物は有機化合物なので、水分の蒸発に伴ってアミン化合物の一部も蒸発する恐れがある。アミン化合物には配管等を腐食する作用があるので、蒸発したアミン化合物と水蒸気が配管内面に凝縮すると配管が腐食する。さらに、アミン化合物の濃度が低下しないようにアミン化合物の溶解液を膜に供給する必要がある。
【００１２】
また、吸収液として炭酸カリウム溶液を利用した場合には水分の蒸発に伴って減圧側の膜表面が冷却されるので、温度が低いほど炭酸塩の溶解度は低いことから、濃度の高い炭酸カリウム溶液を用いると膜表面に炭酸塩が析出し、ＣＯ２の分離を阻害する恐れがある。
【００１３】
さらに、膜のＣＯ２透過側の真空度を高くすると水分が蒸発するだけでなく、膜から吸収液が滲み出す恐れがある。滲み出した吸収液にはＣＯ２が含まれているため、吸収液からＣＯ２を回収しなければ、膜のＣＯ２透過側を幾ら減圧しても実質的なＣＯ２の透過速度向上には繋がらない恐れがある。
【００１４】
本発明は以上に鑑みなされたもので、工業プロセスの排出ガスからＣＯ２ガスを気体の状態で効率的に分離することができる炭酸ガス分離方法及び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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、炭酸ガスを吸収し易く減圧下でも蒸発し難い成分を含有した吸収液を多孔質物質に含浸させ、この多孔質物質の一方側に炭酸ガスを含む供給ガスを供給して他方側を減圧する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、工業プロセスの排出ガスからＣＯ２ガスを気体の状態で効率的に分離することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
本実施の形態の炭酸ガス分離方法及びシステムは、ＣＯ２ガスを吸収し易く減圧下で蒸発し難い成分を含有した吸収液を含浸させた多孔質物質を用い、当該多孔質物質の一方側にＣＯ２ガスを含む供給ガスを供給し、多孔質物質の他方側を減圧することで供給ガスからＣＯ２ガスを分離するものである。吸収液には、炭酸水素塩又は炭酸塩を構成するアルカリ金属イオンを含んだ無機アルカリ溶液を用いることができる。この場合、アルカリ金属には各種のものを用いることができるが、多孔質物質の細孔内での流動性を考慮すると原子の小さなカリウムが適しており、炭酸水素塩又は炭酸塩として、ＣＯ２ガス吸収量が大きくＣＯ２を回収し易い水酸化カリウム、炭酸水素カリウム、炭酸カリウムの少なくとも１つを含んでいることが望ましい。この場合、吸収液中のカリウム濃度を炭酸水素カリウム飽和溶液中のカリウム濃度以下とすることで、炭酸水素塩又は炭酸塩の析出を効果的に抑えることができる。
【００１９】
また、必要に応じて、多孔質物質から滲出又は蒸発した吸収液は、気液分離してＣＯ２ガスを回収した後、供給ガスに混合して多孔質物質に供給することができる。多孔質物質から滲出又は蒸発した吸収液からＣＯ２ガスを回収する際に吸収液を加熱する必要がある場合、供給ガスとの熱交換によって吸収液を加熱することができる。
【００２０】
多孔質物質に吸収液を含浸させるには、多孔質物質の一方側に吸収液を供給して他方側を減圧することで、多孔質物質の細孔を吸収液で満たすことができる。例えば多孔質膜で形成された管（ここでは中空糸膜を例示する）を多孔質物質に用いる場合、まず中空糸膜の中空部分に吸収液を通して膜の一方側（この場合内壁側）を吸収液で満たし、多孔質物質を介した他方側（中空糸膜の外壁側）を真空ポンプで減圧して多孔質膜の細孔内に吸収液を引き込む。この中空糸膜を用いて供給ガスからＣＯ２ガスを分離するには、中空糸膜の中空部に供給ガスを通して中空糸膜の周囲を減圧することで、供給ガス中のＣＯ２ガスを多孔質膜の外側に透過させる。多孔質膜を透過したＣＯ２ガスは、必要に応じて気液分離槽を通して余分な水分と分離して回収する。また、多孔質膜の外部に吸収液が滲み出す場合、滲出した吸収液を液体ポンプで移送し気液分離槽から第二の気液分離槽へ送り、第二の気液分離槽を加熱して吸収液からＣＯ２ガスを回収する構成を追加することもできる。
【００２１】
この炭酸ガス分離方法によれば、アミン化合物の溶解液を吸収液に用いる場合に比べ、吸収液が低圧下でも蒸発し難く、多孔質物質のＣＯ２ガス透過側の真空度を高くする（低圧にする）ことができる。すなわち、多孔質物質の供給ガス供給側とＣＯ２ガス透過側の圧力差を大きくすることができるので、多孔質物質のＣＯ２ガスの透過速度を大きくすることができる。また、多孔質物質を介して供給ガスからＣＯ２ガスが気体の状態で分離されるので、再生塔に送って大きなエネルギーを費やして吸収液からＣＯ２ガスを気液分離する必要がない。よって、工業プロセスの排出ガスからＣＯ２ガスを気体の状態で効率的に分離することができる。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明の実施例１に係る炭酸ガス分離システムの概略図である。
【００２３】
図１に示した炭酸ガス分離システムは、火力発電所や製鉄所等の工業プロセスからの排ガスを供給ガスとして送る送風機（ガス供給手段）１と、送風機１から送られる供給ガスからＣＯ２ガスを分離する膜モジュール２と、膜モジュール２の内部空間を減圧する真空ポンプ（減圧手段）３と、膜モジュール２でＣＯ２ガスと分離された供給ガスを大気に放出する排煙塔４とを備えている。
【００２４】
図１に例示した炭酸ガス分離システムでは、まず送風機１によって排ガスが膜モジュール２へ送り込まれる。膜モジュール２の内部は真空ポンプ３により膜（後述する中空糸膜５）の片側が減圧されており、排ガス中のＣＯ２ガスの一部が減圧された側に分離され、回収タンク（図示せず）等に適宜回収される。回収タンクに回収したＣＯ２は、例えば圧縮と冷却を行って液化ＣＯ２として回収することもできる。減圧側の配管（膜モジュール２と真空ポンプ３とを繋ぐ配管）に圧力計２１、ＣＯ２濃度計２２、流量計２３等を取り付け、分離したＣＯ２ガスを含むガスの真空度、ＣＯ２の量、ＣＯ２濃度をモニターし、これらの値が予め定めた設定値に近付くように、送風機１や真空ポンプ３の動作を制御する構成とすることもできる。一方、膜モジュール２を通過した排ガスは排煙塔４に送られて大気中に放出される。排気ガス側の配管（膜モジュール２と排煙塔４とを繋ぐ配管）にＣＯ２濃度計２４や流量計２５等を取り付け、排ガス中のＣＯ２の量や濃度を計測して排ガスのＣＯ２の含有量を評価できるようにすることもできる。
【００２５】
図２は膜モジュール２の内部構成を模式的に示した図である。
【００２６】
図２に示した膜モジュール２は、気密性の確保された容器３０と、容器３０内に這い回した中空糸膜５とを備えている。中空糸膜５は吸収液を細孔に含浸させた多孔質物質である。中空糸膜５の両端は容器３０の外部に露出しており、一端が送風機１からの配管に、他端が排煙塔４への配管に接続している。よって、送風機１を作動させることによって、供給ガスが中空糸膜５の中空部を流通し、排煙塔４に導かれる。図２では模式的に１本の中空糸膜５を描いたが、複数の中空糸膜５を膜モジュール２の内部に収めることもでき、この場合には、送風機１からの排ガスを複数に分流させ、それぞれを各中空糸膜５の一端に流入させる。複数の中空糸膜５の他端側は排煙塔４への配管に合流させる。容器３０は配管を介して真空ポンプ３に接続しており、真空ポンプ３を作動させることによって容器３０の内部空間（中空糸膜５の周囲）が減圧され、中空糸膜５の周囲のガスが回収タンク（図示せず）に送られる。容器３０内が減圧されることにより、中空糸膜５（多孔質物質）の内周側（一方側）に対して外周側（他方側）の圧力が低くなり、圧力差が生じる。
【００２７】
特に図示していないが、吸収液を中空糸膜５に含浸させる場合、排ガスからのＣＯ２ガス分離を始める前に、予め吸収液を中空糸膜５の内部に注入する。その際、中空糸膜５の外部を真空ポンプ３により減圧すると、吸収液は多孔質物質の間隙に自発的に浸入し、中空糸膜５を吸収液で湿潤させることができる。
【００２８】
次に中空糸膜５によるＣＯ２ガスの分離動作を説明する。
【００２９】
図３は中空糸膜５の一部分を切断して表した模式図である。
【００３０】
中空糸膜５は円筒形状をしており、内部を排ガスが通過する。図３の実線矢印はＣＯ２以外の排ガスを表し、点線矢印はＣＯ２ガスを表す。中空糸膜５の材質は多孔質物質であり、その細孔は吸収液で湿潤させている。本実施例では、吸収液として炭酸カリウム溶液を用いている。炭酸カリウム溶液中では、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）はＫ＋イオンとＣＯ３２−イオンに解離しており、中空糸膜５の内表面で供給ガス中のＣＯ２が吸収液中のＣＯ３２−イオンと反応し、ＣＯ２が吸収液中に取り込まれてＨＣＯ３−イオンが生成される。即ち、次の（式１）に示した化学反応が左辺から右辺に進行する。
【００３１】
【数１】
2009297655.tif 000003
【００３２】
上記反応により供給液中に生じたＨＣＯ３−イオンは吸収液中を拡散する。このとき、中空糸膜５の周囲空間が減圧されて中空糸膜５の外表面のＣＯ２ガス分圧が低くなっているので、ＨＣＯ３−イオンは中空糸膜５の外表面に到達すると分解され、これによりＣＯ２ガスが膜モジュール２内の中空糸膜５の周囲空間に放出される。即ち、（式１）に示した化学反応が右辺から左辺に進行する。
【００３３】
吸収液は炭酸カリウム溶液に限定される訳ではなく、炭酸水素カリウム溶液を用いることもできる。この場合には、最初に中空糸膜５の外表面でＨＣＯ３−イオンが分解してＣＯ２ガスが放出され、その際に生成されたＣＯ３２−イオンが中空糸膜５の内表面に至り、排ガス中のＣＯ２ガスが吸収される。炭酸カリウム溶液と炭酸水素カリウム溶液のどちらを用いても定常状態時の吸収液中のＣＯ３２−イオンとＨＣＯ３−イオンの濃度は、排ガスの温度と圧力、排ガス中のＣＯ２ガス濃度、中空糸膜５の外側の真空度、及び吸収液のＫ＋イオン濃度から熱力学的に自律的に定まる。
【００３４】
また、水酸化カリウム溶液を吸収液に用いることもできる。この場合には、次の（式２）に示した化学反応が中空糸膜５の内表面で生じ、以降は炭酸カリウム溶液の場合と同様の化学反応が生じてＣＯ２ガスが中空糸膜５の外表面から放出される。
【００３５】
【数２】
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【００３６】
炭酸カリウム溶液、炭酸水素カリウム溶液、水酸化カリウム溶液は、いずれも単独で吸収液として用いることができるし、他の１種又は２種と混ぜて使用することもできる。但し、上記の何れの吸収液を用いた場合でも、吸収液中のＫ＋イオン濃度が炭酸水素カリウムの飽和溶液中のＫ＋イオン濃度以下であることが望ましい。
【００３７】
図４に水酸化カリウム、炭酸カリウム及び炭酸水素カリウムについて、それぞれの飽和溶液中のＫ＋イオン濃度を示した図である。
【００３８】
図４に示したように、３つの化合物の中では炭酸水素カリウム飽和溶液中のＫ＋イオン濃度が温度０〜１００℃の範囲で一番小さい。このため、Ｋ＋イオン濃度が炭酸水素カリウムの飽和溶液中のＫ＋イオン濃度を超えて存在する場合、ＣＯ２ガスを吸収した際、ＣＯ２ガスの吸収量が多いと炭酸水素カリウムが多孔質物質の間隙中に析出する恐れがある。多孔質物質の間隙の一部が析出した炭酸水素カリウムにより塞がっても直ちに排ガスからのＣＯ２ガスの分離ができなくなる訳ではないが、析出が進行すると多孔質物質が目詰まりを起して分子の流動が阻害される恐れがある。そのため、何れの吸収液を用いた場合でも、吸収液中のＫ＋イオン濃度を炭酸水素カリウムの飽和溶液中のＫ＋イオン濃度以下として、炭酸水素カリウムを析出させ難くしておくことが望ましい。
【００３９】
本実施例においてＣＯ２ガスの分離に用いる化学反応式自体は従来の熱炭酸カリウム法と同じになるが、熱炭酸カリウム法では、吸収塔で先の（式１）で表した化学反応を左辺から右辺に進行させるために、６０〜１１０℃、圧力０．５ＭＰａとするのに対し、本発明では温度と圧力は特に制限されないという特徴がある。また、従来は供給ガスと炭酸カリウム溶液を向流接触させていたので供給ガスと吸収液の接触面積が少なく、化学反応速度を高めるために吸収液を常温、常圧よりも高温、高圧にする必要があったのに対し、本実施例では中空糸膜５の大きさ（太さ）を小さくすることで、多孔質物質の供給ガスが接触する比表面積を任意に大きくすることができるし、中空糸膜５の長さも任意に長くできるので、供給ガスの温度操作は必要なく、常温、常圧で良い。勿論、常温、常圧より高温、高圧に調整した供給ガスを膜モジュール２に供給することもできる。
【００４０】
一方、炭酸カリウム溶液に吸収されたＣＯ２の回収方法、即ち先の（式１）に示した化学反応を右辺から左辺に進行させる方法についても、熱炭酸カリウム法では再生塔で炭酸カリウム溶液を吸収塔より高い温度にすることで反応速度を高めているのに対し、本実施例では温度が特に制限されない。本実施例では中空糸膜５の大きさ（太さ）を任意に小さくできるし長さも任意に長くできるので、減圧するだけで良い。勿論、ヒーター等を用いて膜モジュール２全体を加熱することもできる。
【００４１】
次に、中空糸膜５の多孔質物質について説明する。吸収液は毛細管現象により多孔質物質の間隙内に留まっている。従って、真空ポンプ３による減圧下で吸収液を多孔質物質の細孔に留まらせるためには、吸収液の表面張力により発現する力が減圧時の中空糸膜５の内表面と外表面の圧力差を上回ることが望ましい。吸収液の表面張力により発現する力は多孔質物質の細孔の寸法に依存するので、多孔質物質の細孔の半径は次の（式３）で制限される。
【００４２】
Ｒ≦２・γ・ｃｏｓθ／ΔＰ    ・・・（式３）
ここで、Ｒは間隙の半径、γは吸収液の表面張力、θは接触角、ΔＰは内表面と外表面の圧力差である。圧力差は最大で約１気圧なので、γ＝７×１０−２Ｎ／ｍ、ｃｏｓθ＝１、ΔＰ＝１ａｔｍを（式３）に代入するとＲ≦１．４μｍとなるため、間隙の大きさは約３μｍ以下が望ましい。間隙の大きさが約３μｍより大きい場合は、中空糸膜５の周囲の真空度を吸収液が多孔質物質から滲み出さない程度の圧力差となるように真空ポンプ３を制御するか、中空糸膜５から滲み出した吸収液を回収することが望ましい。
【００４３】
次に、中空糸膜５の内表面と外表面の圧力差と中空糸膜５を透過する単位面積当たりのＣＯ２透過量との関係を説明する。膜分離法における単位面積当たりのガス透過量は内表面と外表面の圧力差に比例することが知られている。判り易く説明するため、図５に圧力差が０．２ａｔｍのときのＣＯ２透過量を１として、圧力差とＣＯ２透過量との関係を示す。本実施例によれば真空度は真空ポンプ３により任意に設定できるので、排ガスが常圧（１ａｔｍ）とすると多孔質物質の前後差圧を１ａｔｍにすることができ、圧力差０．２ａｔｍの場合に比べてＣＯ２透過量を５倍にすることができる。言い換えると、同じ能力を確保するためには、ＣＯ２ガス分離に必要な中空糸膜５の内面積が１／５で済み、それだけ設備容量を小さくする上でも有利である。
【００４４】
次に、分離したガス中のＣＯ２濃度について説明する。排ガスは石炭火力発電所からの排ガスを想定し、ＣＯ２ガス以外の成分は窒素とし、ＣＯ２濃度は１０モル％と仮定する。このとき、分離したガス中のＣＯ２モル分率は以下の式で表される。
【００４５】
Ｙ＝［β−｛β２−４α（α−１）ＸＲｐ｝０．５］／｛２（α−１）Ｒｐ｝  ・・・（式４）
但し、β＝（α−１）（Ｘ＋Ｒｐ）+１、Ｒｐ＝Ｐｌ／Ｐｈ
ここで、Ｙは分離したガス中のＣＯ２モル分率、Ｘは排ガス中のＣＯ２モル分率、Ｐｈは中空糸膜５の内側の圧力、Ｐｌは中空糸膜５の外側の真空度、αはＣＯ２の窒素に対する分離係数である。この（式４）から分離係数５０と５００の２通りの場合について求めた分離ガス中のＣＯ２濃度を図６に示す。本実施例によれば真空度は真空ポンプ３により任意に設定できるので、排ガスが常圧（１ａｔｍ）とすると真空度により圧力比Ｒｐ＝Ｐｌ／Ｐｈを任意に小さくでき、中空糸膜５のＣＯ２分離の性能が劣っても分離ガス中のＣＯ２濃度を容易に高めることができる。分離したガスの使い道に応じてＣＯ２分離の性能の良い膜と悪い膜を使い分けることができる。例えば、回収したＣＯ２を単に大気から隔離するために地中や海洋に貯蔵したり、石油や天然ガスの増進回収のために油田やガス田に注入したりする場合には、分離したガス中のＣＯ２濃度は７０〜８０％程度あれば良いので例えば分離係数５０の膜で圧力比０．１以下にし、ＣＯ２を原料として工業利用する場合には、例えば分離係数５００の膜で圧力比０．１以下にするといった使い分けができる。
【００４６】
本実施例によれば、低圧下でも蒸発し難い炭酸水素カリウム溶液、炭酸カリウム溶液、水酸化カリウム溶液等を吸収液に用いることで、中空糸膜５の周囲の真空度を高くする（より低圧にする）ことができ、多孔質物質の前後差圧を大きくすることができるので、中空糸膜５のＣＯ２ガスの透過速度を大きくすることができる。また、中空糸膜５を介して供給ガスからＣＯ２ガスが気体の状態で分離されるので、再生塔に送って大きなエネルギーを費やして吸収液からＣＯ２ガスを気液分離する必要がない。また、中空糸膜５の周囲の真空度を真空ポンプ３によって任意に設定することができる。よって、工業プロセスの排出ガスからＣＯ２ガスを気体の状態で効率的かつ安価に分離することができる。
【００４７】
また、吸収液の表面張力により発現する、多孔質物質の細孔に吸収液が留まろうとする力が、減圧下における多孔質物質の前後差圧よりも大きく設定することにより吸収液の中空糸膜５からの滲出を抑えることができる。これにより、再生塔等の気液分離のための大規模な加熱設備が後段工程に不要となるため、設備コストを一層安価にすることができる。
【００４８】
さらには、吸収液のカリウム濃度を炭酸水素カリウム飽和溶液中のカリウム濃度以下とすることで、炭酸水素カリウムの析出による中空糸膜５の目詰まりを生じ難くし、安定したＣＯ２ガスの分離作用を得ることができる。
【実施例２】
【００４９】
図７は本発明の実施例２に係る炭酸ガス分離システムの概略図である。図１と同様の部分には図１と同符号を付して説明を省略する。
【００５０】
図７に示した本実施例の炭酸ガス分離システムが実施例１のシステムと異なる点は、中空糸膜５を透過したＣＯ２ガスと減圧に伴って膜モジュール２内で蒸発した水分とを気液分離する気液分離槽６を膜モジュール２と真空ポンプ３の間に設けた点にあり、それ以外の構成は実施例１と同様である。
【００５１】
この実施例２は、中空糸膜５の周囲の真空度を高くして吸収液が中空糸膜５から滲み出したり、減圧環境で水が蒸発したりする場合に好適な例である。すなわち、膜モジュール２から真空ポンプ３によって吸い出される分離ガスから水分を除去するため、分離ガスを気液分離槽６に導き、気液分離槽６の一部を熱交換器８で冷却し、凝縮水７として分離ガス中の水分を凝縮させる。
【００５２】
本実施例２によれば、実施例１と同等の効果が得られる他、吸収液が多孔質物質から滲み出したり、減圧環境で水が蒸発したりする場合でも、真空度を真空ポンプ３により任意に設定できるので安価にＣＯ２ガスを分離できる。
【実施例３】
【００５３】
図８は本発明の実施例３に係る炭酸ガス分離システムの概略図である。図７と同様の部分には図７と同符号を付して説明を省略する。
【００５４】
実施例３の炭酸ガス分離システムが実施例２の炭酸ガス分離システムと異なる点は、気液分離槽６で凝縮した凝縮水７をさらに気液分離し、ＣＯ２ガスを更に回収するとともに分離した液体を膜モジュール２に循環供給する点にあり、それ以外の構成は実施例２と同様である。
【００５５】
この実施例３は、中空糸膜５の周囲の真空度を高くして吸収液が多孔質物質から滲み出したり減圧環境で水が蒸発したりする場合に好適な例である。排ガスに水分が多少なりとも含まれている場合が多いので、吸収液から失われる水分が排ガスから補充される水分より少ない場合には、中空糸膜５の湿潤状態は維持される。しかし、吸収液から失われる水分が排ガスからの補充量より多い場合には、本実施例のように中空糸膜５の湿潤を維持するために分離ガスから回収した水分を膜モジュール２へ供給することで中空糸膜５の湿潤状態を維持することができる。
【００５６】
本実施例の炭酸ガス分離システムの具体的な一構成例を説明する。図８に例示した炭酸ガス分離システムは、実施例２の炭酸ガス分離システムの持つ構成要素に加え、気液分離槽６で凝縮した凝縮水７をさらに気液分離する第二の気液分離槽１０と、気液分離槽６から第二の気液分離槽１０に凝縮水７を搬送する液体ポンプ（第一の液体搬送手段）９と、第二の気液分離槽１０に導かれた凝縮水７を供給ガスとの熱交換によって加熱する熱交換器１１と、第二の気液分離槽１０でガスと分離された液体を膜モジュール２に供給する液体ポンプ（第二の液体搬送手段）１２と、第二の気液分離槽１０で分離されたＣＯ２ガスを含むガスを吸引し回収タンク（図示せず）に送り込む真空ポンプ３’とを備えている。
【００５７】
本実施例では、気液分離槽６の凝縮水７が液体ポンプ９によって第二の気液分離槽１０へ移送される。第二の気液分離槽１０では、凝縮水７’を第二の熱交換器１１によって加熱し、凝縮水７’からのＣＯ２ガスの放出を促進する。ここで凝縮水７’からのＣＯ２ガスを含む分離ガスは真空ポンプ３’によって回収タンク（図示せず）に回収される。このとき、図８に示したように第二の気液分離槽１０の減圧側の配管（第二の気液分離槽１０と真空ポンプ３’とを繋ぐ配管）に圧力計２６、ＣＯ２濃度計２７、流量計２８等を取り付け、分離したＣＯ２ガスを含むガスの真空度、ＣＯ２の量、ＣＯ２濃度をモニターし、これらの値が予め定めた設定値に近付くように、送風機１や真空ポンプ３，３’の動作を制御する構成とすることもできる。一方、加熱された凝縮水７’は液体ポンプ１２により移送され、排ガスと混合されて膜モジュール２に供給される。
【００５８】
以上のように、本実施例によれば、実施例１，２と同等の効果が得られることに加え、吸収液が中空糸膜５から滲み出したり減圧環境で水が蒸発したりする場合に、吸収液から失われた水分を回収して膜モジュール２に循環させ、中空糸膜５の湿潤状態を維持することができる。また、例えば排ガスが石炭火力発電所からの排ガスであれば常温より高温なので、本実施例のように第二の熱交換器１１を用いて凝縮水７’を加熱することができ、例えば実施例１，２等に対するエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施例１に係る炭酸ガス分離システムの概略図である。
【図２】本発明の実施例１に係る炭酸ガス分離システムに用いられる膜モジュールの内部構成を模式的に示した図である。
【図３】本発明の実施例１に係る炭酸ガス分離システムに用いられる中空糸膜の一部分を切断して表した模式図である。
【図４】水酸化カリウム、炭酸カリウム及び炭酸水素カリウムについて、それぞれの飽和溶液中のカリウムイオン濃度を示した図である。
【図５】多孔質物質の前後差圧と炭酸ガス透過量の関係を示す図である。
【図６】多孔質物質の両側の圧力比と分離後の炭酸ガス濃度の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係る炭酸ガス分離システムの概略図である。
【図８】本発明の実施例３に係る炭酸ガス分離システムの概略図である。
【符号の説明】
【００６０】
１        送風機
２        膜モジュール
３，３’  真空ポンプ
４        排気塔
５        中空糸膜
６        気液分離槽
７，７’  凝縮水
８        熱交換器
９        液体ポンプ
１０      第二の気液分離槽
１１      熱交換器
１２      液体ポンプ
【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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