特開 2023-27729 重循環水型二酸化炭素分離精製貯蔵システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023027729

(43)【公開日】2023-03-02

(54)【発明の名称】重循環水型二酸化炭素分離精製貯蔵システム

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/62 20060101AFI20230222BHJP

   B01D 53/78 20060101ALI20230222BHJP

   C02F 3/34 20230101ALI20230222BHJP

【ＦＩ】

B01D53/62 ZAB

B01D53/78

C02F3/34 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2021151578

(22)【出願日】2021-08-17

(71)【出願人】

【識別番号】504211142

【氏名又は名称】森重 晴雄

(71)【出願人】

【識別番号】520086209

【氏名又は名称】森重 茂美

(71)【出願人】

【識別番号】520086210

【氏名又は名称】北村 康文

(71)【出願人】

【識別番号】520086221

【氏名又は名称】千代谷 晴菜

(71)【出願人】

【識別番号】515186770

【氏名又は名称】森重 晴貴

(71)【出願人】

【識別番号】520086232

【氏名又は名称】梅津 晴賀

(71)【出願人】

【識別番号】520086243

【氏名又は名称】小牧 晴絵

(71)【出願人】

【識別番号】520086254

【氏名又は名称】森重 はるみ

(72)【発明者】

【氏名】森重 晴雄

【テーマコード（参考）】

4D002

4D040

【Ｆターム（参考）】

4D002AA09

4D002AC04

4D002AC05

4D002AC10

4D002BA02

4D002BA12

4D002BA13

4D002CA06

4D002DA35

4D002EA05

4D002EA07

4D002EA13

4D002FA01

4D002HA08

4D040DD01

4D040DD12

(57)【要約】      （修正有）

【課題】火力発電所からの排出ガスや大気中の二酸化炭素を回収するシステムを提供する。
【解決手段】『排出ガス熱交換・発電』段階では、高温の排出ガスを第１循環ラインで加圧加熱し熱交換を行い、冷却された排出ガスを第２循環ラインに注入する。『ＣＯ２分離・再生』段階では、３０ｍの構台の上に再生タンク、地上に分離タンクが設置されその間を第２循環ラインが循環している。排出ガスが第２循環ラインに送られると断熱膨張を起こし急冷される。ＣＯ２が水に溶け込みやすい１０℃となるように結合ラインのバルブの弁開度を調整する。ＣＯ２は循環水に吸収される。循環水が再生タンクに上がると水圧が揚程差分０．３Ｍｐａ下がるのでその時、水中を飽和したＣＯ２が噴出し再生する。『メタノール生成』段階では、再生されたＣＯ２にＨ２を混合し触媒にてメタノールを生成しメタノールを常温常圧にて保存する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温低圧の排出ガスをポンプで循環させた高圧配管にピトー管効果で注入し加圧加熱し熱交換機にて熱交換を行い、冷却した排出ガスを次の循環配管に注入すること。

【請求項2】

冷却された排出ガスをより低圧の循環管に注入し、水中に気泡として膨張させ、断熱膨張効果により冷却し、排出ガス気泡中の二酸化炭素が低温で水に溶解すること。

【請求項3】

構台の上に再生タンク、地上に分離タンクが設置し、その間を循環ラインを設け循環水を循環させ、その循環水に冷却した排出ガスを注入し、分離タンクでは注入された排出ガスのうち水に溶けにくい窒素，酸素が分離され、二酸化炭素は水に溶けやすく循環水に吸収され、循環水が再生タンクに上がると水圧が揚程差分下がり、二酸化炭素が噴出し再生すること。

【請求項4】

加圧タンクを含む高圧の循環ラインの水にピトー管効果で低圧の空気を注入し、加圧タンク内で空気を徐々に圧力を高め、目標とする圧力を超えると加圧タンクから空気を放出させる圧縮機。

【請求項5】

加圧タンクと膨張タンクを含む高圧の循環ラインの水にピトー管効果で低圧の空気を注入し、加圧タンク内で空気を徐々に圧力温度を高め、加圧タンク外から冷却し、冷却された空気を膨張タンクで減圧し急膨張させ温度が下がった空気を被冷却対象物に放出させるエアコンまたは冷凍機。

【請求項6】

加圧タンクと膨張タンクを含む高圧の循環ラインの水にピトー管効果で低圧の空気を注入し、加圧タンク内で空気を徐々に圧力温度を高め、加圧タンク外から冷却し、冷却された空気を膨張タンク内で減圧し急膨張させた結果、膨張タンク内に溜まった凝縮水を高圧の循環ラインにピトー管効果で戻す。

【請求項7】

加圧タンクと膨張タンクを含む高圧の循環ラインの水にピトー管効果で低圧の空気を注入し、加圧タンク内で空気を徐々に圧力温度を高め、加圧タンク外から冷却し、冷却された空気を膨張タンク内で減圧し急膨張させた結果、膨張タンク内に溜まった凝縮水に循環内にあるに二酸化炭素を吸収させ、その凝縮水を加圧タンクに再度、循環させるエアコンまたは冷凍機。

【請求項8】

加圧タンクと膨張タンクを含む高圧の循環ラインの水にピトー管効果で低圧の空気を注入し、加圧タンク内で空気を徐々に圧力温度を高め、加圧タンク外から冷却し、冷却された空気を膨張タンク内で減圧し急膨張させた結果、膨張タンク内に溜まった凝縮水に循環内にあるに二酸化炭素を吸収させ、その凝縮水の一部をドレンし下水に流すエアコンまたは冷凍機。

【請求項9】

加圧タンクと膨張タンクを含む高圧の循環ラインの水にピトー管効果で低圧の空気を注入し、加圧タンク内の空気を高圧加熱し、加圧タンク周囲の暖かい空気を室内に送風する暖房設備。

【請求項10】

下水に流れた二酸化炭素を含む水を下水処理場で照明の下で植物プランクトンが光合成を行い、下水中の二酸化炭素を植物プランクトン内で固定させること。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、火力発電所、製鉄所、製油所、セメント工場、ごみ焼却施設から排出される排出ガスや大気中に含まれる二酸化炭素を回収するシステムである。

【背景技術】

【0002】

ＣＣＵＳ（Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｃａｐｔｕｒｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ）は火力発電所、製鉄所、製油所、セメント工場、ごみ焼却施設から発生する排出ガスのなから二酸化炭素を回収し、地底や海底に固定あるいは化学的物質を合成して保存するシステムであり、地球温暖化対策の切り札とされているが、コストが問題になっている。
一方、排出ガスはそのエネルギーを十分に利用されないままにエネルギーの５０％以上を持ったままガスとして排出される。

【先行技術文献】

【0003】

アミンに二酸化炭素を吸着させているが、二酸化炭素を再生するのに多大なエネルギーを必要としている。現在、ＲＩＴＥでは消費エネルギーを２ＧＪ／ｔ二酸化炭素に低減させることを目標に新吸収液の開発を進めているが、この方法では発電は困難である。大気から二酸化炭素を回収する技術は開発中である。また海水中の二酸化炭素を分離する技術は皆無である。

【特許文献】

【0004】

既存の特許はアミンに二酸化炭素を吸着させ，再生する製法は多数提出されている。
当方からも令和３年７月１０日に深海の圧力を利用してＣＯ２を液体として長期保管できる『発電できる二酸化炭素分離精製貯蔵システム』を令和３年７月２６日にドライアイスでＣＯ２を固体で保存する『出ガス、大気、海水から二酸化炭素を回収するシステム』をそれぞれ申請している。

【発明の概要】

【0005】

二酸化炭素は窒素、酸素に比べて３０℃以内の低温であれば、水によく溶ける。この性質を利用して二酸化炭素を分離、再生する。排出ガスは２００℃以上あり。そのままでは水が蒸発してしまうので。本システムは二重の循環ラインをもつ。第１循環ラインは高圧で、排出ガスをピトー管効果で吸収し加圧加熱する。その排ガスを熱交換器で低温する。冷却された排出ガスを次の低圧の循環ラインに注入し断熱膨張させ、急冷にし１０℃前後にする。第２循環ラインは地上に分離タンクを、３０ｍ高さの構台の上に再生タンクを設置しその間を循環している。この揚程差を利用し、分離タンクでは水に溶けにくい窒素、酸素を分離し、再生タンクでは二酸化炭素を再生する。再生した二酸化炭素は水素と混合し、触媒を使ってメタノールにする。
第１循環ラインは圧縮機、エアコンに応用できる。従来に比べて格段に省電力が図れる。
エアコンでは大気中の水と二酸化炭素が同時に回収でき、二酸化炭素が溶け込んだ水を下水に流し、下水処理場で植物プランクトンが光合成で二酸化炭素を固定する。

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

高温の排出ガスは水に溶けない。冷却する必要がある。

【0007】

大気中からも合理的に二酸化炭素を回収すること。

【0008】

排出ガスの熱エネルギーを回収して発電し純度の高い二酸化炭素を得て、石油製品の原料とすること。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本システムは、大まかに『排出ガス熱交換・発電』『ＣＯ２分離・再生』『メタノール生成』の３段階に分かれる。
『排出ガス熱交換・発電』では高温の排出ガスを第１循環ラインで加圧加熱し熱交換を行い、冷却された排出ガスを第２循環ラインに注入する、後段で分離・加圧された窒素、酸素を熱交換機で加熱し、タービンを回し発電する。
『ＣＯ２分離・再生』では高さ３０ｍの構台の上に再生タンク、地上に分離タンクが設置されその間を第２循環ラインが循環している。第１循環ラインから結合ラインを介して排出ガスが第２循環ラインに送られる。第１循環ラインは第２循環ラインより高圧に設定しているので排出ガスが注入されると断熱膨張を起こし急冷される。ＣＯ２が水に溶け込みやすい１０℃となるように結合ラインのバルブの弁開度を調整する。分離タンクでは注入された排出ガスのうち水に溶けにくいＮ２，Ｏ２が分離される。ＣＯ２は水に溶けやすいので循環水に吸収される。循環水が再生タンクに上がると水圧が揚程差分０．３Ｍｐａ下がるのでその時、水中を飽和したＣＯ２が噴出し 再生する。
『メタノール生成』では再生されたＣＯ２にＨ２を混合し触媒にてメタノールを生成しメタノールを常温常圧にて保存する。
この第１循環ラインは発展すれば圧縮機やエアコンの役割も果たす。ピトー管効果により高圧の循環ラインに引き込むができ、空気は循環ライン内で圧縮される。この圧縮空気を循環ラインから放出すると高圧空気が得れる
この圧縮機のラインに膨張タンクを加えると冷凍機、冷房機になる。加圧タンク周りを冷却し、冷却された空気を膨張タンクに送り、断熱膨張させると空気が零度近くになる。
膨張タンク内で空気中の水蒸気は凝結する。凝結水には空気中の二酸化炭素が吸収される。
凝結水の二酸化炭素濃度が飽和状態に近くなると凝結水をドレンし、下水に放出し、下水処理場で植物プランクトンに光合成によって二酸化炭素を固定させる。
このエアコンは加圧タンク周りの高温になった空気を室内に送風し暖房も行うことができる。

【発明の効果】

【0010】

排出ガスや大気中から二酸化炭素を分離再生できる。

【0011】

水を媒体とすること。

【0012】

再生した二酸化炭素をメタノールなどに貯蔵する。

【0013】

排出ガスの熱エネルギーを回収し、発電すること。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】 重循環水型ＣＣＵＳのシステムを図－１に示す。大まかに『排出ガス熱交換・発電』１『ＣＯ２分離・再生』２『メタノール生成』３の３段階に分かれる。『排出ガス熱交換・発電』１では高温の排出ガス６を第１循環ライン８で加圧加熱し熱交換器吸熱側１０で熱交換を行い、冷却された排出ガスを結合ライン１７を介して第２循環ライン１８に注入する、後段で分離・加圧されたＮ２，Ｏ２ １４を熱交換機加熱側１１で加熱し、タービン１３を回し発電する。『ＣＯ２分離・再生』２では３０ｍの構台４の上に再生タンク２２、地上に分離タンク２１が設置されその間を第２循環ライン１８が循環している。第１循環ライン８は第２循環ライン１８より高圧に設定しているので排出ガスが注入されると断熱膨張を起こし急冷される。ＣＯ２が水に溶け込みやすい１０℃となるように結合ラインのバルブの弁開度を調整する。分離タンク２１では注入された排出ガスのうち水に溶けにくいＮ２，Ｏ２ １４が分離される。ＣＯ２は水に溶けやすいので循環水に吸収される。循環水が再生タンク２２に上がると水圧が揚程差分０．３Ｍｐａ下がるのでその時、水中を飽和したＣＯ２ １５が噴出し再生する。第１循環ラインとも第２循環ラインは排出ガスを注入した付近は混相流７となっている。『メタノール生成』３では再生されたＣＯ２ １５は除湿器２０を通してＨ２ ２３を混合し触媒 ２８にてメタノールを生成しメタノール３６を常温常圧にて保存する。反応しないＣＯ２，Ｈ２ ３３は循環ガス２７として圧縮機２５に戻す。

【図2】 水ポンプを使ったエアコンを図－２に示す。加圧タンク５、循環ポンプ３９を含め循環ライン３８を構成する。室内空気４１（０．１Ｍｐａ、３０℃）をピトー管効果４７により循環ライン（０．２Ｍｐａ）に注入する。空気４３が加圧タンク５溜まっていき、加圧タンク５内の空気４３は圧力と温度が高まる。空気温度を９７℃になるまでこの循環ライン３８は閉じたままである。９７℃を超えると加圧タンク５周りを空冷し放熱させ、空気４３の温度を９０℃にする。さらに加圧タンク５の上のバルブを開け空気４３を膨張タンク３７に送る。膨張タンク３７が大気解放されているので、断熱膨張４５となり、空気は急冷し２℃になる。膨張タンク３７に中の水蒸気が凝縮水４２を作る。この凝縮水４２を循環ライン３８に戻す。試算によると循環ポンプ３９が４００Ｗに対して冷熱は６ＫＷを持つ、ＣＯＰ値は１０を超える。この要因は気体を対象とするコンプレッサーは１０％程度の効率しかないが水力ポンプは１００％近く、１０倍程度差があるからである。 凝縮水４２に大気中のＣＯ２も溶け込む。その増えた凝縮水をドレン４９から下水に流せば、まず下水処理場で植物プランクトンがＣＯ２を取り込み、さらに海に放出され、海藻などの植物がＣＯ２を回収する可能性がある。このエアコンは家庭用、自動車用、及びスーパーに設置される冷凍機、冷凍倉庫、ビルなどの事業用にと広範囲に適用できる。エアコン、冷凍機の多くを水力ポンプに切り替えれば消費電力を少なくしかつ全ＣＯ２発生量の数割は回収できる可能性がある。

【産業上の利用可能性】

【0015】

メタノール、ＣＣＵＳＳ、ＣＯ２固定

【符号の説明】

【0016】

１． 排出ガス熱交換・発電 ２８．触媒
２． ＣＯ２分離・再生 ２９．凝縮器
３． メタノール生成 ３０．気液分離機
４． 構台 ３１．オイルヒーター
５． 加圧タンク ３２．オイル冷却器
６． 排出ガス ３３．ＣＯ２，Ｈ２
７． 混相流 ３４．粗メタノールタンク
８． 第１循環ライン ３５．ベント
９． 第１循環ポンプ ３６．メタノール
１０．熱交換器吸熱側 ３７．膨張タンク
１１．熱交換機加熱側 ３８．循環ライン
１２．熱交換器内ポンプ ３９．循環ポンプ
１３．タービン ４０．室内
１４．Ｎ２，Ｏ２ ４１．室内空気
１５．ＣＯ２ ４２．凝縮水
１６．Ｎ２，Ｏ２大気放出 ４３．空気
１７．結合ライン ４４．水
１８．第２循環ライン ４５．断熱膨張
１９．第２循環ポンプ ４６．架台
２０．除湿器 ４７．ピトー管効果
２１．分離タンク ４８．放熱
２２．再生タンク ４９．ドレン
２３．Ｈ２
２４．プレヒーター
２５．圧縮機
２６．反応炉
２７．循環ガス

【図1】

【図2】