JP2006137620A - 排ガス中の二酸化炭素の回収システムおよび回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塩水の電気分解によって生成された水素ガスを水素ガスとして有効利用が可能であり、生成された塩素ガスを有効に消費可能である排ガス中の二酸化炭素の回収システムおよび回収方法を提供すること目的とする。
【解決手段】塩水を電気分解して、水素、塩素および水酸化ナトリウム水のそれぞれに分離する電気分解装置１００と、排ガス中の二酸化炭素を回収するとともに、電気分解装置１００によって生成された水酸化ナトリウム水とからアルカリ溶液を生成する二酸化炭素回収装置２００と、電気分解装置１００によって分離された塩素を用いて生成された次亜塩素酸水によって、焼却灰からカルシウムを回収し、アルカリ溶液の一部とを用いて炭酸カルシウムを生成するカルシウム回収装置３００とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、火力発電所、都市ごみ焼却場などから排出される二酸化炭素を回収するシステムに係り、特に、イオン交換膜による塩水の電気分解で水酸化ナトリウムおよび水素ガスを製造し、この水酸化ナトリウムを用いて調整されたアルカリ溶液によって二酸化炭素を回収することができる排ガス中の二酸化炭素の回収システムおよび回収方法に関する。

近年、化石燃料の燃焼生成物である二酸化炭素の温室効果による地球温暖化の問題が大きくなっている。気候変動に関する国際連合枠組条約の京都議定書において、我が国の温室効果ガス排出削減の目標は、１９９０年の比率マイナス６％を２００８〜２０１２年の間に達成することである。

このような背景の中、火力発電所やごみ焼却場などから排出される二酸化炭素の吸収液として、イオン交換膜による塩水の電気分解で製造した水酸化ナトリウムの水溶液を用い、排ガス中の二酸化炭素を回収するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来の二酸化炭素回収システムでは、イオン交換膜を備える電気分解装置によって塩水から水酸化ナトリウムおよび水素ガスを生成し、その水酸化ナトリウムの水溶液を吸収液として、排ガス中の二酸化炭素を吸収していた。また、生成された水素ガスは、上記した塩水の電気分解の副産物として生成される塩素ガスと化合加熱され、塩酸が生成されていた。また、この塩素ガスと水酸化ナトリウムとにより次亜塩素酸ナトリウムも生成されていた。さらに、二酸化炭素を吸収した吸収液は、加熱分解、電解などの処理が施され、水酸化ナトリウムの水溶液に再生されていた。
特開２０００−２９６３１１号公報

上述した従来の二酸化炭素回収システムにおいては、塩水の電気分解によって生成された塩素ガスと水素ガスとから塩酸を生成することで、塩素ガスを消費しており、生成された水素ガスを水素ガスとして有効に利用して、さらに生成された塩素ガスを有効に消費することができなかった。また、従来の二酸化炭素回収システムにおいて、二酸化炭素を吸収した吸収液を再度水酸化ナトリウムの水溶液に再生する場合には、大きなエネルギが必要であった。さらに、水酸化ナトリウムの水溶液を吸収液として使用する場合には、水酸化ナトリウムの水溶液が流れる配管の内壁面が腐食されやすいなどの問題があった。

そこで、本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、塩水の電気分解によって生成された水素ガスを水素ガスとして有効利用が可能であり、生成された塩素ガスを有効に消費可能である排ガス中の二酸化炭素の回収システムおよび回収方法を提供すること目的とする。また、本発明は、配管などが吸収液によって腐食されず、従来の二酸化炭素回収システムにおける吸収液の再生エネルギよりも小さなエネルギで吸収液の再生が可能な排ガス中の二酸化炭素の回収システムおよび回収方法を提供すること目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の排ガス中二酸化炭素の回収システムは、塩水を電気分解して、水素、塩素および水酸化ナトリウム水のそれぞれに分離する電気分解装置と、排ガスとアルカリ溶液を気液接触させて、前記排ガス中の二酸化炭素を回収するとともに、二酸化炭素の吸収によって生成された所定の成分と、前記電気分解装置によって生成された水酸化ナトリウム水とから前記アルカリ溶液を生成する二酸化炭素回収装置と、前記電気分解装置によって分離された塩素を用いて生成された次亜塩素酸水によって、焼却灰からカルシウムを回収し、そのカルシウムを回収した溶液と前記アルカリ溶液の一部とを用いて炭酸カルシウムを生成するカルシウム回収装置とを具備することを特徴とする。

この排ガス中の二酸化炭素の回収システムによれば、塩水を電気分解装置によって電気分解することにより生成された水素は、水素として回収することができるので、水素の有効利用を図ることができる。また、この電気分解によって副産物として生成される塩素は、カルシウム回収装置において最終的に塩水となるため、塩素を有効に利用して塩素の残留を回避することができる。

本発明の排ガス中二酸化炭素の回収方法は、塩水を電気分解して、水素、塩素および水酸化ナトリウム水のそれぞれに分離する電気分解工程と、排ガスとアルカリ溶液を気液接触させて、前記排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収工程と、前記二酸化炭素の吸収によって生成された所定の成分と、前記電気分解工程で生成された水酸化ナトリウム水とから前記アルカリ溶液を生成するアルカリ溶液生成工程と、前記電気分解工程で分離された塩素を用いて生成された次亜塩素酸水によって、焼却灰からカルシウムを回収するカルシウム回収工程と、前記カルシウムを回収した溶液から塩化カルシウム水を分離する塩化カルシウム分離工程と、前記分離された塩化カルシウム水に前記アルカリ溶液の一部を混合し、炭酸カルシウムを生成する炭酸カルシウム生成工程とを具備することを特徴とする。

この排ガス中の二酸化炭素の回収方法によれば、電気分解工程において、塩水を電気分解することにより生成された水素は、水素として回収することができるので、水素の有効利用を図ることができる。また、この電気分解によって副産物として生成される塩素は、炭酸カルシウム生成工程において最終的に塩水となるため、塩素を有効に利用して塩素の残留を回避することができる。

本発明の排ガス中の二酸化炭素の回収システムおよび回収方法によれば、塩水の電気分解によって生成された水素を水素として有効利用が可能であり、生成された塩素を有効に消費可能である。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態である二酸化炭素回収システム１０の概要を示したものである。

図１に示された二酸化炭素回収システム１０は、電気分解装置１００と、二酸化炭素回収装置２００と、カルシウム回収装置３００とから主に構成されている。

電気分解装置１００は、イオン交換膜を備え、塩水（ＮａＣｌ水）を電気分解によって、水酸化ナトリウム水、水素、塩素に分離するものであり、電解ソーダ法の１つであるイオン交換膜法を用いたものである。この電気分解装置１００は、例えば、ソーダ化学プラントの一構成部として設置することができる。なお、上記した水素、塩素の状態は、気体である。

二酸化炭素回収装置２００は、火力発電所や都市ごみ焼却場などから排出された二酸化炭素を含む排ガスを導入し、その排ガスとアルカリ溶液とを気液接触させ、排ガス中の二酸化炭素をアルカリ溶液に吸収させるものである。また、二酸化炭素回収装置２００を上記した火力発電所や都市ごみ焼却場などの一構成部として設置することもできる。

二酸化炭素回収装置２００で使用されるアルカリ溶液の主な溶質は、炭酸ナトリウムである。ここで、このアルカリ溶液における炭酸ナトリウムの重量濃度は、９〜２２％に調整されている。この炭酸ナトリウムが排ガス中の二酸化炭素を吸収すると、その一部が炭酸水素ナトリウムとなる。二酸化炭素回収装置２００では、図１に示すように、この生成された炭酸水素ナトリウムの一部と、電気分解装置１００で塩水を電気分解することで生成された水酸化ナトリウム水とを混合させ、炭酸ナトリウムを生成することができる。

ここで、電気分解装置１００に供給される塩水は、例えば、工業用塩などを用いて生成されることが好ましいが、海水や二酸化炭素回収システム１０において生成した塩水を用いることもできる。例えば、海水を利用して電気分解を行う場合には、生成される水酸化ナトリウム水には、カリウムやマグネシウムなどの成分も含まれることがある。この他の成分を含んだ水酸化ナトリウム水を用いて、上記した炭酸ナトリウムの生成を行う場合には、生成された炭酸ナトリウム水、つまりアルカリ溶液には、例えば、炭酸カリウム、炭酸マグネシウムなどが混在される。また、後述するカルシウム回収装置３００において、再生された塩水にも、焼却灰からのカリウムやマグネシウムなどの成分が含有されるので、この塩水を用いて、電気分解装置１００で電気分解を行う場合には、上記したように、生成された水酸化ナトリウム水に、カリウムやマグネシウムなどの成分が含まれる。したがって、二酸化炭素回収装置２００で使用されるアルカリ溶液では、主たる溶質が炭酸ナトリウムであればよく、他の成分を混在してもよい。

カルシウム回収装置３００は、電気分解装置１００によって塩水を電気分解することで得られた塩素に水を加えて次亜塩素酸水とし、この次亜塩素酸水を、例えば、石炭やバイオマスなどの焼却灰に通して、焼却灰中に含有されているカルシウムを回収するものである。また、カルシウム回収装置３００では、次亜塩素酸水がカルシウムを吸収して生成した次亜塩素酸カルシウム水を熱分解して、塩化カルシウム水と酸素とに分離し、この塩化カルシウム水に、上記した二酸化炭素回収装置２００で使用されるアルカリ溶液の一部を混合し、炭酸カルシウムと塩水とを生成する。このカルシウム回収装置３００は、例えば、火力発電プラントの一構成部または焼却灰処理プラントの一構成部として設置することができる。

なお、上記した、次亜塩素酸カルシウム水を熱分解して、塩化カルシウム水と酸素とに分離し、この塩化カルシウム水に、上記した二酸化炭素回収装置２００で使用されるアルカリ溶液の一部を混合し、炭酸カルシウムと塩水とを生成する処理は、カルシウム回収装置３００内で行われてもよいし、また、カルシウム回収装置３００とは別個にこの処理を行う処理装置を備えて、その処理装置で行ってもよい。

次に、本発明による二酸化炭素回収システム１０の動作について、図１を参照して説明する。

まず、塩水（ＮａＣｌ水）を電気分解装置１００に供給し、電気分解によって、水酸化ナトリウム水、水素、塩素に分離する。ここで、分離して生成された水素は、水素回収配管（図示しない）を介して、所定の回収装置に回収され、水素として有効利用される。

二酸化炭素回収装置２００では、排ガスと気液接触して二酸化炭素を吸収するアルカリ溶液（炭酸ナトリウム水）が気液接触を行う循環流路に予め準備されている。そして、アルカリ溶液を循環させながら排ガスと気液接触させる。なお、上記したように、循環流路に予めアルカリ溶液（炭酸ナトリウム水）を満たした状態で運転を開始することが好ましいが、初期状態に限り、電気分解装置１００で電気分解により生成された水酸化ナトリウム水をアルカリ溶液として使用してもよい。

アルカリ溶液が二酸化炭素を吸収すると、アルカリ溶液内に炭酸水素ナトリウムが生成される。この炭酸水素ナトリウムを含有した一部のアルカリ溶液に、このアルカリ溶液に含有される炭酸水素ナトリウムと同モル数の水酸化ナトリウムが溶解した水酸化ナトリウム水を電気分解装置１００から供給して混合し、炭酸ナトリウム水を生成する。この生成された炭酸ナトリウム水は、二酸化炭素を吸収するためのアルカリ溶液として、気液接触を行う循環流路に供給される。

また、炭酸水素ナトリウムを含有した残りのアルカリ溶液は、二酸化炭素回収装置２００の、例えば再生装置などで７０℃程度に加熱され、二酸化炭素と炭酸ナトリウム水とに分離される。分離された二酸化炭素は、例えば、二酸化炭素回収配管（図示しない）を介して、所定の回収装置に回収され、分離された炭酸ナトリウム水は、気液接触を行う循環流路に供給され、再度アルカリ溶液として使用される。

カルシウム回収装置３００には、電気分解装置１００によって塩水を電気分解することで得られた塩素が供給される。カルシウム回収装置３００では、その供給された塩素を水に溶解して、次亜塩素酸水を生成し、この次亜塩素酸水を、例えば、カルシウム回収装置３００内に収容された石炭やバイオマスなどの焼却灰に通して、焼却灰中に含有されているカルシウムを回収する。

次亜塩素酸水がカルシウムを吸収して生成した次亜塩素酸カルシウム水は、６０℃程度に加熱され、熱分解して、塩化カルシウム水と酸素（気体）とに分離する。分離された酸素は、例えば、酸素回収配管（図示しない）を介して、所定の回収装置に回収され、酸素として有効利用される。また、カルシウム回収装置３００には、二酸化炭素回収装置２００で、アルカリ溶液として利用されている炭酸ナトリウム水の一部が供給される。そして、熱分解して得られた塩化カルシウム水と、この供給された炭酸ナトリウム水とが混合され、炭酸カルシウムと塩水が生成される。この生成した塩水は、排ガス中の不純物を含んでいるため、無害化された後に破棄されるか、電気分解装置１００に供給される塩水として使用される。また、生成した炭酸カルシウムは、微粉状に乾燥され、例えば、製紙工業、樹脂工業などの広い分野で利用される。

上記したように、本発明の二酸化炭素回収システム１０によれば、塩水（ＮａＣｌ水）を電気分解することによって生成された水素は、水素として回収することができるので、水素の有効利用を図ることができる。また、この電気分解によって副産物として生成される塩素は、最終的に塩水として破棄または再利用されるため、塩素の残留を回避することができる。

また、二酸化炭素回収装置２００では、水酸化ナトリウム水を二酸化炭素の吸収液として使用せず、水酸化ナトリウム水に炭酸水素ナトリウムを混合して炭酸ナトリウム水を生成し、これを二酸化炭素の吸収液として使用しているため、プラントの配管などを構成する金属材料の腐食を抑制することができる。

また、二酸化炭素回収装置２００で回収した二酸化炭素およびカルシウム回収装置３００で回収したカルシウム化合物を用いて微粉状の炭酸カルシウムを生成することができる。

なお、本発明の二酸化炭素回収システム１０は、上記した実施の形態に限られるものではなく、例えば、二酸化炭素回収装置２００がカルシウム回収装置３００を兼ね備えた構成でもよい。この場合の具体例として、排ガスを発生し、さらに焼却灰を保有する、例えば、石炭火力発電プラントやごみ焼却プラントなどが挙げられる。このような施設では、二酸化炭素回収装置２００とカルシウム回収装置３００との両装置を兼ね備え、この両装置の機能を発揮させることで、コンパクトな二酸化炭素回収システムを構成することができる。

また、上記した二酸化炭素回収装置２００とカルシウム回収装置３００との双方を兼ね備えた石炭火力発電プラントなどでは、例えば、電気分解装置１００から供給される塩素量に対応するだけのカルシウムをカルシウム回収装置３００から吸収することが困難なことがある。このような場合には、二酸化炭素回収装置２００とカルシウム回収装置３００との双方を兼ね備えたプラントに、カルシウム回収装置３００を備えた焼却灰処理プラントをさらに設置し、カルシウムの供給量を増加させることもできる。

さらに、電気分解装置１００、二酸化炭素回収装置２００およびカルシウム回収装置３００を備えた本発明の二酸化炭素回収システム１０は、例えば、石炭火力発電プラントやごみ焼却プラントなどに備えられることが好適である。また、カルシウム回収装置３００を備えることで、焼却灰を生じない、例えば、天然ガスを燃料とする火力発電プラントなどにも適用することができる。

本発明の一実施の形態の二酸化炭素回収システムを示す概要図。

符号の説明

１０…二酸化炭素回収システム、１００…電気分解装置、２００…二酸化炭素回収装置、３００…カルシウム回収装置。

Claims (10)

1. 塩水を電気分解して、水素、塩素および水酸化ナトリウム水のそれぞれに分離する電気分解装置と、
   排ガスとアルカリ溶液を気液接触させて、前記排ガス中の二酸化炭素を回収するとともに、二酸化炭素の吸収によって生成された所定の成分と、前記電気分解装置によって生成された水酸化ナトリウム水とから前記アルカリ溶液を生成する二酸化炭素回収装置と、
   前記電気分解装置によって分離された塩素を用いて生成された次亜塩素酸水によって、焼却灰からカルシウムを回収し、そのカルシウムを回収した溶液と前記アルカリ溶液の一部とを用いて炭酸カルシウムを生成するカルシウム回収装置と
   を具備することを特徴とする排ガス中の二酸化炭素の回収システム。
2. 前記アルカリ溶液の主な溶質が炭酸ナトリウムであることを特徴とする請求項１記載の排ガス中の二酸化炭素の回収システム。
3. 前記カルシウム回収装置における前記焼却灰は、石炭またはバイオマスの焼却灰であることを特徴とする請求項１または２記載の排ガス中の二酸化炭素の回収システム。
4. 前記排ガス中の二酸化炭素の回収システムにおいて、
   前記二酸化炭素回収装置を火力発電プラントに備え、前記カルシウム回収装置を焼却灰処理プラントに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の排ガス中の二酸化炭素の回収システム。
5. 前記排ガス中の二酸化炭素の回収システムにおいて、
   前記二酸化炭素回収装置および前記カルシウム回収装置を火力発電プラントに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の排ガス中の二酸化炭素の回収システム。
6. 前記排ガス中の二酸化炭素の回収システムにおいて、
   前記二酸化炭素回収装置および前記カルシウム回収装置を火力発電プラントに備え、さらに前記カルシウム回収装置を焼却灰処理プラントに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の排ガス中の二酸化炭素の回収システム。
7. 前記電気分解装置、前記二酸化炭素回収装置および前記カルシウム回収装置を具備したごみ焼却プラントで構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の排ガス中の二酸化炭素の回収システム。
8. 塩水を電気分解して、水素、塩素および水酸化ナトリウム水のそれぞれに分離する電気分解工程と、
   排ガスとアルカリ溶液を気液接触させて、前記排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収工程と、
   前記二酸化炭素の吸収によって生成された所定の成分と、前記電気分解工程で生成された水酸化ナトリウム水とから前記アルカリ溶液を生成するアルカリ溶液生成工程と、
   前記電気分解工程で分離された塩素を用いて生成された次亜塩素酸水によって、焼却灰からカルシウムを回収するカルシウム回収工程と、
   前記カルシウムを回収した溶液から塩化カルシウム水を分離する塩化カルシウム分離工程と、
   前記分離された塩化カルシウム水に前記アルカリ溶液の一部を混合し、炭酸カルシウムを生成する炭酸カルシウム生成工程と
   を具備することを特徴とする排ガス中の二酸化炭素の回収方法。
9. 前記アルカリ溶液の主な溶質が炭酸ナトリウムであることを特徴とする請求項８記載の排ガス中の二酸化炭素の回収方法。
10. 前記カルシウム回収工程で用いられる前記焼却灰は、石炭またはバイオマスの焼却灰であることを特徴とする請求項８または９記載の排ガス中の二酸化炭素の回収方法。

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