JP4103510B2

JP4103510B2 - Oxygen and carbon dioxide purification and high concentration treatment method

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Publication number: JP4103510B2
Application number: JP2002260135A
Authority: JP
Inventors: 英一河西; 雅人田村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: JP2004099927A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一層高純度且つ高濃度の二酸化炭素を回収し得る酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、従来より少ないエネルギーで二酸化炭素ガスの排出量を低減するよう燃焼排ガスから二酸化炭素を濃縮して分離回収することが行われており、分離回収の代表的な方法としては、ＰＳＡ（プレッシャースイング吸着方式）法、アミン法、深冷分離法、膜分離法がある。
【０００３】
夫々の方法を説明すると、ＰＳＡ（プレッシャースイング吸着方式）法は、ガスの圧力を変化させて吸着と脱着を繰り返すことにより、二酸化炭素を分離、回収する方法であり、アミン法は、アミン吸収剤に二酸化炭素を化学反応で吸収させ、それを加熱等することにより二酸化炭素を分離、回収する方法であり、深冷分離法は、混合ガス（燃焼排ガス）を低温で液化させ、各成分ガスの液化温度の違いを利用することにより、二酸化炭素を分離、回収する方法であり、膜分離法は、高分子膜に対する気体の透過速度の違いを利用することにより、高分子膜に燃焼排ガスを通して二酸化炭素を分離、回収する方法である。又、下記のような方法もある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３３３４０号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９１４２７号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２３４７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法を用いて図８に示す燃焼機関部１の燃焼排ガスから二酸化炭素を分離、回収して高濃度の二酸化炭素を得ようとする場合には、燃焼排ガス中に窒素を含んで二酸化炭素が略１０ｖｏｌ％程度の低濃度であるため、高濃度の二酸化炭素の分離、回収が困難であり、多大な動力を要すると共にコストが増加するという問題があった。又、ＰＳＡ（プレッシャースイング吸着方式）法、膜分離法を用いて空気等から酸素を分離、回収して高濃度の酸素を得ようとする場合には、空気中に窒素を含んで酸素が低濃度であるため、高濃度化の酸素の分離、回収が困難であり、二酸化炭素と略同様に、多大な動力を要すると共にコストが増加するという問題があった。
【０００６】
本発明は、従来より少ないエネルギーで燃焼排ガス中の酸素を高濃度化し且つ高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を回収し得る酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、カソードとアノードの間に溶融炭酸塩の電解質板を備える分離装置と、燃料を燃やして燃焼排ガスを生じる燃焼機関部と、該燃焼機関部から燃焼排ガスを分離装置のカソードに流す燃焼排ガス供給ラインと、前記分離装置のアノードから燃焼機関部へ通じる燃焼機関部用アノード排出ラインとを備え、
前記燃焼排ガス供給ラインからカソードに流れ込んだ燃焼排ガス中の二酸化炭素及び酸素は、
【化４】
ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−
の電気化学反応を行って炭酸イオンを生じ、炭酸イオンは、電解質板を介してアノードに移動して二酸化炭素と酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じ、
前記高濃度分離ガスは、燃焼機関部用アノード排出ラインを介して空気の代わりに燃焼機関部へ戻されることを特徴とする酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法、に係るものである。
【０００８】
本発明の請求項２は、カソードとアノードの間に溶融炭酸塩の電解質板を備える分離装置と、燃料を燃やして燃焼排ガスを生じる燃焼機関部と、他の燃焼排ガスを分離装置のカソードに流す燃焼排ガス供給ラインと、前記分離装置のアノードから燃焼機関部へ通じる燃焼機関部用アノード排出ラインとを備え、
前記燃焼排ガス供給ラインからカソードに流れ込んだ燃焼排ガス中の二酸化炭素及び酸素は、
【化５】
ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−
の電気化学反応を行って炭酸イオンを生じ、炭酸イオンは、電解質板を介してアノードに移動して二酸化炭素と酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じ、
前記高濃度分離ガスは、燃焼機関部用アノード排出ラインを介して空気の代わりに燃焼機関部へ送られることを特徴とする酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法、に係るものである。
【０００９】
本発明の請求項３は、好気性微生物を備えた微生物処理部と、分離装置のアノードから前記微生物処理部へ通じる微生物処理用アノード排出ラインとを備え、前記分離装置のアノードで生じた二酸化炭素と酸素の高純度且つ高濃度分離ガスは、微生物処理用アノード排出ラインを介して前記微生物処理部に送られることにより、微生物の活性を向上させる請求項１又は２記載の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法、に係るものである。
【００１０】
本発明の請求項４は、カソードとアノードの間に溶融炭酸塩の電解質板を備える分離装置と、燃焼排ガスを分離装置のカソードに流す燃焼排ガス供給ラインと、好気性微生物を備えた微生物処理部と、前記分離装置のアノードから微生物処理部へ通じる微生物処理用アノード排出ラインとを備え、
前記燃焼排ガス供給ラインからカソードに流れ込んだ燃焼排ガス中の二酸化炭素及び酸素は、
【化６】
ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−
の電気化学反応を行って炭酸イオンを生じ、炭酸イオンは、電解質板を介してアノードに移動して二酸化炭素と酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じ、
前記高濃度分離ガスは、微性物処理用アノード排出ラインを介して微生物処理部に送られることにより、微生物の活性を向上させることを特徴とする酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法、に係るものである。
【００１１】
このように、請求項１によれば、燃焼機関部で生じた燃焼排ガスを分離装置で処理することにより、燃焼排ガスから二酸化炭素及び酸素を分離して二酸化炭素及び酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、高濃度分離ガスを空気の代わりに燃焼機関部へ戻して燃焼させるので、高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じ、結果的に一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。更に、空気の代わりに燃焼機関部へ戻す高濃度分離ガスには窒素を含んでいないので、燃焼機関部より排出される燃焼排ガスを低ＮＯx化することができる。更に又、燃焼排ガスに未燃分が含まれていた場合には、分離装置内で未燃分を燃焼するので、外部へ排出される量を大幅に低減することができる。
【００１２】
請求項２によれば、他の燃焼排ガスを分離装置で処理することにより、他の燃焼排ガスから二酸化炭素及び酸素を分離して二酸化炭素及び酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、高濃度分離ガスを空気の代わりに燃焼機関部へ送って燃焼させるので、高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じ、結果的に一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。更に、空気の代わりに燃焼機関部へ送る高濃度分離ガスは、窒素を含んでいないので、燃焼機関部より排出される燃焼排ガスを低ＮＯx化することができる。更に又、排ガス中の未燃分等の低減も図ることができる。
【００１３】
請求項３に示す如く、好気性微生物を備えた微生物処理部と、分離装置のアノードから前記微生物処理部へ通じる微生物処理用アノード排出ラインとを備え、前記分離装置のアノードで生じた二酸化炭素と酸素の高純度且つ高濃度分離ガスは、前記微生物処理用アノード排出ラインを介して前記微生物処理部に送られることにより、微生物の活性を向上させると、微生物処理部における微生物の活性により高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じるので、一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を確実に不要にすると共にコストを一層低減することができる。
【００１４】
請求項４によれば、燃焼排ガスを分離装置で処理することにより二酸化炭素及び酸素を分離して二酸化炭素及び酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、微生物処理部における微生物の活性により高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じるので、一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。更に、微生物処理部へ送る高濃度分離ガスは、窒素を含んでいないので、微性物の活性に悪影響を与えないだけでなく、微生物処理部より排出されるガスを低ＮＯx化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００１６】
図１、図２は本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施する形態の第一例を示したものである。
【００１７】
第一例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法は、多孔質体のカソード２とアノード３の間に溶融炭酸塩の電解質板４を配置した分離セル５と、カソード２及びアノード３に電位を与えるよう直流電源６を設けた回路７とを備えて分離装置８を構成すると共に、重油等の燃料を燃やして燃焼排ガスを生じるよう、燃料導入ライン９と空気導入ライン１０とを備えたボイラ等の燃焼機関部１１を設けている。
【００１８】
分離装置８のカソード２には、燃焼機関部１１から燃焼排ガスを流し得る燃焼排ガス供給ライン１２を接続すると共に、空気を適宜追加し得る空気追加ライン１３を接続し、更にカソード２で未反応の処理ガスを排出し得るカソード排出ライン１４を接続している。分離装置８のアノード３には、アノード３内で生じる高濃度分離ガスを燃焼機関部１１へ戻し得るよう、燃焼機関部１１の空気導入ライン１０に接続する燃焼機関部用アノード排出ライン１５を備えている。又、分離装置８には、電解質板４の溶融炭酸塩が反応に使用し得るよう５００℃〜８００℃の高温域に加熱するヒータ（図示せず）を備えており、燃焼排ガス供給ライン１２の中途位置には高濃度の二酸化炭素を回収する回収手段（図示せず）を備えるよう回収ライン１６を接続している。
【００１９】
ここで、溶融炭酸塩の電解質板４は、リチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ_２）等により構成したマトリックスに、電解質である炭酸塩を含浸させたものを用いており、炭酸塩には、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３等のアルカリ金属の炭酸塩及びＭｇＣＯ_３、ＣａＣＯ_３等のアルカリ土類金属の炭酸塩を単独若しくは混合物で使用している。又、カソード２及びアノード３には、高温で且つ酸化雰囲気に耐えられる導電性金属酸化物になるよう、夫々、酸化ニッケル、酸化鉄、あるいは、酸化銅及びその他金属酸化物が単独又は混合されたものにリチウムがドープされた多孔質体を用いている。
【００２０】
以下、本発明を実施する形態の第一例の作用を説明する。
【００２１】
燃焼機関部１１に燃料と空気を導入して燃焼した際には、酸素、水、窒素、低濃度（略１０ｖｏｌ％）の二酸化炭素等からなる通常の燃焼排ガスを生じており、第一例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法により燃焼排ガスを処理する際には、分離装置８を５００℃〜８００℃の高温に維持して、燃焼排ガスを燃焼排ガス供給ライン１２から分離装置８のカソード２に流し込んで処理する。
【００２２】
カソード２では、
【化７】
ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−
の電気化学反応を行って炭酸イオンを生じており、炭酸イオンは電解質板４を介してアノード３に移動すると共に、微量の二酸化炭素、水及び窒素等の未反応の処理ガスはカソード排出ライン１４から外部へ排出される。ここで、カソード２には、燃焼排ガス供給ライン１２から流れ込む燃焼排ガスの組成や量を調整するよう、空気追加ライン１３から空気を適宜追加している。
【００２３】
一方、アノード３では、炭酸イオンが、
【化８】
ＣＯ_３ ^２−→ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻
の反応により、燃焼排ガスの組成に関係なく二酸化炭素及び酸素を分離して、二酸化炭素が略６７ｖｏｌ％と酸素が略３３ｖｏｌ％の高純度且つ高濃度分離ガスを生じ、高濃度分離ガスは、燃焼機関部用アノード排出ライン１５より空気導入ライン１０を介して燃焼機関部１１へ戻される。ここで、高濃度分離ガスにおける略６７ｖｏｌ％の二酸化炭素、及び略３３ｖｏｌ％の酸素は、空気中の二酸化炭素及び酸素よりも高濃度である。
【００２４】
燃焼機関部１１では、空気の代わりに高濃度分離ガスを導入して高濃度の酸素を燃やして一層高濃度の二酸化炭素を生じ、一層高濃度の二酸化炭素は、燃焼排ガス供給ライン１２及び回収ライン１６より排出され、回収手段により水を除去して回収される。ここで、燃焼機関部１１で生じる燃焼排ガスは、分離装置８及び燃焼機関部１１を複数回循環させて二酸化炭素の濃度を高めてもよい。又、高濃度分離ガスを生じる分離装置８の分離セル５の容量は、燃焼機関部１１に略３３ｖｏｌ％の酸素を供給し得るよう大きな容量のものが好ましい。更に、分離セル５の能力が増すほど、空気導入ライン１０から燃焼機関部１１へ導入される空気の導入量は減少し、対照的に、空気追加ライン１３から分離装置８へ追加される空気の量が増大し且つ分離装置８から燃焼機関部用アノード排出ライン１５を介して燃焼機関部１１へ戻される高濃度分離ガス中の酸素は増加する。
【００２５】
このように、第一例によれば、燃焼機関部１１で生じた燃焼排ガスを分離装置８で処理することにより、燃焼排ガスから二酸化炭素及び酸素を分離して、略６７ｖｏｌ％の二酸化炭素及び略３３ｖｏｌ％の酸素である高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、高濃度分離ガスを空気の代わりに燃焼機関部１１へ戻して燃焼させるので、高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じ、結果的に一層高濃度の二酸化炭素を回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。更に、空気の代わりに燃焼機関部１１へ戻す高濃度分離ガスには窒素を含んでいないので、燃焼機関部１１より排出される燃焼排ガスを低ＮＯx化することができる。更に又、燃焼排ガスに未燃分が含まれていた場合には、分離装置８内で未燃分を燃焼するので、外部へ排出される量を大幅に低減することができる。又、分離装置８で生じた高濃度分離ガス中の酸素の濃度を略３３ｖｏｌ％にするので、空気中の酸素の濃度に比べて燃焼機関部１１の熱機関効率を上昇させることができる。ここで、高濃度分離ガス中の酸素の濃度が略３３ｖｏｌ％より高い場合には、燃焼機関部１１の燃焼温度が上がり過ぎるので、燃焼機関部１１を好適に使用することができない。又、第一例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法によれば、全体的な二酸化炭素の排出量を削減することができる。
【００２６】
図３、図４は本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施の形態の第二例を示したものであり、図１、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００２７】
第二例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法に用いる装置は、第一例と略同様に、分離セル５と回路７を備えて構成される分離装置８と、燃料導入ライン９と空気導入ライン１０とを備える燃焼機関部１１とを設けている
【００２８】
分離装置８のカソード２には、燃焼機関部１１でない他の燃焼機関（図示せず）から燃焼排ガスと空気を流し得る燃焼排ガス供給ライン１７を接続すると共に、第一例と略同様に、カソード２で未反応の処理ガスを排出し得るカソード排出ライン１４を接続している。分離装置８のアノード３には、アノード３内で生じる高濃度分離ガスを燃焼機関部１１へ送るよう、燃焼機関部１１の空気導入ライン１０に接続する燃焼機関部用アノード排出ライン１５を備えている。又、分離装置８には、第一例と略同様に、電解質板４の溶融炭酸塩が反応に使用し得るよう５００℃〜８００℃の高温域に加熱するヒータ（図示せず）を備えている。
【００２９】
一方、燃焼機関部１１には、燃焼を燃やして生じる燃焼排ガスを排出し得るよう燃焼排ガス排出ライン１８を接続しており、燃焼排ガス排出ライン１８には高濃度の二酸化炭素を回収する回収手段（図示せず）を備えている。
【００３０】
以下、本発明を実施する形態の第二例の作用を説明する。
【００３１】
第二例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法により、他の燃焼機関（図示せず）から生じた燃焼排ガスを処理する際には、分離装置８を５００℃〜８００℃の高温に維持して、他の燃焼機関の燃焼排ガスを燃焼排ガス供給ライン１７から分離装置８のカソード２に流し込んで処理する。ここで、燃焼排ガスは、通常のものであって、酸素、水、窒素、低濃度（略１０ｖｏｌ％）の二酸化炭素等からなるものである。
【００３２】
カソード２では、
【化９】
ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−
の電気化学反応を行って炭酸イオンを生じており、炭酸イオンは電解質板４を介してアノード３に移動すると共に、微量の二酸化炭素、水及び窒素等の未反応の処理ガスはカソード排出ライン１４から外部へ排出される。ここで、他の燃焼排ガスに含まれる空気は、燃焼排ガスの組成や量を調整するものである。
【００３３】
一方、アノード３では、炭酸イオンが、
【化１０】
ＣＯ_３ ^２−→ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻
の反応により、燃焼排ガスの組成に関係なく二酸化炭素及び酸素を分離して、二酸化炭素が略６７ｖｏｌ％と酸素が略３３ｖｏｌ％の高濃度分離ガスを生じ、高濃度分離ガスは、燃焼機関部用アノード排出ライン１５より空気導入ライン１０を介して燃焼機関部１１へ送られる。ここで、高濃度分離ガスにおける略６７ｖｏｌ％の二酸化炭素、及び略３３ｖｏｌ％の酸素は、空気中の二酸化炭素及び酸素よりも高濃度である。
【００３４】
燃焼機関部１１では、空気の代わりに高濃度分離ガスを導入して高濃度の酸素を燃やして一層高濃度の二酸化炭素を生じ、一層高濃度の二酸化炭素は、燃焼排ガス排出ライン１８より排出され、回収手段により水を除去して回収される。ここで、高濃度分離ガスを生じる分離装置８の分離セル５の容量は、燃焼機関部１１に略３３ｖｏｌ％の酸素を供給し得るよう大きな容量のものが好ましい。
【００３５】
このように、第二例によれば、他の燃焼排ガスを分離装置８で処理することにより、他の燃焼機関（図示せず）の燃焼排ガスから二酸化炭素及び酸素を分離して、略６７ｖｏｌ％の二酸化炭素及び略３３ｖｏｌ％の酸素である高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、高濃度分離ガスを空気の代わりに燃焼機関部１１へ送って燃焼させるので、高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じ、結果的に一層高濃度の二酸化炭素を回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。ここで、燃焼機関部１１へ送る二酸化炭素と酸素の濃度比を調整して高濃度分離ガスを理論空気比にした場合には、燃焼機関部１１で１００ｖｏｌ％の二酸化炭素を生じ、水を取り除いて極めて高濃度の二酸化炭素を回収することができる。更に、空気の代わりに燃焼機関部１１へ送る高濃度分離ガスには窒素を含んでいないので、燃焼機関部１１より排出される燃焼排ガスを低ＮＯx化することができる。更に又、排ガス中の未燃分等の低減も図ることができる。又、分離装置８で生じた高濃度分離ガス中の酸素の濃度を略３３ｖｏｌ％にするので、空気中の酸素の濃度に比べて燃焼機関部１１の熱機関効率を上昇させることができる。ここで、高濃度分離ガス中の酸素の濃度が略３３ｖｏｌ％より高い場合には、燃焼機関部１１の燃焼温度が上がり過ぎるので、燃焼機関部１１を好適に使用することができない。更に、第二例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法によれば、全体的な二酸化炭素の排出量を削減することができる。
【００３６】
図５は本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施する形態の第三例を示したものであり、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。又、図６は本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施する形態の第四例を示したものあり、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００３７】
第三例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法に用いる装置は、第一例と略同様な分離装置８と燃焼機関部１１を設けており、第四例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法に用いる装置は、第三例と略同様な分離装置８と燃焼機関部１１を設けている。
【００３８】
第三例及び第四例の燃焼機関部用アノード排出ライン１５の中途位置には、分離装置８のアノード３から高濃度分離ガスの一部を流すよう、微生物処理用アノード排出ライン１９を介して微生物処理部２０を備えており、微生物処理部２０には、酸素を消費して二酸化炭素を生じる好気性微生物を備えている。又、第三例の微生物処理部２０には、処理ガスを二酸化炭素の回収手段（図示せず）へ送るよう、回収ライン１６へ接続する処理ガス排出ライン２１を備えており、第四例の微生物処理部２０には、第三例と略同様に、処理ガスを二酸化炭素の回収手段（図示せず）へ送るよう、燃焼排ガス排出ライン１８へ接続する処理ガス排出ライン２１を備えている。
【００３９】
以下、本発明を実施する形態の第三例及び第四例の作用を説明する。
【００４０】
第三例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法は、第一例と略同様に、燃焼機関部１１の燃焼排ガスを分離装置８で処理して二酸化炭素が略６７ｖｏｌ％と酸素が略３３ｖｏｌ％の高純度且つ高濃度分離ガスを生じる。又、高濃度分離ガスが燃焼機関部用アノード排出ライン１５を介して戻される燃焼機関部１１では、空気の代わりに高濃度分離ガスを導入して高濃度の酸素の燃焼により一層高濃度の二酸化炭素を生じており、一層高濃度の二酸化炭素は燃焼排ガス供給ライン１２より排出され、回収ライン１６を介し回収手段により水を除去して回収される。
【００４１】
第四例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法は、第三例と略同様に、他の燃焼機関（図示せず）の燃焼排ガスを分離装置８で処理して二酸化炭素が略６７ｖｏｌ％と酸素が略３３ｖｏｌ％の高純度且つ高濃度分離ガスを生じる。又、高濃度分離ガスが燃焼機関部用アノード排出ライン１５を介して送られる燃焼機関部１１では、空気の代わりに高濃度分離ガスを導入して高濃度の酸素の燃焼により一層高濃度の二酸化炭素を生じており、一層高濃度の二酸化炭素は、燃焼排ガス排出ライン１８より排出され、且つ回収手段により水を除去して回収される。
【００４２】
又、第三例及び第四例の高濃度分離ガスの一部は、微生物処理用アノード排出ライン１９を介して微生物処理部２０に送られており、微生物処理部２０では、高濃度分離ガス中の高濃度の酸素によって微生物が活性化することにより、酸素を変換して一層高濃度の二酸化炭素を生じ、一層高濃度の二酸化炭素は、処理ガス排出ライン２１より排出され、回収手段により水を除去して回収される。ここで、微生物処理部２０の容量は、高濃度の二酸化炭素へ迅速に変換するよう大きな容量のものが好ましい。
【００４３】
このように、第三例及び第四例によれば、微生物処理部２０における微生物の活性により高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じるので、一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を確実に不要にすると共にコストを一層低減することができる。又、微生物処理部２０は、好気性微生物の種類を選択することによって有機性廃棄物を処理することができると共に、高濃度の酸素によって迅速に処理することができる。更に、第三例は、第一例と略同様な作用効果を得ることができ、第四例は、第二例と略同様な作用効果を得ることができる。
【００４４】
図７は本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施の形態の第五例を示したものであり、図２、図５、図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００４５】
第五例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法に用いる装置は、第二例と略同様な分離装置８と、第三例又は第四例と略同様な微生物処理部２０とを設けている
【００４６】
分離装置８のカソード２には、燃焼機関部１１でない他の燃焼機関（図示せず）から燃焼排ガスと空気を流し得る燃焼排ガス供給ライン１７を接続すると共に、カソード２で未反応の処理ガスを排出し得るカソード排出ライン１４を接続している。分離装置８のアノード３には、アノード３内で生じる高濃度分離ガスを、第三例又は第四例と略同様な微生物処理部２０へ送るよう微生物処理用アノード排出ライン１９を接続している。又、第三例の微生物処理部２０には、処理ガスを二酸化炭素の回収手段（図示せず）へ送るよう処理ガス排出ライン２１を備えている。
【００４７】
以下、本発明を実施する形態の第五例の作用を説明する。
【００４８】
第五例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法により、他の燃焼機関（図示せず）から生じた燃焼排ガスを処理する際には、第二例と略同様に、燃焼排ガスを燃焼排ガス供給ライン１２から分離装置８のカソード２に流し込んで処理する。
【００４９】
カソード２では、
【化１１】
ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−
の電気化学反応を行って炭酸イオンを生じており、炭酸イオンは電解質板４を介してアノード３に移動すると共に、微量の二酸化炭素、水及び窒素等の未反応の処理ガスはカソード排出ライン１４から外部へ排出される。ここで、他の燃焼排ガスに含まれる空気は、燃焼排ガスの組成や量を調整するものである。
【００５０】
一方、アノード３では、炭酸イオンが、
【化１２】
ＣＯ_３ ^２−→ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻
の反応により、燃焼排ガスの組成に関係なく二酸化炭素及び酸素を分離して、二酸化炭素が略６７ｖｏｌ％と酸素が略３３ｖｏｌ％の高純度且つ高濃度分離ガスを生じ、高濃度分離ガスは、微生物処理用アノード排出ライン１９を介して微生物処理部２０へ送られる。ここで、高濃度分離ガスにおける略６７ｖｏｌ％の二酸化炭素、及び略３３ｖｏｌ％の酸素は、空気中の二酸化炭素及び酸素よりも高濃度である。
【００５１】
微生物処理部２０では、高濃度分離ガス中の酸素により微生物が活性化することにより、酸素を変換して一層高濃度の二酸化炭素を生じており、一層高濃度の二酸化炭素は、処理ガス排出ライン２１より排出され、回収手段により水を除去して回収される。
【００５２】
このように、第五例によれば、燃焼排ガスを分離装置８で処理することにより二酸化炭素及び酸素を分離して二酸化炭素及び酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、微生物処理部２０における微生物の活性により高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じるので、一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。更に、微生物処理部２０へ送る高濃度分離ガスは、窒素を含んでいないので、微性物の活性に悪影響を与えないだけでなく、微生物処理部２０より排出されるガスを低ＮＯx化することができる。又、微生物処理部２０は、好気性微生物の種類を選択することによって有機性廃棄物を処理することもでき、且つ高濃度の酸素によって迅速に処理することができる。
【００５３】
なお、本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法は、上述の実施の形態例に限定されるものではなく、分離装置で生じた高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を他の用途に用いてもよいこと、燃焼排ガスは燃焼機関部による燃焼排ガスの代わりに内燃機関等の他の燃焼により生じた燃焼排ガスでもよいこと、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００５５】
Ｉ）請求項１によれば、燃焼機関部で生じた燃焼排ガスを分離装置で処理することにより、燃焼排ガスから二酸化炭素及び酸素を分離して二酸化炭素及び酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、高濃度分離ガスを空気の代わりに燃焼機関部へ戻して燃焼させるので、高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じ、結果的に一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。更に、空気の代わりに燃焼機関部へ戻す高濃度分離ガスには窒素を含んでいないので、燃焼機関部より排出される燃焼排ガスを低ＮＯx化することができる。更に又、燃焼排ガスに未燃分が含まれていた場合には、分離装置内で未燃分を燃焼するので、外部へ排出される量を大幅に低減することができる。
【００５６】
ＩＩ）請求項２によれば、他の燃焼排ガスを分離装置で処理することにより、他の燃焼排ガスから二酸化炭素及び酸素を分離して二酸化炭素及び酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、高濃度分離ガスを空気の代わりに燃焼機関部へ送って燃焼させるので、高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じ、結果的に一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。更に、空気の代わりに燃焼機関部へ送る高濃度分離ガスは、窒素を含んでいないので、燃焼機関部より排出される燃焼排ガスを低ＮＯx化することができる。更に又、排ガス中の未燃分等の低減も図ることができる。
【００５７】
ＩＩＩ）請求項３に示す如く、好気性微生物を備えた微生物処理部と、分離装置のアノードから前記微生物処理部へ通じる微生物処理用アノード排出ラインとを備え、前記分離装置のアノードで生じた二酸化炭素と酸素の高純度且つ高濃度分離ガスは、前記微生物処理用アノード排出ラインを介して前記微生物処理部に送られることにより、微生物の活性を向上させると、微生物処理部における微生物の活性により高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じるので、一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を確実に不要にすると共にコストを一層低減することができる。
【００５８】
ＩＶ）請求項４によれば、燃焼排ガスを分離装置で処理することにより二酸化炭素及び酸素を分離して二酸化炭素及び酸素の高純度且つ高濃度分離ガスを生じるので、二酸化炭素及び酸素を精製し高濃度化することができる。又、微生物処理部における微生物の活性により高濃度分離ガス中の高濃度の酸素を利用して一層高濃度の二酸化炭素を生じるので、一層高濃度の二酸化炭素を容易に回収して多大な動力を不要にすると共にコストを低減することができる。更に、微生物処理部へ送る高濃度分離ガスは、窒素を含んでいないので、微性物の活性に悪影響を与えないだけでなく、微生物処理部より排出されるガスを低ＮＯx化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施する形態の第一例を示す概念図である。
【図２】第一例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法に用いる分離装置を示す概念図である。
【図３】本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施する形態の第二例を示す概念図である。
【図４】第二例の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法に用いる分離装置を示す概念図である。
【図５】本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施する形態の第三例を示す概念図である。
【図６】本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施する形態の第四例を示す概念図である。
【図７】本発明の酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法を実施する形態の第五例を示す概念図である。
【図８】燃焼機関部の燃焼を示す概念図である。
【符号の説明】
１燃焼機関部
２カソード
３アノード
４電解質板
８分離装置
１１燃焼機関部
１２燃焼排ガス供給ライン
１５燃焼機関部用アノード排出ライン
１７燃焼排ガス供給ライン
１９微生物処理用アノード排出ライン
２０微生物処理部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for purifying oxygen and carbon dioxide capable of recovering carbon dioxide having a higher purity and a higher concentration, and a method for increasing the concentration.
[0002]
[Prior art]
In recent years, carbon dioxide has been concentrated and separated and recovered from combustion exhaust gas so as to reduce the amount of carbon dioxide gas emitted with less energy than before. As a typical method of separation and recovery, PSA (pressure swing) is used. Adsorption method), amine method, cryogenic separation method, and membrane separation method.
[0003]
Explaining each method, the PSA (pressure swing adsorption method) method is a method for separating and recovering carbon dioxide by repeating adsorption and desorption by changing the gas pressure, and the amine method is an amine absorbent. In this method, carbon dioxide is absorbed by a chemical reaction and heated to separate and recover the carbon dioxide. The cryogenic separation method liquefies the mixed gas (combustion exhaust gas) at a low temperature, This is a method for separating and recovering carbon dioxide by utilizing the difference in liquefaction temperature. The membrane separation method uses the difference in the gas permeation rate with respect to the polymer membrane to allow the exhaust gas to pass through the flue gas through the polymer membrane. This is a method for separating and recovering carbon. There are also the following methods (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-33340
[Patent Document 2]
JP 11-191427 A
[Patent Document 3]
JP-A-11-223475
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when carbon dioxide is separated and recovered from the combustion exhaust gas of the combustion engine section 1 shown in FIG. 8 using the above method to obtain high concentration carbon dioxide, the combustion exhaust gas contains nitrogen. Since carbon dioxide has a low concentration of about 10 vol%, it is difficult to separate and recover high concentration carbon dioxide, which requires a lot of power and increases costs. In addition, when oxygen is separated and recovered from air using the PSA (Pressure Swing Adsorption Method) method or membrane separation method to obtain a high concentration of oxygen, the air contains nitrogen and the oxygen content is low. Since it is a concentration, it is difficult to separate and recover oxygen with a high concentration, and there is a problem that a large amount of power is required and the cost is increased as in the case of carbon dioxide.
[0006]
The present invention relates to a method for purifying oxygen and carbon dioxide that can increase the concentration of oxygen in the combustion exhaust gas with less energy than before and recover higher concentration of carbon dioxide using the high concentration of oxygen and a method for increasing the concentration of carbon dioxide. It is intended to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a separator having a molten carbonate electrolyte plate between a cathode and an anode, a combustion engine section that burns fuel to generate a combustion exhaust gas, and a combustion exhaust gas separator from the combustion engine section. A combustion exhaust gas supply line that flows to the cathode, and an anode discharge line for the combustion engine part that leads from the anode of the separation device to the combustion engine part,
Carbon dioxide and oxygen in the flue gas flowing into the cathode from the flue gas supply line are
[Formula 4]
CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻→ CO₃ ^2-
To generate carbonate ions, which are transferred to the anode through the electrolyte plate to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen,
The high-concentration separation gas relates to a method for purifying oxygen and carbon dioxide and a high-concentration treatment method, wherein the high-concentration separated gas is returned to the combustion engine section instead of air through the anode discharge line for the combustion engine section. .
[0008]
According to a second aspect of the present invention, a separator having a molten carbonate electrolyte plate between a cathode and an anode, a combustion engine section that burns fuel to generate combustion exhaust gas, and another combustion exhaust gas is allowed to flow to the cathode of the separator. A combustion exhaust gas supply line, and an anode discharge line for a combustion engine part communicating from the anode of the separation device to the combustion engine part,
Carbon dioxide and oxygen in the flue gas flowing into the cathode from the flue gas supply line are
[Chemical formula 5]
CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻→ CO₃ ^2-
To generate carbonate ions, which are transferred to the anode through the electrolyte plate to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen,
The high-concentration separated gas relates to a method for purifying oxygen and carbon dioxide and a high-concentration treatment method, wherein the high-concentration separated gas is sent to the combustion engine section instead of air through the anode discharge line for the combustion engine section. .
[0009]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a microbial treatment section having an aerobic microorganism, and a microbial treatment anode discharge line leading from the anode of the separation apparatus to the microbial treatment section, and carbon dioxide generated at the anode of the separation apparatus 3. The purified oxygen and carbon dioxide according to claim 1 or 2, wherein the high purity and high concentration separation gas of oxygen and oxygen is sent to the microorganism treatment section through an anode discharge line for microorganism treatment, thereby improving the activity of microorganisms. And the high concentration processing method.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a separation apparatus comprising a molten carbonate electrolyte plate between the cathode and the anode, a combustion exhaust gas supply line for flowing the combustion exhaust gas to the cathode of the separation apparatus, and a microorganism treatment section comprising aerobic microorganisms. And an anode discharge line for microbial treatment leading from the anode of the separation device to the microbial treatment section,
Carbon dioxide and oxygen in the flue gas flowing into the cathode from the flue gas supply line are
[Chemical 6]
CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻→ CO₃ ^2-
To generate carbonate ions, which are transferred to the anode through the electrolyte plate to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen,
The high-concentration separation gas is sent to a microorganism treatment section through an anode discharge line for treating fine substances, thereby improving the activity of microorganisms, and a method for purifying and increasing the concentration of oxygen and carbon dioxide, , Related to
[0011]
Thus, according to claim 1, by treating the combustion exhaust gas generated in the combustion engine section with the separator, the carbon dioxide and oxygen are separated from the combustion exhaust gas to separate the carbon dioxide and oxygen with high purity and high concentration. Since gas is generated, carbon dioxide and oxygen can be purified and concentrated. Also, since the high concentration separation gas is returned to the combustion engine section instead of air and burned, the high concentration oxygen in the high concentration separation gas is used to produce a higher concentration of carbon dioxide, resulting in a higher concentration. The carbon dioxide can be easily recovered so that a large amount of power is unnecessary and the cost can be reduced. Furthermore, since the high-concentration separated gas that is returned to the combustion engine section instead of air does not contain nitrogen, the combustion exhaust gas discharged from the combustion engine section can be reduced in NOx. Furthermore, when unburned components are contained in the combustion exhaust gas, the unburned components are burned in the separation device, so that the amount discharged to the outside can be greatly reduced.
[0012]
According to claim 2, by treating the other combustion exhaust gas with the separation device, carbon dioxide and oxygen are separated from the other combustion exhaust gas to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen. Carbon and oxygen can be purified and concentrated. In addition, since the high-concentration separated gas is sent to the combustion engine section instead of air and burned, the high-concentration oxygen in the high-concentration separated gas is used to produce a higher concentration of carbon dioxide, resulting in a higher concentration. The carbon dioxide can be easily recovered so that a large amount of power is unnecessary and the cost can be reduced. Furthermore, since the high-concentration separated gas sent to the combustion engine section instead of air does not contain nitrogen, the combustion exhaust gas discharged from the combustion engine section can be reduced in NOx. Furthermore, it is possible to reduce unburned components in the exhaust gas.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a microbial treatment section provided with aerobic microorganisms, and a microbial treatment anode discharge line leading from the anode of the separation apparatus to the microbial treatment section, and carbon dioxide generated at the anode of the separation apparatus; A high-purity and high-concentration separation gas of oxygen is sent to the microbial treatment section through the microbial treatment anode discharge line, thereby improving the microbial activity. Higher concentration of carbon dioxide is produced by using higher concentration of oxygen in the gas, so that higher concentration of carbon dioxide can be easily recovered to ensure that no significant power is required and cost can be further reduced. it can.
[0014]
According to the fourth aspect of the present invention, the combustion exhaust gas is treated by the separation device to separate the carbon dioxide and oxygen to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen. Can be In addition, because of the activity of microorganisms in the microorganism treatment section, high concentration of carbon dioxide is produced by using high concentration of oxygen in the high concentration separation gas. It can be made unnecessary and the cost can be reduced. Furthermore, since the high-concentration separation gas sent to the microbial treatment section does not contain nitrogen, it not only has an adverse effect on the activity of fine substances, but also can reduce the NOx emitted from the microbial treatment section. .
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
1 and 2 show a first example of an embodiment for carrying out the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration according to the present invention.
[0017]
The oxygen and carbon dioxide purification and concentration treatment methods of the first example include a separation cell 5 in which a molten carbonate electrolyte plate 4 is arranged between a porous cathode 2 and an anode 3, and a cathode 2 and an anode 3. And a circuit 7 provided with a direct current power source 6 so as to apply a potential to the separator, and a separation device 8 is formed, and a fuel introduction line 9 and an air introduction line 10 are provided so as to generate a combustion exhaust gas by burning fuel such as heavy oil. A combustion engine section 11 such as a boiler is provided.
[0018]
A combustion exhaust gas supply line 12 through which combustion exhaust gas can flow from the combustion engine unit 11 is connected to the cathode 2 of the separation device 8, and an air addition line 13 through which air can be appropriately added is connected. A cathode discharge line 14 capable of discharging the processing gas is connected. The anode 3 of the separation device 8 includes a combustion engine part anode discharge line 15 connected to the air introduction line 10 of the combustion engine part 11 so that the high-concentration separated gas generated in the anode 3 can be returned to the combustion engine part 11. ing. Further, the separation device 8 is provided with a heater (not shown) for heating to a high temperature range of 500 ° C. to 800 ° C. so that the molten carbonate of the electrolyte plate 4 can be used for the reaction. A recovery line 16 is connected to a midway position so as to include a recovery means (not shown) for recovering high-concentration carbon dioxide.
[0019]
Here, the molten carbonate electrolyte plate 4 is made of lithium aluminate (LiAlO).₂ ) Or the like is used to impregnate a carbonate that is an electrolyte.₂CO₃, K₂CO₃, Na₂CO₃Alkali metal carbonates such as MgCO₃, CaCO₃Alkaline earth metal carbonates such as these are used alone or in a mixture. In addition, the cathode 2 and the anode 3 are each made of nickel oxide, iron oxide, copper oxide, and other metal oxides alone or mixed so as to become conductive metal oxides that can withstand an oxidizing atmosphere at high temperatures. A porous material doped with lithium is used.
[0020]
Hereinafter, the operation of the first example of the embodiment of the present invention will be described.
[0021]
When fuel and air are introduced into the combustion engine section 11 and burnt, normal combustion exhaust gas composed of oxygen, water, nitrogen, low concentration (approximately 10 vol%) carbon dioxide, etc. is generated. When the combustion exhaust gas is treated by the purification method of oxygen and carbon dioxide and the concentration increasing treatment method, the separation device 8 is maintained at a high temperature of 500 ° C. to 800 ° C., and the combustion exhaust gas is separated from the combustion exhaust gas supply line 12. Then, it is poured into the cathode 2 and processed.
[0022]
In cathode 2,
[Chemical 7]
CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻→ CO₃ ^2-
The carbonate ions are generated by the electrochemical reaction of the carbon dioxide, and the carbonate ions move to the anode 3 through the electrolyte plate 4 and the unreacted processing gas such as a small amount of carbon dioxide, water, and nitrogen is the cathode discharge line 14. Is discharged to the outside. Here, air is appropriately added from the air addition line 13 to the cathode 2 so as to adjust the composition and amount of the combustion exhaust gas flowing from the combustion exhaust gas supply line 12.
[0023]
On the other hand, in the anode 3, carbonate ions are
[Chemical 8]
CO₃ ^2-→ CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻
In this reaction, carbon dioxide and oxygen are separated regardless of the composition of the combustion exhaust gas, resulting in a high-purity and high-concentration separated gas in which carbon dioxide is about 67 vol% and oxygen is about 33 vol%. The engine part anode discharge line 15 returns to the combustion engine part 11 through the air introduction line 10. Here, approximately 67 vol% carbon dioxide and approximately 33 vol% oxygen in the high-concentration separation gas are higher in concentration than carbon dioxide and oxygen in the air.
[0024]
In the combustion engine unit 11, a high-concentration separation gas is introduced instead of air to burn high-concentration oxygen to produce higher-concentration carbon dioxide. The higher-concentration carbon dioxide is supplied to the combustion exhaust gas supply line 12 and the recovery line. 16 and is recovered by removing water by the recovery means. Here, the combustion exhaust gas generated in the combustion engine unit 11 may be circulated through the separation device 8 and the combustion engine unit 11 a plurality of times to increase the concentration of carbon dioxide. Moreover, the capacity of the separation cell 5 of the separation device 8 that generates the high-concentration separation gas is preferably large so that approximately 33 vol% of oxygen can be supplied to the combustion engine section 11. Furthermore, as the capacity of the separation cell 5 increases, the amount of air introduced from the air introduction line 10 to the combustion engine section 11 decreases, in contrast, the amount of air added from the air addition line 13 to the separation device 8. The amount of oxygen in the high-concentration separated gas that increases in amount and returns to the combustion engine unit 11 from the separator 8 via the anode discharge line 15 for the combustion engine unit increases.
[0025]
Thus, according to the first example, the combustion exhaust gas generated in the combustion engine unit 11 is processed by the separation device 8 to separate carbon dioxide and oxygen from the combustion exhaust gas, so that approximately 67 vol% carbon dioxide and approximately Since the high purity and high concentration separation gas which is 33 vol% oxygen is produced, carbon dioxide and oxygen can be purified and the concentration can be increased. In addition, since the high-concentration separated gas is returned to the combustion engine unit 11 for combustion instead of air, high-concentration oxygen in the high-concentration separated gas is used to produce higher-concentration carbon dioxide, resulting in a higher concentration. The concentration of carbon dioxide can be recovered so that a large amount of power is not required and the cost can be reduced. Further, since the high-concentration separated gas returned to the combustion engine unit 11 instead of air does not contain nitrogen, the combustion exhaust gas discharged from the combustion engine unit 11 can be reduced in NOx. Furthermore, when unburned components are contained in the combustion exhaust gas, the unburned components are burned in the separation device 8, so that the amount discharged to the outside can be greatly reduced. Further, since the concentration of oxygen in the high-concentration separated gas generated by the separation device 8 is approximately 33 vol%, the heat engine efficiency of the combustion engine unit 11 can be increased compared to the concentration of oxygen in the air. Here, when the concentration of oxygen in the high-concentration separated gas is higher than about 33 vol%, the combustion temperature of the combustion engine unit 11 is excessively increased, so that the combustion engine unit 11 cannot be used suitably. Moreover, according to the refinement | purification method of oxygen and carbon dioxide of 1st example, and a high concentration processing method, the discharge | emission amount of the whole carbon dioxide can be reduced.
[0026]
FIGS. 3 and 4 show a second example of the embodiment of the method for purifying oxygen and carbon dioxide according to the present invention, and the method for increasing the concentration. The parts denoted by the same reference numerals as those in FIGS. It represents the same thing.
[0027]
The apparatus used for the oxygen and carbon dioxide purification and concentration treatment method of the second example is substantially the same as in the first example, the separation apparatus 8 including the separation cell 5 and the circuit 7, and the fuel introduction line 9. And a combustion engine section 11 including an air introduction line 10
[0028]
A combustion exhaust gas supply line 17 capable of flowing combustion exhaust gas and air from another combustion engine (not shown) that is not the combustion engine unit 11 is connected to the cathode 2 of the separation device 8, and the cathode is substantially the same as in the first example. 2 is connected to the cathode discharge line 14 which can discharge the unreacted processing gas. The anode 3 of the separator 8 includes a combustion engine part anode discharge line 15 connected to the air introduction line 10 of the combustion engine part 11 so as to send the high-concentration separated gas generated in the anode 3 to the combustion engine part 11. Yes. Further, the separation device 8 is provided with a heater (not shown) for heating to a high temperature range of 500 ° C. to 800 ° C. so that the molten carbonate of the electrolyte plate 4 can be used for the reaction, as in the first example. Yes.
[0029]
On the other hand, a combustion exhaust gas exhaust line 18 is connected to the combustion engine unit 11 so that combustion exhaust gas generated by burning combustion can be discharged, and the combustion exhaust gas exhaust line 18 collects a high-concentration carbon dioxide recovery means ( (Not shown).
[0030]
Hereinafter, the operation of the second example of the embodiment of the present invention will be described.
[0031]
When the exhaust gas generated from another combustion engine (not shown) is processed by the oxygen and carbon dioxide purification and concentration treatment method of the second example, the separation device 8 is heated to a high temperature of 500 ° C. to 800 ° C. The combustion exhaust gas of another combustion engine is flowed from the combustion exhaust gas supply line 17 to the cathode 2 of the separation device 8 and processed. Here, the combustion exhaust gas is normal, and is composed of oxygen, water, nitrogen, low concentration (approximately 10 vol%) carbon dioxide, and the like.
[0032]
In cathode 2,
[Chemical 9]
CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻→ CO₃ ^2-
The carbonate ions are generated by the electrochemical reaction of the carbon dioxide, and the carbonate ions move to the anode 3 through the electrolyte plate 4 and the unreacted processing gas such as a small amount of carbon dioxide, water, and nitrogen is the cathode discharge line 14. Is discharged to the outside. Here, the air contained in other combustion exhaust gas adjusts the composition and amount of the combustion exhaust gas.
[0033]
On the other hand, in the anode 3, carbonate ions are
Embedded image
CO₃ ^2-→ CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻
In this reaction, carbon dioxide and oxygen are separated regardless of the composition of the combustion exhaust gas to produce a high-concentration separated gas in which carbon dioxide is approximately 67 vol% and oxygen is approximately 33 vol%. It is sent from the anode discharge line 15 to the combustion engine section 11 through the air introduction line 10. Here, approximately 67 vol% carbon dioxide and approximately 33 vol% oxygen in the high-concentration separation gas are higher in concentration than carbon dioxide and oxygen in the air.
[0034]
In the combustion engine unit 11, high-concentration separated gas is introduced instead of air to burn high-concentration oxygen to produce higher-concentration carbon dioxide. The higher-concentration carbon dioxide is discharged from the combustion exhaust gas discharge line 18. The water is removed by the recovery means and recovered. Here, the capacity of the separation cell 5 of the separation device 8 that generates the high-concentration separation gas is preferably large so that approximately 33 vol% of oxygen can be supplied to the combustion engine section 11.
[0035]
Thus, according to the second example, carbon dioxide and oxygen are separated from the combustion exhaust gas of another combustion engine (not shown) by treating the other combustion exhaust gas with the separation device 8, and approximately 67 vol%. As a result, a high-purity and high-concentration separated gas of approximately 33 vol% oxygen is produced, so that the carbon dioxide and oxygen can be purified and concentrated. In addition, since the high concentration separation gas is sent to the combustion engine unit 11 for combustion instead of air, the high concentration oxygen in the high concentration separation gas is used to produce a higher concentration of carbon dioxide, resulting in a higher concentration. The concentration of carbon dioxide can be recovered so that a large amount of power is not required and the cost can be reduced. Here, when the concentration ratio of carbon dioxide and oxygen to be sent to the combustion engine unit 11 is adjusted so that the high concentration separation gas has a theoretical air ratio, 100 vol% carbon dioxide is generated in the combustion engine unit 11 and water is removed. And extremely high concentrations of carbon dioxide can be recovered. Furthermore, since the high-concentration separated gas sent to the combustion engine unit 11 instead of air does not contain nitrogen, the combustion exhaust gas discharged from the combustion engine unit 11 can be reduced in NOx. Furthermore, it is possible to reduce unburned components in the exhaust gas. Further, since the concentration of oxygen in the high-concentration separated gas generated by the separation device 8 is approximately 33 vol%, the heat engine efficiency of the combustion engine unit 11 can be increased compared to the concentration of oxygen in the air. Here, when the concentration of oxygen in the high-concentration separated gas is higher than about 33 vol%, the combustion temperature of the combustion engine unit 11 is excessively increased, so that the combustion engine unit 11 cannot be used suitably. Furthermore, according to the second example of the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration, the overall carbon dioxide emission can be reduced.
[0036]
FIG. 5 shows a third example of the embodiment of the method for purifying oxygen and carbon dioxide according to the present invention, and the method for increasing the concentration. The parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same items. . FIG. 6 shows a fourth example of the embodiment for carrying out the method for purifying oxygen and carbon dioxide according to the present invention, and the method for increasing the concentration. The parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. Yes.
[0037]
The apparatus used for the oxygen and carbon dioxide purification and concentration treatment method of the third example is provided with the separation device 8 and the combustion engine unit 11 which are substantially the same as those of the first example, and the oxygen and carbon dioxide of the fourth example. The apparatus used for the refining and high concentration treatment method is provided with a separation device 8 and a combustion engine unit 11 which are substantially the same as in the third example.
[0038]
In the middle position of the anode discharge line 15 for the combustion engine part of the third example and the fourth example, a part of the high-concentration separated gas flows from the anode 3 of the separation device 8 via the anode discharge line 19 for microbial treatment. The microorganism processing unit 20 is provided, and the microorganism processing unit 20 includes aerobic microorganisms that consume oxygen and generate carbon dioxide. Further, the third example of the microorganism processing unit 20 includes a processing gas discharge line 21 connected to the recovery line 16 so as to send the processing gas to a carbon dioxide recovery means (not shown). As in the third example, the microorganism processing unit 20 includes a processing gas discharge line 21 connected to the combustion exhaust gas discharge line 18 so as to send the processing gas to a carbon dioxide collecting means (not shown).
[0039]
The operation of the third example and the fourth example of the embodiment for carrying out the present invention will be described below.
[0040]
In the third example, the method for purifying and increasing the concentration of oxygen and carbon dioxide is substantially the same as the first example. A high purity and high concentration separation gas of about 33 vol% is produced. Further, in the combustion engine unit 11 in which the high concentration separated gas is returned through the anode discharge line 15 for the combustion engine unit, a high concentration separated gas is introduced by burning high concentration oxygen by introducing high concentration separated gas instead of air. Carbon is produced, and carbon dioxide having a higher concentration is discharged from the combustion exhaust gas supply line 12 and is recovered by removing water by the recovery means via the recovery line 16.
[0041]
In the fourth example, the purification method for oxygen and carbon dioxide and the concentration increasing method are substantially the same as in the third example, in which the combustion exhaust gas of another combustion engine (not shown) is processed by the separation device 8 to substantially reduce carbon dioxide. A high-purity and high-concentration separation gas with 67 vol% and oxygen of approximately 33 vol% is produced. Further, in the combustion engine section 11 where the high-concentration separated gas is sent through the anode discharge line 15 for the combustion engine section, the high-concentration separated gas is introduced instead of air, and the higher-concentration oxygen is burned by burning high-concentration oxygen. Carbon is produced, and higher concentration carbon dioxide is discharged from the combustion exhaust gas discharge line 18 and is recovered by removing water by the recovery means.
[0042]
A part of the high concentration separation gas in the third example and the fourth example is sent to the microorganism treatment unit 20 via the anode discharge line 19 for microorganism treatment, and the microorganism treatment unit 20 contains the high concentration separation gas in the high concentration separation gas. When the microorganisms are activated by the high concentration of oxygen, oxygen is converted to produce higher concentration of carbon dioxide. The higher concentration of carbon dioxide is discharged from the processing gas discharge line 21 and water is recovered by the recovery means. Removed and recovered. Here, the capacity of the microorganism treatment unit 20 is preferably a large capacity so that it can be quickly converted into high-concentration carbon dioxide.
[0043]
Thus, according to the third example and the fourth example, the activity of microorganisms in the microorganism treatment unit 20 generates a higher concentration of carbon dioxide using a high concentration of oxygen in the high concentration separation gas. Concentrations of carbon dioxide can be easily recovered to ensure that a large amount of power is not required and costs can be further reduced. In addition, the microorganism treatment unit 20 can treat organic waste by selecting the type of aerobic microorganisms, and can also treat quickly with a high concentration of oxygen. Furthermore, the third example can obtain substantially the same operational effects as the first example, and the fourth example can obtain substantially the same operational effects as the second example.
[0044]
FIG. 7 shows a fifth example of the embodiment of the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration according to the present invention. The parts denoted by the same reference numerals as those in FIGS. It represents the same thing.
[0045]
The apparatus used for the oxygen and carbon dioxide purification and concentration treatment method of the fifth example includes a separation device 8 that is substantially the same as the second example, and a microorganism treatment unit 20 that is substantially the same as the third or fourth example. Provided
[0046]
A combustion exhaust gas supply line 17 through which combustion exhaust gas and air can flow from another combustion engine (not shown) that is not the combustion engine unit 11 is connected to the cathode 2 of the separation device 8, and unreacted processing gas is supplied to the cathode 2. A cathode discharge line 14 that can be discharged is connected. A microbial treatment anode discharge line 19 is connected to the anode 3 of the separation device 8 so as to send the high-concentration separation gas generated in the anode 3 to the microbial treatment section 20 substantially the same as in the third or fourth example. . Further, the microorganism processing unit 20 of the third example is provided with a processing gas discharge line 21 so as to send the processing gas to a carbon dioxide collecting means (not shown).
[0047]
Hereinafter, the operation of the fifth example of the embodiment of the present invention will be described.
[0048]
When treating the flue gas generated from another combustion engine (not shown) by the oxygen and carbon dioxide purification and concentration treatment method of the fifth example, the flue gas is substantially the same as the second example. The fuel is supplied from the combustion exhaust gas supply line 12 to the cathode 2 of the separation device 8 for processing.
[0049]
In cathode 2,
Embedded image
CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻→ CO₃ ^2-
The carbonate ions are generated by the electrochemical reaction of the carbon dioxide, and the carbonate ions move to the anode 3 through the electrolyte plate 4 and the unreacted processing gas such as a small amount of carbon dioxide, water, and nitrogen is the cathode discharge line 14. Is discharged to the outside. Here, the air contained in other combustion exhaust gas adjusts the composition and amount of the combustion exhaust gas.
[0050]
On the other hand, in the anode 3, carbonate ions are
Embedded image
CO₃ ^2-→ CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e⁻
In this reaction, carbon dioxide and oxygen are separated regardless of the composition of the combustion exhaust gas, and carbon dioxide is about 67 vol% and oxygen is about 33 vol%. It is sent to the microorganism treatment unit 20 through the treatment anode discharge line 19. Here, approximately 67 vol% carbon dioxide and approximately 33 vol% oxygen in the high-concentration separation gas are higher in concentration than carbon dioxide and oxygen in the air.
[0051]
In the microorganism treatment unit 20, microorganisms are activated by oxygen in the high-concentration separation gas, thereby converting oxygen to produce higher-concentration carbon dioxide. The higher-concentration carbon dioxide is discharged from the treatment gas discharge line. It is discharged from the water 21 and collected by removing water by the collecting means.
[0052]
Thus, according to the fifth example, the combustion exhaust gas is processed by the separation device 8 to separate carbon dioxide and oxygen to produce a high purity and high concentration separated gas of carbon dioxide and oxygen. Can be purified to a high concentration. In addition, since the activity of microorganisms in the microorganism treatment unit 20 generates a higher concentration of carbon dioxide using a high concentration of oxygen in the high concentration separation gas, the higher concentration of carbon dioxide can be easily recovered and a large amount of power can be recovered. Can be eliminated and the cost can be reduced. Furthermore, since the high-concentration separation gas sent to the microbial treatment unit 20 does not contain nitrogen, it not only has an adverse effect on the activity of fine substances, but also reduces the gas discharged from the microbial treatment unit 20 to NOx. Can do. In addition, the microorganism treatment unit 20 can treat organic waste by selecting the type of aerobic microorganisms, and can treat quickly with high-concentration oxygen.
[0053]
Note that the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration in the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other high-concentration oxygen in the high-concentration separation gas generated in the separation apparatus can be used. The combustion exhaust gas may be a combustion exhaust gas generated by other combustion such as an internal combustion engine in place of the combustion exhaust gas by the combustion engine section, and various other modifications within the scope not departing from the gist of the present invention Of course, can be added.
[0054]
【The invention's effect】
According to the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration according to the present invention, the following various excellent effects can be obtained.
[0055]
I) According to claim 1, by treating the flue gas generated in the combustion engine section with a separator, the carbon dioxide and oxygen are separated from the flue gas to obtain a high purity and high concentration separated gas of carbon dioxide and oxygen. As a result, carbon dioxide and oxygen can be purified and concentrated. Also, since the high concentration separation gas is returned to the combustion engine section instead of air and burned, the high concentration oxygen in the high concentration separation gas is used to produce a higher concentration of carbon dioxide, resulting in a higher concentration. The carbon dioxide can be easily recovered so that a large amount of power is unnecessary and the cost can be reduced. Furthermore, since the high-concentration separated gas that is returned to the combustion engine section instead of air does not contain nitrogen, the combustion exhaust gas discharged from the combustion engine section can be reduced in NOx. Furthermore, when unburned components are contained in the combustion exhaust gas, the unburned components are burned in the separation device, so that the amount discharged to the outside can be greatly reduced.
[0056]
II) According to claim 2, by treating the other combustion exhaust gas with the separation device, carbon dioxide and oxygen are separated from the other combustion exhaust gas to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen. Carbon dioxide and oxygen can be purified and concentrated. In addition, since the high-concentration separated gas is sent to the combustion engine section instead of air and burned, the high-concentration oxygen in the high-concentration separated gas is used to produce a higher concentration of carbon dioxide, resulting in a higher concentration. The carbon dioxide can be easily recovered so that a large amount of power is unnecessary and the cost can be reduced. Furthermore, since the high-concentration separated gas sent to the combustion engine section instead of air does not contain nitrogen, the combustion exhaust gas discharged from the combustion engine section can be reduced in NOx. Furthermore, it is possible to reduce unburned components in the exhaust gas.
[0057]
III) As shown in claim 3, a microorganism treatment section provided with aerobic microorganisms, and a microorganism treatment anode discharge line leading from the anode of the separation apparatus to the microorganism treatment section, the dioxide generated at the anode of the separation apparatus A high-purity and high-concentration separation gas of carbon and oxygen is sent to the microbial treatment section via the microbial treatment anode discharge line, thereby improving the microbial activity. High concentration of carbon dioxide is produced by using high concentration of oxygen in the concentration separation gas, so that higher concentration of carbon dioxide can be easily recovered to make a lot of power unnecessary and to further reduce the cost. be able to.
[0058]
IV) According to claim 4, by treating the combustion exhaust gas with a separation device, carbon dioxide and oxygen are separated to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen. The concentration can be increased. In addition, because of the activity of microorganisms in the microorganism treatment section, high concentration of carbon dioxide is produced by using high concentration of oxygen in the high concentration separation gas. It can be made unnecessary and the cost can be reduced. Furthermore, since the high-concentration separation gas sent to the microbial treatment section does not contain nitrogen, it not only has an adverse effect on the activity of fine substances, but also can reduce the NOx emitted from the microbial treatment section. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a first example of an embodiment for carrying out the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a separation apparatus used in the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration in the first example.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a second example of an embodiment for carrying out the method for purifying oxygen and carbon dioxide according to the present invention and the concentration treatment method.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a separation apparatus used in the second example of the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a third example of the embodiment for carrying out the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration according to the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a fourth example of an embodiment for carrying out the method for purifying oxygen and carbon dioxide and increasing the concentration according to the present invention.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a fifth example of the embodiment for carrying out the method for purifying oxygen and carbon dioxide according to the present invention and for increasing the concentration.
FIG. 8 is a conceptual diagram showing combustion in a combustion engine unit.
[Explanation of symbols]
1 Combustion engine
2 Cathode
3 Anode
4 Electrolyte plate
8 Separation device
11 Combustion engine
12 Combustion exhaust gas supply line
15 Anode discharge line for combustion engine
17 Combustion exhaust gas supply line
19 Anode discharge line for microbial treatment
20 Microorganism treatment department

Claims

A separator having a molten carbonate electrolyte plate between the cathode and the anode, a combustion engine section for burning the fuel to generate combustion exhaust gas, and a combustion exhaust gas supply line for flowing the combustion exhaust gas from the combustion engine section to the cathode of the separator And an anode discharge line for a combustion engine section that leads from the anode of the separation device to the combustion engine section, and carbon dioxide and oxygen in the combustion exhaust gas flowing into the cathode from the combustion exhaust gas supply line are:

To generate carbonate ions, which are transferred to the anode through the electrolyte plate to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen,
The high-concentration separated gas is returned to the combustion engine part instead of air through the anode discharge line for the combustion engine part.

A separation device comprising a molten carbonate electrolyte plate between the cathode and the anode, a combustion engine section for producing combustion exhaust gas by burning fuel, a combustion exhaust gas supply line for flowing other combustion exhaust gas to the cathode of the separation device, and the separation An anode discharge line for the combustion engine part leading from the anode of the apparatus to the combustion engine part,
Carbon dioxide and oxygen in the combustion exhaust gas flowing into the cathode from the combustion exhaust gas supply line are:

To generate carbonate ions, which are transferred to the anode through the electrolyte plate to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen,
The high-concentration separation gas is sent to the combustion engine part instead of air through the anode discharge line for the combustion engine part.

A microorganism treatment section provided with aerobic microorganisms, and an anode discharge line for microorganism treatment leading from the anode of the separation device to the microorganism treatment section,
The high-purity and high-concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen generated at the anode of the separation device is sent to a microorganism treatment section through an anode discharge line for microorganism treatment, thereby improving the activity of microorganisms. 2. The method for purifying oxygen and carbon dioxide according to 2, and increasing the concentration.

From a separator having a molten carbonate electrolyte plate between the cathode and the anode, a combustion exhaust gas supply line for flowing the combustion exhaust gas to the cathode of the separator, a microorganism treatment section having aerobic microorganisms, and an anode of the separator A microorganism treatment anode discharge line leading to the microorganism treatment section,
Carbon dioxide and oxygen in the combustion exhaust gas flowing into the cathode from the combustion exhaust gas supply line are:

To generate carbonate ions, which are transferred to the anode through the electrolyte plate to produce a high purity and high concentration separation gas of carbon dioxide and oxygen,
The high-concentration separation gas is sent to a microorganism treatment section through an anode discharge line for treating fine substances, thereby improving the activity of microorganisms, and a method for purifying and increasing the concentration of oxygen and carbon dioxide, .