CN105709563B - 吸收式去除和浓缩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能对二氧化碳进行去除或者浓缩来确保高回收效率的吸收式二氧化碳去除和浓缩装置。具有保持二氧化碳吸收剂的蜂窝式转子(1)，将蜂窝式转子(1)至少分割为处理区(2)和再生区(4)，使加热再生用空气与处理空气的任一者或者两者由加湿单元(7)进行加湿后通过各区，从而能提高吸收性能以及浓缩性能。将蜂窝式转子(1)至少分割为处理区(2，3)和再生区(4)，使处理对象空气由处理用加湿单元(7)进行加湿后通过处理区(2)，并使通过处理区(2)后的处理空气的一部分或者全量再次通过处理区(3)，从而能进一步提高吸收性能以及浓缩性能。

Description

吸收式去除和浓缩装置
技术领域
本发明涉及例如使用保持有碳酸钾、胺添附多孔质材、弱碱性离子交换树脂等二氧化碳气体吸收剂的蜂窝式转子(honeycomb rotor)，从处理对象空气之中分离出包含于处理对象空气的二氧化碳，例如以去除大楼等室内的二氧化碳为目的，或者以对塑料大棚或植物工厂等供应经浓缩的高浓度的二氧化碳为目的等，对应于不同目的而能去除和浓缩二氧化碳的吸收式去除和浓缩装置。
背景技术
现有技术中，作为能以浓缩状态且低温下从处理对象空气之中分离去除气体状的去除对象物质的装置，例如如专利文献1、2所述，已知有吸装卸式浓缩装置，其使用用于保持吸附材的通气性的吸附转子以及再生用加热和加湿单元、排气用加热和加湿单元。
另外，当前，作为二氧化碳的分离回收技术之一，已知有基于胺水溶液的化学吸收法。胺水溶液为了从吸收了二氧化碳的胺水溶液之中分离出(加热再生胺水溶液)二氧化碳，需要莫大的能量，因此期望再生能量的减少。作为其解决策略之一，推进了固体吸收剂的开发。固体吸收剂能减少在再生时与水溶液系中存在的多余的水分的加热有关的能量。
利用胺水溶液的二氧化碳的吸收过程如非专利文献1所述，一般由下式示出。
一级胺(R－NH2)
Figure BDA0000882606320000011
Figure BDA0000882606320000012
Figure BDA0000882606320000013
二级胺(R1R2－NH)
Figure BDA0000882606320000014
Figure BDA0000882606320000021
Figure BDA0000882606320000022
在二氧化碳吸收液能通过第二个所示的路径[2a][2b][4a][4b]来进行二氧化碳吸收时，基于[1]或者[3]所示的反应，反应热变小，有能减少脱离再生的能量这样的优点。即，在使用担载胺的固体吸收剂的情况下，例如吸收摄氏15℃(以下，将温度全部设为“摄氏”)、脱离45℃这样的低温条件下，认为会发生[2a][2b][4a][4b]所示的反应。其中，这些反应是在有水存在的前提下进行的，因此水分(湿度)的共存是必须的。
三级胺不具有NH结合，因此在此示出的反应不发生，例如在吸收15℃、脱离45℃这样的低温条件下不呈现二氧化碳的吸收脱离性能。
胺水溶液还具有臭味或劣化的问题，因此为了减轻该问题，降低再生温度是重要的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2012－61389号公报
专利文献2：JP特开2012－115773号公报
非专利文献
非专利文献1：公益财团法人地球环境产业技术研究机构平成22年
二氧化碳回收技术高度化事业成果报告书
专利文献1、2所公开的是，通过吸附材的吸附·解吸，从处理对象空气之中分离去除气体状的去除对象物质，使加热后的低温的再生用空气成为加湿状态，以通过水分从吸附材赶出处于吸附状态的去除对象物质的形态进行置换解吸，使处于吸附状态的去除对象物质在再生区从吸附材向再生用空气高效地解吸。
然而，专利文献1、2中记载的是，例如，若想要使用一般的沸石作为二氧化碳的吸附材，通过与水分的置换解吸来分离二氧化碳，则水分将吸附于沸石的细孔，沸石的二氧化碳吸附能力会显著下降，其结果是，装置的物质回收率η(即，在处理区通过吸附从处理对象空气之中分离去除去除对象物质的效率)会显著下降，因此无法进行基于加热·加湿的运行。
另外，即使使用胺的水溶液，再生例如也需要120℃这样的高温从而需要大量的能量。另外，以高温进行再生也会产生劣化或臭味的问题。
若取代沸石而使用担载胺的固体吸收剂作为二氧化碳吸收剂，且使用水蒸气来作为在再生区通风的再生用气体，则将得到由担载胺的固体吸收剂给出的二氧化碳解吸以及湿度的效果，但需要锅炉的设备，从而成为昂贵且能量消耗多的装置。
发明内容
鉴于该事实，本发明的主要课题在于，提供一种吸收式去除和浓缩装置，通过使用担载胺的固体吸收剂这样的二氧化碳的吸收剂对低温的再生空气进行加湿，从而在抑制再生能量的同时将装置的物质回收率η确保得较高。通过在担载胺的固体吸收剂的情况下以低温进行再生，从而前述的劣化或臭味的问题也减轻。
本发明为了解决以上那样的课题，提供一种吸收式去除和浓缩装置，具有保持有二氧化碳的吸收剂的蜂窝式转子，将该蜂窝式转子至少划分为处理区和再生区，通过使处理对象空气在处理区通风，从而使该处理对象空气所含的二氧化碳被转子部分的保持吸收剂吸收而从处理对象空气之中分离去除，通过使再生用空气在再生区通风，从而使该保持吸收剂在所述处理区吸收到的二氧化碳被再生用空气脱离而对转子部分的保持吸收材进行再生，所述吸收式去除和浓缩装置具有湿度调整单元，该湿度调整单元用于提高在所述再生区通风的再生用加热空气与在处理区通风的处理空气的任一者或者两者的相对湿度。此外，再生用湿度调整单元优选在加热后进行加湿，但也可以在加湿后进行加热。
若使用高湿度空气作为在再生区通风的再生用空气，则不仅能减少因来自吸收剂的水分脱离所带来的能量损失，而且担载胺的固体吸收剂那样的需要水分的共存的吸收剂变得容易反应。另外，若通过对再生区的再生用空气进行加湿来维持吸收剂的含水率，则能在使用低温的再生用空气的同时，有效地避免在再生区发生脱离不足的状态。另一方面，在处理区保证吸收剂的含水，因此能有效地吸收二氧化碳。
若在再生区对外部气体或与室内相同程度的湿度的空气进行加热来再生，则再生空气变为低相对湿度，再生能量会被水分的脱离所消耗。结果，二氧化碳脱离性能下降，但通过对再生空气进行加湿以成为高湿度空气，水分的脱离将被抑制，且二氧化碳脱离性能得以提高。
若在处理区通过加热式以外的气化式、水喷雾式、超声波式来对处理对象空气进行加湿，则处理对象空气的温度因气化冷却效应降低而二氧化碳的吸收性能得以提高，且具有在处理区吸湿后的水分在再生区脱离从而对再生循环系路提供湿度的效果。在此情况下，前述的水分的脱离所致的再生能量的消耗会临时发生，但在再生循环系的空气被保证为高湿度时，将抑制基于再生空气的水分的脱离，因此处理区中的吸湿也变少。在以去除大楼等的室内的二氧化碳为目的进行使用的情况下，尤其在冬期～中间期，还具有防止供气过于干燥的效果。此外，关于处理对象空气的加湿手段，可以将处理对象空气的温度由冷却器进行降低，并提高其相对湿度。
在再生区脱离出的水分和热量兼用再生循环系路、全热交换器等，从而能对再生入口提供湿度和温度。
再生入口的温度在得到所要的物质回收效率η的范围内被期望极低，若对再生用空气进行加湿，则能使再生区入口小于100℃。作为加湿单元，能采用水加热式、气化式、水喷雾式、超声波式等各种方式的加湿装置。
发明效果
本发明的吸收式去除和浓缩装置采用前述的构成，通过在处理区使处理对象空气通风，从而使该处理对象空气所含的二氧化碳被转子部分的保持吸收材吸收而从处理对象空气之中分离去除，通过在再生区使再生用空气通风，从而使该保持吸收材在所述处理区吸收到的二氧化碳被再生用空气脱离，而对转子部分的保持吸收材进行再生。另外，通过对于在处理区通风的处理对象空气或对在加热再生区通风的再生用空气的任一者或两者进行加湿，从而能期待二氧化碳的去除和浓缩性能的提高。
若使室内的交换气体通过本发明的吸收式去除和浓缩装置的处理区，则出口空气的二氧化碳浓度变低，通过将其供应给大楼等二氧化碳浓度高的室内，能降低室内的二氧化碳浓度。在此情况下，能大幅减少为了降低室内的二氧化碳浓度而导入的外部气体量，因此与通常的换气相比更节能。另外，关于已通过本发明的吸收式去除和浓缩装置的再生区后的再生出口空气，其二氧化碳浓度变高，因此若导入至塑料大棚、植物工厂等的植物的培养室，则植物的生长变快，且能抑制二氧化碳向环境的排放。可以使用由本发明的吸收式去除和浓缩装置处理后的再生出口空气和处理出口空气这两者，在去除室内的二氧化碳的同时，将再生区的高浓度的二氧化碳供应给塑料大棚。关于本发明的吸收式去除和浓缩装置，例如以处理出口空气对大楼进行空气调节、且将室内因热等产生的二氧化碳供应至设置于大楼的楼顶的塑料大棚来促进植物的生长这样的二氧化碳的循环空气调节也成为可能。
进而通过与具有挥发性有机化合物(以下记为VOC)或氨等的臭气物质的吸附能力的蜂窝式转子进行组合，能进一步提高室内空气质量。
附图说明
图1是本发明的吸收式去除和浓缩装置的实施例1中的流程图。
图2是本发明的吸收式去除和浓缩装置的实施例2中的流程图。
图3是本发明的吸收式去除和浓缩装置的实施例3中的流程图。
图4是表示再生区出口处的二氧化碳的浓度与再生用空气的绝对湿度的相关的曲线图。
图5是表示再生区出口处的二氧化碳的浓度与再生用空气的焓的相关的曲线图。
图6是本发明的吸收式去除和浓缩装置的实施例1的变形例中的流程图。
图7是表示相对于再生入口与处理入口的焓差的二氧化碳去除率的曲线图。
图8是表示相对于转子表面风速的二氧化碳去除率的曲线图。
附图标记的说明
1 蜂窝式转子
2 处理区
3 处理区
4 再生区
5 再生用加热器
6 再生用加湿单元
7 处理用加湿单元
8 全热交换器
具体实施方式
本发明具有带二氧化碳吸收功能的蜂窝式转子，并将蜂窝式转子至少分割为处理区与再生区。具有如下作用：使处理对象空气在处理区通风，从处理对象空气之中分离去除二氧化碳，使再生用空气在再生区通风，使二氧化碳脱离。构成为设置湿度调整单元，该湿度调整单元用于提高在再生区通风的再生用加热空气与在处理区通风的处理空气的任一者或者两者的相对湿度。
(实施例1)
以下，基于图1来详细说明本发明的吸收式去除和分离装置的实施例。1是蜂窝式转子，是将陶瓷纤维纸等的不燃性的片材加工成泡孔条纹(带波形)并卷绕成转子状进行加工而成，担载有碳酸钾(重碳酸钾)、碳酸钠(重碳酸钠)等的无机系吸收剂、三乙乙醇胺、单乙醇胺等的有机系吸收剂、或者弱碱性离子交换树脂。
蜂窝式转子1被分割为处理区2和再生区4。在处理区2，室内空气由风机等(是通常的风机，故未图示)供应。
使处理对象空气在处理区2通风，使处理对象空气所含的二氧化碳被转子部分的吸收剂吸收而从处理对象空气之中分离去除，从而二氧化碳的浓度降低。
在再生区4，将由加热器5加热后的再生用空气在再生用加湿单元6中通风，使转子吸收的二氧化碳被再生用空气脱离，对处于区内通过过程的转子部分的保持吸收剂进行再生。
(实施例2)
如图2所示，蜂窝式转子1被分割为处理区2、处理区3和再生区4。在处理区2，室内空气由风机等(是通常的风机，故未图示)供应。
使处理对象空气在处理用加湿单元7中通过，在处理区2通风，使处理对象空气所含的二氧化碳被转子部分的吸收剂吸收而从处理对象空气之中分离去除。然后，使该处理出口空气的一部分或者全部在处理区3通过，进而去除二氧化碳，从而二氧化碳的浓度降低。
在再生区4，对已通过再生区4的已使用再生用空气与外部气体进行混合，使由加热器5加热后的再生用空气在再生用加湿单元6中通风，使吸收的二氧化碳被再生用空气脱离，对处于区内通过过程的转子部分的保持吸收剂进行再生。通过使再生用空气的一部分循环，进一步提高二氧化碳的浓度。
(实施例3)
如图3所示，通过使实施例2的再生出口空气与外部气体分别在全热交换器8的不同的流路上通过来回收焓，降低再生能量。不仅是实施例2，在其他的实施例中，也能结合全热交换器对焓高的再生出口空气与再生用外部气体进行热交换，来谋求节能效果。
以上是吸收式去除和浓缩装置的构成的说明，以实施例2为例，在加入空气条件的同时说明动作。首先，图4所示的例子是将此处低温再生用空气(55℃)的绝对湿度设为4～30g/kg’的情况下对二氧化碳的再生区出口浓度进行比较的例子(二氧化碳浓度：450ppm)。处理区的处理对象空气的条件是：二氧化碳浓度为1000ppm、温度为23℃、绝对湿度为12.3g/kg’(相对湿度70％)、表面风速为2.0Nm/s。
从该例可知，越提高低温(55℃)的再生用空气的绝对湿度，即越进行加湿来提高水分浓度，则越能将再生区出口空气的二氧化碳的浓度(即在再生区中从吸收剂脱离出的二氧化碳的浓度)确保得高，换言之，通过加湿来防止水分脱离的能量损失，处于吸收状态的二氧化碳高效地从吸收剂脱离。
图5所示的例子示出了，在再生用空气的温度无论是40℃还是55℃的情况下，若通过加湿来使焓相等，则再生区出口的二氧化碳浓度变得几乎相等。即，通过加湿来提高焓，从而即使再生用空气的温度低，也能提高二氧化碳分离性能。
为了观察再生入口侧与处理入口侧的焓会对二氧化碳去除带来怎样的影响，在图1的装置的处理入口侧设置湿度调整单元和温度调整单元，以直径200mm、宽度200mm的蜂窝式转子、处理入口温度21～22℃、再生入口温度45℃、处理入口二氧化碳浓度800ppm、再生入口二氧化碳浓度500ppm进行了试验。图7示出以将从再生入口焓中减去处理入口焓而得到的值作为横轴、且将二氧化碳去除率的值作为纵轴的曲线图。基于该曲线图可知，再生入口焓与处理入口焓之差越大，则二氧化碳分离性能越高。因此，在本发明的吸收式去除和浓缩装置中，通过将处理入口侧的温度由冷却器等进行降低从而来减小处理入口焓，且对再生入口侧进行加湿来提高再生入口焓，从而能提高二氧化碳去除率。另外，可以在处理入口侧与再生入口侧设置温湿度测量装置等，对处理入口空气和再生入口空气的焓进行测量，并通过其值来控制二氧化碳去除率。此外，若该焓差越大，则根据运行条件，较之于处理入口侧的湿度，处理出口侧的湿度变高，而成为加湿运行。在冬季等室内湿度变低的情况下进行这样的运行，二氧化碳去除率变高还能进行加湿，因此成为有效的运行方法。
图8的曲线图示出了，在相同的试验装置中，将再生入口焓与处理入口焓之差设为45～50kJ/kg’，改变转子表面风速(通过蜂窝式转子的各区的空气的速度)来调查二氧化碳去除率的试验。此外，设处理侧与再生侧的转子表面风速相同。即使使转子表面风速比该曲线图快2m/s，二氧化碳去除率也未下降太多。由此可知，在本发明的吸收式去除和浓缩装置中，能通过逆变器等来控制处理用风机和再生用风机的输出，在想要提高二氧化碳去除的情况下降低转子表面风速，在想要增加二氧化碳去除量的情况下提升表面风速，如此控制装置是有效的。
进而，若将弱碱性离子交换树脂与弱酸性离子交换树脂进行混合后担载于蜂窝式转子，则除了二氧化碳之外，还能去除SOx、NOx等酸性气体和氨等碱性气体。此外，可以与利用活性碳、疏水性沸石、合成吸附剂的转子进行组合。在此情况下，蜂窝式转子还具有能吸附去除室内的臭气、VOC的功能。
本发明使用二氧化碳的吸收剂来在处理区对处理对象空气所含的二氧化碳进行吸收，在30～80℃或40～80℃通过加热·加湿后的再生用空气来使处理区吸收的二氧化碳进行脱离，从而与在再生区使用高温再生用空气的情况相比，更节能。
关于已通过本发明的吸收式去除和浓缩装置的处理区的处理出口空气，其二氧化碳浓度变低，因此通过向大楼等的二氧化碳浓度变高的室内进行供应，能降低室内的二氧化碳浓度。在此情况下，能大幅减少为了降低室内的二氧化碳浓度而导入的外部气体量，因此与通常的换气相比更节能。另外，关于已通过本发明的吸收式去除和浓缩装置的再生区的再生出口空气，其二氧化碳浓度变高，因此若将其导入塑料大棚、植物工厂等的植物的培养室，则植物的生长变快，且能抑制二氧化碳向环境的排放。可以在使用再生出口空气与处理出口空气的两者，在去除室内的二氧化碳的同时，将再生区的高浓度的二氧化碳供应给塑料大棚。例如，关于本发明的吸收式去除和浓缩装置，从室内空气之中去除因热等产生的二氧化碳而以低浓度二氧化碳的处理出口空气对大楼进行空气调节，并将二氧化碳为高浓度的再生出口空气供应至设置于大楼的楼顶等的塑料大棚来促进植物的生长，这样的二氧化碳的循环空气调节也成为可能。

Claims (13)

1.一种吸收式去除和浓缩装置，具有带二氧化碳的吸收功能的蜂窝式转子，将所述蜂窝式转子至少分割为处理区和再生区，通过使处理对象空气在所述处理区通风，从而使该处理对象空气所含的二氧化碳被转子部分的保持吸收剂吸收而从处理对象空气之中分离去除，通过使再生用空气在所述再生区通风，从而使保持吸收剂在所述处理区吸收到的二氧化碳被再生用空气脱离而对转子部分的保持吸收材进行再生，
进行控制以由冷却器使处理入口侧的处理对象空气的温度下降和/或由湿度调整单元提高在所述再生区通风的再生用加热空气的相对湿度，从而使再生入口焓高于处理入口焓。
2.根据权利要求1所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
将气化式、水喷雾式或者超声波式非加热式的加湿器设置为所述湿度调整单元，以由该湿度调整单元提高在所述处理区通风的处理用空气的相对湿度。
3.根据权利要求1所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
将冷却器设置为所述湿度调整单元，以由该湿度调整单元提高在所述处理区通风的处理用空气的相对湿度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
将水加热式、气化式、水喷雾式或者超声波式的加湿器设置为所述湿度调整单元，以由该湿度调整单元提高在所述再生区通风的空气的相对湿度。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
二氧化碳的吸收材是担载胺的固体吸收剂。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
使已通过所述处理区的已使用处理空气的一部分或者全量作为循环处理用空气与所述处理用空气一起通过所述处理区。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
使已通过所述再生区的已使用再生用空气的一部分作为循环再生用空气与所述再生用空气一起通过所述再生区，由再生用加热单元对所述再生用空气或所述循环再生用空气进行加热，并以被所述再生用加湿单元加湿后的状态在所述再生区通风。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
使得能够在所述再生区通风的再生用空气的入口和出口设置全热交换器来进行全热回收。
9.根据权利要求1所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
将蜂窝式转子1至少分割为第一处理区(2)、第二处理区(3)和再生区(4)，使处理对象空气由处理用加湿单元(7)进行加湿后通过所述第一处理区(2)，使已通过所述第一处理区(2)的已使用处理用空气的一部分或者全量再次通过所述第二处理区(3)。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
与包括具有二氧化碳的吸收性能的蜂窝式转子、具有湿气吸附或吸收功能的蜂窝式转子、具有SOx、NOx酸性气体的吸附或吸收功能的蜂窝式转子、具有碱性气体的吸附或吸收功能的蜂窝式转子以及具有VOC吸附功能的蜂窝式转子之中的任一者的蜂窝式转子进行组合。
11.根据权利要求5所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
所述担载胺的固体吸收剂是具有一级胺和/或二级胺作为官能基的弱碱性离子交换树脂。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
通过控制再生入口焓与处理入口焓之差，来控制二氧化碳去除率。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的吸收式去除和浓缩装置，其中，
通过使再生入口转子表面风速与处理入口转子表面风速相同，并控制所述转子表面风速，从而控制二氧化碳去除率和二氧化碳去除量。
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